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Die
Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Reserven hinsichtlich
der zwischen den Reifen eines zweispurigen, zwei- oder mehrachsigen Kraftfahrzeugs
und der Fahrbahn übertragbaren Kräfte, wobei
jedes Fahrzeug-Rad im Felgenbett zumindest eine Sensoreinrichtung
aufweist, die ein geeignetes Signal an die Innenseite des Reifens
aussendet und reflektiert hiervon empfängt und wobei anhand der hierdurch
im Bereich der Reifenaufstandsfläche
festgestellten Reifen-Verformungen in Längsrichtung und in Querrichtung
des Fahrzeugs auf die übertragenen
Längskräfte und
Querkräfte
geschlossen wird. Zum bekannten Stand der Technik wird neben der
EP 1 202 867 B1 auf
die WO 01/45968 A1 verwiesen.
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Bereits
seit längerer
Zeit gibt es Versuche, die Kräfte,
die auf die Reifen eines Kraftfahrzeugs wirken, zu erfassen. Wenn
es möglich
ist, von jedem Reifen eines Fahrzeugs die von der Fahrbahn auf die Karosserie übertragenen
Kräfte
zu messen, kann man daraus die fahrdynamische Situation ableiten. Daraus
ergeben sich wertvolle Hinweise z. B. für Fahrwerksregelsysteme. Hierfür wurden
bereits Radkraftsensoren in Form von absolut messenden Kraftsensoren
in Achsbauteile integriert, was aber für eine kommerzielle Anwendung
zu teuer ist. Gleiches gilt für
andere Konzepte, nach denen versucht wurde, bspw. mittels in den
Reifengummi eingesetzten Elementen die Belastung des Gummis zu ermitteln,
oder auch für
den sog. Sidewall-Torsion-Sensor der Firma Continental. Ebenfalls
zumindest für
einen Serieneinsatz nicht erfassbar ist der Schwimmwinkel, d.h.
die Differenz zwischen der Richtung, in die die Räder des Fahrzeugs
zeigen und der Fahrzeugbewegungsrichtung. Möglich wären optische Sensoren, die
auf den Untergrund gerichtet sind, und an Vorder- und Hinterachse
die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ermitteln. Ein Serieneinsatz
scheiterte bisher an den hohen Kosten, der Schmutz- und Nässeempfindlichkeit, und
den Fehlmessungen auf blankem Eis.
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Eine
weitere wichtige Größe ist der
Reifenluftdruck. Bei sog. Run-Flat-Reifen muss der Fahrer gewarnt
werden, da er sonst einen Plattfuß erst bemerkt, wenn er in
eine kritische Situation gerät,
oder der Reifen vollständig
zerstört
ist. Dazu werden z. B. in die Felge Drucksensoren eingesetzt, die
eine Abweichung vom erforderlichen Luftdruck erfassen und per Funk
an ein elektronisches Auswertegerät weitergeben. Problematisch
ist dabei die Anpassung an die Temperatur im Reifen und an die jeweilige
Höhenlage,
die nur mit ausgeklügelten
Routinen und Algorithmen beherrschbar ist. Eine indirekte Messung
des Reifenluftdrucks ist über
die bei jedem ABS-System vorhandenen Raddrehzahlsensoren möglich. Allerdings
dürfen
Unterschiede im Abrollumfang z. B. durch unterschiedliche Profiltiefe
nicht zu einer Fehlwarnung führen.
Es kommt zu einem Zielkonflikt zwischen Robustheit und Genauigkeit.
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In
der eingangs zweitgenannten Schrift (WO 01/45968 A1) ist ein Sensorsystem
für einen
Fahrzeug-Reifen beschrieben, bei welchem ein Lichtstrahl bspw. im
Infrarotbereich von der Felge auf die Innenseite der Reifen-Lauffläche emittiert
und von dieser reflektiert und geeignet ausgewertet wird, wodurch
die in der Reifenaufstandsfläche
vorliegenden Kräfte
in Fzg.-Längsrichtung
bzw. Umfangsrichtung des Reifens sowie in Fzg.-Querrichtung als
auch in Vertikalrichtung bestimmt werden sollen. Dies geschieht über eine
Auswertung der Verformungen, die der Reifen in den entsprechenden
Richtungen in seiner Aufstandsfläche
erfährt,
wobei aus den gewonnenen Erkenntnissen heraus ein Fahrdynamik-Regelsystem
bzw. ein Fahrzustands-Stabilisierungssystem geeignet angesteuert
wird.
