DE102012109670B4

DE102012109670B4 - System und Verfahren zur Bestimmung der Reifenlaufleistung und Reifenabnutzung

Info

Publication number: DE102012109670B4
Application number: DE102012109670.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Kandler; Thomas Lange; Christoph Steiner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: DE102012109670A1; US20140107946A1; US9566834B2

Abstract

System (100), umfassend: einen Beschleunigungssensor (104) zum Erfassen einer Zentrifugalbeschleunigung; und eine Verarbeitungseinheit (106), welche mit dem Beschleunigungssensor (104) gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, um aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte zu ermitteln, die repräsentativ sind für eine Laufleistung eines Reifens (200) und/oder eine Abnutzung des Reifens (200), dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um ein Maß für die Laufleistung durch Wurzelziehung aus einer Anzahl Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung und anschließende Summation über die wurzelgezogenen Messwerte zu ermitteln, oder die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um ein Maß für die Abnutzung durch Summation über eine Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung zu ermitteln, und das System ferner umfasst: einen Temperatursensor (105) zum Erfassen einer Temperatur, wobei der Temperatursensor (105) mit der Verarbeitungseinheit (106) gekoppelt ist und die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um die Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung abhängig von einer erfassten Temperatur zu korrigieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren, welche eingerichtet sind, eine Laufleistung eines Reifens und/oder eine Abnutzung eines Reifens zu ermitteln.
Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Systeme können auf ”Tire Pressure Monitoring Systemen” (TPM-Systeme, Reifendrucküberwachungssysteme) basieren oder derartige Systeme enthalten oder in ihnen enthalten sein. Heutzutage werden Kraftfahrzeuge zunehmend mit derartigen Systemen ausgestattet. Die primäre Funktion eines TPM-Systems ist die Messung des individuellen Innendruckes jedes Reifens, um den Fahrzeugführer vor plötzlichem oder schleichendem Druckverlust zu warnen. Dazu befindet sich bei sogenannten direkten TPM-Systemen in jedem Rad ein TPMS-Modul, das im Wesentlichen mehrere Sensoren (Drucksensor, Beschleunigungssensor und Temperatursensor), einen RF-Transmitter sowie eine Leistungsversorgungseinheit wie eine Batterie enthalten kann.
Die US 2010/0186492 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abschätzen von Laufleistung und Abnutzung eines Reifens, bei dem ein Beschleunigungssensor derart innerhalb des Reifen angebracht ist, dass eine Deformationsgeschwindigkeit anhand der Umlaufzeit oder der Umlaufgeschwindigkeit des Reifens bestimmt wird.
In der US 2007/0182531 A1 ist die Messung von Parametern wie beispielsweise Druck, Temperatur oder Umdrehungsgeschwindigkeit zur Überwachung der Laufleistung eines Reifens offenbart.
Aus der DE 10 2010 004 149 A1 ist bekannt, die Laufleistung eines Reifens mittels zwei zeitlich voneinander getrennten Messungen der jeweils aktuellen Laufleistung und der Abschätzung der Laufleistung während des Ruhezeitraums zwischen den zwei Messungen zu bestimmen.
Die DE 10 2009 020 428 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Verwendung an der Welle eines Schienenfahrzeugs, welche einen Sensor zur Positionsbestimmung, zur Bewegungserfassung, Temperaturmessung oder zur Erfassung von mechanischen Einwirkungen beinhaltet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Systeme und Verfahren bereitzustellen, mit welchen zusätzliche Parameter ermittelt und dem Fahrzeugführer zur Verfügung gestellt werden können. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit oder in einem TPM-System zusätzliche Funktionen bereitzustellen und solchermaßen zusätzliche Parameter zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein System, welches auch als ein Sensorsystem bezeichnet werden kann, einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Zentrifugalbeschleunigung und eine Verarbeitungseinheit, welche mit dem Beschleunigungssensor gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, um aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte zu ermitteln, die repräsentativ sind für eine Laufleistung eines Reifens und/oder eine Abnutzung des Reifens und/oder einen Einbau- oder Montageradius des Systems im Reifen.
Eine wesentliche Erkenntnis bei diesem ersten Aspekt besteht darin, dass beispielsweise ein TPM-System zusätzliche Funktionen bereitstellen kann, welche prinzipiell unabhängig von der Hauptfunktion, nämlich der Reifendruckmessung, sind. Dabei kann man sich zu Nutze machen, dass TPM-Systeme einen Beschleunigungssensor aufweisen können, welcher primär zum Unterscheiden von Fahr- und Parksituationen dient. Beim Parken kann dadurch Energie eingespart werden, indem die eigentliche Druckmessung und das Aussenden des Druckwertes entweder überhaupt nicht oder zumindest mit geringerer Häufigkeit durchgeführt werden als beim Fahren. Zur Unterscheidung zwischen Fahr- und Parksituationen kann im TPM-System ein Beschleunigungssensor derart angeordnet werden, dass er sensitiv auf die Zentrifugalbeschleunigung im Rad ist. Wenn der Beschleunigungssensor Werte für die Zentrifugalbeschleunigung liefert, wobei hierfür ein Schwellwert vorgegeben werden kann, liegt eine Fahrsituation vor, durch die das System veranlasst wird, Druckmessungen durchzuführen oder zumindest mit höherer Frequenz gegenüber der Parksituation durchzuführen. Die somit ohnehin innerhalb des TPM-Systems gelieferten Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung des Rads können nun zusätzlich genutzt werden, um daraus die Reifenlaufleistung sowie die Reifenabnutzung bzw. geeignete Maße für diese Größen zu ermitteln.
