WO2001060644A1 - System zur ermittlung des optimalen reifenluftdrucks - Google Patents
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Definitions
- the invention has for its object to dynamically determine the optimal tire air pressure for a particular driving style and type of use of a motor vehicle.
- the tire air pressure required for a certain type of motor vehicle has mostly been set using a table which has been determined in many test series by the vehicle manufacturer or tire manufacturer.
- This table usually contains information on loading, but does not take into account the individual driving style or, for example, the road conditions that occur in the usual area of use of the motor vehicle. Typical weather-related influences such as operating the vehicle in the high mountains are generally not taken into account in the table.
- the system constantly receives information about the current tire pressure as well as information from other chassis sensors.
- This is shown in drawing 1 as an example for a single wheel.
- the tire pressure can be continuously queried wirelessly by the evaluation unit, for example, such a system is described in patent DE 19702768 by the same inventor.
- the tire air temperature can also be transmitted as part of this transmission.
- the speedometer signal from sensor VS1 is also transmitted to evaluation unit R1 (computer with microcomputer).
- signals are also transmitted to the evaluation unit via the current spring travel.
- Characteristic maps are now stored in the memory of the microcomputer of the evaluation unit, which were determined on the basis of test series. With these maps and the equation of the general gas law, a time comparison of the measured temperature increase in the tire after the start of the journey with the leading pressure increase, also as a result of the temperature increase and the speed of travel, as well as their time derivation for determining the acceleration and braking processes, shows the extent to which the temperature increase in the tire results directly from the local heating of the tread or from the heating of the rim as a result of braking processes in particular and the radiation of the braking power onto the rims.
- the rim temperature To enable the rim temperature to be measured as directly as possible, the sensor is reasonably stuck to the rim, e.g. using a peel-off adhesive film.
- Another temperature channel is also conceivable, e.g. for the separate transmission of the rim temperature and the sensor-related tire air temperature in order to be able to control the heat flow and at the same time to be able to monitor the temperature-related pressure rise and thus the total air mass in the tire via the delayed temperature rise. If the air mass drops unexpectedly, a warning can be given very early.
- the flexing power determined in this way becomes fed into a mathematical chassis model together with the average driving speed, the top speed and the loading status, so that, for example, the load can be increased even earlier when the load is high.
- this model can suggest an increase in comfort by lowering the tire air pressure in the event of excessive spring shocks, which can result from the data supplied by the spring travel sensors and their first and second time derivatives.
- this model can also run through the consequences for driving behavior with various theoretical tire air pressure values and compare this against target values.
- a tire air pressure value close to the optimum can then be determined using the optimization methods known from mathematics and computer science, in particular gradient methods, evolutionary algorithms, dynamic optimization or neural networks.
- such a model can also be used on the other hand to replace the maps for determining the flexing performance and other parameters with a more precise solution.
- Correlation methods in particular cross-correlation and auto-correlations, can also be used, which in turn can also help to improve the model parameters, right up to. to a self-learning system that adapts to the typical type of use and driving style of this vehicle.
- predictor filters for predicting variables can also be used for this invention, here Wiener-Hopf and Kaiman filters and their dynamic adaptation by means of the autocorrelation functions are particularly suitable.
- the results from the chassis model are usefully subjected to statistical treatment, in particular averaging and checking the standard deviation, in order to suppress short-term outliers.
- the results can then be used to generate information and warning messages to the driver.
- This is symbolized in the drawing by the display D1, on which the setpoint and actual values of the tire air pressure are compared.
- the proposed tire air pressure should only be within a range of chassis-specific values, this restriction can easily be programmed using software.
- warning messages there are in particular notes on reducing the maximum speed in the event of an impending structural overload of the tire as a result of high flexing performance or excessive stress, in addition aquaplaning warnings for tires at the wear limit as well as changing instructions for the tires are conceivable.
- the expected remaining service life could be displayed and an indication given for a driving style that could reduce the tire life.
- the information from yaw rate and acceleration sensors can also be particularly advantageous for further detection of the cause of the warming of the tread, particularly in order to detect a drift of the vehicle transverse to the direction of travel.
- the outside air pressure as well as the outside temperature can be used to correct the measured values according to the gas law.
- it also makes sense to recognize operation of the vehicle in the high mountains based on the outside air pressure and to take it into account in the chassis model, in particular when the outside temperature is also low, for example by increasing the weighting of the traction.
- the measured values of the sensors are often available on a vehicle data bus, in particular CAN bus. Likewise, the proposed tire air pressure and any warning that may be present can be safely transmitted with the CAN bus for display on the dashboard (instrument panel).
