WO2003031990A1 - Vorrichtung zur kombinierten erfassung der achsbeschleunigung und der raddrehzahl sowie druckbestimmungsverfahren - Google Patents

Vorrichtung zur kombinierten erfassung der achsbeschleunigung und der raddrehzahl sowie druckbestimmungsverfahren Download PDF

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Peter Lohberg
Martin Griesser
Helmut Fennel
Alfons Doerr
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
Continental Ag
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    • B60G2800/91—Suspension Control
    • B60G2800/916—Body Vibration Control

Definitions

  • wheel speed sensor modules for precise detection of the wheel speed information, high-quality wheel speed sensor modules in chip technology are also required, as described, for example, in German patent application P 44 45 120 or in DE-A-199 22 672.
  • the described wheel speed sensor modules consist of a magnetized encoder rotating with the wheel, which is scanned by an active magnetic sensor element.
  • the recorded wheel speed information is forwarded via a current interface to an integrated brake control device which is suitable for ABS, ESP and the DDS described above.
  • the additional axis acceleration data can be used to improve DDS.
  • the data of the DDS system and the axis frequency analysis are not directly correlated to one another.
  • the functional dependencies of the DDS and axle frequency data on speed, wheel load, cornering etc. are clearly different.
  • the associated higher information width thus also leads to an overall higher level of safety in the tire pressure control warning.
  • problematic driving conditions can be reliably identified, for example, for speed-based pressure loss detection, for example if tire wear is present or if the motor vehicle is operated on roads with excessive bumps.
  • a DDS method known per se is expanded in that the vibration behavior of the wheels is observed and stored over a longer period of time, it being possible to reduce the storage space requirement by data compression or data filtering.

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Abstract

Der Druck in einem Kraftfahrzeugreifen kann mit Hilfe einer radunabhängigen' Vorrichtung (1) bestimmt werden, die mechanisch weitgehend starr an einem mit dem Kraftfahrzeugrad (4) mitschwingenden Element (2) des Kraftfahrzeugchassis (3, 14) verbunden ist. Zur Bestimmung des - vorzugsweise absoluten - Reifendrucks durch kombinierte Auswertung von Raddrehzahlinformationen und Achsfrequenzanalyse weist die Vorrichtung (1) ein Si-gnalvorverarbeitungsbauelement (6) mit elektronischen Bauelementen für die Sensorsignalverarbeitung auf, welches mit einem Magnetsensorelement (7) und einem Beschleunigungssensorelement (8) oder einem kombinierten Magnet-/Beschleunigungssensorelement (5) mittels elektrisch leitender Elementverbindung (9) verbunden ist, wobei das Magnetsensorelement (7) bzw. das Magnet-/Beschleunigungssensorelement (5) mit einem radseitigen magnetischen Encoder (16) in Wirkverbindung steht. Zur Verbesserung der Kenngrößenermittlung wird vorzugsweise das Schwingungsverhalten mindestens zweier Räder (4) analysiert.

