CN101228423A - 用于汽车的测量装置 - Google Patents

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Abstract

用于汽车的测量装置，具有一个支架(1)、一个与支架(1)连接的关节(8)，它具有一个关节外壳(20)和一个在外壳中活动支承的关节轴颈(19)，一个与关节(8)连接的部件(2)，它通过关节(8)可转动地支承在支架(1)上，一个角度测量装置(17，18)，通过它可以获得部件(2)相对于支架(1)的角度(φ)，和一个与角度测量装置(17，18)连接的评价装置(23)，该评价装置(23)具有一个与角度测量装置(17，18)连接的二次微分器(24)，对该微分器在中间连接计算单元(25)的条件下串联一个求和器或积分器(26)。

Description

用于汽车的测量装置
本发明涉及一种用于汽车的测量装置，具有一个支架、一个与支架连接的关节，它具有一个关节外壳和一个在外壳中活动支承的关节轴颈，一个与关节连接的部件，它通过关节可转动地支承在支架上，一个角度测量装置，通过它可以获得部件相对于支架的角度，和一个与角度测量装置连接的评价装置。本发明还涉及一种用于确定表征一个可转动地支承在支架上的汽车部件疲劳的疲劳值的方法。
力和/或转矩(下面同样称为力)在强烈承载的汽车部件上的持续作用可能导致材料疲劳并且在一定时间后导致这个部件断裂。一个疲劳识别系统可以在行驶机构部件断裂之前警示司机。此外期望获得由司机引起的汽车或部件的过负荷。为了实现可靠的疲劳识别需要尽可能准确地确定作用于部件上的力。一个方法是使用应变计。但是在此问题是测量电阻的高温度依赖性、粘接剂的许用附着力以及防止石头撞击的应变计外壳。
本发明的目的是，在汽车中在避免应变计的条件下实现一个强烈承载的部件的疲劳或磨损的测量。
这个目的通过如权利要求1所述的测量装置和如权利要求12所述的方法得以实现。在从属权利要求中给出优选的改进方案。
按照本发明的用于汽车的测量装置，具有一个支架、一个与支架连接的关节，它具有一个关节外壳和一个在外壳中活动支承的关节轴颈，一个与关节连接的部件，它通过关节可转动地支承在支架上，一个角度测量装置，通过它可以获得部件相对于支架的角度，和一个与角度测量装置连接的评价装置，其中该评价装置具有一个与角度测量装置连接的二次微分器(或二次微分器)，对该微分器在中间连接计算单元的条件下串联一个求和器或积分器。
通过按照本发明的测量装置能够以足够的精度确定部件的疲劳和磨损。因为部件在汽车行驶运行中相对于支架有规则地旋转并且可以通过部件与支架之间的角度描述偏转，因此这个角度按照时间的二次微分得到一个表示部件加速度的尺度。但是这个加速度也表示作用于部件上的作用力的尺度。
因为对于疲劳不重要的是，所作用的力是否使部件的速度增加或降低(制动)，由计算单元优选确定一个无符号的加速度或力值，它可以连续地或者以间断的时间间隔重新确定，其中使求得的无符号加速度或力值求和或者在时间上积分。
下面将由求和或积分形成的值称为疲劳值并且在汽车的实际应用中以足够的精度表示部件的疲劳。因为对于汽车中的部件一般允许一定的疲劳，对求和器或积分器串联一个阈值传感器，其输出只有在疲劳值超过一个给定的阈值时才有效或失效。这个阈值与部件有关并且表示对于部件的最大允许疲劳。
在前端领域对于关节和/或对于部件可以确定负荷曲线，其中求得，在怎样的负荷下关节和/或部件以怎样的频率执行多大的负荷变化、振动和/或倾翻或旋转运动。由此能够确定极限值，在该极限值时关节和/或部件被视为疲劳或磨损。该阈值可以以这个极限值为基础构成或者由这个极限值构成。
所述阈值传感器与汽车控制器连接。但是优选对阈值传感器串联一个由这个阈值传感器操纵的信号发生器，它指示司机超过阈值。该信号发生器例如可以由声学或光学的信号发生器构成并且优选设置在汽车的驾驶室里面
