CN105452836B - 用于车辆的传感器单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于车辆(1)的传感器组件，其具有至少一个转速获取装置(20、22、24、26、28)，该转速获取装置持续地获取至少一个状态变量并且发送给至少一个评估和控制单元(10)，该至少一个评估和控制单元接收并评估由至少一个转速获取装置(20、22、24、26、28)发送的信号，其中，至少一个评估和控制单元(10)利用所获取的至少一个状态变量执行第一评估过程(12)并且求得至少一个车轮(30)的转速，该至少一个车轮的轮辋通过车轮固定件固定在对应的轮毂处。根据本发明，至少一个评估和控制单元(10)执行第二评估过程(14)并且基于持续获取的至少一个状态变量识别并监控在至少一个车轮(30)和对应的轮毂之间的机械间隙以探测松脱的车轮固定件。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1所述种类的用于车辆的传感器单元。
背景技术
通常例如在工厂中更换轮胎时车轮螺栓被拧紧并且必须由驾驶员在一段驶入路段(通常建议80km)之后再次重新拧紧。然而这种由驾驶员进行的检查经常被忘记。如果车轮螺栓在行驶期间松脱，这可能导致带来巨大的人员和财产损失的严重事故。术语“车轮螺栓”在下文用作轮辋的固定元件，从而当通过车轮螺钉和对应的车轮螺母实现固定功能时，同样可应用本发明的实施方式。
在车轮领域中，由现有技术已知用于获取轮速和/或用于获取胎压的传感器。在车辆的正常行驶中识别松开的车轮螺栓的系统不是已知的。
由JP 2008157663A已知通过电磁的转速传感器获取轮速的装置。此外在相应的车轮轴承中使用振动传感器以用于获取振动并且使用温度传感器以用于获取温度。通过另一装置识别在转速传感器中或在传感器电缆中或在车轮轴承中可能的异常情况。
发明内容
而根据本发明的具有独立权利要求1所述特征的用于车辆的传感器组件具有的优点是，在车辆的正常行驶中可基于转速传感器的测量数据识别车轮螺栓的松脱。这是指，当已经使用用于获取车轮转速的装置时，可在行驶期间连续地并且无需附加的传感器地识别在车轮处松脱的车轮固定件。根据本发明的用于车辆的传感器组件的实施方式优选用于获取轮速并且用于监控车轮固定部，从而可有利地识别在一个车轮处或在多个车轮处松脱的车轮固定件并且可在相应的显示单元上显示并输出相应的错误状态。转速获取装置例如可实施为电磁的或光学的转速获取装置。
本发明的主要优点在于，可在行驶期间连续地且无需附加的外部传感器地监控车轮固定件。使用已经用在车辆中且广泛应用的实施为转速获取装置的ABS传感器(ABS：防抱死系统)。通过对当前测量结果的进一步的信号处理和评估可在早期探测到车轮螺栓的松脱并且可及时发出相应的警报信号。
对于在机动车中利用ABS功能所必需的转速获取装置(通常安装在车轮处)例如通过具有预定数量的极区的磁性多极盘和磁场传感器测量每个车轮的各自的转速。磁性多极盘优选在车轮侧安装在车轮轴承处并且与车轮固定连接。作为替代，还可安装齿盘或孔板。在转轴的另一侧，磁场传感器固定地安装在车辆侧，该磁场传感器例如可实施为霍尔传感器或GMR传感器。通过磁场传感器测量多极盘继续转过预定的角位置所需的持续时间。对多极盘的运动的测量优选通过测量磁场变化进行。
本发明的实施方式提供了具有至少一个转速获取装置的用于车辆的传感器组件，该转速获取装置持续地获取至少一个状态变量并且发送给至少一个评估和控制单元，该评估和控制单元接收并评估从至少一个转速获取装置发出的信号。该至少一个评估和控制单元以所获取的至少一个状态变量执行第一评估过程并且求得至少一个车轮的转速，该车轮的轮辋通过车轮固定件固定在相应的轮毂处。根据本发明，至少一个评估和控制单元执行第二评估过程并且基于持续获取的至少一个状态变量识别并监控在至少一个车轮和相应的轮毂之间的机械间隙以探测松脱的车轮固定件。
在此，可对每个车轮设置评估和控制单元，该评估和控制单元与相应的传感器形成结构单元。作为替代，可由共同的评估和控制单元接收并评估对每个车轮通过相应的传感器获取的状态变量。这可实现对松脱的车轮固定件的集中评估和识别。
通过在从属权利要求中提到的措施和改进方案可有利地改进在独立权利要求1中说明的用于车辆的传感器组件。
