DE19725775C1

DE19725775C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Aufschwimmens eines Fahrzeugreifens (Aquaplaning)

Info

Publication number: DE19725775C1
Application number: DE1997125775
Authority: DE
Inventors: Holger Oldenettel
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-06-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Aufschwimmens (Aquaplaning) eines Fahrzeugreifens.

Aus der DE-OS 42 42 726 A1 ist ein Verfahren zur Aquaplaning- Erkennung bei Fahrzeugreifen bekannt, bei dem die Verformung von Profilelementen des Fahrzeugreifens während des Durchlaufes durch den Reifenlatsch sensiert wird. Infolge der zeitlichen Änderung der Klotzverbiegung bei einem solchen Durchlauf zeigt sich ein Signal mit einem zunächst erreichten positiven und einem danach erreichten negativen Extremum. Die Steilheit des Signalanstieges vor Erreichen des ersten, also des positiven Extremums wird mit gespeicherten Referenzwerten verglichen und daraus ein sehr gut mit der Realität korrelierendes Signal zum Aufschwimm-Zustand des Reifens gewonnen.

Diese im Labormaßstab erprobte und bewährte Technik bereitet jedoch Schwierigkeiten bei der Umsetzung in ein preiswertes Großserienprodukt: Die Sensoren müssen in den Reifen einvulkanisiert werden und bedürfen einer elektrischen Energieversorgung. Diese Energieversorgung im rotierenden System Rad könnte dem nicht-rotierenden elektrischen Bordnetz nur mittels eines Schleifringes entnommen werden; dies aber bereitet Probleme bei der Zuverlässigkeit, dem Bauraumbedarf, dem Gewicht und den Kosten.

Auch eine eigene Batterie innerhalb eines jeden Rades ist möglich, bringt aber ebenfalls Kostenprobleme und zusätzlich Unwuchtprobleme. Außerdem würde damit entgegen dem Trend der Zeit die Anzahl der bei einem Service-Termin zu überwachenden Komponenten noch gesteigert.

Aus der DE-OS 44 35 160 A1 ist eine Einrichtung zur Ermittlung der Umfangskraft eines Fahrzeugrades bekannt, die berührungslos arbeitet. Dabei ist mindestens ein in der Seitenwand des Reifens angeordnetes erstes Geberelement vorgesehen, das bei Überstreichen eines fahrzeugfesten Sensors ein Signal generiert, das zum Bestimmen der Winkellage eines äußeren Reifenpunktes in bezug auf ein nabenfestes, d. h. umlaufendes Koordinatensystem verwendet werden kann. Das nabenfeste Koordinatensystem wird entweder durch einen zweiten Geber und einen zweiten fahrzeugfesten Sensor dargestellt oder durch einen an der Radnabe angeordneten ABS-Sensor des Fahrzeuges festgelegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Aufschwimmens eines Fahrzeugreifens zu schaffen, welches bzw. welche auch ohne eine elektrische Energie-Versorgung innerhalb des rotierenden Rades arbeiten kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens den gefährlichen Zustand des Aquaplanings am fahrenden Fahrzeuge erkennen und so entsprechende Gegenmaßnahmen ermöglichen. Die Gegenmaßnahmen können in einer Warnung an den Fahrer bestehen, beispielsweise durch Aufleuchten einer entsprechenden Warnleuchte oder ähnlichem. Als Gegenmaßnahme können aber auch geeignete bordeigene Regelungssysteme wie ABS, ASR und FDR mit entsprechenden Stellgrößen versorgt werden.

Die Lösung der Aufgabe ist durch ein Verfahren zum Ermitteln des Aufschwimmens eines Fahrzeugreifens mit folgenden Schritten gekennzeichnet:

- Bestimmen eines Winkels eines äußeren Reifenpunktes in bezug auf ein nabenfestes Koordinatensystem, mittels eines Sensors,
- Analysieren des von dem Sensor gelieferten, Oberschwingun gen enthaltenden Signals und Bestimmen einer Eigenfrequenz, die dem Drehschwingungsanteil des Reifengürtels um die Felge entspricht,
- Feststellen einer signifikanten Änderung der Eigenfrequenz und Schließen auf ein Aufschwimmen des Reifens.

