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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Unwucht an einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug insbesondere ein Fahrrad sein kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatisierten Erkennung und Signalisierung einer Unwucht an einen Anwender bzw. einen Wartungsbetrieb.
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Die Erkennung von Unwuchten und/oder Lagerschäden anhand akustischer oder visueller Kontrolle durch Personen ist eine zeitintensive und daher kostspielige Aufgabe. Insbesondere im Falle ganzer Fahrzeugflotten summieren sich die Aufwände zur Überprüfung der Fahrzeuge im Rahmen von Testfahrten. In der Regel werden bei Fahrrädern, die beispielsweise im Flottenbetrieb verliehen werden (z.B. angeboten von der Deutschen Bahn AG), Schäden an den Radlagern oder Unwucht der Räder („Fahrrad-Achter“), sofern diese durch den Benutzer überhaupt festgestellt werden, nicht durch diesen an den Betreiber bzw. entsprechendes Wartungspersonal gemeldet. Dadurch müssen die Fahrräder periodisch einer optischen und akustischen Kontrolle unterzogen werden, wobei auch Testfahrten zum Entdecken von Unwuchten erforderlich sind. Eine kontinuierliche Überwachung der Rad-/Tretlager und der Räder ist damit nicht möglich. Für kommerziell bereitgestellte Fahrradflotten ist die Methode der optischen und akustischen Kontrolle zeit- und kostenintensiv, da sie, abgesehen von den Arbeitskosten, für den Zeitraum der (auch routinenmäßigen) Überprüfung nicht zum Verleih zur Verfügung stehen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Unwuchten an Fahrzeugen automatisch zu erkennen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren löst die vorstehend genannte Aufgabe durch die automatische Erkennung eines Schadens am Rad- oder Tretlager oder die Erkennung einer Unwucht der Räder. Dabei kann die Information über vorhandene Unwuchten über ein geeignetes Medium an den Anbieter bzw. den Wartungsbetrieb übermittelt werden, welcher zielgerichtet einzelne Fahrräder aus der Flotte zur Reparatur aus dem laufenden Betrieb abziehen und warten bzw. instand setzen kann. Es wird daher ein Verfahren zur Erkennung einer Unwucht an einem Fahrzeug, insbesondere einem Fahrrad, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: In einem ersten Schritt wird eine erste Kenngröße eines ersten periodischen Signals eines Beschleunigungssensors ermittelt und anschließend klassifiziert. Das Signal wird also als "periodisch" erkannt und vordefinierte, geeignete erste Kenngrößen ermittelt. Diese können beispielsweise eine Frequenz, ein Frequenzspektrum, eine Amplitude oder eine Flankensteilheit umfassen. Zusätzlich wird die jeweilige Kenngröße des Signals anschließend anhand vordefinierter Schwellwerte klassifiziert. Dabei kann beispielsweise anhand einer Amplitude des Signals erkannt werden, ob es sich bei dem ersten periodischen Signal um eine beachtenswerte Unwucht handelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Frequenz des periodischen Signals dahingehend untersucht werden, ob ein bewegliches (insbesondere rotierendes) Teil des Fahrzeugs aufgrund einer Unwucht zur Erzeugung einer entsprechenden Frequenz überhaupt im Stande ist. Anschließend wird die erste klassifizierte Kenngröße mit Betriebsparametern des Fahrzeugs verglichen. Die Betriebsparameter können dabei beispielsweise einen aktuellen Bewegungs/Betriebszustand des Fahrzeugs klassifizieren. Insbesondere kann eine Trittfrequenz, eine Radfrequenz und/oder eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt werden, um eine Referenzgröße für die ermittelte, klassifizierte erste Kenngröße bereitzustellen. Mit anderen Worten wird die Möglichkeit geschaffen, über den aktuellen Betriebszustand mechanischer Komponenten des Fahrzeugs zu ermitteln, ob sie für die Erzeugung des ersten periodischen Signals aufgrund einer Unwucht in Frage kommen. Anschließend wird eine Unwucht im Ansprechen auf das Vergleichsergebnis (sofern positiv) erkannt. Beispielsweise kann dabei aufgrund einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Verbindung mit dem Abrollumfang eines Rades erkannt werden, dass die Radfrequenz mit der Frequenz des ersten periodischen Signals übereinstimmt. In entsprechender Weise können Unwuchten innerhalb sämtlicher rotierender Teile des Fortbewegungsmittels