WO2007009422A1 - Messvorrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2007009422A1
WO2007009422A1 PCT/DE2006/001164 DE2006001164W WO2007009422A1 WO 2007009422 A1 WO2007009422 A1 WO 2007009422A1 DE 2006001164 W DE2006001164 W DE 2006001164W WO 2007009422 A1 WO2007009422 A1 WO 2007009422A1
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measuring device
angle
holder
motor vehicle
summer
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PCT/DE2006/001164
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Joachim Spratte
Michael Klank
Klaus Warnken
Alfons Noe
Günter Gödert
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • B60G2800/702—Improving accuracy of a sensor signal

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for a motor vehicle, having a holder, a joint connected to the holder, which has a joint housing and a pivot pin movably mounted therein, a component connected to the joint, which is pivotably mounted on the holder via the joint, an angle measuring device, by means of which the angle of the component relative to the holder can be detected, and an evaluation device connected to the angle measuring device. Furthermore, the invention relates to a method for determining a fatigue value characterizing the fatigue of a motor vehicle component mounted pivotably on a mount.
  • the constant action of forces and / or moments (hereinafter also referred to as forces) on highly stressed components of a motor vehicle can lead to material fatigue and after a certain time to break these components.
  • a fatigue detection system could warn the driver before breakage of suspension components occurs.
  • One possibility is the use of strain gauges.
  • the problem here, however, are the high temperature dependence of the measuring resistors, the decreasing adhesion of the adhesive as well as the encapsulation of the strain gauges against rockfall.
  • the object of the invention is to realize a measurement of fatigue or wear of a highly stressed component in a motor vehicle while avoiding strain gauges.
  • the measuring device for a motor vehicle has a holder, a joint connected to the holder, which comprises a joint housing and a pivot pin movably mounted therein, a component connected to the joint, which is pivotably mounted on the holder via the joint, an angle measuring device, by means of which the angle of the component relative to the holder can be detected, and an evaluation device connected to the angle measuring device, wherein the evaluation device comprises a connected to the angle measuring device dual differentiator (or dual differentiator), which is followed by the interposition of a calculation unit, a summer or integrator.
  • the measuring device With the measuring device according to the invention, it is possible to determine the fatigue or wear of the component with sufficient accuracy. Since the component during driving of the vehicle regularly pivots relative to the holder and the pivoting can be described by the angle between the component and the holder, a twofold differentiation of this angle over time gives a measure of the acceleration to which the component is exposed. However, this acceleration is also a measure of the force acting on the component. Since it is irrelevant to the fatigue whether the forces acting on the component increase or decrease (brake), the calculation unit preferably determines an unsigned acceleration or force value that can be redetermined continuously or at discrete time intervals unsigned acceleration or force values are added up or integrated over time.
  • the value formed by the summer or integrator is hereinafter referred to as the fatigue value and, in a degree sufficient for practical applications in a motor vehicle, characterizes the fatigue of the component. Since a certain fatigue is regularly allowed for components in a motor vehicle, the summer or integrator is followed by a threshold transmitter whose output is only activated or deactivated when the fatigue value exceeds a predetermined threshold. This threshold value depends on the component and identifies the maximum permissible fatigue for the component.
  • a load profile can be determined for the joint and / or for the component, wherein it is determined at which load the joint and / or component can perform at what frequency, such as many load changes, vibrations and / or tilting or rotating movements. From this, a limit value can be determined in which the joint and / or component is considered to be worn or worn. The threshold may then be formed based on or formed by this threshold.
  • the threshold transmitter may be connected to a vehicle controller.
  • the threshold value transmitter is followed by a signal generator which can be actuated by the latter and indicates to the driver that the threshold value has been exceeded.
  • the signal generator can, for. B. be designed as an acoustic or optical signal generator and is preferably arranged in the passenger compartment of the motor vehicle.
  • the summer or integrator may have a memory.
  • This memory can be powered by an additional battery and / or designed as a non-volatile memory that keeps the fatigue value stored even in the event of a power failure.
  • the twofold differentiator, the calculation unit and / or the summer or integrator can be designed as analog or digital modules.
  • the dual differentiator, the calculation unit and / or the summer or integrator are preferably formed by at least one digital computer or by a program running in it. This has the advantage that a computer already present in the motor vehicle can be used as an evaluation device via suitable software, so that only small additional costs are incurred.
  • the twofold differentiator, the calculation unit and / or the summer or integrator can then be implemented by means of software in a numerical way.
  • the sampling frequency of the dual differentiator is in particular greater than the sampling frequency of the summer or integrator, which is preferably in the order of about 1 Hz. In particular, however, the sampling frequency of the dual differentiator is at least two to three times greater than the sampling frequency of the summer or integrator.
  • the amounts of accelerations or forces acting on the component can be summed or integrated over time. This is sufficient for many applications, so by the calculation unit as sign-free acceleration or force value, in particular the (absolute) amount of the measured value, which is doubly differentiated according to time, is formed.
  • the calculation unit thus has an absolute value generator, which can be embodied as a full-wave rectifier, for example, or can be formed by the digital computer.
  • the function value and / or the product can be redetermined continuously or at discrete time intervals, with the function values or products determined or the values of the function values or products being added up or integrated over time.
  • the function can be realized by the calculation unit or implemented by means of this.
  • the calculation unit for this purpose has a functional unit that realizes or implements the function.
  • the calculation unit may comprise an amount generator.
  • the above-mentioned product can additionally be determined by the calculation unit, so that the calculation unit preferably has a multiplier.
  • the product is an unsigned value, so that the amount former can be omitted.
  • the component may be designed as a chassis component, which is exposed to particularly high loads in the motor vehicle.
  • the component is a suspension arm, z. B. an upper or lower wishbone. Since motor vehicle handlebars are used as connecting means between a vehicle body and a wheel carrier, the holder is preferably formed by the vehicle body or by a wheel carrier of the motor vehicle.
