DE10001272C2 - Einrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Kräften im Reifen eines Fahrzeugrades - Google Patents
Einrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Kräften im Reifen eines FahrzeugradesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur
Ermittlung von Kräften im Reifen eines Fahrzeugrades nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 9.
Aus der Druckschrift DE 195 48 759 A1 ist es bekannt, einen als
Drehungsmessstreifen ausgebildeten Sensor an einem Radialver
bindungssteg einer Felge eines Fahrzeugrades zur Messung von
Zug- und Druckspannungen des Verbindungssteges zu befestigen.
Die Messwerte des Dehnungsmessstreifens werden an eine Rechen
einheit übermittelt, in welcher auf der Grundlage der Messwerte
die Radlast, die Beschleunigungskraft und die Fahrzeuggeschwin
digkeit ermittelt werden. Der im radialen Verbindungssteg der
Felge des Rades angeordnete Dehnungsmessstreifen ermöglicht es,
die Belastung dieses Verbindungssteges während der Umdrehung
des Fahrzeugrades zu messen. Aus der Belastungskurve für Zug-
und Druckspannungen während der Umdrehung des Rades werden
Last, Beschleunigung und Drehgeschwindigkeit ermittelt.
Weitere den Fahrzeugzustand kennzeichnende Bestimmungsgrößen
des Rades sind mit dieser Methode nicht ermittelbar. Es ist
insbesondere nicht möglich, über die Messung einer Längenände
rung des radialen Verbindungssteges in der Felge auf Reifen
kräfte Rückschlüsse zu ziehen, die zu einem wesentlichen Maße
von der Verformung des Reifens bestimmt werden.
Aus der Druckschrift DE 44 24 136 A1 ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Prüfen der Gleichförmigkeit von Kraftfahrzeug
reifen bekannt, bei dem bzw. bei der ein drehbar aufgenommener
Reifen mit einstellbarer Anpresskraft auf einem Prüfstand ab
rollt, wobei die auf den Prüfstand wirkenden Reaktionskräfte
gemessen werden und darüber hinaus die Kontur des Reifens abge
tastet wird. Aus den ermittelten Kraft- und Geometriemesssigna
len werden Geometriegrößen wie Rundlauf- und Planlaufabweichun
gen bestimmt. Dieses System setzt jedoch einen in bestimmungs
gemäßer Weise hergerichteten Prüfstand voraus, eine Online-
Anwendung im realen Fahrbetrieb ist nicht möglich.
Die Druckschrift DE 198 07 004 A1 beschreibt die Anwendung eines
Sensorprinzips zur berührungsloser Daten- und Energieübertragung, der
Oberflächenwellentechnologie (OFW), auf das Prinzip des Reifensensors, wie er in
DE 42 42 726 A1 bzw. DE 39 97 966 A1 bereits beschrieben ist. Wesentlicher Kern
der Idee des Reifensenors und auch der des im Reifen befindlichen Sensors auf
Basis der OFW Technologie ist die Messung eng lokal begrenzter Effekte
(Verformungen, Kräfte, o. ä.) im Inneren eines abrollenden Pkw-Reifens in der
Schnittstelle zwischen Fahrbahnoberfläche und Reifengürtel. Mit Hilfe dieser Effekte
soll dann zum einen auf den globalen Kraftzustand des Reifen (Brems-Antriebs-
Seitenkräfte und Radlast) sowie auch auf lokale Effekte des Reibwerts geschlossen
werden. Es wird dabei versucht, von einer lokal eng begrenzten Stelle auf die
Gesamtsituation der Kräfte und Schubspannungen im Reifen sowie des Reibwerts
zwischen Reifen und Straße zu extrapolieren, wobei die extrem komplexen
viskoelastischen Materialeigenschaften des Reifengummis dies erfahrungsgemäß
sehr erschweren.
Erfindungsgemäß werden im Gegensatz dazu hier an einer geeigneteren Stelle, die
nicht so starken Störungen ausgesetzt ist, die Informationen über den globalen
Kraftzustand des Reifens integriert abgefragt und danach differenziert.
