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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Radlager-Messeinrichtung zum Messen einer
Reibkraft in einem rotierenden Radlager für ein Kraftfahrzeug.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Reibkraft
in einem rotierenden Radlager für ein Kraftfahrzeug.
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STAND DER TECHNIK
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Eine
Messung einer Reibkraft in einem rotierenden Lager erfolgt beispielsweise
zur Bestimmung der Qualität des Lagers, zur Prüfung
der Funktionalität des Lagers, zur Messung einer Verlustleistung
in einem Lager und Bestimmung der Wärmeentwicklung in demselben,
im Rahmen der Lebensdauervorhersage des Lagers sowie zur Überprüfung
des Betriebsverhaltens über ein vorgegebenes Lastwechselverhalten.
Eine derartige Prüfung ist von besonderer Bedeutung für
die hier einschlägigen Radlager für Kraftfahrzeuge,
für welche die an einem Rad des Kraftfahrzeugs auftretenden
Lasten zu simulieren sind und Vorhersagen über das Betriebsverhalten des
Radlagers zu treffen sind.
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Eine
Messeinrichtung zur Messung der internen Reibung von für
andere Zwecke als Radlager konzipierten Wälzlagern ist
aus
DE 20 2006
001 458 U1 bekannt. Diese Messeinrichtung soll durch wenige
Handgriffe umrüstbar sein von der Messung der Reibung in
einem Axialwälzlager zu der Messung der Reibung in einem
Radiallager. Für die Messung an einem Radiallager wird
eine Radialkraft in dem Radiallager dadurch erzeugt, dass eine Lagerschale
des Radiallagers mit einer definierten Kraft in vertikaler Richtung
nach oben gezogen wird. Eine Erzeugung einer Antriebsbewegung der
anderen Lagerschale führt in Folge der wirkenden Radialkraft
zu einer Reibkraft in dem Radiallager, die zur Folge hat, dass die
Lagerschale, die nach oben gezogen wird, geringfügig verdreht
wird. Diese Verdrehung hat allerdings zur Folge, dass die Wirkungslinie
der aufgebrachten Kraft zur Erzeugung der Radialkraft nicht mehr
durch die Rotationsachse des Radiallagers verläuft. Vielmehr
erhält die Zugkraft zur Erzeugung der Radialkraft einen
Hebelarm, welcher zu einem Rückstellmoment führt,
welches dem Reibmoment in dem Radiallager die Waage hält.
Um die genannten Verformungen zu ermöglichen ist in dem
Kraftfluss zur Erzeugung der Radialkraft eine straff gespannte Blattfeder
eingeschaltet, die biegeweich ist um eine Achse, die parallel zur
Rotationsachse des Radiallagers orientiert ist. Zur Erfassung der
Reibkraft schlägt die Druckschrift vor, über einen
Taster einer Messuhr die zuvor erläuterte (kleine) Auslenkung
zu erfassen. Über einen Aktuator wird dann eine Umfangskraft, ggf.
unter Zwischenschaltung eines Hebelarms, auf das Radiallager aufgebracht,
deren Betrag so angepasst wird, dass die Messuhr signalisiert, dass
die in Folge des Reibmoments verdrehte Lagerschale wieder in die
Ausgangslage zurückgekehrt ist, die die Lagerschale eingenommen
hat, als noch keine Reibkraft gewirkt hat. Die Kraft des Aktuators
korreliert dann mit der Reibkraft in dem Radiallager.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für
das Sondergebiet der Erfassung einer Reibkraft in einem rotierenden
Radlager für ein Kraftfahrzeug eine Messeinrichtung vorzuschlagen,
die bei verhältnismäßig einfachem Aufbau
eine Simulation der im Betrieb auf das Radlager wirkenden Beanspruchungen
und eine präzise Erfassung der in dem Radlager wirkenden
Reibkräfte ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung einer Reibkraft
in einem rotierenden Radlager für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen,
welches bei Simulation der im Betrieb auf das Radlager wirkenden
Beanspruchungen eine Erfassung der Reibkraft mit hoher Präzision
ermöglicht.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit
einer Radlager-Messeinrichtung gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen einer
derartigen Radlager-Messeinrichtung ergeben sich entsprechend den Merkmalen
der abhängigen Patentansprüche 2 bis 11. Eine
weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe
ist gegeben durch ein Verfahren zum Messen einer Reibkraft in einem
rotierenden Radlager mit den Merkmalen des 12. Weitere Ausgestaltungen
eines derartigen Verfahrens ergeben sich entsprechend den Merkmalen
der abhängigen Patentansprüche 13 bis 16.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass
die eingangs erläuterte, aus dem Stand der Technik bekannte
Messeinrichtung für den Einsatz bei Radlagern für
ein Kraftfahrzeug in Folge der wirkenden Beanspruchungen und der
Drehzahlen, die in dem Radlager zurücksimulieren sind,
nicht geeignet ist. Darüber hinaus stellt die in
DE 20 2006 001 458
U1 beschriebene adaptive Anpassung der Kraft des Aktuators,
bis die Messuhr die Rückkehr in die Ausgangslage signalisiert,
ein in der Praxis ungeeignetes, aufwändiges und langwieriges
Verfahren dar.
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Andererseits
liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass für die
hier einschlägigen Radlager unter Umständen Radialkräfte,
also Radaufstandskräfte in vertikaler Richtung und Axialkräfte, also
Seitenführungskräfte zwischen Rad und Fahrbahn,
simulieren müssen, welche im Bereich einer Vielzahl von
Kilonewton liegen können. Dies erfordert somit scheinbar
eine besonders steife, robuste und ”grobmechanische” Messeinrichtung
mit Sensoren mit einem möglichst großen Messbereich
für die genannten großen Kräfte. Allerdings
sind die in einem Radlager hinreichender Qualität gemessenen
Reibkräfte und hierdurch hervorgerufenen Reibmomente um
Größenordnungen kleiner, so dass u. U. auch nur Reibkräfte
von wenigen Newton zu messen sind. Dies spricht eher für
einen eher ”feinmechanischen” Aufbau mit Sensoren
mit einem kleinen Messbereich zur Auflösung des Messsignals
mit hinreichender Güte. Erschwerend kommt hinzu, dass bereits
ein geringer Fehler bei einer Aufbringung einer Belastung zur Herbeiführung
der großen Vertikalkraft für das Radlager in dem
Messsignal der Reibkraft einen Fehlereinfluss haben kann, dessen
Größenordnung den Betrag der zu messenden Reibkraft
entsprechen kann, so dass ohne die im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen
Maßnahmen eine sinnvolle Messung nicht möglich
ist.
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Erfindungsgemäß besitzt
die Radlager-Messeinrichtung zunächst ein Antriebsaggregat,
mittels welcher eine Rotationsbewegung eines Antriebselements des
Radlagers herbeiführbar ist. Hierbei ist das Antriebsaggregat
geeignet ausgebildet, um eine gewünschte Relativbewegung
in dem Radlager herbeizuführen. Ist beispielsweise die
Messung einer ”Losbrech-Reibkraft” für
einen Stick-Slip-Übergang in dem Radlager gewünscht,
ist das Antriebsaggregat angepasst auf eine Erzeugung sehr kleiner
Antriebsdrehzahlen und auch die Erzeugung eines steigenden Antriebsdrehmoments
für die Drehzahl Null. Ist hingegen die Erfassung der Reibkraft
für konstante Drehzahlen des Radlagers gewünscht,
ist das Antriebsaggregat geeignet gestaltet, um konstante Drehzahlen,
unter Umständen abgestuft oder stufenlos einstellbar, erzeugen
zu können, wie diese üblicherweise in dem Kraftfahrzeug
auftreten. Schließlich kann das Antriebsaggregat auch geeignet
angepasst sein, um zeitlich veränderliche Drehzahlen des Radlagers
herbeizuführen bis hin zu oszillierenden Antriebsbewegungen
mit einer Veränderung der Drehrichtung. Die derart erzeugte
Rotationsbewegung wird über geeignete Kopplungsmittel von
dem Antriebsaggregat an ein Antriebselement des Radlagers übertragen,
bei welchem es sich insbesondere um eine Lagerschale des Radlagers,
vorzugsweise die innen liegende Radlagerschale handelt.