  • elastomeric bearings or spherical joints are used, which can form the joint.
  • a spherical joint is to be understood here an elastomer or rubber joint, which is movable in the same spatial directions, such as a ball joint.
  • the joint may have an inner part and an outer part, wherein the inner part is arranged with the interposition of an elastomeric body in the outer part.
  • the joint is a ball joint, wherein the pivot pin or ball pin is rotatably and pivotally mounted in the joint housing. This storage can be done with the interposition of a spherical shell.
  • the angle measuring device is integrated in the joint, so that it is protected by the joint housing from external influences.
  • a magnetic measuring method for the angle measuring device has proven to be particularly susceptible to interference, so that the angle measuring device preferably has a magnet and a magnetic field-sensitive sensor cooperating therewith.
  • the magnet can be arranged on or in the pivot pin and the magnetic field-sensitive sensor on or in the joint housing.
  • the angle measuring device measures the angle which the pivot pin assumes relative to the joint housing, since this angle also identifies the angle which the component occupies relative to the mount. The angle between the component and the holder is thus measured at least indirectly.
  • a motor vehicle having a vehicle body, a wheel suspension having a motor vehicle component, and at least one measuring device according to the invention, which may be developed in accordance with all the aforementioned embodiments.
  • the invention relates to a method for determining a fatigue value characterizing the fatigue of a motor vehicle component pivotally mounted on a mount, or the use of the inventive measuring device for determining a fatigue value characterizing the fatigue of the component
  • the measuring device can be developed according to all the aforementioned embodiments.
  • the term "data" is intended to indicate the preferred use of a digital computer as an evaluation device, but it is possible that the term “data” refers to one or more values that are available as analog or digital signals without the use of a computer .
  • the unsigned force data can be determined by the magnitude of the acceleration data. Additionally or alternatively, the unsigned force data can be determined on the basis of a function or characteristic, which is referred to in particular as Wöhlerkurve.
  • the function or characteristic can be determined from the load profile determined in advance.
  • the acceleration data or its magnitude or force data formed from the acceleration data or its magnitude or its magnitude may be passed to the function as a value and its function value determined.
  • the unsigned force data can then be determined based on the function values. In particular, to determine the unsigned force data, each function value is multiplied by the value which has been given to the function for determining this function value.
  • the angle measuring device between the angle measuring device and the evaluation device, between the dual differentiator and the calculation unit, between the calculation unit and the summer or integrator and / or after the summer or integrator additional modules may be connected, taking into account in particular form factors or proportionality constants.
  • the evaluation device is formed by a digital computer, these additional modules can also be realized by means of the digital computer. This only requires a modification of the software.
  • the movements (angles), frequencies and / or loads of the joint can be recorded during operation of the motor vehicle and stored in a long-term memory provided, for example, in the evaluation device.
  • the load profile ascertained in advance can be stored in this long-term memory or in another memory of the evaluation device and can be stored with the be recorded during operation and stored in the long-term memory data are compared, so that when the limit is exceeded, the output of a warning signal can occur.
  • the calculation unit or the functional unit may, for example, have the memory with the load profile stored therein and generate and output an output value based on the load profile or the characteristic curve as a function of an input value supplied to the calculation unit or functional unit.
  • the evaluation of the preferably continuously or quasi-continuously acquired angle data does not have to be done in real time, but can be carried out delayed in time. But this time delay is especially small enough so that the worn or tired state of the joint can still be detected in time.
  • the power in suspension components can be indirectly determined by the acceleration of these parts while driving.
  • the angle sensor is suitable, which can be integrated in particular in the ball joint.
  • the angle sensor measures the angle that the pivot pin takes on the housing and thus also forms the position of, for example, an upper and lower control arm and a wheel carrier.
  • the acceleration in the Fahrtechniksb is proportional, which is proportional to the force. From these forces or accelerations, for example, the amount and / or the above-mentioned product is formed, after which the unsigned forces or accelerations are added up and thus provide information about the loads in the chassis.
  • the angle measuring device can be designed to be integrated with the evaluation device.
  • transfer functions between angle and failure-relevant force can be calculated from existing multibody models and / or measurement data from prototype phases, wherein the transfer functions can be realized or implemented by means of the calculation unit or the functional unit.
  • the transfer functions can be formulated, for example, in the time domain or in the frequency domain.
  • the invention is independent of the mathematical model used. Since the two-fold time derivative of the angle or angle data characterizes the acceleration of the component and thus also the force acting on this, there is always a direct or indirect two-fold differentiation of the angle or angle data by time, regardless of whether, for example, the differentiation in the frequency domain a multiplication or in the time domain is numerically described by difference and quotient formations.
  • the measuring device according to the invention compared to the use of strain gauges leads to a significant improvement in accuracy.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a wheel suspension of a motor vehicle with an embodiment of the measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of a ball joint according to FIG. 1 with integrated angle measuring device
  • FIG. 3 shows a schematiscb.es block diagram of the evaluation device of FIG. 1 and
  • Fig. 1 is a schematic view of a suspension 5 can be seen, wherein a wheel 1 is connected via an upper arm 2, a lower arm 3 and a guide arm 4 with a vehicle body 6 of a motor vehicle 7 partially shown.
  • the upper transverse link 2 is connected via a ball joint 8 with the wheel carrier 1 and a spherical joint 9 with the vehicle body 6.
  • the lower wishbone 3 is connected via a ball joint 10 with the wheel carrier 1 and an elastomeric bearing 11 to the vehicle body 6.
  • the guide arm 4 is connected via a ball joint 12 with the wheel carrier 1 and an elastomeric bearing 13 to the vehicle body 6.
  • a tire or wheel 14 is rotatably mounted, which is in contact with a roadway 16 shown schematically in a wheel contact point 15.
