CH710455A2 - Vorrichtung zum Messen des Wasserbelags unter den Reifen eines sich in Bewegung befindlichen Fahrzeugs und der Strasse mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Aquaplaning, d.h. einer Wasserkeil-Bildung unter einem oder mehr Reifen eines fahrenden Fahrzeugs, wodurch die Haftreibung des Fahrzeugs zwischen Reifen und Strasse aufgehoben wird. Die Vorrichtung arbeitet nach dem Verfahren der Dielektrikumsänderung durch Wasser in einem im äusseren Mantel (2b) eines Reifens eingebauten, aufgeklappten Messkondensator (2f, 2h). Aus der gemessenen Wasserhöhe können Erkenntnisse über die zulässige Höchst-Geschwindigkeit abgeleitet werden, mit der das Fahrzeug sich noch bewegen darf.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Eine gute Haftung eines Fahrzeugs auf der Strasse ist einer der wichtigsten Faktoren für sicheres Fahren. Physikalisch betrachtet ist ein hoher Wert der Haftreibung während des Fahrens ein Mass dafür. Wird die Strasse nass, verringert sich der Wert der Haftreibung. Wird der Wasserbelag auf der Strasse so hoch, dass er vom Reifen nicht mehr verdrängt werden kann, so entsteht ein Wasserkeil unter dem Reifen. Diesen Effekt bezeichnet man als Aquaplaning und die Haftreibung geht gegen null.

[0002] Damit Aquaplaning entstehen kann, bedarf es mehrerer Faktoren die zusammen wirken müssen. Diese Faktoren sind die Höhe des Wasserfilms auf der Strasse, die Geschwindigkeit und das Gewicht des Fahrzeugs und der Reifenzustand (Profiltiefe, Reifenbreite, Gasdruck im Reifeninnern).

[0003] In der folgenden Offenbarung der Erfindung wird eine neue Vorrichtung beschrieben, die in die Reifen des Fahrzeugs eingebaut wird. Sie ist in der Lage die Wasserhöhe zwischen Reifen und Strasse zu messen. Die Datenausgabe erfolgt mit Hilfe der bekannten Transponder-Technologie. Aus den Messdaten können Warnungen und Prognosen für den Fahrer abgeleitet werden. Die Ergebnisse können über ein Display mitgeteilt werden, und sie stehen allen Assistenzsystemen zur Verfügung.

Stand der Technik

[0004] Bekannt sind Plattenkondensatoren, die aus zwei Metallplatten mit dazwischen liegendem Isolator, dem Dielektrikum, bestehen. Sie haben die Fähigkeit elektrische Ladungen zu speichern. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung fliesst kurzzeitig ein elektrischer Strom, der eine Platte mit Elektronen anreichert und der anderen Platte Elektronen entzieht. Zwischen den Platten entsteht ein Potentialunterschied und damit ein elektrisches Feld. Die Ladungen bleiben auf den Metallplatten gespeichert, wenn der Stromkreis unterbrochen wird.

[0005] Ist zwischen den Platten nicht leitende Materie (Dielektrikum) vorhanden, kann diese in Abhängigkeit ihrer Eigenschaften, durch das elektrische Feld polarisiert werden und damit mehr Energie aufnehmen als eine Metallplattenanordnung gleicher Grösse aber ohne Materie. Allgemein gilt für die in einem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge Q:

C = Kapazität = Funktion von Plattengrösse, Plattenabstand und Dielektrikum U = Ladespannung des Kondensators

[0006] Die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums werden durch die elektrische Feldkonstante

und der relativen Permittivität εrbeschrieben. εrist vom Material des Dielektrikums vorgegeben. Damit erhält man die Kapazität eines Plattenkondensators zu:

A = Fläche einer Kondensatorplatte d = Plattenabstand

[0007] Wird an einem Kondensator eine Wechselspannung angelegt, dann fliesst ein kontinuierlicher Wechselstrom, der die Platten des Kondensators mit der Frequenz der Wechselspannung umlädt. Es tritt eine periodische Ladungsänderung ein:

[0008] Werden die Differentiale mit

ausdifferenziert, so erhält man einmal die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom von π/2 und den Blindwiderstand zu:

[0009] Bekannt ist auch, dass Wasser eine frequenzabhängige und komplexe Permittivität hat. Der Realteil von unbehandeltem Wasser ist in Fig. 1 [1] gezeigt. Bei niedrigen Frequenzen hat er den Wert von ca. 80 und fällt kontinuierlich auf den Wert ca. 60 bei 15 GHz. Der Imaginärteil hat bei ca. 20 GHz sein Maximum von > 30 und steht für die Energieverluste am Kondensator.

[0010] Weiterhin ist bekannt, dass sich die Kehrwerte der einzelnen Kapazitäten addieren, wenn sie in Reihe geschaltet werden und dadurch den Kehrwert der Gesamtkapazität bilden:

Offenbarung der Erfindung:

[0011] Die in dieser Offenbarung beschriebene Vorrichtung nutzt die oben im Stand der Technik beschriebenen physikalischen Zusammenhänge. Fig. 2 zeigt die im Reifen eingebaute Vorrichtung als Schnittzeichnung und Ausführungsbeispiel im Detail, parallel zur Laufrichtung des Reifens. Die Vorrichtung ist über einer Profilaussparung wie in Fig. 3 (Fig. 2 ; 2c) gezeigt quer zur Laufrichtung des Reifens angebracht. In Fig. 3 sind 3a der äussere Reifenmaterial, 3b das im Reifenmaterial untergebrachte Stahldrahtgeflecht und 3c die Vorrichtung als Sensor für die Wassermessung.

