(57)【要約】  自動車向け測定装置であって、支持部（１）と、該支持部（１）に結合したジョイント（８）と、該ジョイント（８）に結合した部材（２）と、角度測定装置（１７，１８）と、該角度測定装置（１７，１８）に接続された評価装置（２３）を有しており、前記ジョイント（８）はジョイントケーシング（２０）と該ジョイントケーシング（２０）内に可動に支承されたジョイントジャーナル（１９）を有しており、前記部材（２）は前記ジョイント（８）を介して旋回可能に前記支持部（１）に支承されており、前記角度測定装置により前記部材（２）の前記支持部（１）に対する角度（φ）が測定され、前記評価装置（２３）は前記角度測定装置（１７，１８）に接続された２階微分ユニット（２４）を有しており、この２階微分ユニット（２４）には、計算ユニット（２５）を間に挟んで、加算器または積分器（２６）が後置接続されている。
2009501912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車向け測定装置であって、支持部（１）と、該支持部（１）に結合したジョイント（８）と、該ジョイント（８）に結合した部材（２）と、角度測定装置（１７，１８）と、該角度測定装置（１７，１８）に接続された評価装置（２３）を有しており、前記ジョイント（８）はジョイントケーシング（２０）と該ジョイントケーシング（２０）内に可動に支承されたジョイントジャーナル（１９）を有しており、前記部材（２）は前記ジョイント（８）を介して旋回可能に前記支持部（１）に支承されており、前記角度測定装置により前記部材（２）の前記支持部（１）に対する角度（φ）が測定される形式の自動車向け測定装置において、前記評価装置（２３）は前記角度測定装置（１７，１８）に接続された２階微分ユニット（２４）を有しており、この２階微分ユニット（２４）には、計算ユニット（２５）を間に挟んで、加算器または積分器（２６）が後置接続されていることを特徴とする自動車向け測定装置。
【請求項２】
加算器または積分器（２６）に閾値設定器（２８）が後置接続されている、請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
閾値設定器（２８）は閾値設定器（２８）に後置接続された報知器（２９）を作動させることができる、請求項２記載の測定装置。
【請求項４】
加算器または積分器（２６）はメモリ（２７）を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項５】
２階微分器（２４）、計算ユニット（２５）、および、加算器もしくは積分器（２６）はデジタルモジュールとして形成されているか、または少なくとも１つのデジタル計算機として形成されている、請求項１から４のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項６】
２階微分器（２４）のサンプリング周波数は加算器または積分器（２６）のサンプリング周波数よりも高い、請求項５記載の測定装置。
【請求項７】
前記部材は自動車（６）のサスペンション（５）のアーム（２）により形成されている、請求項１から６のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項８】
前記支持部は自動車の車体（６）またはホイールキャリア（１）により形成されている、請求項１から７のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項９】
前記角度測定装置はジョイント（８）に組み込まれている、請求項１から８のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項１０】
計算ユニット（２５）は絶対値算出器を有している、請求項１から９のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項１１】
計算ユニット（２５）は演算器（３０）と乗算器（３１）を有している、請求項１から１０のいずれか１項記載の測定装置。
【請求項１２】
支持部に旋回可能に支承された自動車部材の疲労を表す疲労値を求める方法において、部材（２）と支持部（１）の間の角度（φ）を連続して測定することにより角度データを求め、角度データ（φ）を時間に関して２階微分することにより加速度データ
2009501912.tif 000017
を求め、加速度データ
2009501912.tif 000018
を基に符号なしの力データ
2009501912.tif 000019
を求め、符号なしの力データ
