DE19754010A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem ersten Gegenstand und einem zweiten Gegenstand - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestim­ mung eines Winkels zwischen einem ersten Gegenstand, insbeson­ dere einer definierten Achse eines Fahrzeugs oder Fahrzeugbau­ teils, und einem zweiten Gegenstand, insbesondere einer Fahr­ bahnoberfläche, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Automobilindustrie ist man bestrebt, durch Messungen und Tests objektive Aussagen über Fahrleistung und Fahrverhalten der entwickelten Kraftfahrzeuge treffen zu können. Zur Be­ schreibung der Fahrzeugbewegungen werden verschiedene Winkel bzw. Winkelbewegungen der Fahrzeugkarosserie bzw. der Fahr­ zeugräder bezüglich der Fahrbahnoberfläche definiert. Bei­ spielsweise werden Drehbewegungen um die Fahrzeuglängsachse, die z. B. durch Querbeschleunigungen bei Kurvenfahrt oder auch durch äußere Einflüsse hervorgerufen werden, als Wanken be­ zeichnet. Von Nicken wird dann gesprochen, wenn das Fahrzeug Winkelbewegungen um die Fahrzeugquerachse vollzieht, etwa beim Anfahren oder Bremsen. Dreht sich das Fahrzeug z. B. bei Lenk­ vorgängen um seine Hochachse, wird dies als Gieren bezeichnet.

Ferner weisen die Räder von Kraftfahrzeugen in der Praxis eine bestimmte Neigung bezüglich der Fahrbahnoberfläche auf. Hierbei ist der Winkel zwischen der Radmittenebene und einer senkrech­ ten zur Fahrbahnebene als Sturzwinkel definiert.

Sturzwinkel der Fahrzeugräder bezüglich der Karosserie werden herkömmlicherweise beispielsweise mittels Photodiodenkameras ermittelt. Die Kameras werden an einem mit der Karosserie ver­ bundenen Tragrahmen befestigt und erfassen die Winkelbewegungen eines am Rad angebrachten Spiegels. Die Nachteile bei diesem Verfahren bestehen darin, daß der Sturzwinkel relativ zur Ka­ rosserie bestimmt wird, und daher zur Sturzwinkelmessung des Fahrzeugrades relativ zur Fahrbahn eine Wankwinkelkorrektur durchzuführen ist, was einen erhöhten Meßaufwand bedeutet bzw. zu einer Erhöhung des Meßfehlers führt. Ferner erlaubt eine derartige Optik nur die Erfassung von Winkeln im Bereich von ± 4°.

Es sind ferner Verfahren zur Messung des Sturzwinkels bekannt, welche ein am auszumessenden Rad befestigtes Schlepprad verwen­ den. Voraussetzung für eine genaue Messung ist hierbei, daß das Schlepprad seitenkraftfrei abrollen kann, also unabhängig von der Bewegung des Rades immer senkrecht auf der Fahrbahn steht. Nur so ist gewährleistet, daß sich Sturzänderungen nicht auf das Schlepprad auswirken. Der Nachteil dieses Meßverfahrens be­ steht in der mangelnden Genauigkeit und in der aus der Mechanik des gesamten Systems resultierenden Trägheit.

Es sind ferner Verfahren denkbar, bei denen zwei an der Radach­ se parallel nebeneinander angeordnete Wegsensoren die von der Neigung des Rades abhängigen Abstände zur Straße ermitteln und über geometrische Beziehungen daraus den Wank- oder Nickwinkel des Fahrzeugs bezüglich der Fahrbahn berechnen. Es wäre eben­ falls denkbar, mittels diese Verfahrens den Sturzwinkel des Fahrzeugrades bezüglich der Fahrbahn zu ermitteln. Die Meßge­ nauigkeit wird hierbei durch den in axialer Richtung des Rades vorliegenden Abstand der Sensoren begrenzt. Obwohl diese Anord­ nung als relativ kompakt angesehen wird, ist die Meßgenauigkeit infolge der geringen Beabstandung der Sensoren unbefriedigend. Es wäre zwar möglich, einen größeren Abstand zwischen den Sen­ soren auszubilden. Ein größerer Abstand hat allerdings neben einer größeren und damit schwereren Halterung zur Folge, daß das gesamte Meßsystem wegen der unvermeidlichen Elastizitäten gegenüber den in Fahrbetrieb auftretenden Schwingungen anfälli­ ger ist und die ungefederte Radmasse zu stark vergrößert ist, was hauptsächlich das instationäre Fahrverhalten des Fahrzeugs ändert.