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Weiterhin
ist in der erfindungsgemäßen Radlager-Messeinrichtung
eine erste Belastungseinrichtung vorgesehen. Über diese
erste Belastungseinrichtung wird eine Vertikalkraft auf das Radlager
aufgebracht, die der in dem Radlager zu simulierenden Radialkraft
entsprechen soll und die Radaufstandskraft im Betrieb des Kraftfahrzeugs
simulieren soll. Über eine zweite Belastungseinrichtung
kann eine Seitenführungskraft, welche im Betrieb auf das
Rad des Kraftfahrzeugs und damit das Radlager wirkt, simuliert werden,
welche zu einer entsprechenden Axialkraft in dem Radlager führt.
Alternativ oder kumulativ kann über die zweite Belastungseinrichtung
ein Seitenkraftmoment simuliert werden, welches dadurch zustande
kommt, dass die Seitenführungskraft im Betrieb des Kraftfahrzeugs
um einen Hebelarm versetzt auf das Radlager wirkt, wobei der Hebelarm dem
Abstand der Aufstandsfläche des Rads auf der Fahrbahn von
der Rotationsachse des Radlagers entspricht.
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Für
die Belastungseinrichtungen können beliebige, an sich bekannte
statische oder dynamische Kraftaufbringungseinrichtungen eingesetzt
werden. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei um ”tote Massen”,
also über Umlenkrollen geführte und über weiche
Federn aufgehängte Gewichte. Ebenfalls möglich
ist der Einsatz beispielsweise hydraulischer, pneumatischer oder
elektromagnetischer Aktuatoren, die über geeignete Steuereinrichtungen
elektrischen, pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagt werden können.
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In
der erfindungsgemäßen Radlager-Messeinrichtung
ist darüber hinaus ein Abstützkörper
vorgesehen, gegenüber welchem ein Abtriebselement des Radlagers,
insbesondere eine äußere Lagerschale, abstützbar
ist. Der Abstützkörper ist mit dem Abtriebselement
drehbar um die Rotationsachse des Radlagers gelagert. Hierbei wird
unter ”gelagert” auch eine Art Aufhängung
verstanden. Somit würde an sich die Reibung in dem Radlager
bei einem Verdrehen des Antriebselements zu einer Verdrehung des
Abtriebselements mit dem Abstützkörper führen. Allerdings
ist erfindungsgemäß eine Sensoreinrichtung vorgesehen, über
die der Abstützkörper gegenüber einer
Verdrehung um die Rotationsachse des Radlagers abgestützt
ist. Somit ist im Idealfall, siehe auch die einschränkenden
folgenden Anmerkungen, die Sensoreinrichtung ausschließlich
durch die interessierende Reibkraft beaufschlagt. Durch Vorgabe geeigneter
Hebelarme kann eine Anpassung der Sensitivität der Sensoreinrichtung
erfolgen.
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Mit
den zuvor erläuterten Bauelementen ist eine erfindungsgemäße
Radlager-Messeinrichtung geschaffen, welche bei kompaktem Aufbau
die tatsächlich im Betrieb wirkenden Kräfte, nämlich
die Vertikalkraft, die Seitenführungskraft und/oder das Seitenkraftmoment,
simulieren kann. Eine Erfassung der Reibkraft ist über
die Sensoreinrichtung mit hinreichender Auflösung ermöglicht.
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Weitere
Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen
Radlager-Messeinrichtung widmen sich insbesondere der Minimierung
von Fehlereinflüssen: Überlegungen der Erfinder
haben gezeigt, dass vorrangig die folgenden Fehlerquellen das Messergebnis
für die Reibkraft beeinflussen:
- • Problematisch
ist die Ankopplung der Belastungseinrichtungen. Diese sollen im
Idealfall lediglich Kräfte in den Abstützkörper
oder zugeordnete Bauelemente einleiten, nicht jedoch Kopplungsmomente.
- • Darüber hinaus ist eine exakte Ausrichtung
der von den Belastungseinrichtungen erzeugten Kräfte zur
Rotationsachse des Radlagers erforderlich. Verläuft beispielsweise
die Wirklinie der erste Belastungseinrichtung nicht durch die Rotationsachse
des Radlagers, sondern mit einem Winkelfehler α, so lässt
sich diese Kraft F aufteilen in eine tatsächlich in vertikaler
Richtung wirkende Komponente FV sowie eine
horizontale Komponente FH = F·sinα.
Die horizontale Komponente der Kraft wirkt auf den Abstützkörper
in Richtung einer Verdrehung um die Rotationsachse des Radlagers und
simuliert damit eine Reibkraft, die tatsächlich nicht vorhanden
ist. Bereits für einen Winkelfehler von 1° beträgt
die Komponente FH für F = 10000 Newton
bereits 174 Newton, was bereits größer sein kann
als die zu messende Reibkraft. Dieser Sachverhalt erfordert eine
sehr präzise Justage der Messeinrichtung vor deren Inbetriebnahme.
- • Selbst bei einer exakten Justage der Messeinrichtung
können die Kräfte der ersten Belastungseinrichtung,
der zweiten Belastungseinrichtung, im Betrieb wirkende statische
und dynamische Kräfte und Kopplungskräfte mit
der Sensoreinrichtung zu einer Verformung der Messeinrichtung, insbesondere
des Abstützkörpers führen, die letztlich
zu den zuvor geschilderten Fehlereinflüssen führen.
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Insbesondere
auf Grundlage der obigen Erkenntnisse schlägt die Erfindung
folgende ergänzende Maßnahmen vor:
Gemäß einem
Vorschlag der Erfindung ist eine Kalibrier-Belastungseinrichtung
vorgesehen, über welche eine definierte, eine Reibkraft
in dem rotierenden Radlager simulierende Kalibrierkraft auf den
Abstützkörper aufbringbar ist. Die Kalibrier-Belastungseinrichtung
erzeugt eine bekannte Kraft, die stellvertretend für die
unbekannte Reibkraft an dem Abstützkörper wirkt.
