DE19514219A1 - Verfahren zur Ermittlung der Profiltiefe der Reifen eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Profiltiefe der Reifen eines Kraftfahrzeugs.

Die Profiltiefe eines Reifens bestimmt maßgeblich dessen Drainagevermögen bei einer Fahrt auf nasser Fahrbahn. Bei zu geringer Profiltiefe kann die zu verdrängende Wassermenge ab einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit nicht schnell genug aus der Reifenaufstandsfläche gefördert werden. Dadurch verkleinert sich das Kraftübertragungspotential des Reifens bis zum Aufschwimmen und völligen Verlust der Steuerbarkeit des Fahrzeugs (Aquaplaning).

Außerdem beeinflußt die Profiltiefe der Reifen maßgeblich die Traktionseigenschaften auf schneebedeckter Fahrbahn. Deshalb stellt der Gesetzgeber besondere Anforderungen an die Reifenprofiltiefe, deren Überwachung jedoch von vielen Fahrern vernachlässigt wird.

Zur Erfassung der Oberflächenkontur eines Körpers, zu der auch die Profiltiefe eines Reifens zu zählen ist, sind Meßmethoden mit Objektkontakt und berührungslose Meßmethoden bekannt. Bei den Messungen mit Objektkontakt tastet meist ein Abtaststift punktuell die Oberfläche ab. Die Auslenkung des Abtaststifts zwischen Profilblock und Profilgrund kann mittels einer Meßuhr oder als elektrische Meßgeräte erfaßt werden, wie in DE-Gbm 69 23 474 oder DE 27 22 137 C3 beschrieben. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie nicht berührungslos im fahrenden Fahrzeug messen und nur punktuell am stehenden Rad einsetzbar sind.

Nach DE 38 04 748 A1 ist ein optisches Meßverfahren bekannt, bei dem Farbpunkte in das Reifenprofil einvulkanisiert sind, die bei zunehmendem Profilverschleiß sichtbar werden. Diese Art der Visualisierung der Profiltiefe ist jedoch einer elektronischen Signalverarbeitung in einem Steuergerät nicht zugänglich. Die berührungslos arbeitenden Meßverfahren, wie die Laser-Interferometrie und die Ultraschall-Laufzeitmessung erfordern aufwendige Sensoren, die aus Bauraum-, Zuverlässigkeits- und Kostengründen für einen Einsatz im Kraftfahrzeug nicht in Frage kommen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung der Profiltiefe zu schaffen, das in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist und während der Fahrt eine laufende Ermittlung der Profiltiefe ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Ermittlung der Profiltiefe der Reifen eines Kraftfahrzeugs in einem ersten Schritt eine aktuelle Profiltiefe an einer ersten Achse, dann eine Profiltiefendifferenz zwischen der ersten und einer zweiten Achsen und schließlich aus der Profiltiefe der ersten Achse und der Profiltiefendifferenz die Profiltiefe der zweiten Achse zu bestimmen.

Aus den so bekannten Profiltiefen in einer Fahrspur wird zweckmäßigerweise direkt auf die Profiltiefen in einer zweiten Fahrspur geschlossen. Sofern eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, kann das beschriebene Verfahren auch für mehrere Fahrspuren parallel angewandt werden. Bei mehr als zwei Achsen muß das Verfahren auf jeweils ein Radpaar in einer Fahrspur angewandt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gezeigt.

So wird zur Ermittlung der Profiltiefe an der ersten Achse vorgeschlagen, zunächst eine den Fahrstil des Fahrers beschreibenden Fahraktivität zu ermitteln. Hierin gehen Betriebsgrößen des Fahrzeuges wie Drosselklappenstellung, Motordrehzahl, Querbeschleunigung etc. ein. Kurz gesagt wird der Fahrstil in verschiedenen Abstufungen zwischen betont ökonomisch und sehr sportlich eingestuft. Abhängig von der Fahraktivität wird dann ein spezifischer Reifenverschleißes bestimmt, bspw. mit Hilfe eines Kennfeldes oder einer Gleichung. Unter Kenntnis einer Ausgangsprofiltiefe kann nun aus dem spezifischen Reifenverschleiß sowie der seit der Ermittlung der Ausgangs-Profiltiefe zurückgelegten Wegstrecke die aktuelle Profiltiefe bestimmt werden. Bei dieser Ausbildung wird die Profiltiefe vorteilhafterweise an einer angetriebenen Achse ermittelt, da hier alle auch für die Bestimmung des Fahrstiles herangezogenen Betriebsgrößen wirken.