Dabei kann der Winkel entweder kontinuierlich oder mit einer definierten Abtastrate gemessen werden. Vorteilhaft ist ins besondere, das Signal eines bereits fahrzeugseitig vorgesehenen, serienmäßigen ABS-Sensors zu verwenden. Die Abkürzung "ABS" steht dabei für "Antiblockiersystem". Erfindungsgemäß kann also vorgesehen sein, daß das vom ABS-Sensor gelieferte Signal ausge wertet wird, obwohl kein Bremsvorgang stattfindet.

Im Falle des Erkennens des Aufschwimmens des Reifens kann ein Stellsignal zur Beeinflussung eines der folgenden bordeigenen Regelungssysteme generiert werden: ABS, ASR, FDR. Dabei ist unter "ABS" - wie bereits erwähnt - ein Antiblockiersystem zu verstehen, "ASR" steht für eine "Antischlupfregelung" und "FDR" für eine "Fahrdynamikregelung", d. h. eine Vorrichtung zur Beein flussung der Antriebsmomente zur Vermeidung fahrdynamisch labi ler Zustände des Fahrzeuges, wie beispielsweise Schleudern um die Hochachse.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Schemas näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 - in schematischer Darstellung ein Fahrzeugrad, und

Fig. 2 - in schematischer Darstellung ein Feder-Dämpfer- Modell eines Fahrzeugrades.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Fahrzeugrad 10.

An dem Rad 10 sind zwei radial beabstandete Geberelemente 2 und 3 befestigt, die mit nicht näher dargestellten, fahrzeugseitig fest angeordneten Sensoren zusammenarbeiten, wie dies in der DE 44 35 160 A1 beschrieben ist.

Das Geberelement 3 kann zur Definition eines mit der Nabe umlau fenden Koordinatensystems verwendet werden. Der zwischen zwei Radien der Geberelemente 2 und 3 eingeschlossene Winkel Δϕ kann so als Winkellage ϕ des Geberelementes 2 ausgedrückt werden.

Der Winkel Δϕ bzw. die ausgelenkte Winkellage "ϕ" des äußeren Reifenpunktes bzw. Geberelementes 2 entsteht unter dem Einfluß des antreibenden Drehmoments M, das einen Gürtel 9 gegenüber der Felge 8 des Fahrzeugrades 10 verspannt. Die Verspannung ist abhängig von der Drehsteifigkeit C_R der Reifenwandung 11 und der parallel wirkenden Schubsteifigkeit C_P des Profils. Damit ist C = C_ges = C_P + C_R. Die Drehsteifigkeit C_R der Reifenwandung 11 und die Schubsteifigkeit C_P sind in dem in Fig. 2 dargestellten Modell erkennbar. Die Dämpfungsbeiwerte von Reifenwandung und Profil werden der Einfachheit halber vernachlässigt.

Nimmt man zur Vereinfachung weiter an, daß die Reifenmasse im Gürtel 9 konzentriert ist, so läßt sich der Reifen schwingungs technisch vergleichsweise einfach beschreiben. Der als fest angesehene Gürtel 9 kann Drehschwingungen um die Felge 8 voll ziehen, wobei diese Drehschwingungen in dem Sensorsignal des dem Geberelement 2 zugeordneten Sensors wiedergefunden werden kön nen.

Die Bewegung des fremderregten Drehschwingers in Form der Gür tellage 9 läßt sich grob wie folgt beschreiben:

J+cϕ=.cosΩt (1).