erkannt werden, sofern deren Unwucht in einem aktuellen Betriebszustand ursächlich für das erste periodische Signal sein könnte. Auf diese Weise wird ein automatisiertes Erkennen einer Unwucht an dem Fahrzeug ermöglicht, welche automatisch gemeldet und zeitnah behoben werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt umfasst der Schritt des Vergleichens weiter den Schritt eines Ermittelns zweiter Kenngrößen eines zweiten, insbesondere periodischen, Signals. Das zweite Signal kann dabei beispielsweise als Informationsquelle dafür dienen, in welchem Betriebszustand sich einzelne bewegliche Teile des Fahrzeugs derzeit befinden. Auch die zweiten Kenngrößen können eine Amplitude, eine Frequenz, eine (Flanken-)Gestalt, ebenso wie ein Frequenzspektrum des zweiten Signals umfassen. Auf diese Weise wird eine einfache Vergleichsgröße zeitnah erzeugt, auf Basis welcher das erste periodische Signal als Unwucht erkannt werden kann.
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Beispielsweise kann das zweite Signal mittels desselben Beschleunigungssensors erfasst werden, mittels welchem auch das erste periodische Signal erfasst worden ist. Dabei kann derselbe Kanal des Beschleunigungssensors, alternativ oder zusätzlich weitere Kanäle eines als mehrdimensionaler Beschleunigungssensor ausgestalteten Beschleunigungssensors empfangen und ausgewertet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Geschwindigkeitsmesser (z.B. Satellitenbasiert, Radfrequenz-basiert, Trittfrequenz-basiert o.Ä.) zum Vergleich herangezogen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Trittfrequenzmesser dahingehend ausgewertet werden, ob die Trittfrequenz selbst ursächlich für eine Unwucht am Fahrzeug sein kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann mittels des Trittfrequenzmessers auch in Verbindung mit einem Übersetzungsverhältnis innerhalb des Antriebsstrangs des Fahrzeugs auf eine Radumlauffrequenz bzw. eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs geschlossen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Signal mittels einer Messeinrichtung zum Erfassen elektrischer Größen von Aggregaten des Fahrzeugs ermittelt werden. Als Aggregat kommt beispielsweise ein Nabendynamo in Frage. Dessen elektrisches Ausgangssignal ist gleich in mehrfacher Hinsicht einem Betriebsparameter (Fahrzeuggeschwindigkeit) proportional. Erstens ist seine Ausgangsspannung hinsichtlich ihrer Amplitude von der Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig. Zweitens ist über eine Polteilung des Nabendynamos sogar eine quantitative Bestimmung der Radumlauffrequenz möglich.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Signal, insbesondere dessen Frequenz, eines Kraftsensors im Antriebsstrang (z.B. Pedalerie) herangezogen werden, um einen Vergleich der ersten Kenngröße mit einem entsprechenden Betriebsparameter zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass pro Tretlagerumdrehung zwei Kraftpeaks (entsprechend der zwei Pedale) zu erwarten sind. In entsprechender Weise könnte auch ein Beschleunigungssensor die Beschleunigungspeaks (entsprechend den Drehmomentpeaks) durch die zwei Pedale pro Radumdrehung erkennen. Da die vorstehend genannten Sensoren bzw. Einrichtungen in vielen modernen Fahrzeugen (z.B. Fahrräder mit elektrischem Hilfsmotor) ohnehin verbaut sind, erübrigt sich der Verbau zusätzlicher Hardware zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Weiter bevorzugt kann das Verfahren weiter ein Lokalisieren der Unwucht auf Basis des Vergleiches umfassen. Mit anderen Worten kann nicht lediglich gemeldet werden, dass eine Unwucht in einem der beweglichen Teile des Fortbewegungsmittels besteht, sondern auch das bewegte Teil identifiziert werden. Die Zuordnung erfolgt (wie vorstehend beschrieben) über den Vergleich des ersten periodischen Signals (der Unwucht) bzw. dessen Frequenz und der Frequenz der in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsparameter bewegten Teile des Fahrzeugs. Ein Lokalisieren der Unwucht kann daher ein Abspeichern (Fehlereintrag) eines Defektes eines jeweiligen Bauteils umfassen. Entsprechend kann dem Anwender bzw. dem Wartungspersonal zusätzlich angezeigt werden, welches Teil fehlerhaft ist. Dies kann die Ersatzteilbeschaffung zu einem früheren Zeitpunkt ermöglichen und somit Ausfallzeiten verringern und somit Kosten einsparen.
