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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Fahrwerksgröße, wie beispielsweise eines Sturzes und/oder einer Spur, insbesondere eines Kraftfahrzeuges.
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Die korrekte Messung und Einstellung von Fahrwerksgrößen, wie beispielsweise dem Sturz und/oder der Spur der Räder des Kraftfahrzeugs, sind eine wesentliche Voraussetzung für ein richtig eingestelltes Fahrwerk. Ein optimal eingestelltes Fahrwerk ist Grundlage für ein sicheres und ausgewogenes Fahrverhalten sowie für eine ökonomische Fahrweise bei gleichzeitig ausreichender Fahrdynamik und Fahrspaß. In der Produktion und während der Wartung können die Fahrwerksgrößen in Fahrwerkmessständen vermessen und eingestellt werden. Solche Fahrwerkgrößen können neben anderen Größen wichtige Komponenten für die Sicherheit und die Auslieferqualität des Kraftfahrzeugs darstellen. So kann beispielsweise aus den Spurwerten der Hinterräder die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges, die sogenannte geometrische Fahrachse, als weitere Fahrwerksgröße bestimmt werden.
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Mit zunehmender Laufleistung des Kraftfahrzeuges oder durch einen Unfall bzw. ein Auffahren der Räder auf ein Hindernis kann sich ein korrekt eingestelltes Fahrwerk verändern. Ein derartig verändertes Fahrwerk kann zu Einbußen in der Sicherheit, zu einer Verschlechterung des Fahrverhaltens und einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führen. Demzufolge ist eine „onboard”-Erfassung der Fahrwerksgrößen nützlich, sodass bei dementsprechender Änderung der Fahrwerksgrößen unterschiedlichste Aktionen angestoßen werden können. So kann bei einer Abweichung der geometrischen Fahrachse zum Beispiel während der Fahrt diese Information an die für die Fahrsicherheit relevanten Steuergeräte, wie zum Beispiel ein elektronisches Stabilitätsprogramm oder an ein Fahrerassistenzsystem, übermittelt werden, sodass mittels dieser für die Fahrsicherheit relevanten Steuergeräte eine Anpassung an die jeweilige Situation möglich ist. Bei zu starker Abweichung dieser grundlegenden Fahrwerksgrößen kann beispielsweise der Bordcomputer des Kraftfahrzeuges eine Fehlermeldung ausgeben, die den Benutzer des Kraftfahrzeuges über eine notwendige oder sinnvolle Wartung informiert. Weiterhin ist die „onboard”-Erfassung der Fahrwerksgrößen eine Grundvoraussetzung für eine aktuatorische Verstellbarkeit des Fahrwerks und somit ein bedeutender Schritt in Richtung eines manuell einstellfreien, automatischen Fahrwerks. Ein derartiges automatisches Fahrwerk kann sich je nach Witterungs- bzw. Straßenverhältnissen oder aufgrund einer Benutzervorgabe selbstständig einstellen.
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Ein Beispiel für eine derartige Detektion von Fahrwerkgrößen ist in der
WO 98/41816 beschrieben. Dabei wird zur Achsvermessung eines Kraftfahrzeuges zumindest ein Drehratensensor verwendet, der als Teil eines Gebers einen Winkel zwischen einem Rad des Kraftfahrzeuges und einer Bezugsrichtung ermittelt. Dabei kann der Geber ein, zwei oder drei Drehratensensoren aufweisen, die orthogonal zueinander ausgebildet sind. Mit Hilfe eines derartigen Gebers, der an einem Rad des Kraftfahrzeuges befestigt werden kann, ist es möglich, die Spur und/oder den Sturz des Rades eines Kraftfahrzeuges zu bestimmen.
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Drehratensensoren können jedoch eine nicht akzeptable Empfindlichkeit gegenüber Stößen aufweisen und zudem oder alternativ eine hohe Temperaturabhängigkeit. Weiterhin sind Drehratensensoren nur bedingt miniaturisierbar. Somit besteht ein zunehmender Bedarf an weiteren Vorrichtungen zur Bestimmung von Fahrwerksgrößen in Kraftfahrzeugen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Bestimmung von Fahrwerksgrößen eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine hohe Robustheit sowie Ausfallsicherheit und Lebensdauer auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Ermittlung zumindest einer Fahrwerksgröße, wie beispielsweise eines Sturzes und/oder einer Spur, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zumindest einen Beschleunigungssensor zu verwenden. Dieser Beschleunigungssensor kann an einem Rad des Kraftfahrzeuges befestigt werden.
