DE102008048131B4

DE102008048131B4 - Verfahren zur Messung einer Reibkraft

Info

Publication number: DE102008048131B4
Application number: DE200810048131
Authority: DE
Inventors: Sven Henze; Joachim Hug
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-20
Filing date: 2008-09-20
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2028-09-21
Also published as: DE102008048131A1

Abstract

Verfahren zum Messen einer Reibkraft in einem rotierenden Radlager (2) für ein Kraftfahrzeug mit einer Radlager-Messeinrichtung (1), bei dem
a) ein Antriebaggregat (10) eine Rotationsbewegung eines Antriebselements (3) des Radlagers (2) erzeugt,
b) eine erste Belastungseinrichtung (12) eine eine Radaufstandskraft simulierende Vertikalkraft auf das Radlager (2) aufbringt,
c) eine zweite Belastungseinrichtung (40)
ca) eine Seitenführungskraft und/oder
cb) ein Seitenkraftmoment, welches um eine quer zu einer Rotationsachse (8) des Radlagers (2) orientierte Querachse (22) wirkt,
aufbringt und
d) über einen Abstützkörper (11) ein Abtriebselement (6) des Radlagers (2) abgestützt wird, wobei der Abstützkörper (11) drehbar um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) gelagert ist,
e) über eine Sensoreinrichtung (37) der Abstützkörper (11) gegenüber einer durch die Reibkraft verursachten Verdrehung um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) abgestützt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
f) über eine Kalibrier-Belastungseinrichtung (38) bei wirksamer Belastungseinrichtung (12,...

