DE10164929B4 - Verfahren zum Erfassen von Reaktionskräften in einem Radlager - Google Patents
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Abstract
– dass mittels Sensoren (2, 2a) resultierende Lagerkräfte (FresL) im Radlager (1) ermittelt werden, wobei die resultierenden Lagerkräfte (FresL) aus den Reaktionskräften und aus Bremsreaktionskräften (FtanL) im Radlager (1) zusammengesetzt sind und wobei die Bremsreaktionskräfte (FtanL) aus Bremskräften (FtangB) resultieren,
– dass mittels wenigstens eines weiteren Sensors (3, 3a, 3b, 3c) die beim Bremsvorgang auf einen Bremssattel wirkenden Bremskräfte (FtangB) bestimmt werden und
– dass aus den resultierenden Lagerkräfte (FresL) der Einfluss (FtanL) der Bremskräfte (FtangB) auf die resultierenden Lagerkräfte (FresL) herausgerechnet wird.
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Reaktionskräften in einem Radlager (
1 ), wobei die Reaktionskräfte im Radlager aus Kräften resultieren, welche im Fahrbetrieb am Reifen eines Fahrzeugrades wirken. - Hintergrund der Erfindung
- Um die Sicherheit und den Fahrkomfort moderner Fahrzeuge weiter zu verbessern, benötigen die elektronischen Regelsysteme für den Fahrbetrieb im Fahrzeug zunehmend mehr Informationen über die aktuelle Fahrsituation. Zusätzlich zu den aktuellen Daten des Motors, des Getriebes und Drehzahl der einzelnen Räder sollen zukünftig auch die aktuellen Kräfte und Kraftrichtungen (Radaufstandskräfte), die auf die einzelnen Reifen wirken, zur Regelung des Fahrbetriebes mit herangezogen werden. Um diese Kräfte zu erfassen gibt es verschiedene Lösungsversuche: Kräfte im Reifen messen oder Messadapter zwischen Felge und Aufnahmeflansch einsetzen (
DE 196 27 385 oder „Erfassung der mehr axialen Fahrbetriebsbelastungen mit dem Messrad „Velos””, A. Rupp, W. Diefenbach, V. Grubisic, ATZ Automobiltech nische Zeitung 96 (1994)). Diese Lösungsversuche haben alle das Problem, dass die Kräfte vom einem drehenden Teil aus übertragen werden müssen. Dazu ist ein zusätzlicher Aufwand notwendig, wie der Einsatz von telemetrischer Datenübertragung oder die Verwendung von Schleifkontakten. - Zur Erfassung dieser Radaufstandskräfte bieten sich hierbei besonders die Radlager an, da diese die gesamten Kräfte, die am Reifen wirken, auf den Rahmen des Fahrzeuges übertragen.
- In der
EP 0 432 122 A2 wird eine Radlagereinheit gezeigt, bei der an verschiedenen Stellen am stehenden Ring Sensoren angeordnet sind. Aus den gemessenen Reaktionskräften am stehenden Ring des Radlagers können bei einer Geradeausfahrt oder bei einer Kurvenfahrt die Kräfte, die am Reifen wirken, bestimmt werden. Das Problem dieser Messanordnung tritt trotz der vielen Messstellen in dem Moment auf, in dem die Bremse des Fahrzeuges betätigt wird. Versuche haben gezeigt, dass beim Bremsen die Radaufstandskräfte bzw. deren korrespondierende Reaktionskräfte im Radlager nicht mehr exakt ermittelt werden können. - Zusammenfassung der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln von Reaktionskräften aus Radkräften zu schaffen.
- Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Kräfte, zum Beispiel die Radaufstandskräfte (FXR, FXR1, FXR2, FYR, FZR), die zwischen Reifen und Straßenbelag wirken, werden indirekt über die Reaktionskräfte im Radlager gemessen. Dazu werden am feststehenden Ring des Radlagers mittels Sensoren (z. B. Dehnungsmessstreifen, Dünnschicht dehnungsmessstreifen) die Reaktionskräfte (die Spannungsveränderung) im feststehenden Ring des Radlagers ermittelt.
- Bei einer Fahrt ohne Bremsen werden aus diesen Belastungen direkt die Radaufstandskräfte ermittelt.
