WO2005005174A1 - Verfahren zur ermittlung des innendrucks eines fahrzeugreifens - Google Patents

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WO2005005174A1
WO2005005174A1 PCT/EP2004/051403 EP2004051403W WO2005005174A1 WO 2005005174 A1 WO2005005174 A1 WO 2005005174A1 EP 2004051403 W EP2004051403 W EP 2004051403W WO 2005005174 A1 WO2005005174 A1 WO 2005005174A1
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tire
frequency
determining
wheel
resonance frequency
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PCT/EP2004/051403
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Andreas Köbe
Holger Behrends
Lennert Gootjes
Joachim Kohn
Ines Runge
Stefan Kluge
Alfred Duchow
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/06—Signalling devices actuated by deformation of the tyre, e.g. tyre mounted deformation sensors or indirect determination of tyre deformation based on wheel speed, wheel-centre to ground distance or inclination of wheel axle
    • B60C23/061—Signalling devices actuated by deformation of the tyre, e.g. tyre mounted deformation sensors or indirect determination of tyre deformation based on wheel speed, wheel-centre to ground distance or inclination of wheel axle by monitoring wheel speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/06—Signalling devices actuated by deformation of the tyre, e.g. tyre mounted deformation sensors or indirect determination of tyre deformation based on wheel speed, wheel-centre to ground distance or inclination of wheel axle
    • B60C23/061—Signalling devices actuated by deformation of the tyre, e.g. tyre mounted deformation sensors or indirect determination of tyre deformation based on wheel speed, wheel-centre to ground distance or inclination of wheel axle by monitoring wheel speed
    • B60C23/062—Frequency spectrum analysis of wheel speed signals, e.g. using Fourier transformation

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the internal pressure, in particular the low pressure, of the tire of a motor vehicle in driving operation by analyzing the natural vibration behavior of the wheel.
  • the normalized amplitude is determined from the determined vibration spectrum and the amplitude maxima of the resonance frequency are observed.
  • DE 101 57 858 AI discloses a method for determining the tire air pressure from vehicle operation at low and high speeds, which is provided independently of various elements attached to the vehicle. This method is based on a resonance frequency that was extracted on the basis of a wheel speed signal that was output via a speed sensor assigned to each wheel. The determination of the tire air pressure is also based on a dynamic load radius, which was derived on the basis of the wheel speed signal.
  • the strength and frequency of the tire vibrations that occur during rolling are heavily dependent on the internal pressure of the tire, which determines both the rigidity and the damping of the wheel. These properties also determine with what intensity and frequency the rim is excited to torsional vibrations.
  • the wheel's torsional vibrations can be measured with an ABS speed sensor, for example.
  • the tires To operate a motor vehicle as economically as possible and to achieve high durability, the tires must be filled with a predetermined air pressure. Due to diffusion losses and sealing losses in the tire, the air pressure drops steadily. The resulting leakage rates are unavoidable and are typically in the range of a few 100 mbar per year. The tire pressure must therefore be checked regularly. However, the average driver tends not to pay attention to tire pressure, or at least not to give adequate attention. For this reason, motor vehicles are increasingly being equipped with tire pressure monitoring systems which continuously monitor the air pressure in the tire and issue a warning message to the driver if the tire pressure drops below a predetermined minimum pressure.
  • Direct measuring systems are known in which there is a sensor in the pressure chamber of the vehicle wheel that measures the pressure.
  • the measuring system reading the determined tire pressure is usually supplied by a battery and transmits its measurement data over a radio link.
  • a disadvantage of this system is not only the functionality depending on the battery life but also the imbalance of up to 20 g on the rim caused by the sensor and the power supply.
  • Indirectly measuring systems take advantage of the change in the rolling circumference of a wheel when the air pressure in the tire changes.
  • the change in the rolling circumference is via the ABS sensors are determined, which detect all wheels of a vehicle at the same time and evaluate the corresponding data.
  • the fundamental disadvantage of these systems is that an almost identical pressure loss in all tires, as is mandatory due to the leakage losses, cannot be recognized.
  • JP 5-133 831 discloses a device for determining the internal pressure of a vehicle tire.
  • the resonance frequency of the tire is determined by a frequency analysis, which is carried out in relation to a speed signal of the wheel including the oscillation frequency of the tire.
  • the current pressure is determined from the determined resonance frequency.
  • the resonance frequency used to determine the air pressure is in the range of 30 - 50 Hz. This range is sufficient if the vehicle is in the lower or middle speed range. If the vehicle speed increases, the vibration behavior of a tire is difficult to assess. As a result, the spectrum of the resonance frequency drops and thus deteriorates the meaningfulness of the tire pressure.
  • JP 8-219 920 describes a device with which a plurality of resonance frequencies are determined from a number of frequency ranges, for example a range from 30-50 Hz and a range from 60-90 Hz.
  • the invention is based on the object of specifying methods with which the resonance frequency determined, for example, according to US Pat. No. 6,385,553 can be evaluated in order to recognize whether the inner tire pressure of any wheel of the vehicle drops below a predetermined value in order to give the driver a corresponding warning signal ,
  • the ratio of the slopes to the left and right of the maximum is determined.
  • the frequency range is preferably between 20-60 Hz and 70-110 Hz.
  • the ratio of the slopes is in the range from -0.25 to -4.
  • cutoff frequencies f-nis fG2 is the maxima during driving
  • This method takes advantage of the phenomenon that the xdB cut-off frequencies of the maxima move towards higher frequencies with increasing air pressure.
  • the current tire air pressure can then be determined from the dependency.
  • This method can also be carried out individually for each wheel, it not being necessary to correlate the wheels with one another.
  • the normalized amplitude is used to determine the air pressure.
  • a fourth generic method is characterized by the following steps according to the invention: a) determining and recording the frequency spectrum of the wheel with a predetermined target pressure and determining the approximate position of the resonance frequency, b) transforming the differential equations describing the vibration behavior of the wheel
  • J F ⁇ ( ⁇ j> - ⁇ ) c s + ( ⁇ - ⁇ ) d s
  • J B ⁇ - ( ⁇ - ⁇ ) c s - ( ⁇ - ⁇ ) d s + F t r using Laplace or Fourier transformation .
  • the tire pressure can also be determined directly from characteristic maps p (c s , d s ) in a fifth generic method. It is characterized by the following four steps according to the invention that go beyond methods:
  • the natural frequency of the rim torsional vibration is determined from the rim speed and the air pressure within the tire is calculated via the natural frequency of the rim torsional vibration. This makes it possible to save sensors for determining the vertical wheel movement and to determine the air pressure within the pneumatic tire solely on the basis of the rotation of the tire or rim.
  • the natural frequency of the rim torsional vibration is pressure-dependent, so that the air pressure inside the tire can be calculated by determining the natural frequency.
  • the tire air pressure is advantageously calculated by comparing the determined natural frequency with previously recorded comparison values. These comparison values of the natural frequency were measured at different rim speeds or driving speeds and stored in a memory. This results in a course of natural frequencies over a speed field, which can be assigned to a corresponding tire air pressure. If the calculated natural frequency of the rim torsional vibration does not match the comparison value, there is a deviation in the air pressure, which can be calculated qualitatively and quantitatively.
  • the rim speed is expediently recorded by means of an already existing ABS sensor, so that no additional sensor and no additional structural effort have to be operated in order to obtain the input variable.
  • the calculation itself is carried out in an evaluation unit, in particular a computer.
  • the tire air pressure is advantageously calculated taking into account the operating parameters of the tire, in particular the tire temperature, since this has an influence on the natural frequency of the torsional vibration, since the rigidity and the damping of the pneumatic tire change via the tire temperature, which in turn are parameters whose change is the natural frequency influence.