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Reibkraft in einem rotierenden Radlager für ein Kraftfahrzeug.
STAND DER TECHNIK
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.
DE 44 10 639 A1 offenbart einen Prüfstand für Lager, bei welchem eine Prüfstandswelle über Prüfstandslager drehbar gegenüber einem Fundament gelagert ist und über einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor antreibbar ist. An beiden aus den Prüfstandslagern auskragenden Endbereichen trägt die Prüfstandswelle die zu prüfenden Lager, welche oberhalb der Prüfstandswelle über eine parallel zur Prüfstandswelle orientierte Traverse miteinander verbunden sind. Über erste Aktuatoren kann die Traverse nach oben von der Prüfstandswelle weg beaufschlagt werden, wodurch Radialkräfte auf das zu prüfende Lager aufgebracht werden. Weiterhin kann die Traverse über parallel zur Längsachse der Prüfstandswelle orientierte Aktuatoren beaufschlagt werden, womit die Erzeugung von Axialkräften in den zu prüfenden Lagern einhergeht. Darüber hinaus wirken Paare von vertikal orientierten Aktuatoren über einen senkrecht zur Wirkrichtung der Aktuatoren orientierten Hebelarm derart auf die zu prüfenden Lager ein, dass ein Kippmoment um eine Achse erzeugt wird, die quer zur Längsachse der Prüfstandswelle orientiert ist. Schließlich werden in den zu prüfenden Lagern erzeugte Reibmomente an der Traverse abgestützt über eine Art Doppel-Wippe, in deren Kraftfluss sich Messaufnehmer befinden, über welche das Reibmoment in den zu prüfenden Lagern gemessen werden kann. Vorzugsweise sind hierbei zwei Messaufnehmer mit entgegengesetzt orientierten Wirkrichtungen eingesetzt, womit der Vergleich der Messergebnisse ermöglicht werden soll, indem Messergebnisse addiert oder voneinander subtrahiert werden, womit Messfehler automatisch kompensiert werden sollen. Findet hingegen lediglich eine unsymmetrische Einzel-Wippe Einsatz, weist die Druckschrift darauf hin, dass dies dazu führen kann, dass mit in den Lagern auftretenden Momenten die Traverse in Umfangsrichtung um die Rotationsachse der Prüfstandswelle bewegt wird, was zur Folge hat, dass mit dem Prüfstand simulierte Belastungswerte fehlerbehaftet sein können.
DE 20 2006 001 458 U1 offenbart einen Prüfstand, welcher umbaubar ist von einem ersten Aufbau, mit welchem eine Prüfung von Axiallagern erfolgen kann, zu einem zweiten Aufbau, in welchem eine Prüfung von Radiallagern erfolgt. Für die Prüfung von Radiallagern wird an einem an einem Radiallager, welches an einer über einen Motor verdrehten Prüfstandswelle abgestützt ist, in radialer Richtung über einen Aktuator unter Zwischenschaltung einer Blattfeder gezogen. Die Blattfeder soll hierbei möglichst biegeweich in Umfangsrichtung sein. Die mit dem Prüfstand zu messende Lagerreibung hat zur Folge, dass sich der Außenring des Lagers, an welchem die Blattfeder angekoppelt ist, in Umfangsrichtung verdreht, was zu einem Winkelfehler der über die Blattfeder eingeleiteten Radialkraft führt, die das Messergebnis verfälscht. Zur Vermeidung derartiger Verfälschungen schlägt die Druckschrift in einer ersten Variante vor, die Verdrehung des Außenrings des Lagers infolge des Reibmoments messtechnisch, beispielsweise über einen Taster einer Messuhr, zu erfassen und über einen zweiten Aktuator gezielt eine Rückdrehung des Außenrings vorzunehmen, bis der Taster der Messuhr wieder die Ursprungslage mit radialer Ausrichtung der Blattfeder signalisiert. Die Kraft des zweiten Aktuators ist dabei proportional zu der erfassenden Lagerreibung. Gemäß einer zweiten Variante wird vor Aufbringung der Radialkraft über die Blattfeder der in diesem Fall einzige Aktuator derart platziert, dass vor Aufbringung der Radialkraft die Blattfeder nicht genau radial orientiert ist, aber sich die Blattfeder mit Aufbringung der Prüflast bis zu einer exakten radialen Orientierung derselben bewegt. Diese Variante erfordert eine a-priori-Kenntnis des genauen Verformungsverhaltens des Prüfstands und lässt keine Variation der Prüflast ohne Verlust der Messgenauigkeit zu. In einer dritten Variante wird ein Messwertaufnehmer unmittelbar an der Blattfeder vorgesehen, um die Querkraft in der Blattfeder zu erfassen. Hierbei soll die Angriffsstelle des Messwertaufnehmers an der Blattfeder so gewählt werden, dass die Blattfeder durch die unmittelbar auf sie erfolgende Einwirkung des Messwertaufnehmers in eine näherungsweise gestreckte Position überführt werden kann oder so vorbelastet werden kann, dass sie unter dem Einfluss der Lagerreibung eine näherungsweise gestreckte Position einnimmt – jeweils in dem Sinne, dass sie dann eine S-förmige Gestalt besitzt, die zwar einen gewissen Messfehler entstehen lässt, dessen Größe jedoch in der Praxis vernachlässigbar ist.
DE 2 520 719 B1 offenbart einen Prüfstand für Lager mit einer Hochvakuumkammer. Ein Prüfrahmen ist hier über eine so genannten ”Punktauflage” abgestützt. Der Prüfstand soll die Bewegung bzw. dynamische Verformung des Lagers visualisieren.
Die nicht gattungsgemäße Druckschrift DE 101 45 867 A1 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer Leistungsbremse für Brennkraftmaschinen, bei der eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eine Messwelle der Leistungsbremse antreibt. Die Leistungsbremse ist über einen Pendelkörper schwenkbar gelagert. Ein Messarm des Pendelkörpers ist abgestützt über ein Kraftmessglied. Wird an der Leistungsbremse ein Bremsmoment erzeugt, stützt sich dieses über das Kraftmessglied ab, womit die messtechnische Erfassung der Reibkraft bzw. des Reibmoments möglich ist. Um das Kraftmessglied zu kalibrieren, wird die Leistungsbremse deaktiviert. Anstelle der Einleitung eines Reibmoments in die Leistungsbremse wird dann eine definierte Umfangskraft in den Pendelkörper eingeleitet, die ein simuliertes Reibmoment erzeugt, dessen Betrag abhängt ist von der Größe der Umfangskraft und dem Hebelarm der Umfangskraft. Besonderes Augenmerk widmet die Druckschrift der momentenfreien Kopplung zwischen Pendelkörper und Kraftmessglied und Kalibriereinrichtung. Ist einmal eine Kalibrierung des Kraftmessglieds erfolgt, wird die Kalibriereinrichtung deaktiviert oder demontiert und für andere Prüfstandseinrichtungen verwendet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Sondergebiet rotierender Radlager für ein Kraftfahrzeug ein Verfahren zur Messung einer Reibkraft in dem 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.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen eines derartigen Verfahrens ergeben sich entsprechend den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 2 bis 12.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die erfindungsgemäße Radlager-Messeinrichtung widmet sich 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 F_V sowie eine horizontale Komponente F_H = 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 F_H 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.