Es sei angemerkt, daß eine derartige, zwei Sensoren verwendende Meßanordnung auch beispielsweise zur Bestimmung eines Wankwin­ kels zwischen Fahrzeugkarosserie und Fahrbahn verwendet werden kann. Auch hierbei ergibt sich jedoch eine Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von der Beabstandung der Sensoren. Andererseits darf die Meßvorrichtung aus den erläuterten Gründen nicht zu groß bauen bzw. zu weit von der Fahrzeugkarosserie vorragen, da sonst Schwingungseffekte die Messung beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels, insbesondere eines Winkels eines Fahrzeugrades oder einer Fahrzeugkarosserie bezüglich einer Fahrbahnoberfläche, welche bei akzeptabler Baugröße und akzep­ tablem Eigengewicht eine ausreichende Meßgenauigkeit gewähr­ leistet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist nun eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem ersten Gegenstand und einem zweiten Ge­ genstand geschaffen, welche trotz relativ geringer Baugröße und geringem Eigengewicht ausreichend genaue Meßergebnisse liefern kann. Beispielsweise bei Anbringung einer derartigen Vorrich­ tung auf einem Kraftfahrzeug kann das Ausmaß des Abragens der Vorrichtung vom Kraftfahrzeug unter Gewährleistung einer aus­ reichenden Meßgenauigkeit gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen verringert werden, so daß durch eine Bewegung des Kraftfahrzeu­ ges verursachte Schwingungseinflüsse vermindert sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhafterweise sind die Wegsensoren auf einer am ersten Bauteil befestigbaren gemeinsamen Halterung angebracht. Hier­ durch können die Wegsensoren zunächst auf die Halterung mon­ tiert werden, wobei dieser Aufbau dann insgesamt am ersten Bau­ teil befestigt werden kann. Hierdurch ist der Montageaufwand vermindert.

Zweckmäßigerweise liegen die Projektionsrichtungen der Sensoren jeweils in der durch den zu bestimmenden Winkel definierten Ebene. Es ist zwar möglich, die Projektionsrichtungen der Sen­ soren schräg zu dieser Ebene zu wählen, doch ist hierdurch der Aufwand für die Auswertung der erhaltenen Signale erhöht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wegsensoren zur Bestimmung des Sturzwinkels eines Fahrzeugrades relativ zu einer Fahrbahnoberfläche an einer drehfest ausgebil­ deten Verlängerung der Achse des Fahrzeugrades angebracht. Eine derartige Vorrichtung weist bei geringem axialen Vorragen vom Fahrzeugrad eine ausreichende Meßgenauigkeit auf. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung erweist sich gegenüber einer ein Schlepprad verwendenden Vorrichtung insofern als vorteilhaft, als sie eine wesentlich höhere Meßgenauigkeit ermöglicht und für fahrdynamische Untersuchungen besser geeignet ist. Im Ge­ gensatz zu Vorrichtungen, welche den Sturzwinkel relativ zur Fahrzeugkarosserie messen, müssen erfindungsgemäß keine Wank­ winkelkorrekturen durchgeführt werden. Ferner ist die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zum Beispiel in sehr kompakter Weise mit einem am Rad angebrachten Mehrkomponenten-Meßrad kombinier­ bar.

Zweckmäßigerweise ist zwischen den Wegsensoren ein weiterer Sensor zur Bestimmung eines Schräglaufwinkels des Rades und/oder der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs anbringbar. Hier­ durch kann der zwischen den Wegsensoren zur Erzielung einer ausreichenden Meßgenauigkeit notwendigerweise einzuhaltende Ab­ stand zwischen den Wegsensoren optimal ausgenutzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Sensoren zur Bestimmung eines Wank- oder Nickwinkels an der Fahrzeugkarosserie angeordnet sein. Auch bei diesen Anwendungen erweist sich als sehr vorteilhaft, daß unter Gewährleistung ei­ ner ausreichenden Meßgenauigkeit die erfindungsgemäße Vorrich­ tung nur wenig von der Karosserie abragt, so daß durch eine Be­ wegung des Fahrzeugs verursachte Schwingungseinflüsse vermin­ dert sind. Es sei angemerkt, daß mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung theoretisch auch eine Gierwinkelmessung durchführbar wäre.

Zweckmäßigerweise werden als Wegsensoren laser-optische Senso­ ren verwendet. Derartige Sensoren sind zur berührungslosen Weg­ messung gut geeignet und relativ einfach handhabbar. Es wäre jedoch auch denkbar, indukte oder kapazitive Meßverfahren oder Meßverfahren über Ultraschall oder Radiographie zu verwenden.

Vorzugsweise beträgt der Spreizungswinkel der Wegsensoren zwi­ schen 10° und 45°, insbesondere 30°. Derartige Spreizungswinkel erweisen sich in der Praxis als gut handhabbar. Große Sprei­ zungswinkel bewirken zwar einen großen Abstand der Meßpunkte auf der Straßenoberfläche, wodurch die Meßgenauigkeit prinzipi­ ell erhöht ist, verschlechtern jedoch bei großen Sturzwinkeln durch die aus der Verkippung der Sensoren hervorgerufenen In­ tensitätsverluste das Meßergebnis stark. Es sei angemerkt, daß je nach Meßaufgabe selbstverständlich auch andere Spreizungs­ winkel gewählt werden können.