  • a tire model is used that takes into account previously determined tire parameters, in particular the rotational rigidity and the rotational damping of the tire as well as the moment of inertia of the tire and the rim are entered as fixed sizes of the tire or the rim.
  • tire parameters in particular the rotational rigidity and the rotational damping of the tire as well as the moment of inertia of the tire and the rim are entered as fixed sizes of the tire or the rim.
  • the signal is preferably only generated when the deviation falls below the defined value over a defined period, for example one minute.
  • the gradients ⁇ ⁇ so n and ⁇ 2 SO ⁇ below and above the resonance at the target pressure are preferably determined externally for a specific type of tire and stored on a storage medium which can be connected to the tire.
  • the xdB, in particular 3dB, cut-off frequencies f G isoii / fG2soi ⁇ of the maxima for a special one are also preferred Tire type is determined externally and stored on a storage medium that can be connected to the tire.
  • the maximum amplitude values a so ⁇ at the target pressure are preferably determined externally for a specific type of tire and stored on a storage medium which can be connected to the tire.
  • the first correlation of the transformed differential equations with the transformed natural frequency curve for determining the tire pressure p so ⁇ or the rotational stiffness c s and the rotational damping d s is preferably determined externally for a specific type of tire and stored on a storage medium that can be connected to the tire.
  • the storage medium can be a transponder or a barcode.
  • the use of a storage medium has the advantage that the tire manufacturer's characteristic characteristics can be determined and any changes in data can be easily assigned to the vehicle when changing wheels.
  • the tire dimension can be recognized from the position of the maximum amplitude values. This exploits the knowledge that the side wall of a tire is generally lower for large rim diameters than for tires with small diameters. The lower the side wall, the higher the natural frequency.
  • a calibration dependent on the motor vehicle speed is preferably carried out on the moving motor vehicle with the aid of an initialization means.
  • the conversion from the time domain to the frequency domain is preferably carried out using tables. It has proven to be advantageous that before the described methods for determining the internal pressure of a vehicle tire, systematic and stochastic interference should first be eliminated from the frequency spectrum, so that these interference does not lead to incorrect results with regard to a loss of tire pressure.
  • two or more of the described methods according to the invention can also be combined with one another.
  • the use of one or more methods according to the invention in a directly and / or indirectly measuring tire pressure monitoring system is also advantageous in view of the increased safety or redundancy achieved thereby. / When evaluating the frequency curve while driving, external influences caused by the load, the temperature, the humidity, the ambient air pressure and / or the vehicle acceleration can be compensated. Appropriate sensors must of course be provided for this.
  • the profile depth the change of which due to wear causes a change in the resonance frequency, can also be taken into account when evaluating the frequency curve when driving.
  • the methods described above can be coupled with an indirect system for detecting the low air pressure.
  • Figure 1 shows the basic representation of the normalized amplitude (logarithmically plotted) versus frequency
  • Figure 2 shows the principle of the gradient changing with decreasing air pressure
  • FIG. 3 shows the 3dB cut-off frequencies at different maxima of the amplitude
  • FIG. 4 shows the basic diagram of the increasing amplitude maximum with decreasing tire pressure
  • FIG. 5 shows the basic dependence of the normalized amplitude on the tire air pressure
  • FIG. 6 the model for describing the wheel vibrations
  • FIG. 7 shows the superimposed frequency curves based on the model and the values from the wheel speed sensors
  • the natural vibration behavior of a tire can be determined from the signals from the wheel speed sensors, as used in anti-lock braking systems. 1 shows the dependence of the logarithmically plotted normalized amplitude on the frequency. The determination of this curve is explained in great detail in US Pat. No. 6,385,553 or in DE 101 57 885, so that no further explanations are given for this.
  • the gradients ⁇ the Gain below and above the resonance can be determined after evaluating the wheel speed signals (for example, using Fourier transformations over integer numbers of revolutions at approximately the same speed) and by comparing them with the previously calibrated target condition of the tire at the target internal pressure as a measure of a possible one Use low air pressure.
  • the gradients ⁇ ⁇ st and oc S oi ⁇ are related to each other. If this value lies outside the set tolerance values for a defined period of time, a warning is given that the tire pressure is too low.
  • a representative amplitude spectrum must be used when determining the resonance frequency. For this, stationary driving conditions have to be determined. Adequate frequency resolution must also be ensured. A high number of averages of the determined values give a good estimate of the air pressure, take into account the weighting of road conditions (poor surface, flat surface) and allow a normalization of the vibration identity.
  • FIG. 3 shows the 3dB cutoff frequencies which are determined from the amplitude maximum.
  • the difference frequency ⁇ f G is determined from the difference between the upper limit frequency f G2 and the lower limit frequency f G ⁇ .
  • the difference frequency decreases because the normalized amplitude increases, which leads to a compression of the frequency curve (see FIG. 2).
  • the smaller the difference frequency the lower the air pressure. If the differential frequency drops below a predetermined value for a defined period of time, a signal is generated which indicates the low air pressure.
  • FIG. 4 shows that the amplitude shifts in the direction of lower frequencies when the tire pressure drops.
  • the maximum value of the amplitude increases. The maximum is determined and used with the target value. same. If the currently determined maximum value rises above a predetermined value, the signal indicating the lower pressure is generated.
  • the position of the cut-off frequencies f G ⁇ , f G 2 / the size of the gradients ⁇ S oi ⁇ , 0C i S and the value of the maximum amplitudes a S0 n / ai St is in addition to the air pressure of a variety of other parameters, such as the type of tire and the state of abrasion.
  • the tire pressure control system using the proposed methods must therefore be calibrated.
  • a set of calibration parameters is recorded.
  • An initialization device must be actuated to trigger the initialization. The system is then informed that all tires are filled correctly.
  • Separate calibration data sets are preferably recorded for different speed and wheel torque ranges. Whenever a speed range is driven for the first time after actuating the initialization means, the set of calibration parameters is determined for this range.
  • the wheel load can be determined from the level control system.
  • the temperature can be taken into account by the outside temperature sensor, possibly in conjunction with a temperature model for tires. Accelerations and decelerations of the vehicle can be determined using the ABS sensors or the brake light switch.
  • the ambient air pressure can be taken into account from the motor control.
  • the profile depth can be determined by determining the rolling circumference (distance traveled / wheel speed).
  • Figure 6 shows the model for determining the tire vibrations.
  • the wheel consists of the rim 1 with the inertia J F and the belt 2 with the inertia J R.
  • the wheel is connected to the suspension 3 and the damping 5 to the body 3 via the wheel suspension.
  • the torsional vibrations of the wheel are damped via the rotary spring damper unit 6, with the spring constants c s and the damper constants d s .
  • the body spring 4 has the spring constant c a and the body damper 5 has the damper constant d a .
  • the belt 1 is moved with the angular speed ⁇ and the rim 1 with the angular speed ⁇ .
  • the wheel receives the excitation for vibration via the road with the force Ft.
  • the rotational stiffness c s and the rotational damping d s depend, among other things, on both the air pressure p, the type of suspension and the driving speed.
  • the dynamic rolling radius r is replaced by a constant tire radius R.
  • the tire model makes it possible to quickly and accurately determine the natural frequency without complex measurements.
  • the ABS signal provides the frequency spectrum of the rim torsional vibration as it was measured.
  • An example of a measured frequency spectrum 10 is shown in FIG. 8a.
