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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens und ein zugehöriges
Verfahren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
eine Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißzustands eines Reifens und
ein zugehöriges
Verfahren, die das Betriebsverhalten und die Sicherheit eines Fahrzeugs
durch Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens auf der Basis von Umdrehungsinformationen des Reifens
verbessern kann.
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Aus DE-A 196 19 393 ist ein System
zur Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens bekannt, das die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch
1 offenbart.
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Da ein Reifen wegen der Drainageeigenschaften
mit Längs-
und Querrillen versehen ist, sind Gummiblöcke ausgebildet, die von diesen
Rillen eingeschlossen sind. Ein großformatiger Block wird durch
Scherkräfte
in Vorwärts-,
Rückwärts- und
Seitenrichtung kaum verformt und weist eine hohe Steifigkeit auf.
Ein Reifen mit einem Laufstreifenprofil, das aus solchen großformatigen
Blöcken
besteht, wird allgemein als Reifen mit einer hohen Profilsteifigkeit
bezeichnet.
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Der Grad der Profilsteifigkeit beeinflusst
weitgehend den Schlupfwert sowie die Seitenstabilität oder die
Seitenführungskraft.
Um die Bewegungen eines Fahrzeugs auf der Grundlage von Reifenumdrehungsinformationen
in einer Vorrichtung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens oder
der Sicherheit des Fahrzeugs, die sich auf Umdrehungsinformationen
stützt,
wie etwa ein ABS (Antiblockiersystem), ein TCS (Traktionskontroll system),
ein NAVI (Navigationssystem) oder eine Reifendruckverlust-Warnvorrichtung,
einzuschätzen,
ist deshalb die Kenntnis der Profilsteifigkeit erforderlich. Ferner
führt der
Reifenverschleiß zu
einer geringeren Dicke des Laufstreifengummis des Reifens, wodurch
die Steifigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung
zunimmt. Der Reifenverschleiß beeinflusst
außerdem
im Fall eines Winterreifens die Fahreigenschaften auf Schnee und im
Fall eines Sommerreifens die Aquaplaningeigenschaften. Obwohl die
Erfassung des Verschleißes
sinnvoll wäre,
sind die obigen Vorrichtungen mit keiner Verschleißerfassungsfunktion
versehen. Der Reifenverschleiß kann
nur beurteilt werden, indem entweder Tiefenmessinstrumente zum Messen
der Rillenriefen verwendet werden oder indem ein an einem Reifen
vorgesehener Indikator, der die Verschleißgrenze angibt, durch Sichtprüfung bestätigt wird.
Eine solche Bestätigung
durch Sichtprüfung
erfordert Erfahrung, wodurch die Wartung eines Reifens lästig erscheinen
kann und außerdem
die Gefahr besteht, dass der Reifenverschleiß bei der Durchführung der
Wartung zum Zeitpunkt des Prüfens übersehen
wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts
dieser Tatsachen gemacht, wobei es ihre Aufgabe ist, eine Vorrichtung
zur Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens und ein zugehöriges
Verfahren zu schaffen, die den Verschleißzustand eines Reifens regelmäßig misst
und das Betriebsverhalten und die Sicherheit eines Fahrzeugs verbessern
kann.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens vorgesehen, umfassend:
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- (a) ein Umdrehungsgeschwindigkeit-Erfassungsmittel, das
die Umdrehungsgeschwindigkeiten von Reifen von vier Rädern eines
Fahrzeugs regelmäßig erfasst;
- (b) ein Rechenmittel, das ein Verhältnis der Umdrehungsgeschwindigkeit
eines Vorderrads zur Umdrehungsgeschwindigkeit eines Hinterrads
anhand eines von dem Umdrehungsgeschwindigkeit-Erfassungsmittel
erhaltenen Messwerts berechnet und eine Formel für die Beziehung zwischen dem
Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnis
und der Beschleunigung des Fahrzeugs erbringt, und
- (c) ein Vergleichsmittel, das die Steigung der von dem Rechenmittel
erbrachten Beziehungsformel mit einer im Voraus bekannten Steigung
der Formel für
die Beziehung zwischen dem Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnis eines.
