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Stand der Technik
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Die
Druckschrift
WO 02/092364
A2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Beladungszustandes
eines Fahrzeuges. Hierbei wird die Länge der Reifenaufstandsfläche
eines Reifens des Fahrzeuges gemessen und eine Änderung
der Länge der Reifenaufstandsfläche als Änderung
des Beladungszustandes erkannt. Die Länge der Reifenaufstandsfläche
wird bei sich drehendem Reifen abgeleitet aus den Beschleunigungssignalen
eines Beschleunigungssensors, der sich an der Innenseite des Reifens
befindet und eine Radialbeschleunigung misst. Befindet sich der
Beschleunigungssensor im Bereich der Reifenaufstandsfläche,
so ist die gemessene (Radial-)Beschleunigung im wesentlichen gleich
der Erdbeschleunigung. In den anderen Fällen ist die Beschleunigung
deutlich höher. Aus der Dauer, die sich der Beschleunigungssensor
im Bereich der Reifenaufstandsfläche befindet und aus der
Geschwindigkeit des Fahrzeuges lässt sich somit die geometrische
Länge der Reifenaufstandsfläche berechnen.
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Nachteil
eines derartigen Verfahrens ist es, dass die Zuordnung der ermittelten
Reifenaufstandsfläche zu einem Beladungszustand des Fahrzeuges ständig
zu aktualisieren ist, da die Reifenaufstandsfläche von
weiteren zeitabhängigen Größen abhängig
ist, z. B. dem Reifendruck. Auch ist die zusätzliche Ableitung
weiterer Größen aus der Reifenaufstandsfläche,
z. B. die Ermittlung der Profiltiefe, nicht unproblematisch, da
dann mehrere zu ermitteln de Größen von den gleichen
Messwerten abhängen und sich somit indirekt gegenseitig
beeinflussen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung sieht ein Verfahren vor, mit dem sich die Änderung
einer Profiltiefe eines Profils eines Reifens ermitteln lässt.
Vorteilhafterweise kann weiterhin die Änderung eines Beladungszustandes des
Fahrzeugs ermittelt werden.
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Hierzu
werden erfindungsgemäß Verhältniswerte
ermittelt, die von der Reifenaufstandsfläche abhängen
und somit ein Maß für die Reifenaufstandsfläche
darstellen. Die Verhältniswerte können insbesondere
ein Verhältnis bzw. einen Quotienten der Länge
der Reifenaufstandfläche zum Umfang des Reifens darstellen
bzw. annähernd darstellen. Sie werden vorteilhafterweise
aus dem Verhältnis der Aufliegezeit bzw. Reifenaufstandszeit
zu der gesamten Umlaufzeit ermittelt, die aus den Beschleunigungswerten
ermittelt werden können.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Kenntnis der Länge
der Reifenaufstandsfläche als absoluter Wert oder auch
relativer Wert im Verhältnis zum Reifenumfang noch nicht
die eindeutige Ermittlung der Profiltiefe zulässt, da die
Reifenaufstandsfläche insbesondere auch durch den Beladungszustand
erheblich beeinflusst wird. Aus einer Vielzahl von ermittelten Verhältniswerten
kann erfindungsgemäß jedoch zunächst
mindestens eine Untermenge bzw. Teilmenge ermittelt werden, die
einem spezifischen Beladungszustand zugeordnet werden kann.
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Aus
der Änderung der Verhältniswerte dieser Untermenge
lässt sich die Änderung der Profiltiefe des Profils
des Reifens ableiten. Da sich das Reifenprofil in der Regel nur
sehr langsam abnutzt, bewegen sich relevante Zeiträume
für diese Ermittlung z. B. im Bereich von Monaten bis Jahren.
Die Änderung der Profiltiefe kann erfindungsgemäß somit
als Langzeittrend erfasst werden, dem kurzfristigere Änderungen
aufgrund unter anderem sich ändernder Beladungszustände überlagert
sind. Somit können auch Toleranzbereiche angesetzt werden,
die zwischen den Messungen nicht überschritten werden sollten, da
in den entsprechenden Zeiträumen keine allzu große Änderung
erfolgen sollte. Weiterhin kann berücksichtigt werden,
dass der Langzeittrend der Profiltiefenänderung nur als
Abnahme der Profiltiefe entsprechend der Abnahme des Reifenradius
erfolgen kann und somit kurzzeitige Erhöhungen andere Ursachen
haben.
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Als
Untermenge kann insbesondere ein Leerzustand bzw. Grundzustand ermittelt
werden, bei dem jeweils minimale Reifenaufstandsflächen ausgebildet
werden. Somit kann als jeweils aktuellster Wert immer ein absolutes
Minimum der ermittelten Verhältniswerte herangezogen werden.
