WO2023279129A1 - System aus messsystem und felge - Google Patents

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WO2023279129A1
WO2023279129A1 PCT/AT2022/060240 AT2022060240W WO2023279129A1 WO 2023279129 A1 WO2023279129 A1 WO 2023279129A1 AT 2022060240 W AT2022060240 W AT 2022060240W WO 2023279129 A1 WO2023279129 A1 WO 2023279129A1
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WO
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rim
force transducer
force
transmission
wheel body
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PCT/AT2022/060240
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Priller
Hans-Michael KÖGELER
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B3/00—Disc wheels, i.e. wheels with load-supporting disc body
    • B60B3/10—Disc wheels, i.e. wheels with load-supporting disc body apertured to simulate spoked wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00—Testing of vehicles
    • G01M17/08—Railway vehicles
    • G01M17/10—Suspensions, axles or wheels

Definitions

  • the invention relates to a system comprising at least one measuring system and a rim, the rim having a rim well, a rim flange and a wheel body section which connects the rim well to the rim flange in the radial direction, the measuring system having at least one - in particular biaxial - has force transducers for absorbing forces in at least two directions.
  • a force transducer is understood here as meaning a sensor for recording forces. Also included is a system of two sensors that can record forces in at least two directions, or a two-axis force transducer.
  • Measuring systems that are attached to rims are used to monitor and record forces on the wheels for research and development or for test purposes.
  • Such a system is known from JP 2006349645 A, for example.
  • the sensors are arranged on spokes of the rim, being glued to the spokes.
  • the disadvantage here is that the sensors are endangered by mechanical damage from the outside.
  • the force transducer can be damaged if the tire hits an edge, such as a curb.
  • the connection to energy transmission and signal transmission is not mentioned here. However, the connection is usually established via slip rings.
  • the sensors are arranged exclusively as strain gauges in a full bridge circuit. This creates the disadvantage that their sensors can only be installed in groups of four sensors. This limits the measuring system considerably. So this system is only very limited for rims with an odd number of spokes. In order to get proper recordings, you have to wait at least half a revolution of the wheel. Furthermore, only resistive strain gauges can be used here.
  • the object of the present invention is to specify a robust, improved system that has no appreciable negative influence on the measurement results.
  • the at least one force transducer is embedded in the wheel body section of the rim at a distance from a rim flange in the radial direction and ends at least flush with the wheel body section.
  • the moment of inertia is changed only insignificantly - in contrast to, for example, the measuring wheels commonly used at present.
  • the measuring system can also be used in production vehicles thanks to the integration into the wheel rims during wheel rim production. This saves costs and is more aesthetically pleasing than all other common measuring systems.
  • test vehicles it is possible to record a large number of mechanical variables in road tests with a high level of accuracy. Permanent use in test vehicles as well as in production vehicles is also conceivable. Possible areas of application include, for example, powertrain and chassis calibration, benchmarking, drivability, functional verification in the powertrain and for some driver assistance systems, reliability studies, recording driving scenarios and maneuvers and similar chem.
  • Parameters of the control units for example in the drive train or the steering, can be optimally adjusted and coordinated with one another. This can have a positive effect on performance, dynamics, fuel consumption and emissions, as well as acoustics.
  • real driving scenarios, driving habits and driving maneuvers can be determined from the measurement results. These can in turn be used to improve test drives. The vehicle as a whole, especially the drive, handling and driving comfort can be improved as a result.
  • the measurement results can also be used to evaluate the aging, reliability and wear and tear of various vehicle components.
  • a force transducer is also to be understood here, which is surrounded by the rim and is protected by the rim.
  • the flush arrangement in the wheel body section only indicates the limit.
  • the force transducer can thus be arranged inside the rim in the wheel body section or ending on the surface in the wheel body section.
  • the at least one force transducer is thus arranged flush with the wheel body section of the rim.
  • the measurement system can be used in any desired measurement position with any number of spokes.
  • the separate detection of the individual force transducers also allows an asymmetrical structure of the rim and the measuring system.
  • the measurement is possible at any time, e.g. at standstill.
  • the measuring system is free in terms of the choice of force transducers, so piezoelectric or resistive force transducers can be used without hesitation.
  • the signals can be recorded and processed separately by each individual force transducer. This enables the forces on the rim to be resolved more precisely by the measuring system. For this purpose, the individual forces recorded can be added vectorially and the resulting force can be determined with direction, orientation and amount.
  • the wheel body section has a plurality of spokes which connect the rim flange to the rim bed and if at least one force transducer is integrated in each spoke. In this way, a signal can be recorded that reflects mechanical variables with the greatest accuracy in a driving test.
  • a processing of the signals that is as uncomplicated and simple as possible is achieved if the force transducers are distributed uniformly in the wheel body section in a circumferential direction of the rim.
  • At least one force transducer is designed as a strain gauge.
  • a transmission system for wireless transmission of the measurements is arranged on the rim. In this way, disruptive mechanical influences caused by the transmission can be eliminated and recordings can thus be improved.
