DE3937966A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der kraftschlussverhaeltnisse zwischen fahrzeugreifen und fahrbahn - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der kraftschlussverhaeltnisse zwischen fahrzeugreifen und fahrbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Kraftschlußverhältnisse zwischen Fahrzeugreifen und
Fahrbahn sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Die zwischen den Fahrzeugreifen eines Kraftfahrzeugs und
der Fahrbahn in Längsrichtung und Querrichtung
auftretenden Kräfte (Beschleunigungs- bzw.
Verzögerungskräfte, Seitenführungskräfte) werden durch den
Kraftschluß (Reibung) zwischen den Fahrzeugreifen und der
Fahrbahn übertragen. Der Maximalwert des Kraftschlusses
bestimmt daher die Grenzen eines stabilen Fahrbetriebs.
Für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs ist es daher wichtig,
zur Einhaltung eines stabilen Fahrverhaltens des Fahrzeugs
den tatsächlichen Kraftschlußbeiwert unterhalb des
maximalen Kraftschlußbeiwertes zu halten. Der
Kraftschlußbeiwert ist als das Verhältnis der parallel zur
Fahrbahn wirkenden Horizontalkraft (Reibkraft) zur
vertikal wirkenden Normalkraft definiert. Zur gesonderten
Betrachtung der Kraftschlußverhältnisse in
Reifenumfangsrichtung und in Querkraftrichtung kann der
Kraftschlußbeiwert in eine Umfangskomponente bzw.
Längskomponente und eine Querkomponente zerlegt werden.
Es ist bekannt, durch Messung der in die Radaufhängung
eingeleiteten Kräfte oder der auftretenden
Beschleunigungen den Kraftschlußbeiwert als integralen
Wert über den gesamten Reifenlatsch (Berührungsfläche
zwischen Reifen und Fahrbahn) zu bestimmen. Dieses
Verfahren kann aber eine Aussage über den durch die
jeweiligen Fahrbahnverhältnisse bestimmten, in einem
weiten Bereich veränderlichen maximalen Kraftschlußbeiwert
nur dann liefern, wenn so hohe Kräfte eingeleitet werden,
daß der maximale Kraftschlußbeiwert erreicht wird. In der
Praxis bedeutet dies beispielsweise, daß der Fahrer die
Fahrzeugräder bis in Bereiche hohen Schlupfes (große
Gleitgeschwindigkeit) abbremst, um anhand der erreichbaren
Bremsverzögerung festzustellen, welcher maximale
Kraftschlußbeiwert verfügbar ist. Da aber das Erreichen
bzw. Überschreiten dieses Grenzwertes des Kraftschlusses
bereits eine Gefahrensituation hervorrufen kann, weil sich
das Fahrzeug nicht mehr stabil auf dem vorgegebenen Kurs
steuern läßt (z. B. bei Kurvenfahrt), ist dieses Verfahren
abzulehnen. Auch wenn eine laufende Messung der in das
Fahrzeugrad eingeleiteten Kräfte erfolgt, ist das bekannte
Verfahren nicht dazu geeignet, zur Überwachung der
Fahrdynamik automatisch auswertbare Signale zu liefern, da
die während des normalen Fahrbetriebs eingeleiteten Kräfte
unterhalb der durch den maximalen Kraftschlußbeiwert
vorgegebenen Grenzen liegen. Für Verfahren, die unter
anderem aus der Raddrehzahl (z. B. ABS-Systeme) den
maximalen Kraftschlußbeiwert bestimmen, gelten die
gleichen bereits genannten Einschränkungen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen,
mit denen es möglich ist, auch im normalen Fahrbetrieb
eine laufende und automatische Bestimmung der
Kraftschlußverhältnisse in der Weise durchzuführen, daß
bereits eine Annäherung des jeweils derzeit beanspruchten
Kraftschlußbeiwertes an den maximal möglichen Beiwert und
damit die Grenze des stabilen Fahrbetriebs frühzeitig und
noch vor dem Erreichen erkannt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Verläufe der lokalen Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen an einer oder mehreren Meßstelle im
Reifen in mindestens einer horizontalen Richtung und in
Normalrichtung beim Durchlaufen des Reifenlatsches erfaßt
und zur Bestimmung des derzeit beanspruchten und des
maximal möglichen Kraftschlußbeiwerts ausgewertet werden.
