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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad mit einem Felgenhörner, Felgenschultern und ein Felgentiefbett aufweisenden Felgenabschnitt zur Abstützung eines Reifens und mit einem einen Nabenanschlussflansch mit Bolzenlöchern und einen Übergangsabschnitt mit Lüftungslöchern aufweisenden, mit dem Felgenabschnitt verbundenen Schüsselabschnitt zur drehfesten Befestigung des Fahrzeugrades an einem Fahrzeug, mit einer mitdrehbar am Fahrzeugrad befestigten Messeinrichtung mit wenigstens einem Messsensor zur Erfassung von auf das Fahrzeugrad einwirkenden Kräften, und mit einem mit dem Messsensor gekoppelten Transceiver zur Übermittlung der mit Messsensor erfassten Lastdaten an Komponenten, wie insbesondere eine fahrzeugseitige Überwachungseinrichtung mit Auswerteeinrichtung, außerhalb des Fahrzeugrades. Die Erfindung betrifft ferner eine Überwachungseinrichtung für Fahrzeuge mit mehreren Fahrzeugrädern, wobei wenigstens ein Fahrzeugrad eine Messeinrichtung mit Messsensor und mit dem Messsensor gekoppelten Transceiver aufweist, und mit einer fahrzeugseitigen Auswerteinrichtung für die Messsignale der Messsensoren.
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Insbesondere Schwerlastkraftwagen und normale Lastkraftwagen unterliegen Gewichtsbeschränkungen auf bestimmten Fahrstraßen. Um die Ladelasten im Fahrzeug zu ermitteln, können Gewichtssensoren zwischen dem Chassis des Fahrzeugs und der Ladefläche des Fahrzeugs fest verbaut sein. Diese entsprechenden Lastsensoren sind für das ausschließliche Erfassen des Gewichts auf der Ladefläche des Lastkraftwagens gedacht. Diese Sensoren liefern keine anderen Daten für andere Fahrzeugzustände und sind auch weder auf die Erfassung anderer Zustände ausgelegt noch zur Erfassung anderer Bedingungen, wie Masseverteilung, Temperatur, Reifendruck, Radsturz etc. vorgesehen. Solche Lastzustände sowie andere erfasste Betriebszustände können Einfluss darauf haben, wie ein Fahrzeugsystem im Fahrbetrieb reagiert.
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Aus der
WO 2017/048762 A1 ist es bekannt, eine Überwachungseinrichtung mit einer Lasterfassungseinrichtung derart am Außenumfang eines Felgenabschnitts eines Fahrzeugrades zu befestigen, dass der Sensor vor Umwelteinflüssen geschützt im druckbelasteten Innenraum des Reifens angeordnet ist. Die Lasterfassungseinrichtung weist Dehnungsmessstreifen auf, die die auf das Fahrzeugrad einwirkenden Stoßbelastungen sowohl unter statischen als auch dynamischen Bedingungen ermitteln sollen, wozu die während der Drehung des Fahrzeugrades hervorgerufenen Kräfte als sinusförmige Signale ermittelt werden und anhand der aufgezeichneten Maxima die Radlast bestimmt wird. Die statischen Belastungen können ebenfalls erfasst werden, wozu ggf. auch die Drehposition der Überwachungseinrichtung relativ zur Radaufstandsfläche erfasst wird, um die Lasten durch Korrelation der Messsignale der Dehnungsmesstreifen mit vorab unter unterschiedlichen Lasten aufgezeichneten Messdaten zu bestimmen. Bei der bekannten Lösung wird das Gehäuse der Überwachungseinrichtung am Felgentiefbett befestigt, vorzugsweise durch Klebung, und weist ein Unterteil auf, das entsprechend der Krümmung des Tiefbetts gekrümmt ist. Im Gehäuse können weitere Sensoren angeordnet sein, um verschiedener Fahrzeugzustände wie beispielsweise Rad-Klemmkraft, Radlast, Achslast, Masseverteilung, Umgebungstemperatur, Radtemperatur und Reifenluftdruck zu erfassen. Die über die Sensoren gewonnenen Informationen können von verschiedenen Systemen wie insbesondere, aber nicht ausschließlich, Traktionskontrollsystem (TCS), Antiblockiersystem (ABS), Elektronische Bremskraftverteilung (EBD), Anti-Roll-Stabilisator (AAR), Kollisionsschutzbremssystem (CMBS), Kollisionsverminderungs-Bremsung (CMB), Allradantrieb (AWD), Reifendruckregelsystem (RDKS, TPMS), Reifenverschleiß und Schadenskontrollprotokollierung verwendet werden. Um die Überwachungseinrichtung dauerhaft mit Energie zu versorgen, sind im Gehäuse piezoelektrische Elemente und eine Energiegewinnungsschaltung vorgesehen, um die aufgrund von Schwingungen der Piezoelemente erzeugte Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die ggf. gespeichert wird.