  • measured values can be determined directly or using arithmetic operations, such as the individual wheel speeds or the differences between the individual wheel speeds, the vehicle speed and curve detection, a wheel -Slip by comparing the individual wheel speeds with each other and, if necessary, supplemented with the speed over the road, a static vehicle weight, a static and dynamic weight distribution per wheel, a torque transmitted per wheel, steering forces or a steering torque, by combining several measured variables, a Recognition of the driving situation and the driving maneuver take place, a determination of variables from the driving dynamics and thus, ideally, a derivation of drivability factors can take place, as well as a detection of bumps in the road such as potholes.
  • arithmetic operations such as the individual wheel speeds or the differences between the individual wheel speeds, the vehicle speed and curve detection, a wheel -Slip by comparing the individual wheel speeds with each other and, if necessary, supplemented with the speed over the road, a static vehicle weight, a static and dynamic weight distribution per wheel, a torque transmitted per
  • the transmission system is preferably completely embedded in the material of the rim.
  • the force transducer or force transducers are arranged in a wireless sensor network, with each force transducer forming a sensor node with a transmission system and/or all force transducers on a rim forming a sensor node together with the transmission system.
  • Such wireless sensor networks are usually referred to as WSN for Wireless Sensor Network.
  • each sensor node has DMS in a bridge circuit. Ideally, the entire measuring circuit and sensors are located inside the wheel rim.
  • the rim or at least parts of the rim can be produced using additive manufacturing processes (3D printing), so that the entire measuring system (with the exception of the receiving device) can be arranged inside the rim. These parts of the rim can then be joined together with series parts, for example, by means of welding or riveting.
  • the sensor nodes contain the measurement technology, namely the at least one force transducer, optionally a unit for preprocessing, for example a computing unit and a transmission device, such as a wireless one, for example via Bluetooth, and optionally an energy store.
  • the measurement technology namely the at least one force transducer, optionally a unit for preprocessing, for example a computing unit and a transmission device, such as a wireless one, for example via Bluetooth, and optionally an energy store.
  • Another node is arranged on the vehicle in question or on another receiving device that receives messages from the sensor nodes. This node is referred to herein as the receiving node.
  • sensor nodes are provided on each spoke of the rims of the entire vehicle, which transmits signals to the receiving node.
  • a sensor node per rim which combines all force transducers on a rim and the transmission system. This sensor node records and processes all the force transducers of the spokes.
  • the signals can be visualized by the receiving device.
  • a measuring receiver which is provided for receiving the signals of the transmission system or the transmission systems and is preferably set up to transmit the signals via Bluetooth.
  • the measuring receiver can be set up as a receiving device in a tablet, a smartphone or a laptop, for example, or it can be integrated directly into the vehicle in question.
  • the measuring system has a tire pressure sensor. With a finely resolved measurement, information about the condition of the road can also be obtained if the correlation with the force measurement is taken into account.
  • the measuring system has an independent energy supply, preferably a unit for energy harvesting.
  • This energy harvesting for example, generates energy from vibrations or from movement, in this case rotation.
  • a pendulum is arranged on the inside of a rim and moves with the rotation of the rim. Electrodynamic energy is generated by a magnet in a coil.
  • an energy store for supplying energy to the individual components of the system can also be provided within the rim.
  • the force components can be recorded vectorially at each measuring point and force components are recorded in each of the three spatial directions.
  • the measurement series of the force transducers can either be stored locally (on the rim) in a memory and read out at a later point in time, or they can be evaluated and/or transmitted immediately. Also an archiving of raw measurement series of the force transducers can be relevant for a more detailed evaluation at a later point in time.
  • a new payment model can be considered for rental cars that also takes into account the wear and tear on consumable parts such as brakes and the like, which can be created using models from the measurement results.
  • FIG. 1 shows a system according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a diagram of a force transducer of the system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic of an arrangement of several force transducers in a system according to the invention
  • FIG. 1 A system 1 according to the invention with a measuring system 10 and a rim 20 is shown in FIG. 1 .
  • the rim 20 essentially has the parts rim base 21 , wheel body section 22 and rim flange 23 .
  • the rim flange 23 is used to connect to a vehicle to which the rim 20 is assigned. When the tire is raised, it rests on the rim well 21 .
  • the measuring system 10 has at least one force transducer 11 that can absorb forces in two directions.
  • Five spokes 24 are provided here, each of which is offset by 72° and is regularly oriented in the radial direction around the rim flange 23 to the rim well 21 .
  • at least one force absorber 11 is arranged.
  • an at least two-axis force transducer or two offset force transducers are provided for one direction each.
  • the at least one force transducer includes both the biaxial and two or more force transducers.
  • the force transducer 11 is implemented as a strain gauge, DMS for short.
  • FIG. 1 A schematic of the force transducer 11 is shown in FIG.
  • the force transducer takes on 11 forces in a y-direction and an x-direction.
  • the two directional vectors are arranged along two unit vectors that are firmly connected to the rim 20 and these are accordingly oriented normal to one another.
  • the y direction is oriented in the radial direction of the rim 20 and the x direction is oriented in the tangential direction of the rim 20 .
  • the forces that are absorbed in the y-direction are referred to here as the y-direction forces with F y .
  • the forces in the x-direction are denoted by F x .
  • the force F x absorbed by the force transducer 11 is proportional to the torque on the wheel and the force F y is proportional to the load on the vehicle and the weight of the vehicle.