  • FIG. 2 is a schematic view of the ball joint 8 can be seen, in which a magnet 17 and a magnetic field-sensitive sensor 18 having angle measuring device is integrated.
  • the magnetic field-sensitive sensor 18 is disposed in the housing 20 of the ball joint 8, whereas the magnet 17 is seated in the ball stud 19 of the ball joint 8, which is rotatably and pivotally mounted in the ball joint housing 20.
  • the ball joint housing 20 is fixedly connected to the upper transverse link 2, whereas the ball pin 19 is fixed to the wheel carrier 1.
  • the angle ⁇ shown in Fig. 2 indicates the pivoting between the longitudinal axis 21 of the ball stud 19 and the longitudinal axis 22 of the ball joint housing 20.
  • This angle ⁇ also describes the pivoting of the upper arm 2 relative to the wheel carrier 1 and the vehicle body 6 and is by means of Angle measuring device determined.
  • the angle measuring device or the magnetic field-sensitive sensor 18 is connected to an apparent from Fig. 1 and arranged in the vehicle body 6 evaluation device 23.
  • the measured angle represents the rotation of the ball pin 19 relative to the joint housing 20 about its longitudinal axis 21, since in another installation position of the joint 8 of this angle can characterize the pivoting of the upper arm 2.
  • FIG. 3 is a schematic block diagram of the evaluation device 23 formed by a digital computer can be seen, wherein the angle ⁇ representing value supplying magnetic field-sensitive sensor 18 is connected to a dual differentiator 24.
  • the latter samples the output of the magnetic-field-sensitive sensor 18 at a first sampling frequency and supplies a twice-time-differentiated value ⁇ which is fed to a calculating unit 25 in the form of an absolute value which forms the magnitude of ⁇ .
  • the output value ⁇ of the calculation unit 25 is given by a
  • Summer 26 is sampled at a second sampling frequency which is less than the first sampling frequency.
  • the amount ⁇ forms an unsigned force signal or unsigned force data.
  • the summer 26 adds the sampled values and outputs as output the calculated sum w indicative of the wear of the control arm 2.
  • the summer 26 has a memory 27 which holds the sum or the wear value w stored even in the event of a power failure.
  • the value w is fed to a threshold generator 28, which at Exceeding a predetermined threshold, a signal generator 29 controls, which is preferably designed as arranged in the passenger compartment of the vehicle lamp, which indicates the driver visually to an exceeding of the threshold.
  • FIG. 4 shows a variant of the evaluation device 23, wherein the calculation unit 25 has a functional unit 30 describing a characteristic curve or a load profile and a multiplier 31. Apart from the calculation unit 25, the evaluation device of FIG. 4 but identical to the evaluation device of FIG. 3 is constructed. However, the threshold transmitter 28 may have a different or adjusted threshold.
  • the function unit 30 is supplied with the value ⁇ , wherein the functional unit 30 supplies as output value the function value f ⁇ ) as a function of the characteristic curve or the load profile.
  • the output value f ( ⁇ ) and the value ⁇ are supplied to the multiplier 31, which forms the product f ( ⁇ ) - ⁇ and outputs it to the summer 26.
  • the product f ( ⁇ ) - ⁇ forms in particular an unsigned force signal or unsigned force data.
  • the calculation unit 25 may comprise an absolute value generator, which may be e.g. downstream of the multiplier 31 or upstream of the functional unit 30 and / or the multiplier 31.
  • the characteristic curve or the load profile has preferably been determined in advance and stored in particular in a memory 32 of the calculation unit 25 or the functional unit 30. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Messvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Halterung (1), einem mit der Halterung (1) verbundenen Gelenk (8), welches ein Gelenkgehäuse (20) und einen in diesem bewegbar gelagerten Gelenkzapfen (19) aufweist, einem mit dem Gelenk (8) verbundenen Bauteil (2), welches über das Gelenk (8) schwenkbar an der Halterung (1) gelagert ist, einer Winkelmessvorrichtung (17, 18), mittels welcher der Winkel [φ] des Bauteils (2) gegenüber der Halterung (1) erfassbar ist, und einer. Mit der Winkelmessvorrichtung (17, 18) verbundenen Auswerteeinrichtung (23), die einen mit der Winkelmessvorrichtung (17, 18) verbundenen zweifachen Differenzierer (24) aufweist, dem unter Zwischenschaltung einer Berechnungseinheit (25) ein Summierer oder Integrator (26) nachgeschaltet ist.

Description

Messvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Halterung, einem mit der Halterung verbundenen Gelenk, welches ein Gelenkgehäuse und einen in diesem bewegbar gelagerten Gelenkzapfen aufweist, einem mit dem Gelenk verbundenen Bauteil, welches über das Gelenk schwenkbar an der Halterung gelagert ist, einer Winkelmessvorrichtung, mittels welcher der Winkel des Bauteils gegenüber der Halterung erfassbar ist, und einer mit der Winkelmessvorrichtung verbundenen Auswerteeinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines die Ermüdung eines schwenkbar an einer Halterung gelagerten Kraftfahrzeugbauteils kennzeichnenden Ermüdungswertes.
