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Die Erfindung betrifft eine Achsschenkelanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustands eines Achsschenkellagers von der Achsschenkelanordnung und ein Fahrzeug mit der Achsschenkelanordnung.
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Bei einer Achsschenkellenkung weist jedes gelenkte Rad eine eigene Schwenkachse auf. Die Achsschenkellenkung ermöglicht es, einen Radträger mit dem gelenkten Rad um eine vertikale oder nahezu vertikale Achse zu schwenken. Der Radträger ist dabei mit einem Achsschenkel verbunden, welcher wiederrum in einem Achsträger um die vertikale bzw. nahezu vertikale Achse schwenkbar angeordnet ist. Um die Reibung in der Achsschenkellenkung zu verringern, werden oftmals Achsschenkellagereinrichtungen verwendet, welche zwischen dem Achsschenkel und dem Achsträger lagernd angeordnet sind.
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Die Druckschrift
US 4,960 333 offenbart ein Wälzlager für ein Rad auf einem Radträger, wobei in dem Wälzlager ein Sensor zur Ermittlung einer Winkelgeschwindigkeit oder einer Winkelstellung angeordnet ist. Als nächstkommender Stand der Technik wird jedoch eine bekannte Achsschenkellenkung angenommen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Achsschenkelanordnung für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welche sich durch ein besonders kontrolliertes Betriebsverhalten auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch eine Achsschenkelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustands eines Achsschenkellagers von der Achsschenkelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Fahrzeug mit der Achsschenkelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Achsschenkelanordnung, welche für ein Fahrzeug ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Achsschenkelanordnung für einen Lastkraftwagen ausgebildet, wobei der Lastkraftwagen eine Gesamtmasse größer als 8 Tonnen, insbesondere größer als 20 Tonnen aufweist. Insbesondere ist die Achsschenkelanordnung als Teil einer Achsschenkellenkung des Fahrzeugs ausgebildet. Im Speziellen dient die Achsschenkelanordnung dazu, einen Radträger relativ zu dem Fahrgestell und/oder zu einer Achse des Fahrzeugs schwenkbar anzuordnen und/oder zu lagern.
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Die Achsschenkelanordnung weist einen Achsschenkel auf, wobei der Achsschenkel vorzugsweise mit einem oder dem Radträger verbunden ist. Optional bildet der Radträger einen Teil der Achsschenkelanordnung. Auf dem Radträger ist ein Rad des Fahrzeugs drehbar gelagert.
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Ferner weist die Achsschenkelanordnung einen Achsträger auf, wobei der Achsträger vorzugsweise mit dem Fahrgestell und/oder mit einer Achse des Fahrzeugs gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung verbunden ist.
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Die Achsschenkelanordnung weist einen Gelenkbolzen auf, wobei der Achsschenkel über den Gelenkbolzen mit dem Achsträger gelenkig verbunden ist. Beispielsweise wird der Gelenkbolzen von dem Achsschenkel gehalten und durchgreift den Achsträger. Der Gelenkbolzen ist in dem Achsschenkel und/oder in dem Achsträger drehbar und/oder schwenkbar aufgenommen.
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Die Achsschenkelanordnung weist ein Achsschenkellager auf, wobei der Achsträger einen ersten Lagerpartner und der zweite Achsschenkel einen zweiten Lagerpartner für das Achsschenkellager bildet. Besonders bevorzugt ist das Achsschenkellager zwischen dem Achsschenkel und dem Achsträger angeordnet. Insbesondere stützt sich im Betrieb der Achsträger über das Achsschenkellager auf dem Achsschenkel ab. Das Achsschenkellager ist vorzugsweise als ein Wälzkörperlager ausgebildet. Beispielsweise ist das Achsschenkellager als ein Axiallager realisiert. Besonders bevorzugt ist das Achsschenkellager als ein Zylinderrollenlager ausgebildet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Achsschenkelanordnung eine Sensoranordnung zur Aufnahme von mindestens einer Messgröße aufweist. Die Sensoranordnung kann genau einen, mindestens einen oder mehrere Sensoren aufweisen. Die mindestens eine Messgröße steht in Korrelation zu dem Betriebszustand des Achsschenkellagers. Somit ändert sich die Messgröße, wenn sich der Betriebszustand des Achsschenkellagers ändert. Insbesondere ändert sich die Messgröße bei einem Verschleiß als Änderung des Betriebszustands oder bei einer Beschädigung des Achsschenkellagers als Änderung des Betriebszustands. Unter Betriebszustand wird insbesondere ein Verschleißzustand und/oder ein Beschädigungszustand des Achsschenkellagers verstanden.
