DE102020211197A1

DE102020211197A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Rotationsfrequenz von Fahrzeugrädern

Info

Publication number: DE102020211197A1
Application number: DE102020211197.9A
Authority: DE
Inventors: Damien Joucgnoux; Charlotte Vu
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-10
Also published as: US11965908B2; CN114148130A; US20220074964A1

Abstract

Die Vorrichtung (2) zum Bestimmen der Rotationsfrequenz zumindest eines Rads (1) eines Fahrzeugs umfasst:- ein erstes Messmittel (5) zum Messen eines Beschleunigungswerts des zumindest einen Rads,- ein zweites Messmittel (6) zum Messen von Schwingungen des zumindest einen Rads, und- eine Verarbeitungseinheit (4), die dazu ausgebildet ist:◯ eine erste Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads aus dem gemessenen Beschleunigungswert des zumindest einen Rads zu bestimmen,◯ die bestimmte erste Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads mit einem ersten Schwellwert zu vergleichen,◯ ein Frequenzanalyseintervall aus der bestimmten ersten Rotationsfrequenz, die größer als der erste Schwellwert ist, zu definieren,◯ eine Frequenzanalyse eines Signals, das indikativ für Schwingungen des zumindest einen Rads ist, für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls auszuführen, und◯ eine zweite Rotationsfrequenz in dem Frequenzanalyseintervall, die die höhere Amplitude hat, auszuwählen, wobei die zweite Rotationsfrequenz gleich der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung der Rotationsfrequenz von Rädern, und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Rotationsfrequenz von Fahrzeugrädern.
In Fahrzeugen, beispielsweise Lastkraftwägen, Bussen oder Anhängern, ist es häufig notwendig, verschiedene Elemente zu überwachen, um Schäden oder eine Abnutzung zu detektieren.
Eines dieser Elemente kann beispielsweise ein Rad sein, das in einem Lastkraftwagen verwendet wird. In einem solchen Rad kann ein Lager, das das Rad trägt, mit einem Sensor ausgestattet sein, der verwendet werden kann, um einen Ausfall eines solchen Lagers zu detektieren.
Um den Sensor zu miniaturisieren und die Kosten eines solchen Sensors zu reduzieren, ist der Sensor dazu ausgebildet, zwei Funktionen zu verwirklichen. Der Sensor ist dazu ausgebildet, eine Rotationsgeschwindigkeit des Rads zu bestimmen und Schwingungen des Rads zu bestimmen.
Das Dokument US2019/0329610 offenbart einen solchen Sensor, der ein piezoelektrisches Element aufweist, um eine Schwingung des Rads zu messen, und eine Bestimmungseinheit, um die Rotationsgeschwindigkeit und die Schwingung des Rads unter Verwendung des Signals des einzelnen Sensors zu bestimmen.
Die Bestimmungseinheit führt eine Frequenzanalyse an dem Signal des einzelnen Sensors durch, um eine Rotationsgeschwindigkeit des Rads zu bestimmen.
Jedoch ist die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit nicht zuverlässig genug. Es wurde beobachtet, dass an manchen Fahrzeugen die bestimmte Rotationsgeschwindigkeit die zweifache reale Rotationsgeschwindigkeit des Rads ist.
Um die Rotationsgeschwindigkeit eines Rads zu bestimmen, kann ein Beschleunigungsmesser verwendet werden.
Jedoch ist die bestimmte Geschwindigkeit nicht genau genug, um eine Frequenzanalyse an einem Signal, das durch den Beschleunigungsmesser geliefert wird, durchzuführen, um Schwingungen zu bestimmen, die durch das Rad erzeugt werden.
Es gibt einen Bedarf, zumindest manche der vorher erwähnten Nachteile zu vermeiden, insbesondere indem die Rotationsgeschwindigkeit des Rads genauer bestimmt wird, um eine zuverlässige Schwingungsanalyse durchzuführen, um einen Radlagerschaden zu detektieren.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen der Rotationsfrequenz zumindest eines Rads eines Fahrzeugs vorgeschlagen.
Das Verfahren umfasst:

Bestimmen einer ersten Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads aus einem Beschleunigungswert des zumindest einen Rads,
Vergleichen der bestimmten ersten Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads mit einem ersten vorbestimmten Schwellwert,
Definieren eines Frequenzanalyseintervalls aus der bestimmten ersten Rotationsfrequenz, die größer als der erste Schwellwert ist,
Ausführen einer Frequenzanalyse eines Signals, das indikativ für Schwingungen des zumindest einen Rads ist, für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls, und
Auswählen einer zweiten Rotationsfrequenz in dem Frequenzanalyseintervall, die die höhere Amplitude hat, wobei die zweite Rotationsfrequenz gleich der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads ist.

