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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Prüfen
der Betriebsfestigkeit von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges.
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Kraftfahrzeuge weisen eine Vielzahl
von Bauteilen auf, die während
eines Betriebes wiederholt Belastungen ausgesetzt sind und dadurch
verformt werden. Die Verformung ist z. B. eine Dehnung und/oder
eine Torsion, die durch das Fahren über unebenen Untergrund und/oder
durch den Betrieb eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges verursacht wird.
Tritt die Verformung zu häufig
und/oder mit zu großer
Amplitude auf, kommt es zum Bruch des belasteten Bauteils. Beispiele
für Bauteile,
die potenziell brechen, sind die Aufhängungseinrichtungen und Lagersysteme
von Motoren, Rädern,
Kühlaggregaten
und Abgasanlagen an tragenden Teilen des Kraftfahrzeuges.
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Es ist bekannt, auf Testständen zu
prüfen,
ob es zum Bruch kommt oder ob ein Bauteil erkennbar so geschädigt wird,
dass es zum Bruch kommen kann. Hierzu werden beispielsweise Probefahrten auf
verschiedenen Teststrecken durchgeführt und die entsprechenden
Krafteinwirkungen auf das Fahrzeug aufgezeichnet. Diese Krafteinwirkungen
werden auf dem Teststand reproduziert, sodass reale Belastungen
auftreten, die ausgewertet werden.
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Nachteilig an dieser Vorgehensweise
ist der hohe damit verbundene Aufwand an Zeit und Personal. Wird
auch nur ein potenziell bruchgefährdetes Bauteil
oder ein an der Krafteinwirkung auf potenziell bruchgefährdete Bauteile
beteiligtes Bauteil in dem Kraftfahrzeug geändert, muss der Test wiederholt werden.
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Weiterhin ist es bekannt festzustellen,
wie häufig
und mit welcher Amplitude Belastungen an Bauteilen auftreten. Diese
Information wird üblicherweise
als Belastungskollektiv bezeichnet. Auf Grund von Erfahrungswerten
kann daraus ermittelt werden, ob und ggf. wann das jeweilige Bauteil
versagen wird. Dieses Verfahren wird jedoch dem komplexen System
von schwingungsfähigen
mechanischen Kopplungen mit potenziell bruchgefährdeten Bauteilen in Kraftfahrzeugen
nicht gerecht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art anzugeben, die bei möglichst
geringem Aufwand für
eine Vielzahl von Ausstattungsvarianten eines Kraftfahrzeuges Aussagen über die
Schädigung
von Bauteilen erlauben.
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Es wird vorgeschlagen, eine zeitabhängige, die
Schwingung eines ersten Bauteils beschreibende Variable durch Fouriertransformation
in eine frequenzabhängige
Variable zu transformieren. Das erste Bauteil ist ein Bauteil, das
eine Verformung eines zweiten Bauteils anregen kann. Unter Verwendung
der frequenzabhängigen
Variablen wird analysiert, ob eine das zweite Bauteil schädigende
Verformung angeregt werden kann und/oder angeregt wird.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass
auf Grund der Beteiligung schwingungsfähiger Bauteile an der Übertragung
von Kräften
und damit an der Generierung von Belastungen die Information über die
Frequenzen einer Schwingung wesentlich ist. Insbesondere können Schwingungen
im Bereich von Eigenfrequenzen anderer Bauteile Belastungen dieser
Bauteile mit besonders großer
Amplitude bewirken. Es können
daher beispielsweise diejenigen Frequenzanteile bei der Schädigungsanalyse
herausgegriffen werden, die in einem relevanten Frequenzbereich
liegen. Weiterhin ist es möglich,
bei Kenntnis einer Übertragungsfunktion,
die die Anregung der Verformung des zweiten Bauteils auf Grund der
Schwingung des ersten Bauteils beschreibt, die Belastung des zweiten
Bauteils zu berechnen oder zumindest abzuschätzen. Insbesondere kann ohne oder
vor einer experimentellen Untersuchung auf einem Teststand eine
Aussage darüber
gewonnen werden, ob die Ersetzung des zweiten Bauteils (z. B. der
Abgasanlage oder eines Teils der Abgasanlage) durch ein andersartiges,
die gleiche Funktion ausübendes
Bauteil zu einer längeren
oder kürzeren
Lebensdauer führt.