Zur Ermittlung der Profiltiefendifferenz zwischen der ersten und einer zweiten Achsen soll nach der Erfindung zunächst eine Raddrehzahldifferenz für die Räder einer Fahrspur bestimmt werden. Da erkannt wurde, daß die Profiltiefendifferenz nicht nur von der Raddrehzahldifferenz, sondern zusätzlich von der Fahrgeschwindigkeit abhängig ist, wird nachfolgend aus diesen Größen bspw. mit Hilfe eines Kennfeldes oder einer Gleichung die Profiltiefendifferenz ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Erfassung der Profiltiefe aller Reifen eines Kraftfahrzeugs während der Fahrt. Das Verfahren baut vorteilhafterweise auf einer fahrzeugtauglichen Sensorik auf, die zudem serienmäßiger Ausrüstungsstand eines Fahrzeugs mit Antiblockiersystem (ABS) ist. Die gewonnen Signale der Profiltiefe eines jeden Reifens können mit Hilfe einer elektrischen Anzeigeeinheit (Warnlampe, Display) dem Fahrer zugänglich gemacht werden. Damit kann der Fahrer den Profilzustand der Reifen auch innerhalb des Fahrzeugs überwachen und für die Einhaltung dieses sicherheitsrelevanten Parameters sowie der gesetzlich vorgeschriebenen Mindestprofiltiefe sorgen.

Desweiteren kann die ermittelte Profiltiefe die Genauigkeit eines nach DE 42 18 034 A1 bekannten Systems zur Erfassung des Kraftschlußpotentials eines Fahrzeugs verbessern. Zusammen mit diesem System zur Erfassung des Kraftschlußpotentials kann dann diejenige Fahrgeschwindigkeit bei gegebener Fahrbahnwasserhöhe angegeben werden, bei der Aquaplaninggefahr entsteht. Speziell bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb und hohem Beschleunigungsvermögen wird der Fahrer frühzeitig über den Verschleißzustand der Reifen der Antriebsachse informiert, um einen plötzlichen Verlust an Seitenführung der Hinterachse und damit eine Veränderung des Eigenlenkverhaltens in Richtung Übersteuern auf nasser Fahrbahn zu verhindern.

Darüber hinaus kann die Profiltiefe als elektrische Meßgröße die Güte aktiver Fahrwerkregelsysteme, bei denen die Übertragung von Reifenumfangs- und -seitenkräften eine Rolle spielt verbessern.

Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Berechnung der Reifenprofiltiefe,

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufes der Raddrehzahldifferenz über der Fahrgeschwindigkeit,

Fig. 3 ein Diagramm der Profiltiefendifferenz einer Fahrspur über der Raddrehzahldifferenz zwischen Vorder- und Hinterachse,

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Vorgabe der Profiltiefe an einer Achse,

Fig. 5 ein Diagramm der Profiltiefe in Abhängigkeit der zurückgelegten Wegstrecke und

Fig. 6 ein Diagramm des spezifischen Reifenverschleißes in Abhängigkeit des Fahrstiles.

Fig. 1 stellt den Ablauf der Messung und Berechnung der Profiltiefe dar. In Schritt 1 werden die Raddrehfrequenzen n_i(i = 0, . . . , 3) eines jeden Rades, ermittelt aus der Auswertung der Raddrehzahlsensoren des ABSSystems, bereitgestellt. Nach der DE 37 38 914 A1 sind Methoden bekannt, mit denen in Schritt 2 aus den Raddrehfrequenzen in einem geeigneten (ABS-)Steuergerät die Fahrgeschwindigkeit sowie die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs berechnet werden. Die weitere Auswertung erfolgt nur, wenn das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus fährt. Die Bedingung für diese konstante Geradeausfahrt ist, daß der Betrag der Längsbeschleunigung kleiner als ein Schwellwert ist und die Abweichung der Raddrehfrequenz des rechten und linken nicht angetriebenen Rades kleiner als ein bestimmter Grenzwert ist. Dies wird in Schritt 3 geprüft.

Aus den Raddrehfrequenzen n werden nach Gl. 1 die Raddrehzahldifferenzen für die rechte und linke Fahrspur berechnet. Den Verlauf der Raddrehzahldifferenzen in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit gibt Fig. 2 wieder. Bei gleichen Ausgangsrollradien der Vorder- und Hinterräder eines nicht verschlissenen Reifensatzes hängt die Raddrehzahldifferenz nicht von der Fahrgeschwindigkeit ab und ist gleich Null. Die Raddrehzahldifferenz verhält sich wie Kurve "A", wenn an der Vorderachse ein größerer Profilverschleiß auftritt, als an der Hinterachse. Bei höherem Verschleiß an der Hinterachse als an der Vorderachse stellt sich ein Zustand nach Kurve "B" ein.

