DE2536332B1

DE2536332B1 - Verfahren und vorrichtung zum pruefen der gleichfoermigkeit von rotationskoerpern, insbesondere kraftfahrzeugreifen

Info

Publication number: DE2536332B1
Application number: DE19752536332
Authority: DE
Inventors: Friedrich Wenz
Original assignee: Gebr Hofmann GmbH and Co KG Maschinenfabrik
Current assignee: Gebr Hofmann GmbH and Co KG Maschinenfabrik
Priority date: 1975-08-14
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2321119A1; IT1067426B; GB1507806A; US4018087A; DE2536332C2

Description

ί-r-, wobei k eine ganze Zahl von 1 bis η ist J

und das der Umlaufgeschwindigkeit proportionale Gleichspannungssignal mit einer Vervielfachung (k, wobei k ebenfalls eine ganze Zahl von 1 bis η ist) vor dem Multiplizieren beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus dem Analysensignal und dem der Umlaufgeschwindigkeit proportionalen Gleichspannungssignal aus einer einzigen Umdrehung gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Analysensignal mit Hilfe einer elektrischen Filterschaltung der statische Anteil abgetrennt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den harmonischen Fourierkoeffizienten entsprechenden elektrischen Gleichspannungswerte mit einer von der Drehfrequenz des zu prüfenden Rotationskörpers unabhängigen Rechteckspannung in eine Null- und eine 90°-Komponente zerhackt und addiert werden, so daß die ausgefilterte Harmonische der Frequenz der Rechteckspannung in Betrag und Phasenlage zu einem beliebigen Nullbezug die Größe und Lage der gesuchten Harmonischen darstellt.

6. Vorrichtung zur Gleichförmigkeitsprüfung von Rotationskörpern, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, mit weg- und kraftmessenden Wandlern, die ein Analysensignal liefern, dessen Amplituden den Ungleichförmigkeiten proportional sind, Integratoren zur Bildung eines jeden harmonischen Fourierkoeffizienten und mit Fourierkomponentenanalysatoren, welche aus den harmonischen Fourierkoeffizienten der Fourierentwicklungsreihe des Analysensignals die Ungleichförmigkeiten nach Lage und Größe ermitteln, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Integrator (6, 7) ein Multiplikator (4, 5) vorgeschaltet ist, an dessen einen Eingang das von den Wandlern (21, 22) abgegebene Analysensignal und an dessen anderen Eingang ein der Umlauffrequenz des Rotationskörpers (10) proportionales Gleichspannungssignal eines Tachodynamos (14) anliegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der das Analysensignal abgebenden Wandler (21, 22) und den einen Eingängen der Multiplikatoren (4 und 5) Abschwächer (1, 30, 40, 41) und zwischen dem Ausgang des Tachodynamos (14) und den anderen Eingängen der Multiplikatoren Vervielfacher (2, 45, 46,47) geschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen dem Multiplikator (4 bzw. 5) und dem Integrator (6 bzw. 7) ein Schalter (8 bzw. 9) vorgesehen ist, der gesteuert durch einen Drehimpulsgeber (15) während einer Umdrehung des Rotationskörpers (10) schließbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgänge der Wandler (21,22) und die Abschwächer (1,39,40,41) eine elektrische Abtrennschaltung (27, 29, 30) für den statischen Anteil des Analysensignals geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Komponentenrechner (42, 43, 44) und zugeordnete Abschwächer (39,40,41) und Vervielfacher (45,46,47) sowie den Komponentenrechnern nachgeschaltete Größen- und Winkelinstrumente (51-53,54-56) vorgesehen sind, die jeweils einer Harmonischen entsprechen und zueinander parallel geschaltet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komponentenrechner sowie ein zugeordnetes Größen- und Winkelinstrument vorgesehen sind, auf welche nacheinander den gewünschten Harmonischen entsprechende Vervielfacher und Abschwächer aufschaltbar sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen der Gleichförmigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, bei denen während der Rotation infolge von Ungleichförmigkeiten des Rotationskörpers ein elektrisches Analysensignal mit Hilfe von weg- oder kraftmessenden Wandlern erzeugt wird, dessen Amplituden den Ungleichförmigkeiten proportional sind und die harmonischen Fourierkoeffizienten der Fourierentwicklung des Analysensignals aus den Fourierintegralen gebildet werden, aus denen dann die Größe und Phasenlage der Ungleichförmigkeiten ermittelt werden.

Bei derartigen Prüfverfahren und Prüfvorrichtungen ist eine möglichst kurze Meßzeit erwünscht, um einen hohen Durchlaufwert bei der Produktion von Rotationskörpern, insbesondere von Kraftfahrzeugreifen und dgl., nicht zu gefährden. Bekannte Prüfverfahren und Prüfvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß mindestens zwei oder mehrere Umläufe der zu prüfenden Rotationskörper verwendet werden müssen, um die Ungleichförmigkeiten des Rotationskörpers nach Größe und Winkellage zu ermitteln. Außerdem ist es noch notwendig, daß der zu prüfende Rotationskörper auf eine bestimmte Umlauffrequenz gebracht werden muß.

Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungschrift 19 44 678 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Gleichförmigkeit von Luftreifen bekannt, bei der ein Analogoszillatorkreis verwendet wird, der sich aus einem Summierer, Inverter und zwei 5 Integratoren zusammensetzt. Das Ausgangssignal des Analogoszillatorkreises wird auf einen Harmonischen-Amplituden-Detektorkreis geschaltet. Nach Ablauf einer Periode des Prüfvorganges wird dieser Detektorkreis aktiviert, so daß es mindestens bis zu einer Periode der Drehfrequenz dauert, bis das Maximum der Harmonischen wieder am Eingang dieses Kreises erscheint. Hieraus ergibt sich ein der Periodendauer der Prüfvorrichtung proportionaler Zeitverzug.

Bei der Winkelermittlung wird in der bekannten Vorrichtung eine elektrische Schaltung verwendet, die den positiv oder negativ gerichteten Nulldurchgang der Sinusfunktion des Analysensignals ermittelt. Insofern ergibt sich auch bei der Ermittlung der Phasenlage der Ungleichförmigkeiten ein Verzug von mindestens einer Periode des Prüfvorganges.

Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 17 98017 ein Reifenprüfverfahren zur Feststellung von Unsymmetrien des Reifens bekanntgeworden, bei dem ebenfalls mit Hilfe zweier Analogoszillatoren nach Ablauf einer Periode des Prüfvorganges die Amplituden der harmonischen Komponenten und die zugehörigen Phasenwinkel aus den Fourierkoeffizienten der Fourierreihe des Analysensignals zu ermitteln. Hierbei werden die Fourierkoeffizienten aus dem ersten Oszillator entnommen und als Anfangsbedingungen in den zweiten Oszillator eingegeben, wobei der zweite Oszillator mit diesen Koeffizienten zum Schwingen angeregt wird. Es sind somit mindestens zwei Perioden, d. h. zwei Umläufe beim Prüfvorgang notwendig, um die Fourierkoeffizienten ermitteln zu können.

Zur Ermittlung der Winkellage und ders Betrages der Ungleichförmigkeiten aus den Fourierkoeffizienten benötigen andere bekannte Vorrichtungen Quadrierer und Radizierer um den Betrag und Dividierer und Funktionsgeber für Tangenz-Funktionen zur Ermittlung der Winkellage, was einen relativ hohen Aufwand erfordert. Insbesondere dann, wenn eine niedrige Fehlergrenze gefordert wird und diese Fehlergrenze kleiner ist, als sie sich durch Fehlersummierung bei handelsüblichen Standardschaltungen dieser Art ergeben können, ist ein hoher Aufwand erforderlich.

Die bekannten Lösungen haben außerdem den gemeinsamen Nachteil, daß keine von der Rotationsfrequenz des zu prüfenden Rotationskörpers unabhängige Phasenschiebung möglich ist. Eine solche Phasenschiebung (=konstanter Winkelversatz auf dem Einheitskreis) ist jedoch erforderlich, wenn zwischen der Meßstelle und einem festen Bezugspunkt für die Winkelbestimmung ein Winkelversatz besteht oder wenn eine Markiereinrichtung mit Winkelversatz zur Kennzeichnung der Winkellage eines Extremwertes betätigt werden soll.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen ergibt sich dann, wenn eine automatische verzögerungsfreie und die Amplitudeneichung der Anordnung nicht beeinflussende Frequenznachstimmung bei variabler Drehzahl der Prüfanordnung gefordert wird. Denn keine der bekannten Prüfvorrichtungen kann eine automatische Frequenznachstimmung aufweisen. Die somit in den bekannten Vorrichtungen verwendeten frequenzbestimmenden Mittel ergeben bei linearer Veränderung hyperbolische Funktionen für die Frequenzänderung, so daß sich für die automatische Nachstimmung bei der geforderten geringen Bandbreite einer harmonischen Analyse Probleme ergeben. Dies trifft insbesondere für die Sinuswellengeneratoren des Fourierkomponentenzusammensetzers in der deutschen Patentschrift 17 98 017 zu. Insbesondere ist es bei dieser bekannten Vorrichtung notwendig, daß man immer bei der voreingestellten Umlauffrequenz den Meßvorgang durchführt, d. h. der Prüfkörper muß erst auf eine bestimmte Umlauffrequenz hochgedreht werden, was einen Zeitverlust bedeutet.

