HEIM, Jens (St.-Florian-Straße 9, Bergrheinfeld, 97493, DE)
| Patentansprüche 1 . Vorrichtung zur Ermittlung eines Schädigungszustands eines ein Rad (15) mit einem auf einer Felge (8) angeordneten Reifen (9) an einer Achse verdrehbar aufnehmenden Radlagers (12) in einem Kraftfahrzeug insbesondere während Wartungsarbeiten des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Auswerteeinheit kommunizierende Sensoreinheit (1 , 1 a) zur Ermittlung des Schädigungszustands vorgesehen ist, die radial außerhalb eines Verschraubungskreises (1 1 ) der Felge (8) abnehmbar befestigt ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1 ) zwischen dem Reifen (9) und einem Felgenhorn (14) der Felge (8) geklemmt befestigt ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1 a) auf einem Felgenbett der Felge reversibel stoffschlüssig befestigt ist. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass die Sensoreinheit (1 , 1 a) einen zumindest 1 -achsig messenden Beschleunigungssensor (3) enthält. 5. Verfahren zur Ermittlung eines Schädigungszustandes eines Radlagers (12) mittels einer Vorrichtung entsprechend der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Wartung des Kraftfahrzeugs die mit der Auswerteeinheit kommunizierende Sensoreinheit (1 , 1 a) an dem Rad (15) befestigt wird, von der Raddrehzahl (n) des Rads (15) und von einem Körperschall abhängige Gesamtsignale (S) der Sensoreinheit (1 , 1 a) am drehenden Rad (15) erfasst werden, Körperschallsignale (21 ) des Radlagers (12) aus den Gesamtsignalen (S) separiert werden, mit für den Schädigungszustand relevanten Vergleichsdaten verglichen werden, ein aus dem Vergleich resultierender Schädigungszustand ermittelt wird und die Sensoreinheit (1 , 1 a) wieder vom Rad (15) abgenommen wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallsignale (21 ) mittels einer Filterung der Gesamtsignale (S) gewonnen werden. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallsignale (21 ) aus einer Eliminierung eines drehzahlabhängigen Anteils (22) gewonnen werden. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dreh- zahlabhängige Anteil (22) unter Verwendung von Sensorsignalen einer fest im Kraftfahrzeug angeordneten Drehzahlerfassungseinrichtung ermittelt wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die relevanten Vergleichsdaten auf die geometrische Ausbildung des Radlagers (12) angepasst sind. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (15) nach dem Aufbringen der Sensoreinheit (1 , 1 a) zumindest grob gewuchtet wird. |
Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Schädigungszustands
eines Radlagers
Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Schädigungszustands eines ein Rad mit einem auf einer Felge angeordneten Reifen an einer Achse verdrehbar aufnehmenden Radlagers in einem Kraftfahrzeug insbesondere während Wartungsarbeiten des Kraftfahrzeugs. Hintergrund der Erfindung
Die Räder mit auf Felgen aufgezogenen Reifen von Kraftfahrzeugen sind mit ihren Felgen mittels Schrauben eines Verschraubungskreises an Flanschflächen von Radlagern gegenüber der Achse des Kraftfahrzeugs verdrehbar und im Wesentlichen spielfrei mittels eines Radlagers aufgenommen. Infolge hoher Laufleistungen, Schmutz-, Temperatureinflüssen und dergleichen verschleißen die Radlager, wodurch sich deren Reibwiderstand, Geräusch- und Lagerverhalten verändert, so dass diese gegebenenfalls ausgetauscht werden müssen. Es hat sich dabei gezeigt, dass die zu beurteilenden Wirkungen eines geschä- digten Radlagers mit Wirkungen anderer Bauteile des Kraftfahrzeugs verwechselt werden, indem beispielsweise ein einem geschädigten Radlager zugeordnetes Geräuschverhalten von einer Gelenkwelle herrührt, so dass der aufwendige Zugriff auf das Radlager beziehungsweise dessen Ausbau nicht notwendig ist. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher, nicht notwendige Zugriffe auf das Radlager vermeiden, zumindest jedoch zu reduzieren.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Schädigungszustands eines ein Rad mit einem auf einer Felge angeordneten Reifen an einer Achse verdrehbar aufnehmenden Radlagers in einem Kraftfahrzeug insbesondere während Wartungsarbeiten des Kraftfahrzeugs gelöst, wobei eine mit einer Auswerteeinheit kommunizierende Sensoreinheit zur Ermittlung des Schädigungszustands vorgesehen ist, die radial außerhalb eines Verschraubungs- kreises der Felge abnehmbar befestigt ist.
