DE19620581A1 - Vorrichtung zur Ermittlung des Drehverhaltens eines Fahrzeugrades - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung des Drehverhaltens eines Fahrzeugsrades, bestehend aus einem Encoder, der mit dem Rad umläuft und permanentmagnetische Areale enthält, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind und mit wechselnder Polarität aufeinanderfol­ gen, sowie aus einem stationären, magnetfeldempfindlichen Meß­ wertaufnehmer, der ein die Drehbewegung darstellendes Aus­ gangssignal liefert, und mit einer elektrischen Schaltung zur Auswertung der Ausgangssignale des Meßwertaufnehmers.

Eine derartige Vorrichtung zur Erfassung von Dreh- oder Win­ kelbewegungen ist aus der WO 95/17680 bekannt. Diese Meßvor­ richtung enthält einen Meßwertgeber in Form eines Encoders, der mit dem Rad rotiert und eine Vielzahl von permanentmagne­ tischen Arealen besitzt, die in gleichmäßiger Verteilung in Drehrichtung über den gesamten Umfang des Encoders angeordnet sind. Als Meßwertaufnehmer ist ein aktives Meßelement an der Peripherie des Encoders stationär derart angeordnet, daß die Änderungen des Magnetfeldes infolge der Drehbewegung Signale am Ausgang des Meßelementes bzw. Meßwertaufnehmers hervorru­ fen, die diese Drehbewegung wiedergeben.

Passive und aktive Meßvorrichtungen zur Ermittlung des Dreh­ verhaltens von Fahrzeugrädern sind in großer Anzahl und großer Vielfalt bekannt. Ein die Drehbewegung darstellendes elektri­ sches Signal wird unter anderem als Eingangsgröße von Kraftfahrzeug-Regelungssystemen, wie Antiblockiersystemen (ABS), Antriebsschlupfregelungen (ASR), Fahrstabilitätsrege­ lungen (FDR, ASMS) etc. benötigt. Für diese Anwendungsfälle ist neben der zuverlässigen Arbeitsweise der erforderliche Herstellungsaufwand von entscheidender Bedeutung, zumal die meisten Systeme mehrere Sensoren, nämlich für jedes Fahrzeug­ rad einen individuellen Drehzahlsensor, benötigen. Die Suche nach einem besonders preiswerten Sensor ist daher Gegenstand intensiver Entwicklungsarbeiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die sich vor allem durch geringen Herstellungs- und Montageaufwand sowie durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe mit der im An­ spruch 1 beschriebenen Erfindung gelöst werden kann, deren Besonderheit darin besteht, daß die permanentmagnetischen Areale in die Reifenwandung eingelagert oder auf die Reifen­ wandung aufgebracht sind, daß der Meßwertaufnehmer zwei oder mehrere in Drehrichtung des Rades örtlich versetzt und im un­ terschiedlichen radialen Abstand von der Drehachse angeordnete Meßelemente aufweist, derart, daß bei einer Verformung des Reifens infolge der an dem Reifen angreifenden Kräfte bzw. infolge der übertragenen Antriebs- oder Bremsmomente eine Ver­ schiebung der Phasenlage zwischen den von den Meßelementen abgegebenen Meßsignalen auftritt, und daß diese Verschiebung der Phasenlage als ein Maß für die von dem Rad und dem Reifen auf die Fahrbahn übertragenen Momente und/oder als Maß für den momentanen Reibbeiwert auswertbar ist.

Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, daß einerseits als Meßwertgeber eine direkt in die Reifenwandung eingelagerte oder auf diese Wandung aufgebrachte magnetisierte Spur ver­ wendet werden kann und daß andererseits , wenn zwei oder mehrere örtlich versetzte Sensoren bzw. Meßelemente verwendet werden, zusätzlich zu der Messung der Dreh- oder Winkelbewe­ gungen die Torsionsbeanspruchung des Reifens bzw. der Reifen­ wandung zur Messung der übertragenen Momente und/oder des momentanen Kraftschlußbeiwertes ausgewertet werden kann.

