DE10058099A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen oder Abschätzen von Reifenabnutzung - Google Patents

Abstract

Zum Erkennen oder Abschätzen von Reifenverschleiß (in 1, 14, 15, 15') werden während des normalen Betriebs eines Fahrzeugs fahrdynamische Größen und andere die Reifenabnutzung beeinflussende Messgrößen (in 7, 12) erfasst, gespeichert und zur näherungsweisen Erkennung des Reifenzustandes bzw. des Reifenverschleißes ausgewertet. Überschreitet der Verschleiß eine vorgegebene Schwelle, wird ein hinweis- oder Warnsignal (11) ausgegeben. DOLLAR A Das Verfahren basiert im wesentlichen auf der Verarbeitung von Sensorsignalen, die auch für Fahrzeug-Regelungssysteme, wie ABS, ESP usw., benötigt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen oder Abschätzen von Reifenabnutzung oder Reifenverschleiß. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gehört eben­ falls zur Erfindung.

Die Betriebssicherheit eines Kraftfahrzeugs hängt wesentlich vom Zustand der Fahrzeugreifen ab. Die Gummischicht der Lauf­ fläche darf nach gesetzlicher Vorschrift einen definierten Wert nicht unterschreiten. Der Verschleiß der Reifenlaufflä­ che wird durch die am Reifen umgesetzte Energie und die Mate­ rialeigenschaften der Gummimischung weitgehend bestimmt.

Zur Ermittlung des Reifenzustandes ist man bisher auf die optische Beurteilung des Reifens beschränkt, wobei vor allem das Reifenprofil bzw. das restliche Profil an der schwächsten Stelle, die Gleichmäßigkeit der Abnutzung usw. zur Beurtei­ lung des Reifens herangezogen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein von subjektiven Einflüssen freies, zuverlässiges Verfah­ ren zum Erkennen und Abschätzen des momentanen Verschleißzu­ standes eines Reifens zu entwickeln, mit dem sich ein Warn­ signal bei Überschreiten einer Verschleißschwelle erzeugen lässt.

Es hat sich herausgestellt, dass diese Aufgabe mit dem im Anspruch 1 definierten Verfahren in kostengünstiger Weise gelöst werden kann. Danach besteht das Besondere der Erfin­ dung darin, dass während des normalen Fahrzeugbetriebs fahr­ dynamische Größen und andere die Reifenabnutzung beeinflus­ sende Messgrößen oder Schätzgrößen erfasst und aus diesen Näherungswerte für die Abnutzung der Reifen errechnet werden, dass die errechneten und/oder gemessenen, die Reifenabnutzung wiedergebenden Größen und Daten gespeichert und zur Erkennung oder Abschätzung des Reifenzustandes oder des Reifenver­ schleißes ausgewertet werden.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass sich aus den Eingangsgrößen von Kraftfahrzeug-Regelungssystemen, z. B. aus den Radsensorsignalen, ggf. unter Berücksichtigung weiterer Messwerte, die im Betrieb eines Fahrzeugs am Reifen umgesetz­ te Energie näherungsweise ermitteln und zur Auswertung oder Abschätzung des aktuellen Reifenzustandes oder des Reifenver­ schleißes auswerten lässt. Dabei können als zusätzliche Mess­ größen z. B. die Außentemperatur und/oder der Luftdruck in den einzelnen Reifen zur Verschleißabschätzung herangezogen wer­ den.

Eine Reihe von besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den beigefügten Un­ teransprüchen beschrieben. Auch bezieht sich die Erfindung auf entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung des Verfah­ rens.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 in Form eines Charts die wichtigsten Funktionsblöcke einer Vorrichtung oder eines Programms zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Aus­ führungsart der Erfindung und

Fig. 2 bis Fig. 4 in gleicher Darstellungsweise weitere Vari­ anten der Erfindung.

Die Charts nach Fig. 1 bis Fig. 4 veranschaulichen verschie­ dene Wege zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In allen Fällen wird das Vorhandensein eines elektronischen Sys­ tems vorausgesetzt, welches elektrische Sensorsignale empfan­ gen und aufbereiten kann. Zweckmäßigerweise werden in einem Mikroprozessorsystem die Informationen verarbeitet, gespei­ chert und ausgewertet. Schließlich werden elektrische Signale erzeugt, die den Verschleiß oder die Abnutzung des Reifens wiedergeben und das Überschreiten einer Verschleißschwelle signalisieren.