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Vorteilhaft kann durch Verwendung zumindest eines Beschleunigungssensors eine Vorrichtung hergestellt werden, die robust und von hoher Lebensdauer ausgestaltet die Ermittlung zumindest einer Fahrwerksgröße über die Lebensdauer hinweg zuverlässig und exakt sicherstellt.
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Dabei versteht man unter der Spur die Schrägstellung des Rades zur Fahrzeuglängsachse und somit den Winkel zwischen dem Radradius und der Fahrzeuglängsachse in der Ebene, die von der Fahrzeuglängsachse und der Fahrzeugquerachse aufgespannt wird. Unter dem Sturz ist demzufolge die Neigung des Rades zur Fahrzeughochachse zu verstehen und demzufolge stellt der Sturz den Winkel zwischen dem Radradius und der Fahrzeughochachse in der durch die Fahrzeughochachse und die Fahrzeugquerachse aufgespannten Ebene dar. Dabei sind beide zuvor beschriebenen Ebenen und Achsen jeweils durch den Rotationsmittelpunkt des Rades zu legen.
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Unter der Fahrzeugquerachse ist dabei eine Achse zu verstehen, die parallel zur Vorderachse oder zur Hinterachse des Kraftfahrzeuges hin orientiert ist. Die Fahrzeuglängsachse ist senkrecht zur Fahrzeugquerachse und in Fahrtrichtung bzw. Längsrichtung des Kraftfahrzeuges orientiert. Die Fahrzeughochachse steht jeweils senkrecht zur Fahrzeuglängsachse und zur Fahrzeugquerachse.
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Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Vorrichtung, die zumindest einen Beschleunigungssensor aufweist, der zumindest an einem Rad befestigt ist, lassen sich sowohl die Spur als auch der Sturz des jeweiligen Rades bestimmen. Werden beide Räder jeweils einer Achse, beispielsweise der Vorderachse oder der Hinterachse, mit zumindest einem Beschleunigungssensor ausgestattet, so lässt sich zudem die geometrische Fahrachse der jeweiligen Fahrzeugachse bestimmen. Dabei ist unter der geometrischen Fahrachse der jeweiligen Fahrzeugachse die Winkelhalbierende des Winkels zu verstehen, der aus den Spuren bzw. Spurwinkeln der beiden Räder der jeweiligen Fahrzeugachse ausgebildet ist.
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Durch die Verwendung von zumindest einem Beschleunigungssensor lässt sich somit ein manuell einstellfreies, automatisches Fahrwerk konstruieren. Daraus kann sich ein hoher Kundennutzen ergeben, wobei aufgrund von situationsangepassten Wahlmöglichkeiten des Fahrwerks ein geringer Verbrauch bei gleichzeitiger hoher Seitenstabilität erzielt werden kann. Weiterhin kann sich auch ein großer Nutzen für eine effiziente Produktion derartiger Kraftfahrzeuge einstellen.
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Der Beschleunigungssensor kann an der Außenseite der Radfelge montiert werden. Ist nun ein mit einem derartigen Beschleunigungssensor ausgestattetes Rad mit zumindest einem Sturz und/oder einer Spur behaftet, so dreht sich das Rad um eine Rotationsachse, die nicht parallel zur Fahrzeugquerachse positioniert ist. Aufgrund dessen erfährt der Beschleunigungssensor, der der Rotation des Rades um seine Rotationsachse folgt, eine oszillierende Querbeschleunigung in Richtung der Fahrzeugquerachse mit abwechselnd entgegengesetztem Vorzeichen. Dies kommt dadurch zustande, dass aufgrund der Schrägstellung der Rotationsachse zur Fahrzeugquerachse der Beschleunigungssensor eine Pendelbewegung in Richtung der Fahrzeugquerachse ausführt.
