Moderne Prüfstandstechnologie für das Fahrwerk
ATZ 100 (1998), Nr. 9
Philip Köhn, Peter Holdmann
Achsmeßstand
Dynamischer Reifenprüfstand
Zusammenfassung
Für theoretische und experimentelle fahrdynamische Untersuchungen und deren Bewertung ist die genaue Kenntnisse der Eigenschaften von Elementen des Fahrwerks von enormer Bedeutung. Den Fahrwerksingenieur interessieren dabei insbesondere die Eigenschaften des Reifens und der Radaufhängungen. Aus diesem Grund sind am Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ika) der RWTH Aachen in jüngster Zeit zwei neue Prüfstände aufgebaut worden, mit denen diese Komponenten reproduzierbar analysiert werden können. Dabei kommt modernste Prüfstandstechnik zum Einsatz, die im Rahmen dieses Beitrags vorgestellt werden soll. Weiterhin werden erste Meßergebnisse der Prüfstände vorgestellt.
Achsmeßstand
Für theoretische wie fahrdynamische Betrachtungen und deren Bewertung ist die genaue Kenntnis der kinematischen und elastokinematischen Radstellungsänderungen erforderlich. Der ika-Achsmeßstand ermöglicht die gezielte Untersuchung der Achs- und Elastokinematik von einzelner Achsen oder ganzen Fahrzeugen [vgl. Abb. 1 und Abb. 2].
Abb. 1: Fahrzeug auf dem ika-Achsmeßstand im Prüfbetrieb
Abb. 2: Verbundlenkerachse auf dem ika-Achsmeßstand im Prüfbetrieb
Aufbau des Prüfstands und Einsatzmöglichkeiten
Mit den vier Hydraulik-Einheiten, auf denen die Räder des zu untersuchenden Fahrzeugs ruhen, können alle denkbaren Einfederungszustände nachgefahren werden. Integrierte kleinere Zylinder ermöglichen gleichzeitig die Simulation von im Reifenlatsch angreifenden Längs- und Querkräften. Antriebskräfte können kinematisch richtig in der Radachse eingeleitet werden.
Die Fahrzeuge können sowohl mit montierten Rädern als auch mit Radersatzsystemen untersucht werden. Diese werden sinnvollerweise bei elastokinematischen Untersuchungen eingesetzt, um den Einfluß des Reifens auszuschalten und die übertragbaren Längs- und Querkräfte von der Kraftschlußgrenze zwischen Reifen und Prüfstand zu entkoppeln. Die Radersatzsysteme können schnell an das zu untersuchende Fahrzeug angepaßt werden; durch vielfältige Einstellmöglichkeiten können die kinematischen Verhältnisse des realen Rad/Reifensystems (stat. Radhalbmesser, pneumatischer Nachlauf und Einpreßtiefe) nachgebildet werden. Zur Realisierung einer möglichst reibungsarmen Lagerung der Räder bzw. der Radersatzsysteme werden Luftlagerungen verwendet, die in Abb. 2 gut zu erkennen sind. Die bei maximaler Radlast von 14 kN auftretenden Reibkräfte liegen dadurch unter 20 N. Die maximal aufzubringenden Seiten- und Umfangskräfte betragen jeweils 10 kN. Somit können für alle gängigen Personenkraftwagen übliche Lastfälle der Fahrdynamik realistisch simuliert werden. Der Radstand ist zwischen 2000 und 3250 mm variabel einstellbar, die Spurweite kann vorn und hinten unabhängig voneinander zwischen 1180 und 1650 mm variiert werden.
Da die sichere Fesselung bei kinematischen Untersuchungen von Fahrwerken aufgrund der hohen auftretenden Kräfte von besonderer Bedeutung ist, wurde ein sehr steifes Aufspannsystem entwickelt, das sich dennoch leicht an die zu messenden Fahrzeuge anpassen läßt. Dieses System ist sehr universell einsetzbar, um den Fahrzeugaufbau entweder über die Türschweller, die Federbeindome, die Wagenheberbefestigung oder die Stoßstangenbefestigung zu fixieren. In der Regel wird eine Kombination aus mehreren Aufspannmöglichkeiten gewählt, um eine maximale Steifigkeit der Anbindung des Fahrzeugs an den Prüfstand zu gewährleisten. Somit ist sichergestellt, daß jeweils nur die Eigenschaften des Fahrwerks und nicht andere Elastizitäten des Fahrzeugs gemessen werden.
Abb. 2 zeigt den Aufbau einer einzelnen Achse auf dem Prüfstand. Diverse Rahmen stehen zur Verfügung, um Achsen auch unabhängig vom Fahrzeugaufbau untersuchen zu können. Auch hier bietet sich der Einsatz von Radersatzsystemen an, um die Längs- und Seitenkrafteinleitung in die Radaufhängung möglichst unverfälscht durchzuführen.