- Beim Bremsvorgang werden die Reaktionskräfte im Radlager durch die eingeleiteten Kräfte über die Scheibenbremse stark beeinflusst. Mit der Kenntnis über Lage und Größe der aktuell wirkenden Kräfte beim Bremsvorgang ist es möglich, aus den Gesamtkräften, die am feststehenden Ring des Radlagers durch die Sensoren erfasst werden, auf die Kräfte sowie den aktuellen Reibbeiwert zwischen Straßenbelag und Reifen zu schließen und diese mittels des Verfahrens zu ermitteln.
- Durch das permanente Messen der Kräfte an den Aufhängepunkten oder in den Trägern des angeflanschten Bremssattels wird die räumliche Lage des Schwerpunktes der Bremskräfte beim Bremsvorgang laufend ermittelt (Schwerpunkt der Bremskräfte – rechnerischer Angriffspunkt des Vektors der Bremskräfte an der Bremsscheibe bzw. an den Bremsbelägen). Die Lage des Schwerpunktes der Bremskräfte hängt von der eingeleiteten Bremskraft, dem aktuellen Reibbeiwert und Kontaktverhältnissen zwischen Bremsbelag und Scheibenbremse ab. Somit kann sich der aktuelle Schwerpunkt der Bremskräfte sowohl bei einem Bremsvorgang als auch über die Betriebszeit hinweg verschieben.
- Mit der Kenntnis der um den Einfluss der Bremskräfte reduzierten Reaktionskräfte im Radlager, kann der Bremsvorgang besser als mittels der nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren angesteuert werden.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Bremskräfte und Einflüsse aus dem Straßenbelag rechnerisch unterschieden werden können. Fährt ein Fahrzeug auf einem weichen Untergrund (Schnee, Kies, weicher Boden, Pfütze) so bildet sich vor dem Reifen eine Materialanhäufung, die weg geschoben werden muss. Dieses Wegschieben bewirkt im Reifen eine Tangentialkraft, die die gleiche Wirkung wie die Bremskraft hat. Durch das Erfassen der aktuellen Bremskräfte können diese horizontal wirkenden Kräfte eindeutig in Bremskräfte und in Kräfte, die aus dem Straßenbelag auf den Reifen wirken aufgeteilt werden.
- Außerdem können beim Bremsvorgang mit angetriebenen Rädern die Kräfte, die in der Bremsscheibe wirken und die Abtriebskräfte (bzw. Abtriebsmoment); die über den Antriebsstrang eingeleitet werden ermittelt und unterschieden werden. Diese Unterscheidung ist notwendig, um beim Bremsen mit nicht getretener Kupplung (d. h. Motorbremse) diese Räder optimal abbremsen zu können. Diese Unterscheidung der Kräfte in Abtriebskräfte des Antriebsstranges und Bremskräfte ist bei allen Systemen, die in der Felge oder im Reifen messen; nicht möglich.
- Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt die grundsätzlich zu messenden Kräfte und Drehmomente wie sie aus dem Stand der Technik zum Beispiel gemäßDE 196 27 385 A1 bekannt sind. -
2 zeigt die Kräfteverhältnisse, die bei einem Bremsvorgang zwischen Bremsscheibe, Radlager und Straßenbelag auftreten. -
3a ,3b zeigen den Einfluss der Lage des Bremssattels auf die wirkenden Kräfte im Radlager beim Bremsvorgang. -
4a ,4b zeigen den Einfluss auf das Radlager, der durch die Verschiebung der Lage des Bremsschwerpunktes innerhalb der Bremsbeläge bei einem Bremsvorgang auftreten kann. -
5a ,5b zeigen die Kräfteverhältnisse, die bei einem Bremsvorgang im weichen Untergrund auf die Radlagerung wirken. Trennung in Bremseinflüsse und Straßenbelageinflüsse. -
6 zeigt ein Radlager mit am stehenden Ring integrierten Trägern zur Aufnahme des Bremssattels und angeordneten Sensoren. -
7a ,7b zeigen ein Radlager mit zusätzlichen Befestigungsvorrichtungen zur Aufnahme der Träger des Bremssattels am stehenden Ring des Radlagers und angeordneten Sensoren. -
8 zeigt ein Radlager mit am Schwenklager befestigten Trägern des Bremssattels und eine mögliche Anordnung der Sensoren. -