  • a wheel torque can be determined when the force F x is recorded, and the differences in the individual rims 20 of a vehicle can even be used to draw conclusions about the course of the roadway.
  • a static load, the speed and the acceleration of the rim 20 or the wheel in the radial direction can be determined, and the distance covered can also be determined via the speed.
  • the dynamic load and the vibrations also indicate a road surface. The differences between individual rims 20 in a vehicle allow conclusions to be drawn about the driving scenarios.
  • FIG. 3 shows two two-axis force transducers 11 (DMS) arranged in two planes.
  • the two force transducers 11 are arranged in such a way that they are arranged in two different planes in the wheel body section 22 .
  • a force transducer 11 is arranged essentially in a first normal plane h on a rim axis of rotation A and a second force transducer 11 is arranged in a second normal plane Q on the rim axis of rotation A.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a system 1.
  • a further unit 12 is provided on the rim 20 here.
  • This further Unit 12 contains a wireless transmission device, which is designed for transmission using Bluetooth, for example, and a computing unit, which already carries out initial processing of the signals.
  • the unit 12 transmits the signal to a receiving device 13 as a transmission system.
  • the receiving device 13 is arranged in the vehicle, for example, or is designed as a separate device, for example in a tablet, a smartphone or a laptop.
  • FIG. 6 shows a visualization of exemplary signals S from the five force transducers 11 on the rim 20 in the first and second embodiment.
  • the reciprocal speed 1/n in min 1 can be read here based on the distance between the deflections pl.l and pl.2 of a force transducer 11.
  • 11,1000 samples per signal are obtained Second.
  • multiple force transducers 11 could be provided on a rim 20 with five spokes 24 .
  • the signals are recorded at the sensor nodes, the force transducers 11. At the same time, this happens on all Rä countries of the vehicle.
  • the signals are further processed via the unit 12 or via transmission units and computing units at the sensor nodes and transmitted to a receiving device 13 .
  • the energy for these sensor nodes or for the force transducers 11 and for the unit 12 or other transmission systems and computing units is obtained via energy harvesting through the movement of the vehicle and thus through the movement of the wheel rim 20 .
  • the signals can also be transmitted to a cloud and stored there for research and development or for databases of the manufacturers on various topics.
  • This transmission can take place, for example, via LoRa up to a gateway (LongRange) and/or via the mobile radio standards LTE/5G or directional radio, etc.
  • the unit for energy harvesting is preferably hidden and arranged invisibly from the outside either on a rim inside or inside the rim 20 .

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zumindest ein Messsystem (10) und eine Felge (20) umfassend, wobei die Felge (20) ein Felgenbett (21), einen Felgenflansch (23) und einen Radkörperabschnitt (22), der das Felgenbett (21) mit dem Felgenflansch (23) in radialer Richtung miteinander verbindet, aufweist, wobei das Messsystem (10) zumindest einen - insbesondere zweiachsigen - Kraftaufnehmer (11) zur Aufnahme von Kräften (Fx, Fy) in zumindest zwei Richtungen (x, y) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftaufnehmer (11) von einem Felgenflansch (23) in radialer Richtung beabstandet in dem Radkörperabschnitt (22) der Felge (20) eingebettet ist und zumindest bündig mit dem Radkörperabschnitt (22) abschließt.

Description

System aus Messsystem und Felge
Die Erfindung betrifft ein System zumindest ein Messsystem und eine Felge um fassend, wobei die Felge ein Felgenbett, einen Felgenflansch und einen Radkör perabschnitt, der das Felgenbett mit dem Felgenflansch in radialer Richtung mit einander verbindet, aufweist, wobei das Messsystem zumindest einen -insbeson dere zweiachsigen - Kraftaufnehmer zur Aufnahme von Kräften in zumindest zwei Richtungen aufweist.
Unter einem Kraftaufnehmer versteht sich hier ein Sensor zur Aufnahme von Kräf ten. Ebenfalls umfasst ist ein System aus zwei Sensoren, die Kräfte in zumindest zwei Richtungen aufnehmen können oder ein zweiachsiger Kraftaufnehmer.
Bei Fahrzeugen im Straßenverkehr sind einige Methoden bekannt, um den Zustand der Reifen zu überwachen, so ist es üblich, den Reifendruck über Drucksensoren im Inneren der Reifen zu überwachen. Aus der US 2002/0190853 Al ist beispiels weise ein System zur Überwachung von Reifendruck gemeinsam mit einer Tempe ratur im Reifen bekannt.
Messsysteme, die beispielsweise an Felgen angebracht sind dienen dazu Kräfte an den Rädern für die Forschung und Entwicklung oder zu Testzwecken zu überwa chen und aufzuzeichnen. Ein derartiges System ist beispielsweise aus der JP 2006349645 A bekannt. Die Messaufnehmer sind an Speichen der Felge ange ordnet, wobei sie an die Speichen aufgeklebt sind. Dabei ist jedoch nachteilig, dass die Messsaufnehmer durch mechanische Beschädigung von außen gefährdet sind. Beispielsweise kann der Kraftaufnehmer durch das Anfahren des Reifens an einer Kante, wie einem Randstein beschädigt werden. Die Verbindung zur Energieüber tragung und zur Signalübertragung bleibt hier unerwähnt. Üblicherweise wird die Verbindung aber über Schleifringe hergestellt.
