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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Haften eines Fahrzeugs
auf einer Fahrbahn. Sie betrifft genauer die Bestimmung der Hafteigenschaften
eines Fahrzeugrads, das mit einem elastischen Radreifen, wie zum
Beispiel einem Luftreifen, versehen ist, beim Rollen auf dem Boden,
ausgehend vom Erhalt physikalischer Parameter im Kontaktbereich
zwischen diesem Rad und der Fahrfläche. Die Druckschrift
DE 39 39 917 A beschreibt
eine mit Sensoren ausgestattete Lauffläche.
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In
dieser Hinsicht gibt es einen Bedarf für den Erhalt von "Echtzeit"-Angaben über die Haftbedingungen, die
das Verhalten eines Fahrzeugs beeinflussen können, insbesondere, wenn es
eine Beschleunigung durch Bewegkraft oder Bremskraft oder durch
Bahnwechsel erfährt.
Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren und Mittel zu liefern,
dies in wirksamer Weise zu erreichen.
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird unter "Haftvermögen eines gegebenen Elements" (wobei dieses Element
ein Gummiblock, eine Rippe eines Luftreifens oder der ganze Luftreifen
sein kann) das Verhältnis zwischen
der maximalen tangentialen Kraft, die dieses Element während seines
Kontakts mit dem Boden an einer gegebenen Stelle erfahren kann,
und der an dieses Element angelegten senkrechten Kraft verstanden. Unter "Reibungspotential" wird das Verhältnis zwischen
der tangentialen Beanspruchung und der senkrechten Beanspruchung
verstanden, die an einem gegebenen Punkt auf ein Gummielement beim
Gleiten auf dem Boden ausgeübt
werden.
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Mit "verfügbarer Haftspielraum" wird die Differenz
zwischen dem Haftvermögen
eines Elements und dem Verhältnis
zwischen der tangentialen Kraft und der senkrechten Kraft bezeichnet,
die tatsächlich auf
dieses Element bei seinem Durchgang durch den Kontaktbereich ausgeübt werden.
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Die
Erfindung hat einen Luftreifen zum Gegenstand, der für die Schätzung des
Haftvermögens
oder des Haftspielraums ausgelegt ist, dessen Lauffläche ein
erstes Laufflächenelement
aufweist, das eine Kontaktfläche
mit dem Boden aufweist, die in einer Entfernung zur Radachse positioniert
ist, die geringer ist als diejenige mindestens eines zweiten Elements,
wobei die Elemente derart sind, dass im Normalbetrieb die Flächen der
beiden Elemente im Kontaktbereich mit dem Boden in Kontakt kommen,
und derart sind, dass zumindest in einem Bereich von zu überwachenden
Fahrbedingungen der Unterschied zwischen den Entfernungen sich während der
Abnutzung des Luftreifens im Normalbetrieb selbst aufrechterhalten
kann, so dass im Normalbetrieb die Kontaktfläche des ersten Elements während ihres
Durchgangs durch den Kontaktbereich ein Gleiten bezüglich des
Bodens erfährt,
während
die Kontaktfläche
des zweiten Elements nicht auf dem Boden gleitet, wobei der Luftreifen
einen Sensor bildende Mittel im Inneren des ersten Elements aufweist,
wobei die einen Sensor bildenden Mittel in der Lage sind, die Verformungen
oder die Beanspruchungen in der Kontaktfläche des ersten Elements während ihres
Durchgangs durch den Kontaktbereich zumindest in tangentialer Richtung zu
messen.
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Die
Erfindung schlägt
also vor, einen Teil der Lauffläche
so auszulegen, dass er die Haftgrenze überschreitet, und in diesem
Bereich mindestens eine geeignete Messung durchzuführen. Man
kann in der oben erläuterten
Art Sensoren in die Lauffläche
integrieren. Man kann aber auch die geeignete(n) Messung(en) durchführen, ohne
unbedingt Sensoren in die Lauffläche
des Luftreifens zu integrieren.
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Die
Erfindung schlägt
auch ein Verfahren zur Erfassung einer Hafteigenschaft zwischen
einem Rad, das eine verformbare Lauffläche aufweist, und einem Fahruntergrund
vor, das die folgenden Schritte aufweist:
- a)
Vorsehen mindestens eines ersten Kontaktelements der Lauffläche, das
eine Kontaktfläche
mit dem Boden aufweist, die in einer geringeren Entfernung zur Radachse
angeordnet ist als die Entfernung einer Kontaktfläche mit
dem Boden mindestens eines zweiten Elements, wobei der Abstand zwischen
den Kontaktflächen
derart ist, dass bei Normalbetrieb die Flächen der beiden Elemente beide
mit dem Boden in Kontakt kommen, und dass zumindest in einem Bereich
von zu überwachenden
Fahrbedingungen die Kontaktfläche
des ersten Elements während
ihres Durchgangs durch den Kontaktbereich ein Gleiten bezüglich des Bodens
erfährt;
- b) Erzeugen eines ersten Signals, das für eine tangentiale Kraft in
der Kontaktfläche
des der Achse am nächsten
liegenden Elements repräsentativ
ist;
- c) Erfassen einer Veränderung
des ersten Signals, die für
einen Haftverlust charakteristisch ist;
- d) Erzeugen einer Schätzung
des Reibungsvermögens
in der Kontaktfläche
des ersten Elements;
- e) Erzeugen einer Schätzung
des Haftvermögens
des Luftreifens.
