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Bremsenprüfstand
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach
der Gattung des Hauptanspruchs. Bei der Prüfung von Kraftfahrzeugbremsen auf Rollenprüfständen
wird neben der Bremskraft üblicherweise auch die gleichförmige Arbeitsweise der
Bremsen beobachtet. Bekannte Bremsenprüfstände verfügen über Zeigerinstrumente,
an denen die Bremskraft abgelesen werden kann. Weisen die Bremsen eine Unrundheit
auf, so macht sich di-- bei den Zeigerinstrumenten durch einen langsam schwankenden
Zeigerausschlag bemerkbar. Mit solchen Zeigerinstrumenten am Prüfstand läßt sich
aufgrund der Zeigerschwankung-n vom Prüfpersonal der Grad der Bremskraftschwankungen
abschätzen. Hierbei ist im allgemeinen nicht zu entscheiden, ob die Ursache der
Ungleîchförmigkeit von den Bremsen oder vom Rad bzw. den Reifen herrührt. Die Abschätzung
der Unrundheit aufgrund der Zeiger schwankungen ist ungenau und läßt eine exakte
Aussage über den Grad der Unrundheit der Bremse und/oder Reifen nicht zu.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Größe der Unrundheit
der Bremsen und/oder Reifen aus dem Meßsignal für die Bremskraft ermittelt werden
kann und analog oder digital anzuzeigen ist. Dadurch ist eine genaue Aussage über
die Unrundheit möglich. Ablesefehler sind nicht mehr möglich und Schätzungen aufgrund
von Zeiger schwankungen sind nicht mehr nötig. Als weiterer Vorteil ist anzusehen,
daß die Bremskraft direkt ohne Zeiger schwankungen anzeigbar ist. Dadurch ist auch
eine digitale Auswertung des Signals möglich.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung
möglich. Vorteilhaft ist es, den Bandpaß aus einem Hochpaß und einem Tiefpaß zusammenzusetzen.
Dadurch lassen sich die Filter besonders einfach realisieren, insbesondere wenn
sie als digitale Filter ausgebildet sind. Besonders günstig haben sich für die Filter
Cauer-Filter fünfter Ordnung erwiesen. Eine genaue Ablesung wird dann erreicht,
wenn die Anzeige der Unrundheit mit Ziffern erfolgt. Weiterhin ist es vorteilhaft,
einen Mittelwert der Unrundheit über mehrere Perioden der Raddrehung zu ermitteln.
Dadurch werden Meßfehler mit Sicherheit ausgeschlossen. Vorteilhaft ist es auch,
Fehlererkennungsvorrichtungen vorzusehen, so daß fehlerhafte Meßwerte nicht zur
Anzeige gelangen können. Günstig ist es zur Bestimmung der Bremskraft
ein
weiteres Tiefpaßfilter vorzusehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß auch
für die Bremskraft bei gegebener Unrundheit eine gut ablesbare Zifferanzeige erfolgt.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung, Figur 2 ein beispielhaftes Ausgangssignal des
Meßwertgebers, Figur 3 ein Strukturdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des
Mikroprozessors und Figur 4 ein weiteres Strukturdiagramm zur Bestimmung der Unrundheit.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist mit 1 ein Bremsmomentgeber
bezeichnet, wie er beispielsweise bei handelsüblichen Rollenprüfständen Verwendung
findet. Statt amplitudenproportionaler Bremsmomentgeber können auch frequenzpropotionale
Geber Verwendung finden. Das Signal des Gebers 1 wird einem Analog-Digital-Wandler
2 zugeführt. Ist ein frequenzproportionaler Meßwertgeber vorgesehen, ist ein Frequenz-Digital-Wandler
zu verwenden. Am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 2 steht nunmehr ein digitales
Wort zur Verfügung. Dieses digitale Wort wird in einer Umsetzerstufe 3 in ein der
Bremskraft proportionales Wort umgewandelt.
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In dieser Stufe können beispielsweise Nichtlinearitäten des Gebers
oder des Rollenprüfstandes und der Nullpunkt korrigiert werden. Als Umsetzer eignet
sich vorteilhafter
Weise eine Tafel, die in einem PROM gespeichert
ist.
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Jeaem Eingangssignal wird dabei ein bestimmtes Ausgangssignal zugeordnet.
An den Ausgang des Umsetzers 3 ist ein Tiefpaß 4 uri ein Tiefpaß 5 angeschlossen.
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Der Tiefpaß 4 weist beispielsweise eine Grenzfrequenz von 0,3 Hz auf.