Wird dann ein Ausgangssignal der Sensoreinrichtung detektiert, kann
eine definierte Beziehung zwischen der Kalibrierkraft und dem Ausgangssignal herbeigeführt
werden. Wirkt dann nach dieser Kalibrierung anstelle der bekannten
Kalibrierkraft eine Reibkraft, die zu demselben Ausgangssignal der Sensoreinrichtung
führt, kann darauf rückgeschlossen werden, dass
die Reibkraft der definierten Kalibrierkraft entspricht. Selbstverständlich
ist für den Fall, dass die Kalibrierkraft mit anderen Wirkverhältnissen,
insbesondere anderem Hebelarm, auf dem Abstützkörper
wirkt, eine ergänzende Umrechnung von der Kalibrierkraft
auf die Reibkraft erforderlich sei. Es versteht sich, dass über
die Kalibrier-Belastungseinrichtung nicht lediglich eine definierte
Kalibrierkraft erzeugt werden kann. Vielmehr ist es möglich,
dass ein ganzes Feld unterschiedlicher Kalibrierkräfte,
unter Umständen auch für unterschiedliche Belastungsrichtungen,
durchlaufen wird, so dass eine auch nichtlineare Kalibrierung der
Reibkraft erfolgen kann. Eine derartige Kalibrierung nimmt somit
die zuvor erläuterten Federquellen hin, so dass auch eine
nicht exakte Ausrichtung der Belastungseinrichtungen hingenommen
werden kann, was zu einem reduzierten Justageaufwand und Montageaufwand
der Radlager-Messeinrichtung führt. Trotz etwaiger derartiger Fehlreinflüsse
ist in Folge der vorgenommenen Kalibrierung die Messung der Reibkraft
mit hoher Genauigkeit möglich.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung widmet sich der Einbringung der Belastungskräfte
durch die erste und/oder zweite Belastungseinrichtung. Hier schlägt
die Erfindung vor, zwischen Abstützkörper und
Belastungseinrichtung eine gelenkig angelenkte Pendelstange anzuordnen,
welche unter Annahme idealer Gelenke lediglich eine Normalkraft,
aber keine Querkraft überträgt. Die Gelenke besitzen
hierbei jeweils eine Schwenkachse, wobei die beiden Schwenkachsen
parallel zueinander orientiert sind. Möglich ist, dass
auch Gelenkte mit einem räumlichen Schwenk-Freiheitsgrad
Einsatz finden.
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Vorzugsweise
sind die Schwenkachsen der Gelenke jeweils parallel zu der Rotationsachse
des Radlagers orientiert. Da abgesehen von der Sensoreinrichtung
keine weiteren Bauelemente eine Verdrehung des Abstützkörpers
um die Rotationsachse des Radlagers behindern sollen, ist eine derartige
Ausrichtung der Schwenkachsen der Gelenke von Vorteil: Für
diese Ausrichtung der Schwenkachsen behindern die Belastungseinrichtungen
die Verschwenkung des Abstützkörpers in geringst
möglichem Ausmaß, so dass weitere Fehlereinflüsse
für die Messung der Reibkraft zumindest gemindert sind.
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Eine
besonders einfache konstruktive Ausgestaltung eines derartigen Gelenks,
die dennoch zu einem optimalen Übertragungsverhalten führt,
ist gegeben, wenn das Gelenk mit einem Kontakt zwischen einem Vorsprung,
beispielsweise einer Spitze, einer abgerundeten Spitze oder einer
Schneide, mit einer konkav gekrümmten Anlagekontur, beispielsweise
einer Ausnehmung, einem Knick, einem abgerundetem Knick, gebildet
ist. Bei einem derartigen Gelenkt kommt es für eine Verschenkung
um die Schwenkachse zu einem Abwälzen des Vorsprungs an
der Anlagekontur, was unter sehr geringer Reibung erfolgt.
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Für
einen weiteren Vorschlag der Erfindung ist die zweite Belastungseinrichtung
geeignet gestaltet, um die Seitenführungskraft und/oder
das Seitenkraftmoment mit unterschiedlichem Wirkrichtungssinn auf
den Abstützkörper aufzubringen. Dieser Ausgestaltung
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Betrieb eines Kraftfahrzeugs
auf das Rad, beispielsweise beim Durchfahren einer Rechtskurve und
einer Linkskurve, Seitenkräfte mit unterschiedlichem Richtungssinn
wirken, die erfindungsgemäß ebenfalls simuliert
werden können.
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Weiterhin
schlägt die Erfindung vor, eine Abstützung des
Abstützungskörpers über einen Hebelkörper
an der Sensoreinrichtung vorzunehmen, so dass über die
Hebellänge eine Beeinflussung der Abhängigkeit
der Reibkraft von dem in der Sensoreinrichtung erzeugten Ausgangssignal
konstruktiv vorgegeben werden kann. Hierbei ist der Hebelkörper über
ein Kopplungselement mit dem Abstützkörper gekoppelt.
Das Kopplungselement ist in Umfangsrichtung um die Rotationsachse
des Radiallagers steif, damit die Reibkraft steif in Richtung der
Sensoreinrichtung abgestützt werden kann. Um die Reibkraft
möglichst verlustfrei erfassen zu können, ist
die Messachse der Sensoreinrichtung (im Wesentlichen) tangential
zur Umfangsrichtung um die Rotationsachse des Radlagers orientiert.
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Für
eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Radlager-Messeinrichtung
besitzt das Kopplungselement einen Schwenk-Freiheitsgrad, über den
der Hebelkörper relativ zu dem Abstützkörper
um eine quer zur Rotationsachse orientierte Querachse verschenkbar
ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere
durch die zweite Belastungseinrichtung der Abstützkörper
um die zuvor erläuterte Querachse verformt werden kann.
Erfolgt die Messung durch die Sensoreinrichtung unmittelbar an dem
Abstützkörper ohne Zwischenschaltung des Hebelkörpers,
führt jede Verbiegung um diese Querachse dazu, dass die
Messachse der Sensoreinrichtung nicht in der Ebene liegt, in welcher
die Reibkraft in dem Radlager wirkt, sondern dass die Messachse
gegenüber dieser Ebene geneigt ist, was zu einem weiteren
Fehlereinfluss führen würde. Hingegen lässt
die Nutzung des Hebelkörpers die vorgenannten Biegeverformungen
zu, die über den Hebelkörper von der Sensoreinrichtung
entkoppelt werden.
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Für
das Kopplungselement kann eine beliebige Gelenk- oder Lagereinrichtung
Einsatz finden. Allerdings ist ein besonders einfaches Kopplungselement,
welches mit hoher Präzision und ohne Spiel mit definierten
mechanischen Eigenschaften fertigbar ist für den Einsatz
einer Blattfeder gegeben. Diese Blattfeder kann derart in dem Kraftfluss
zwischen Hebelkörper und Abstützkörper
orientiert sein, dass der Biege-Freiheitsgrad der Blattfeder den Schwenk-Freiheitsgrad
bildet. Andererseits gewährleistet die axiale Steifigkeit
der Blattfeder die steife Kopplung in Umfangsrichtung um die Rotationsachse des
Radlagers, also in der Ebene, in welcher die Reibkraft wirkt.
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Möglich
ist, dass eine Sensoreinrichtung Einsatz findet, die vorgespannt
oder nicht vorgespannt über den Hebelkörper oder
den Abstützkörper beaufschlagt wird.
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Entsprechend
einem besonderen Vorschlag der Erfindung ist die Sensoreinrichtung
mit zwei Sensoren gebildet, die unter Vorspannung entgegengesetzt
zueinander von der Reibkraft beaufschlagt werden. Auf diese Weise
können auch die Reibkräfte in dem Radlager für
unterschiedliche Antriebsrichtungen des Antriebsaggregats erfasst
werden. Andererseits kann über für die Vorspannung
eingesetzte Feder unter Umständen der Einfluss einer unerwünschten
Verschiebung eines Federfußpunktes, beispielsweise des
Hebelkörpers in Folge mechanischer Beanspruchungen, auf
das Ausgangssignal des Sensors gemindert werden. Beispielsweise
kann eine Einleitung einer Seitenführungskraft in den Abstützkörper
elastische Verformungen des Abstützkörpers zur
Folge haben, die wiederum dazu führen, dass eine nicht
optimale Krafteinleitung für die Vertikalkraft in den Abstützkörper
erfolgt, die letztendlich zu einer unerwünschten Beaufschlagung
der Sensoreinrichtung führt und eine Reibkraft vorgibt,
welche tatsächlich nicht vorhanden ist. Eine Durchführung
einer Messung für unterschiedliche Antriebsrichtungen des Radlagers
beinhaltet für beide Antriebsrichtungen denselben vorgenannten
Fehler, während die tatsächliche Reibkraft für
eine Umkehrung der Antriebsbewegung ihr Vorzeichen ändert.