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Die
in der Reifenaufstandsfläche
feststellbaren Verformungen sind jedoch nicht nur von der Größe der am
Reifen angreifenden Kräfte,
sondern in erheblichem Maße
auch vom im Reifen herrschenden Luftdruck sowie vom Aufbau, d.h.
der Bauart oder dem Typ des jeweiligen Reifens abhängig. Daher
sollen gemäß der eingangs
erstgenannten Schrift (
EP
1 202 867 B1 ), die auf den gleichen Anmelder wie die zweitgenannte
Schrift zurückgeht
und auf die in letzterer ausdrücklich
Bezug genommen wird, für
unterschiedliche Reifentypen und für unterschiedlichen Luftdruck-Werte
im Labor sog. Referenzwerte ermittelt und in einer elektronischen
Steuereinheit abgelegt werden, so dass im praktischen Betrieb durch Vergleich
der tatsächlich
gemessenen Reifen-Verformungen mit dem im Labor unter Anlegen bekannter Kräfte ermittelten
Verformungen auf die in der Praxis vorliegenden Kräfte geschlossen
werden kann.
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Dieses
Verfahren erscheint jedoch relativ aufwändig, insbesondere auch deshalb,
weil hiermit Erkenntnisse gewonnen werden, die für eine erfolgreiche Funktion
eines Fahrdynamik-Regelsystems bzw. Fahrzustand-Stabilisierungssystems nicht erforderlich
sind. Deshalb soll hiermit ein demgegenüber einfacheres System zur
Bestimmung der Reserven hinsichtlich der zwischen den Reifen eines
zweispurigen, zwei- oder mehrachsigen Kraftfahrzeugs und der Fahrbahn übertragbaren
Kräfte
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden (= Aufgabe
der vorliegenden Erfindung).
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass für alle Reifen
deren Verformung in Längsrichtung
in Relation zur mittels einer geeigneten Sensorik ermittelten Fahrzeug-Längsbeschleunigung
gesetzt wird und die Reifen-Verformung in Querrichtung zur mittels
einer geeigneten Sensorik ermittelten Fahrzeug-Querbeschleunigung gesetzt
wird, und dass hieraus auf das Kraftschlusspotential der einzelnen
Räder geschlossen
wird. Bei der (geeigneten) Sensorik kann es sich beispielsweise
um im Fahrzeug angebrachte Beschleunigungssensoren handeln; alternativ
ist es jedoch auch möglich,
die jeweiligen Beschleunigungswerte anders zu ermitteln, so bspw.
durch zeitliche Ableitung der Fahrgeschwindigkeit, die wiederum
aus den Raddrehzahlen bestimmbar ist, oder (für die Querbeschleunigung) aus
dem Lenkwinkel unter Berücksichtigung
der Fahrgeschwindigkeit.
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Analog
dem bekannten Stand der Technik wird auch vorliegend eine Sensoreinrichtung,
insbesondere einen Infrarot-Sensor aufweisend, vorgeschlagen, die
von der Radfelge, d.h. vom Felgenbett aus im wesentlichen radial
auf die Innenseite der Reifen-Lauffläche gerichtet ist. Dieser Sensor
kann dann die Relativbewegung des Reifens gegenüber der Felge in Umfangsrichtung
und in Querrichtung durch Abtasten der Reifeninnenseite erfassen, ähnlich wie eine
Infrarot-Computer-Maus. Als Erweiterung (vgl. Anspruch 3) ist mit
dem gleichen Sensor eine Abstandsmessung zwischen Felge und Reifen
realisierbar.
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Damit
können
dann alle Kräfte
und Momente, die von der Felge auf den Reifen übertragen werden, in ihrer
Auswirkung erfasst werden. Wenn nämlich der Reifen durch Antriebs-
oder Bremskräfte
in Umfangsrichtung belastet wird, so tritt eine Verformung der Reifenaufstandsfläche in Umfangsrichtung bzw.