Grundsätzlich kann man bei TPM-Systemen unterscheiden zwischen sogenannten ventilbasierten TPM-Systemen und In-Tire-TPM-Systemen. Ventilbasierte TPM-Systeme sind am oder in der Nähe des Ventils des Reifens montiert, während In-Tire-TPM-Systeme fest am Reifen montiert sind, beispielsweise in die Lauffläche des Reifens eingeklebt sind. Beide Systeme unterscheiden sich somit voneinander durch den Einbau- oder Montageradius des Systems in Bezug auf einen Mittelpunkt des Reifens. Wie weiter unten noch gezeigt werden wird, kann bei bekanntem Einbauradius die Laufleistung absolut bestimmt werden.
Es ist jedoch auch möglich, den Einbauradius aus den Beschleunigungswerten zu ermitteln, wenn zusätzlich die Reifendrehfrequenz bestimmt wird, wie ebenfalls weiter unten gezeigt werden wird.
Wie bereits angedeutet, kann also ein System gemäß dem ersten Aspekt als ein TPM-System ausgestaltet sein, welches demzufolge einen Reifendrucksensor aufweist, welcher ebenfalls mit der Verarbeitungseinheit gekoppelt ist. Innerhalb eines derartigen TPM-Systems kann der Beschleunigungssensor primär zum Unterscheiden von Fahr- und Parksituationen dienen, da die eigentliche Druckmessung und das Aussenden des Druckwertes beim Fahren häufiger erfolgen muss als beim Parken, so dass beim Parken somit Energie eingespart werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Verarbeitungseinheit eingerichtet, um aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte für eine Abrollgeschwindigkeit des Reifens zu ermitteln und aus diesen die für die Laufleistung und/oder die Abnutzung repräsentativen Zahlenwerte zu ermitteln. Wie noch zu sehen sein wird, können diese Zahlenwerte aber auch direkt aus den Beschleunigungswerten berechnet werden, ohne dass zwischendurch Werte für die Abrollgeschwindigkeit ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Verarbeitungseinheit eingerichtet, um ein Maß für die Laufleistung durch Wurzelziehung aus einer Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung und anschließende Summation über die wurzelgezogenen Messwerte zu ermitteln. Bei Kenntnis der Werte für Reifenradius und Einbauradius des Systems kann die Laufleistung auch in absoluten Werten bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Verarbeitungseinheit eingerichtet, um ein Maß für die Abnutzung durch Summation über eine Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung zu ermitteln. Für die Messung der Zentrifugalbeschleunigung kann ein Zeitabstand vorgegeben werden, der veränderbar ist und etwa an die Fahrsituation angepasst werden kann. Unabhängig davon kann auch für die Summation über die Messwerte ein Zeitabstand vorgegeben werden, der ebenfalls veränderbar sein kann und gegebenenfalls in bestimmter Weise von dem Zeitabstand für die Messung abhängig sein kann. Die Verarbeitungseinheit kann zusätzlich derart eingerichtet sein, um das Maß für die Abnutzung durch quadratische Wichtung der Abrollgeschwindigkeit zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Verarbeitungseinheit eingerichtet, um aus einem Messwert der Zentrifugalbeschleunigung und einer Reifendrehfrequenz einen Zahlenwert für den Einbauradius zu ermitteln. Gemäß einer Ausführungsform davon ist die Verarbeitungseinheit eingerichtet, um aus einer Anzahl Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung die Reifendrehfrequenz zu ermitteln. Gemäß einer Ausführungsform weist das System einen Reifendrehfrequenzsensor auf, welcher eingerichtet sein kann, um ein oszillierendes Signal aufgrund des Erdmagnetfelds zu erzeugen oder um ein periodisches Signal aufgrund des Kontakts des Reifens mit dem Untergrund zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist das System eingerichtet, um in vorgegebenen Zeitabständen Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung von dem Beschleunigungssensor zu erfassen. Die Zeitabstände können beispielsweise in einem Bereich von 0,5 s–10 s liegen. Die Zeitabstände können veränderbar sein, wobei sie insbesondere je nach Fahrsituation programmgesteuert unterschiedlich gewählt werden können. Beispielsweise können in Parksituationen relativ große Zeitabstände gewählt werden, während in Fahrsituationen relativ geringe Zeitabstände gewählt werden und diese je nach Fahrgeschwindigkeit noch variiert werden können. Wie oben bereits angedeutet, kann zusätzlich vorgesehen sein, dass bei einer Änderung der Zeitabstände der Messung das oben schon erwähnte Summationsverfahren verändert wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Summation stets dann durchgeführt wird, wenn eine bestimmte Anzahl Messwerte ermittelt worden ist. Dies bedeutet, dass sich bei Vergrößerung des Zeitabstands der Messung sich auch der Zeitabstand für die Summation vergrößert. Es kann auch beispielsweise ein kleinster Zeitabstand für die Summation festgelegt werden, wobei größere Zeitabstände ganzzahlige Vielfache des kleinsten Zeitabstands sein können.