Die DE 43 26 976 A1 behandelt einen Sensor zur Überwachung des
Fahrzeugreifens, der den Abstand von Reifen und Felge beobachtet, allerdings nur die
Einfederung des Reifens registrieren kann. Damit ist eine Überwachung im Sinne der
Erkennung von Ausfall, Schaden o. ä. möglich, jedoch sind keine Kraft- oder
Spannungsmessungen oder gar Aussagen über den Reibwert zwischen Reifen und
Fahrbahn möglich. Auch eine Bestimmung der Radlast kann nur bei Kenntnis des
Reifeninnendrucks erfolgen.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde im Online-Fahrbetrieb
eines Fahrzeugs die Reifenkräfte mit einfachen Methoden zu er
mitteln.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An
spruches 1 bzw. 9 gelöst.
Bei der neuartigen Einrichtung zur Ermittlung der Reifenkräfte
im Fahrzeugrad ist im Unterschied zum Stand der Technik der
Sensor am Umfang der Felge des Rades angeordnet, es werden Fel
genverformungen in Umfangsrichtung und/oder quer zur Umfangs
richtung ermittelt. Die Messsignale des Sensors werden einer
Recheneinheit zugeführt, in der die Reifenkräfte - zweckmäßig
sowohl Aufstandskräfte, Umfangskräfte als auch Seitenkräfte -
als Funktion der Felgenverformung gemäß einem bekannten Zusam
menhang, welcher als Rechenvorschrift in der Recheneinheit hin
terlegt ist, ermittelt werden.
Über die Positionierung des Sensors am Felgenumfang werden in
indirekter Weise Schubspannungen, welche aus Verformungen des
Reifens resultieren und vom Reifen auf die Felge übertragen
werden, gemessen. Diese Schubspannungen werden in der Umfangs
fläche der Felge über den Sensor als Felgenverformung registriert.
Die Felgenverformung resultiert aus der Schubspannung
des Reifens, welche wiederum von den Verformungen des Reifens
abhängen, die aus dem Reifeninnendruck, aus Brems-, Antriebs-
und Seitenkräften sowie den Aufstandskräften resultieren. Über
diese Zusammenhänge kann letztendlich von der Verformung der
Felge im Bereich des Felgenumfangs auf die tatsächlich auf den
Reifen einwirkenden Reifenkräfte geschlossen werden.
Der Zusammenhang von Felgenverformung und Reifenkräften ist üb
licherweise als nichtlineare Funktion darstellbar, welche in
zweckmäßiger Weise aus Referenzmessungen ermittelt und bei
spielsweise als Kennfeld in der Recheneinheit abgelegt werden
kann. Über die Messung des Zusammenhangs von Felgenverformung
und Reifenkräften werden implizit auch reifenspezifische Größen
wie Material und Geometrie des Reifens berücksichtigt.
Die Positionierung des Sensors am Felgenumfang gestaltet sich
erheblich einfacher als eine unmittelbare Messung von Reifen
verformungen durch im oder am Reifen angebrachte Sensoren. Die
Größenordnung der Felgenverformung als Folge von Reifenverfor
mungen liegt in einer bedeutend kleineren Größenordnung als die
Riefenverformung selbst. Dadurch werden geringere Anforderungen
an den Sensor gestellt, insbesondere im Hinblick auf die mecha
nische Belastung des Sensors, als dies bei einer Anordnung im
Reifen der Fall wäre. Die Lebensdauer des Sensors ist erhöht,
außerdem können Sensoren verwendet werden, die einen einfache
ren Aufbau aufweisen. Trotz der wesentlich kleineren Verformun
gen im Felgenumfang reichen diese für eine quantitative, gege
benenfalls auch für eine qualitative Beurteilung der Reifen
kräfte aus.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Übertragungsein
richtung zur Übertragung der Messsignale des Sensors, welche
die Felgenverformungen repräsentieren, an die Recheneinheit des
Fahrzeugs vorgesehen. In dieser Ausführung bilden Sensor und
Recheneinheit separat ausgebildete Bauteile, wobei die Rechen
einheit zweckmäßig außerhalb des Fahrzeugrades im Fahrzeug an
geordnet ist. In der Recheneinheit werden die Messsignale in
Reifenkräfte umgerechnet. Gegebenenfalls kann es aber auch vor
teilhaft sein, bereits im Sensor eine erste, vorläufige Daten
manipulation durchzuführen, beispielsweise eine Messsignalfil
terung, um hierdurch beispielsweise eine Datenreduktion zu er
zielen.