Die Erfindung führt zu einer Erweiterung der Funktionalität eines ABS- oder ESP-Reglers unter Nutzung der vorhandenen Eingangsdaten und der ohnehin für die Fahrzeug- Regelungssysteme benötigten Rechenprozesse. Es kommen sowohl Regelungssysteme und Rechenprozesse in Frage, die auf der Messung des Raddrehverhaltens mit Raddrehzahlsensoren beru­ hen, als auch solche Systeme, bei denen die Reifenkräfte mit sogenannten SWT-Sensoren (Side Wall Torsion-Sensoren) oder anderen geeigneten Kraftmesseinrichtungen erfasst und als Eingangsgrößen des Regelungssystems ausgewertet werden.

Es erfolgt ein Hinweis oder eine Warnung an den Kraftfahr­ zeug-Führers auch im Falle vernachlässigter Sichtprüfung auf Reifenverschleiß oder im Falle allzu langer Wartungsinterval­ le. Die Betriebssicherheit des Fahrzeugs wird durch die Ein­ beziehung des Reifenverschleißes in die Überwachungsmechanis­ men erheblich erhöht.

Nach Fig. 1 (Variante 1) werden zur Abschätzung der am Fahr­ zeugreifen umgesetzten Energie in einer entsprechenden Funk­ tionseinheit 1 aus einer symbolisch dargestellten Quelle (Funktionseinheit 2) Vorgaben über Fahrzeugparameter, wie Masse etc., zugeführt. "3" symbolisiert die Vorgabe von Rei­ fenparametern, wie Rollreibung etc.. Außerdem werden in dem speziellen Beispiel nach Fig. 1 der Funktionseinheit 1 Anga­ ben über den aktuellen Reifendruck zugeführt, der unter Be­ rücksichtigung der momentanen, mit einem Thermometer 4 gemes­ senen Außentemperatur ermittelt wird; zu geringer Reifendruck lässt sich z. B. mit Hilfe eines sog. DDS-Messverfahrens (Deflation Detection System) (Funktionsblock 5) ermitteln, bei dem alle Informationen zur Reifendruckbestimmung aus­ schließlich aus dem Drehverhalten der einzelnen Fahrzeugräder ableitet werden.

Der Reifendruck (Reifeninnendruck) ist auch eine Eingangsgrö­ ße eines Reifenverschleiß-Kennfeldes 6.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden als fahrdynami­ sche Größen Radumfangsgeschwindigkeiten, die sich mit her­ kömmlichen Radsensoren ermitteln lassen, sowie Angaben über den Lenkradwinkel, die Gierrate und die Querbeschleunigung des Fahrzeugs erfasst und ausgewertet. Durch Berücksichtigung dieser Messgrößen lässt sich die Genauigkeit der Bestimmung von Zustandsgrößen der Querdynamik (Kurvenfahrt) erheblich verbessern. Solche Daten stehen z. B. in einem herkömmlichen ESP-System (Elektronischen Stabilitätsprogramm) als Eingangs­ größen ohnehin zur Verfügung.

Aus den Daten, die ein Funktionsblock 7 liefert, wird der Fahrzustand des Fahrzeug, symbolisiert durch die Funktions­ einheit 8, ermittelt; der Fahrzustand lässt wiederum Rück­ schlüsse auf den Reifenschlupf zu (längs und quer), symboli­ siert durch einen Block 9. Der Reifenschlupf (9) wird ebenso wie der Reifendruck (5) und die vorgegebenen Fahrzeugparame­ ter (2) und Reifenparameter (3) zur Schätzung der am Reifen umgesetzten Energie (1) herangezogen.