Der Tiefpaß 5 hat beispielsweise eine Grenzfrequenz von 1 Hz. Dem Tiefpaß 5 folgt
ein Hochpaß 6, der beispielsweise eine Grenzfrequenz von 0,5 Hz aufweist. Der Ausgang
des Tiefpasses 4 und des Hochpasses 6 ist jeweils zu einem Eingang eines 24ikroprozessors
7 geführt. Die Ausgang des Mikroprozessors 7 führen zu einer Ziffern-Anzeigevorrichtung
8.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist anhand der Figuren 2
bis 4 näher erläutert. Das vom Bremsmo--mentgeber 1 aufgenommene Signal hat in etwa
die in Finicht dargestellten gur 2 dargestellte Form. Einem/Gleichantell, dem die
mittlere Bremskraft entspricht; ist ein Wechselanteil überlagert, der die zu bestimmende
Unrundheit kennzeichnet. Die Unrundheit weist die Periodendauer T auf. Die Frequenz
der Unrundheit liegt üblicherweise unter 1 bis*2 Hz. Sie ist abhängig vom Verhältnis
der Durchmesser von Fahrzeugrad zu Prüfstandsrollen und der Drehzhal der Prüfstandsrollen-.-
Durch den Analog-Digital-Wandler 2 wird dieses Signal in äquidistanten Zeiten tT
abgetastet. Die Abtastrate bestimmt sich nach dem Shannonschen Abtasttheorem und
ist abhängig von der größten vorkommenden Frequenz. In einem konkreten Ausführungsbeispiel
wurde für diese Frequenz 5 Hz gefunden. Weiterhin ist die Abtastrate zweckmäßigerweise
so zu wählen, daß sich möglichst einfache Filterkoeffizienten für die Bestimmung
des Filters ergeben, da dadurch die Rechenzeit in den Filterbausteinen gering gehalten
werden kann, so daß einfache
Mulitplizierer zu verwenden sind. Als
vorteilhaft hat sich dabei eine Abtastrate von 91,91 Millisekunden ergeben. Durch
den Umsetzer 3 kann das Gebersignal, das in vielen Fällen nichtlinear ist, in ein
der Bremskraft proportionales Signal umgesetzt werden. Die Größen sind vorteilhafterweise
in einem PROM gespeichert, so daß mit jedem digitalen Eingangswort ein bestimmter
Speicherplatz des PROMs abgerufen wird, in dem der entsprechend korrigierte Wert
der Bremskraft abgelegt ist. Zwischenwerte können noch durch Interpolation berechnet
werden, sofern eine höhere Auflösung erforderlich ist.
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Der digitale Wert am Ausgang des Umsetzers 3 wird nunmehr dem Tiefpaß
5 zugeführt. Der Tiefpaß 5 ist beispielsweise vom Cauer-Typ fünfter Ordnung und
weist eine Grenzfrequenz von 1 Hz auf. Der Tiefpaß 5 ist digital aufgebaut.
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Hinweise zur Realisierung digitaler Filter lassen sich beispielsweise
dem Buch Tietze, Schenck, Halbleiterschaltungstechnik, 4. Auflage, Springer 1978,
Seite 587ff entnehmen. Durch den Tiefpaß, der eine hohe Flankensteilheit aufweisen
sollte, wird sichergestellt, daß Bremskräfte und Bremskraftschwankungen, die die
Drehzahl der Fahrzeugräder auf dem Prüfstand haben, passieren können, während Gebersignalschwankungen,
die auf den Prüfstand selbst, beispielsweise durch Rollenunvuchten und Störungen
durch den Kettenantrieb, zurückzuführen sind, unterdrückt werden.
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Das dem Tiefpaßfilter 5 folgende Hochpaßfilter 6 ist ebenfalls vom
Cauer-Typ fünfter Ordnung. Es hat eine Durchlaßfrequenz von 0,5 Hz. Die Wahl dieser
Durchlaßfrequenz stellt sicher, daß alle möglichen Frequenzen, die vom Fach bugrad
und seiner Bremse herrühren, durchgelassen werden, während die langsam veränderliche
mittlere Bremskraft vom Hochpaß unterdrückt wird.
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Die auftretenden Radfrequenzen sind abhängig von den unterschiedlichen
Raddurchmessern und dem je nach mittlerer Bremskraft unterschiedlichen Schlupf der
Räder auf den Prüfstandrollen. Je nach Prüfstand können daher auch andere Grenzfrequenzen
vorteilhaft sein.