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung oder ein System zur Ermittlung des Sollwerts des Reifenluftdrucks und des Reifenzustandes für ein Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug mit luft- oder gasgefüllten Roll- oder Laufrädern und mindestens einem Sensor (DS1) zur Bestimmung des Istwerts des Reifenluftdrucks und mindestens einem weiteren Sensor (TS1) zur Bestimmung von Fahrwerks- oder Umweltmesswerten und mindestens einer Auswerteeinheit (R1). Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reifenluftdrucksensor (DS1) ständig Messwerte an die Auswerteeinheit übermittelt, dass der weitere Sensor Messwerte liefert, welche sich den Messwerten des Reifenluftdrucksensors zeitlich zuordnen lassen, dass die Auswerteeinheit die beiden Messwerte miteinander vergleicht oder in ein Fahrwerksmodell einspeist, dass die Ergebnisse des Vergleichs oder die aus dem Fahrwerksmodell hergeleiteten Daten genutzt werden, um dem Fahrer einen Vorschlag für den für seine Nutzungsart und Fahrweise sinnvollen Reifenluftdruck oder Reifentyp zu machen oder Warnhinweise basierend auf den aktuellen Fahrwerksverhältnissen zu geben.
Description
System zur Ermittlung des optimalen Reifenluftdrucks
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den für eine bestimmte Fahrweise und Nutzungsart eines Kraftfahrzeugs optimalen Reifenluftdruck dynamisch zu bestimmen.
Bisher wird der für einen bestimmten Kraftfahrzeugtyp erforderliche Reifenluftdruck zumeist anhand einer Tabelle eingestellt, die in vielen Versuchsreihen vom Fahrzeughersteller oder Reifenhersteller ermittelt wurde. Diese Tabelle enthält üblicherweise Angaben zur Beladung, berücksichtigt aber weder die individuelle Fahrweise noch zum Beispiel die im üblichen Nutzungsbereich des Kraftfahrzeugs vorkommenden Straßenverhältnisse. Auch typische witterungsbedingte Einflüsse wie ein Betrieb des Fahrzeugs im Hochgebirge bleiben in der Tabelle im Allgemeinen unberücksichtigt.
Aus dem Rennsport ist jedoch bekannt, dass eine individuelle Anpassung des Reifenluftdrucks an die Strecke und die individuelle Fahrweise des Fahrers erhebliche Vorteile zum Beispiel in Hinblick auf das Traktionsverhalten oder das Bremsverhalten hat. Daneben bedeuten weichere Reifen einen erhöhten Abrollkomfort, der allerdings wieder zu Lasten des Verbrauchs geht.
Eine individuelle Ermittlung des für den jeweiligen Fahrstil und die übliche Nutzungsweise sinnvollen Reifenluftdrucks ist jedoch für den Normalfahrer nicht zumutbar. Eine automatische Ermittlung wäre daher ebenso wünschenswert wie auch Warnhinweise zum Reifenzustand oder Vorschläge zur Auswahl geeigneter Reifen oder zur Erneuerung dieser.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch das in Patentanspruch 1 beschriebene System gelöst, dessen Funktion im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird:
Das System erhält ständig Informationen über den aktuellen Reifenluftdruck sowie Informationen von weiteren Fahrwerkssensoren. In Zeichnung 1 ist dies beispielhaft für ein einzelnes Rad dargestellt. Der Reifendruck kann beispielsweise drahtlos kontinuierlich von der Auswerteeinheit abgefragt werden, ein solches System ist im Patent DE 19702768 desselben Erfinders beschrieben. Im Rahmen dieser Übertragung kann ebenfalls die Reifenlufttemperatur übertragen werden. In der
Zeichnung ist dies durch die drahtlos angebundenen Sensoren DS1 für den Reifenluftdruck und TS1 für die Reifenlufttemperatur sowie den gemeinsamen Empfänger E1 symbolisch dargestellt. Daneben wird beispielsweise das Tachosignal vom Sensor VS1 ebenfalls an die Auswerteeinheit R1 (Rechner mit Mikrocomputer) übermittelt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden zudem Signale über den aktuellen Federweg in die Auswerteeinheit übertragen.
