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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Messen einer Fahrbahnreibung eines Fahrzeugrads nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechend ausgestatteten Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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In der Antriebstechnik wird ein Antrieb mit mindestens einem Elektromotor als Elektroantrieb bezeichnet. Gattungsgemäße Elektroantriebe werden dabei typischerweise von einer Regelung geregelt. Sofern die Motorleistung groß ist, werden herkömmliche elektronische Leistungsstellglieder zwischen die Regelung und den Elektromotor geschaltet. Diese werden im vorliegenden Kontakt als Bestandteil des Elektroantriebs erachtet.
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Häufig ist die Regelung des Elektroantriebs in Gestalt einer Drehzahl-, Drehmoment-, Lage-, Geschwindigkeits- oder mehrvariablen Regelung ausgeführt. Für den praktischen Betrieb sind dem Fachmann zudem gesonderte Komponenten für das Ein- und Ausschalten des Antriebs sowie notwendige Sicherungs- und Überwachungseinrichtungen, ferner eine Energiequelle in Form eines Netzanschlusses, eines Generators etwa in Gestalt einer Brennstoffzelle oder auch eines Akkumulators oder Doppelschichtkondensators etwa in Form sogenannter Ultra- oder Supercaps bekannt.
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Fahrzeuge, die über einen derartigen Elektroantrieb verfügen und nicht an Schienen gebunden sind, sind in der Fahrzeugtechnik als Elektrokraftfahrzeuge bekannt. Die für unterschiedliche Gattungen von Elektrokraftfahrzeugen in Fachkreisen verwendeten Bezeichnungen sind umfangreich, zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch wenig systematisiert und nicht eindeutig. Im vorliegenden Zusammenhang soll der Begriff „Elektrokraftfahrzeug” daher in seinem umfassenden Wortsinn verwendet werden, welcher sogenannte Hybridelektrokraftfahrzeuge, die über ein zusätzliches, nichtelektrisches Antriebssystem – etwa eine Verbrennungskraftmaschine – ohne unmittelbare mechanische Verbindung mit dem Antriebsstrang verfügen, ausdrücklich einschließt. Problematisch ist in diesem Zusammenhang die Gewährleistung einer möglichst hohen Fahrsicherheit. So wird bei herkömmlichen Elektrokraftfahrzeugen der Kontakt zwischen Fahrzeug und Fahrbahn nur durch mehrere etwa handtellergroße Flächen vermittelt. Die Kraftentstehung in diesen Kontaktflächen ist somit für die Fahrdynamik von besonderem Interesse.
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Zu Erhöhung der Fahrsicherheit schlägt die
DE 10 2009 022 592 A1 daher ein Verfahren zur Ermittlung des Fahrbahnreibwerts während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs vor, welches auch zum Einsatz bei Elektrokraftfahrzeugen grundsätzlich geeignet erscheint. Zur Ermittlung des Fahrbahnreibwerts während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs werden gemäß diesem Ansatz die Reifenrückstellmomente der Räder einer Achse gemessen oder aus gemessenen Größen ermittelt. Ferner werden die Seitenkräfte und/oder die Querbeschleunigung an diesen Rädern ermittelt. Reifenrückstellmomente und Seitenkräfte bzw. Querbeschleunigung dienen als Eingangsgrößen eines im Fahrzeug abgelegten Berechnungsmodells, welches als Ausgangsgröße den Fahrbahnreibwert liefert.
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Ein Nachteil dieses Ansatzes liegt indes in der konstruktiven Komplexität der zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens erforderlichen Vorrichtung. Deren Umsetzung erfordert eine speziell konfigurierte Sensorik zur Erfassung der auf die Spurstangen eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeugs wirkenden Kräfte, welche sodann die Grundlage einer modellbasierten Berechnung der resultierenden Reifenrückstellmomente bilden.
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Die Erfindung stellt sich daher der Aufgabe, eine konstruktiv vereinfachte Messeinrichtung zum Messen des Fahrbahnreibungskoeffizienten bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht demnach darin, sich die spezifische Konfiguration der in gattungsgemäßen Elektrokraftfahrzeugen häufig verbauten Elektromotoren zunutze zu machen.
