DE10105298C1 - Radlagereinheit zum Messen der Kontaktkräfte zwischen Reifen und Straße - Google Patents

Radlagereinheit zum Messen der Kontaktkräfte zwischen Reifen und Straße

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Abstract

Mit der Erfindung sollen die Kräfte, die zwischen Straße und Reifen bei einem Fahrzeug wirken, bei allen Fahrsituationen - auch beim Bremsvorgang - erfasst werden. Diese Informationen über die aktuell wirkenden Kräfte werden von Fahrbetriebsregelsystemen genutzt und zur Optimierung des Bremsvorgangs eingesetzt. Dazu werden Sensoren 2 am feststehenden Teil des Radlagers angeordnet, um die im Radlager wirkenden Kräfte zu messen. Zusätzlich werden mit den Sensoren 3, die an den Trägern 6 des Bremssattels angeordnet sind, permanent die aktuell wirkenden Bremskräfte ermittelt. Bei einer ungebremsten Fahrt kann aus den Messergebnissen der Sensoren 2 direkt auf die wirkenden Kräfte zwischen Straße und Reifen geschlossen werden. Beim Bremsvorgang müssen die Stützkräfte der Bremsscheibe aus den gemessenen Kräften im Radlager herausgerechnet werden, um zu den aktuell wirkenden Kräften zwischen Straße und Reifen zu kommen. DOLLAR A Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt in der räumlichen Nähe der Anordnung der Sensoren sowie der Anordnung der Sensoren an stehenden Bauteilen.

Description

Gebiet der Erfindung
Radlagereinheit, an der über eine Messung der aktuell wirkenden Kräfte im stehen­ den Ring des Radlagers auf die Kräfte, die zwischen der Fahrbahn und den Reifen eines Fahrzeuges wirken, zurück geschlossen werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Um die Sicherheit und den Fahrkomfort moderner Fahrzeuge weiter zu verbes­ sern, benötigen die elektronischen Regelsysteme für den Fahrbetrieb im Fahr­ zeug zunehmend mehr Informationen über die aktuelle Fahrsituation. Zusätz­ lich zu den aktuellen Daten des Motors, des Getriebes und Drehzahl der ein­ zelnen Räder sollen zukünftig auch die aktuellen Kräfte und Kraftrichtungen (Radaufstandskräfte), die auf die einzelnen Reifen wirken, zur Regelung des Fahrbetriebes mit herangezogen werden. Um diese Kräfte zu erfassen gibt es verschiedene Lösungsversuche: Kräfte im Reifen messen oder Meßadapter zwischen Felge und Aufnahmeflansch einsetzen (DE 196 27 385 A1 der "Erfas­ sung der mehr axialen Fahrbetriebsbelastungen mit dem Meßrad "Velos"", A. Rupp, W. Diefenbach, V. Grubisic, ATZ Automobiltechnische Zeitung 96 (1994)). Diese Lösungsversuche haben alle das Problem, dass die Kräfte vom einem drehenden Teil aus übertragen werden müssen. Dazu ist ein zusätzli­ cher Aufwand notwendig, wie der Einsatz von telemetrischer Datenübertragung oder die Verwendung von Schleifkontakten.
Zur Erfassung dieser Radaufstandskräfte bieten sich hierbei besonders die Radlager an, da diese die gesamten Kräfte, die am Reifen wirken, auf den Rahmen des Fahrzeuges übertragen.
In der EP 0 432 122 A2 wird eine Radlagereinheit gezeigt, bei der an verschie­ denen Stellen am stehenden Ring Sensoren angeordnet sind. Aus den gemes­ senen Kräften am stehenden Ring des Radlagers können bei einer Gerade­ ausfahrt oder bei einer Kurvenfahrt die Kräfte, die am Reifen wirken, bestimmt werden. Das Problem dieser Meßanordnung tritt trotz der vielen Meßstellen in dem Moment auf, in dem die Bremse des Fahrzeuges betätigt wird. Versuche haben gezeigt, dass beim Bremsen die Radaufstandskräfte nicht mehr exakt ermittelt werden können.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung für ein Radla­ ger eines Fahrzeuges aufzuzeigen, aus der auch beim Bremsvorgang die Radaufstandskräfte ermittelt werden können.
Beschreibung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1.