Reifens und der Beschleunigung des Fahrzeugs vergleicht.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens vorgesehen, umfassend die Schritte:
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- (a) regelmäßiges Messen
der Umdrehungsgeschwindigkeiten von gegenwärtig an einem Fahrzeug angebrachten
Reifen von vier Rädern,
- (b) Berechnen des Verhältnisses
der Umdrehungsgeschwindigkeit eines Vorderrads zur Umdrehungsgeschwindigkeit
eines Hinterrads anhand der gemessenen Umdrehungsgeschwindigkeit,
- (c) Erstellen einer Formel für
die Beziehung zwischen dem Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnis und
der Beschleunigung des Fahr- zeugs, und
- (d) Vergleichen der Steigung der Beziehungsformel mit einer
im Voraus bekannten Steigung einer Formel für die Beziehung zwischen dem
Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnis
eines Reifens und der Beschleunigung des Fahrzeugs, um den Verschleißzustand
eines Reifens zu bestimmen.
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Die Vorrichtung zur Erfassung des
Verschleißzustands
eines Reifens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben:
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1 ist
ein Diagramm, das eine Anordnung einer Vorrichtung zur Erfassung
des Verschleißzustands eines
Reifens gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Blockschaltplan, der eine Blockdiagrammdarstellung der Vorrichtung
zur Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens von 1 zeigt;
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3 zeigt
eine Regressionslinie zwischen dem Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis und
der Beschleunigung für
einen Sommerreifen und einen Winterreifen;
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4 ist
eine μ-s-Charakteristik
des Sommerreifens von 3;
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5 ist
eine μ-s-Charakteristik
des Winterreifens von 3;
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6 ist
ein Ablaufplan der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Beschleunigung und
dem Schlupfwert eines neuen Reifens zeigt; und
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8 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Beschleunigung und
dem Schlupfwert eines abgenutzten Reifens zeigt.
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Wie in 1 gezeigt
ist, umfasst die Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißzustands
ein Umdrehungsgeschwindigkeit-Erfassungsmittel S, das die Umdrehungsgeschwindigkeit
von Reifen und Rad erfasst. Ein solches Mittel ist für jedes
Rad FLW, FRW, RLW bzw. RRW eines vierrädrigen Fahrzeugs vorgesehen,
wobei die Ausgangssignale des Umdrehungsge- schwindigkeit-Erfassungsmittels
S an eine Steuereinheit 1 übertragen werden, die beispielsweise
eine ABS-Einheit ist. Das Umdrehungsgeschwindigkeit-Erfassungsmittel
S kann ein Radgeschwindigkeitssensor sein, der einen elektromagnetischen
Aufnehmer verwendet, der einen Drehimpuls erzeugt, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit
anhand der Anzahl von Impulsen gemessen wird, oder ein Winkelgeschwindigkeitssensor
sein wie etwa ein Dynamo, in dem durch Drehung Strom erzeugt wird, wobei
die Umdrehungsgeschwindigkeit anhand seiner Spannung gemessen wird.
Wie in 2 gezeigt ist,
ist an die Steuereinheit 1 eine Warnanzeigevorrichtung 2 angeschlossen,
die Flüssigkristall-Anzeigeelemente, Plasma-Anzeigeelemente,
eine Kathodenstrahlröhre,
eine Leuchte oder einen Summer enthält, um über einen abgefallenen Reifendruck
zu informieren. Außerdem
ist ein Initialisierungsschalter 3 angeschlossen, der vom Fahrer
oder einer anderen Person betätigt
werden kann.
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Die Steuereinheit 1 umfasst
ein Rechenmittel, das das Verhältnis
der Umdrehungsgeschwindigkeit der Vorderreifen FLW, FRW zur Umdrehungsgeschwindigkeit
der Hinterreifen RLW, RRW (Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis)
anhand des von dem Umdrehungsgeschwindigkeit-Erfassungsmittel S
erhaltenen Messwerts berechnet und eine Formel für die Beziehung zwischen dem
Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis
und der Beschleunigung des Fahrzeugs erbringt; und ein Vergleichsmittel,
das die Steigung (den Gradienten) der von dem Rechenmittel erbrachten
Beziehungsformel mit einer im Voraus bekannten Steigung (einem Gradienten)
der Formel für
die Beziehung zwischen dem Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis und
der Beschleunigung des Fahrzeugs vergleicht. Die Steuereinheit 1 ist
aus einer E/A-Schnittstelle 1a, die zum Senden/Empfangen
von Sig nalen an/von eine/einer externe/externen Vorrichtung erforderlich
ist, einer CPU 1b, die als Zentrum für die Durchführung der
Rechenprozesse fungiert, einem ROM 1c, in dem ein Steuer-Betriebsprogramm
für die
CPU 1b gespeichert ist, und einem RAM 1d, in den
Daten temporär
eingetragen werden, wenn die CPU 1b Steueroperationen ausführt, oder
aus dem diese eingetragenen Daten ausgelesen werden, zusammengesetzt.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
wird von der Warnanzeigevorrichtung 2 ein Alarm erzeugt, wenn
das Vergleichsmittel bestimmt hat, dass ein Reifen in einem Verschleißzustand
ist. Der im Voraus bekannte Reifen kann beispielsweise ein neuer
Reifen oder ein um 50% abgenutzter (Zwischenbereichsverschleiß) Reifen
sein, wovon einer als Referenzreifen festgelegt werden kann, bevor
ein Alarm erzeugt wird.
