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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustands eines Fahrzeuges sowie ein Verfahren zur Verstellung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs.
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Bei Fahrzeugen werden zunehmend Regelsysteme eingesetzt, die Einfluss auf wesentliche Betriebsparameter des Fahrzeugs nehmen, wie z. B. auf das Bremsverhalten (Antiblockiersysteme), auf das Antriebsverhalten (Antischlupfsysteme) sowie auf die Fahrwerksabstimmung (adaptive, semiaktive oder aktive Fahrwerksregelsysteme). Bei derartigen Regelsystemen werden als Eingangsgrößen Informationen über den momentanen Bewegungszustand des Fahrzeugs benötigt, insbesondere Informationen über den momentanen Ort, die momentane Geschwindigkeit sowie die momentane Beschleunigung von Fahrzeugkomponenten. Von diesen Informationen ist die Karosseriebeschleunigung von besonderer Bedeutung. Systembedingt sind die Regelsysteme häufig relativ träge, insbesondere aufgrund der großen Karosseriemasse, so dass die Tendenz der Änderung des Bewegungszustands der Karosserie angebende Fahrzeugaufbaubeschleunigung ein Eingangswert ist, der dem jeweiligen Regelsystem eine frühzeitige Antwort auf Zustandsänderungen des Systems erlaubt. Dabei spielt der Beladungszustand des Fahrzeugs eine Wesentliche Rolle, da eine Veränderung des Beladungszustands eine Wesentliche Veränderung der Verhaltensdynamik des Fahrzeugs herbeiführen kann.
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Die genannten Eingangsgrößen (Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung) können mit Hilfe verschiedener Sensoren gewonnen werden. Die
DE 37 40 792 A1 beispielsweise zeigt einen Ultraschallsensor, der den Abstand der Karosserie vom Untergrund abgibt. Die
DE 38 18 188 C2 setzt sowohl einen Weggeber
2 ein, der den momentanen Abstand zwischen Karosserie und Fahrzeugrad angibt, wie auch einen Sensor
1 für die Radbeschleunigung und einen Sensor
3 für die Aufbau- oder Karosseriebeschleunigung. Diese gemessenen Größen werden einem aktiven Federungssystem als Eingangswerte zugeführt. Die
EP 0 431 597 A1 beschreibt eine aktive Fahrwerkssteuerung unter Verwendung von Beschleunigungssensoren
15 für die vertikale Aufbaubeschleunigung. Ferner sind Wegsensoren
14 vorgesehen, die den relativen Abstand zwischen den Rädern des Fahrwerks und der Karosserie messen.
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Diese Verfahren zur Bestimmung der Lage des Fahrzeugaufbaus und somit auch des Beladungszustands sind sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges und effektives Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustands eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Diese vorstehende Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Ermittlung des Beladungszustands eines Fahrzeugs gemäß dem vollständigen Patentanspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen des Verfahrens beschrieben.
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Dabei wird die momentane Fahrzeugdynamik eines Fahrzeugs bestimmt, die anschließend mit einer Referenzfahrzeugdynamik bei einem Referenzbeladungszustand verglichen wird. Dadurch kann eine Steuereinheit auf den Beladungszustand, insbesondere auf die Beladungsmasse und/oder auf deren Verteilung, schließen.
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Die Fahrzeugdynamik beschreibt hier insbesondere das Verhalten des Fahrzeugaufbaus des Fahrzeugs, beispielsweise bei einer bestimmten Fahrzustand. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug wie einen LKW, oder auch um einen Anhänger handeln. Zudem kann es sich bei dem Fahrzeug auch um ein Kraftrad handeln.
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Die Veränderung der Fahrzeugdynamik ist dabei sehr komplex, kann jedoch zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips mit einem Federpendel verglichen werden. Dabei ist eine Masse an einer Feder mit einer Federkonstante aufgehängt und anschließend wird eine Energie, vergleichbar mit einem Stoß, der in der Fahrwerk eingeleitet wird, in das Federpendel eingeleitet. Die Masse führt hierbei eine periodische Bewegung aus, wobei deren Schwingungsfrequenz und auch deren Auslenkung von der Masse sowie von der Federkonstante abhängen. In einem Fahrzeug sind allerdings mehrere derartige Federpendel angeordnet, wobei diese zudem bedämpft und miteinander gekoppelt sind. Kenngrößen der Fahrzeugdynamik können beispielsweise Schwingungsfrequenzen, Federwege, Rollverhalten und/oder auch das Dämpfverhalten sein.
