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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Taumelbewegung eines Fahrzeugrades oder ein Verfahren zur Bestimmung der Taumelbewegung eines auf dem Fahrzeugrad angebrachten Messgegenstandes im Rahmen der Achsvermessung.
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Stand der Technik
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Aus
DE 23 13 087 C3 ist bereits eine Vorrichtung zur Bestimmung der Taumelbewegung eines rotierenden Körpers gegenüber seiner tatsächlichen Rotationsachse bekannt. Hierbei wird ein Referenzglied am rotierenden Körper befestigt, welches einen sinusförmigen Bezugswert erzeugt analog zur Taumelbewegung des Körpers. Es werden um 180° versetzte Steuerglieder genutzt, die zur Orientierung in einer ersten vorbestimmten Ebene und in einer gegenüber der ersten Ebene um 90° verdrehten Ebene dienen. Die Erfindung macht sich zunutze, dass die Taumelbewegung eines Rades einer sinusförmigen Kurve folgt, wenn sich das Rad dreht. Wird die Taumelbewegung an zwei um 180° auseinander liegenden Messpunkten erfasst und werden die beiden Messwerte addiert und durch zwei geteilt, so kann ein Mittelwert erhalten werden, der die tatsächliche Rotationsebene des Rades angibt.
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Aus
EP 1857774 B1 ist ein berührungsloses Verfahren zur Felgenschlagkompensation bekannt. Dabei wird der Drehwinkel des Rades aus dem Abrollweg des Rades einerseits und dem zugehörigen effektiven Abrollradius andererseits berechnet, wobei der Abrollweg des Rades über den Schiebeweg der Schiebeplatten ermittelt wird. Hierbei wird nicht nur der Anfang und das Ende des Schiebwegs gemessen, sondern es müssen fortlaufende Wegmessungen durchgeführt werden. Die Bestimmung des effektiven Rollradius des Rades geschieht vorzugsweise aus Kamera-Bilddaten des Rades während seiner Drehung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich durch die Bestimmung der Taumelbewegung eines Fahrzeugrades und/oder die Bestimmung der Taumelbewegung eines auf dem Fahrzeugrad angebrachten Messgegenstandes relativ zu einer genauen Raddrehachse aus. Mit mindestens einer Bildaufnahmeeinheit werden während der Vorbeifahrt des Fahrzeuges mindestens zwei am Fahrzeugrad vorhandene oder für die Messung angebrachte Radmerkmale oder ein am Fahrzeugrad angebrachter Messgegenstand mit darauf vorhandenen Radmerkmalen erfasst und von einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung ausgewertet. Mit den während der Fahrt aufgenommen Radmerkmalen wird ein Radkoordinatensystem KO1 und ein Merkmalskoordinatensystem KO2 definiert. Das Radkoordinatensystem KO1 und das Merkmalskoordinatensystem KO2 werden in Bezug zueinander gesetzt, um einen Ausrichtwert zwischen einer Bezugsachse und einer genauen Raddrehachse zu bestimmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass kein Referenzglied oder andere die Messung unterstützende Gegenstände am Fahrzeugrad befestigt werden müssen. Dies reduziert den Arbeitsaufwand zur Bestimmung der Taumelbewegung erheblich. Des Weiteren wird eine erhöhte Betriebssicherheit erlangt, da sich nicht auf externe oder am Rad befestigte Messgegenstände verlassen werden muss. Die in der Bildverarbeitung eingesetzten Verfahren weisen eine sehr hohe Genauigkeit auf und ermöglichen gleichzeitig Messungen mit geringen Kosten.
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Dadurch, dass die Aufnahme der am Fahrzeug vorhandenen Radmerkmale während der Vorbeifahrt erfasst wird, ist eine sehr schnelle Bestimmung der Taumelbewegung möglich. Der mindestens eine Ausrichtwert lässt sich in nachgeordnete Verfahren zur Achsvermessung, wie z. B. Spur-, Sturz- oder Spreizwinkelbestimmung integrieren.