Eine derartige Vorrichtung ist zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei Personenkraftwagen und vorzugsweise Nutzkraftfahrzeugen vorgesehen. Dabei soll insbesondere bei einem verdächtigen Verhalten eines Radlagers, beispielweise bei einer veränderten Geräuschentwicklung eines oder mehrerer Radlager die Sensoreinheit an der Felge eines Rads mit dem verdächtigten Radlager angebracht werden, so dass während einer Drehbewegung des Rades, beispielweise während einer Testfahrt von der Sensoreinheit, die in der Lage ist, einen Normalzustand von einem Schädigungszustand zu unterscheiden, gegebenenfalls ein Schädigungszustand erkannt werden kann. Dabei kann im einfachsten Fall die Sensoreinheit die Auswerteeinheit komplett enthalten, so dass diese nach einem Testlauf unmittelbar das Testergebnis anzeigt, ob also das Radlager für geschädigt gehalten wird oder nicht. Es kann jedoch insbesondere aus Massegründen vorteilhaft sein, wenn die Sensoreinheit die erfassten Messdaten in einem zugehörigen Speichermodul speichert und/oder Daten während oder nach der Testfahrt telemetrisch auf die Auswerteeinheit, beispielsweise auf ein Diagnosegerät überträgt. Alternativ können gespeicherte Daten nach der Testfahrt über ein Verbindungskabel zur Auswerteeinheit übertragen werden. Die Sensoreinheit kann eine elektronische Datenverarbeitungseinheit enthalten, die erfasste Messdaten umformt sowie eine Impedanzwandlung, eine Analog-Digitalwandlung, eine Standardisierung, eine Umwandlung in ein Übertragungsprotokoll und/oder dergleichen vornimmt.
Dabei soll die Sensoreinheit mit einfachen Mitteln und ohne aufwendige Werkzeuge an der Felge befestigt werden. Hierbei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in Servicewerkstätten zur Wartung von Kraftfahrzeugen bekannte Techniken verwendet werden. In besonders vorteilhafter Weise werden hierbei Techniken zum Wuchten der Räder verwendet. Beispielsweise kann die Sensoreinheit zwischen dem Reifen und einem Felgenhorn der Felge geklemmt befestigt werden. Hierzu werden die Sensoreinheit und gegebenenfalls erforderliche Zusatzmodule wie Speicher, Energieversorgungen und dergleichen auf einem Adapter angeordnet, der über einen Clip entsprechend einem Wuchtgewicht verfügt, so dass insbesondere bei Stahlfelgen die Sensoreinheit mit einer Klemmzange in einfacher und zeitsparender Weise am Felgenhorn festgeklemmt werden kann.
Alternativ kann, insbesondere bei Leichtmetallfelgen, die Sensoreinheit auf einem Felgenbett der Felge reversibel stoffschlüssig befestigt werden. Beispielsweise kann ein entsprechend vorbereiteter Adapter mit der Sensoreinheit auf das Felgenbett geklebt werden. Als besonders vorteilhaft können sich unter Wärmeeinfluss lösende Klebstoffe zur Verbindung des Adapters mit dem Felgenbett erweisen, so dass die Sensoreinheit in einfacher Weise mit dem Fel- genbett verklebt und nach der Test- beziehungsweise Messphase unter Wärmezufuhr leicht wieder gelöst werden kann.
Die Sensoreinheit wird in bevorzugter Weise aus einem zumindest 1 -achsig messenden Beschleunigungssensor gebildet, der in Richtung seiner Empfind- lichkeit gegenüber Beschleunigungen wie Messachse radial oder tangential zur Drehachse des Rades angeordnet ist. Daraus ergibt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung eines Schädigungszustandes eines Radlagers mittels der beschriebenen Vorrichtung, wobei während einer Wartung des Kraftfahrzeugs die Sensoreinheit an dem Rad befestigt wird, von der Drehzahl des Rads und dem Körperschall ab- hängige Gesamtsignale der Sensoreinheit am drehenden Rad erfasst werden und für den Schädigungszustand typische Körperschallsignale des Radlagers aus den Gesamtsignalen separiert werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die separierten Körperschallsignale mit für den Schädigungszustand relevanten Vergleichsdaten verglichen werden. Diese Vergleichsdaten können in einem Speicher der Sensoreinheit und/oder in der Auswerteeinheit als Kennfelder hinterlegt sein oder unter Verwendung entsprechender Parameter in Formeln berechnet werden. Aus dem Vergleich der gemessenen Körperschallsignale und der hinterlegten Vergleichsdaten kann ein resultierender Schädigungszustand, beispielsweise ein Schädigungsindex ermittelt werden, der zur Beurteilung dienen kann, ob auf das betroffene Radlager zugegriffen beziehungsweise dieses gegebenenfalls ersetzt werden soll. Die Sensoreinheit kann danach wieder vom Rad abgenommen werden. Es versteht sich, dass mehrere Räder gleichzeitig mit Sensoreinheiten bestückt werden können, wobei die Auswertung der Signale unter Verwendung unterschiedlicher Signalko- dierungen von einer einzigen Auswerteeinheit übernommen werden kann.
