DE19613916A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reifenüberwachung bei einem Fahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Fahrzeugreifenüberwachung, um ungünstige Reifenbela­ stungszustände im laufenden Fahrzeugbetrieb erkennen zu können.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind bislang vor allem in der Form bekannt, daß während des Fahrzeugbetriebs laufend der Reifendruck ermittelt und eine Warnmeldung abgegeben wird, so­ bald der Reifendruck einen vorgegebenen Sollbereich verläßt, insbesondere zu gering wird. Dabei kann der Reifendruck zum ei­ nen direkt mittels einer Drucksensorik erfaßt werden, was im Fahrzeugbetrieb wegen des rotierenden Rades allerdings ver­ gleichsweise aufwendig ist. Häufig wird daher bei bekannten Sy­ stemen der Reifendruck dadurch indirekt ermittelt, daß die Rad­ drehzahl erfaßt und daraus ein zugehöriger Fahrgeschwindigkeits­ wert abgeleitet wird, der dann mit demjenigen anderer Räder oder mit einer anderweitig gewonnenen Fahrgeschwindigkeitsinformation verglichen wird. Der ermittelte Reifendruck dient vor allem zur Einschätzung der Reifenbelastung, die bekanntermaßen primär von der vom Reifen verrichteten Walkarbeit und daher von dessen De­ formation im Betrieb bestimmt ist.

Beispielsweise ist in der Offenlegungsschrift DE 32 36 520 A1 eine Einrichtung zum Anzeigen des Zustands von Fahrzeugreifen, insbesondere des Reifendrucks und der Profiltiefe, beschrieben, bei der ein über die Raddrehzahlen gewonnener Fahrgeschwindig­ keits-Referenzwert mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund verglichen wird, die von einem entsprechenden Sensor erfaßt wird. Ein plötzlicher Druckabfall in einem Reifen äußert sich bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit in einer entsprechend raschen Änderung der Raddrehzahl und damit des Fahrzeuggeschwin­ digkeits-Referenzwertes, dessen Abweichung von der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit durch die Einrichtung erkannt werden kann. Um auch langfristige Reifenzustandsänderungen aufgrund Reifenabriebs überwachen zu können, ist ein Speicher in einem zentralen elektronischen Steuergerät vorgesehen, in welchem die laufend gemessenen Raddrehzahlen abgespeichert werden können. Durch Vergleich der laufend ermittelten Raddrehzahlen mit den zu Beginn nach Aufziehen neuer Reifen gemessenen Drehzahlen soll der Reifenabrieb und damit die Reifenprofiltiefe über längere Zeiträume überwacht werden können.

Aus der Patentschrift DE 30 29 563 C3 ist ein weiteres Verfahren zur indirekten Reifendruckermittlung bei Fahrzeugrädern bekannt, mit welchem ein zu niedriger Reifendruck unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, des Beladungszustands des Fahrzeugs und des atmosphärischen Luftdrucks mittels einer speziellen Sensorik und Auswerteschaltung erkannt werden kann.