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Das für das Verfahren bestimmte Radkoordinatensystem KO1 und das Merkmalskoordinatensystem KO2 können in anschließenden Auswerteroutinen eingesetzt werden, so dass sich der Rechenaufwand für nachfolgende Rechenroutinen der Auswerteeinrichtung reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders kostengünstig, da keine zusätzlichen Bestandteile in die Achsvermessungseinrichtung integriert werden müssen. Mindestens eine Bildaufnahmeeinheit, die während der Fahrt des Fahrzeuges Radmerkmale am Fahrzeugrad erfasst, sowie eine nachgeordneten Auswerteeinrichtung gehören meist zu einer Achsvermessungseinrichtung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Radkoordinatensystem KO1 mit den Achsen XR, YR und ZR und dem Ursprung OR durch ein Raddrehzentrum im Ursprung OR und die genaue Raddrehachse parallel zur Achse YR definiert wird, da ein sehr genaues und einfaches Verfahren zur Bestimmung der genauen Raddrehachse und des Raddrehzentrums eingesetzt wird.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass das Merkmalskoordinatensystem KO2, mit den Achsen XM, YM, ZM und dem Ursprung OM durch die Lage mindestens zweier Radmerkmale definiert wird. Die Bestimmung des Merkmalskoordinatensystem KO2 benötigt einen geringeren Rechneraufwand, wenn nur zwei Radmerkmale und das vorher bestimmte Raddrehzentrum in die Auswertung einfließen.
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Es zeigt sich von Vorteil, wenn die Winkel rx, ry, rz und/oder die Exzentrizitäten ex, ey, ez schon am Anfang der Messung bestimmt werden, indem die Koordinatensysteme KO1 und KO2 in ihrer Lage zueinander in Beziehung gesetzt werden. Die Werte können unter geringen Aufwand gespeichert werden und stehen schnell für nachfolgende Auswerteroutinen zur Verfügung.
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In Rechenalgorithmen besonders einfach umsetzbar ist, wenn als Ausrichtwert mindestens ein Winkel herangezogen wird, der die Lage der genauen Raddrehachse und der Bezugsachse zueinander definiert.
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Eine durch ihre bildhafte und einfache Beschreibung vorteilhafte Methode ist die Beschreibung des Ausrichtwertes durch mindestens einen Winkel, der durch einen Öffnungswinkel δ eines Kegels, welcher von der Bezugsachse beschrieben wird, und/oder die Phasenrichtung α, welche die Lage der Bezugsachse innerhalb des Kegels angibt, definiert wird.
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Vorteilhaft ist der Einsatz der Formeln δ = arccos(cos(rx)cos(rz)) und der Formel α = arctan((–cos(rx)sin(rz))/sin(rx))) unter Einbeziehung der Winkel rx und rz, da damit eine exakte und schnelle Auswertung der Taumelbewegung eines Fahrzeugrades ermöglicht wird.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Bestimmung der zeitlichen Änderung der Phasenrichtung α über eine Radumdrehung, da sich die Taumelbewegung abhängig von der Phasenrichtung unterschiedlich stark auf die Spur und den Sturz des Fahrzeugrades auswirken.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus dem Einsatz der Winkel δ und α für Korrekturmaßnahmen im Rahmen der Achsvermessung, da eine ideale Verknüpfung zwischen einer berührungslosen Achsvermessung mit einer ebenfalls berührungslosen Bestimmung der Taumelbewegung geschaffen werden kann.
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Ein ähnlicher Vorteil ergibt sich durch den Einsatz der Winkel rx, ry, rz und der Exzentrizitäten ex, ey, ez im Rahmen der Achsvermessung, da durch die große Anzahl an Werten zur Lagebestimmung des Reifens die berührungslose Achsvermessung an Genauigkeit gewinnt.
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Ausführungsbeispiele
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Achsvermessungseinrichtung,
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2 eine Darstellung eines Radkoordinatensystems KO1 und eines Merkmalskoordinatensystems KO2 und
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3 eine Darstellung der Exzentrizitäten und des Felgenschlages eines Fahrzeugrades anhand des Radkoordinatensystems KO1 und des Merkmalskoordinatensystems KO2.
