DE4019501A1

DE4019501A1 - Verfahren und vorrichtung zur schwingungsueberwachung der radsysteme von kraftfahrzeugen waehrend des fahrbetriebs

Info

Publication number: DE4019501A1
Application number: DE19904019501
Authority: DE
Inventors: F Heinrich Dr Ing Lehn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-30
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1991-04-11
Also published as: JPH03123826A; EP0421065A2; EP0421065A3

Description

Bei Fahrwerken von Kraftfahrzeugen kann die Straßen haftung der Fahrzeugräder durch Räderschwingungen gemin dert werden, was empfindliche Beeinträchtigungen des Fahrkomforts und der Sicherheit nach sich zieht. Derartige Räderschwingungen können durch den Straßenzustand fremd erregt oder infolge Reifenungleichförmigkeit und Reifen unwucht (Eigenerregungen) verursacht sein, die bei be stimmten Geschwindigkeiten zu Resonanzerscheinungen und verminderter Bodenhaftung führen können.

Neben der Auslegung des Fahrwerks bestimmen die Reifen ungleichförmigkeit, der Wuchtzustand der umlaufenden Fahrzeugräder, der Reifenluftdruck und der Zustand der Stoß dämpfer das Fahrverhalten wesentlich. Veränderungen des Zustandes der Stoßdämpfer, des Reifenluftdrucks und der Reifengeometrie führen zu einer den Fahrkomfort und auch die Fahrsicherheit beeinträchtigenden Änderung des Fahrverhaltens. Insbesondere aber beeinträchtigen Änderungen des Wuchtzustandes der Fahrzeugräder die Straßenhaftung und damit die Fahrsicherheit. Eklatant werden derartige Beeinträchtigungen, wenn mehrere ab normale Zustände zusammentreffen, wie etwa eine unzu lässig große Unwucht eines Rades und eine Funktions störung des diesem Rad zugeordneten Stoßdämpfers.

Die Räder von Kraftfahrzeugen werden im allgemeinen auf stationären Wuchtmaschinen ausgewuchtet, müssen aber wegen des Verschleißes der Reifen im Fahrbetrieb und nach jedem Reifenwechsel von Zeit zu Zeit nachge wuchtet werden. In der Regel geschieht auch dies auf stationären Auswuchtmaschinen.

Da die Radsysteme von Kraftfahrzeugen aus mehreren je weils einzeln ausgewuchteten Teilen aufgebaut sind und sich aus den Toleranzen der Einzel-Restunwuchten unzu lässig hohe System-Restunwuchten ergeben können, kommt auch das Finish-Balance-Verfahren zur Anwendung, bei dem die Fahrzeugräder im montierten Zustand in einer Ebene ausgewuchtet werden.

Bei diesem Verfahren, das bei der Fahrt auftretende fahrwerksbedingte Nichtlinearitäten nicht erfassen kann, muß im unterkritischen Bereich gewuchtet werden und die Dämpfung darf sich während des Wuchtvorganges nicht drehzahlabhängig verändern.

Das Wuchten im unterkritischen Bereich ist in aller Regel möglich, weil alle rotierenden Systemteile beim Herstellungsprozeß vorgewuchtet sind. Die Forderung hingegen, daß sich die Dämpfung mit der Raddrehzahl nicht ändern darf, ist insbesondere bei modernen Fahr werken nicht erfüllt, weil derartige Fahrwerke in aller Regel so ausgelegt sind, daß eine drehzahlabhängige Änderung der Dämpfung eintritt.

Angesichts der gewollt drehzahlabhängigen Dämpfungs änderungen können bei modernen Fahrwerken mit dem ge wöhnlichen Finish-Balance-Verfahren keine zuverlässi gen Meßwerte ermittelt werden. Die mit diesem Verfahren ermittelten Positionsangaben festgestellter Unwuchten können mit erheblichen Winkelfehlern behaftet sein und es können auch zwei Lösungen auftreten. Der zutreffende Wert ist in solchen Fällen nur empirisch zu ermitteln.

Das gewöhnliche Finish-Balance-Verfahren erweist sich mithin bei modernen Fahrwerken als nur bedingt brauch bar. Dieses Verfahren ist aber auch insofern unzuläng lich, als es nicht in der Lage ist, die fahrzeugtypische Schwingungscharakteristik des auszuwuchtenden Mehrmassen- Radsystems zu erfassen, also laufend Meßwerte mit Norm werten zu vergleichen.

Als Folge von Restunwuchten bei Fahrzeugrädern treten umlaufende Unwuchtvektoren auf, die eine Minderung der Straßenhaftung bewirken sowie zu Vibrationen im Fahr zeug und zu erhöhtem Reifenverschleiß führen. Unzulässig große Restunwuchten können beispielsweise durch den Verlust eines Unwuchtgewichtes oder auch durch partiell übermäßigen Abtrag von Belagmaterial an den Reifen ein treten, aber auch montagebedingt sein und mithin durchaus bei Neufahrzeugen vorkommen. Angesichts der nur beding ten Zuverlässigkeit der bei Anwendung des Finish-Balance- Verfahrens zu ermittelnden Meßwerte ist zu erwarten, daß derartige Restunwuchten nur im Fahrbetrieb beim Auftreten von Vibrationen feststellbar sind.

Eine weitere Ursache abnormaler Schwingungserscheinungen kann an einem einwandfrei ausgewuchteten Fahrzeugrad die Reifenungleichförmigkeit sein. Diese kann in Abwei chungen der geometrischen Form oder Ungleichförmigkeiten des inneren Aufbaus, das heißt, Abweichungen der Feder konstanten, begründet sein.

Die Möglichkeiten der Messung von Reifenungleichförmig keiten beschränken sich bislang auf stationäre Verfahren. Kraftfahrzeug-Werkstätten gelingt es nur in Ausnahme fällen, bei abnormalen Schwingungserscheinungen als Ursache die Reifenungleichförmigkeit von der Radunwucht zu unterscheiden.