为了在评价装置的供电失效时不丢失直到目前求得的疲劳值，可以使求和器或积分器具有一个存储器。这个存储器可以由附加的电池供电和/或由不易失存储器构成，它在供电失效时也存储地保持疲劳值。
所述二次微分器、计算单元和/或求和器或积分器可以由模拟的或数字结构组件构成。但是优选使所述二次微分器、计算单元和/或求和器或积分器由至少一个数字计算器构成或者由在这个数字计算器中运行的程序构成。其优点是，一个已经在汽车中存在的计算机通过适合的软件可以作为评价装置，由此只发生微少的附加成本。所述二次微分器、计算单元和/或求和器或积分器可以通过软件以数字途经实现。所述二次微分器的扫描频率大于求和器或积分器的扫描频率，该扫描频率优选位于约1Hz的数量级。但是尤其使二次微分器的扫描频率至少两倍或三倍于求和器或积分器的扫描频率。
作为疲劳值可以使作用于部件上的加速度或力值在时间上求和或积分。这一点对于许多应用是足够的，由计算单元构成无符号的加速度或力值尤其是二次按照时间微分的测量值的(绝对)值。因此所述计算单元具有一个数值形成器，它例如可以由全波整流器构成或者由数字计算器构成。
为了对于疲劳值的计算实现更高的精度，可以考虑不同强度的作用力不同程度地影响到部件的疲劳。在某个极限以下的力实际上可能导致小的疲劳，而在一定的极限以上的力可能导致立刻完全失效。通过一个函数或者特征曲线描述确定的作用力如何快速地导致失效的关系，它也可以称为应力数曲线。作用力或加速度或者力或加速度的数值可以作为数值给到这个函数，由此可以求得其函数值。附加地可以由函数值与给到函数计算的数值计算乘积。该函数值和/或乘积可以连续地或者以间断的时间间隔重新确定，其中使求得的函数值或乘积或函数值或乘积的数值求和或者在时间上积分。所述函数可以由计算单元实现或者通过这个计算单元转换。尤其是该计算单元为此具有一个实现或转换函数的函数单元。此外该计算单元可以包括一个数值形成器。尤其是可以由计算单元首先确定上述乘积，由此使计算单元优选具有一个乘法器。该乘积尤其是一个无符号的数值，因此可以省去数值形成器。
所述部件可以由行驶机构部件构成，它在汽车中处于特别大的负荷下。尤其是该部件是行驶机构摆臂、例如上或下横向摆臂。因为汽车摆臂作为汽车结构与车轮支架之间的连接机构使用，因此优选使支架由汽车结构或者由汽车的车轮支架构成。
在汽车的行驶机构中使用弹性体轴承或者球头节，它们可以形成关节。关于球头节在这里应该理解为弹性或橡胶关节，它可以与球头节一样在相同的空间方向上运动。为此可以使关节具有一个内部件和一个外部件，其中该内部件在中间连接弹性体的条件下设置在外部件里面。但是尤其是关节是一个球头节，其中关节轴颈或球轴颈可旋转并可偏转地支承在关节外壳里面。这种支承可以在中间连接球壳的条件下实现。
优选使所述角度测量装置组合在关节里面，由此使测量装置通过关节外壳免受外界影响。此外一种用于角度测量装置的磁的测量方法已经证实是特别不易干扰的，因此使角度测量装置优选具有一个磁铁和一个与磁铁共同作用的磁场敏感的传感器。该磁铁在此可以设置在关节轴颈上面或里面而磁场敏感的传感器可以设置在关节外壳上面或里面。尤其是由角度测量装置测量关节轴颈相对于关节外壳占据的角度，因为这个角度也表征部件相对于支架占据的那个角度。由此至少间接地测量部件与支架之间的角度。
与本发明的思想相关一个汽车包括一个汽车结构、一个具有汽车部件的车轮悬挂和至少一个按照本发明的测量装置，它可以按照所有上述的扩展结构改进。
此外本发明涉及一种用于确定表征一个可转动地支承在支架上的汽车部件疲劳的疲劳值的方法或者说使用按照本发明的测量装置确定表征部件疲劳的疲劳值，其特征在于
-通过先后衔接地测量部件与支架之间的角度确定角度数据，
-通过角度按照时间的二次微分确定加速度数据，
-以加速度数据为基础确定无符号的力数据，
-通过在时间上对无符号的力数据求和或积分确定疲劳值。
在此该测量装置可以按照所有上述扩展结构改进。“数据”概念要表明数字计算机作为评价装置的优选应用。但是也可以使“数据”概念表示一个或多个值，它们作为模拟或数字信号供使用，而不使用计算机。