Erfindungsgemäß umfasst das System ferner einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur, wobei der Temperatursensor mit der Verarbeitungseinheit gekoppelt ist und die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um die Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung abhängig von einer erfassten Temperatur zu korrigieren. Die Verarbeitungseinheit kann insbesondere eingerichtet sein, um in vorgegebenen Zeitabständen Messwerte der Temperatur von dem Temperatursensor zu erfassen. Da sich die Temperatur im Reifen langsamer ändert als die Zentrifugalbeschleunigung, können die Zeitabstände – verglichen mit den Zeitabständen der Messung der Zentrifugalbeschleunigung – in einem erheblich größeren Bereich, etwa in einem Bereich von 5 s–100 s liegen.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts weist das System ferner einen nicht-flüchtigen Speicher und einen damit gekoppelten Akkumulator-Speicher auf, wobei das System eingerichtet sein kann, um die ermittelten Zahlenwerte für die Laufleistung und/oder die Abnutzung im Akkumulator-Speicher zunächst zu akkumulieren und nach Erreichen eines Schwellwerts den Inhalt des Akkumulator-Speichers auf Null zu setzen und den Inhalt des nicht-flüchtigen Speichers um den Schwellwert zu erhöhen.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst ein Verfahren das Bereitstellen von Messwerten einer Zentrifugalbeschleunigung am Einbauort eines Beschleunigungssensors in einem Reifen und das Ermitteln von Zahlenwerten, die für eine Laufleistung und/oder eine Abnutzung und/oder einen Einbauradius des die Messwerte liefernden Beschleunigungssensors im Reifen repräsentativ sind, aus den Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung. Ein derartiges Verfahren kann mit einem System gemäß dem ersten Aspekt durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt kann ein Maß für die Laufleistung durch Wurzelziehung aus einer Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung und anschließende Summation über die wurzelgezogenen Messwerte ermittelt werden. Bei Kenntnis des Reifenradius und des Einbauradius des Beschleunigungssensors kann die Laufleistung auch absolut bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt wird ein Maß für die Abnutzung durch Summation über eine Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung ermittelt. Das Maß für die Abnutzung kann durch quadratische Wichtung der Abrollgeschwindigkeit ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt können zuerst aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte für eine Abrollgeschwindigkeit des Reifens ermittelt werden und aus diesen können dann die für die Laufleistung und/oder die Abnutzung repräsentativen Zahlenwerte ermittelt werden. Es ist aber ebenso möglich, die für die Laufleistung und/oder die Abnutzung repräsentativen Zahlenwerte direkt aus den Messwerten für die Zentrifugalbeschleunigung zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt wird aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung und einer Reifendrehfrequenz ein Zahlenwert für den Einbauradius ermittelt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt kann die Reifendrehfrequenz entweder aus einer Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung, aus einem oszillierenden Signal aufgrund des Erdmagnetfelds oder aus einem periodischen Signal aufgrund des Kontakts des Reifens mit dem Untergrund ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt werden in vorgegebenen Zeitabständen Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung von dem Beschleunigungssensor erfasst. Die Zeitabstände können in einem Bereich von 0,5 s–10 s liegen. Die Zeitabstände können im laufenden Betrieb verändert werden. Es gelten hier gleichermaßen die obigen Ausführungen zu den Zeitabständen der Messung und der Summation.
Erfindungsgemäß wird nach dem zweiten Aspekt eine Temperatur erfasst und die Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung werden abhängig von der erfassten Temperatur korrigiert. Die Temperatur kann in vorgegebenen Zeitabständen erfasst werden, wobei die Zeitabstände in einem Bereich von 5 s–100 s liegen können.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt können die ermittelten Zahlenwerte für die Laufleistung und/oder die Abnutzung jeweils in einem Akkumulator-Speicher akkumuliert werden und nach Erreichen eines Schwellwerts kann der Inhalt des Akkumulator-Speichers um den Schwellwert vermindert werden und der Inhalt eines nicht-flüchtigen Speichers um den Schwellwert erhöht werden.
Ein dritter nicht zur Erfindung gehöriger Aspekt bezieht sich auf ein System, welches einen Reifendrehfrequenzsensor und eine Verarbeitungseinheit umfasst, welche mit dem Reifendrehfrequenzsensor gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, um aus Messwerten der Reifendrehfrequenz ein Maß für eine Zentrifugalbeschleunigung zu ermitteln.