Description

Vorrichtung zur kombinierten Erfassung der Achsbeschleunigung und der Raddrehzahl sowie Druc bestiπrungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 6.
Es sind bereits Verfahren zur Reifendrucküberwachung bzw. ReifendruckbeStimmung z.B. aus der DE-A-197 21 480 bekannt geworden, welche einen Reifendruckverlust durch Auswertung des längerfristigen Laufverhaltens der einzelnen Kraftfahrzeugräder ohne Zuhilfenahme von Drucksensoren berechnen können. Entsprechende Verfahren werden beispielsweise unter der Bezeichnung ,,DDS" (Deflation Detection System) in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Aufgrund des indirekten Messverfahrens, welches im wesentlichen auf der Auswertung von Raddrehzahlinformationen beruht, muss ein DDS-Verfahren Störeinflüsse auf die Reifendrehzahl, welche durch Kurvenfahrt, Beschleunigung, Abbremsen, Reifenwechsel etc. entstehen, möglichst sicher erkennen und die gewonnen Raddrehzahldaten zur Beseitigung der Einflüsse dieser Größen korrigieren.
Die Qualität der Druckverlusterkennung hängt nun unter anderem davon ab, wie genau sich spezifische Fahrzustände erkennen lassen. Zur Verbesserung der Druckverlusterkennung ur- den daher bereits Schwingungen der Radachse durch Beschleunigungsaufnehmer erfasst und verarbeitet .
Aus der DE 38 09 886 ist ein Raddrehzahlsensor bekannt, welcher neben einem Raddrehzahlsensor auch einen Beschleunigungssensor umfasst . Die beschriebenen Sensoranordnungen sind jedoch aufwendig in der Herstellung und baurauminten- siv.
Zur präzisen Erfassung der Raddrehzahlinformation werden außerdem hochwertige Raddrehzahlsensormodule in Chiptechnologie benötigt, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 44 45 120 oder in der DE-A-199 22 672 beschrieben sind. Die beschriebenen Raddrehzahlsensormodule bestehen aus einem mit dem Rad rotierenden magnetisierten Encoder, welcher durch ein aktives magnetisches Sensorelement abgetastet wird. Die erfasste RaddrehzahlInformation wird über eine Stromschnittstelle an ein integriertes Bremssteuergerät, welches für ABS, ESP und das weiter oben beschriebene DDS geeignet ist, weitergeleitet.
Andererseits besteht der Bedarf, das Fahrverhalten und den Fahrkomfort durch aktiv geregelte RaddämpferSysteme zu verbessern. Für diese aktiv geregelten Dämpfersysteme sind Beschleunigungssensoren im Bereich der Radachse notwendig. Auf der Basis der von solchen Achsbeschleunigungssensoren aufgenommenen AchsSchwingungen kann eine Achsfrequenzanalyse durchgeführt werden.
Die Aufgabe .der vorliegenden Erfindung besteht in einer Bestimmung des - vorzugsweise absoluten - Reifendrucks durch kombinierte Auswertung von Raddrehzahlinformationen und Achsfrequenzanalyse. Hierfür soll eine integrierte Radmodulsensoreinheit angegeben werden, welche Beschleunigungsaufnehmer und Raddrehzahlsensor miteinander zu einem aufeinander abgestimmten Gesamtmodul verknüpft.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtungen nach Ansprüchen 1 und 2 sowie die Verfahren nach Ansprüchen 6 und 7.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein „radunabhängiges" Reifendruckanzeigesystem auf der Basis des bekannten rad- drehzahlbasierten „DDS" gegeben.
Aus den reinen Drehzahlinformationen gemäß DDS können lediglich die Druckdifferenzen des Reifenfülldrucks jeweils zweier Räder angezeigt werden.
