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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Reifendruckes in
Fahrzeugrädern,
bei dem ein Sensor die radiale Deformation des Reifens erfasst und
aus einer Veränderung
der Deformation über
einen Vergleich mit einer Referenzgröße eine Veränderung des Reifeninnendruckes
ermittelt wird. Weiterhin umfasst die Erfindung eine Vorrichtung
zur Bestimmung des Reifendruckes in Fahrzeugrädern, mit einem Sensor zur
Messung der radialen Reifendeformation und eine mit dem Sensor verbundenen Auswerteschaltung
zur Auswertung der von dem Sensor übermittelten Signale.
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Aus
der
DE 39 09 466 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Reifendruckes
bekannt, bei dem ein Sensor an einer Radaufhängung eines Fahrzeuges befestigt
ist. Der Sensor mißt
den Abstand zwischen Fahrbahn und einer vorgegebenen Stelle der
Radaufhängung,
und der ermittelte Abstand wird mit einem Normalabstand verglichen.
Aus der Veränderung
des Abstandes wird auf eine Veränderung
des Reifeninnendrucks, insbesondere einen Druckverlust, geschlossen.
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Nachteilig
an dieser Vorrichtung oder dem Verfahren ist die Tatsache, dass
bei einer erhöhten Beladung
sich zwar der Abstand von der Radaufhängung zum Boden verändert, dies
jedoch nicht auf einen Druckverlust in dem Reifen zurückzuführen ist. Ebenfalls
werden die Deformationen aufgrund dynamischer Radlasten nicht berücksichtigt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, mit denen eine präzise Überwachung des Reifeninnendruckes
möglich
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst, indem
ein Sensor für
die Bestimmung der Radlast vorgesehen ist, die bei der Berechnung
des Reifeninnendruckes berücksichtigt
wird.
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Vorteilhafterweise
wird die Reifendeformation berührungslos
gemessen, beispielsweise optisch oder akustisch. Die Radlast kann über einen
Kraftsensor oder über
die Veränderung
des Abstandes der Radachse zur Karosserie bestimmt werden, vorzugsweise
ebenfalls berührungslos
und zwar bevorzugt optisch oder akustisch. Die berührungslose Messung
der Reifendeformation und der Veränderung des Abstandes der Radachse
zur Karosserie wird aus Kostengründen
mit Vorteil über
einen gemeinsamen Sensor bestimmt, wobei bei akustischer Bestimmung
der Reifendeformation und/oder der Radlast ein Referenzobjekt vorgesehen
ist, anhand dessen die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Sensor den Abstand zwischen einem fahrzeugfesten
bzw. karosseriefesten Punkt und der Radachse mißt, wobei aus der Veränderung
des Abstandes der Radachse zu der Karosserie die jeweilige Radlast,
vorzugsweise über
die Federkonstante der Radaufhängung,
ermittelt wird. Die ermittelte Radlast wird bei der Ermittlung des
Reifeninnendruckes bzw. bei der Bestimmung der Veränderung
des Reifeninnendruckes aufgrund der De formation nicht berücksichtigt.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass statische und dynamische Radlaständerungen
bei der Bestimmung des Reifendruckes erfasst werden, so dass unabhängig von
dem Beladungszustand des Fahrzeuges oder Belastungen während der
Fahrt, beispielsweise bei schneller Kurvenfahrt oder im off-road-Betrieb,
eine korrekte Überwachung
möglich
ist.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Sensor
zu der jeweiligen Radachse radial fest beabstandet ist und gleichzeitig
den Abstand zum Boden und zur Karosserie erfasst, wobei über die
Veränderung
des Abstandes zum Boden auf die Deformation und daraus auf die Veränderung
des Reifeninnendruckes geschlossen werden kann und über die
Veränderung
des Abstandes zur Karosserie auf die Einfederung und daraus auf
die Veränderung der
Radlast geschlossen werden kann. Die Anbringung des Sensors kann
entweder an einem Radträger
oder der Radaufhängung
oder an dem Rad selber stattfinden, wobei bei einer Anbringung an
dem Rad die Veränderung
des Abstandes aufgrund der Raddrehung bei der Auswertung berücksichtigt
werden muss.