In dem Zeitschriftenaufsatz "Reifendruck im Blickfeld", Automo­ bil-Elektronik, September 1990, Seite 30 sind Überwachungssyste­ me für Fahrzeugreifen offenbart, bei denen ein zentrales Steuer­ gerät die Daten einer Reifendrucksensorik mit weiteren Sensorsi­ gnalen, die über die Außentemperatur, die Bremsentemperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit und den Fahrzeugbeladungszustand infor­ mieren, verknüpft und dadurch erkennt, wenn der Druck in einem Reifen zu weit unterhalb eines vorgegebenen Solldruckes liegt, woraufhin der Fahrer über eine optische Anzeige eine entspre­ chende Warnmeldung erhält.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit denen sich der Reifenbelastungszustand mit re­ lativ geringem Aufwand zuverlässig im laufenden Fahrbetrieb überwachen läßt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung ist vorgesehen, die Reifeneinfederung, d. h. die Differenz zwischen dem freien Reifenradius und der Höhe des Reifenmittelpunkts über Grund, aus einer Abstandsmessung zu ermitteln, mit der die Höhe einer zugehörigen Fahrzeugachse oder eines mit dieser starr ver­ bundenen Fahrzeugkarosserieteils über der Fahrbahn im Fahrbe­ trieb laufend gemessen wird. Die so bestimmte Reifeneinfederung ist ein direkteres und damit zuverlässigeres Maß für die vorlie­ gende Reifenbelastung als der Reifendruck, da sich beispielswei­ se bei konstantem Reifendruck mit sich ändernder Fahrgeschwin­ digkeit unterschiedliche Deformationen des Reifens im Bereich seiner Bodenaufstandsfläche ergeben, die entsprechende Änderun­ gen der Reifeneinfederung zur Folge haben. Die Erfassung der Reifeneinfederung erlaubt daher eine sehr zuverlässige Beurtei­ lung der Reifenbetriebsfestigkeit und -sicherheit. Zudem ist die Abstandsmessung an einem stillstehenden Fahrzeugkarosserieteil vergleichsweise einfach und läßt völlige Freiheit bezüglich der Bauform des Rades, während beispielsweise bei einer direkten Reifendruckmessung an einem rotierenden Bauteil gemessen werden muß und hierzu häufig die Radbauform geeignet anzupassen ist.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird zur Ermittlung der Reifeneinfederung ein Mittelungsprozeß verwendet, mit dem über mehrere, nacheinander gewonnene Abstandsmeßwerte selbst oder über die daraus abgeleiteten, einzelnen Reifeneinfe­ derungswerte gemittelt wird. Dadurch werden kurzzeitige, dynami­ sche Störeinflüsse, die z. B. von Radlastschwankungen beim Befah­ ren eines unebenen Fahrbahnabschnitts oder von punktuellen Fahr­ bahnunebenheiten im Erfassungsbereich der Abstandsmeßsensorik verursacht sein können, eliminiert oder jedenfalls in ausrei­ chender Weise abgeschwächt.

Bei dem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren bleiben Meß­ vorgänge während Betriebsphasen, in denen auf das Fahrzeug merk­ liche Beschleunigungskräfte einwirken, für die Ermittlung der Reifeneinfederung außer Betracht. Denn in diesen Betriebsphasen können beschleunigungsbedingte Schwankungen der Reifeneinfede­ rung auftreten, die folglich nicht auf einen ungünstigen Reifen­ zustand hinweisen. Eine nach Anspruch 5 weitergebildete Vorrich­ tung eignet sich zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einer nach Anspruch 6 weitergebildeten Vorrichtung ist jedem überwachten Fahrzeugreifen eine eigene Abstandsmeßsensorik zuge­ ordnet, die hierzu an einem dem Fahrzeugreifen benachbarten Achsabschnitt angeordnet ist, so daß jede Abstandsmeßsensorik primär die Einfederung des zugeordneten Reifens erfaßt. Die Ge­ winnung der verschiedenen Reifeneinfederungswerte aus den erfaß­ ten Meßwerten der verschiedenen Abstandsmeßsensoren erfolgt in der Auswerteeinheit, wobei je nach gewünschter Genauigkeit und Fahrzeugaufbau auch der Einfluß der Reifeneinfederung eines Rei­ fens auf die übrigen, nicht diesem Reifen zugeordneten Abstands­ meßsensoren berücksichtigt werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Bereichs eines über­ wachten Fahrzeugreifens eines Kraftfahrzeuges mit zuge­ ordneter Abstandsmeßsensorik und

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm eines zentralen Mikropro­ zessorteils zur Auswertung der von den Abstandsmeßsenso­ ren von Fig. 1 gewonnenen Meßwerte.

In Fig. 1 ist schematisch der Bereich eines von beispielsweise vier Rädern eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das Rad ist an einer Fahrzeugachse (2) montiert und beinhaltet einen Reifen (1), der im Fahrbetrieb auf einer Fahrbahn (3) abrollt. Dabei deformiert sich der Reifen (1) bekanntlich im Bereich seiner Aufstandsfläche aufgrund der auf ihn einwirkenden Kräfte, so daß der Abstand (r_f) des Reifenmittelpunktes von der Fahrbahn (3) kleiner ist als der freie Reifenradius (r) vor Montage des Rei­ fens (1). Die Differenz d=r-r_f zwischen freiem Reifenradius (r) und Abstand (r_f) des Reifenmittelpunktes über Grund wird als Rei­ feneinfederung bezeichnet und ist somit ein Maß für die Reifen­ deformation und damit die Belastung des Reifens.