Betriebskonzept
Die Bedienung der insgesamt zwölf hydraulischen Achsen erfolgt kraft- oder weggeregelt mit Hilfe einer zuverlässigen NC-Steuerung und eines leistungsfähigen PCs. Diese Konfiguration entlastet das Bedienpersonal wirksam und beugt Fehlbedienungen vor. Hierdurch lassen sich präzise und vor allem wiederholgenaue Messungen realisieren.
Durch die computergesteuerte Vorgabe der Sollgrößen können sowohl Standard-Messungen durchgeführt (z. B. Messung von Wankfedersteifigkeiten, Längs- und Querelastizitäten von Achsen oder Ermittlung geometrischer Momentanpollagen) als auch bestimmte Fahrsituationen nachgefahren werden. So ist es etwa möglich, eine stationäre Kreisfahrt zu simulieren, um Aufschluß über kinematische Eigenlenkeffekte an den Rädern zu gewinnen. Zur Sollgrößenvorgabe wie auch zur Meßwerterfassung wird das Programm DIADEMâ von der GfS genutzt.
Abb. 3: Betriebs- und Meßkonzept des ika-Achsmeßstands
Der Prüfstand kann sowohl weg- als auch kraftgeregelt betrieben werden. Auch eine Kombination dieser beiden Betriebsstrategien ist möglich. So kann z. B. der tatsächliche Wankpol einer Achse bestimmt werden, indem die Radlast einer Achsseite kraftgeregelt der weggeregelten Kraft der anderen Fahrzeugseite nachgefahren wird; somit ist gewährleistet, daß die gesamte Achslast beim Durchfahren des Wankfederbereichs konstant bleibt.
Dabei erfolgt die eigentliche Ermittlung der Wankpollage nicht aus der gemessenen Querbewegung des Reifenlatschs, sondern durch Aufbringen einer konstanten Seitenkraft beim Durchfahren des Wankfederbereichs. Diese Seitenkraft ruft durch den Aufstützeffekt eine Radlaständerung (in der Regel eine Erhöhung der Radlast) hervor, die Aufschluß über den Verlauf der Wankpollage gibt.
Meßkonzept
Alle relevanten Meßdaten wie Einfederwege, Radlasten, Spur- und Sturzwinkel, etc. werden online digitalisiert und sind nach Abschluß der Messungen in allen gängigen Datenformaten verfügbar.
Alle Hydraulikzylinder sind über Kraftmeßdosen mit dem Prüfstand verbunden. Radwege werden mit Hilfe von magnetostriktiven Sensoren (Hubweg) und Seilpotentiometern (horizontale Wege) gemessen. Zur Messung von kleinen Verformungen an den Achsen stehen diverse Meßuhren und induktive Wegaufnehmer zur Verfügung, die variabel in das Meßkonzept integriert werden können. Spur- und Sturzwinkel werden berührungslos mit Hilfe eines optischen Zimmer-Autokollimator-Systems direkt am Rad gemessen.
Ergebnisse am Beispiel einer einzelnen Hinterachse
Typische Untersuchungen umfassen in der Regel die Vermessung der kinematischen Raderhebungskurven sowie die Ermittlung der Radlasten bei Hub- und Wankfederung mit und ohne montierte Stabilisatoren. Die Raderhebungskurven sind als Funktion des Radhubwegs in Abb. 4 dargestellt. Die gezeigten Radstellungsänderungen bei gleichseitiger Einfederbewegung resultieren als Überlagerung aus elastischen Verformungen des Achskörpers sowie aus einem statischen Radsturzwinkel, der bei Einfederung und der resultierenden Drehung des Achsrohrs zu Spurwinkeländerungen führt.
Abb. 4: Radstellungswinkel als Funktion des Einfederweges bei einer Torsionskurbelachse
Nach der Ermittlung der Raderhebungskurven werden i. d. R. die Längs- und Seitenkraftelastizitäten untersucht, wobei Seitenkräfte zumeist bis zur statischen Achslast aufgebracht werden. Derartige Prüfungen können natürlich nur mit Radersatzsystemen durchgeführt werden, die zusätzlich noch die Variation des pneumatischen Nachlaufs als wichtigster Einflußgröße ermöglichen.