Vorteilhafterweise weist das Definieren eines Frequenzanalyseintervalls ein Definieren einer unteren Grenze des Frequenzanalyseintervalls und einer oberen Grenze des Frequenzanalyseintervalls auf, wobei die untere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz minus einem zweiten vorbestimmten Schwellwert ist und die obere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz plus dem zweiten Schwellwert ist.
Vorzugsweise weist das Ausführen der Frequenzanalyse ein Implementieren eines Goertzel-Algorithmus auf.
Vorzugsweise weist das Bestimmen einer ersten Rotationsfrequenz ein Bestimmen eines ersten Abstands gleich dem Abstand zwischen der Mitte des zumindest einen Rads und einem ersten Mittel zum Messen des Beschleunigungswerts und ein Berechnen der ersten Beschleunigungswert Rotationsfrequenz gleich $\frac{\sqrt{\frac{B e s c h l e u n i g u n g s w e r t}{e r s t e r A b s t a n d}}}{2 π}$
auf.
In einem anderen Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Rotationsfrequenz zumindest eines Rads eines Fahrzeugs vorgeschlagen.
Die Vorrichtung umfasst:

ein erstes Messmittel zum Messen eines Beschleunigungswerts des zumindest einen Rads,
ein zweites Messmittel zum Messen von Schwingungen des zumindest einen Rads, und
eine Verarbeitungseinheit, die dazu ausgebildet ist:
- • eine erste Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads aus dem gemessenen Beschleunigungswert des zumindest einen Rads zu bestimmen,
- • die bestimmte erste Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads mit einem ersten Schwellwert zu vergleichen,
- • ein Frequenzanalyseintervall aus der bestimmten ersten Rotationsfrequenz, die größer als der erste Schwellwert ist, zu definieren,
- • eine Frequenzanalyse eines Signals, das indikativ für Schwingungen des zumindest einen Rads ist, für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls auszuführen, und
- • eine zweite Rotationsfrequenz in dem Frequenzanalyseintervall, die die höhere Amplitude hat, auszuwählen, wobei die zweite Rotationsfrequenz gleich der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads ist.

Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet, eine untere Grenze des Frequenzanalyseintervalls und eine obere Grenze des Frequenzanalyseintervalls zu definieren, wobei die untere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz minus einem zweiten Schwellwert ist und die obere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz plus dem zweiten Schwellwert ist.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung des Weiteren ein Energiespeichermittel zum Versorgen der Verarbeitungseinheit auf.
Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet, die zweite Rotationsfrequenz kabellos zu übertragen.
Vorteilhafterweise ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet, einen Ausfall eines Lagers, das das Rad trägt, gemäß dem Wert der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads und einem für Schwingungen indikativen Signal, das durch das zweite Messmittel geliefert wird, zu detektieren.
In einem anderen Aspekt wird ein Rad eines Fahrzeugs vorgeschlagen, das eine Vorrichtung, wie sie oben definiert ist, aufweist.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden bei Überprüfung der detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen, die in keiner Weise beschränkend sind, und den angehängten Zeichnungen erscheinen, in denen:

1 schematisch ein Beispiel eines Rads gemäß der Erfindung darstellt;
2 schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bestimmen der Rotationsfrequenz des Rads darstellt,
3 ein Verfahren zum Bestimmen der Rotationsfrequenz des Rads darstellt, und
4 ein Beispiel einer Frequenzanalyse gemäß der Erfindung darstellt.