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Die
Erfindung ermöglicht
es selbstverständlich,
den "verfügbaren Haftspielraum" durch die Differenz zwischen
dem Haftvermögen
des Luftreifens und dem Verhältnis
zwischen der tangentialen und der senkrechten Kraft zu schätzen, die
tatsächlich
auf den Luftreifen ausgeübt
werden, wenn man über
eine Ermittlung der tangentialen und der senkrechten Kraft verfügt. Man
kann zum Beispiel die tangentiale Kraft in Längsrichtung sowie die senkrechte
Kraft so schätzen,
wie es im Patent
US 5,913,240 beschrieben
ist. Man kann aber auch die tangentiale Kraft und die senkrechte
Kraft ausgehend von Messungen schätzen, die alle in der Lauffläche durchgeführt werden.
Weitere diesbezügliche
Einzelheiten werden nachfolgend angegeben.
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Unter
einem anderen Gesichtspunkt schlägt
die Erfindung vor, den "verfügbaren Haftspielraum" ohne Durchführung einer
Messung oder einer Schätzung
der tatsächlich
auf den Luftreifen ausgeübten
senkrechten und tangentialen Kräfte
zu schätzen.
Hierzu schlägt
die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung einer Hafteigenschaft
zwischen einem Rad, das eine verformbare Lauffläche besitzt, und einem Fahruntergrund
vor, das die folgenden Schritte aufweist:
- a)
Vorsehen mindestens eines ersten Kontaktelements der Lauffläche, das
eine Kontaktfläche
mit dem Boden aufweist, die in einer geringeren Entfernung zur Radachse
angeordnet ist als die Entfernung einer Kontaktfläche mit
dem Boden mindestens eines zweiten Elements, wobei der Abstand zwischen
den Kontaktflächen
derart ist, dass bei Normalbetrieb die Flächen der beiden Elemente beide
mit dem Boden in Kontakt kommen;
- b) Erzeugen eines ersten Signals, das für eine tangentiale Kraft in
einem Bereich der Kontaktfläche
des ersten Elements repräsentativ
ist;
- c) Erfassen im ersten Signal des Eintrittsmoments des ersten
Elements in den Kontaktbereich;
- d) Erfassen im ersten Signal des Moments, in dem das erste Signal
eine für
einen Haftverlust charakteristische Veränderung erfährt; und
- e) Erzeugen einer Anzeige, die für einen verfügbaren Haftspielraum
charakteristisch ist, ausgehend von einer Funktion des ersten Signals
zwischen dem Moment der Erfassung des Eintritts in den Kontaktbereich und
dem Moment der Erfassung der charakteristischen Veränderung.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Figuren dargestellt:
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1 ist
ein radialer Schnitt durch einen Luftreifen, der beim erfindungsgemäßen Verfahren
verwendbar ist,
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2 zeigt
schematisch den Betrieb eines Luftreifens,
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3 ist
ein Diagramm der typischen Beobachtungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem idealisierten Fall,
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4 zeigt
weitere von der Erfindung vorgeschlagene Beobachtungen,
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5 zeigt
weitere von der Erfindung vorgeschlagene Beobachtungen,
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6 zeigt
noch weitere von der Erfindung vorgeschlagene Beobachtungen.
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Der
erfindungsgemäße Luftreifen
weist entweder eine oder mehrere vollständige Rippen 1 oder
einen oder mehrere Profilblöcke
auf, deren Außenumfang
einen Radius Rs kleiner als der Radius Ra des Umfangs der benachbarten
gewöhnlichen
Rippen 2 oder gewöhnlichen
Blöcke
(siehe 1) hat.
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Eine
solche Rippe oder ein solcher Block werden in der nachfolgenden
Beschreibung "geopferte
Rippe" bzw. "geopferter Block" oder "erstes Element" genannt. Das Patent
US 4,480,671 zeigt eine
solche geopferte Rippe [siehe seitliche Rippe
8). Dagegen
wird jeder andere Bereich des Profils des Luftreifens mit "gewöhnliche
Rippe
2" oder "gewöhnlicher
Block" oder "zweites Element" bezeichnet. Der
Fachmann weiß,
dass der Unterschied zwischen Ra und Rs sich während der Abnutzung des Luftreifens
im Normalbetrieb selbst aufrechterhalten kann. Es ist ein Vorteil
der Erfindung, dass so aufgrund einer Messung des Reibungspotentials an
einer geopferten Rippe der verfügbare
Haftspielraum bis zur totalen Abnutzung des Luftreifens erfasst
werden kann.
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Der
so ausgelegte Luftreifen ermöglicht
es, das "Haftvermögen", zu schätzen, so
wie der Begriff weiter oben definiert wurde und hauptsächlich in
Verbindung mit der Gesamtheit der Lauffläche verwendet wird. Der so
ausgelegte Luftreifen kann es auch erlauben, das "Reibungspotential" zu schätzen, wie
der Begriff oben definiert wurde und in Verbindung mit der geopferten
Rippe oder dem geopferten Block verwendet wird.
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Im
Normalbetrieb gleitet die geopferte Rippe 1 auf dem Boden,
während
die gewöhnliche
Rippe 2 nicht auf dem Boden gleitet. Mit Hilfe der geopferten
Rippe 1 führt
man zu jedem Zeitpunkt eine Messung des maximalen Haftvermögens auf
dem Boden durch.
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Im
Inneren jeder geopferten Rippe oder jedes geopferten Blocks ermöglichen
ein oder mehrere Sensoren 3 die Messung der Verformungen
oder der Beanspruchungen, denen diese Rippe oder dieser Block beim
Rollen des Luftreifens in Längs-
und Querrichtung ausgesetzt ist: Die Messung der Beanspruchungen oder
der Verformungen kann auch in senkrechter Richtung durchgeführt werden,
was die Leistung des Systems verbessert.