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Aus der
WO 2021/048761 A1 ist eine modifizierte Variante einer Überwachungseinrichtung für Fahrzeugräder bekannt, bei der das Gehäuse zwei in Umfangsrichtung voneinander beanstandete Befestigungszonen aufweist und zwischen den Befestigungszonen eine Biegestrebe als wesentliches Element der Überwachungseinrichtung angeordnet ist, wobei die Messsensoren, insbesondere Dehnungsmessstreifen unmittelbar auf der Biegestrebe angeordnet sind, um über die Verformungen der Biegestreben die auf das jeweilige Fahrzeugrad wirkenden Lastkräfte zu ermitteln. Zur Verankerung des Gehäuses können am Außenumfang des Fahrzeugrades entweder eine Adapterplatte mit Einschraublöchern angeklebt sein, oder Verankerungsstifte oder Verankerungsgewinde sind am Außenumfang des Fahrzeugrades befestigt, mit denen die Befestigungszonen zusammenwirken. Durch diese Ausgestaltung ist der eigentliche Messsensor vergleichsweise einfach austauschbar, und ein entsprechendes Gehäuse lässt sich an Fahrzeugrädern unterschiedlicher Rad-Geometrien anbringen.
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Aus der
US 2021/0023893 sind ebenfalls eine Messeinrichtung sowie ein Fahrzeugrad bekannt, mit welchen die dynamischen Belastungen auf ein Fahrzeugrad ermittelt werden sollen. Der Sensor wird hier aber nicht auf der eigentlichen Felge angeordnet, sondern am Schüsselteil des Fahrzeugrades, und zwar entweder auf Speichen am Schüsselteil oder auf einem ringförmigen, beispielsweise die Lüftungslöchern enthaltenden Abschnitt des Schlüsselteils. Der eigentliche Sensor soll vorzugsweise aus einem kapazitativen Sensor mit zwei über ein dielektrisches Material voneinander getrennten Sensorflächen bestehen, und der Sensor wird an einem Sensorsitz an der Oberfläche des Schlüsselteils angeordnet. Wenn sich das Fahrzeugrad durch unterschiedliche Belastungen verformt, verformen sich auch die beiden Sensorflächen, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches zur Bestimmung der Radlast herangezogen werden soll. Die Größe des Signals hängt von der Winkelstellung der Position des Sensors relativ zur Radaufstandsfläche ab und ist am größten, wenn sich der Sensor in der Position oberhalb der Radaufstandsfläche befindet. Das Dokument verweist auf empirische Daten, wonach ein linearer Zusammenhang zwischen Reifendruck und dem tatsächlichen Messsignal besteht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeugrad zu schaffen, welches auf nochmals vereinfachte Weise mit einer Messeinrichtung versehen werden kann, um mittels einer geeigneten Messeinrichtung vorzugsweise sowohl die dynamische Belastung des Fahrzeugrades im Fahrbetrieb als auch statische Lastkräfte ermitteln zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einem ersten Lösungskonzept mit der Erfindung vorgeschlagen, dass
- - an einer radialen Außenseite des Felgenabschnitt ein Metallbandstreifen befestigt ist und der wenigstens eine Messsensor dem Metallbandstreifen zugeordnet ist,
- - der Metallbandstreifen eine Unterseite und eine Deckseite hat und in Umfangsrichtung mindestens einen Teilabschnitt mit konstanter Dicke zwischen Unterseite und Deckseite aufweist,
- - die Unterseite des Metallbandstreifens entlang des Teilabschnitts mittels einer Klebeverbindung mit der Außenseite des Felgenabschnitts verbunden ist,
- - die Messeinrichtung eine mit dem wenigstens einen Messsensor versehene Biegestrebe aufweist, welche an zwei in Umfangsrichtung des Felgenabschnitts voneinander beabstandeten Befestigungszonen mit dem Metallbandstreifen zur lokalen Erfassung einer Verformung des Metallbandstreifen zwischen den Befestigungszonen verbunden ist, und
- - der Metallbandstreifen in Umfangsrichtung des Fahrzeugrades eine Länge aufweist, die größer ist als Abstand der Befestigungszonen voneinander.