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Die in 1 dargestellte Anordnung einer Messeinrichtung 9 weist eine Bildaufnahmeeinheit 11, welche Bilder eines Fahrzeugrades 10 während der Vorbeifahrt aufnimmt, sowie eine Auswerteeinrichtung 13 auf. Die Messeinrichtung 9 ist typischerweise Bestandteil einer Achsvermessungseinrichtung mit Fahrschienen oder Grube. Die Bildaufnahmeeinheit 11 kann eine Messkamera oder auch mehrere Messkameras enthalten. Des Weiteren ist eine Anordnung mit mehreren Bildaufnahmeeinheiten 11 möglich, die gleichzeitig Bilder von allen vier Rädern eines Kraftfahrzeugs während der Vorbeifahrt aufnehmen.
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Die Bildaufnahmeeinheit 11 ist mit der Auswerteeinrichtung 13 verbunden, die die von der Bildaufnahmeeinheit 11 aufgenommenen Bilder auswertet und weiterverarbeitet. Die Auswerteeinrichtung 13 verfügt über ein Display oder ist mit einem Werkstattrechner verbunden, der die Ergebnisse der Auswertung darstellt. Falls mehrere Bildaufnahmeeinheiten 11 zur Aufnahme aller vier Räder benutzt werden, können diese entweder mit einer zentralen Auswerteeinrichtung verbunden sein oder jeweils eine eigene Auswerteeinrichtung besitzen, die auch in die Bildaufnahmeeinheit 11 integriert sein kann.
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Auf dem Fahrzeugrad 10 befinden sich gemäß 1 mindestens zwei Radmerkmale 12, die entweder schon am Fahrzeugrad 10 vorhanden sind oder extra für die Messung angebracht werden. Des Weiteren kann am Fahrzeugrad 10 ein Messgegenstand angebracht sein, beispielsweise eine Messplatte (Target), auf welcher die mindestens zwei Radmerkmale 12 angeordnet sind. Der Messgegenstand muss fest mit dem Fahrzeugrad 10 verbunden sein und darf seine Lage relativ zum Fahrzeugrad 10 während der Rotationsbewegung des Fahrzeugrades 10 nicht verändern. In 1 ist weiterhin eine genaue Raddrehachse 14, ein Raddrehzentrum 16 und eine Raddrehebene 15 für das Fahrzeugrad 10 eingezeichnet.
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Mit Hilfe der durch die Bildaufnahmeeinheit 11 aufgenommenen Radmerkmale 12 während der Vorbeifahrt des Kraftfahrzeugs wird die genaue Raddrehachse 14 und das Raddrehzentrum 16 des Fahrzeugrades 10 bestimmt. Hierbei werden bekannte Verfahren eingesetzt, die die Bewegung der Radmerkmale 12 auf eine Kreisbahn zurückrechnen und mit dieser die genaue Raddrehachse 14 und das Raddrehzentrum 16 des Fahrzeugrades 10 bestimmen. Das Raddrehzentrum 16 wird durch den Schnittpunkt der genauen Raddrehachse 14 mit der äußeren Oberfläche des Fahrzeugrades 10 oder der Felge bestimmt. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass sich das Raddrehzentrum 16 auf der äußeren Oberfläche des Fahrzeugrades 10 oder der Felge befindet. Es kann aber auch ein anderer Punkt auf der genauen Raddrehachse 14 als Raddrehzentrum 16 bestimmt werden. Die Raddrehebene 15 des Fahrzeugrades 10 wird durch eine Fläche senkrecht zur genauen Raddrehachse 14 durch das Raddrehzentrum 16 beschrieben.
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Mit Hilfe der genauen Raddrehachse 14 und des Raddrehzentrums 16 wird ein kartesisches Radkoordinatensystem KO1 bestimmt. Dieses Radkoordinatensystem KO1 wird durch eine Achse XR, eine Achse YR, eine Achse ZR und einen Ursprung OR beschrieben. Es wird durch das Raddrehzentrum 16, welches im Ursprung OR liegt und die genaue Raddrehachse 14, die parallel zur Achse YR liegt, definiert. Die Lage der Achsen XR und ZR kann beliebig in der Raddrehebene 15 gewählt werden. Das Radkoordinatensystem KO1 ist raumfest und wird im Folgenden als globales Koordinatensystem betrachtet.