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Mit
einem geeigneten Sensor 3 kann man diese Messungen während der
ganzen Lebensdauer des Luftreifens erhalten. Es ist natürlich wünschenswert,
dass der Bereich der Lauffläche
des Luftreifens, der für die
Messung spezifisch ist, so klein wie möglich ist, oder dass grundsätzlicher
dieser Bereich die Leistungen des Luftreifens nicht verschlechtert.
Daher kann es vorteilhaft sein, ihn auf einen oder eine kleine Anzahl
von Kautschukblöcken
zu begrenzen, oder ihn auf eine Umfangsrippe zu begrenzen, die so
schmal wie möglich ist.
Man kann die gewünschte
Information erhalten, indem man eine einzige Messung pro Umdrehung
des Luftreifens durchführt.
Was das Fahrzeug angeht, so scheint es überflüssig, dass alle seine Luftreifen
von solchen Messungen betroffen sind, ein Luftreifen pro Seite scheint
durchaus ausreichend.
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Beim
freien (d.h. ohne Antriebsmoment oder Bremsmoment, wobei F1 die Drehrichtung und F2 die
Bewegungsrichtung darstellt) und geradlinigen Rollen des Luftreifens
auf einer Fahrbahn entwickelt sich, wenn ein Punkt an der Oberfläche einer
geopferten Rippe mit der Fahrbahn in Kontakt kommt, eine bremsende Scherbeanspruchung σf an
der Schnittstelle zwischen der geopferten Rippe und der Fahrbahn
(2); sie addiert sich zur sinusförmigen Beanspruchung,
die normalerweise auf die ganze Rippe ausgeübt wird und von der ein Darstellungsbeispiel
durch die Kurve betreffend die Rippe 2 in 3 angegeben
ist; die an der geopferten Rippe resultierende Beanspruchung nimmt
die Form der Kurve bezüglich
der Rippe 1 in 3 an; diese Beanspruchung nimmt
vom Moment des Kontaktbeginns bis zu dem Moment zu, in dem die Scherbeanspruchung
den maximal vom Reibungspotential des Gummis auf dem Boden erlaubten
Wert erreicht.
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3 stellt
den theoretischen Fall eines unendlichen oder sehr großen Reibungspotentials
dar. Sie zeigt die Scherbeanspruchungen in Längsrichtung (in DaN/cm2) auf
einer geopferten Rippe und auf einer der geopferten benachbarten,
gewöhnlichen
Rippe im Kontaktbereich in Abhängigkeit
von der Entfernung "D" (in mm) zwischen
dem Rand des Kontaktbereichs und dem betrachteten Punkt. In diesem
Fall nimmt die Scherbeanspruchung im Absolutwert bis zu dem Moment
zu, in dem der Punkt den Kontakt mit der Fahrbahn verlässt.
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Wenn
das Reibungspotential nicht unendlich ist, was in Wirklichkeit der
Fall ist, gleitet der fragliche Punkt an der Oberfläche der
Fahrbahn, sobald die Scherbeanspruchung den vom Reibungspotential
maximal erlaubten Wert erreicht. 4 zeigt
für einen
realistischeren Fall, in dem das Reibungspotential gleich 0,5 ist, die
Scherbeanspruchungen in Längsrichtung
(in daN/cm2) auf einer geopferten Rippe und auf einer der geopferten
Rippe benachbarten, normalen Rippe im Kontaktbereich in Abhängigkeit
von der Entfernung "D" (in mm) zwischen
dem Rand des Kontaktbereichs und dem betrachteten Punkt. Das die
Scherbeanspruchung in Abhängigkeit
von der von der Radmitte zurückgelegten
Strecke darstellende Signal unterscheidet sich von demjenigen, das
in 3 dargestellt ist. Die Form des Signals, und insbesondere
dessen maximaler Wert, stehen in direkter Verbindung mit dem Reibungspotential.
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Wenn
dieses Potential sich ändert, ändert sich
der ursprüngliche
Teil des Beanspruchungssignals, das in Abhängigkeit von der zurückgelegten
Strecke (gleich der Geschwindigkeit multipliziert mit der seit dem
Moment des Kontaktbeginns zwischen dem Punkt und dem Boden vergangenen
Zeit) dargestellt ist, wenig; dagegen wird der Endteil des Signals
in Verbindung mit dem Pegel des Potentials verändert. Die Analyse des Signals
der Scherbeanspruchung, die auf die geopferte Rippe ausgeübt wird,
liefert so eine Information über das
Reibungspotential zwischen der Rippe und der Fahrbahn, das selbst
direkt mit dem Haftvermögen
des Luftreifens auf der Fahrbahn korreliert ist.
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Ausgehend
einerseits von einer vorerstellten Beziehung, um das Reibungspotential
der Rippe und das Haftvermögen
des Luftreifens in Verbindung zu bringen, und von einem Verfahren
der regelmäßigen Nachkalibrierung,
das zum Beispiel die Eigenschaft verwendet, gemäß der das maximale Haftvermögen des
Luftreifens sich, bei allen Fahrbahnbedingungen zusammengenommen,
wenig ändert,
ist es möglich,
die Stärke
des Haftvermögens
des Luftreifens von der Größe der auf
die geopferte Rippe ausgeübten
Scherbeanspruchung oder von jedem für diese Scherbeanspruchung
repräsentativen
Signal abzuleiten. Dieses Verfahren der Nachkalibrierung ist notwendig,
da der Druck unter der geopferten Rippe sich während der Nutzung des Luftreifens ändern kann,
zum Beispiel in Abhängigkeit
von der Abnutzung des Luftreifens, bei gleichen Bedingungen der Belastung
des Luftreifens und des Reifendrucks, und diese Änderung des Drucks führt eine
Variable ein, die die Beziehung zwischen der auf die Rippe ausgeübten Scherbeanspruchung
und dem Haftvermögen
des Luftreifens verändert.
