DE102021208957A1

DE102021208957A1 - Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit für Fahrzeuge, zugehöriges System und Verfahren zum Detektieren von finalen Belastungen an Rädern

Info

Publication number: DE102021208957A1
Application number: DE102021208957.7A
Authority: DE
Inventors: Simone Baliva; Marco Cambiano; Alessandro FERRERO; Alessandro Garrone
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2021-08-16
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US20230143792A1; US11571928B2; US20230146965A1; US11926173B2; CN114193972A; IT202000020608A1; US20220063329A1

Abstract

Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit (2) und Verfahren zum Detektieren von Kräften und Momenten, die auf einen Außenring der Radnabeneinheit (2) ausgeübt werden, in Echtzeit, bei dem piezoresistive Keramikplatten (23) aus einem Stück mit geschweißten Metallplatten (15) hergestellt sind, die in jeweiligen Aussparungen (12) untergebracht sind, die in einer Außenfläche (13) des Außenrings über entsprechenden Laufringen (10) für Wälzkörper derart gebildet sind, dass es einen Spalt zwischen den Platten (15) und einer Grundwand (22) jeder Aussparung (12) gibt; bei dem die Temperatur des Außenrings (5) und die Amplitude und die Frequenz erster elektrischer Signale (S1), die den Sensoren zugeordnet sind, die sich auf denselben Laufring beziehen, analysiert werden, um einen Frequenzwert gleich der Frequenz des ersten Signals, der die maximale Amplitude hat, und so viele Amplitudenwerte (Dl-Dn) zu bestimmen, wie es Sensoren gibt, die diesem Laufring zugeordnet sind und die jeweils gleich der maximalen Amplitude des ersten Signals von jedem Sensor sind, korrigiert gemäß der Temperatur.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit für Fahrzeuge. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Detektionssystem und ein zugehöriges Verfahren zum genauen Detektieren der auf die Radnabeneinheit einwirkenden Kräfte und Momente in Echtzeit, um dem Fahrzeugsteuergerät nützliche Informationen zu liefern, um die Stabilitätskontrolle zu verbessern und sie effektiver sowie für die bessere Verwaltung autonomer Fahrfunktionen nutzbar zu machen.
Bekannte Technik
In den derzeit verwendeten Aufhängungseinheiten werden nur Sensoren verwendet, die in der Lage sind, die Drehgeschwindigkeit jedes Rads eines Fahrzeugs zu detektieren, aber es werden keine mit einem Sensor ausgestatteten Aufhängungseinheiten verwendet, die in der Lage sind, die Belastungen zu detektieren, die aus den unterschiedlichen Fahrbedingungen des Fahrzeugs auf die Radnabeneinheit hervorgehen, an der das Rad des Fahrzeugs befestigt ist, z. B. diejenigen aufgrund der Rauheit oder der unterschiedlichen Bedingungen der Oberfläche, über die das Fahrzeug fährt, und/oder der durchgeführten Manöver, z. B. Lenken, Bremsen usw.
US6619102B2 beschreibt eine Radnabeneinheit, die aus einem Wälzlager besteht, wobei ein Außenring einen Flansch zur Befestigung an dem Federbein hat, der mit umfänglichen und radialen elastischen Verformungszonen versehen ist, auf die jeweils ein einzelner Verformungssensor angelegt ist. Diese Lösung ist aufwendig und kostspielig in der Umsetzung und hat sich nicht als effektiv bewährt, um die auf die Radnabeneinheit wirkenden Kräfte korrekt zu detektieren.
US6658943B2 beschreibt ein zweireihiges Kegelrollenlager, bei dem die radial äußere zylindrische Seitenfläche des Lageraußenrings mit vier winklig beabstandeten Sensormodulen versehen ist, die umfänglich auf der zylindrischen Fläche befestigt sind. Jedes Modul besteht aus einem Paar von Dehnungssensoren, die in einem Winkel von 90° zueinander positioniert sind. Auch diese Lösung hat sich wiederum als nicht effektiv beim korrekten Detektieren der auf sie einwirkenden Kräfte erwiesen.
Schließlich verwenden alle diese bekannten Lösungen als Sensormodule Dehnungsmessstreifen, die im Allgemeinen auf die zu detektierenden Oberflächen geklebt werden, eine Lösung, die sich als ineffektiv und vor allem als unzuverlässig erwiesen hat und die fortlaufende Neukalibrierungen des Sensors erfordert.
In der Tat sind alle bekannten Systeme nur zu Testzwecken geeignet und sind nicht für die Serienproduktion geeignet oder mit dieser kompatibel.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit und ein zugehöriges System und Verfahren zur genauen und zuverlässigen Detektion der ausgeübten Kräfte und Momente, das heißt, der Belastungen, denen ein Fahrzeug im Fahrbetrieb ausgesetzt ist, in Echtzeit bereitzustellen und die gleichzeitig für den Fahrzeughersteller einfach zu implementieren sind.
Gemäß der Erfindung wird eine mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit und ein zugehöriges Detektionssystem und -verfahren bereitgestellt, die die in den angehängten Ansprüchen dargelegten Merkmale haben.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die eine nicht-einschränkende Ausführungsform darstellen, in denen:

1 schematisch, in Seitenansicht und teilweise radialem Querschnitt, eine Ansicht einer Fahrzeugaufhängungsanordnung darstellt, die mit einer mit einem Sensor ausgestatteten Radnabeneinheit gemäß der Erfindung ausgestattet ist;
2 schematisch in vergrößertem Maßstab eine perspektivische Dreiviertelvorderansicht des Detektionssystems gemäß der Erfindung einschließlich eines Außenrings der Radnabeneinheit in 1 darstellt;
3 schematisch in einem weiter vergrößerten Maßstab ein Detail einer Ansicht der Fahrzeugaufhängungsanordnung in 1 im Querschnitt entlang der Linie III-III darstellt;
4 schematisch eine perspektivische Dreiviertelvorderansicht einiger Hauptkomponenten des Detektionssystems in 2 darstellt;
5 schematisch in einem vergrößerten Maßstab eine perspektivische Ansicht eines Details des Außenrings einer Radnabeneinheit darstellt, die einen Teil des Detektionssystems in 2 bildet;
6 schematisch eine Draufsicht von oben desselben Details wie in 5 darstellt;
7 und 8 Komponenten des Detektionssystems in 2 in einem größerem Maßstab darstellen;
9 ein Blockdiagramm des Detektionsverfahrens gemäß der Erfindung unter Verwendung des Detektionssystems in 2 darstellt;
10 schematisch in einem vergrößertem Maßstab zwei Ansichten in rechten Winkeln, in Draufsicht (oben) und in Seitenansicht (unten), eines Sensors darstellt, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
11 schematisch einen radialen Querschnitt der mit einem Sensor ausgestatteten Radnabeneinheit in 1 darstellt;
12 schematisch in einem vergrößerten Maßstab einen radialen Längsquerschnitt eines Außenrings der Radnabeneinheit in 1 darstellt; und
13 eine Draufsicht radial von außen des Außenrings in 12 darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf eine Fahrzeugaufhängungsanordnung als Ganzes, die eine mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit 2 und ein Federbein oder Gelenk 3 für die Radnabeneinheit 2 umfasst. Die Radnabeneinheit 2, die dazu ausgebildet ist, mit dem Federbein oder dem Gelenk 3 zu koppeln, umfasst ein Detektionssystem 4 (2), das dazu ausgebildet ist, mechanische Belastungen, wie die Lasten, insbesondere Kräfte und Momente (Drehmomente), die auf die Radnabeneinheit 2 wirken, zu detektieren.