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Das am Ausgang des Tiefpasses 6 anliegende Signal enthält nur eventuelle
Schwankungen der Bremskraft. Die Spitzenwerte dieser Schwankungen oder der Spitze
Spitze-Wert ist nunmehr bestimmbar. Möglich ist auch die Bestimmung eines Effektivwertes
oder der mittleren Amplitude. Die Berechnung hierzu wird mittels des Mikroprozessors
7 vorgenommen.
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Damit die Anzeige der Bremskraft mit Ziffern gut lesbar wird, ist
das Tiefpaßfilter 4 vorgesehen. Das Tiefpaßfilter 4 hat eine niedrige Grenzfrequenz,
da die mittlere Bremskraft selbst nur eine langsam veränderliche Größe ist. Das
Tiefpaßfilter 4, das ebenfalls digital ausgeführt ist, hat beispielsweise eine Grenzfrequenz
von 0,3 Hz. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 4 wird ebenfalls dem Mikroprozessor
7 zugeführt, der den entsprechenden Teil der Ziffern-Anzeigevorrichtung 8 ansteuert.
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Die Berechnung der Unrundheit erfolgt im Mikroprozessor 7 entsprechend
dem Diagramm nach Figur 3. Nach der Ini-17,25 tialisierung des Programms/sird der
in Figur 3 dargestelite Programmabschnitt nach jedem Abtastwert einmal durchlaufen.
An der Stelle 11 wird einerseits die Zahl n der Abtastproben zwischen zwei gleichphasigen
Nulldurchgängen der Bremskraftschwankung durch Abzählen erfaßt. Weiterhinwird die
Summe s der Beträge der Filterantwortzzwischen zwei gleichphasigenNulldurchgängen
der
Bremskra3;schwankung ermittelt. An der Abfragestelle 12 wird
festgestellt, ob die Zahl der Abtastproben n und die Summe der Beträge der Filterantworten
s bestimmte vorgegebene Werte überschreiten. Ist dies der Fall, so muß bei der Ermittlung
der Bremskraftschwankung ein Fehler aufgetreten sein, so daß diese Periode nicht
ausgewertet werden kann. Das Programm springt dann von der Abfragestelle 12 direkt
zur Station 17, die eine erneute Initialisierung bewirkt. Sind die Grenzwerte noch
nicht überschritten, so wird an der Abfragestelle 13 geprüft, ob ein positiver Nulldurchgang
vorliegt, während an der Abfragestelle 21 festgestellt wird, ob ein negativer Nulldurchgang
gegeben ist. Ein positiver Nulldurchgang liegt vor, wenn der aktuelle Wert der Filterantwort
größer Null ist und der erste Vergangenheitswert gleich oder kleiner Null und der
zweite Vergangenheitswert kleiner Null ist. Ein negativer Nulldurchgang liegt vor,
wenn der aktuelle Wert der Filterantwort kleiner Null ist, und der erste Vergangenheitswert
größer oder gleich Null und der zweite Vergangenheitswert größer Null ist. Weist
die Filterantwort keinen Nulldurchgang auf, so kann der hier besprochene Programmabschnitt
verlassen werden. Liegt ein positiver Nulldurchgang vor, wird mittels des Überwachungszeigers
p geprüft, ob die richtige Folge der Nulldurchgänge eingehalten ist. Ist p gleich
Null, so wird damit festgestellt, daß eirwe neue Auszählung einer Periode der Unrundheit
begonner werden kann. Der Summationswert s und der Abtastprobenzähler n werden auf
Null gesetzt, der Zeiger p wird in 16 auf Eins gesetzt. Ist p bereits auf Eins gesetzt,
und es fand ein positiver Nulldurchgang statt, so wird dies durch die Abfragestation
15 erkannt. In diese Falle trat ein Fehler auf, da ein weiterer postiver Nulldurchgang
entdeckt wurde, ohne daß
vorher ein negativer Nulldurchgang festgestellt
werden konnte. In diesem Falle werden an der Station 17 die bisher gewonnenen Ergebnisse
verworfen und der Zeiger p auf Null gesetzt. Ail diese Stelle ist auch der Ausgang
der Abfragestation 12 geführt, da auch bei einer Überschreitung der vorgegebenen
Bereiche die Ergebnisse wegen eines aufgetretenen Fehlers zu verwerfen sind.
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Ist bei einem positiven Nulldurchgang der Zeiger p weder Null noch
Eins, so können in der Station 18 die Werte der Unrundheit berechnet werden und
in der Station 19 der Anzeigevorrichtung 8 zugeführt werden. Danach wird der Zeiger
p an der Station 20 auf Eins gesetzt sowie die Zahl der Abtastproben n und die Summe
der Beträge der Filterantwort s auf Null gesetzt.