In der Recheneinheit bzw. in einer weiteren Regel- und Steuer
einheit werden zweckmäßig in Abhängigkeit der ermittelten Rei
fenkräfte Stellsignale erzeugt, welche Stellgliedern zugeführt
werden, über die der Fahrzeugzustand des Fahrzeugs beeinfluss
bar ist. Diese Stellglieder können beispielsweise Bestandteil
einer Anti-Blockier-Einrichtung, einer Antriebs-Schlupf-
Regelung oder einer Fahrdynamik-Regelung sein.
Als Sensor wird bevorzugt ein Oberflächenwellensensor einge
setzt, welcher bei Dehnungen unter Ausnutzung des Piezoeffekts
als Reaktion einer auf den Sensor gefunkten Wechselspannung ein
Antwortsignal erzeugt, dessen als Folge der Dehnung geänderte
Periodendauer ein Maß für die Größenordnung der Dehnung dar
stellt. Ein derartiges passives Sensorelement bietet den Vor
teil, dass der Sensor keine eigene Energieversorgung benötigt,
sondern dass eine insbesondere außerhalb des Rades angeordnete
Energiequelle ausreicht, welche dem Sensor ein Eingangssignal
übermittelt. Über eine Ausstattung des Sensors mit einer Anten
ne wird außerdem die Übertragungseinrichtung in den Sensor
selbst integriert, indem als Antwort auf die auf den Sensor per
Funk übertragenen Wechselspannung ein Antwortsignal generiert
wird, welches die Oberflächendehnungen im Felgenumfang reprä
sentiert.
Als ein auf diese Weise passiv arbeitender Sensor kann bei
spielsweise ein piezoelektrischer Einkristall verwendet werden,
der mit einem Interdigitalwandler und mit Reflektoren ausges
tattet ist. Die gefunkte Wechselspannung wird durch den inver
sen Piezoeffekt in eine periodische Verformung der Kristall
oberfläche umgewandelt, diese Verformung breitet sich als akus
tische Oberflächenwelle aus und wird an den halbdurchlässigen
Reflektoren teilweise reflektiert, wodurch ein für den Sensor
typisches Antwortmuster erzeugt wird. Die reflektierten Wellen
werden am Interdigitalwandler in ein Antwortsignal umgewandelt
und über eine Antenne an die Recheneinheit gefunkt. Bei einer
Dehnung des Sensors durch äußere Kräfte ändert sich die Perio
dendauer der zugefunkten Antwort, woraus auf die Verformung des
zu messenden Bauteiles geschlossen werden kann.
Die Verwendung eines berührungslos arbeitenden Sensors bietet
den Vorteil, dass der Sensor an unzugänglichen Stellen und ge
gebenenfalls auch unter extremem Umgebungsbedingungen einge
setzt werden kann.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren
Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent
nehmen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch die Felge eines Rades eines
Kraftfahrzeugs mit einem am Felgenumfang angeordneten
Sensor, welcher Teil einer Einrichtung zur Ermittlung
von Reifenkräften ist,
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Zusammenhang von gemessener Fel
genverformung und Abrollweg des Rades, dargestellt
für verschiedene Radlasten.
Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Felge 1 eines Rades eines
Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, weist im Bereich
ihres Umfanges 2 einen Sensor 3 auf, welcher Teil einer Ein
richtung 4 zur Ermittlung von Kräften im Reifen des Fahrzeugra
des ist. Der Sensor 3 ist bevorzugt als Oberflächenwellensensor
ausgebildet, welcher Dehnungen im Umfang der Felge 1 unter Aus
nutzung des Piezoeffektes misst. Es werden vorteilhaft sowohl
Dehnungen in Umfangsrichtung als auch quer zur Umfangsrichtung
- parallel zur Felgendrehachse 5 - mit Hilfe des Sensors 3 er
fasst. Die Dehnungen stehen in einem Zusammenhang mit den Rei
fenkräften; aus dem Verlauf der Dehnungen, insbesondere über
zumindest eine volle Umdrehung des Rades gemessen, lassen sich
Rückschlüsse ziehen auf Reifenseitenkräfte, Reifenumfangskräfte
und Aufstandskräfte.
