DE3612599A1 - Verfahren zur bestimmung der auf ein fahrzeug wirkenden luftkraefte - Google Patents
Verfahren zur bestimmung der auf ein fahrzeug wirkenden luftkraefteInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der
auf ein Fahrzeug wirkenden Luftkräfte.
Die erforderliche Antriebsleistung und die Fahreigenschaften
eines schnell fahrenden Fahrzeuges sind in entscheidendem Maße
von den wirkenden Luftkräften abhängig. Der Energieverbrauch ist
dabei bei einem Verbrennungsmotor der Kraftstoffverbrauch und bei
einem Elektromotor die verbrauchte elektrische Leistung.
Zur Bestimmung der auf das Fahrzeug wirkenden Luftkräfte sind
einmal Windkanaluntersuchungen mit realen Fahrzeugen bzw. Modell
fahrzeugen und Ausrollversuche auf einer Fahrbahn üblich.
Windkanalversuche finden unter idealisierten Strömungszuständen
statt, die im realen Fahrbetrieb nicht existieren. Seitenwinde
und Windböen können nur bedingt und mit erheblichem experimen
tellen Aufwand im Windkanal erzeugt werden. Besondere Schwierig
keiten macht dabei die relative Bewegung zwischen Fahrzeug und
Straße, die im Windkanal nur mit dem Einsatz von speziellen und
kostspieligen Einrichtungen annähernd realisiert werden kann.
Weiter ist die Simulation von drehenden Rädern im Windkanal
problematisch. Wegen der endlichen Abmessungen des Windkanal
strahls und der Entstehung einer Grenzschicht an der Bodenplatte
müssen Windkanalergebnisse korrigiert werden. Die Zuverlässigkeit
und Allgemeingültigkeit der Korrekturverfahren ist nicht voll
abgesichert. Windkanalergebnisse liefern im allgemeinen nur
Auskunft über statische Luftkräfte.
Ausrollversuche finden zwar unter realen Verhältnissen statt, sie
ermöglichen aber nur die Bestimmung des Luftwiderstandes. Das
Fahrzeug wird hierbei auf eine bestimmte Geschwindigkeit be
schleunigt und rollt dann ohne Antrieb aus. Die Verzögerung beim
Ausrollen ist hierbei ein Maß für die auf das Fahrzeug einwir
kenden Luft- und Rollwiderstandskräfte. Die Trennung zwischen der
Roll- und Luftwiderstandskraft geschieht durch einen zusätzlichen
Versuch. Hierbei wird der Rollreibungswiderstand bestimmt. Dieser
Zusatzversuch kann z.B. auf einem Rollenprüfstand durchgeführt
werden, oder aber als Schleppversuch, bei dem die Karosserie von
der Luft abgeschirmt wird. Fehler entstehen dadurch, daß die
Bestimmung von Luft- bzw. Rollreibungswiderstandskräften nach
einander geschieht, und damit nicht identische Wetter- und
Straßenverhältnisse gegeben sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem
die statischen und dynamischen Luftkräfte - das sind Auftriebs-,
Widerstands- und Seitenkraft sowie Roll-, Gier- und Nickmoment,
an bodengebundenen Fahrzeugen während der Fahrt ermittelt werden
können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Kenn
zeichen des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens und Vorrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteran
sprüche.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, unter realen
Fahrbedingungen, die auf das Fahrzeug wirkenden statischen und
dynamischen Luftkräfte zu bestimmen.
Eine Meßanordnung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet wird, ist für die Mehrkomponenten-Radkraft-Messung
bekannt (Raddynamometer der Fa. Kistler Instrumente AG, Winterthur,
Schweiz). Bei den bekannten Anwendungsfällen werden mit dieser
Vorrichtung die dynamischen Radkräfte bestimmt, wie die dyna
mischen Seitenkräfte beim Kurvenfahren sowie senkrechte und
horizontale Beschleunigungskräfte, wobei die statischen Kräfte,
die aus dem anteiligen Gewicht des Fahrzeuges herrühren, mit
berücksichtigt werden. Bei Benutzung nur eines Raddynamometers
werden die dynamischen Radkräfte aller vier Räder jeweils nach
einander als Einzelmessung erhalten.