Die Messaufnehmer sind in dieser JP 2006349645 A ausschließlich als Dehnmess streifen in Voll-Brückenschaltung angeordnet. Dadurch entsteht der Nachteil, dass deren Messaufnehmer nur in Gruppen zu vier Messaufnehmern verbaut werden können. Dies schränkt das Messsystem erheblich ein. So ist dieses System nur sehr beschränkt für Felgen mit einer ungeraden Speichenanzahl geeignet. Um or dentliche Aufnahmen zu erhalten, muss zumindest eine halbe Radumdrehung ab gewartet werden. Weiters können hier nur resistive Dehnmessstreifen eingesetzt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein robustes verbessertes System an zugeben, dass keinen nennbaren negativen Einfluss auf die Messergebnisse auf weist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zumindest eine Kraftaufnehmer von einem Felgenflansch in radialer Richtung beabstandet in dem Radkörperabschnitt der Felge eingebettet ist und zumindest bündig mit dem Rad körperabschnitt abschließt. Dies führt dazu, dass der Kraftaufnehmer durch die Umgebung in der Felge vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
Durch die Integration der Kraftaufnehmer innerhalb der Felge wird das Trägheits moment - anders als zum Beispiel bei derzeit üblicherweise eingesetzten Messrä dern - nur unwesentlich verändert. Durch die Integration in die Felge in der Fel genproduktion kann das Messsystem auch bei Serienfahrzeugen Anwendung fin den. Dies spart Kosten und ist ästhetisch ansprechender als alle anderen gängigen Messsysteme.
Weiters ermöglicht das eine nicht-invasive Instrumentierung von Fahrzeugen mit jedem beliebigen Antriebsstrang ohne Änderungen an Hardware oder Software durchführen zu müssen. Es ist einzig ein Tausch der Felgen bei bestehenden Fahr zeugen nötig. Andere Systeme müssen zwischen Welle und Rad oder im Antriebs strang eingebaut werden und erfordern oftmals eine Verdrahtung im Fahrzeug. Dies führt zu einem Vorteil des erfindungsgemäßen Messsystems hinsichtlich Ro bustheit, Einfachheit und Aufwand gegenüber diesen Systemen.
Die Erfassung einer Vielzahl mechanischer Größen im Fahrversuch wird mit hoher Genauigkeit möglich. Auch eine permanente Anwendung bei Testfahrzeugen, wie auch bei Serienfahrzeugen ist denkbar. Mögliche Einsatzgebiete umfassen bei spielsweise Antriebsstrang- und Fahrwerkskalibrierung, Benchmarking, Drivability, Funktionsverifizierung im Antriebsstrang und für manche Fahrerassistenzsysteme, Reliability-Untersuchungen, Erfassen von Fahrszenarien und Manövern und Ähnli chem.
Damit können Kalibrierungen sowie eine andauernde Optimierung der Kalibrierung der diversen Steuergeräte durchgeführt werden. Es können Parameter der Steu ergeräte beispielsweise im Antriebsstrang oder der Lenkung optimal eingestellt und aufeinander abgestimmt werden. Dadurch können Leistung, Dynamik, Ver brauch und Emissionen sowie die Akustik positiv beeinflusst werden. Außerdem können aus den Messergebnissen reale Fahrszenarien, Fahrgewohnheiten und Fahrmanöver ermittelt werden. Diese können wiederum zur Verbesserung von Testfahrten benutzt werden. Auch das Fahrzeug insgesamt, besonders der Antrieb, das Fahrverhalten und der Fahrkomfort können dadurch verbessert werden. Anhand der Messergebnisse können ebenfalls Alterung, Zuverlässigkeit und Ver schleiß von diversen Fahrzeugkomponenten ausgewertet werden.
Im Sinne der Erfindung ist hier auch ein Kraftaufnehmer zu verstehen, der von der Felge umgeben ist und von der Felge geschützt ist. Die bündige Anordnung im Radkörperabschnitt bezeichnet lediglich die Grenze. Der Kraftaufnehmer kann so mit innerhalb der Felge im Radkörperabschnitt oder an der Oberfläche endend im Radkörperabschnitt angeordnet sein. Damit ist der zumindest eine Kraftaufnehmer plan mit dem Radkörperabschnitt der Felge angeordnet.
Durch die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe kann das Messsystem in jeder gewünschten Messposition bei jeder beliebigen Speichenanzahl angewendet wer den. Die separate Erfassung der einzelnen Kraftaufnehmer lassen auch asymme trischen Aufbau der Felge und des Messsystems zu.
Weiters ist die Messung in jedem Zeitpunkt, wie z.B. bei Stillstand möglich.
Zusätzlich ist das Messsystem frei hinsichtlich der Wahl der Kraftaufnehmer, so können piezoelektrische oder resistive Kraftaufnehmer bedenkenlos eingesetzt werden.
Die Signale können von jedem einzelnen Kraftaufnehmer separat erfasst und ver arbeitet werden. Dadurch ist eine genauere Auflösung der Kräfte auf die Felge durch das Messsystem möglich. Dazu können die einzelnen aufgenommenen Kräfte vektoriell addiert werden und die resultierende Kraft kann mit Richtung, Orientierung und Betrag bestimmt werden.