1 zeigt einen Reifen, an dem die Kräfte Fx, Fy, Fz und die Momente Mx, My, Mz. Diese Kräfte bzw. Momente wirken zwischen Reifen7 und Straße. - In der
2 ist ein Rad beim Bremsen dargestellt. Um die Darstellung mit Kraftpfeilen nicht zu überfrachten, wurde eine Geradeausfahrt zugrunde gelegt. Die bekannten Radkräfte FYR bei der Kurvenfahrt werden nicht dargestellt. In dieser Schemadarstellung ist der Reifen7 , die Bremsscheibe8 , der Bremssattel4 (bzw. Bremsbelag) sowie die Befestigung des Bremssattels6 am stehenden Außenring1a des Radlagers1 gezeigt. Die Bremskraft FtanB wirkt auf die Bremsscheibe, die mit dem Innenring1b des Radlagers1 verbunden ist und den Reifen abbremst. - Die Sensoren
2 der Messanordnung sind am stehenden Ringteil1a angeordnet. Die Sensoren3 ermitteln die Kräfte in den Bremsträgern, um so den aktuellen Angriffspunkt5 (Schwerpunkt) der Bremskraft und die Größe der Bremskraft FtanB zu bestimmen. Die Bewegungsrichtung des Rades ist mit v gekennzeichnet. Die Bremskraft FtanB und die Kraft FXR1 ergeben sich durch die Hebelverhältnisse des Reifens zum aktuellen Schwerpunkt der Bremskraft. Die Kräfte FtanB und FXR1 stützen sich im Radlager zwischen Innen- und Außenring ab. Dort rufen diese Kräfte Reaktionskräfte in Form von FtanL und FXL1 hervor. Die Gewichtskräfte zwischen Reifen7 und Straßenbelag10 FzR bewirken im Radlager1 die Kräfte FzL. - Zwischen Innenring
1b und stehendem Außenring1a des Radlagers1 wirken bei einer gebremsten Geradeausfahrt demzufolge immer drei Kraftkomponenten (FXL1, FZL, FtanL). - My(FtanB) bzw. My(FXR1) ist das Moment, das beim Bremsen wirkt.
- In
3a werden die zwischen Innenring1b und Außenring1a wirkenden Kräfte im Radlager1 geometrisch addiert, um die resultierende Lagerkraft FresL zu ermitteln, die über die Sensoren2 , gemessen werden. Zur Ermittlung der Reaktionskräfte (FXL1, FZL) wird aus den gemessenen Lagerkräften FresL der Einfluss der Bremskräfte FtanL herausgerechnet. Der aktuelle Reibbeiwert zwischen Reifen und Straßenbelag wird über das Verhältnis FXL1 und FZL bestimmt. In allen anderen Einzelheiten entspricht die3a der2 . - In
3b soll dargestellt werden, dass die Anordnung des Bremssattels4a eine grundsätzliche Auswirkung auf die resultierenden Lagerkräfte FresL hat. Die3a und3b sind jeweils mit gleichen Radkräften9 gezeichnet. Aus dieser Darstellung wird deutlich, wie die Lage des Bremssattels4a und damit des Bremsschwerpunktes5a das Messergebnis FresL beeinflusst. - In der
4a und4b wird das Problem dargestellt, dass sich der Bremsschwerpunkt5b ,5c innerhalb der Bremsbeläge4 beim Bremsvorgang verschieben kann. Je nach Schwerpunkt5b ,5c der Bremskraft FtanB ergeben sich unterschiedliche Werte für die resultierende Kraft FresL im Radlager1 . - Um zu den aktuell wirkenden Reaktionskräften (FXL1, FZL) beim Bremsvorgang zu kommen, müssen aus der resultierenden Lagerkraft FresL permanent die aktuellen Einflüsse der Bremskraft FtanL (gemessen über die Sensoren
3 am Träger6 ) herausgerechnet werden. - In dem Bild 5a wird die Problematik dargestellt, wenn ein Reifen sich in einem weichen Untergrund
11 bewegt. Dieser weiche Untergrund führt zu einem Verschieben der Radaufstandskräfte. Im weichen Untergrund11 muss die Kraft FXR2 aufgebracht werden, um diesen Untergrund zu verdrängen. Diese Kraft FXR2 hat eine korrespondierende Kraft im Radlager FXL2. In dieser Figur sind die Kraftverhältnisse ohne Bremseneingriff gezeichnet. Die Auswertung der gemessenen Bremskräfte (FtanB = 0) ergibt, dass die Horizontalkraft von außen auf den Reifen wirkt und nicht durch Bremskräfte hervorgerufen wird. Die Träger6 und die Sensoren3 sind aus Übersichtlichkeitsgründen in dieser Figur nicht gezeigt. - In