Das beziehungsweise die erfassten Gesamtsignale ergeben eine Abhängigkeit der erfassten Signale von der sich mit der Drehzahl des Rades drehenden und dabei der Erdbeschleunigung ausgesetzten Sensoreinheit von der Raddreh- zahl und den Körperschallsignalen des Rads und anderer Schallquellen. Die Separierung der Körperschallsignale von den Gesamtsignalen kann mittels einer Filterung der Gesamtsignale vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine Fast-Fourier-Transform-Analyse (FFT) durchgeführt werden, um die in der Regel sinusförmigen Signalverläufe des drehzahlabhängigen Anteils des Ge- samtsignals von den Körperschallschwingungen zu isolieren. Alternativ oder zusätzlich können Verfahren einer Hüllkurvendemodulation (HKD), einer Pha- senregelschleife (phase locked loop; PLL) und dergleichen zur Trennung des drehzahlabhängigen Anteils von dem Anteil des Körperschalls an den Gesamtsignalen verwendet werden.
Dabei kann die Raddrehzahl des beziehungsweise der mit einer Sensoreinheit ausgestatteten Rads aus dem Signalverhalten der Gesamtsignale über die Zeit selbst ermittelt werden. Die Raddrehzahl kann beispielsweise aus Beschleunigungssignalen der Sensoreinheit ermittelt werden. Beispielsweise können hierzu gespeicherte oder laufend über Kabel oder kabellos auf eine Auswerteeinheit übertragene Sequenzen von Gesamtsignalen ausgewertet werden. Alter- nativ oder zusätzlich kann der drehzahlabhängige Anteil unter Verwendung von Sensorsignalen einer fest im Kraftfahrzeug angeordneten Drehzahlerfassungseinrichtung ermittelt werden. Beispielsweise können die von einem Raddrehzahlsensor eines Antiblockiersystems, einer Antischlupfregelung oder dergleichen zur Verfügung gestellten Signale zur Ermittlung des drehzahlabhängigen Anteils dienen. Diese können beispielsweise mittels eines kraftfahrzeuginternen Datenbusses, beispielsweise CAN-Bus zur Verfügung gestellt werden und beispielsweise mittels eines Diagnosesteckers auf die Auswerteeinheit übertragen und dort entsprechend verarbeitet werden. Im Weiteren können Drehzahlsignale beispielsweise eines Raddrehzahlsensor direkt ausgekoppelt wer- den, indem eine Strommesszange um die Leitungen zwischen dem Drehzahlsensor und einer Auswerteinheit gelegt wird. Es versteht sich, dass die Auswerteeinheit ein Fahrzeugdiagnosegerät sein kann, das eine Vielzahl von Funktionen gegebenenfalls mehrerer Fahrzeugtypen erfassen, bewerten, speichern und anzeigen kann.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die von dem drehzahlabhängigen Anteil der Gesamtsignale gewonnenen Körperschallsignale weiter zu verarbeiten, um diese den Körperschallsignalen des Radlagers selektiv zuordnen zu können. Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die gewonnenen Körperschallsigna- le mit den relevanten Vergleichsdaten zu vergleichen, die typische Körperschallsignale repräsentieren. Beispielsweise können frequenzabhängige Vergleichssignale oder Signalmuster als Vergleichsdaten vorgesehen sein, die einerseits die Körperschallsignale als signifikant dem Körperschallverhalten des Radlagers und nicht etwa einer anderen Schallquelle zuordnen und andererseits ein Vergleichskrite um beispielsweise in Form von Körperschallschwellen, die wiederum frequenzabhängig unterschiedlich hoch sein können, bereitstellen, ab dem ein Radlager einen Schädigungszustand aufweist bezie- hungsweise eine Untersuchung durch Zugriff auf das Radlager stattfinden sollte.