Es wurde nämlich erkannt, daß infolge des für eine
Kraftübertragung zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn
notwendigen Schlupfes zwischen dem Fahrzeugreifen und der
Fahrbahn im Bereich des Reifenlatsches unterschiedlich
hohe lokale Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen,
aus deren räumlichem Verlauf nicht nur der derzeit
beanspruchte Kraftschlußbeiwert bestimmt, sondern auch
Schlüsse auf den maximal möglichen Kraftschlußbeiwert
gezogen werden können.
Die Auswertung der erhaltenen Werte kann vorzugsweise in
der Weise erfolgen, daß das Verhältnis des derzeit
beanspruchten Kraftschlußbeiwerts und des maximal
möglichen Kraftschlußbeiwerts gebildet wird, um die
derzeitige Kraftschlußausnutzung bzw. die derzeitige
Sicherheit des Fahrbetriebs zu ermitteln. Dieses Ergebnis
kann unmittelbar zu einer Anzeige oder Alarmauslösung
verwendet werden, um den Fahrer zu warnen, wenn er sich
dem Grenzbereich des stabilen Fahrverhaltens nähert. Es
ist auch möglich, dieses Ergebnis in Fahrzeug- bzw.
Verkehrsregelsystemen zu verwerten. Die Bestimmung der
Kraftschlußausnutzung bzw. der Sicherheit als deren
Kehrwert läßt eine Früherkennung schwieriger oder sogar
unmöglicher Fahrmanöver zu und ermöglicht es, gefährliche
und unfallträchtige Fahrsituationen zu vermeiden. Damit
ist ein erheblicher Zugewinn an Verkehrssicherheit zu
erzielen.
Dieser räumliche Verlauf des Kraftschlußbeiwertes wird
gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in besonders
einfacher Weise dadurch erfaßt, daß die Spannungen bzw.
Dehnungen bzw. Verformungen an einer Meßstelle im
Reifenprofilsektor in ihrem zeitlichen Verlauf erfaßt
werden, während diese Meßstelle den Reifenlatsch
durchläuft. Diese zeitlichen Verläufe geben unmittelbar
die entsprechenden räumlichen Verläufe im Reifenlatsch
wieder. Es ist aber auch möglich, an mehreren Meßstellen
im Reifen gleichzeitig und nur einmalig je Umdrehung zu
messen und auszuwerten und so auf die örtlich in der
Kontaktfläche vorliegenden Verhältnisse zu schließen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die
Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen in der
Reifenumfangsrichtung und in der Querrichtung erfaßt
werden. Damit ist in meßtechnisch besonders einfacher
Weise unmittelbar eine getrennte Auswertung der
Kraftschlußverhältnisse in Umfangsrichtung mit
Auswirkungen auf die Beschleunigung bzw. Verzögerung und
in Querrichtung mit Auswirkung auf die
Seitenführungskräfte möglich.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß im Reifen im
Bereich des Laufstreifens mindestens ein Sensor angeordnet
ist, der die dort auftretenden lokalen Spannungen bzw.
Dehnungen bzw. Verformungen erfaßt und über eine
Signalübertragungseinrichtung Meßsignale an eine
Auswerteeinrichtung liefert. Ob hierbei die lokalen
Spannungen oder die lokalen Dehnungen bzw. Verformungen
erfaßt werden, hängt von der Bauart des jeweils
verwendeten Sensors ab. Hierfür sind sehr unterschiedliche
Ausführungsformen möglich. Vorzugsweise ist vorgesehen,
daß der Sensor bzw. die Sensoren im Bereich des
Laufstreifens des Reifens eingebettet ist bzw. sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es
zeigt:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellungsweise einen
Fahrzeugreifen im Schnitt mit einer Vorrichtung zur
Bestimmung der Kraftschlußverhältnisse,
Fig. 2 einen vergrößerten vereinfachten Ausschnitt aus dem
Reifenlatsch des Fahrzeugreifens nach Fig. 1, wobei
piezoelektrische Geber als Sensor verwendet werden,
Fig. 3 in einer Darstellung ähnlich der Fig. 2 eine andere
Ausführungsform des Sensors,
Fig. 4 in einer Darstellung ähnlich den Fig. 2 und 3 eine
Ausführung des Sensors mit auf Abstandsänderungen
ansprechenden Sendern und Empfänger und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Sensors mit
einem in den Reifenprotektor ragenden Taststift.
Die in Fig. 1 in stark vereinfachter Weise dargestellte
Vorrichtung zur Bestimmung der Kraftschlußverhältnisse
zwischen einem Fahrzeugreifen 1 und einer Fahrbahn 2 weist
im Protektor 3 des Fahrzeugsreifens 1, und zwar
vorzugsweise innerhalb eines Profilstollens, einen Sensor
4 auf, dessen prinzipieller Aufbau später noch näher
erläutert wird.