Würde man zur Ermittlung der Harmonischen Fourierkoeffizientenanalogrechner unter Einsatz einer Mehrzahl von Multiplikationsstufen verwenden, wie das als nicht empfehlenswerte Lösung ebenfalls aus der deutschen Patentschrift 17 98 017 bekannt ist, so müßte man eine drehzahlproportionale Wechelspannung mit über den gesamten Drehzahlbereich hin konstante Amplitude für die Multiplikationsstufen vorsehen, um die einzelnen harmonischen Fourierkoeffizienten zu ermitteln. Es wären dann entweder eine entsprechende Anzahl von Generatoren notwendig, die die drehzahlproportionale Wechselspannung mit den konstanten Amplituden liefert, oder es müßten entsprechende mechanische Getriebe in den Generatoren vorgesehen sein, was ebenfalls einen hohen Aufwand bedeutet.

Man kennt auch Schaltungsanordnungen zur dynamischen Simulation von Schwingungsdifferentialgleichungen, die insbesondere in der Analogrechnertechnik Anwendung gefunden haben. Diese Schaltungen bestehen im wesentlichen aus einem rückgekoppelten Kreis, zwei Integrationsstufen und einem invertierenden Summierer. Es handelt sich auch hierbei um einen Oszillatorkreis, der nicht von selbst anschwingt, so daß entweder enddämpfende Mittel oder von außen Signale eingespeist werden müßten, die den Gleichgewichtszustand der Anordnung stören, wobei die Eigenfrequenz der Schaltungsanordnung durch die Zeitkonstante der Integrationsstufen bestimmt wird. Würde man am Eingang einer derartigen Schaltung eine periodische Funktion anlegen, in der harmonische Anteile enthalten sind und auf welche die Schaltung in ihrer Eigenfrequenz abgestimmt ist, so ergäbe sich eine Schwingung, deren Amplitude dem harmonischen Anteil der Eingangsfunktion proportional ist. Die Schaltung hätte somit Filterwirkung.

Eine derartige Schaltung kann aber nicht ohne weiteres zur Analyse von periodischen Funktionen angewendet werden, da der Betrag der gesuchten Harmonischen, d. h. der Maximalwert einer Schwingungsamplitude, nur dynamisch zur Verfügung steht. Um diesen Maximalwert in eine Gleichspannung umzusetzen, müßte die Schwingung in einen Maximalwertspeicher eingegeben werden. Dies kann jedoch nicht vor Ablauf der ersten Periode des Analysensignals geschehen, da das Ergebnis in dieser Zeit noch nicht feststeht. Wird der Maximalwertspeicher jedoch erst in der zweiten Periode der Analysenfunktion angeschaltet, so kann der Zeitverzug bis zum Durchlauf des Maximalwertes bis zu einer Periode betragen. Außerdem muß noch berücksichtigt werden, daß die Schwingungsamplitude der Schaltungsanordnung nicht nur von dem harmonischen Anteil der Eingangsfunktion bestimmt wird, sondern auch von der Zahl der eingegebenen Perioden der Eingangsfunktion. Weiterhin würde die Lage der Harmonischen sich aus einer Zeitdifferenz zwischen Analysebeginn und dem Nulldurchgang der harmonischen Schwingung ergeben.

Der gesuchte Winkel wird somit durch eine Zeitmessung bestimmt. Es wird hierbei die Tatsache ausgenutzt, daß bei bekannter Zeitdauer einer Periode der Winkel eine zeitproportionale Größe ist. Bis zur endgültigen Bestimmung der Lage wird ebenfalls mindestens eine volle Periode benötigt. Da der Winkel über die Zeit abgeleitet wird, ergibt sich, daß das Winkelergebnis von der Periodendauer der Eingangsfunktion abhängig ist. Eine Schaltung zur Abgabe einer dem Winkel proportionalen Gleichspannung ist somit frequenzabhängig und muß daher auf die zu analysierende Periodendauer abgestimmt werden. Weiterhin gilt für die bekannten Schaltungen noch die Einschränkung, daß die Abstimmung auf die Periodendauer einer zu analysierenden Funktion nicht durch Anlegen einer Drehfrequenz proportionalen Gleichspannung vorgenommen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen der Gleichförmigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Kraftfahrzeugreifen der eingangs genannten Art zu zeigen, welches bzw. welche bei der Bestimmung der Ungleichförmigkeiten nach Lage und Größe eine automatische Verzögerungsfreie Frequenznachstimmung bei variabler Drehzahl, mit welcher der zu prüfende Rotationskörper umläuft, bei der geforderten geringen Bandbreite erlaubt.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Frequenzabstimmung zusätzlich das Analysensignal mit einem aus der Rotation des zu prüfenden Rotationskörpers gewonnenen, der Umlaufgeschwindigkeit des Rotationskörpers proportionalen Gleichspannungssignal multipliziert wird.