5b ist die Situation aus5a dargestellt, wobei nun auf weichem Untergrund11 gebremst wird. Die horizontal auf den Reifen7 wirkenden Kräfte wurden in dieser Darstellung durch die zwei Kraftvektoren FXR2 und FXR1 dargestellt. FXR2 entspricht der Kraft, die durch den weichen Untergrund11 auf den Reifen wirkt. FXR1 entspricht der Kraft, die durch das Bremsen in horizontaler Richtung entsteht. Die restlichen Kräftepfeile entsprechen den Darstellungen der vorher genannten Figuren. - Durch die genaue Kenntnis der Bremskraft FtanB sowie der Kraft FXR1, die über Hebelarme proportional zur Bremskraft ist, kann die resultierende Lagerkraft FresL rechnerisch um die Kräfte FtanL und FXR1 reduziert werden. Damit sind alle Größen der aktuell wirkenden Radaufstandskraft bekannt. Mit den bekannten Systemen der Messräder oder Adaptern ist diese Trennung der Kräfte, die tangential auf den Reifen
7 wirken nicht möglich, da diese Systeme die Bremskräfte nicht kennen. Durch die Anordnung der Sensoren2 ,3 am feststehenden Ring1a des Radlagers1 und an den Trägern6 des Bremssattels4 können somit auch in extremen Fahrsituationen die exakten Kraftverhältnisse zwischen Reifen und Straßenbelag ermittelt werden. - In
6 wird ein Radlager1 gezeigt, bei dem am Gehäuse1d des Außenrings1a zwei Träger6a integriert sind, die den Bremssattel aufnehmen. Der Bremssattel sowie die Bremsbeläge und die Bremsscheibe sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Der Flansch13 zur Aufnahme der Felge bzw. Bremsscheibe13 ist mit den Innenring1b verbunden. Die Sensoren3 zur Messung der Bremskraft sind in den beiden Armen des Trägers6a angeordnet. Am Gehäuse1d des Außenringes1a sind die Sensoren2a zur Messung der Kräfte angebracht. - In der
7a und7b ist eine Radlagereinheit mit angeordnetem Bremssattel gezeigt. In der7a ist eine Radlagereinheit mit drehendem Flanschteil13 und stehendem Außenring1a gezeigt. Am Außenring1a sind die Sensoren2b angeordnet. Die Sensoren2b sind in dieser Darstellung in zwei Ebenen angeordnet, um auch die Kippkräfte bei der Kurvenfahrt des Fahrzeuges messen zu können. Am Flansch1e des stehenden Außenringes1a sind die Befestigungsbohrungen14 zur Aufnahme im Schwenklager (das Schwenklager wird in8 gezeigt) und die separaten Bohrungen15 zur Aufnahme des Bremssattelträgers6 gezeigt. An den Bohrungen15 sind die Sensoren3a im Flanschbereich1e angeordnet, mit denen die Bremskraft und Bremsschwerpunkt gemessen werden. Durch die räumliche Nähe der Sensoren2b ,3a ergeben sich Vorteile bei der Handhabung und Montage, da alle Sensoren2b ,3a an einem stehenden Teil angeordnet sind. - Die
7b zeigt die7a mit über die Träger6 befestigtem Bremssattel18 . In dieser Darstellung sind aus perspektivischen Gründen die Sensoren2b ,3a nicht sichtbar. Über die Bohrungen15 , wird der Bremssattel18 durch den Bremssattelträger6 befestigt. Über die Bohrungen14 wird die Radlagereinheit mit dem Schwenklager verbunden. Die Sensoren zur Bestimmung der Bremskraft und Schwerpunktes3b sind wahlweise in den Trägern6 des Bremssattels18 angebracht. - In der
8 ist das Schwenklager16 gezeigt. Das Radlager sitzt in der Bohrung17 des Schwenklagers16 und wird über die Bohrungen19 befestigt. Das Radlager ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. Der Bremssattel18 mit seinen Trägern ist in dieser Darstellung am Schwenklager16 befestigt. Die Sensoren3c zur Bestimmung der Bremskraft mit Schwerpunkt sind dargestellt. -
- 1
- Wälzlager, Radlager
- 1a
- Außenring
- 1b
- Innenring drehend
- 1c
- Wälzkörper
- 1d
- Aufnehmendes Gehäuse
- 1e
- Außenring mit Flansch
- 2
- Sensoren am Außenring
- 2a
- Sensoren am stehenden Gehäuse des Außenrings
- 2b
- Sensoren am Außenringflansch
- 3
- Sensoren am Bremssattelträger
- 3a