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Die Erfindung schlägt einen Metallbandstreifen vor, der am Umfang des Fahrzeugrades als zusätzliches Element befestigt wird und der wiederum Befestigungselemente aufweist, um die den Messsensor umfassende Messeinrichtung, vorzugsweise lösbar, an den Befestigungselementen des Metallbandstreifens zu befestigen. Durch die Zwischenschaltung eines Metallbandstreifens besteht hohe Flexibilität hinsichtlich der Anpassung an unterschiedliche Radgeometrien. Die Sensoren messen nicht unmittelbar an der Oberfläche des Felgenabschnitts, sondern nur indirekt über die Verformung des Metallbandstreifens. Eine sichere Verbindung zwischen dem Metallbandstreifen und der Oberfläche des eigentlichen Fahrzeugrades kann beispielsweise vorzugsweise über eine geeignete Klebeverbindung erreicht werden.
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Bei dem vorgenannten ersten Lösungskonzept ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Befestigungszonen aus zwei umfangsversetzt zueinander an der Deckseite des Metallbandstreifens befestigten Ankerstiften oder Ankermuttern bestehen. Diese können vorzugsweise am Metallbandstreifen angeschweißt oder angelötet sein.
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Der Metallbandstreifen kann vorzugsweise zwischen den Befestigungszonen partiell mit Aussparungen versehen sein, wobei insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Aussparungen symmetrisch bezogen auf die Befestigungszonen angebracht sind, wodurch Messabweichungen aufgrund der Aussparungen vermieden werden können.
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Gemäß einer Lösungsvariante kann sich der Metallbandstreifen nur partiell über den Umfang des Felgenabschnitts erstrecken. Es kann sich aber als vorteilhaft erweisen, wenn sich, gemäß einer alternativen Lösungsvariante, der Metallbandstreifen vollständig über den Umfang des Felgenabschnitts erstreckt. Insbesondere bei der zweiten Lösungsvariante ist besonders vorteilhaft, wenn der Metallbandstreifen wenigstens 2 Teilabschnitte mit unterschiedlichen Streifenbreiten quer zur Umfangsrichtung aufweist.
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Bei sämtlichen Varianten des ersten Lösungskonzepts ist besonders vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung mit einem Gehäuse und mit einer im Gehäuse zusammen mit dem Transceiver, der Biegestrebe und dem Messsensor angeordneten elektrischen Schaltung versehen ist, wobei vorzugsweise die Messseinrichtung als Einheit lösbar und austauschbar an den Befestigungszonen befestigt ist.
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Zur Lösung der weiter oben genannten Aufgabe wird gemäß einem zweiten, alternativen Lösungskonzept mit der Erfindung vorgeschlagen, dass
- - an einer radialen Außenseite des Felgenabschnitt ein Metallbandstreifen befestigt ist und der wenigstens eine Messsensor dem Metallbandstreifen zugeordnet ist,
- - der Metallbandstreifen eine Unterseite und eine Deckseite hat und in Umfangsrichtung mindestens einen Teilabschnitt mit konstanter Dicke zwischen Unterseite und Deckseite aufweist,
- - die Unterseite des Metallbandstreifens entlang des Teilabschnitts mittels einer Klebeverbindung mit der Außenseite des Felgenabschnitts verbunden ist,
- - die Messeinrichtung wenigstens einen mit dem Metallbandstreifen verbundenen, mehrere unterschiedlich orientierte Dehnungsmesstreifen aufweisenden Messsensor zur lokalen Erfassung einer Verformung des Metallbandstreifen aufweist, und
- - der Metallbandstreifen in Umfangsrichtung eine Länge aufweist, die größer ist als eine von den Dehnungsmesstreifen des Messsensors in Umfangsrichtung abgedeckte Teillänge.
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Auch hier kommt gemäß der Erfindung ein Metallbandstreifen zur Anwendung, der an der Oberfläche des Felgenabschnitts des Fahrzeugrades angeklebt wird. Allerdings ist hier die Messeinrichtung nicht austauschbar, sondern die eigentlichen Messsensoren sind unmittelbar am Metallbandstreifen angeordnet, um die Verformungen des Metallbandstreifens lokal zu erfassen. Gleichwohl bleibt der Vorteil erhalten, dass der am Umfang des Fahrzeugrades als zusätzliches Element befestigte Metallbandstreifen eine vergleichsweise hohe Flexibilität hinsichtlich der Anpassung an unterschiedliche Radgeometrie bietet, wodurch eine auf dem Metallbandstreifen angeordnete, vorkonfektionierte Messeinrichtung an unterschiedliche Radgeometrien angepasst werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Messsensor mit den Dehnungsmessstreifen mittels einer Kunststoffabdeckung, insbesondere eines Kunststoffbandes, welches an der Deckseite des Metallbandstreifens angeklebt ist, abgedeckt.