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Jedes Fahrzeug weist daher eine charakteristische Fahrzeugdynamik auf, die unter anderem durch die Einstellungen von Fahrwerkskomponenten, wie Federelementen und Schwingungsdämpfern, vorgegeben wird. Diese Fahrzeugdynamik wird insbesondere durch Veränderung des Beladungszustands beeinflusst. Um die Fahrzeugdynamik bei verschiedenen Beladungszuständen beizubehalten, kann beispielsweise ein verstellbares Fahrwerk verwendet werden, wie dies weiter unten erläutert wird.
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Mit Vorteil verwendet die Steuereinheit zur Ermittlung des Beladungszustands des Fahrzeugs zumindest erste Werte, die den Fahrzustand des Fahrzeugs beschreiben, sowie zweite Werte, die die Fahrzeugdynamik des Fahrzeugaufbaus beschreiben.
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Erste Werte beschreiben hierbei den Fahrzustand des Fahrzeugs. Dies können beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit oder auch Fahrsituationen wie Beschleunigungsmanöver, Bremsmanöver oder auch Kurvenfahrten sein. Eine Fahrsituation ist daher ein bestimmter Fahrzustand. Die zweiten Werte zur Beschreibung der Fahrzeugdynamik können hierbei durch die oben erläuterten Kenngrößen oder durch Messgrößen von Sensoren dargestellt werden. Dabei können die Messgrößen der Sensoren zur Ermittlung der Kenngrößen herangezogen werden. Messgrößen können beispielsweise Beschleunigungen oder Rollraten des Fahrzeugaufbaus sein, die unter anderem Wankbewegungen, Neigungsbewegungen und Kippbewegungen des Fahrzeugaufbaus beschreiben. Es können lediglich bestimmte Größen gemessen werden, da Rollraten beispielsweise aus den Beschleunigungen des Fahrzeugaufbaus berechnet werden können und umgekehrt. Dadurch kann man die Sensoren, die bereits im Fahrzeug aufgrund anderer Systeme verbaut sind verwenden, um Bauraum und Kosten zu sparen.
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Durchfährt das Fahrzeug beispielsweise eine Kurve, so können eine Geschwindigkeit und ein Kurvenradius als erste Werte sowie die Rollrate einer Wankbewegung als zweiter Wert dienen. Bei gleichbleibender Geschwindigkeit, Kurvenradius und Fahrwerkseinstellung verändert sich die Rollrate in Abhängigkeit von dem Beladungszustand, insbesondere der Beladungsmasse sowie der Ladungsverteilung. In einer kostengünstigen Variante kann beispielsweise der Lenkwinkel, der den Kurvenradius bestimmt, mithilfe der ABS Sensoren bestimmt werden, die wiederum die Drehraten der einzelnen Räder messen.
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Die Kenngrößen und damit auch die Fahrzeugdynamik können bei jedem Fahrzustand ermittelt werden.
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In einer weiteren Variante kann die Steuereinheit auch weitere Werte bei der Bestimmung des Beladungszustands verwenden, wie beispielsweise die momentane Einstellung des Fahrwerks. Dies ist dann von Vorteil, wenn in einer vorigen Fahrt des Fahrzeugs ein Beladungszustand bestimmt wurde und die Einstellungen des Fahrwerks aus dieser vorigen Fahrt als Starteinstellungen des Fahrwerks verwendet werden. In einer weiteren Variante kann das Fahrwerk das Fahrzeug bei Beginn einer Fahrt jeweils in eine Grundeinstellung versetzt werden um ausgehend von dieser den Beladungszustand zu bestimmen.
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Um den Beladungszustand möglichst einfach und genau bestimmen zu können, kann innerhalb einer Steuereinheit zumindest eine Referenzfahrsituationen, beispielsweise bei Beschleunigungsmanövern, Bremsmanövern oder Kurvenfahrten, mit einer zugehörigen Referenzfahrzeugdynamik gespeichert sein. Dabei vergleicht die Steuereinheit die Fahrdynamik der momentanen Fahrsituation mit der Referenzfahrzeugdynamik der Referenzfahrsituation. Eine Fahrsituation ist hierbei ein bestimmter Fahrzustand des Fahrzeugs, wie beispielsweise Beschleunigungsmanöver, Bremsmanöver oder Kurvenfahrten. Entspricht eine momentane Fahrsituation einer der abgespeicherten Referenzfahrsituationen, so können deren Fahrzeugdynamiken miteinander verglichen werden. Die Fahrsituationen müssen dabei nicht identisch sondern lediglich vergleichbar sein.