Insbesondere auf Grundlage der obigen Erkenntnisse schlägt die Erfindung folgende Maßnahme vor:
Erfindungsgemäß ist eine Kalibrier-Belastungseinrichtung vorgesehen, über welche bei wirksamer Belastungseinrichtung 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 Fehlerquellen 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 Fehlereinflüsse ist in Folge der vorgenommenen Kalibrierung die Messung der Reibkraft mit hoher Genauigkeit möglich.
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.
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.
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.
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.
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.
Für eine erfindungsgemäße Weiterbildung 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.
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.
Möglich ist, dass eine Sensoreinrichtung Einsatz findet, die vorgespannt oder nicht vorgespannt über den Hebelkörper oder den Abstützkörper beaufschlagt wird.
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.
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.
Erfindungsgemäß wird 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.
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.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor Beginn der eigentlichen Messung der Reibkraft in dem Radlager eine Kalibriermessung durchgeführt, wobei für diese Kalibriermessung 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.
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.
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 entsprechend einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens 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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine Radlager-Messeinrichtung mit einer ersten Belastungseinrichtung in schematischer räumlicher Darstellung.
2 zeigt die Radlager-Messeinrichtung gemäß 1 mit einer ergänzenden zweiten Belastungseinrichtung.
3 zeigt eine Kopplungseinrichtung zur Übertragung einer Belastungskraft einer Belastungseinrichtung mit lediglich einem Richtungssinn in einem schematischen Längsschnitt.
4 zeigt eine alternative Kopplungseinrichtung zur Übertragung einer Belastungskraft einer Belastungseinrichtung mit lediglich einem Richtungssinn in einem schematischen Längsschnitt.
5 zeigt eine alternative Kopplungseinrichtung zur Übertragung einer Belastungskraft einer Belastungseinrichtung mit entgegengesetzten Richtungssinnen in einem schematischen Längsschnitt.
6 zeigt ein beispielhaftes schematisches Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
FIGURENBESCHREIBUNG
Bei der Beschreibung der Figuren wird auf ein x-y-z-Koordinatensystem Bezug genommen, welches ein Orthogonalsystem ist.
1 zeigt eine im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbare 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.
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