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Die Sensoranordnung gibt ein Sensorsignal auf Basis der mindestens einen Messgröße aus. Das Sensorsignal kann als ein analoges oder als ein digitales Sensorsignal ausgebildet sein. Ferner weist die Achsschenkelanordnung eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung einer Information über den Betriebszustand des Achsschenkellagers auf Basis des Sensorsignals auf. Die Auswerteeinrichtung ermittelt somit aus der Messgröße, welche als Sensorsignal übermittelt wurde, zumindest eine Information über den Betriebszustand des Achsschenkellagers. Die Information ist insbesondere als der Betriebszustand ausgebildet. Die Auswerteeinrichtung kann die Ermittlung schaltungstechnisch und/oder programmtechnisch ausführen. Die Auswerteeinrichtung ist beispielsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, ein Mikrocontroller etc. ausgebildet.
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Es ist dabei ein Gedanke der Erfindung, dass an ein Achsschenkellager, insbesondere an ein Lkw-Achsschenkellager, hohe Anforderungen an die Lebensdauer gestellt werden. Ausfälle der Achsschenkellager führen zu ungeplanten Werkstattaufenthalten und damit zu einem verspäteten Ankommen der Fahrzeuge und der transportierten Ware. Zudem stellt ein Defekt in dem Achsschenkellager ein Defekt in der Lenkung und damit ein Sicherheitsrisiko für den Fahrer selbst und auch für andere Verkehrsteilnehmer dar.
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Ein Schaden oder ein sich ankündigender Ausfall des Achsschenkellagers ist für den Fahrer nur schwer zu erkennen, da zwar die Reibung des Achsschenkellagers ansteigt, dies aber im Kraftfluss des Lenksystems untergeht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass leichte Schäden detektiert werden und dem Fahrzeughalter eine Möglichkeit gegeben wird vor einem Achsschenkellagerausfall zu reagieren. Damit wird die Betriebssicherheit und die Betriebsdauer der Achsschenkelanordnung des Fahrzeugs und damit für das Fahrzeug selbst erhöht. Die Kontrolle über das Betriebsverhalten wird somit verbessert.
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Bei einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensoranordnung einen Schwingungssensor oder wird durch diesen insbesondere exklusiv gebildet. Der Schwingungssensor nimmt Schwingungen aus dem Achsschenkellager als die Messgröße auf. Der Schwingungssensor dient zum Erkennen insbesondere von kleinen Lagerschäden. Der Schwingungssensor kann beispielsweise an einer oberen oder einer unteren Laufbahn des Achsschenkellagers angebracht sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Schwingungssensor in einer umgebenden Struktur, zum Beispiel an dem Achsträger, an dem Achsschenkel, an dem Radträger oder an dem Gelenkbolzen integriert ist. Der Schwingungssensor misst Schwingungen, insbesondere hervorgerufen durch Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten, des Achsschenkellagers. Durch die Auswerteeinrichtung können die aufgenommenen Schwingungen analysiert und nach bestimmten Unregelmäßigkeiten durchsucht werden. Diese Unregelmäßigkeiten können durch leichte Schäden an einer der Laufbahnen des Achsschenkellagers, den Wälzkörpern oder dem Käfig des Achsschenkellagers entstehen. Auf diese Weise können Unregelmäßigkeiten detektiert werden, bevor die Leistungsfähigkeit des Achsschenkellagers nachlässt oder ein Ausfall droht.
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Ergänzend oder alternativ zu dem Schwingungssensor kann die Sensoranordnung einen Kraft- und/oder Drehmomentsensor umfassen, wobei der Kraft- und/oder Drehmomentsensor ein Reibmoment in dem Achsschenkellager als die Messgröße erfasst. Neben oder alternativ zu der Überwachung der Schwingungen ist es möglich, den Zustand des Achsschenkellagers über das vom Achsschenkellager erzeugte Reibmoment zu bestimmen. Im Falle eines bevorstehenden Ausfalls steigt das Reibmoment an. Dieser Anstieg kann ebenfalls von der Auswerteeinrichtung als Information über den Betriebszustand des Achsschenkellagers ermittelt werden.