Es ist bekannt, daß jeder Fahrzeugreifen Leckagen aufweist, und zwar an der Grenzstelle zwischen Felgenhorn und Reifen, am Ventil und durch die Reifenwandung. In Studien wurde nachgewiesen, daß etwa dreiviertel aller Kraft fahrzeuge mit zu geringem Reifen-Luftdruck fahren.

Daraus folgt, insbesondere bei höherem Beladungszustand, daß die Straßenlage sich zunehmend verschlechtert und der Reifen infolge stärkerer Walkarbeit und Erwärmung während der Fahrt zerstört werden kann. Die Veränderung des Reifen Luftdrucks führt immer zu einer Veränderung der Reifen federkonstanten und zu abnormalen Schwingungserscheinungen.

Das Nachlassen der Stoßdämpfer-Funktion kann auf geeignetem Werkstatt-Prüfständern kontrolliert werden. Dem Fahrer macht sich eine Abweichung vom Normalzustand nicht ohne weiteres bemerkbar. Ein defekter Stoßdämpfer führt jedoch immer zu ab normalem Schwingungsverhalten des betreffenden Rades und damit zu einer Verminderung der Bodenhaftung sowie zu einer Einschrän kung der Fahrzeugsicherheit.

Diesem gleichermaßen für die Hersteller und Halter von Kraft fahrzeugen unbefriedigenden Zustand soll durch die Erfindung abgeholfen werden.

Gelöst ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Verfahrens - und einer der Verfahrensdurchführung dienenden Vorrichtung - zur Schwingungsüberwachung der Radsysteme von Kraftfahrzeugen während des Fahrbetriebs, bei dem aufeinanderfolgend die nach stehend angegebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden:

- Die in einer Parallelebene zur Fahrbahn (X-Richtung) und etwa senkrecht dazu (Y-Richtung) auftretenden Beschleuni gungen werden für jedes Fahrzeugrad gesondert ermittelt,
- die in X- und Y-Richtung während einer vorbestimmten Zeit dauer t (Meßphase) ermittelten Beschleunigungswerte der einzelnen Räder werden in Signale umgewandelt und mit Hilfe gleichzeitig bestimmter Geschwindigkeitssignale Beschleunigungsspektren gebildet,
- die unter den Beschleunigungsspektren der einzelnen Fahr zeugräder in X- und Y-Richtung gebildeten Flächen werden durch Vergleich miteinander ausgewertet und
- beim Auftreten signifikanter Abweichungen von vorge gebenen Normwerten an wenigstens einem Fahrzeugrad wird ein Signal zur Anzeige der Ursache für das er mittelte abnormale Schwingungsverhalten ausgelöst und zur Anzeige gebracht.

Damit ist ein alle relevanten Einflußgrößen erfassendes Verfahren zur Schwingungsüberwachung der Radsysteme von Kraftfahrzeugen während des Fahrbetriebs geschaffen.

Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß signi fikante Abweichungen des Schwingungsverhaltens zumindest eines Fahrzeugrades von einem vorgegebenen oder mit Hilfe eines selbstlernenden elektronischen Signal-Ver arbeitungssystem ermittelten Normzustand ein Indiz für eine oder mehrere mögliche Schwingungsursachen sind, die deshalb der Analyse bedürfen. Neben dem Straßenzustand kommen als Ursachen für Schwingungen Reifenungleichför migkeit und Reifenunwucht in Betracht, ferner defekte Stoßdämpfer und von der Norm abweichender Reifenluftdruck.

Zwar ist die Überprüfung der Stoßdämpferfunktion durch Messung des Schwingungsverhaltens der Stoßdämpfer auf speziellen Prüfständen allgemein bekannt, nicht aber die laufende Stoßdämpferüberprüfung während des Fahrbetriebs. Auch der Reifenluftdruck kann im allgemeinen nur stationär gemessen und korrigiert werden. Zwar ist auch die Messung des Reifenluftdrucks beim Fahrbetrieb mit Hilfe von Druck meßdosen in der Felge und einer berührungslosen (induk tiven) Signalübertragung ebenso schon bekannt wie die bei Sonderfahrzeugen gelegentlich angewendete direkte Luftdruck messung und Luftdruck-Korrektur über die Fahrzeugachse, aber diese Arten der Luftdruckmessung und Korrektur bei laufendem Fahrbetrieb sind äußerst aufwendig und für die Anwendung bei Serienfahrzeugen ungeeignet. Erst das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine laufende Erfassung all dieser Parameter während des Fahrbetriebs, einschließlich beispielsweise verschleißbedingt auf tretender Reifenungleichförmigkeiten.

Angesichts der Notwendigkeit, beim laufenden Fahrbetrieb das gesamte Einflußspektrum der Schwingungen an jedem Fahrzeugrad zu analysieren, wurde durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, das es gestattet, die einzelnen Ursachen zu unterscheiden und differenziert anzuzeigen. Die Diagnose der an einem Kraftfahrzeugrad auftretenden Schwingungen ist eine partielle und sektionale Analyse der einzelnen Schwingungsformen; d. h., partiell in be stimmten Frequenzbereichen und sektional bei bestimmten Fahrzeugzuständen und Fahrbedingungen. Dabei sind die Schwingungen, die aus einzelnen Ursachen hervorgerufen werden, von einander zu trennen und die Bereiche, in denen man Rückschlüsse auf abnormale, etwa verschleiß bedingte, Ursachen treffen will, zu definieren. Dies bedeutet, daß die Schwingungs-Diagnose nach einer be stimmten Strategie zu erfolgen hat.

Naturgemäß setzt dies die Kenntnis des Normzustandes voraus. Dieser kann entweder im einzelnen ermittelt und in elektronischen Speichermedien abgespeichert werden, oder der Normzustand wird nach objektiven, oder auch subjektiven, Kriterien als selbstlernendes System vom Fahrzeug in seinem Anfangszustand vorgegeben und ab gespeichert. Als Ausgangszustand könnte z. B. der fabrik neue Zustand gelten.

