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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Rechenvorrichtung nach Anspruch 7 und ein Computerprogramm nach Anspruch 429.
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DE 100 01 272 A1 offenbart eine Einrichtung zur Ermittlung von Kräften im Reifen eines Fahrzeugrades. Zur Ermittlung der Kräfte werden Messungen eines am Umfang einer Felge des Rades angeordneten Sensors herangezogen. Mittels des Sensors werden Verformungen der Felge in Umfangsrichtung und/oder quer dazu gemessen. Daraus bestimmt eine Rechenvorrichtung mittels einer Rechenvorschrift die Kräfte.
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Die gemessenen Verformungen sind abhängig von der Position des Sensors. Diese wiederum ist abhängig von einem Drehwinkel des Rads. Fährt das Fahrzeug, lassen sich die Kräfte durch Mittelwertbildung bestimmen. Befindet sich das Fahrzeug im hingegen Stillstand, können die Kräfte nur ermittelt werden, wenn der Drehwinkel des Rads bzw. dessen Winkellage und damit die Position des Sensors bekannt ist.
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Die
JP 2006-349645 A offenbart eine Radkraftmessvorrichtung, die die Kraftkomponente einer auf ein Rad ausgeübten Kraft misst.
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Die
DE 20 2019 104 976 U1 offenbart ein Fahrzeugrad mit einer Überwachungseinrichtung umfassend eine Dehnungsmessstreifen aufweisende Lasterfassungseinrichtung zur Erfassung von auf das Fahrzeugrad einwirkenden Kräften.
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Die
DE 10 2010 052 916 A1 offenbart ein Laufrad eines Fahrrades mit einer Druckmessvorrichtung, die zumindest einen auf einer Felge des Fahrrades befestigten Dehnungsmessstreifen umfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mindestens eine auf ein Rad einwirkende Kraft unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu ermitteln. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Rechenvorrichtung nach Anspruch 7 und ein Computerprogramm nach Anspruch 429. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten und ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung.
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Das Verfahren dient zum Ermitteln mindestens einer auf ein Rad einwirkenden Kraft. Zu dem Rad gehören eine Felge und ein Reifen. Bei der auf das Rad einwirkenden Kraft kann es sich beispielsweise um eine radial verlaufende Aufstandskraft, eine parallel zu einer Drehachse des Rads verlaufende Seitenkraft oder um eine tangential ausgerichtete Umfangskraft handeln.
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Das Verfahren sieht vor, Dehnungen eines Felgenbetts der Felge des Rads zu messen. Das Felgenbett ist ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Teil der Felge zur Aufnahme des Reifens. Das Felgenbett zeichnet sich dadurch aus, dass es bezüglich der Drehachse des Rads zylindersymmetrisch, das heißt gegenüber einer Drehung um einen beliebigen Winkel rotationssymmetrisch ist. Die gemessenen Dehnungen haben ein positives oder negatives Vorzeichen. Im letztgenannten Fall werden die Dehnungen als Stauchung bezeichnet.
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Gemessen wird im Einzelnen Dehnungen des Felgenbetts in eine erste Richtung, in eine zweite Richtung und erfindungsgemäß eine Dehnung des Felgenbetts in eine dritte Richtung. Dabei ist erfindungsgemäß die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden. Weiterhin ist erfindungsgemäß die dritte Richtung sowohl von der ersten Richtung als auch von der zweiten Richtung verschieden.
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Die Dehnungen des Felgenbetts in die erste Richtung, in die zweite Richtung und in die dritte Richtung werden bevorzugt gleichzeitig gemessen.
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Anhand der gemessenen Dehnungen wird eine zugehörige, auf das Rad einwirkende Kraft ermittelt. Den gemessenen Dehnungen wird dadurch eine zugehörige, auf das Rad einwirkende Kraft zugeordnet. Im Einzelnen wird einem Satz von Messungen, bestehend aus der gemessenen Dehnung des Felgenbetts in die erste Richtung, der gemessenen Dehnung des Felgenbetts in die zweite Richtung und der gemessenen Dehnung des Felgenbetts in die dritte Richtung, die Kraft zugeordnet. Die Zuordnung kann durch Berechnung und/oder anhand zuvor gemessener Referenzwerte erfolgen.
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Durch die Berücksichtigung der Dehnung in die dritte Richtung bei der Ermittlung der Kraft ist das Verfahren unabhängig vom Drehwinkel des Rads. Es gibt keine zwei Drehwinkel, bei denen bei gleicher Dehnung des Felgenbetts in die erste Richtung, in die zweite Richtung und in die dritte Richtung die gleichen Kräfte wirken. Die Kraft lässt sich daher ohne Bestimmung des Drehwinkels mit nur einer einzigen Messung der Dehnungen ermitteln.