Die Radnabeneinheit 2 umfasst ein Wälzlager 34, das wiederum einen radial äußeren Ring 5 und einen radial inneren Ring 35, eine ringförmige Flanschnabe 6, die radial koaxial auf der Innenseite des radial äußeren Rings 5 eingesetzt und winkelfest mit dem Innenring 35 gekoppelt ist, und mehrere Wälzkörper 9 (1) umfasst, die zwischen dem Außenring 5 und der Flanschnabe 6 eingesetzt sind, in diesem Fall zwischen dem Außenring 5 und dem Innenring 35, um zu bewirken, dass sich die Flanschnabe 6 in Bezug auf den Außenring 5 drehen kann, der im Betrieb stationär ist, da er mit dem Federbein oder dem Gelenk 3 verbunden/an diesem befestigt ist. Auf diese Weise wird die Flanschnabe 6 so eingesetzt, dass sie koaxial in dem Außenring 5 leerläuft.
Insbesondere wird die Flanschnabe 6 in den radial äußeren Ring 5 des Wälzlagers 34 von der Seite einer ersten Ende 7 (1 und 2) des Außenrings 5 eingesetzt, die im Betrieb zur Außenseite des Fahrzeugs und, im dargestellten Beispiel, zu einem Flansch 8 der Nabe 6 zeigt, der sich radial über die Außenseite der Nabe 6 hinaus erstreckt.
In dem dargestellten, nicht einschränkenden Beispiel bestehen die Wälzkörper 9 aus zwei Kugellagern 9.
In jedem Fall sind die Wälzkörper 9 dazu ausgebildet, in zwei entsprechende ringförmige Laufringe 10 einzugreifen, die radial auf der Innenseite des Außenrings 5, an seiner radial inneren Seitenfläche 11, gebildet sind, die in dem dargestellten Beispiel im Wesentlichen zylindrisch ist, wie in den 1 und 2 schematisch dargestellt ist.
In bekannter Weise greifen die Wälzkörper 9 auch in entsprechende ringförmige Laufringe ein, die bekannt und der Einfachheit halber nicht beschrieben sind, die radial an der Außenseite des Innenrings 35 oder, wenn dieser nicht vorhanden ist, direkt an der Nabe 6 gebildet sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Detektionssystem 4 mehrere konkave Längsaussparungen 12 (2, 5 und 6), die axial in einer radial äußeren zylindrischen Seitenfläche 13 des Außenrings 5 gebildet sind und voneinander winklig beabstandet sind.
Jede Aussparung 12, die somit einen integralen Teil des Außenrings 5 bildet, erstreckt sich über einen ringförmigen Laufring 10 für die Wälzkörper 9, in der nicht einschränkenden, aber bevorzugten dargestellten Ausführungsform über beide Laufringe 10, in einer Umfangsrichtung relativ zu diesen, somit umfänglich über jeden Laufring 10.
Hier und im Folgenden ist der Begriff „umfänglich“ in Bezug auf die Aussparungen 12 so zu verstehen, dass sie sich so erstrecken, dass sie einen jeweiligen Umfangsabschnitt jedes Laufrings 10 „abdecken“, unabhängig davon, ob eine Aussparung 12 so geformt ist, dass sie eine Krümmung parallel zu der der Oberfläche 13 hat oder einen flachen Abschnitt bildet, der parallel zu einer geometrischen Sehne der Oberfläche 13 ausgerichtet ist.
Insbesondere sind die Aussparungen 12 dazu ausgebildet, entsprechende Zonen lokaler elastischer Verformung in dem Außenring 5 zu definieren.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind an der äußeren Seitenfläche 13 vier Aussparungen 12 vorgesehen, die in regelmäßigen Winkelabständen, d. h. in einem Winkel von 90° zueinander, beabstandet sind. Die Aussparungen 12 könnten jedoch in einer anderen, größeren oder geringeren Anzahl (zumindest zwei) vorhanden sein und in nicht identischen Winkelabständen dazwischen angeordnet sein, wobei einige umfänglich näher an anderen liegen, abhängig von den spezifischen Anforderungen in Bezug auf die Geometrie der Aufhängungsanordnung 1.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung und auch unter Bezugnahme auf 13 umfasst das Detektionssystem 4 des Weiteren eine erste ringförmige Stufe 14, die peripher innerhalb jeder Aussparung 12 entlang des gesamten Umfangs P der Aussparung 12 und in einer Position unmittelbar angrenzend an den Umfang P ausgebildet ist.
Für jede Aussparung 12 umfasst das Detektionssystem 4 des Weiteren zumindest eine Metallplatte 15, die quer in jeder Aussparung 12 angeordnet, somit in einer Umfangsrichtung in Bezug auf den Außenring 5 ausgerichtet ist, so dass sie im Wesentlichen umfänglich mit einem ringförmigen Laufring 10 fluchtet. In dem dargestellten Beispiel gibt es daher zwei Metallplatten 15, quer in jeder Aussparung 12 untergebracht, parallel zueinander und in der Nähe der gegenüberliegenden axialen Enden 16 der entsprechenden Aussparung 12 ( 5, 12 und 13), wobei jede Metallplatte 15 im Wesentlichen umfänglich über einen entsprechenden Laufring 10 ausgerichtet ist, insbesondere über einen Umfang, der auf dem Laufring 10 verfolgt werden kann, wo die Kontaktpunkte zwischen den Kugeln 9 und dem Laufring 10 liegen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind umfänglich gegenüberliegende Enden 17 jeder Metallplatte 15 (in der oben definierten Bedeutung, d. h. in einer Umfangsrichtung in Bezug auf den Ring 5 zueinander ausgerichtet) mit den gegenüberliegenden Seitenflächen 18 der ersten Stufe 14 verschweißt. Diese Befestigungsmethode durch Schweißen hat sich im Gegensatz zu anderen möglichen Methoden, wie z.B. dem Kleben, als überraschenderweise effektiver erwiesen, um die Zuverlässigkeit der durch das Detektionssystem 4 gelieferten Ergebnisse zu gewährleisten, wie noch gesehen werden wird, und um das Verfahren zur Herstellung des Außenrings 5 mit zumindest einem Teil des darin integrierten Detektionssystems 4 zu verbessern.
In der Draufsicht können die Metallplatten 15 vorzugsweise die Form eines in axialer Richtung ausgerichteten „H“ haben (5, 6 und 10), wobei ein Mittelabschnitt 19 mit geringer Breite in Bezug auf den Außenring 5 in axialer Richtung die beiden Enden 17 verbindet, wodurch der Querbalken des H gebildet wird, während die Stiele des H durch die gegenüberliegenden Enden 17 der Platte 15 gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf 10 und 11 haben die Enden 17 in axialer Richtung in Bezug auf den Außenring 5 eine Breite Ws, die größer ist als die Breite Wr des Mittelabschnitts 19, wobei diese Breite wiederum in axialer Richtung in Bezug auf den Außenring 5 gemessen wird. Insbesondere sollte vorzugsweise die folgende Beziehung gelten: $0,4 \leq \frac{W_{r}}{W_{S}} \leq 0,6$
Des Weiteren sollte gemäß einem Aspekt der Erfindung, insbesondere unter Bezugnahme auf 11, vorzugsweise die folgende Beziehung gelten: $0,25 \leq \frac{L_{S}}{P_{B p}}$
wobei: Ls die Länge der Platten 15 zwischen ihren gegenüberliegenden Enden 17 ist und P_Bp die geometrische Projektion der Umfangsteilung P_D der Kugeln 9 auf die Aussparungen 12 innerhalb des Raumwinkels ist, der durch die Winkelteilung γ_Bp der Kugeln 9 selbst definiert ist.