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Wird an der Abfragestelle 21 ein negativer Nulldurchgang festgestellt,
so wird an den Abfragestellen 22 und 23 der Wert des Zeigers p untersucht. Ist p
gleich Null, so ist dies nur dann möglich, wenn noch kein positiver Nulldurchgang
voranging. Ist an der Abfragestelle 23 p gleich Eins, so bedeutet dies, daß ein
ordnungsgemäßer positiver Nulldurchgang vor dem negativen Nulldurchgang gefunden
wurde. An der Station 24 wird der Wert des Zeigers p auf Zwei gesetzt. Ist der Wert
des Zeigers p an der Abfragestelle 23 größer als Eins, so bedeutet dies, daß zwei
negative Nulldurchgänge gefunden wurden, ohne daß ein positiver Nulldurchgang dazwischen
lag. In diesem Falle werden sämtliche Zeiger an der Stelle 25 zurückgesetzt, da
dieses Ergebnis nicht verwertbar ist.
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Durch die Überwachungsanordnung in Figur 3 wird sichergestellt, daß
fehlerhafte Ergebnisse nicht zur Anzeigevorrichtung 8 gelangen können. Diese werden
in der Recheneinrichtung 7 erkannt und unterdrückt.
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Um möglichst viele Meßinformationen, die als Zahlenwerte in den Zeitintervallen
zwischen zwei Nulldurchgängen vorliegen, verwenden zu können, wird durch die Rechen-orrichtung
an der Stelle 18 mittels des in Figur 4 dargestellten Unterprogrammes der anzuzeigende
Wert berechnet.
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Dieser Wert kann beispielsweise der Spitze-Spitze-Wert sein, ein prozentualer
Wert in Abhängigkeit von der Bremskraft, ein effektiver Wert oder eine mittlere
Amplitude. In dem Beispiel in Figur 4 wird die Berechung des Spitze-Spitze-Wertes
gezeigt. An der Abfragestelle 31 wird geprüft, ob die Summe der Beträge der Filterantwort
Null ist oder ob überhaupt schon Abfragen vorgenommen wurden. Ist die Summe der
Beträge der Filterantworten gleich Null, so liegt eine Unrundheit nicht vor, so
daß die Berechnung des Ergebnisses entfallen kann. Das gleiche Ergebnis liegt vor,
wenn keine oder nicht genügend Abfrageergebnisse vorliegen, In diesem Fall wird
in der Station 33 das auszugebende Signal 2A Null gesetzt, so daß dies gegebenenfalls
auf der Anzeige erscheint. Sind genügend Meßwerte vorhanden, so kann an der Station
32 der Spitze-Spitze-Wert 2A berechnet werden. Bei der Berechnung des Spitze-Spitze-Wert
es wird davon ausgegangen, daß die Unrundheit sinusförmig darstellbar ist, wobei
die doppelte Amplitude 2A der Sinusschwingung den Spitze-Spitze-Wert liefert. Intgriert
man den Betrag der digitalen Ausgangsspannung des Bandpaßfilters aus Tiefpaß 5 und
Hochpaß 6 über eine Schwankungsperiode, so kann diese Amplitude ermittelt werden.
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Die Integration wirci in digitalen Datenverarbeitungsanlagen durch
eine einfache Summation zu jedem Abtasteitpunkt erreicht. Die Summation muß also
gleich dem
Ergebnis des Integrals sein. Daraus ergibt sich die
Gleichung
Die Summe s ist wie folgt definiert
Die Bestimmung der Frequenz f wird durch einfaches Auszählen der Anzahl der Proben
zwischen zwei gleichphasigen Nulldurchgängen der Bremskraftschwankung gewonnen.
Daraus berechnet sich die Frequenz nach folgender Gleichung f=l na T Hieraus läßt
sich der Spitze-Spitzewert 2A der Unrundheitsamplitude nach der folgenden Gleichung
ermitteln 2A = n Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu Erzielen, ist es vorteilhaft,
die Unrundheit über mehrere Schwankungsperioden zu mitteln. In diesem Falle ist
für den Wert s die Summe der Amplitudenbeträge über die Anzahl der beobachteten
Perioden der Unrundheit dividiert durch die Anzahl der Perioden einzusetzen und
für n die Anzahl der Probeentnahmen während der beobachteten Perioden der Unrundheit
einzufügen. Durch die Berücksichtigung aller abgetasteten anfallenden Meßinformationen
ergibt sich eine hohe Störsicherheit sowie eine ausreichende Aktualität der Unrundheitswerte
nach jeweils einer Radumdrehung.
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