Dem dritten Aspekt liegt eine wesentliche Erkenntnis zugrunde, wonach aus der Reifendrehfrequenz bei bekanntem Einbauradius eines Systems, wie eines TPM-Systems, die Zentrifugalbeschleunigung ermittelt werden kann, wie weiter unten noch genauer gezeigt werden wird. Für die Ermittlung der Zentrifugalbeschleunigung ist es demgemäß nicht notwendig, einen eigenen Beschleunigungssensor einzusetzen. Aus der solchermaßen ermittelten Zentrifugalbeschleunigung kann dann wie bei den beiden vorgenannten Aspekten die Laufleistung und Abnutzung bzw. geeignete Maße dafür ermittelt werden. Der Reifendrehfrequenzsensor kann auf verschiedene Arten ausgestaltet sein, um die Reifendrehfrequenz zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist die Verarbeitungseinheit eingerichtet, um aus Messwerten der Reifendrehfrequenz zusammen mit einem Wert für einen Einbauradius des Systems in einen Reifen Zahlenwerte für eine Zentrifugalbeschleunigung zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist der Reifendrehfrequenzsensor eingerichtet, um ein oszillierendes Signal aufgrund des Erdmagnetfelds zu erzeugen. Der Reifendrehfrequenzsensor kann zu diesem Zweck beispielsweise einen Magnetfeldsensor oder eine für den Empfang niederfrequenter elektromagnetischer Wellen ausgelegte (LF-)Antenne aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist der Reifendrehfrequenzsensor eingerichtet, um ein periodisches Signal aufgrund des Kontakts des Reifens mit dem Untergrund zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann der Reifendrehfrequenzsensor beispielsweise einen Beschleunigungs-, Erschütterungs- oder Drucksensor oder eine Energie-Ernteeinrichtung (Energy Harvester) aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts weist der Reifendrehfrequenzsensor einen Tangential-Beschleunigungs-Sensor (X-Sensor) auf, also einen Beschleunigungssensor, der eine sensitive Achse aufweist, die in Richtung der Reifenlaufrichtung angeordnet ist oder eine Sensitivität in die Reifenlaufrichtung aufweist. Tangential-Beschleunigungs-Sensoren geben daher ein Signal aus, das auf eine tangentiale Beschleunigung des Reifens hinweist.
Ein System gemäß dem dritten Aspekt kann ein TPM-System aufweisen, darin enthalten sein oder seinerseits ein TPM-System enthalten. Das TPM-System weist einen Reifendrucksensor auf, welcher ebenfalls mit der Verarbeitungseinheit gekoppelt ist.
Ein vierter nicht erfindungsgemäßer Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren umfassend das Bereitstellen von Messwerten einer Reifendrehfrequenz und das Ermitteln eines Maßes für eine Zentrifugalbeschleunigung am Einbauort eines die Messwerte liefernden Reifendrehfrequenzsensors in einem Reifen aus den Messwerten der Reifendrehfrequenz. Ein derartiges Verfahren kann mit einem System gemäß dem dritten Aspekt durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem vierten Aspekt wird aus den Messwerten der Reifendrehfrequenz zusammen mit einem Wert für einen Einbauradius des Systems in einen Reifen ein Zahlenwert für eine Zentrifugalbeschleunigung ermittelt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem vierten Aspekt wird ein oszillierendes Signal aufgrund des Erdmagnetfelds erzeugt und daraus werden die Messwerte der Reifendrehfrequenz bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem vierten Aspekt wird ein periodisches Signal aufgrund des Kontakts des Reifens mit dem Untergrund erzeugt und daraus werden die Messwerte der Reifendrehfrequenz bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem vierten Aspekt wird ein periodisches Signal von einem Tangential-Beschleunigungs-Sensor erzeugt.
Ein fünfter nicht zur Erfindung gehöriger Aspekt bezieht sich auf ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt oder dem vierten Aspekt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Blockdarstellung eines TPM-Systems gemäß einer Ausführungsform.
2 eine schematische Blockdarstellung eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform.
3 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Wirkungsweise von X- bzw. Z-Sensoren.
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
5 eine grafische Darstellung eines beispielhaften zeitlichen Verlaufs der Zentrifugalbeschleunigung.
6 eine schematische Blockdarstellung eines TPM-Systems gemäß einer Ausführungsform.
In der 1 ist ein System wie ein TPM-System oder -Modul gemäß einer Ausführungsform nach dem ersten Aspekt schematisch als Blockdiagramm dargestellt. Das System 100 kann einen Reifendrucksensor 102, einen Beschleunigungssensor (Z-Sensor) 104, eine Verarbeitungs-/Kontroll-Einheit 106, welche durch einen Mikro-Controller gebildet sein kann, eine Kommunikationseinheit 108, einen Temperatursensor 105, eine Speichereinheit 109 und eine Versorgungseinheit 110 aufweisen. Das TPM-System 100 kann darüber hinaus einen Reifendrehfrequenzsensor aufweisen (nicht dargestellt). Der Reifendrucksensor 102 dient dazu, in regelmäßigen, vorgegebenen Zeitabständen den Reifendruck eines Reifens 200 (s. 2) abzufühlen, welcher dann an die Verarbeitungseinheit 106 übermittelt wird und anschliessend mittels der Kommunikationseinheit 108 an eine zentrale Empfängereinheit 112 zu übermitteln. Der Beschleunigungssensor 104 kann zu dem Zweck eingesetzt werden, eine Rotation des Reifens zu detektieren, so dass der Leistungsverbrauch reduziert werden kann, indem Reifendruckmessungen nur dann vorgenommen werden, wenn eine Fahrsituation des Fahrzeugs 204 (s. 2) vorliegt bzw. in Parksituationen Reifendruckmessungen wenn überhaupt so allenfalls in großen Zeitabständen vorzunehmen. Der Beschleunigungssensor 104 kann so ausgebildet sein, dass er eine Zentrifugalbeschleunigung oder Zentrifugalkraft detektiert, d. h. derart eingebaut ist, dass er für eine Krafteinwirkung in einer radialen Richtung von einem Mittelpunkt des Reifens 200 aus und orthogonal zu der Radachse sensitiv ist.