Das Ergebnis einer solchen Prüfung zeigt Abb. 5. Während die seitlichen Verschiebungen des Reifenlatsches unter Querkraft aus fahrdynamischer Sicht eher von untergeordneter Bedeutung sind, stellen größere Radstellungsänderungen durch Seitenkräfte - zumal an der Hinterachse - durchaus ein Problem dar und müssen daher genau analysiert werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt ein typisches Verhalten von Torsionskurbelachsen mit relativ biegeweichem Achsrohr; der Kraftangriff kurz hinter dem Achsrohr verursacht kaum Spurwinkeländerungen, wohl aber erhebliche Sturzänderungen, weil die Seitenkraft hier ein Biegemoment etwa mit dem Hebelarm des dyn. Radhalbmessers in das Achsrohr einleitet. Die resultierende Biegung des Achsrohr verursacht dann größere Sturzwinkeländerungen.
Abb. 5: Radstellungswinkel als Funktion der Seitenkraft bei einer Torsionskurbelachse
Dynamischer Reifenprüfstand
Der dynamische Reifenprüfstand ist eine von zwei Prüfeinrichtungen des ika zur Ermittlung der Kraftübertragungseigenschaften von Kraftfahrzeugreifen. Mit diesem Prüfstand können PKW- wie Kraftradreifen gleichermaßen untersucht werden, wobei die maximale Radlast 10 kN beträgt. Es können nahezu alle Rad-/Reifenkombinationen zwischen 13" und 19" Felgendurchmesser geprüft werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Auswirkungen von neuartigen Felgenbettkonstruktionen zu prüfen, da komplette Fahrzeugräder mit geringem Aufwand montiert werden können.
Abb. 6: Der dynamische Reifenprüfstand im Betrieb
Aufbau des Prüfstands und Einsatzmöglichkeiten
Basis des Prüfstands ist eine von einem Gleichstrommotor angetriebene Außentrommel-Laufbahn, mit der Fahrgeschwindigkeiten bis zu 180 km/h realisiert werden können. Auf dieser Laufbahn werden die zu prüfenden Reifen geführt; während der Prüfung können Schräglaufwinkel, Sturzwinkel, Radlast und Reifeninnendruck variiert werden. Aufgrund des mechanischen Aufbaus des Prüfstands sind Schräglaufwinkel- und Sturzwinkelverstellung kinematisch voneinander entkoppelt und rufen keine Querbewegungen im Reifenlatsch hervor, so daß die Einflüsse der Radstellungsänderungen entkoppelt voneinander untersucht werden können; dies ist insbesondere bei dynamischen Messungen von Bedeutung. Die Regelung von Radlast und Reifendruck erfolgt pneumatisch, wohingegen die Lageregelungen von Schräglauf- und Sturzwinkel hydraulisch ausgeführt wurden, um eine hohe Systemdynamik zu realisieren.
Die wichtigsten Eigenschaften des Prüfstands können wie folgt zusammengefaßt werden:
• max. Geschwindigkeit: 200 km/h
• Durchmesser der Trommel: 1700 mm
• max. Radlast: 10 kN
• stationäre Verstellbereiche:Sturzwinkel: +50° bis -25°
Saufwinkel: + 12°
• dynamische Eigenschaften:
Schräglaufwinkel: 2° Amplitude bei 10 Hz Sinusschwingung
Sturzwinkel: 5° Amplitude bei 5 Hz Sinusschwingung
Betriebskonzept
Der gesamte Prüfstand wird mit modernsten digitalen Achsenregelungen, einer alle Funktionen umfassende digitale Ablaufsteuerung und einer PC-gestützten Signalgenerierung und Meßdatenerfassung betrieben, wodurch zum einen eine höchstmögliche Prozeßsicherheit der Meßabläufe gewährleistet ist und zum anderen die Möglichkeit der Fehlbedienung auf ein Minimum reduziert wird. Hierdurch sind optimale Voraussetzungen für sehr wiederholgenaue Messungen geschaffen worden, bei denen die jeweiligen Meßbedingungen präzise eingehalten werden.
Abb. 7: Gesamtaufbau des dynamischen ika-Reifenprüfstands
Die Prüfungen selbst werden entweder mit vorhandenen Standardsignalen (Dreieck- oder Sinussignale mit frei konfigurierbaren Amplituden und Frequenzen) oder mit anwendungsspezifischen Signalen durchgeführt. Spezielle Signalverläufe können entweder (z. B. mit im Fahrversuch ermittelten Daten) vorgegeben oder bedarfsgerecht am ika entwickelt werden. Hierbei ist lediglich auf eine ausreichende Sinalgüte sowie auf die zulässigen Grenzfrequenzen des Bewegungssystems zu achten. Die Vorgabe von Sollwerten in Form von Zeitverläufen für Schräglauf, Sturz, Radlast und Reifendruck kann in Dateiform mit einem beliebigen Editor erstellt werden; die Daten müssen dann lediglich im ASCII-Format abgespeichert und in den Prüfstand eingelesen werden.