Dadurch ist auch zu jedem Zeitpunkt eine Messung der Kräfte in einer Richtung beispielsweise normal auf eine Fahrbahnoberfläche möglich. So können Kräfte, die aus Fahrzeugmasse oder aus Fahrbahnunebenheiten resultieren erfasst bezie hungsweise ermittelt werden. Die Kräfte auf die Felge können zu jedem beliebigen Zeitpunkt eruiert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Radkörperabschnitt mehrere Speichen aufweist, die den Felgenflansch mit dem Felgenbett verbinden und dass in jeder Speiche zumin dest ein Kraftaufnehmer integriert ist. Dadurch kann ein Signal aufgenommen wer den, das in einem Fahrversuch mechanische Größen mit höchster Genauigkeit wi derspiegelt.
Eine möglichst unkomplizierte und einfache Verarbeitung der Signale wird erreicht, wenn die Kraftaufnehmer in einer Umfangsrichtung der Felge gleichmäßig in dem Radkörperabschnitt verteilt sind. Um auch Biegungen in der Felge aufnehmen zu können, ist es günstig, wenn zu mindest ein erster Kraftaufnehmer je Speiche in einer ersten Normalebene auf eine Felgendrehachse angeordnet ist und dass zumindest ein zweiter Kraftaufnehmer je Speiche in einer zweiten Normalebene auf eine Felgendrehachse angeordnet ist, wobei erste Normalebene und zweite Normalebene voneinander beabstandet sind.
Besonders günstig ist es, wenn zumindest ein Kraftaufnehmer als Dehnmessstrei fen (DMS) ausgeführt ist.
Um möglichst keine mechanischen Einflüsse auf das System durch das Messsystem aufzubringen, ist es vorteilhaft, wenn an der Felge ein Übertragungssystem zur drahtlosen Übertragung der Messungen angeordnet ist. Dadurch können störende mechanische Einflüsse durch die Übertragung eliminiert werden und so Aufnahmen verbessert werden.
Werden alle vier Räder mit solchen Messfelgen ausgerüstet, so ist für jede mögli che Antriebsart die Erfassung aller über die Fahrbahn aufs Fahrzeug wirkenden Kräfte möglich. Die drahtlose Kommunikation zwischen den Felgen erlaubt eine präzise zeitliche Synchronisation und damit Korrelation der einzelnen Messungen an den einzelnen Felgen zueinander. Aus Verschiebungen der Signale können spe zielle Fahrsituationen wie beispielsweise Kurvenfahrt, asymmetrischer Grip, dyna mische Lastwechsel und Ähnliches bestimmt werden.
Durch Herleitung über die physikalischen Zusammenhänge, möglicherweise er gänzt um Algorithmen, die optional auf maschinellem Lernen basieren, können Messwerte direkt oder anhand von Rechenoperationen ermittelt werden, wie die einzelnen Raddrehzahl oder die Differenzen der einzelnen Raddrehzahlen unter einander, die Fahrzeuggeschwindigkeit und Kurvenerkennung, ein Rad-Schlupf durch Vergleich der einzelnen Raddrehzahl untereinander und gegebenenfalls er gänzt mit der Geschwindigkeit über der Fahrbahn, ein statisches Fahrzeuggewicht, eine statische und dynamische Gewichtsverteilung pro Rad, ein übertragenes Drehmoment pro Rad, Lenkkräfte beziehungsweise ein Lenkmoment, durch Kom bination einiger Messgröße kann auch eine Erkennung der Fahrsituation und des Fahrmanövers stattfinden, eine Bestimmung von Größen aus der Fahrdynamik und damit kann im Idealfall eine Ableitung von Fahrbarkeits-Faktoren erfolgen sowie eine Erkennung von Fahrbahnunebenheiten wie Schlaglöcher.
Um auch hier das Übertragungssystem vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist es günstig, wenn das Übertragungssystem vorzugsweise vollständig im Material der Felge eingebettet ist. Dadurch kann das Verlieren des Übertragungssystems er folgreich vermieden werden und auch die Zerstörung durch äußere Einflüsse ver hindert werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Kraftaufnehmer oder die Kraftaufnehmer in einem drahtlosen Sensornetzwerk angeordnet sind, wobei jeder Kraftaufnehmer mit einem Übertragungssystem einen Sensorknoten bildet und/oder alle Kraftauf nehmer einer Felge gemeinsam mit dem Übertragungssystem einen Sensorknoten bilden. Derartige drahtlose Sensornetzwerke werden üblicherweise als WSN für Wireless Sensor Network bezeichnet.
Es ist in einer Ausführung vorgesehen, dass jeder Sensorknoten DMS in Brücken schaltung aufweist. Idealerweise ist die gesamte Messschaltung und Sensorik in nerhalb der Felge angeordnet.
Besser ist es jedoch, wenn jeder Kraftaufnehmer einzeln ausgewertet wird, da durch die Zusammenfassung über eine Brückenschaltung wertvolle Informationen verloren gehen.
Die Felge oder zumindest Teile der Felge können dabei durch additive Fertigungs verfahren (3D-Druck) hergestellt werden, sodass das gesamte Messsystem (mit Ausnahme des Empfangsgeräts) innerhalb der Felge angeordnet sein kann. Diese Teile der Felge können dann beispielsweise mit Serienteilen zusammengefügt wer den, mittels Schweißen oder Nieten.