Fzg.-Längsrichtung
auf. Diese Verformung steht in direktem Zusammenhang mit der Größe der Antriebs-
bzw. Bremskräfte,
die der Reifen auf die Fahrbahn überträgt. Für ein an
sich bekanntes Antriebs- oder
Bremsschlupfregelsystem lassen sich daraus Informationen über die
Reifenschlupfkurve und den Reibwert der Fahrbahn gewinnen. Bei einer
Belastung des Reifens in Fzg.-Querrichtung bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs
wird der Reifen im Moment des Fahrbahnkontakts zur Kurvenaußenseite
ausgelenkt. Der Grad der Auslenkung ist ein Größenmaß für die übertragene Seitenkraft und
kann somit in der Ansteuerung von Lenkregelsystemen und Fahrzustands-Stabilisierungssysteme
genutzt werden.
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Dabei
ist es jedoch keineswegs erforderlich, die Größe der vom Reifen übertragenen
Kräfte
betragsmäßig zu kennen.
Vielmehr ist es ausreichend, die Unterschiede zwischen den einzelnen
Reifen festzustellen, und zwar indem deren jeweilige Verformung
in Längsrichtung
bzw. Querrichtung in Relation zur tatsächlichen Fahrzeug-Beschleunigung
in Längsrichtung
bzw. in Querrichtung gesetzt wird. Diese Fahrzeug-Beschleunigungen
werden bereits heute für
die existierenden Fahrzustands-Stabilisierungssysteme (wie ESP,
DSC) gemessen, und zwar insbesondere mittels geeignet im Fahrzeug
installierter Beschleunigungssensoren. Alternative Messverfahren
sind jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenso möglich. Wenn
nun eine aktuelle Fahrzeug-Beschleunigung bekannt ist, so sind dieser entsprechende
Kräfte
zwischen den einzelnen Rädern
des Fahrzeugs und der Fahrbahn sowie eine entsprechende Verteilung
dieser Kräfte
zwischen den einzelnen Rädern
des Fahrzeugs zu erwarten. Eine hiervon abweichende Kraftverteilung
zwischen den einzelnen Rädern
ist mittels des vorgeschlagenen Sensorsystems einfach feststellbar.
Hieraus sowie überhaupt
aus dem Unterschied der über
unterschiedliche Verformungen indirekt feststellbaren Radkräfte zwischen
den einzelnen Rädern
kann das jeweilige Kraftschlusspotential der einzelnen Räder einfach
abgeleitet werden. Insbesondere kann daraufhin, wie in Anspruch
4 angegeben ist, durch ein Fahrzustands-Stabilisierungssystem eine Korrekturmaßnahme an
derjenigen Stelle bzw. an demjenigen Rad eingesteuert werden, wo
aufgrund eines ausreichend hohen Kraftschlusspotentials (= Reserve
hinsichtlich der zwischen dem Reifen und der Fahrbahn übertragbaren
Kräfte)
die beste Wirksamkeit zu erwarten ist. Vorteilhafterweise ist ein
entsprechender Regeleingriff des Stabilisierungssystems selbst besser
dosierbar, da dessen Wirkung in Kenntnis des Kraftschlusspotentials
besser vorausberechnet werden kann.
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Es
können
jedoch nicht nur – wie
vorgeschlagen – die
jeweiligen Reifen-Verformungen
in Längsrichtung
bzw. Querrichtung in Relation zur tatsächlichen Fahrzeug-Beschleunigung
in Längsrichtung bzw.
in Querrichtung gesetzt werden, sondern es können weiterhin die Reifen-Verformung
in Längsrichtung
und die Reifen-Verformung in Querrichtung zueinander in Relation
gesetzt werden und es kann danach durch Vergleich dieses Verhältnisses
mit dem Verhältnis
von Fahrzeug-Längsbeschleunigung zur
Fahrzeug-Querbeschleunigung der jeweilige Reifenschräglauf bestimmt
werden. Die Werte für
die Fzg.-Längsbeschleunigung
und Fzg.-Querbeschleunigung
sind dabei durch Messung (vgl. weiter oben) bekannt. Hieraus erhält man Hinweise
auf die Ausnutzung des Kamm'schen
Kreises und über
das des Eigenlenkverhalten, d.h. ob ein Übersteuern oder ein Untersteuern
vorliegt.
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Weiterhin
kann mittels der Sensoreinrichtung – wie bereits grundsätzlich im
bekannten Stand erwähnt – eine „Abstandsmessung" (im weiteren Sinne)
zwischen Felge und Reifen durchgeführt werden, die Hinweise auf
die Radlast (in Vertikalrichtung) sowie den Reifenluftdruck gibt.