Meßkonzept
Zur Erfassung der am Reifen entstehenden Kräfte und Momente ist eine 5-Komponenten-Meßnabe in DMS-Ausführung installiert, die in Verbindung mit einem digitalen Meßverstärker und variablen Filtern eine höchstmögliche Genauigkeit der Messungen gewährleistet. Die Meßdatenerfassung wird durch zahlreiche Sensoren für Reifendruck, Schräglauf- und Sturzwinkel, Rad- und Trommelgeschwindigkeit sowie Reifentemperatur ergänzt. Die Meßdaten werden PC-gestützt online digitalisiert und visualisiert, um die Messungen jederzeit überwachen zu können.
Abb. 8: Meßnabe des dynamischen ika-Reifenprüfstands
Ergebnisse am Beispiel eines Motorradreifens
Das universelle Steuerungskonzept mit der frei wählbaren Sollwertvorgabe eignet sich besonders gut für komplexe Meßaufgaben, bei denen die einzustellenden Sollwerte während der Messung besonders schnell variieren oder in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen müssen. So ist es z. B. möglich, den bei einer Pendelbewegung eines Motorrads entstehenden Zeitverlauf von Sturz- und Schräglaufwinkel im Fahrversuch aufzuzeichnen und danach phasenrichtig auf dem Prüfstand nachzufahren und die in diesem Fahrzustand auftretenden Reifenkräfte und -momente zu erfassen. Hierdurch werden neue Untersuchungen möglich, die ein tieferes Verständnis dieser dynamischen Instabilitäten vermitteln sollen.
Hier sei jedoch ein einfacherer Anwendungsfall dargestellt: Die Ermittlung der Seitenkräfte eines Motorradreifens unter kombiniertem Sturz und Schräglauf. Die hierzu erforderlichen Zeitverläufe der Sollwerte sind in der nachfolgenden Abb. 9 dargestellt.
Abb. 9: Sollwertzeitverläufe zur Ermittlung des Seitenkraftpotentials eines Motorradreifens (Radlastverlauf hier nicht dargestellt)
Zunächst werden bei dem dargestellten Meßzyklus die Seitenkräfte bei reinem Schräglauf und dann bei reinem Sturz ermittelt. Danach wird der Sturz in festen Inkrementen erhöht und die Seitenkräfte unter kombiniertem Sturz und Schräglauf werden jeweils bei einem Schräglaufwinkel-sweep ermittelt. Ein solcher Zyklus dauert etwa 85 Sekunden; danach werden beispielsweise die anderen Parameter Radlast und Reifendruck modifiziert und der Meßzyklus beginnt erneut. Auf die Weise können vollautomatisch abzuarbeitende Meßzyklen von einigen Minuten Länge entstehen. Nach Abschluß einer solchen Messung und ebenfalls automatisierter Nachbearbeitung (Tiefpaßfilterung, Koordinatentransformation in ein horizontiertes Koordinatensystem) stehen direkt alle Daten zur Verfügung.
Die Ergebnisse einer solchen Meßprozedur zeigt exemplarisch die folgende Abb. 10 für einen Motorradreifen bei einer Radlast von 1900 N. Deutlich zu erkennen ist der erhebliche Sturzeinfluß auf die resultierende Radlast; das gesamte Seitenkraftpotential ist hier nur durch Sturz und Schräglauf auszunutzen, was im vorliegenden Fall auf die spezielle Karkassenform zurückzuführen ist, bei der die Radaufstandsfläche mit zunehmendem Sturzwinkel stark zunimmt.
Abb. 10: Darstellung des Seitenkraftverhaltens eines Motorradreifens unter kombiniertem Schräglauf und Sturz
Zusammenfassung
Mit der Inbetriebnahme dieser zwei neuen Prüfstände werden die Aktivitäten des Instituts für Kraftfahrwesen Aachen nochmals erweitert. Die umfassende Tätigkeit des Instituts im Bereich der Fahrdynamik reicht damit von der Konzeption über Simulationsrechnungen bis hin zum Prototypenbau und zu Prüfstands- und Fahrerprobungen. Hierdurch erhalten die Studenten des ika einen umfassenden Einblick in ihre späteren Tätigkeitsfelder und werden bestmöglich vorbereitet aus der Hochschule in das Arbeitsleben entlassen.
Für das Institut ergeben sich im Bereich der Drittmittelforschung neue, noch weitere Aufgabenfelder und die Möglichkeit, Entwicklungsarbeiten ganzheitlich zu bearbeiten. Hiervon profitieren vor allem auch die wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts, die somit die Möglichkeit zur umfassenden Bearbeitung von Problemstellungen erhalten.
