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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungs- oder Verschleißzustands einer Fahrwerkskomponente eines Fahrzeugs, vorzugsweise einer mechanischen oder pneumatischen Fahrwerkskomponente, bei dem mit einer Sensoreinrichtung eine relative Änderung mindestens eines Abstands zwischen Fahrzeugkarosserie oder Chassis und einem Fahrwerksbauteil und/oder der Fahrbahnoberfläche gemessen wird und sodann über einen vorgegebenen Zeitraum die Frequenz und die Amplituden der Abstandsänderungen als Schwingungsmuster gespeichert werden.
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Bauteile von Fahrwerken sind im Betrieb der Fahrzeuge sehr häufig schwingenden oder schwellenden Belastungen unterworfen, die im Laufe der Betriebszeit eine oftmals schnellere Alterung der Bauteile hervorrufen als es für Bauteile der Fall ist, die lediglich statischen Belastungen unterworfen sind. Insbesondere Bauteile/Komponenten in hochbelasteten Fahrwerken von Lkw oder Nutzfahrzeuganhängern, die oft mit relativ hoher Geschwindigkeit auch auf schlechten Fahrbahnen unterwegs sind, sind besonders hohen Schwingungsbelastungen unterworfen.
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Dabei ist es natürlich erforderlich, dass Fahrwerke und Fahrwerksbauteile, wie etwa Lagerungen, Federungen, Reifen oder Bremsanlagen regelmäßig kontrolliert und auf Schäden überprüft werden. Unabhängig von der regelmäßigen Untersuchung durch technische Überwachungsvereine (TÜV) besteht gerade bei Logistikunternehmen und Speditionen der Wunsch und die Notwendigkeit, kurzfristigere und aussagestarke Untersuchungen der Fahrwerke durchzuführen, um die im Straßenverkehr erforderliche Sicherheit jederzeit zu gewährleisten und um rechtzeitig und geplant einen Austausch defekter Teile durchführen zu können. Bisher geschieht dies durch in regelmäßigen Abständen erfolgende Untersuchungen in einer Kraftfahrzeugwerkstatt.
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Daneben besteht der starke Wunsch, eine vorbeugende Instandhaltung und Reparatur von Fahrwerken und ihren Bauteilen durchzuführen (predictive maintenance), sodass ein rechtzeitiger und bereits vor übermäßiger Belastung und Alterung erfolgender Austausch von Fahrwerkskomponenten durchgeführt werden kann. Eine solche vorbeugende Instandhaltung und Reparatur erfolgt heute in aller Regel durch die Auswertung von Aufzeichnungen und Erfahrungen mit Fahrzeugkomponenten, insbesondere aufgrund vorgegebener und auf langjähriger Erfahrung beruhenden Intervalle für ihren Austausch.
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Im Stand der Technik sind allerdings auch Verfahren bekannt, bei denen das Schwingungsverhalten bzw. das Vibrationsverhalten von mechanischen Komponenten analysiert und daraus Rückschlüsse auf mögliche Schäden der jeweiligen Komponente gezogen werden. So offenbart die
DE 10 2014 205 922 B4 ein Modul zum Erfassen eines Vibrationsverhaltens einer mechanischen Komponente, wobei das Modul mechanisch starr mit der Komponente verbunden ist und eine mechanische Schwingung der Komponente aufnehmen kann. Das Modul umfasst eine Leiterplatte, die eine Schaltung aufweist, die ausgebildet ist, um die mechanische Schwingung der Komponente zu erfassen und ein das Vibrationsverhalten beschreibendes Signal über Kabel oder drahtlos weiterzusenden. Beispielhaft wird dort ein Modul zur Reifenüberwachung vorgeschlagen.
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Nachteilig bei solchen Systemen ist es allerdings, dass das Modul, welches die Vibrationen ermitteln soll, direkt an dem einer Schwingungsbelastung unterworfenen Teil angeordnet ist und somit ebenfalls stark belastet ist. Darüber hinaus ist für jede Komponente ein solches Modul erforderlich.
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Andere Systeme im Stand der Technik nutzen die Auswertung von Schwingungen in Form von Geräuschen, um auf Schädigung bestimmter Komponenten zu schließen. Diese Systeme bergen aber den Nachteil in sich, dass je nach Umgebung Fremdgeräusche das Ergebnis verfälschen können.
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Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, ein automatisch arbeitendes Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung eines Alterungs- oder Verschleißzustands einer Fahrwerkskomponente eines Fahrzeugs bereitzustellen, durch welche die Häufigkeit von Werkstattaufenthalten zur Kontrolle aller Bauteile reduziert werden kann, durch welche eine vorbeugende Instandhaltung (predictive maintenance) und eine rechtzeitige Warnung bei drohendem Verschleiß ermöglicht wird, und welche einfach am Fahrzeug eingesetzt, appliziert und sicher betrieben werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart. Ebenfalls offenbart ist eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Einrichtung sowie ein Fahrzeug mit solch einer Einrichtung.