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Alternativ oder ergänzend zu mindestens einem der vorher genannten Sensoren kann die Sensoranordnung einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor ist so angeordnet, dass dieser eine Lagertemperatur von dem Achsschenkellager als die Messgröße erfasst. Mit einem ansteigenden Reibmoment steigt auch die Lagertemperatur im Betrieb des Achsschenkellagers an. Dieses Anzeichen einer Schädigung kann über den Temperatursensor erfasst werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, über die Auswerteeinrichtung die Lagertemperatur mit einer Umgebungstemperatur abzugleichen, um einen ungewöhnlichen Anstieg festzustellen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinrichtung Schnittstellen zur Aufnahme von mindestens einer Kenngröße des Fahrzeugs auf, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, die Information über den Betriebszustand des Achsschenkellagers zusätzlich auf Basis der mindestens einen Kenngröße zu ermitteln. Durch die zusätzliche Kenngröße kann die Unregelmäßigkeit in dem Sensorsignal besser von der Auswerteeinrichtung herausgearbeitet werden. Mögliche Kenngrößen sind die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder die Motordrehzahl und/oder der Lenkeinschlag und/oder die Lenkgeschwindigkeit und/oder der Lenkwinkel und/oder eine Lagerlast (insbesondere eine Axial- und/oder Querkraft) und/oder eine Umgebungstemperatur. Da in dem Fahrzeug auch andere Aggregate oder Umgebungseinflüsse Schwingungen oder andere Störgrößen erzeugen, ist es nicht ausgeschlossen, dass diese ebenfalls vom oben erwähnten Schwingungssensor oder von anderen Sensoren erfasst werden. In gleicher Weise können Kräfte und/oder Drehmomente und/oder Temperaturen durch andere Aggregate oder Umgebungsflüsse erzeugt werden. Um sicherzustellen, dass die aus anderen Quellen stammenden Schwingungen, Kräfte, Drehmomente und/oder Temperaturen nicht die Auswertung in der Auswerteeinrichtung stören, kann es vorteilhaft sein, bestimmte Kenngrößen zur Fahrsituation zu berücksichtigen, wie diese zuvor beispielhaft dargestellt wurden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustands eines Achsschenkellagers von einer Achsschenkelanordnung, vorzugsweise wie diese zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Es ist vorgesehen, dass eine Messgröße, welche in Korrelation zu dem Betriebszustand des Achsschenkellagers steht als Sensorsignal aufgenommen und auf Basis des Sensorsignals eine Information über den Betriebszustand des Achsschenkellagers ermittelt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch ein Fahrzeug mit der Achsschenkelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Achsschenkelanordnung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 die Achsschenkelanordnung in der 1 mit einer anderen Positionierung der Sensoranordnung als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 die Achsschenkelanordnung der vorhergehenden Figuren mit der Sensoranordnung in einer weiteren Positionierung als ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 die Achsschenkelanordnung der vorhergehenden Figuren mit der Sensoranordnung in einer weiteren Positionierung als ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 einen Ausschnitt der Achsschenkelanordnung der vorhergehenden Figuren mit einer weiteren Positionierung der Sensoranordnung als ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 die Achsschenkelanordnung der 5 in gleicher Darstellung mit der Sensoranordnung in einer weiteren Positionierung als ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Achsschenkelanordnung 1 eines nur schematisch angedeuteten Fahrzeugs 2 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Achsschenkelanordnung 1 weist einen Achsschenkel 3 auf, welcher drehfest mit einem Radträger 4 verbunden ist. Der Radträger 4 trägt ein Radlager 5, so dass auf diesem ein nicht dargestelltes Rad drehbar gelagert werden kann.