Das ständige Einwirken von Kräften und/oder Momenten (nachfolgend ebenfalls als Kräfte bezeichnet) auf stark beanspruchte Bauteile eines Kraftfahrzeugs kann zur Materialermüdung und nach bestimmter Zeit zum Bruch dieser Bauteile führen. Ein Ermüdungserkennungssystem könnte den Fahrer warnen, bevor es zum Bruch von Fahrwerkskomponenten kommt. Ferner ist es wünschenswert, vom Fahrer verursachte Überbeanspruchungen des Fahrzeugs bzw. der Bauteile zu erfassen. Um eine zuverlässige Ermüdungserkennung zu realisieren, ist es erforderlich, die auf die Bauteile wirkenden Kräfte möglichst exakt zu bestimmen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Dehnungsmessstreifen. Problematisch sind dabei jedoch die hohe Temperaturabhängigkeit der Messwiderstände, die nachlassende Adhäsion des Klebers sowie die Kapselung der Dehnungsmessstreifen gegen Steinschlag. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messung der Ermüdung bzw. des Verschleißes eines stark beanspruchten Bauteils in einem Kraftfahrzeug unter Vermeidung von Dehnungsmessstreifen zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung für ein Kraftfahrzeug weist eine Halterung, ein mit der Halterung verbundenes Gelenk, welches ein Gelenkgehäuse und einen in diesem bewegbar gelagerten Gelenkzapfen umfasst, ein mit dem Gelenk verbundenes Bauteil, welches über das Gelenk schwenkbar an der Halterung gelagert ist, eine Winkelmessvorrichtung, mittels welcher der Winkel des Bauteils gegenüber der Halterung erfassbar ist, und eine mit der Winkelmessvorrichtung verbundene Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung einen mit der Winkelmessvorrichtung verbundenen zweifachen Differenzierer (oder zweifachen Differentiator) umfasst, dem unter Zwischenschaltung einer Berechnungseinheit ein Summierer oder Integrator nachgeschaltet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist es möglich, die Ermüdung bzw. den Verschleiß des Bauteils mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Da das Bauteil im Fahrbetrieb des Fahrzeugs regelmäßig gegenüber der Halterung schwenkt und die Verschwenkung durch den Winkel zwischen dem Bauteil und der Halterung beschrieben werden kann, ergibt eine zweifache Differenzierung dieses Winkels nach der Zeit ein Maß für die Beschleunigung, welcher das Bauteil ausgesetzt ist. Diese Beschleunigung ist aber auch ein Maß für die auf das Bauteil wirkende Kraft. Da es für die Ermüdung unerheblich ist, ob die wirkenden Kräfte die Geschwindigkeit des Bauteils erhöhen oder verringern (bremsen), wird von der Berechnungseinheit bevorzugt ein vorzeichenfreier Beschleunigungs- oder Kraftwert bestimmt, der kontinuierlich oder in diskreten Zeitabständen neu bestimmt werden kann, wobei die ermittelten vorzeichenfreien Beschleunigungs- oder Kraftwerte aufsummiert oder über die Zeit integriert werden.
Der von dem Summierer oder Integrator gebildete Wert wird nachfolgend als Ermüdungswert bezeichnet und kennzeichnet in einem für praktische Anwendungen in einem Kraftfahrzeug ausreichenden Maße die Ermüdung des Bauteils. Da für Bauteile in einem Kraftfahrzeug regelmäßig eine bestimmte Ermüdung zulässig ist, wird dem Summierer oder Integrator ein Schwellenwertgeber nachgeschaltet, dessen Ausgang erst dann aktiviert oder deaktiviert wird, wenn der Ermüdungswert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert ist bauteilabhängig und kennzeichnet die für das Bauteil maximal zulässige Ermüdung.
Im Vorfeld kann für das Gelenk und/oder für das Bauteil ein Lastprofil bestimmt werden, wobei ermittelt wird, bei welcher Last das Gelenk und/oder Bauteil mit welcher Frequenz wie viele Lastwechsel, Schwingungen und/oder Kipp- oder Drehbewegungen durchführen kann. Daraus lässt sich ein Grenzwert bestimmen, bei dem das Gelenk und/oder Bauteil als ermüdet bzw. verschlissen gilt. Der Schwellenwert kann dann auf Basis dieses Grenzwerts gebildet werden oder von diesem gebildet sein.
Der Schwellenwertgeber kann mit einer Fahrzeugsteuerung verbunden sein. Bevorzugt ist dem Schwellenwertgeber aber ein von diesem betätigbarer Signalgeber nachgeschaltet, der den Fahrer auf das Überschreiten des Schwellenwertes hinweist. Der Signalgeber kann z. B. als akustischer oder optischer Signalgeber ausgebildet sein und ist bevorzugt im Fahrgastinnenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Damit bei einem Ausfall der Energieversorgung für die Auswerte einrichtung der bis dahin ermittelte Ermüdungswert nicht verloren geht, kann der Summierer oder Integrator einen Speicher aufweisen. Dieser Speicher kann von einer zusätzlichen Batterie mit Energie versorgt werden und/oder als nicht flüchtiger Speicher ausgebildet sein, der den Ermüdungswert auch bei einem Ausfall der Energieversorgung gespeichert hält.
Der zweifache Differenzierer, die Berechnungseinheit und/oder der Summierer oder Intergrator können als analoge oder digitale Baugruppen ausgebildet sein. Bevorzugt sind der zweifache Differenzierer, die Berechnungseinheit und/oder der Summierer oder Integrator aber von wenigstens einem Digitalrechner bzw. von einem in diesem ablaufenden Programm gebildet. Dies hat den Vorteil, dass ein bereits im Kraftfahrzeug vorhandener Computer über geeignete Software als Auswerteeinrichtung verwendet werden kann, so dass nur geringe Mehrkosten anfallen. Der zweifache Differenzierer, die Berechnungseinheit und/oder der Summierer oder Integrator können dann mittels einer Software auf numerischem Wege realisiert werden. Die Abtastfrequenz des zweifachen Differenzierers ist insbesondere größer als die Abtastfrequenz des Summierers oder Integrators, welche bevorzugt in der Größenordnung von ca. 1 Hz liegt. Insbesondere ist die Abtastfrequenz des zweifachen Differenzierers aber wenigstens zwei- bis dreimal so groß wie die Abtastfrequenz des Summierers oder Integrators.