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Als
weitere Alternative bietet es sich an, die Radlast mit einem gesonderten
Sensor zu erfassen, entweder mit einem Kraftsensor z.B. in einem
Federbein, oder mit einem Wegsensor, der die Einfederung des Federbeins
mißt,
z.B. integriert in eine Luftfeder. Im Falle der Luftfeder müßte dann
zusätzlich
der Luftdruck in der Feder erfaßt
werden.
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Alternativ
dazu ist vorgesehen, dass ein Sensor an der Karosserie befestigt
ist und die Entfernung zu einem karosseriefesten Referenzobjekt,
z. B. einem Kalibrierbügel,
ermittelt und ebenso die Entfernung zu einem Radträger bzw.
der Radachse und dem Boden bestimmt. Aus diesen drei Entfernungen wird
durch eine entsprechende Subtraktion die Deformation des Reifens
und die Radlast bestimmt, so dass hieraus auf die Veränderung
des Reifendruckes bzw. auf den Reifendruck selbst geschlossen werden kann,
wenn ein bekannter Reifendruck zu Beginn des Verfahrens als Normwert
oder Referenzgröße ermittelt
und eingegeben wird.
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Vorteilhafterweise
wird die Veränderung
der Deformation und/oder des Radachsenabstandes zum Boden berührungslos,
insbesondere über
optische oder akustische Sensoren bestimmt. Insbesondere ist eine
Bestimmung über
Ultraschall vorgesehen.
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Ebenfalls
ist die Messung der Veränderung des
Abstandes der Radachse zur Karosserie und damit die Bestimmung der
dynamischen oder statischen Radlast aufgrund der Einfederung des
Fahrzeuges über
eine berührungslose
Messung vorgesehen, insbesondere über optische oder akustische Sensoren,
wobei die Sensoren zur Bestimmung des Abstandes von der Radachse
zum Boden bzw. der Deformation des Reifens in radialer Richtung
auch zur Bestimmung der Veränderung
des Abstandes der Radachse zur Karosserie bzw. zu einem festen Referenzobjekt
verwendet werden können.
Alternativ dazu kann in der Radaufhängung ein Winkelgeber angeordnet
sein, über
den die Einfederung und damit die Radlast bestimmt werden kann.
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Die
Referenzgröße, hinsichtlich
der der Reifeninnendruck aufgrund der Veränderung der Deformation bestimmt
wird, wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Reifentyp
festgelegt, da aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsverhältnisse
und der Reifentypen eine Veränderung
des Reifeninnendruckes unterschiedliche Auswirkungen auf den Abstand
von der Radachse zum Boden hat.
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Eine
Weiterbildung sieht vor, dass das Proportionalitätsverhalten zwischen dem Sensorsignal und
dem Reifeninnendruck ermittelt wird und zur Berechnung des Reifeninnendruckes
aufgrund der Deformation des Reifens verwendet wird. Es wird also eine
reifenabhängige
Meßkurve
aufgenommen, bei der der Reifendruck erhöht bzw. verringert wird und das
korrespondierende Sensorsignal ermittelt und dem entsprechenden
Reifendruck zugeordnet wird. Auf diese Weise kann nicht nur eine
qualitative sondern auch eine quantitative Bestimmung des Reifeninnendruckes
erfolgen.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 – einen schematischen Aufbau
einer Radaufhängung;
und
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2 – ein Diagramm der Ausgangsspannung
des Sensors.
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Die 1 zeigt einen schematischen
Aufbau einer Radaufhängung
mit einem Reifen 10, der über einen Radträger 6 mit
der nicht dargestellten Karosserie verbunden ist. Über ein
Federbein 20 wird die Radaufhängung und damit der Reifen 10 gegenüber der
Karosserie abgestützt.