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Besonders zweckmäßig ist, wenn der Messsensor als Messfläche mit 4 Dehnungsmesstreifen ausgebildet ist, von denen zwei Dehnungsmesstreifen in Umfangsrichtung orientiert sind, und zwei weitere Dehnungsmesstreifen quer zur Umfangsrichtung orientiert sind. Weiter zweckmäßig ist, wenn der Messsensor mittels einer Kabelverbindung mit einer elektronischen Schaltung, dem Transceiver und einer Energieversorgungsquelle verbunden ist, welche Bestandteile oder Zusatzteile einer dem Fahrzeugventil zugeordneten Luftdruckmesseinrichtung (TPMS) bilden.
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Bei sämtlichen Varianten ist besonders vorteilhaft, wenn über den Umfang des Felgenabschnitts verteilt wenigstens 2 Messsensoren umfangsversetzt zueinander positioniert sind, wobei vorzugsweise der Abstand der beiden Messsensoren in Umfangsrichtung zueinander wenigstens 20° beträgt, und insbesondere 22,5° beträgt. Eine entsprechende Anordnung ermöglicht, dass an allen beim Fahrzeug montierten Fahrzeugrädern unabhängig von der Drehwinkelstellung des Fahrzeugrades auch die statische Last bei Stillstand des Fahrzeugs gemessen werden kann. Letzteres beruht auf der Erkenntnis, dass bei bestimmten Drehwinkeln bei Vorhandensein nur eines Messsensors je Fahrzeugrad eine mathematische Bestimmung der statischen Last aus den Messwerten nicht möglich ist. Die von einem Sensor gemessenen Last ist abhängig von der Winkelstellung (Drehwinkel) α der Position des Sensors relativ zur Radaufstandsfläche. Grundsätzlich gilt mathematisch der Ansatz, dass der mit dem Sensor ermittelte Sensorwert e unter der Annahme einer gleichbleibenden Gewichtslast L, eines gleichbleibenden Reifeninnendrucks p und einer gleichbleibenden Umgebungstemperatur T während einer 360°-Umdrehung zu einer periodischen Funktion führt, die vom Drehwinkel α während einer vollständigen Radumdrehung abhängt. Grundsätzlich kann als mathematischer Ansatz die Formel
aufgestellt werden. Geht man davon aus, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Reifeninnendruck und Temperatur und der sich an einem Sensor einstellenden Sensorwerte besteht, dann kann man diese Funktion mathematisch in mehrere Komponenten aufsplitten, nämlich
Bei dieser mathematischen Annahme bildet
- - e0 den Anteil der Funktion, der nicht von der Gewichtslast abhängig ist,
- - c(α) den Anteil, der als periodische Funktion von der Gewichtslast proportional abhängig ist. c(α) entspricht einer periodischen Funktion, die sich bei jeder Radumdrehung im Idealfall wiederholt, weswegen gilt:
- - g(P) ist der Skalierungsfaktor, der den druckabhängigen Einfluss aufgrund der Steifigkeit des Rad-Reifen-Systems wiedergibt.
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Diese Formeln und Bedingungen sind hilfreich, wenn die statische Belastung aufgrund der Gewichtskraft ermitteln werden soll. Voraussetzung hierfür ist u.a. eine Bestimmung des Anteilsfaktors e0. Dies erfolgt in einem geeigneten Kalibrierungsverfahren, um den Verschiebungskoeffizienten der jeweiligen Kurve in Abhängigkeit von Temperatur und Reifeninnendruck zu bestimmen. In einem weiteren Kalibrierungsverfahren wird dann durch eine Vielzahl von Messungen c(α) bestimmt, wozu bei unterschiedlichen Winkelstellungen des Sensors entsprechende Messungen durchgeführt werden.
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Nachdem in geeigneter Weise die einzelnen Faktoren im Kalibrierungsverfahren bestimmt werden, kann mathematisch die dynamische Gewichtslast über die Formel
bestimmt werden, wobei bei der dynamischen Messung folgendes gilt:
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Zur Bestimmung der dynamischen Last ist mithin die Kenntnis des Drehwinkels und der Temperatur nicht notwendig, wenn über die Kalibrierung für den jeweiligen Reifeninnendruck eine Fahrzeugrad-Kalibrierungs-Referenzkurve zur Verfügung steht.