Der Sensor 4 erfaßt die zeitlichen Verläufe der lokalen
Spannungen in Umfangsrichtung, in Querrrichtung und in
Normalrichtung an einer Meßstelle im Laufstreifen,
während diese Meßstelle beim Abrollen des Fahrzeugreifens
1 auf der Fahrbahn 2 den Reifenlatsch durchläuft. Die vom
Sensor 4 gelieferten Signale werden zu einem Verstärker 5
an der Felge 6 des Fahrzeugrades geleitet und gelangen von
dort zu einem ebenfalls an der Felge 6 angebrachten
Signalsender 7. Von diesem Signalsender 7 werden die
Meßsignale auf einen am Fahrzeugaufbau 8 angebrachten
Signalempfänger 9 elektrisch übertragen. Diese Übertragung
kann berührungslos, beispielsweise induktiv oder über ein
frequenzmoduliertes Signal, oder auch über Schleifringe
erfolgen. Vom Signalempfänger 9 werden die Meßsignale zu
einer Auswerteeinrichtung 10 geleitet. In der
Auswerteeinrichtung 10 wird aus dem zeitlichen Verlauf der
Meßsignale, die eine Aussage über die räumliche Verteilung
der lokalen Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen im
Reifenlatsch ermöglichen, auf den derzeit beanspruchten
Kraftschlußbeiwert und insbesondere auf den maximal
möglichen Kraftschlußbeiwert geschlossen. Das in der
Auswerteeinrichtung 10 bzw. einer weiteren
Signalverarbeitungseinrichtung ermittelte Verhältnis des
derzeit beanspruchten und des maximal möglichen
Kraftschlußbeiwertes ergibt einen Wert für die jeweilige
Kraftschlußausnutzung bzw. Sicherheit.
Fig. 2 zeigt vereinfacht die Anordnung der den Sensor 4 in
Fig. 1 bildenden drei piezoelektrischen Geber 4a, 4b und
4c. Der Geber 4a erfaßt die Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen in x-Richtung, d. h. in Reifenumfangsrichtung;
der Geber 4b erfaßt die Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen in y-Richtung, d. h. in Querrichtung, der
Geber 4c erfaßt die Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen in z-Richtung, d. h. in Normalrichtung.
Der in Fig. 3 vereinfacht dargestellte, anstelle des
Sensors 4 in Fig. 1 verwendbare Sensor 11, der ebenfalls
im Laufstreifen 3 des Reifens eingebettet ist, weist einen
mit Dehnungsmeßstreifen 11a, 11b und 11c bestückten
Verformungskörper 11d auf, der bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel als elastisch verformbare Dose
ausgeführt ist, deren Wände die Dehnungsmeßstreifen 11a,
11b und 11c tragen. Ebenso wie die piezoelektrischen Geber
4a, 4b und 4c nach Fig. 2 sind auch die
Dehnungsmeßstreifen 11a, 11b und 11c nach Fig. 3 so
angeordnet, daß sie unterschiedliche, vorzugsweise in den
rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen x, y und z
liegende Wirkrichtungen aufweisen.
Einen anderen Sensoraufbau zeigt Fig. 4. Im Laufstreifen
3 ist als Sender ein Permanentmagnet 12 eingebettet, der
seine Lage je nach den auftretenden Verformungen ändert.
An der Reifeninnenseite 13 sind als Empfänger
beispielsweise vier Hallgeneratoren 14 angeordnet, die auf
Änderungen des Abstands zum Sender 12 ansprechen. Die
Meßsignale der Hallgeneratoren 14 liefern in der hier
stark vereinfacht angedeuteten Auswerteeinrichtung 10 eine
Information über Änderungen der räumlichen Lage des
Senders 12, die durch die auftretenden lokalen Dehnungen
bzw. Verformungen im Reifenprofil verursacht werden.
Daraus kann unmittelbar auf die lokalen Spannungen und
somit auf den augenblicklichen beanspruchten und dem
maximal verfügbaren Kraftschlußbeiwert geschlossen werden.
Sender und Empfänger können bei dieser Anordnung auch
vertauscht werden.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Sensor 15 ragt ein
Taststift 16 durch die Reifenkarkasse 17 bis in einen
Profilstollen 18 des Reifenprotektors 3. Der Taststift 16
trägt an seinem in das Reifeninnere ragenden Ende als
Sender 19 beispielsweise vier Permanentmagnete. Ein
Sensorgehäuse 20 ist mittels Stiften 21 in der Karkasse 17
verankert und trägt als Empfänger 22 vier Hallgeneratoren.
