DE10202993A1

DE10202993A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der übertragbaren Kräfte

Info

Publication number: DE10202993A1
Application number: DE10202993A
Authority: DE
Inventors: Klaus Kleinhoff; Gerhard Scharr; Marian Rosteck
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2002-01-26
Publication date: 2003-07-31

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erhöhung der übertragbaren Kräfte zwischen einem Luftreifen (1) und einer Fahrbahn ist vorgesehen, dass die Reifenaufstandsfläche während der Fahrt durch eine steuerbare Veränderung des Reifenluftdrucks veränderbar ist. Dadurch ist während eines Bremsvorgangs der Luftdruck der Luftreifen (1) absenkbar und kann anschließend wieder auf den ursprünglichen Wert des Luftdrucks erhöht werden. Die Veränderung des Reifendrucks kann in Abhängigkeit von einer während der Fahrt ermittelten Veränderung der Radbelastung bzw. der jeweils aktuellen Radbelastung vorgegeben werden. Eine Vorrichtung zur Vorrichtung des Verfahrens bei Fahrzeugen mit Luftreifen (1) weist eine Vorrichtung zur Veränderung des Reifenluftdrucks und eine Steuervorrichtung auf. Ein oder mehrere steuerbare Ventile (4) sind an jedem Luftreifen (1) angeordnet. Die Vorrichtung weist einen Druckluftbehälter (3) mit einem daran angeschlossenen Kompressor (6) auf, der über die steuerbaren Ventile (4) mit den einzelnen Luftreifen (1) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der übertragbaren Kräfte zwischen einem Reifen und einer Fahrbahn, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifenaufstandsfläche durch Veränderung des Reifenluftdrucks während der Fahrt veränderbar ist.
Die beim Beschleunigen, Abbremsen oder einem Richtungswechsel auftretenden Kräfte werden durch den Reibungs-Kraftschluss zwischen den Fahrzeugreifen und der Fahrbahn übertragen. Der Maximalwert des Kraftschlusses, üblicherweise ausgedrückt als maximal verfügbarer Reibungsbeiwert, bestimmt dabei üblicherweise die Grenzen eines stabilen und kontrollierbaren Fahrbetriebs.
Der maximal erzielbare Reibungsbeiwert zwischen der Lauffläche eines Reifens und der Straßenoberfläche hängt von vielen Faktoren wie beispielsweise der Oberflächenbeschaffenheit und der Temperatur des Reifens und der Straße oder einer eventuellen Benetzung der Straßenoberfläche mit Wasser ab. Neben diesen und anderen Faktoren wird der maximal verfügbare Reibungsbeiwert ganz wesentlich von der Flächenpressung der Reifenaufstandsfläche auf die Straße bestimmt. Eine geringere Flächenpressung führt regelmäßig zu einem höheren möglichen Reibungsbeiwert, weshalb beispielsweise Rennwagen im Vergleich zu Ihrem Fahrzeuggewicht auffallend große Reifen aufweisen.
In erster Näherung hängt die Flächenpressung zwischen der Lauffläche eines Reifens und der Straßenoberfläche von dem Reifenluftdruck ab. Zusätzlich führt eine höhere Achslast des Reifens zu einer größeren Reifenaufstandsfläche, auch Latsch genannt. Die maximal übertragbaren Kräfte bei dem Beschleunigen, Abbremsen oder Richtungswechsel des Fahrzeugs sind umso höher, je größer die Reifenaufstandsfläche und je geringer die Flächenpressung, also der Reifenluftdruck sind. Diese in weiten Bereichen zutreffende Näherung verliert erst dann Ihre Gültigkeit, wenn beispielsweise auf Grund von zu geringem Reifenluftdruck oder zu hoher Achslast die Verformung des Reifens im Bereich des Latsches so groß wird, dass der Reifen im Bereich des Latsches nicht mehr flächig auf der Straßenoberfläche aufliegt.
Ein geringer Reifenluftdruck sowie eine möglichst große Reifenaufstandsfläche wären demnach beispielsweise für eine plötzliche Abbremsung des Fahrzeugs vorteilhaft. Beim normalen Fahrbetrieb würde jedoch der erhöhte Rollwiderstand und die ständige Verformung des Reifens im Bereich des Reifenlatsches zu einem deutlich höheren Kraftstoffverbrauch sowie einer unangenehmen Geräuschentwicklung führen, so dass mit Ausnahme von wenigen Extremsituationen die Vorteile eines höheren Reifenluftdrucks bei kleinerer Reifenaufstandsfläche überwiegen und deshalb üblicherweise verwendet werden.