特别有利的是，每个转速获取装置包括具有预定数量的代码区的编码盘和对应的传感器。在此，每个代码区在对应的传感器中产生所获取的状态变量的测量脉冲，该状态变量具有预先确定的独立的脉冲持续时间，其中，至少一个评估和控制单元在第二评估过程中求出每个代码区的独立的脉冲持续时间。在此，编码盘或传感器与车轮连接。优选的是，代码盘相应地与车轮固定连接并且对应的传感器设置为与车身固定。
在根据本发明的传感器组件的有利的设计方案中，至少一个评估和控制单元可在第二评估过程中将在车轮一转上的平均脉冲持续时间计算为编码盘的当前代码区的所获取的独立脉冲持续时间之和与当前代码区的数量的比值。
编码盘通常制造得不够完美。由于产生的公差(如代码区的分度误差)，甚至在理想的、即固定拧紧的没有不平衡度的车轮中所测量的脉冲持续时间相对于与速度相关的平均脉冲持续时间也是不同的，然而对于每个代码区来说是固定地预先确定的。由于松脱的车轮螺栓在车轮和轮毂之间产生间隙。由此在车轮悬架中通常产生轻微振动以及在负荷变化情况中在车轮和轮毂之间产生滑移。两种效应表现在传感器的测量数据中。
振动效应产生独立脉冲持续时间的附加的周期变化。该变化的频率通常为与车轮螺栓数量相乘的轮速或车轮频率的整数倍。在负荷变化情况中、即在从加速阶段过渡到制动或发动机制动阶段中时或者在相反情况中，在车轮螺栓松脱时通常在车轮或轮辋和轮毂之间出现滑移。该滑移与位于车轮固定件和其在轮辋中的通孔之间的机械间隙相关。在孔环半径已知的情况下可以弧度作为商计算理论上可能的滑移角。滑移角的典型值处于1mm至1.5mm的范围中。孔环半径的值根据车辆大约为50mm。因此滑移角为大约1°的数量级。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，至少一个评估和控制单元可在第二评估过程中确定独立脉冲持续时间在轮速上的周期变化。优选的是，至少一个评估和控制单元在第二评估过程中通过滤波和/或傅里叶变换将周期变化变换为频域。向频域的转化可有利地实现对独立脉冲持续时间的与频率相关的变化的简单且快速的评估。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，至少一个评估和控制单元可在频率分析期间求得独立脉冲持续时间的周期变化的频谱谱线的幅度，该独立脉冲持续时间的频率为与车轮固定件数量相乘的轮速的整数倍。优选的是，评估和控制单元将所求得的谱线的幅度与预先确定的阈值相比较，并且当所求得的谱线的幅度达到和/或超过预先确定的阈值时识别出在对应的车轮处松脱的车轮固定件。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，评估和控制单元可作为瞬时轮速(可由独立脉冲持续时间计算)和平均轮速(可由平均脉冲持续时间计算)之差的短时间总和和/或在变化期间的短时间总和求得在负荷变化情况中在至少一个车轮和对应的轮毂之间出现的滑移的滑移角，并且为了识别在至少一个车轮和对应的轮毂之间的机械间隙可评估该滑移角。优选的是，当所计算的滑移角的值达到预先确定的例如1°的阈值和/或处于该阈值的预先确定的例如±0.2°的公差范围中时，至少一个评估和控制单元识别出在对应的车轮处松脱的车轮固定件。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，至少一个评估和控制单元可借助于视觉的和/或声音的警报显示出松脱的车轮固定件。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明中予以详细阐述。在附图中，相同的附图标记表示实现相同或相似功能的部件或元件。
图1示出了根据本发明的用于车辆的传感器组件的实施例的示意性方框图。
图2示出了用于图1中的根据本发明的用于车辆的传感器组件的转速获取装置的立体示意图。
图3示出了在多极盘的运动和磁场变化的测量之间的关系的示意图。
图4示出了在轮辋和轮毂之间的具有五个螺栓的连接区域的示意性俯视图以用于示出机械滑移。
图5示出了设置在图8的连接区域中的、在轮辋和轮毂之间的螺栓的示意性剖视图。
图6示出了第一极区图谱的示意图，该第一极区图谱是利用图1的根据本发明的传感器组件在具有五个固定的车轮固定件的车轮处获得的。
图7示出了第二极区图谱的示意图，该第二极区图谱是利用图1的根据本发明的传感器组件在具有五个松脱的车轮固定件的车轮处获得的。
图8示出了第三极区图谱的示意图，该第三极区图谱是利用图1的根据本发明的传感器组件在具有三个固定的车轮固定件的车轮处获得的。