Die Kommunikationseinheit 108 kann einen (RF-)Funksender aufweisen, um Signale zu der zentralen Empfängereinheit 112 zu übertragen. Es kann vorgesehen sein, dass die Kommunikationsverbindung zwischen der Kommunikationseinheit 108 und der zentralen Empfängereinheit 112 lediglich unidirektional ist, wobei die Kommunikationseinheit 108 lediglich als Funksender und die zentrale Empfängereinheit 112 lediglich als Funkempfänger eingerichtet sind. Es kann jedoch ebenso vorgesehen sein, dass die Kommunikationsverbindung bidirektional ausgestaltet ist, wobei die Kommunikationseinheit 108 als kombinierter (RF-)Funksender/-empfänger ausgestaltet ist und die zentrale Empfängereinheit 112 ausgebildet ist, um Funksignale in Richtung zu der Kommunikationseinheit 108 zu übertragen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kommunikationseinheit 108 keinen Funksender für die Übertragung von Signalen aufweist, sondern dass die Kommunikationseinheit 108 über ein LF-(Low Frequency) Interface mit der zentralen Empfängereinheit 112 gekoppelt ist, wobei die Speichereinheit 109 direkt über das LF-Interface abgefragt werden kann, ohne dass hierfür Energie von der Versorgungseinheit 110 benötigt wird. Die Versorgungseinheit 110 kann eine Batterie, einen Akkumulator oder eine andere geeignete Energiequelle wie eine Energie-Ernteeinrichtung (Energy Harvester) enthalten.
Die Speichereinheit 109 kann ein nicht-flüchtiges Speicherelement 109a und ein Registerspeicherelement 109b aufweisen. Das nicht-flüchtige Speicherelement 109a kann beispielsweise ein EEPROM-Speicherelement oder ein Flash-Speicherelement aufweisen. Das Registerspeicherelement 109b kann ein Retention-RAM aufweisen und im Betrieb als Akkumulator-Registerspeicherelement arbeiten.
Der Temperatursensor 105 kann dazu dienen, in vorbestimmten Zeitabständen die Temperatur zu messen und an die Verarbeitungseinheit 106 zu übermitteln, damit diese aus den ebenfalls an sie übertragenen Beschleunigungsrohwerten korrigierte Beschleunigungswerte ermittelt. Die Temperatur kann einen Einfluss auf die Beschleunigungsmessung haben, da der Beschleunigungssensor temperaturabhängige Elemente bzw. temperaturabhängige Eigenschaften aufweisen kann.
Mit dem Beschleunigungssensor 104 kann in geeigneten Zeitabständen Δt₁ zunächst ein sogenannter Beschleunigungsrohwert gemessen werden. Zur Temperaturkompensation des Beschleunigungsrohwertes kann in geeigneten Zeitabständen Δt₂ ein Temperaturwert T gemessen werden. Da sich die Temperatur im Reifen langsamer ändert als die Drehzahl bzw. Zentrifugalbeschleunigung a_z, kann Δt₂ >> Δt₁ sein. Die Zeitabstände Δt₁ können in einem Bereich 0,5 s–10 s liegen, während die Zeitabstände Δt₂ in einem Bereich 5 s–100 s liegen können. Die Temperaturabhängigkeit der Beschleunigungsmessung durch den Beschleunigungssensor kann durch verschiedene temperaturabhängige Elemente des Beschleunigungssensors gegeben sein, beispielsweise durch temperaturabhängige Widerstände einer im Beschleunigungssensor enthaltenen elektrischen Schaltung (Brückenschaltung, Wheatstone-Brückenschaltung) oder durch die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls des auslenkbaren Elements des Sensors. Diese Temperaturabhängigkeiten können vorab vermessen und in der Verarbeitungseinheit 106 als Kalibrationskurven abgespeichert werden. Aus dem Beschleunigungsrohwert kann dann unter Verwendung dieser Kalibrationskurven ein Beschleunigungswert in der Verarbeitungseinheit 106 errechnet werden.
Aus den mit Hilfe des Temperaturwertes T kompensierten Beschleunigungswerten kann dann zunächst die Reifen-Abrollgeschwindigkeit berechnet und als redundante Geschwindigkeits-Überprüfung verwendet werden. Es besteht folgender Zusammenhang zwischen Abrollgeschwindigkeit v und Zentrifugalbeschleunigung α:
c₁ ist eine Konstante, die vom Reifendurchmesser und Montageort des TPMS-Moduls 100 im Reifen 150 abhängt.
mit Rad-Außenradius r_α und Einbau- oder Montageradius r_m des Sensors.
Falls der Einbauradius nicht bekannt ist, so kann er aus der Zentrifugalbeschleunigung und der Reifendrehfrequenz f ermittelt werden. Hierbei kann die Frequenz aus dem periodischen +/–1 g Erdbeschleunigungssignal berechnet, das der Zentrifugalbeschleunigung überlagert ist. Ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Frequenz wurde in der US-Patentanmeldung 13/332,910 beschrieben, welche hiermit voll umfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen wird. Der Einbauradius berechnet sich dann aus folgender Formel: r_m = α_z/(2πf)² (2)
Unter der Voraussetzung, dass die Abtastung der Beschleunigung in stets konstanten Intervallen Δt₁ erfolgt, ergibt sich die Laufleistung L zu:
Der Ausdruck
ist somit ein Maß für die Reifenlaufleistung. Wenn c₁, d. h. Außenradius des Reifens und Einbauradius des Sensors bekannt sind, so kann die Laufleistung auch in absoluten Werten berechnet werden.