Im Speicher des Mikrocomputers der Auswerteeinheit sind nun Kennfelder abgelegt, welche anhand von Versuchsreihen ermittelt wurden. Mit diesen Kennfeldern sowie der Gleichung des allgemeinen Gasgesetzes wird nun durch einen zeitlichen Vergleich der gemessenen Temperatursteigerung im Reifen nach Fahrtantritt mit der voreilenden Drucksteigerung ebenfalls infolge der Temperaturerhöhung und der Fahrtgeschwindigkeit sowie deren Zeitableitung zur Bestimmung der Beschleunigungs- und Bremsvorgänge abgelesen, inwieweit die Temperaturerhöhung im Reifen direkt durch die lokale Erwärmung der Lauffläche oder durch die Erwärmung der Felge infolge insbesondere von Bremsvorgängen und der Abstrahlung der Bremsleistung auf die Felgen resultiert. Da in beiden Fällen ein jeweils andere Wärmetransportmechanismus vorliegt, wird sich dies an einem unterschiedlichen Zeitverhalten,- insbesondere im Verhältnis der lokalen Temperaturmessung des Reifenluftdrucksensors an der' Felge im Vergleich zur indirekten Messung der Lufttemperatur im Reifen über das allgemeine.. Gasgesetz mittels des Reifenluftdrucks bemerkbar machen. Aus diesem Unterschied kann die' direkt in der Lauffläche erzeugte Walkleistung errechnet werden und bei zu hoher Walkleistung ein Hinweis zur Erhöhung des Luftdrucks gegeben werden.
Um eine möglichst direkte Messung der Felgentemperatur zu ermöglichen, wird der Sensor vernünftigerweise auf die Felge geklebt, z.B. mittels einer Abziehklebefolie. Denkbar ist auch ein weiterer Temperaturkanal, z.B. für die getrennte Übertragung der Felgentemperatur und der sensornahen Reifenlufttemperatur, um den Wärmefluss kontrollieren zu können und gleichzeitig über den verzögerten Temperaturanstieg eine Überwachung des temperaturbedingten Druckanstiegs und somit der insgesamt vorhandenen Luftmasse im Reifen durchführen zu können. Sollte die Luftmasse unerwartet abnehmen, so kann schon sehr frühzeitig eine Warnmeldung gegeben werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die so ermittelte Walkleistung
zusammen mit der mittleren Fahrgeschwindigkeit, der Spitzengeschwindigkeit und dem Beladungszustand in ein mathematisches Fahrwerksmodell eingespeist, um so zum Beispiel bei hoher Beladung den Hinweis zur Druckerhöhung noch frühzeitiger geben zu können. Umgekehrt kann dieses Modell bei zu heftigen Federschlägen, welche sich aus den von den Federwegsensoren gelieferten Daten und deren ersten und zweiten Zeitableitungen ergeben können, eine Komforterhöhung durch Absenkung des Reifenluftdrucks vorschlagen.
Dazu kann dieses Modell im Rahmen einer was-wäre-wenn-Optimierung auch mit verschiedenen theoretischen Reifenluftdruckwerten die Folgen für das Fahrverhalten durchspielen und dieses gegen Zielwerte vergleichen. Mittels der aus der Mathematik und Informatik bekannten Optimierungsmethoden, insbesondere Gradientenverfahren, evolutionären Algorithmen, dynamischer Optimierung oder neuronaler Netzwerke läßt sich dann ein Reifenluftdruckwert nahe dem Optimum ermitteln.
Natürlich kann ein solches Modell andererseits auch genutzt werden, um die Kennfelder zur Ermittlung der Walkleistung und anderer Parameter durch eine genauere Lösung zu ersetzen. Dabei können auch Korrelationsverfahren, insbesondere Kreuz- und Autokorrelationen zum, Einsatz kommen, welche wiederum auch die Modellparameter verbessern helfen können, bis hin. zu einem selbstlernenden System, welches sich an die typische Nutzungsart und Fahrweise dieses Fahrzeugs anpasst.
Zusammen mit den Korrelationsverfahren können für diese Erfindung auch bevorzugt Prädiktor- filter zur Vorhersage von Größen verwendet werden, hier sind als Basis Wiener-Hopf und Kaiman-Filter sowie deren dynamische Anpassung mittels der Autokorrelationsfunktionen besonders gut geeignet.
Die aus dem Fahrwerksmodell resultierenden Ergebnisse werden sinnvollerweise noch einer statistischen Behandlung, insbesondere Mittelwertbildung und Kontrolle der Standardabweichung unterzogen, um kurzzeitige Ausreißer zu unterdrücken. Danach können die Ergebnisse zur Generierung von Hinweisen und Warnmeldungen an den Fahrer genutzt werden, in der Zeichnung ist dies durch das Display Dl symbolisiert, auf dem gleichzeitig der Soll- und der Istwert des Reifenluftdrucks gegenübergestellt werden. Dabei sollte sich der vorgeschlagene Reifenluftdruck nur innerhalb eines fahrwerkspezifischen Wertebereichs bewegen, diese Einschränkung kann leicht mittels Software programmiert werden.