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Wie vorstehend bereits angedeutet, können die Betriebsparameter zum Vergleichen der ersten Kenngröße ein Übersetzungsverhältnis innerhalb eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs umfassen. Beispielsweise kann ein Übersetzungsverhältnis zwischen einer Umdrehung des Tretlagers und einer Umdrehung eines Rades des Fahrzeugs ermittelt werden. Selbstverständlich kann über das Übersetzungsverhältnis (z.B. über eine Fahrstufenerkennung/Gangwahlschalter) die Übersetzung zu vielen weiteren bewegten (rotierenden) Teilen des Fahrzeugs bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können eine Trittfrequenz, eine Geschwindigkeit, ein Raddurchmesser oder ein Radumfang als Betriebsparameter bestimmt werden. Da insbesondere bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen (insbesondere elektrisch antreibbare Fahrräder) diese Betriebsparameter ohnehin ermittelt werden, erübrigt sich eine Bereitstellung zusätzlicher Hardware zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bevorzugt kann der Beschleunigungssensor an einem Rahmen des Fahrzeugs festgelegt sein. Mit anderen Worten ist der Beschleunigungssensor nicht an einem rotierenden Bauteil des Fahrzeugs angebracht. Auf diese Weise kann der Beschleunigungssensor z.B. auch zur Neigungsermittlung für das Fahrzeug verwendet werden. Dabei kann der Beschleunigungssensor auch als Dreiachsen(3D)-Beschleunigungssensor ausgestaltet sein. Auf diese Weise können unterschiedliche Richtungen hinsichtlich aktueller Beschleunigungswerte unterschieden und getrennt voneinander ausgewertet werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Unwucht in einem Laufrad des Fahrzeugs hinsichtlich ihrer Natur (Höhenschlag, Seitenschlag o.Ä.) zu klassifizieren und dem Anwender des Fahrzeugs bzw. dem Wartungspersonal für das Fahrzeug mitzuteilen. Auf diese Weise können konkretere Maßnahmen (Ersatzteilbeschaffung) zur Behebung des Defektes ergriffen werden.
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Vorteilhafterweise kann auch ein Klassifizieren der erkannten Unwucht erfolgen, so dass eine Ermittlung einer Betriebsbereitschaft des Fahrzeugs ermittelt werden kann. Dabei kann die Unwucht als "unerheblich", "langfristig zu beheben" oder "kurzfristig zu beheben" klassifiziert werden. Daher können Maßnahmen zur Sicherstellung eines möglichen Fahrbetriebes in Anbetracht der Relevanz der Unwucht beschlossen und eingeleitet werden.