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Weist das Rad, an dem der Beschleunigungssensor angebracht ist, sowohl einen Sturz als auch eine Spur auf, so überlagern sich die Querbeschleunigungen des Sturzes und der Spur. ist beispielsweise an einem durch die Hinterachse angetriebenen Kraftfahrzeug die Spur der Räder an der Hinterachse positiv und der Sturz negativ eingestellt, so weisen die Querbeschleunigungen des Sturzes und der Spur ein entgegengesetztes Vorzeichen auf und überlagern sich, sodass der Beschleunigungssensor die vektorielle Summe beider Querbeschleunigungen misst.
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Als Berechnungsformel für die Querbeschleunigung lässt sich unter der Annahme kleiner Winkel (αSp,St < ~1°) folgende Formel I ay(t) = (r2π)2·D/2·tan(αSp,St)·cos(r2πt) (I) aufstellen, wobei r die Raddrehzahl (in Hz), D der Felgendurchmesser und αSp,St Spur bzw. der Sturz des jeweiligen Rades in Radian ist. Mit Kenntnis der anderen Parameter in Formel I lässt sich bei gemessener Querbeschleunigung ay(t) der Spurwinkel bzw. der Sturzwinkel zumindest als relative Größe ermitteln. Bei Kenntnis einer Fahrzeugreferenzachse, wie z. B. der Fahrzeuglängsachse, lassen sich auch die Werte für die Spur und den Sturz absolut ermitteln.
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Um die Querbeschleunigungskomponenten der Spur und des Sturzes des jeweiligen Rades zu separieren und einzeln zu bestimmen, kann beispielsweise der Beschleunigungssensor mit einem Raddrehzahlsensor in der Weise synchronisiert werden, dass die Querbeschleunigung nur an bestimmten Radpositionen bzw. Radständen des Sensors, wie zum Beispiel am oberen Scheitelpunkt und/oder am unteren Radaufstandspunkt gemessen wird. In diesen beiden Positionen kann der gemessene Querbeschleunigungswert direkt einem Wert für den Sturz zugeordnet werden, da in diesen Punkten die durch die Spur hervorgerufene Querbeschleunigung 0 ist. Analog kann die Spur aus einer durch den Beschleunigungssensor gemessenen Querbeschleunigung ermittelt werden, die in um 90° verschobenen Radständen ermittelt wird.
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Zudem kann wenigstens ein weiterer Beschleunigungssensor verwendet werden, der die Zentrifugalbeschleunigung während der Raddrehung bestimmt. Mit Hilfe dieser weiteren Information kann die Auftrennung der gemessene Querbeschleunigung in die jeweiligen Komponenten des Sturzes und der Spur vorgenommen werden, da die zu diesen Querbeschleunigungskomponenten korrespondierenden Werte der Zentrifugalbeschleunigung aufgrund der unterschiedlichen Radpositionen verschieden ist.
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Ein weiterer allgemeiner Gedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Fahrwerksgröße, wie beispielsweise eines Sturzes und/oder einer Spur, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bei dem mittels zumindest eines an einem Rad des Kraftfahrzeuges angeordneten Beschleunigungssensors eine an dem Rad angreifende Querbeschleunigung in Richtung der Fahrzeugquerachse ermittelt wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Rad mit einem an einer Felge des Rades befestigten Beschleunigungssensor,
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2 ein quer zur Fahrzeuglängsachse orientiertes Rad,
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3 verschiedene Position des Beschleunigungssensors relativ zur Fahrzeuglängsachse während der Rotation des Rades.
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Ein in 1 dargestelltes Rad 1 weist eine Felge 2 auf, an der ein Beschleunigungssensor 3 angebracht ist. Sowohl das Rad 1 als auch die Felge 2 sowie der Beschleunigungssensor 3 rotieren um eine Rotationsachse 4. Dabei rotiert der Beschleunigungssensor 3 um die Rotationsachse 4 auf einer Kreisbahn 5, die einen Durchmesser D aufweist.