Zur Durchführung der Wurzeloperation stehen unterschiedliche Algorithmen zur Verfügung. Eine optimierte Methode, die z. B. ohne Divisionsoperationen auskommt, verwendet eine Stützstellen-Tabelle mit den Steigungen der Kurvenabschnitte, die sich über den Wertebereich der Beschleunigung α_z erstreckt, typisch α_z ∊ [0, 2000], und beruht ansonsten auf Integer-Operationen für die Interpolation zwischen den Stützstellen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Wurzeloperationen vollständig oder teilweise durch Hardware-Schaltungen zu realisieren.
Aus der Beobachtung, dass ein Reifen bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund des stärkeren Schlupfes schneller abnutzt als bei niedrigen, lässt sich ein einfach zu berechnendes Maß für den Abnutzungsgrad A definieren, wenn man die Geschwindigkeit quadratisch gewichtet:
Der Ausdruck Σα_z ist dann ein Maß für die Reifenabnutzung. Wiederum kann bei bekanntem c₁ ein absoluter Zahlenwert für den Abnutzungsgrad A angegeben werden.
Die Reifenabnutzung ist bei Antriebsrädern größer als bei Nicht-Antriebsrädern. Für einen Rückschluss aus dem Abnutzungsgrad auf den tatsächlichen Reifenzustand ist daher die Kenntnis der Montageposition der Reifen am Fahrzeug notwendig. Daher ist es sinnvoll die eigentliche Bewertung des Reifenzustands im TPMS-Zentralmodul durchzuführen, da dort auch die Information der jeweiligen Radposition vorliegt (es gibt eine Reihe von Methoden zur automatischen Radlokalisierung). Dies setzt voraus, dass Laufleistung und Abnutzungsgrad in bestimmten Zeitabständen an das Zentralmodul gesendet werden, z. B. einmal pro Tag oder einmal bei jedem Losfahren oder Anhalten. Die ermittelten Ergebnisse für die Laufleistung und die Abnutzung können auch einem ABS-System des Kraftfahrzeugs übermittelt werden.
Für eine dauerhafte Speicherung müssen die berechneten Parameter im nicht-flüchtigen Speicher 109a abgelegt werden, d. h. in der Regel im Flash-Speicher. Da das Beschreiben des Flash-Speichers ein energieintensiver Vorgang ist, sollen die Parameter zunächst in einem als Retention-RAM realisierten Akkumulator-Register 109b aufsummiert werden. Erst wenn der Wert im Akkumulator einen bestimmten Grenzwert überschreitet (z. B. 10 km bei der Laufleistung L), wird der Inhalt des nicht-flüchtigen Speichers um den Schwellwert erhöht und der Akkumulator um den Schwellwert verringert. Im Falle eines Verlustes des RAM-Inhaltes ist der Fehler daher nie größer als der Schwellwert. Diese Speichermethode erspart auch Schreibzyklen, deren Anzahl bei einem Flash-Speicher begrenzt ist.
In der 3 ist die Wirkungsweise von Tangential- und Zentrifugal-Sensoren (X- und Z-Sensoren) schematisch dargestellt. Während ein Z-Sensor stets eine Zentrifugalkraft in radialer Richtung ausgehend vom Mittelpunkt des Reifens misst, nimmt ein Tangential-Beschleunigungs-Sensor eine Kraft in Richtung der Reifenlaufrichtung auf.
In der 4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Laufleistung und der Abnutzung eines Reifens dargestellt. Das Verfahren 300 weist einen Block 301 auf, in welchem eine vorgegebene Anzahl N Beschleunigungsrohwerte von dem Beschleunigungssensor in Zeitabständen Δt₁ erfasst und der Verarbeitungseinheit 106 übermittelt werden. In einem Block 302 kann in Zeitabständen Δt₂ ein Temperaturwert von dem Temperatursensor erfasst und ebenfalls der Verarbeitungseinheit 106 zugeführt werden. In einem Block 303 kann dann eine Korrektur der Beschleunigungsrohwerte mit dem aktuell ermittelten Temperaturwert durchgeführt werden, sodass als Resultat N temperaturkorrigierte Beschleunigungswerte ermittelt werden. Diese N Beschleunigungswerte können dann beispielsweise dafür verwendet werden, den Zeitabstand Δt₁ erneut zu bestimmen, da bei steigender Fahrzeuggeschwindigkeit und somit steigenden Beschleunigungswerten kürzere Zeitabstände gewählt werden sollten. In dem Block 304 kann dann eine Abfrage vorgenommen werden, ob der Einbau- oder Montageradius des Beschleunigungssensors oder des gesamten TPM-Systems oder -Moduls im Reifen bekannt ist. Falls die Abfrage zu verneinen ist und kein entsprechender Wert für einen Einbauradius in einem etwa dafür vorgesehenen Speicher vorhanden ist, kann in einem Block 305 eine Reifendrehfrequenz bestimmt werden und in einem Block 306 daraus zusammen mit einem temperaturkorrigierten Beschleunigungswert der Einbauradius bestimmt werden. Als Beschleunigungswert kann hierbei beispielsweise ein Mittelwert der N temperaturkorrigierten Beschleunigungswerte genommen werden, wobei die Messung der Reifendrehfrequenz im Block 305 innerhalb desselben Zeitraums durchgeführt werden sollte, in dem auch die N Beschleunigungsrohwerte erfasst wurden. Der solchermaßen ermittelte Einbauradius kann dann abgespeichert werden, so dass er von diesem Zeitpunkt an bekannt ist. Anschließend kann in einem Block 307 die Laufleistung und die Abnutzung des Reifens ermittelt werden und die entsprechend ermittelten Werte können dann in einem Block 308 abgespeichert und akkumuliert werden. Schließlich kehrt das Flussdiagramm zum Block 301 für die Erfassung der nächsten N Beschleunigungsrohwerte zurück.