In Schritt 4 werden die Profiltiefendifferenzen zwischen Vorder- und Hinterachse ermittelt. Für ein Fahrzeug mit gegebener Bereifung ergeben sich die Profiltiefendifferenzen in Abhängigkeit der gemessenen Raddrehzahldifferenzen wie in Fig. 3 gezeigt. Die Profiltiefendifferenz zwischen Vorder- und Hinterachse ist zusätzlich von der Fahrgeschwindigkeit im Moment der Messung bei konstanter Geradeausfahrt abhängig.

Die Kurvenscharen nach Fig. 2 und Fig. 3 sind fahrzeug- und reifenspezifisch. Sie müssen für jeden Fahrzeugtyp mit Reifen gleichen Typs mit unterschiedlichem Verschleißzustand bei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen werden. Die Profiltiefendifferenzcharakteristik (Kurvenschar nach Fig. 3) kann als Kennfeld mit endlicher Anzahl von Stützpunkten oder als geschlossene Approximationskurve im Speicher des elektronischen Steuergerätes abgelegt werden. Im Falle der Abspeicherung als Kennfeldpunkte müssen Zwischenwerte linear zwischen zwei benachbarten Stützstellen interpoliert werden. Die geschlossene Lösung kann dagegen on-line berechnet werden und wird als Polynomansatz dritter Ordnung, siehe Gl. 2, angegeben.

Mit Hilfe der aus Meßfahrten gewonnenen Raddrehzahldifferenzen bei verschiedenen definierten Verschleißzuständen lassen sich die Parabelkoeffizienten des Ausgleichpolynoms in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit herleiten.

Die sich ergebenden Kurven der Parabelkoeffizienten A₀ bis A₃ nehmen über der Fahrgeschwindigkeit einen stetigen Verlauf an. Sie verlaufen außerdem mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit degressiv. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, die Parabelkoeffizienten ihrerseits wieder mit geeigneten Polynomansätzen als Funktion der bekannten Fahrgeschwindigkeit zu approximieren und einer on-line Berechnung zugänglich zu machen.

Bei der Bestimmung der Approximationskurven nach Gl. 2 ist durch die Wahl des Definitionsbereichs dafür zu sorgen, daß der Betrag der Profiltiefendifferenz mit zunehmendem Betrag der Raddrehzahldifferenz immer monoton steigend ist. Es kann somit die Profiltiefendifferenz der Räder der Vorder- und Hinterachse für jede Fahrspur getrennt in Abhängigkeit der bekannten Eingangsgrößen Raddrehzahldifferenz und Fahrgeschwindigkeit berechnet werden.

In Schritt 5 erfolgt die Vorgabe der Profiltiefe an einer Achse, z. B. der Vorderachse. Um eine Aussage über den Absolutwert der Profiltiefe aller Reifen zu erhalten, muß die Profiltiefe der Reifen einer Achse, z. B. der Vorderachse, prognostiziert werden. Dazu werden zwei Verfahrensschritte angewendet, und zwar die

• - Bildung einer fahrstilproportionalen Größe und
• - die Kenntnis des Profilverschleißes der Reifen in Abhängigkeit des Fahrstils.

Als fahrstilproportionale Größe wird die aus der DE 39 22 051 A1 bekannte Fahraktivität SK1 verwendet, der ein Maß für die Kraftschlußbeanspruchung des Gesamtfahrzeugs, repräsentiert im wesentlichen durch die Längs- und Querbeschleunigung, darstellt. Die Fahraktivität SK1 ergibt sich durch Verknüpfung aus fünf Einzelfaktoren SKP1 bis SKP5, wobei der Einzelfaktor SKP2 keinen Beitrag zur Beschreibung des Reifenprofilverschleißes liefert. Dieser Einzelfaktor wird deshalb hier bei der Berechnung von SK1 nicht verwendet.

Fig. 4 zeigt zusammenfassend in einem Ablaufdiagramm das Verfahren zur Vorgabe der Profiltiefe an einer Achse, wie es in Schritt 5 angewandt wird. Zur Durchführung des Verfahrens werden die Größen Querbeschleunigung, Drosselklappenwinkel, Motordrehzahl, Raddrehfrequenzen n_i, Gangstufe, Längsbeschleunigung, Fahrgeschwindigkeit, zurückgelegter Weg und ermittelt. In Schritt 8 werden diese Größen dann zur Fahraktivität SK1 verknüpft.