Bei Messung der dynamischen Radkräfte sind diese dynamischen
Kräfte von der gleichen Größenordnung, wie die statischen
Gewichtskräfte, die auf das Rad wirken. Demgegenüber sind die
beim erfindungsgemäßen Verfahren zu ermittelnden Kräfte,
insbesondere der Rollreibungswiderstand, um zwei Größenordnungen
kleiner als die statischen Gewichtskräfte.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielshaft veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie
ben.
Fig. 1 zeigt schematisch ein zweiachsiges Fahrzeug mit den
einzelnen Rädern zugeordneten Radkraftdynamometern.
Fig. 2 zeigt die Anordnung und Verschaltung der Kraftaufnehmer
in den vier Radkraftdynamometern.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßanordnung.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein mit einem Radkraftdynamo
meter ausgerüstetes freilaufendes Rad.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein angetriebenes Rad, das
mit einem Radkraftdynamometer versehen ist.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Fahrzeug weist vier Räder
auf, und zwar ein linkes Vorderrad 2, ein rechtes Vorderrad 4,
ein linkes Hinterrad 6 und ein rechtes Hinterrad 8. Mit den
Rädern sind jeweils Radkraftdynamometer 10, 12, 14, 16 verbunden.
Hierbei wirken die positiven Kräfte F x in der Ebene der Radachsen
entgegengesetzt zur Fahrtrichtung. Die Seitenkräfte F y der Rad
kraftdynamometer sind auf den beiden Achsen jeweils paarweise
entgegengesetzt angeordnet, so daß bei idealen Verhältnissen bei
Geradeausfahrt ohne Seitenwind keine resultierenden Seitenkräfte
gemessen werden. Die Vertikalkräfte F z sind senkrecht von der
Fahrbahn weg gerichtet. Summiert man die Kräfte F x, F y bzw. F z
der einzelnen Radkraftdynamometer, so erhält man die resultieren
den Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken in den drei orthogonalen
Richtungen.
Bei den Kraftaufnehmern handelt es sich um Drei-Komponenten-
piezoelektrische-Kraftaufnehmer. Von diesen Kraftaufnehmern sind
an jedem Rad drei angeordnet, und zwar symmetrisch zur z-Achse.
Die Anordnung ist so, daß die Kräfte F x in der Horizontalen, die
Kräfte F z in der Vertikalen und die Kräfte F y in Achsrichtung
gemessen werden. Die einzelnen Kraftaufnehmer sind dabei in den
Radkraftdynamometern der jeweiligen Achsen so angeordnet, daß auf
den beiden Achsen in den Dynamometern jeweils die y-Achsen
entgegengesetzt gerichtet sind. Die drei Kraftaufnehmer 18, 20
und 22 in den einzelnen Dynamometern 10, 12, 14, 16 sind dabei
weiter additiv verschaltet, so daß am Ausgang 24 die Signale in
x-, y- und z-Richtung jeweils addiert vorliegen. Als Kraftauf
nehmer sind die Kraftaufnehmer 9067 und 9068 der Firma Kistler
Instrumente AG verwendbar.
In dem Blockschaltbild nach Fig. 3 sind die vier Radkraftdynamo
meter 10, 12, 14, 16 schematisch dargestellt, die mit ihren
Ausgängen x, y und z an einen Vielfachumschalter 26 angeschlossen
sind. Diesem Vielfachumschalter 26 ist eine Verstärkereinheit 28,
bestehend aus zwölf jeweils den einzelnen Ausgängen zugeordneten
Ladungsverstärkern, nachgeschaltet, mit denen die Ladung der
Piezoelemente in eine proportionale Spannung umgewandelt wird.