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Dabei wird mit einer Sensoreinrichtung eine relative Änderung mindestens eines Abstands zwischen Fahrzeugkarosserie oder Chassis und einem Fahrwerksbauteil und/oder einer Fahrbahnoberfläche gemessen und eine Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen als Schwingungsmuster gespeichert. Erfindungsgemäß werden dann ein für den Neuzustand der Fahrwerkskomponenten repräsentatives erstes Schwingungsmuster sowie ein oder mehrere weitere für einen gealterten oder schadhaften Zustand einzelner Fahrwerkskomponenten repräsentative Schwingungsmuster ermittelt und gespeichert, wobei im Betrieb des Fahrzeugs mit Hilfe eines Algorithmus ein wiederholter Vergleich der jeweiligen aktuell aus den Abstandsänderungen ermittelten Schwingungsmuster mit dem ersten und mindestens einem der weiteren gespeicherten Schwingungsmuster durchgeführt wird, wobei bei einer vorgegebenen Ähnlichkeit mit einem der weiteren Schwingungsmuster und/oder einer vorgegebenen Abweichung zum ersten Schwingungsmuster ein weiterverarbeitbares Signal oder Warnsignal erzeugt und ausgegeben wird.
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Ausgehend von der Überlegung, dass die Schwingungen bzw. die Vibrationen, die von einem defekten Fahrwerksbauteil ausgehen, sich auch und merkbar durch Abstandsänderungen zwischen gefederter Masse (Karosserie oder Chassis) und ungefederter Masse (Fahrwerk) ausprägen, besteht der allgemeine Erfindungsgedanke darin, durch Vergleich der jeweils auftretenden Schwingungen (Abstandsschwingungen) mit den Schwingungen, die in einem Fahrwerk mit entsprechend neuen oder ungebrauchten Bauteil ermittelbar sind, die Schwingungsmuster zu erkennen bzw. den Schwingungszustand zu ermitteln, der für ein geschädigtes Bauteil innerhalb des Fahrwerks typisch ist und dann rechtzeitig ein Signal zu erzeugen, welches im Sinne einer vorbeugenden Instandhaltung den Austausch des defekten Teils erlaubt.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrensweise liegt sicher darin, dass der Abstands bzw. die Abstandsschwingung durchaus mit nur einer Sensoreinrichtung ermittelt werden kann, die den sich ändernden Abstand zwischen Fahrzeugkarosserie oder Chassis und einem Fahrwerksbauteil und/oder der Fahrbahnoberfläche misst. Die Frequenz und die Amplituden der Abstandsänderungen werden dann als Schwingungsmuster gespeichert und verfahrensgemäß einen Vergleich zugeführt. Es muss also nicht jedes Bauteil mit einer einzelnen Sensorik überwacht werden.
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Ein weitere Vorteil liegt darin, dass die Abstandsänderung kaum oder nur wenig durch Störgrößen aus der Umgebung beeinflusst werden kann, wie dies zum Beispiel bei der Interpretation von Geräuschen häufig der Fall ist. Auch sind Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit oder Temperatur von nur untergeordneter Bedeutung bei der Abstandsmessung.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass zusätzlich die jeweiligen zeitlichen Veränderungen und die Periodizität des Auftretens der Abstandsänderungen ermittelt und gespeichert werden, wobei die Abstandsänderungen mittels einer Frequenzanalyse verarbeitet werden und ein Ergebnis der Frequenzanalyse als Schwingungsmuster gespeichert wird. Mithilfe einer Frequenzanalyse, beispielsweise mithilfe einer Fourier-Analyse, können die in ihrer zeitlichen Abfolge gespeicherten Abstandsänderungen auf einfache Weise in ihre Frequenzanteile zerlegt werden, so dass sich dadurch eine weitere präzise Interpretationsmöglichkeit bietet, Veränderungen oder Schäden an einzelnen Bauteilen zu ermitteln.
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Eine weitere Ausbildung besteht darin, dass die Schwingungsmuster in einer Datensammlung oder Datenbank von Schwingungsmustern gespeichert werden, wobei die Datensammlung oder Datenbank in innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Speichern angeordnet ist. Der Begriff Datensammlung oder Datenbank ist hier als Synonym gebraucht, da regelmäßig der Begriff Datenbank eher für größere Datensammlungen auf großen Rechneranlagen genutzt wird. Eine Datensammlung von Schwingungsmustern kann aber bei den heute bereits verfügbaren sehr leistungsfähigen Speicherbauteilen durchaus in einer Fahrzeugsteuerung vorgesehen sein.