  • a second frequency spectrum 20 according to FIG. 8b is obtained by applying a Dirac impulse or a tangential excitation F t to the model, on the basis of which the frequency spectrum 20 of the model is calculated as a function of the model parameters.
  • the model can be based on the measured spectrum for a specific speed and a specific air pressure of the tire, e.g. B. by finding the minimum of the sum of the squares of errors between the model and the measured spectrum, which is shown in FIG. 9.
  • the tire is identified via defined parameters c s for the rotational stiffness of the tire and d s for the rotational damping of the tire and the tire model can be used to determine the actual tire air pressure. This is done by taking the measured frequency spectrum ⁇ through variations in air pressure within the model is adapted to the model frequency spectrum. An adapted frequency curve is shown in FIG. 10. As soon as a sufficiently precise agreement between the measured frequency spectrum 10 and the model frequency spectrum 20 is reached, the tire pressure actually present is determined and can be output on a display. Alternatively, a warning message can be issued if the value falls below or exceeds a limit.
  • the solid line shows the normalized amplitude spectrum of the wheel speed sensor, the dash-dot line the result of the model.
  • the interference frequency is first identified and then the amplitude belonging to this frequency z. B. replaced by the mean of the amplitudes of the neighboring frequencies. It is also advisable to eliminate higher orders of these interference frequencies. Interference frequencies of the motor are shown, for example, depending on the design of the motor with integer multiples of the basic motor frequency and z. T. even with integer multiples of half the basic motor frequency.
  • Interference frequencies are the wheel rotation frequency and its integer multiples in the relevant frequency range.
  • - Interference frequency is the engine speed, calculated from the engine speed from the vehicle data bus, e.g. B. GAN, as well as integer multiples of the engine rotational frequency and half the engine rotational frequency ⁇ . Is the information about the engine type z. B.
  • the result of this process step is an unfiltered frequency spectrum, adjusted for systematic interference.
  • the spectra are averaged over a longer period of time or a filtered frequency spectrum is calculated.
  • certain quality requirements are placed on a single unfiltered spectrum, e.g. B. Minimum energy content (since natural vibration is hardly pronounced on very smooth roads), pronouncedness of the peak, etc.
  • this spectrum is not used for the calculation of the average or filtered spectrum.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks, insbesondere des Minderdrucks des Reifens eines Kaftfahrzeuges im Fahrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades, wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die normierte Amplitude ermittelt wird und die Resonanzfrequenz beobachtet wird. Die Erkennung des Minderdrucks erfolgt insbesondere durch beobachtung des Gradienten der Frequenzkurve unterhalb und oberhalb der Resonanzfrequenz; oder durch Beobachtung der 3dB-Grenzfrequenz der Resonanzfrequenz; oder durch Beobachtung der Steifigkeits- und Dämpfungskonstanten eines Reifenmodells mit gleichem Schwingungsverhalten hinsichtlich der Resonanzfrequenz.

Description

Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks eines Fahrzeugreifens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks- insbesondere des Minderdrucks des Reifens eines Kraftfahrzeuges im Fahrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades- wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die normierte Amplitude ermittelt wird und die Amplitudenmaxima der Resonanzfrequenz beobachtet werden .
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der US 6,450,020 Bl bekannt. Die DE 101 57 858 AI offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des Reifenluftdrucks aus dem Fahrzeugbetrieb bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten, das unabhängig von verschiedenen, an dem Fahrzeug angebrachten Elementen bereitgestellt wird. Dieses Verfahren basiert auf einer Resonanzfrequenz, die auf der Grundlage eines Radgeschwindigkeitssignals extrahiert wurde, das über einen jedem Rad zugeordneten Geschwindigkeitssensor ausgegeben wurde. Die Bestimmung des Reifenluftdrucks basiert außerdem auf einem dynamischen Lastradius, der auf der Grundlage des Radgeschwindigkeitssignals abgeleitet wurde.
Die Stärke und Frequenzlage der beim Abrollen entstehenden Reifenschwingungen sind stark abhängig vom Innendruck des Reifens, der sowohl die Steifigkeit als auch die Dämpfung des Rades bestimmt. Diese Eigenschaften bestimmen auch, mit welcher Intensität und Frequenz die Felge zu Drehschwingungen angeregt wird. Die DrehSchwingungen des Rades lassen sich beispielsweise mit einem ABS-Drehzahlsensor messen.
Am deutlichsten treten die Drehschwingungen bei den vom Innendruck abhängigen Resonanzfrequenzen auf.
Für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb eines Kraftfahrzeuges und zum Erreichen hoher Haltbarkeit müssen die Reifen mit einem vorgegebenen Luftdruck befüllt sein. Aufgrund von Diffusionsverlusten und Dichtungsverlusten im Reifen sinkt der Luftdruck stetig ab. Die entstehenden Leckageraten sind unvermeidlich und liegen typischerweise im Bereich einiger 100 mbar pro Jahr. Der Reifenluftdruck muss deshalb regelmäßig kontrolliert werden. Der durchschnittliche Kraftfahrer neigt jedoch dazu, dem Reifendruck keine o- der zumindest nicht die angemessene Aufmerksamkeit zukommen zu lassen. Aus diesem Grund werden Kraftfahrzeuge zunehmend mit Reifendruckkontrollsystemen ausgerüstet, die den Luftdruck im Reifen kontinuierlich überwachen und eine Warnmeldung für den Fahrer abgeben, wenn der Reifendruck unter einen vorgegebenen Mindestdruck absinkt.
Es sind direkt messende Systeme bekannt, bei denen sich im Druckraum des Fahrzeugrades ein Sensor befindet der den Druck misst. Das den ermittelten Reifeninnendruck auslesende Meßsystem wird in der Regel von einer Batterie versorgt und überträgt seine Messdaten über eine Funkstrecke. Nachteilig an diesem System ist neben der von der Batterielebensdauer abhängigen Funktionsfähigkeit auch die durch den Sensor und die Stromversorgung entstehende Unwucht an der Felge von bis zu 20 g.
Indirekt messende Systeme nutzen die sich einstellende Änderung im Abrollumfang eines Rades bei Luftdruckänderung im Reifen aus . Die Änderung des Abrollumfanges wird über die ABS-Sensoren ermittelt, die alle Räder eines Fahrzeuges gleichzeitig detektieren und entsprechende Daten auswerten. Diese Systeme haben den grundsätzlichen Nachteil, dass ein nahezu identischer Druckverlust in allen Reifen, wie er sich durch die Leckageverluste zwingend einstellt, nicht erkennbar ist.
Die JP 5-133 831 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen des Innendrucks eines Fahrzeugreifens. In dieser Vorrichtung wird die Resonanzfrequenz des Reifens durch eine Frequenzanalyse ermittelt, die in Bezug auf ein Geschwindigkeitssignal des Rades einschließlich der Schwingungsfrequenz des Reifens durchgeführt wird. Der aktuelle Druck wird aus der ermittelten Resonanzfrequenz bestimmt. Die zur Bestimmung des Luftdrucks verwendete Resonanzfrequenz bewegt sich im Bereich von 30 - 50 Hz. Dieser Bereich ist ausreichend, wenn das Fahrzeug sich im unteren oder mittleren Geschwindigkeitsbereich befindet. Nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit zu, ist das Schwingungsverhalten eines Reifens schwer zu bewerten. Im Ergebnis sinkt das Spektrum der Resonanzfrequenz ab und verschlechtert damit die Aussagekraft in Bezug auf den Reifeninnendruck.
In der JP 8-219 920 ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der mehrere Resonanzfrequenzen aus mehreren Frequenzbereichen, beispielsweise einem Bereich von 30 - 50 Hz und einem Bereich von 60 - 90 Hz ermittelt werden.