Mit den in der elektronischen Einheit 2 abgelegten Fahrzeug­ parametern; wie Radstand, Spurweite, Schwerpunktlage, Masse, aerodynamische Kennwerte, Bremskraftverteilung, Antriebsart usw., sowie mit den ermittelten Fahrzustandsgrößen (8) und Reifenschlupfwerten (9) werden nach bekannten Verfahren und Algorithmen (Bewegungsgleichungen von Fahrzeug und Rädern) die Längs- und Seitenkräfte an den einzelnen Reifen geschätzt und zu Energiegrößen aufintegriert. Abgelegte Informationen zur Kinematik und Elastokinematik der Radaufhängungen ermög­ lichen die Schätzung wichtiger Größen, wie Spur und Sturz; ihr Einfluß wird in die Schätzung der Seitenkräfte einbezo­ gen.

Die zusätzlich in der elektronischen Einheit 6 abgelegten Reifenparameter (3), wie Rollreibungsbeiwert etc., verbessern die Ergebnisse.

Die Bestimmung zu geringem Reifeninnendrucks mit Hilfe einer Umgebungstemperatur-Messung (4) und eines Verfahrens (DDS), das auf der Auswertung von Radumfangsgeschwindigkeiten und des Fahrzustandes beruht, ermöglicht die Schätzung weiterer Energieanteile, die Einfluss auf den Reifenverschleiß haben.

Aus den in der elektronischen Einheit 6 abgelegten Reifenver­ schleiß-Kennfeldern, die Materialeigenschaften repräsentie­ ren, wird in Abhängigkeit von den am Reifen umgesetzten Ener­ gien (längs und quer) für jeden Reifen eine Verschleißgröße ermittelt und in dem Speicher 10 so abgespeichert, daß die Werte auch in der Ruhephase des Fahrzeugs nicht verloren ge­ hen.

Wird eine vorgegebene Verschleißschwelle überschritten, wird schließlich in einer Funktionseinheit 11 ein Hinweis- oder Warnsignal ausgegeben.

Nach Variante 2 (Fig. 2) werden wiederum die Umfangsgeschwin­ digkeiten der Räder gemessen, aus denen der Fahrzustand (z. B. Beschleunigung, Bremsen, Kurvenfahrt) ermittelt sowie der Reifenschlupf geschätzt werden. Die Messung weiterer Größen wie. Lenkradwinkel, Gierrate, Querbeschleunigung verbessern die Genauigkeit der Bestimmung von Zustandsgrößen der Querdy­ namik (Kurvenfahrt).

Auch wird nach Fig. 2 der Reifendruck mit Hilfe eines Druck­ sensors 5a, der im Reifen installiert sein kann, gemessen und über eine nicht dargestellte Sende- und Empfangseinrichtung zu einer Auswerteeinheit 14, in der die am Reifen umgesetzte Energie ermittelt wird, weitergeleitet. Solche Druck- Messvorrichtungen (5a) sind in vielen Fahrzeugen ohnehin vor­ handen, so dass es zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keines nennenswerten zusätzlichen Aufwandes be­ darf.

Mit den in der elektronischen Einheit 2 abgelegten Fahrzeug­ parametern, wie Radstand, Spurweite, Schwerpunktlage, Masse, aerodynamische Kennwerte, Bremskraftverteilung, Antriebsart usw., sowie mit den in 8, 9 ermittelten Fahrzustandsgrößen und Reifenschlupfwerten werden in der Funktionseinheit 13 nach den bekannten Algorithmen (Bewegungsgleichungen von Fahrzeug und Rädern) die Längs- und Seitenkräfte an den ein­ zelnen Reifen geschätzt und zu Energiegrößen aufintegriert. Abgelegte Informationen zur Kinematik und Elastokinematik der Radaufhängungen ermöglichen die Schätzung wichtiger Größen, wie Spur und Sturz; ihr Einfluss wird in die Schätzung der Seitenkräfte einbezogen.

Zusätzlich in der elektronischen Einheit 3 abgelegte Reifen­ parameter, wie z. B. Rollreibungsbeiwert, verbessern die Er­ gebnisse.

Nach Fig. 3 wird ein System eingesetzt, das in diesem Bei­ spiel mit SWT-Sensoren (Funktionseinheit 12) ausgerüstet ist, die unmittelbar die am Reifen auftretenden Längs- und Quer­ kräfte erfassen. Anstelle der SWT-Sensoren könnten grundsätz­ lich auch andere geeignete Kraftmesseinrichtungen verwendet werden. Die Ausgangssignale der SWT-Sensoren (12) werden un­ mittelbar zur Schätzung der am Reifen umgesetzten Energie einer entsprechenden Funktionseinheit 15 zugeführt.

