JP7178510B2 - ホイールにおける緩んだホイールねじ止めを認識する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両のホイールにおける緩んだホイールねじ止めを認識する方法および装置に関する。

車両のホイールのリムは、ホイールねじまたはホイールナットからなるホイールねじ止めを介してホイールのハブ、あるいはブレーキディスクまたはブレーキドラムと結合されている。リムは、ホイールねじ止めの締付力によってハブに押し付けられる。トルク工具によりホイールねじ止めを締めることによって、締付力を許容範囲内で調整することができる。

ホイールねじ止めは緩み得る。ホイールねじ止めが緩んで、リムとハブとを面状に接触した状態に保つための締付力が小さくなりすぎた場合に震動（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎ）が発生し得る。この震動は、ハブにおける速度センサの速度信号に反映され得る。

例えば、速度信号の周波数スペクトルを評価することによって震動を認識することができ、かつ緩んだホイールねじ止めを推論することができる。

特許文献１は、車両のセンサユニットを記載する。

独国特許出願公開第１０２０１３２１１６９７号明細書

上記を背景として、本明細書中に提示される手法を用いて、独立請求項に記載の車両のホイールにおける緩んだホイールねじ止めを認識する方法、対応する装置、さらには対応するコンピュータプログラム製品、および機械可読記憶媒体が提示される。本明細書中に提示される手法の有利な発展形態および改良形態は、以下の記載から明らかになるとともに、従属請求項に記載されている。

本発明の実施形態は、有利にも速度信号の評価を改善すること、および緩んだホイールねじ止めをより確実に認識することを可能にすることができる。

ホイールのハブの角速度が評価され、角速度のホイール周期的な変調が検知され、緩んだホイールねじ止めにもとづいて引き起こされたホイールの振動が、変調の位相角の変化を使用して認識されることを特徴とする、車両のホイールにおける緩んだホイールねじ止めを認識する方法が提示される。

本発明の実施形態に係る思想は、とりわけ以下に記載される着想および知見にもとづくものとみなすことができる。

ホイールのホイールねじ止めとは、ホイールのリムと、ホイールのハブ、あるいはハブと機械的に結合されたホイールのブレーキディスクまたはブレーキドラムとの間の解除可能な機械的結合と解することができる。ホイールねじ止めは、ねじ手段を使用して取付点において行うことができる。例えば、ねじ手段は、ハブ、ブレーキディスク、またはブレーキドラムのねじ孔に螺入されるホイールねじであり得る。これに代えて、ねじ手段は、ハブ、ブレーキディスク、またはブレーキドラムのねじ孔に螺嵌されるホイールナットであり得る。ホイールねじ止めは、ホイールごとに車両に応じた数の取付点を有し得る。

ハブの角速度もしくは回転速度は高分解能で検出され得る。例えば、ハブにおけるエンコーダ（Ｇｅｂｅｒ）の角度位置をメガヘルツ範囲で分解して走査することができる。角度位置は、定置のセンサポジションでハブとともに回転する磁気エンコーダホイールの磁気パルス間の時間差の形式で検出され得る。時間差を、例えば４ＭＨｚで分解して走査することができる。

ホイールねじ止めが緩んだ場合、リムがハブに相対して傾き得る。それによってリムは、これに取り付けられたタイヤとともに、予定された回転軸を中心として回転しなくなる。ホイールの振動（Ｏｓｚｉｌｌａｔｉｏｎ）が生じる。換言すると、リムおよびタイヤが「よろつく（ｅｉｅｒｎ）」またはふらつく（ｔａｕｍｅｌｎ）。振動は、緩んだねじ手段を介してハブに伝達される。ハブがその予定された回転軸を中心として引き続き回転するので、結果としてハブの角速度の変調が生じる。変調の位相角は、ハブに対するリムの傾きの空間相対位置に依存し得る。相対位置の変化によって、位相角の特徴的な変化が生じ、この変化を認識することができる。