Mit Hilfe einer ergänzend durchgeführten Achsfrequenzanalyse werden die zusätzlichen Informationen gewonnen, die für eine genaue und absolute „radunabhängige" Reifendruckanzeige erforderlich sind.
Wird die Achsfrequenzanalyse lediglich an einem Fahrzeugrad durchgeführt, so ist für eine Bestimmung des absoluten Luftdrucks die Eingabe spezifischer Reifenparameter erforderlich.
Bei Durchführung einer Achsfrequenzanalyse an mindestens zwei Fahrzeugrädern können die für eine absolute Reifendruckbestimmung notwendigen Parameter direkt durch die kombinierte Auswertung von DDS- und Achsfrequenzdaten ermittelt werden. D. h. : Erfindungsgemäß werden absolute Reifendruckwerte bestimmt, ohne dass batteriebetriebene Sensormodule in die Räder eingebaut werden müssen.
Da der Bereich relevanter Reifeneigenfrequenzen hinreichend gut bekannt ist, muss für die Achsfrequenzanalyse nicht eine komplette Fourieranalyse durchgeführt werden. Es reicht vollkommen, wenn gezielt nur einzelne Fourierkomponenten der Achsschwingung analysiert werden. Dadurch kann der Rechenaufwand für die Achsfrequenzanalyse auf ein technisch vertretbares Maß gedrückt werden.
Die Bestimmung der Reifeneigenschaften durch Beschleunigungssensoren auf der Radachse hat den Vorteil, dass nur ganz bestimmte Eigenbewegungen des Reifens auf die Radachse transferiert werden. Durch diesen Filtereffekt wird die Frequenzanalyse wesentlich vereinfacht.
Nach der Erfindung werden Raddrehzahlsensor und Beschleunigungsaufnehmer gemeinsam, vorzugsweise in einer gemeinsamen Vorrichtung kombiniert, mit der Radachse mechanisch steif verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Kraftfahrzeugen, welche auch Nutzfahrzeuge und Personenkraftfahrzeuge umfassen, eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet unter anderem den Vorteil, dass eine gemeinsame Nutzung der Schnittstelle und der erforderlichen Stromversorgung bei gleichzeitiger kostengünstiger Herstellung möglich wird. Zudem wird die Zu- verlässigkeit des Gesamtsystems durch die Integration in ein gemeinsames, gegen Umwelteinflüsse abgedichtetes Gehäuse erhöht.
Weiterhin kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein integriertes Regelsystem innerhalb des integrierten Bremsensteuergerätes realisiert werden, welches die bereits auf an sich bekannte Weise durchgeführten Funktionen DDS, ABS, EPS usw. mit einer Fahrwerksregelung kombiniert in einem gemeinsamen elektronischen Steuergerät durchführt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren.
Es ergeben sich weiterhin Vorteile im Hinblick auf ein eingesetztes DDS-Verfahren, da die zusätzlich vorhandenen Achsbeschleunigungsdaten zur Verbesserung von DDS verwendet werden können. Die Daten des DDS-Systems und der Achsfrequenzanalyse sind nicht direkt zueinander korreliert. Des weiteren sind die funktionalen Abhängigkeiten der DDS- und Achsfrequenzdaten von Geschwindigkeit, Radlast, Kurvenfahrt usw. deutlich verschieden. Die damit verbundene höhere Informationsbreite führt somit auch zu einer insgesamt höheren Sicherheit in der Reifendruckkontrollwarnung. Im Prinzip sind so zum Beispiel für die drehzahlbasierende Druckverlusterkennung problematische Fahrzustände zuverlässig erkennbar, zum Beispiel wenn ein Reifenverschleiß vorliegt oder wenn das Kraftfahrzeug auf Fahrbahnen mit übermäßigen Unebenheiten betrieben wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein an sich bekanntes DDS-Verfahren dadurch erweitert, dass das Schwingungsverhalten der Räder jeweils über einen längeren Zeitraum hinweg beobachtet und gespeichert wird, wobei es möglich ist, durch Datenkompression oder Datenfilterung den Speicherplatzbedarf zu verringern.
