Thema | Konzeption und Aufbau eines Referenzprüfstandes für die Achsdämpfungsprüfung |
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Bearbeitungszeitraum | 06.06.2014 – 06.11.2014 |
Betreuer |
Prof. Dr. rer. nat. Toralf Trautmann |
Aufgabenstellung
Die Achsdämpfungsprüfung im Rahmen der periodischen Hauptuntersuchung wird künftig an Bedeutung gewinnen. Es ist daher notwendig, entsprechende Mess- und Prüfmittel hierfür zu entwickeln. Im Rahmen der Diplomarbeit soll ein entsprechendes Konzept untersucht werden.
Arbeitspunkte:
– Literaturstudium und Einarbeitung
– Konzeption und Verifizierung einer Messeinrichtung auf Basis eines Seilzugpotentiometers
– Inbetriebnahme und Charakterisierung von Quarz Sensor Profilen
– Entwurf und Inbetriebnahme eines Referenzprüfstandes auf Basis der Einzelkomponenten
Motivation
Durch ständig neue und verbesserte Fahrerassistenzsysteme, die zur Unterstützung in kritischen Situationen dienen, wird das Fahren immer sicherer. Allerdings muss das Fahrzeug, technisch gesehen, auch in einem „guten“ Zustand sein um entsprechend zu agieren. Besonders ist dabei Wert auf das Fahrwerk zu legen. Dieses muss so ausgelegt sein, dass bei schnellen Ausweichmanövern des Fahrzeugs immer händelbar bleibt. Dieses wird erreicht durch ständigen Bodenkontakt aller Reifen. Sollte das Fahrwerk nicht mehr wie vorgeschrieben funktionieren ist ein Ausbrechen bzw. ein Verlassen der Ideallinie meist unvermeidbar. Dieses hat im schlimmsten Fall ein Unfall und Verletzte zur Folge. Die Fahrzeugdämpfung ist im täglichen Autoalltag sehr großen Belastungen ausgesetzt. Durch verschiedenste Fahrmanöver und teilweise schlechte Straßen wird das Fahrwerk sehr belastet.
Da bei der heutigen Hauptuntersuchung das Fahrwerk nur einer Sichtprüfung unterzogen wird, ist keine qualitative Aussage zur Funktionsfähigkeit möglich. Es ist optisch erkennbar sollte die Feder gebrochen sein oder der Dämpfer undicht. Eine tiefergehende Prüfung ist zurzeit während der Hauptuntersuchung nicht möglich. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer, welche durch verschiedenste Einflüsse sich grundlegend ändert, muss in zukünftigen Hauptuntersuchungen eine tiefergehende Untersuchung dieser Fahrwerkskomponente erfolgen. Die Untersuchung soll dann bei jeder periodische Hauptuntersuchung mit erfolgen.
Schwellenform
Für die Auswahl der Schwellenform sind einige Vorüberlegungen nötig. Eine Schwelle ist grundlegend in drei Abschnitte unterteilbar.
Über die einzelnen Längen bzw. über die Höhe lassen sich verschiedene Schwellenformen definieren. Die Bereiche können nicht nur als Gerade geformt sein, ebenso wäre auch eine konvexe oder konkave Form vorstellbar.
In diesem speziellen Fall soll eine maximale Sprunganregung angestrebt werden. Aus diesem Grund wurde eine Schwelle angefertigt, welche im Bereich I eine Länge von 200 mm besitzt und bis auf eine Höhe von 78 mm gerade ansteigt. Der Bereich II kennzeichnet sich durch ein 300 mm langes Plateau. Ein Bereich III ist nicht vorhanden, um die maximale Sprunganregung zu erreichen.
Nach der Auswertung verschiedener Messreihen zeigte sich eine sehr intensive Voranregung, welche für Messwertauswertung ungünstig ist. Durch eine nicht ausgeschwungene Voranregung bis zur eigentlichen Sprunganregung ist eine Überlagerung beider erreicht wurden.
Die Lösung dieser Problematik ist eine veränderte Schwellenform. Diese sieht keinen Übergang zum Bereich II mehr vor. Eine weitere Änderung ist die Länge des Bereiches I. Dieser sollte so lang wie möglich gewählt werden, jedoch maximal den Radstand aufweisen. Bezogen auf das verwendete Messfahrzeug ist die Länge der weiteren Schwelle mit 1800 mm gewählt worden.