Die Sensorknoten beinhalten die Messtechnik, nämlich den zumindest einen Kraft aufnehmer, optional eine Einheit zur Vorverarbeitung zum Beispiel eine Rechen einheit und eine Übertragungseinrichtung, wie eine drahtlose, beispielsweise über Bluetooth und optional einen Energiespeicher.
Ein weiterer Knoten ist am betreffenden Fahrzeug oder an einem anderen Em pfangsgerät angeordnet, der Nachrichten der Sensorknoten empfängt. Dieser Kno ten wird hier als Empfangsknoten bezeichnet.
Idealerweise sind an jeder Speiche der Felgen des gesamten Fahrzeugs mehrere Sensorknoten vorgesehen, die Signale an den Empfangsknoten übersendet.
Optional ist es auch möglich einen Sensorknoten pro Felge vorzusehen, der alle Kraftaufnehmer an einer Felge und das Übertragungssystem zusammenfasst. Die ser Sensorknoten erfasst alle Kraftaufnehmer der Speichen und verarbeitet diese.
Vom Empfangsgerät kann eine Visualisierung der Signale erfolgen.
Vorteilhafterweise nehmen alle Sensorknoten zeitlich synchron auf und die Signale können einander zugeordnet werden. So können resultierende Kräfte an den Rad naben und am Fahrzeug ermittelt werden. Es ist vorteilhaft, wenn ein Messempfänger vorgesehen ist, der zum Empfang der Signale des Übertragungssystems oder den Übertragungssystemen vorgesehen ist und vorzugsweise die Übertragung der Signale über Bluetooth eingerichtet ist. Der Messempfänger kann beispielsweise in einem Tablet, einem Smartphone oder einem Laptop als Empfangsgerät eingerichtet sein oder direkt am betreffenden Fahrzeug integriert sein.
Um Zusammenhänge mit dem Zustand des Reifens erkennen zu können, ist es günstig, wenn das Messsystem einen Reifendrucksensor aufweist. Bei fein aufge löster Messung, kann auch eine Information über den Straßenzustand gewonnen werden, wenn die Korrelation mit der Kraftmessung berücksichtigt wird.
Durch zeitlich hochaufgelöste Messung des Reifendrucks und Korrelation mit den Kraftmessungen an der Felge können möglicherweise zusätzliche Kenntnisse zur Reifenmechanik gewonnen werden.
Um äußere Einflüsse weiter zu minimieren, ist in einer besonderen Ausführung vorgesehen, dass das Messsystem eine unabhängige Energieversorgung aufweist, vorzugsweise eine Einheit zum Energy Harvesting. Darunter versteht sich die eigenständig Energieproduktion des Messsystems ohne äußere Energiezufuhr. Durch dieses Energy Harvesting wird beispielsweise durch Erschütterungen oder aus der Bewegung, hier nämlich der Drehung Energie erzeugt. Eine Möglichkeit wäre, dass ein Pendel an einer Felgeninnenseite angeordnet ist und sich mit der Drehung der Felge bewegt, dabei wird über einen Magnet in einer Spule elektro dynamisch Energie erzeugt.
Zusätzlich kann auch ein Energiespeicher zur Energieversorgung der einzelnen Komponenten des Systems innerhalb der Felge vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kraftkomponenten vektoriell an jeder Messtelle aufgenommen werden können und Kraftkomponenten in jeder der drei Raumrichtungen aufnimmt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung ist daher nicht mehr nur über einen Punkt an einer Radnabe die Aufnahme von Kräften, sondern über die gesamte Felge verteilt aufnehmbar. Dabei ergeben sich phasenverschobene Kraftsignale verteilt über jede Radumdrehung. Dadurch können zusätzliche Informationen ge wonnen werden, wie zum Beispiel die Drehzahl mit hoher zeitlicher Auflösung, Lenkmoment, Drehmomentschwankungen, Radunwucht und Ähnliches.
Die Messreihen der Kraftaufnehmer können entweder lokal (an der Felge) in einem Speicher gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden oder gleich ausgewertet und/oder übertragen werden. Auch ein Archivieren der rohen Messreihen der Kraftaufnehmer kann für eine detailliertere Auswertung zu einem späteren Zeitpunkt relevant sein.
Anhand der Messergebnisse kann für Mietwagen ein neues Zahlungsmodell ange dacht werden, das auch den Verschleiß an Verbrauchsteilen wie Bremsen und Ähn lichem mitberücksichtigt, was anhand von Modellen aus den Messergebnissen er stellt werden kann.
Mit den Messergebnissen ist auch eine verbesserte Aufnahme der Emissionen bei realen Fahrbedingungen möglich und ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Testfahrten bei unterschiedlichen Bedingungen wird erleichtert.