Als Warnmeldungen bieten sich insbesondere Hinweise zur Reduzierung der Höchstgeschwindigkeit bei drohender Strukturüberlastung des Reifens infolge hoher Walkleistung oder übermäßiger Belastung an, daneben sind Aquaplaningwamungen bei an der Verschleißgrenze befindlichen Reifen sowie Wechselhinweise zu den Reifen denkbar. Ebenso könnte die erwartete Restlebensdauer angezeigt werden und ein Hinweis bei einer Fahrweise gegeben werden, die die Gefahr einer Verringerung der Reifenlebensdauer birgt.
Dazu kann auch die Information von Gierraten- und Beschleunigungssensoren zur weiteren Erkennung der Ursache der Erwärmung der Lauffläche besonders vorteilhaft sein, besonders um ein Driften des Fahrzeugs quer zur Laufrichtung zu erkennen. Der Außenluftdruck kann dabei ebenso wie die Außentemperatur zur Korrektur der gemessenen Größen nach dem Gasgesetz herangezogen werden. Daneben bietet sich auch an, einen Betrieb des Fahrzeugs im Hochgebirge ebenfalls anhand des Außenluftdrucks zu erkennen und im Fahrwerksmodell, insbesondere bei zudem niedriger Außentemperatur, beispielsweise durch höhere Gewichtung der Traktion zu berücksichtigen.
Die Messwerte der Sensoren stehen häufig auf einem Fahrzeugdatenbus, insbesondere CAN-Bus zur Verfügung, ebenso kann der vorgeschlagene Reifenluftdruck und ein eventuell vorliegender Warnhinweis mit dem CAN-Bus zur Anzeige auf dem Armaturenbrett (Instrumententräger) sicher übermittelt werden.
Claims
1 . Vorrichtung oder System zur Ermittlung des Sollwerts des Reifenluftdrucks und des Reifenzustandes für ein Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug mit luft- oder gasgefüllten Rolloder Laufrädern und mindestens einem Sensor zur Bestimmung des Istwerts des Reifenluftdrucks und mindestens einem weiteren Sensor zur Bestimmung von Fahrwerks- oder Umweltmesswerten und mindestens einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Bordcomputer, dadurch g e k e n n z e i c h n e , dass (1) der Reifenluftdrucksensor ständig Messweite an die Auswerteeinheit übermittelt, dass (2) der weitere Sensor Messwerte liefert, welche sich den Messwerten des Reifenluftdrucksensors zeitlich zuordnen lassen, dass (3) die Auswerteeinheit die beiden Messwerte miteinander vergleicht, insbesondere durch Korrelation oder Kennfelder, oder in ein Fahrwerksmodell einspeist, dass (4) die Ergebnisse des Vergleichs oder die aus dem Fahrwerksmodell hergeleiteten Daten genutzt werden, um dem Fahrer einen Vorschlag für den für seine Nutzungsart und Fahrweise sinnvollen Reifenluftdruck oder Reifentyp zu machen oder Warnhinweise basierend auf den aktuellen Fahrwerksverhältnissen zu geben, besonders zur angemessenen Fahrweise oder zu Wartungsmaßnahmen, insbesondere zur Reduzierung der Höchstgeschwindigkeit bei drohender Strukturüberlastung der Reifen oder drohendem Aquaplaning bei schlechtem Reifenzustand.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die resultierenden Istwerte abgeleiteter Parameter aus dem Fahrwerksmodell, insbesondere Walkleistungen, Traktionswerte oder Verbrauchsschätzungen, rechnerisch gegen Zielwerte verglichen werden und mittels Simulation mit modifizierten Eingangswerten eine Optimierung der simulierten Eingangswerte zum aktuellen Fahrwerksmodell vorgenommen wird und dass diese optimierten möglichen Eingangswerte, insbesondere der angestrebte Reifen luftd ruck, dem Fahrer präsentiert oder für weitere Regelsysteme bereitgestellt werden.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksmodell unter Verwendung der Istwerte des Reifenluftdrucksensors und der Istwerte des oder der weiteren Sensoren an die tatsächlichen Gegebenheiten ständig angepasst wird, indem die vom Modell vorhergesagten Messwerte für den oder die weiteren Sensoren gegen dessen Istwert verglichen werden und das Modell so angepasst wird, dass der Istwert mit dem berechneten Wert möglichst gut übereinstimmt.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung des Fahrwerksmodells mittels eines Gradientenverfahrens, eines evolutionären Algorithmus, mittels dynamischer Optimierung oder eines künstlichen neuronalen Netzes vorgenommen wird, wobei diese Verfahren auch in ihrer selbstlernenden Form genutzt werden können.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksmodell unter Nutzung eines Prädiktionsfilters, insbesondere für die Berechnung der nur mit Verzögerung messbaren Lufttemperatur im Reifen, gebildet wird, wobei der Filter im Rahmen eines Lernvorganges dynamisch an die erhaltenen Messwerte angepasst wird, indem die vorhergesagten mit den tatsächlichen Messwerten verglichen werden. Die dynamische Anpassung des Prädiktionsfilters kann hierbei inbesondere durch die Verwendung von Autokorrelationsfunktionen der Messwerte in einem linearen Gleichungssystem angepasst werden. Als Filter sind parametrisierbare Wiener-Hopf-Filter oder Kaiman-Filter besonders gut geeignet.
6. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeschlagene Reifenluftdruck durch Anwendung statistischer Funktionen, insbesondere Mittelwertbildung und Standardabweichung und lineare Regression, auf die Vergleichsergebnisse oder Fahrwerksmodellparameter berechnet wird, wobei auch zusätzliche Werte aus Erfahrungswerttabellen oder Kennfeldern in diese Berechnung einfließen können.
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des vorliegenden Reifendruckistwerts und weiterer Istwerte, insbesondere Fahrgeschwindigkeit und Beladungszustand, anhand des Fahrwerksmodells für das Fahrverhalten und die Reifenlebensdauer wesentliche Parameter, insbesondere die Walkleistung pro Reifen, berechnet werden und bei einer deutlichen Verschlechterung dieser Parameter dem Fahrer vorzeitig eine Warnmeldung gegeben wird, insbesondere dann, wenn durch die Fortrechnung der Messwerte Anlass zur Besorgnis besteht, dass ein Reifenschaden in naher Zukunft eintreten könnte oder die Reifenlebensdauer deutlich verkürzt werden könnte.
8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei deutlichen Abweichungen des berechneten Reifendrucksollwerts vom Istwert oder bei zeitlich schnellen Abweichungen des Sollwerts vom Istwert dem Fahrer vorzeitig eine Warnmeldung gegeben wird, insbesondere dann, wenn durch die Fortrechnung der Messwerte Anlass zur Besorgnis besteht, dass ein Reifenschaden in naher Zukunft eintreten könnte.
9. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Temperatursensor für die Reifenlufttemperatur, Felgentemperatur oder Umgebungstemperatur ist.
10. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Geschwindigkeitssensor für die Fahrgeschwindigkeit ist.
11. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Wegsensor für den Stoßdämpferweg oder Fahrwerk- schwingungsdämpferweg oder Federweg oder Gasfederdruck ist, aus dem insbesondere der aktuelle Beladungszustand oder Informationen über den Grad der Schlagdämpfung durch den Reifen abgeleitet werden können.
12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Beschleunigungssensor für lineare Momente oder Drehmomente ist.
13. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Sensor für den Umgebungsluftdruck ist.
14. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der Sensoren über ein Bussystem für die Auswerteeinheit bereitgestellt werden und somit auch von anderen Fahrzeugsystemen genutzt werden können.
15. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Auswerteeinheit errechneten Werte auch an andere Fahrzeugsysteme übermittelt werden, insbesondere über ein Bussystem.
16. System nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwicklung der Lufttemperatur im Reifen anhand des steigenden Luftdrucks im Reifen und der bisher gemessenen Temperatur unter Ausnutzung des allgemeinen Gasgesetzes vorhergesagt wird, wobei diese Berechnung einerseits zusätzlich anhand der Fahrgeschwindigkeit und deren Ableitung nach der Zeit zur Berechnung der Walkleistung in der Lauffläche und der von den Bremsscheiben abgestrahlten Wärmeleistung korrigiert werden kann und andererseits die Lufttemperatur mit diesen Parametern in einem Fahrwerksmodell auch in Zusammenhang gestellt werden kann.
1 . System nach Anspruch 1 oder Ansprüchen 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen dieses Systems, insbesondere die Berechnungs- und Vergleichsfunktionen, ganz oder teilweise unter Verwendung eines Mikrocomputers, Mikrocontrollers oder Signal prozessors in Software realisiert werden.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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AK | Designated states |
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AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
122 | Ep: pct application non-entry in european phase | ||
NENP | Non-entry into the national phase |
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