Als Ermüdungswert können die Beträge der Beschleunigungen oder Kräfte, die auf das Bauteil wirken, über die Zeit aufsummiert oder integriert werden. Dies ist für viele Anwendungen ausreichend, so dass von der Berechnungseinheit als vorzeichenfreier Beschleunigungs- oder Kraftwert insbesondere der (absolute) Betrag des zweifach nach der Zeit differenzierten Messwertes gebildet wird. Die Berechnungseinheit weist somit einen Betragsbildner auf, der z.B. als Vollweggleichrichter ausbildbar ist oder von dem Digitalrechner gebildet sein kann.
Um eine höhere Genauigkeit für die Ermittlung des Ermüdungswerts zu erzielen, kann berücksichtigt werden, dass unterschiedlich starke Kräfte sich unterschiedlich stark auf die Ermüdung des Bauteils auswirken. Kräfte unterhalb einer gewissen Grenze können praktisch zu keiner Ermüdung führen, wohingegen Kräfte oberhalb einer bestimmten Grenze einen sofortigen Totalausfall zur Folge haben können. Die Abhängigkeit, wie schnell bestimmte Kräfte zu einem Ausfall führen, wird durch eine Funktion oder Kennlinie beschrieben, die auch als Wöhlerkurve bezeichnet werden kann. Die Kraft oder Beschleunigung oder der Betrag der Kraft oder Beschleunigung kann dieser Funktion als Wert übergeben werden, so dass deren Funktionswert ermittelbar ist. Zusätzlich kann das Produkt aus dem Funktionswert und dem zu dessen Ermittlung der Funktion übergebenen Wert berechnet werden. Der Funktionswert und/oder das Produkt können kontinuierlich oder in diskreten Zeitabständen neu bestimmt werden, wobei die ermittelten Funktionswerte oder Produkte oder die Beträge der Funktionswerte oder Produkte aufsummiert oder über die Zeit integriert werden. Die Funktion kann von der Berechnungseinheit realisiert bzw. mittels dieser umgesetzt werden. Insbesondere weist die Berechnungseinheit dafür eine die Funktion realisierende oder umsetzende Funktionseinheit auf. Ferner kann die Berechnungseinheit einen Betragsbildner umfassen. Insbesondere ist von der Berechnungseinheit zusätzlich das oben genannte Produkt bestimmbar, so dass die Berechnungseinheit bevorzugt einen Multiplikator aufweist. Das Produkt ist insbesondere ein vorzeichenfreier Wert, so dass der Betragsbildner entfallen kann. Das Bauteil kann als Fahrwerksbauteil ausgebildet sein, welches besonders großen Belastungen im Kraftfahrzeug ausgesetzt ist. Insbesondere ist das Bauteil ein Fahrwerkslenker, z. B. ein oberer oder unterer Querlenker. Da Kraftfahrzeugslenker als Verbindungsmittel zwischen einem Fahrzeugaufbau und einem Radträger eingesetzt werden, ist die Halterung bevorzugt von dem Fahrzeugaufbau oder von einem Radträger des Kraftfahrzeugs gebildet.
In Fahrwerken von Kraftfahrzeugen werden Elastomerlager oder sphärische Gelenke eingesetzt, welche das Gelenk bilden können. Unter einem sphärischen Gelenk soll hier ein Elastomer- bzw. Gummigelenk verstanden werden, welches in denselben Raumrichtungen bewegbar ist, wie ein Kugelgelenk. Dazu kann das Gelenk ein Innenteil und ein Außenteil aufweisen, wobei das Innenteil unter Zwischenschaltung eines Elastomerkörpers in dem Außenteil angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Gelenk aber um ein Kugelgelenk, wobei der Gelenkzapfen bzw. Kugelzapfen drehbar und schwenkbar in dem Gelenkgehäuse gelagert ist. Diese Lagerung kann unter Zwischenschaltung einer Kugelschale erfolgen.
Bevorzugt ist die Winkelmessvorrichtung in das Gelenk integriert, so dass sie durch das Gelenkgehäuse vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Ferner hat sich ein magnetisches Messverfahren für die Winkelmessvorrichtung als besonders störunanfällig erwiesen, so das die Winkelmessvorrichtung bevorzugt einen Magnet und einen mit diesem zusammenwirkenden magnetfeldempfindlichen Sensor aufweist. Der Magnet kann dabei am oder im Gelenkzapfen und der magnetfeldempfindliche Sensor am oder im Gelenkgehäuse angeordnet sein. Insbesondere wird von der Winkelmessvorrichtung der Winkel gemessen, den der Gelenkzapfen relativ zum Gelenkgehäuse einnimmt, da dieser Winkel auch denjenigen Winkel kennzeichnet, den das Bauteil relativ zur Halterung einnimmt. Der Winkel zwischen dem Bauteil und der Halterung wird somit zumindest mittelbar gemessen.
Vom Erfindungsgedanken eingeschlossen ist ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugaufbau, einer ein Kraftfahrzeugbauteil aufweisenden Radaufhängung und wenigstens einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die gemäß allen zuvor genannten Ausgestaltungen weitergebildet sein kann.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines die Ermüdung eines schwenkbar an einer Halterung gelagerten Kraftfahrzeugbauteils kennzeichnenden Ermüdungswertes bzw. die Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Bestimmen eines die Ermüdung des Bauteils kennzeichnenden Ermüdungswertes durch
Bestimmen von Winkeldaten durch aufeinanderfolgendes Messen des
Winkels zwischen dem Bauteil und der Halterung,
Bestimmen von Beschleunigungsdaten durch zweimaliges Differenzieren der
Winkeldaten nach der Zeit,
Bestimmen von vorzeichenfreien Kraftdaten auf Basis der
Beschleunigungsdaten, und
Bestimmen des Ermüdungswerts durch Aufsummieren oder Integrieren der vorzeichenfreien Kraftdaten über die Zeit.