无符号的力数据可以通过形成加速度数据数值确定。附加或可选择地使无符号的力数据以函数或尤其称为应力数曲线的特征曲线为基础求得。在此可以由在前端领域求得的负荷曲线确定函数或者特征曲线。因此可以将加速度数据或其数值或者由加速度数据或其数值形成的力数据或其数值作为数值给到函数并且求得其函数值。然后可以以函数值为基础确定无符号的力数据。尤其是为了确定无符号的力数据使每个函数值与给到函数的用于确定这个函数值的数值相乘。
原则上可以通过适合的系数修改角度、角度数据、加速度数据、无符号的力数据以及疲劳值。例如可以在角度测量装置与评价装置之间、在二次微分器与计算单元之间、在计算单元与求和器或积分器之间和/或在求和器或积分器后面连接附加的结构组件，它们尤其考虑形状系数或比例常数。如果由数字计算机构成评价装置，也可以通过数字计算机实现这些附加的结构组件。为此仅需修改软件。尤其是可以接收关节在汽车运行中的运动(角度)、频率和/或负荷并且寄存在一个例如位于评价装置里面的长效存储器里面。此外在这个长效存储器里面或者在评价装置的另一存储器里面可以寄存在前端领域中求得的负荷曲线并且与在运行期间接收的并且存储在长效存储器里面的数据进行比较，由此在超过极限值时可以发出警示信号。所述计算单元或函数单元例如可以具有存储器，在其中寄存负荷曲线并且根据输送到计算单元或函数单元的输入值以负荷曲线或特征曲线为基础产生并给出一个输出值。不必实时地评价优选连续地或者犹如连续地获得的角度数据，而是可以在时间上滞后地进行。但是这个时间滞后尤其要足够地小，用于可以及时地识别关节的磨损或疲劳状态。
在行驶机构部件中的力能够间接地通过这个部件在行驶运行中的加速度确定。所述角度传感器适合于测量加速度，它尤其可以组合在球头节里面。在这种情况下角度传感器测量关节轴颈相对于外壳占据的角度并由此也形成例如一个上和下横向摆臂以及车轮支架的位置。通过两次数字微分角度数据能够计算在行驶机构部件中的加速度，它与力成比例。由这些作用力或加速度例如形成数值和/或上述乘积，据此使无符号的力或加速度相加并由此提供关于行驶机构中负荷的信息。在此所述角度测量装置与评价装置组合地构成。由求得的负荷能够确定，从何时部件达到或超过疲劳极限。
附加地可以由现有的多体模型和/或由样机的测量数据计算角度与预言重要的力之间的传递函数，其中可以通过计算单元或函数单元实现或转换传递函数。例如可以在时间范围或频率范围中使传递函数公式化。但是本发明独立于所使用的数学模型。因为角度或角度数据的二次时间导数表征部件的加速度并由此也表征作用于这个部件上的作用力，总是直接或间接地两次按照时间微分角度或角度数据，而与例如是否在频率范围通过相乘或者在时间范围数字地通过形成差值或比例描述微分无关。
在行驶机构中产生-40℃至+125℃的温度，其中按照本发明的测量装置与使用应变计相比明显地改进精度。
下面借助于附图中所示的优选实施例描述本发明。附图中：
图1示出一个汽车车轮悬挂的示意图，具有按照本发明的测量装置的实施例，
图2示出按照图1的球头节的示意图，具有组合的角度测量装置，
图3示出按照图1的评价装置的示意方框图，
图4示出按照图3的评价装置的变化。
由图1可以看出一个车轮悬挂5的示意图，其中一个车轮支架1通过上横向摆臂2、一个下横向摆臂3和一个导向摆臂4与一个局部示出的汽车7的汽车结构6连接。该上横向摆臂2通过一个球头节8与车轮支架1连接并且通过球形关节9与汽车结构6连接。所述下横向摆臂3通过球头节10与车轮支架1连接并且通过弹性体轴承11与汽车结构6连接。此外所述导向摆臂4通过球头节12与车轮支架1连接并且通过弹性体轴承13与汽车结构6连接。在车轮支架1上可转动地支承一个轮胎或车轮14，它在车轮放置点15与示意表示的行驶道16接触。
由图2看出球头节8的示意图，在其中组合一个具有磁铁17和磁场敏感的传感器18的角度测量装置。在此磁场敏感的传感器18设置在球头节8的外壳20里面，而磁铁17位于球头节8的球轴颈19里面，它可旋转和偏转地支承在球头节外壳20里面。该球头节外壳20固定地与上横向摆臂2连接，而球轴颈19固定在车轮支架1上。