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Um
Abhängigkeiten berücksichtigen zu können,
die die Reifenaufstandsfläche nur schwach und über
einen langen Zeitraum verändern, z. B. auch die Änderung
der Profiltiefe, wird der Toleranzbereich sehr eng gewählt,
höchstens wenige Prozent, vorzugsweise noch erheblich enger.
Dies ermöglicht es, zu unterscheiden, ob die Änderung
der Reifenaufstandsfläche durch eine kurzfristige Ursache
bedingt ist, beispielsweise durch Ent- oder Beladen des Fahrzeuges,
oder ob eine Änderung vorliegt, die den Wert einer einem
bestimmten Beladungszustand zugeordneten Reifenaufstandsfläche
dauerhaft ändert. Die Breite des Toleranzbereiches ist
dabei mit der Häufigkeit der Messungen verknüpft.
Erhöht man die Anzahl der Messungen pro Zeitraum, so lässt
sich die Breite des Toleranzbereiches weiter reduzieren. Erfindungsgemäß können
somit Sprünge in den Verhältniswerten erkannt
und berücksichtigt bzw. heraus gerechnet werden.
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Weiterhin
ist es möglich, aus mehreren ausgewählten Verhältniswerten,
z. B. in einem relativ kurzen Zeitraum ermittelten Verhältniswerten,
einen Mittelwert zu bilden, oder aber über eine Vielzahl
von ausgewählten Verhältniswer ten zu interpolieren,
wobei in diesem Fall auch der gesamte Zeitraum berücksichtigt
werden kann. Der erste Wert kann als Anfangswert vorgegeben werden,
oder aber auch nach der Ermittlung von einer genügend hohen
Anzahl von Werten nachträglich durch einen Algorithmus
bestimmt werden, der z. B. auch die Einhaltung der jeweiligen Kriterien
wie Toleranzbereich usw. berücksichtigt.
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Vorzugsweise
wird bei der Ermittelung der Verhältniswerte die Reifengröße,
die Reifenart, der Reifendruck und/oder die Geschwindigkeit des
Fahrzeugs zwecks Kompensation dieser Größen berücksichtigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann ergänzend
dazu verwendet werden, den aktuellen Beladungszustand des Fahrzeugs
zu ermitteln. Hierzu wird aus einem aktuellen Verhältniswert
und aus einem Verhältniswert der Untermenge, z. B. dem
letzten Verhältniswert oder einem gemittelten Verhältniswert
der Untermenge, eine Beziehung erstellt, die den aktuellen Beladungszustand
kennzeichnet. Der Beladungszustand kann durch Vergleich mit voreingegebenen
Kalibrierdaten oder auch durch Berechnung quantifiziert werden,
z. B. als Prozent der zulässigen Gesamtbeladung oder auch
als Masse- bzw. Gewichtswert. Somit wird erfindungsgemäß der
Beladungszustand als kurzfristige Änderung ermittelt, die
der langfristigen Änderung überlagert ist.
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Der
Beschleunigungssensor kann insbesondere in der Lauffläche
des Reifens angeordnet sein, um die auftretenden Beschleunigungen
effektiv messen zu können. Die Detektionsrichtung des Beschleunigungssensors,
in der er die auftretenden Beschleunigungen erfasst, kann insbesondere
die Radialrichtung des Reifens sein, so dass in der Reifenaufstandsfläche
lediglich die Gravitationsbeschleunigung auftritt. Alternativ oder
ergänzend hierzu kann die Detektionsrichtung auch die Tangentialrichtung, d.
h. Laufrichtung des Reifens sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Diagramm, das die gemessene Beschleunigung a in Abhängigkeit
der Zeit t darstellt;
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2 ein
Diagramm, das einen Verhältniswert in Abhängigkeit
mehrerer Messungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen
Beladungszuständen darstellt;
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3 ein
Diagramm, das den Verhältniswert in Abhängigkeit
der Zeit, hier charakterisiert durch die Anzahl der Messungen, darstellt;
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4 ein
Diagramm, dass den Verhältniswert im Verhältnis
zur Zeit, hier charakterisiert durch die Anzahl der Messungen, darstellt,
wobei jeweils nur ausgewählte Werte berücksichtigt
wurden;
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5 ein
Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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6 die
Darstellung eines Fahrzeugs auf einer Fahrbahn.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Gemäß 6 fährt
ein Fahrzeug 8 mit Reifen 1 auf einer Fahrbahn 3.