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Wenn
die geopferte Rippe außerdem
mit einer Messung der senkrechten Beanspruchung am gleichen Punkt
ausgestattet ist, ist es möglich,
den Reibungskoeffizienten zwischen der Rippe und dem Boden zu berechnen,
indem das Verhältnis
zwischen der Scherbeanspruchung und der senkrechten Beanspruchung
erstellt wird. In diesem Fall ist es sogar nicht mehr notwendig,
eine regelmäßige Nachkalibrierung
durchzuführen, um
das Haftvermögen
des Luftreifens zu bewerten.
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Dann
weisen in einer vorteilhaften Variante des Erfassungsverfahrens
die Schritte zur Erfassung einer Veränderung des ersten Signals
und zur Erzeugung einer Schätzung
des Haftvermögens
in der Kontaktfläche des
Luftreifens die folgenden Arbeitsgänge auf:
- a)
Erzeugen eines zweiten Signals, das für eine senkrechte Kraft in
der Kontaktfläche
des ersten Elements repräsentativ
ist;
- b) Erzeugen ausgehend von dem ersten und dem zweiten Signal
eines dritten Signals, das für
das Verhältnis
zwischen der tangentialen Kraft und der senkrechten Kraft repräsentativ
ist;
- c) Erfassen einer Veränderung
des dritten Signals, die für
einen Haftverlust charakteristisch ist;
- d) Erzeugen einer Schätzung
des Reibungspotentials in der Kontaktfläche des ersten Elements; und
- e) ausgehend vom Reibungspotential, Erzeugen einer Schätzung des
Haftvermögens
in der Kontaktfläche des
Luftreifens.
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Die
bremsende Beanspruchung, die sich im Kontakt entwickelt, entsteht
aus dem Unterschied der Längen
der Außenumfänge der
geopferten Rippe und der benachbarten Rippen. Indem dieser Längenunterschied
verändert
wird, wird auch die Geschwindigkeit des Zunehmens der Beanspruchung
zwischen den Momenten des Kontaktbeginns und des Kontaktendes verändert: Je
größer der
Unterschied zwischen den Längen,
desto schneller nimmt die Scherbeanspruchung zu.
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Wenn
der Luftreifen mit einem Driftwinkel rollt, entwickelt sich eine
Querbeanspruchung an der Schnittstelle zwischen der geopferten Rippe
und der Fahrbahn. Diese addiert sich vektoriell zur Längsbeanspruchung.
Die Resultierende erfährt
dann die gleiche Entwicklung wie oben beschrieben, d.h., dass ihr
Modul zwischen dem Moment, in dem der Kontakt entsteht, und demjenigen,
in dem sein Wert die maximal vom Reibungspotential erlaubte Beanspruchung
erreicht, zunimmt, vorausgesetzt, dass der Unterschied zwischen
den Längen
der Umfänge
der geopferten Rippe und der benachbarten Rippen eine ausreichende
Größe hat.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführung
des Verfahrens werden außerdem
die folgenden Schritte ausgeführt:
- a) Erzeugen eines ersten Signals einer funktionalen
Lauffläche,
das für
eine tangentiale Kraft in einer Zone der Kontaktfläche des
mindestens einen zweiten Elements repräsentativ ist;
- b) Erzeugen eines zweiten Signals einer funktionalen Lauffläche, das
für eine
senkrechte Kraft in einer Zone der Kontaktfläche des mindestens einen zweiten
Elements repräsentativ
ist;
- c) Erzeugen einer für
die auf den Luftreifen ausgeübte
tangentiale Kraft charakteristischen Anzeige ausgehend von der Integration
des ersten Signals einer funktionalen Lauffläche zwischen den Anfangs- und
Endzeitpunkten des Kontakts der Zone mit dem Boden über die
Breite des Luftreifens;
- d) Erzeugen einer für
die auf den Luftreifen ausgeübte
senkrechte Kraft charakteristischen Anzeige ausgehend von der Integration
des zweiten Signals einer funktionalen Lauffläche zwischen den Anfangs- und Endzeitpunkten
des Kontakts der Zone mit dem Boden über die Breite des Luftreifens;
- e) Bestimmen des "verfügbaren Haftspielraums" durch die Differenz
zwischen dem Haftvermögen
des Luftreifens und dem Verhältnis
zwischen den auf den Luftreifen ausgeübten tangentialen und senkrechten
Kräften.
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Diese
Art der Schätzung
des "verfügbaren Haftspielraums" erfordert die Schätzung der
senkrechten Kraft und der tangentialen Kraft in den Elementen der
Lauffläche.
Nachfolgend wird ein weiteres Verfahren erläutert, das auf diese Kenntnis
oder diese Schätzung
verzichtet.
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5 zeigt
die Scherbeanspruchungen in Längsrichtung
(in daN/cm2) an einer geopferten Rippe im Kontaktbereich in Abhängigkeit
von der Entfernung "D" (in mm) zwischen
dem Rand des Kontaktbereichs und dem betrachteten Punkt im Fall
des Rollens mit einem Bremsmoment und mit einem Reibungspotential
in der Größen ordnung
von 0,5 (Kurve A), im Fall des freien Rollens und mit einem unendlichen
Reibungspotential (Kurve B), und im Fall des freien Rollens und
mit einem Reibungspotential in der Größenordnung von 0,5 (Kurve C).