通过在图1和2中所示的车轮悬挂能够实现上横向摆臂2的磨损测量。附加地或者可选择地能够对于车轮悬挂的一个或多个其它摆臂实现这种测量。
在图2中示出的角度表示球轴颈19的纵轴线21与球头节外壳20的纵轴线22之间的偏转。这个角度也描述上横向摆臂2相对于车轮支架1或者汽车结构6的偏转并且通过角度测量装置确定。在此该角度测量装置或者说磁场敏感的传感器18与一个由图1看出的并且设置在汽车结构6里面的评价装置23连接。也可以选择或者附加地使测得的角度代表球轴颈19相对于关节外壳20围绕其纵轴线21的旋转，因为在关节8的另一安装位置这个角度可以称为上横向摆臂2的偏转。
由图3看出由一个数字计算器构成的评价装置23的示意方框图，其中提供代表一个角度的值的磁场敏感传感器18与二次微分器24连接。这个微分器以第一扫描频率扫描磁场敏感的传感器18的输出并且提供一个二次按照时间微分的值
Figure S2006800264605D00061
，它附属于一个由数值形成器构成的计算单元25，它形成
Figure S2006800264605D00062
的数值。该计算单元25的输出值
Figure S2006800264605D00063
由一个加法器26以第二扫描频率扫描，该频率小于第一扫描频率。在此该数值
Figure S2006800264605D00064
提供一个无符号的力信号或无符号的力数据。所述加法器26将扫描的数值相加并且作为输出信号给出计算的和w，它表示上横向摆臂2的磨损。该加法器26具有一个存储器27，它在供电失效时也存储地保持和或磨损w。将数值w输送到一个阈值传感器28，它在超过一个给定的阈值时控制一个信号发生器29，它优选由设置在汽车驾驶室里面的发光器构成，它给司机光学地指明超过阈值。
由图4看出评价装置23的变化，其中所述计算单元25具有一个描述特征曲线或者负荷曲线的函数单元30和一个乘法器31。但是除了计算单元25按照图4的评价装置与按照图3的评价装置一致地构成。但是阈值传感器28可以具有一个不同的或者适配的阈值。
将数值
Figure S2006800264605D00071
输送到函数单元30，其中该函数单元30根据特征曲线或负荷曲线提供函数值
Figure S2006800264605D00072
作为输出值。将该输出值
Figure S2006800264605D00073
和数值
Figure S2006800264605D00074
输送到乘法器31，它形成乘积
Figure S2006800264605D00075
并且给到加法器26上。在此乘积
Figure S2006800264605D00076
尤其形成一个无符号的力信号或无符号的力数据。附加地可以使计算单元25具有一个数值形成器，它例如串联在乘法器31上或者前置于函数单元30和/或乘法器31。
所述特征曲线或负荷曲线优选在前端领域中确定并且尤其寄存在计算单元25或函数单元30的存储器32里面。
附图标记清单
1     车轮支架
2     上横向摆臂
3     下横向摆臂
4     导向摆臂
5     车轮悬挂
6     汽车结构
7     汽车
8     球头节
9     球形关节
10    球头节
11    弹性体轴承
12    球头节
13    弹性体轴承
14    车轮
15    车轮支承点
16    行驶道
17    磁铁
18    磁场敏感传感器
19    球轴颈
20    球头节外壳
21    球轴颈的纵轴线
22    关节外壳的纵轴线
23    评价装置
24    二次微分器
25    计算单元
26    求和器或积分器
27    求和器或积分器的存储器
28    阈值传感器
29    信号发生器
30    计算单元的函数单元
31    计算单元的乘法器
32    计算单元的存储器
    球轴颈与关节外壳之间的角度，角度数据