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Vorteilhafterweise ermittelt die Steuereinheit den Beladungszustand des Fahrzeugs, sobald das Fahrzeug eine Fahrsituation durchlaufen hat, die gegenüber der Referenzfahrsituation ausgewertet werden kann. Mit anderen Worten beginnt das Verfahren zur Auswertung nachdem das Fahrzeug eine Fahrsituation durchlaufen hat, die mit einer Referenzfahrsituation vergleichbar ist und eine Ermittlung des Beladungszustands ermöglicht. Eine derartige Referenzfahrsituation kann einer Fahrsituation entsprechen, für die eine Referenzdynamik sowie ein Referenzbeladungszustand zum Vergleich im Steuergerät abgespeichert sind.
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Günstigerweise werden mehrere Fahrsituationen zur Ermittlung des Beladungszustandes herangezogen. Diese werden durch die Steuereinheit analysiert um eine möglichst genaue Informationen über den Beladungszustand zu erhalten. Dabei können mehrere Fahrsituationen aufgezeichnet und anschließend gemeinsam ausgewertet werden. In einer anderen Variante kann der Beladungszustand in rekursiver Art und Weise ermittelt werden, indem die aufeinanderfolgenden Fahrsituationen nacheinander ausgewertet werden. Dadurch kann der Beladungszustand zunächst relativ grob berechnet werden, wobei mit steigender Anzahl an Rekursionen der ermittelte Beladungszustand immer genauer dem tatsächlichen Beladungszustand entspricht.
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Des Weiteren kann das Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustands lediglich zu einem Startzeitpunkt, beispielsweise einem Beginn einer einzelnen Fahrt bis zu deren Ende, was einer Dauer vom Anlassen bis zum Ausschalten des Motors entsprechen kann, oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabschnitten oder auf Abruf ausgeführt werden.
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Vorteilhafterweise sind die Sensoren in der Steuereinheit bzw. in dem Gehäuse der Steuereinheit angeordnet. Dabei können die Sensoren in einer Messbox angeordnet sein.
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Es wird zudem vorgeschlagen, dass die Sensoren auch für andere Anwendungen im Fahrzeug verwendet werden. Somit lassen sich Kosten und Bauraum einsparen.
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Es wird zudem ein weiteres Verfahren zur Verstellung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs vorgeschlagen, bei dem eine Steuereinheit zunächst einen Ladezustand des Fahrzeugs ermittelt, woraufhin die Steuereinheit anschließend das Fahrwerk des Fahrzeugs in Abhängigkeit des Beladungszustands verstellt.
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Dadurch kann unabhängig von dem Beladungszustand des Fahrzeugs eine gleichbleibende Fahrzeugdynamik erzielt werden.
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Günstigerweise verstellt die Steuereinheit zumindest eine Dämpfkraft eines Schwingungsdämpfers des Fahrwerks. Weiterhin können auch die Dämpfkraft und/oder die Federkraft der Fahrwerkskomponenten verstellt werden. Die Ansteuerung zur Verstellung der Fahrwerkskomponenten kann beispielsweise elektronisch, hydraulisch oder pneumatisch ausgebildet sein.
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Weiterhin können alle Fahrwerkskomponenten des Fahrwerks, insbesondere Schwingungsdämpfer, oder auch Fahrwerkskomponenten, insbesondere Schwingungsdämpfer, einzelner Räder oder Radgruppen von der Steuereinheit verstellt werden. Dabei weist eine Radgruppe zumindest zwei Räder auf, die in einer Achsanordnung zueinander angeordnet sind und im Wesentlichen die Selbe Rotationsachse aufweisen. Hierbei müssen die Räder der Radgruppe nicht zwingend über eine Achse miteinander verbunden sein, sondern können auch eine Einzelradaufhängung aufweisen.
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Bei einem Personenkraftfahrzeug können beispielsweise die beiden hinteren Räder eines Personenkraftfahrzeugs verstellt werden. Da zusätzliche Beladung beispielsweise Hauptsächlich innerhalb des Kofferraums und somit meist im hinteren Teil der Fahrzeugs positioniert ist, kann die Fahrzeugdynamik durch Verstellung der Fahrwerkskomponenten des hinteren Teils des Fahrzeugs hierdurch angepasst und auf den optimalen Zustand eingestellt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 Schematische Darstellung eines Fahrzeugs;
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2 Ablaufdiagramm zur Ermittlung eines Beladungszustands sowie zur Verstellung eines Fahrwerks.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10 mit einem Fahrzeugaufbau 12, Fahrwerkskomponenten 14 sowie Rädern 16 gezeigt. Die Fahrwerkskomponenten 14 sind hier als Schwingungsdämpfer 14 dargestellt, können jedoch in allen bekannten Varianten ausgebildet sein.