Bei der Analyse der Radschwingungen hat man davon aus zugehen, daß der Reifen eines ausgewuchteten Fahrzeug rades aufgrund seiner Ungleichförmigkeit Schwingungen erzeugt. Eine Abweichung der davon entstehenden Schwin gungsspektren beispielsweise in Y-Richtung (Radlast) von vorgegebenen Normspektren läßt auf eine möglicherweise unzulässige Reifenungleichförmigkeit schließen. Die durch Reifenungleichförmigkeit verursachten Schwingungen treten im wesentlichen in Y-Richtung auf und sind damit von Unwuchtschwingungen zu unterscheiden, die in X-Richtung und in Y-Richtung auftreten.

Unwuchten der Fahrzeugräder sind als Überhöhung in den Spektren der horizontalen und vertikalen Beschleunigung zu erkennen, das heißt Amplituden-Spitzen, die mit der Raddrehfrequenz auftreten, und zwar umso besser je schneller das Fahrzeug fährt.

Ein Nachlassen der Dämpferfunktion führt immer zu mehr Vibrationen. Diese Erscheinung ist daran zu erkennen, daß die Fläche unter der jeweiligen Spektrallinie umso größer ist, je mehr die Dämpferfunktion nachläßt.

Ein Nachlassen des Reifen-Luftdrucks hingegen führt immer zu weniger Vibrationen. Je geringer der Reifen- Luftdruck wird, umso kleiner ist die Fläche unter der jeweiligen Spektrum-Linie.

Der Einfluß einer schlechten Fahrbahn ist immer in Form stark überhöhter Vibrationen an allen Fahrzeugrädern zu erkennen. Allein daraus läßt sich folgern, daß eine Vibrationsdiagnose der einzelnen Räder bei schlechter Straße nicht sinnvoll ist.

Für die Strategie der Vibrationsdiagnose der Kraftfahr zeugräder kann die Bedeutung der einzelnen Parameter in bezug auf die Meßgrößen in X-Richtung (Umfangskraft) und Y-Richtung (Radlast) anhand einer Einflußmatrix wie folgt dargestellt werden:

Der Einfluß positiver oder negativer Rad-Winkelbeschleu nigungen führt zu Verfälschungen der Diagnose-Ergebnisse. Dieser Fahrzustand ist daher für die Gewinnung aussage fähiger Meßergebnisse ebenso ungeeignet wie die Fahrt auf schlechten Fahrbahnen.

Demgemäß sieht eine Weiterbildung der Erfindung ein Verfahren vor, bei dem zeitgleich mit der Ermittlung der Beschleunigungswerte der einzelnen Fahrzeugräder in X- und Y-Richtung das Auftreten von Winkelbeschleu nigungen während der jeweiligen Meßphase überprüft wird und nur dann die den in X- und Y-Richtung ermittelten Beschleunigungswerten entsprechenden Signale zur Bildung von Beschleunigungsspektren, welche die Umfangskraft und Radlast des jeweiligen Fahrzeugrades charakterisieren, herangezogen werden, wenn etwaig ermittelte Winkelbe schleunigungen unter einer vorgesehenen Toleranzgrenze liegen.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß die in X- und Y-Richtung ermittelten Beschleunigungswerte der einzelnen Fahrzeugräder miteinander verglichen und die diesen Beschleunigungswerten entsprechenden Signale zur Bildung von Beschleunigungsspektren, die Umfangskraft und Radlast eines jeden Fahrzeugrades charakterisieren, herangezogen sowie einer Auswertung unterworfen werden, wenn die Beschleunigungswerte wenigstens eines Fahrzeugrades sich von den Beschleunigungswerten der anderen Fahrzeug räder signifikant unterscheiden.

Gleichfalls nach einer sinnvollen Verfahrensausgestal tung werden im Falle des Auftretens von Winkelbeschleu nigungen während der jeweiligen Meßphase und/oder dem Fehlen signifikanter Unterschiede zwischen den Beschleu nigungswerten der Fahrzeugräder die ermittelten Beschleu nigungswerte für jedes Fahrzeugrad gesondert in einem Langzeitspeicher abgespeichert. Diese Daten können für eine Langzeitstatistik und damit zur Beurteilung des Schwingungsverhaltens der Fahrzeugräder herangezogen werden, um zu einer quantitativen Beurteilung über Störungsursachen zu gelangen.

Unter Berücksichtigung dieser Ausgestaltungen ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und Analyse der in den einzelnen Radsystemen auftretenden Schwingun gen sowie zur Anzeige der Schwingungsursachen nach fol gendem Schema durchzuführen:

- Messung der in X- und Y-Richtung auftretenden Beschleu nigungen an allen Fahrzeugrädern,
- Abfrage: treten während der Meßdauer Winkelbeschleu nigungen - oberhalb eines bestimmten Toleranzbereiches zum Beispiel beim Beschleunigen oder Abbremsen auf, wenn nein - weitere Auswertung, wenn ja - neue Messung,
- Abfrage: sind die Vibrationen an allen Rädern - inner halb eines vorgegebenen Toleranzbereichs zum Beispiel bei einer schlechten Straße - gleich stark?
- wenn nein - weitere Auswertung,
- wenn ja - neue Messung,
- Umwandlung der Beschleunigungswerte (X-/Y-Richtung) und Bildung von Flächen unter den Beschleunigungs spektren mit Hilfe gleichzeitig bestimmter Geschwin digkeitssignale,
- Auswertung der Flächen unter den Beschleunigungsspek tren in X- und Y-Richtung sowie Vergleich der Flächen untereinander,
- Überprüfung der einzelnen Räder nach Unwuchten mit Hilfe der Beschleunigungskomponenten in X- und Y-Rich tung,
- Einspeichern der laufend ermittelten Meßdaten in einen Langzeitspeicher zur nachfolgenden Auswertung,
- Überprüfen des Langzeitspeichers auf Eigenfrequenz werte,
- Auswertung der Meßdaten und im Falle abnormalen Schwin gungsverhaltens eines Fahrzeugrades Auslösen eines Anzeigesignals für dieses Fahrzeugrad,
- Anzeige der Ursache für das abnormale Schwingungs verhalten (Unwucht, Stoßdämpfer, Reifenluftdruck, Reifenungleichförmigkeit).