2009501912.tif 000020
を時間に関して累算または積分することにより疲労値（ｗ）を求めることを特徴とする、支持部に旋回可能に支承された自動車部材の疲労を表す疲労値を求める方法。
【請求項１３】
加速度データ
2009501912.tif 000021
の絶対値を求めることにより符号なし力データ
2009501912.tif 000022
を求める、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
負荷プロフィールを求め、符号なし力データをこの負荷プロフィールに基づいて求める、請求項１２または１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持部と、該支持部に結合したジョイントと、該ジョイントに結合した部材と、角度測定装置と、該角度測定装置に接続された評価装置を有する自動車向け測定装置であって、前記ジョイントがジョイントケーシングと該ジョイントケーシング内に可動に支承されたジョイントジャーナルとを有しており、前記部材は前記ジョイントを介して旋回可能に前記支持部に支承されており、前記角度測定装置により前記部材の前記支持部に対する角度が測定される形式の自動車向け測定装置に関するものである。さらに、本発明は旋回可能に支持部に支承された自動車部材の疲労を表す疲労値を求める方法にも関する。
【０００２】
自動車の激しく酷使される部材への力および／またはモーメント（以下では同様に力と呼ぶ）の絶え間ない作用は材料疲労をもたらし、ある一定の時間が経過した後には、この部材の破損に至ることもある。疲労検出システムはシャーシの構成要素が破損する前に運転者に警告を発するかもしれない。さらには、運転者が原因となった車両の酷使も検出することが望ましい。信頼できる疲労検出を実現するには、部材に作用する力を可能な限り正確に求めることが必要である。そのための１つの方策がストレインゲージの使用である。しかし、この場合、測定抵抗の高度の温度依存性、接着剤の粘着力の低下、ストレインゲージを落石から保護するケーシングが問題となる。
【０００３】
本発明の課題は、ストレインゲージを用いて自動車の激しく酷使される部材の疲労ないし摩耗の測定を実現することである。
【０００４】
この課題は請求項１による測定装置と請求項１２による方法により解決される。有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００５】
本発明による測定装置は、支持部と、該支持部に結合したジョイントと、該ジョイントに結合した部材と、角度測定装置と、該角度測定装置に接続された評価装置を有しており、前記ジョイントはジョイントケーシングと該ジョイントケーシング内に可動に支承されたジョイントジャーナルを有しており、前記部材は前記ジョイントを介して旋回可能に前記支持部に支承されており、前記角度測定装置により前記部材の前記支持部に対する角度が測定され、前記評価装置は前記角度測定装置に接続された２階微分器（または２階微分器）を有しており、この２階微分器には、計算ユニットを間に挟んで、加算器または積分器が後置接続されている。
【０００６】
本発明による測定装置によれば、部材の疲労ないし摩耗を十分な精度で求めることが可能である。部材は車両走行時に支持部に対して規則的に旋回し、この旋回は部材と支持部との間の角度によって表すことができるので、この角度の時間による２階微分により部材にかかる加速度の尺度が得られる。しかし、この加速度は部材に作用する力の尺度でもある。
【０００７】
作用する力が部材の速度を上げるのかまたは下げる（制動する）のかは疲労にとっては重要ではないので、計算ユニットにより符号なしの加速度または力の値を求めることが好ましい。この値は連続的にまたは離散的な時間間隔をもって新たに求められ、求められた符号なしの加速度または力の値は累算されるか、時間積分される。
以降、加算器または積分器により求められた値は疲労値と見なされ、自動車での実際の使用にとって十分な程度に部材の疲労を表す。自動車の部材にとってつねにある一定の疲労は許容しうるものであるから、加算器または積分器には閾値設定器が後置接続される。この閾値設定器の出力側は、疲労値が所定の閾値を超えてはじめてアクティブまたは非アクティブとなる。この閾値は部材に依存するものであり、部材の最大許容疲労を表す。
【０００８】