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Bevorzugt ist ein Ort, an dem die Dehnung des Felgenbetts in die dritte Richtung gemessen wird, von einem Ort, an dem die Dehnung des Felgenbetts in die erste Richtung gemessen wird, und einem Ort, an dem die Dehnung des Felgenbetts in die zweite Richtung gemessen wird, verschieden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Dehnung des Felgenbetts in die dritte Richtung nicht in unmittelbarem Zusammenhang zu der Dehnung des Felgenbetts in die erste und in die zweite Richtung steht. Auch kann der Ort, an dem die Dehnung des Felgenbetts in die zweite Richtung gemessen wird, von dem Ort, an dem die Dehnung des Felgenbetts in die erste Richtung gemessen wird, unterschiedlich sein.
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In einer entsprechenden bevorzugten Weiterbildung werden die Dehnungen des Felgenbetts in die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils genau einmal gemessen. Die Ermittlung der Kraft erfolgt weiterbildungsgemäß anhand genau einer Messung der Dehnung des Felgenbetts in die erste Richtung, genau einer Messung der Dehnung des Felgenbetts in die zweite Richtung und genau einer Messung der Dehnung des Felgenbetts in die dritte Richtung.
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Da die Ermittlung der Kraft winkelunabhängig erfolgt, ist es möglich, in einer bevorzugten Weiterbildung die Dehnung des Felgenbetts in die erste Richtung, die Dehnung des Felgenbetts in die zweite Richtung und die Dehnung des Felgenbetts in die dritte Richtung zu messen, während sich das Fahrzeug im Stillstand befindet. Weiterbildungsgemäß lässt sich die Gewichtskraft von Ladung bereits während des Ladevorgangs bestimmen, das heißt während das Fahrzeug beladen wird und sich entsprechend im Stillstand befindet.
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Die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung verlaufen erfindungsgemäß in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene ist bevorzugt parallel zu der Drehachse des Rads ausgerichtet und/oder verläuft tangential bezüglich des Felgenbetts der Felge.
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Die erste Richtung und die zweite Richtung verlaufen in einer bevorzugten Weiterbildung orthogonal zueinander. So kann etwa die erste Richtung bezüglich des Felgenbetts tangential verlaufen, während die zweite Richtung parallel zu der Drehachse des Rads verläuft. Dadurch vereinfacht sich die Berechnungsvorschrift zur Zuordnung der Kraft.
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In einer bevorzugten Weiterbildung verläuft die dritte Richtung in einem Winkel von 45° sowohl zu der ersten Richtung als auch zu der zweiten Richtung. Dies ermöglicht es, zur Messung der Dehnungen des Felgenbetts handelsübliche Dehnungssensoren zu verwenden.
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Den gemessenen Dehnungen bzw. dem oben genannten Satz von gemessenen Dehnungen wird in einer bevorzugten Weiterbildung der Drehwinkel des Rads zugeordnet. Auch eine derartige Zuordnung wird durch die Berücksichtigung der Dehnung des Felgenbetts in die dritte Richtung ermöglicht. Die Zuordnung erfolgt auch hier anhand von Referenzmessungen und/oder mittels einer Berechnungsvorschrift.
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Der Drehwinkel kann außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, um etwa Raddrehzahlsensoren zu ersetzen oder deren Signale zu plausibilisieren. Auch eine Verwendung innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sinnvoll. Dabei wird der Drehwinkel als Zwischenergebnis herangezogen. So wird etwa der Drehwinkel anhand von Referenzmessungen bestimmt. Ist der Drehwinkel bekannt, lässt sich auf einfache Weise die auf das Rad einwirkende Kraft rechnerisch ermitteln.
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Die erfindungsgemäße Rechenvorrichtung ist ausgebildet, anhand einer Dehnung eines Felgenbetts eines Rads in eine erste Richtung, einer Dehnung des Felgenbetts in eine zweite Richtung und einer Dehnung des Felgenbetts in eine dritte Richtung gemäß den entsprechenden Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer bevorzugten Weiterbildung mindestens eine auf das Rad einwirkende Kraft zu ermitteln. Die drei Dehnungen werden der Rechenvorrichtung dabei als Eingangssignale zur Verfügung gestellt.
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Bevorzugt ist die Rechenvorrichtung als Teil einer Anordnung weitergebildet, die darüber hinaus ein Rad umfasst. Das Rad weist eine Sensoranordnung mit einem ersten Sensorelement zum Messen einer Verformung eines Felgenbetts einer Felge des Rads in eine erste Richtung, ein zweites Sensorelement zum Messen einer Verformung des Felgenbetts in eine zweite Richtung und ein drittes Sensorelement zum Messen einer Verformung des Felgenbetts in eine dritte Richtung auf. Bei den drei Sensorelementen handelt es sich also um Dehnungssensoren. Bevorzugt sind diese in der Sensoranordnung zu einer baulichen Einheit zusammengefasst.