Dem Verfahren nach der US 6,385,553 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Radgeschwindigkeitssignal eines angetriebenen Rades eine Resonanzfrequenz höherer Ordnung enthält, die sich auch dann sehr stark mit der Veränderung des Reifeninnendruckes ändert, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit hoch ist. In dieser Druckschrift wird sehr ausführlich beschrieben, wie das Frequenzspektrum ermittelt und die interessierende Resonanzfrequenz mathematisch beispielsweise durch ei- ne Fouriertransformation (FFT) ermittelt wird, so dass eine normierte Amplitude über der Frequenz aufgetragen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren anzugeben, mit denen die beispielsweise nach der US 6,385,553 ermittelte Resonanzfrequenz ausgewertet werden kann, um zu erkennen, ob der Reifeninnendruck eines beliebigen Rades des Fahrzeuges unter einen vorgegebenen Wert absinkt, um dem Fahrer ein entsprechendes Warnsignal zu geben.
Ein erstes Auswerteverfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus :
a) Ermitteln und Aufzeichnen der Resonanzfrequenz des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck,
b) Ermitteln und Speichern der Gradienten C.ιsolι, α 2soiι der Frequenzkurve oberhalb und unterhalb der Resonanz,
c) Bilden des Verhältnisses α soιι aus den Gradienten 0C ιsoιι und OC 2soiι?
d) kontinuierliches Ermitteln der Resonanzfrequenz des Rades im Fährbetriebe
e) kontinuierliches Ermitteln der Gradienten ust, oc sist der Frequenzkurve oberhalb und unterhalb der Resonanz,
f) Bilden des Verhältnisses ist aus den Gradienten α üSt und α2ist,
g) kontinuierliches Vergleichen der Verhältnisse cc ist und 0 soii miteinander, h) Erzeugen eines Signals, wenn die Abweichung von α ist zu 06 soii einen definierten Wert überschreitet.
Bei der Auswertung der Schwingungscharakteristik wird das Verhältnis der Steigungen links und rechts des Maximums bestimmt. Der Frequenzbereich liegt vorzugsweise zwischen 20 - 60 Hz und 70 - 110 Hz. Das Verhältnis der Steigungen liegt im Bereich von -0,25 bis -4.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
a) Ermitteln und Aufzeichnen der Resonanzfrequenz des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck,
b) Ermitteln der xdB-, insbesondere 3 dB-Grenzfrequenz fciaoii fc2soiι der Maxima,
c) Bilden und Speichern der Differenzfrequenz ΔfGsoiι aus der oberen xdB-Grenzfrequenz f-asoii und der unteren xdB- Grenzfrequenz fβisoii/
d) kontinuierliches Ermitteln der Resonanzfrequenz des Rades im Fahrbetrieb,
e) kontinuierliches Ermitteln der xdB-, insbesondere 3dB- Grenzfrequenzen f-nis fG2ist der Maxima im Fahrbetrieb,
f) Bilden der Differenzfrequenz ΔfGιst aus der oberen xdB- Grenzfrequenz fG2ist un der unteren xdB-Grenzfrequenz teilst/
g) kontinuierliches Vergleichen der Differenzfrequenzen ΔfGSoiι und ΔfGist miteinander, h) Erzeugen eines Signals, wenn die Abweichung von ΔfGist zu ΔfGsoιι einen definierten Wert überschreitet.
Dieses Verfahren nutzt das Phänomen aus, dass die xdB- Grenzfrequenzen der Maxima mit steigendem Luftdruck in Richtung höherer Frequenzen wandern. Aus der Abhängigkeit kann dann der aktuelle Luftdruck des Reifens bestimmt werden. Auch dieses Verfahren kann für jedes Rad einzeln durchgeführt werden, wobei eine Korrelation der Räder untereinander nicht erforderlich ist.
Ein drittes erfindungsgemäßes Auswerteverfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
a) Ermittlung und Aufzeichnung der Resonanzfrequenz des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck,
b) Ermitteln und Speichern des maximalen Amplitudenwertes aSoiι bei Soll-Druck des Reifens,
c) kontinuierliches Ermitteln der Resonanzfrequenz des Rades im Fahrbetrieb,
d) kontinuierliches Ermitteln des maximalen Amplitudenwer- " es ^s ^
e) kontinuierliches Vergleichen der maximalen Amplituden- werte ason und aιst miteinander,
f) Erzeugen eines Signals, wenn die Abweichung von aιst zu asoιι einen definierten Wert überschreitet.
Auch bei diesem Verfahren wird die normierte Amplitude zur Bestimmung des Luftdrucks verwendet.
Ein viertes gattungsgemäßes Verfahren zeichnet sich durch folgende erfindungsgemäße Schritte aus: a) Ermitteln und Aufzeichnen des FrequenzSpektrums des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck und Bestimmung der ungefähren Lage der Resonanzfrequenz, b) Transformieren der das Schwingungsverhalten des Rades beschreibenden Differentialgleichungen
JFφ = (<j> - φ)cs + (φ - φ)ds JBφ = -(φ - φ)cs - (φ - φ)ds + Ftr mittels Laplace- oder Fouriertransformation,
c) Auswählen eines Bereichs ΔfsoU um die ungefähre Lage der Resonanzfrequenz fsoιι herum,
d) Korrelieren des ausgewählten Bereichs Δfson mit den transformierten Differentialgleichungen,
e) Berechnen der Rotationssteifigkeit cs,soιι und der Rotationsdämpfung ds,so.l/
f) kontinuierliches Ermitteln des FrequenzSpektrums des Rades im Fahrbetrieb und Bestimmung der ungefähren Lage der Resonanzfrequenz fιst/
g) Auswählen eines Bereichs Δfist um die ungefähre Lage der Resonanzfrequenz fiSt herum,
h) Korrelieren des ausgewählten Bereichs Δfis der ermittelten Resonanzfrequenz fiSt mit den transformierten Differentialgleichungen zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit cs,ist und der Rotationsdämpfung ds,iSt, i) Bilden der Differenz von cs,soιι und cs,iSt und der Differenz von ds,son und ds,ιst und Erzeugen eines Signals, wenn mindestens eine der Differenzen einen definierten Wert überschreitet.
Zur Anwendung des dem Verfahren vier zugrundeliegenden Modells müssen vorab geeignete Werte für die Trägheitsmomente von Reifen JF und Felge JR sowie für den Reifenradius r festgelegt werden, die die für das jeweilige Fahrzeug typischen Reifen und Felgen repräsentieren.
In Ergänzung zu Verfahren vier kann in einem fünften gattungsgemäßen Verfahren auch der Reifendruck direkt aus Kennfeldern p(cs,ds) bestimmt werden. Es zeichnet sich durch folgende über Verfahren vier hinausgehende erfindungsgemäße Schritte aus:
a) Ermitteln des Reifeninnendrucks psoιι (cs,soii/ds,Soiι) im Sollzustand in Abhängigkeit von der Rotationssteifigkeit cs und der Rotationsdämpfung ds, wobei hierzu Kennfelder herangezogen werden, die die für das jeweilige Fahrzeug typischen Reifen berücksichtigen,
b) Ermitteln des Reifeninnendrucks pιst (cs,igt,ds,iSt) im Istzustand in Abhängigkeit von der Rotationssteifigkeit cs und der Rotationsdämpfung ds, wobei hierzu Kennfelder herangezogen werden, die die für das jeweilige Fahrzeug typischen Reifen berücksichtigen.
c) Bilden der Differenz von psoιι und piSt und Erzeugen eines Signals, wenn die Differenz einen definierten Wert ü- berschreitet .