In weiter Folge wird die Erfindung anhand der vorliegenden Figuren näher erläu tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes System in einer ersten Ausführung;
Fig. 2 ein Schema eines Kraftaufnehmers des erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 3 ein Schema einer Anordnung von mehreren Kraftaufnehmern in einem erfindungsgemäßen System;
Fig. 4 ein weiteres Schema eines Kraftaufnehmers;
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes System in einer zweiten Ausführung; und
Fig. 6 beispielhafte Signale eines erfindungsgemäßen Systems.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes System 1 mit einem Messsystem 10 und einer Felge 20 gezeigt. Die Felge 20 weist dabei im Wesentlichen die Teile Felgenbett 21, Radkörperabschnitt 22 und Felgenflansch 23 auf. Der Felgenflansch 23 dient zur Verbindung mit einem Fahrzeug, dem die Felge 20 zugeordnet ist. Bei aufge zogenem Reifen liegt dieser am Felgenbett 21 an. Der Radkörperabschnitt 22 unter dem sich die Radscheibe der Felge 20 versteht, verbindet Felgenflansch 23 und Felgenbett 21 miteinander. Diese Verbindung kann nun scheibenförmig ausgeführt sein oder auch in Form von Speichen 24, wie hier gezeigt ist.
Das Messsystem 10 weist zumindest einen Kraftaufnehmer 11 auf, der Kräfte in zwei Richtungen aufnehmen kann. Hier sind fünf Speichen 24 vorgesehen, die je weils um 72° versetzt regelmäßig in radialer Richtung um den Felgenflansch 23 zum Felgenbett 21 orientiert sind. In jeder Speiche 24 ist zumindest ein Kraftauf nehmer 11 angeordnet. Zur Aufnahme von Kraft in zumindest zwei Richtungen ist entweder ein zumindest zweiachsiger Kraftaufnehmer oder zwei versetzt angeordnete Kraftaufnehmer für je eine Richtung vorgesehen. Unter dem zumindest einen Kraftaufnehmer sind so wohl der zweiachsige als auch zwei oder mehr Kraftaufnehmer umfasst.
Hier ist der Kraftaufnehmer 11 als Dehnmessstreifen kurz DMS verwirklicht.
In Fig. 2 ist ein Schema zum Kraftaufnehmer 11 gezeigt. Dabei nimmt der Kraft aufnehmer 11 Kräfte in einer y-Richtung und einer x-Richtung auf. Die beiden Richtungsvektoren sind dabei entlang von zwei Einheitsvektoren fest mit der Felge 20 verbunden angeordnet und diese sind dementsprechend normal zueinander ori entiert. Die y-Richtung ist dabei in radialer Richtung der Felge 20 orientiert und die x-Richtung ist in tangentialer Richtung der Felge 20 orientiert. Die Kräfte, die in y-Richtung aufgenommen werden, werden hier als die Kräfte in y-Richtung mit Fy bezeichnet. Dementsprechend werden die Kräfte in x-Richtung mit Fx bezeich net. Die vom Kraftaufnehmer 11 aufgenommene Kraft Fx ist dabei proportional zum Drehmoment am Rad und die Kraft Fy ist proportional zur Last am Fahrzeug und zum Gewicht des Fahrzeugs.
Durch die Anwendung der Kraftaufnehmer 11 kann bei Aufnahme der Kraft Fx ein Radmoment, bestimmt werden, und durch die Unterschiede an den einzelnen Fel gen 20 eines Fahrzeugs ist sogar ein Rückschluss auf den Verlauf der Fahrbahn möglich. Bei Aufnahme der Kraft Fy kann eine statische Last die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Felge 20 beziehungsweise des Rades in radialer Rich tung bestimmt werden, weiters kann über die Geschwindigkeit die zurückgelegte Strecke ermittelt werden. Auch die dynamische Last und die Schwingungen lassen auf eine Fahrbahnoberfläche rückschließen. Die Unterschiede zwischen einzelnen Felgen 20 bei einem Fahrzeug erlauben Rückschlüsse auf die Fahrszenarien.
Fig. 3 zeigt zwei in zwei Ebenen angeordnete zweiachsige Kraftaufnehmer 11 (DMS). Dabei sind die beiden Kraftaufnehmer 11 so angeordnet, dass sie in dem Radkörperabschnitt 22 in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Dabei ist ein Kraftaufnehmer 11 im Wesentlichen in einer ersten Normalebene h auf eine Felgendrehachse A angeordnet und ein zweiter Kraftaufnehmer 11 ist in einer zweiten Normalebene Q auf die Felgendrehachse A angeordnet. Dadurch kann auch das Torsionsmoment Mz entlang der Speichen 24 und/oder das Biegemoment an der Radiusposition des Kraftaufnehmers ermittelt werden.
Die nun aufnehmbaren Kräfte sind in Fig. 4 schematisch dargestellt. Im Unter schied zu Fig. 2 ist hier als Beispiel das Torsionsmoment Mz ergänzt.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführung eines Systems 1. Zusätzlich zur ersten Aus führung ist hier eine weitere Einheit 12 an der Felge 20 vorgesehen. Diese weitere Einheit 12 beinhaltet eine drahtlose Übertragungseinrichtung, die beispielsweise für eine Übertragung mittels Bluetooth ausgelegt ist und eine Recheneinheit, die bereits eine erste Verarbeitung der Signale vornimmt. Die Einheit 12 überträgt als Übertragungssystem das Signal an ein Empfangsgerät 13. Das Empfangsgerät 13 ist dabei beispielsweise im Fahrzeug angeordnet oder als ein eigenes Gerät aus geführt, wie beispielsweise in einem Tablet, einem Smartphone oder einem Lap top.