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3 ist
ein Diagramm, in dem die Formel für die Beziehung zwischen dem
Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis
und der Beschleunigung des Fahrzeugs bei einem Geradeauslauf eines
neuen Sommerreifens SW und eines neuen Winterreifens TW auf einer
flachen Bodenoberfläche
mit einer Geschwindigkeit von 50 km/h auf eine lineare Funktion
zurückgeführt wurde,
wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass
die Beschleunigung und das Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis über die
folgenden Gleichungen (1) und (2) erhalten werden, wobei die Radgeschwindigkeitsdaten
jedes der Radreifen FLW, FRW, RLW und RRW zu einem spezifizierten
Zeitpunkt von einem Sensor beispielsweise in einem ABS durch F1
n, F2
n, F3
n bzw. F4
n und die
vorhergehenden Radgeschwindigkeitsdaten durch F1
n-1,
F2
n-1, F3
n-1 bzw.
F4
n-1 ausgedrückt sind. Δt bezeichnet ein Daten-Zeitintervall
F1
n bis F4
n und
F1
n-1 bis F4
n-1
Tabelle
1
Tabelle
2
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Hier repräsentiert die Beschleunigung
multipliziert mit der Masse des Fahrzeug die für die Beschleunigung erforderliche
Antriebskraft, während
das Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis
den Schlupfwert s repräsentiert,
von dem das Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis zur Zeit des neutralen
Laufs (das nahe bei 1 liegt) subtrahiert ist, und die Beziehung
zwischen diesen sozusagen eine μ-s-Charakteristik
des Reifens repräsentiert,
wie in den 4 und 5 gezeigt
ist. Somit repräsentiert
die Steigung die Reifensteifigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung.
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Das heißt, dass nach der μ-s-Charakteristik
des Reifens im Bereich, in dem der Schlupfwert s klein (nicht größer als 10%) ist, nahezu kein
Schlupf zwischen dem Reifen und der Bodenoberfläche auftritt, dass der Laufstreifengummi
des Reifens durch Scherung in Vorwärts- und Rück- wärtsrichtung verformt wird und dass
eine Kraft in Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung
erzeugt wird. Diese Verformung durch Scherung wirkt sich als scheinbarer
Schlupf aus, während
sich die durch die Verformung durch Scherung erzeugte Scherbeanspruchung
als Antriebskraft oder Dämpfungskraft
auswirkt, wobei die Kraft geteilt durch die Last (den Dämpfungs-/Antriebskoeffizienten) μ ergibt.
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Die Steigung der μ-s-Kennlinie in einem Bereich,
in dem der Schlupfwert s klein
ist, wird von der Steifigkeit des Laufstreifengummis in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung
bestimmt. Wenn der Profilblock des Laufstreifens groß ist oder
der Gummi hart ist, wird die Steifigkeit der Laufstreifengummiblöcke hoch,
wobei die Steigung der μ-s-Kennlinie
groß (zu
einer ansteigenden Richtung) wird und im gegenteiligen Fall klein
wird. Da beispielsweise ein stollenloser Reifen infolge seiner Charakteristik
viele Lamellen im Profil aufweist (d. h. der Profilblock klein ist)
und sein Gummi weich ist, ist die Steigung der μ-s-Kennlinie kleiner im Vergleich
zu einem Sommerreifen. Wenn der Reifen abgenutzt ist, wird das Maß des Laufstreifengummis
dünn, wodurch
die Steifigkeit des Laufstreifengummis in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung größer im Vergleich
zu jener von neuen Reifen SW, WW wird, wie durch den Pfeil SWa in 3 und den Pfeil WWa in 5 gezeigt ist, und die Steigung
somit sogar größer wird.