Mit diesen Verfahren (4 und 5) werden aus den Signalen der Raddrehzahlgeber Informationen herausgefiltert, die in dem System Reifen-Radaufhängung generiert werden. Die Informationen, die ausgewertet werden, beziehen sich auf die Rotationsschwingung des Reifens. Vorzugsweise wird der Bereich von 20 - 60 Hz aus der Resonanzfrequenz ausgewählt.
Statt der Erzeugung eines Warnsignals ist es nach Verfahren 5 auch möglich, den Reifenluftdruck zu berechnen und anzuzeigen. Dabei wird aus der Felgengeschwindigkeit die Eigenfrequenz der Felgendrehschwingung ermittelt und über die Eigenfrequenz der Felgendrehschwingung der Luftdruck innerhalb des Luftreifens berechnet. Dadurch ist es möglich, Sensoren zur Ermittlung der Radvertikalbewegung einzusparen und den Luftdruck innerhalb des Luftreifens allein anhand der Reifen- bzw. Felgendrehbewegung zu ermitteln. Die Eigenfrequenz der Felgendrehschwingung ist druckabhängig, so dass der Luftdruck innerhalb des Luftreifens durch Bestimmung der Eigenfrequenz berechnet werden kan .
Vorteilhafterweise erfolgt die Berechnung des Reifenluftdruckes über einen Vergleich der ermittelten Eigenfrequenz mit vorab aufgenommenen Vergleichswerten. Diese Vergleichswerte der Eigenfrequenz wurdenbei verschiedenen Felgengeschwindigkeiten bzw. Fahrgeschwindigkeiten gemessen und in einem Speicher abgelegt. Somit ergibt sich über ein Geschwindigkeitsfeld ein Verlauf von Eigenfrequensen, der einem korrespondierenden Reifenluftdruck zugeordnet werden kann. Stimmt die berechnete Eigenfrequenz der Felgendrehschwingung nicht mit dem Vergleichswert überein, liegt eine Abweichung des Luftdruckes vor, die qualitativ und quantitativ berechnet werden kann.
Die Felgengeschwindigkeit wird zweckmäßigerweise über einen bereits vorhandenen ABS-Sensor aufgenommen, so dass kein zusätzlicher Sensor und kein zusätzlicher baulicher Aufwand betrieben werden muss, um die Eingangsgröße zu erhalten. Die Berechnung selbst wird in einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Rechner ausgeführt.
Die Berechnung des Reifenluftdruckes erfolgt vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der Betriebsparameter des Reifens, insbesondere der Reifentemperatur, da diese Einfluss auf die Eigenfrequenz der Drehschwingung hat, da sich über die Reifentemperatur die Steifigkeit und die Dämpfung des Luftreifens verändern, was wiederum Parameter sind, deren Veränderung die Eigenfrequenz beeinflussen.
Um die Eigenfrequenz der Felgendrehschwingung berechnen zu können, wird ein Reifenmodell verwendet, das vorab ermittelte Reifenparameter berücksichtigt, insbesondere werden die Rotationssteifigkeit und die Rotationsdämpfung des Reifens sowie das Trägheitsmoment des Reifens und der Felge als feststehende Größen des Reifens bzw. der Felge eingegeben. Bei einem Reifen- bzw. Felgenwechsel müssen entsprechend veränderte Parameter oder Kennwerte eingegeben und neue Vergleichswerte ermittelt werden. Das System muss bei einem Reifen- bzw. Felgenwechsel für Reifen anderer Dimension oder Bauart mit neuen Reifenparametern neu kalibriert werden.
Bei allen fünf Verfahren wird das Signal vorzugsweise erst erzeugt, wenn die Abweichung den definierten Wert über einen festgelegten Zeitraum, beispielsweise eine Minute, unterschreitet.
Die Gradienten α ιson und α 2SOιι unterhalb und oberhalb der Resonanz bei Soll-Druck werden vorzugsweise für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert.
Vorzugsweise werden auch die xdB-, insbesondere 3dB- Grenzfrequenzen fGisoii/ fG2soiι der Maxima für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert.
Auch die maximalen Amplitudenwerte asoιι bei Soll-Druck werden vorzugsweise für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert .
Die erste Korrelation der transformierten Differentialgleichungen mit der transformierten Eigenfrequenzkurve zur Ermittlung des Reifeninnendrucks psoιι bzw. der Rotationssteifigkeit cs und der Rotationsdämpfung ds wird vorzugsweise für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert.
Das Speichermedium kann ein Transponder oder ein Barcode sein. Die Verwendung eines Speichermediums hat den Vorteil, dass die reifentypischen Charakteristika vom Reifenhersteller ermittelt werden können und bei einem Radwechsel etwa veränderte Daten einfach dem Fahrzeug zugeordnet werden können.
Über die Lage der maximalen Amplitudenwerte kann die Reifendimension erkannt werden. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Seitenwand eines Reifens für große Felgen- durchmesser in der Regel niedriger ist als für Reifen mit kleinen Durchmessern. Je niedriger die Seitenwand ist, um so höher ist die Eigenfrequenz.
Vorzugsweise wird mit Hilfe eines Initialisierungsmittels am fahrenden Kraftfahrzeug eine von der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit abhängige Kalibrierung durchgeführt.
Zur Ermittlung der normierten Amplitude erfolgt die Umrechnung vom Zeitbereich in den Frequenzbereich vorzugsweise ü- ber Tabellen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass vor den beschriebenen Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks eines Fahrzeugreifens zuerst systematische und stochastische Störungen aus dem Frequenzspektrum eliminiert werden sollten, damit diese Störungen nicht zu falschen Ergebnissen hinsichtlich eines Reifendruckverlusts führen.
Vorteilhafterweise können auch zwei oder mehr der beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren miteinander kombiniert werden. Auch die Verwendung von einem oder mehreren erfindungsgemäßen Verfahren in einem direkt und/oder indirekt messenden Reifendrucküberwachungssystem ist im Hinblick auf die hierdurch erreichte erhöhte Sicherheit bzw. Redundanz vorteilhaft. / Bei der Auswertung der Frequenzkurve im Fahrbetrieb können durch die Last, die Temperatur, die Feuchtigkeit, den Umgebungsluftdruck und/oder die Fahrzeugbeschleunigung hervorgerufene Fremdeinflüsse kompensiert werden. Hierzu müssen natürlich entsprechende Sensoren vorgesehen sein.
Wenn entsprechende Sensoren vorgesehen sind, kann bei der Auswertung der Frequenzkurve im Fahrbetrieb auch die Profil- tiefe, deren Veränderung durch den Verschleiß eine Veränderung der Resonanzfrequenz bewirkt, berücksichtigt werden.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren können mit einem indirekten System zur Erkennung des Minderluftdrucks gekoppelt werden .
Die nachfolgenden Zeichnungen verdeutlichen die unterschiedlichen Auswerteverfahren. Es zeigt: Figur 1 die Prinzipdarstellung der normierten Amplitude (logarithmisch aufgetragen) über der Frequenz;
Figur 2 Die Prinzipdarstellung der sich mit sinkendem Luftdruck verändernden Gradienten ;
Figur 3 eine Darstellung der 3dB-Grenzfrequenzen an unterschiedlichen Maxima der Amplitude;
Figur 4 die Prinzipdarstellung des steigenden Amplitudenmaximums bei sinkendem Reifeninnendruck;
Figur 5 die prinzipielle Abhängigkeit der normierten Amplitude vom Reifenluftdruck;
Figur 6 das Modell zur Beschreibung der Radschwingungen;
Figur 7 die überlagerten Frequenzkurven nach dem Modell und den Werten aus den Raddrehzahlgebern;
Figuren 8 bis 10 - Frequenzverläufe.