In seinem radial äußeren Laufflächenbereich 4 weist
der Reifen 1 einen Beschleunigungssensor 2 auf,
der in Radialrichtung angeordnet ist und somit in Richtung des Radius
R auftretende Beschleunigungen a misst. Der Laufflächenbereich 4 weist
ein Reifenprofil 4a mit einer Profiltiefe 4b auf.
Der Reifen 1 liegt jeweils mit einer Reifenaufstandsfläche
A auf der Fahrbahn 3 auf. Von der linken zur rechten Darstellung
des Teilbilds in 1 durchläuft der Sensor 2 somit
die Reifenaufstandsfläche A.
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Der
Beschleunigungssensor 2 gibt die gemessene Beschleunigung
a in an sich bekannter Weise als drahtloses Signal an eine Steuereinheit 6 im
Fahrzeug 8 aus, die nachfolgend die Auswertung vornimmt.
Hierzu ist die Steuereinrichtung 6 in an sich bekannter
Weise an einen Empfänger 6a für die drahtlosen
Signale angeschlossen oder der Empfänger 6a in
der Steuereinrichtung 6 integriert. Im Flussdiagramm der 5 wird
das erfindungsgemäße Verfahren in Schritt St1
gestartet, z. B. wenn die Steuereinrichtung bei drehendem Reifen 1 Signale
a des Beschleunigungssensors aufnimmt. In Schritt St2 misst der
Beschleunigungssensor 2 die Radialbeschleunigung und gibt
die Signale a aus.
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In 1 ist
die gemessene Beschleunigung a in Einheiten der Gravitationsbeschleunigung
g in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen, bei etwa konstanter
Fahrgeschwindigkeit v.
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Der
Beschleunigungssensor 2 misst außerhalb der Reifenaufstandsfläche
A eine Beschleunigung a entsprechend der Vektorsumme der relativ geringen
Gravitationsbeschleunigung und der Zentrifugalbeschleunigung, die
von der Radialposition des Sensors 2 und der Reifen-Drehzahl
n abhängt. Die Reifen-Drehzahl n hängt hierbei
(ohne Schlupf) von der Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeugs und dem Radius
R des Reifens 1 ab, der durch Verschleiß abnimmt;
diese Abnahme des Radius R entspricht der Abnahme der Profiltiefe 4b.
In oder über der Reifenaufstandsfläche A misst
der Beschleunigungssensor 2 keine Zentripetalbeschleunigung,
so dass die gemessene Beschleunigung im wesentlichen auf die relativ
geringe Gravitationsbeschleunigung g, d. h. a = g abfällt.
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Bei
konstanter Geschwindigkeit v des Fahrzeugs lassen sich damit zwei
Zeiten unterscheiden, zum einen die Zeit T_A, in der sich der Sensor 2 über der
Reifenaufstandsfläche A befindet, und zum anderen die Zeit,
in der sich der Sensor 2 außerhalb der Reifenaufstandsfläche
A befindet. Die Summe dieser beiden Zeiten ergibt die Umlaufzeit
T_U. T_A ist somit ein Maß für die geometrische
Länge der Reifenaufstandsfläche. Die Steuereinheit 6 ermittelt
in Schritt St3 der 5 die Werte T_U und T_A z. B. wie
eingezeichnet als Intervall zwischen den Zeitpunkten, an denen die
Messkurve a(t) einen Schwellwert as, z. B. as = –20 g, überschreitet.
T_U ergibt sich als Zeitinter vall bis zum erneuten Überschreiten dieses
Schwellwert as, T_A als Zeitintervall bis zum ersten Unterschreiten
von as.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ab Schritt
St4 eine Langzeitänderung der Profiltiefe 4b ermittelt.
Hierzu wird in Schritt St4 über einen längeren
Zeitraum eine Vielzahl von Verhältniswerten V ermittelt,
die jeweils als Quotient einer Aufliegezeit T_A zu einer Umlaufzeit
T_U gebildet werden. Aus der Vielzahl von Verhältniswerten
V wird dann in Schritt St5 eine Teilmenge bzw. Untermenge U von Verhältniswerten
V gebildet, bei denen unter Berücksichtung eines Toleranzbereiches
ein bestimmter, sich wiederholender Beladungszustand des Fahrzeugs
vorliegt, und die Änderung der ausgewählten Werte
ermittelt. In Schritt St5 wird somit überprüft,
ob ein zuvor in Schritt St4 ermittelter Verhältniswert
V in U liegt, d. h. Element von U ist. Falls dies der Fall ist, kann
gemäß Verzweigung j aus dem aktuellen V in Schritt
St6 die Änderung der Profiltiefe 4b bestimmt werden
aus der Änderung der ausgewählten Verhältniswerte
V der Untermenge U.
