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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung für ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Üblicherweise sind Radlager eines Kraftfahrzeugs im Betrieb enormen Kräften ausgesetzt. Sie müssen sowohl das Gewicht des Kraftfahrzeugs als auch Stöße von Fahrbahnunebenheiten absorbieren. Beim Bremsen strapazieren Verzögerungskräfte, beim Lenken die radialen Kurvenkräfte und beim Beschleunigen die Antriebskräfte die Radlager. Weitere Gründe für defekte Lager sind das Eindringen von Wasser und/oder Schmutz in das Radlager. Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen kann im Laufe der Zeit Feuchtigkeit und Schmutz in das Radlager eindringen und den Schmierfilm in den Lagern zerstören.
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Aus dem Stand der Technik sind im Bereich der Fahrzeugräder Sensoren zur Erfassung einer Raddrehzahl und/oder zur Erfassung eines Reifendrucks bekannt. Vorrichtungen und/oder Verfahren zur Verschleiß- und/oder Defekterfassung eines Radlagers während der Fahrt sind nicht bekannt. Üblicherweise sucht ein Fahrzeughalter bei einem Verdacht auf Radlagerverschleiß und/oder Radlagerdefekt eine Werkstatt auf, die dann mit dedizierten externen Geräten einen Verschleiß bzw. Defekt des Radlagers erkennen kann.
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Aus der
JP 2008157663 A ist eine Vorrichtung bekannt, welche die Raddrehzahl über einen elektromagnetischen Drehzahlsensor ermittelt. Zudem werden ein Vibrationssensor zur Erfassung von Vibrationen und ein Temperatursensor zur Temperaturerfassung im korrespondierenden Radlager verwendet. Über eine weitere Vorrichtung werden eventuelle Abnormitäten im Drehzahlsensor oder in einem Sensorkabel oder im Radlager erkannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Überwachung des Zustandes eines Lagers eines drehbar gelagerten Teils, kontinuierlich während des Betriebs und ohne zusätzliche Sensoren erfolgen kann, wenn bereits magnetische Vorrichtungen zur Erfassung der Drehzahl des drehbar gelagerten Teils eingesetzt werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für ein Fahrzeug werden vorzugsweise zur Ermittlung der Raddrehzahl und zur Überwachung der Radlager eingesetzt, so dass Verschleiß oder ein Defekt eines Radlagers in vorteilhafter Weise erkannt und ein korrespondierender Fehlerzustand auf einer entsprechenden Anzeigeeinheit angezeigt und ausgegeben werden kann.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist es, dass die Überwachung der Radlager kontinuierlich während der Fahrt und ohne zusätzliche externe Sensoren möglich ist. Es werden bereits im Fahrzeug verwendete und weit verbreitete als magnetische Drehzahlerfassungsvorrichtungen ausgeführte ABS-Sensoren (ABS: Antiblockiersystem) verwendet. Durch eine weiterführende Signalverarbeitung und Auswertung der vorliegenden Messergebnisse kann in vorteilhafter Weise eine Abschätzung des Radlagerverschleißes durchgeführt werden.
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Die für die Nutzung der ABS-Funktionalität im Kraftfahrzeug erforderlichen Drehzahlerfassungsvorrichtungen, welche üblicherweise an jedem Fahrzeugrad angebracht sind, messen beispielsweise über eine magnetische Multipolscheibe und einen Magnetfeldsensor die individuelle Drehgeschwindigkeit eines jeden Fahrzeugrads. Die Messung der Drehbewegung wird über eine Messung der Veränderung des magnetischen Feldes durchgeführt. Ein Maximum des gemessenen magnetischen Flusses hängt stark vom Abstand des Magnetfeldsensors zur Multipolscheibe ab, so dass der Abstand bzw. eine Abstandsveränderung zwischen dem Magnetfeldsensor und der Multipolscheibe in vorteilhafter Weise aus den Messwerten extrahiert und weiter ausgewertet werden kann. Defekte und Verschleißerscheinungen im Radlager zeigen sich meist darin, dass die internen Komponenten des Lagers, vorzugsweise Kugellager, ausgeschlagen sind. Somit hat das Radlager zusätzliches Spiel. Dies führt zu einer schleichenden und frequenzabhängigen Änderung des radwinkelabhängigen Abstandes zwischen der Multipolscheibe und dem Magnetfeldsensor. In solchen Fällen weist der Abstand zwischen der Multipolscheibe und dem Magnetfeldsensor über eine Umrundung eine schwingungsartige Modulation mit der Raddrehfrequenz auf. Diese Abstandsdifferenzen, die üblicherweise im Bereich einiger Millimeter liegen, wirken sich direkt auf den Wert des erfassten magnetischen Flusses aus und können in vorteilhafter Weise mit dem Magnetfeldsensor gemessen werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung für ein Fahrzeug mit mindestens einer magnetischen Drehzahlerfassungsvorrichtung zur Verfügung, welche fortlaufend mindestens eine Zustandsgröße eines magnetischen Feldes erfasst und an mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgibt, welche von mindestens einer Drehzahlerfassungsvorrichtung ausgegebene Signale empfängt und auswertet. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit führt einen ersten Auswertevorgang mit der erfassten mindestens einen Zustandsgröße durch und ermittelt eine Drehzahl eines drehbar gelagerten Teils. Erfindungsgemäß führt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit einen zweiten Auswertevorgang durch und bestimmt fortlaufend eine Signalamplitude der erfassten mindestens einen Zustandsgröße und überwacht basierend auf einer frequenzabhängigen Änderung der bestimmten Signalamplitude einen Verschleißzustand eines Lagers des drehbar gelagerten Teils.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung für ein Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das jede Drehzahlerfassungsvorrichtung eine Multipolscheibe und einen zugeordneten Magnetfeldsensor umfasst. Hierbei ist die Multipolscheibe oder der Magnetfeldsensor mit dem drehbar gelagerten Teil verbunden. In vorteilhafter Weise repräsentiert die Signalamplitude der erfassten mindestens einen Zustandsgröße einen drehwinkelabhängigen Abstand zwischen der Multipolscheibe und dem Magnetfeldsensor.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung führt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit im zweiten Auswertevorgang mit der erfassten mindestens einen Zustandsgröße eine Fouriertransformation in den Frequenzbereich durch und filtert im Frequenzbereich einen Gleichanteil heraus und führt eine Frequenzanalyse durch. Der Übergang in den Frequenzbereich ermöglicht in vorteilhafte Weise eine einfache und schnelle Auswertung der frequenzabhängigen Abstandsänderung. Vorzugsweise ermittelt die Auswerte- und Steuereinheit während der Frequenzanalyse eine Störung eines Gleichlaufs des Lagers und schätzt aus der ermittelten Gleichlaufstörung einen Verschleißgrad des korrespondierenden Lagers ab.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist das drehbar gelagerte Teil ein Fahrzeugrad und das Lager ist ein zu überwachendes Radlager. Hierbei kann jeweils eine Multipolscheibe fest mit einem Fahrzeugrad verbunden werden, und ein korrespondierender Magnetfeldsensor kann karosseriefest angeordnet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann für jedes Fahrzeugrad eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen werden, welche mit einem korrespondierenden Magnetfeldsensor eine Baueinheit bildet. Alternativ kann eine gemeinsame Auswerte- und Steuereinheit die für jedes Fahrzeugrad über einen korrespondierenden Magnetfeldsensor erfassten Zustandsgrößen empfangen und auswerten. Die ermöglicht eine zentrale Auswertung und Erkennung von defekten Radlagern.
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Der mindestens eine Magnetfeldsensor kann beispielsweise als Hall-Sensor und/oder GMR-Sensor ausgeführt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit einen erkannten Verschleiß eines Lagers mittels einer optischen und/oder akustischen Warnmeldung anzeigen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung für ein Fahrzeug.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Drehzahlerfassungsvorrichtung für die erfindungsgemäße Sensoranordnung für ein Fahrzeugaus 1.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Bewegung einer Multipolscheibe und einer Messung der Veränderung eines magnetischen Felds.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung für ein Fahrzeug 1 mehrere magnetische Drehzahlerfassungsvorrichtungen 20, 22, 24, 26, 28, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Drehzahl an einem zugeordneten Fahrzeugrad 30 erfassen, und eine zentral im Fahrzeug 1 angeordnete Auswerte- und Steuereinheit 10. Wie aus 2 und 3 weiter ersichtlich ist, kann alternativ jeder Drehzahlerfassungsvorrichtung 20 eine Auswerte- und Steuereinheit 100 zugeordnet werden. Die Drehzahlerfassungsvorrichtungen 20, 22, 24, 26, 28 erfassen fortlaufend jeweils mindestens eine Zustandsgröße S eines magnetischen Feldes M und geben diese an mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 aus, welche die von mindestens einer Drehzahlerfassungsvorrichtung 20, 22, 24, 26, 28 ausgegebene Signale empfängt und auswertet. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 führt einen ersten Auswertevorgang 12 mit der erfassten mindestens einen Zustandsgröße S durch und ermittelt eine Drehzahl eines drehbar gelagerten Teils 3, 30. Erfindungsgemäß führt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 einen zweiten Auswertevorgang 14 durch und bestimmt fortlaufend eine Signalamplitude Smax der erfassten mindestens einen Zustandsgröße S. Basierend auf einer frequenzabhängigen Änderung der bestimmten Signalamplitude Smax überwacht die mindestens eine Auswerteund Steuereinheit 10, 100 einen Verschleißzustand eines Lagers 5, 50 des drehbar gelagerten Teils 3, 30. Wie oben bereits ausgeführt ist, ist das drehbar gelagerte Teil 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Fahrzeugrad 30, und das Lager 5 ist ein zu überwachendes Radlager 50, wobei das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für ein Fahrzeug 1 alle Radlager 50 des Fahrzeugs 1 überwacht.