In den beigefügten Unteransprüchen sind noch andere Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen in schematisch vereinfachter Darstellung

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Reifens nach der Erfindung mit in der Reifenwandung eingelagerten, magnetisierten Arealen,

Fig. 2 in gleicher Darstellungsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reifens,

Fig. 3 im Schnitt ein Fahrzeugrad mit einer Vorrichtung nach der Erfindung und mit Elementen der zugehörigen Radaufhängung,

Fig. 4 in symbolischer Darstellung einen Ausschnitt aus der Reifenwandung und das Ausgangssignal eines Meßwertaufnehmers sowie

Fig. 5 in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 3 den Reifenausschnitt und das Signal bei erhöhter Belastung des Reifens.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Reifens 1 mit über den gesamten Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten, permanentmagnetischen Arealen N, S. In die Seitenwandung des Luftreifens 1 ist eine ganzzahlige Folge gleichartiger, einander abwechselnder Nord- und Südpol-Areale N bzw. S eingebettet, die eine geschlossene, zum Radmittelpunkt konzentrische Kreisbahn oder magnetisierten Spur 2 bilden. Eine solche Ausführungsform ist in Verbindung mit einem stationären Meßwertaufnehmer zur Messung des Drehverhaltens eines Fahrzeugrades z. B. als Eingangsgröße eines Kraftfahrzeug-Regelungssystems (ABS, ASR, ASMS etc.) geeignet. Die in die Reifenwandung integrierten oder auf der Reifenwandung angeordneten, magnetisierten Areale N, S dienen als Signal- oder Meßwertgeber.

Mit der Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine noch höhere Winkelauflösung zu erreichen. Der Encoder in Form einer kreisförmige Kodier-Spur 3 besteht in diesem Fall aus linienförmigen Nord- und Südpolen bzw. magnetisierten Arealen N, S, die, wie in dem Beispiel nach Fig. 1, einander abwechseln. Eine solche Ausführungsform ist als Signalgeber oder Encoder für eine die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet.

Zur Abtastung der aus den magnetischen Arealen N, S gebildeten Spuren 2, 3 wird ein relativ zu dem Reifen bzw. der kodierten Spur ortsfest angeordneter Meßwertaufnehmer 4 verwendet. Besonders geeignet sind aktive Sensoren oder Meßelemente mit magnetoresistiven Sensorelementen oder mit Hallelementen. Grundsätzlich können jedoch alle Arten von Signalaufnehmer oder Sensortypen eingesetzt werden, die auf permanentmagnetische Felder, die Änderung dieser Felder oder auf Polaritätswechsel reagieren. Natürlich ist es auch möglich, passive Signalaufnehmer oder Spulensysteme einzusetzen, in denen durch die Änderung des Magnetfeldes infolge der Drehung des Reifens Signale induziert werden.

Die Fig. 3, 4 und 5 dienen zur Erläuterung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Fall ist, wie Fig. 3 zeigt, in Höhe der Reifenwandung bzw. in Höhe der Spur 2, 3 an der Radaufhängung RA - oder an einem geeigneten mit dem Fahrzeug verbundenen Halter - ein Meßwertaufnehmer 4 mit zwei Meßelementen 5, 6 angeordnet. Beispielsweise können beide Meßelemente 5, 6 als magnetfeldempfindliche Körper magnetoresistive Sensorelemente enthalten.

Die beiden Meßelemente 5, 6 sind örtlich versetzt angeordnet, wie dies die in den Fig. 4, 5 jeweils links dargestellten Reifenausschnitte 1′ veranschaulichen. Mit 5′, 6′ sind in Fig. 4 die "Lese"-Punkte der Sensoren bzw. Meßelemente 5, 6 bezeichnet. Die örtliche Versetzung D - siehe Fig. 4 - wird so gewählt, daß zwischen den Lesepunkten 5′ und 6′ eine bestimmte Anzahl von Polpaaren N, S eingeschlossen wird.

Die um die Strecke D gegeneinander versetzten Meßelemente 5, 6 liefern in diesem Fall, wie dies der Verlauf der Meßelement-Ausgangssignale S₅, S₆ in dem Kurvendiagramm nach Fig. 4 zeigt, bei jeder Raddrehbewegung zeitlich gegeneinander versetzte Signale, aus denen das Drehverhalten - Drehzahl, Beschleunigung, Verzögerung und Drehrichtung - zu erkennen oder zu errechnen ist.

Bekanntlich führen die auf ein Fahrzeugrad ausgeübten Antriebs- oder Bremsmomente zu einer Verformung des Reifens in der in Fig. 5 symbolisch dargestellten Weise. Unter dem Einfluß des Kräftepaares F - siehe Fig. 5 - wird die Reifenwandung 1′ und damit zugleich die Richtung der magnetisierten Areale N, S oder Streifen 3 (siehe Fig. 2) in Torsionsrichtung verformt.

Gegenüber den ortsfest angeordneten Meßelementen 5, 6 - siehe Fig. 3 - tritt infolge dieser torsionsbedingten Verformung ein relativer örtlicher Versatz d der magnetisierten Streifen oder Areale N, S, insbesondere in der latschnahen Zone jedes Streifens auf. Diese Verformung hat eine Veränderung der gegenseitigen Phasenlage der Signale S₅, S′₅ und S₆, S′₆ zur Folge. Diese Phasenverschiebung der Signale ist durch Vergleich der Fig. 4 und 5 besonders deutlich erkennbar.