In jedem Fall kann aufgrund der Frequenzinformation zumindest eine
vorbereitende Analyse einer etwaigen Schädigung des zweiten Bauteils durchgeführt werden.
Dadurch wird der Aufwand für eine
experimentelle Herbeiführung
einer möglichen Schädigung reduziert.
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Unter einem schwingungsfähigen Bauteil wird
auch ein Bauteil verstanden, das z. B. durch wiederholte Krafteinwirkung
erzwungene Schwingungen ausführt.
Die Verformung des zweiten Bauteils erfolgt insbesondere wiederum
als Schwingung.
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Unter Bauteilen werden nicht nur
einstückige Bauteile,
sondern auch Teil-Systeme mit einer Mehrzahl von Komponenten des
Kraftfahrzeuges verstanden, z. B. ein System von Lagern zur Lagerung
eines Antriebsmotors an tragenden Bauteilen.
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Für
eine dem beschriebenen Verfahren entsprechende Vorrichtung wird
vorgeschlagen folgendes vorzusehen:
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- (a) eine Ermittlungseinrichtung, die ausgestaltet ist,
eine die Schwingung des ersten Bauteils beschreibende Variable als
Funktion der Zeit zu ermitteln,
- (b) eine Transformationseinrichtung, die ausgestaltet ist, die
Variable in eine frequenzabhängige Variable
zu transformieren,
- (c) eine Analyseeinrichtung, die ausgestaltet ist, unter Verwendung
der frequenzabhängigen
Variablen zu analysieren, ob eine das zweite Bauteil schädigende
Verformung angeregt werden kann und/oder angeregt wird.
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Insbesondere wird die Transformation
für eine
Vielzahl aufeinandertolgender Zeitabschnitte durchgeführt und
werden für
jeden der Zeitabschnitte Paare bestehend aus einem Wert der Frequenz
und einem zugehörigen
Amplitudenwert der frequenzabhängigen
Variablen gebildet. Die Zeitabschnitte schließen vorzugsweise ohne Lücke aneinander
an, sodass nach Ausführung
der Transformation lückenlos
Amplitudenwerte als Funktion der Frequenz und der Zeit zur Verfügung stehen.
Die somit vorliegende Informationen bildet insbesondere die Basis
für eine Auswahl
von Amplitudenwerten in relevanten Frequenzbereichen.
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Danach können die Paare für einen
Wert oder jeweils für
mehrere Werte der Frequenz nach der Größe des Amplitudenwertes geordnet
werden. Auf diese Weise aber auch sonst ist es möglich, kleine Amplitudenwerte
(insbesondere Amplitudenwerte unterhalb eines Grenzwertes) auszusortieren
und nicht mehr zu verwenden. Dem liegt die Erfahrung zugrunde, dass
Verformungen des zweiten Bauteils mit geringer Amplitude keine oder
nur eine vernachlässigbar
kleine Schädigung
bewirken.
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Vorzugsweise wird jedoch dabei auch
die Information über
die Frequenz, bei der der Amplitudenwert auftritt, berücksichtigt.
Tritt nämlich
beispielsweise ein Amplitudenwert bei einer Resonanzfrequenz des
zweiten Bauteils oder eines die Anregung des ersten Bauteils auf
das zweite Bauteil übertragenden Kopplungsbauteils
auf, können
selbst kleine Amplitudenwerte verstärkt werden und schädigende
Verformungen des zweiten Bauteils bewirken. Die kleinen Amplitudenwerte
werden daher vorzugsweise frequenzselektiv aussortiert, beispielsweise
unter Vorgabe eines frequenzabhängigen
Grenzwertes.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, durch
Multiplikation des Wertes der Frequenz mit der Länge des jeweiligen Zeitabschnittes
die in den Zeitabschnitten aufgetretene Zahl der Schwingungszyklen
zu berechnen. Die Schwingungszyklen werden im folgenden auch als
Lastwechsel bezeichnet, da sie einen Wechsel der auf das zweite
Bauteil ausgeübten
Last bewirken können
und in der Regel auch bewirken.