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Eine weitere Ausbildung besteht darin, dass eines der weiteren gespeicherten Schwingungsmuster die Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen beinhaltet, die bei mindestens einem schadhaften oder gealterten Luftfederbalg, einer defekten Niveauregulierung oder bei defekten Ventilen gemessen werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, rechtzeitig auf Veränderungen oder Alterung des Luftfedersystems oder der zugehörigen Teile zu reagieren.
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Das gilt entsprechend und bezogen auf die jeweiligen Bauteile für weitere Ausbildungen, die darin bestehen, dass eines der weiteren gespeicherten Schwingungsmuster die Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen beinhaltet, die bei mindestens einem gealterten, schadhaften oder mit Minderdruck versehenen Fahrzeugreifen gemessen werden, dass eines der weiteren gespeicherten Schwingungsmuster die Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen beinhaltet, die bei mindestens einem schadhaften oder gealterten Fahrwerkslager gemessen werden, dass eines der weiteren gespeicherten Schwingungsmuster die Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen darstellt, die bei mindestens einem schadhaften oder gealterten Fahrwerksdämpfer gemessen werden, oder dass eines der weiteren gespeicherten Schwingungsmuster die Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen darstellt, die bei einer schadhaften oder gealterten Bremskomponente gemessen werden.
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Sobald sich dann beispielsweise die aktuell während des Betriebs bzw. der Fahrt des Fahrzeugs gemessenen Schwingungsmuster den Schwingungsmustern annähern, die eine Alterung oder eine Schädigung in den jeweiligen Bauteilen charakterisieren, können Maßnahmen zur vorbeugenden Instandhaltung ergriffen werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Einrichtung vorteilhaft, die folgende Merkmale aufweist:
- • eine im Fahrwerksbereich an Fahrzeugkarosserie (Chassis) oder an einem Fahrwerksbauteil angeordnete Sensoreinrichtung zur Messung mindestens eines Abstands zwischen Fahrzeugkarosserie und dem Fahrwerksbauteil und/oder zwischen Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche,
- • eine mit der Sensoreinrichtung zusammenwirkende Steuerungs- und Recheneinheit, wobei die Recheneinheit einen Speicher mit einer Datenbank zur Speicherung von Schwingungsmustern aufweist,
- • ein in der Recheneinheit programmierter Algorithmus, mit dessen Hilfe ein wiederholter Vergleich der jeweiligen aktuell aus den Abstandsänderungen und über einen vorgegebenen Zeitraum ermittelten Schwingungsmuster mit den gespeicherten Schwingungsmustern durchführbar ist und bei Detektion einer vorgegebenen Ähnlichkeit oder Abweichung im Verhältnis zu vorbestimmten gespeicherten Schwingungsmustern ein weiterverarbeitbares Signal oder Warnsignal erzeugbar ist und ausgegeben wird.
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Eine Ausbildung der Einrichtung besteht darin, dass die Sensoreinrichtung als Radarsender und -empfänger ausgebildet ist, vorzugsweise an der Karosserie angeordnet ist und den Abstand zu einem Fahrwerkslenker misst. Als Radarsender und -empfänger ausgebildete Sensoren können leicht als fertige Bauteile beschafft und in eine Elektronik eingebaut werden, sind insbesondere bei ihren Messungen relativ unabhängig von Umgebungsbedingungen und sind gut zu kapseln, da verschiedenste Materialien durchstrahlt werden können.
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Eine weitere Ausbildung besteht darin, dass die Sensoreinrichtung als Magnetfeldsensor ausgebildet ist, der Vibrationen in Form von relativ zueinander auftretenden Verschiebungen von metallischen Fahrwerksbauteilen, vorzugsweise von Bauteilen eines Dämpfers, durch eine auf die Karosserie wirkende Belastung ermittelt. Bei einer solchen Anordnung des Sensors kann es allerdings vorkommen, dass die Schwingungseigenschaften des Dämpfers dominierend sind und die der übrigen Bauteile etwas zurückfallen. Das kann aber durch eine geeignete abstandsmessende Spule-Magnet-Anordnung an anderer Stelle des Fahrwerks aufgefangen werden.
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Beide Arten von abstandsmessenden Sensoreinrichtungen können u.a. für Nutzfahrzeuge wie Lkw, Nutzfahrzeuganhänger oder Busse eingesetzt werden.