角速度のホイール周期的な変調は、ホイールもしくはハブの回転中の瞬時角速度の不均一であり得る。瞬時角速度は、理想化された均一な回転運動より、回転の少なくともある部分領域では先を行き、少なくとも別の部分領域では後を行き得る。

リムは、ハブに対する特定の相対位置により頻繁にとどまり、中間ポジションを取ることははるかに少ないか、もしくは比較的まれであり得る。ホイールねじ止めのすべてのねじ手段が等しく緩んだ場合、相対位置のうちの１つが、ねじ手段のうちの１つにおける当接点と、それとは反対の位置にある、リムとハブとの間の当接面とを通る傾動軸により規定され得る。例えば、６つの取付点を有するホイールは、６つの好ましい傾動軸を有し得る。取付点が５つの場合、ホイールは５つの傾動軸を有し得る。これらの傾動軸は互いに固定角度で方向付けられている。

１つまたは複数のねじ手段が欠けるか、もしくは他のねじ手段よりも大きく突き出す場合、大きく突き出すねじ手段に当接点が形成され得ない。その場合、リムは、それぞれ隣接する、突き出しが少ないねじ手段と、向かい側に位置する当接面とに当接し、わずかな傾動運動しか行わない。

ハブと車両との間の絶対角度位置は、通常、未知であるので、位相角が少なくとも１つの予想される角度ステップだけ頻繁に変化する場合、緩んだホイールねじ止めを認識することができる。角度ステップは、設計にもとづく傾動軸間の角度に相当し得る。

ハブと車両との間の絶対角度位置が既知である場合、位相角が少なくとも２つの予想される角度位置間で頻繁に変動する場合に、緩んだホイールねじ止めを認識することができる。予想される角度位置も設計にもとづく傾動軸間の角度に依存し得る。

操舵運動、制動過程、加速過程、および／または道路励振時に頻繁に変化が起きる場合、緩んだホイールねじ止めを認識することができる。操舵運動、制動過程、および加速過程ではホイールに付加的な力が作用し、この力は、ホイールが空転する場合には作用しない。この付加的な力によって、リムがある傾動軸から別の傾動軸へ移り得る。リムは、複数の隣接する傾動軸にも移り得る。

角速度は、ホイールの回転数センサの回転数信号を使用して評価され得る。変調は、ハブと結合された回転数センサのエンコーダディスクの回転数信号に反映されるパルスを使用して検知され得る。エンコーダディスクは、等角度間隔のマーキング要素を有することができ、これらのマーキング要素を回転数センサによって、例えば磁気的に、例えばホールセンサにより、または光学的に、例えば光センサにより検出することができる。マーキング要素を検出する場合、マーキング要素が回転数センサに対して特定の相対位置に配置されている場合に、回転数センサにおいて電気パルスがトリガされ得る。同様に、回転数センサに対する少なくとも１つのマーキング要素の相対位置を反映する正弦波状の信号が生成され得る。マーキング要素は円軌道に沿って等間隔で配置することができる。円軌道は、ハブの回転軸に対して同心的に方向付けられ得る。

エンコーダディスクのホイール周期的なピッチエラー（Ｔｅｉｌｕｎｇｓｆｅｈｌｅｒ）を補償することができる。ピッチエラーは、例えば製造公差によって生じ得る。その場合、マーキング要素は、互いにわずかに異なる間隔で円軌道上に配置され得る。これに代えて、またはこれに加えて、エンコーダディスクを回転軸に対して完全に規定通りには方向付けないことができる。それによって、エンコーダディスクが絶対的に均一に回転した場合にも、実際に存在しない角周波数の変調を表示することができる。しかしピッチエラーは、ハブに対して角度固定的であり、かつ認識および補償することができる。

さらに変調の周波数が予想周波数に相当する場合に、緩んだホイールねじ止めを認識することができる。予想周波数はホイールの回転数を使用して決定され得る。ホイールの振動はホイールの回転によって励振される。ホイールの回転数が既知であることから、それに伴い振動の励振周波数も既知である。振動は、ホイールねじ止めを介して角速度の変調として反映される。少なくとも１つの予想される変調の予想周波数は、回転数に依存した励振周波数によって決まり得る。