Bezug wird auf 1 genommen, die ein Beispiel eines Rads 1 eines Fahrzeugs darstellt.
Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Lastkraftwagen, ein Bus oder ein Anhänger sein.
Eine Vorrichtung 2 zum Bestimmen der Rotationsfrequenz des Rads 1 ist an dem Rad 1 angeordnet.
Die Vorrichtung 2 ist beispielsweise an Muttern 3 des Rads 1 befestigt und ist von der Mitte C1 des Rads 1 um einen ersten Abstand D1 entfernt.
2 offenbart ein Beispiel einer Ausführungsform der Vorrichtung 2.
Die Vorrichtung 2 weist ein erstes Messmittel zum Messen eines Beschleunigungswerts des Rads 1, ein zweites Messmittel zum Messen von Schwingungen des Rads 1 und eine Verarbeitungseinheit 4 auf.
Das erste Messmittel weist beispielsweise einen Beschleunigungsmesser 5 auf, der mit der Verarbeitungseinheit 4 verbunden ist, und das zweite Messmittel weist beispielsweise einen Schwingungssensor 6 auf, der mit der Verarbeitungseinheit 4 verbunden ist.
Die Vorrichtung 2 kann des Weiteren ein Energiespeichermittel zum Versorgen der Verarbeitungseinheit 4 aufweisen, wobei das Energiespeichermittel beispielsweise eine Batterie 7 aufweisen kann.
Die Vorrichtung 2 benötigt keine externe Energieversorgung und ist autonom.
3 stellt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen der Rotationsfrequenz des Rads 1 dar.
In einem Schritt 10 misst der Beschleunigungsmesser 5 einen Beschleunigungswert VA L des Rads 1.
Die Verarbeitungseinheit 4 berechnet eine erste Rotationsfrequenz F1 des Rads 1, wobei die erste Rotationsfrequenz F1 gleich ist: $F 1 = \frac{\sqrt{\frac{V A L}{D 1}}}{2 π}$
Die Verarbeitungseinheit 4 vergleicht die bestimmte erste Rotationsfrequenz F1 mit einem ersten vorbestimmten Schwellwert TH1.
Wenn die erste Rotationsfrequenz F1 kleiner als der erste Schwellwert TH1 ist (Schritt 11), wird das Rad 1 als gestoppt betrachtet.
Dann wird Schritt 10 nach einer vorbestimmten Dauer, beispielsweise nach 30 Minuten, wiederholt.
Der erste Schwellwert TH1 kann beispielsweise gleich 4,2 Hz sein.
Wenn die erste Rotationsfrequenz F1 gleich oder größer als der erste Schwellwert TH1 ist (Schritt 11), wird das Rad als sich bewegend betrachtet.
Die Verarbeitungseinheit 4 definiert ein Frequenzanalyseintervall INT (Schritt 12), das eine untere Grenze LB und eine obere Grenze UB aufweist.
Die Verarbeitungseinheit 4 definiert die untere Grenze LB und die obere Grenze UB so, dass $LB = F 1 - TH 2$
$UB = F 1 + TH 2$
wobei TH2 ein zweiter vorbestimmter Schwellwert ist. Der zweite Schwellwert TH2 kann beispielsweise gleich 2,5 Hz sein.
In Schritt 13 liefert der Schwingungssensor 6 ein Signal, das indikativ für Schwingungen des Rads 1 ist, an die Verarbeitungseinheit 4, wobei die Verarbeitungseinheit 4 eine Frequenzanalyse des Signals für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls INT ausführt.
Die Verarbeitungseinheit 4 implementiert beispielsweise einen Goertzel-Algorithmus, um die Frequenzanalyse durchzuführen.
In Schritt 14 bestimmt die Verarbeitungseinheit 4 eine zweite Rotationsfrequenz F2 des Rads 1 aus der verarbeiteten Frequenzanalyse.
Die Verarbeitungseinheit 4 wählt die Frequenz in dem Frequenzanalyseintervall INT, die die höhere Amplitude hat, aus, wobei die zweite Rotationsfrequenz F2 gleich der Frequenz ist, die die höhere Amplitude hat.
Die zweite Rotationsfrequenz F2 ist gleich der Rotationsfrequenz F_Rad des Rads 1.
Die Verarbeitungseinheit 4 detektiert einen Ausfall eines Lagers, das das Rad 1 trägt, gemäß dem Wert der Rotationsfrequenz F_Rad des Rads 1 und dem für Schwingungen indikativen Signal.
Dann wird Schritt 10 nach einer vorbestimmten Dauer, beispielsweise nach 30 min, wiederholt.
4 offenbart ein Beispiel einer Frequenzanalyse, die durch die Verarbeitungseinheit 4 durchgeführt wird, die die Rotationsfrequenz F_Rad des Rads 1 aufweist.
Die Verarbeitungseinheit 4 kann die Rotationsfrequenz F_Rad des Rads 1 kabellos übertragen, beispielsweise zu einer anderen Verarbeitungseinheit beispielsweise für eine Schwingungsanalyse oder einen Radgeschwindigkeitsvergleich, wenn sich das Rad 1 bewegt.
Die Rotationsfrequenz des Rads 1 wird zuverlässig mit einer verbesserten Genauigkeit von beispielsweise +/-0,5 Hz bestimmt, sodass die Lagerschadendetektion zuverlässiger ist.
Des Weiteren verbraucht das Verwenden des ersten Messmittels, um zu bestimmen, ob sich das Rad 1 bewegt, weniger Energie als das Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit des Rads 1 mit dem Schwingungssensor.
Es erlaubt Energie zu sparen, um die Betriebszeit des Energiespeichermittels und dementsprechend die Betriebszeit der Vorrichtung 2 zu verlängern.