Es sind verschiedene Vorrichtungen, beispielsweise DE 199 00 082 A1, bekannt, bei denen innerhalb des Fahrzeugluftreifens zumindest ein Sensor angeordnet ist, welcher Signale liefert, die in einer Korrelation zu den Kräften steht, die auf den Reifen wirken und von dem Reifen übertragen werden. Die über die aktuell wirkenden Reifenkräfte erhaltenen Informationen können zur Brems- und Fahrwerksregelung beispielsweise durch ABS- oder ESP-Systeme verwendet werden. Bei derartigen Regelungsverfahren geht es üblicherweise darum, bei einem fest vorgegebenen maximal möglichen Reibungsbeiwert die auf das Fahrzeug wirkenden Beschleunigungskräfte zu optimieren, so dass eine bestmögliche Kraftübertragung bei gleichzeitig kontrollierbarem Fahrverhalten gewährleistet wird. Der Grenzwert der maximal übertragbaren Kräfte wird jedoch nicht verändert.

Gerade in kritischen Fahrsituationen, beispielsweise bei einer Vollbremsung im Notfall, führt jede Verbesserung der Bremswirkung zu einem messbar kürzeren Bremsweg und damit zu einer Verringerung von Unfällen bzw. der Unfallschäden. Neben einer optimierten Ausnutzung der maximal möglichen Kraftübertragung würde jede Erhöhung des maximal möglichen Reibungsbeiwerts eine zusätzlich verbesserte Kraftübertragung und damit beispielsweise einen kürzeren Bremsweg erlauben.

Aufgabe der Erfindung ist es demzufolge, ein Verfahren so zu gestalten, dass der Maximalwert der von einem Luftreifen auf die Fahrbahn übertragbaren Kräfte erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reifenaufstandsfläche während der Fahrt durch Veränderung des Reifenluftdrucks veränderbar ist. Eine Veränderung des Reifenluftdrucks führt einerseits zu einer dazu proportionalen Veränderung der Flächenpressung, welche in erster Näherung den Reibungsbeiwert bestimmt und andererseits zu einer Veränderung der Reifenaufstandsfläche. Allein durch die gesteuerte Veränderung des Reifenluftdrucks können deshalb während der Fahrt sowohl die Flächenpressung als auch die Größe der Reifenaufstandsfläche als bestimmende Größen der maximal übertragbaren Kräfte in solcher Weise verändert werden, dass die gewünschte Verbesserung der Fahreigenschaften eintritt. Die Veränderung des Reifenluftdrucks erfolgt dabei nur im Bedarfsfalle während der Fahrt, so dass ansonsten üblicherweise der Reifenluftdruck sowie die Größe der Reifenaufstandsfläche im Hinblick auf geringen Kraftstoffverbrauch und geringe Geräuschentwicklung optimiert bleiben können.