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Des Weiteren werden die während der Vorbeifahrt aufgenommenen 2D-Koordinaten der Radmerkmale 12 in 3D-Koordinaten zurückgerechnet, so dass die genaue Lage der Radmerkmale 12 während der Vorbeifahrt des Kraftfahrzeuges angegeben werden kann. Durch die 3D-Koordinaten der mindestens zwei Radmerkmale 12 und das Raddrehzentrum 16 lässt sich ein kartesisches Merkmalskoordinatensystem KO2 definieren. Das Merkmalskoordinatensystem KO2, mit einer Achse XM, einer Achse YM, einer Achse ZM und einem Ursprung OM wird durch die Lage der zwei Radmerkmale 12 und das Raddrehzentrum 16 bestimmt. Die Lage des Ursprungs OM kann dabei beliebig gewählt werden. Es bietet sich aber an, den Ursprung OM in das Raddrehzentrum 16 des Fahrzeugrades 10 zu legen. Die beiden Achsen XM und ZM befinden sich in einer momentanen Merkmalsdrehebene, die durch die mindestens zwei Radmerkmale 12 und das Dehzentrum 16 aufgespannt wird. Anstelle des Raddrehzentrums 16 und zweier Radmerkmale 12 können auch mindestens drei Radmerkmale 12 die momentane Merkmalsdrehebene aufspannen. Die Achse YM verläuft senkrecht zur momentanen Merkmalsdrehebene. Da sich die Radmerkmale 12 während der Rotationsbewegung des Fahrzeugrades 10 bewegen, führt das Merkmalskoordinatensystem KO2 eine Rotationsbewegung aus.
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Treten am Fahrzeugrad 10 Formfehler des Reifens oder der Felge auf, so führt das Fahrzeugrad 10 eine Taumelbewegung aus. Dies wird in der Fahrzeugtechnik auch als Felgenschlag beschrieben. Ein Formfehler der Felge kann bei Nichtparallelität des Felgenflansches zur Radmittenebene auftreten. Weitere Formfehler können durch eine Beschädigung nach der Fahrt gegen ein Hindernis auftreten. Werden zur Achsvermessung die eingangs erwähnten Messplatten (Targets) eingesetzt, so kann durch Formfehler dieser Messplatten oder durch Fehler bei deren Befestigung am Fahrzeugrad 10 ein Geräteschlag entstehen. Im Folgenden wird die Summe all dieser Faktoren, die zur Taumelbewegung beitragen, betrachtet und als Felgenschlag bezeichnet.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Bestimmung der Taumelbewegung eines Fahrzeugrades 10 und/oder der Taumelbewegung einer auf dem Fahrzeugrad 10 angebrachten Messplatte im Rahmen einer Achsvermessung beschrieben. Die Taumelbewegung wird durch die Bewegung einer Bezugsachse 18 beschrieben und wird durch mindestens einen Ausrichtwert zwischen der genauen Raddrehachse 14 und der Bezugsachse 18 bestimmt. Dafür werden die erwähnten Koordinatensysteme KO1 und KO2 in Bezug zueinander gesetzt.
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Das Radkoordinatensystem KO1 beschreibt als globales Koordinatensystem mit den Achsen XR, YR, ZR und den Ursprung OR das Radkoordinatensystem KO1 des Fahrzeugrades 10 in dem auch die genaue Raddrehachse 14, die Raddrehebene 15 und das Raddrehzentrum 16 des Fahrzeugrades 10 liegen.
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Das Merkmalskoordinatensystem KO2 mit den Achsen XM, YM, ZM und den Ursprung CM beschreibt das Merkmalskoordinatensystem KO2, welches seine Lage abhängig von der Radstellung ändert.
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In 2 und 3 sind das Radkoordinatensystem KO1 und das Merkmalskoordinatensystem KO2 dargestellt. Bei der Definition des Merkmalskoordinatensystems KO2 wurde der Ursprung CM nicht in das Raddrehzentrum 16 gelegt, um die Lage einer Exzentrizität ex, einer Exzentrizität ey und einer Exzentrizität ez zu verdeutlichen. Des Weiteren geht aus der Zeichnung die Lage eines Winkels rx, eines Winkels ry und eines Winkels rz hervor.
