DE4242109A1 - Vorrichtung zur Ermittlung des auf die Reifen eines Landfahrzeuges einwirkenden Bodenwiderstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Bodenträgfähigkeit oder der Bodenwiderstand ist ein wichtiger Parameter zur Beschreibung der Tragfähigkeit des Bodens abseits befestigter Fahrwege. Bisher wurde allem im militärischen Bereich der Boden als tragfähige Fläche betrach­ tet, auf der es vor allem gilt, vorwärts zu kommen.

Jedoch in der Landwirtschaft wirken sich schwer reversible Ver­ dichtungsschäden durch Befahrung von Wirtschaftsböden ökolo­ gisch negativ aus. Bei wachsender Leistungsfähigkeit und immer schwereren Maschinen sind deshalb Bodenverdichtungen auf emp­ findlichen Böden ein beträchtlicher Schadfaktor geworden. Zur Minderung des Flächendrucks bzw. zur Vergrößerung der Rei­ fenauflagefläche werden heute vornehmlich Niederdruckreifen eingesetzt. Diese Reifen haben den Nachteil, - wie jeder andere Reifen abseits befestigter Straßen - , daß der Reifeninnendruck nur bei einer bestimmten Bodenhärte und Fahrzeugauflast optimal sein kann.

Heute werden zur Minderung dieses Nachteiles von verschiedenen Herstellern Reifendruckregelanlagen angeboten, mittels derer auch während der Fahrt der Innendruck abgesenkt werden kann.

Diese Druckregulierung ist aber nur insoweit vorteilhaft, wie der Bedarf für den optimalen Luftdruck festgestellt werden kann.

Bei den heutigen Systemen gibt es dazu jedoch nur starre Vorga­ ben, bei denen weder ermittelte Fahrzeugauflastwerte den Rei­ fenkennwerten verknüpft, noch der Bodenwiderstand simultan er­ mittelt werden kann.

Nachteilig ist, daß Niederdruckreifen durch Unkenntnis des op­ timalen Luftdruckbedarfs im allgemeinen im Gelände mit zu hohem Luftdruck und auf fester Straße mit zu geringem Luftdruck gefah­ ren werden, was dort zu stark erhöhtem Reifenverschleiß führt.

Ein weiterer Nachteil ist, daß diese heute üblichen Systeme auf befestigter Straße ohne zusätzliche Sensorik nicht die Fahr­ zeugauflast ermitteln können.

Zusätzlich ist es gerade im weichen Boden zur Vermeidung von Bodenschäden notwendig, den Reifenschlupf zu ermitteln. Heutige Systeme können als Vergleichswert zur Schlupfermittlung nur die Raddrehzahl und den nominalen Reifenumfang als Referenzwert verwenden. Jedoch im hängt der wirksame Reifenumfang stark vom Verhältnis von Reifendruck und dem Bodenwiderstand ab, deshalb ist es nachteilig, wie heute üblich, von einem festen Parameter als wirksamen Reifenumfang auszugehen.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, die die Bodenparameter, die zur Be­ stimmung des optimalen Reifendrucks beim aktuellen Betriebs zu­ stand mit hoher Genauigkeit ermitteln kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich das Ver­ hältnis - weicher Reifen/harter Boden abseits befestigter Straßen ins Gegenteil verkehrt. Tatsache ist, daß auf empfind­ lichem Boden ein Reifen mit möglichst großer Auflagefläche ide­ al wäre.

Auf sehr weichem Boden kann jedoch von diesem Modell der Last­ verteilung über die Auflagefläche nicht mehr gesprochen werden, da es nur in dem Grenzen einer gewissen Konzentration und Ver­ teilung der Auflast des Reifens auf den Boden Geltung haben kann. Auf sehr weichem Boden sinkt der Reifen ein und die Kon­ taktfläche wird sehr groß. Wenn man nun davon ausginge, daß die Last mehr oder weniger auf die gesamte Kontaktfläche verteilt sei, wäre die Bodenbelastung auf diesen besonders sensiblen Bö­ den scheinbar sehr gering. In Wirklichkeit ist sie aber sehr groß.

Ein zuverlässiges Maß für die Bestimmung des Bodenwiderstands auf einem Bodentyp ist die Bodeneinsinktiefe.

Die Einsinktiefe ist die Deformation des Bodens unter der Auf­ last des Reifens. Eine geringe oder gar keine Bodeneinsinktiefe entspricht also grundsätzlich einem großen Bodenwiderstand und umgekehrt.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß es sich beim Reifen/bodensy­ stem um zwei verformbare Körper handelt, muß sich dieses Verhältnis der Verformbarkeit bei verschiedenen Bodenwiderständen und Reifendrücken ändern.