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Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt eines Abspeicherns der ermittelten Erkenntnisse hinsichtlich der Unwucht und ihrer Ursachen. Diese Informationen können im Wartungsfall ausgelesen und zur Fehlerbehebung verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Nachricht im Ansprechen auf eine erkannte Unwucht gesendet werden, um das Vorhandensein der Unwucht, insbesondere auch weiterer Informationen über die Unwucht und ihre Relevanz für einen komfortablen/sicheren Fahrbetrieb, zeitnah zu melden. Das Senden kann dabei beispielsweise über UMTS, LTE, LTE-A oder andere bekannte Drahtloskommunikationssysteme und -protokolle erfolgen.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrrad, äußerst bevorzugt ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Beschleunigungssensor und einer Auswerteeinheit vorgeschlagen. Die Auswerteeinheit ist dabei eingerichtet, ein Signal des Beschleunigungssensors zu empfangen und ein Verfahren durchzuführen, wie es in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt eingehend beschrieben worden ist. Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich dabei in ersichtlicher Weise auf das Fahrzeug übertragen, so dass auf eine Wiederholung der Merkmale, der möglichen Merkmalskombinationen sowie der Vorteile zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
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2 ein Flussdiagramm, visualisierend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 ein Zeitdiagramm eines zweiten periodischen Signals bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten; und
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4 die in 3 dargestellten Zeitdiagramme, ergänzt um die Signale eines aufgrund einer Unwucht im Laufrad angeregten Beschleunigungssensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Fahrrad 10 als Fahrzeug, in dessen vorderem Laufrad 11 eine Unwucht 1 symbolhaft dargestellt ist. Das vordere Laufrad 11 ist mit einem Raddrehzahlmesser 5a, 5b ausgestattet, über welchen einem Anwender des Fahrrades 10 ein Geschwindigkeitssignal auf einem Bordcomputer 3 als Messeinrichtung dargestellt werden kann. Das vordere Laufrad 11 ist weiter mit einem Nabendynamo 6 als elektrisches Aggregat ausgestattet. Symbolhaft weist der Nabendynamo 6 vier Pole auf, deren elektrisches Abbild im Signal des Nabendynamos 6 zur Erkennung einer Laufraddrehzahl elektrisch ausgewertet werden kann. Zum Antreiben des hinteren Laufrades 12 sind ein erstes Pedal 13 und ein zweites Pedal 14 über ein Tretlager 8 am Fahrrad 10 angebracht. Ein Kraftsensor 4 kann zur Trittfrequenzmessung sowie zur Bestimmung weiterer Betriebsparameter verwendet werden. In einem Gehäuse 15 ist eine Auswerteeinheit 7 zur Auswertung des Signals des Kraftsensors 4 sowie eines ersten Beschleunigungssensors 2 vorgesehen. Die Auswerteeinheit ist weiter mit einer symbolhaft dargestellten Antenne 9 verbunden. Ein (nicht dargestellter) Prozessor innerhalb der Auswerteeinheit 7 ist dabei eingerichtet, ein Verfahren durchzuführen, wie es im Rahmen der Offenbarung der Erfindung im Detail beschrieben worden ist.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wertet die Auswerteeinheit 7 Signale des Beschleunigungssensors 2 aus. In Schritt 200 wird ermittelt, ob in einem vordefinierten Frequenzbereich eine Periodizität erkennbar ist. Ist dies nicht der Fall (N), fährt das Verfahren in Schritt 100 mit der Signalanalyse fort. Wird eine gewisse Periodizität erkannt (Y), erfolgt in Schritt 300 ein Ermitteln und Klassifizieren einer ersten Kenngröße des ersten periodischen Signals. Anschließend wird im Schritt 400 eine zweite Kenngröße eines zweiten Signals ermittelt und klassifiziert. Dieses Signal kann beispielsweise vom Kraftsensor 4 und/oder vom Geschwindigkeitsmesser 5a, 5b und/oder vom Nabendynamo 6 bereitgestellt werden. In Schritt 500 wird entschieden, ob die erste Kenngröße einer vorbestimmten Klasse zuordenbar ist.