方法は、例えばソフトウェアまたはハードウェアで、あるいはソフトウェアとハードウェアの混合形式で、例えば制御装置において実装され得る。

本明細書中に提示される手法は、さらに、本明細書中に提示される方法の変形形態のステップを対応する装置で実行する、制御する、もしくは実現するように形成されている装置を提供する。

装置は、信号またはデータを処理するための少なくとも１つの計算ユニットと、信号またはデータを記憶するための少なくとも１つの記憶ユニットと、通信プロトコルに埋め込まれたデータを読み取る、および出力するための少なくとも１つのインターフェースおよび／または通信インターフェースと、を有する電気機器であり得る。計算ユニットは、センサ信号を処理する、およびセンサ信号に依存してデータ信号を出力する例えば信号プロセッサ、いわゆるシステムＡＳＩＣまたはマイクロコントローラであり得る。記憶ユニットは、例えばフラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、または磁気記憶ユニットであり得る。インターフェースは、センサからセンサ信号を読み取るセンサインターフェースとして、ならびに／あるいはデータ信号および／または制御信号をアクチュエータに出力するためのアクチュエータインターフェースとして形成され得る。通信インターフェースは、データをワイヤレスおよび／または有線で読み取る、または出力するように形成され得る。インターフェースは、例えばマイクロコントローラにおいて他のソフトウェアモジュールと並んで設けられるソフトウェアモジュールであってもよい。

プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品またはコンピュータプログラムも有利であり、プログラムコードは、例えば半導体記憶装置、ハードディスク記憶装置、または光学記憶装置などの機械可読キャリアまたは記憶媒体に記憶され得、かつ特にコンピュータまたは装置でプログラム製品またはプログラムが実行される場合に、上記の実施形態の１つによる方法のステップを実行する、実現する、および／または制御するために使用される。

留意すべき点は、本明細書中には異なった実施形態に関して本発明の可能な特徴および利点のいくつかが記載されているということである。当業者は、本発明の他の実施形態に到達するために、装置および方法の特徴が適切に組み合わせられ、適合され、または交換され得ることを認識する。

一実施例による装置を有する車両のホイールの図である。 一実施例による装置を有する車両の振動するホイールの図である。 緩んだホイールねじ止め、およびいくつかの傾動軸を有する車両のホイールの図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明するが、図面も以下の記載も本発明を限定するものと解釈されるべきでない。

図は単なる模式図であり、縮尺どおりではない。図中の同じ、または同じ機能の特徴には同じ参照符号が付されている。

図１は、一実施例による装置１０２を有する車両のホイール１００の図を示す。装置１０２は、ホイール１００の緩んだホイールねじ止め１０４を認識するように形成されている。ホイール１００は、リム１０６と、リム１０６に組み付けられたタイヤ１０８とを有する。リム１０６は、ホイールねじ止め１０４を介して車両のハブ１１０と結合されている。

ここでは、ホイールねじ止め１０４がホイールねじを有し、ホイールねじはリム１０６の貫通穴に差し込まれ、ハブ１１０のねじ孔にねじ込まれている。ホイールねじ止め１０４が、ここに示されるように固く締められている場合、リム１０６はハブ１１０の当接面に押し付けられ、それによってハブ１１０と相対回動不能に結合される。

エンコーダディスク１１２がハブ１１０と相対回動不能に結合されている。エンコーダディスク１１２は、車両の回転数センサ１１４によって非接触で走査される。回転数センサ１１４が例えば磁気的に形成されている場合、エンコーダディスク１１２は、エンコーダディスク１１２の円周の領域に配置された交互の磁極を有し、回転数センサ１１４が例えばホールセンサを介してこれらの磁極を走査する。