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.
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.
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.
In einem Verfahrensschritt 57 wird über die Kalibriereinrichtung 38 eine definierte, also bekannte Kalibrierkraft auf dem Abstützkörper 11 aufgebracht.
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.
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.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Verfahren zum Messen einer Reibkraft in einem rotierenden Radlager (2) für ein Kraftfahrzeug mit einer Radlager-Messeinrichtung (1), bei dem a) ein Antriebaggregat (10) eine Rotationsbewegung eines Antriebselements (3) des Radlagers (2) erzeugt, b) eine erste Belastungseinrichtung (12) eine eine Radaufstandskraft simulierende Vertikalkraft auf das Radlager (2) aufbringt, c) eine zweite Belastungseinrichtung (40) ca) eine Seitenführungskraft und/oder cb) ein Seitenkraftmoment, welches um eine quer zu einer Rotationsachse (8) des Radlagers (2) orientierte Querachse (22) wirkt, aufbringt und d) über einen Abstützkörper (11) ein Abtriebselement (6) des Radlagers (2) abgestützt wird, wobei der Abstützkörper (11) drehbar um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) gelagert ist, e) über eine Sensoreinrichtung (37) der Abstützkörper (11) gegenüber einer durch die Reibkraft verursachten Verdrehung um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) abgestützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass f) über eine Kalibrier-Belastungseinrichtung (38) bei wirksamer Belastungseinrichtung (12, 40) eine definierte, eine Reibkraft in dem rotierenden Radlager (2) simulierende Kalibrierkraft auf den Abstützkörper (11) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Belastungseinrichtung (12) und/oder zweite Belastungseinrichtung (40) über zwei Gelenke (14, 15) auf den Abstützkörper (11) wirkt, wobei die Gelenke (14, 15) a) über eine Pendelstange (16) miteinander verbunden sind und b) parallel zueinander orientierte Schwenkachsen besitzen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachsen der Gelenke (14, 15) jeweils eine parallel zur Rotationsachse (8) des Radlagers (2) orientierte Schwenkachse besitzen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gelenk (14; 15) mit einem Kontakt zwischen einem konvexen Vorsprung (43; 44) mit einer konkav gekrümmten Anlagekontur (47; 48) gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Belastungseinrichtung (40) die Seitenführungskraft und/oder das Seitenkraftmoment mit unterschiedlichem Wirkrichtungssinn auf den Abstützkörper (11) aufbringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützkörper (11) über einen Hebelkörper (17) auf die Sensoreinrichtung (37) einwirkt, wobei a) der Hebelkörper (17) über ein Kopplungselement (20; 21) mit dem Abstützkörper (11) gekoppelt ist, welches in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) steif ist, und b) die Messachse (35; 36) der Sensoreinrichtung (37) tangential zur Umfangsrichtung um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (20; 21) einen Schwenk-Freiheitsgrad (23) des Hebelkörpers (17) gegenüber dem Abstützkörper (11) um eine quer zur Rotationsachse (8) und parallel zur Messachse (35; 36) orientierte Querachse (22) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (20; 21) als Blattfeder ausgebildet ist, welche derart in dem Kraftfluss zwischen Hebelkörper (17) und Abstützkörper (11) orientiert ist, dass a) der Biege-Freiheitsgrad der Blattfeder den Schwenk-Freiheitsgrad (23) und b) die axiale Steifigkeit der Blattfeder die steife Kopplung in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (8) des Radlagers (2) gewährleistet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (37) mit zwei Sensoren (33, 34) gebildet ist, die unter Vorspannung entgegengesetzt zueinander von der Reibkraft beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die zweite Belastungseinrichtung (40) Belastungskräfte erzeugt, welche den im Bereich der Aufstandsfläche des Rads des Kraftfahrzeuges im Betrieb wirkenden Kräften entsprechen, und b) der Abstand der Wirkachse der zweiten Belastungseinrichtung (40) von der Rotationsachse (8) des Radlagers (2) dem Abstand der Aufstandsfläche des Rads des Kraftfahrzeugs von der Rotationsachse des Rads des Kraftfahrzeugs entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem über die Sensoreinrichtung (37) die Reibkraft erfasst wird, und aa) die Reibkraft für unterschiedliche Antriebsrichtungen des Antriebsaggregats (10) gemessen wird und ab) in einem Korrekturschritt eine Korrektur des Messsignals der Sensoreinrichtung (37) unter Berücksichtigung von Unterschieden der Reibkraft für unterschiedliche Antriebsrichtungen erfolgt, und/oder ba) die Reibkraft für unterschiedliche Belastungsrichtungen der zweiten Belastungseinrichtung (40) gemessen wird und bb) in einem Korrekturschritt eine Korrektur des Messsignals der Sensoreinrichtung (37) unter Berücksichtigung von Unterschieden der Reibkraft für unterschiedliche Belastungsrichtungen der zweiten Belastungseinrichtung (40) erfolgt, und/oder ca) eine Kalibriermessung durchgeführt wird, bei der caa) über eine Kalibriereinrichtung eine definierte, eine Reibkraft in dem rotierenden Radlager (2) simulierende Kalibrierkraft auf den Abstützkörper (11) aufgebracht wird, cab) über die Sensoreinrichtung (37) eine simulierte Reibkraft gemessen wird, cac) aus dem Verhältnis der Kalibrierkraft und der simulierten Reibkraft ein Kalibrierfaktor ermittelt wird und cb) für eine Messung einer Reibkraft der in der Kalibriermessung ermittelte Kalibrierfaktor berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierkraft größer ist als eine während einer Messung erwartete maximale Reibkraft.