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Die statische Gewichtslast an jedem Fahrzeugrad kann über folgende Formel bestimmt werden:
wobei e der sich bei einem bestimmten Winkel ergebende Messwert ist. Da für ganz bestimmte Drehwinkelstellungen c(α)=0 gilt, ergeben sich bei diesen Drehwinkelstellungen bei Vorhandensein nur eines Sensors Singularitäten/Definitionslücken, die mathematisch nicht aufgelöst werden können. Zwar könnte der Nutzer durch die Auswerteinrichtung darauf hingewiesen werden, dass das Fahrzeug in eine andere Position bewegt werden muss, da jedoch bei mehreren Fahrzeugrädern nicht ausgeschlossen werden kann, dass zu bestimmten Radstellungen wenigstens eines der Fahrzeugräder sich in einer entsprechenden Position befindet, ist gemäß der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass jedem Fahrzeugrad zwei Sensoren zugeordnet sind. Gemäß der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung sind die wenigstens 2 Messsensoren demselben Metallbandstreifen zugeordnet; vorzugsweise erstreckt sich dann der Metallbandstreifen in Umfangsrichtung über die Position der Messsensoren hinausragend, und insbesondere vorzugsweise um einen Streifenabschnitt von mehr als 20 mm über den äußersten Bereich der Messsensoren hinaus. Alternativ oder zusätzlich sollte sich der Metallbandstreifen auch quer zur Umfangsrichtung über die von den Messsensoren abgedeckte Fläche hinaus erstrecken, insbesondere damit der Einfluss des Randes des Metallbandstreifens weitestgehend eliminiert ist.
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Bei sämtlichen Ausgestaltungen kann der Metallbandstreifen aus Edelstahl, Leichtmetall, einer Metalllegierung oder rostfreiem Stahl bestehen. Der Metallbandstreifen sollte insbesondere im Teilabschnitt, in welchem auch die Messsensoren angeordnet sind, eine Dicke zwischen 0,03 mm und 0,25 mm, insbesondere eine konstante Dicke zwischen 0,05 mm und 0,2 mm aufweisen. Der Metallbandstreifen sollte im Teilabschnitt ferner eine Breite von mehr als 15 mm aufweisen.
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Die Verbindung zwischen Metallbandstreifen und Oberfläche des Felgenabschnitts erfolgt vorzugsweise durch eine Klebeverbindung mittels eines Klebstoffs, der ein Elastizitätsmodul von mindestens 50 MPa, vorzugsweise von mehr als 200 MPa, besonders vorzugweise von mehr als 450 MPa aufweist, Die Klebstoffdicke im Bereich der Klebeverbindung ist vorzugsweise geringer ist als 0,25 mm, und besonders vorzugsweise geringer ist als 0,125 mm.
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Der Klebstoff ist vorzugsweise ausgewählt aus einem Klebstoff auf der Basis von Acryl, Cyanacrylat oder Silikon. Der Klebstoff kann insbesondere beidseitig auf der Unterseite des Metallbandstreifens und auf der Außenseite des Felgenabschnitts aufgetragen sein. Die Dicke des Klebstoffs kann näherungsweise gleich oder größer sein als die Dicke des Metallbandstreifens im Teilabschnitt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Überwachungseinrichtung für Fahrzeuge mit mehreren Fahrzeugrädern, wobei wenigstens ein Fahrzeugrad gemäß einer der erfindungsgemäßen Lösungsansätze ausgebildet ist und entsprechend mit einem Metallbandstreifen versehen ist, welchem eine Messeinrichtung mit Messsensor und mit dem Messsensor gekoppelten Transceiver zugeordnet ist, wobei eine fahrzeugseitige Auswerteinrichtung für die Messsignale der Messsensoren vorhanden ist. Erfindungsgemäß ist die Überwachungseinrichtung ausgelegt und ausgebildet, aus den Messsignalen der Messensoren sowohl die dynamische Last im Fahrbetrieb als auch die statische Last im Standzustand eines Fahrzeugs auf das zugehörige Fahrzeugrad ermitteln zu können, wobei für die Ermittlung der dynamischen Last mittels der Auswerteeinrichtung aus den am Felgenabschnitt ermittelten Messwerten die Messignalamplitude zwischen dem gemessenen maximalen Signalwert und dem gemessenen minimalen Signalwert bei einer Radumdrehung bestimmt und mit den Amplitudenwerten aus einer Fahrzeugrad-Kalibrierungs-Referenzkurve zur Ermittlung eines Abweichungsfaktors verglichen wird, und/wobei für die Ermittlung der statischen Last der Drehwinkel zwischen Sensorposition und Radaufstandsposition bestimmt und mittels der Auswerteeinrichtung der Messignalwert mit einem Referenzwert aus einer Fahrzeugrad-Kalibrierungs-Referenzkurve für denselben