图9示出了第四极区图谱的示意图，该第四极区图谱是利用图1的根据本发明的传感器组件在具有三个松脱的车轮固定件的车轮处获得的。
图10示出了示意性的特征曲线图以用于示出瞬时轮速和平均轮速，该平均轮速利用图1的根据本发明的传感器组件在车轮处获得。
具体实施方式
如图1至图5所示，根据本发明的用于车辆1的传感器组件的所示实施例包括多个转速获取装置20、22、24、26、28，这些转速获取装置在所示实施例中实施为磁性的转速获取装置20、22、24、26、28并且持续地获取磁场M的至少一个状态变量S并且将其发送给中央地设置在车辆1中的评估和控制单元10。另外如图2和图3所示，作为替代，每个转速获取装置20可配有一个评估和控制单元100。至少一个评估和控制单元10、100从至少一个转速获取装置20、22、24、26、28接收信号并且评估这些信号。在第一评估过程12中，至少一个评估和控制单元10、100求得至少一个车轮30的转速ω，该车轮的轮辋32通过车轮固定件34固定在对应的轮毂52处。根据本发明，至少一个评估和控制单元10、100进行第二评估过程14并且基于持续获取的至少一个状态变量S识别并监控在至少一个车轮30和对应的轮毂52之间的机械间隙以用于探测松脱的车轮固定件34。至少一个评估和控制单元10、100借助于视觉的和/或声音的警报显示松脱的车轮固定件34，该警报通过未示出的输出部件(例如包括警报灯、扬声器等)发出。
另外如图2和图3所示，每个转速获取装置20、22、24、26、28包括编码盘和对应的实施为磁场传感器23的传感器，该编码盘优选实施为具有预定数量N的极区21.1的磁性的编码盘或多极盘21。每个极区21.1在对应的磁场传感器23中产生所获取的状态变量S的具有预先确定的独立脉冲持续时间Δti的测量脉冲，其中，至少一个评估和控制单元10、100在第二评估过程14中求得每个极区21.1的独立脉冲持续时间Δti，其中，多极盘21或磁场传感器23与可旋转地支承的车轮30连接。在所示实施例中，多极盘21分别与车轮30固定连接，并且对应的磁场传感器23与车身固定地设置。在为每个车轮30分别使用一个评估和控制单元100时，评估和控制单元100分别与对应的磁场传感器23优选形成设置在共同的壳体27中的传感器单元25。
为了在机动车中利用ABS功能而设置在车轮30处的转速获取装置20、22、24、26、28测量每个车轮30的独立的转速。对此，安装在车辆侧的磁场传感器23(例如实施为霍尔传感器或GMR(巨磁电阻)传感器)测量对于设置在车轮侧的多极盘继续转过预定的角位置所需的持续时间。通过测量磁场M的变化进行对多极盘21的运动的测量，该磁场的磁力线在图3中示意性地示出。根据多极盘21相对于磁场传感器23的位置得出磁场M的所获取的状态变量S的在图3中所示的信号曲线。作为状态变量S优选测量磁场强度B。预先确定的角位置相应于各个极区21.1的尺寸并且持续时间相应于上文所述的独立脉冲持续时间Δti。
多极盘21通常制造得不够完美。由于产生的公差出现极区分度误差并且即使在理想的、即固定拧紧的没有不平衡度的车轮30中所测量的独立脉冲持续时间Δti相对于与速度相关的平均脉冲持续时间ΔtMittel也是不同的。然而对于每个极区21.1来说独立脉冲持续时间Δti是固定地预先确定的。由于车轮固定件34松脱，在轮辋32或车轮30和轮毂52之间产生机械间隙。由此在车轮悬架中通常产生轻微振动以及在负荷变化情况中在轮辋32或车轮30和轮毂52之间产生滑移ds。两种效应表现在磁场传感器23的测量数据中。
振动效应产生独立脉冲持续时间Δti的附加的周期变化εi。该变化εi的频率通常为与车轮固定件34的数量N相乘的相应车轮30的转速ω的整数倍。至少一个评估和控制单元10、100例如通过状态变量S的过零时间点求得独立脉冲持续时间Δti。
图6至9示出了该变化εi的不同频谱。所示出的是变化ε在车轮一整转上离散傅里叶变换之后的频率线。对此，至少一个评估和控制单元10、100在第二评估过程14中对每个极区21.1将独立的周期变化εi计算为独立的所测量的脉冲持续时间Δti和平均脉冲持续时间ΔtMittel的与轮速无关的比值减去值为1的常数，如等式(1)。
至少一个评估和控制单元10、100在第二评估过程14中将在车轮一转上的平均脉冲持续时间ΔtMittel计算为多极盘21的当前极区21.1的所获取的独立脉冲持续时间Δti之和与当前极区21.1的数量N的比值，如等式(2)。
作为傅里叶变换的替代，至少一个评估和控制单元10、100可在第二评估过程14中通过滤波将周期变化εi变换为频域。