Das Eigenschwingverhalten eines Reifens kann aus den Signalen der Rad-Drehzahlgeber, wie sie in Antiblockiersystemen verwendet werden, ermittelt werden. Hier zeigt die Darstellung nach Figur 1 die Abhängigkeit der logarithmisch aufgetragenen normierten Amplitude über der Frequenz . Die Ermittlung dieser Kurve ist in der US 6,385,553 oder in der DE 101 57 885 sehr ausführlich erläutert, so dass hierzu keine weiteren Ausführungen gemacht werden.
Mit fallendem Reifeninnendruck bewirken die vom Druck abhängigen Größen Dämpfung und Steifigkeit des Reifens eine relative Verstärkung der Anregung der Felge bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz und eine Verminderung bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz. Die Gradienten α der Verstärkung unter- und oberhalb der Resonanz lassen sich nach Auswertung der Raddrehzahlsignale (beispielsweise über Fouriertransformationen über ganzzahlige Anzahlen von Umdrehungen bei annähernd gleicher Geschwindigkeit) ermitteln und über einen Vergleich mit dem zuvor kalibrierten Soll-Zustand des Reifens bei Soll-Innendruck als Maß für einen möglichen Minderluftdruck verwenden. Die Gradienten α ιst und oc Soiι werden zueinander ins Verhältnis gesetzt. Liegt dieser Wert ü- ber einen definierten Zeitraum außerhalb gesetzter Toleranzwerte, erfolgt eine Warnung vor zu niedrigem Reifendruck.
Bei der Ermittlung der Resonanzfrequenz muss ein repräsentatives Amplitudenspektrum verwendet werden. Hierzu sind stationäre Fahrbedingungen festzustellen. Auch muss eine adäquate Auflösung der Frequenz sichergestellt sein. Eine hohe Anzahl von Mittlungen der ermittelten Werte geben eine gute Schätzung des Luftdrucks, berücksichtigen die Gewiσhtung von Straßenverhältnissen (schlecht Oberfläche, ebene Oberfläche) und lassen eine Normierung der Schwingungsidentität zu.
Figur 3 zeigt die 3dB-Grenzfrequenzen, die vom Amplitudenmaximum aus ermittelt werden. Aus der Differenz der oberen Grenzfrequenz fG2 und der unteren Grenzfrequenz fGι wird die Differenzfrequenz ΔfG ermittelt. Bei sinkendem Luftdruck verkleinert sich die Differenzfrequenz, da die normierte Amplitude steigt, was zu einer Stauchung der Frequenzkurve führt (vgl. Figur 2). Je kleiner die Differenzfrequenz wird, um so niedriger ist der Luftdruck. Sinkt die Differenzfrequenz unter einen vorgegebenen Wert für eine definierte Zeitspanne, wird ein Signal erzeugt, das den Minderluftdruck anzeigt .
Figur 4 ist entnehmbar, dass sich die Amplitude in Richtung niedriger Frequenzen verlagert, wenn der Reifeninnendruck sinkt. Gleichzeitig erhöht sich der Maximalwert der Amplitude. Das Maximum wird ermittelt und mit dem Soll-Wert ver- gleichen. Steigt der aktuell ermittelte Maximalwert über einen vorgegebenen Wert, wird das den Minderdruck anzeigende Signal erzeugt.
Die Lage der Grenzfrequenzen fGι, fG2/ die Größe der Gradienten α Soiι, 0C iS und der Wert der maximalen Amplituden aS0n/ aiSt, ist neben dem Luftdruck von einer Vielzahl weiterer Parameter, wie beispielsweise dem Reifentyp und dem Abriebzustand abhängig. Das mit den vorgeschlagenen Verfahren arbeitende Reifendruckkontrollsystem muss deshalb kalibriert werden. Dabei wird ein Satz von Kalibrierungsparametern aufgenommen. Zum Auslösen der Initialisierung ist ein Initialisierungsmittel zu betätigen. Damit wird dem System dann mitgeteilt, dass alle Reifen korrekt befüllt sind. Vorzugsweise werden für unterschiedliche Geschwindigkeits- und Radmomen- tenbereiche eigene Kalibrierungsdatensätze aufgenommen. Immer wenn nach dem Betätigen des Initialisierungsmittels ein Geschwindigkeitsbereich das erste Mal gefahren wird, wird für diesen Bereich der Satz der Kalibrierparameter ermit-
Fremdeinflüsse, die die Lage der vorstehenden Werte beeinflussen, können kompensiert werden, wenn im Fahrzeug geeignete Messwerte zur Verfügung stehen. Diese können durch entsprechende Sensoren bestimmt werden. Aus dem Niveauregulierungssystem kann die Radlast bestimmt werden. Durch den Außentemperatursensor, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Temperaturmodell für Reifen, kann die Temperatur berücksichtigt werden. Beschleunigungen und Verzögerungen des Fahrzeugs können über die ABS-Sensoren oder den Bremslichtschalter ermittelt werden. Aus der Motorsteuerung kann der Umgebungsluftdruck berücksichtigt werden. Die Profiltiefe kann durch Ermittlung des Abrollumfangs (zurückgelegte Wegstrecke/Raddrehzahl) ermittelt werden. Figur 6 zeigt das Modell zur Ermittlung der Reifenschwingungen. Das Rad besteht aus der Felge 1 mit der Trägheit JF und dem Gürtel 2 mit der Trägheit JR. Das Rad ist über die Radaufhängung mit der Federung 4 und der Dämpfung 5 mit dem Aufbau 3 verbunden. Die Dämpfung der Drehschwingungen des Rades erfolgt über die Rotationsfeder-Dämpfereinheit 6, mit der Federkonstanten cs und der Dämpferkonstanten ds . Die Aufbaufeder 4 weist die Federkonstante ca und der Aufbaudämpfer 5 die Dämpferkonstante da auf. Der Gürtel 1 wird mit der Winkelgeschwindigkeit φ und die Felge 1 mit der Winkelgeschwindigkeit φ bewegt. Die Anregung zur Schwingung erhält das Rad über die Straße mit der Kraft Ft.
Betrachtet man nur das Rad allein und vernachlässigt die An- kopplung des Rades an den Aufbau 3 über Federung 4 und Dämpfung 5, so lässt sich die Rotation von Reifen 1 und Felge 2 nach diesem Modell durch folgende Differentialgleichungen beschreiben:
Figure imgf000018_0001
J ■-. . Φ = -(φ - φ ) • cs - (p ds + Ft ■ R
Figure imgf000018_0002
Die Rotationssteifigkeit cs und die Rotationsdämpfung ds sind unter anderem sowohl vom Luftdruck p, dem Radaufhängungstyp als auch der Fahrgeschwindigkeit abhängig. Der dynamische Abrollradius r wird in diesem Ansatz durch einen konstanten Reifenradius R ersetzt.
Das obige Differentialgleichungssystem kann vorteilhaft und schnell mit einer Laplace-Transformation im Frequenzbereich gelöst werden. Zunächst wird das Differentialgleichungssystem in ein System erster Ordnung umgeschrieben: y-. φ γα = φ
Figure imgf000019_0001
γ3 = φ γ3 = φ
F, • R τ4=γ3 = Φ = -(φ - φ ) Φ -φ + „ J„ J„
Umgeschrieben ergibt dieses das folgende Differentialgleichungssystem:
Figure imgf000019_0002
Ύ3=Ύ 14
Figure imgf000019_0003
Dieses Differentialgleichungssystem wird nun einer Laplace- Transformation unterworfen. Dabei gilt: y, =s-yt i = l,...,4 mit der komplexen Variablen s .