Die Messvorrichtung kann dabei gemäß allen zuvor genannten Ausgestaltungen weitergebildet sein. Der Begriff „Daten" soll auf die bevorzugte Verwendung eines Digitalrechners als Auswerte einrichtung hinweisen. Es ist aber möglich, dass der Begriff „Daten" einen oder mehrere Werte bezeichnet, die als analoge oder digitale Signale zu Verfügung stehen, ohne dass ein Computer verwendet wird. Die vorzeichenfreien Kraftdaten können durch Betragsbildung der Beschleunigungsdaten bestimmt werden. Ergänzend oder alternativ können die vorzeichenfreien Kraftdaten auf Basis einer Funktion oder Kennlinie ermittelt werden, die insbesondere als Wöhlerkurve bezeichnet wird. Die Funktion oder Kennlinie kann dabei aus dem im Vorfeld ermittelten Lastprofil bestimmt werden. Somit können die Beschleunigungsdaten oder deren Beträge oder aus den Beschleunigungsdaten oder deren Beträgen gebildete Kraftdaten oder deren Beträge der Funktion als Wert übergeben und deren Funktionswert ermittelt werden. Die vorzeichenfreien Kraftdaten können dann auf Basis der Funktionswerte bestimmt werden. Insbesondere wird zur Bestimmung der vorzeichenfreien Kraftdaten jeder Funktionswert mit dem Wert multipliziert, welcher der Funktion zur Bestimmung dieses Funktionswertes übergeben worden ist.
Grundsätzlich ist es möglich, den Winkel, die Winkeldaten, die Beschleunigungsdaten, die vorzeichenfreien Kraftdaten sowie den Ermüdungswert mit geeigneten Faktoren zu modifizieren. Z.B. können zwischen der Winkelmessvorrichtung und der Auswerteeinrichtung, zwischen dem zweifachen Differenzierer und der Berechnungseinheit, zwischen der Berechnungseinheit und dem Summierer oder Integrator und/oder nach dem Summierer oder Integrator zusätzliche Baugruppen geschaltet sein, die insbesondere Formfaktoren oder Proportionalitätskonstanten berücksichtigen. Ist die Auswerteeinrichtung von einem Digitalrechner gebildet, können auch diese zusätzlichen Baugruppen mittels des Digitalrechners realisiert werden. Dazu ist lediglich eine Modifikation der Software erforderlich. Insbesondere können die Bewegungen (Winkel), Frequenzen und/oder Lasten des Gelenks im Betrieb des Kraftfahrzeugs aufgenommen und in einem z.B. in der Auswerteeinrichtung vorgesehenen Langzeitspeicher abgelegt werden. Ferner kann in diesem Langzeitspeicher oder in einem anderen Speicher der Auswerteeinrichtung das im Vorfeld ermittelte Lastprofil abgelegt sein und mit den während des Betriebs aufgenommenen und in dem Langzeitspeicher gespeicherten Daten verglichen werden, so dass bei Überschreiten des Grenzwerts die Ausgabe eines Warnsignals erfolgen kann. Die Berechnungseinheit oder die Funktionseinheit kann z.B. den Speicher mit dem darin abgelegten Lastprofil aufweisen und in Abhängigkeit von einem der Berechnungseinheit bzw. Funktionseinheit zugeführten Eingangswert einen Ausgangswert auf Basis des Lastprofils bzw. der Kennlinie generieren und abgeben. Die Auswertung der bevorzugt kontinuierlich oder quasikontinuierlich erfassten Winkeldaten muss nicht in Echtzeit erfolgen, sondern kann zeitlich verzögert durchgeführt werden. Diese zeitliche Verzögerung ist aber insbesondere klein genug, damit der verschlissene oder ermüdete Zustand des Gelenks noch rechtzeitig entdeckt werden kann.
Die Kraft in Fahrwerksbauteilen lässt sich indirekt über die Beschleunigung dieser Teile im Fahrbetrieb bestimmen. Zur Messung der Beschleunigung eignet sich der Winkelsensor, der insbesondere in dem Kugelgelenk integriert sein kann. In diesem Fall misst der Winkelsensor den Winkel, den der Gelenkzapfen zum Gehäuse einnimmt und bildet damit auch die Lage z.B. eines oberen und unteren Querlenkers sowie eines Radträgers ab. Durch zweimalige numerische Differentiation der Winkeldaten lässt sich die Beschleunigung in dem Fahrwerksb auteil berechnen, die proportional zur Kraft ist. Von diesen Kräften oder Beschleunigungen wird z.B. der Betrag und/oder das oben genannte Produkt gebildet, wonach die vorzeichenfreien Kräfte oder Beschleunigungen aufsummiert werden und somit Informationen über die Belastungen im Fahrwerk liefern. Die Winkelmessvorrichtung kann dabei mit der Auswerteeinrichtung integriert ausgebildet sein. Aus den ermittelten Belastungen lässt sich feststellen, ab wann ein Bauteil die Ermüdungsgrenze erreicht oder überschritten hat. Ergänzend können aus vorhandenen Mehrkörpermodellen und/oder Messdaten aus Prototypenphasen Übertragungsfunktionen zwischen Winkel und versagensrelevanter Kraft berechnet werden, wobei die Übertragungsfunktionen mittels der Berechnungseinheit bzw. der Funktionseinheit realisiert oder umgesetzt werden können. Die Übertragungsfunktionen können z.B. im Zeit- oder im Frequenzbereich formuliert werden. Die Erfindung ist aber unabhängig vom verwendeten mathematischen Modell. Da die zweifache zeitliche Ableitung der Winkel bzw. Winkeldaten die Beschleunigung des Bauteils und somit auch die auf dieses wirkende Kraft kennzeichnet, erfolgt stets eine direkte oder indirekte zweifache Differentiation der Winkel oder Winkeldaten nach der Zeit, unabhängig davon, ob z.B. die Differentiation im Frequenzbereich durch eine Multiplikation oder im Zeitbereich numerisch durch Differenzen- und Quotientenbildungen beschrieben wird.