Zur Ermittlung der Reifeneinfederung (d) ist dem überwachten Fahrzeugreifen (1) eine Abstandsmeßsensorik (4) zugeordnet, die an der Unterseite des benachbarten Abschnitts der zugehörigen Fahrzeugachse (2) angeordnet ist und ihren Abstand (a) zur Fahr­ bahn (3) mißt. Bis auf die konstant bleibende Höhendifferenz in Fahrzeughochrichtung zwischen Reifenmittelpunkt und Abstandsmeß­ sensorik (4) entspricht dieser gemessene Abstand (a) dem Abstand (r_f) des Reifenmittelpunktes zur Fahrbahn (3) und kann daher als Maß für diesen und damit für die Reifeneinfederung (d) verwendet werden. Zur Ermittlung der Reifeneinfederung (d) aus den gemes­ senen Abstandswerten (a) dient ein Mikroprozessor (5), wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Dem Mikroprozessor (5) sind eingangsseitig die von den verschie­ denen Abstandsmeßsensoren (4) gewonnenen Abstandsmeßwerte (a₁, a₂, . . .) zugeführt, aus denen der Mikroprozessor (5) die zum je­ weiligen Reifen (1) gehörige Reifeneinfederung (d₁, d₂, . . .) er­ mittelt. Als weitere Eingangsinformationen sind dem Mikroprozes­ sor (5) die Fahrzeuggeschwindigkeit (v), die mit dem aufgezoge­ nen Reifensatz bislang zurückgelegte Laufstrecke (s), die Fahr­ zeugbeladung (B) sowie Signale (F) einer Längs- und einer Quer­ beschleunigungssensorik zugeführt, wobei letztere vereinfacht durch einen einzigen Eingangskanal repräsentiert sind. Sensor­ einheiten zur Erfassung dieser Eingangsgrößen (v, s, B, F) sind bekannt und bedürfen daher hier keiner näheren Erörterung. Die Laufstrecke (s) kann alternativ auch vom Mikroprozessor (5) durch Integration der zugeführten Fahrzeuggeschwindigkeitsinfor­ mation (v) über die Betriebszeit berechnet werden. Als Querbe­ schleunigungssensor kann beispielsweise ein Lenkwinkelsensor oder ein Neigungssensor verwendet werden. Längsbeschleunigungs­ sensoren sind beispielsweise zur Erkennung hoher Fahrzeugverzö­ gerungen im Gebrauch, um daraufhin ein Airbagsystem oder ein Gurtstraffersystem auszulösen. Am einfachsten kann eine Be­ triebsphase, in der das Fahrzeug aktiv verzögert wird, anhand des Schaltzustands eines Bremslichtschalters erkannt werden, der in diesem Fall als einfaches Längsbeschleunigungssensorelement dient.