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Die
Auswahl der Verhältniswerte V der Untermenge kann insbesondere
dadurch erfolgen, dass jeweils der Wert als nächster ausgewählt
wird, der innerhalb eines festgelegten, genügend engen
Toleranzbereiches Ta des zuvor ausgewählten Werts liegt.
Somit wird ein Langzeittrend bei der Auswahl berücksichtigt.
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2 zeigt
das Verhältnis V = T_A/T_U in Abhängigkeit mehrerer
Messungen M, die bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten v und unterschiedlichem
Beladungszustand durchgeführt wurden. Messungen 1 und 2
wurden im Leerzustand des Fahrzeugs bei 30 km/h bzw. 50 km/h durchgeführt,
Messungen 3 und 4 bei einer Zuladung von 105 kg bei einer Geschwindigkeit
von 30 km/h bzw. 50 km/h, und Messungen 5 und 6 bei einer Zuladung
von 175 kg bei einer Geschwindigkeit ebenfalls von 30 km/h bzw. 50
km/h. Es wurden jeweils zwei Messwerte aufgenommen. Das Diagramm
zeigt, dass das Verhältnis T_A/T_U nur schwach geschwindigkeitsabhängig
ist, im Gegensatz zu einer starken Abhängigkeit vom Beladungszustand.
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3 zeigt
ein Diagramm, das das Verhältnis von V = T_A/T_U in Abhängigkeit
mehrerer Messungen M zeigt, wobei zwischen zwei Messungen jeweils
ein bestimmter Zeitraum liegt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird als Anfangswert der Verhältniswert
V = T_A/T_U im unbeladenen Zustand des Fahrzeuges genommen, der somit
durch Fahrergewicht und Fahrzeuggewicht festgelegt ist. Nach Ablauf
eines bestimmten Zeitraums wird V durch eine Messung neu ermittelt.
Ist der ermittelte Verhältniswert kleiner als der zuletzt ausgewählte
Wert, hier also der Anfangswert, und liegt dieser Wert innerhalb
eines festgelegten, genügend engen Toleranzbereiches Ta
des zuvor ausgewählten Wertes, so wird dieser Verhältniswert
als nächster Wert der zu bildenden Untermenge U ausgewählt.
Ansonsten wird dieser Wert gemäß Verzweigung n
in 5 nicht in die Untermenge U einbezogen. Die Wahrscheinlichkeit,
dass dieser Leerzustand innerhalb weniger Tage oder Wochen nach dem
Anfangswert auftritt und ermittelt wird, ist üblicherweise
sehr hoch und für die Ermittelung einer Änderung
der Reifenprofiltiefe 4b, die sich typischerweise über
mehrere Jahre hinzieht, ausreichend.
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Somit
wird eine Untermenge U gebildet, die dem Leezustand entspricht.
Alternativ kann eine Untermenge z. B. auch für einen maximalen
Beladungszustand ermittelt werden.
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Des
Weiteren werden vorteilhafterweise bei der Ermittelung der Verhältniswerte
V zur Kompensation weitere Größen berücksichtigt,
insbesondere eine oder mehrere der folgenden Größen:
Reifengröße,
Reifenart, Reifendruck und die Fahrgeschwindigkeit, die insbesondere
den Radius R und somit auch den Umfang U = 2πR beeinflussen,
wodurch entsprechend der Verhältniswert V = T_A/T_U geändert
wird. Hierfür kann die Anordnung z. B. einen Reifendrucksensor
aufweisen, der z. B. auch kombiniert mit dem Sensor 2 oder
getrennt von diesem ausgebildet ist; ergänzend wird z.
B. ein Reifendrehzahlsensor des ABS herangezogen. Reifenspezifische,
zeitunabhängige Größen können
als konstante Werte der Steuereinheit 6 übermittelt
werden oder in einem Speicher der Steuereinheit hinterlegt sein.
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In
der Steuereinheit 6 wird nun ein Langzeitvergleich der
ausgewählten Verhältniswerte V der Untermenge,
die den unbeladenen Zustand charakterisiert, durchgeführt.
Eine in 3 eingezeichnete Langzeitänderung
d der Verhältniswerte V entspricht hierbei einer Änderung
der Profiltiefe 4b.
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Das
erste Minimum des Verhältniswertes V = T_A/T_U, das wie
erwähnt mit hoher Wahrscheinlichkeit in den ersten Tagen
oder Wochen auftritt, entspricht bei einem neuen Reifen der maximalen
Profiltiefe 4b. Die Profiltiefe 4b kann als Wert
in dem Speicher der Steuereinheit 6 hinterlegt werden.