Die aus Abweichungen vom Normalzustand, wie Unwuchten, Randungleichförmigkeiten, defekten Stoßdämpfern oder falschem Luftdruck, resultierenden Schwingungen sind mittels des vorstehend erläuterten Verfahrens gut erfaßbar. Problematisch hingegen ist die präzise Erkennung der Schwingungen, die auf der gegenseitigen Beeinflussung der (rechts/links) benachbarten Räder beruhen und aus etwaigen Taumelbewegungen der Räder entstehen. Insoweit schafft eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver fahrens dergestalt Abhilfe, daß neben den im Fahrbetrieb in einer zur Fahrbahn parallelen Ebene in Fahrtrichtung (X-Richtung) und etwa rechtwinklig dazu vertikal (Y-Rich tung) auftretenden Beschleunigungen auch die Beschleu nigungen in einer Parallelebene zur Fahrbahn quer zur Fahrtrichtung (Z-Richtung) für jedes Fahrzeugrad gesondert ermittelt, die insoweit während einer vorbestimmten Zeitdauer ermittelten Beschleunigungswerte der einzelnen Fahrzeugräder in Signale umgewandelt und mit Hilfe gleich zeitig bestimmter Geschwindigkeitssignale Beschleuni gungsspektren gebildet sowie die unter den Beschleuni gungsspektren der einzelnen Fahrzeugräder in X-, Y- und Z-Richtung gebildeten Flächen durch Vergleich miteinan der ausgewertet und daß beim Auftreten signifikanter Abweichungen an wenigstens einem Fahrzeugrad ein Signal zur Anzeige der Ursache für das ermittelte abnormale Schwingungsverhalten ausgelöst und zur Anzeige gebracht wird.

Gemäß einer Weiterbildung dieser Verfahrensausgestal tung erfolgt zweckmäßigerweise die Auswertung der in den einzelnen Rädern in X-, Y- und Z-Richtung er mittelten Beschleunigungsspektren durch Vergleich der von diesen Spektren gebildeten Flächen mittels einer Suchmatrix

wobei q_ik = A_i/A_k die Quotienten der Flächen A_i, A_k der an den Rädern i, k in jeweils einer Richtung ermittelten Beschleunigungsspektren bedeuten und ein durch Verkleinerung der Fläche A_i eines Rades i im Verhältnis zur entsprechenden Fläche eines Rades k angezeigte Abfall der Schwingungsstärke des erst genannten Rades zu Quotienten q_ik = A_i/A_k < 1 und q_ki = A_k/A_i < 1 und damit zu einer Aussage über die Ursache über den Abfall der Schwingungsstärke am Rad im Verhältnis zum Rad k führt.

Durch die genannte Quotientenbildung gelingt somit eine qualitative Aussage über die Ursache für an dem einen oder anderen Fahrzeugrad auftretende Änderung der durch die Flächen der jeweiligen Schwingungsspek tren repräsentierten Schwingungsstärke. Dabei kann die Auswertung der an den einzelnen Rädern in X-, Y- und Z-Richtung ermittelten Beschleunigungsspektren auch durch Vergleich signifikanter Teilflächen der Spektren mittels einer aus Quotienten dieser Teil flächen gebildeten Suchmatrix erfolgen und selbst verständlich ist dieses Suchverfahren auch für andere Kriterien anwendbar, wie z. B. die Häufigkeitsanalyse zur Erkennung von Unwuchten.

Es ist somit daraus, welche Spalten oder Zeilen der Suchmatrix < oder < 1 sind, zu erkennen, welches Schwingungs signal vom Normalzustand abweicht.

Eine für die Durchführung des zuerst erläuterten Verfahrens geeignete und bestimmte Vorrichtung ist dadurch gekenn zeichnet, daß im Bereich der Lagerung und/oder Aufhängung eines jeden Fahrzeugrades je ein Sensor für die Aufnahme auf tretender Beschleunigungen in horizontaler (X) und vertikaler (Y) Richtung angeordnet sind, daß ein Signalgeber zur Bestim mung der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung an zumindest einem Fahrzeugrad vorhanden ist und daß zum Ver arbeiten und gegebenenfalls Speichern der von den Sensoren kommenden und über geeignete Leitungsverbindungen zugeführten Signale, und zwar getrennt nach Radsystemen und in X- und Y-Richtung auftretenden Beschleunigungen, ein Prozessor vor gesehen und diesem Prozessor eine Anzeigeeinrichtung mit einer Anzeige für jedes Radsystem und je eine Fehleranzeige für jede überwachte Funktion nachgeschaltet ist.

Für die Verwirklichung des zuletzt genannten Verfahrens bedarf es hingegen einer Weiterbildung der Vorrichtung dergestalt, daß im Bereich der Lagerung und/oder Rad aufhängung eines jeden Fahrzeugrades neben je einem Sensor für die Aufnahme auftretender Beschleunigungen in Fahrtrichtung (X-Richtung) und vertikal dazu (Y-Rich tung) ein Beschleunigungen in einer Parallelebene zur Fahrbahn und quer zur Fahrtrichtung (Z-Richtung erfassen der Sensor angeordnet und ein Prozessor zum Verarbeiten der Signale getrennt nach Radsystem und in X-, Y- und Z-Richtung auftretenden Beschleunigungen vorgesehen und diesem Prozessor eine Anzeigeeinrichtung mit einer Anzeige für jedes Radsystem und je eine Fehleranzeige für jede überwachte Funktion nachgeschaltet ist.