- Sensoren am Flansch des Außenringes
- 3b
- Sensoren an den Trägern des Bremssattels
- 4
- Bremsbelag im Bremssattel
- 4a
- Bremsbelag im Bremssattel
- 5
- Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
- 5a
- Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
- 5b
- Unterschiedlicher Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
- 5c
- Unterschiedlicher Schwerpunkt der Bremskräfte an dem Bremsbelag
- 6
- Befestigungsträger des Bremssattels (Bremssattelträger)
- 6a
- Befestigungsträger des Bremssattels einteilig mit dem Gehäuse verbunden
- 7
- Reifen
- 8
- Bremsscheibe
- 9
- Radkräfte
- 10
- Straßenbelag
- 11
- Weicher Untergrund
- 12
- Aufnahme Bremssattelträger
- 13
- Flansch zur Aufnahme der Felge bzw. Bremsscheibe
- 14
- Bohrungen zur Befestigung im Schwenklager
- 15
- Bohrungen zur Befestigung des Bremssattelträgers
- 16
- Schwenklager
- 17
- Aufnahmeöffnung für den Außenringflansch
- 18
- Bremssattel
- 19
- Bohrungen im Schwenklager zur Befestigung des Radlagers
Claims (9)
- Verfahren zum Ermitteln von Reaktionskräften in einem Radlager (
1 ), wobei die Reaktionskräfte im Radlager aus Kräften resultieren, welche im Fahrbetrieb am Reifen eines Fahrzeugrades wirken, dadurch gekennzeichnet, – dass mittels Sensoren (2 ,2a ) resultierende Lagerkräfte (FresL) im Radlager (1 ) ermittelt werden, wobei die resultierenden Lagerkräfte (FresL) aus den Reaktionskräften und aus Bremsreaktionskräften (FtanL) im Radlager (1 ) zusammengesetzt sind und wobei die Bremsreaktionskräfte (FtanL) aus Bremskräften (FtangB) resultieren, – dass mittels wenigstens eines weiteren Sensors (3 ,3a ,3b ,3c ) die beim Bremsvorgang auf einen Bremssattel wirkenden Bremskräfte (FtangB) bestimmt werden und – dass aus den resultierenden Lagerkräfte (FresL) der Einfluss (FtanL) der Bremskräfte (FtangB) auf die resultierenden Lagerkräfte (FresL) herausgerechnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierenden Kräfte (FresL) an einem stehenden Ringteil (
1a ) des Radlagers (1 ) mittels der an dem Ringteil (1a ) angeordneten Sensoren (2 ,2a ) ermittelt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierenden Kräfte (FresL) an einem stehenden Gehäuse (
1d ) eines stehenden Ringteils (1a ) des Radlagers (1 ) mittels der an dem Gehäuse angeordneten Sensoren (2 ,2a ) ermittelt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremskräfte (FtangB) mittels des weiteren Sensors (
3 ,3a ,3b ,3c ) zwischen dem Radlager (1 ) und einem Bremssattel (18 ) ermittelt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremskräfte (FtangB) mittels des weiteren Sensors (
3 ,3a ,3b ,3c ) zwischen dem Radlager (1 ) und einem Bremssattel (18 ) an den Aufhängepunkten des Bremssattels (18 ) ermittelt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremskräfte (FtangB) mittels des weiteren Sensors (
3 ,3a ,3b ,3c ) zwischen dem Radlager (1 ) und einem Bremssattel (18 ) an den Trägern des Bremssattels (18 ) ermittelt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außer der Größe der Bremskräfte (FtangB) auch die räumliche Lage des Schwerpunktes der Bremskräfte (FtangB) ermittelt wird, wobei der Schwerpunkt der Bremskräfte der rechnerische Angriffspunkt des Vektors der Bremskräfte ist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Reaktionskräfte aus den resultierenden Lagerkräften (FresL) permanent die Bremsreaktionskräfte (FtanL) herausge rechnet werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest zwei der Sensoren (
2b ) Kippkräfte im Radlager (1 ) aus Kurvenfahrt ermittelt werden, wobei die Sensoren (2b ) in zwei zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind.
Priority Applications (1)
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