In Gleichung (1) ist J das Massenträgheitsmoment des Gürtels 9 um die Drehachse, mit zwei Punkten () wird in gängiger Schreib weise die zweite Ableitung nach der Zeit bezeichnet, d. h. die Winkelbeschleunigung, c ist die Gesamtdrehsteifigkeit C_P + C_R der Reifenwandung 11 und des Profils 12 des Reifens, und die rechte Seite der Gleichung beschreibt eine Anregung mit einer Frequenz Ω, die beispielsweise von den Ungleichförmigkeiten der das Fahr zeug antreibenden Brennkraftmaschine herrühren kann. Dabei ist die Dämpfung durch den Gummiwerkstoff vernachlässigt.

Betrachtet man nur den homogenen Teil der Lösung, so gilt:

J+cϕ=0 (2).

Es ist dies in bekannter Weise eine homogene lineare Differen tialgleichung zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten.

Der allgemeine Lösungsansatz

ϕ = A.cosωt + B.sinωt (3)

liefert mit der Eigenkreisfrequenz

die allgemeine homogene Lösung.

Es ist bekannt, daß Pkw-Reifen über eine ausgeprägte Torsions- Eigenfrequenz im Bereich zwischen 40 und 60 Hz verfügen. Mit Hilfe der Fourier-Analyse oder anderen mathematischen Methoden ist in dem vom Geber 2 gelieferten Signal eine Eigenfrequenz in den Oberschwingungen unzweifelhaft erkennbar, die die gesuchte Eigenfrequenz des Reifens ist.

Kommt es nun zu einem Aufschwimmen des Reifens, verliert der Reifen also den Haftschluß zwischen dem Gummi des Profils des Reifens 12 und der Fahrbahn 14 (vgl. Fig. 2), so entfällt die Federsteifigkeit C_R in Gleichung (4). Nimmt man an, daß die Größen C_P und C_R etwa gleiche Größenordnungen haben, so kommt es somit zu einer Änderung der Torsionseigenfrequenz von etwa 25%. Bei Beobachten eines solchen Abfalls der Torsionseigenfrequenz kann auf Aquaplaning geschlossen werden und die entsprechenden beschriebenen Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln des Aufschwimmens eines Fahrzeug reifens (10) (Aquaplaning) mit folgenden Schritten:

- Bestimmen eines Winkels (ϕ) eines äußeren Reifenpunk tes (2) in bezug auf ein nabenfestes Koordinatensy stem, mittels eines Sensors,
- Analysieren des von dem Sensor gelieferten, Ober schwingungen enthaltenden Signals und Bestimmen einer Eigenfrequenz (ω₀), die dem Drehschwingungsanteil des Reifengürtels (9) um die Felge (8) entspricht,
- Feststellen einer signifikanten Änderung der Eigen frequenz und Schließen auf ein Aufschwimmen des Rei fens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel kontinuierlich gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel mit einer definierten Abtastrate gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal eines ABS-Sen sors verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei erkanntem Aufschwimmen ein Stellsignal für eines der folgenden bordeigenen Regelungssysteme generiert wird: ABS, ASR, FDR (zuvor die ursprünglichen Ansprüche 1 bis 5).

6. Vorrichtung zum Ermitteln des Aufschwimmens eines Fahrzeugreifens (10)

- wobei diese Vorrichtung einen Sensor enthält, welcher den Winkel (ϕ) eines äußeren Reifenpunktes (2) in Bezug auf ein nabenfestes Koordinatensystem zu bestimmen vermag,
- und eine logische Schaltung,
welche das vom Sensor gelieferte, Oberschwingungen enthaltende Signal zu analysieren und eine Eigenfrequenz (ω₀) zu bestimmen vermag, welche dem Drehschwingungsanteil des Reifengürtels (9) um die Felge (8) entspricht, und
welche eine signifikante Änderung besagter Eigenfrequenz als Korrelat zum Aufschwimmen des Reifens (10) festzustellen vermag.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor, der den Winkel (ϕ) eines äußeren Reifenpunktes (2) in Bezug auf ein nabenfestes Koordinatensystem bestimmt, ein ABS-Sensors ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit dem Stellsignaleingang eines der folgenden bordeigenen Regelungssysteme verbunden ist: ABS, ASR, FDR.