Für fahrdynamische Manöver im Grenzbereich
ergeben sich hieraus Hinweise auf die Radlastverteilung. Aus einem
Vergleich mit einem Ausgangszustand erhält man Aufschluss über die
Beladung. Die Luftdruckinformation lässt sich aus der Abweichung
eines einzelnen Reifens gegenüber
den übrigen
entnehmen sowie aus dem Unterschied zwischen dem Abstand im Reifen-Aufstandspunkt und
der gegenüberliegenden,
entspannten Seite. Konkret wird hierzu vorgeschlagen, die Reifen-Verformung
in Vertikalrichtung des Fahrzeugs durch Messung des Abstands zwischen
der Sensoreinrichtung und der Innenseite des Reifens sowohl in derjenigen
Position des Reifens zu ermitteln, in der sich ein Abschnitt der
Reifen-Innenseite am tiefsten Punkt befindet und somit die Reifenaufstandsfläche bildet,
als auch in derjenigen Reifen-Position, in der sich der selbe Reifen-Innenseiten-Abschnitt
gegenüberliegend
hiervon am höchsten
Punkt befindet, wobei diese Messung sowohl bei geringer Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs als auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten
durchgeführt
wird, um aus der Differenz hieraus Rückschlüsse auf bei höheren Fahrgeschwindigkeiten
herrschenden Vertikalkräfte zu
ziehen. Dabei können
durch einen Vergleich zwischen den verschiedenen Reifen des Fahrzeugs
hinsichtlich der bei geringer Fahrgeschwindigkeit festgestellten
Reifen-Verformungen in Vertikalrichtung die Einflüsse von
unterschiedlichem Reifen-Luftdruck oder unterschiedlicher statischer
Belastung eliminiert werden.
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Aus
den so gewonnenen Informationen über die
Radaufstandskräfte
sind Rückschlüsse möglich auf
die Achslastverteilung, Zuladung und Schwerpunktshöhe (insbesondere
beeinflusst durch Dachlasten), sowie auf die äußeren Größen Fahrbahnneigung (hängend),
Steigung, Gefälle
und Auftrieb durch aerodynamische Kräfte. Bspw. kann die Vertikalkraft
mittels zweier Lichtstrahlen gemessen werden, die in einem bestimmten
Winkel auf die Innenseite der Lauffläche projiziert werden und deren
Abstand der Auftreffpunkte ein Maß für die Entfernung darstellen.
Eine Alternative oder Ergänzung
stellt die Frequenzverschiebung bei Vergrößerung und Verkleinerung des
Abstandes, dar. Im Übrigen
empfiehlt es sich, bei den sog. Run-Flat-Reifen den Reifendruck permanent
zu überwachen,
da ein Plattfuß vom Fahrer
nicht mehr bemerkt wird. Das vorgeschlagene Sensorsystem ermöglich diese Überwachung
vorteilhafterweise quasi „nebenher".
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Weiter
oben wurde bereits erwähnt,
dass ein Fahrdynamik-Regelsystem bzw. Fahrzustands-Stabilisierungssystem
eine ggf. erforderliche Korrekturmaßnahme an demjenigen Rad oder
an denjenigen Rädern
durchführen
kann, das oder die gemäß der aus
dem Sensorsystem gewonnenen Erkenntnisse noch hohes Kraftschlusspotential
hat oder haben. Bekanntlich beruhen Fahrstabilitätsregler (= Fahrzustands-Stabilisierungssysteme)
wie ABS oder ESP (DSC) auf einer Reifenschlupfregelung. Bei Erkennung
von erhöhtem
Reifenschlupf werden Bremshydraulik-Ventile geschaltet und ein bestimmter
Drucksprung erzeugt, der annähernd
die gewünschte
Wirkung erzielt, und daraufhin die Reifenreaktion beobachtet. Durch
permanentes Hin- und Herschalten zwischen Druckaufbau und Druckabbau
an den hydraulisch betätigten
Radbremsen wird dabei der Reifen in bestimmten Schlupfgrenzen gehalten.