In Schritt 9 wird nachfolgend der spezifische Reifenverschleiß bestimmt. Aus Langzeitmessungen mit verschiedenen Fahrern und ist der Zusammenhang der Profilabnahme über der zurückgelegten Wegstrecke bekannt, vgl. Fig. 5. Durch Messung der Fahraktivität SK1 verschiedener Fahrer über den Zeitraum der Lebensdauer der Reifen kann ein spezifischer Reifenverschleiß u nach Fig. 6 hergeleitet werden. Dieser auf eine zurückgelegte Wegstrecke von 1000 km bezogene Verschleißwert ist fahrzeug- und reifenspezifisch.

Schließlich wird in Schritt 10 aus der Ausgangsprofiltiefe PT₀, dem spezifischen Reifenverschleiß u und dem zurückgelegten Weg s der Momentanwert der Profiltiefe bestimmt. Nach Gl. 3 berechnet sich der Momentanwert der Profiltiefe der Reifen der Achse 1 (z. B. der Vorderachse) als Differenz der Ausgangsprofiltiefe PT₀ des Neureifens und dem Produkt des spezifischen Reifenverschleißes mit der seit der Montage des Neureifens zurückgelegten Wegstrecke. Dieser Momentanwert wird als Vorgabewert für den weiteren Berechnungsgang nach Fig. 1 angegeben.

In Schritt 6 wird, wie in Gl. 4 gezeigt, durch Addition der zuvor bestimmten Profiltiefe der ersten Achse und der in Schritt 4 ermittelten Profiltiefendifferenz die Profiltiefe an der zweiten Achse ermittelt.

In Schritt 7 folgt schließlich eine Plausibilitätsprüfung sowie Filterung und Speicherung der Profilwerte für jedes Rad. Hierbei sind zwei wesentliche Störgrößen bekannt, die ebenfalls die Radhalbmesser und damit die Raddrehzahldifferenzen beeinflussen, nämlich der Reifenluftdruck und die Radlast.

Die Änderung der Raddrehzahldifferenzen infolge Änderung des Reifenluftdrucks ist jedoch über der Zeit betrachtet größer als die Änderung infolge Profilverschleiß. Deshalb ist es notwendig, die nach Fig. 1 ermittelten Profilwerte in einem Speichermodul über der zurückgelegten Wegstrecke abzulegen. Eine exponentielle Filterung der aktuellen und der zurückliegenden Profilwerte erlaubt es, einen langfristigen und stetigen Verlauf der Profiltiefe anzugeben. Sollten die daraus neu ermittelten spezifischen Verschleißwerte in Profilabnahme in mm pro 1000 km Wegstrecke mehr als ein erlaubter, plausibler Grenzwert von den bisher ermittelten Werten abweichen, dann werden diese berechneten Profiltiefen als Meßfehler verworfen und nicht abgespeichert. Gleiches gilt auch, wenn die Berechnung eine Zunahme der Profiltiefe mit zunehmender Wegstrecke ergeben sollte.

Der Einfluß der Radlast auf den Reifenhalbmesser wird in gleicher Weise betrachtet, da eine Verkleinerung des Radhalbmessers durch Beladen des Fahrzeugs ebenso sprunghaft auftritt und der spezifische Verschleißwert dadurch eine Unstetigkeit erfährt. In einem solchen Fall werden die ermittelten Profiltiefen nicht in den Speicher aufgenommen.

Eine Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens wird durch eine Reifendruckmeßeinrichtung an allen Rädern sowie eine Sensorik für den Federweg der Räder als Maß für die Beladung des Fahrzeugs erzielt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Ermittlung der Profiltiefe der Reifen eines Kraftfahrzeugs mit folgenden Schritten:

• - Ermitteln der Profiltiefe an einer ersten Achse
• - Ermitteln der Profiltiefendifferenz zwischen der ersten und einer zweiten Achsen
• - Bestimmen der Profiltiefe der zweiten Achse aus der Profiltiefe der ersten Achse und der Profiltiefendifferenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Ermittlung der Profiltiefe an der ersten Achse:

• - Bestimmen einer den Fahrstil des Fahrers beschreibenden Fahraktivität
• - Bestimmen eines spezifischen Reifenverschleißes abhängig von der Fahraktivität
• - Bestimmen der Profiltiefe aus einer Ausgangs-Profiltiefe, dem spezifischen Reifenverschleiß sowie der seit der Ermittlung der Ausgangs-Profiltiefe zurückgelegten Wegstrecke.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Ermittlung der Profiltiefendifferenz zwischen der ersten und einer zweiten Achsen:

• - Bestimmen einer Raddrehzahldifferenz für die Räder einer Fahrspur
• - Ermitteln einer Profiltiefendifferenz aus der Raddrehzahldifferenz sowie einer Fahrgeschwindigkeit