その際、ホールセンサは、磁極によって生成される磁界の瞬時磁束密度を検出し、この磁束密度を電気的回転数信号１１６に反映する。例えばホールセンサが第１磁極の前に配置されている場合には磁束密度が正である。ホールセンサが第１磁極と、隣接する第２磁極との間に配置されている場合には、磁束密度はゼロクロス点を有する。第２磁極がホールセンサの前に配置されている場合には磁束密度は負である。

エンコーダディスク１１２の磁極は、既知の角度ステップで互いにずらして配置されている。その結果として、磁束密度が近似的に正弦波状になる。装置１０２において、磁束密度の周期と磁極間の既知の角度ステップとからハブ１０６の角速度を導き出すことができる。周期は、例えば磁束密度の連続する３つのゼロクロス点間、あるいは磁束密度の２つの連続する最大値もしくは最小値間で測定することができる。一般に、周期は同じ位相角を有する磁束密度のプロファイルの２点間で検出することができる。

装置１０２は、回転数信号１１６に反映された緩んだホイールねじ止め１０４の影響をもとにして緩んだホイールねじ止め１０４を認識するために回転数信号１１６を評価する。

図２は、一実施例による装置１０２を有する車両の振動するホイール１００を示す。その場合、図２の図示は実質的に図１の図示に相当する。それとは異なり、ここではホイールねじ止め１０４が緩められ、リム１０６がハブ１１０に対して傾いている。傾きによって、ハブ１１０の回転軸がホイール１００の対称軸線と一致しなくなる。ホイール１００が回転すると、その結果として、タイヤ１０８の轍が蛇行線状になり、ホイール１００が振動する、もしくはよろつく。振動２００はハブ１１０に伝達され、その結果として角速度が変調２０２する。

振動２００によって、回転の少なくとも第１部分の間にホイール１００が加速され、すなわちより高速になるのに対して、同じ回転の少なくとも第２部分の間には減速され、すなわち低速になる。それに伴い変調２０２が回転数信号１１６にも反映される。

傾き姿勢が安定していないため、ホイール１００は、振動２００に加えて傾倒姿勢で震動する。震動はハブ１１０にも伝達され、変調２０２に反映される。

装置１０２は、回転数信号１１６から変調２０２をフィルタリングする。変調２０２は、正弦波状のプロファイルを有する。変調２０２の周波数は、ホイール１００の回転周波数に比例し得る。変調２０２の周波数は、回転周波数の特に整数倍であり得る。震動は、振動２００の影響に重畳される。

図３は、緩んだホイールねじ止め１０４およびいくつかの傾動軸３００、３０２を有する車両のホイール１００を示す。その場合、ホイール１００は、実質的に図２のホイールに相当する。傾動軸３００、３０２の角度位置は、ホイールねじ止め１０４の種類によって予め定められる。その際、傾動軸３００、３０２は、それぞれホイールねじ止め１０４の取付点の１つと、その取付点とは反対の位置にあるリム１０６とハブとの接触面とを通る。それに伴い傾動軸３００、３０２がリム１０６の中心で交差する。傾動軸３００、３０２は、ホイールねじ止め１０４の種類によって定められた角度ステップを相互に有する。取付点が５つあり、それぞれのねじ手段がすべて存在する場合、互いに７２°だけ傾いて延びる５つの傾動軸３００、３０２が生じる。ねじ手段のうちの１つが欠けた場合、この傾動軸３００、３０２がなくなる。

ホイール１００がそれぞれの傾動軸３００、３０２で傾いている一方で、リム１０６は、それぞれのねじ頭部もしくはねじ手段のナットで取付点および向かい側に位置する接触面に当接する。接点が２つのみであるため、静的に定まった支承がされず、ホイール１００は、外部の機械的影響によって一方の傾動軸３００からもう一方の傾動軸３０２へ動かされ得る。それによって、ハブに相対するホイール１００の位置が変化する。傾動軸３００、３０２によって定義される角度ステップだけ位置が１つの傾動軸３００からもう１つの傾動軸３０２へ変化した場合、振動の位相角が変化する。位置が変化したのと同じ角度ステップだけ位相角が変化する。この変化がハブへ伝達され、それにより角速度の変調の位相角も同じ角度だけ変化する。