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Eine weitereAusbildung besteht darin, dass die Steuerungs- und Recheneinheit eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung von Messdaten, Schwingungsmustern, weiterverarbeitbaren Signalen oder Warnsignalen aufweist, vorzugsweise zur digitalen Übertragung an eine elektronische Fahrzeugsteuerung oder an Einrichtungen außerhalb des Fahrzeugs. Dadurch können die Rohdaten oder die aufgearbeiteten Messergebnisse auch an eine Zentrale eines Logistikunternehmens oder einer Spedition gegeben werden, die dann entsprechende Maßnahmen zur Instandhaltung einleiten bzw. die Fahrzeuge in eine Werkstatt dirigieren kann. Das ist dann besonders vorteilhaft, wenn die entsprechenden Lkw oder Nutzfahrzeuganhänger mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung versehen sind.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.
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1 zeigt dazu eine Skizze, in der das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenwirken mit einer Ausführung einer zugehörigen Einrichtung anhand eines Funktions- und Ablaufplans dargestellt wird. Die hier genutzte Funktionssymbolik dient dabei lediglich der Erläuterung und stellt weder Einschränkungen konstruktiver Art in Bezug auf die Einrichtung noch eine Einschränkung in Bezug auf den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf dar.
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1 zeigt eine im Fahrwerksbereich angeordnete Sensoreinrichtung 2. Die Sensoreinrichtung 2 ist an einem zu einer Fahrzeugkarosserie gehörigen Bauteil 1 befestigt und hier ausgebildet als Radarsender und -empfänger. Symbolisch und lediglich zur Verdeutlichung skizzenhaft dargestellt ist hier auch der zugehörige Radarstrahl 3.
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Das Karosseriebauteil 1 ist hier ein Längsträger eines Karosserierahmens eines Lkw. Ein mit der Radachse 4 verbundener und zum Fahrwerk gehöriger Achsträger 5 ist über Luftfedern 6 mit dem als Längsträger ausgebildeten Karosseriebauteil 1 verbunden. Erkennbar ist ebenfalls ein Rad 7 auf einer Seite des Lkw, welches auf der Oberfläche einer Fahrbahn 8 abrollt.
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Die Sensoreinrichtung 2 misst erfindungsgemäß mit Hilfe des Radarstrahls 3 den Abstand zwischen dem zur Fahrzeugkarosserie gehörigen Längsträger bzw. Karosseriebauteil 1 und dem Achsträger 5, also eine relative Änderung eines Abstands zwischen Fahrzeugkarosserie und einem Fahrwerksbauteil.
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Ebenfalls ist in 1 eine mit der Sensoreinrichtung 2 zusammenwirkende Steuerungs- und Recheneinheit 9 skizziert, die u.a. einen Speicher 10 mit einer Datenbank zur Speicherung von Schwingungsmustern aufweist. Die zu den durch die Sensoreinrichtung 2 ermittelten Abstandsänderungen gehörigen Daten und deren Übermittlung zur Steuerungs- und Recheneinheit 9 sowie auch weitere Datenübermittlungen in der Recheneinheit 9 sind lediglich grob vereinfacht durch strichpunktierte Linien dargestellt.
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Im Speicher 10 werden sodann über einen vorgegebenen Zeitraum eine Frequenz und Amplituden der Abstandsänderungen als Schwingungsmuster gespeichert. Dabei wird erfindungsgemäß ein für den Neuzustand einer Fahrwerkskomponente repräsentatives erstes Schwingungsmuster gespeichert, sowie ein oder mehrere weitere durch die Sensoreinrichtung 2 ermittelten Schwingungsmuster, die für einen gealterten oder schadhaften Zustand der Fahrwerkskomponente repräsentativ sind.
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Mit Hilfe eines in der Recheneinheit programmierten Algorithmus 11 wird dann ein wiederholter Vergleich der jeweiligen aktuell aus den Abstandsänderungen zwischen Karosseriebauteil 1 und Achsträger 5 ermittelten Schwingungsmuster mit den gespeicherten Schwingungsmustern durchgeführt. So werden dann im weiteren Betrieb des Lkw kontinuierlich die jeweiligen aktuell aus den Abstandsänderungen ermittelten Schwingungsmuster mit dem ersten und mindestens einem der weiteren gespeicherten Schwingungsmustern verglichen.
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Bei Detektion einer vorgegebenen Ähnlichkeit oder Abweichung im Verhältnis zu vorbestimmten gespeicherten Schwingungsmustern wird ein weiterverarbeitbares Signal oder Warnsignal 12 erzeugt und an weitere, hier nicht näher dargestellte Einrichtungen ausgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Karosseriebauteil, Längsträger
- 2
- Sensoreinrichtung, Radarsender und -empfänger
- 3
- Radarstrahl
- 4
- Radachse
- 5
- Achsträger
- 6
- Luftfeder
- 7
- Rad
- 8
- Fahrbahn
- 9
- Recheneinheit
- 10
- Speicher
- 11
- Algorithmus
- 12
- weiterverarbeitbares Signal/Warnsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014205922 B4 [0005]