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Bevorzugtermassen wird die Länge der
Zeitabschnitte so gewählt,
dass bei einem vorgegebenen Frequenzwert nicht mehr als fünf, vorzugsweise
nicht mehr als zwei, Schwingungszyklen stattfinden. Dadurch wird
gewährleistet,
dass durch die Unterteilung in die Zeitabschnitte keine oder keine
wesentliche Verfälschung
der Amplitudenwerte entsteht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
wird Bezug auf die beigefügten
Figuren genommen. Im Einzelnen zeigen:
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1 schematisch
ein Kraftfahrzeug mit einem System mechanisch gekoppelter Bauteile,
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2 eine
die Schwingung eines ersten Bauteils des in 1 dargestellten Systems beschreibende
Variable als Funktion der Zeit,
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3 Amplitudenwerte
der in 2 dargestellten
Funktion nach einer Fouriertransformation,
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4 die
Amplitudenwerte aus 3 bei
einem ausgewählten
Frequenzwert,
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5 die
Amplitudenwerte aus 4 der Größe nach
sortiert und
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6 schematisch
eine Vorrichtung zum Prüfen
der Betriebsfestigkeit von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges.
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1 zeigt
ein Kraftfahrzeug 1, das auf einem unebenen Untergrund 2 fährt. Das
Kraftfahrzeug 1 weist ein Fahrgestell 6 mit Rädern 4 auf.
Wie der nach unten weisende Doppelpfeil in der Mitte des Fahrgestells 6 andeutet,
erfährt
das Fahrgestell 6 aufgrund der Unebenheiten des Untergrundes 2 wiederholt
eine Beschleunigung a.
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Mit dem Fahrgestell 6 sind
ein Antriebsmotor 21, eine Abgasverrohrung 23 und
ein Auspufftopf 25 mechanisch gekoppelt. Die Abgasverrohrung 23 und der
Auspufftopf 25 sind Teil einer Abgasanlage. Kopplungen
sind durch Federn 7 und Dämpfungsglieder 9 jeweils
zwischen dem Fahrgestell 6 und dem Antriebsmotor 21 bzw.
zwischen dem Fahrgestell 6 und dem Auspufftopf 25 dargestellt.
Die Kopplungen bedeuten, dass eine Bewegung des Fahrgestells 6 gedämpfte Schwingungen
der Bauteile 21, 23, 25 anregen kann.
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Bei dieser Darstellung handelt es
sich um ein stark vereinfachtes Modell. Insbesondere sind im allgemeinen
weitere Kopplungen und Bauteile vorhanden und können die einzelnen Bauteile
selbst resonant schwingungsfähig
sein.
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Im Sinne der oben beschriebenen Unterscheidung
zwischen einem ersten schwingungsfähigen Bauteil und einem zweiten
Bauteil, dessen Verformung durch eine Schwingung oder Bewegung des ersten
Bauteils angeregt werden kann, kann das Fahrgestell 6 z.
B. als das erste Bauteil betrachtet werden und können eines oder mehrere der
Bauteile 21, 23, 25 als das zweite Bauteil
betrachtet werden.
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Im allgemeinen hat die Bewegung,
die das Fahrgestell 6 ausführt, sechs Freiheitsgrade.
Im Folgenden wird der Einfachheit halber nur ein Freiheitsgrad betrachtet.
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2 zeigt
die Beschleunigung a als Funktion der Zeit t. Es sind gleich lange,
unmittelbar aufeinandertolgende Zeitabschnitte Δt dargestellt. Für jeden
der Zeitabschnitte Δt
werden nun durch Transformation der Beschleunigung a mittels einer
Fast Fouriertransformation (FFT) Fourierspektren gebildet. Das Verfahren
der FFT ist ausführlich
beispielsweise in dem Buch „Numerical
Recipes in C : The Art of Scientific Computing" von William H. Press et al., erschienen
im Verlag Cambridge University Press beschrieben.
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Durch die Transformation werden jeweils
für einen
der Zeitabschnitte Δt
bzw. für
jeweils einen zugeordneten Zeitpunkt t0, t1, t2,... die Amplituden â der Beschleunigung
a als Funktion der Frequenz f der Schwingung des Fahrgestell 6 erhalten.
Drei der entsprechenden Funktionsgrafen â(f), für die Zeitpunkte t0, t1, t2
sind in 3 dargestellt.