Die Kräfte, die zwischen Reifen und Straßenbelag wirken, werden indirekt über die Reaktionskräfte im Radlager gemessen. Dazu werden am feststehenden Ring des Radlagers Sensoren (z. B. Dehnungsmessstreifen, Dünnschichtdeh­ nungsmessstreifen) angeordnet, mit denen die Reaktionskräfte (die Span­ nungsveränderung) im feststehenden Ring des Radlagers ermittelt werden können. Bei einer Fahrt ohne Bremsen können aus diesen Belastungen direkt die Radaufstandskräfte ermittelt werden. Beim Bremsvorgang werden die Re­ aktionskräfte im Radlager aber durch die eingeleiteten Kräfte über die Schei­ benbremse so stark beeinflusst, dass die Radaufstandskräfte nicht mehr exakt ermittelt werden können. Erst mit der Kenntnis über Lage und Größe der aktuell wirkenden Kräfte bei Bremsvorgang ist es möglich (Anspruch 1 - kennzeich­ nender Teil), aus den Gesamtkräften, die am feststehenden Ring des Radlagers durch die Sensoren erfasst werden, auf die Kräfte sowie den aktuellen Reibbeiwert zwischen Straßenbelag und Reifen zu schließen.
Durch das permanente Messen der Kräfte an den Aufhängepunkten oder in den Trägern des angeflanschten Bremssattels kann die räumliche Lage des Schwerpunktes der Bremskräfte beim Bremsvorgang laufend ermittelt werden (Schwerpunkt der Bremskräfte - rechnerischer Angriffspunkt des Vektors der Bremskräfte an der Bremsscheibe bzw. an den Bremsbelägen). Die Lage des Schwerpunktes der Bremskräfte hängt von der eingeleiteten Bremskraft, dem aktuellen Reibbeiwert und Kontaktverhältnissen zwischen Bremsbelag und Scheibenbremse ab. Somit kann sich der aktuelle Schwerpunkt der Brems­ kräfte sowohl bei einem Bremsvorgang als auch über die Betriebszeit hinweg verschieben. Nach dem Reduzieren der gemessenen Kräfte im Radlager um den Einfluß der Bremskräfte, kann mit den sich daraus ergebenden Radauf­ standskräften der Bremsvorgang besser durchgeführt werden, als im Stand der Technik.
Ein weiterer überraschender Vorteil der erfinderischen Meßanordnung gegen­ über der EP 0 432 122 A2 und allen Meßrädern besteht darin, dass bei den tangential eingeleiteten Radkräften mit dieser Meßanordnung die Bremskräfte und Einflüsse aus dem Straßenbelag rechnerisch unterschieden werden kön­ nen. Fährt ein Fahrzeug auf einem weichen Untergrund (Schnee, Kies, weicher Boden, Pfütze) so bildet sich vor dem Reifen eine Materialanhäufung, die weg­ geschoben werden muß. Dieses Wegschieben bewirkt im Reifen eine Tangen­ tialkraft, die die gleiche Wirkung wie die Bremskraft hat. Durch das Erfassen der aktuellen Bremskräfte können diese horizontal wirkenden Kräfte eindeutig in Bremskräfte und in Kräfte, die aus dem Straßenbelag auf den Reifen wirken aufgeteilt werden. Dieser Vorteil ist um so gewichtiger, da alle Meßsysteme, die im Bereich der Felge oder des Reifens messen, diese Kräfte nicht unterschei­ den können. Der Bremsvorgang im weichen Untergrund wird durch diese Mög­ lichkeit optimiert.
Außerdem können beim Bremsvorgang mit angetriebenen Rädern die Kräfte, die in der Bremsscheibe wirken und die Abtriebskräfte (bzw. Abtriebsmoment) die über den Antriebsstrang eingeleitet werden unterschieden werden. Diese Unterscheidung ist notwendig, um beim Bremsen mit nicht getretener Kupplung (d. h. Motorbremse) diese Räder optimal abbremsen zu können. Diese Unter­ scheidung der Kräfte in Abtriebskräfte des Antriebsstranges und Bremskräfte ist bei allen Systemen, die in der Felge oder im Reifen messen nicht möglich.
Der Vorteil der Anordnung der Sensoren gemäß Anspruch 5 liegt darin, dass alle Sensoren an einem stehenden Bauteil angeordnet sind. Dies hat besonde­ re Vorteile bei der Herstellung und Befestigung der Sensoren. Die Problematik der Kabelführung an verschiedene Bauteile entfällt damit.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt die grundsätzlich zu messenden Kräfte und Drehmomente wie sie aus dem Stand der Technik zum Beispiel gemäß DE 196 27 385 A1 bekannt sind.
Fig. 2 zeigt die Kräfteverhältnisse, die bei einem Bremsvorgang zwischen Bremsscheibe, Radlager und Straßenbelag auftreten.
Fig. 3a, 3b zeigen den Einfluß der Lage des Bremssattels auf die wirkenden Kräfte im Radlager beim Bremsvorgang.