Eine so ausgebildete Vorrichtung ermöglicht es, während des Fahrbetriebs das Schwingungsverhalten der Radsysteme sowie die Funktion und den Zustand der für dieses Schwin gungsverhalten maßgeblichen Systemkomponenten laufend zu überwachen und etwaige Abweichungen von vorgegebenen Normzuständen an einem oder mehreren Radsystemen für dieses bzw. diese zur Anzeige zu bringen sowie die für das abnormale Schwingungsverhalten maßgebliche Ursache anzuzeigen. Der Fahrer eines mit einer derartigen Vor richtung ausgerüsteten Fahrzeugs wird somit unverzüg lich nach dem Auftreten von Normabweichungen über letztere unterrichtet und vor sich anbahnenden Sicherheitsrisiken gewarnt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen sollen nachstehend eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Schwingungs überwachung der Radsysteme von Kraftfahrzeugen während des Fahrbetriebs und das damit durchführbare Verfahren erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht ein Kraftfahr zeug mit den einzelnen Fahrzeugrädern zugeordneten Sensoren zum Ermitteln horizontaler (in Fahrt richtung) und vertikaler Beschleunigungen sowie der Fahrzeuggeschwindigkeit im Fahrbetrieb,

Fig. 2 in einer Ansicht wie Fig. 1 ein Fahrzeug, bei dem den einzelnen Fahrzeugrädern zusätzlich Sensoren zum Ermitteln von Beschleunigungen in einer zur Fahrbahnebene parallelen Ebene und quer zur Fahrtrichtung zugeordnet, aber die Geschwindigkeitssignalgeber, der zentrale Mikropro zessor und die Mittel zur Signalanzeige weggelassen sind,

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeugrad mit angedeuteten Wirkungslinien und Wirkebenen als Haupt einflußzonen und letzteren zugeordneten Sensoren zum Erfassen der im Fahrbetrieb auftretenden Beschleunigun gen in Fahrtrichtung, vertikal und quer dazu,

Fig. 4 ein Fahrzeugrad mit den Radführungsmittel in einer perspektivischen Ansicht und mit an den Radführungs mitteln angeordneten Sensoren,

Fig. 5 ein Spektrum der bei verschiedenen Fahrgeschwindigkei ten in Abhängigkeit von der Frequenz an einem Fahr zeugrad auftretenden Umfangskräfte bei normaler Straße und normaler Reifenungleichförmigkeit,

Fig. 6 ein Spektrum der bei verschiedenen Fahrgeschwindigkei ten in Abhängigkeit von der Frequenz an einem Fahrzeug rad auftretenden Radlasten bei normaler Straße und normaler Reifenungleichförmigkeit,

Fig. 7 die Überhöhung des Spektrums der Schwingungen an dem Radlager eines Fahrzeugrades bei einer vorge gebenen Fahrgeschwindigkeit und unterschiedlichen Un wuchten in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 8 die Überhöhung des Spektrums der Schwingungen an einem Radlager eines Fahrzeugrades bei einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit und unterschiedlichen Beeinträchti gungen der Funktion des zugeordneten Stoßdämpfers in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 9 die Überhöhung des Spektrums der Schwingungen an einem Radlager eines Fahrzeugrades bei einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit und unterschiedlichem Reifen-Luft druck in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 10 ein Flußschaubild zur Verdeutlichung des Verfahrens zur laufenden Überwachung der an den Radsystemen eines Fahr zeugs auftretenden Schwingungen und zur Analyse der Schwingungsursachen bei normalem Schwingungsverhalten.

Bei dem in Fig. 1 schematisch angedeuteten Kraftfahrzeug ist an der Radlagerung eines jeden Fahrzeugrades 1, 2 und 3, 4 je ein Sensor 5 für die Ermittlung horizon taler und ein Sensor 6 für die Ermittlung vertikaler Be schleunigungen sowie ein Geschwindigkeitssignalgeber 7 ange ordnet. Die Sensoren 5, 6 und der Geschwindigkeitssignalgeber 7 stehen über Leitungen 8, 9 und 10, 11 mit einem zen tralen Prozessor 12 in Verbindung, der über die Leitungen 8, 9 und 10, 11 mit dem zentralen Prozessor 12 in Verbindung, der zur Sammlung und Auswertung der von den einzelnen Fahrzeug rädern 1, 2, 3, 4 kommenden Signale dient. Dem zentralen Pro zessor 12 sind ein Display 14 mit Leuchtdioden 15, 16 und 17, 18 für die einzelnen Fahrzeugräder und Anzeigen 20, 21, 22, 23 für Reifenluftdruck, Reifenungleichförmigkeit, Un wucht und Dämpfer nachgeschaltet.

Im übrigen ist in Fig. 1 ein räumliches Koordinatensystem mit den Koordinaten X, Y und Z eingezeichnet, dessen Ursprung im Rad lager des Fahrzeugrades 1 (links vorn) liegt. Die X-Achse des Koordinatensystems erstreckt sich horizontal in Fahrzeuglängs richtung und die Y-Achse vertikal, während die Z-Achse horizontal quer zur Fahrzeuglängserstreckung verläuft. Bezogen auf dieses Koordinatensystem wirken an den Fahrzeugrädern auftretende Um fangskräfte in X-Richtung, hingegen die Radlasten in Y-Richtung.

In Fig. 2 sind für gleiche Teile wie in Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet und ebenfalls die Koordinaten X, Y, Z eines räumlichen Koordinatensystems eingezeich net, dessen Ursprung wiederum im Radlager des Fahrzeug rades 1 (links vorn) liegt. Neben den Sensoren 5 für die Ermittlung der in Fahrtrichtung horizontal (X-Richtung) und den Sensoren 6 für die Ermittlung der in vertikaler Richtung (Y-Richtung) auftretenden Beschleunigungen ist jedem Radlager ein Sensor 25 zum Ermitteln der in einer Parallelebene zur Fahrbahn quer zur Fahrtrich tung (Z-Richtung) zugeordnet, und zwar in einer über den von den Radachsen aufgespannten Ebene, die durch die transformierte Koordinaten Z_1′, Z_2′ angedeutet ist. Mittels der diesen Koordinaten Z_1′, Z_2′ zugeordneten Sensoren 25 gelingt die Erfassung der aus der gegensei tigen Beeinflussung und/oder aus Taumelbewegungen der Räder resultierenden Schwingungen.

