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Die
Erfindung betrifft eine Radaufhängung zur
Befestigung eines Rades an einem Fahrwerksaufbau mit einem Achszapfen.
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Eine
Vorrichtung zur Überwachung
von Radsystemen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, während des
Fahrbetriebs ist aus der
DE
38 17 809 A1 im Stand der Technik bekannt. Hiernach ist
der Lagerung oder der Aufhängung
eines jeden Fahrzeugrades ein Schwingungsaufnehmer zugeordnet. Dieser ist
mit einem Steuergerät
verbunden, das die Schwingungssignale verarbeitet und in einer Auswerteeinheit
zur Anzeige bringt.
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Als
nachteilig an dieser Vorrichtung hat sich erwiesen, dass lediglich
bestimmte Schwingungen erfassbar sind. Auf diese Weise lassen sich
insbesondere keine statischen Kräfte
erfassen, die z.B. eine Überladung,
eine zu hohe Anhänglast,
Schleppen bei blockiertem Rad oder Fehler bei der Einstellung des
Fahrwerks anzeigen würden.
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Zur
Erfassung von Radstands- oder Radlauffehlern sind ferner spezielle
Testaufbauten bekannt. Diese haben beispielsweise die Form eines
Rad- und Fahrwerkprüfstandes,
der eine Messnabe aufweist. Ferner werden an Messfahrzeugen spezielle
Messräder
angebracht, die mit Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen
Kraftsensoren versehen sind. Derartige Messnaben und Messräder sind aus
preislichen, festigkeits-, fahr- und montagetechnischen Gründen nicht
für den
Einsatz in Serienfahrzeugen geeignet.
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Aus
der
WO 01/77634 A2 geht
einer Radaufhängung
mit einer Nabe hervor. An der Nabe ist ein Gehäuse gelagert, das Dehnungssensoren
zur Erfassung von Lasten, die von der Straße auf die Radaufhängung wirken,
vorgesehen ist.
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Durch
die
DE 103 33 284
A1 ist eine Überwachung
der auf die Nabe eines Kraftfahrzeugrades wirkenden Axiallast im
Stand der Technik bekannt. Eine an einem sich nicht drehenden Teil
befestigte Messvorrichtung erfasst die Position einer beabstandeten Oberfläche der
Nabe.
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In
der
DE 101 02 236
A1 wird eine Anordnung zur Erfassung physikalischer Messgrößen beschrieben,
insbesondere an einem Radlager eines Kraftfahrzeuges. Dehnungsmessstreifen
sind an einer drehbaren Lagerschale befestigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug
zu verbessern, so dass vom Rad auf die Radaufhängung übertragenen Kräfte und
Momente im laufenden Fahrbetrieb erfassbar sind und eine so ausgerüstete Radaufhängung für den Einsatz
im Rahmen der Massenfertigung von Kraftfahrzeugen geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Kernpunkt
der Erfindung ist, dass an dem Achszapfen ein Radlauf- und Radstandsfehlersensor befestigt
ist.
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Die
grundlegende Idee ist hierbei, möglichst nahe
am Rad eine Sensorik direkt im Kraftfluss anzuordnen. Dabei können entweder
nur Kraftsensoren oder nur Dehnungssensoren oder eine Kombination von
Kraft- und Dehnungssensoren zum Einsatz kommen.
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Das
System stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, die im Fahrbetrieb
auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte
und Momente aufzunehmen. Insbesondere Überlastungssituationen können hierdurch detektiert
werden und so dass Gegenmaßnahmen ergriffen
werden können,
wodurch die Fahrstabilität verbessert
wird. Die Erfassung der Messwerte wird vereinfacht, weil zusätzliche
Umwandlungen entfallen können.
Die komplexen Rahmenbedingungen wie die Festigkeit und die Dynamik
der Anbindung des Rades an den Fahrwerksaufbau müssen bei der Verarbeitung der
Messdaten nicht berücksichtigt
werden und führen
daher nicht zu Fehlern in der Datenaufnahme und -auswertung. Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Radlauf- und Radstandsfehlersensoren
nur einen geringen Bauraum in Anspruch nehmen und somit in bestehende
Radaufhängungen
integriert werden können.