Ferner wird zur Lösung der gestellten Aufgabe eine Vorrichtung zur Gleichförmigkeitsprüfung von Rotationskörpern, insbesondere Kraftfahrzeugreifen mit weg- oder kraftmessenden Wandlern, die ein Analysensignal liefern, dessen Amplituden den Ungleichförmigkeiten proportional sind Integratoren zur Bildung eines jeden harmonischen Fourierkoeffizienten und mit Fourierkomponentenanalysatoren, welche aus den harmonischen Fourierkoeffizienten der Fourierentwicklungsreihe des Analysensignals die Ungleichförmigkeiten nach Lage und Größe ermitteln, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jedem Integrator ein Multiplikator vorgeschaltet ist, an dessen einen Eingang das von den Wandlern abgegebene Analysensignal und an dessen anderen Eingang ein der Umlauffrequenz des Rotationskörpers proportionales Gleichspannungssignal eines Tachodynamos anliegen.

Das Analysensignal wird somit bei der Erfindung am Eingang des Integrators, in welchem durch Integration die Fourierkoeffizienten ermittelt werden, mit einer drehzahlproportionalen Gleichspannung multipliziert. Hierdurch wird lediglich die Amplitude des Analysensignals verändert, jedoch nicht ihr zeitlicher Verlauf. Am Ausgang des Integrators wächst die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit proportional zu der drehzahlproportionalen Gleichspannung. Die Anstiegsgeschwindigkeit des mit dieser Gleichspannung multiplizierten Analysensignals wächst an, womit automatisch bei steigender Drehzahl der Integrator bzw. die bei der Fourierkoeffizientenermittlung verwendete Einrichtung auf die höhere Frequenz abgestimmt ist, ohne daß hierzu die in der Integrationsstufe verwendete Kapazität oder der Ohmsche Widerstand verändert werden müssen.

Bei der Erfindung ist es daher nicht notwendig, daß in den Integrationsstufen, welche zur Fourierkoeffizientenermittlung angewendet werden, verstellbare Widerstände oder verstellbare Kapazitäten verwendet werden. Bei der Erfindung ergibt sich vielmehr trotz Verwendung von Festwertwiderständen und Festwertkapazitäten in den Integrationsstufen eine automatisch sich einstellende Frequenzanpassung der Anordnung, welche im wesentlichen darauf begründet ist, daß bei sich ändernder Frequenz auch die Anstiegsgeschwindigkeit sich im Analysensignal ändert, was darauf beruht, daß zwar die Amplituden des Analysensignals verändert werden, jedoch nicht sein zeitlicher Verlauf.

Um die Lage und Größe der verschiedenen harmonischen Komponenten ermitteln zu können, kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Ordnung der harmonischen Komponenten das Analysensignal mit einer Abschwächung und das der Umlaufgeschwindigkeit proportionale Signal mit einer Vervielfachung vor dem Multiplizieren beaufschlagt sein.

Außerdem kann das Produkt aus dem Analysensignal und dem der Umlaufgeschwindigkeitenproportionalen Gleichspannungssignal aus einer einzigen Umdrehung gewohnen werden.

Ferner ist es von Vorteil, aus dem Analysensignal mit Hilfe· einer elektrischen Filterschaltung den statischen Anteil, der sich in aller Regel aus der Rotationskörperlast bzw. der Reifenaufstandslast ergibt, abzutrennen. Auf diese Weise wird vermieden, daß bei der Ermittlung der harmonischen Komponenten die hierbei verwendeten Verstärker in den nichtlinearen Bereich gesteuert werden. Diese Gefahr besteht insbesondere deshalb, weil der statische Anteil ein Mehrfaches der Schwankungen des Analysensignals ausmacht. Man erhält somit durch die Abtrennung des statischen Anteils eine Verbesserung der Auflösung bei der Ermittlung der harmonischen Komponenten.

Ferner ist es von Vorteil, daß man zur Ermittlung der Größe und Lage der einzelnen harmonischen Komponenten des Analysensignals die den harmonischen Fourierkoeffizienten entsprechenden elektrischen Signale mit einer von der Drehfrequenz unabhängigen Rechteckspannung in eine Null- und eine 90°-Komponente zerhackt und beide Komponenten der Rechteckspannung addiert, so daß die ausgefilterte Harmonische der Frequenz der Rechteckspannung, die insbesondere wesentlich höher liegt als die Prüfkörperdrehfrequenz, in Betrag und Phasenlage zu einem beliebigen Nullbezug die Größe und Lage der gesuchten Harmonischen darstellt. Ein derartiges Auswertungsverfahren für die Winkel- und Lagebestimmung ist an sich aus der Auswuchttechnik aus der deutschen Patentschrift 11 08 475 bekannt.