換言すると、ホイール回転数信号における位相跳躍（Ｐｈａｓｅｎｓｐｒｕｎｇ）をもとにしたホイール緩みの認識が提示される。

車両の緩むホイールを認識するために（「ホイール緩み認識」）、ホイール回転数信号を評価することができる。例えば、荷重変化状況においてホイールが緩んだ場合にホイール回転数信号に観察され得るホイールハブとリムとの相対運動を評価することができる。

これに代えて、またはこれに加えて、線スペクトルにおける振幅の増加として認識可能な、ホイール回転数のホイール周期的な変調の形式の震動を使用することができる。このために、測定された時間差の信号が速度に正規化され、エンコーダホイール歯ピッチエラーとホイールアンバランスによる影響が及ぼされたスペクトル成分とが場合によっては補償される。ホイール周期的な変調を認識するために、信号が角周波数範囲に変換される。推定される道路騒音を考慮して、線スペクトルが振幅閾値を上回る場合も同様に緩んだホイールが認識される。

本明細書中に提示される手法によって、ホイール回転数信号に観察される特徴の「緩んだホイール」状態への一義的かつロバストな割り当てを達成することができる。その場合、ホイール緩み認識は、緩んだホイールのホイール回転数信号における位相変化にもとづいて行われる。

すべてのホイールねじ／ナットが緩んでいるが、少なくとも１つのホイールねじ／ナットによってまだ保持されている緩んだホイールは、特定の走行状況におけるホイール回転数信号の発振（Ｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇ）の位相位置、および位相位置の著しい変化を評価することによって認識される。本明細書中に提示される手法は、既存の方法と比較して、緩んだホイールと、ホイール回転数信号に重畳される他の効果とのはるかに高い分離可能性（Ｔｒｅｎｎｆａｅｈｉｇｋｅｉｔ）を提供する。このことは、よりロバストでより高性能な認識につながる。

ホイール回転数センサによりホイールごとに等角度間隔で検出された磁気パルス間の時間差の信号は、まず、既知の震動効果認識と同様に処理される。殊に、測定された時間差Δｔｉには平均時間差ΔｔＭｉｔｔｅｌへの参照が行われる。平均時間差ΔｔＭｉｔｔｅｌは、殊に、ホイールの一回転に対して平均化される。次いで速度に依存しない信号において、エンコーダホイール歯ピッチエラーが補償される。続いて、例えばフーリエ変換および／またはフィルタリングによって、この信号のスペクトル振幅および位相が算出される。例えばホイールねじ／ホイールナットが５つの場合のホイール緩み認識のためには、特にスペクトル線２、３、４、５、１０が考慮される。

代替的実施例では平均時間差の参照が省略される。この場合、線スペクトルに、速度挙動および加速挙動を表す連続スペクトルが重畳される。例えば略一定の速度で走行する場合に考慮されるスペクトル振幅は、上記の実施例のスペクトル振幅とほとんど違わない。

別の実施例では、エンコーダホイール歯ピッチエラーの補償が省略される。その場合、「緩んだホイール」状態にもとづく位相変化が歯ピッチエラーの位相と比べて著しいことが暗黙的に想定される。この実施例は、参照を用いても参照を用いなくても実行することができる。

ホイール回転数信号の位相の観察と、「緩んだホイール」状態で著しい位相変化の検出とによって、ホイール緩み認識の質のはるかな向上を達成することができる。

図１において、「固定ホイール」状態におけるハブの断面図が示されている。図２において同じハブが「緩んだホイール」状態で示されている。「緩んだホイール」状態において、リムは一方のねじから他方のねじへ揺動し（ｓｃｈｗａｎｋｔ）、それに伴い、例えばホイールねじが５つの場合、特に頻繁に２・π／５＝１．２５６６ｒａｄとその整数倍の位相変化が現れる。