In Fig. 3 versinnbildlicht die mit X′ bezeichnete Wirk ebene die Fahrbahn. Das räumliche Koordinatensystem X, Y, Z hat seinen Ursprung im nur angedeuteten Radlager 30. Die Sensoren 5, 6 zum Erfassen der in Fahrtrichtung und vertikal dazu auftretenden Beschleunigungen sind den X- und Y- Koordinaten zugeordnet, hingegen der Sensor 25 zum Erfassen der aus gegenseitigen Beeinflussungen oder Taumelbewegungen der Fahrzeugräder herrührenden Schwingungen einer transformierten Koordinate Z′, die sich parallel über der vom Radlager und den Koordinaten X, Z aufgespannten Ebene erstreckt.

Fig. 4 veranschaulicht die Übertragung des aus Fig. 3 ersichtlichen Prinzips anhand eines zusammen mit der Radaufhängung schematisch veranschaulichten Fahrzeugrades, wobei das mit seinem Ursprung im Radlager 30 liegende räumliche Koordinatensystem mit den Koordinaten X, Y und Z und auch die gegenüber der Z-Koordinate transformierte Koordinate Z′ angedeutet sind. Die Sensoren 5, 6 für die Erfassung der in Fahrtrichtung und vertikal dazu auftretenden Beschleunigungen sind jeweils auf der X- bzw. Y-Koordinate liegend am Radlager 30 angebracht, hingegen der Sensor 25 zum Erfassen der quer zur Fahrtrichtung auftretenden Beschleunigungen an einem Radlenker 31 und in der durch die transformierte Koordinate Z′ bezeichne ten Parallelebene zur Fahrbahn. Die übrigen aus Fig. 4 er sichtlichen Radführungsmittel sowie der Stoßdämpfer und die Schraubenfeder interessieren hier nicht.

In Fig. 5 ist das Spektrum der bei verschiedenen Fahrgeschwin digkeiten bei normaler Straße und normaler Reifenungleichför migkeit in horizontaler Richtung auftretenden Schwingungen eines ausgewuchteten Rades über der Frequenz aufgetragen, und zwar für Fahrgeschwindigkeiten von 50 km/h bis 200 km/h jeweils in Stufen von 25 km/h steigend. Es ist ersichtlich, daß nur den Schwingungen erster bis dritter Ordnung für die in X-Richtung wirkenden Umfangskräfte Bedeutung zukommt. Ausgehend von kleinen Werten bei niedriger Fahrgeschwindigkeit steigen die Schwingun gen erster Ordnung mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit steil an. Demgegenüber weisen die Schwingungen zweiter Ordnung bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten sehr niedrige Anfangswerte und mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit auch einen im Vergleich zu den Schwingungen erster Ordnung nur mäßigen Anstieg auf. Den Schwingungen dritter Ordnung kommt nur bei hohen Fahrgeschwin digkeiten Bedeutung zu.

Analog zu Fig. 5 zeigt Fig. 6 das Spektrum der bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten in vertikaler Richtung auftretenden Schwin gungen eines ausgewuchteten Rades bei normaler Straße und nor maler Reifenungleichförmigkeit über der Frequenz, und zwar wiede rum für Fahrgeschwindigkeiten von 50 km/h bis 200 km/h jeweils in Stufen um 25 km/h ansteigend. Auch für die durch dieses Spektrum repräsentierten Radlasten sind nur die Schwingungen erster bis dritter Ordnung beachtlich. Im Gegensatz zu dem die Umfangskräfte repräsentierenden Spektrum erster Ordnung in Fig. 5 haben die Schwingungen erster Ordnung in Fig. 6 bei niedrigen Fahrgeschwin digkeiten bereits beachtliche Werte und nehmen mit steigender Fahrgeschwindigkeit zunächst ab, um dann bei sehr hohen Fahrge schwindigkeiten steil anzusteigen. Die Spektren zweiter und dritter Ordnung zeigen hingegen einen ähnlichen Verlauf wie die entsprechenden Spektren der Umfangskräfte.

Während die Fig. 5 und 6 Spektren der Umfangskräfte (X-Richtung) und der Radlasten (Y-Richtung) eines ausgewuchteten Fahrzeug rades bei normaler Straße und normaler Reifenungleichförmigkeit veranschaulichen, zeigt Fig. 7 den Einfluß zusätzlicher Un wuchten am Fahrzeugrad. Derartige Unwuchten sind als Überhöhung im Spektrum der vertikalen und horizontalen Beschleunigungen des Radlagers zu erkennen. Man sieht, daß die Überhöhung etwa pro portional mit der Zunahme der Unwucht ansteigt. Fig. 7 zeigt diese Überhöhungen für eine vorbestimmte Fahrgeschwindigkeit. Versuche haben erwartungsgemäß bestätigt, daß mit steigender Fahrgeschwindigkeit die unwuchtbedingten Überhöhungen stark an wachsen.

Fig. 8 veranschaulicht den Einfluß der Dämpferfunktion. Die Überhöhungen treten etwa im gleichen Frequenzbereich wie die un wuchtbedingten Überhöhungen ein und zeigen mit fortschreitender Abnahme der Dämpferfunktion einen beachtlichen Anstieg. Folglich ist die jeweilige Fläche unter der Spektrumlinie umso größer, je mehr die Dämpferfunktion nachläßt.

Die Abnahme des Reifenluftdrucks hingegen führt immer zu weniger Vibration und demgemäß wird die Fläche unter der Spektrumlinie umso kleiner, je geringer der Reifenluftdruck ist.

Fig. 9 zeigt, daß bei steigendem Reifenluftdruck und im übrigen unveränderten Fahrbedingungen die luftdruckabhängigen Überhöhun gen ansteigen.