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Die Lage der beiden Koordinatensysteme KO1 und KO2 zueinander lässt sich durch die Exzentrizitäten ex, ey und ez und die Winkel rx, ry, rz beschreiben. Liegt eine Verschiebung der beiden Koordinatensysteme KO1 und KO2 vor, so gibt die Exzentrizität ex die Größe der Verschiebung entlang der Achse XR, die Exzentrizität ey die Größe der Verschiebung entlang der Achse YR und die Exzentrizität ez die Größe der Verschiebung entlang der Achse ZR an.
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Sind die beiden Koordinatensysteme KO1 und KO2 in ihrer Lage zueinander verdreht, so gibt der Winkel rx den Winkel zwischen der Achse YR und YM an, unter der Annahme, dass keine Translation vorliegt und dass YM in die Ebene YRZR projiziert wurde. Der Winkel ry gibt den Winkel zwischen der Achse XR und XM an, unter der Annahme, dass keine Translation vorliegt und dass XM in die Ebene XRZR projiziert wurde. Der Winkel rz gibt den Winkel zwischen der Achse YR und YM an, unter der Annahme, dass keine Translation vorliegt und dass ZM in die Ebene XRYR projiziert wurde.
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Liegt ein Felgenschlag vor, so beschreibt die Achse YM des Merkmalskoordinatensystems KO2 einen Kegel 17 um die Achse YR des Radkoordinatensystems KO1, wenn OM und OR identisch sind. Hierbei bildet die Achse YR die Achse des Kegels 17. Liegen die beiden Ursprünge OR und OM nicht aufeinander, so beschreibt die Achse YM des Merkmalskoordinatensystems KO2 einen Kegel 17 um eine Achse YR', welche parallel zur Achse YR ist und um die Exzentrizitäten ex, ey und ez verschoben wurde (3).
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Liegt kein Felgenschlag vor, so sind die Achsen YM des Merkmalskoordinatensystems KO2 und YR des Radkoordinatensystems KO1 parallel und die Winkel rx und rz sind Null (rx = 0°, rz = 0°).
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Zum Bestimmen der Taumelbewegung eines Fahrzeugrades 10 wird die Achse YM als Bezugsachse 18 gewählt und mindestens ein Ausrichtwert zwischen der Bezugsachse 18 und der genauen Raddrehachse 14 bestimmt. Der Ausrichtwert wird durch einen festen Betrag, der identisch mit einem Öffnungswinkel δ des Kegels 17 ist, und/oder eine Phasenrichtung α, die die Lage der Bezugsachse 18 auf dem Kegel 17 beschreibt, angegeben. Der Öffnungswinkel δ und die Phasenrichtung α lassen sich mit Hilfe der Winkel rx und rz durch die im Folgenden angegebenen Formeln berechnen. Der Öffnungswinkel δ wird durch eine Formel δ = arccos(cos(rx)cos(rz)) berechnet. Die Phasenrichtung α wird durch eine Formel α = arctan((–cos(rx)sin(rz))/sin(rx))) berechnet. Da die Phasenrichtung α abhängig von der Radstellung ist, kann auch der zeitliche Verlauf bzw. die Lage der Bezugsachse 18 auf dem Kegel 17 in Abhängigkeit von der Zeit und/oder der Radstellung angegeben werden.
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Mit Hilfe des oben angegebenen Verfahrens lässt sich im Rahmen der Achsvermessung der Felgenschlag genau bestimmen. Die genauen Werte des Öffnungswinkel δ und/oder der Phasenrichtung α können für die Bestimmung und Berechnung weiterer relevanter Größen in der Achsvermessung, wie z. B. Spur, Sturz und Spreizwinkel hinzugezogen werden.
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Sind die Bildaufnahmeeinheiten 11 am Anfang bzw. im Auffahrtsbereich der Achsvermessungseinrichtung angeordnet, lassen sich der Öffnungswinkel δ und/oder die Phasenrichtung α und/oder die anderen Größen ex, ey, ez, rx, ry, rz schon bei der Auffahrt auf den Messplatz bestimmen und in die nachfolgenden Verfahren zur Achsvermessung und/oder in die Verfahren zur Radausrichtung integrieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2313087 C3 [0002]
- EP 1857774 B1 [0003]