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Im Bereich, in dem der Schlupfwert s eines am Fahrzeug angebrachten
Reifens zur Zeit, in der er gefahren wird (z. B. bei einem Geschwindigkeitsverhältnis von
Vorder- und Hinterrädern
von 2WD), nicht mehr als 10% beträgt, wird zwischen dem Reifen
und dem Straßenbelag
kein Schlupf hervorgerufen, wobei die Messung der Geschwindigkeit
der Messung der Antriebskraft oder der Steuerkraft infolge der Verformung
des Laufstreifengummis entspricht, wobei diese Kraft geteilt durch
die Last μ ergibt.
In der vorliegenden Ausführungsform
wurde basierend auf dieser Tatsache festgestellt, dass die Steigung
der μ-s-Kennlinie,
bei der der Schlupfwert s im Bereich von nicht mehr als 10% liegt,
groß wird,
wenn die Steifigkeit des Laufstreifens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung groß ist, während die
Steigung klein wird, wenn seine Steifigkeit klein ist. Falls der
Reifen nicht gewechselt worden ist, ist die Steigung der nach einer
spezifizierten Periode gemessenen μ-s-Kennlinie (die Steigung,
bei der der Schlupfwert nicht mehr als 10% beträgt), größer im Vergleich zur zuvor gemessenen
Steigung, weshalb diese Steigung zur Bestimmung, ob ein Verschleiß aufgetreten
ist, verwendet werden kann. Beispielsweise wird auf der Grundlage
der Formel für
die Beziehung zwischen dem Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis und der Beschleunigung
des Fahrzeugs oder auf der Grundlage der Steigung der μ-s-Kennlinie
dann, wenn ma/m = k (Schwelle) nicht kleiner als 1,5 und vorzugsweise
nicht kleiner als 2,0 ist (wobei m die Steigung eines neuen Reifens
repräsentiert
und ma die Steigung eines abgenutzten
Reifens repräsentiert),
bestimmt, dass dieser Reifen abgenutzt ist, und ein Alarm erzeugt.
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Es sei angemerkt, dass die Radgeschwindigkeitsdaten
in spezifizierten Abtastperioden abgetastet und gesammelt werden,
bis eine Regressionslinie mit einer günstigen Genauigkeit (eine Formel
für die
Beziehung zwischen dem Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis und der Beschleunigung)
erhalten werden kann. Dieses Sammeln von Daten wird regelmäßig, etwa alle
6 Monate oder einmal im Jahr oder jedes Mal, wenn eine Strecke von
5.000 km oder 10.000 km aufgezeichnet worden ist, und automatisch
durchgeführt,
wobei Änderungen
der erhaltenen Steigung ausgewertet werden.
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Wenn die Steigung in einen Bereich
geraten ist, in dem der Reifen als abgenutzt eingeschätzt wird, wird
ein Alarm erzeugt. Im Fall eines stollenlosen Reifens beispielsweise
könnte
auch in einem Zwischenstadium (bei einem Grad, bei dem die Plattform
zu sehen ist) ein Zwischenalarm erzeugt werden, da der Unterschied
zwischen der Steigung eines neuen Reifens und der Steigung eines
vollständig
abgenutzten Reifen groß ist.
Da sich die Steifigkeit des Reifens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zur Bestimmung
der anfänglichen
Steigung der μ-s-Charakteristik
des Reifens zwischen einem Sommerreifen und einem Winterreifen im letzten
Stadium des Verschleißes
nicht stark unterscheidet, wird außerdem vorgezogen, einen Steigungsbereich
für die
letzte Zeit des Verschleißes
für jeden
Fahrzeugtyp im Voraus zu erhalten.
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Es sei angemerkt, dass aufgrund dessen,
dass die Initialisierung im Allgemeinen dann, wenn der Reifen neu
ist, oder zum Zeitpunkt des Reifenwechsels ausgeführt wird,
ein Alarm erzeugt werden könnte,
indem in diesen Fällen
die Änderungen
der Steigung ab diesem Punkt beobachtet werden. Um in einem Zwischenstadium
des Verschleißes
eines Winterreifens einen Alarm zu erzeugen, ist eine Bestimmung,
dass dieser Reifen tatsächlich
ein Winterreifen ist, erforderlich, wobei die Bestimmung eines Winterreifens
zum Zeitpunkt der Initialisierung ausgeführt wird und ein Alarm in der
Zwischenzeit des Verschleißes
erzeugt wird, indem regelmäßige Prüfungen durchgeführt werden.