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Die Achsschenkelanordnung 1 umfasst ferner ein Achsträger 6, welcher z.B. gelenkig mit einem Fahrgestell des Fahrzeugs 2 verbunden ist. Der Achsschenkel 3 und der Achsträger 6 sind über einen Gelenkbolzen 7, welcher parallel zu einer Schwenkachse S angeordnet ist bzw. diese definiert verschwenkbar verbunden. Der Achsschenkel 3 weist einen U-förmigen Radträgerendabschnitt 8 mit Endbereichen 9 a,b auf, wobei der Gelenkbolzen 7 durch die zwei Endbereiche 9 a, b des Radträgerendabschnitts 8 durchgesteckt ist. In dem Zwischenbereich zwischen den Endbereichen 9a, b ist ein Achsträgerendabschnitt 10 des Achsträgers 6 angeordnet, welcher von dem Gelenkbolzen 7 durchdrungen ist. Der Gelenkbolzen 7 ist in radialer Richtung zu der Schwenkachse S über eine Radiallagerungsanordnung 11, insbesondere eine Radialgleitlagerungsanordnung gelagert. Der Achsträger 6 bzw. dessen Achsträgerendabschnitt 10 ist über ein Achsschenkellager 12 auf dem Achsschenkel 3, insbesondere auf dem Endbereich 9b des Radträgerendabschnitts 8 des Achsschenkels 3 gelagert. Somit kann der Achsschenkel 3 und damit der Radträger 4 um die Schenkachse S relativ zu dem Achsträger 6 verschwenkt werden.
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Das Achsschenkellager 12 ist - wie sich insbesondere aus einer Detailvergrößerung, wie diese in der 5 gezeigt ist - als ein Axiallager und/oder Zylinderrollenlager mit einer Mehrzahl von Zylinderrollen 13 ausgebildet. Die Zylinderrollen 13 sind in einem Käfig geführt. Die Zylinderrollen 13 wälzen auf einer oberen Laufbahn 15 und einer unteren Laufbahn 16 ab. Die obere Laufbahn 15 kann einstückig durch den Achsträger 6 oder durch ein Einsatzteil in der Achsschenkelanordnung 1 gebildet sein.
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In gleicher Weise kann die untere Laufbahn 16 durch den Achsschenkel 3 oder durch ein weiteres Einsatzteil der Achsschenkelanordnung 1 gebildet sein.
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Im Betrieb kann es zu Beschädigungen des Achsschenkellagers 12 kommen. Durch den Aufbau ist es für einen Fahrer üblicherweise nicht möglich, kleinere Beschädigungen des Achsschenkellagers 12 zu ertasten, da diese im Kraftfluss der Lenkung verloren gehen. Aus diesem Grund weist die Achsschenkelanordnung 1 eine Sensoranordnung 14 mit einem Sensor 17 auf. Die Sensoranordnung 14 ist in der 1 nur stark schematisiert als Rechteck gezeigt.
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Die Sensoranordnung 14 bzw. der Sensor 17 ist mit einer Auswerteeinrichtung 18 signaltechnisch verbunden. Die Sensoreinrichtung 14 bzw. der Sensor 17 nimmt eine Messgröße des Achsschenkellagers 12 im Betrieb auf, wobei die Messgröße in einem kausalen Zusammenhang mit dem Betriebszustand, insbesondere dem Verschleißzustand des Achsschenkellagers 12 steht. Die Messgröße wird von der Sensoranordnung 14 in ein Sensorsignal gewandelt und an die Auswerteeinrichtung 18 weitergegeben. Die Auswerteeinrichtung 18 kann also eine analoge oder als eine digitale Auswerteeinrichtung 18 ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung 18 ist programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, das Sensorsignal auszuwerten und auf Basis der Auswertung des Sensorsignals eine Information über den Betriebszustand des Achsschenkellagers 12 zu ermitteln und gegebenenfalls über eine Ausgangsschnittstelle 19 zum Beispiel an eine Signaleinrichtung 20 oder auf eine andere Weise an den Fahrer ausgeben.
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Die 2 zeigt die Achsschenkelanordnung in der 1, wobei die Sensoranordnung 14 und der Sensor 17 in dem Endbereich 9b des Radträgers 3 angeordnet ist.
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In der 3 ist die Sensoranordnung 14 und der Sensor 17 dagegen in dem Gelenkbolzen 7 angeordnet, insbesondere integriert. In der Darstellung ist der Sensor 17 an einem freien Ende des Gelenkbolzens 7 angeordnet. Bei alternativen Ausgestaltungen kann der Sensor 14 auch an einem unteren Ende oder in einem Mittelteil angeordnet sein.
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In der 4 ist eine alternative oder ergänzende Positionierung der Sensoranordnung 14 bzw. des Sensors 15 gezeigt, wobei dieser in dem Achsträger 6 angeordnet ist.
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In der 5, welche einen Detailausschnitt der Achslageranordnung 1 zeigt, ist zu erkennen, dass die Sensoranordnung 14 bzw. der Sensor 17 im Bereich der oberen Laufbahn 15 angeordnet ist. Hierbei ist es möglich, dass der Sensor 17 in unmittelbare Nähe zu dem Achsschenkellager 12 in dem Achsträger 6 integriert ist oder in dem Einsatzteil angeordnet ist.