Im Fahrwerk treten Temperaturen von -400C bis + 1250C auf, wobei die erfindungsgemäße Messvorrichtung gegenüber der Verwendung von Dehnungsmessstreifen zu einer deutlichen Verbesserung der Genauigkeit führt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: eine schematische Ansicht einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
Fig. 2: eine schematische Ansicht eines Kugelgelenks nach Fig. 1 mit integrierter Winkelmessvorrichtung,
Fig. 3: ein schematiscb.es Blockschaltbild der Auswerte einrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 4: eine Variante der Auswerte einrichtung nach Fig. 3. Aus Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Radaufhängung 5 ersichtlich, wobei ein Radträger 1 über einen oberen Querlenker 2, einen unteren Querlenker 3 und einen Führungslenker 4 mit einem Fahrzeugaufbau 6 eines teilweise dargestellten Kraftfahrzeugs 7 verbunden ist. Der obere Querlenker 2 ist über ein Kugelgelenk 8 mit dem Radträger 1 und über ein sphärisches Gelenk 9 mit dem Fahrzeugaufbau 6 verbunden. Der untere Querlenker 3 ist über ein Kugelgelenk 10 mit dem Radträger 1 und über ein Elastomerlager 11 mit dem Fahrzeugaufbau 6 verbunden. Ferner ist der Führungslenker 4 über ein Kugelgelenk 12 mit dem Radträger 1 und über ein Elastomerlager 13 mit dem Fahrzeugaufbau 6 verbunden. An dem Radträger 1 ist ein Reifen bzw. Rad 14 drehbar gelagert, welches in einem Radaufstandspunkt 15 in Kontakt mit einer schematisch dargestellten Fahrbahn 16 steht.
Aus Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Kugelgelenks 8 ersichtlich, in welches eine ein Magnet 17 und einen magnetfeldempfindlichen Sensor 18 aufweisende Winkelmessvorrichtung integriert ist. Dabei ist der magnetfeldempfindliche Sensor 18 im Gehäuse 20 des Kugelgelenks 8 angeordnet, wohingegen der Magnet 17 im Kugelzapfen 19 des Kugelgelenks 8 sitzt, welcher drehbar und schwenkbar in dem Kugelgelenkgehäuse 20 gelagert ist. Das Kugelgelenkgehäuse 20 ist fest mit dem oberen Querlenker 2 verbunden, wohingegen der Kugelzapfen 19 an dem Radträger 1 festgelegt ist.
Mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Radaufhängung ist eine Verschleißmessung für den oberen Querlenker 2 möglich. Ergänzend oder alternativ ist es möglich, eine derartige Messung auch für einen oder mehrere der anderen Lenker der Radaufhängung durchzuführen.
I l Der in Fig. 2 dargestellte Winkel φ kennzeichnet die Verschwenkung zwischen der Längsachse 21 des Kugelzapfens 19 und der Längsachse 22 des Kugelgelenkgehäuses 20. Dieser Winkel φ beschreibt auch die Verschwenkung des oberen Querlenkers 2 relativ zum Radträger 1 bzw. zum Fahrzeugaufbau 6 und wird mittels der Winkelmessvorrichtung bestimmt. Die Winkelmessvorrichtung bzw. der magnetfeldempfindliche Sensor 18 ist dabei mit einer aus Fig. 1 ersichtlichen und im Fahrzeugaufbau 6 angeordneten Auswerte einrichtung 23 verbunden. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass der gemessene Winkel die Verdrehung des Kugelzapfens 19 gegenüber dem Gelenkgehäuse 20 um seine Längsachse 21 repräsentiert, da bei einer anderen Einbaulage des Gelenks 8 dieser Winkel die Verschwenkung des oberen Querlenkers 2 kennzeichnen kann.
Aus Fig. 3 ist ein schematisches Blockschaltbild der von einem Digitalrechner gebildeten Auswerte einrichtung 23 ersichtlich, wobei der einen den Winkel φ repräsentierenden Wert liefernde magnetfeldempfindliche Sensor 18 mit einem zweifachen Differenzierer 24 verbunden ist. Dieser tastet den Ausgang des magnetfeldempfindlichen Sensors 18 mit einer ersten Abtastfrequenz ab und liefert einen zweifach nach der Zeit differenzierten Wert φ , der einer als Betragsbildner ausgebildeten Berechnungseinheit 25 zugeführt wird, welche den Betrag von φ bildet. Der Ausgangswert φ der Berechnungseinheit 25 wird von einem
Summierer 26 mit einer zweiten Abtastfrequenz abgetastet, die kleiner als die erste Abtastfrequenz ist. Der Betrag φ bildet dabei ein vorzeichenfreies Kraftsignal bzw. vorzeichenfreie Kraftdaten. Der Summierer 26 addiert die abgetasteten Werte und gibt als Ausgangssignal die berechnete Summe w ab, die den Verschleiß des Querlenkers 2 kennzeichnet. Der Summierer 26 weist einen Speicher 27 auf, der die Summe bzw. den Verschleißwert w auch bei einem Ausfall der Energieversorgung gespeichert hält. Der Wert w wird einem Schwellenwertgeber 28 zugeführt, der bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellenwertes einen Signalgeber 29 ansteuert, der bevorzugt als im Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs angeordnete Leuchte ausgebildet ist, die den Fahrer optisch auf eine Überschreitung des Schwellenwerts hinweist.