Fig. 4a, 4b zeigen den Einfluß auf das Radlager, der durch die Verschiebung der Lage des Bremsschwerpunktes innerhalb der Bremsbeläge bei einem Bremsvorgang auftreten kann.
Fig. 5a, 5b zeigen die Kräfteverhältnisse, die bei einem Bremsvorgang im weichen Untergrund auf die Radlagerung wirken. Trennung in Bremseinflüsse und Straßenbelageinflüsse.
Fig. 6 zeigt ein Radlager mit am stehenden Ring integrierten Trägern zur Auf­ nahme des Bremssattels und angeordneten Sensoren.
Fig. 7a, 7b zeigen ein Radlager mit zusätzlichen Befestigungsvorrichtungen zur Aufnahme der Träger des Bremssattels am stehenden Ring des Radlagers und angeordneten Sensoren.
Fig. 8 zeigt ein Radlager mit am Schwenklager befestigten Trägern des Bremssattels und eine mögliche Anordnung der Sensoren.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt einen Reifen mit den Kräften Fx, Fy, Fz und den Momenten Mx, My, Mz. Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Meßsystems besteht darin, diese Kräfte bzw. Momente, die zwischen Reifen 7 und Straße wirken, zu erfassen.
In der Fig. 2 ist ein Rad beim Bremsen dargestellt. Um die Darstellung mit Kraftpfeilen nicht zu überfrachten, wurde eine Geradeausfahrt zugrunde gelegt. Die bekannten Radaufstandskräfte FyR bei der Kurvenfahrt werden nicht darge­ stellt. In dieser Schemadarstellung ist der Reifen 7, die Bremsscheibe 8, der Bremssattel 4 (bzw. Bremsbelag) sowie die Befestigung des Bremssattels 6 am stehenden Außenring 1a des Radlagers 1 gezeigt. Die Bremskraft FtanB wirkt auf die Bremsscheibe, die mit dem Innenring 1b des Radlagers 1 verbunden ist und den Reifen abbremst. Die Sensoren 2 der Meßanordnung sind am stehen­ den Ringteil 1a angeordnet. Die Sensoren 3 ermitteln die Kräfte in den Brem­ strägern, um so den aktuellen Angriffspunkt 5 (Schwerpunkt) der Bremskraft und die Größe der Bremskraft FtanB zu bestimmen. Die Bewegungsrichtung des Rades ist mit v gekennzeichnet. Die Bremskraft FtanB und die Kraft FXR1 ergeben sich durch die Hebelverhältnisse des Reifens zum aktuellen Schwerpunkt der Bremskraft. Die Kräfte FtanB und FXR1 stützen sich im Radlager zwischen Innen- und Außenring ab. Dort rufen diese Kräfte Reaktionskräfte in Form von FtanL und FXL1 hervor. Die Gewichtskräfte zwischen Reifen 7 und Straßenbelag 10 FzR bewirken im Radlager 1 die Kräfte FzL.
Zwischen Innenring 1b und stehendem Außenring 1a des Radlagers 1 wirken bei einer gebremsten Geradeausfahrt demzufolge immer drei Kraftkomponen­ ten (FXL1, FZL, FtanL).
My(FtanB) bzw. My(FXR1) ist das Moment, das beim Bremsen wirkt.
In Fig. 3a werden die zwischen Innenring 1b und Außenring 1a wirkenden Kräfte im Radlager 1 geometrisch addiert, um die resultierende Lagerkraft FresL zu ermitteln, die über die Sensoren 2, gemessen werden. Zur Ermittlung der Radaufstandskräfte (FXL1, FZL) wird aus den gemessenen Lagerkäften FresL der Einfluß der Bremskräfte FtanL herausgerechnet. Der aktuelle Reibbeiwert zwischen Reifen und Straßenbelag wird über das Verhältnis FXL1 und FZL be­ stimmt. In allen anderen Einzelheiten entspricht die Fig. 3a der Fig. 2.
In Fig. 3b soll dargestellt werden, daß die Anordnung des Bremssattels 4a eine grundsätzliche Auswirkung auf die resultierenden Lagerkräfte FresL hat. Die Fig. 3a und 3b sind jeweils mit gleichen Radaufstandskräften 9 gezeichnet. Aus dieser Darstellung wird deutlich, wie die Lage des Bremssattels 4a und damit des Bremsschwerpunktes 5a das Meßergebnis FresL beeinflußt.