Darüber hinaus muss die Dicke Ts der Platten 15 den folgenden Beziehungen entsprechen: $0,3 \leq Ts \leq 0,6$
und $\frac{T_{S}}{L_{S} \leq 0,1}$
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Detektionssystem 4 auch eine Ausnehmung 20, die mittig in jeder Aussparung 12 gebildet ist und umfänglich durch die erste ringförmige Stufe 14 begrenzt wird, um eine zweite Stufe 21 innerhalb der ersten Stufe 14 in der Aussparung 12 zu bilden, die eine Grundwand 22 der Aussparung 12 begrenzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Grundwand 22 der Ausnehmung 20 flach und parallel zu einer geometrischen Sehne der gekrümmten zylindrischen Fläche 13, und die Stufen 14 und 21 sind ebenfalls durch ebene Flächen parallel zu der geometrischen Sehne begrenzt. Die Aussparungen 12 können jedoch auch gekrümmt statt flach ausgeführt sein, so dass die Grundwand 22 gekrümmt und parallel zur Krümmung der Seitenfläche 13, in der die Aussparungen 12 gebildet sind, verlaufen kann, ebenso wie die Flächen, die die Stufen 14 und 21 begrenzen, ebenfalls gekrümmt und parallel zu der Fläche 13 verlaufen können.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung überspannt jede Metallplatte 15 die Ausnehmung 20, aber ist von ihr und ihrer Grundwand 22 beabstandet.
Insbesondere überspannt in dem dargestellten, nicht einschränkenden Beispiel der schmale Mittelabschnitt 19 jeder Metallplatte 15 die Ausnehmung 20 und ist von ihr beabstandet.
Auf diese Weise gibt es immer einen vorbestimmten Spalt zwischen jeder Metallplatte 15 und der Grundwand 22 jeder Aussparung 12, wodurch gemäß einem Aspekt der Erfindung keine Metallplatte 12 jemals die Grundwand 22 der jeweiligen Aussparung 12 berührt, selbst wenn es zu einer lokalen elastischen Verformung in dem Laufringabschnitt 10 unterhalb der Aussparung 12 kommt, beispielsweise durch den Durchgang der Wälzkörper 9 unter besonders schweren lokalen Belastungsbedingungen.
Das Detektionssystem 4 umfasst einen Lastsensor S für jede Metallplatte 15, und gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung besteht dieser Sensor aus einer Platte 23 aus piezoresistivem keramischen Material (5 und 6), die einteilig mit der Metallplatte 15 hergestellt ist, vorzugsweise den schmalen Mittelabschnitt 19 der Metallplatte 15 überspannt, falls vorhanden, und auf jeden Fall so positioniert ist, dass sie die Ausnehmung 20 überspannt.
Die Verwendung von piezoresistiven keramischen Platten, die strukturell in die Metallplatten 15 eingebunden sind, anstelle von Dehnungsmessstreifen wie in der bekannten Technik, hat sich als erfolgreich erwiesen, um eine hohe Zuverlässigkeit für das Detektionssystem 4 und eine einfache Industrialisierung desselben und des entsprechenden Außenrings 5, in den es eingebunden ist, zu erreichen.
Vorzugsweise werden die keramischen Platten 23 durch die direkte Ablagerung von piezoresistivem keramischen Material auf die entsprechenden Platten 15, zum Beispiel auf den schmalen Mittelabschnitt 19, und bis in die Nähe der gegenüberliegenden Enden 17 jeder Metallplatte 15, zum Beispiel durch Siebdruck oder ein anderes geeignetes Verfahren, erhalten.
In der Draufsicht haben die Aussparungen 12 eine rechteckige Form mit abgerundeten Kanten, die durch eine Bördelkante 24 definiert sind, die so abgerundet ist, dass sie eine gekrümmte, konkave Form annimmt, die den Umfang P begrenzt, von dem aus die erste ringförmige Stufe 14 und dann die Ausnehmung 20, die die zweite Stufe 21 definiert, die die Grundwand 22 bildet, nacheinander von der Kante 24 in Richtung der Mitte der Aussparung 12 abgehen.
Die Aussparungen 12 haben daher eine Tiefe in radialer Richtung (in Bezug auf eine Symmetrieachse A des Außenrings 5 - 2), die durch die Summe der Höhe von der Kante 24 bis zu der Stufe 14 und der Höhe der nächsten Stufe 21, die durch die Ausnehmung 20 gebildet wird, bis zu der Grundwand 22 definiert ist.
Die Aussparungen 12 können gleich tief sein, oder einige Aussparungen 12 können mehr oder weniger tief sein als andere, wobei zu bedenken ist, dass, je größer die Tiefe einer Aussparung 12 ist, desto größer das elektrische Signal sein wird, das mit den Lastsensoren verbunden ist, die durch die Keramikplatten 23 und die jeweiligen Metallplatten 15, die in dieser Aussparung 12 untergebracht sind, definiert sind, und desto größer andererseits die strukturelle Schwächung sein wird, die an dem Außenring 5 durch das Vorhandensein der Aussparungen 12 verursacht wird.
Die Verwendung von Aussparungen 12 mit unterschiedlicher Tiefe kann somit zwischen diesen beiden gegensätzlichen Anforderungen vermitteln.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung muss die Tiefe der Aussparungen 12 ( 12) dennoch der folgenden Beziehung entsprechen: $\begin{array}{l} 0,05 \cdot (\frac{(D_{O R} - P_{D i a})}{2 cos (α_{B})} - R_{B a l l}) \cdot c o s (α_{B}) \leq P_{D 1 s t} \\ \leq 0,4 \cdot (\frac{(D_{O R} - P_{D i a})}{2 cos (α_{B})} - R_{B a l l}) \cdot c o s (α_{B}) \end{array}$
wobei: D_OR der Außendurchmesser des Außenrings 5 ist, P_Dia der „Kugelteilkreisdurchmesser“ ist, das heißt, der Durchmesser des Umfangs, auf dem die geometrischen Mittelpunkte der Kugeln 9 liegen, R_Ball der Radius der Kugeln 9 ist, α_B der Winkel ist, der zwischen dem Kontaktpunkt zwischen den Kugeln 9 und der radialen Senkrechten zur Achse A gebildet wird, und P_Dlst insbesondere die Tiefe einer Aussparung 12 ist, die daher zwischen dem 0,05 und 0,4-fachen der Differenz zwischen dem Durchmesser der Außenfläche 13 des Außenrings 5 D_OR und dem Kugel-Laufring-Kontaktpunkt in radialer Richtung sein muss, der durch die Differenz [(D_OR-P_Dia)/2cos(α_B) - R_Ball] entlang der durch den Berührungswinkel (α_B) definierten Richtung gegeben ist.
Wie bereits gesehen wurde, ist in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Radnabeneinheit 2 mit einem radial äußeren Ring 5 versehen, der ein Paar axial hintereinander angeordnete Laufringe 10 für Wälzkörper 9 hat, und jeder keramische Lastsensor S hat eine Platte 23 aus piezoresistivem Material, das auf einer jeweiligen Metallplatte 15 befestigt ist, die beispielsweise den schmalen Zwischenabschnitt 19 überspannt, sofern vorhanden.
Darüber hinaus nimmt jede Aussparung 12 ein Paar von Metallplatten 15 sich auf, die parallel zueinander angeordnet sind und im Wesentlichen umfänglich und axial in Bezug auf das Paar von Laufringen 10 positioniert sind, wobei die Platten 23 die Ausnehmungen 20 überspannen.
Somit ist in dieser bevorzugten Ausführungsform der Außenring 5 mit vier Aussparungen 12 versehen, die identisch oder unterschiedlich voneinander beabstandet sind, das heißt, in gleichen oder unterschiedlichen Winkeln.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung muss der axiale Abstand oder „Teilung“ oder Beabstandung I_S zwischen zwei Sensoren S, die in derselben Aussparung 12 untergebracht sind, der folgenden Beziehung entsprechen (12 und 13): $\begin{array}{l} 0,8 \cdot (A_{B p} - (D_{O R} - 2 \cdot P_{D 1 s t} - P_{D i a}) \cdot tg (α_{B})) \leq I_{S} \\ \leq 1,4 \cdot (A_{B p} - (D_{O R} - 2 \cdot P_{D 1 s t} - P_{D i a}) \cdot tg (α_{B})) \end{array}$
wobei:
A_Bp der axiale Abstand zwischen den geometrischen Mittelpunkten der Kugeln 9 ist, die in die beiden unterschiedlichen Laufringe 10 des Paars von Laufringen 10, zwischen den beiden Kugellagern, eingreifen, D_OR wie oben definiert ist, P_Dlst wie oben definiert ist, das unter Verwendung der Beziehung [04] berechnet wird, und P_Dia und α_B wie oben definiert sind.