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Der Fahrzeugaufbau 10 ist hierbei über die Fahrwerkskomponenten 14 mit den Rädern 16 und somit mit einem Untergrund wirkverbunden. Dabei sind hier zwei der Fahrwerkskomponenten konventionell, d. h. mit statischen Einstellungen, und zwei der Fahrwerkskomponenten, hier in einer Achsanordnung, verstellbar ausgebildet. Die Anzahl und die Positionierung der verstellbaren und der konventionellen Fahrwerkskomponenten kann für jeden Anwendungsfall frei gewählt werden, wobei diese Ausführungsvariante lediglich als Beispiel dient. Weiter sind die verstellbaren Fahrwerkskomponenten 18 hierbei über Leitungen 20 mit einer Steuereinheit 22 verbunden, die wiederum mit Sensoren 24 verbunden ist. Die Anordnung der Sensoren 24 ist auch hier beispielhaft gewählt. Es können beispielsweise ein Teil der Sensoren oder alle Sensoren innerhalb oder außerhalb der Steuereinheit 22 bzw. des Gehäuses der Steuereinheit 22 ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren. Die Sensoren sind dabei über Sensorleitungen 26 mit der Steuereinheit verbunden.
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Die 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs. Nach einem Start 30 des Verfahrens, der beispielsweise mit dem Start des Motors beginnt, wird in einer Variante A die Fahrzeugdynamik des Fahrzeugs bestimmt 32. Dies geschieht vorzugsweise während sich das Fahrzeug in Fahrtrichtung F fortbewegt. Dabei kann es sein, dass die Bestimmung der Fahrzeugdynamik erst dann beginnt, wenn vorgegebene Parameter, wie beispielsweise die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, mit einem vorgegebenen Bereich übereinstimmen. Zur Bestimmung der Fahrzeugdynamik werden die Messwerte der Sensoren 24 herangezogen, die innerhalb der Steuereinheit 22 verarbeitet werden.
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Nachdem die momentane Fahrzeugdynamik bestimmt ist, wird diese mit einer Referenzfahrzeugdynamik bei einem Referenzbeladungszustand 34 und einer Referenzladungsverteilung verglichen 36. Dabei können insbesondere die oben erläuterten Kenngrößen herangezogen werden. Abweichungen von der bekannten Fahrzeugdynamik lassen daher auf den veränderten Beladungszustand und/oder die veränderte Ladungsverteilung schließen 38. Diese Auswertung wird ebenfalls von der Steuereinheit 22 durchgeführt.
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Bei dem Vergleich der momentanen Fahrzeugdynamik mit der bekannten Fahrzeugdynamik, können die Fahrwerkskomponenten bei Beginn der Fahrt zunächst auf vorbestimmte Starteinstellungen eingestellt werden. Ausgehend von diesen Starteinstellungen wird die momentane Fahrzeugdynamik bewertet und der Beladungszustand bestimmt. In einer anderen Variante können die Fahrwerkseinstellungen der letzten Fahrt verwendet werden um anhand dieser die momentane Fahrzeugdynamik zu bewerten und den Beladungszustand zu ermitteln.
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Das Verfahren kann anschließend erneut starten, beispielsweise in gleichmäßigen Zeitabschnitten oder auf Abfrage, oder beendet werden 40.
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In einer Variante B kann das Steuergerät die Fahrdynamik des Fahrzeugs bei vergleichbaren Fahrsituationen bewerten. Für die verschiedenen Fahrsituationen sind hierbei in dem Steuergerät Referenzwerte abgelegt, die dem Vergleich dienen. Nach dem Start wird daher geprüft ob eine dieser Fahrsituationen vorliegt 42. Sobald eine derartige Fahrsituation erkannt wird, wird die Fahrzeugdynamik 32 bestimmt. Daran schließen sich die bereits zuvor beschriebenen Schritte an.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann der ermittelte Beladungszustand zur Verstellung oder zur Anpassung des Fahrwerks verwendet werden 44. Die Steuereinheit 22 kann beispielsweise bei Kenntnis des Beladungszustands und/oder der Ladungsverteilung die verstellbaren Fahrwerkskomponenten 18 direkt verstellen. Zudem besteht die Möglichkeit bei geregelten Fahrwerkskomponenten mithilfe des Beladungszustandes und der Ladungsverteilung Parameter der Steuereinheit zur Verstellung oder Regelung der verstellbaren Fahrwerkskomponenten zu korrigieren bzw. an den geänderten Betriebszustand anzupassen. Dadurch kann man unabhängig von dem Beladungszustand eine gleichbleibende Fahrzeugdynamik erhalten.