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Die
von den Radlauf- und Radstandsfehlersensoren aufgenommenen Daten
sind als Steuergrößen in diverse
Systeme von modernen Kraftfahrzeugen einspeisbar, wie z.B. aktive
Fahrwerke, Belastungs- und Schädigungswarngeräte ("Misuse Detector"), Belastungsprotokollgeräte ("Black Box" oder "Misuse Recorder") sowie modellbasierte
Lebensdauerbeobachtungsysteme.
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Insgesamt
wird ein Sicherheitsgewinn für den
Fahrzeugführer
sowie für
die Fahrzeuginsassen und andere Verkehrsteilnehmer erreicht. Die
Erfassung von Radlauf- und Radstandsfehlern stellt zudem einen Informationsgewinn
und eine Kostenersparnis für
den Kraftfahrzeug- oder Fuhrparkbetreiber dar. Mithin können Reparaturen
rechtzeitig veranlasst werden, so dass Schadensfortschritte und Folgeschäden vermieden
werden und erhöhtem
Reifenverschleiß und
Kraftstoffbedarf vorgebeugt werden können. Der Fahrkomfort wird
durch die Erfassung von Radlauf- und
Radstandsfehlern vorteilhaft erhöht.
Die regelmäßig durchzuführenden
Fahrzeuginspektionen und -diagnosen in der Werkstatt können verkürzt werden.
Die Begutachtung von Zweifels- und Schadensfällen wird ebenfalls vereinfacht
und verkürzt.
Letztlich ist auch eine Qualitätssicherung durch Überwachung
der Radaufhängung
nach einer Radmontage und/oder einer Spureinstellung durch den Kraftfahrzeughersteller
oder eine Werkstatt möglich.
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Im
Rahmen der Erfindung kann der Radlauf- und Radstandsfehlersensor
grundsätzlich
jeder Art von Radaufhängung
zugeordnet werden, insbesondere kann der Radlauf- und Radstandsfehlersensor an
der Vorder- und/oder Hinterachse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen
sein.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
14.
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Vorteilhafterweise
sind mehrere Radlauf- und Radstandsfehlersensoren vorgesehen, deren Erfassungsrichtungen
sich voneinander unterscheiden. An einem Rad greifen nicht nur Kräfte in eine Richtung,
sondern in allen drei Richtungen des Raumes an. Zusätzlich sind
Momente zu berücksichtigen,
die sich auf Grund der dezentralen Krafteinleitung in das Rad ergeben.
Diese Momente können ebenfalls
in allen drei Richtungen eines Raumes vorliegen. Vielfach wird zur
Bestimmung der Richtungen auf ein fahrzeugeigenes Koordinatensystem
zurückgegriffen.
Die x-Achse wird hierbei üblicherweise
der Fahrzeuglängsachse
zugeordnet. Die y-Achse ist eine Achse in Querrichtung des Fahrzeugs,
parallel zur Fahrbahn. Die z-Achse entspricht der Hochachse. Eine
Erfassung der Kräfte
und Momente in allen Richtungen ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Ebenfalls
nicht erforderlich ist es, dass die Erfassungsrichtungen unabhängig voneinander
sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zwei Radlauf- und Radstandsfehlersensoren
auf gegenüberliegenden
Seiten des Achszapfens angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich
die wirkenden Kräfte
eindeutig zuordnen und genauer erfassen. Zudem ergibt sich eine
Ausfallsicherheit für
den Fall, dass ein Radlauf- und Radstandsfehlersensor beschädigt werden oder
verschleißen
sollte.
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Zweckmäßigerweise
ist ein Radlauf- und Radstandsfehlersensor ein Dehnungssensor. Als Dehnungssensoren
kommen Dehnungsmessstreifen, Foliendetektoren und Piezokristalle
zur Anwendung.
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Der
Dehnungssensor kann ein Ultraschallsensor sein. Mit dem Ultraschallsensor
können
beispielsweise Längenänderungen
von Körpern
einfach und zuverlässig
detektiert werden. Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, den Dehnungssensor
an einem freien Ende des Achszapfens zu positionieren. Auf diese
Weise ist der Dehnungssensor gut zugänglich. Mit dem Dehnungssensor
ist die Verformung eines Messkörpers
im Achszapfen erfassbar. Der Messkörper hat solche Materialeigenschaften,
die dazu führen,
dass eine Verformung des Achszapfens in eine Längenänderung des Messkörpers überführt wird,
die mit dem Dehnungssensor erfassbar ist. Hierbei unterscheidet
sich das Material des Messkörpers
von dem Material des Achszapfens, um störende Reflexionen an Bauteilkanten
zu vermeiden und multidirektionale Messungen zu ermöglichen.