Der Sensor 3 befindet sich vorteilhaft axial in der Mitte der
Felge 1 auf dem Umfang der Felge. An dieser Position wirken die
aus den Reifenflanken stammenden Kräften symmetrisch, die Rei
fenkräfte können präziser ermittelt werden.
Der Sensor 3, dessen Messsignale bevorzugt berührungslos über
tragen werden, ist Bestandteil der Einrichtung 4, welche zu
sätzlich zum Sensor 3 eine Recheneinheit RE umfasst, in welcher
die Messsignale des Sensors 3, welche zweckmäßig per Funk über
tragen werden, ausgewertet werden. Darüber hinaus kommuniziert
die Recheneinheit RE vorteilhaft mit Stellgliedern diverser
Fahrzeugkomponenten. In der Recheneinheit RE werden hierzu
Stellsignale in Abhängigkeit der ermittelten Reifenkräfte er
zeugt, wobei die Stellsignale bevorzugt den Stellgliedern eines
Anti-Blockier-Systems ABS, einer Antriebs-Schlupf-Regelung ASR
und/oder einer Fahrdynamik-Regelung FDR zugeführt werden. Diese
Fahrzeugkomponenten, über die der Fahrzustand des Fahrzeuges
beeinflussbar ist, bilden in einer vorteilhaften Ausführung e
benfalls einen Bestandteil der Einrichtung 4. Über die genann
ten, den Fahrzustand beeinflussenden Komponenten bzw. Aggregate
ABS, ASR und FDR hinaus können weitere Fahrzeugkomponenten bzw.
-aggregate mit der Recheneinheit RE kommunizieren und in Abhän
gigkeit der ermittelten Reifenkräfte manipuliert werden.
Der bevorzugt berührungslos arbeitende Sensor 3 empfängt per
Funk eine Wechselspannung, welche in dem bevorzugt als Oberflä
chenwellensensor ausgebildeten Sensor 3 in Abhängigkeit der auf
den Sensor wirkenden Dehnungen in Umfangsrichtung bzw. quer zur
Umfangsrichtung in ein Antwortsignal umgewandelt wird, welches
ebenfalls berührungslos der Recheneinheit RE übermittelt wird.
Fig. 2 zeigt ein Schaubild mit dem Zusammenhang zwischen einem
im Sensor erzeugten Verformungssignal, welches die Dehnung in
Umfangsrichtung - in x-Richtung - repräsentiert, und den Ab
rollweg des Fahrzeugrades, dargestellt für etwa eine Umdrehung
des Rades. Fig. 2 zeigt Abhängigkeiten für verschiedene Radlas
ten, beginnend bei 1500 N und absteigend bis 4500 N.
Befindet sich der Sensor etwa 90° vor seiner fahrbahnnächsten
Position, wie dies im Symbol 6 dargestellt ist, sind die Ver
formungssignale einem Minimum angenähert. Das Minimum wird un
mittelbar nach Überschreitung der 90°-Position des Sensors o
berhalb des fahrbahnnächsten Punktes erreicht. Nach Überschrei
tung des Minimums steigen die Verformungssignale im Wert wieder
an und erreichen im fahrbahnnächsten Punkt des Sensors - reprä
sentiert durch das Symbol 7 - ihr Maximum. Sobald sich der Sen
sor vom fahrbahnnächsten Punkt weiter fortbewegt, fallen die
Verformungssignale wieder ab.
Das Niveau der Verformungssignale in x-Richtung hängt von den
Radlasten ab. Mit zunehmender Radlast nehmen die Amplituden im
Verlauf des Verformungssignales zu.