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Mit anderen Worten wird ein Vergleich zwischen den Kenngrößen des ersten und des zweiten Signals durchgeführt, im Zuge dessen eine Korrelation zwischen dem ersten periodischen Signal und dem zweiten Signal möglich ist. Insbesondere wird hierbei ein festes Frequenzverhältnis zwischen dem ersten periodischen Signal als mutmaßlicher Unwucht und dem zweiten Signal als Bezugsgröße zu aktuellen Drehzahlen am Fahrrad 10 befindlicher rotierender Teile vorgenommen. Kann keine vordefinierte Beziehung zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal festgestellt werden (N), fährt das Verfahren in Schritt 100 mit der Signalanalyse fort. Wird jedoch ein fester, vordefinierter Zusammenhang zwischen der Frequenz des ersten Signals und der Frequenz des zweiten Signals festgestellt (Y), wird in Schritt 600 eine Unwucht erkannt und weitere Untersuchungen zur Natur der Unwucht und Lokalisierung derselben unternommen. Beispielsweise kann diese eine Auswertung weiterer Kanäle des als 3D-Beschleunigungssors ausgestalteten Beschleunigungssensors umfassen. Dabei wird zwischen einem Höhenschlag und einem Seitenschlag unterschieden, sofern die Unwucht innerhalb eines Laufrades 11, 12 angeordnet ist. In Schritt 700 wird eine Klassifizierung der Unwucht dahingehend durchgeführt, ob sie für den Betriebskomfort bzw. die Betriebssicherheit des Fahrrades relevant ist. Ist dies nicht der Fall (N), wird in Schritt 800 ein entsprechender Fehlerspeichereintrag in einem lokalen Speicher des Fahrrades 10 (nicht dargestellt) abgespeichert. Anschließend fährt das Verfahren in Schritt 100 mit der Signalanalyse fort. Ist die Unwucht jedoch für den Anwenderkomfort bzw. die Betriebssicherheit des Fahrrades 10 erheblich (Y), wird in Schritt 900 eine entsprechende Nachricht über ein GSM-Modul und die Antenne 9 an den Betreiber des Fahrrades 10 und einen Wartungsbetrieb gesendet.
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3 zeigt zwei Spannungssignale über der Zeit, welche bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten (V1, V2) durch den Bordcomputer 3 vom Nabendynamo 6 empfangen wurden. Mit den Ziffern 1 bis 4 sind die Spannungssignale einer jeweiligen Radumdrehung (korrespondierend zu einem jeweiligen magnetischen Pol des Nabendynamos) durchnummeriert. Da die Spannungssignale des oberen Graphen SV1 zeitlich dichter aufeinander folgen als die Spannungspeaks des unteren Graphen SV2, kann darauf geschlossen werden, dass die Geschwindigkeit V1 größer als die Geschwindigkeit V2 ist. Da innerhalb der gleichen Zeiteinheit im Signal SV1 exakt die doppelte Anzahl von Spannungsimpulsen gegenüber dem Signal SV2 enthalten ist, kann die Geschwindigkeit V1 als doppelt so hoch wie die Geschwindigkeit V2 ermittelt werden. In Anbetracht der Kenntnis der Anzahl von Polen (im Beispiel vier) innerhalb des Nabendynamos 6 kann zudem die Zeitdauer einer Radumdrehung als die sich zwischen identisch bezeichneten Spannungspulsen erstreckende Zeitdauer bestimmt werden.
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4 zeigt zusätzlich zu den Signalen SV1, SV2 des Nabendynamos 6 Spannungssignale U des Beschleunigungssensors 2. Im oberen Zeitdiagramm tritt ein jeweiliger Spannungspeak U1, U2, U3, U4 jeweils mit Beginn des mit 1 bezeichneten Spannungssignals des Nabendynamos 6 auf. Mit anderen Worten ergibt sich eine identische Korrelation C1, C2, C3, C4 zwischen den Zeitpunkten eines Unwuchtsignals U1, U2, U3, U4 mit einem jeweiligen Spannungspuls des ersten magnetischen Pols des Nabendynamos 6. Im unteren Diagramm der 4 wird das Fahrrad 10 bei einer niedrigeren Geschwindigkeit betrieben. Entsprechend der Spreizung der Spannungspulse Sv2 des Nabendynamos 6 sind auch die Spannungspulse U1', U2' gespreizt. Dabei bleibt die relative Zuordnung der Spannungspulse U1', U2' zu den jeweiligen Spannungspulsen des Signals Sv2 gleich, was zu einer entsprechenden Korrelation C1', C2' führt. Die in 4 dargestellten Signale lassen somit darauf schließen, dass eine Unwucht 1 innerhalb des vorderen Laufrades 11 besteht. Alternativ könnte eine Unwucht auch im hinteren Laufrad 12 des Fahrrades 10 zu einem entsprechenden Signalzusammenhang führen.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
