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Verfahren zum Kompensieren der Schwingung eines bereiften Rades Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kompensieren der Schwingung eines bereiften
Rades, bei dem das bereifte Rad umläuft, während sein Umfang durch eine Kraft belastet
gegen eine Fläche anliegt, und bei dem die Schwingungen erfasst werden. Es ist ein
Verfahren bekannt (SAE-Paper No. 322E - SAE Journal Juni 1961), bei dem Vertikaischwingungen
aufgezeichnet werden. In der verwendeten Maschine ist das bereifte Rad drehbar an
einem schwenkbaren Hebel gelagert und wird durch eine umlaufende Trommel angetrieben,
wobei sein Umfang durch eine Kraft gegen die Trommel gehalten ist.
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Bei dem bekannten Verfahren wird das bereifte Rad langsam gedreht,
so dass die Eigenfrequenz der bewegten Nasse weit oberhalb des Betriebsfrequenzenbereichs
liegt. Die hierbei erzielten Aufzeichnungen sind lediglich eine Schar zyklisch wiederholter
Kurven, die die Vertikalschwingung und verschiedenen Harmonischen der Vertikalschwingungskurve
anzeigen. Das bekannte Verfahren stellt lediglich eine Form einer Analysis dar,
gibt jedoch keine Abhilfe für die analysierten Bedingungen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Vertikalschwingung eines
bereiften Rades und damit sein Schütteln zu verringern. Der Begriff Vertikalschwingung
ist hierbei im üblichen Sinne benutzt, nämlich als Bezeichnung für die zyklische
Änderung des radialen Abstandes zwischen der Drehachse des Rades und der Berührungsfläche
des Reifens mit der Fläche, über die das belastete bereifte Rad läuft.
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Die gestellte Aufgabe wird durch das erfindungsl gemässe Verfahren
dadurch gelöst, dass das bereifte Rad mit einer Drehzahl angetrieben wird, bei der
seine zyklische Verlagerung durch Schwingungen des bereiften Rades in seiner Eigenfrequenz
ereugt wird, dass ein Impuls, der die Stärke der Verlagerung und deren Phasenverschiebung
zu einer Vergleichsphase anzeigt, gewonnen und einem Anzeigegerät zugeleitet wird,
das den Impuls in eine Anzeige der Winkellage der Quelle der Schwingung und eine
Anzeige der Graae des Ausgleichsgewichts, das geeignet ist, die w hwingungsbedingte
Verlagerung
zu verringern, umwandelt, und dass an dem bereiften Rad ein Ausgleichsgewicht der
angezeigten Grbsse in der angezeigten Winkellage zugefügt wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. In
der beigefügten Zeichnung wird das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.
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In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 eine
schematische Darstellung des Prinzips der Kompensation der Vertikalschwingung, Fig.
3 eine schematische Darstellung des Prinzips der gleichzeitigen Kompensation der
Vertikalschwingung und einer statischen Unwucht eines bereiften Rades durch Zufügen
eines Ausgleichsgewichts und Fig. 4 Kurvenbilder der Amplitude der Schwingung des
bereiften Rades über der Geschwindigkeit vor und nach Kompensation der Vertikal
schwingung.
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Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 hat einen Arm 10, an dem drehbar ein
bereiftes Rad 12 gelagert ist, das geprüft werden soll. Das bereifte Rad 12 hat
einen üblichen nachgiebigen vorzugsweise pneumatischen Reifen, der von der üblichen
Rad scheibe getragen ist. Der Arm 10 ist schwenkbar um einen Zapfen 14 gelagert
und eine Niederhaltefeder 16 belastet das bereifte Rad 12, um es mit seinem Umfang
mit der Antriebsoberfläche einer zylindrischen Trommel 18 zu bringen. Die von der
Niederhaltefeder 16 auf das bereifte Rad 12 ausgeübte Kraft entspricht im wesentlichen
der, die bei dem in ein Fahrzeug eingebauten Rad auftritt. Der Antrieb der Trommel
18 erfolgt durch einen üblichen Elektromotor 20 veränderlicher Drehzahl.
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Die Anordnung des bereiften Rades 12 in der Vorrichtung ist so, dass
jegliche Vertikalschwingung des bereiften Rades 12 in einer vertikalen Ebene erfolgt,
die im wesentlichen parallel zu der Ebene oder in der Ebene liegt, die durch die
Drehachsen des bereiften Rades 12 und der Trommel 18 gegeben ist. Die Trommel 18
wird hierbei mit einer Drehzahl angetrieben, die eine in Richtung der Vertikalschwingung
liegende Kraft bei oder etwas oberhalb der EigenfreQuenz, des bereiften Rades liegenden
Frequenz erzeugt.