In der Fig. 4a und 4b wird das Problem dargestellt, daß sich der Brems­ schwerpunkt 5b, 5c innerhalb der Bremsbeläge 4 beim Bremsvorgang ver­ schieben kann. Je nach Schwerpunkt 5b, 5c der Bremskraft FtanB ergeben sich unterschiedliche Werte für die resultierende Kraft FresL im Radlager 1. Um zu den aktuell wirkenden Radaufstandskräften (FXL1, FZL) beim Bremsvorgang zu kommen, müssen aus der resultierenden Lagerkraft FresL permanent die aktu­ ellen Einflüsse der Bremskraft FtanL (gemessen über die Sensoren 3 am Träger 6) herausgerechnet werden.
In den Fig. 5a und 5b ist ein überraschender Vorteil gegenüber den be­ kannten Meßrädern und Meßverfahren im Reifen gezeigt. In dem Bild 5a wird die Problematik dargestellt, wenn ein Reifen sich in einem weichen Untergrund 11 bewegt. Dieser weiche Untergrund führt zu einem Verschieben der Radauf­ standskräfte. Im weichen Untergrund 11 muß die Kraft FXR2 aufgebracht wer­ den, um diesen Untergrund zu verdrängen. Diese Kraft FXR2 hat eine korre­ spondierende Kraft im Radlager FXL2. In dieser Figur sind die Kraftverhältnisse ohne Bremseneingriff gezeichnet. Die Auswertung der gemessenen Brems­ kräfte (FtanB = 0) ergibt, dass die Horizontalkraft von außen auf den Reifen wirkt und nicht durch Bremskräfte hervorgerufen wird. Die Träger 6 und die Sensoren 3 sind aus Übersichtlichkeitsgründen in dieser Figur nicht gezeigt.
In Fig. 5b ist die Situation aus Fig. 5a dargestellt, wobei nun auf weichem Untergrund 11 gebremst wird. Die horizontal auf dem Reifen 7 wirkenden Kräfte wurden in dieser Darstellung durch die zwei Kraftvektoren FXR2 und FXR1 darge­ stellt. FXR2 entspricht der Kraft, die durch den weichen Untergrund 11 auf den Reifen wirkt. FXR1 entspricht der Kraft, die durch das Bremsen in horizontaler Richtung entsteht. Die restlichen Kräftepfeile entsprechen den Darstellungen der vorher genannten Figuren. Durch die genaue Kenntnis der Bremskraft FtanB sowie der Kraft FXR1, die über Hebelarme proportional zur Bremskraft ist, kann die resultierende Lagerkraft FresL rechnerisch um die Kräfte FtanL und FXR1 reduziert werden. Damit sind alle Größen der aktuell wirkenden Radauf­ standskraft bekannt. Mit den bekannten Systemen der Meßräder oder Adaptern ist diese Trennung der Kräfte, die tangential auf den Reifen 7 wirken nicht mög­ lich, da diese Systeme die Bremskräfte nicht kennen. Durch die erfindungsge­ mäße Anordnung der Sensoren 2, 3 am feststehenden Ring 1a des Radlagers 1 und an den Trägern 6 des Bremssattels 4 können somit auch in extremen Fahrsituationen die exakten Kraftverhältnisse zwischen Reifen und Straßenbe­ lag ermittelt werden.
In Fig. 6 wird ein Radlager 1 gezeigt, bei dem am Gehäuse 1d des Außen­ rings 1a zwei Träger 6a integriert sind, die den Bremssattel aufnehmen. Der Bremssattel sowie die Bremsbeläge und die Bremsscheibe sind in dieser Dar­ stellung nicht gezeigt. Der Flansch 13 zur Aufnahme der Felge bzw. Brems­ scheibe 13 ist mit den Innenring 1b verbunden. Die Sensoren 3 zur Messung der Bremskraft sind in den beiden Armen des Trägers 6a angeordnet. Am Ge­ häuse 1d des Außenringes 1a sind die Sensoren 2a zur Messung der Kräfte angebracht.
In der Fig. 7a und Fig. 7b ist eine Radlagereinheit mit angeordnetem Brems­ sattel gezeigt. In der Fig. 7a ist eine Radlagereinheit mit drehendem Flansch­ teil 13 und stehendem Außenring 1a gezeigt. Am Außenring 1a sind die Senso­ ren 2b angeordnet. Die Sensoren 2b sind in dieser Darstellung in zwei Ebenen angeordnet, um auch die Kippkräfte bei der Kurvenfahrt des Fahrzeuges mes­ sen zu können. Am Flansch 1e des stehenden Außenringes 1a sind die Befe­ stigungsbohrungen 14 zur Aufnahme im Schwenklager (das Schwenklager wird in Fig. 8 gezeigt) und die separaten Bohrungen 15 zur Aufnahme des Brems­ sattelträgers 6 gezeigt. An den Bohrungen 15 sind die Sensoren 3a im Flanschbereich 1e angeordnet, mit denen die Bremskraft und Bremsschwer­ punkt gemessen werden. Durch die räumliche Nähe der Sensoren 2b, 3a erge­ ben sich Vorteile bei der Handhabung und Montage, da alle Sensoren 2b, 3a an einem stehenden Teil angeordnet sind.