Drehwinkel verglichen wird, wobei mehrere Fahrzeugrad-Kalibrierungs-Referenzkurven für unterschiedliche Temperaturen und Reifeinnendrücke in der Auswerteeinrichtung gespeichert sind. Besonders vorteilhaft ist, dass die fortlaufend während der dynamischen Messung für das jeweilige Fahrzeug und die Gewichtslast ermittelten Messwerte herangezogen werden können, um den lastunabhängigen Faktor eo zu bestimmen, über den wiederum aufgrund der vorherigen Kalibrierung die Verschiebung der Kurve bei unterschiedlichen Temperaturen und Reifendrücken ermittelt wird, was für die statische Lastberechnung benötigt wird. Über den lastunabhängigen Faktor eo kann bei geeigneter vorheriger Kalibrierung die statische Last druckunabhängig und temperaturunabhängig aus den Signalwerten bestimmt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch gezeigten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
- 1 schematisch stark vereinfacht und nicht maßstabgetreu ein Fahrzeugrad in Draufsicht mit montierter Messeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sowie einem schematisch angedeuteten Reifendruckventil für ein Reifendruckkontrollsystem (RDKS);
- 2 in schematischer Draufsicht die Messeinrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 3 die Messeinrichtung nach 1 in einer schematischen Detail-Schnittansicht durch Felgenabschnitt und Messeinrichtung;
- 4 eine Messeinrichtung ähnlich zu 1 und 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 5 eine Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivische Ansicht im Montagezustand an einem Felgenabschnitt;
- 6 die Messeinrichtung aus 5 bei abgenommenem Gehäuse;
- 7 die Messeinrichtung aus 6 schematisch vereinfacht in Draufsicht;
- 8 schematisch stark vereinfacht anhand eines Schaubildes die Relation zwischen Drehwinkel und Radaufstandsfläche; und
- 9 beispielhaft anhand eines Schaubildes schematisch stark vereinfacht die sich bei mehreren gemessenen Radumdrehungen periodischen Messsignalwerte, aufgesplittet in unterschiedliche Anteile.
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In 1 ist insgesamt mit Bezugszeichen 1 ein Fahrzeugrad bezeichnet, welches in an sich bekannter Weise einen Schüsselabschnitt 2 und einen Felgenabschnitt 3 aufweist. Das Fahrzeugrad kann einteilig beispielsweise aus einem Gussteil aus Leichtmetall bestehen, oder der Schüsselabschnitt 2 und der Felgenabschnitt 3 werden separat hergestellt und dann zu einem zusammengesetzten Fahrzeugrad vorzugsweise durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden. Der Schüsselabschnitt 2 dient funktional der drehfesten Befestigung des Fahrzeugrades 1 an der Nabe eines Fahrzeugs (nicht dargestellt); der Felgenabschnitt 3 dient funktional der Abstützung eines aus Kunststoff bestehenden und mit einem vom Fahrzeughersteller mit einem empfohlenen Innendruck aufgepumpten Reifen (nicht dargestellt), wobei nur der Reifen Kontakt zum Boden hat. Zur Abstützung und Montage des Reifens weist der Felgenabschnitt 3 in an sich bekannter Weise zwei Felgenhörner 4, zwei Felgenschultern 5 sowie ein hier mehrstufiges Felgen-Tiefbett 6 auf. Die Felgenschultern dienen zur radialen Abstützung des Reifens, die Felgenhörner zur axialen Abstützung des Reifens. Der hier nur partiell zu sehende Schüsselabschnitt 3 ist zur Montage des Fahrzeugrades 1 an der Nabe an einer Nabenanschlussfläche mit Bolzenlöchern und ferner zur Kühlung von Bremsen in einem Übergangsabschnitt mit Lüftungslöchern (nicht gezeigt) versehen. Fahrzeugräder können unterschiedlichste Geometrien und Designs aufweisen, weswegen das dargestellt Fahrzeugrad nur symbolischen Charakter hat, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist ferner ein Reifendruckventil 8 eines weiter nicht dargestellten Reifendruck-Kontrollsystems (RDKS) schematisch angedeutet. Das Reifendruckventil 8 ist zumindest mit einer Innendrucksensor, einer Energiequelle zur Energieversorgung und einem Transceiver zur Übertragung der Messsignale des Innendrucksensors an eine fahrzeugseitige Kontrolleinrichtung für den Reifendruck versehen, um dem Fahrzeugführer für jeden Reifen den aktuellen Reifen-Innendruck anzuzeigen, wie dies mittlerweile für Neufahrzeuge vorgeschrieben ist. Ein Fahrzeugrad mit beliebigem Aufbau und ausgestattet mit einem Reifendruckventil für ein Reifendruckkontrollsystem ist dem Fachmann bekannt, weswegen hier keine weitere Beschreibung erfolgt.