Durch einen Vergleich der Messergebnisse für die beiden
Antriebsrichtungen kann somit die Fehlergröße
ermittelt werden und aus dem Messergebnis ”herausgerechnet” werden.
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Über
die erfindungsgemäße zweite Belastungseinrichtung
können Seitenführungskräfte sowie – über
den Hebelarm der zweiten Belastungseinrichtung gegenüber
dem Radlager – auch Seitenkraftmomente simuliert werden.
Die tatsächlichen Verhältnisse beim Betrieb des
Rads mit dem Kraftfahrzeug können simuliert werden, wenn
der Abstand der Wirkachse der zweiten Belastungseinrichtung von
der Rotationsachse des Radlagers dem Abstand der Aufstandsfläche
des Rads des Kraftfahrzeugs von der Rotationsachse des Rads des
Kraftfahrzeugs entspricht. Damit führt eine durch die zweite
Belastungseinrichtung simulierte Seitenkraft zu dem tatsächlich auch
in dem Kraftfahrzeug an der Achse erzeugten Seitenkraftmoment, so
dass das in dem Betrieb wirksame Verhältnisse von Seitenführungskraft
zu Seitenkraftmoment exakt nachgebildet werden kann.
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Eine
weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe
ist gegeben durch ein Verfahren, bei dem über ein Antriebsaggregat
eine Rotation eines Antriebselements, insbesondere der inneren Lagerschale,
des Radlagers erzeugt wird. Das Abtriebselement, insbesondere die
Außenschale des Radlagers, wird über einen Abstützkörper
abgestützt. Hierbei ist der Abstützkörper
drehbar um die Rotationsachse des Radlagers gelagert. Über
eine erste Belastungseinrichtung wird eine Vertikalkraft auf das Radlager
aufgebracht. Weiterhin wird über eine zweite Belastungseinrichtung
eine Seitenführungskraft und/oder ein Seitenkraftmoment aufgebracht.
Die hierdurch hervorgerufene Reibkraft wird über eine Sensoreinrichtung
erfasst, über die der Abstützkörper gegenüber
einer Verdrehung um die Rotationsachse des Radlagers abgestützt
ist.
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Die
vorgenannten Verfahrensschritte können in der vorgenannten
Reihenfolge durchgeführt werden. Möglich ist aber
auch eine abweichende Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte,
so dass beispielsweise zunächst die mindestens eine Belastungseinrichtung
eine Belastung auf den Abstützkörper aufbringen
kann, während erst hieran anschließend die Rotationsbewegung
durch Antrieb des Antriebsaggregats erzeugt wird. Eine Steuerung
der einzelnen Verfahrensschritte kann durch eine geeignete Steuereinrichtung,
beispielsweise eine CPU, erfolgen, die das Antriebsaggregat, die
erste Belastungseinrichtung und die zweite Belastungseinrichtung
ansteuert. Eine Auswertung des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung
kann über dieselbe Steuereinrichtung oder eine anderweitige
Steuereinrichtung mit Auswerteelektronik erfolgen, wobei auch eine
Berücksichtigung von Nichtlinearitäten des Ausgangssignals
der Sensoreinrichtung, und von Kennfeldern, Kalibrierfaktoren oder
Kalibrierkennlinien erfolgen kann.
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In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vor Beginn der eigentlichen Messung der Reibkraft in dem Radlager
eine Kalibriermessung durchgeführt, wobei für
diese Kalibriermessung vorzugsweise bereits das Radlager in der Radlager-Messeinrichtung
montiert ist und die Belastungseinrichtungen ganz oder teilweise
wirksam sind. Ebenfalls möglich ist, dass für
die Kalibriermessung bereits das Antriebsaggregat die gewünschte Rotationsbewegung
des Antriebselementes des Radlagers erzeugt. Für die Kalibriermessung
wird über eine Kalibrier-Belastungseinrichtung eine definierte,
eine Reibkraft in dem rotierenden Radlager simulierende Kalibrierkraft
aufgebracht. Diese wird allerdings nicht in dem Radlager, also beispielsweise der
Außenschale, erzeugt, sondern auf den Abstützkörper
aufgebracht. Somit ist unter Umständen die Kalibrierkraft
umzurechnen auf eine entsprechende Reibkraft, welche mit einem anderen
Hebelarm um die Rotationsachse des Radlagers wirkt. Für
das erfindungsgemäße Verfahren wird dann über
die Sensoreinrichtung eine simulierte Reibkraft gemessen. Aus dem
Verhältnis der Kalibrierkraft und der simulierten Reibkraft
wird dann, unter Umständen unter Berücksichtigung
der geometrischen Verhältnisse und Hebelarme, ein Kalibrierfaktor
ermittelt. Dieser Kalibrierfaktor wird dann für eine anschließende Messung
der Reibkraft berücksichtigt.
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Die
Kalibrierkraft wird hierbei bspw. entsprechend der in der Messung
erwarteten Reibkraft, ggf. unter entsprechender Umrechnung in Folge
der wirkenden Hebelverhältnisse, gewählt. Für
einen besonderen Vorschlag ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
allerdings die Kalibrierkraft größer, insbesondere
um mindestens eine Größenordnung größer als
eine während einer Messung erwartete maximale Reibkraft.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn während der
Kalibriermessung bereits eine Reibkraft unbekannter Größe
wirksam ist, die damit zu einer Verfälschung des Messergebnisses
bei der Kalibriermessung in der Sensoreinrichtung führt.
Indem die Kalibrierkraft um die Größenordnung
größer gewählt wird als die erwartete
Reibkraft, kann dieser Fehlereinfluss möglichst klein gehalten
werden.
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Die
zuvor genannten Fehlereinflüsse können dazu führen,
dass eine Belastungseinrichtung eine Reibkraft an einem Sensor simuliert,
die tatsächlich nicht vorhanden ist und unabhängig
ist von der Antriebsrichtung des Antriebsaggregats. Dies hat zur Folge,
dass die durch die Sensoreinrichtung erfasste Reibkraft für
entgegengesetzte Antriebsrichtungen eine Art ”Offset” erhält.
Dieser ”Offset” kann beseitigt werden, so dass
auch der absolute Betrag der gemessenen Reibkraft ausgewertet werden
kann, indem die Reibkraft für unterschiedliche Antriebsrichtungen
des Antriebsaggregats gemessen wird. In einem anschließenden
Korrekturschritt des derart ergänzten erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt dann eine Korrektur des Messsignals der Sensoreinrichtung
unter Berücksichtigung von Unterschieden der Reibkraft
für unterschiedliche Antriebsrichtungen, was im einfachsten
Fall durch Herausrechnen des erkannten ”Offsets” erfolgt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ
oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend
von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere
den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer
Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu
entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche
ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen
der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt.
Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen
dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese
Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche
kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen
aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Radlager-Messeinrichtung mit einer ersten Belastungseinrichtung
in schematischer räumlicher Darstellung.
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2 zeigt
die Radlager-Messeinrichtung gemäß 1 mit
einer ergänzenden zweiten Belastungseinrichtung.
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3 zeigt
eine Kopplungseinrichtung zur Übertragung einer Belastungskraft
einer Belastungseinrichtung mit lediglich einem Richtungssinn in
einem schematischen Längsschnitt.
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4 zeigt
eine alternative Kopplungseinrichtung zur Übertragung einer
Belastungskraft einer Belastungseinrichtung mit lediglich einem
Richtungssinn in einem schematischen Längsschnitt.