In einem Speicherteil des Mikroprozessors (5) ist ein Kennfeld (6) abgelegt, das einen Sollbereich für die Reifeneinfederung (d) in Abhängigkeit von den übrigen Eingangsparametern, insbe­ sondere der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Fahrzeugbeladung (B) definiert, was in dem Insert von Fig. 2 nur in zweidimensio­ naler Projektion vereinfacht dargestellt ist. Dieser Sollbereich (6) wird so vorgegeben, daß er die günstigen Reifenbetriebszu­ stände umfaßt und gegenüber ungünstigen abgrenzt, die eine über­ mäßige Reifenbelastung zur Folge haben und damit die Reifenbe­ triebssicherheit und die Reifenlebensdauer herabsetzen. Die Ein­ gangssignalinformation (F) über die momentane Längs- und Quer­ beschleunigung des Fahrzeugs wird vom Mikroprozessor (5) dazu genutzt, die von den Abstandssensoren (4) während Betriebspha­ sen, in denen die Längs- und/oder die Querbeschleunigung einen jeweiligen vorgegebenen positiven Grenzwert überschreiten oder negativen Grenzwert unterschreiten, bei der Ermittlung der Rei­ feneinfederung unberücksichtigt zu lassen oder alternativ dazu die Abstandssensoren (4) in diesen Betriebsphasen abzuschalten. Denn in solchen Betriebsphasen liegen wegen der positiven oder negativen Beschleunigung, d. h. Verzögerung, in Fahrzeuglängs- bzw. Fahrzeugquerrichtung ungleiche Radlastverteilungen auf die verschiedenen Fahrzeugräder vor. Dies hat zur Folge, daß die von den einzelnen Abstandsmeßsensoriken (4) gewonnenen Abstandsmeß­ werte (a₁, a₂, . . .) in diesen Beschleunigungsbetriebsphasen von ihrem Normalwert während beschleunigungsfreier Betriebsphasen abweichen. Alternativ zu einer solchen Ausblendung von Beschleu­ nigungsbetriebsphasen für die Ermittlung der Reifeneinfederungen (d₁, d₂, . . .) kann der Mikroprozessor (5) so eingerichtet sein, daß er die verschiedenen, während solcher Beschleunigungsbe­ triebsphasen gewonnenen Abstandsmeßwerte (a₁, a₂, . . .) geeignet korrigiert.

Als weitere Maßnahme gegen Fehlermittlungen der Reifeneinfede­ rung (d) aufgrund temporärer dynamischer Störeinflüsse nimmt der Mikroprozessor (5) für jeden Fahrzeugreifen (1) getrennt eine gleitende Mittelwertbildung der zugehörigen, aufeinanderfolgend erfaßten Abstandsmeßwerte (a₁, a₂, . . .) vor, um dann den gleiten­ den Mittelwert zur Bestimmung der zugehörigen Reifeneinfederung (d₁, d₂, . . .) zu benutzen. Dadurch werden kurzzeitige Störein­ flüsse eliminiert, wie sie beispielsweise als dynamische Rad­ lastschwankungen beim Befahren einer unebenen Fahrbahn oder durch punktuelle Fahrbahnunebenheiten im Erfassungsbereich der jeweiligen Abstandsmeßsensorik (4) auftreten können.

Den auf diese Weise über einen Mittelungsprozeß gewonnenen Rei­ feneinfederungswert (d₁, d₂, . . .) für jeden Fahrzeugreifen (1) vergleicht dann der Mikroprozessor (5) mit dem abgelegten Soll­ bereich (6) unter Berücksichtigung der jeweiligen übrigen Ein­ gangsparameter, wie Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und Fahrzeugbe­ ladung (B) . Sobald für einen Reifen (1) die ermittelte Reifen­ einfederung (d₁, d₂, . . .) den vorgegebenen Sollbereich (6) ver­ läßt, gibt der Mikroprozessor (5) über einen ersten Ausgangska­ nal (A_p) eine entsprechende Warnmeldung ab, mit der er anzeigt, daß die Reifeneinfederung für den betreffenden Reifen außerhalb des günstigen Bereichs liegt, z. B. zu hoch ist, und damit eine übermäßige Reifenbelastung vorliegt. Diese Warnmeldung kann gleichzeitig als Signal dienen, den Luftdruck im betreffenden Reifen (1) entsprechend zu verändern. Über einen zweiten Aus­ gangskanal (A_v) kann außerdem eine Warnung vor einer zu hohen Fahrzeuggeschwindigkeit abgegeben werden. Eine solche Warnmel­ dung wird vom Mikroprozessor (5) abgegeben, wenn er anhand der zugeführten Eingangsgrößen erkennt, daß sich einer oder mehrere Fahrzeugreifen (1) aufgrund einer zu hohen Fahrzeuggeschwindig­ keit in einem ungünstigen Betriebszustand mit übermäßig hoher Reifenbeanspruchung befinden, so daß die Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert werden sollte.