Mit Hilfe des Ladungskalibrators 46 werden zu Beginn einer
Messung über den Vielfachumschalter 26 bei abgeschalteten Rad
dynamometern 10, 12, 14 und 16 definierte Ladungen auf die
Ladungsverstärker 28 aufgegeben. Die Ausgangsspannung der
Ladungsverstärker wird einem AD-Wandler 30 aufgegeben, der mit
einem Codierer 32 kombiniert ist. Dieser Codierer kann beispiels
weise eine Codierung nach einem PCM-System vornehmen. Die
codierten Informationen können einem Bandgerät 34 aufgegeben und
darin aufgezeichnet werden. Es ist auch möglich, die codierten
Daten einem Telemetriesender 36 aufzugeben, von dem sie vom
Fahrzeug abgestrahlt und drahtlos auf eine Empfängerstation
übertragen werden.
Zusätzlich wird die Geschwindigkeit des Fahrzeuges registriert,
die über die Meßstrecke konstant sein soll. Nach dem Versuch
stehen die so aufgezeichneten Daten zur Auswertung zur Verfügung.
Die fahrzeugeigene Stromversorgung weist zwei 12 V Batterien 38
und 40 auf, die in Reihe geschaltet über einen Schalter 42 als
Betriebsspannung von 24 V den AD-Wandler 30 mit dem Codierer 32
und dem Bandgerät 34 aufgegeben werden. Über den Schalter 24
können die Batterien 38 und 40 von einem externen Ladegerät 43
aufgeladen werden. Von der Batterie 38 wird mit einer Spannung
von 12 V ein Spannungswandler 44 gespeist, der eine Ausgangs
spannung von 220 V aufweist, die als Speisespannung dem Ladungs
kalibrator 46 aufgegeben wird.
Mit den jeweils wenigstens drei in einer Radnabe angeordneten
piezoelektrischen Kraftaufnehmern werden die an den Naben wir
kenden statischen und dynamischen Kräfte ermittelt. Jeder dieser
Kraftaufnehmer ist in der Lage, eine angreifende Kraft in ihren
drei orthogonalen Komponenten zu erfassen. Bei einem Fahrzeug mit
Hinterradantrieb wirkt an den Vorderrädern als Fahrtwiderstand
nur der Rollreibungswiderstand dieser Räder. Die an der Vorder
achse gemessenen Kraftkomponenten in Fahrtrichtung, also in
x-Richtung, sind damit proportional dem Rollreibungswiderstand
des jeweiligen Vorderrades. An der Hinterachse wirkt in Fahrt
richtung die Antriebskraft, die zur Überwindung der Rollreibungs
widerstände aller vier Räder, des Luftwiderstandes des Fahrzeugs
und der Massenkräfte benötigt wird. Von den Kraftaufnehmern der
Radkraftdynamometer an der Hinterachse wird als Kraftkomponente
F x bereits die Antriebskraft abzüglich der Rollwiderstandskräfte
der angetriebenen Räder gemessen. Zur Bestimmung des Luftwider
standes wird der an den Vorderrädern gemessene Rollwiderstand von
der von den Kraftaufnehmern an den Hinterrädern gemessenen
Antriebskraft abgezogen. So gelangt man zu der Kraft, die allein
zur Überwindung des Luftwiderstandes benötigt wird und damit zum
Luftwiderstand des Fahrzeuges bei einer vorgegebenen Geschwindig
keit, für die beispielsweise V=100 km/h gewählt werden kann.
Die eben geschilderte Verfahrensweise setzt voraus, daß die
Massenkräfte null sind bzw. zusätzlich bestimmt werden können.
Bei ebener Fahrbahn und konstanter Geschwindigkeit des Fahrzeuges
sind keine Massenkräfte in x-Richtung vorhanden, es wirken ledig
lich die stätischen Gewichtskräfte in z-Richtung. Bei bekannter
Neigung der Fahrbahn und bei Messung der Beschleunigung des
Fahrzeugs lassen sich die Massenkräfte zusätzlich berück
sichtigen. Die Versuche sollten bei möglichst geringen Luft
bewegungen, im Idealfall bei Windstille, stattfinden.
Bei Fahrzeugen mit mehr als zwei Achsen werden die Komponenten
der Radkraftdynamometer aller nicht angetriebenen Räder in
x-Richtung, also F x, von den Kraftkomponenten F x der angetriebe
nen Räder subtrahiert. Bei mehr als einer angetriebenen Achse
werden an allen angetriebenen Rädern die darauf wirkenden An
triebskräfte gemessen und von diesen die dem Rollwiderstand der
nicht angetriebenen Räder entsprechenden F x-Werte der Radkraft
dynamometer an den nicht angetriebenen Rädern abgezogen.