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Erfindungswesentlich ist eine an der radialen Außenseite des Felgenabschnitts 3 des Fahrzeugrades zusätzlich angeordnete Messeinrichtung 10. In 1 ist die Messeinrichtung 10 an einem Übergangsabschnitt des Felgentiefbetts 6 zwischen dem Tiefbettboden 7 und einer der Felgenschultern 5 angeordnet. Die Messeinrichtung 10 besteht aus einem Metallbandstreifen 11, der über eine Klebeverbindung am Außenumfang des Felgenabschnitts 3 angeklebt ist. Der Metallbandstreifen 11 wiederum ist, wie 2 und 3 gut erkennen lassen, hier mittig seiner Längs- und Querausdehnung mit einem Messsensor 12 versehen, welcher, wie die schematische Darstellung in 2 näherungsweise erkennen lässt, hier mit insgesamt vier Dehnungsmessstreifen 13, 14 bestückt ist. Die beiden Dehnungsmessstreifen 13 sind in Umfangsrichtung orientiert, also in Drehrichtung eines sich um eine Radachse drehenden Fahrzeugrades, die beiden Dehnungsmessstreifen 14 sind quer zur Umfangsrichtung orientiert. Die einzelnen Dehnungsmessstreifen 13,14 sind nach Art einer Wheatstone'schen Messbrücke geschaltet, um Verformungen des Metallbandstreifens als Sensor-Messsignal zur Verfügung zu stellen. Der Messsensor 12 misst die Verformungen des Metallbandstreifens 11, wobei die Verformungen des Metallbandstreifens 11 den Verformungen des Fahrzeugrades 1 im Bereich des Felgenabschnitts 3 entsprechen. Grad und Richtung der Verformungen hängen von der Gewichtskraft des Fahrzeugs mit der jeweiligen Beladung sowie bei einem sich bewegenden Fahrzeug auch von den dynamischen Belastungen ab. Hinzu kommt der Einfluss durch den montierten Reifen sowie der Einfluss durch Innendruck des Reifens und Temperatur.
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Wie 1 bis 3 gut erkennen lassen, hat der Metallbandstreifen 11 eine deutlich größere Länge und auch eine um einiges größere Breite als die Abmessungen des Messsensors 11. Der gesamte Metallbandstreifen inklusive Messsensor 12 wird bei der Messeinrichtung 12 umlaufenden von einer Kunststoffabdeckung 15 abgedeckt. Die gesamte Unterseite 17 des Metallbandstreifens 11 und die diesen überragende Unterseite 19 der Kunststoffabdeckung werden mittels einer in 3 schematisch angedeutete Kleberschicht 16 an der Oberfläche des Felgenteils 3 fixiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dicke DK der Klebeschicht 16 etwas geringer als die Dicke Ds des Metallbandstreifens 11. Dies dient hier nur zur Veranschaulichung; in der Beschreibungsanleitung und den Ansprüchen sind unterschiedliche Dickenverhältnisse angesprochen, genauso wie unterschiedliche Materialien und Materialeigenschaften für den Metallbandstreifen sowie den Kleber für die Klebeverbindung. Im Montagezustand liegt der auf der Deckseite 18 des Metallbandstreifens 11 befestigte Messsensor 12 vollständig geschützt zwischen Kunststoffabdeckung 15 und dem Metallbandstreifen 11. Aufgrund der Position der Messeinrichtung 10 innerhalb des Reifens auf der Außenseite des Felgenabschnitt 3 liegt diese Messeinrichtung 10 außerdem weitestgehend geschützt gegenüber äußeren Einflüssen. Durch die Anordnung der Messeinrichtung nahe des Reifendruckventils 8 der Reifendruck-Kontrolleinrichtung können die Energiequelle und der Transceiver des Reifendruckventils zur Energieversorgung des Messsensors 12 der Messeinrichtung 10 und auch zur drahtlosen Übertragung der Messsignale des Messsensors 12 an eine fahrzeugseitige Auswerte-Einrichtung einer fahrzeugseitigen Überwachungseinrichtung (nicht dargestellt) genutzt werden. In den 2 und 3 hat der Metallbandstreifen 11 entlang seiner gesamten Länge in Umfangsrichtung eine konstante Dicke Ds zwischen Deckseite 18 und Unterseite 17. Es kann allerdings ausreichen, wenn die konstante Dicke nur in dem Bereich besteht, in welchen der oder die Messsensoren angeordnet sind.
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4 zeigt eine geringfügige Modifizierung der Messeinrichtung nach 2. Der Haupt-Unterschied besteht darin, dass die Messeinrichtung 110 nach 4 mit zwei Messsensoren 112A, 112B versehen ist, die in Umfangsrichtung zueinander versetzt auf dem Metallbandstreifen 111 der Messeinrichtung 110 angeordnet sind. Auch hier wird der gesamte Metallbandstreifen 11 nebst der beiden Messsensoren 112A, 112B von einer Kunststoffabdeckung 115 umlaufend überdeckt, und die Befestigung am Fahrzeugrad erfolgt mittels einer Klebeverbindung jeweils an der Unterseite der Kunststoffabdeckung 115 und der Unterseite des Metallbandstreifens 111, wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel. Da die Messeinrichtung 110 mit zwei umfangsversetzt zueinander angeordneten Messsensoren 112A, 112B versehen ist, kann der Abstand der beiden Messsensoren 112A, 112B zueinander derart gewählt werden, dass im Montagezustand der Winkelabstand zwischen den beiden Messsensoren 112A, 112B wenigstens 20° in Umfangsrichtung beträgt, vorzugsweise sogar mindestens 22,5. Die Gesamtlänge des Metallbandstreifens 111 innerhalb der Messeinrichtung 110 muss eine entsprechend ausreichende Länge aufweisen.