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Die antreibende Oberfläche kann auch eine geradlinige Bewegung ausführen
oder aus einer Reihe von Walzen
bestehen. Falls es gewünscht ist,
kann ein bereiftes Rad auf ein Kraftfahrzeug montiert geprüft werden, indem die
erforderliche Drehung des bereiften Rades mit einer geeigneten Antriebsfläche erfolgt,
während das Fahrzeug selbst festgehalten wird.
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Die Abweichungen der Drehachse des bereiften Rades 12 werden durch
ein Anzeigegerät 22 erfasst. Das Anzeigegerät 22 ist ein handelsübliches Gerät,
das unter der Bezeichnung PSUI von der Entwicklungsabteilung der General Motors
Corporation, Detroit, entwickelt worden ist.
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Im einzelnen ist ein Vergleichssbfühler 24 in Form einer lichtempfindlichen
Photozelle vorgesehen, der die Lage einer Markierung 26 abfühlt, um einen Phasenvergleichsimpuls
zu liefern, der eine der Winkelgeschwindigkeit des bereiften Rades 12 entsprechende
Frequenz aufweist. Es wird auf diese Weise ein elektrischer Bezugsimpuls geschaffen,
der mit einem Impuls, der die Vertikalschwingung anzeigt, verglichen werden kann,
welcher durch einen Schwingungsabfühler 28 am Arm 10 geliefert wird.
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Der Sohwingungsabfllhler 28 fühlt die Verlagerungen der Drehachse
des bereiften Rades 12 ab und liefert damit die erste Harmonische (Grundfrequenz)
der Vertikalechwingung.
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Der Schwingungsabfühler 28 könnte in abgewandelter Weise ach ein
kapazitiver oder induktiver kbfühler eein, der an geeigneter Stelle dor Vorriohtung
zum
bereiften Rad 12 angeordnet diese Verlagerungen abfühlt.
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Der Phasenunterschied zwischen dem Bezugsimpuls und dem von dem Schwingungsabfühler
28 gelieferten Impuls legt den Ort der Vertikalschwingung in Winkelrichtung fest,
während die Amplitude des Vertikalschwingungs impulses die Stärke der Vertikalschwingung
anzeigt. Diese beiden Werte können sichtbar an geeichten Anzeigeeinrichtungen 30
des Anzeigegeräts 22 abgelesen werden.
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Es sei zunächst angenommen, dass das bereifte Rad 12 statisch ausgewuchtet
ist und dass es am Umfang des Reifens eine hohe Stelle hat, die radial genau ausgerichtet
zur Markierung 26 liegt. Wenn diese hohe Stelle die Oberfläche der Trommel 18 berührt,
wird das gesamte bereifte Rad 12 nach oben bewegt, da die hohe Stelle wie die Nase
eines Nockens wirkt. Bei einem Luftreifen bewirkt dies einen Sprung des Rades, mit
anderen Worten bei jeder Umdrehung des bereiften Rades eine Verlagerung der Drehachse
des Rades nach oben.
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Derartige hohe Stellen können durch Ungenauigkeiten am Luftreifen
z. B. harte Stellen, Schweißstellen oder Uberlappungen oder durch Exzentrizitäten
an der Felge der Rad scheibe oder andere Mängel gebildet sein. Derartige Mängel
würden beim dynamischen Auswuchten nicht erfasst werden, da die hierbei erfasate
Unwucht vorwiegend ein Flattern des Rades bedingt, während die erwähnten Mängel
oder die Ursaohen einer statischen Unwucht ein bermässges
Gewicht
an einer bestimmten Stelle ist, das, wie nachstehend noch erläutert wird, Vertikalschwingungen
oder ein Springen des Rades veranlasst.
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In der schematischen Darstellung der Fig. 2 stellt M die Masse des
bereiften Rades 12 dar, während die Feder 32 der Nachgiebigkeit des Luftreifens
entspricht und der Dämpfer 34 der Dämpfung des Luftreifens gleich ist.