Dadurch erhält man aus dem linearen Differentialgleichungssystem ein lineares Gleichungssystem:
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0004
mit
Figure imgf000020_0002
Sei
Figure imgf000020_0003
setzt man nun S=iω
(i2= -1, ω= Kreisfrequenz)
und berücksichtigt man, dass
Figure imgf000021_0001
ist, so erhält man direkt den Frequenzgang, ohne Ft angeben zu müssen:
Figure imgf000021_0002
Durch das Reifenmodell ist es möglich, ohne aufwendige Messungen schnell und genau die Eigenfrequenz bestimmen zu können. Das ABS-Signal liefert das Frequenzspektrum der Felgendrehschwingung wie es gemessen wurde. Ein Beispiel eines gemessenen Frequenzspektrums 10 ist in der Figur 8a dargestellt. Ein zweites Frequenzspektrum 20 gemäß Figur 8b erhält man, indem ein Dirac-Impuls oder eine tangentiale Anregung Ft auf das Modell angewendet wird, anhand dessen das Frequenzspektrum 20 des Modells in Abhängigkeit von den Modellparametern berechnet wird.
Durch die Variation der Parameter hinsichtlich der Rotationssteifigkeit cs und Rotationsdämpfung ds kann das Modell auf das gemessene Spektrum für eine bestimmte Geschwindigkeit und einen bestimmten Luftdruck des Reifens, z. B. durch Finden des Minimums der Summe der Fehlerquadrate zwischen Modell und gemessenen Spektrum, kalibriert werden, was in der Figur 9 dargestellt ist.
Über festgelegte Parameter cs für die Rotationssteifigkeit des Reifens und ds für die Rotationsdämpfung des Reifens wird der Reifen identifiziert und das Reifenmodell kann dazu benutzt werden, um den tatsächlichen Reifenluftdruck zu bestimmen. Dies erfolgt, indem das gemessene Frequenzspekt¬ rum durch Variationen des Luftdruckes innerhalb des Modells an das Modellfrequenzspektrum angepasst wird. Ein angepass- ter Frequenzverlauf ist in der Figur 10 dargestellt. Sobald eine hinreichend genaue Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Frequenzspektrum 10 und dem Modellfrequenzspektrum 20 erreicht ist, ist der tatsächlich vorhandene Reifenluftdruck bestimmt und kann über ein Display ausgegeben werden. Alternativ kann bei Unterschreiten oder Überschreiten eines Grenzwertes eine Warnmeldung ausgegeben werden.
Alternativ zur expliziten Lösung des obigen Differentialgleichungssystems per Laplace-Transformation können empirische Lösungsfunktionen eingesetzt werde, die anpassbare Parameter enthalten. Zum Beispiel kann ein typisches Spektrum für das jeweilige Fahrzeug durch folgende Modellgleichung für die Amplitude
P = (acβ + bds + ef
beschrieben werden, wobei die Konstanten a, b, e und n an das Fahrzeug angepasst werden müssen und n zwischen 0,3 und 0,9 liegen muss. Das Ergebnis dieser Bestimmung ist Figur 7 entnehmbar .
Die durchgezogene Linie zeigt das normierte Amplitudenspektrum des Raddrehzahlgeber, die Strich-Punkt-Linie das Ergebnis des Modells . Der Reifenluftdruck p wird aus den ermittelten Werten von Steifigkeit und Dämpfung cs, ds durch Anpassung der gerechneten Modellkurven an gemessenen Kurven als Funktion p=f (cs, ds) bestimmt.
Die Eliminierung von systematischen und stochastischen Störungen in dem Frequenzspektrum im Vorfeld der beschriebenen Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks eines Fahrzeugreifens hat sich als sinnvoll herausgestellt, damit diese Stö¬ rungen nicht zu falschen Ergebnissen hinsichtlich eines Rei- fendruckverlusts führen. Folgende Typen von systematischen Störungen müssen aus dem Spektrum eliminiert werden:
1. radu drehungssynchron anfallende Störungen, wie z. B. der Polteilungsfehler des Encoders zur Messung der Radgeschwindigkeit, allgemeine Reifen- und Felgenungleichförmigkeiten oder auch Einbautoleranzen
2. Störungen aufgrund von Vibrationen im Antriebsstrang, die nur an den angetriebenen Rädern auftreten
3. Störungen aufgrund von monofrequenten Anregungen der Straße
Zur Eliminierung dieser Störungen wird zunächst die Störfrequenz identifiziert und dann im Spektrum die zu dieser Frequenz gehörige Amplitude z. B. durch den Mittelwert der Amplituden der Nachbarfrequenzen ersetzt. Es empfiehlt sich dabei auch höhere Ordnungen dieser Störfrequenzen zu eliminieren. Störfrequenzen des Motors zeigen sich beispielsweise abhängig von der Bauart des Motors bei ganzzahligen Vielfachen der Motorgrundfrequenz sowie z. T. auch bei ganzzahligen Vielfachen der halben Motorgrundfrequenz.
Zur Identifikation der verschiedenen systematischen Störfrequenzen werden folgende Verfahren angewendet: Zu (1) : Störfrequenzen sind die Raddrehfrequenz und ihre ganzzahligen Vielfachen im relevanten Frequenzbereich. Zu (2) : - Störfrequenz ist die Motordrehfrequenz, berechnet aus der Motordrehzahl vom Fahrzeugdatenbus, z . B. GAN, sowie ganzzahlige Vielfache der Motordrehfrequenz und der halben Motordrehfrequen∑ . Liegt die Information über den Motortyp z. B. auch auf dem Fahrzeugdatenbus oder kann dieser aus dort vorliegenden Informationen abgeleitet werden, so empfiehlt es sich, nur die für den jeweiligen Motortyp relevanten Ordnungen zu eliminieren - Getriebedrehfrequenzen, berechnet aus der Raddrehzahl (ggf. auch der Motordrehzahl) und den Übersetzungverhältnissen/Zähnezahlen Zu (3) : Störfrequenzen, die von der Straße angeregt werden, sind am Vorder- und Hinterrad der gleichen Fahrzeugseite erkennbar. Durch einen Vergleich der Spektren von Vorder- und Hinterrad für zeitgleich ermittelte Signale können diese i- dentifiziert werden.
Ergebnis dieses Verfahrensschritts ist ein um die systematischen Störungen bereinigtes ungefiltertes Frequenzspektrum z. B. in Form der spektralen Leistungsdichte.
Grundsätzlich ist anzumerken, dass es erheblich einfacher ist, diese systematischen Störungen im Frequenzbereich zu eliminieren als bereits schon im Zeitbereich.
Zur Eliminierung von stochastischen Störungen werden die Spektren über einen längeren Zeitraum gemittelt bzw. es wird ein gefiltertes Frequenzspektrum berechnet. Hierbei werden an ein einzelnes ungefiltertes Spektrum bestimmte Güteanforderungen gestellt, z. B. Mindestenergieinhalt (da Eigenschwingung auf sehr glatten Straßen kaum ausgeprägt ist) , Ausgeprägtheit des Peaks, etc.