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5 zeigt
eine alternative Kopplungseinrichtung zur Übertragung einer
Belastungskraft einer Belastungseinrichtung mit entgegengesetzten
Richtungssinnen in einem schematischen Längsschnitt.
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6 zeigt
ein beispielhaftes schematisches Blockschaltbild für ein
erfindungsgemäßes Verfahren.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Bei
der Beschreibung der Figuren wird auf ein x-y-z-Koordinatensystem
Bezug genommen, welches ein Orthogonalsystem ist.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Radlager-Messeinrichtung 1 zur
Erfassung der Reibung in einem Radlager 2 eines Kraftfahrzeugs,
welches mit einem Antriebselement 3, hier einer inneren
Lagerschale 4, Wälzkörpern 5 und
einem Abtriebselement 6, hier einer äußeren
Lagerschale 7, gebildet ist. Das Radlager 2 ermöglicht
unter wälzender Bewegung der Wälzkörper 5 eine
Relativbewegung der Lagerschale 4 gegenüber der
Lagerschale 7 um eine Rotationsachse 8. Die innere
Lagerschale 4 ist rotationsfest verbunden mit einer Antriebswelle 9 eines
Antriebsaggregats 10. Die äußere Lagerschale 7 ist
rotationsfest mit einem Abstützkörper 11 verbunden. Es
ist darauf hinzuweisen, dass der Abstützkörper 11 beliebige
andere Konturen und Gestaltungen abweichend zu 1 aufweisen
kann. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel
erstreckt sich der Abstützkörper 11 vorrangig
in der x-y-Ebene, während die Rotationsachsen des Radlagers 2,
der Antriebswelle 9 und des Antriebsaggregats 10 koaxial
zueinander und in Richtung der z-Achse orientiert sind. Ohne die
weiteren Bauelemente würde der bisher geschilderte Aufbau
der Radlager-Messeinrichtung 1 eine Rotation des Abstützkörpers 11 um
die Rotationsachse 8 ermöglichen. Der Abstützkörper 11 ist
gekoppelt mit einer ersten Belastungseinrichtung 12, mittels
welcher auf den Abstützkörper 11 und
damit auf das Abtriebselement 6, eine erste Belastungskraft
aufgebracht werden soll, die im Idealfall in Richtung der y-Achse orientiert
ist. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel
ist die erste Belastungseinrichtung 12 gekoppelt mit dem
Abstützkörper 11 über eine Kopplungseinrichtung 13.
Die Kopplungseinrichtung ist gebildet mit einem Gelenk 14,
welches an der ersten Belastungseinrichtung 12 abgestützt
ist, sowie einem Gelenk 15, welches an dem Abstützkörper 11 abgestützt
ist. Die Gelenke 14, 15 sind miteinander verbunden über eine
Pendelstange 16, die im Idealfall lediglich mit einer Normalkraft,
nicht jedoch mit einer Querkraft beaufschlagt ist. Für
das dargestellte Ausführungsbeispiel ist die Kopplungseinrichtung 13 beabstandet von
der Rotationsachse 8 an einem oberen Rahmenteil des Abstützkörpers 11 angelenkt.
Durchaus möglich ist allerdings, dass die erste Belastungseinrichtung 12 über
die Kopplungseinrichtung 13 an einem anderen Ort des Abstützkörpers 11,
vorzugsweise unmittelbar benachbart dem Abtriebselement 6,
angeordnet ist. Im Idealfall sind die erste Belastungseinrichtung 12 und
die Kopplungseinrichtung 13 derart orientiert, dass die
Wirkungslinie der Belastungskraft der ersten Belastungseinrichtung 12 durch
die Rotationsachse 8 verläuft.
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Weiterhin
besitzt die Radlager-Messeinrichtung 1 einen für
das dargestellte Ausführungsbeispiel in erster Näherung
U-förmigen Hebelkörper 17. Der Abstützkörper 11 besitzt
auf gegenüberliegenden Seiten nach außen koaxial
zur x-Achse orientierte Fortsätze 18, 19, gegenüber
welchen der Hebelkörper 17 über Kopplungselemente 20, 21 in
den einem Grundschenkel 24 gegenüberliegenden
Endbereich von Seitenschenkeln 24, 25 des U mit
dem Abstützkörper 11 gekoppelt ist. die
Kopplungselemente 20, 21 ermöglichen
eine relative Verschwenkung des Hebelkörpers 17 gegenüber
dem Abstützkörper 11 um die Fortsätze 18, 19,
die eine Querachse 22 vorgeben, so dass ein Schwenk-Freiheitsgrad 23 gebildet ist.
Im Übergangsbereich von dem Grundschenkel 24 zu
den Seitenschenkeln 25, 26 des Hebelkörpers 17 ist
jeweils ein Federfußpunkt 27, 28 einer
vorgespannten Zugfeder 29, 30 angelenkt, deren
anderer Federfußpunkt 31, 32 jeweils
an einem Sensor 33, 34 angelenkt ist. Je nach
dynamischer Auslegung können die vorgespannten Zugfedern 29, 30 als
Drahtseile, unter Umständen auch mit einer möglichst
hohen Steifigkeit, ausgebildet sein. Die Zugfedern 29, 30,
der Grundschenkel 24 und Messachsen 35, 36 der
Sensoren 33, 34 sind koaxial zueinander angeordnet
mit Ausrichtung in Richtung der x-Achse, aber mit einem Hebelarm
zu der Rotationsachse 8. Unter Annahme einer starren Abstützung
der inneren Lagerschale 4 über die Antriebswelle 9 und
das Antriebsaggregat führt die über die erste
Belastungseinrichtung 12 aufgebrachte Belastungskraft,
die über die Kopplungseinrichtung 13 und den Abstützkörper 11 zu
der äußeren Lagerschale 7 übertragen
wird, zu einer Radialkraft in dem Lager, welche eine Reibkraft in dem
Radlager 2 zur Folge hat. Eine Abstützung der Reibkraft
erfolgt über den Hebelkörper 17 und die Zugfedern 29, 30 gegenüber
den Sensoren 33, 34, mit denen eine Sensoreinrichtung 37 gebildet
ist.
-
1 zeigt
eine infolge nicht exakter Montage und/oder elastischen Verformungen
infolge der mechanischen Beanspruchungen im Prüfbetrieb nicht
exakte Ausrichtung der ersten Belastungseinrichtung 12 zur
Rotationsachse 8. Vielmehr bildet die erste Belastungseinrichtung 12 gegenüber
der y-Achse einen Winkel α, welcher dazu führt,
dass die Pendelstange 16 auf das Gelenk 15 eine
horizontale und eine vertikale Belastungskraftkomponente ausübt,
deren Aufteilung vom sinα bzw. cosα abhängig ist.
Während die vertikale Belastungskraftkomponente in Richtung
der Rotationsachse wirkt und damit die gewünschte Radialkraft
geringfügig vermindert in Folge der Winkelfunktion cosα,
führt die horizontale Komponente der Belastungskraft zu
einem Moment, welches um die z-Achse wirkt und dessen Betrag sich
aus dem Produkt der horizontalen Komponente der Belastungskraft
und dem Abstand des Gelenks 15 von der Rotationsachse 8 ergibt.
Dieses Moment muss ebenfalls über die Sensoren 33, 34 abgestützt werden,
was zu einer Vorgabe einer Reibkraft führt, die tatsächlich
nicht in dem Radlager 2 entstanden ist, sondern auf dem
Angriff der Pendelstange 16 unter dem Winkel α beruht.