图6示例性地示出了第一极区图谱，该极区图谱利用根据本发明的传感器组件在具有五个固定的车轮固定件34的车轮30处被获得。图7示出了在车轮固定件34松脱时在同一车轮30处测得的第二极区图谱。如从图6和图7的对比中所看到的，根据图7的第二极区图谱的谱线在为与车轮固定件34的数量N相乘的车轮频率fRad的整数倍的频率处具有比根据图6的第一极区图谱的对应谱线明显更高的幅度。这特别适用于车轮频率fRad的5倍或10倍等。
图8示例性地示出了第三极区图谱，该极区图谱利用根据本发明的传感器组件在具有三个固定的车轮固定件34的车轮30处被获得。图9示出了在车轮固定件34松脱时在同一车轮30处测得的第四极区图谱。如从图8和图9的对比中所看到的，根据图9的第四极区图谱的谱线在为与车轮固定件34的数量N相乘的车轮频率fRad的整数倍的频率处具有比根据图8的第三极区图谱的对应谱线明显更高的幅度。这特别适用于车轮频率fRad的3倍或6倍或9倍等。
至少一个评估和控制单元10、100确定独立脉冲持续时间Δti的周期变化εi的频谱的谱线的幅度，该独立脉冲持续时间的频率为与车轮固定件34的数量N相乘的轮速ω或车轮频率fRad的整数倍。在频率分析期间，至少一个评估和控制单元10、100将所确定的谱线的幅度与预先给定的阈值相比较，并且当所确定的谱线的幅度达到和/或超过预先给定的阈值时识别出在对应车轮30处松脱的车轮固定件34。作为替代，还可仅探测极区分度的提高的变化εi。
作为附加或替代，至少一个评估和控制单元10、100利用滑移效应并且为了探测松脱的车轮固定件34评估由轮速信号求得的滑差。
另外，如由图4和图5所看到的，在负荷变化情况中、即在从加速阶段过渡到制动阶段或发动机制动阶段或者在相反情况中时，在车轮固定件34松脱的情况下通常在轮辋32和轮毂52之间出现滑移。该滑移与在对应的车轮固定件34和其在轮辋32中的通孔之间的机械间隙ds有关。在孔环半径rLK已知的情况下，理论上可能的滑移角可以弧度为单位计算为根据等式(3)的商。
另外如图4所示，车轮螺栓34在孔侧处接合。在负荷变化时，变化发生在另一以虚线示出的孔侧上。机械间隙ds的典型值处于从1mm至1.5mm的范围中。孔环半径rLK与车辆相关并且大约为50mm。因此滑移角为大约1°的数量级。
如图10所示，在所示的实施例中，通过至少一个评估和控制单元10、100根据等式(4)计算瞬时轮速ωi(由独立脉冲持续时间Δti计算)和平均轮速ωMittel(由平均脉冲持续时间(ΔtMittel)计算)之差的短时间积分至少一个评估和控制单元10、100由所测得的轮速信号ω计算滑移角
这近似等于根据等式(5)的短时间总和
或者根据等式(6)通过变化εi换算加权的短时间总和
所计算的滑移角是带符号的，其中，符号说明了瞬时轮速ωi低于或高于平均轮速ωMittel。在此，在从加速阶段过渡到制动阶段时预期有较低的瞬时轮速ωi并且在反向的负荷变化中预期有较高的瞬时轮速ωi。
因此，为了探测滑移效应，优选持续地通过变化εi形成在等式(6)中给出的加权的短时间总和例如通过五个相邻的极区21.1。这例如可实现为具有长度5的FIR-滤波器(FIR：有限脉冲响应)，其中，所有滤波器系数的值为1。总和长度5是出于以下期望，即，边沿变化通常在滚动距离之内结束，该滚动距离相应于多极盘21的五个极区21.1或大约为车轮一转的十分之一。评估和控制单元10、100在负荷变化情况中评估所出现的滑移的计算出的滑移角以识别在至少一个车轮30或轮辋32和对应的轮毂52之间的机械间隙ds。当所计算的滑移角的值达到预先给定的阈值和/或处于阈值的预先给定的公差范围中时，至少一个评估和控制单元10、100识别出在对应的车轮30处松脱的车轮固定件34。在出现负荷变化情况期间所测得的滑移角以相对于理论值的微小偏差的多次出现同样可用于探测松脱的车轮固定件34。
根据本发明的用于车辆1的传感器组件的实施例可有利地无需硬件方面的更多成本而实施到每个车辆的ESP(电子稳定程序)或ABS(防抱死系统)控制器中。以这种方式，根据本发明的传感器组件的实施例可能应用到每个在待监控的车轮处具有轮速传感器的车辆中，例如乘用车、载重车、摩托车。
本发明以电磁的转速获取装置为例进行说明，其包括作为编码盘的多极盘和用于获取磁场的至少一个状态变量的磁场传感器。当然本发明的实施方式还可利用评估其他物理变量(例如光学变量)以获取转速的转速获取装置得以使用。