Einer Ausführung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass während eines Bremsvorgangs der Reifenluftdruck absenkbar ist. Gerade in Notfallsituationen ist es besonders wichtig, dass das Fahrzeug möglichst effektiv abgebremst wird und dadurch Unfälle vermieden oder deren Schäden gemindert werden können. Bei einer Vollbremsung reduziert sich jedoch die auf die Hinterräder wirkende Achslast deutlich, so dass die Reifenaufstandsfläche der Hinterräder und damit die maximal übertragbaren Kräfte abnehmen. Durch eine plötzliche Absenkung des Reifenluftdrucks der Hinterräder zu Beginn der Vollbremsung wird die Reifenaufstandsfläche vergrößert und die Flächenpressung reduziert, was zu einer deutlich besseren Bremswirkung führt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach einer Absenkung des Reifenluftdrucks während eines Bremsvorgangs der Reifenluftdruck anschließend wieder erhöht wird. Ein niedriger Reifenluftdruck, wie er beispielsweise bei einer Vollbremsung vorteilhaft war, kann insbesondere bei hohen Fahrgeschwindigkeiten zu einem ungewohnten und kritischen Fahrverhalten führen und die Sicherheit beeinträchtigen. Auch bei geringer Geschwindigkeit erhöhen sich der Kraftstoffverbrauch und die Geräuschentwicklung beim Fahren. Durch eine anschließende Erhöhung des Reifenluftdrucks auf den für den normalen Fahrbetrieb optimierten Wert werden diese Nachteile vermieden.

Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass Veränderungen der Radbelastung oder die jeweils herrschende Radbelastung während der Fahrt ermittelt werden und er Reifenluftdruck in Abhängigkeit von der ermittelten Veränderung bzw. herrschenden Radbelastung verändert wird. Auf diese Weise ist es möglich, dass nicht nur während bestimmter Extremsituationen wie beispielsweise einer Vollbremsung im Notfall der Reifenluftdruck verändert wird, sondern dass auch beim Beschleunigen, Abbremsen oder bei schnellen Richtungsänderungen der Reifenluftdruck der einzelnen Reifen gesondert an die jeweilige Fahrsituation angepaßt werden kann. Damit ist es auch und gerade im alltäglichen Fahrbetrieb möglich, in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation über den Reifenluftdruck entweder die maximal übertragbaren Kräfte zu erhöhen oder aber den Kraftstoffverbrauch und die Geräuschentwicklung beim Fahren zu optimieren. Neben verbesserten Fahreigenschaften führt diese zu einer höheren Sicherheit im Straßenverkehr und einer geringeren Belastung der Umwelt durch Schadstoffe oder Lärmentwicklung.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei Fahrzeugen mit Luftreifen. Mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Reifenluftdrucks und mit einer Steuervorrichtung, mittels derer die Veränderung des Reifenluftdrucks steuerbar ist. Mit dieser Vorrichtung ist eine gezielte Anpassung des Reifenluftdrucks zur Optimierung der maximal möglichen Kraftübertragung zwischen dem Luftreifen und der Fahrbahn möglich.

Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass an dem Luftreifen mehrere steuerbare Ventile zum Luftablassen angebracht sind. Mit derartigen Ventilen kann im Bedarfsfall in kurzer Zeit der Luftdruck des Luftreifens ausreichend gesenkt werden, um die maximal mögliche Kraftübertragung deutlich zu erhöhen. Die Ventile können mit einfachen Mitteln so konstruiert und im Luftreifen angeordnet werden, dass über einen langen Zeitraum ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das steuerbare Ventil eine Querschnittsfläche von etwa 30 mm² aufweist. Diese Querschnittsfläche ist ausreichend groß, so dass auch bei großvolumigen Luftreifen eine schnelle Luftdruckabsenkung gewährleistet ist. Gleichzeitig ist der Raumbedarf eines steuerbaren Ventils dieser Querschnittsfläche gering genug, so dass derartige Ventile beispielsweise in den meisten herkömmlichen Autoreifen angeordnet und verwendet werden können.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass mindestens ein steuerbares Ventil über Funk steuerbar ist. Bei einer telemetrischen Ansteuerung des Ventils entfallen die ansonsten notwendigen elektrischen oder mechanischen Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und dem relativ dazu sich drehenden Luftreifen. Derartige Verbindungen sind konstruktiv aufwendig und wegen verschleißender Kontaktelemente und wegen extremer Betriebseigenschaften und störender Umwelteinflüsse fehleranfällig und aufwändig in der Wartung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass mittels einer Messvorrichtung der Reifenluftdruck des Luftreifens ermittelbar ist und die Messvorrichtung eine gemeinsame Schnittstelle mit der Steuervorrichtung zur Übertragung der Messwerte aufweist. Auf diese Weise ist eine geregelte Änderung des Reifenluftdrucks möglich, so dass der Reifenluftdruck jeweils optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Dadurch kann auch die Betriebssicherheit erhöht werden, indem die Absenkung des Reifenluftdrucks nur bis zu einem vorgegebenen, aktuell ermittelbaren Luftdruckwert erfolgt. Es ist denkbar, dass nicht nur eine extreme Luftdruckabsenkung beispielsweise bei einer Notbremsung veranlasst werden kann, sondern auch eine differenzierte Anpassung des Reifenluftdrucks an die jeweilige Fahrsituation möglich ist.

Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung eine Schnittstelle zur Übertragung von Messwerten einer Geschwindigkeitsmessvorrichtung aufweist. Eine plötzliche Luftdruckänderung der Luftreifen führt immer zu einer Veränderung des Fahrverhaltens, was insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten zu kritischen Gefahrensituationen führen könnte. Zur Vermeidung solcher Risiken ist es möglich, wenn eine Luftdruckänderung erst unterhalb einer als kritisch angesehenen Fahrzeuggeschwindigkeit veranlasst wird. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine geregelte und kontrollierte Luftdruckänderung in Abhängigkeit von der aktuell ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgt.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Druckluftbehälter mit einem daran angeschlossenen Kompressor aufweist, wobei der Druckluftbehälter mittels mindestens einem steuerbaren Ventil mit dem Luftreifen verbunden ist. Auf diese Weise kann während der Fahrt der Luftdruck des Luftreifens wieder erhöht werden. So könnte nach einer erheblichen Luftdruckabsenkung beispielsweise während einer Notbremsung, wodurch die Weiterfahrt erheblich beeinträchtigen würde, anschließend der Luftdruck wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht werden. Erst in Verbindung mit einem Druckluftbehälter und daran angeschlossenen Kompressor wird es möglich, den Reifenluftdruck kontinuierlich an die jeweilige Fahrsituation anzupassen und je nach Anforderung die maximal mögliche Kraftübertragung zwischen dem Luftreifen und der Fahrbahn zu optimieren oder aber den Kraftstoffverbrauch und die Geräuschentwicklung zu minimieren.

Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Anzeige zur Information über den Reifenluftdruck aufweist. Im einfachsten Falle besteht die Anzeige aus einer Warnleuchte, die dann aufleuchtet und den Fahrer informiert, wenn der Reifenluftdruck unter einen kritischen Wert abgesenkt wurde. Es ist jedoch auch denkbar, alternativ dazu oder zusätzlich den aktuell gemessenen Wert des Reifenluftdrucks anzuzeigen.