-
Über
eine Kalibriereinrichtung 38 kann, ggf. unter Zwischenschaltung
einer Kopplungseinrichtung 39, die im Aufbau im Wesentlichen
der Kopplungseinrichtung 13 entspricht, eine Kalibrierkraft
auf den Abstützkörper 11 aufgebracht
werden, die ein Moment um die z-Achse bewirkt. Für das
dargestellte Ausführungsbeispiel ist die Kalibrierkraft
in Richtung der x-Achse orientiert und greift oberhalb der Rotationsachse 8 an
dem Abstützkörper 11 an. Für
die Vernachlässigung der Reibkraft in dem Radlager 2 – sei es
in Folge der Größenordnung der Kalibrierkraft
in Folge der Kalibriereinrichtung 28 gegenüber
vorhandenen Reibkräften oder sei es mangels Antriebs durch
das Antriebsaggregat 10 – ergibt die Momentensumme
für einen stationären Zustand um die Z-Achse,
dass die Summe aus
- – einem durch die
Sensoren 33, 34 erfassten Moment um die Rotationsachse,
- – dem Kalibriermoment in Folge der Kalibrierkraft durch
die Kalibriereinrichtung 38 und
- – einem erzeugten Fehler durch die Wirkung der Belastungskraft
der ersten Belastungseinrichtung 12 mit einem Winkelfehler α
Null
ergibt.
-
Wird
die Kalibriereinrichtung 38 deaktiviert und stattdessen
das Antriebsaggregat 10 betrieben und führen die
Sensoren 33, 34 auf dasselbe Ausgangssignal wie
in der zuvor erläuterten Kalibriermessung, bedeutet dies,
dass das Reibmoment in dem Radlager 2 genauso groß sein
muss wie das Moment, welches durch die Kalibriereinrichtung 38 erzeugt
worden ist. Wie durch die zuvor erläuterte Kalibriermessung
eine absolute Kalibrierung auf einen Wert erfolgen kann, kann auch
durch Vorgabe unterschiedlicher Kalibrierkräfte der Kalibriereinrichtung 38 ein
Kennfeld erzeugt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass
mit einem oder mehreren Kalibrierkräften eine vorhandene
Kennlinie, beispielsweise mit ihrer Steigung, angepasst wird.
-
2 zeigt,
bei ansonsten 1 entsprechender Ausgestaltung,
eine Radlager-Messeinrichtung 1, bei welcher eine zweite
Belastungseinrichtung 40 über eine Kopplungseinrichtung 41 mit
dem Abstützkörper 11 gekoppelt ist. Hierbei
erzeugt die zweite Belastungseinrichtung 40 eine Belastungskraft,
welche in Richtung der z-Achse, also parallel zur Rotationsachse 8,
orientiert ist. Allerdings greift die Kopplungseinrichtung 41 beabstandet
von der Rotationsachse 8 des Radlagers 2 an dem
Abstützkörper 11 an, wobei der Abstand
des Angriffspunkts vorzugsweise dem Abstand des Aufstandspunkts
eines Rads des Kraftfahrzeugs von der Rotationsachse 8 des
Radlagers 2 im Betrieb des Kraftfahrzeugs entspricht. Die
Belastungskraft der zweiten Belastungseinrichtung 40 führt
damit zu einer in Richtung der Rotationsachse 8 orientierten
axialen Beanspruchung des Radlagers 2. Dieses entspricht
einer Seitenführungkraft im Betrieb des Kraftfahrzeugs.
Weiterhin bewirkt die Belastungskraft der zweiten Belastungseinrichtung 40 ein
Seitenkraftmoment, dessen Betrag sich ergibt aus dem Produkt der
Belastungskraft der zweiten Belastungseinrichtung 40 und
dem Abstand des Anlenkpunktes der Kopplung der Kopplungseinrichtung 41 und
der Rotationsachse 8 und welches um die x-Achse orientiert
ist. Eine Durchbiegung des Abstützkörpers 11 um
eine Biegeachse, die in Richtung der x-Achse orientiert ist, hätte
zur Folge, dass der Anlenkpunkt der Kopplungseinrichtung 41 in
Richtung der z-Achse verschoben würde. Wären – abweichend
zu den dargestellten Ausführungsbeispielen – die
Federfußpunkte 27, 28 nicht an dem Hebelkörper 17 angelenkt,
sondern vielmehr im unteren Endbereich des Abstützkörpers 11,
so hätte dies zur Folge, dass auch diese Federfußpunkte 27, 28 in
Folge der Durchbiegung verlagert würden, was wiederum nach
sich ziehen würde, dass die Zugfedern 29, 30 nicht
exakt in Richtung der x-Achse orientiert wären, sondern
unter einem unerwünschten Winkel, der einen Fehler in dem
Ausgangssignal der Sensoren 33, 34 erzeugen könnte.
Derartige Fehlereinflüsse sind durch Nutzung des Hebelkörpers 17 und
Anlenkung über die Kopplungselemente 20, 21 vermieden.
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3 zeigt
eine weiter konstruktiv ausgeführte Kopplungseinrichtung 13, über
die die erste Belastungseinrichtung 12 mit dem Abstützkörper 11 gekoppelt
sein kann (oder über die entsprechend die Kalibriereinrichtung 38 oder
die zweite Belastungseinrichtung 40 mit dem Abstützkörper 11 gekoppelt sein
kann). Die Kopplungseinrichtung 13 ist mit einem in erster
Näherung O-förmigen Rahmen 42 gebildet,
der sich beispielsweise in der x-y-Ebene erstreckt. Im Inneren des
Rahmens 42 erstrecken sich fest mit diesem verbundene,
aufeinander zu und für die Kopplungseinrichtung 13 in
Richtung der y-Achse orientierte Vorsprünge 43, 44,
deren beabstandete Endbereiche konvex ausgebildet sind. Während durchaus
auch abgerundete Endbereiche eingesetzt werden können,
zeigt 3 eine Ausgestaltung der Endbereiche der Vorsprünge 43, 44 jeweils
mit einer Spitze 45, 46 oder einer Schneide. Entsprechend
der Belastungskraft der ersten Belastungseinrichtung 12 wird
gegen die Vorsprünge 43, 44 jeweils eine
konkav gekrümmte Anlagekontur 47, 48 gezogen,
wobei die Anlagekontur 47 von einem Träger 49 ausgebildet
ist, der mit der ersten Belastungseinrichtung 12 verbunden
ist, während die Anlagekontur 48 von einem Träger 50 gebildet
ist, der an dem Abstützkörper 11 befestigt
ist. Beispielsweise sind die Träger 49, 50 in
einem Schnitt in der y-z-Ebene C-förmig um den Rahmen 42 herumgeführt
oder O-förmig ausgebildet, so dass der Rahmen 42 und
die O-förmigen Träger 49, 50 ineinandergreifen
können. Während für das Ausführungsbeispiel
gemäß
-
3 die
Anlagekonturen 47, 48 kurvenförmig oder
kreisbogenförmig ausgebildet sind, zeigt 4 eine
Ausführungsform, in welcher die Anlagekonturen 47, 48 keilförmig
ausgebildet sind, wodurch sich eine bessere Selbstzentrierung ergibt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass zur Aufbringung einer Belastungskraft
durch die erste Belastungseinrichtung 12 die in 3 ersichtlichen
Spalte zwischen den Vorsprüngen 43, 44 und
den Anlagekonturen 47, 48 geschlossen sind.