Die Fig. 7b zeigt die Fig. 7a mit über die Träger 6 befestigtem Bremssattel 18. In dieser Darstellung sind aus perspektivischen Gründen die Sensoren 2b, 3a nicht sichtbar. Über die Bohrungen 15, wird der Bremssattel 18 durch den Bremssattelträger 6 befestigt. Über die Bohrungen 14 wird die Radlagereinheit mit dem Schwenklager verbunden. Die Anordnung der Sensoren 3b in den Trägern 6 des Bremssattels 18 zur Bestimmung der Bremskraft und Schwer­ punktes stellt eine weitere Variante dar.
In der Fig. 8 ist das Schwenklager 16 gezeigt. Das Radlager sitzt in der Boh­ rung 17 des Schwenklagers 16 und wird über die Bohrungen 19 befestigt. Das Radlager ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. Der Bremssattel 18 mit seinen Trägern ist in dieser Darstellung am Schwenklager 16 befestigt. Die Sensoren 3c zur Bestimmung der Bremskraft mit Schwerpunkt sind dargestellt.
Bezugszeichenliste
1
Wälzlager, Radlager
1
a Außenring
1
b Innenring drehend
1
c Wälzkörper
1
d Aufnehmendes Gehäuse
1
e Außenring mit Flansch
2
Sensoren am Außenring
2
a Sensoren am stehenden Gehäuse des Außenrings
2
b Sensoren am Außenringflansch
3
Sensoren am Bremssattelträger
3
a Sensoren am Flansch des Außenringes
3
b Sensoren an den Trägern des Bremssattels
4
Bremsbelag im Bremssattel
4
a Bremsbelag im Bremssattel
5
Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
5
a Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
5
b Unterschiedlicher Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
5
c Unterschiedlicher Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
6
Befestigungsträger des Bremssattels (Bremssattelträger)
6
a Befestigungsträger des Bremssattels einteilig mit dem Gehäuse verbun­ den
7
Reifen
8
Bremsscheibe
10
Straßenbelag
11
Weicher Untergrund
12
Aufnahme Bremssattelträger
13
Flansch zur Aufnahme der Felge bzw. Bremsscheibe
14
Bohrungen zur Befestigung im Schwenklager
15
Bohrungen zur Befestigung des Bremssattelträgers
16
Schwenklager
17
Aufnahmeöffnung für den Außenringflansch
18
Bremssattel
19
Bohrungen im Schwenklager zur Befestigung des Radlagers

Claims (5)

1. Radlagereinheit (1) mit Sensoren, wobei am stehenden Lagerring (1a) oder dessen Gehäuse (1d) Sensoren (2, 2a) angeordnet sind, um die Kräfte (FresL) zwischen drehenden und stehenden Ringteil des Radlagers (1) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Sensor (3, 3a, 3b, 3c) zwischen stehendem Lagering (1a) und dem Bremssattel (18) angeordnet ist, um die Kräfte (FtanB), die beim Brems­ vorgang auf den Bremssattel (18) wirken, zu messen.
2. Radlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Bremssattelträgern (6, 6a) zwischen Bremssattel (18) und Radlager (1) mindestens je ein Sensor (3, 3a, 3b, 3c) angebracht ist, um die Brems­ kräfte (FtanB) und den Schwerpunkt der Bremskräfte (5, 5a, 5b, 5c) zu messen.
3. Radlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am stehenden Lagerring (1a) oder dessen Gehäuse (1d) ein Flansch (1e) angeordnet ist, an dem der Bremssattel (18) mit dem Bremssattelträger (6) in Öffnungen befestigt wird.
4. Radlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am stehenden Lagerring (1a) oder dessen Gehäuse (1d) ein Flansch (1e) angeordnet ist, an dem der Bremssattel (18) mit dem Bremssattelträger (6) in Öffnungen (15), die gegenüber den Öffnungen (14) zur Befestigung am Schwenkla­ ger (16) versetzt sind, befestigt wird.
5. Radlager nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens je ein Sensor (3a), an den Öffnungen (15) am Flansch (1e) angeordnet ist, um die Bremskräfte (FtanB) und den Schwerpunkt der Bremskräfte (5, 5a, 5b, 5c) zu messen.
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