Zusätzlich reduziert das Durchführen der Frequenzanalyse für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls INT die Rechenzeit der Verarbeitungseinheit UT, um noch mehr Energie zu sparen, um die Betriebszeit der Vorrichtung 2 zu verlängern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 2019/0329610 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Rotationsfrequenz zumindest eines Rads (1) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst: - Bestimmen einer ersten Rotationsfrequenz (F1) des zumindest einen Rads (1) aus einem Beschleunigungswert des zumindest einen Rads, - Vergleichen der bestimmten ersten Rotationsfrequenz (F1) des zumindest einen Rads mit einem ersten vorbestimmten Schwellwert (TH1), - Definieren eines Frequenzanalyseintervalls (INT) aus der bestimmten ersten Rotationsfrequenz (F1), die größer als der erste Schwellwert (TH1) ist, - Ausführen einer Frequenzanalyse eines Signals, das indikativ für Schwingungen des zumindest einen Rads (1) ist, für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls, und - Auswählen einer zweiten Rotationsfrequenz (F2) in dem Frequenzanalyseintervall, die die höhere Amplitude hat, wobei die zweite Rotationsfrequenz gleich der Rotationsfrequenz (F_Rad) des zumindest einen Rads ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Definieren eines Frequenzanalyseintervalls (INT) ein Definieren einer unteren Grenze (LB) des Frequenzanalyseintervalls und einer oberen Grenze (UB) des Frequenzanalyseintervalls aufweist, wobei die untere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz minus einem zweiten vorbestimmten Schwellwert (TH2) ist und die obere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz plus dem zweiten Schwellwert (TH2) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausführen der Frequenzanalyse ein Implementieren eines Goertzel-Algorithmus aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bestimmen einer ersten Rotationsfrequenz ein Bestimmen eines ersten Abstands (D1) gleich dem Abstand zwischen der Mitte (Cl) des zumindest einen Rads (1) und einem ersten Mittel zum Messen des Beschleunigungswerts und ein Berechnen der ersten Rotationsfrequenz gleich $\frac{\sqrt{\frac{B e s c h l e u n i g u n g s w e r t}{e r s t e r A b s t a n d}}}{2 π}$
auf.
Vorrichtung (2) zum Bestimmen der Rotationsfrequenz zumindest eines Rads (1) eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung umfasst: - ein erstes Messmittel (5) zum Messen eines Beschleunigungswerts des zumindest einen Rads, - ein zweites Messmittel (6) zum Messen von Schwingungen des zumindest einen Rads, und - eine Verarbeitungseinheit (4), die dazu ausgebildet ist: ◯ eine erste Rotationsfrequenz (F1) des zumindest einen Rads aus dem gemessenen Beschleunigungswert des zumindest einen Rads zu bestimmen, ◯ die bestimmte erste Rotationsfrequenz des zumindest einen Rads mit einem ersten Schwellwert (TH1) zu vergleichen, ◯ ein Frequenzanalyseintervall (INT) aus der bestimmten ersten Rotationsfrequenz, die größer als der erste Schwellwert ist, zu definieren, ◯ eine Frequenzanalyse eines Signals, das indikativ für Schwingungen des zumindest einen Rads ist, für die Frequenzen innerhalb des Frequenzanalyseintervalls auszuführen, und ◯ eine zweite Rotationsfrequenz (F2) in dem Frequenzanalyseintervall, die die höhere Amplitude hat, auszuwählen, wobei die zweite Rotationsfrequenz gleich der Rotationsfrequenz (F_Rad) des zumindest einen Rads ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Verarbeitungseinheit (4) dazu ausgebildet, eine untere Grenze (LB) des Frequenzanalyseintervalls und eine obere Grenze (UB) des Frequenzanalyseintervalls zu definieren, wobei die untere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz minus einem zweiten Schwellwert (TH2) ist und die obere Grenze gleich der bestimmten ersten Rotationsfrequenz plus dem zweiten Schwellwert (TH2) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, welche des Weiteren ein Energiespeichermittel (7) zum Versorgen der Verarbeitungseinheit (4) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Verarbeitungseinheit (4) dazu ausgebildet ist, die zweite Rotationsfrequenz (F2) kabellos zu übertragen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Verarbeitungseinheit (5) dazu ausgebildet ist, einen Ausfall eines Lagers, das das Rad trägt, gemäß dem Wert der Rotationsfrequenz (F_Rad) des zumindest einen Rads und einem für Schwingungen indikativen Signal, das durch das zweite Messmittel (6) geliefert wird, zu detektieren.
Rad (1) eines Fahrzeugs, welches eine Vorrichtung (2) zum Bestimmen der Rotationsfrequenz gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9 aufweist.