Auf hartem Boden wird statt dem Boden der Reifen auf der Rei­ fenauflagefläche dementsprechend deformiert. Beide Deformatio­ nen verhalten sich bei konstantem Luftdruck ähnlich wie in ei­ ner Gleichung, d. h. die Deformation kann entweder mehr im Boden oder im Reifen stattfinden.

Die Einsinktiefe bzw. die Deformation des Bodens steht grund­ sätzlich im umgekehrten Verhältnis zur Reifendeformation, bei einem bestimmten Reifenkennwert, dem Reifeninnendruck und dem Bodenwiderstand, der Geschwindigkeit und der Auflast.

Sämtliche Parameter mit Ausnahme der Bodendeformation als be­ kannt vorausgesetzt, muß die Reifendeformation ermittelt wer­ den.

Aus der Reifendeformation läßt sich der Bodenwiderstand be­ stimmen.

Eine gewisse Auflast bewirkt eine Deformation des Reifens und des Bodens. Entscheidend für die Erkenntnis des Bodenwider­ stands ist das Verhältnis der Verteilung der Deformation zwi­ schen Boden und Reifen.

Das der Erfindung zugrundeliegende System vergleicht also die tatsächliche Reifendeformation mit der Reifendeformation, die bei den gegebenen Umständen, - das sind Reifentyp, Reifeninnen­ druck und Auflast- und Geschwindigkeit - auf hartem Boden eintreten würde.

Die Deformation auf hartem Boden kann als Maximaldeformation angesehen werden. Wird dieser errechnete Maximalwert nicht er­ reicht, so wird die Last vom Boden absorbiert, d. h., daß im Bo­ den eine Deformation stattfindet.

Die Reifendeformation wird bei der gezeigten Lösung durch Mes­ sung des Abstands vom Felgenbett zum Reifenlatsch über einen Sensor ermittelt.

Der Reifendeformationssensor mißt den Abstand des Felgenbetts zum Reifenlatsch und vergleicht ihn mit dem Abstand der unbela­ steten Reifenfläche. Das kann durch den Wertvergleich mit meh­ reren Sensoren geschehen oder durch mehrere Meßimpulse oder durch Verrechnen des Abstands als bekanntem Parameter. Der Meß­ wert der Reifendeformation wird ermittelt, wenn der Sensor im Felgenbett sich über dem Boden befindet.

Da die Bodendeformation nur einen Aussagewert mit den oben ge­ nannten Parametern hat, kommen zusätzlich noch Sensoren zur Reifeninnendruckermittlung zum Einsatz.

Vorzugsweise können auch kombinierte Sensoren, die Innendruck und Distanz z. B. über Ultraschall messen, zum Einsatz kommen. Da die Ultraschalldistanzmessung durch Laufzeitmessung erfolgt, muß der Reifeninnendruck berücksichtigt werden. Bei höherer Gasdichte steigt die Schallgeschwindigkeit. Da die Entfernung zu der nicht vom Fahrzeuggewicht beaufschlagten Reifendecke na­ hezu konstant ist, kann diese gegebene Entfernung zu der die Ultraschalllaufzeitmessung in Bezug gesetzt wird, zur Bestim­ mung des Innendrucks dienen.

Die Auflast muß mittels Sensoren gemessen werden. Diese Senso­ ren können die Achslasten direkt messen.

Das der Erfindung zugrundeliegende System kann jedoch auch die Auflast des Fahrzeugs und damit auch die Beladung und die Last­ verteilung ermitteln.

Dazu wird die Reifendeformation auf festen Fahrwegen ermittelt. Aus der Reifenkennkurve, dem Reifeninnendruck, der Geschwindig­ keit und der Reifendeformation beim System weicher Reifen/harter Boden kann dann die Fahrzeugauflast ermittelt werden.

Zur Ermittlung kommen Sensoren, ähnlich wie oben beschriebenen zum Einsatz. Auf harter Straße kann die Bodendeformation ver­ nachlässigt werden und die Reifendeformation kann bei gegebenem Reifeninnendruck zur Bestimmung der Radlast verwendet werden. Die Deformation steht in Bezug zum Reifenkennwert und der Ge­ schwindigkeit.

Je nach Fahrzeuggewicht, Raddrehzahl, Reifeninnendruck und Rei­ fenkennwertkurve haben die Reifen einen Dämpferwirkungsgrad, der mit zunehmender Geschwindigkeit vor allem bei Niederdruck­ reifen abnimmt. Da mit diesen Reifen bestückte Fahrzeuge meist kein eigenes Achsdämpfungssystem haben, ist es sinnvoll, in Ab­ hängigkeit der ermittelten aktuellen Reifendämpfungsrate andere Fahrzeugteile, z. B. den Motor oder das Hubwerk als Fahrzeug­ schwingungstilgerelement einzusetzen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird auf festem Boden die aktu­ elle Reifenauflast ermittelt. Die Reifendämpfleistung ist ab­ hängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Reifenkennwert bei aktueller Reifendeformation bzw. Auflast in Beziehung zum Rei­ feninnendruck.