Seilzugpotentiometer
Die Messung der Bewegung des Stoßdämpfers ist mit verschiedenen Messmethoden möglich. Die Stereoskopie bietet in der Auswertung der Tiefeninformation einer Stereoaufnahme den Abstand zwischen der Linse der Kamera und der Unterseite des Fahrzeuges. Zu beachten ist bei dieser Messmethode die Federung des Reifens. Diese müsste getrennt ausgewertet werden, um das Messergebnis nicht zu verfälschen. Die Bewegung des Stoßdämpfers, ohne Einfluss weiterer Bauteile, aufzunehmen würde die Genauigkeit der Messung deutlich erhöhen. Die Aufnahme mittels Seilzug-Wegaufnehmer würde sich an dieser Stelle anbieten. Die Befestigung eines solchen Wegaufnehmers ist, aufgrund des sich bei jedem Fahrzeug ändernde Bauraum und Einbaulage, diffizil. Eine leichte Montagemöglichkeit und eine mobile Version der Messwertaufnahme sollte angestrebt werden. Eine Befestigung an der Außenseite des Kraftfahrzeugs stellt die zugänglichste Form der Anbringung der Sensortechnik dar. Der Seilzug-Wegaufnehmer ist mit Hilfe eines Saugnapfes variabel und rückstandslos an jedem Kotflügel montierbar. Die Befestigung in Höhe der Radnabe wird mit einem Halter, welcher an den Radbolzen befestigt wird, realisiert. Eine Grundplatte wird mit Abstandsbolzen an deren Ende eine passende Radnuss sitzt, über die Radbolzen gesteckt. Diese sind über den jeweiligen Lochkreis an der Grundplatte verschraubt. Um eine bessere Haftung sowie eine parallele Ausrichtung der Grundplatte zur Felgenoberseite zu gewährleisten, ist in den Radnüssen ein Neodym Magnet angebracht. Die entwickelten Halter zur Messwertaufnahme werden folgend dargestellt.
Magnetische Radbolzenhalterung
Durch einen angepassten Lochkreis der Grundplatte ist die Halterung leicht am Fahrzeug montierbar. Ein Einfluss der Radumdrehungen auf die Messwerte wird durch einen installierten Rollenfreilauf verhindert. Durch den Abstand zwischen der Befestigung an den Radbolzen und dem Aufnahmebolzen für das Seilzugpotentiometer ist eine Kurvenfahrt mit installierter Messtechnik möglich.
Basiseinheit
Die Basiseinheit wird an der Fahrzeugseite oberhalb eines Rades befestigt. An dieser befindet sich zum einen ein Seilzug-Wegaufnehmer für die Messwertaufnahme der Relativbewegung und zum anderen eine zentrale Messbox. An dieser werden alle Seilzugpotentiometer angeschlossen. In der Messbox befindet sich die Spannungsversorgung, ein AD-Wandler sowie ein Einplatinencomputer zur Messwertübermittlung. Verbunden sind alle Bestandteile über eine entwickelte Platine.
Nebeneinheit
Bei diesem System werden drei Nebeneinheiten benötigt, welche auch mittels einer Saugnapfhalterung am Fahrzeug befestigt werden. An diesem ist jeweils ein Seilzug-Wegaufnehmer befestigt.
Die aufgezeichnete Schwingung wird mittels MATLAB hinsichtlich der Dämpfung der Schwingung betrachtet. Das erfolgt mit Hilfe eines Auswertealgorithmus, welche durch die Messpunkte eine Ausgleichsspline legt, um eventuelle Messausreißer raus zu filtern. Anschließend werden Maximum- und Minimumpunkte gesucht, um eine Hüllkurve zu bilden. Über diese werden die Dämpfungskonstante und der Dämpfungsgrad berechnet. Nachfolgend wird das Ergebnis dieser Untersuchung dargestellt.
Quarz Sensor Profile
Das Messsystem der Firma Kistler ist zur Ermittlung von Massen des überfahrenden Verkehrs auf Autobahnen im Einsatz. Dieses System besteht grundlegend aus drei Komponenten. Das Quarz Sensorprofil mit einem Ladungsverstärker muss mit einem AD-Wandler und einer Auswerteeinheit erweitert werden. In diesem System wird der piezoelektrische Effekt zur Detektion der Masse von überfahrenden Rädern genutzt. Hierbei wird eine zusammengesetzte Schwingung aufgezeichnet, welche aus der Aufbauschwingung und der Schwingung der unabgefederten Massen besteht. Eine Auswertung der Dämpfung findet analog mit dem Algorithmus der Seilzugauswertung statt.
Zusammenfassung
Mobiler Prüfstand
Stationärer Prüfstand
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war der Entwurf und die Inbetriebnahme eines Referenzprüfstandes zur Achsdämpfungsprüfung. Nach einer Validierung der Messeinrichtung auf Basis von Seilzugpotentiometern, sowie von Quarz Sensorprofilen sollte ein Prüfstand umgesetzt werden. Durch die Entwicklung von Halterungen für Sensoren und entworfener Bodenschwellen zur Schwingungsanregung, war es möglich Messungen auf einem mobilen Prüfstand durchzuführen. Die Messungen konnten durch einen Algorithmus zur Auswertung hinsichtlich der Dämpfung betrachtet und analysiert werden. Auf Basis der Erkenntnisse zur Anordnung der Sensoren, wurde ein Konzept für einen stationären Prüfstand entworfen. Vor dem Hintergrund, dass die Fertigstellung des stationären Prüfstands während der Bearbeitungszeit dieser Diplomarbeit nicht möglich war, konnten noch keine Messfahrten auf diesem umgesetzt werden.