Die Ermittlung der vertikalen (Auftriebs-) und lateralen (Seiten-)
Kraftkomponenten geschieht durch Aufsummierung der entsprechenden
Kraftkomponenten der einzelnen Radkraftdynamometer. Durch
Momentenbildung können auch Roll-, Gier- und Nickmomente am
Fahrzeug während der Fahrt ermittelt werden.
Wie ohne weiteres ersichtlich, läßt sich auf diese Weise bei
spielsweise auch der kombinierte Luftwiderstand eines Fahrzeug
gespanns bestimmen, vorausgesetzt, daß alle Räder des Gespanns
mit Radkraftaufnehmern versehen sind. Das Meßverfahren läßt sich
auf alle Radfahrzeuge anwenden, also auch auf Schienenfahrzeuge.
Damit lassen sich auch die Luftwiderstände großer Fahrzeuge
bestimmen, die bisher im Windkanal nur anhand von Modellen ver
messen werden konnten.
Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich auch gezielt Seiten
kraftmessungen von Fahrzeugen durchführen, indem das Fahrzeug an
einer Seitenwindanlage vorbeifährt. Die an der Karosserie
wirkenden aerodynamischen Kräfte wirken sich insbesondere als
Änderungen der Kräfte F y aus.
Das Verfahren läßt sich schließlich auch zur Kalibrierung von
Windkanälen der Fahrzeugindustrie und zu Korrelationsunter
suchungen zwischen Windkanal- und Straßenversuchen verwenden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei zur Durchführung des Verfahrens
modifizierte Radausbildungen mit Radkraftdynamometern.
Bei dem Rad nach Fig. 4 handelt es sich um ein nicht angetrie
benes Rad, das ein Vorder- oder Hinterrad sein kann. Auf dem
Achsschenkelbolzen 50 ist hier eine Buchse 52 befestigt, an die
ein Flansch 54 des Radkraftdynamometers 56 angeflanscht ist. Der
zweite Flansch 58 des Radkraftdynamometers ist über Spann
schrauben 60 mit dem ersten Flansch verspannt. Zwischen den
beiden Flanschen 54 und 58 sind in der in Fig. 2 gezeigten Weise
piezoelektrische Dreikomponenten-Kraftaufnehmer 62 verspannt,
deren Anordnung oben unter Bezug auf Fig. 2 beschreiben ist.
Statt der dort verwendeten drei Kraftaufnehmer können auch vier
Kraftaufnehmer verwendet werden. Das Spannen erfolgt hier über
die Spannbolzen 60, die mit dem einen Ende 64 in eine Gewinde
bohrung in dem Flansch 54 eingeschraubt ist und am gegenüber
liegenden Ende über eine in dem Flansch 58 versenkt liegende
Ringmutter 66 verspannt wird. Der Flansch 58 trägt in einer
Bohrung 68 Kugellager 70, mit denen eine Hohlwelle 72 gelagert
ist, an der stirnseitig ein Radflansch 74 befestigt ist, der mit
Bohrungen 76 zum Befestigen der Radfelge versehen ist. Gleich
zeitig ist auf dem Flansch 74 eine Bremstrommel 78 befestigt. In
dem Zwischenraum ist die Bremsanordnung 80 mit dem Bremszylinder
und den Bremsbacken angeordnet, die sich gegen den Flansch 58
abstützt. Im Betrieb wirkt der Rollreibungswiderstand des frei
laufenden Rades als nach rückwärts gerichtete Kraft auf den
Flansch 58. Die dabei in den Flansch 58 übertragenen Kräfte
werden über den Kraftaufnehmer 62 in x-Richtung gegen den
karosseriefesten Flansch 54 abgestützt. In x-Richtung wird damit
über den Kraftaufnehmer 62 die Rollwiderstandskraft gemessen.