Bei der Überprüfung des Schwingungsverhaltens der Radsysteme werden in Meßintervallen von beispielsweise fünf Sekunden die an den einzelnen Radsystemen auftretenden Beschleunigungen X′′ in horizontaler Richtung und Y′′ in vertikaler Richtung ermittelt. Wenn während der Meßphase Rad-Winkelbeschleunigungen infolge Änderung der Fahrgeschwindigkeit aufgetreten sind, die einen vorbestimmten Toleranzbereich überschreiten, werden die bei der Messung gewonnenen Daten in einem Langzeitspeicher zwecks Erstellung einer Langzeitstatistik abgespeichert und es er folgt eine erneute Messung der in X- und Y-Richtung an den Radsystemen auftretenden Beschleunigungen X′′, Y′′, die bei Abwesenheit von Rad- Winkelbeschleunigungen während der Meßphase dann einer Analyse zum Erkennen der Schwin gungsursachen unterworfen werden. Dabei erfolgt zunächst eine Beurteilung der einzelnen Fahrzeugräder und nachfol gend die Ermittlung der für abnormales Schwingungsverhalten eines Radsystems maßgeblichen Ursache. Die laufende Über wachung und Analyse des Schwingungsverhalten der Radsysteme veranschaulicht schematisch Fig. 10.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens werden mittels Beschleunigungssensoren an allen vier Fahrzeug rädern die in Y-Richtung und in X-Richtung auftretenden Beschleunigungen sowie die Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung an mindestens einem Fahrzeugrad gemessen und die gewonnenen Meßsignale an den Zentral prozessor weitergeleitet und dort in bestimmten zeitlich begrenzten Intervallen oder in kontinuierlichem Betrieb nach zum Beispiel folgendem Schema ausgewertet:

1. Abfrage

Sind während der jeweiligen Meßphase Änderungen der Winkel geschwindigkeit eingetreten, die einen bestimmten To leranzbereich überschreiten?
Wenn ja, neue Messung zur Gewinnung von Signalen ohne Verfälschung durch Winkelbeschleunigungen.
Wenn nein, Weiterverarbeitung und Auswertung der Meßsignale.

2. Abfrage

Haben alle vier Räder eine etwa gleich starke, über einer definierten Toleranzgrenze liegende Vibration?
Wenn ja, Rückschluß auf schlechte Straße und Befehl, keine Einzelradauswertung vorzunehmen.

3. Abfrage

Haben zwei hintereinanderliegende Räder etwa gleich starke, über einer definierten Toleranzgrenze liegende Vibration?
Wenn ja, Rückschluß auf schlechten Fahrbahn-Randstreifen und Befehl, keine Einzelradauswertung vorzunehmen.

4. Abfrage

Haben ein oder alle vier Räder eine über einer definierten Toleranzgrenze liegende positive oder negative Winkelbe schleunigung?
Wenn ja, Rückschluß auf verfälschende Einflüsse und Be fehl, keine Einzelradauswertung vorzunehmen.

5. Abfrage

Gibt es ausgeprägte Schwingungen erster Ordnung in Y-Rich tung bei jeder Fahrgeschwindigkeit an einem oder mehreren Rädern, die außerhalb eines definierten Toleranzbereiches liegen?
Wenn ja, Rückschluß auf unzulässig hohe Reifenungleich förmigkeit: Sammeln im Speicher und Anzeige am Display.

6. Abfrage

Befindet sich die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges im Eigenfrequenzbereich des Radsystemes zum Beispiel zwischen 80 km/h und 120 km/h und treten in diesem Bereich ausgeprägte Schwingungen in X-Richtung und Y-Richtung auf, die oberhalb eines definierten Toleranzbereiches liegen?
Wenn ja, dann Rückschluß auf unzulässig hohe statische Unwucht: Sammeln im Speicher und Anzeige am Display.

7. Abfrage

Befindet sich die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges im Eigenfrequenzbereich des Radsystems, zum Beispiel zwischen 80 km/h und 120 km/h und zeigt die Fläche unter der Spektrallinie eine mehr oder weniger starke Über höhung an, aus der geschlossen werden kann, daß zum Beispiel die Reifen-Eigenfrequenz unter 12 hz oder über 14 hz liegt, so ist dies ein Hinweis dafür, daß (bei 12 hz) der Luftdruck niedrig oder (bei 14 hz) der Luft druck hoch ist. Zur Anzeige eines unzulässigen Luftdrucks am Display sind fahrzeug- und reifenspezifisch Toleranz grenzen festzulegen.

8. Abfrage

Durch einen Kreuzvergleich der einzelnen Räder mit den in einem Langzeitspeicher gesammelten charakteristischen Daten und Flächen unter den Spektrallinien läßt sich zunächst feststellen, welches Rad defekt ist. Nach dieser Feststellung läßt sich bestimmen, ob das Rad eine zu starke Reifenungleichförmigkeit hat (Abfrage 5) oder ob es eine zu starke Unwucht hat (Abfrage 6). Aus dem Flächenvergleich der Abfrage 7 und der Veränderung der Fahrwerkseigenfrequenz läßt sich beurteilen, ob an dem defekten Rad der Reifen zu wenig Luftdruck hat oder ob der Dämpfer defekt ist.

Eine begrenzte Anzahl von zum Beispiel fünfzig gemessenen Ereignissen wird mit Hilfe einer Langzeitstatistik ge speichert, ausgewertet, abgefragt und gegebenenfalls als Sammelergebnis angezeigt.

1. Abfrage

Sind genügend Messungen gemacht worden?

2. Abfrage

Wie oft wurden bestimmte Defekte gefunden? Liegen die Fehlermeldungen über einer bestimmten Anzahl, dann Anzeige am Display.

3. Abfrage

Wie oft wurden sinnlose Signale gemeldet? Daraus Rück schluß auf Defekt des Diagnose-Systems; Anzeige am Display.