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Ein derartiger Elektromotor kann beispielsweise ein Rad naher Elektromotor sein. Rad nahe Elektromotoren können an einem Fahrwerksbauteil oder, wenn auch seltener, an einem Karosserieteil angeordnet sein. Vorzugsweise sind Rad nahe Elektromotoren an einem Querlenker angeordnet, wobei der Elektromotor einenends fest mit dem Querlenker verbunden oder beweglich an diesem angeordnet sein kann. Am freien, radseitigen Ende des Elektromotors überträgt eine Welle das Moment des Elektromotors auf ein Antriebsrad. Alternativ kann der Rad nahe Elektromotor an beiden Enden jeweils eine Welle aufweisen, die das Moment des Elektromotors auf die sich gegenüberliegenden Räder einer Fahrzeugachse übertragen. Weiterhin kann ein derartiger Elektromotor auch ein Radnabenmotor sein. Dieser ist unmittelbar in einem Fahrzeugrad des Elektrokraftfahrzeugs integriert und trägt zugleich dessen zugehörige Radnabe. Ein Teil des Elektromotors kann daher das von diesem erzeugte Drehmoment unter Verzicht auf einen klassischen Antriebsstrang direkt auf das mit ihm umlaufende Fahrzeugrad übertragen. Da die im Fahrbetrieb des Elektrokraftfahrzeugs vom Reifen auf die Radfelgen übertragenen Schwingungen somit nicht von Getriebe, Kardanwelle, Differentialgetriebe, Antriebswelle oder anderen Komponenten eines herkömmlichen Antriebsstrangs gedämpft werden, wirken sie sich unmittelbar auf den dem Fahrzeugrad benachbarten Elektromotor und induzieren in diesem einen mit hoher Frequenz wechselnden Strom, der sich in einem messbaren Wechselanteil der zwischen den Polen des Elektromotors abfallenden Spannung manifestieren kann.
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Erfindungsgemäß wird eben ein derartiger Wechselspannungsanteil der somit am Elektromotor resultierenden Gesamtspannung mittels eines geeigneten Messwertaufnehmers an den Anschlüssen des Motors abgegriffen und einer elektronischen Auswertungsschaltung zugeführt. Diese Schaltung kann nunmehr von der Amplitude der Wechselspannung auf den charakteristischen Reibungskoeffizienten schließen.
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Der Messwertaufnehmer kann dabei auf der Grundlage einer zwischen einem Spannungseingang und einem Spannungsausgang angeordneten Hochpass-Filterschaltung realisiert werden, die aufgrund ihrer Konfiguration lediglich von Wechselspannungsanteilen oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz passiert werden kann. Während die zur Ermittlung des Reibungskoeffizienten relevanten Wechselspannungsanteile somit nahezu ungeschwächt am Spannungsausgang anliegen, werden tiefere Spannungsfrequenzen in erheblichem Maße gedämpft und bleiben unbeachtet.
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Eine derartige Hochpass-Filterschaltung lässt sich auf unkomplizierte Weise mittels eines ohmschen Widerstandes und eines zu diesem in Reihe geschalteten Kondensators bekannter elektrischer Kapazität verwirklichen, wobei der begehrte Wechselspannungsanteil zwischen den als Spannungsausgang dienenden beidseitigen Anschlüssen des Kondensators abgenommen werden kann. Durch die beschriebene Kombination zweier elementarer elektrotechnischer Bauelemente entsteht ein im Wesentlichen lineares, zeitinvariantes System, welches dem Entwickler angesichts seiner einfachen Transformationsgleichungen eine flexible Gestaltung des Systemverhaltens mittels vertrauter Konfigurationsparameter bei vergleichsweise niedrigen Stückkosten erlaubt.
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So lässt sich etwa die Grenzfrequenz der Hochpass-Filterschaltung auf der Basis eines solchen RC-Glieds durch eine geeignete Dimensionierung des Kondensators in weiten Grenzen konstruktiv variieren. Unter diesem Gesichtspunkt empfiehlt sich die Wahl einer Kapazität, die vor allem Wechselspannungsanteile im Frequenzbereich oberhalb von 25 Hertz den Filter passieren lässt, da Spannungsanteile entsprechender Frequenzen als Anzeichen für eine erhöhte Fahrbahnreibung des Fahrzeugrads der Auswertung zuzuführen sind.