Durch geeignete Gleichrichter und Glättungsschaltungen für die Größe sowie einen Nulldetektor und einen Flip-Flop, welche im Nulldurchgang der Bezugsphasengröße zurückgestellt und im Nulldurchgang der Harmonischen dieser zweiten Frequenz wieder gesetzt wird, läßt sich nach Glättung des Flip-Flop-Ausgangssignals auch die Winkelgleichspannung gewinnen. Indem man die Frequenz der Rechteckspannung, welche von der Prüfkörperdrehfrequenz unabhängig ist, wesentlich höher legt als die Prüfkörperdrehfrequenz, lassen sich die Glättungszeitkonstanten für Betrag und Winkel sehr kurz gegen die Zeitdauer einer Prüfperiode machen, so daß der verbleibende Zeitverzug vernachlässigbar klein wird.

Da die Frequenz der von der Prüfkörperdrehfrequenz unabhängigen Rechteckspannung im Grunde genommen beliebig hoch gewählt werden kann und die

Glättungszeitkonstanten somit sehr klein werden können, ergibt sich für die Anwendung dieses bekannten Auswertungsverfahrens, daß Größe und Lage der gesuchten harmonischen Komponenten aus den Fourierkoeffizienten praktisch sofort, d. h. nach Durchlauf einer Periode des Analysensignals schon vorliegen. Der Zeitbedarf für die Ermittlung einer harmonischen Komponente ist somit auf den kieinstmöglichen Zeitbedarf herabgedrückt, d. h. man kann aus einer einzigen Umdrehung des zu prüfenden Rotationskörpers die Größe und Lage der Ungleichförmigkeiten ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dadurch weitergebildet sein, daß zwischen dem Ausgang der das Analysensignal abgebenden Wandler und den einen Eingängen der Multiplikatoren Abschwächer und zwischen dem Ausgang des Tachodynamos und den anderen Eingängen der Multiplikatoren Vervielfacher geschaltet sind. Auf diese Weise ergibt sich eine einfache Auswahlmöglichkeit der interessierenden harmonischen Komponente.

Ferner kann die Vorrichtung nach dadurch weitergebildet sein, daß jeweils zwischen dem Multiplikator und dem Integrator ein Schalter vorgesehen ist, der gesteuert durch einen Drehimpulsgeber während einer Umdrehung des Rotationskörpers schließbar ist. Auf diese Weise kann man die Vorrichtung unabhängig von der Periodendauer des Analysensignals machen, und man kann auch eine Speicherung des Analysenergebnisses durchführen sowie eine automatische Abstimmung auf die Periodendauer erhalten.

Um den statischen Anteil aus dem Analysensignal abzutrennen, kann zwischen die Ausgänge der weg- bzw. kraftmessenden Wandler und die Abschwächer eine elektrische Abtrennschaltung für den statischen Anteil des Analysensignals vorgesehen sein.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß unmittelbar nach Ablauf einer Periode des Analysensignals und unabhängig von der Periodendauer die Analysenergebnisse vorliegen. Die Analysenergebnisse stehen in Form von Gleichspannungen zur Verfugung, die den Betrag und den Winkel der periodischen Veränderlichen der zu analysierenden Harmonischen repräsentieren. Die angezeigten Winkelwerte sind unabhängig von der Periodendauer und können in ihrer Phase geschoben werden, so daß der Nullbezug für die Winkelrechnung an einer beliebigen Stelle des Umfanges des zu prüfenden Rotationskörpers angebracht werden kann. Außerdem kann die Vorrichtung automatisch auf die Periodendauer des Analysensignals abgestimmt werden. Die Amplituden der Gleichspannungswerte, welche die Analysenwerte nach Betrag und Winkel darstellen, sind frequenzunabhängig. Die Vorrichtung kann ohne große Schwierigkeiten für die Analyse auch der Harmonischen höherer Ordnung verwendet werden.

In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines bei der Erfindung verwendeten Koeffizientenrechners und

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung.

Der in der F i g. 1 gezeigte Koeffizientenrechner besteht im wesentlichen aus zwei Multiplikatoren 4 und 5, zwei Integratoren 6 und 7, wobei zwischen den Multiplikatoren 4 und 5 und den Integratoren 6 und 7 Schalter 8 und 9 vorgesehen sind. Außerdem ist den Multiplikatoren und Integratoren ein Invertiersummierer 3 vorgeschaltet, über welchen das Analysensignal in den Koeffizientenrechner eingebracht wird.

Dem Koeffizientenrechner ist ein Abschwächer 1 vorgeschaltet, über welchen das Analysensignal in den Invertiersummierer 3 des Koeffizientenrechners eingebracht wird. Außerdem ist ein Vervielfacher 2 vorgesehen, über welchen das drehfrequenzproportionale Gleichspannungssignal in die Multiplikatoren 4 und 5 des Koeffizientenrechners eingebracht wird. Ein Eingang R des Koeffizientenrechners dient zur Rückstellung der Integratoren 6 und 7 auf den Wert Null vor Beginn einer jeden Analyse.