Die obige Beziehung [05] impliziert daher, dass die Beabstandung zwischen den Mittellinien I_s zwischen den beiden Sensoren S in axialer Richtung immer zwischen dem 0,8- und 1,4-fachen der Differenz zwischen dem axialen Abstand zwischen den ursprünglichen Durchmessern der beiden Ringe der Wälzkörper, das heißt, den Kugeln 9 (A_Bp), und der Projektion in axialer Richtung der Differenz zwischen dem Schnittpunkt zwischen der durch den Berührungswinkel (α_B) definierten Direktrix und der Fläche 13 des Außenrings 5 abzüglich der Tiefe der betrachteten Aussparung 12 und dem ursprünglichen Durchmesser eines Rings von Wälzkörpern (P_Dia) sein muss.
Gemäß einer möglichen Variante, die der Einfachheit halber nicht dargestellt ist, hat jede Aussparung 12 statt einer rechteckigen Form in der Draufsicht eine S-Form mit einem abgerundeten Umfangsprofil, das immer durch eine abgerundete Umfangskante 24 begrenzt wird, die unmittelbar an die erste Stufe 14 angrenzt, so dass das Paar von Metallplatten 15 und die jeweiligen Platten 23, die in jeder Aussparung 12 untergebracht sind, winklig zueinander versetzt angeordnet sind. Diese Lösung kann in bestimmten mechanischen Belastungssituationen von Vorteil sein, abhängig von der Geometrie der Aufhängevorrichtung 1.
Schließlich umfasst das Detektionssystem 4 eine elektrische Schaltung 25 (2 und 4), die mit den gegenüberliegenden Enden jeder Keramikplatte 23 verbunden ist, die den Umfangsenden 17 der jeweiligen Metallplatte 15 zugewandt sind, um ein erstes elektrisches Signal S1 in Bezug auf jeden Sensor zu sammeln und dann mehrere Signale S1 zu sammeln, wie durch Pfeile in 9 dargestellt ist.
Die Keramikplatte 23, die jeden Lastsensor bildet, wird von einer ersten Fläche 26 der jeweiligen Metallplatte 15 getragen, die der radial äußeren Seitenfläche 13 des Außenrings 5 gegenüberliegt, und, wie bereits angedeutet, ist die Keramikplatte 23 in einer Weise gebildet, dass sie vollständig und immer in Kontakt mit der ersten Fläche 26 steht, vollständig an derselben angebracht ist, aus einem Stück mit derselben besteht, zum Beispiel direkt auf die erste Fläche 26 der jeweiligen Metallplatte 15 aufgedruckt ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Detektionssystem 4 des Weiteren einen Temperatursensor 27 (3), der von der elektrischen Schaltung 25 getragen wird, mit dieser integral ist und in einem Blindloch 29 untergebracht ist, das an der äußeren Seitenfläche 13 des Außenrings 5 gebildet ist.
Wie in 2 gut dargestellt ist, ist die elektrische Schaltung 25 an symmetrisch gegenüberliegenden Positionen in der Umfangsrichtung mit gegenüberliegenden Enden jeder Keramikplatte 23 verbunden, um mehrere erste elektrischen Signale S1 (9) zu sammeln, die sich jeweils auf einen jeweiligen Sensor 23 beziehen; die elektrische Schaltung 25 ist auch mit dem Temperatursensor 27 verbunden (mit dem sie integral verbunden ist), um ein zweites elektrisches Signal S2 zu sammeln, das durch diesen ausgegeben wird ( 9).
Eine Platine 30, die in den 2 und 4 durch gestrichelte Linien als Block dargestellt ist, ist mit einem Ende 31 der elektrischen Schaltung 25 verbunden, um gleichzeitig die ersten Signale S1, die sich auf jeden Sensor 23 beziehen, und das zweite Signal S2, das sich auf den Temperatursensor 27 bezieht, parallel zu verarbeiten, wie gesehen werden wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in 2 und 4 dargestellt ist, besteht die elektrische Schaltung 25 aus einem flachen T-förmigen mehrpoligen Leiter 32, der zwei gegenüberliegende erste Arme oder Zweige 33 umfasst, die zueinander ausgerichtet sind, einen Mittelabschnitt 36, der die ersten Arme 33 miteinander verbindet, die von dem Mittelabschnitt 36 auf gegenüberliegenden Seiten auskragen, und einen dritten Arm oder Zweig 37, der von dem Mittelabschnitt 36 senkrecht zu den ersten Armen 33 auskragt.
Die ersten Arme 33 tragen seitlich jeweilige auskragende, gegenüberliegende Paare von Y-förmigen Kontakten 38, und jedes Paar von Kontakten 38 ist elektrisch und mechanisch mit den gegenüberliegenden Enden einer jeweiligen Keramikplatte 23 verbunden, vorzugsweise durch Hartlöten.
Der Mittelabschnitt 36 umfasst (3) eine Metallplatte 39, die in 8 im Detail dargestellt ist. Der Temperatursensor 27 ist an die durch den mehrpoligen Flachleiter 32 gebildeten flexiblen Schaltung an der Metallplatte 39 gelötet (hartgelötet), im Wesentlichen auf dem Mittelabschnitt 36 an einer Position angrenzend an die Metallplatte 39.
Andererseits hat die Metallplatte 39 die Funktion, den flexiblen Leiter 32 und eine schützende Gummiumformung 42, wie unten dargestellt, zu zentrieren und mechanisch zu halten.
Der Mittelabschnitt 36 wird auf der Platte 39 getragen, und ein Abschnitt des Arms oder Zweigs 37 des Flachleiters 32 wird auch getragen und ist unmittelbar angrenzend an den Mittelabschnitt 36 eingebaut.
Die Metallplatte 39 ist dazu ausgebildet, in dem Blindloch 29 des Außenrings 5 verankert zu werden, um den Temperatursensor 27 darin aufzunehmen. Zu diesem Zweck umfasst sie ein hakenförmiges Ende 40, das dazu ausgebildet ist, in das Blindloch 29 zu passen.
Der dritte Arm 37 ist über dem Mittelabschnitt 36 mit einer integrierten Schutzhülle 41 (7) eines Dichtungsquerelements 42 versehen, das auf die Metallplatte 39 geformt ist und einen Teil der Metallplatte 39 einschließt, das dazu ausgebildet ist, im Betrieb zwischen die äußere Seitenfläche 13 des Außenrings 5 und das mit der Radnabeneinheit 2 verbundene Federbein oder Gelenk 3 zu passen.
Die Schutzhülle 41 hat die Funktion, die flexible Schaltung 25 vor Steinschlägen und aggressiven Witterungseinflüssen im freiliegenden Bereich zu schützen, sowie die Funktion einer speziellen Dichtung an der Schnittstelle zwischen der Radnabeneinheit 2 und dem Federbein oder dem Gelenk 3 auf der einen Seite und einem Gehäuse 44 auf der anderen Seite; letzteres Gehäuse beherbergt eine Ableitung, um die elektrische Schaltung 25 mit einem Kabel 45 zu verbinden, das mit einem Fahrzeugsteuergerät (ECU) verbunden werden kann oder direkt eine Datenverarbeitungsplatine (30) aufnimmt.
Das Gehäuse 44, das vorzugsweise durch Formen aus einem synthetischen Kunststoffmaterial in Form von zwei, zum Beispiel durch Schrauben, miteinander verbundenen Halbschalen hergestellt ist, ist im dargestellten Beispiel mit einem seitlichen Kabel 45 versehen, das dazu ausgebildet ist, in bekannter, der Einfachheit halber nicht dargestellter, Weise mit einem Fahrzeugsteuergerät oder einer anderen Schnittstelleneinrichtung verbunden zu werden.