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Selbst eine Mehrzahl unterschiedlicher Frequenzbereiche lässt sich mittels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung abdecken, wenn deren Messwertaufnehmer eine Mehrzahl parallel geschalteter Hochpass-Filterschaltungen der beschriebenen Art umfasst. Um bei einer vergleichsweise geringen Anzahl paralleler Filter ein größtmögliches Frequenzspektrum zu berücksichtigen, sind die Kapazitäten der einzelnen Hochpässe dabei so zu wählen, dass jeder eine andere Grenzfrequenz aufweist.
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Zur Auswertung des am Spannungsausgang abgegebenen Wechselspannungsanteils bietet sich etwa ein analoger Komparator an, der als wohl einfachste Schaltungsalternative eine Digitalisierung des vom Messwertaufnehmer gelieferten Analogsignals erlaubt, indem er das Überschreiten einer vorgegebenen Referenzspannung erkennt. Durch eine geeignete Verkettung mehrerer derartiger Komparatoren lassen sich dabei selbst Abstufungen der Spannungsamplitude wiedergeben.
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Als Alternative zur Verwendung eines Komparators mag indes der Einsatz einer Schottky-Diode in Betracht kommen, welche selbst bei hohen Spannungsfrequenzen eine sichere Gleichrichtung des Wechselspannungsanteils gestattet. Eine entsprechend gestaltete Auswertungsschaltung ermöglicht so die Konstruktion einer Messeinrichtung, welche mittels leistungsfähiger MOSFETs in schnelle TTL-Logikschaltungen integriert werden kann.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 den vereinfachten Schaltplan einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung und
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2 ein Liniendiagramm des funktionellen Zusammenhangs zwischen einer Spannungsamplitude am Spannungsausgang der Messeinrichtung gemäß 1 und der Vibration eines Rades auf unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen.
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1 illustriert den Aufbau einer Messeinrichtung 1 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung zur Messung einer Fahrbahnreibung. Gemäß DIN 1319 wird als Messeinrichtung dabei im vorliegenden Zusammenhang die Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlichen Einrichtungen zur Erfassung der Reibungskräfte verstanden, welche an der Kontaktfläche des Fahrzeugrades eines (nicht dargestellten) Elektrokraftfahrzeugs zur Fahrbahnoberfläche im Betrieb des Elektrokraftfahrzeugs auftreten.
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Um die beschriebene Reibungskraft in ein Verhältnis zur Anpresskraft zwischen dem Fahrzeugrad und dessen Untergrund zu setzen, dient dabei im Folgenden der dimensionslose Reibungskoeffizient, welcher außerhalb der Tribologie auch als Reibungszahl oder Reibwert bezeichnet und üblicherweise durch das Formelzeichen μ symbolisiert wird.
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Die Messeinrichtung 1 der 1 ist dabei erfindungsgemäß mit einem Elektromotor 2, insbesondere mit einem Radnaben beziehungsweise Rad nahen Elektromotor des Elektrokraftfahrzeugs verschaltet. Obgleich als Innen- oder Außenläufer in einer Vielzahl denkbarer Konfigurationen realisierbar, bildet ein solcher Motor 2 mit dem ihm zugeordneten Fahrzeugrad über wechselwirkende Oberflächen beider Bauteile ein gemeinsam schwingendes System, sodass selbst eine geringfügige Vibration des Fahrzeugrades nachweisbare elektrische Wechselströme innerhalb des Elektromotors 2 zu induzieren vermag. Im Falle eines im Wesentlichen als Gleichstrommotor ausgelegten Elektromotors 2 äußert sich diese Erscheinung in Form einer Überlagerung der zwischen den elektrischen Polen des Motors 2 abfallenden Gleichspannung durch periodische Spannungsschwankungen, welche im Ergebnis zu einer in Fachkreisen als Gesamtspannung 12 bezeichneten Summenspannung führt.