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In der 6 ist die Sensoranordnung 14 mit dem Sensor 17 dagegen im Bereich der unteren Laufbahn 16 angeordnet. Diese kann wahlweise durch den Achsschenkel 3 oder durch ein weiteres Einsatzteil gebildet werden.
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Die Sensoranordnung 14 kann einen Schwingungssensor und/oder einen Kraft- und/oder Drehmomentsensor und/oder einen Temperatursensor umfassen. Alle drei Sensoren sind bereits in der Lage, eine Messgröße aufzunehmen, welche in Korrelation mit dem Betriebszustand des Achsschenkellagers 12 steht. Die Sensoranordnung 14, insbesondere einer der Sensoren 17 können entweder an der oberen oder an der unteren Laufbahn 15, 16 angebracht sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Sensoranordnung 14 bzw. der Sensor 17 in einer umgebenden Struktur, zum Beispiel in oder an dem Achsträger 6, dem Achsschenkel 3, dem Radträger 4 oder dem Gelenkbolzen 7 integriert oder angeordnet ist. Die Sensoranordnung 14 misst beispielsweise Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten des Achsschenkellagers 12. Über die Auswerteeinrichtung 18 können die aufgenommene Schwingung analysiert und nach bestimmten Unregelmäßigkeiten durchsucht werden. Diese Unregelmäßigkeiten können durch leichte Schäden an einer der Laufbahnen 15, 16, den Wälzkörpern 13 oder dem Käfig entstehen. Auf diese Weise können Unregelmäßigkeiten detektiert werden, bevor die Leistungsfähigkeit des Achsschenkellagers 12 nachlässt oder ein Ausfall droht.
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Da in einem Fahrzeug 2 auch andere Aggregate oder Umwelteinflüsse Schwingungen erzeugen, ist es nicht ausgeschlossen, dass diese ebenfalls vom erwähnten Sensor, ausgebildet als Schwingungssensor, erfasst werden. Um sicherzustellen, dass die aus anderen Quellen stammenden Schwingungen nicht die Auswertung stören, kann es zielführend sein, bestimmte Daten zur Fahrsituation zu berücksichtigen. Diese können zum Beispiel sein:
- - Fahrzeuggeschwindigkeit
- - Motordrehzahl
- - Lenkeinschlag und Lenkgeschwindigkeit
- - Lagerlast (Axial- und Querkraft)
- - Umgebungstemperatur.
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Neben einer Überwachung der Schwingung ist es ebenfalls möglich den Zustand des Achsschenkellagers 12 über das vom Achsschenkellager 12 erzeugte Reibmoment zu bestimmen. Im Falle eines bevorstehenden Ausfalls steigt das Reibmoment an. Dieser Anstieg kann ebenfalls von der Auswerteeinrichtung 16 erfasst werden. In diesem Fall ist der Einsatz eines Kraft- oder Drehmomentsensors sinnvoll.
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Mit einem ansteigenden Reibmoment steigt auch die Lagertemperatur bei Benutzung an. Dieses Anzeichen einer Schädigung kann über einen Temperatursensor als den Sensor 17 erfasst werden. In diesem Fall ist es erforderlich über die Auswerteeinrichtung 18 die Lagetemperatur mit der Umgebungstemperatur abzugleichen, um einen ungewöhnlichen Anstieg festzustellen.
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Die Auswerteeinrichtung kann eine Schnittstelle 21 zu Aufnahmen der genannten Daten zur Fahrsituation aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsschenkelanordnung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Achsschenkel
- 4
- Radträger
- 5
- Radlager
- 6
- Achsträger
- 7
- Gelenkbolzen
- 8
- Radträgerendabschnitt
- 9a, b
- Endbereiche
- 10
- Achsträgerendabschnitt
- 11
- Radiallagerungsanordnung
- 12
- Achsschenkellager
- 13
- Zylinderrollen
- 14
- Sensoranordnung
- 15
- obere Laufbahn
- 16
- untere Laufbahn
- 17
- Sensor
- 18
- Auswerteeinrichtung
- 19
- Ausgangsschnittstelle
- 20
- Signaleinrichtung
- 21
- Schnittstelle
- S
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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