Für den Fall, dass diese Anforderungen nicht erfüllt sind, wird dieses Spektrum nicht für die Berechnung des mittleren bzw. gefilterten Spektrums herangezogen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks, insbesondere des Minderdrucks des Fahrzeugreifens eines Kraftfahrzeuges im Fahrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades, wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die Amplitudenmaxima der Resonanzfrequenz beobachtet werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermitteln und Aufzeichnen der Resonanzfrequenz des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck, b) Ermitteln und Speichern der Gradienten α ιsoιi/ OC 2soiι der Frequenzkurve oberhalb und unterhalb der Resonanz, c) Bilden des Verhältnisses α son aus den Gradienten O lsoll Und OC 2soll f d) kontinuierliches Ermitteln der Resonanzfrequenz des Rades im Fahrbetrieb, e) kontinuierliches Ermitteln der Gradienten α nst, ß.2ist der Frequenzkurve oberhalb und. unterhalb der Resonanz, f) Bilden des Verhältnisses α ιst aus den Gradienten α iist und α 2ist g) kontinuierliches Vergleichen der Verhältnisse OC ιs und OC Soiι miteinander, h) Erzeugen eines Signals, wenn die Abweichung von OC iSt zu OC Soiι einen definierten Wert überschreitet. Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks, insbesondere des Minderdrucks des Fahrzeugreifens eines Kraftfahrzeuges im Fahrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades, wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die Amplitudenmaxima der Resonanzfrequenz beobachtet werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Ermitteln und Aufzeichnen der Resonanzfrequenz des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck,
b) Ermitteln der xdB-, insbesondere 3 dB-Grenzfrequenz fsisoii/ fc∑soii der Maxima,
c) Bilden und Speichern der Differenzfrequenz ΔfGsou aus der oberen xdB-Grenzfrequenz fG2soiι und der unteren xdB-Grenzfrequenz fGιSoi/
d) kontinuierliches Ermitteln der Resonanzfrequenz des Rades im Fährbetrieb,
e) kontinuierliches Ermitteln der xdB-, insbesondere 3dB-Grenzfrequenzen fsiis r fG2ist der Maxima im Fahrbetrieb,
f) Bilden der Differenzfrequenz ΔfGιst aus der oberen xdB-Grenzfrequenz fG2iSt und der unteren xdB- Grenzfrequenz fGiist,
g) kontinuierliches Vergleichen der Differenzfrequenzen ΔfGson und ΔfGis miteinander,
h) Erzeugen eines Signals, wenn die Abweichung von ΔfGist zu ΔfGsoιι einen definierten Wert überschreitet. Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks, insbesondere des Minderdrucks des Fahrzeugreifens eines Kraftfahrzeuges im Fahrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades, wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die Amplitudenmaxima der Resonanzfrequenz beobachtet werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Ermittlung und Aufzeichnung der Resonanzfrequenz des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck,
b) Ermitteln und Speichern des maximalen Amplitudenwertes ason bei Soll-Druck des Reifens,
c) kontinuierliches Ermitteln der Resonanzfrequenz des Rades im F hrbetrieb,
d) kontinuierliches Ermitteln des maximalen Amplitudenwertes iSt,
e) kontinuierliches Vergleichen der maximalen Amplitudenwerte agoιι und aist miteinander,
f) Erzeugen eines Signals, wenn die Abweichung von ιst zu asou einen definierten Wert überschreitet.
Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks, insbesondere des Minderdrucks des Fahrzeugreifens eines Kraftfahrzeuges im F hrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades, wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die Resonanzfrequenz beobachtet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Ermitteln und Aufzeichnen des FrequenzSpektrums des Rades mit einem vorgegebenen Soll-Druck und Bestimmung der ungefähren Lage der Resonanzfrequenz,
b) Transformieren der das Schwingungsverhalten des Rades beschreibenden Differentialgleichungen
J-Fφ = (φ - φ)cs + (φ - cp)ds JRφ = -(φ - φ)cs - (φ - φ)ds + Ftr mittels Laplace- oder Fouriertransformation,
c) Auswählen eines Bereichs Δfson um die ungefähre Lage der Resonanzfrequenz fsoιι herum,
d) Korrelieren des ausgewählten Bereichs ΔfS0n mit den transformierten Differentialgleichungen,
e) Berechnen der Rotationssteifigkeit cs,Soiι und der Rotationsdämpfung ds,soii/
f) kontinuierliches Ermitteln des FrequenzSpektrums des Rades im Fahrbetrieb und Bestimmung der ungefähren Lage der Resonanzfrequenz fιst,
g) Auswählen eines Bereichs Δfist um die ungefähre Lage der Resonanzfrequenz fiSt herum,
h) Korrelieren des ausgewählten Bereichs ΔfiSt der ermittelten Resonanzfrequenz fist mit den transformierten Differentialgleichungen zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit cs,iSt und der Rotationsdämpfung ds,ist,
i) Bilden der Differenz von cs,sou und cs,ist und der Differenz von ds,soιι und ds,iSt und Erzeugen eines Signals, wenn mindestens eine der Differenzen einen definierten Wert überschreitet.
5. Verfahren zur Ermittlung des Innendrucks, insbesondere des Minderdrucks des Fahrzeugreifens eines Kraftfahrzeuges im Fahrbetrieb durch Analyse des Eigenschwingverhaltens des Rades, wobei aus dem ermittelten Schwingungsspektrum die Resonanzfrequenz beobachtet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermitteln des Reifeninnendrucks psoιι (cs,Soiι,ds,soιι) im Sollzustand in Abhängigkeit von der Rotationssteifigkeit cs und der Rotationsdämpfung ds, wobei hierzu Kennfelder herangezogen werden, die die für das jeweilige1 Fahrzeug typischen Reifen berücksichtigen, b) Ermitteln des Reifeninnendrucks pist (cs,ist/ds,iSt) im Istzustand in Abhängigkeit von der Rotationssteifigkeit cs und der Rotationsdämpfung ds, wobei hierzu Kennfelder herangezogen werden, die die für das jeweilige Fahrzeug typischen Reifen berücksichtigen, c) Bilden der Differenz von pSoiι und pιs und Erzeugen eines Signals, wenn die Differenz einen definierten Wert überschreitet.
<£. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal erst erzeugt wird, wenn die Abweichung den definierten Wert über einen festgelegten Zeitraum überschreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienten c.ιsoιι,' c isoii unterhalb und oberhalb der Resonanz bei Soll-Druck für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die xdB-Grenzfrequenzen fGιsoιι, fc∑soii der Maxima bei Soll-Druck für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Amplitudenwert ason bei Soll-Druck für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Korrelation der transformierten Differentialgleichungen mit der transformierten Eigenfrequenzkurve fsoιι zur Ermittlung des Reifeninnendrucks Psoii oder der Rotationssteifigkeit cs und der Rotationsdämpfung ds für einen speziellen Reifentyp extern ermittelt und auf einem mit dem Reifen verbindbaren Speichermedium gespeichert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium ein Transponder --L u L ■
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium ein Barcode ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Frequenzkurve im Fahrbetrieb durch die Last, die Temperatur, die Feuchtigkeit, den Umgebungsluftdruck und/oder die Fahr- zeugbeschleunigung hervorgerufene Fremdeinflüsse kompensiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Frequenzkurve im Fahrbetrieb die Profiltiefe des Reifens berücksichtigt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Initialisierungsmittels am fahrenden Kraftfahrzeug eine von der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit abhängige Kalibrierung durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrechnung vom Zeitbereich in den Frequenzbereich über Tabellen erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die Lage der maximalen Amplitudenwerte a-.st die Reifendimension erkannt wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeic ne durch die Kopplung mit einem indirekten System zur Erkennung des Mindestluftdrucks.
19. Verwendung mindestens eines der Verfahren 1 bis 5 in einem direkten und/oder indirekten Reifendrucküberwachungssystem.
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