Die im Profilstollen 18 auftretenden lokalen horizontalen
bzw. vertikalen Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen verursachen eine proportionale
Schwenkbewegung bzw. Hubbewegung des in der Karkasse 17
gelagerten Taststiftes 16 und somit eine Abstandsänderung
zwischen den Magneten 19 und den Hallgeneratoren 22.
Hierdurch wird - ähnlich wie bei der Vorrichtung nach Fig.
4 - eine Änderung der Hallspannung hervorgerufen, die als
Meßsignal an die Auswerteeinrichtung 10 in der schon
beschriebenen Weise übertragen wird.
Über die dargestellten Ausführungsbeispiele hinaus ist
zusammenfassend festzustellen, daß die lokalen Spannungen
bzw. Dehnungen bzw. Verformungen an der Meßstelle bzw. den
Meßstellen im Reifen absolut oder relativ gemessen werden
können. Das zu messende Signal kann auf den jeweils
verwendeten Sensor direkt (ohne Zwischenglied) oder
indirekt (über ein Zwischenglied) einwirken. Die lokal
auftretenden Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen
werden durch den Sensor als mechanische Spannung (Druck-,
Schubspannung) bzw. als wirkende Kraft oder als
Wegänderung mittels des Sender-Empfängerprinzips erfaßt.
Der Sensor kann bereits bei der Reifenfertigung vor dem
Vulkanisationsprozeß oder auch nachträglich angebracht
werden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Bestimmung der Kraftschlußverhältnisse
zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verläufe der lokalen
Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen an einer oder
mehreren Meßstellen im Reifen in mindestens einer
horizontalen Richtung und in Normalrichtung beim
Durchlaufen des Reifenlatsches erfaßt und zur Bestimmung
des derzeit beanspruchten und des maximal möglichen
Kraftschlußbeiwertes ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zeitlichen Verläufe die Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen an einer Meßstelle erfaßt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen an
mehreren Meßstellen gleichzeitig erfaßt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannungen bzw. Dehnungen bzw. Verformungen in der
Reifenumfangsrichtung und in der Querrichtung und in der
Normalrichtung erfaßt werden.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im
Reifen im Bereich des Laufstreifens (3) mindestens ein
Sensor (4, 11, 12, 14, 15) angeordnet ist, der die dort
auftretenden lokalen Spannungen bzw. Dehnungen bzw.
Verformungen erfaßt und über eine
Signalübertragungseinrichtung (5, 7, 9) Meßsignale an eine
Auswerteeinrichtung (10) liefert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (4, 11, 12) bzw. die Sensoren im Bereich
des Laufstreifens des Reifens eingebettet ist bzw. sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (4) mehrere piezoelektrische Geber (4a, 4b,
4c) mit unterschiedlichen Wirkrichtungen aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor mehrere jeweils mit Dehnungsmeßstreifen
(11a, 11b, 11c) bestückte Verformungskörper aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (11) eine elastisch verformbare Dose (11d)
aufweist, die mit Dehnungsmeßstreifen (11a, 11b, 11c)
unterschiedlicher Wirkrichtung bestückt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor einen im Bereich des Laufstreifens (3) des
Reifens eingebetteten Sender (12) und an der
Reifeninnenseite (13) mehrere auf Abstandsänderungen zum
Sender (12) ansprechende Empfänger (14) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (15) einen durch die Reifenkarkasse (17)
bis in den Laufstreifen (3) des Reifens ragenden Taststift
(16) aufweist, der an seinem in das Reifeninnere ragenden
Ende einen mindestens Sender (19) trägt und daß im
Reifeninneren mindestens ein auf Abstandsänderungen zum
Sender (19) ansprechender Empfänger (22) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sender (12, 19) ein
Permanentmagnet ist und die Empfänger (14, 22)
Hallgeneratoren sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signalübertragungseinrichtung einen am Reifen oder
an der Felge des Fahrzeugrades angebrachten Signalsender
(7) und einen am Fahrzeug angebrachten Signalempfänger (9)
aufweist, der mit der Auswerteeinrichtung (10) elektrisch
verbunden ist.
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DE3937966A Expired - Fee Related DE3937966C2 (de) | 1989-11-15 | 1989-11-15 | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Kraftschlußverhältnisse zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn |
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