Zur Auswertung der Phasenverschiebung wird der Zusammenhang zwischen dem von dem Rad auf die Straße übertragenen Moment M und der Phasenverschiebung D + d zweckmäßigerweise als Tabelle in einem Speicher der (nicht dargestellten) Auswerteelektronik erfaßt und zur Auswertung des Signals herangezogen.

Die Messung des Momentes M mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Basis der anhand der Fig. 4 und 5 erläuterten physikalischen Gegebenheiten läßt sich zur Verbesserung eines Regelungssystems auswerten, da aus diesen Meßwerten auf den Kraftschlußbeiwert oder Reibbeiwert zwischen Reifen und Straße geschlossen werden kann.

Zur Realisierung der magnetisierbaren Areale wird im Herstellungsprozeß des Reifens eine geringe Menge von Barium- Ferrit-Pulver, erforderlichenfalls versetzt mit einem Strontium-Anteil, in homogener Verteilung eingefügt. Alternativ hierzu ist es auch möglich, z. B. ca. 1 mm dicke Gummifolien, in die das magnetisierbare Material eingebracht ist, zur Ausbildung der kodierten Spur bzw. der magnetisier­ baren Areale N, S zu verwenden. Diese Gummifolie wird dann auf die seitliche Reifenwandung - siehe Fig. 3 - aufgeklebt und magnetisiert.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Ermittlung des Drehverhaltens eines Fahrzeugrades, bestehend aus einem Encoder, der mit dem Rad umläuft und der permanentmagnetische Areale enthält, die in Umfangsrichtung des Rades gleichmäßig verteilt angeordnet sind und mit abwechselnder Polarität aufeinanderfolgen, aus einem stationären, magnetfeldempfindlichen Meßwertaufnehmer, der ein die Drehbewegung darstellendes Signal liefert, und aus elektrischen Schaltungen zur Auswertung der Ausgangssignale des Meßwertaufnehmers, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Areale (N, S) in die Reifenwandung (1, 1′) des Fahrzeugrades eingelagert oder auf der Reifenwandung aufgebracht sind, daß der Meßwertaufnehmer (4) zwei oder mehrere, im unterschiedlichen radialen Abstand von der Drehachse angeordnete Meßelemente (5, 6) aufweist, derart, daß bei einer Verformung des Reifens infolge der an dem Reifen angreifenden Kräfte (F) bzw. infolge der übertragenen Antriebs- oder Bremsmomente eine Änderung (d) der Phasenlage zwischen den von den Meßelementen (5, 6) abgegebenen Meßsignalen (S₅, S₅′, S₆, S₆′) auftritt, und daß diese Änderung (d) der Phasenlage als Maß für die von dem Rad und dem Reifen (1, 1′) auf die Fahrbahn übertragenen Momente und/oder des momentanen Reibbeiwertes auswertbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Drehrichtung örtlich versetzt angeordnete Meßelemente (5, 6) vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Meßelemente (5, 6) in Drehrichtung des Rades derart gewählt ist, daß sich mindestens ein Polpaar (N, S), vorzugsweise mehrere Polpaare, zwischen den Meßelementen (5, 6) befinden.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwertaufnehmer (4) zwei Meßelemente (5, 6) enthält, daß die permanentmagnetischen Areale (N, S) in radialer Richtung in Relation zu ihrem Abstand in Umfangsrichtung langgestreckt ausgebildet sind und daß der radiale Abstand der Meßelemente (5, 6) näherungsweise der Länge der Areale entspricht.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (4) als aktiver Meßwertaufnehmer ausgebildet ist und magnetfeldempfindliche Meßelemente (5, 6) auf Basis von magnetoresistiven Sensorelementen oder von Halleffekt-Sensorelementen enthält.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (4) als passiver Meßwertaufnehmer ausgebildet ist und Meßelemente (5, 6) auf Basis von Induktionsspulen enthält, in denen die permanentmagnetischen Areale ein der Dreh- oder Winkelbewegung des Rades entsprechendes, diese Bewegung darstellendes Signal hervorrufen.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Reifenwandung, zumindest im Bereich der permanentmagnetischen Areale (N, S) ein magnetisierbares, in der Gummimasse fein verteiltes Material auf Basis von Barium-Ferrit befindet, das während des Herstellungsprozesses in die Gummimasse eingelagert und nach der Fertigstellung des Reifens zur Ausbildung der permanentmagnetischen Areale magnetisiert wurde.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für die permanentmagnetischen Areale (N, S) magnetisierte oder mit magnetisierbarem Material versehene, auf die Außenwandung des Reifens aufgeklebte Gummifolien vorgesehen sind.