Als bezogen auf die Halterung zweckmäßige Basisabstände a zwi­ schen den Sensoren werden Werte zwischen 100 und 200 mm, vor­ zugsweise 110 bis 150 mm bevorzugt. Derartige Basisabstandswer­ te ermöglichen in Kombination mit entsprechenden Spreizungswin­ keln unter Berücksichtigung der Kriterien Meßgenauigkeit und Baugröße optimale Meßergebnisse. Auch hier sind selbstverständ­ lich, beispielsweise in Abhängigkeit von einer konkreten Meß­ aufgabe, andere Spreizungswinkel möglich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun im ein­ zelnen anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer an einem Fahrzeugrad zur Mes­ sung des Radsturzes angeordneten erfindungsgemäßen Vorrichtung in Grundstellung und gestürzter Stellung, und

Fig. 2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die zur Berechnung des Sturzwinkels erforderlichen Meß­ größen bzw. Hilfsmaße eingezeichnet sind.

Wie in den Figuren dargestellt, ist auf einem Rad 1 ein Mehr­ komponenten-Meßrad 50 zur Messung von auf das Rad 1 wirkenden Kräften und/oder Drehmomenten angebracht. Das Mehrkomponenten- Meßrad 50 ist am Rad 1 drehfest angebracht. Auf einer Verlänge­ rung 20 der Radachse sind mittels einer Halterung 60 laser­ optische Sensoren 3, 4 angebracht, zwischen denen ein weiterer Sensor 25 gehaltert ist. Die Verlängerung 20 ist mittels eines Drehlagers 51 am Rad 1 befestigt, so daß die auf der Verlänge­ rung angebrachten Sensoren 3, 4, 25 von einer Drehbewegung des Rades 1 entkoppelt sind. Die Sensoren 3, 4 weisen zueinander, bezogen auf die Verlängerung 20 bzw. die Halterung 60, einen Basisabstand a auf. Ferner sind die Sensoren 3, 4 unter einem Spreizungswinkel β_Sp auf der Verlängerung 20 angeordnet. Sensor 25 dient in bekannter Weise zur Bestimmung des Schräglaufwin­ kels des Rades bzw. der Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeugs.

Das Meßverfahren der Sensoren 3, 4 basiert auf dem Triangula­ tionsprinzip, das es ermöglicht, mit Hilfe einer bekannten Ba­ sislänge durch die Bestimmung von zwei Winkeln die Position ei­ nes gesuchten Punktes genau zu bestimmen. Derartige Sensoren setzen sich in bekannter Weise aus den drei Grundbausteinen Sender, Empfänger und Signalverarbeitung zusammen. Hierbei wird im dargestellten Beispiel ein vom Sender ausgestrahlter Laser­ strahl auf der Straßenoberfläche 2 als Lichtpunkt abgebildet. Dieser Lichtpunkt wirkt nun seinerseits als Lichtquelle und be­ strahlt unter einem bestimmten Winkel ein ortsauflösendes Ele­ ment (Fotodetektor) im Empfänger des Sensors. Der Laserstrahl verschiebt sich je nach Abstand des Sensors zur Straßenoberflä­ che auf dem Element. Aus dem Ort des Auftreffpunktes des Bild­ punktes auf dem Fotodetektor läßt sich aufgrund der geometri­ schen Anordnung die Länge des ausgesandten Meß- bzw. Projekti­ onsstrahls und somit der Abstand des Sensors 3, 4 zur Straße 2 bestimmen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel projiziert Sen­ sor 3 einen Meßstrahl 10, und Sensor 4 einen Meßstrahl 11 auf die Fahrbahnoberfläche 2. Meßstrahl 10 trifft hierbei im Punkt A, und Meßstrahl 11 im Punkt B auf die Fahrbahnoberfläche 2 auf. Zwischen den Meßstrahlprojektionsrichtungen der Meßstrah­ len 10, 11 ist der bereits erwähnte Spreizungswinkel β_Sp ausge­ bildet.