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Wie aus 2 und 3 weiter ersichtlich ist, umfasst jede Drehzahlerfassungsvorrichtung 20, 22, 24, 26, 28 eine Multipolscheibe 21 und einen zugeordneten Magnetfeldsensor 23, wobei die Multipolscheibe 21 oder der Magnetfeldsensor 23 mit dem drehbar gelagerten Teil 3, 30 verbunden ist. Die Multipolscheibe 21 ist vorzugsweise als magnetische Encoderscheibe ausgeführt. Hierbei repräsentiert die Signalamplitude Smax der erfassten mindestens einen Zustandsgröße S einen drehwinkelabhängigen Abstand A zwischen der Multipolscheibe 21 und dem Magnetfeldsensor 23. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils eine Multipolscheibe 21 fest mit einem Fahrzeugrad 30 verbunden, und ein korrespondierender Magnetfeldsensor 23 ist karosseriefest angeordnet. Bei der Verwendung von jeweils einer Auswerte- und Steuereinheit 100 für jedes Fahrzeugrad 30 bilden die Auswerte- und Steuereinheiten 100 jeweils mit einem korrespondierenden Magnetfeldsensor 23 vorzugsweise eine in einem gemeinsamen Gehäuse 27 angeordnete Sensoreinheit 25.
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Die für die Nutzung der ABS-Funktionalität im Kraftfahrzeug an jedem Fahrzeugrad 30 angeordneten Drehzahlerfassungsvorrichtungen 20, 22, 24, 26, 28 messen die individuelle Drehgeschwindigkeit eines jeden Fahrzeugrads 30. Hierzu misst der fahrzeugseitig angebrachte Magnetfeldsensor 23, der beispielsweise als Hall-Sensor oder GMR-Sensor (Giant-Magneto-Resistance) ausgeführt ist, eine Zeitdauer, welche erforderlich ist, damit sich die radseitig angeordnete Multipolscheibe eine Zahnstellung weiterdreht. Die Messung der Bewegung der Multipolscheibe 21 wird über eine Messung der Veränderung des magnetischen Feldes M durchgeführt, dessen Feldlinien in 3 schematisch dargestellt sind. In Abhängigkeit der Stellung der Multipolscheibe 21 in Bezug auf den Magnetfeldsensor 23 ergibt sich der in 3 dargestellte Signalverlauf für die erfasste Zustandsgröße S des Magnetfelds M. Als Zustandsgröße S wird vorzugsweise eine Magnetfeldstärke B gemessen. Maximalwerte Smax der Magnetfeldstärke B bzw. der gemessenen Zustandsgröße S hängt stark vom Abstand A des Magnetfeldsensors 23 zur Multipolscheibe 21 ab. Gleichung (1) beschreibt die proportionale Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke B vom Abstand A. Dieser Abstand A lässt sich in vorteilhafter Weise aus den Werten der Signalamplitude Smax der erfassten Zustandsgröße S des Magnetfelds M bestimmen. B ∝ 1 / Δr (1)
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Defekte und Verschleißerscheinungen im Radlager 50 zeigen sich meist darin, dass die internen Komponenten des Radlagers 50, vorzugsweise Kugellager, ausgeschlagen sind. Somit hat das Radlager 50 zusätzliches Spiel. Dies führt zu einer schleichenden und frequenzabhängigen Änderung des radwinkelabhängigen Abstands A zwischen der Multipolscheibe 21 und dem Magnetfeldsensor 23. In solchen Fällen zeigt der Abstand A zwischen der Multipolscheibe 21 und dem Magnetfeldsensor 23 über eine Umrundung eine schwingungsartige Modulation mit der Raddrehfrequenz auf. Diese Abstandsdifferenzen, die üblicherweise im Bereich einiger Millimeter liegen, wirken sich direkt auf die magnetische Feldstärke B aus und können mit dem Magnetfeldsensor 23 gemessen werden.
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Zur einfacheren Abschätzung des Verschleißes des Radlagers 50 bzw. zur einfacheren Erkennung eines Defekts im Radlager 50 führt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 im zweiten Auswertevorgang 14 mit der erfassten mindestens einen Zustandsgröße S eine Fouriertransformation in den Frequenzbereich durch. Im errechneten Signalspektrum filtert die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 einen Gleichanteil heraus und führt eine Frequenzanalyse durch. Während der Frequenzanalyse ermittelt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 eine Störung des Gleichlaufs des Radlagers 50 und schätzt aus der ermittelten Gleichlaufstörung einen Verschleißgrad des korrespondierenden Radlagers 50 ab. Einen erkannten Verschleiß bzw. Defekt einer Radlagers 50 zeigt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 100 mittels einer optischen und/oder akustischen Warnmeldung an, welche über eine entsprechende im Fahrzeug 1 vorhandene Anzeigeeinheit ausgegeben wird.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für ein Fahrzeug 1 können in vorteilhafter Weise ohne hardwareseitigen Mehraufwand in das ESPoder ABS-Steuergerät eines jeden Fahrzeugs implementiert werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten bieten sich überall da, wo Lager benutzt werden, die einem Verschleiß unterliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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