１．２５６６ｒａｄの位相変化が頻発する物理的根拠が図３に示されている。ホイールねじが緩んだ図示されたホイールは、まず、第１位相（ｅｒｓｔｅ Ｐｈａｓｅ）３００を有する第１軸を中心として発振する。その場合、リムは、第１ねじに持続的に当接し、周期的にねじ対２、３、４、５間を移動する。例えばホイールモーメント、横力、操舵運動、または道路のでこぼこの変化といった力の作用によって、発振軸が第１位相３００から第２位相（ｚｗｅｉｔｅ Ｐｈａｓｅ）３０２に移動する。この場合、緩んだホイールは第２ねじに常時当接し、３と４、および５と１のねじ対間で発振する。

図３に示される例は、まだホイールハブにすべて固定されている５つのホイールねじの場合の挙動を示す。この挙動は、ホイールナットの場合も、１つまたは複数のねじがすでに欠けた場合も観察される。他のねじ数でもこの効果が観察可能であり、この場合、単に位相変化が頻発する角度のみが変化し、例えばホイールねじが６つの場合、角度は２・π／６＝１．０４７２ｒａｄである。

換言すると、図３は、緩んだホイールの位相跳躍を示す。第１軸３００は、移動前の位相位置を明確にし、第２軸３０２は、１．２５６６ｒａｄの跳躍を示す。

最後に留意すべき点は、「有する」「包含する」などの用語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、単数を表す語が複数を排除するものではないということである。請求項における参照符号が限定するものとみなされるべきでない。

１００ ホイール
１０２ 装置
１０４ ホイールねじ止め
１０６ リム
１０８ タイヤ
１１０ ハブ
１１２ エンコーダディスク
１１４ 回転数センサ
１１６ 回転数信号
２００ 振動
２０２ 変調
３００ 傾動軸
３０２ 傾動軸

Claims (10)

1. 車両のホイール（１００）における緩んだホイールねじ止め（１０４）を認識する方法において、前記ホイール（１００）のハブ（１１０）の角速度が評価され、前記角速度のホイール周期的な変調（２０２）が検知され、前記緩んだホイールねじ止め（１０４）にもとづいて引き起こされた前記ホイール（１００）の振動（２００）が、前記変調（２０２）の位相角の変化を使用して認識されることを特徴とする、方法。
2. 前記位相角が少なくとも１つの予想される角度ステップだけ頻繁に変化する場合に、前記緩んだホイールねじ止め（１０４）が認識される、請求項１に記載の方法。
3. 前記位相角が少なくとも２つの予想される角度位置間で頻繁に変動する場合に、前記緩んだホイールねじ止め（１０４）が認識される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記変化が操舵運動、ブレーキ過程、加速過程、および／または道路励振時に頻繁に生じる場合に前記緩んだホイールねじ止め（１０４）が認識される、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記角速度は、前記ホイール（１００）の回転数センサ（１１４）の回転数信号（１１６）を使用して評価され、前記変調（２０２）は、前記ハブと結合された前記回転数センサ（１１４）のエンコーダディスク（１１２）の前記回転数信号（１１６）に反映されるパルスを使用して検知される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記エンコーダディスク（１１２）のホイール周期的なピッチエラーが補償される、請求項５に記載の方法。
7. さらに前記変調（２０２）の周波数が予想周波数に相当する場合に、前記緩んだホイールねじ止め（１０４）が認識され、前記予想周波数は、前記ホイール（１００）の回転数を使用して決定される、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の方法を相応の装置で実行する、実現する、および／または制御するように形成されている、装置（１０２）。
9. 請求項１～７のいずれか１項に記載の方法を実行する、実現する、および／または制御するように設定されている、コンピュータプログラム製品。
10. 請求項９に記載のコンピュータプログラム製品が記憶されている機械可読記憶媒体。

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