Die Wirkungsweise des dargestellten Koeffizientenrechners ist die folgende: Am Eingang E erscheint das Analysensignal, welches von den weg- oder kraftmessenden Wandlern geliefert wird. Am Eingang Uf erscheint die Gleichspannung, deren Höhe der Drehfrequenz des zu prüfenden Rotationskörpers proportional ist. Mit Hilfe eines Drehimpulsgebers und einer Zählschaltung, welche noch im Zusammenhang mit der Fig.2 näher beschrieben werden, erfolgt phasenstarr zum Rotationsverlauf der Prüfvorrichtung das Schließen und Öffnen der beiden Schalter 8 und 9. Die Schalter 8 und 9 bleiben genau für eine einzige Periode des Analysensignals, während einer einzigen Umdrehung des Rotationskörpers, geschlossen. Die Aktivierung beim Schließen der Schalter. 8 und 9 erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Kommandos M, zu dem noch im Zusammenhang mit der Beschreibung der F i g. 2 nähere Ausführungen gemacht werden.

Während der Schließzeit der Schalter 8 und 9 werden die in den Multiplikatoren 4 und 5 ermittelten Produkte aus der Funktion des Analysensignals und der drehfrequenzproportionalen Gleichspannung an die Integratoren 6 und 7 weitergegeben. Nach dem Öffnen der Schalter 8 und 9 stehen die beiden gesuchten Fourierkoeffizienten zur Verfügung.

Die automatische Abstimmung des Koeffizientenrechners auf die jeweiligen Drehfrequenz des zu prüfenden Rotationskörpers erfolgt durch Multiplikation der drehfrequenzproportionalen Spannung Uf mit der Ausgangsspannung des Invertiersummierers 3 bzw. mit der Ausgangsspannung des Integrators 6 in den Multiplikatoren 4 und 5.

Die Abstimmung auf die Ordnungszahl der gewünschten harmonischen Komponenten wird durch entsprechende Einstellung des Abschwächers 1 und des Vervielfachers 2 vorgenommen. So kann man beispielsweise bei Ermittlung der zweiten harmonischen Komponente die am Eingang £ anliegende Funktion des Analysensignals auf V2 abschwächen, während man die am Eingang Uf anliegende drehzahlproportionale Gleichspannung mit dem Faktor χ 2 vervielfacht. Wenn die erste Harmonische analysiert werden soll, ergibt sich die Ordnungszahl 1, so daß auch der Abschwächer 1, und der Vervielfacher 2 mit dem Faktor 1 vervielfachen bzw. abschwächen.

Für den Fall, daß die Drehfrequenz des zu prüfenden Rotationskörpers konstant ist, werden die in die Multiplikatoren 4 und 5 einlaufenden Größen mit der in diesem Fall konstanten Spannung Uf multipliziert. Es ergibt sich hieraus, daß dann anstelle der Multiplikatoren 4 und 5 auch Skalierungsverstärker oder entsprechende Bewertungswiderstände verwendet werden können.

Die Rechenoperation des Koeffizientenrechners

709 508/135

beruht auf folgenden mathematischen Beziehungen:

Eine periodische Funktion der Zeit, die der Veränderlichen entspricht, mit der Periode T₀ = 2π, beispielswei-

fit) = £

a_t · cos

fc=I

se das Analysensignal am Eingang E, kann durch eine Fourierreihe ausgedrückt werden.

/C=X

+ Σ ν

fc=l

sin

Irr-k-t

a*und bk sind die sogenannten Fourierkoeffizienten.

ao ist der statische Anteil der Funktion und kann daher vernachlässigt werden.

Die Fourierkoeffizienten können nach folgenden Gleichungen bestimmt werden:

2.-Γ

1 Γ ,. _Λ Ιπ-kt , a_k = — J fit) cos —— di,

h —

/(ί) sin ^? df.

Die Summanden der Gleichung (1) lassen sich zu einer Summenfunktion zusammenziehen.

fit) =

Hierin sind

In-

_fc) · (4)

Q=

^arc tg -7

Ct steht für die Größe bzw. für den Betrag und
q>k für die Lage bzw. für den Winkel des Maximalwertes zu einem Bezugspunkt.

Die beiden an den Ausgängen der Integratoren 6 und 7 anstehenden Gleichspannungen repräsentieren die Koeffizienten a* und bk. Diese Gleichspannungen werden anschließend zur Errechnung von Ck und cpk in Betrag- und Winkelrechner eingespeist, was aus der F i g. 2 im einzelnen ersichtlich ist.