Um die Hülle 41 zusammen mit dem Dichtungselement 42 angemessen zu stützen, wodurch ihr eine ausreichende Steifigkeit verliehen wird, wird sie auf die Platte 39 angeformt, die auf der ihrem Hakenende 40 gegenüberliegenden Seite mit entsprechenden L- und/oder U-förmigen Halterungen 46 versehen ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die ersten Arme 33 dazu ausgebildet, sich in einem Ring um die äußere Seitenfläche 13 des Außenrings 5 innerhalb einer darin befindlichen ringförmigen Nut 28 zu winden.
Auf der Seite der äußeren Seitenfläche 13 des Außenrings 5 sind die Arme 33 vorzugsweise mit Flügeln oder doppelseitigen Klebeelementen 47 versehen, die genau die gleiche Querabmessung wie die ringförmige Nut 28 haben, um die Arme 33 des mehrpoligen Leiters 32, der die elektrische Schaltung 25 bildet, genau in der ringförmigen Nut 28 zentrieren zu können und folglich die Kontakte 38 radial außerhalb und oberhalb der Keramikplatten 23 genau zu positionieren.
Nachdem der Außenring 5 auf herkömmliche Weise hergestellt wurde und die Aussparungen 12 auf seiner äußeren Seitenfläche 13 mit den beiden konzentrischen Stufen 14 und 21, im Allgemeinen durch Spanabnahme, gebildet wurden, werden die Metallplatten 15, die bereits mit den piezoresistiven Keramikplatten 23 integral versehen wurden, die über ihre gesamte Länge oder zumindest den gesamten Mittelabschnitt 19 vollständig mit den Platten 15 in Kontakt und aus einem Stück verbunden sind, darin untergebracht, wobei ihre Enden 17 auf der Stufe 14 ruhen.
Dann wird ein Schweißvorgang oder -schritt, vorzugsweise mittels Laser, zwischen der gesamten Querkante jeder Ende 17 und der Stufe 14 durchgeführt, wodurch die Metallplatten 15 mechanisch mit dem Außenring 5 in jeder Aussparung 12 verbunden werden, ohne zu verursachen, dass die Platten 15 die Grundwand 22 der jeweiligen Aussparung 12 berühren.
Dann (oder parallel dazu) wird die elektrische Schaltung 25 mit dem entsprechenden T-förmigen mehrpoligen Flachleiter 32 hergestellt, der als eine Reihe von leitenden und isolierenden und schützenden Schichten vorgeformt ist, die die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Sensoren, den Temperatursensor und die beiden Verbindungselementen an der Spitze des Zweigs 41 des flexiblen Leiters oder „Flex“ aufnehmen, die den Flex mit dem Steuergerät verbinden oder über ein Kabel (das dann zum Steuergerät führt); in diesem Schritt können die Kontakte 38 durch Formen aus einem Stück mit dem Leiter 32 hergestellt oder später an ihm befestigt werden. In diesem Schritt sind die Komponenten, die an dem Flex montiert werden, acht Sensoren, ein Temperatursensor und zwei „Bordzu-Bord“-Verbindungselemente, die alle durch einen Lötvorgang in einem kontrollierten Ofen unter Verwendung einer „Pick-and-Place“-Maschine und einer thermischen „Reflow“-Behandlung (typisch für elektronische Anwendungen) auf den Flex gelötet werden, so dass schließlich jeder Y-Kontakt, der ein Paar entgegengesetzter, elektrisch voneinander isolierter Kontakte bildet, mit den jeweiligen internen Leiterdrähten/Leitungen (der Einfachheit halber nicht dargestellt) des mehrpoligen Leiters 32 verbunden ist.
Ein abschließender Vorgang des Gummiumformens der Hülle 41 stellt einen Schutz und eine Isolierung der flexiblen Schaltung 25 (wie oben beschrieben) bereit. An diesem Punkt ist die Flex/Sensoren/Schutz-Unteranordnung zur Montage auf den Außenring 5 bereit, indem die Zweige oder Arme 33 in die ringförmige Nut 28 eingeführt werden, so dass die Ende 40 der Platte 39 in dem Blindloch 29 liegt. Es ist dann möglich, mit dem Vorgang des Laserschweißens der piezoresistiven Metallsensoren an die bereits angeschlossene flexible Schaltung 25 fortzufahren, indem die gegenüberliegenden Enden 17 an die Kanten der Aussparungen 12 geschweißt werden und somit auch die gesamte Schaltung 25 an dem Ring 5 angebracht wird.
Dies ist ein sehr heikler Vorgang, und um ihn in industriellem Maßstab durchzuführen, ist es erforderlich, für die Sensoren (die durch die in den Platten 15 eingebauten Platten 23 gebildet werden), bestimmte Abmessungsparameter auszuwählen, wie unten beschrieben wird, um sie während des Laserschweißvorgangs nicht zu beschädigen.
Die flexible Schaltung 25 hat die Funktion, die Sensoren elektrisch mit einem Verbindungselement oder dem Kabel 45 und dann mit der ECU des Fahrzeugs zur Datenverarbeitung zu verbinden.
Das Gehäuse 44 kann entweder vor oder nach diesem Schritt mit dem Leiter 32 und seiner Hülle 41 verbunden werden.
An diesem Punkt ist das Detektionssystem 4 gemäß der Erfindung fertig und in den Außenring 5, einteilig mit seiner äußeren Seitenfläche 13, integriert, und ein Kalibrierungsschritt kann unmittelbar durchgeführt werden, nachdem die Radnabeneinheit 2 vollständig zusammengebaut wurde, indem die Wälzkörper 9 in den Ring 5 der Flanschnabe 6 befestigt werden, so dass nach diesem Kalibrierungsschritt die mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit 2 gemäß der Erfindung eine vollständig steckbare mit einem Sensor ausgestattete Einheit darstellt, die keine Kalibrierung durch den Fahrzeugmonteur mehr erfordert.
Aus dem bisher Beschriebenen wird deutlich, dass sich die Erfindung daher auch auf ein Verfahren für die Detektion von Belastungen an Rädern bezieht, das die Schritte des Platzierens einer festen Anzahl von Lastsensoren 23 an der äußeren Seitenfläche 13 eines Außenrings 5 einer Radnabeneinheit 2, des Sammelns erster elektrischer Signale S1, die den Lastsensoren 23 zugeordnet sind, in Echtzeit und des Verarbeitens der ersten elektrischen Signale S1, beispielsweise durch die Platine 30, umfasst.
Jedoch bestehen, in einer unterschiedlichen Weise zu der von ähnlichen Verfahren im Stand der Technik, die Lastsensoren jedoch aus den Platten 23 aus piezoresistivem keramischen Material, die mit den jeweiligen Metallplatten 15 einstückig sind, in Längsrichtung in Bezug auf diese und umfänglich in Bezug auf den Außenring 5. Des Weiteren sind nur die gegenüberliegenden Enden 17 der Metallplatten 15 mit dem Außenring 5 verschweißt, wobei die Schweißung in einer axialen Richtung in Bezug auf den Ring 5 selbst ausgerichtet ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst daher den Schritt des Positionierens der Keramikplatten 23 auf den Metallplatten 15 und Unterbringen der Metallplatten 15 in den jeweiligen konkaven Aussparungen 12, Anschweißen von ihnen an denselben an den gegenüberliegenden Enden, wobei die Aussparungen 12 zuvor in der äußeren Seitenfläche 13 des Außenrings 5 in Bezug auf die jeweiligen Laufringe 10 für die Wälzkörper 9 gebildet wurden.
Diese Schritte werden gemäß der Erfindung so durchgeführt, dass es einen vorbestimmten Spalt zwischen jeder Metallplatte 15, und insbesondere zwischen dem schmalem Mittelabschnitt 19 davon, und einer Grundwand 22 jeder Aussparung 12 gibt.