In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Messkörper um
einen Abstand versetzt, parallel zur Mittellängsachse des Achszapfens anzuordnen.
Dies ermöglicht
es, zuverlässig
Biegungen des Achszapfens zu erfassen. Der Messkörper hat die gleiche Länge wie
der Achszapfen. Die Genauigkeit des Messergebnisses ist annähernd proportional zur
Länge des
Messkörpers.
Es ist daher vorteilhaft, den Messkörper möglichst lang, insbesondere
genauso lang wie den Achszapfen, auszuführen.
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Im
Rahmen der Erfindung kann der Radlauf- und Radstandsfehlersensor
auch ein Beschleunigungssensor sein. Der Beschleunigungssensor ist vorteilhafterweise
ein ohmscher, induktiver, kapazitiver oder piezoelektrischer Beschleunigungssensor.
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Die
Radaufhängung
kann einen Achsschenkel aufweisen, in dem der Achszapfen gelagert
ist. Der Radlauf- und Radstandsfehlersensor ist dann vorteilhaft
zwischen dem Achszapfen und dem Achsschenkel angeordnet. Beispielsweise
kann der Radlauf- und Radstandsfehlersensor zwischen dem Achsschenkel
und einer auf den Achszapfen geschraubten Scheibe angeordnet sein.
Darüber
hinaus bietet sich die Umfangsfläche
des Achszapfens an, um darauf Radlauf- und Radstandsfehlersensoren
in Anlagebereichen der Umfangsfläche
am Achsschenkel anzuordnen.
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Besonders
vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn ein Radlauf- und
Radstandsfehlersensor auf einer konischen Fläche des Achszapfens angeordnet
ist. Diese Anordnung ermöglicht
die gleichzeitige Erfassung von Kräften und Momenten, die sich
hierbei naturgemäß überlagern
und im Rahmen einer anschließenden
Auswertung in einer Auswertereinheit voneinander isoliert werden
können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Radlauf- und Radstandsfehlersensor
mit einem Steuergerät drahtlos
gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine aufwendige Verdrahtung
der Radlauf- und Radstandsfehlersensoren mit dem Steuergerät entfallen. Zwischen
dem Radlauf- und
Radstandsfehlersensor und dem Steuergerät werden Signale per Funk,
Licht oder Schall übertragen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von mehreren, in den Figuren ausschnittsweise
gezeigten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Radaufhängung
mit mehreren Radlauf- und Radstandsfehlersensoren, die auf der Umfangsfläche und
an einem Kranz des Achszapfens angeordnet sind;
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2 eine
Radaufhängung,
bei der Radlauf- und Radstandsfehlersensoren zwischen einer Scheibe
und dem Achsschenkel angeordnet sind;
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3 eine
Radaufhängung,
bei der Radlauf- und Radstandsfehlersensoren auf einer konischen Fläche des
Achszapfens angeordnet sind und
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4 eine
Radaufhängung
mit einem Ultraschallsensor zur Erfassung von Längenänderungen eines Messkörpers.
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In
der 1 ist eine Radaufhängung 1 zur Befestigung
eines Rades an einem Fahrwerksaufbau im Ausschnitt dargestellt.
Man erkennt einen Achsschenkel 2, in dem ein Achszapfen 3 gelagert
ist. Der Achszapfen 3 ist durch eine Bohrung 4 des
Achsschenkels 2 gesteckt und durch einen umfangseitigen
Kragen 6 am Achszapfen 3 und eine endseitig auf
ein Gewinde 7 geschraubten Mutter 8 lagefixiert. In
der Bohrung 4 des Achsschenkels 2 zwischen dem Achsschenkel 2 und
der Umfangsseite 9 des Achszapfens 3 sind auf
gegenüberliegenden
Seiten zwei Radlauf- und Radstandsfehlersensoren 10, 11 befestigt.
Weiterhin sind zwischen dem Kragen 6 und dem Achsschenkel 2 zwei
weitere Radlauf- und Radstandsfehlersensoren 13, 14 angeordnet,
deren Erfassungsrichtungen sich von den in der Bohrung 4 angeordneten
Radlauf- und Radstandsfehlersensoren 10, 11 unterscheiden.