Claims

1. Verfahren zur Schwingungsüberwachung der Radsysteme, insbesondere von Kraftfahrzeugen während des Fahrbe triebs mit den nachstehenden, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten:

- die im Fahrbetrieb in einer Parallelebene zur Fahr bahn (X-Richtung) und etwa rechtwinklig dazu (Y-Richtung) auftretenden Beschleunigungen werden für jedes Fahr zeugrad gesondert ermittelt,
- die in X- und Y-Richtung während einer vorbestimmten Zeitdauer t ermittelten Beschleunigungswerte der ein zelnen Fahrzeugräder werden in Signale umgewandelt und mit Hilfe gleichzeitig bestimmter Geschwindigkeits signale Beschleunigungsspektren gebildet,
- die unter den Beschleunigungsspektren der einzelnen Fahrzeugräder in X- und Y-Richtung gebildeten Flächen werden durch Vergleich miteinander ausgewertet und
- beim Auftreten signifikanter Formabweichungen an wenig stens einem Fahrzeugrad wird ein Signal zur Anzeige der Ursache für das ermittelte abnormale Schwingungs verhalten ausgelöst und zur Anzeige gebracht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem zeitgleich mit der Ermittlung der Beschleunigungswerte der einzelnen Fahr zeugräder in X- und Y-Richtung das Auftreten von Winkel beschleunigungen während der jeweiligen Meßphase überprüft wird und nur dann die den in X- und Y-Richtung ermittelten Beschleunigungswerten entsprechenden Signale zur Bildung von Beschleunigungsspektren, welche die Umfangskraft und die Radlast des jeweiligen Fahrzeugrades charakterisieren, herangezogen werden, wenn etwaig ermittelte Winkelbeschleuni gungen unter einer vorgegebenen Toleranzgrenze liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei dem die in X- und Y-Richtung ermittelten Beschleunigungswerte der einzelnen Fahrzeugräder miteinander verglichen und nur dann die diesen Beschleunigungswerten entsprechen den Signale zur Bildung von Beschleunigungsspektren, die Umfangskraft und Radlast eines jeden Fahrzeugrades charakterisieren, herangezogen und einer Auswertung unterworfen werden, wenn die Beschleunigungswerte wenig stens eines Fahrzeugrades sich von den Beschleunigungs werten der anderen Fahrzeugräder signifikant unterscheiden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem im Falle des Auftretens von Winkelbeschleunigungen während der jeweiligen Meßphase, die eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreiten und/oder beim Fehlen signifikanter Unter schiede zwischen den Beschleunigungswerten der Fahrzeug räder die ermittelten Beschleunigungswerte für jedes Fahr zeugrad gesondert in einem Langzeitspeicher abgespeichert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben den im Fahrbetrieb in einer zur Fahrbahn parallelen Ebene in Fahrtrichtung (X-Richtung) und etwa rechtwinklig dazu vertikal (Y-Richtung) auf tretenden Beschleunigungen auch die Beschleunigungen in einer Parallelebene zur Fahrbahn quer zur Fahrtrich tung (Z-Richtung) für jedes Fahrzeugrad gesondert er mittelt, die insoweit während einer vorbestimmten Zeit dauer (t) ermittelten Beschleunigungswerte der einzelnen Fahrzeugräder in Signale umgewandelt und mit Hilfe gleich zeitig bestimmter Geschwindigkeitssignale Beschleuni gungsspektren gebildet sowie die unter den Beschleu nigungsspektren der einzelnen Fahrzeugräder in X-, Y- und Z-Richtung gebildeten Flächen durch Vergleich mit einander ausgewertet werden und daß beim Auftreten signifi kanter Abweichungen an wenigstens einem Fahrzeugrad ein Signal zur Anzeige der Ursache für das ermittelte abnormale Schwingungsverhalten ausgelöst und zur Anzeige gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der an den einzelnen Rädern in X-, Y- und Z-Richtung ermittelten Beschleunigungsspektren durch Vergleich der von letzteren gebildeten Flächen mittels einer Suchmatrix erfolgt, wobei q_ik = A_i/A_k die Quotienten der Flächen A_i, A_k der an den Rädern i, k in jeweils einer Richtung ermittelten Beschleunigungsspektren bedeuten und ein durch Verkleinerung der Fläche A_i eines Rades i im Ver hältnis zur entsprechenden Fläche A_k eines Rades k ange zeigter Abfall der Schwingungsstärke des erstgenannten Rades zu Quotienten q_ik = A_i/A_k < 1 und q_ki = A_k/A_i < 1 und damit zu einer Aussage über die Ursache für den Abfall der Schwingungsstärke am Rad i im Verhältnis zum Rad k führt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der an den einzelnen Rädern in X-, Y- und Z-Richtung ermittelten Beschleunigungsspektren durch den Vergleich signifikanter Teilflächen der Spektren mittels einer aus Quotienten dieser Teilflächen gebildeten Suchmatrix erfolgt.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der

- im Bereich der Lagerung und/oder Aufhängung eines jeden Fahrzeugrades (1, 2) und (3, 4) je ein Sensor (5, 6) für die Aufnahme auftretender Beschleu nigungen in horizontaler (X-) und vertikaler (Y-) Richtung angeordnet sind,
- ein Signalgeber (7) zur Bestimmung der Winkelgeschwin digkeit und der Winkelbeschleunigung an zumindest einem Fahrzeugrad vorhanden ist.
- ein Prozessor (12) zum Verarbeiten der von den Sen soren (5, 6) kommenden Signale getrennt nach Radsystem und in X- und Y-Richtung auftretenden Beschleunigun gen vorgesehen und dem Prozessor (12),
- eine Anzeigeeinrichtung (14) mit einer Anzeige (15, 6) und (17, 18) für jedes Radsystem und je eine Fehler anzeige (20, 21, 22, 23) für jede überwachte Funktion (wie Wuchtzustand, Stoßdämpfer, Reifenluftdruck) nach geschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Lagerung und/oder Radaufhängung eines jeden Fahrzeugrades neben je einem Sensor (5, 6) für die Aufnahme auftretender Beschleu nigungen in Fahrtrichtung (X-Richtung) und vertikal dazu (Y-Richtung) ein Beschleunigungen in einer Parallel ebene zur Fahrbahn und quer zur Fahrtrichtung (Z-Rich tung) erfassender Sensor (25) angeordnet und ein Pro zessor (12) zum Verarbeiten der Signale getrennt nach Radsystem und in X-, Y- und Z-Richtung auftretenden Beschleunigungen vorgesehen und diesem Prozessor eine Anzeigeeinrichtung (14) mit einer Anzeige (15, 16) und (17, 18) für jedes Radsystem und je eine Fehleranzeige (20, 21, 22, 23) für jede überwachte Funktion nachge schaltet ist.