Mit Hilfe der Prinzipskizze der Fig. 2 werden die zur Berech­ nung des Sturzwinkels γ zwischen Radmittenebene R und Fahrbahn­ normaler N notwendigen geometrischen Verhältnisse im einzelnen aufgezeigt. Der am Rad auftretende Sturzwinkel γ findet sich aufgrund der geometrischen Eigenschaften der Anordnung im Drei­ eck ABC bzw. APC wieder. Für die Berechnung wird deshalb die Geometrie im Dreieck ABC bzw. APC herangezogen. Aus den beiden Einzelmeßwerten Δx₁ und Δx₂ läßt sich die Länge der γ-zugehörigen Gegenkathete d aus der Differenz Δx₂ - Δx₁ ermit­ teln. Unter Δx₁ und Δx₂ wird hierbei der Meßwert des Abstandes zwischen den Sensoren 3,4 entlang der Meßstrahlen 10,11 zu den Auftreffpunkten A, B im gestürzten und nicht gestürzten Zustand des Rades verstanden. Für die Ermittlung des tatsächlichen Ab­ standes zwischen den Sensoren 3,4 und den Auftreffpunkten A, B ist der Grundabstand g_S zu addieren. Die Länge der Ankathete c resultiert aus den geometrischen Beziehungen im rechtwinkligen Dreieck ADE. Mit Hilfe der konstruktiven Vorgaben für die Sen­ sorhöhe h_S, den Sensor-Grundabstand g_S, dem Sensorabstand bzw. Basisabstand a und dem Spreizungswinkel β_Sp können die zur Be­ rechnung des Sturzwinkels erforderlichen Hilfsmaße Ankathete c bzw. Gegenkathete d, nämlich

c = a + 2(h_S + g_S + Δx₁)sin(β_Sp/2)
d = (Δx₂ - Δx₁)sin(β_Sp/2)

ermittelt werden, aus denen sich die Größe des Sturzwinkels γ bestimmen läßt:

Es sei angemerkt, daß die angegebene Berechnung lediglich eine von vielen Möglichkeiten zur Ermittlung des Sturzwinkels dar­ stellt.

Wegen der geringen Baugröße kann das Gewicht der Vorrichtung klein gehalten werden. Hierbei ist ein Basisabstand a der Sen­ soren von etwa 110 mm ausreichend, um einen handelsüblichen Sensor 25 beispielsweise zur Bestimmung des Schräglaufwinkels des Rades 1 bzw. der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zwischen den Sensoren 3, 4 zu positionieren. Gleichzeitig sind bei die­ sem Basisabstand a und einem entsprechenden Spreizwinkel β_Sp ausreichende Meßgenauigkeiten in der Größenordnung von 0.125° erzielbar. Bevorzugt wird hierbei ein Spreizungswinkel von 30°.

Es sei angemerkt, daß die von den Sensoren ausgesandten Meß­ strahlen 10, 11 im wesentlichen vollständig in der Zeichenebene Z liegen, d. h. keine Komponente senkrecht hierzu besitzen. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache rechnerische Aus­ wertung der gemessenen Weglängen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels (γ) zwischen einem ersten Gegenstand (1), insbesondere einer definierten Achse (R) eines Fahrzeugs oder Fahrzeugbauteils, und einem zweiten Gegen­ stand (2), insbesondere einer Fahrbahnoberfläche, mit zwei in festgelegter Weise zum ersten Gegenstand (1) angeordneten Wegs­ ensoren (3, 4), welche jeweils mittels eines auf den zweiten Gegenstand (2) projizierten Meßstrahls (10, 11) zur Ermittlung eines Abstandes zwischen sich und dem zweiten Gegenstand (2) dienen, und einer Auswerteeinheit zur Berechnung des zu bestim­ menden Winkels aus den ermittelten Abständen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsensoren (3, 4) in einer durch den zu bestimmenden Winkel (γ) definierten Ebene (Z) unterschiedliche, einen Sprei­ zungswinkel (β_Sp) zueinander bildende Meßstrahlprojektionsrich­ tungen aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsensoren (3, 4) auf einer am ersten Bauteil (1) befestigten gemeinsamen Halterung (60) angebracht sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wegsensoren (3, 4) derart gelagert sind, daß die Meßstrahlprojektionsrichtungen (5, 6) jeweils in der durch den zu bestimmenden Winkel definierten Ebene (Z) liegen.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsensoren (5, 6) zur Bestimmung des Sturzwinkels (γ) eines Fahrzeugrades (1) relativ zu einer Fahr­ bahnoberfläche (2) an einer drehfest ausgebildeten Verlängerung (20) der Achse des Fahrzeugrades (1) angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wegsensoren (3, 4) ein weiterer Sensor (25) zur Bestimmung eines Schräglaufwinkels des Rades (1) und/oder der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs anbringbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wegsensoren zur Bestimmung eines Wank- oder Nickwinkels eines Fahrzeuges an der Karosserie des Fahr­ zeugs angebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsensoren (3, 4) laser-optische Sen­ soren sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizungswinkel (β_Sp) zwischen 10° und 45°, vorzugsweise bei 30° liegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3, 4) einen Basisab­ stand (a) zwischen 100 und 200 mm, vorzugsweise 110 bis 150 mm aufweisen.