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Die 5 bis 7 zeigen noch ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel. Ähnlich wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel erfolgt auch hier die Messung indirekt über einen Metallbandstreifen 211, der an der Außenseite eines Felgenabschnitts 203 eines Fahrzeugrades mittels einer weiter nicht dargestellten Klebeverbindung befestigt ist und insofern die Verformungen des Felgenabschnitts vollständig erfährt und weitergibt. An dem Metallbandstreifen 211 ist eine mit einem Gehäuse 218 versehene Messeinrichtung 210 befestigt, und zwar, wie die 6 gut erkennen lässt, an zwei in Umfangsrichtung voneinander beanstandeten Ankermuttern 219. Die Messeinrichtung 210 weist hier eine Biegestrebe 220 auf, deren beiden Enden jeweils umfangsversetzt voneinander beanstandet an den Ankermuttern 219 mittels lösbare Befestigungsschrauben 221 festgelegt sind. Die Dehnungsmessstreifen (nicht dargestellt) wiederum sind an der Biegestrebe 220 befestigt. Innerhalb des Gehäuses 218 können zusätzlich noch eine Energieversorgung und ein Transceiver angeordnet werden, sodass der Messsensor 210 gegebenenfalls durch einen anderen Messsensor ersetzt werden kann. Die Ankermuttern können aus demselben Material wie der Metallbandstreifen 211 bestehen und an diesem angeschweißt oder angelötet werden, sie können aber auch auf andere Weise, z. B. mittels einer Klebeverbindung, am Metallbandstreifen 211 befestigt sein. Zwischen den beiden Ankermuttern 219 kann der Metallbandstreifen 211 mit einer oder wie hier mehreren Aussparungen 222 versehen sein, wobei die Aussparungen 222 vorzugsweise symmetrisch zu und zwischen den beiden Ankermuttern 219 positioniert sind.
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Auch hier erstreckt sich der Metallbandstreifen 211 über die Ankermuttern 219 in Umfangsrichtung hinaus. Die Ankermuttern 219 sind in einem Bereich des Metallbandstreifens 211 angeordnet, der eine erste größere Breite B1 quer zur Umfangsrichtung aufweist. An den Teilabschnitt 211A des Metallbandstreifens 211, in welchem die Ankermuttern 219 und die Aussparungen 222 angeordnet sind, schließt sich ein schmalbandiger Teilabschnitt 211B an, dessen Breite B2 vorzugsweise gleich 50 % oder weniger als 50 % der Breite B1 im Teilabschnitt 211A ausmacht. Der Teilabschnitt 211B kann sich über den verbleibenden Umfang des Felgenteils 203 (5) erstrecken, sodass mithin der Metallbandstreifen 211 insgesamt rundumlaufend angeordnet ist.
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8 dient als Schaubild zur Verdeutlichung des Drehwinkels α zwischen der Position der Radaufstandsfläche A, an welcher die gesamte Radlast L am Boden abgestützt wird, und der eigentlichen aktuellen Position P der Sensoreinrichtung eines mit einem Fahrzeugrad sich mitdrehenden Messsensors einer Messeinrichtung. An jeder Position bzw. bei jedem Drehwinkel α der Position P eines Messsensors relativ zur Aufstandsfläche A kann mit den Dehnungsmessstreifen eine Verformung des Felgenabschnitts gemessen und als Messsignal an eine Auswerteeinrichtung zurückgeliefert werden. Das Messsignal nimmt hierbei in Abhängigkeit vom Winkel α (bzw. bei einem sich bewegenden Fahrzeug über die Zeit t) einen periodischen Verlauf, wie in 9 angedeutet. 9 verdeutlicht noch einmal die weiter oben erläuterten Abhängigkeiten zwischen dem lastabhängigen Anteil g(P)*L*c(α) und dem nicht lastabhängigen Faktor e0, über welchen die Verschiebung der Kurve bei unterschiedlichen Temperaturen und Reifendrücken nach vorheriger Kalibrierung bestimmt werden kann. Auf die in der Beschreibungseinleitung dargelegten Formeln wird ergänzend verwiesen.
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Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017048762 A1 [0003]
- WO 2021048761 A1 [0004]
- US 20210023893 [0005]