Wenn ein Antriebsdrehmoment oder ein Bremsmoment auf den Luftreifen
ausgeübt
wird, addiert oder subtrahiert eine Längsbeanspruchung sich zu bzw.
von der Differenz der Längen
der Umfänge
der Rippen. Im Fall eines Bremsmoments nimmt zum Beispiel das Beanspruchungssignal
in Abhängigkeit
von der zurückgelegten
Strecke schneller zu als in dem Fall, in dem das Rad mit einem Drehmoment
Null arbeitet (5).
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6 stellt
Signale dar, die für
Scherbeanspruchungen in Längsrichtung
(in daN/cm2) in Abhängigkeit von
der Entfernung "D" (in mm) zwischen
dem Rand des Kontaktbereichs und dem betrachteten Punkt repräsentativ
sind, die sich unter einer geopferten Rippe und auf einem gegebenen
Boden entwickeln, einerseits in dem Fall, in dem ein Bremsmoment
angelegt wird (Kurve 1), und andererseits beim freien Rollen
(Kurve 2). Die Punkte B1 und B2 sind die Punkte der Kurven,
die einer abrupten Änderung
der Neigung dieser Kurven entsprechen. Diese abrupte Änderung
ist für
einen Haftverlust (Beginn des Gleitens) oder einen Wiederbeginn der
Haftung (Ende des Gleitens) repräsentativ.
Der Punkt A0 entspricht dem Beginn des Kontaktbereichs. In 6 kann
man beobachten, dass der mittlere Gradient der Kurve 1 zwischen
dem Punkt A0 und dem Punkt B1 im Absolutwert größer ist als der Gradient der
Kurve 2 zwischen den Punkten A0 und B2. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
der verfügbare
Haftspielraum in dem Fall entsprechend der Kurve 1 geringer
ist als der verfügbare
Haftspielraum in dem Fall entsprechend der Kurve 2. Das
Verhältnis
zwischen dem mittleren Gradienten und dem Wert des Signals am charakteristischen
Punkt eines Haftverlusts (B1 bzw. B2 auf den Kurven 1 und 2)
ist ein den verfügbaren
Spielraum anzeigendes Beispiel.
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Daher
schlägt
die Erfindung in einer besonderen Anwendung des Verfahrens, das
darauf abzielt, ohne Durchführung
einer Messung oder einer Schätzung
der tatsächlich
auf den Luftreifen ausgeübten
senkrechten und tangentialen Kräfte
eine Anzeige des verfügbaren
Haftspielraums zu erzeugen, vor, dass die Funktion des Signals das
Verhältnis
zwischen dem mittleren Wert der ersten Ableitung des Signals bezüglich der
Zeit und dem Wert des Signals am charakteristischen Punkt eines
Haftverlusts ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann man feststellen, dass die Länge des Segments A0–A1 kleiner
ist als diejenige des Segments A0–A2, was die Tatsache ausdrückt, dass
der im Fall der Kurve 1, die dem Bremsmoment entspricht,
verfügbare
Haftspielraum kleiner ist als der verfügbare Haftspielraum im Fall
der Kurve 2, die dem Fall des freien Rollens entspricht.
Ausgehend von der Länge
dieser Segmente verfügt
man also über eine
weitere Information, die für
den verfügbaren
Haftspielraum repräsentativ
ist, wobei der Haftspielraum in der gleichen Zeit abnimmt wie die
Länge der
Segmente.
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Daher
schlägt
die Erfindung in einer besonderen Ausführung des Verfahrens, das darauf
abzielt, ohne Durchführung
einer Messung oder einer Schätzung
der tatsächlich
auf den Luftreifen ausgeübten
senkrechten und tangentialen Kräfte
eine Anzeige des verfügbaren
Haftspielraums zu erzeugen, vor, dass die Funktion des Signals der
die Erfassungen trennende Zeitraum ist.
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Ausgehend
von einer geeigneten Analyse des Beanspruchungssignals, das in Abhängigkeit
von der zurückgelegten
Strecke dargestellt ist, die gleich dem Produkt aus der Geschwindigkeit
und der Zeit ist, die seit dem Beginn des Bodenkontakts des Punkts,
an dem die Messung durchgeführt
wird, vergangen ist, es möglich,
zwei Informationen zu entnehmen: eine für das Haftvermögen zwischen
dem Luftreifen und der Fahrbahn repräsentative Information und eine
Information bezüglich
des Pegels der auf den Luftreifen ausgeübten Beanspruchung (antreibend,
bremsend oder in Querrichtung), die es somit ermöglicht, den verfügbaren Haftspielraum
des Luftreifens zu kennen.
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Es
ist möglich,
in gleicher Weise Messungen der Verformungen der Rippe in Längs- und
Querrichtung anstelle der Messungen von Beanspruchungen zu verwenden.
Wenn man den Reibungskoeffizienten berechnen möchte, muss einfach eine vorhergehende
Kalibrierung zwischen den Werten der Verformungen und der Beanspruchungen
durchgeführt
und bei der Berechnung berücksichtigt
werden.
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Alles,
was bisher bezüglich
einer geopferten Rippe beschrieben wurde, kann auch auf den Fall
eines geopferten Blocks angewandt werden.