Die folgenden Schritte werden dann unter Verwendung der elektrischen Schaltung 25 und der geeignet programmierten Platine 30 durchgeführt.
Zunächst, und unter Bezugnahme auf 9, wird in der Platine 30 ein erster Schritt 50 (in 9 als Block dargestellt) durchgeführt, in dem alle ersten elektrischen Signale S1, die sich auf denselben Laufring 10 beziehen, in vergleichender Weise und in Echtzeit analysiert werden.
Diese Analyse wird sowohl für die Amplitude als auch für die Frequenz durchgeführt, da die elektrischen Signale S1 pseudo-sinusförmig sind; tatsächlich zeigen die Signale S1 starke Schwankungen sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude im Betrieb aufgrund von Schwankungen der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. der verschiedenen Manöver, die das Fahrzeug durchführt, in Betrieb sind.
Wenn die Wälzkörper 9 bei der Drehung der Flanschnabe 6 (die mit einem Fahrzeugrad verbunden ist) über die Aussparungen 12 laufen, setzen sie die Keramikplatten 23 unter Spannung; die Platten 23, die sich theoretisch wegen des erwähnten Spalts nicht mitbiegen sollten, biegen sich in Wirklichkeit trotzdem wegen der unvermeidlichen Asymmetrie der Schweißzonen in Bezug auf die Nulllinie jeder Platte 15. Da es für sie jedoch aufgrund dieser Biegung unmöglich ist, den Außenring 5 zu berühren, insbesondere wegen des erwähnten Spalts, werden unkontrollierbare Berührungs-/Nichtberührungssituationen mit daraus resultierenden unerwünschten Spannungsspitzen, die die Verwendung des Systems unmöglich machen würden, verhindert.
Da die Keramikplatten 23 aus einem piezoresistiven Material bestehen, ändern sie ihren elektrischen Widerstand proportional zu der an sie angelegten Spannung, einer Spannung, die aufgrund der beschriebenen Anordnung der Platten 23 umfänglich, das heißt, genau in der Richtung, in der sich die Laufringe 10 erstrecken, ausgerichtet ist.
Die elektrischen Signale S1 haben daher ein pseudo-sinusförmiges Muster (das heißt ein im Wesentlichen sinusförmiges Muster, aber mit unregelmäßiger Amplitude) mit einer Frequenz, die proportional zu der Anzahl der Wälzkörper 9 und der Drehgeschwindigkeit der Flanschnabe 6 ist, und mit einer Intensität, das heißt einer Signalamplitude, die von der Stärke und der Richtung der angelegten Spannung abhängt/proportional dazu ist. Insbesondere wird das Signal S1 positiv für Spannungen sein, die an die jeweilige Platte 23 angelegt werden, die größer sind als die Vorspannung, der die Radnabeneinheit 2 im Betrieb ausgesetzt ist, und es wird negativ sein, wenn die an die Platten 23 angelegte Spannung in einer Richtung und von einer Stärke ist, die diese von der Vorspannung entspannt.
Das Signal S1 ändert sich daher von negativen zu positiven Werten, wenn eine zunehmende mechanische Belastung an die Platten 23 angelegt wird.
Die Metallplatten 15 stellen auch eine sichere und wirksame Verankerung der Platten 23 auf der äußeren Seitenfläche 13 bereit.
Der schmale Mittelabschnitt 19 verstärkt die elektrischen Signale S1, die jedem Lastsensor 23 zugeordnet sind.
Im ersten Schritt 50 werden daher ein Frequenzwert F1 für einen der Laufringe 10 und F2 für den anderen Laufring 10, gleich der Frequenz der ersten Signale S1 mit der maximalen Amplitude, bestimmt und es werden so viele Amplitudenwerte A1-An bestimmt, wie es Sensoren 23 gibt, die jedem Laufring 10 zugeordnet sind. Nach der Bestimmung einer gemeinsamen Frequenz für die Signale S1 in Bezug auf die Sensoren, die die Platten 23 (und die relativen Platten 15) umfassen, die zu demselben Laufring 10 führen, wird die maximale Amplitude jedes Signals S1, das durch jeden Sensor erzeugt wird, berechnet.
Da es in dem Fall des dargestellten Beispiels vier Aussparungen 12 gibt, in denen jeweils zwei Sensoren untergebracht sind, die aus einer piezoresistiven Platte 23 bestehen, die auf einer Metallplatte 15 verankert ist, wird an dem Ausgang von Schritt 50 für jeden der beiden Laufringe 10 ein Frequenzwert F1 oder F2 und vier Amplitudenwerte A1-A4 erhalten, das heißt insgesamt zehn Werte.
Gleichzeitig und vorzugsweise wird ein zweiter Schritt durchgeführt, in dem die Umfangstemperatur des Außenrings 5 mittels des Temperatursensors 27 nahe oder neben der zylindrischen äußeren Seitenfläche 13 zwischen den beiden Laufringen 10 detektiert wird.
Anschließend wird vorzugsweise ein dritter Schritt 51 (in 9 durch einen Block dargestellt) durchgeführt, in dem die zuvor ermittelten Amplitudenwerte A1-A4, die jedem Sensor 23 jedes Laufrings 10 zugeordnet sind, gemäß einer Extrapolationsfunktion korrigiert werden, die zuvor empirisch ermittelt wurde, indem dieselbe mechanische Belastung auf den Außenring 5 bei einer Vielzahl unterschiedlicher Temperaturen ausgeübt und die jedem Sensor 23 zugeordneten maximalen Amplitudenwerte für jede Temperatur bestimmt werden.
Obwohl die Veränderung des elektrischen Widerstands in einem piezoresistiven Material auch eine Funktion der Temperatur ist, hängt die spürbarste Veränderung in den Signalen S1, für dieselbe angelegte mechanische Spannung, tatsächlich von der Veränderung der Vorspannung auf die Elemente der Radnabeneinheit 2 ab, die durch eine Temperaturveränderung verursacht wird, die eine unterschiedliche Wärmeausdehnung hervorruft, die in diesem Fall auf die Art, mit der das Lager an dem Federbein 3 befestigt ist, zurückzuführen ist.
Die im dritten Schritt 51 verwendete Extrapolationsfunktion, die aus einem Algorithmus oder einer Interpolationskarte bestehen kann, wird in dem oben erwähnten Kalibrierungsschritt bestimmt, der nach Fertigstellung jeder mit einem Sensor ausgestatteten Radnabeneinheit 2 durchzuführen ist.
Aus dem dritten Schritt 51 werden für jeden Laufring 10 korrigierte Amplitudenwerte D1-Dn, im dargestellten Beispiel vier plus vier Werte, das heißt insgesamt acht Amplitudenwerte D1-D8, erhalten, die zwei Frequenzwerten F1, F2, wie sie zuvor verarbeitet wurden, zugeordnet sind, für eine Gesamtheit von 10 Signalwerten.
In einem vierten und letzten Schritt 52 (in 9 durch einen Block angedeutet) werden die temperaturkorrigierten Amplitudenwerte D1-D8 und die zuvor ermittelten Frequenzwerte F1, F2 für beide Laufringe 10 verarbeitet, um die auf den Außenring 5 angelegten Kräfte und Momente in Echtzeit zu berechnen, wobei sie mittels einer Kalibrierungsfunktion oder -karte extrapoliert werden.
Diese Kalibrierungskarte wird zuvor empirisch ermittelt worden sein, indem eine Vielzahl erster Kombinationen bekannter Kräfte und Momente auf den Außenring 5 aufgebracht und jeder ersten Kombination eine zweite Kombination maximaler Amplituden- und Frequenzwerte zugeordnet wurde, die mittels der vorangegangenen Schritte ermittelt wurden. Diese Kalibrierungskarte wird auch während des Kalibrierungsschritts erhalten, dem jede Radnabeneinheit 2 unterzogen wird, sobald sie fertiggestellt ist.