Die Radlauf- und
Radstandsfehlersensoren 10-14 sind entweder als
Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Sensoren oder Foliendetektoren
ausgebildet. Auf diese Weise sind die Radlauf- und Radstandsfehlersensoren 10-14 im Kraftfluss
zwischen dem Rad und dem Fahrwerksaufbau angeordnet und ermöglichen
eine direkte Erfassung von Radlauf- und Radstandsfehlern, ohne die
Festigkeit und die Dynamik der übrigen
Komponenten der Radaufhängung 1 berücksichtigen
zu müssen.
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In
der 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Radaufhängung 15 dargestellt.
Auch hier ist ein Achszapfen 16 durch eine Bohrung 17 eines Achsschenkels 18 gesteckt.
Auf einen Absatz 19 des Achszapfens 16 ist eine
Scheibe 20 gesteckt. Eine Mutter 21, die auf ein
Gewinde 22 des Achszapfens 16 geschraubt ist,
fixiert die Scheibe 20. Zwischen der Scheibe 20 und
dem Achsschenkel 18 sind auf gegenüberliegenden Seiten Radlauf-
und Radstandsfehlersensoren 23, 24 angeordnet,
die als Beschleunigungssensoren ausgeführt sind.
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In
der 3 ist ein Achszapfen 25 einer weiteren
Ausführungsform
der Radaufhängung 26 dargestellt,
der durch eine Bohrung 27 eines Achsschenkels 28 gesteckt
ist und als Besonderheit eine konische Fläche 29 aufweist, die
in einer korrespondierenden konischen Aufnahme 30 des Achsschenkels 28 zur
Anlage gelangt. Radlauf- und Radstandsfehlersensoren 31, 32 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten der konischen Fläche 29 angeordnet.
Diese Ausführungsform
ermöglicht
die gleichzeitige Erfassung von Kräften und Momenten, die am Achszapfen 25 angreifen.
Als Radlauf- und Radstandsfehlersensoren 31, 32 für diese
Anordnung eignen sich insbesondere Dehnungsmessstreifen, Piezoelemente
und Foliensensoren.
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In
der Radaufhängung 33 der 4 ist
ein Ultraschallsensor 34 als Dehnungssensor vorgesehen.
Der Ultraschallsensor 34 ist an einem freien Ende 35 des
Achszapfens 36 positioniert und erfasst Verformungen, insbesondere
Längenänderungen,
eines Messkörpers 37,
der exzentrisch im Achszapfen 36 angeordnet ist. Das Material
des Messkörpers 37 unterscheidet
sich von dem Material des Achszapfens 36, um störende bzw.
verfälschende
Reflexionen zu verhindern und multidirektionale Messungen zu ermöglichen.
Der Messkörper 37 ist
um einen Abstand A versetzt parallel zur Mittellängsachse MLA des Achszapfens 36 angeordnet
und hat in etwa die gleiche Länge
wie der Achszapfen 36.
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Mit
der erfindungsgemäßen Radaufhängung 1, 15, 26, 33 können die
am Rad angreifenden Kräfte im
Kraftfluss zwischen Rad und Fahrwerksaufbau erfasst und zur Auswertung
gebracht werden. Auf diese Weise werden die Sicherheit und der Fahrkomfort
erhöht
und die Kosten für
das Halten des Fahrzeugs vorteilhaft verringert.
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- 1
- Radaufhängung
- 2
- Achsschenkel
- 3
- Achszapfen
- 4
- Bohrung
- 6
- Kragen
- 7
- Gewinde
- 8
- Mutter
- 9
- Umfangsseite
v. 3
- 10
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 11
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 13
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 14
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 15
- Radaufhängung
- 16
- Achszapfen
- 17
- Bohrung
- 18
- Achsschenkel
- 19
- Absatz
- 20
- Scheibe
- 21
- Mutter
- 22
- Gewinde
- 23
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 24
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 25
- Achszapfen
- 26
- Radaufhängung
- 27
- Bohrung
- 28
- Achsschenkel
- 29
- Konische
Fläche
v. 25
- 30
- Aufnahme
- 31
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 32
- Radlauf-
und Radstandsfehlersensor
- 33
- Radaufhängung
- 34
- Ultraschallsensor
- 35
- Freies
Ende v. 36
- 36
- Achszapfen
- 37
- Messkörper
- A
- Abstand
- L
- Länge
- MLA
- Mittellängsachse