Des Weiteren kann im Speicher der Steuereinheit 6 ein Schwellenwert
hinterlegt sein, der der minimalen Profiltiefe 4b entspricht. Überschreitet
die ermittelte Änderung d der Profiltiefe 4b diesen
Schwellenwert, so gibt die Steuereinheit ein Warnsignal an eine
Warneinrichtung des Fahrzeugs 8 und/oder ein Anzeigesignal
an den Fahrer zur Anzeige einer noch verbleibenden Wegstrecke bzw.
Kilometerleistung aus.
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Wird
ein neuer Reifen montiert, so wird dies dadurch erkannt, dass entweder
die Steuereinheit 6 im Reifen 1 mit den neuen
Reifendaten programmiert wird. Alternativ kann der neue Reifen 1 eine
eigene Steuereinheit sowie einen eigenen Beschleunigungssensor 2 aufweisen.
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Wenn
nach Ablauf eines ersten Zeitraums die ermittelten Werte deutlich
von denen abweichen, die in dem ersten Zeitraum ausgewählt
wurden, so wird ein neuer Messzyklus begonnen. Dies kann beispielsweise
darauf beruhen, dass der Fahrer des Fahrzeuges gewechselt hat. 4 stellt
in einem Diagramm, dass das Verhältnis T_A/T_U in Abhängigkeit
der Zeit, hier repräsen tiert durch die Anzahl der Messungen
M, zeigt, dar. In dem Diagramm sind lediglich die ausgewählten
Werte des ersten Zeitraums t4, die in dem ersten Messzyklus aufgenommen
worden sind und die ausgewählten Werte eines Zeitraums
t5, die im neuen Messzyklus aufgenommen worden sind, eingetragen.
Aus den Werten, die in dem ersten Zeitraum t4 ausgewählt
wurden, wird eine erste Änderung Delta 1 der Profiltiefe
des Reifens 1 ermittelt, aus den Werten, die in dem auf
den ersten folgenden zweiten Zeitraum t5 ausgewählt wurden,
eine zweite Änderung Delta 2 der Profiltiefe des
Reifens 1 ermittelt. Erste und zweite Änderung Delta 1,
Delta 2 der Profiltiefe 4b werden zu einer Gesamtänderung
der Profiltiefe 4b addiert.
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Auf
entsprechende Weise können weitere und auch andere zu derartigen
Sprüngen führende Änderungen berücksichtigt
werden, z. B. Umbauten am Fahrzeug, ein Verkauf und neuer Halter
des Fahrzeugs etc.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird ergänzend zur Profiltiefe 4b der
aktuelle Beladungszustand des Fahrzeuges ermittelt. Der Beladungszustand
wird im wesentlichen durch die in 6 eingezeichnete
Gewichtskraft G (bzw. Masse) des Fahrzeugs 8 bestimmt.
Zur Ermittlung des Beladungszustandes wird in Schritt St7 zusätzlich
ein aktueller Verhältniswert V, d. h. insbesondere der
zuletzt ermittelte Verhältniswert V und ein zuletzt ermittelter
Verhältniswert V der Untermenge U herangezogen, die den
sich wiederholenden Belastungszustand charakterisiert, in diesem
Fall den Leerzustand.
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Die
Steuereinheit 6 ist für die Ermittelung des aktuellen
Beladungszustandes mit einem geeigneten Programmcode ausgestattet.
Der Wert, der den unbeladenen Zustand des Fahrzeuges entspricht,
wird vorzugsweise einmalig in einem Speicher der Steuereinheit 6 hinterlegt.
Mit Kenntnis der Fahrzeug- und Reifendaten kann die Steuereinheit 6 nun
ermitteln, welcher Beladungszustand den ermittelten Verhältniswerten
V = T_A/T_U zuzuordnen ist. Des Weiteren können in der
Steuereinheit 6 Schwellenwerte vorgesehen sein, die beispielsweise
kennzeichnen, ob der Reifendruck erhöht werden sollte,
oder ob eine Überladung vorliegt. Erkennt die Steuereinheit 6 eine Überschreitung
eines derartigen Schwellenwertes, so kann eine entsprechende Warneinheit
aktiviert werden.
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Der
Beschleunigungssensor 2 und die Steuereinheit 6 stellen
somit eine erfindungsgemäße Anordnung zur Ermittlung
der Änderung einer Profiltiefe 4b und vorzugsweise
auch des aktuellen Beladungszustand dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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