Es zeigen
Fig. 1 ein Beispiel für die Montage einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem schwingenden Element und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Fig. 1 stellt schematisch eine mit der Fahrzeugkarosserie 14 über ein Federelement 15 verbundene Radaufhängung 3 dar, an der ein Rad 4 bestehend aus Reifen, Felge und Radlager 18 schwingungsfähig verbunden ist. Mit der Radaufhängung 3 ist mechanisch starr über ein Befestigungselement 2 ein Kombinationssensor 1 befestigt, welcher ein Magnetsensorelement 7 und einen Beschleunigungssensor 8 beinhaltet. Als Beschleunigungssensor 8 sind beispielsweise an sich bekannte mikromechanische Sensoren einsetzbar, welche zum Beispiel in ein Silizium-Substrat geätzt sind. Bei Verwendung von mikromechanischen Beschleunigungssensoren ist es möglich und bevorzugt, den Beschleunigungssensor in den Chip der Signalvorverarbeitung zu integrieren. Mit „16" ist ein mit dem Rad 4 mitdrehender Encoder bezeichnet.
Fig. 2 stellt ebenfalls schematisch eine sensorische Anordnung aus einem magnetisierten, mit dem Rad 4 mitdrehenden Encoder 16 dar, welcher magnetisch über einen Luftspalt an das Kombinationssensorelement 1 angekoppelt ist. Das Magnetsensorelement 7 erfasst das Magnetfeld des Encoders 16 über eine magnetoresistive Brückenschaltung. Die elektrischen Signale des Magnetsensorelements 7 werden einer elektronischen Aufbereitungsschaltung in einem separat gehäusten Chipelement 6 zugeführt. Analog werden der Aufbereitungsschaltung zusätzlich elektrische Signale eines Beschleunigungssensorelementes 8 zugeführt. Die durch die Aufbereitungsschaltung verarbeiteten Sensorsignale werden dann über elektrische Leitungen 17 einem elektronischen Bremsensteuergerät (ECU) 13 zugeführt. In der Regel ist jedes Kraftfahrzeugrad 4 mit einem Sensor 1 gemäß Fig. 2a ausgerüstet. Die Signalleitungen der weiteren Sensorelemente, welche an das Steuergerät 13 geführt werden-, sind nicht gezeichnet. Die Schnittstelle zwischen Sensorelement 1 und ECU 13 ist bevorzugt eine Stromschnittstelle, mit zwei oder drei Drähten, wobei die Sensorsignale codiert übertragen werden, vorzugsweise mittels impulsförmiger Signale. In Teilbild b) ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Beschleunigungssensor 8 zum Zwecke der Bauraumersparnis zu Bildung eines sandwich- förmigen Blocks an der elektrischen Verbindung 9' zwischen Beschleunigungssensorelement 8 und Signalaufbereitungselement 6 umgebogen ist. Bezugszeichenliste
1 Kombinationssensor, Sensor
2 Befestigungselement
3 Radaufhängung
4 Rad
5 kombinierter Magnet-/Beschleunigungssensor
6 Chipelement, Signalverarbeitungsbauelement
7 Magnetsensorelement, Raddrehzahlsensor
8 Beschleunigungssensor, Beschleunigungselement 9, 9' elektrische Verbindung (zwischen 6 und 8)
10 Leadframe
11 Chipgehäuse
12 Einbettungsmasse
13 Bremsensteuergerät (ECU) , Steuergerät
14 Fahrzeugkarosserie
15 Federelement
16 (magnetischer) Encoder
17 elektrische Leitungen
18 Radlager