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Die Beschleunigung kann kontinuierlich
oder quasi-kontinuierlich über
einen Aufzeichnungszeitraum ermittelt werden. Die in 2 gezeigte Unterteilung
in die dargestellten Zeitabschnitte Δt ist nur ein Beispiel. Insbesondere
kann der Aufzeichnungszeitraum in wesentlich mehr Zeitabschnitte
als dargestellt aufgeteilt werden. Auch ist es möglich, andere Verfahren als
die FFT zur Transformation in eine frequenzabhängige Variable anzuwenden.
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Vorzugsweise, insbesondere bei Ausführung der
FFT, wird die Länge
der gleich langen Zeitabschnitte Δt
so gewählt,
dass bei einem vorgegebenen Wert der Frequenz f, zum Beispiel bei
dem größten für eine Schädigungsanalyse
bruchgefährdeter
Bauteile relevanten Wert, höchstens
fünf, vorzugsweise höchstens
zwei, Schwingungszyklen in einem der Zeitabschnitte Δt liegen.
Dadurch wird gewährleistet, dass
eine etwaige Mittelung der Amplitude über jeweils einen Zeitabschnitt Δt auf Grund
der Transformation (z. B. auf Grund der FFT) zu keiner oder nur zu
einer geringen Verfälschung
führt.
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Wie in 3 beispielhaft
für einen
Wert f' der Frequenz
f dargestellt ist, werden in einem weiteren Verfahrensschritt für die Zeitabschnitte Δt Werte der Amplitude â bei dem
selben Frequenzwert f' ermittelt. Diese
Werte können
nun optional über
der Zeit t aufgetragen werden (4)
und/oder – im
allgemeinen unter Umordnung der Zeitreihenfolge – der Größe nach abfallend geordnet
werden (5).
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In einem weiteren Verfahrensschritt
wird durch Multiplikation der Länge
der Zeitabschnitte Δt mit
dem Frequenzwert f' die
Zahl der zu den Amplitudenwerten gehören den Schwingungszyklen (Lastwechsel)
berechnet. Dieser Verfahrensschritt kann auch schon zu einem früheren Zeitpunkt
durchgeführt
werden.
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Gegebenenfalls können die Lastwechsel gleicher
Amplitude â aus
verschiedenen Zeitabschnitten Δt
zusammengezählt
werden. In diesem Fall kann der oben beschriebene Schritte der Umordnung
auch erst danach ausgeführt
werden. In jedem Fall ist es nun möglich, ähnlich wie an sich bekannt und
eingangs beschrieben, festzustellen, wie viele Lastwechsel mit welcher
Amplitude â stattgefunden haben.
Dabei steht jedoch außerdem
die Informationen über
den Frequenzwert f' zur
Verfügung.
Das Ergebnis kann daher als spektrales Belastungskollektiv bezeichnet
werden. Dabei kann an Stelle der Beschleunigung auch eine andere
Bewegungsvariable oder eine äquivalente
Größe, etwa
eine Kraft, verwendet werden.
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Die zusätzliche Frequenzinformation
erlaubt es beispielsweise, aus dem spektralen Belastungskollektiv
diejenigen spektralen Anteile auszuwählen, die für die Frage der Schädigung eines
bestimmten Bauteils relevant sind. Ist z. B. eine Resonanzfrequenz
des Bauteils bekannt, kann der Anteil bei der Resonanzfrequenz,
in einer vorgegebenen Bandbreite um die Resonanzfrequenz und/oder
bei einer Resonanzschwingungen des Bauteils anregenden Grundfrequenz
ausgewählt
werden. Somit ist es möglich,
bei verschiedenen Fahrstrecken, für die die Beschleunigung (oder
eine andere zeitabhängige
Variable) ermittelt wurde, diejenige oder diejenigen Fahrstrecken
auszuwählen,
welche zu einer Schädigung
des Bauteils führen
können.