In der Praxis stimmt das Optimum der übertragbaren Reifenkräfte jedoch
nur selten mit dem eingeregelten Schlupf überein, denn die Schlupfkurven
unterscheiden sich signifikant in Abhängigkeit einer Vielzahl von einerseits
durch den Reifen und andererseits durch die Umgebungsbedingungen
abhängigen
Kriterien. Wenn nun aber mit einem vorgeschlagenen System bei der
Beobachtung der übertragenen
Reifenkraft erkannt werden kann, wann das Optimum erreicht oder überschritten
wird, so kann die Regelung des Fahrzustands-Stabilisierungssystems
hiernach ausgerichtet werden. Dabei ergeben die vorgeschlagenen
indirekten Reifenkraftmessungen gegenüber herkömmlichen Messverfahren und
Signalen ein genaueres Bild der Fahrzeugsituation. Grundsätzlich gilt,
dass mit einem späteren
Eingriff eines Fahrstabilitätsreglers
heftiger reagiert werden muss, was auch eine negative Auswirkung
auf das Fahrzeugverhalten haben kann. Das vorgeschlagene System
hingegen ermöglicht
eine frühzeitige
Erkennung, weshalb korrigierende Eingriffe präventiv und sanft erfolgen können. Eine
Situation kann evtl. schon im Ansatz entschärft werden, bevor sie ein kritisches
Stadium erreicht, in welchem der Fahrer irritiert werden würde.
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Die
Anbringung der Sensoreinrichtung soll möglichst einfach und insbesondere
nicht an spezifische Felgen oder Reifen gekoppelt sein. In diesem Sinne
kann die Sensoreinrichtung in einem elastischen Band oder einem
Spannband integriert sein, das auf einfache Weise in das Felgen-Tiefbett
eingelegt werden kann. Eine exakte Positionierung des Sensors ist
weder in Umfangsrichtung noch in Querrichtung erforderlich, da die
Sensoreinrichtung die Relativbewegung der Reifeninnenseite an jedem dem
Felgentiefbett gegenüberliegenden
Punkt erfassen kann. Eine einfache, durch übliche Reifenmontagewerkzeuge
mögliche
Demontage und Montage in Verbindung mit einem Reifenwechsel (z.
B. von Sommerreifen auf Winterreifen) ist durch diese Ausführungsform
gewährleistet.
Spezielle Reifen, Felgen oder Maßnahmen bspw. in Form von speziellen Durchtrittsöffnungen
an diesen Bauteilen sind nicht erforderlich, ebenso wenig eine Codierung
einer zugehörigen
elektronischen Auswerteeinheit. Zu sorgen ist lediglich für eine gute
Signalübertragung.
So können
die Signale drahtlos an einen Empfänger außerhalb des Reifens gesendet
werden. Dieser Empfänger
sitzt günstiger weise
am Federbein, so dass die Übertragungsstrecke
in einer bestimmten Reifenposition sehr klein ist.
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Um
eine durch die Sensoreinrichtung im oder am Rad erzeugte Unwucht
auszugleichen, kann auf der der Sensoreinrichtung bezüglich des
Radmittelpunktes gegenüberliegenden
Seite eine Masse angebracht werden, die dem Sensorgewicht entspricht; alternativ
können
in jedem Reifen mehr als eine Sensoreinrichtung, vorzugsweise einander
paarweise gegenüberliegend,
vorgesehen sein. Letzteres steigert auch die Dynamik des Systems.
Zwar stehen die meisten gewonnenen Informationen mit nur einer Sensoreinrichtung
je Reifen nur einmal pro Radumdrehung zur Verfügung, jedoch ist dies für die Regelung
von Fahrzeuggesamtbewegungen (Gieren und Wanken) ausreichend. Aber
auch für
die Regelung eines Fahrstabilitätsreglers
kann eine einzige Sensoreinrichtung ausreichend sein, da die hiermit
gewonnenen zusätzlichen
Informationen praktisch nur bei höheren Fahrgeschwindigkeiten
benötigt
werden, bei denen aber eine entsprechend hohe Raddrehzahl und folglich
eine entsprechend kurze Signalfolge vorliegt. Bei geforderter höherer Dynamik
können
wie bereits erwähnt
auch mehrere Sensoreinrichtungen über dem Felgenumfang angeordnet
werden.
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Idealerweise
kann die Sensoreinrichtung ohne fremde Energiequelle funktionsfähig sein.
Die Energie kann bspw. mittels eines drucksensitiven Elements erzeugt
werden. Die Druckkraft entsteht durch die Beschleunigungskräfte in Umfangsrichtung,
durch wechselnde Fliehkräfte
und durch Vertikalkräfte
infolge von Radbewegungen über
Bodenunebenheiten. Dabei sei noch darauf hingewiesen, dass dies
sowie eine Vielzahl von Details durchaus abweichend von obigen Erläuterungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.