Im Wesentlichen werden im Kalibrierungsschritt, nachdem die Beziehung zwischen der Temperaturschwankung und dem Wert, der als korrekter Wert der Signalamplitude für jeden Sensor 23 anzunehmen ist, bestimmt wurde, verschiedene Sätze von Kräften und Drehmomenten mit bekanntem Modul und bekannter Richtung auf den Außenring 5 aufgebracht, und die Kartenpunkte, die die Amplituden und Frequenzen mit den aufgebrachten Lasten in Beziehung setzen, werden unter Verwendung von nichtlinearer Regression für verschiedene Drehzahlen der Flanschnabe 6 bestimmt; z. B. werden für eine Kraft von 20 kN, eine Frequenz von 20 Hz und Amplitudenwerte von 10, 8, 3 und 1 an einem Laufring 10 ermittelt. Es kann also angenommen werden, dass, wenn im Betrieb die Platine 30 diese Frequenz- und Amplitudenwerte verarbeitet, eine Kraft von 20 kN auf den Außenring 5 ausgeübt wird.
Durch das fortgesetzte Aufbringen mehrerer bekannter Sätze von Kräften und/oder Drehmomenten werden mehrere Kartenpunkte, die bestimmte zugehörige Frequenz- und Signalamplitudenwerte haben, erhalten. Durch Interpolation zwischen diesen Kartenpunkten ist es daher im Betrieb möglich, alle auf den Außenring 5 ausgeübten Kräfte und Momente jederzeit in Echtzeit zu bestimmen.
Auf der Grundlage der obigen Ausführungen ist klar, dass der zweite und der dritte Schritt entfallen können und es möglich ist, direkt vom ersten zum vierten Schritt überzugehen, indem auf die Berechnung der korrekten Amplitudenwerte verzichtet wird und die im ersten Schritt A1-An ausgewählten Werte im vierten Schritt verwendet werden.
Umgekehrt werden abhängig von der bevorzugten Ausführungsform auch die oben beschriebenen zweiten und dritten Schritte durchgeführt.
In diesem Fall werden die Amplitudenwerte (Al-An), die jedem Sensor zugeordnet sind und zuvor in Schritt a) bestimmt wurden, unter Verwendung von zwei Korrekturfunktionen korrigiert: eine empirisch berechnete thermische Korrektur in Abhängigkeit von der im zweiten Schritt detektierten Temperatur und eine Korrektur der zuvor für jeden Laufring berechneten Frequenz, um die korrigierten Amplitudenwerte D1-Dn zu bestimmen; anschließend wird der vierte Schritt durchgeführt, wobei jedoch die korrigierten Amplitudenwerte D1-Dn verarbeitet werden, um die auf den Außenring 5 ausgeübten Kräfte und Momente in Echtzeit zu berechnen, wobei sie unter Verwendung einer zuvor empirisch bestimmten Karte durch eine nichtlineare Regressionsfunktion extrapoliert werden.
Auf diese Weise können im Normalbetrieb der Radnabeneinheit 2 die Längs-, Quer- und Vertikalkräfte, die auf den Außenring 5 ausgeübt werden, wenn er läuft, sowie das Rückstelldrehmoment oder -moment mit einer geeigneten Anzahl von vorhandenen Aussparungen 12 bestimmt werden.
Diese Informationen, das heißt die in Schritt 52 berechneten Werte der auf den Außenring 5 wirkenden Kräfte und Momente, werden dann über das Kabel 45 in Echtzeit an das Fahrzeugsteuergerät weitergeleitet, und das Gerät kann sie zur Verbesserung von Funktionen wie ABS, ESP, ECU, Fahrzeugdynamik, Motorsteuerung, Aufhängungssteuerung usw. verwenden.
Damit sind alle Ziele der Erfindung erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6619102 B2 [0003]
US 6658943 B2 [0004]

Claims

Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit (2), die ein System (4) zum Detektieren mechanischer Belastung umfasst und ein Wälzlager (34) umfasst, das radial durch eine Außenfläche (13) begrenzt ist und radial innen mit zumindest einem ringförmigen Laufring (10) für Wälzkörper (9) versehen ist; in dem das Detektionssystem (4) mehrere Zonen elastischer Verformung umfasst, die durch jeweilige winklig beabstandete Längsaussparungen (12) definiert sind, die axial an der Außenfläche (13) des Außenrings (5) gebildet sind, wobei sich jede Aussparung über eine Umfangslänge des ringförmigen Laufrings (10) erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem (4) zusätzlich umfasst: - eine erste ringförmige Stufe (14), die peripher innerhalb jeder Aussparung (12) entlang des gesamten Umfangs (P) derselben und in einer Position unmittelbar angrenzend an den Umfang (P) gebildet ist; - zumindest eine Metallplatte (15), die quer in jeder Aussparung angeordnet ist, in einer Umfangsrichtung zu dem ringförmigen Laufring ausgerichtet, wobei umfänglich gegenüberliegende Enden (17) der Metallplatte an gegenüberliegende laterale Seiten (18) der ersten Stufe (14) geschweißt sind; - einen Ausnehmung (20), die mittig in jeder Aussparung (12) gebildet und umfänglich durch die erste ringförmige Stufe (14) begrenzt ist, um eine zweite Stufe (21) innerhalb der ersten Stufe zu bilden, die eine Grundwand (22) der Aussparung begrenzt, wobei die Metallplatte (15) die Ausnehmung (20) so überspannt, dass sie von der Grundwand (22) der Aussparung beabstandet ist und diese niemals berührt; - einen Sensor, der aus einer Platte (23) aus piezoresistivem Keramikmaterial besteht, die einstückig mit der Metallplatte (15) hergestellt ist, die die Ausnehmung überspannt; und - eine elektrische Schaltung (25), die mit gegenüberliegenden Enden der Keramikplatte (23) verbunden ist, die den Umfangsenden (17) der Metallplatte (15) zugewandt sind, um ein elektrisches Signal (S1) relativ zu jedem Sensor zu sammeln.
Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (5) ein Paar von Laufringen (10) für die Wälzkörper hat, die axial hintereinander angeordnet sind; wobei jede Aussparung (12) ein Paar von Metallplatten (15) und zugehörige Keramikplatten (23) in sich aufnimmt, die parallel zueinander und umfänglich in Bezug auf das Paar von Laufringen (10) angeordnet sind.
Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeden Sensor bildende Keramikplatte (23) durch eine erste Fläche (26) der jeweiligen Metallplatte (15) gegenüber der äußeren Seitenfläche (13) des Außenrings getragen wird, wobei die Keramikplatte (23) so hergestellt ist, dass sie vollständig und immer in Kontakt mit der ersten Fläche (26) ist, vollständig aus einem Stück mit derselben.
Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeden Sensor bildende Keramikplatte (23) direkt auf die erste Fläche (26) der jeweiligen Metallplatte (15) gedruckt ist.
Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aussparung (12) eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einem abgerundeten Umfangsprofil hat und durch eine gebördelte/abgerundete Umfangskante (24) unmittelbar angrenzend an die erster Stufe (14) begrenzt ist.
Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aussparung (12) in der Draufsicht S-förmig ist mit einer abgerundeten Umfangskante (24) unmittelbar angrenzend an die erste Stufe (14), so dass das Paar von Metallplatten (15) und die jeweiligen Keramikplatten (23), die in jeder Aussparung vorhanden sind, winklig zueinander versetzt sind.
Mit einem Sensor ausgestattete Radnabeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (5) vier Aussparungen (12) hat, die in gleichen oder unterschiedlichen Winkeln beabstandet sind.