Die Messung der Reifendrehfrequenz kann auf verschiedene Arten erfolgen. Sie kann zum einen – wie in der 4 angedeutet – auf dieselbe Weise erfolgen, wie es in der bereits erwähnten US-Patentanmeldung No. 13/332,910 beschrieben worden ist. Zu diesem Zweck sollte die Anzahl N der im Block 301 zu erfassenden Beschleunigungsrohwerte so groß gewählt werden, dass daraus durch Auswertung der ±1 g-Signalkomponente die Reifendrehfrequenz bestimmt werden kann. Es kann aber auch eine Bestimmung unabhängig von den von dem Beschleunigungssensor erfassten Beschleunigungsrohwerten erfolgen, beispielsweise anhand eines eigens dafür vorgesehenen Reifendrehfrequenzsensors, wie er weiter unten in Verbindung mit 6 näher beschrieben wird.
Es sollte noch erwähnt werden, dass auf die Berücksichtigung des Einbauradius und die dementsprechend erfolgende Abfrage im Block 304 auch verzichtet werden kann, wenn für die Laufleistung nur ein Maß und kein absoluter Zahlenwert bestimmt werden soll.
In der 5 ist ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Zentrifugalbeschleunigung eines sich drehenden Reifens beispielhaft dargestellt. Wie bereits in 2 gezeigt wurde, kann ein gewöhnliches Kraftfahrzeug 4 Reifen aufweisen, in welchen jeweils ein TPM-System oder -Modul 100 angeordnet ist und in welchem der Reifendruck des betreffenden Reifens überwacht wird. Im Betrieb bei sich drehendem Reifen 150 detektiert der Beschleunigungssensor 104 die Zentrifugalbeschleunigung aufgrund der Zentrifugalkraft. Der Beschleunigungssensor 104 detektiert jedoch ebenso eine Beschleunigungskomponente aufgrund des Schwerefelds der Erde. Diese Beschleunigungskomponente oszilliert mit der Rotation des Reifens 150 und die Amplitude dieses oszillierenden Signals beträgt 1 g = 9,81 m/s² und die Frequenz dieses oszillierenden Signals entspricht der Anzahl Drehungen pro Sekunde des Reifens 150 und die Phase des oszillierenden Signals entspricht einer Winkelposition des TPM-Systems 100. Die 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Beschleunigungssignals mit einem oszillierenden Anteil, der einem konstanten Beschleunigungswert aufgrund der Zentrifugalkraft überlagert ist. dem in 5 gezeigten Beispiel rotiert der Reifen 150 mit konstanter Frequenz, d. h. das Fahrzeug fährt mit konstanter Geschwindigkeit. Das dargestellte analoge Signal kann abgetastet und quantisiert werden, um digitalisierte Beschleunigungswerte für die weitere Verarbeitung zu erhalten. Einzelheiten dazu können der bereits erwähnten US-Patentanmeldung No. 13/332,910 entnommen werden.
In der 6 ist ein Blockdiagramm eines TPM-Systems 200 dargestellt. Das TPM-System 200 kann einen Reifendrucksensor 202, einen Reifendrehfrequenzsensor 204, eine Verarbeitungseinheit 206, eine Kommunikationseinheit 208 und eine Leistungsversorgungseinheit 210 aufweisen. Zusätzlich können auch hier ein Temperatursensor und eine Speichereinheit wie in dem System 100 der 1 vorgesehen sein, welche hier nicht dargestellt sind. Auf die mit den Einheiten des TPM-Systems 100 der 1 entsprechende funktionsgleichen Einheiten trifft dieselbe Beschreibung zu, so dass auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben verwiesen wird. Die Kommunikationseinheit 208 kann ebenso in der weiter oben in Bezug auf 1 beschriebenen Weise mit einer zentralen Empfangseinheit 212 kommunizieren. Die Verarbeitungseinheit 206 kann derart eingerichtet sein, um aus von dem Reifendrehfrequenzsensor 204 gelieferten Messwerten der Reifendrehfrequenz ein Maß oder ein Zahlenwert für eine Zentrifugalbeschleunigung wie folgt zu ermitteln: α_z = r_m × (2πf)² (5) wobei r_m der in diesem Fall bekannte Einbauradius des TPM-Systems 200 in den Reifen und f die Reifendrehfrequenz ist.