[0012] Der Plattenkondensator ist bei dieser Anordnung relativ klein, und hat zudem noch einen grossen Plattenabstand, da die Platten parallel zur Profilaussparung 2c liegen und sich dadurch nicht direkt gegenüber stehen. Die Platten werden in Fig. 2 mit 2f und 2h dargestellt.

[0013] Elektronisch gesehen besteht dieser Kondensator aus einem geschichteten Dielektrikum wie in Fig. 4 dargestellt. Die Kondensatorplatten sind 4a, das Dielektrikum bestehend aus dem Reifenmaterial und ist als 4b gekennzeichnet. Das Volumen 4c kann Luft, Wasser oder ein beliebiges Verhältnis von beiden sein, das sich bei Aquaplaning durch den Wasserkeil vergrössert. Physikalisch lässt sich ein geschichtetes Dielektrikum auch als Reihenschaltung von Kondensatoren darstellen und berechnen. Hier wären es drei in Reihe geschaltete Kondensatoren, wobei die äusseren beiden gleich sind und das Reifenmaterial als Dielektrikum haben. Bei Verwendung von Gummi als Reifenmaterial ergibt sich ein εrvon ca. 2,5 bis 3, Luft hat ein εrvon ca. 1 und Wasser je nach Betriebsfrequenz des Sensors ein εrvon < 80 (Fig. 1 ). Damit wird die Kapazität dieses Kondensators mit steigendem Anteil des Wassers im Volumen 4c grösser und mit steigendem Anteil von Luft kleiner.

[0014] Die gesamte Anordnung (Fig. 2 ) befindet sich in der Reifenmaterialschicht 2b, die auf das Stahldrahtgeflecht 2a aufgebracht ist. Als Träger des Sensors wird ein flexibler, beidseitig metallbeschichteter Film 2g verwendet. Die zum Stahldrahtgeflecht 2a liegende Seite hat eine durchgängige Metallisierung 2e, die als Masse dient. Auf der Seite der Kondensatorplatten befinden sich das Layout der Schaltung die Messelektronik und der Transponder 2j. Die von den Kondensatorplatten ausgehenden Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes sind durch 2k symbolisiert. Der Strassenbelag ist durch 2d gekennzeichnet.

[0015] Messtechnisch kann die Kapazitätsänderung durch die Änderung der Spannung an der Kapazität erfasst werden. Dazu gibt es in der Elektronik verschiedene Möglichkeiten, wie z.B. die Verwendung von Messbrücken, Spannungsteilern oder die Verwendung von Konstantwechselstromquellen.

[0016] Fig. 5 zeigt ein Beispiel die Messung mit Hilfe eines Spannungsteilers vorzunehmen. 5b ist ein ohmscher Widerstand, der in Reihe mit dem kapazitiven Blindwiderstand (= kapazitiver Messwiderstand des Sensors) 5c geschaltet ist. An dieser Anordnung liegt eine z.B. sinusförmige, hochfrequente Wechselspannung 5a mit konstanter Amplitude an. Ändert sich der kapazitive Blindwiderstand 5c, so ändert sich auch das Spannungsteilerverhältnis 5b/5c. In 5d wird eine zur Spannungsquelle 5a synchrone Gleichrichtung vorgenommen um einen hohen Wirkungsgrad und ein geringes Rauschen zu erhalten. Nach der Gleichrichtung wird eine geringe Integration vorgenommen, deren Zeitkonstant eine Funktion der zugelassenen Höchstgeschwindigkeit des Reifens ist. Es können aber auch einfachere Gleichrichterschaltungen verwendet werden, wenn die Wechselspannungsquelle grössere Amplituden leisten kann. 5e beinhaltet einen Anpassverstärker und einen Analog-Digital-Wandler. Die digitalen Daten werden über einen Transponder 5f mit Energieversorgung entweder über eine Nahfeld- oder Fernfeld-Übertragung 5g ausgelesen.

[0017] Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 6 die Verwendung einer hochfrequenten Konstantwechselstromquelle 6a. Dabei wird der Wechselstrom durch den Messkondensator 6b konstant gehalten. Das ist nur möglich, wenn sich proportional zur Änderung des kapazitiven Blindwiderstands die den Wechselstrom treibende Wechselspannung ändert. Die am Kondensator 6b anliegende Spannung ist also die direkte Messgrösse. Auch bei dieser elektronischen Variante ist 6c als nachfolgender Gleichrichter mit Integrator eingesetzt, der jedoch einen hochohmigen Eingang besitzt. 6d beinhaltet den Anpassverstärker mit Analog-Digital-Wandler, 6e ist der Transmitter mit Energieversorgung und 6f die Nahfeld- oder Fernfeld-Übertragung.

[0018] Die hier beschriebene Vorrichtung zur Messung der Wasserhöhe ist abhängig von der Profiltiefe des Reifens und nur korrekt in Verbindung mit der Kombination der im Patent [2] beschriebenen Vorrichtung zur Profiltiefenmessung.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung von Wasser zwischen Strasse und Reifen bei bewegtem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, das der Wasser messende Sensor ein im Reifenmaterial untergebrachter, aufgeklappter Kondensator ist, dessen Platten hintereinander oder parallel, angenähert in einer Ebene, angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen wird, um die sich bei vorhandenem Wasser ändernden dielektrischen Eigenschaften zwischen den Kondensatorplatten und damit zwischen Reifen und der Strasse zu erfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung selbst nach Abnutzung des Profils vollständig im äusseren Material des Reifens über dem Stahlgeflecht eingebettet bleibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator durch eine mit einer Nennfrequenz betriebenen Konstantwechselstromquelle betrieben wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator durch eine mit einer Nennfrequenz betriebenen Konstantwechselspannungsquelle mit vorgeschaltetem Widerstand betrieben wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Messdaten die Transpondertechnik benutzt wird.