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Ein
Sensor 1, vorzugsweise ein Ultraschallsensor mit Sender
und Empfänger,
ist an einem karosseriefesten Punkt angeordnet und sendet Schallwellen
in Richtung auf den Boden 5 aus. Ebenfalls werden Schallwellen
in Richtung auf einen Referenzbügel 2,
einen alternativen Reflexionspunkt 3 zur Kalibrierung sowie
auf einen Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6 gesendet.
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Bei
der vorliegenden Ausführung
ist der Abstand von dem Sensor 1 zu dem Reflexionspunkt
des Referenz- oder Kalibrierbügels 2 oder
der Abstand von dem Reflexionspunkt 4 des Radträgers 6 und dem
alternativen Reflexionspunkt 3 bekannt. Somit liegen insgesamt
vier Laufzeiten vor, nämlich
die Laufzeiten von dem Sensor 1 zu dem Referenzbügel 2 bzw.
zu dem alternativen Reflexionspunkt 3 zur Kalibrierung,
die Laufzeit von dem Sensor 1 zum Reflexionspunkt 4 des
Radträgers 6 und
die Laufzeit von dem Sensor 1 bis zum Boden 5.
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Anhand
eines Quotientens aus dem bekannten Abstand des Sensors 1 zum
dem Referenzbügel 2 und
der Laufzeit von dem ausgesendeten Signal bis zur Reflexion kann
die Schallgeschwindigkeit Vs bestimmt werden. Anhand der über den
Abstand zu dem Referenzbügel 2 bestimmten
Schallgeschwindigkeit kann dann der Abstand von dem Sensor 1, der
gleichzeitig als Sender und Empfänger
dient, und dem Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6 über die Laufzeit
des Signals ermittelt werden. Ebenfalls kann die Entfernung von
dem Sender 1 zu dem Boden 5 auf die gleiche Art
und Weise gemessen werden. Anhand der Laufzeitdifferenz zwischen
dem vom Boden 5 reflektierten Signal und dem von dem Reflexionspunkt 4 reflektierten
Signal kann in Verbindung mit der ermittelten Schallgeschwindigkeit
Vs der Abstand von dem Reflexionspunkt 4 zu dem Boden 5 errechnet
werden, was ein Maß für die Deformation
des Reifens 10 im Bereich der Refenaufstandsfläche bildet.
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Bei
der Verwendung eines Ultraschallsenders muss die Schallgeschwindigkeit
Vs berücksichtigt
werden, die in Abhängigkeit
u.a. von der Temperatur veränderlich
ist. Die aktuelle Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Vs erhöht die Genauigkeit
der Deformationsbestimmung, da die Schallgeschwindigkeit Vs erstens
veränderlich
ist und zweitens die Signale, sofern sie als Schallsignale ausgebildet sind,
von Luftströmungen
beeinflusst werden können.
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Anhand
des über
die Laufzeitdifferenz bestimmten Deformationsgrades des Reifens 10 kann über eine
Referenzgröße auf den
Luftdruck innerhalb des Reifens 10 geschlossen werden,
wobei die Radlasten herausgerechnet werden. Die Radlasten werden
errechnet, indem die Veränderung
des Abstandes des Reflexionspunktes 4 zu dem Sender 1 ermittelt; über die
Federrate der Radaufhängung
und der statischen oder dynamischen Einfederung wird die Radlast
bestimmt. Alternative Bestimmungsverfahren für die Radlast, insbesondere
in Verbindung mit Luftfedern, können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
statische oder dynamische Radlast wird bei der Bestimmung der Reifendeformation
aufgrund eines Luftdruckverlustes herausgerechnet, so dass ein wesentlich
genauerer Wert mit einer solchen Vorrichtung ermittelbar ist.
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Alternativ
zu der dargestellten Anbringung des Reflexionsbügels 2 kann die Bestimmung
der Schallgeschwindigkeit Vs über
den bekannten Abstand des alternativen Reflexionspunktes 3 und
dem Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6 erfolgen. Die Schallgeschwindigkeit
Vs errechnet sich dann aus dem Quotienten des Abstandes der Reflexionspunkte 3, 4 zueinander
und der Differenz der Laufzeiten des Signals von dem Sender 1 zum
alternativen Reflexionspunkt 3 und dem Reflexionspunkt 4 auf
dem Radträger 6.