Die Reifendeformation wird mit oben beschriebenen Sensoren er­ mittelt und der Wert läßt in Verbindung mit dem ermittelten Innendruck auf hartem Boden auf die Auflast schließen.

Der so errechnete Dämpfungswert wird als Stellwert für die Dämpfung vorhandener adaptiver Dämpfungselemente, z. B. als Til­ ger wirkende Motorlager, im Prozeßrechner verarbeitet.

Beschreibung der Zeichnung 1

Bei bekanntem Auflastwert mißt der Sensor 1 den Abstand zum Reifenlatsch über dem Boden.

Sensor 2 mißt den Reifeninnendruck. Bei bekanntem Reifendeflek­ tionsverhalten wird aus dem Maß der Reifendeflektion der mecha­ nische Bodenwiderstand bestimmt.

Beschreibung der Zeichnung 2

Zur Bestimmung der Auflast mißt auf hartem Grund der Sensor 1 in der Abbildung die Reifendeflektion.

Der Sensor 2 mißt den Reifeninnendruck.

Aus der Beziehung von Reifeninnendruck und Reifendeflektion wird bei bekannter Geschwindigkeit und bekanntem Reifenkennda­ ten die Auflast bestimmt. Auf weichem Boden muß die aktuelle Auflast durch Silo- Zu- und -Abgänge über diesen Wert ermittelt werden.

Beschreibung der Zeichnung 3

Zur Bestimmung des Radschlupfes wird durch den Sensor 3 die Ge­ schwindigkeit über Grund durch GPS, Doppler Radar oder anderes mehr ermittelt.

Sensor 1 ermittelt das Maß der Reifendeflektion und damit den tatsächlich wirksamen Radumfang.

Mit dem Wert von Sensor 2 , der die Raddrehzahl pro Zeiteinheit mißt, wird daraus die Radumfangsgeschwindigkeit bestimmt.

Aus dem Verhältnis von wirksamer Umfangsgeschwindigkeit und tatsächlicher Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund wird der Schlupf ermittelt.

Beschreibung der Zeichnung 4

Zur Bestimmung des Dämpfungsverhaltens des Reifens mißt in der Abbildung der Sensor 1 die Walktiefe des Reifens.

Sensor 2 ermittelt den Reifeninnendruck.

Daraus läßt sich bei aktueller Auflast und Innendruck bei be­ kannten Reifenkennwerten die Dämpfung des Reifens bestimmen. Dieser Wert ist für die Adaption anderer Schwingungssysteme wie Kabinenfederung, Motorlagerung und andere mehr maßgebend.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Ermittlung des auf die Reifen eines Landfahr­ zeuges einwirkenden Bodenwiderstandes, zur Erfassung des Rei­ fenschlupfes und/oder zum Messen der aktuellen Auflast dieses Landfahrzeuges sowie ggf. zur Anpassung des Reifendruckes oder dgl. Fahrzeugeinstellungen an zumindest einen dieser Parameter, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung wenigstens eine, einem Rad zugeordnete Meß­ einrichtung zum Messen des zwischen dem Felgenbett und dem Rei­ fenlatsch aktuell bestehenden Abstandes aufweist, daß jedem Rad eine Druckmesseinrichtung zur Erfassung des im Reifeninnern herrschenden Gasdruckes vorgesehen ist,
daß die Vorrichtung eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung zum Messen der aktuellen Geschwindigkeit des Landfahrzeugs hat,
daß der Vorrichtung zusätzlich zumindest ein Achslastsensor oder dgl. Meßeinrichtung zum Messen der Achslast oder des aktu­ ellen Fahrzeuggewichtes zugeordnet ist,
daß diese Meßeinrichtungen mit einer Rechen - und Steuereinheit verbunden sind und
daß diese Steuereinheit mit einem Bild­ schirm, einem Display oder dgl. Datenausgabeeinheit zur Anzeige der ermittelten Parameter und/oder mit einer Reifendruckre­ geleinrichtung zur Anpassung des im Reifeninnern herrschenden Gasdruckes an zumindest einer der ermittelten Parameter in Steuerverbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d.g. daß zur Erfassung des im Reifeninnern herrschenden Gasdruckes sowie zum Messen des zwischen dem Felgenbett und dem Reifen­ latsch aktuell bestehenden Abstandes zumindest einem Rad des Landfahrzeuges ein Kombinationssensor, z. B. ein Ultraschall­ sensor zugeordnet ist, der sowohl die Distanz zum Reifenlatsch als auch den Reifeninnendruck messen kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d.g., daß die Steuereinheit mit einem ** mehreren Fahrzeugen und/oder Motorschwingungstilgerelementen oder dgl. adaptiven Dämp­ fungselementen in Steuerverbindung steht.