In Fig. 6 ist eine Visualisierung von beispielhaften Signalen S von den fünf Kraft aufnehmern 11 an der Felge 20 in der ersten und zweiten Ausführung dargestellt. Dabei ist die reziproke Drehzahl 1/n in min 1 hier anhand der Entfernung der Aus schläge pl.l und pl.2 eines Kraftaufnehmers 11 abzulesen.
Beispielhaft könnte eine Messung derart aussehen, dass für einen Reifen mit der Dimension 195/65 R 15 und damit einem Durchmesser von (15")*25.4 + 2*0.65*195 = 634 mm und einem Umfang von 1,99 m bei 130 km/h, das heißt bei 36 m/s mit ca. 18 Umdrehungen pro Sekunde mit einer Abtastung mit einem Samplingfaktor größer oder gleich 10 mindestens 200 Samples pro Signal aufge nommen werden. Dabei ergeben sich mit den fünf hier beispielhaft angeführten Kraftaufnehmern 11 1000 Samples pro Sekunde.
In einem weiteren Beispiel könnten mehrere Kraftaufnehmer 11 bei einer Felge 20 mit fünf Speichen 24 vorgesehen sein. Die Signale werden an den Sensorknoten, den Kraftaufnehmern 11 aufgenommen. Gleichzeitig geschieht dies an allen Rä dern des Fahrzeugs. Die Signale werden über die Einheit 12 oder über Übertra gungseinheiten und Recheneinheiten an den Sensorknoten weiterverarbeitet und an ein Empfangsgerät 13 übertragen.
Die Energie für diese Sensorknoten beziehungsweise für die Kraftaufnehmer 11 sowie für die Einheit 12 oder andere Übertragungssysteme und Recheneinheiten wird über Energy Harvesting durch die Bewegung des Fahrzeugs und damit durch Bewegung der Felge 20 gewonnen.
Die Signale können alternativ auch in eine Cloud übertragen werden und dort für Forschung und Entwicklung oder für Datenbanken der Hersteller zu diversen The men abgelegt werden. Diese Übertragung kann beispielsweise über LoRa bis zu einer Gateway (LongRange) und/oder über die Mobilfunkstandards LTE/5G oder Richtfunk usw. erfolgen.
Die Einheit zum Energy Harvesting ist bevorzugterweise versteckt und von außen unsichtbar entweder an einer Felgeninnenseite oder im Inneren der Felge 20 an geordnet.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. System (1) zumindest ein Messsystem (10) und eine Felge (20) umfassend, wobei die Felge (20) ein Felgenbett (21), einen Felgenflansch (23) und einen Radkörperabschnitt (22), der das Felgenbett (21) mit dem Felgenflansch (23) in radialer Richtung miteinander verbindet, aufweist, wobei das Messsystem (10) zumindest einen -insbesondere zweiachsigen - Kraftaufnehmer (11) zur Aufnahme von Kräften (Fx, Fy) in zumindest zwei Richtungen (x, y) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftaufnehmer (11) von einem Felgenflansch (23) in radialer Richtung beabstandet in dem Rad körperabschnitt (22) der Felge (20) eingebettet ist und zumindest bündig mit dem Radkörperabschnitt (22) abschließt.
2. System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radkör perabschnitt (22) mehrere Speichen (24) aufweist, die den Felgenflansch (23) mit dem Felgenbett (21) verbinden und dass in jeder Speiche (24) zu mindest ein Kraftaufnehmer (11) integriert ist.
3. System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftaufnehmer (11) in einer Umfangsrichtung der Felge (20) gleichmäßig in dem Radkörperabschnitt (22) verteilt sind.
4. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Kraftaufnehmer (11) je Speiche (24) in einer ersten Normalebene (h) auf eine Felgendrehachse (A) angeordnet ist und dass zu mindest ein zweiter Kraftaufnehmer (11) je Speiche (24) in einer zweiten Normalebene (Q) auf eine Felgendrehachse (A) angeordnet ist, wobei erste Normalebene (h) und zweite Normalebene (Q) voneinander beabstandet sind.
5. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kraftaufnehmer (11) als Dehnmessstreifen (DMS) ausge führt ist.
6. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Felge (20) ein Übertragungssystem zur drahtlosen Übertragung der Messungen angeordnet ist.
7. System (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertra gungssystem im Material der Felge (20) eingebettet ist.
8. System (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (11) oder die Kraftaufnehmer (11) in einem draht losen Sensornetzwerk angeordnet sind, wobei jeder Kraftaufnehmer (11) mit einem Übertragungssystem einen Sensorknoten bildet und/oder alle Kraft aufnehmer (11) einer Felge (20) gemeinsam mit dem Übertragungssystem einen Sensorknoten bilden.
9. System (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensor knoten DMS in Brückenschaltung aufweist.
10. System (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messempfänger (13) vorgesehen ist, der zum Empfang von Signalen (S) des Übertragungssystems oder den Übertragungssystemen vorgesehen ist und vorzugsweise die Übertragung der Signale (S) über Bluetooth einge richtet ist.
11. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) einen Reifendrucksensor aufweist.
12. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) eine unabhängige Energieversorgung aufweist, vorzugsweise eine Einheit zum Energy Harvesting.
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