Diese Auswahl erfolgt insbesondere dadurch, dass bei dem relevanten spektralen
Anteil des Belastungskollektivs festgestellt wird, ob die Amplitude
einen kritischen Wert erreicht oder überschritten hat und/oder ob
die Anzahl der Lastwechsel bei einem der Amplitudenwerte einen für diesen
Amplitudenwert kritischen Wert erreicht oder überschritten hat. Ist einer
der kritischen Werte erreicht, kann es zu einer Schädigung des Bauteils
kommen. Auch kann in entsprechender Weise ermittelt werden, welche
der Fahrstrecken am wahrscheinlichsten zu einer Schädigung führt. In
jedem Fall wird durch diese Auswahl der Aufwand für experimentelle
Belastungsprüfungen
reduziert oder sogar ganz vermieden.
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Eine weitere Möglichkeit, das spektrale Belastungskollektiv
oder – allgemeiner
formuliert – die frequenzabhängige Informationen über das
Bewegungsverhalten eines ersten Bauteils des Kraftfahrzeuges zu
verwenden, besteht in einer Abschätzung der potenziellen Schädigung eines
zweiten, mit dem ersten Bauteil gekoppelten Bauteils, z. B. der
Abgasanlage 23, 25 des Kraftfahrzeuges 1.
Dabei wird außerdem
eine Übertragungsfunktion
ermittelt, die eine Anregung von Schwingungen des zweiten Bauteils durch
Bewegung des ersten Bauteils beschreibt, d. h. eine Übertragungsfunktion,
die der Kopplung der Bauteile entspricht. Die Übertragungsfunktion wird bei
einer rechnerischen Ermittlung der Belastung des zweiten Bauteils
aus der frequenzabhängigen
Informationen verwendet. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls der experimentelle
Aufwand für
eine Schädigungsprüfung reduzieren
oder vermeiden. Insbesondere wird eine Schädigung des zweiten Bauteils nur
dann experimentell geprüft,
wenn bei der Schädigungsabschätzung festgestellt
wurde, dass eine Schädigung
möglich
ist.
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Im Folgenden wird eine Vorrichtung
zum Prüfen
der Betriebsfestigkeit von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges beschrieben.
Die Vorrichtung weist eine Messeinrichtung 10 mit zumindest
einem Messsensor 11 zum Messen einer zeitabhängigen Messgröße auf,
z. B. einer Beschleunigung eines ersten Bauteils eines Kraftfahrzeuges.
Der Messsensor 11 ist mit einem Messverstärker 12 der
Messeinrichtung 10 verbunden. Während des Betriebes der Vorrichtung empfängt der
Messverstärker 12 Messsignale
von dem Messsensor 11 und verstärkt die Messsignale. Ein Signalausgang
des Messverstärkers 12 ist
mit einer Transformationseinrichtung 14 zum Transformieren
der zeitabhängigen
Messsignale, und damit der zeitabhängigen Messgröße, in eine
frequenzabhängige
Messgröße verbunden.
Die Art der Transformation wurde bereits beschrieben. Die Transformationseinrichtung 14 ist
z. B. ein Computer oder in einen Computer integriert, wie auch die
drei im weiteren beschriebenen Einrichtungen 16, 18, 20,
die optional vorhanden sind.
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Die Einrichtung 16 ist eine
Sortiereinrichtung, die insbesondere wie bereits beschrieben Amplitudenwerte
der Messgröße der Größe nach
sortiert und optional gleich große Amplitudenwerte zusammengefasst,
wobei dann protokolliert wird, wie groß die Zeitabschnitte sind,
in denen der Amplitudenwert aufgetreten ist. Die Sortiereinrichtung 16 ist
eingangsseitig mit der Transformationseinrichtung 14 verbunden
und ausgangsseitig mit der Einrichtung 18, einer Lastwechsel-Ermittlungseinrichtung
zur Ermittlung der in einem Zeitabschnitt auftretenden Last wechsel.
Die Lastwechsel-Ermittlungseinrichtung 18 ermittelt, insbesondere
wie oben beschrieben, die Anzahl der Lastwechsel zu den aufgetretenen
Amplitudenwerten. Alternativ sind die Lastwechsel-Ermittlungseinrichtung 18 und
die Sortiereinrichtung 16 vertauscht angeordnet. Mit der
Lastwechsel-Ermittlungseinrichtung 18 ist eine Auswertungseinrichtung 20 verbunden,
durch die insbesondere die oben beschriebenen Schädigungsabschätzungen
und/oder Auswahlen schädigender
Spektralanteile vorgenommen werden.