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Bei
manchen Luftreifen kann es schwierig sein, wenn die geopferte Rippe
aus dem gleichen Material besteht wie die benachbarten Rippen, unter
der geopferten Rippe eine ausreichend große Scherbeanspruchung zu erzeugen,
um deren Gleiten auf jeder Art von Belag und sobald der Luftreifen
frei rollt zu erzeugen. Während
der Abnutzung des Luftreifens kann der senkrechte Kontaktdruck zwischen
den geopferten Rippen oder den geopferten Blöcken und dem Boden aufgrund
einer schnelleren ursprünglichen
Abnutzung dieser geopferten Rippen oder Blöcke als der anderen Blöcke oder
Rippen des Luftreifens sehr gering werden. Dies kann die Präzision der
Messung der Haftvermögen
beeinträchtigen,
wenn diese geopferten Rippen oder Blöcke den Abnutzungszustand erreicht
haben, in dem der Kontaktdruck sehr gering ist.
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Es
ist bekannt dass, wenn man die Einschnittwirkung aufgrund der Profile
vernachlässigt,
der im Kontaktbereich auf den Boden ausgeübte Druck im Wesentlichen dem
Nenn-Reifendruck des Luftreifens entspricht. Aufgrund ihrer Beschaffenheit
findet man unter einer geopferten Rippe aber nur einen Bruchteil
des Reifendrucks. Zur Veranschaulichung wurde in einem Versuch beobachtet,
dass die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Messungen
zuverlässige
Ergebnisse liefern, wenn man unter der geopferten Rippe (oder allgemeiner
dem ersten Element) einen Restkontaktdruck auf dem Boden vorfindet,
der vorzugsweise mindestens 30% bis 40% (und vorteilhafterweise
mindestens 50%) des Nenndrucks beträgt.
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Beim
freien Rollen und aufgrund des Abnutzungsphänomens des Kautschuks stellt
sich aber ein derartiges Gleichgewicht her, dass die Abnutzungsgeschwindigkeit
des ersten und zweiten Elements gleich ist, wodurch der Höhenunterschied
zwischen dem ersten und zweiten Element dann konstant ist. Bei diesem Gleichgewicht
kann man einen gewissen Restdruck unter der geopferten Rippe feststellen.
Wenn dieser Restdruck zu gering ist (zum Beispiel 10% des Nenndrucks),
kann man die in der vorliegenden Anmeldung angesprochenen Messungen
nicht durchführen,
oder zumindest sind solche Messungen nicht zuverlässig, da
sie nicht für
die unter den gewöhnlichen
(d.h. nicht geopferten) Elementen der Lauffläche vorherrschende Haftung repräsentativ
sind. Daher wird vorgeschlagen, für die geopferte Rippe ein verändertes
Material zu verwenden, damit der Restdruck groß genug ist. Man hat im Versuch überprüft, dass
die Messbedingungen wesentlich besser sind, und dass die Ergebnisse
für die
bei den nicht veränderten
Materialien vorherrschenden Haftungsbedingungen ausreichend repräsentativ
sind.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird also das erste Element (siehe
Rippe 1 in 1) aus einem anderen Material
herge stellt als das zweite Element, wodurch dem ersten Element eine
bessere Abnutzungsfestigkeit verliehen wird als dem zweiten Element.
Trotz der Tatsache, dass erfindungsgemäß das erste Element einer seiner
Langlebigkeit abträglichen
Beanspruchung ausgesetzt ist, wird auf diese Weise das erste Element
unter Bedingungen gehalten, die für die Schätzung des Haftvermögens oder
des Haftspielraums geeignet sind.
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Eine
erste Variante eines erfindungsgemäßen Luftreifens betrifft einen
Luftreifen, bei dem das erste Element (siehe Rippe 1 in 1)
aus einem anderen Material als das zweite Element hergestellt wird,
wodurch dem ersten Element ein geringeres Haftvermögen verliehen
wird als dem zweiten Element. Dies hat den Vorteil, die tangentialen
Beanspruchungen zu verringern, die zum Hervorrufen des Gleitens
der geopferten Rippe notwendig sind.
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Man
kann zum Beispiel im Stadium der Herstellung des Luftreifens eine
Lauffläche
durch Koextrusion ausgehend von mehreren geeigneten Rohkautschuken
herstellen. Der Vorteil dieses Aspekts ist es, dass es diesen geopferten
Elementen ermöglicht
wird, auf einem gegebenen Boden bei geringeren Scherbeanspruchungen
zu gleiten als denjenigen, die notwendig wären, wenn diese Elemente aus
dem gleichen Material wie die anderen Blöcke oder Rippen des Luftreifens
wären.
Da die Abnutzungsgeschwindigkeit eines Gummielements sehr schnell
abnimmt, wenn man die Scherbeanspruchung verringert, die im Kontaktbereich
zwischen diesem Element und dem Boden ausgeübt wird, wenn dieses Element
auf dem Boden gleitet, ist die Konsequenz dieser Verbesserung, dass
die geopferten Rippen oder Blöcke,
die aus diesem weniger haftenden Material hergestellt sind, sich
weniger schnell abnutzen, und dass der senkrechte Kontaktdruck zwischen
diesen geopferten Rippen oder Blöcken
und dem Boden wäh rend
der Abnutzung des Luftreifens ebenfalls weniger schnell abnimmt.
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Eine
andere Variante eines erfindungsgemäßen Luftreifens betrifft einen
Luftreifen, bei dem das erste Element aus einem Material mit höherem Young-Modul
hergestellt wird als der Young-Modul des Materials, aus dem das
zweite Element hergestellt ist. Dies hat zur Folge, dass die das
Gleiten verursachenden tangentialen Beanspruchungen erhöht werden.