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In 2 ist das Rad 1 unter einem Winkel α zu einer Fahrzeuglängsachse 6 orientiert. In diesem Fall ist die Rotationsachse 4 nicht parallel zu einer Fahrzeugquerachse 7 orientiert, sondern schließt mit derselben einen nicht näher bezeichneten Winkel ein. In den Figuren ist exemplarisch jeweils nur der Winkel α zur Fahrzeuglängsachse dargestellt, wobei somit der Winkel α der Spur αSP entspricht. Prinzipiell lassen sich aber sämtliche vorhergehend und nachfolgend ausgeführten Überlegungen auch auf den Sturz αST, also auf den Winkel zwischen dem Durchmesser D und einer Fahrzeughochachse 8, übertragen.
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In den 3a bis 3d ist der Bewegungsablauf des Beschleunigungssensors 3 im Laufe der Rotation des Rades bezüglich der Fahrzeuglängsachse 6 und der Fahrzeugquerachse 7 dargestellt. In 3a ist die Position des Beschleunigungssensors 3 in äußerster, in Fahrtrichtung 9 orientierter Stelle auf der Felge 2 gezeigt. Rotiert das Rad 1 aufgrund der Fortbewegung des Kraftfahrzeuges in Fahrtrichtung 9 um 90° weiter, so gelangt der Beschleunigungssensors 3 zu der in 3b gezeigten Position im Bereich des Radaufstandspunktes. Bei einer weiteren Umdrehung gelangt er zu der in 3c gezeigten Position und somit zu einer äußersten, entgegengesetzt zur Fahrtrichtung 9 orientierten Position. Eine weitere Umdrehung des Rades 1 um 90° positioniert den Bewegungssensor am oberen Scheitelpunkt, wie in 3d gezeigt. Eine weitere Drehung des Rades 1 um 90° führt zu der Position des Beschleunigungssensors 3, wie in 3a gezeigt. Aufgrund dieses Bewegungsablaufes geht hervor, dass der Beschleunigungssensor 3 in Richtung der Fahrzeugquerachse 7 oszillierend mit wechselndem Vorzeichen unter der Querbeschleunigung 10 beschleunigt wird. Dabei ist jeweils in der in der 3a und 3c gezeigten Radstellung die Querbeschleunigungskomponente der Spur direkt bestimmbar, da die Querbeschleunigungskomponente des Sturzes gemäß der Theorie Null ist. Analog dazu kann in den in den 3b und 3d gezeigten Radständen die durch den Sturz hervorgerufene Querbeschleunigungskomponente direkt bestimmt werden, da die Querbeschleunigungskomponente der Spur in diesen Radständen gemäß der Theorie Null ist.
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Zur besseren Verdeutlichung der Fahrzeuglängsachse 6, der Fahrzeugquerachse 7 und der Fahrzeughochachse 8 sind eben diese in der Mitte der 3a bis 3d mittels eines Koordinatensystems 11 dargestellt. Dabei weist die Fahrzeughochachse 8 aus der Blattebene hinaus.
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Mittels eines derartig angeordneten Beschleunigungssensors 3 kann beispielsweise bei einer 245/40 R18 Bereifung und einer Geschwindigkeit von 100 km/h sowie einer Spur von 0,2° eine Querbeschleunigung 10 in einer Größenordnung von 50 Prozent der Erdbeschleunigung erreicht werden.
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Unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung 12, umfassend zumindest einen an zumindest einem Rad 1 des Kraftfahrzeuges befestigten Beschleunigungssensor 3, kann während der Benutzung des Kraftfahrzeuges mit geringem Aufwand zumindest eine Fahrwerksgröße des Kraftfahrzeuges laufend bestimmt werden. Wird diese Information mittels eines „onboard”-Diagnosesystems verarbeitet, so kann zum Einen eine situationsangepasste Ansteuerung des Fahrwerks während des Betriebes vorgenommen werden und zum Anderen die Funktionstüchtigkeit des Fahrwerkes überwacht, sowie dessen Wartung veranlasst werden. Dies führt zu einer höheren Sicherheit und zu einem verbesserten Fahrgefühl für den Benutzer des Kraftfahrzeugs. Zur weiteren Steigerung dieser Vorteile kann die Vorrichtung auch mehrere Beschleunigungssensoren 3 umfassen, wobei mehrere Beschleunigungssensoren 3 an zumindest einem Rad angeordnet sein können, so dass gleichzeitig mehrere Fahrwerksgrößen bestimmt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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