-
5 zeigt
eine Kopplungseinrichtung, wie diese ausgebildet sein kann für
den Fall, dass eine zugeordnete Belastungseinrichtung Belastungskräfte
in zwei entgegengesetzte Wirkrichtungen erzeugen soll. Beispielsweise
handelt es sich hier um die Kopplungseinrichtung 41 für
die zweite Belastungseinrichtung 40. Diese ist zunächst
im Wesentlichen entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit
einem Träger 49, einer Anlagekontur 40,
einem Vorsprung 43, einem Rahmen 42, einem Vorsprung 44,
einer Anlagekontur 48 sowie einem Träger 50 gebildet,
wobei für eine Belastungskraft der zweiten Belastungseinrichtung 40 auf
den Träger 49 in 5 nach rechts
der Kraftfluss zu dem Träger 50 in der zuvor genannten
Reihenfolge verläuft. Für den Fall, dass allerdings
auch eine Belastungskraft in 5 nach links
von dem Träger 49 zu dem Träger 50 nach
links übertragen werden soll, besitzt der Träger 49 eine
weitere konkav gekrümmte Anlagekontur 51, die
entgegengesetzt zu der Anlagekontur 47 orientiert ist.
Für eine Umkehrung der Wirkrichtung der Belastungskraft
kommt an dieser Anlagekontur 51, ggf. unter Überwindung
eines geeigneten Spiels, ein Vorsprung 52 zur Anlage, der
entgegengesetzt zu dem Vorsprung 43 orientiert ist und
die nach links orientierte Belastungskraft der zweiten Belastungseinrichtung 40 in
den Rahmen 42 einleitet. Ein Steg 53 des Rahmens 42 trägt
einen weiteren Vorsprung 54, der entgegengesetzt zu dem
Vorsprung 44 orientiert ist und auf diesen zu gerichtet
ist. Wird wie zuvor erwähnt, ein geeignetes Spiel überwunden,
kommt der Vorsprung 54 zur Anlage an eine Anlagekontur 70, die
entgegengesetzt zur Anlagekontur 48 ausgerichtet ist und
ebenfalls von dem Träger 50 ausgebildet wird.
Für Aufbringung einer Belastungskraft in 5 nach
links verläuft somit der Kraftfluss von dem Träger 49 über
die Anlagekontur 51, Vorsprung 52, Rahmen 42,
Steg 53, Vorsprung 54, Anlagekontur 70 zu dem
Träger 50. Somit ermöglicht eine Kopplungseinrichtung 41 entgegengesetzt
orientierte Kraftflüsse, wofür zwischen den von
dem Kontakt zwischen den Anlagekonturen 48, 70, 47, 51 und
den Vorsprüngen 44, 54, 43, 52 gebildeten
Gelenken streng genommen unterschiedliche Pendelstangen zur Wirkung kommen:
Für die Belastung in 5 nach rechts
ist die Pendelstange mit dem Vorsprung 43, dem gesamten
Rahmen 42 und dem Vorsprung 44 gebildet, während
für den Kraftfluss nach links als Pendelstange der Vorsprung 52,
der Rahmen bis zum Steg 53, der Steg und der Vorsprung 54 wirksam
ist.
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6 zeigt
ein beispielhaftes Blockschaltbild für ein Verfahren zum
Betrieb der Radlager-Messeinrichtung 1:
In einem Verfahrenschritt 55 erfolgt
zunächst eine Montage des Radlagers 2 in der Radlager-Messeinrichtung.
-
Hieran
anschließend werden in einem Verfahrensschritt 56 die
Beanspruchungen des Radlagers 2 durch die erste Belastungseinrichtung 12 und die
zweite Belastungseinrichtung 40 aufgebracht.
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In
einem Verfahrensschritt 57 wird über die Kalibriereinrichtung 38 eine
definierte, also bekannte Kalibrierkraft auf dem Abstützkörper 11 aufgebracht.
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In
einem Verfahrensschritt 58 wird durch eine in den Figuren
nicht dargestellte Steuereinrichtung das Ausgangssignal der Messeinrichtung 37 mit
den Sensoren 33, 34 ausgewertet und eine entsprechende
Kennlinie für die Sensoreinrichtung 37 oder ein Kennfeld
erzeugt. Dieses kann lediglich für eine Kalibrierkraft
der Kalibriereinrichtung 38 erfolgen oder wiederholt für
unterschiedliche Kalibrierkräfte. Ebenfalls möglich
ist, dass eine Variation anderer Parameter, wie beispielsweise der
Belastungskraft durch die Belastungseinrichtungen 12, 40 erfolgt.
Weiterhin denkbar ist, dass bereits ein Antrieb des Antriebsaggregats 10 erfolgt,
wobei auch eine Variation der Antriebsgeschwindigkeit zur Ermittlung
unterschiedlicher Kalibrierfaktoren möglich ist, auch unter
einer Veränderung des Richtungssinns des Antriebs. Ist ein
entsprechender Kalibrierfaktor bestimmt oder ein Kalibrierfeld oder
eine geeignete Abhängigkeit des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung 37 bzw.
der Sensoren 33, 34 von der Kalibrierkraft und/oder
anderen Betriebsparametern erzeugt, ist der Kalibrierschritt abgeschlossen
und das eigentliche Messverfahren kann beginnen.
-
Hierzu
wird zunächst in einem Verfahrensschritt 59 eine
noch vorhandene Kalibrierkraft der Kalibriereinrichtung 38 entfernt.
-
Dann
wird in einem Verfahrensschritt 60 das Antriebsaggregat 10 zur
Erzeugung einer gewünschten Antriebsbewegung der Antriebswelle
und damit des Antriebselements 3 des Radlagers 2 angesteuert.
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In
den parallelen Verfahrensschritten 61, 62 erfolgt
dann eine Auswertung der Ausgangssignale der Sensoren 33, 34.
-
In
einem Verfahrensschritt 63 erfolgt unter Nutzung der Steuereinrichtung,
ggf. einer CPU, eine Auswertung der Ausgangssignale der Sensoren 61, 62,
wobei die unterschiedlichen Ausgangssignale miteinander zu einem
Ausgangssignal für die gemessene Reibkraft kombiniert werden.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass sich beispielsweise
für ein Reibmoment, welches im positiven Richtungssinn
um die z-Achse wirkt, in Folge des Reibmoments eine erhöhte
Beaufschlagung des Sensors 33 ergibt, während sich
die Beaufschlagung des Sensors 34 verringert. Damit ergibt
sich das relevante Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 37 aus
der Summe der Beträge der Änderungen der Ausgangssignale
der Sensoren 33, 34. Weiterhin werden in dem Verfahrensschritt 63 die
zuvor ermittelten Kalibrierfaktoren berücksichtigt.
-
Das
Ergebnis dieser Auswertung wird weitergegeben zu einem Verfahrensschritt 64.
-
Eine
ergänzende Auswertung erfolgt durch einen Verfahrensschritt 65,
in welchem die Antriebsbewegung des Antriebsaggregats 10 umgekehrt wird,
um eine Reibkraft zu erzeugen, die entgegengesetzt orientiert ist,
so dass also auch ein Reibmoment entsteht, welches entgegengesetzt
orientiert ist.
-
Auch
für dieses umgekehrte Reibmoment wird in den parallelen
Verfahrensschritten 66, 67 das Ausgangssignal
der Sensoren 33, 34 ausgewertet.
-
In
dem Verfahrensschritt 68 wird aus den Ausgangssignalen,
ggf. unter Hinzuziehung der Kalibrierfaktoren, ein Ausgangssignal
ermittelt, welches das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 37 bildet und
möglichst mit Reibmoment in dem Radlager 2 korreliert.
Auch dieses Ausgangssignal wird dem Verfahrensschritt 64 zugeführt.