Besonders vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass an jedem Luftreifen eines Fahrzeugs eine gesonderte Vorrichtung zur Veränderung des Reifenluftdrucks angeordnet ist, wobei die Veränderung des Luftdrucks eines jeden Luftreifens mittels einer gemeinsamen Steuervorrichtung steuerbar ist. Durch die gesondert regelbare Veränderung des Luftdrucks aller Luftreifen ist es möglich, den Luftdruck der einzelnen Luftreifen beispielsweise in Abhängigkeit der aktuell herrschenden Achslast zu verändern und dadurch auch bei Kurvenfahrten und den dabei in jedem Luftreifen unterschiedlich auftretenden Belastungsverhältnissen immer eine optimale Kraftübertragung zu gewährleisten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Regelkreises zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vier Luftreifen 1 eines Kraftfahrzeugs sind über getrennt verlaufende Luftleitungen 2 mit einem Druckbehälter 3 verbunden. Zwischen jedem Luftreifen 1 und dem Druckluftbehälter 3 sind jeweils ein Ventil 4 und ein Luftdrucksensor 5 angebracht. Die steuerbaren Ventile 4 dienen einerseits dazu, Luft aus den Luftreifen 1 abzulassen und dadurch den jeweiligen Reifenluftdruck zu erniedrigen, andererseits kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile 4 eine kontrollierte Luftdruckerhöhung der einzelnen Luftreifen 1 bewirkt werden.
Der Druckbehälter 3 ist mit einem Luftkompressor 6 verbunden, mittels dessen der im Druckbehälter 3 herrschende Luftdruck vorgegeben werden kann. Der vorgegebene Luftdruck im Druckbehälter 3 wird dabei üblicherweise deutlich höher als der maximal vorgesehene Luftdruck der Luftreifen 1 vorgegeben werden, um auch kurzfristig eine gewünschte Luftdruckerhöhung aller angeschlossenen Luftreifen 1 zu ermöglichen.
Mit den Sensoren 5 kann der im jeweiligen Luftreifen 1 herrschende Luftdruck ermittelt werden. Die Signale der Sensoren 5 können nicht nur für die Regelung des jeweils herrschenden Reifenluftdrucks verwendet werden, sondern auch zur Information des. Fahrers angezeigt werden. Es ist denkbar, dass unterhalb eines kritischen Wertes für den Reifenluftdruck, der kontinuierlich durch die Sensoren 5 ermittelt wird, so in das Motormanagement eingegriffen werden kann, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen sicheren Maximalwert beschränkbar ist. Anderenfalls wäre zu befürchten, dass nach einer Luftdruckabsenkung während eines Notfalls bei anschließenden Geschwindigkeiten oberhalb von beispielsweise 80 km/Stunde der Luftreifen übermäßig beansprucht wird und dadurch neue Gefahrensituationen entstehen können.
Eine Regelung des jeweiligen Reifenluftdrucks der Luftreifen 1 kann nicht nur in Abhängigkeit des jeweils von den Sensoren 5 ermittelten Reifenluftdrucks erfolgen, sondern auch auf weitere Informationen anderer Steuer- und Regelsysteme wie beispielsweise ABS oder ESP zurückgreifen. Durch eine geeignete Kombination dieser Regelsysteme kann die Fahrsicherheit zusätzlich deutlich erhöht werden.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der übertragbaren Kräfte zwischen einem Reifen und einer Fahrbahn, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifenaufstandsfläche während der Fahrt durch eine steuerbare Veränderung des Reifenluftdrucks veränderbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Bremsvorgangs der Reifenluftdruck absenkbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Absenkung des Reifenluftdrucks während eines Bremsvorgangs der Reifenluftdruck anschließend wieder erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen der Radbelastung während der Fahrt ermittelt werden und der Reifenluftdruck in Abhängigkeit von der ermittelten Veränderung der Radbelastung verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils herrschende Radbelastung während der Fahrt ermittelt wird und der Reifenluftdruck in Abhängigkeit von der ermittelten Radbelastung verändert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei Fahrzeugen mit Luftreifen (1) mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Reifenluftdrucks und mit einer Steuervorrichtung, mittels derer die Veränderung des Reifenluftdrucks steuerbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung an dem Luftreifen (1) mindestens ein steuerbares Ventil (4) zum Luftablassen aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung an dem Luftreifen (1) mehrere steuerbare Ventile (4) zum Luftablassen aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Ventil (4) eine Querschnittsfläche von etwa 30 mm² aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein steuerbares Ventil (4) über Funk steuerbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Messvorrichtung der Reifenluftdruck des Luftreifens (1) ermittelbar ist und die Messvorrichtung eine gemeinsame Schnittstelle mit der Steuervorrichtung zur Übertragung der Messwerte aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung eine Schnittstelle zur Übertragung von Messwerten einer Geschwindigkeitsmessvorrichtung aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Druckluftbehälter (3) mit einem daran angeschlossenen Kompressor (6) aufweist, wobei der Druckluftbehälter (3) mittels mindestens einem steuerbaren Ventil (4) mit dem Luftreifen (1) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anzeige zur Information über den Reifenluftdruck aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Luftreifen (1) eines Fahrzeugs eine gesonderte Vorrichtung zur Veränderung des Reifenluftdrucks angeordnet ist, wobei die Veränderung des Luftdrucks eines jeden Luftreifens (1) mittels einer gemeinsamen Steuervorrichtung steuerbar ist.