Man kann diese Anordnung mit der vorhergehenden kombinieren.
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Aus
diesem Grund wird auch in einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante
vorgeschlagen, die geopferten Rippen oder Blöcke aus einem Material herzustellen,
das eine bessere Abnutzungsfestigkeit aufweist als die die anderen
Rippen oder Profilblöcke
des Luftreifens bildenden Materialien. Der Vorteil dieses Aspekts
ist auch hier die Verringerung der Abnutzungsgeschwindigkeit dieser
geopferten Rippen oder Blöcke,
mit dem Ergebnis einer weniger schnellen Verringerung des senkrechten
Kontaktdrucks zwischen den geopferten Rippen oder Blöcken während der
Abnutzung des Luftreifens.
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Diese
drei Varianten können
vorteilhafterweise kombiniert werden. So ist es möglich, während der ganzen
Lebensdauer des Luftreifens einen ausreichenden senkrechten Kontaktdruck
zwischen den geopferten Rippen oder Blöcken und dem Boden aufrechtzuerhalten,
um eine gute Präzision
der Messung der Haftvermögen
zu garantieren.
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Das
Haftvermögen
des Luftreifens auf der Fahrbahn bedingt direkt den maximalen Pegel
der Führungs-,
Brems- und Motorkräfte,
die auf das Fahrzeug übertragen
werden können.
Es ist ein bestimmendes Element der Beweglichkeit und der Straßenlage
der Fahrzeuge.
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In
mehreren Ländern
durchgeführte
statistische Untersuchungen haben gezeigt, dass es eine unleugbare
Beziehung zwischen diesem Haftvermögen und der Gefahr von Unfällen auf
nasser Fahrbahn gibt: Je geringer der Pegel des Haftvermögens auf
nasser Fahrbahn, desto größer die
Unfallgefahr. Die Sicherheit der Benutzer hängt also eng vom Haftvermögen ab.
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Ein
wichtiger Punkt für
die Sicherheit ist es, den Pegel des Haftvermögens des Luftreifens so früh wie möglich ermitteln
zu können,
ehe die Haftungsgrenze erreicht ist, da die Möglichkeit, einen Unfall im
Fall einer unzureichenden Haftung zu vermeiden, um so größer ist,
je früher
die Aktionen zum Anpassen der Fahrbedingungen des Fahrzeugs durchgeführt werden.
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Das
Gestaltungsprinzip des hier vorgestellten Luftreifens stellt aus
dieser Sicht einen großen
Vorteil dar. Es ermöglicht
nämlich
die Ermittlung des Pegels des Haftvermögens, selbst wenn der Luftreifen
frei rollt, was darauf hinausläuft
zu sagen, dass es möglich
ist, dieses Vermögen
für alle
Fahrbedingungen des Fahrzeugs zu bestimmen, ausgehend von der Situation
des Fahrens in gerader Linie bei konstanter Geschwindigkeit bis
zu den Situationen des maximalen Bremsens oder Beschleunigens, oder
der Kurven, die an der Haftgrenze durchfahren werden. Das verfügbare Haftvermögen kann
so permanent ermittelt werden.
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Ausgehend
von den gleichen Messungen ist es auch möglich, den tatsächlich verwendeten
Teil des Haftvermögens
zu kennen.
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Die
folgende Tabelle zeigt aufgrund der Kenntnis dieser Informationen
ermöglichte
Anwendungen.
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Ausgehend
allein von der Kenntnis des verfügbaren
Haftvermögens
oder einer direkt mit dem Haftvermögen korrelierten Information
ist es möglich:
- • den
Fahrer des Fahrzeugs zu informieren:
- – wenn
Veränderungen
des Haftpegels auftreten: Wenn zum Beispiel das Haftvermögen über einen
gewissen Veränderungspegel
hinaus abnimmt, kann eine Warnung in Form eines akustischen oder
visuellen Alarms an den Fahrer geliefert werden, um ihn dazu aufzufordern,
seine Fahrweise anzupassen und seine Aufmerksamkeit zu erhöhen;
- – über den
relativen Haftpegel, über
den er zu einem gegebenen Zeitpunkt verfügt, im Vergleich mit einer statistischen
Basis der angetroffenen Haftpegel: Die durchgehend beim Fahren des
Fahrzeugs erfasste Information kann eine Datenbank speisen, die
in einem Datenverarbeitungssystem integriert ist, das mit dem Fahrzeug
verbunden ist oder sich außerhalb
des Fahrzeugs befindet (zentralisierte Datenbank, mit der das Fahrzeug
in Verbindung stehen würde);
außerdem
kann diese Information mit der bereits in der Datenbank gespeicherten
statistischen Gesamtheit verglichen werden, um zu bestimmen, welcher
Hundertstelle der Gesamtheit sie entspricht; dieses Ergebnis kann
in eine einfache Information umgewandelt werden, die an den Fahrer
geliefert wird (zum Beispiel durch die Anzeige eines üblichen
Pegels, der das verfügbare
Haftvermögen
qualifiziert: stark, mittel, schwach, sehr schwach);
- • auf
das Fahrzeug einzuwirken:
- – indem
die Steuerungsstrategie der Systeme des Fahrzeugs, wie zum Beispiel
das Antiblockiersystem der Räder,
der Schleuderschutz und das elektronische Stabilitätsprogramm,
ange passt wird: Diese Systeme könnten über je nach
dem Haftpegel unterschiedliche und bauartbedingt vordefinierte Strategien
verfügen: In
Abhängigkeit