Gemäß F i g. 2 enthält die Vorrichtung zur Prüfung der Gleichförmigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, eine Prüffelge 11, auf die der Kraftfahrzeugreifen 10 ausgezogen ist. Der mit Luft gefüllte Kraftfahrzeugreifen wird mit Hilfe eines Motors 12 in Drehung versetzt. Mit einer Motorwelle 13 sind ein Tachodynamo 14 zur Abgabe der drehzahlproportionalen Spannung und ein Drehimpulsgeber 15 zur Erzeugung eines Bezugsimpulses für die Lagebestimmung gekoppelt. Das Signal des Drehimpulsgebers 15 wird zur Forschung einem Trigger 16 zugeführt und anschließend in einer digitalen Zählschaltung 17 derart verarbeitet, daß am Ausgang dieser Schaltung nach der Eingabe eines Startkommandos ein Signal M (Messen) und ein Signal R (Rückstellen) entnommen werden kann. Das Signal R liegt dabei zeitlich immer vor dem Signal Mund ist kürzer bemessen als dieses. Das Signal M hat, durch den Drehimpulsgeber 15 gesteuert, genau die Dauer einer Umdrehung des zu prüfenden Reifens

[o 10.

Die Ausgangsspannung des Tachodynamos 14 wird durch einen Skalierungsverstärker 18 auf einen für die Folgeschaltungen geeigneten Pegel gebracht und anschließend in ein Tiefpaßfilter 19 geschickt, um Brumm- und Rauschspannungen zu unterdrücken.

An den rotierenden Reifen 10 wird nun ein Lastrad 20 derart angepreßt, daß eine vorgegebene Last erreicht wird.
Die aufgebrachte Last teilt sich auf Kraftmeßwandler 21 und 22 auf und wird anschließend durch Skalierungsverstärker 23 und 24 auf einen für die Folgeschaltungen geeigneten Pegel gebracht. Um die insgesamt auf dem Lastrad 20 liegende Last zu erhalten, werden die Ausgänge der Skalierungsverstärker 23, 24 in einem Summierer 25 addiert. Am Ausgang dieses Summierers 25 steht nun eine Spannung zur Verfügung, welche die anliegende Radlast einschließlich der dieser überlagerten radialen Kraftschwankungen repräsentiert. Die Radlast wird auf einem Instrument 26 angezeigt.

Da die statische Radlast für die weitere Signalverarbeitung nicht mehr benötigt wird, wie eingangs schon ausgeführt, auch hinderlich ist, wird der statische Anteil abgetrennt. Dieser Vorgang wird nachfolgend mit Abtrennung der statischen Komponente bzw. »Abtrennung« bezeichnet. Die »Abtrennung« erfolgt dadurch, daß ein Kondensator 27 an seinem dem Summierer 25 zugewandten Belag auf den Spannungspegel der Radlast aufgeladen wird. Bei Beginn einer Messung wird ein Schalter 28 geöffnet, so daß am Eingang eines Impedanzwandlers 29 die Differenz zwischen der Kondensatorladung und dem momentan anliegenden Raslastsignal ansteht. Dies bedeutet aber, daß am Ausgang des Impedanzwandlers 29 nur die radiale Lastbzw. Kraftschwankung erscheint.

Ein Widerstand 30 hat die Funktion einer Strombegrenzung; sein Wert wird so gewählt, daß er im Verhältnis zum Eingangswiderstand des Impedanzwandlers 29 vernachlässigbar klein bleibt. Die Zeitkonstante 71 = R ■ C des ,RC-Gliedes 30, 27 ist gegen die Periodendauer einer Umdrehung ebenfalls vernachlässigbar klein.

Bei geöffnetem Schalter 28 ist die Zeitkonstante Ti = Re · C sehr groß gegenüber der Dauer einer Umdrehung des Prüflings, worin flfder hohe Eingangswiderstand des Impedanzwandlers 29 ist.

Das Kraftschwankungssignal, welches das Analysensignal bildet, wird zunächst einem Tiefpaßfilter 31 zugeführt. Der Dämpfungsverlauf dieses Tiefpaßfilters 31 ist so gewählt, daß einerseits dem interessierenden Spektrum keine störenden Amplituden- und Phasenärderungen auftreten, andererseits Brumm- und Rauschstörungen möglichst optimal unterdrückt werden.

Anschließend wird dieses Signal einem Maximalwertspeicher 32 zugeführt. Dieser bildet aus dem Spitze-zu-Spitze-Wert des radialen Kraftschwankungssignals eine gespeicherte Gleichspannung, die der radialen Kraftschwankung proportional ist. Ihre Anzeige erfolgt auf einem Instrument 33. Die Meß- und Löschfunktion des

Maximalwertspeichers 32 wird durch den zuvor genannten Digital-Zähler 17 mit den Impulsen »R«und »M« gesteuert.

Das radiale Kraftschwankungssignal wird anschließend auf eine Komperatorschaltung 34 geführt. An einem zweiten Eingang der Komparatorschaltung 34 wird eine Vergleichsspannung angelegt, die auch einen an einem Einsteller 35 wählbaren Grenzwert für die Gut-Schlecht-Grenze der radialen Kraftschwankung darstellt. Wird die eingestellte Vergleichsspannung durch den Meßwert überschritten, so wird das Ausgangsrelais des Komparators 34 erregt.