Gemäß dem erfinderischen Gedanken können dabei für eine Vielzahl von bezüglich ihrer geometrischen Ausbildung unterschiedlich ausgebildeten Radlagern jeweils unterschiedliche Parametersätze von relevanten Vergleichsdaten in der Auswerteeinheit abgelegt sein. Die geometrische Ausbildung des Radlagers, beispielsweise Masse, Durchmesser, Ausbildung der Wälzkörper, Druckwinkel, Schmiegung, Kapselung, Schmierung und dergleichen prägen dabei das Körperschallverhalten des Radlagers. Die Zuordnung der relevanten Vergleichsdaten zu den einzelnen Radlagertypen kann beispielsweise abhängig von in die Auswerteeinheit eingegebenen oder beispielsweise mittels Diagnosestecker eingelesenen Fahrzeugdaten erfolgen.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn das Rad nach dem Aufbringen der Sensoreinheit zumindest grob gewuchtet wird. Hierzu können bei- spielsweise diametral zur Sensoreinheit mit entsprechenden Mitteln - Kleben oder Klemmen - der Masse der Sensoreinheit entsprechende Ausgleichsmassen angebracht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematisch dargestellte Sensoreinheit mit einem Adapter- zur Anbringung an ein Rad mittels einer Klemmverbindung, eine schematische Darstellung einer gegenüber der Sensor einheit der Figur 1 geänderte Sensoreinheit mit einer Klebever bindung zur Befestigung an dem Rad, Figur 3 eine schematische Darstellung eines Rads mit einer Sensoreinheit in verschiedenen Drehpositionen des Rads,
Figur 4 ein Diagramm eines Verlaufs eines Gesamtsignals über die Drehbewegung eines Rads ohne Körperschallsignale und
Figur 5 ein Diagramm eines Verlaufs eines Gesamtsignals über die Drehbewegung eines Rads mit vorhandenen Körperschall-signalen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ansicht der Sensoreinheit 1 mit dem Beschleunigungssensor 3. Der Beschleunigungssensor 3 ist auf dem A- dapter 2 angeordnet, beispielsweise mit diesem verschraubt, verrastet und/oder verklebt. Der Beschleunigungssensor kann auf dem Adapter gegen Witterungseinflüsse gekapselt sein.
Der Adapter ist entsprechend einem Wuchtgewicht zum Wuchten von Rädern mit einer Felge und einem Reifen ausgebildet und weist eine an den Verlauf eines Felgenhorns der Felge, bevorzugt einer Stahlfelge, angepasste Anlagefläche 4 auf, an die sich beabstandet zu dieser die Klemmlasche 5 anschließt, so dass die Sensoreinheit 1 beispielsweise mittels einer Klemmzange auf das Felgenhorn aufgebracht und mit diesem verklemmt werden kann.
Der bevorzugt 1 -achsige Beschleunigungssensor 3 ist bezüglich seiner Wirkungsrichtung entlang des Doppelpfeils 6 im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckung des Adapters 2 in Umfangsrichtung entlang des Pfeils 7 angeordnet, das heißt, die Wirkungsrichtung des Beschleunigungssensors ist bezogen auf die Drehachse des Rads radial. Figur 2 zeigt in Abänderung der Sensoreinheit 1 der Figur 1 die Sensoreinheit 1 a mit dem Adapter 2a, der einen Einsatz der Sensoreinheit 1 a auf einem Felgenbett der Felge, bevorzugt einer Leichtmetallfelge vorsieht. Hierzu ist die Kontaktfläche 4a mit einem Radius versehen, der über häufig vorkommende Radien der Felgenbette verschiedener Felgen gemittelt ist. Alternativ können für jeden Radius korrekt angepasste Sensoreinheiten vorgesehen werden. Die abnehmbare Befestigung der Sensoreinheit 1 a an dem Felgenbett erfolgt bevorzugt durch Kleben wie Heißkleben, wobei die Kontaktfläche 4a mit dem Fel- genbett verklebt wird und nach dem Einsatz wieder beispielsweise durch Wärmezufuhr gelöst wird. Gegebenenfalls auftretende Unterschiede der Radien der Kontaktfläche 4a und des Felgenbetts können durch entsprechenden Materialauftrag ausgeglichen werden. Die Sensoreinheiten 1 , 1 a der Figuren 1 und 2 kommunizieren bevorzugt drahtlos mit der zugehörigen Auswerteeinheit, beispielsweise einem Diagnosegerät oder einem Diagnosecenter einer Servicewerkstatt. Gegebenenfalls kann eine mobile Auswerteeinheit im Kraftfahrzeug transporteiert werden, so dass während der Fahrt Daten der Sensoreinheiten 1 , 1 a in der Auswerteeinheit auf- genommen, verarbeitet und gegebenenfalls gespeichert und/oder angezeigt werden können.