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Wird dieses System in der Ebene Z der Fig. 2 mit einer ironstanten
Amplitude der Verlagerung am unteren Ende der Feder 32 mit einer zyklisch veränderlichen
Frequenz in Schwingung versetzt, so entspricht die Verlagerung der Masse bei einer
konstanten Amplitude der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) der Vertikalschwingung
des bereiften Rades 12. Unter Bezugnahme auf Pig. 2 entspricht dies den Bedingungen
eines Rades, das bei Lauf über eine sinusförmige Fahrbahn keine Vertikalschwingung
aufweist, wobei die schwingungsfAquenz der Drehzahl des Rades oder der Fahrgeschwindigkeit
proportional ist. Wird nun dem bereiften Rad 12 in Fig. 1 eia Gewicht zugefügt,
ao entsteht eine zusätzliche Kraft -F, die dem Gewicht und dem Quadrat der Raddrehzahl
proportional ist. Wird die absolute Bewegung der Masse, die durch das zusätzliche
Gewicht bedingt ist, der Verlagerung am unteren Ende der Feder 32 infolge der Vertikalechwingung
gleich, jedoch in der Phase entgegengerichtet, so bewirkt das zusätzliche Gewicht
eine Kompensation
des Zusammendrückens der Feder oder des Reifen+
infolge der Vertikalechwingung bei allen Drehzahlen.
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Unter Bezugnahme auf die Einrichtung nach Fig. 1 wird ein Gewicht,
dessen Grösse durch die Amplitude der angefachten Schwingung bestimmt wird, dem
bereiften Rad 12 zugefügt, und zwar an der Nullstelle, die dadurch die Markierung
26 gegeben ist, welche wie erwähnt ala der Punkt festgestellt worden ist, der als
Quelle der angefachten Schwingung bei einem statisch ausgewuchteten bereiften Rad
festgestellt worden ist. Die von dem Gewicht entwickelte Fliehkraft gleicht dann
die senkrechte durch die hohe Stelle bewirkte Bewegung aus und nach einer halben
Umdrehung erfolgt eine gleiche Wirkung dieses Gewichtes in entgegengesetzter Richtung,
um die Abwärtsbewegung des bereiften Rades 12 zu kompensieren. Auf diese Weise ist
die Schwingungsanfachung, die ein Springen dea Rades ergeben kann, im wesentlichen
unterdrückta In Fig. ¢ zeigt die obere Kurve, das. bei Fahrgeschwindigkeiten zwischen
96,6 und 112,7 km/h die Amplitude der Vertikalschwingung einen Höchstwert aufweist,
während die untere Kurve zeigt, dass nach dem Kompensieren der Vert@alschwingung
deren Amplitude über den gesamten Geschwindigkeitsber.ich verhältnismässig konstant
ist.
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In Fig, 3 ist erläutert, dass durch eine einzige Kompensation der
Vertikalschwingung zugleich auch eiue etwa vorhandene statische Unwucht kompensiert
werden kanli. Ein Gewicht 36 von 56,70 Gramm ist an dem bereiften Red 12 zum Ausgleich
einer Unwucht, die durch einen schwereren Bersich, der 180° von dem Gewicht 36 entfernt
liegt, bedingt ist, angebracht. Ferner ist ein Ausgleichsgewicht 38 von 28,35 gr
an einer Stelle angebracht, in der es die Vertikalschwingung kompensiert. Das Vektordiagramm
in Fig. 3 zeigt, dass die Wirkung der beiden Ausgleichsgewichte 36 und 38 durch
ein einziges Gewicht von 42,524 gr erzielt werden kann, das an einem Punkt 40 an
dem bereiften Rad angebracht wird, der in der Diagonalen des Gewichteparallelogramms
liegt. Dieses Ausgleichsgewicht 40 kompensiert sowohl die statische Unwucht als
auch die Vertikalschwingung. Das Anzeigegerät 22 kann so ausgebildet werden, dass
es die Grösse dieses zuzufügenden Gewichts anzeigt, so dass es nicht erforderlich
ist, zwei Prüfvorgänge an dem bereiften Rad 12 vorzunehmen, nämlich eine Prüfung
der statischen Unwucht und eine der Vertikalschwingung.
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In der Tat kann die Vertikalschwingung eine statische Unwucht erzeugen.
Es ist daher erwünscht, da die sich ergebende Vertikalschwingung, die sowohl durch
statische Unwucht als durch hohe Stellen oder sonstige
Mängel gegeben
ist, von dem Anzeigegerät 22 abgefühlt und angezeigt wird, um eine gleichzeitige
Kompensation der statischen Unwucht und der Vertikalachwingung vornehmen zu können.