前もってジョイントおよび／または部材に対する負荷プロフィールを求めてもよい。その際、負荷の程度に応じて、ジョイントおよび／または部材がどの程度の頻度で何回の負荷変動、振動、および／または、傾動もしくは回転運動を行うことができるかが求められる。ジョイントおよび／または部材を疲労または摩耗していると見なす限界値はこの負荷プロフィールから求められる。閾値はこの限界値を基にまたはこの限界値から求めることができる。
【０００９】
閾値設定器は車両制御システムと接続させてもよい。しかし、閾値設定器には、この閾値設定器によって操作可能な報知器を後置接続し、この報知器によって閾値を超えたことを運転者に知らせることが好ましい。この報知器は例えば音声または光による報知器としてよく、好適には自動車の車室内に配置される。
評価装置へのエネルギー供給が止まった場合にそれまでに求められた疲労値が失われないようにするため、加算器または積分器はメモリを有するものとしてよい。このメモリは付加的なバッテリからエネルギー供給されるようにする、および／または、エネルギー供給が止まった場合でも疲労値を保持しておける不揮発メモリとして形成してもよい。
【００１０】
２階微分器、計算ユニット、および／または、加算器もしくは積分器はアナログモジュールとして形成してもよいし、デジタルモジュールとして形成してもよい。しかし、好ましくは、２階微分器、計算ユニット、および／または、加算器もしくは積分器は少なくともデジタル計算機またはこのデジタル計算機で実行されるプログラムにより形成される。これには自動車に既に存在しているコンピュータを適切なソフトウェアにより評価装置として使用することができるという利点があり、僅かな追加コストしか発生しない。したがって、２階微分器、計算ユニット、および／または、加算器もしくは積分器はソフトウェアを用いて数値計算的に実現することができる。加算器または積分器のサンプリング周波数はおよそ１Ｈｚであることが望ましいが、２階微分器のサンプリング周波数は特に加算器または積分器のサンプリング周波数よりも高い。特に、２階微分器のサンプリング周波数は加算器または積分器のサンプリング周波数の少なくとも２〜３倍である。
【００１１】
疲労値は部材に作用する加速度または力の値を時間に関して累算または積分したものとしてよい。多くの用途にとってはこれで十分であるので、計算ユニットは、符号なしの加速度または力の値として、特に、時間に関して２階微分された測定値の（絶対）値を求める。それゆえ、計算ユニットは絶対値算出器を有している。この絶対値算出器は、例えば、全波整流器として形成することもできるし、デジタル計算機によって形成されるものであってもよい。
【００１２】
疲労値の精度をより高くするために、作用する力の強さが異なれば、部材の疲労に対する影響の強さも異なるものであることを考慮してもよい。ある一定の限界内の力であれば、実際上は疲労が生じないのに対して、所定の限界を超える力の場合には、即座に完全な破損が生じることがありうる。力の大きさと破損の速さとの依存関係は関数または特性曲線によって表される。なお、この特性曲線はＳ-Ｎ曲線とも呼ばれる。この関数に力もしくは加速度または力もしくは加速度の絶対値を値として渡せば、その関数値が求められる。さらに、関数値と関数の計算に渡された値との積を計算してもよい。上記の関数値および／または積は連続的にまたは離散的な時間間隔をもって新たに求められるものとしてよい。その際、求められた関数値もしくは積、または関数値もしくは積の絶対値は、累算または時間積分される。この関数は計算ユニットにより実現してもよいし、計算ユニットを用いて実施してもよい。そのために、計算ユニットはとりわけ関数を実現または実施する演算器を有する。さらに、計算ユニットが絶対値算出器を含むようにしてもよい。特に、上に述べた積が計算ユニットにより求められるように、計算ユニットは乗算器を有していることが望ましい。積はとりわけ無符号値であるので、絶対値算出器は必要ない。
【００１３】
部材は自動車において特に大きな負荷にさらされるシャーシ部材として形成されたものであってよい。とりわけ、部材はシャーシリンク、例えば、アッパーアームまたはロワアームである。  自動車リンクは車体とホイールキャリアの間の結合手段として使用されているため、支持部は自動車の車体またはサスペンションにより形成されていることが好ましい。自動車のシャーシではエラストマーベアリングや球面ジョイントが使用され、ジョイントが形成される。ここで、球面ジョイントとは、ボールジョイントと同じ方向に可動のエラストマージョイントまたはゴムジョイントであると理解されなければならない。そのために、ジョイントは内部部材と外部部材を有するものとしてよい。ここで、内部部材は外部部材内に配置されており、エラストマーボディは内部部材と外部部材の間に挟まれている。ジョイントはとりわけボールジョイントであり、ジョイントジャーナルまたはボールピボットは回転可能または旋回可能な形でジョイントケーシング内に支承されている。ジョイントジャーナルまたはボールピボットの支承はボールシェルを間に挿入して行ってもよい。