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Ein über einen Spannungseingang 13, 14 an den Elektromotor 2 angeschlossener Messwertaufnehmer 3, 4, 5 dient in der gegebenen Ausführungsform zur Isolation dreier in der Gesamtspannung 12 enthaltener Wechselspannungsanteile 9, 10, 11 in unterschiedlichen Frequenzbereichen, welche mittels einer elektronischen Auswertungsschaltung 6, 7, 8 auf den aktuell vorliegenden Reibungskoeffizienten μ schließen lassen. Hierzu umfasst der Messwertaufnehmer 3, 4, 5 eine Parallelschaltung dreier elektrotechnischer Filter, welche die Gesamtspannung 12 abhängig von der Spannungsfrequenz f der Wechselspannungsanteile 9, 10, 11 in ihrer Spannungsamplitude verändern. Als Filter dienen dabei sogenannte Hochpass-Filterschaltungen 15, 16; 17, 18; 19, 20, auch als Hochpässe oder Tiefensperren bekannt, die Wechselspannungsanteile 9, 10, 11 einer Frequenz f oberhalb ihrer jeweiligen Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen und tiefere Frequenzen dämpfen.
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Die Hochpass-Filterschaltungen 15, 16; 17, 18; 19, 20 der in Rede stehenden Ausführungsform setzen sich als sogenannte Hochpässe erster Ordnung jeweils aus einem ohmschen Widerstand 15, 17, 19 sowie einer zum jeweiligen Widerstand 15, 17, 19 in Reihe geschalteten elektrischen Kapazität 16, 18, 20 in Gestalt eines Kondensators zusammen. Bei niedriger Frequenz f sperrt der konstruktiv bedingte Blindwiderstand des Kondensators den Stromfluss durch die Hochpass-Filterschaltungen 15, 16; 17, 18; 19, 20. Die Grenzfrequenzen der Hochpass-Filterschaltungen 15, 16; 17, 18; 19, 20 sind dabei durch eine Dimensionierung der jeweiligen Kapazitäten 16, 18, 20 derart gewählt, dass der am ersten Spannungsausgang 21, 22 abfallende Wechselspannungsanteil 9 eine Spannungsfrequenz f zwischen 20 und 25 Hertz, der am zweiten Spannungsausgang 23, 24 abfallende Wechselspannungsanteil 10 eine Spannungsfrequenz f zwischen 28 und 30 Hertz und der am dritten Spannungsausgang 25, 26 abfallende Wechselspannungsanteil 11 eine Spannungsfrequenz f zwischen 35 und 40 Hertz aufweist. Die genannten Spannungsfrequenzen f sind beispielhaft gewählt und können praxisbedingt auch um bis zu fünf Hertz abweichen. Die Spannungsfrequenzen f sind dabei nicht auf tiefe Spannungsfrequenzen f eingeschränkt. Ebenso kann die Verwendung von Spannungsfrequenzen f größer 40 Hertz zielführend sein. Die genannten Wechselspannungsanteile 9, 10, 11 werden über die Spannungsausgänge 21, 22; 23, 24; 25, 26 einer den Hochpass-Filterschaltungen 15, 16; 17, 18; 19, 20 zugeordneten Auswertungsschaltung 6, 7, 8 zugeführt, welche vorliegend auf einer Schottky-Diode basiert.
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Die 2 beleuchtet einen der Auswertungsschaltung 6, 7, 8 zugrunde liegenden funktionellen Zusammenhang zwischen Spannungsfrequenz f und Spannungsamplitude u ^ des Wechselspannungsanteils 9, 10, 11 bei unterschiedlichen Reibungskoeffizienten μ1, μ2, μ3. Dabei verdeutlichen die diagonalen Hilfslinien des Diagramms, dass die Spannungsamplitude u ^ mit zunehmender Spannungsfrequenz f näherungsweise linear ansteigt. Die spezifische Steigung der Spannungsamplitude u ^ mit der Spannungsfrequenz f gestattet der Auswertungsschaltung 6, 7, 8 die Unterscheidung zwischen drei verschiedenen Reibungskoeffizienten μ1, μ2, μ3, wobei eine höhere Amplitudensteigung als empirisches Anzeichen einer erhöhten Fahrbahnreibung gewertet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009022592 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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