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Zum Übertragen der gemessenen Verformungen ist die Sensoranordnung signalleitend mit der Rechenvorrichtung verbunden. Dadurch werden die gemessenen Verformungen der Rechenvorrichtung als Eingangssignale zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise werden die Signale kabellos, etwa per Funk übertragen.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm implementiert die auf die Messung der Dehnungen folgenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer bevorzugten Weiterbildung. Es umfasst also Anweisungen zur Ausführungen entsprechender Verfahrensschritte. Im Einzelnen ist das Computerprogramm ausgebildet, eine Rechenvorrichtung zu veranlassen, einer Dehnung eines Felgenbetts eines Rads in eine erste Richtung, einer Dehnung des Felgenbetts in eine zweite Richtung und einer Dehnung des Felgenbetts in eine dritte Richtung mindestens eine auf das Rad einwirkende Kraft zuzuordnen. Das Computerprogramm veranlasst die Rechenvorrichtung zur Ausführung der genannten Verfahrensschritte, wenn das Computerprogramm von der Rechenvorrichtung ausgeführt wird. Es kann auf einem Speichermedium gespeichert oder in einem oder mehreren übertragungsfähigen oder übertragenen Signalen codiert sein. Insbesondere kann das Computerprogramm als ein Computerprogrammprodukt vorliegen, das heißt als eine handelbare Einheit bzw. eine Einheit, die dem Zweck dient, den Besitz an dem Computerprogramm zu übertragen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
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1 stellt den Verlauf eines Signals 101 eines ersten Sensorelements, eines Signals 103 eines zweiten Sensorelements und eines Signals 105 eines dritten Sensorelements in Abhängigkeit eines Drehwinkels 107 eines Rads dar. Das erste Sensorelement, das zweite Sensorelement und das dritte Sensorelement sind Teil einer Sensoranordnung, die im Felgenbett einer Felge des Rads angebracht ist. Bei den drei Sensorelementen handelt es sich um Dehnungssensoren, die jeweils eine Dehnung des Felgenbetts messen.
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Die gemessenen Dehnungen des Felgenbetts sind abhängig von Kräften, die auf einen zu dem Rad gehörigen, auf die Felge aufgezogenen Reifen einwirken. Anhand der gemessenen Signale 101, 103, 105 lassen sich daher Rückschlüsse auf diese Kräfte ziehen.
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Das erste Sensorelement ist parallel zu der Drehachse des Rads ausgerichtet. Sein Signal 101 entspricht daher einer Dehnung des Felgenbetts in Querrichtung X parallel zu der Drehachse. Das zweite Sensorelement ist in Umfangsrichtung Y der Felge bzw. tangential ausgerichtet. Sein Signal 103 entspricht daher einer Verformung des Felgenbetts in Umfangsrichtung Y.
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Das Signal 101 des ersten Sensorelements und das Signal 103 des zweiten Sensorelements weisen bei gleichen Drehwinkeln einen Nulldurchgang auf. Im Stillstand lassen sich hier anhand der Sensorsignale 101, 103 keinerlei Reifenkräfte bestimmen. Daher wird zusätzlich das Signal 105 eines dritten Sensorelements herangezogen. Dieses ist so ausgerichtet, dass es entlang einer Richtung XY misst, die im Winkel von jeweils 45° der Querrichtung X und der Umfangsrichtung Y verläuft.
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Das Signal 105 des dritten Sensorelements weist an anderen Stellen einen Nulldurchgang auf als die Signale 101, 105 des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements. Daher lassen sich die auf den Reifen einwirkenden Kräfte auch bei einem Nulldurchgang der Signale 101, 103 des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements ermitteln.
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Darüber hinaus besteht ein umkehrbar eindeutiger Zusammenhang zwischen den drei Signalen 101, 103, 105 und dem Drehwinkel 107 des Rads. Dies erlaubt es, den Drehwinkel 107 in Abhängigkeit der drei Signale 101, 103, 105 zu bestimmen. Eine separate Messung des Drehwinkels 107 zur Bestimmung der auf den Reifen einwirkenden Kräfte ist daher obsolet.
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Bezugszeichen
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- 101
- Signal
- 103
- Signal
- 105
- Signal
- 107
- Drehwinkel
- X
- Querrichtung
- Y
- Umfangsrichtung
- XY
- Richtung