Über einen dritten Ausgangskanal (A_D) des Mikroprozessors (5) ist es außerdem möglich, die Gesamtbeanspruchung, die jeder Fahr­ zeugreifen (1) während seines bisherigen Einsatzes erfahren hat, auszulesen, was als sehr zuverlässige Grundlage zur Beurteilung der weiteren Reifenbetriebssicherheit und Reifenbelastbarkeit dienen kann. Zu diesem Zweck speichert der Mikroprozessor (5) die ermittelten Reifeneinfederungswerte (d₁, d₂, . . .) für jeden Reifen (1) separat in ihrem zeitlichen Verlauf abrufbar ab, und zwar wenigstens während derjenigen Betriebsphasen, in denen für den betreffenden Reifen (1) die Reifeneinfederung (d₁, d₂, . . .) außerhalb des vorgegebenen Sollbereichs (6) liegt und in denen daher eine übermäßig hohe Reifenbelastung vorliegt.

Ersichtlich stellt das von der beschriebenen Vorrichtung durch­ geführte Fahrzeugreifenüberwachungsverfahren eine sehr zuverläs­ sige Methode dar, Reifenbetriebszustände mit übermäßiger Reifen­ belastung zuverlässig erkennen zu können, wozu die Reifeneinfe­ derung (d), die ein primäres Maß für die Reifendeformation und damit die Reifenbelastung im Betrieb darstellt, direkt mittels einer Abstandsmessung ermittelt wird, durch welche der Abstand eines feststehenden Fahrzeugkarosserieteils von der Fahrbahn ge­ messen wird. Die dadurch gewonnene Reifeneinfederungsinformation bildet einen zuverlässigeren Beurteilungsmaßstab über die Rei­ fenbelastung als allein eine Information über den Reifendruck.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reifenüberwachung bei einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß

• - während des Fahrzeugbetriebs laufend der Abstand (a) einer zugehörigen Fahrzeugachse (2) oder eines starr mit dieser verbundenen Fahrzeugkarosserieteils zur Fahrbahn (3) gemessen und daraus die Reifeneinfederung (d) ermittelt wird und
• - eine Warnmeldung abgegeben wird, wenn die ermittelte Reifen­ einfederung einen vorgegebenen Sollbereich (6) verläßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Reifeneinfederung (d) aus einem Mittelungsprozeß über mehre­ re, nacheinander gewonnene Abstandsmeßvorgänge (a) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß Abstandsmeßvorgänge während Betriebsphasen, in denen die Längs- und/oder die Querbeschleunigung des Fahrzeugs einen vorgegebenen positiven Grenzwert überschreitet oder einen vorgegebenen nega­ tiven Grenzwert unterschreitet, für die Ermittlung der Reifen­ einfederung (d) außer Betracht bleiben.

4. Vorrichtung zur Reifenüberwachung bei einem Fahrzeug, gekennzeichnet durch

• - eine Abstandsmeßsensorik (4) zur Messung des Abstands (a) ei­ ner zugehörigen Fahrzeugachse (2) oder eines starr mit dieser verbundenen Fahrzeugkarosserieteils zur Fahrbahn (3) und
• - eine Auswerteeinheit (5), welche aus dem von der Abstandsmeß­ sensorik gewonnenen Abstandsmeßwerten (a) die Reifeneinfede­ rung (d) ermittelt und eine Warnmeldung abgibt, wenn die er­ mittelte Reifeneinfederung einen vorgegebenen Sollbereich (6) verläßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Längs- und/oder Querbeschleunigungssensorik vorgesehen ist, deren Ausgangssignale (F) der Auswerteeinheit (5) zugeführt wer­ den, welche die ihr während Betriebsphasen, in denen die zuge­ führten Längs- und/oder Querbeschleunigungswerte einen vorgege­ benen positiven Grenzwert überschreiten oder einen vorgegebenen negativen Grenzwert unterschreiten, zugeführten Meßwerte (a) der Abstandsmeßsensorik (4) für die Ermittlung der Reifeneinfederung (d) unberücksichtigt läßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß jedem überwachten Fahrzeugreifen (1) eine eigene Abstandsmeßsen­ sorik (4) zugeordnet ist, die an einem dem Fahrzeugreifen be­ nachbarten Achsabschnitt angeordnet ist.