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur kombinierten Erfassung der Achsbeschleunigung und der Raddrehzahl, wobei die Vorrichtung (1) mechanisch an einem mit jeweils einem Kraftfahrzeugrad (4) mitschwingenden Element (2) des Kraftfahrzeugchassis (3, 14) verbindbar ist, gekennzeichnet durch, ein Signalvorverarbeitungsbauelement (6) mit elektronischen Bauelementen für die Sensorsignalvorverarbeitung, welches mit einem Magnetsensorelement (7) und einem Beschleunigungs- sensorelement (8) oder einem kombinierten Magnet- /Beschleunigungssensorelement (5) mittels elektrisch leitender Elementverbindungen (9) verbunden ist, und wobei das Magnetsensorelement (7) bzw. das Magnet-/Beschleunigungssensorelement (5) mit einem radseitigen magnetischen Encoder (16) in Wirkverbindung steht.
2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Signalvorverarbeitungsbauelement (6) mit elektronischen Bauelementen für die Sensorsignalvorverarbeitung umfasst, welches mit einem Magnetsensorelement (7) mittels elektrisch leitender Elementverbindungen (9) verbunden ist, wobei ein Beschleunigungssensor (8) auf dem gleichen Chip des Signalvorverarbeitungselements (6) integriert ist oder im Gehäuse des Signalvorverarbeitungselements (6) angeordnet ist, und wobei das Magnetsensorelement (7) bzw. das Magnet-/Beschleunigungssensorelement (5) mit einem radseitigen magnetischen Encoder (16) in Wirkverbindung steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass Signalvorverarbeitungsbauelement (6) , Magnetsensorelement (7) und Beschleunigungssensorelement (8) in einem Chipgehäuse (11) angeordnet sind, wobei dieses Chipgehäuse (11) von einer gemeinsamen Einbettungsmasse (12) zum Schutz vor
Umwelteinflüssen umgeben ist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementverbindungen (9) Bestandteil eines gemeinsamen Leadframes (10) sind.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigungssensorelement (8) und das Signalvor- verarbeitungsbauelement (6) in einer Sandwichbauweise angeordnet sind, wobei die Elementverbindungen (9') zwischen Be- schleunigungssensorelement (8) und Signalvorverarbeitungs- bauelement (6) einen gekrümmten Verlauf haben.
6. Verfahren zur Bestimmung des Drucks in einem Kraftfahrzeugreifen mittels eines raddrehzahlbasierenden Verfahrens, welches durch Auswertung von Raddrehzahlinformationen von mehreren Raddrehzahlsensoren und Bilden von Verhältnisgrößen zwischen Raddrehzahlinformationen unterschiedlicher Radpaarungen unter Hinzuziehung von Informationen über den aktuellen Fahrzustand den Reifendruckverlust abschätzt (DDS) , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Informationen über das Schwingungsverhalten mindestens eines der Räder (4), welches mittels eines Beschleunigungsaufnehmers (8) aufgenommen wird, unter Zuhilfenahme spezifischer Reifenparameter zur Verbesserung der Kenngrößenermittlung ausnutzt.
7. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Informationen über das Schwingungsverhalten mindestens zweier Räder (4), welches jeweils mittels eines Beschleunigungsaufnehmers (8) aufgenommen wird, zur Verbesserung der Kenngrößenermittlung ausnutzt, wobei die zur Bestimmung der jeweiligen absoluten Reifendrücke und des Reifentyps notwendigen Parameter direkt durch eine verknüpfte Auswertung der- Daten von der raddrehzahlbasierenden Druckverlusterkennung und der Daten aus der Achsfrequenzanalyse ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass für die an mindestens zwei Rädern (4) durchzuführende Achsfrequenzanalyse Räder (4) verschiedener Achsen ausgewählt werden, wobei die Räder (4) unterschiedliche Dimensionen aufweisen können.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsaufnehmer (8) und die Raddrehzahl- sensoren (7) durch eine Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Radradienverhältnisse durch Auswertung von Raddrehzahlsensorsignalen bestimmt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifendrücke durch Auswertung der Raddrehzahlinformationen aller Radpositionen und der Achsschwingungen an mindestens zwei Radpositionen bestimmt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Achsfrequenzanalyse eine Vorselektion in der Weise vorgenommen wird, dass die Achsschwingung unterdrückt wird und lediglich der Frequenzbereich der Reifeneigenschwingung (Pendelschwingung) aus dem jeweiligen Spektren herausgefiltert wird, welche Druck- und Reifentypabhängig ist .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngrößen relative Reifendruckwerte sind und die verbesserte Ermittlung darin besteht, dass die relativen Reifendruckwerte durch absolute Reifendruckwerte, welche mit einer bestimmten Unsicherheit behaftet sind, ersetzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflüsse von Radlast und/oder Geschwindigkeit auf die Eigenfrequenz der Pendelschwingung kalkulatorisch berücksichtigt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Geschwindigkeitsänderungen und unterschiedliche Brems- und Antriebsverteilungen hervorgerufenen Reifendruckschwankungen zur Ermittlung reifenspezifischer Kenngrößen ausgenützt werden.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines "Reset-Knopfes" am Steuergerät ein vordefinierter Luftdruck für einen Reifen eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Reifendruck radindividuell ermittelt wird und zur Anzeige auf einer im Fahrzeuginnenraum angeordneten Anzeigeeinrichtung gebracht wird.
18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem integrierten Bremsensteuergerät (13) durch eine digitale Recheneinheit durchgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der genaue Wert des Reifendrucks durch eine statistische Mittelwertbildung mehrerer Radradien- und Achsfrequenzinformationen gewonnen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die reifenspezifischen Kenngrößen durch Abgleich der DDS- und Achsfrequenzanalyse-Daten betriebsbedingte Änderungen der Reifen infolge Abrieb, Alterungserscheinungen usw. fortlaufend korrigiert werden.
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