System (4) zur Echtzeit-Detektion der Kräfte und Momente, die auf eine Radnabeneinheit (2) ausgeübt werden, die einen Außenring (5) umfasst, der radial auf der Innenseite mit einem Paar von ringförmigen Laufringen (10) für Wälzkörper versehen ist; dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: - mehrere Längsaussparungen (12), die axial in einer äußeren Seitenfläche (13) des Außenrings (5) gebildet sind, winklig voneinander beabstandet sind, wobei sich jede Aussparung sowohl axial als auch in einer Umfangsrichtung über die beiden ringförmigen Laufringe (10) erstreckt, wobei die Aussparungen dazu ausgebildet sind, Zonen lokaler elastischer Verformung in dem Außenring zu definieren; - eine erste Stufe (14), die in der Draufsicht ringförmig ist, die peripher in jeder Aussparung entlang des gesamten Umfangs derselben gebildet ist; - ein Paar von Metallplatten (15), die quer in jeder Aussparung angeordnet sind, wobei jede umfänglich mit einem jeweiligen ringförmigen Laufring (10) ausgerichtet ist, wobei umfänglich gegenüberliegende Enden (17) der Metallplatten (15) an gegenüberliegende laterale Seiten (18) der ersten Stufe geschweißt sind; - eine Ausnehmung (20), die mittig in jeder Aussparung (12) ausgebildet und umfänglich durch die erste ringförmige Stufe (14) begrenzt ist, um eine zweite Stufe (21) innerhalb der ersten Stufe zu bilden, die eine Grundwand (22) der Aussparung begrenzt, wobei die Metallplatten (15) die jeweilige Ausnehmung (20) so überspannen, dass sie von der Grundwand (22) der Aussparung beabstandet sind und diese niemals berühren; - mehrere jeweilige Sensoren, die aus Platten (23) aus piezoresistivem keramischen Material bestehen, die einstückig mit den Metallplatten (15) auf einer ersten Fläche (26) davon gegenüber der radial äußeren Seitenfläche des Außenrings hergestellt sind; - einen Temperatursensor (27); - eine elektrische Schaltung (25), die an symmetrisch gegenüberliegenden Positionen in der Umfangsrichtung mit gegenüberliegenden Enden jeder Keramikplatte (23) verbunden ist, um mehrere erste elektrische Signale (S1) zu sammeln, die sich jeweils auf einen jeweiligen Sensor beziehen, wobei die elektrische Schaltung auch mit dem Temperatursensor (27) verbunden ist, um ein zweites elektrisches Signal (S2) zu sammeln, das von diesem abgegeben wird; und - eine Platine (30), die mit einem Ende (31) der elektrischen Schaltung verbunden ist, um gleichzeitig die ersten Signale (S1), die sich auf jeden Sensor (23) beziehen, und das zweite Signal (S2), das sich auf den Temperatursensor (27) bezieht, parallel zu verarbeiten.
Detektionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (25) aus einem flachen, T-förmigen, mehrpoligen Leiter (32) besteht, der zwei gegenüberliegende, zueinander ausgerichtete erste Arme (33), einen Mittelabschnitt (36), der die ersten Arme miteinander verbindet, die auf gegenüberliegenden Seiten von dem Mittelabschnitt auskragen, und einen dritten Arm (37) umfasst, der aus dem Mittelabschnitt senkrecht zu den ersten Armen auskragt; wobei die ersten Arme (33) seitlich jeweils auskragende gegenüberliegende Paare von Kontakten (38) tragen, wobei jedes Paar von Kontakten elektrisch und mechanisch mit den gegenüberliegenden Enden einer jeweiligen Keramikplatte (23) verbunden ist.
Detektionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (36) eine Metallplatte (39) angrenzend an den Temperatursensor (27) umfasst, die dazu ausgebildet ist, in einem Blindloch (29) auf dem Außenring (5) verankert zu werden, um den Temperatursensor (27) darin aufzunehmen; und dass der dritte Arm (37) über dem Mittelabschnitt mit einer integralen Schutzhülle (41) eines abdichtenden Querelements (42) versehen ist, das einen Teil der Metallplatte (39) enthält und dazu ausgebildet ist, im Betrieb zwischen die äußere Seitenfläche (13) des Außenrings und ein mit der Radnabeneinheit (2) gekoppeltes Federbein oder Gelenk (3) zu passen; wobei die Schutzhülle (41) den dritten Arm mechanisch mit einem Gehäuse (44) verbindet, in dem eine Ableitung untergebracht ist, um die elektrische Schaltung (25) mit einem Kabel (45) zu verbinden, das mit einer Fahrzeugsteuereinheit (ECU) oder mit einer in dem Gehäuse (44) untergebrachten Platine (30) verbunden werden kann.
Detektionssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Arme (33) dazu ausgebildet sind, die Außenfläche (13) des Außenrings innerhalb einer darin befindlichen ringförmige Nut (28) ringförmig zu umschlingen, und auf der Seite der äußeren Seitenfläche (13) des Außenrings vorzugsweise mit Flügeln und/oder doppelseitigen Klebeelementen versehen sind, die exakt dieselbe Querabmessung wie die ringförmige Nut (28) haben.
Verfahren für die Detektion von Belastungen an Rädern, umfassend die Schritte des Anbringens einer festen Anzahl von Lastsensoren an einer äußeren Seitenfläche (13) eines Außenrings (5) einer Radnabeneinheit (2), des Sammelns erster elektrischer Signale, die den Lastsensoren zugeordnet sind, in Echtzeit und des Verarbeitens der ersten elektrischen Signale; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestückens von Lastsensoren das vorherige Ausbilden mehrerer konkaver Aussparungen (12) auf der äußeren Seitenfläche (13) des Außenrings über jeweiligen Wälzlaufringen (10) für Wälzelemente (9), das Ausbilden von Platten (23) aus piezoresistivem keramischen Material aus einem Stück mit den jeweiligen Metallplatten (15) und das Unterbringen der Metallplatten (15) innerhalb der jeweiligen Aussparungen (12) erfordert, die innerhalb derselben und in einer solchen Weise geschweißt sind, dass es einen vorbestimmten Spalt zwischen den Metallplatten (15) und einer Grundwand (22) jeder Aussparung (12) gibt; und dass das Verfahren auch die Schritte umfasst: a) Analysieren der Amplitude und der Frequenz der ersten elektrischen Signale (S1), die sich auf denselben Laufring beziehen, in vergleichender Weise und in Echtzeit, um einen Frequenzwert (F1, F2) gleich der Frequenz der ersten Signale, der eine maximale Amplitude hat, und so viele Amplitudenwerte (A1-An) zu bestimmen, wie es Sensoren gibt, die diesem Laufring zugeordnet sind; b) Verarbeiten der somit ermittelten maximalen Amplitudenwerte (A1-An) und Frequenzwerte (F1, F2), um die auf den Außenring (5) ausgeübten Kräfte und Momente in Echtzeit zu berechnen, indem sie mittels einer zuvor empirisch bestimmten Kalibrierungskarte durch eine nichtlineare Regressionsfunktion extrapoliert werden.
Verfahren für die Detektion von Belastungen an Rädern nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es auch die Schritte umfasst: c) Detektieren der Temperatur des Außenrings (5) an seiner äußeren Umfangsfläche (13) zwischen den Laufringen (10) mittels eines Temperatursensors (27); d) Korrigieren der Amplitudenwerte (Al-An), die zuvor in Schritt a) bestimmt wurden und jedem Sensor zugeordnet sind, mittels zweier Korrekturfunktionen, einer empirisch berechneten thermischen Korrektur in Abhängigkeit von der in Schritt c) detektierten Temperatur und einer Korrektur in Bezug auf die zuvor berechnete Frequenz für jeden Laufring, um korrekte Amplitudenwerte (Dl-Dn) zu bestimmen; e) Verarbeiten der korrekten Amplitudenwerte (Dl-Dn) in Schritt b), um die auf den Außenring (5) ausgeübten Kräfte und Momente in Echtzeit zu berechnen, indem sie mittels einer zuvor empirisch bestimmten Karte über eine nichtlineare Regressionsfunktion extrapoliert werden.