Figur 3 zeigt schematisch eine Ansicht auf das Rad 15 eines Kraftfahrzeugs mit der Felge 8, auf die der Reifen 9 aufgezogen ist. Die Felge 8 ist mittels der Schrauben 10 des Verschraubungskreises 1 1 auf einem von der Felge verdeckten Lagerflansch des lediglich schematisch und gestrichelt angedeuteten Radlagers 12 aufgenommen, das das Rad 15 damit um die Drehachse 13 verdrehbar auf einer feststehenden - nicht dargestellten - Achse aufnimmt. Radial außerhalb des Verschraubungskreises 1 1 ist die Sensoreinheit 1 mittels des Adapters 2 an dem Felgenhorn 14 der Felge 8 mittels einer Klemmverbindung befestigt. Bei einer Verdrehung des Rads 15 in Richtung des Pfeils 16 verdreht sich die Sensoreinheit 1 aus der Position A in die beispielhaft aufgeführten Positionen B und C und dreht sich nachfolgend um die Drehachse 13. Bei kontinuierlich beziehungsweise mit feststehender Erfassungsrate erfassten Gesamtsignalen des Beschleunigungssensors 2 (Figur 1 ) der Sensoreinheit 1 ergibt sich abhängig von der Erdbeschleunigung über die Radumdrehungen ein sinusförmiges Signal.
Figur 4 zeigt das Diagramm 17 der Gesamtsignale S, beispielsweise in Form von Beschleunigungen oder aus diesen berechneten Größen gegen die Raddrehzahl n über eine Radumdrehung. Die Kurve 18 gibt das Gesamtsignal S im nicht mit Körperschallsignalen überlagerten Zustand wieder. Hierbei sind die Gesamtsignale an den Positionen A, B, C der Sensoreinheit 1 der Figur 3 markiert. Der sinusförmige drehzahlabhängige Anteil 22 der Gesamtsignale bildet bei nicht vorhandenem Schädigungszustand des Radlagers 12 (Figur 3) die Kurve 18. Das in Figur 5 gezeigte Diagramm 19 gibt im Gegensatz zu dem Diagramm 17 der Figur 4 das mit einem Körperschallanteil überlagerte Gesamtsignal S in Form der Kurve 20 wieder, an der wiederum die Positionen A, B, C der Sensoreinheit 1 der Figur 3 markiert sind. Die auf einen Schädigungszustand des Radlagers 12 (Figur 3) zurückgehenden Körperschallsignale 21 sind dem si- nusförmigen Verlauf des drehzahlabhängigen Anteils 22 (Figur 4) der Gesamtsignale S überlagert. Eine Trennung der Körperschallsignale 21 von dem drehzahlabhängigen Anteil 22 (Figur 4) erfolgt mittels Filter- und/oder Schwingungsanalyseverfahren. Die verbleibenden Körperschallsignale 21 werden mit berechneten, empirisch oder auf andere Weise ermittelten relevanten Ver- gleichsdaten verglichen, so dass auf einen Schädigungszustand geschlossen werden kann und gegebenenfalls andere Schallquellen als Ursache für die Körperschallsignale 21 ausgeschlossen werden können. Infolge einer von der geometrischen beziehungsweise konstruktiven Ausbildung des Wälzlagers 12 (Figur 3) abhängigen Ausbildung eines Körperschallsignalmusters können für die verwendeten beziehungsweise untersuchten Radlager 12 bauartgleiche oder -ähnliche Lagergruppen jeweils spezifisch angepasste Vergleichsdaten herangezogen werden.
Bezugszeichenliste Sensoreinheit 1 a Sensoreinheit
2 Adapter
2a Adapter
3 Beschleunigungssensor 4 Anlagefläche
4a Kontaktfläche
5 Klemmlasche
6 Doppelpfeil
7 Pfeil
8 Felge
9 Reifen
10 Schraube
1 1 Verschraubungskreis
12 Radlager
13 Drehachse
14 Felgenhorn
15 Rad
16 Pfeil
17 Diagramm
18 Kurve
19 Diagramm
20 Kurve
21 Körperschallsignal
22 drehzahlabhängiger Anteil A Position
B Position
C Position
n Raddrehzahl
S Gesamtsignal
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