Aus dem Verlauf der Verformungssignale, insbesondere aus dem
mittleren Niveau der Verformungssignale, können Rückschlüsse
auf alle auf den Reifen wirkende Kräfte gezogen werden. Es ist
dadurch möglich, aus der Messung der Felgenverformung in Um
fangsrichtung und quer zur Umfangsrichtung auf die Reifensei
tenkraft, die Reifenlängs- bzw. Umfangskraft und die Aufstands
kraft zu schließen. Gegebenenfalls ist es auch möglich, die
Kraftwirkung eines Wasserkeils, welcher sich bei aufkommendem
Aquaplaning vor dem Reifen aufbaut, zu detektieren.
Es liegt im Rahmen des Erfindungsgedankens, unabhängig von der
Einrichtung zur Signalübertragung und der Recheneinheit zur Be
rechnung von Reifenkräften die Felge eines Fahrzeugrades im Be
reich ihres Umfanges mit einem Sensor auszustatten, welcher die
Felgenverformungen in Umfangsrichtung und quer zur Umfangsrich
tung misst. Die Messsignale werden in dieser Ausführung optio
nal auf eine Recheneinheit übertragen werden, in welcher eine
weitere Auswertung der Messsignale durchgeführt und gegebenen
falls auch Stellsignale für Stellglieder von Fahrzeugkomponen
ten generiert werden.
Claims (12)
1. Einrichtung zur Ermittlung von Kräften im Reifen eines Fahr
zeugrades,
mit einem am Umfang der Felge (1) des Rades angeordneten Sensor (3) zur Messung von Felgenverformungen in Umfangs richtung und/oder quer zur Umfangsrichtung
und mit einer Recheneinheit (RE), in der gemäß einer hinter legten Berechnungsvorschrift die Reifenkräfte in Abhängig keit der Felgenverformungen am Umfang der Felge (1) des Ra des ermittelbar sind.
mit einem am Umfang der Felge (1) des Rades angeordneten Sensor (3) zur Messung von Felgenverformungen in Umfangs richtung und/oder quer zur Umfangsrichtung
und mit einer Recheneinheit (RE), in der gemäß einer hinter legten Berechnungsvorschrift die Reifenkräfte in Abhängig keit der Felgenverformungen am Umfang der Felge (1) des Ra des ermittelbar sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung von die Fel
genverformungen repräsentierenden Messsignalen des Sensors (3)
an die Recheneinheit (RE) vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (3) als Oberflächenwellensensor ausgebildet
ist, welcher bei Dehnungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte
unter Ausnutzung des Piezoeffekts eine auf den Sensor gefunkte
Wechselspannung in ein Antwortsignal mit veränderter Perioden
dauer umwandelt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (3) im Felgenbett, insbesondere in der Mitte
des Felgenbetts, angeordnet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Recheneinheit (RE) Stellsignale als Funktion der
Reifenkräfte zur Beaufschlagung von den Fahrzustand beeinflus
senden Stellgliedern im Fahrzeug erzeugbar sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stellsignale zur Manipulation eines Anti-Blockier-
Systems (ABS) herangezogen werden.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stellsignale zur Manipulation einer Antriebs-Schlupf-
Regelung (ASR) herangezogen werden.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stellsignale zur Manipulation eines Fahrdynamik-
Regelsystems (FDR) herangezogen werden.
9. Verfahren zur Ermittlung von Kräften im Reifen eines Fahr
zeugrades, insbesondere Verfahren zum Betrieb der Einrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Felgenverformungen am
Umfang des Felge (1) in Umfangsrichtung und/oder quer zur Um
fangsrichtung sensorisch gemessen werden und bei dem aus dem
zeitlichen Verlauf der die Felgenverformungen repräsentierenden
Messwerte gemäß einer hinterlegten Berechnungsvorschrift die
Reifenkräfte ermittelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Felgenverformungen über zumindest eine Radumdrehung
der Berechnung der Reifenkräfte zu Grunde gelegt werden.
11. Fahrzeugrad mit einer Felge und einem Reifen, mit einem am
Felgenumfang (2) angeordneten Sensor (3), über den Felgenver
formungen am Umfang der Felge (1) in Umfangsrichtung und/oder
quer zur Umfangsrichtung messbar sind.
12. Verwendung eines Sensors am Umfang einer Felge eines Rades
zur Messung von Felgenverformungen zur Ermittlung von Reifen
kräften.
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DE (1) | DE10001272C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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