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Die Darstellung der Fig. 3 zeigt auch, dass die alleinige Kompensation
der statischen Unwucht im allgemeinen die Vertikalschwingung vergrössert anstatt
sie zu verringern. In der Annahme, dass das bereifte Rad 12 einen schwereren Teil
an der Stelle des Ausgleichsgewichts 38 aufweist, müsste das Ausgleichsgewicht 36
für die statische Unwucht 1800 von diesem schwereren Teil entfernt vorgesehen werden,
nämlich genau diametral zu diesem liegen. In diesem Falle würde aber das Auagleict
gewicht 36 für die statische Unwucht die Kraft der Vertikalschwingung verstärken,
da sich die Fliehkraft des Gewichtes 36 addieren wUrde.
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Die Arbeitsweise der Einrichtung gemäss Fig. 4 ist folgende. Das
bereifte Rad 12 wird so eingebaut, dass seine Drehachse sich in einer im wesentlichen
senkrechten Ebene bewegen kann, so dass entstehende Sertikalxchwingungen ähnlich
wie in dem Fahrzeug auftreten, Hierbei erfolgt jedoch keine Kompensierung anderer
Einflüsse, beispielsweise der Vert@alschwingungen der Radnabenlager. Ferner wird
im Gegensatz @@ der vorhergehenden Annahme vorausgesetzt, das das bereifte Rad 12
statisch nicht ausgewuchtet ist. Das Ausgleichsgewicht wird daher
normalerweise
nicht an der genauen Stelle des hohen Punktes, der das Radepringen veranlasst, vorgesehen
sein.
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Um die grosste Amplitude der Vertikalachwingung zu erhalten ist es
notwendig, dass der Antriebsmotor 20 die Trommel 18 und damit das bereifte Rad 12
mit der eingangs erwähnten richtigen Drehzahl antreibt, nämlich im wesentlichen
mit der Eigenfrequenz des Rades, so dass sich in der Messebene eine maximale Amplitude
der Vertikalschwingung ergibt.
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Es ist vorteilhaft wenn mit einer Frequenz etwas oberhalb der Resonanzfrequenz
gearbeitet wird, um ein Pendeln zu verhindern, da andernfalls bei sich ändernden
Drehzahlen die Frequenz der Vertikalschwingung etwas unterhalb der Resonanzrequenz
liegen könnte, wodurch sich fehlerhafte Anzeigen ergäben.
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Infolge der Trägheit ergibt sich bei Resonanz eine Phasenverschiebung
von 90°. D.h., dass die maximale Amplitude der Schwingung infolge der Trägheit 900
nach dem Berühren der höchsten Stelle gegen die Trommel 18 eintritt. Die erste Harmonische
dieser Vertikalschwingung in dieser im wesentlichen senkrechten Ebene wird durch
das Anzeigegerät 22 gemessen. Sowohl die Phase als auch die Amplitude der ersten
Harmonischen der Vertikalschwingung enthält, wie bereits erklärt, die Einflüsse
der statischen Unwucht. Es werden entsprechende Ausgleichsgewichte ausgewählt, um
die Vertikalsohwingung mit dieser
Amplitude auszugleichen, Die
Winkellage dieser Ausgleichsgewichte wird selbsttätig von dem Anzeigegerät 22 ermittelt,
das so ausgelegt ist, dass es die erwähnte Phasenverschiebung von 900 bei Resonanz
berücksichtigt.
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Wie bereits erwähnt, wird die Lage normalerweise an einer anderen
Stelle sein als die hohe Stelle. Ergeben sich an dem bereiften Rad 12 Verhältnisse,
wie sie in Fig. S dargestellt sind, so erfolgt das Zufügen des Ausgleichsgewichts
an der Stelle 40.
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Wenn die Grösse des Ausgleichsgewichtes zur Kompensation nicht allzu
gross ist, genügt es, wenn ein Gewicht an der Felge des Rades zugefügt wird. Andererseits
ist es bei grossen erforderlichen Ausgleichsgewichten zwSkmEig, zwei Massen anzuordnen,
von denen jede an einer Seite des Rades axial ausgerichtet liegt, um eine dynamische
Unwucht zu verhindern.
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Das bereifte Rad 12 wird dann einwandfrei kompensiert sein, da die
Ausgleichsgewichte dem Anheben des bereiften Rades 12 infolge einer hohen Stelle
oder einer statischen Unwucht entgegenwirkX und nach einer halben Umdrehung ein
Anheben bewirken, also zu einer Zeit, in der das bereifte Rad nach unten fallen
will.
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In der beschriebenen Weise kann die Ursache für ein Schütteln des
Rades bestimmt und beseitigt werden.
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Mit der Kompensation der Vertikalschwingung kann zugleich eine Kompensation
einer vorhandenen statischen Unwucht erfolgen.