Claims (10)
1.一种评估和控制单元(10、100)，其接收并评估由至少一个转速获取装置(20、22、24、26、28)发送的信号，其中所述转速获取装置(20、22、24、26、28)是用于车辆的传感器组件的一部分并且持续地获取至少一个状态变量(S)并且发送给所述评估和控制单元(10、100)，其中，所述评估和控制单元(10、100)利用所获取的至少一个状态变量(S)执行第一评估过程(12)并且求得至少一个车轮(30)的转速，该至少一个车轮的轮辋(32)通过车轮固定件(34)固定在对应的轮毂(52)处，其中，所述评估和控制单元(10、100)执行第二评估过程(14)并且基于持续获取的所述至少一个状态变量(S)识别在所述至少一个车轮(30)和所述对应的轮毂(52)之间的机械间隙并且监控该机械间隙以探测松脱的车轮固定件(34)，其特征在于，每个转速获取装置(20、22、24、26、28)包括具有预定数量(N)的代码区(21.1)的编码盘(21)和对应的传感器(23)，其中，每个代码区(21.1)在所述对应的传感器(23)中产生所获取的状态变量(S)的具有独立脉冲持续时间(Δti)的测量脉冲，并且其中，所述评估和控制单元(10、100)在所述第二评估过程(14)中确定每个代码区(21.1)的独立脉冲持续时间(Δti)。
2.根据权利要求1所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)在所述第二评估过程(14)中将在车轮一转上的平均脉冲持续时间(ΔtMittel)计算为所述编码盘(21)的当前代码区(21.1)的所获取的独立脉冲持续时间(Δti)之和与所述当前代码区(21.1)的数量(N)的商。
3.根据权利要求2所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)在所述第二评估过程(14)中确定所述独立脉冲持续时间(Δti)关于轮速(ω)的周期变化(εi)。
4.根据权利要求3所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)在所述第二评估过程(14)中通过滤波和/或傅里叶变换将所述周期变化(εi)变换为频域。
5.根据权利要求3所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)求取独立脉冲持续时间(Δti)的周期变化(εi)的频谱的谱线的幅度，该独立脉冲持续时间的频率为与所述车轮固定件(34)的数量相乘的轮速(ω)的整数倍。
6.根据权利要求5所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)在频率分析期间将所求取的幅度与预先确定的阈值相比较，并且当所求取的幅度达到或超过预先确定的阈值时识别出松脱的车轮固定件(34)。
7.根据权利要求3所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)作为瞬时轮速(ωi)和平均轮速(ωMittel)之差的短时间总和和/或在所述变化(εi)上的短时间总和求得在所述至少一个车轮(30)和对应的所述轮毂(52)之间在负荷变化情况下出现的滑移(ds)的滑移角并且为了识别在所述至少一个车轮(30)和对应的所述轮毂(52)之间的机械间隙评估该滑移角，其中所述瞬时轮速(ωi)由所述独立脉冲持续时间(Δti)计算并且所述平均轮速(ωMittel)由所述平均脉冲持续时间(ΔtMittel)计算。
8.根据权利要求7所述的评估和控制单元，其特征在于，当所计算的滑移角的值达到预先确定的阈值和/或处于该阈值的预先确定的公差范围中时，所述评估和控制单元(10、100)识别出在相应的所述车轮(30)处松脱的车轮固定件(34)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的评估和控制单元，其特征在于，所述转速获取装置(20、22、24、26、28)实施为磁性的或光学的转速获取装置。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的评估和控制单元，其特征在于，所述评估和控制单元(10、100)借助于视觉的和/或听觉的警报显示松脱的车轮固定件(34)。
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