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Anschließend kann auch hier das Verfahren erneut starten, beispielsweise in gleichmäßigen Zeitabschnitten oder auf Abfrage, oder beendet werden 46.
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Um die Funktionsweise des Verfahrens zu verdeutlichen soll hier ein vereinfachtes Beispiel kurz ausgeführt werden. Die im Folgenden erläuterten Ausführungen dienen lediglich der Verständlichkeit und können auf die in der Realität auftretenden, komplexeren Anwendungsfälle verallgemeinert werden. Weiterhin sind die folgenden Ausführungen nicht auf diese eine Fahrsituation beschränkt, sondern allgemein und jederzeit in jedem Fahrzustand anwendbar. Betrachtungen einzelner Fahrsituationen verringern hierbei lediglich den Berechnungsaufwand sowie dessen Komplexität.
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Das Fahrzeug 10 für hierbei einen Beschleunigungsvorgang aus und fährt anschließend mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Zur Vereinfachung wird das Fahrzeug in einen vorderen und in einen hinteren Bereich aufgeteilt, wobei sich die Gesamtmasse des Fahrzeugaufbaus auf eine vordere Aufhängung und eine hintere Aufhängung verteilt. Der Einfachheit halber wird lediglich die hintere Aufhängung betrachtet, die eine Feder mit einer Federkonstante k und einen Schwingungsdämpfer mit einer gleichmäßigen Dämpfkonstanten d aufweist, wobei die Masse m auf der hinteren Aufhängung lastet.
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Während des Beschleunigungsvorgangs sinkt der hintere Fahrzeugaufbau ein um mit dem Ende des Beschleunigungsvorgangs eine gedämpfte Schwingungsbewegung durchzuführen. Die Bewegung des Fahrzeugaufbaus bzw. der Verlauf der Auslenkung x(t) lässt sich hierbei in einem einfachen Modell eines gedämpften Schwingungssystems beschrieben und mit der folgenden Formel herleiten. mx .. + dẋ + kx = 0
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Die Lösung dieser Formel und damit auch die Bewegung des Fahrzeugaufbaus wird, wie allgemein bekannt, beschrieben durch
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Der Verlauf der Auslenkung x(t) wird dabei von der Dämpfkonstante d, die von den Einstellungen des Schwingungsdämpfers abhängt, und von der Federkonstante k, die von der Feder abhängt, bestimmt. Die Größen x0 und φ0 sind hierbei Startparameter, die von dem Beschleunigungsvorgang abhängen. Mithilfe der Sensoren des Fahrzeugs lässt sich die Auslenkbeschleunigung x .. des Fahrzeugaufbaus 12 und somit die Auslenkung x(t) und die Auslenkgeschwindigkeit ẋ und berechnen.
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Da alle Parameter bis auf die Masse m bekannt sind, lässt sich die Masse m aus der obigen Formel berechnen. Die Masse m, die auf der hinteren Aufhängung lastet kann somit ermittelt werden.
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Um eine derart komplizierte Berechnung zu vermeiden können die charakteristischen Größen der gedämpften Schwingung bzw. der Auslenkung x(t) des Fahrzeugaufbaus 12 miteinander verglichen werden um Rückschlüsse auf die Massenveränderung zu erhalten. Hierbei kann jedoch lediglich eine Massenveränderung Δm bestimmt werden.
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Dazu kann beispielsweise die gedämpfte Eigenfrequenz ωd oder die Abklingkonstante δ herangezogen werden.
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Hierbei ist
die ungedämpfte Eigenfrequenz der Aufhängung, also wenn diese keine Dämpfung erfahren würde. Diese charakteristischen Größen können mit geeigneten Verfahren direkt aus der Auslenkung x(t) bestimmt werden.
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Ist eine Referenzgröße der Abklingkonstanten δ bekannt, kann eine momentane Abklingkonstante δ + Δδ bei einem veränderten Beladungszustand mit der Veränderung Δδ der Abklingkonstante bestimmt werden. Bei einer Veränderung der Masse m um Δm verändert sich die charakteristische Abklingkonstante um Δδ anhand folgender Formel δ + Δδ = d / 2(m + Δm)
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Nach Umstellen erhält man die Veränderung der Masse Δm, die auf der hinteren Aufhängung lastet aus der Formel Δm = d / 2(δ + Δδ) – m
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Selbiges ist ebenso mit weiteren charakteristischen Größen möglich.
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Wie bereits erwähnt, können die charakteristischen Größen relativ einfach bestimmt werden, wodurch eine einfache Berechnung des Beladungszustands bzw. eine Veränderung des Beladungszustands möglich wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3740792 A1 [0003]
- DE 3818188 C2 [0003]
- EP 0431597 A1 [0003]