    加速度数据
    无符号的力数据
Figure S2006800264605D00093
    无符号的力数据
w    疲劳值，疲劳数据

Claims (14)

1.用于汽车的测量装置，具有一个支架(1)、一个与支架(1)连接的关节(8)，它具有一个关节外壳(20)和一个在外壳中活动支承的关节轴颈(19)，一个与关节(8)连接的部件(2)，它通过关节(8)可转动地支承在支架(1)上，一个角度测量装置(17，18)，通过它可以获得部件(2)相对于支架(1)的角度()，和一个与角度测量装置(17，18)连接的评价装置(23)，其特征在于，所述评价装置(23)具有一个与角度测量装置(17，18)连接的二次微分器(24)，对该微分器在中间连接计算单元(25)的条件下串联一个求和器或积分器(26)。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，对求和器或积分器(26)串联一个阈值传感器(28)。
3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，由阈值传感器(28)可以操纵串联在阈值传感器后面的信号发生器(29)。
4.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述求和器或积分器(26)具有一个存储器(27)。
5.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述二次微分器(24)、计算单元(25)和求和器或积分器(26)构造成数字结构组件或者由至少一个数字计算器(23)构成。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述二次微分器(24)的扫描频率大于求和器或积分器(26)的扫描频率。
7.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述部件由汽车(6)的车轮悬挂(5)中的摆臂(2)构成。
8.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述支架由汽车结构(6)或者由汽车的车轮支架(1)构成。
9.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述角度测量装置组合在关节(8)里面。
10.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述计算单元(25)具有一个数值形成器。
11.如上述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述计算单元(25)具有一个函数单元(30)和一个乘法器(31)。
12.用于确定表征一个可转动地支承在支架上的汽车部件的疲劳的疲劳值的方法，其特征在于，
-通过先后衔接地测量部件(2)与支架(1)之间的角度()确定角度数据，
-通过角度()按照时间的二次微分确定加速度数据()，
-以加速度数据()为基础确定无符号的力数据(
Figure S2006800264605C00023
)，
-通过在时间上对无符号的力数据(
Figure S2006800264605C00024
)求和或积分确定疲劳值(w)。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过使加速度数据()形成数值确定无符号的力数据(
Figure S2006800264605C00026
)。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，确定一个负荷曲线并且以这个负荷曲线为基础求得无符号的力数据。
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