Aus Fig. 4 ist eine Variante der Auswerteeinrichtung 23 ersichtlich, wobei die Berechnungseinheit 25 eine eine Kennlinie bzw. ein Lastprofil beschreibende Funktionseinheit 30 und einen Multiplikator 31 aufweist. Abgesehen von der Berechnungseinheit 25 ist die Auswerte einrichtung nach Fig. 4 aber identisch zu der Auswerteeinrichtung nach Fig. 3 aufgebaut. Allerdings kann der Schwellewertgeber 28 einen abweichenden bzw. angepassten Schwellenwert aufweisen.
Der Funktionseinheit 30 wird der Wert φ zugeführt, wobei die Funktionseinheit 30 als Ausgangswert den Funktionswert f{φ) in Abhängigkeit von der Kennlinie bzw. dem Lastprofil liefert. Der Ausgangswert f(φ) und der Wert φ werden dem Multiplizierer 31 zugeführt, der das Produkt f(φ) - φ bildet und an den Summierer 26 abgibt. Das Produkt f(φ)-φ bildet dabei insbesondere ein vorzeichenfreies Kraftsignal bzw. vorzeichenfreie Kraftdaten. Ergänzend kann die Berechnungseinheit 25 einen Betragsbildner aufweisen, der z.B. dem Multiplizierer 31 nachgeschaltet oder der Funktionseinheit 30 und/oder dem Multiplizierer 31 vorgeschaltet ist.
Die Kennlinie bzw. das Lastprofil ist bevorzugt im Vorfeld bestimmt worden und insbesondere in einem Speicher 32 der Berechnungseinheit 25 bzw. der Funktionseinheit 30 abgelegt. Bezugszeichenliste
Radträger
Oberer Querlenker
Unterer Querlenker
Führungslenker
Radaufhängung
Fahrzeugaufbau
Kraftfahrzeug
Kugelgelenk
Sphärisches Gelenk
Kugelgelenk
Elastomerlager
Kugelgelenk
Elastomerlager
Rad
Radaufstandspunkt
Fahrbahn
Magnet
Magnetfeldempfindlicher Sensor
Kugelzapfen
Kugelgelenkgehäuse
Längsachse des Kugelzapfens
Längsachse des Gelenkgehäuses
Auswerteeinrichtung
Zweifacher Differenzierer 25 Berechnungseinheit
26 Summierer oder Integrator
27 Speicher des Summierers oder Integrators
28 Schwellenwertgeber
29 Signalgeber
30 Funktionseinheit der Berechnungseinheit
31 Multiplikator der Berechnungseinheit
32 Speicher der Berechnungseinheit
φ Winkel zwischen Kugelzapfen und Gelenkgehäuse, Winkeldaten φ Beschleunigungsdaten
Ψ vorzeichenfreie Kraftdaten f{φ) • φ vorzeichenfreie Kraftdaten w Ermüdungswert, Ermüdungsdaten

Claims

Messvorrichtung für ein KraftfahrzeugPatentansprüche
1. Messvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Halterung (1), einem mit der Halterung (1) verbundenen Gelenk (8), welches ein Gelenkgehäuse (20) und einen in diesem bewegbar gelagerten Gelenkzapfen (19) aufweist, einem mit dem Gelenk (8) verbundenen Bauteil (2), welches über das Gelenk (8) schwenkbar an der Halterung (l) gelagert ist, einer Winkelmessvorrichtung (17, 18), mittels welcher der Winkel [φ] des Bauteils (2) gegenüber der Halterung (1) erfassbar ist, und einer mit der Winkelmessvorrichtung (17, 18) verbundenen Auswerteeinrichtung (23), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Auswerte einrichtung (23) einen mit der Winkelmessvorrichtung (17, 18) verbundenen zweifachen Differenzierer (24) aufweist, dem unter Zwischenschaltung einer Berechnungseinheit (25) ein Summierer oder Integrator (26) nachgeschaltet ist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Summierer oder Integrator (26) ein Schwellenwertgeber (28) nachgeschaltet ist.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Schwellenwertgeber (28) ein diesem nachgeschalteter Signalgeber (29) betätigbar ist.
4. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Summierer oder Integrator (26) einen Speicher (27) aufweist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweifache Differenzierer (24), die Berechnungseinheit (25) und der Summierer oder Integrator (26) als digitale Baugruppen ausgebildet oder von wenigstens einem Digitalrechner (23) gebildet sind.
6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz des zweifachen Differenzierers (24) größer als die Abtastfrequenz des Summierers oder Integrators (26) ist.
7. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil von einem Lenker (2) in der Radaufhängung (5) des Kraftfahrzeugs (6) gebildet ist.
8. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung von einem Fahrzeugaufbau (6) oder von einem Radträger (1) des Kraftfahrzeugs gebildet ist.
9. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmessvorrichtung in dem Gelenk (8) integriert ist.
10. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (25) einen Betragsbildner aufweist.
11. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (25} eine Funktionseinheit (30) und einen Multiplikator (31) aufweist.
12. Verfahren zum Bestimmen eines die Ermüdung eines schwenkbar an einer Halterung gelagerten Kraftfahrzeugbauteils kennzeichnenden Ermüdungswertes durch
- Bestimmen von Winkeldaten durch aufeinanderfolgendes Messen des Winkels [φ] zwischen dem Bauteil (2) und der Halterung (1),
- Bestimmen von Beschleunigungsdaten {φ ) durch zweimaliges Differenzieren der Winkeldaten [φ ) nach der Zeit,
- Bestimmen von vorzeichenfreien Kraftdaten (| φ \) auf Basis der Beschleunigungsdaten [φ], und
- Bestimmen des Ermüdungswerts (w) durch Aufsummieren oder Integrieren der vorzeichenfreien Kraftdaten (| φ |) über die Zeit.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzeichenfreien Kraftdaten ( I φ | ) durch Betragsbildung der
Beschleunigungsdaten [φ] bestimmt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastprofil bestimmt wird und die vorzeichenfreien Kraftdaten auf Basis dieses Lastprofils ermittelt werden.
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