【００１４】
有利には、角度測定装置はジョイントに組み込まれているため、ジョイントケーシングにより外部の影響から保護されている。さらに、角度測定装置にとっては磁気測定方式が特に耐妨害性が高いことが分かっているので、角度測定装置は有利にはマグネットとこのマグネットと協働する磁界センサとを有する。マグネットはジョイントジャーナルの表面または中に、磁界センサはジョイントケーシングの表面または中に配置してよい。
【００１５】
角度測定装置は、とりわけ、ジョイントジャーナルがジョイントケーシングに対してなす角度を測定する。というのも、この角度は部材が支持部に対してなす角度をも表しているからである。このように、部材と支持部との間の角度は少なくとも間接的に求められる。
【００１６】
車体と、自動車部材を有するサスペンションと、上に述べたすべての実施形態に従って形成されうる少なくとも１つの本発明による測定装置とを備えた自動車も、本発明の思想から含意される。
【００１７】
さらに、本発明は、自動車部材と支持部の間の角度を連続して測定することにより角度データを求め、角度データを時間に関して２階微分することにより加速度データを求め、加速度データを基に符号なしの力データを求め、符号なしの力データを時間に関して累算または積分することにより疲労値を求めるようにした、支持部に旋回可能に支承された自動車部材の疲労を表す疲労値を求める方法にも関する。
なお、測定装置はさらに上に述べたすべての実施形態に従って形成することができる。「データ」という概念は、評価装置としてデジタル計算機を使用することが好ましいということを示唆している。しかし、「データ」という概念が、コンピュータを用いずにアナログ信号またはデジタル信号として使用される１つまたは複数の値を表すこともまた可能である。
【００１８】
符号なし力データは加速度データの絶対値を計算することで求めることができる。補足的にまたは択一的に、符号なし力データを特にＳ-Ｎ曲線と呼ばれる関数または特性曲線に基づいて求めてもよい。この関数または特性曲線は前もって求めておいた負荷フロフィールから求めることもできる。それゆえ、加速度データもしくはその絶対値、または、加速度データもしくはその絶対値から求められた力データもしくはその絶対値を値として関数に渡し、その関数値を求めることができる。そうすれば、符号なし力データはこの関数値に基づいて求められる。特に、符号なし力データを求めるために、各関数値はこの関数値を求めるために関数に渡された値で乗じられる。
【００１９】
原則的に、角度、角度データ、加速度データ、符号なし力データおよび疲労値は適切な係数で変更することが可能である。例えば、角度測定装置と評価装置の間、２階微分器と計算ユニットの間、計算ユニットと加算器もしくは積分器の間、および/または、加算器もしくは積分器の後に、とりわけ形状係数や比例定数を考慮する追加モジュールを接続してよい。評価装置がデジタル計算機によって形成されている場合、これらの追加モジュールもデジタル計算機で実現することができる。そのために必要なのはソフトウェアの変更だけである。とりわけ、自動車が動作しているときのジョイントの運動（角度）、振動数、および/または負荷を記録し、例えば評価装置内に設けられた長期メモリに格納してもよい。さらに、この長期メモリまたは評価装置の他のメモリに前もって求めておいた負荷プロフィールを格納し、動作中に記録され長期メモリに記憶されたデータと比較するようにしてもよく、そうすることにより、限界値を超えた場合に、警告信号を出すようにしてもよい。計算ユニットまたは演算器は例えば負荷プロフィールの格納されたメモリを有し、負荷プロフィールないし特性曲線に基づいて、計算ユニットまたは演算器に供給された入力値に応じて出力値を生成および出力するものであってよい。好ましくは連続的にまたは準連続的に測定された角度データの評価はリアルタイムで行う必要はなく、時間遅延を伴ってよい。しかし、この時間遅延は、ジョイントの摩耗状態または疲労状態がまだ間に合ううちに発見されるよう、十分に小さくなければならない。
【００２０】