-
Liegen
die Ausgangssignale für die unterschiedlichen Antriebsrichtungen
in dem Verfahrensschritt 64 vor, äußert
sich ein systematischer Fehler in einem ”Offset” der
Ausgangssignale, der aber für die Ausgangssignale für
die unterschiedlichen Antriebsrichtungen eine Verschiebung der Ausgangssignale
in gleiche Richtungen bewirkt. Beispielsweise liegt dieser ”Offset” darin
begründet, dass über die zweite Belastungseinrichtung 40 eine
Seitenkraft in den Abstützkörper 11 eingebracht
wird, welche eine elastische Verformung des Abstützkörpers 11 zur Folge
hat, die wiederum zur Folge haben kann, dass eine Krafteinleitung
durch die erste Belastungseinrichtung 12 und/oder die zweite
Belastungseinrichtung 40 nicht optimal ausgerichtet ist,
so dass die Sensoren 33, 34 eine Reibkraft erfassen,
die tatsächlich nicht vorhanden ist. Dieser Offset in dem
Ausgangssignal der Sensoren 33, 34 ist unabhängig
von der Antriebsrichtung des Antriebsaggregats 10, während
sich die tatsächlich zu messende Reibkraft für eine
Umkehrung der Antriebsbewegung umkehrt. Durch Vergleich der Messergebnisse
für beide Drehrichtungen kann dieser im Idealfall konstante
Offset aus den Ausgangssignalen ”herausgerechnet” werden,
so dass letztendlich das Signal für die ermittelte Reibkraft
von dem genannten Fehler bereinigt werden kann. Beispielsweise über
eine Mittelung korrelierender Reibwerte für vergleichbare
Bedingungen, aber unterschiedliche Antriebsrichtungen, kann die Höhe
des Offsets ermittelt werden und eine Korrektur der beiden Ausgangssignale
um diesen Wert des Offsets erfolgen. Somit wird ein kalibriertes
und korrigiertes Ausgangssignal von dem Verfahrensschritt 64 mit
einem Verfahrensschritt 69 in Form einer geeigneten Ausgabe
bereitgestellt, die in einer Zahl, einer Kurve oder einer mehrparametrigen
Abhängigkeit bestehen kann. Die Ausgabe in dem Verfahrensschritt 69 kann
als Zahlenwert, Zahlenkolonne, Datei oder als graphische Wiedergabe
erfolgen.
-
Weiterhin
kann es für die Prüfung des Radlagers von Interesse
sein, in das Radlager 2 Seitenführungskräfte
mit unterschiedlichen Vorzeichen einzuleiten, wie diese auch im
tatsächlichen Betrieb eines Radlagers in einem Kraftfahrzeug
auftreten, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug eine Rechts- und
eine Linkskurve durchfährt. Eine Umkehrung der Wirkungsrichtung
der Beaufschlagung des Abstützkörpers 11 durch
die zweite Belastungseinrichtung 40 hat zur Folge, dass
sich auch die elastischen Verformungen des Abstützkörpers 11 umkehren,
was zu einem veränderten fehlerbehafteten Offset des Signals
für die Reibkraft führt. Mit anderen Worten führt der
Offset, welcher durch die Umkehrung der Wirkrichtung der zweiten
Belastungseinrichtung 40 verursacht ist, zu der Vorgabe
einer unter Umständen verhältnismäßig
großen Reibkraft, die tatsächlich nicht in dem
Radlager 2 auftritt. Auch für eine Umkehrung der
Wirkrichtung der zweiten Belastungseinrichtung 40 kann
durch Umkehrung der Antriebsrichtung des Antriebsaggregats 10 der
Offset beseitigt werden, so dass für beide Belastungsrichtungen
durch die zweite Belastungseinrichtung 40 ein fehlerbereinigtes
Reibsignal ermittelt werden kann. Hierdurch kann ein Fehler in einem
Ausmaß beseitigt werden, dass durch die erfindungsgemäße
Radlager-Messeinrichtung sogar Unterschiede in den Reibkräften für
unterschiedliche Belastungsrichtungen durch die Seitenkraft aufgelöst
werden können.
-
In
einem möglichen Messprogramm erfolgt somit, unter Umständen
nach einmaliger Kalibrierung wie zuvor beschrieben oder mehrfacher
Kalibrierung auch zwischen den einzelnen Schritten (beispielsweise
nach einer Umkehrung der Belastungsrichtung der zweiten Belastungseinrichtung 40)
zunächst eine Erfassung der Reibkraft für eine
Belastungsrichtung der zweiten Belastungseinrichtung 40,
aber unterschiedliche Antriebsrichtungen des Antriebsaggregats 10,
so dass ein erster Offset aus den beiden Messungen für
unterschiedliche Antriebsrichtungen beseitigt werden kann. Hieran
anschließend wird die Belastungsrichtung der zweiten Belastungseinrichtung 40 umgekehrt,
woraus sich ein veränderter Offset ergibt. Nun erfolgt
erneut eine Messung der Reibkraft für unterschiedliche
Antriebsrichtungen des Antriebsaggregats 10, wodurch auch
eine Beseitigung dieses Offsets ermöglicht ist.
-
Es
versteht sich, dass die Sensoren 33, 34 nicht
exakt die Reibkraft bzw. ein Reibmoment erfassen. Vielmehr ist eine
Umrechnung über die ersichtlichen geometrischen Verhältnisse
und Hebelverhältnisse, ergänzend zu der Kalibrierung
und der Korrektur der Ausgangssignale, erforderlich.
-
In
der vorliegenden Anmeldung sind die Messeinrichtung 1 und
die eingesetzten Verfahren beschrieben für eine Messeinrichtung
für ein Radlager eines Kraftfahrzeugs. Entsprechende Anwendung
können die Messeinrichtung oder entsprechende Messeinrichtungen
sowie zumindest Teile der offenbarten Verfahren für eine
Messung an üblichen Wälzlagern auch für
andere Einsatzzwecke finden, wobei der Hebelkörper 17 und
die zweite Belastungseinrichtung 40 entfallen können.
In diesem Fall kann eine Anbindung der Federfußpunkte 27, 28 unmittelbar
an dem Abstützkörper 11 erfolgen, solange
die Zugfedern 29, 30 in Richtung der x-Achse orientiert sind.
-
- 1
- Radlager-Messeinrichtung
- 2
- Radlager
- 3
- Antriebselement
- 4
- Lagerschale
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Abtriebselement
- 7
- Lagerschale
- 8
- Rotationsachse
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Antriebsaggregat
- 11
- Abstützkörper
- 12
- erste
Belastungseinrichtung
- 13
- Kopplungseinrichtung
- 14
- Gelenk
- 15
- Gelenk
- 16
- Pendelstange
- 17
- Hebelkörper
- 18
- Fortsatz
- 19
- Fortsatz
- 20
- Kopplungselement
- 21
- Kopplungselement
- 22
- Querachse
- 23
- Schwenk-Freiheitsgrad
- 24
- Grundschenkel
- 25
- Seitenschenkel
- 26
- Seitenschenkel
- 27
- Federfußpunkt
- 28
- Federfußpunkt
- 29
- Zugfeder
- 30
- Zugfeder
- 31
- Federfußpunkt
- 32
- Federfußpunkt
- 33
- Sensor
- 34
- Sensor
- 35
- Messachse
- 36
- Messachse
- 37
- Sensoreinrichtung
- 38
- Kalibriereinrichtung
- 39
- Kopplungseinrichtung
- 40
- zweite
Belastungseinrichtung
- 41
- Kopplungseinrichtung
- 42
- Rahmen
- 43
- Vorsprung
- 44
- Vorsprung
- 45
- Spitze
- 46
- Spitze
- 47
- Anlagekontur
- 48
- Anlagekontur
- 49
- Träger
- 50
- Träger
- 51
- Anlagekontur
- 52
- Vorsprung
- 53
- Steg
- 54
- Vorsprung
- 55–69
- Verfahrensschritt
- 70
- Anlagekontur
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202006001458
U1 [0003, 0006]