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Die vorliegende. Erfindung wird nun
anhand eines Beispiels von dieser erläutert, jedoch ist die vorliegende
Erfindung nicht ausschließlich
auf dieses Beispiel begrenzt.
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Beispiel
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Ein Beispiel für die Erfassung des Verschleißzustands
eines Reifens im Fall eines FR-Fahrzeugs wird nun anhand eines Reifens
mit einer Reifengröße von 245/60R16
erläutert.
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Eine Vorrichtung, in der ein Durchstich
durch einen bezogenen Vergleich der Radgeschwindigkeit erfasst wird,
ist mit einer Einrichtung ausgestattet, die die Radgeschwindigkeit
regelmäßig erfasst,
wobei, eine solche Vorrichtung als Beispiel genommen wird, da sie
zum Zeitpunkt des Reifenwechsels eine Initialisierung vornehmen
muss.
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Wie in 6 gezeigt
ist, werden zuerst von der CPU 1b zu einem Zeitpunkt, zu
dem das Fahrzeug fährt,
anhand von Radgeschwindigkeitsimpulsen, die vom Umdrehungsgeschwindigkeit-Erfassungsmittel
S ausgegeben werden, die Radgeschwindigkeit aufgenommen und neben
der Berechnung der Fahrzeit T und der Fahrstrecke D die mittlere
Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Längsbeschleunigung; die Querbeschleunigung
und der Wenderadius berechnet (Schritte S1, S2). Wenn anschließend die
Initialisierung ausgeführt wird
(Schritt S3), berechnet das System einen entsprechenden Wert μ der Beschleunigungs-/Verlangsamungsgeschwindigkeit
(Beschleunigung G) des Fahrzeugs pro Sekunde und den Schlupfwert s (Vorderrad-Hinterrad-Verhältnis-1)
aus der Radgeschwindigkeit der vier Räder (Schritt S6) und führt eine
regressive Berechnung durch (Schritt S7). Zu diesem Zeitpunkt wird
bestimmt, ob die Fahrzeit T oder die Fahrstrecke D mit einer im
Voraus bestimmten Fahrzeit T0 oder Fahrstrecke d) identisch ist
(Schritt S4). Daten, die viele Fehler enthalten, werden beseitigt
(Schritt S5). Danach wird eine im Voraus festgelegte Anzahl von
Daten N gespeichert (Schritt S8). Dieser Prozess wiederholt sich,
bis die Anzahl von für
die Regression erforderlichen Daten DN erreicht oder überschritten
ist, wodurch eine anfängliche μ-s-Linie
erhalten werden kann, wie in 7 gezeigt
ist. Nach dem Einstellen der Fahrzeit T und/oder der Fahrstrecke
D auf 0 (Schritt 9) führt
das System eine lineare Regression dieser Daten durch, berechnet
die Steigung A und hält
dieselbe (Schritte S10 bis S12). Die Steigung dieses Beispiels war
A = 1,51662. Anschließend
wiederholt das System die obigen Schritte regelmäßig, indem es sich zur Messung
einer Steigung A' auf
die Fahrzeit oder die integrierte Fahrstrecke bezieht (Schritt 13).
In diesem Beispiel ist A' =
1,82066, wie in 8 gezeigt
ist, bei einem Verschleiß von
etwa 30%, wobei A'/A
= 1,20. Durch Vergleichen dieses Verhältnisses mit einer Schwelle
AL wird bestimmt, ob ein Alarm erzeugt wird (Schritt S14). Wenn
der Reifen jedoch gewechselt wurde und während der Messung der Steigung
A' eine Initialisierung
durchgeführt
wurde, führt
das System jedoch Operationen durch, um wieder eine anfängliche
Steigung A zu erhalten. Dann wird durch Berechnen eines Verhältnisses
A zu A' ein Alarm erzeugt,
wenn eine spezifizierte Schwelle überschritten worden ist, und
somit bestimmt, dass der Reifen abgenutzt ist.
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Wie bis jetzt erläutert wurde, können dadurch,
dass durch die vorliegende Erfindung der Verschleißzustand
eines Reifens bekannt ist, das Betriebsverhalten und Sicherheit
eines Fahrzeugs verbessert werden.
Tabelle 2