Fig. 5 zeigt ein angetriebenes Rad, das wiederum ein Vorderrad
oder ein Hinterrad sein kann. In einem fahrzeugfesten Achslager
schenkel 82 ist hier über Kegelrollenlager 84 die Antriebswelle
86 gelagert. Mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist ein
balgenförmiger Drehmomentenübertrager 88, der als Entkopplungs
glied zwischen dem Antrieb und dem Radkraftdynamometer dient. Auf
das buchsenförmige Abtriebsende des Drehmomentenübertragers 88
ist ein Radflanschträger 90 über eine Keilverzahnung aufgesteckt,
an den stirnseitig der Radflansch 92 angeschraubt ist, der
seinerseits wiederum die Bremstrommel 94 trägt und mit Gewinde
bohrungen zur Befestigung der Radfelge versehen ist. Auf dem
Radflanschträger 90 ist über Kugellager 96 ein Flansch 98 des
Radkraftdynamometers 100 gelagert. Der zweite Flansch 102 ist an
den Achslagerschenkel 82 angeflanscht. Zwischen diesen beiden
Flanschen 98, 102 sind wiederum in der oben beschriebenen Weise
die Kraftaufnehmer 104 angeordnet und über Zugschrauben 106
verspannt. Von den Kraftaufnehmern 104 wird hier, wie oben
angegeben, in x-Richtung die Differenz zwischen der Antriebskraft
abzüglich der dieser Kraft entgegenwirkenden Rollreibungswider
standskraft des angetriebenen Rades gemessen.
Claims (7)
1. Verfahren zur Bestimmung der auf ein Fahrzeug wirkenden
Luftkräfte, dadurch gekennzeichnet, daß mittels an allen
Rädern des Fahrzeuges angeordneten Dreikomponenten-Piezo-
Kraftmeßelementen, die unter achsparalleler Vorspannung
zwischen zwei koaxialen Flanschen angeordnet sind, von denen
einer drehfest mit der Karosserie verbunden ist und der
andere das Radlager trägt, die während der Fahrt bei
konstanter Geschwindigkeit und ebener Fahrbahn in Längs
richtung des Fahrzeuges wirkenden Kräfte gemessen und die an
den nicht angetriebenen Rädern gemessenen horizontalen
Kräfte von den an den angetriebenen Rädern gemessenen
Kräften subtrahiert und die Restkraft als Luftwiderstand
bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeichnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Dreikomponenten-Piezo-Kraftmeßelemente verwendet werden, die
mit ihrer x-, y- und z-Richtung in Längs-, Quer- bzw.
Vertikalrichtung eingebaut sind und daß zusätzlich die
senkrechten aerodynamischen Auftriebskräfte und die Quer
kräfte bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeichnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß durch Momentenbildung die am Fahrzeug während der Fahrt
auftretenden Roll-, Gier- und Nickmomente bestimmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß bei unebener Fahrbahn und nicht konstanter Geschwindig
keit des Fahrzeuges die sämtlichen aerodynamischen Kräfte
und Momente ermittelt werden durch zusätzliche Bestimmung
der Massenkräfte.
5. Radlagerausbildung eines freilaufenden Rades mit einem
Radkraftdynamometer zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der fahrzeugfeste Flansch des Radkraftdynamometers an
einer auf dem Achsschenkelbolzen befestigten Buchse ange
flanscht ist.
6. Radlagerausbildung eines angetriebenen Rades zur Durch
führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit
einem Radkraftdynamometer, dadurch gekennzeichnet, daß der
Radkraftdynamometer mit seinem fahrzeugfesten Flansch am
Achslagerschenkel angeflanscht ist, in dem die Antriebswelle
gelagert ist und daß zwischen der Antriebswelle und einer im
zweiten Flansch des Radkraftdynamometers gelagerten Rad
flanschbuchse ein Drehmomentenübertrager mit einem balgen
förmigen Entkopplungsabschnitt zwischen seinem Antriebs- und
seinem Abtriebsende vorgesehen ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine
Anwendung für die Messung der aerodynamischen Kräfte und
Momente an Fahrzeugen bzw. Fahrzeuggespannkonfigurationen
mit mehr als zwei Achsen und/oder mit mehr als einer An
triebsachse.
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