Mit Hilfe von Kontakten dieses Relais lassen sich Lampen 36 und 37 für die Gut-Schlecht-Anzeige sowie nicht dargestellte Markiereinrichtungen, die über einen Schalter 38 angesteuert werden, zur automatischen Güteklassenmarkierung des Prüflings ansteuern.

Zur Ermittlung bzw. zur Analyse der harmonischen Anteile wird das radiale Kraftschwankungssignal auch Abschwächern 39 bis 41 zugeführt, die dem Abschwäeher 1 in der F i g. 1 entsprechen und in denen das Signal entsprechend der jeweiligen Ordnungszahl der Harmonischen abgeschwächt wird.

Anschließend wird das abgeschwächte Signal Koeffizientenrechnern 42 bis 44 die dem in der F i g. 1 dargestellten Koeffizientenrechner entsprechen, zugeführt, um die Fourier-Koeffizienten au und bk zu erhalten.

Hierzu ist es erforderlich, daß den Koeffizientenrechnern noch das der Drehfrequenz proportionale Gleichspannungssignal über Vervielfacher 45 bis 47, die dem Vervielfacher 2 in der F i g. 1 entsprechen, eingespeist wird. Die Vervielfachung erfolgt entsprechend der Ordnungszahl der gesuchten Harmonischen. Weiterhin werden den Koefiizientenrechnern 42 bzw. 44 noch die Steuerkommandos »M« (Messen) und »R« (Rückstellen) aus dem Digitalzähler 17 zugeführt, so daß die Schaltungen synchron den Drehfrequenzen gestartet werden können. Das Kommando »M« wird, wie schon früher ausgeführt, für genau eine Umdrehung angelegt, womit auch der Nullbezug für den Winkel der Harmonischen definiert ist.

Nach Ablauf einer Umdrehung wird das Kommando »M« (Messen) weggenommen und die gesuchten Fourierkoeffizienten werden als Gleichspannungen £4t und Ubk ausgegeben. Diese Gleichspannungen werden danach Betrag- und Winkelrechnern 48 bis 50 eingespeist, damit der Betrag Ck und der Winkel

= arc tg ■

errechnet werden kann. Diese können nach dem aus der DT-PS 11 08 475 bekannten Prinzip arbeiten.

Als Ergebnis stehen Betrag und Winkel als Gleichspannungen unmittelbar nach Ablauf einer Meßumdrehung zur Verfügung und werden an Größeninstrumenten 51 bis 53 und Winkelinstrumenten 54 bis 56 angezeigt. Die Gleichspannungen, die den harmonischen Radikalkraftschwankungen entsprechen, können auch Komparatoren zur »Gut-Schlecht«-Entscheidung, ähnlich der zuvor beschriebenen Anordnung 34 bis 38, zugeführt werden.

Die Winkel-Gleichspannungen der ersten Harmonischen wird angezeigt und kann auch zur Markierung der Extremwerte dienen, indem sie mit einer winkelproportionalen Gleichspannung verglichen wird. Wenn beide Spannungen gleich sind, kann dann eine entsprechende Markierungsvorrichtung betätigt werden.

Die Winkelwerte der zweiten und höheren Harmonischen werden im allgemeinen nur einer Anzeigevorrichtung zugeführt. Zur Vereinfachung des zuvor genannten Schaltungsaufbaues, bei dem für jede harmonische Komponente ein Komponentenrechner 42 bis 44 und zugeordnete Abschwächer 39 bis 41 und Vervielfacher 45 bis 47 sowie Größen- und Winkelinstrumente 51 bis 53 und 54 bis 56, welche jeweils parallel geschaltet sind, kann zur Ermittlung der Größe und des Winkels der zweiten und höheren Harmonischen auf die verschiedenen Betrags- und Winkelrechner verzichtet werden, wenn der Betrag- und Winkelrechner 48 für die erste Harmonische auf die Ausgänge der Koeffizientenrechner 42 bis 44 umgeschaltet wird. Man spricht in einem solchen Fall von einem »Abfragen« der Harmonischen durch Umschaltung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Prüfen der Gleichförmigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, bei dem während der Rotation infolge von Ungleichförmigkeiten des Rotationskörpers ein elektrisches Analysensignal mit Hilfe von weg- oder kraftmessenden Wandlern erzeugt wird, dessen Amplituden den Ungleichförmigkeiten proportional sind und die harmonischen Fourierkoeffizienten der Fourierentwicklung des Analysensignals aus den Fourierintegralen gebildet werden, aus denen dann die Größe und Phasenlage der Ungleichförmigkeiten ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzabstimmung zusätzlich das Analysensignal mit einem aus der Rotation des zu prüfenden Rotationskörpers gewonnenen, der Umlaufgeschwindigkeit des Rotationskörpers proportionalen Gleichspannungssignal multipliziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der jeweiligen Ordnung der Harmonischen, deren Fourierkoeffizienten ermittelt werden, das Analysensignal mit einer Abschwächung