vom augenblicklichen Haftpegel könnte
die am besten geeignete Steuerungsstrategie angewendet werden;
- – indem
die Bestimmung der optimalen Steuerungen ermöglicht wird, die an ein Organ
des Fahrzeugs anzuwenden sind: Digitale Simulationen in Echtzeit
können
nun in den Fahrzeugen durchgeführt
werden; in Kenntnis des Haftpegels ist es möglich, die an ein Organ (zum
Beispiel die Bremse) anzuwendende Steuerung zu suchen, damit die
Reaktion optimal ist; es ist auch möglich, durch Simulation vorherzusagen,
welches die Reaktion des Fahrzeugs auf die vom Fahrer durchgeführten Steuerungen
ist, und seine Steuerungen dementsprechend zu korrigieren oder ihn
zu unterstützen,
wenn die Steuerungen unzutreffend erscheinen;
- • die
anderen Straßenbenutzer
und die mit der Verwaltung des Straßennetzes betrauten Organismen
zu informieren, indem diese Informationen zentralen Datenbanken
mitgeteilt werden; die heutigen Mittel der Kommunikation und der
Lokalisation von Mobilfunkstationen (zum Beispiel GPS) ermöglichen
es, jeder Information über
das Haftvermögen,
die von einem Fahrzeug geliefert wird, die genaue Lokalisation des
entsprechenden Straßenabschnitts
zuzuordnen und diese Informationen an ein zentralisiertes System
zu übertragen;
ausgehend von diesen Informationen ist es möglich:
- – die
anderen Straßenbenutzer
und ihre Fahrzeuge über
den an einem gegebenen Punkt verfügbaren Pegel zu informieren,
schon ehe sie diesen Punkt erreicht haben, was es ermöglicht,
die ggf. bei den Steuerungen der Fahrzeuge notwendigen korrigierenden
Einwirkungen noch besser vorwegzunehmen;
- – den
Verwaltern des Straßennetzes
in Echtzeit genaue statistische Informationen über den Haftpegel zu liefern,
wodurch die regelmäßigen Messvorgänge der
Haftung, die in manchen Ländern
zur Überwachung ihres
Straßennetzes
durchgeführt
werden, überflüssig werden.
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Wenn
diese Information über
das verfügbare
Haftvermögen
durch die Information über
das tatsächlich genutzte
Haftvermögen
vervollständigt
wird, ist es zusätzlich
möglich:
- • den
Fahrer über
die Nutzungsrate dieses verfügbaren
Haftvermögens
zu informieren und ihn bezüglich des
Annäherns
an die Haftgrenze zu warnen;
- • Systeme
des Fahrzeugs (zum Beispiel Antiblockiersystem der Räder oder
Schleuderschutz) direkt ausgehend von der Differenz zwischen dem
verfügbaren
Haftvermögen
und dem genutzten Haftvermögen
zu regeln;
- • an
die mit der Verwaltung des Straßennetzes
betrauten Personen statistische Informationen zu liefern, die es
ermöglichen,
die Punkte des Netzes zu erfassen, an denen sich der Haftgrenze
am häufigsten
genähert wird,
und wo die Unfallgefahr daher groß sein kann, sogar ehe diese
Gefahr über
Unfallstatistiken ausgedrückt
wird.
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Man
kann zum Beispiel eine Messung durchführen, wie sie vom Patent
DE 3937966 A1 erklärt wird. Zum
Beispiel kann ein magnetisches Element in einem geopferten Block
oder einer geopferten Rippe an einer Stelle eingebaut sein, wo dieses
Element eine relative Verschiebung bezüglich von im Luftreifen angeordneten Hall-Sensoren
erfährt,
wenn der geopferte Block oder die geopferte Rippe einer tangentialen
oder einer senkrechten Kraft ausgesetzt wird. Die Hall-Sensoren sind so
angeordnet, dass sie die Verschiebung des magneti schen Elements
mindestens unter der Wirkung einer tangentialen Kraft, die auf die
Oberfläche
des Blocks oder der Rippe ausgeübt
wird, messen, und sogar zusätzlich
seine Verschiebung unter der Wirkung einer senkrechten Kraft getrennt
messen, die auf diesen geopferten Block oder diese geopferte Rippe
ausgeübt wird.
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In
einer Variante könnte
man auch eine Messung durchführen,
wie sie vom Patent
US 5 864 056 oder
US 5 502 433 gelehrt wird.
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Die
so gemessenen Signale werden an eine Recheneinheit gesendet, die
das Haftvermögen
und den verfügbaren
Haftspielraum nach einem der vorgeschlagenen Verfahren bestimmt.
Es sei angemerkt, dass die heutige Technologie die Übertragung,
vorzugsweise die Fernübertragung,
von Signalen von einer oder mehreren in der Lauffläche und
dem Fahrzeug selbst eingesetzten Messeinheiten ermöglicht,
dass es aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, diesen
Aspekt zu behandeln, der von den hier behandelten Aspekten der Messungen
relativ unabhängig
ist.
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Diese
berechneten Informationen werden ihrerseits zum Beispiel an eine
Vorrichtung gesendet, die es ermöglicht,
den Fahrer zu informieren, oder sie werden zum Beispiel über eine
drahtlose Übertragung
an ein außerhalb
des Fahrzeugs befindliches System gesendet, das es ermöglicht,
die Informationen bezüglich
des Haftvermögens
des Bodens zu zentralisieren, und das dazu bestimmt ist, alle Straßenbenutzer
zu informieren, oder sie werden auch verwendet, um Systeme oder
Organe des Fahrzeugs zu regeln, auf das der Luftreifen montiert
ist.