Der Reifendrehfrequenzsensor 204 kann auf verschiedene Art ausgebildet sein. Er kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass er ein oszillierendes Signal aufgrund des Erdmagnetfelds erzeugt, wobei er als Magnetfeldsensor oder auch im einfachsten Fall als (LF-)Antenne zur Detektion niederfrequenter Wechselfelder eingerichtet sein kann. Der Reifendrehfrequenzsensor 204 kann auch so eingerichtet sein, dass er ein periodisches Signal aufgrund des Kontakts des Reifens mit dem Untergrund erzeugt. Solchermaßen erzeugte periodische Stöße können mit einem Beschleunigungs- oder einem Erschütterungssensor, einem Drucksensor oder auch einer Energie-Ernteeinrichtung (energy harvester) in Verbindung mit einem Piezo-Element detektiert werden. Eine solche Ausgestaltung wäre insbesondere interessant für die bereits genannten In-Tire-TPM-Systeme, d. h. Systeme, welche in die Lauffläche des Reifens montiert sind. Der Reifendrehfrequenzsensor 204 kann auch einen Tangential-Beschleunigungs-Sensor aufweisen, also einen Sensor, der Kräfte und Beschleunigungen in tangentialer Richtung der Drehbewegung aufnimmt. Mit einem derartigen Sensor könnte – anders als bei dem Z-Sensor 104 der 1 – unabhängig von der Zentrifugalkraft das reine ±1 g-Signal gemessen und aus diesem somit mit höherer Auflösung als gemäß 5 möglich die Reifendrehfrequenz bestimmt werden.
Ein TPM-System 200 ist somit in der Lage, ohne Einsatz eines Beschleunigungssensors, wie in Verbindung mit 1 beschrieben, Zahlenwerte für die Zentrifugalbeschleunigung durch Messung der Reifendrehfrequenz unter Kenntnis des Einbauradius des TPM-Systems zu ermitteln. Aus der solchermaßen bestimmten Zentrifugalbeschleunigung können dann, wie oben beschrieben, Maße bzw. Werte für die Laufleistung und die Abnutzung des Reifens bestimmt werden.

Claims

System (100), umfassend: einen Beschleunigungssensor (104) zum Erfassen einer Zentrifugalbeschleunigung; und eine Verarbeitungseinheit (106), welche mit dem Beschleunigungssensor (104) gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, um aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte zu ermitteln, die repräsentativ sind für eine Laufleistung eines Reifens (200) und/oder eine Abnutzung des Reifens (200), dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um ein Maß für die Laufleistung durch Wurzelziehung aus einer Anzahl Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung und anschließende Summation über die wurzelgezogenen Messwerte zu ermitteln, oder die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um ein Maß für die Abnutzung durch Summation über eine Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung zu ermitteln, und das System ferner umfasst: einen Temperatursensor (105) zum Erfassen einer Temperatur, wobei der Temperatursensor (105) mit der Verarbeitungseinheit (106) gekoppelt ist und die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um die Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung abhängig von einer erfassten Temperatur zu korrigieren.
System (100) nach Anspruch 1, bei welchem die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte für eine Abrollgeschwindigkeit des Reifens (200) zu ermitteln und aus diesen die für die Laufleistung und/oder die Abnutzung repräsentativen Zahlenwerte zu ermitteln.
System (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung und einer Reifendrehfrequenz einen Zahlenwert für den Einbauradius zu ermitteln.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchen die Verarbeitungseinheit (106) eingerichtet ist, um das Maß für die Abnutzung durch quadratische Wichtung der Abrollgeschwindigkeit zu ermitteln.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eingerichtet ist, um in vorgegebenen Zeitabständen Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung von dem Beschleunigungssensor (104) zu erfassen.
System (100) nach Anspruch 5, bei welchem die Zeitabstände in einem Bereich von 0,5 s–10 s liegen.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zeitabstände veränderbar sind.
System (100) nach Anspruch 1, welches eingerichtet ist, um in vorgegebenen Zeitabständen Messwerte der Temperatur von dem Temperatursensor zu erfassen.
System (100) nach Anspruch 8, bei welchem die Zeitabstände in einem Bereich von 5 s–100 s liegen.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen nicht-flüchtigen Speicher (107) und einen damit gekoppelten Akkumulator-Speicher (109), wobei das System (100) eingerichtet ist, um die ermittelten Zahlenwerte für die Laufleistung und/oder die Abnutzung im Akkumulator-Speicher (109) zu akkumulieren und nach Erreichen eines Schwellwerts den Inhalt des Akkumulator-Speichers (109) auf Null zu setzen und den Inhalt des nicht-flüchtigen Speichers (107) um den Schwellwert zu erhöhen.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen von Messwerten einer Zentrifugalbeschleunigung am Einbauort eines Beschleunigungssensors in einem Reifen; und Ermitteln von Zahlenwerten, die für eine Laufleistung des Reifens und/oder eine Abnutzung des Reifens repräsentativ sind, aus den Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß für die Laufleistung durch Wurzelziehung aus einer Anzahl Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung und anschließende Summation über die wurzelgezogenen Messwerte ermittelt wird oder ein Maß für die Abnutzung durch Summation über eine Anzahl der Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung ermittelt wird, und die Temperatur durch einen Temperatursensor erfasst und die Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung abhängig von einer erfassten Temperatur korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung Zahlenwerte für eine Abrollgeschwindigkeit des Reifens ermittelt werden und aus diesen die für die Laufleistung und/oder die Abnutzung repräsentativen Zahlenwerte ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem aus Messwerten der Zentrifugalbeschleunigung und einer Reifendrehfrequenz ein Zahlenwert für den Einbauradius ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welchem das Maß für die Abnutzung durch quadratische Wichtung der Abrollgeschwindigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 11 bis 14, bei welchem in vorgegebenen Abständen Messwerte der Zentrifugalbeschleunigung von dem Beschleunigungssensor erfasst werden.