Die Abstände
vom Sender 1 zum Boden 5, vom Sender 1 zum
Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 1 und damit auch
die Deformation des Reifens 10 ermitteln sich dann analog
zu dem oben beschriebenen Verfahren.
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Alternativ
zu der in der 1 dargestellten Ausführungsform
kann ein Sender auch am Radträger
angeordnet sein, wobei dann die Entfernung zu einem karosseriefesten
Punkt und dem Boden bestimmt werden muss und aus diesen beiden Größen die
Verformung des Reifens ermittelt wird. Auch hier wird die Radlast
bestimmt, die bei der Beurteilung der Veränderung des Reifenluftdruckes
unberücksichtigt bleibt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der verwendete Sensor
ein Ultraschallwellensender und -empfänger ist, der die Ultraschallwellen über einen
Piezowandler erzeugt, der eine Eigenfrequenz von 270 kHz aufweist.
Die Auflösung
beträgt
1 mm, der Dynamikbereich erstreckt sich von 0 Hz – 20 Hz
und der Sensor weist einen Messbereich von 4 cm – 45 cm auf. Das Ausgangssignal
ist eine zu dem gemessenen Abstand analoge Spannung. Um eine gesicherte
Aussage über
eine Änderung
des Reifeninnendrucks anhand der Messergebnisse treffen zu können, wurde
eine Kalibrierung des Sensors vorgenommen, indem der Sensor in einem
definierten Abstand zu einer Referenzfläche befestigt wurde und die
zugehörige
Ausgangsspannung gemessen wurde. Bei einer Veränderung des Abstandes der Referenzfläche zu dem
Sensor ergab sich eine lineare Abhängigkeit von dem Abstand der
Referenzfläche
zu der Ausgangsspannung, so dass eine direkte Abhängigkeit
des Abstandes von der Ausgangsspannung vorliegt. Es ist also möglich, dass
man direkt aus der abgelesenen Spannung auf den Abstand schließen kann.
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Eine
Untersuchung dahingehend, ob bei einer oszillierenden Änderung
des Abstandes ein konstanter Mittelwert bestimmbar ist, wurde durch
die Ausrichtung eines Sensors gegen eine sinusförmig oszillierende Platte durchgeführt. Im
Ergebnis stellte sich immer ein entsprechender Mittelwert ein, so dass
das Ergebnis den Rückschluss
zuläßt, das
bei dem Fahrzeug ebenfalls bei einer ausreichend langen Meßdauer ein
für den
aktuellen Reifeninnendruck repräsentativer
Mittelwert bestimmbar ist. Bei einem stehenden Fahrzeug wurde schließlich der Abstand
vom Sensor 1 zur Fahrbahn gemessen, wobei dies bei unterschiedlichen
Reifendrücken
eines bestimmten Reifentyps geschah. Der Druck wurde dabei in einem
Bereich von 0,5 bar – 3,5
bar in Schritten von 0,1 bar variiert und mit Hilfe einer Reifendruck-Nachfüllvorrichtung
eingestellt.
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Die
Abhängigkeit
der gemessenen Spannung von dem vorliegenden Reifendruck ist in
der 2 dokumentiert.
Darin ist eine deutliche Abhängigkeit
des Sensorsignals vom Reifeninnendruck erkennbar. Der gemessene
Verlauf kann gut durch eine Ausgleichskurve approximiert werden.
Die Reifeneinfederung beträgt
bei einem Druckabfall von 2,5 bar auf 1,5 bar ca. 9 mm, bei einem
Abfall von 2,2 bar auf 0,5 bar beträgt sie ca. 22 mm. Dies führt bei
einem Proportionalitätsfaktor
von 59,7 mm/V zu einer Spannungsdifferenz von ungefähr 0,09
V bzw. 0,23 V.
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Auch
bei Fahrversuchen bei Geschwindigkeiten bis zu 100 km/h ergab sich
keine Meßwertverfälschung
aufgrund des Fahrtwindes oder der Luftverwirbelung aufgrund der
Reifendrehung.