シャーシ部材における力は走行時におけるこれら部材の加速度を介して間接的に求めることができる。加速度を測定するには、角度センサ、とりわけボールジョイントに組み込まれた角度センサが適している。この場合、角度センサはジョイントジャーナルがケーシングに対してなす角度を測定し、それとともに例えばアッパーアームおよびロワアームとホイールキャリアの位置も示す。力に比例するシャーシ部材の加速度は角度データの２階数値微分により求まる。これらの力または加速度から例えば絶対値および/または上で述べた積が求められると、符号なしの力または加速度が累算され、シャーシの負荷に関する情報が得られる。この場合、角度測定装置は評価装置と一体に形成されていてもよい。求められた負荷からは、いつ部材が疲労限界に達するかまたは疲労限界を超えるかが判明する。
【００２１】
補足的に、既存の多体モデルおよび/またはプロトタイプ段階での測定データから、角度と機能不全に関連する力との間の伝達関数を計算するようにしてもよい。なお、伝達関数は計算ユニットないし演算器を用いて実現または実施することができる。伝達関数は例えば時間領域または周波数領域で定式化することができる。しかし、本発明は使用される数学的モデルに依存しない。角度ないし角度データの２階時間微分は部材の加速度を、したがってまた部材に作用する力を表すものであるから、例えば微分が周波数領域において乗算により記述されるのか、または時間領域において差および商を求めることにより数値計算的に記述されるのかに関わりなく、つねに直接的または間接的に角度ないし角度データの時間に関する２階微分は行われる。
【００２２】
シャーシには−４０°Ｃから＋１２５°Ｃの温度が生じる。ここで、本発明による測定装置を使用すれば、ストレインゲージを使用するよりも明らかに精度が改善される。
【００２３】
以下では、図面を参照しつつ、有利な実施形態に基づいて本発明を説明する。
図１は、本発明による測定装置の１実施形態を備えた自動車のサスペンションの概略図を示す、
図２は、角度測定装置が組み込まれた図１によるボールジョイントの概略図を示す、
図３は、図１による評価装置の概略的なブロック回路図を示す、
図４は、図３による評価装置の変種を示す。
【００２４】
図１からは、サスペンション５の概略図が見て取れる。ここで、ホイールキャリア１はアッパーアーム２とロワアーム３とラジアスアーム４を介して部分的に図示された自動車７の車体６に結合されている。アッパーアーム２はボールジョイント８を介してホイールキャリア１に、球面ジョイント９を介して車体６に結合されている。ロワアーム３はボールジョイント１０を介してホイールキャリア１に、エラストマーベアリング１１を介して車体６に結合されている。
【００２５】
さらに、ラジアスアーム４はボールジョイント１２を介してホイールキャリア１に、エラストマーベアリング１３を介して車体６に結合されている。ホイールキャリア１にはタイヤないしホイール１４が回転可能に支承されており、タイヤないしホイール１４は車輪支承点１５において図式的に示された車道１６と接触している。
【００２６】
図２からは、ボールジョイント８の概略図が見て取れる。ボールジョイント８の中には、マグネット１７と磁界センサ１８とを有する角度測定装置が組み込まれている。ここで、磁界センサ１８がボールジョイント８のケーシング２０内に配置されているのに対して、マグネット１７はボールジョイントケーシング２０内に回転および旋回可能に配置されたボールピボット１９の中にある。ボールジョイントケーシング２０がアッパーアーム２に固定的に結合されているのに対して、ボールピボット１９はホイールキャリア１に固定されている。
【００２７】
図１および２に示されているサスペンションを用いれば、アッパーアーム２の摩耗測定が可能である。補足的にまたは択一的に、サスペンションの別の１つまたは複数のアームに対してこのような測定を行うことも可能である。
【００２８】
図２に示されている角度φはボールピボット１９の長手軸２１とボールジョイントケーシング２０の長手軸２２の間の旋回を表している。この角度φはホイールキャリア１ないし車体６に対するアッパーアーム２の旋回をも記述するものであり、角度測定装置によって求められる。角度測定装置ないし磁界センサ１８は図１に示されている車体６に配置された評価装置２３と接続されている。択一的にまたは補足的に、測定された角度がジョイントケーシング２０に対するボールピボット１９の長手軸２１回りの回転を表すことも可能である。というのも、ジョイント８の取付位置が異なれば、この角度はアッパーアーム２の旋回を表すことができるからである。
【００２９】
図３からは、デジタル計算機により形成された評価装置２３の概略的なブロック回路図が見て取れる。ここで、角度φの値を供給する磁界センサ１８は２階微分器２４と接続されている。２階微分器２４は磁界センサ１８の出力を第１サンプリング周波数でサンプリングし、時間に関して２階微分された値
2009501912.tif 000003
を供給する。値
2009501912.tif 000004
は絶対値算出器として形成された計算ユニット２５に供給され、この計算ユニット２５が
2009501912.tif 000005
の絶対値を算出する。計算ユニット２５の出力値
2009501912.tif 000006
は加算器２６により第１サンプリング周波数よりも低い第２サンプリング周波数でサンプリングされる。この絶対値
2009501912.tif 000007
は符号なし力信号ないし符号なし力データを成す。加算器２６はサンプリングされた値を加算し、アッパーアーム２の摩耗を表す計算された和ｗを出力信号として出力する。加算器２６はエネルギー供給が停止したときでも和ないし摩耗値ｗを記憶しておけるメモリ２７を有している。値ｗは閾値設定器２８に供給され、閾値設定器２８は所定の閾値が超過されると報知器２９を始動させる。報知器２９は好ましくは車両の車室内に配置されたランプとして形成されており、閾値が超過されたことを運転者に光で知らせる。
【００３０】
図４からは、評価装置２３の変種が見て取れる。ここで、計算ユニット２５は特性曲線ないし負荷プロフィールを求める演算器３０と乗算器３１を有している。計算ユニット２５を除けば、図４による評価装置は図３による評価装置と同一の構造を有している。ただし、閾値設定器２８は異なった適合した閾値を有している。
【００３１】
演算器３０には値
2009501912.tif 000008
が供給され、演算器３０は特性曲線ないし負荷プロフィールに従って出力値として関数値
2009501912.tif 000009
を出す。出力値
2009501912.tif 000010
と値
2009501912.tif 000011
は乗算器３１に供給され、乗算器３１は積
2009501912.tif 000012
を求め、加算器２６に出力する。積
2009501912.tif 000013
はとりわけ符号なし力信号ないし符号なし力データを成す。補足的に、計算ユニット２５は例えば乗算器３１に後置接続された絶対値算出器または演算器３０および/または乗算器３１に前置接続された絶対値算出器を有していてもよい。
【００３２】
特性曲線ないし負荷プロフィールは好ましくは前もって求められており、とりわけ、計算ユニット２５ないし演算器３０のメモリ３２に格納されている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による測定装置の１実施形態を備えた自動車のサスペンションの概略図を示す。
【図２】角度測定装置が組み込まれた図１によるボールジョイントの概略図を示す。
【図３】図１による評価装置の概略的なブロック回路図を示す。
【図４】図３による評価装置の変種を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１  ホイールキャリア
２  アッパーアーム
３  ロワアーム
４  ラジアスアーム
５  サスペンション
６  車体
７  自動車
８  ボールジョイント
９  球面ジョイント
１０  ボールジョイント
１１  エラストマーベアリング
１２  ボールジョイント
１３  エラストマーベアリング
１４  ホイール
１５  車輪支承点
１６  車道
１７  マグネット
１８  磁界センサ
１９  ボールピボット
２０  ボールジョイントケーシング
２１  ボールピボットの長手軸
２２  ジョイントケーシングの長手軸
２３  評価装置
２４  ２階微分器
２５  計算ユニット
２６  加算器または積分器
２７  加算器または積分器のメモリ
２８  閾値設定器
２９  報知器
３０  計算ユニットの演算器
３１  計算ユニットの乗算器
３２  計算ユニットのメモリ
φ  ボールピボットとジョイントケーシングの間の角度、角度データ
2009501912.tif 000014
2009501912.tif 000015
2009501912.tif 000016
ｗ  疲労値、疲労データ
【図１】
2009501912.tif 000023
【図２】
2009501912.tif 000024
【図３】
2009501912.tif 000025
【図４】
2009501912.tif 000026
【国際調査報告】
2009501912.tif 000027
2009501912.tif 000028
2009501912.tif 000029
2009501912.tif 000030