Diese Art der Messung verbessert auch die Genauigkeit der Bestimmung von Zustandsgrößen der Längs- und Querdynamik. Am Reifen codierte Informationen (13), die elektronisch gelesen werden, ermöglichen die Anwahl der den Reifen am besten be­ schreibenden Verschleiß-Kennfelder; dies ist in Fig. 3 durch den von der Funktionseinheit 13 zu der Einheit 6 wesenden Pfeil angedeutet.

Die Bestimmung zu geringem Reifeninnendrucks (5) mit Hilfe einer Umgebungstemperatur-Messung (4) und eines Verfahren (DDS), das auf der Auswertung von Radumfangsgeschwindigkeiten und Fahrzustand (8) beruht; ermöglicht die Schätzung weiterer Energieanteile, die Einfluss auf den Reifenverschleiß haben.

Schließlich ist in Fig. 4 noch eine Variante 4 dargestellt, nach der die eingelesenen, am Reifen codierten Reifenparame­ ter, symbolisiert durch die Funktionseinheit 13, zusammen mit Reifendruckmesswerten, die in einer Einheit 16 erfasst wer­ den, und mit Reifenkraft-Messwerten, welche SWT-Sensoren (12) oder andere Kraftmesseinrichtungen liefern, zur Schätzung der am Reifen umgesetzten Energie einer Funktionseinheit 15' zu­ geführt werden. Die Weiterverarbeitung der Informationen bis zur Auslösung eines Hinweis- oder Warnsignals (11) beim Über­ schreitender Verschleißschwelle erfolgt in der bereits zuvor an Hand der Fig. 1 beschriebenen Weise.

Der Reifendruck (16) wird ebenfalls gemessen und zur Schät­ zung weiterer Energieanteile (in 15), die Einfluss auf den Reifenverschleiß haben, herangezogen.

Aus den in der elektronischen Einheit 6 abgelegten Reifenver­ schleiß-Kennfeldern wird in Abhängigkeit von den am Reifen umgesetzten Energien für jeden Reifen eine Verschleißgröße ermittelt und in der zuvor beschriebenen Weise im Speicher 10 abgelegt. Am Reifen codierte Informationen (13), die elektro­ nisch gelesen werden, ermöglichen die Auswahl der den Reifen am besten beschreibenden Verschleiß-Kennfelder (6).

Der Reifenzustand oder der Reifenverschleiß werden zumindest bei relativ wenig benutzten Reifen auch von dem Alter der Reifen wesentlich beeinflusst. Bekanntlich versprödet der Reifengummi. Es kann daher zweckmäßig sein, bei der Ver­ schleißerfassung, z. B. in der Einheit 6 oder im Anschluss an die Verarbeitung der Daten in der Einheit 6, Alterungskompo­ nente in die Berechnungen einzubeziehen, die zu einem ent­ sprechend früherem Erreichen der Verschleißschwelle führen im Vergleich zu Systemen, die auf das Erfassen des Reifenalters verzichten; in den beigefügten Abbildungen ist dieser Schritt der Einfachheit nicht berücksichtigt.

Claims (13)

1. Verfahren zum Erkennen oder Abschätzen von Reifenabnut­ zung oder Reifenverschleiß, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fahrzeugbetriebs fahrdynamische Größen und andere die Reifenabnutzung beeinflussende Messgrößen und/oder Schätzgrößen erfasst und aus diesen Näherungs­ werte für die Abnutzung der Reifen errechnet werden, dass die errechneten und/oder gemessenen, die Reifenab­ nutzung wiedergebenden Größen und Daten gespeichert und zur Erkennung oder Abschätzung des Reifenzustandes oder des Reifenverschleißes ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Reifenabnutzung beeinflussenden Messgrößen und/oder Schätzgrößen während des Fahrzeugbetriebes ständig oder in für die Reifenabnutzung repräsentativen Zeitintervallen erfasst und ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, für Fahrzeuge mit ei­ nem elektronischen Fahrzeug-Regelungssystemen, wie ABS, ESP, Fahrwerk-Regelung etc., dadurch gekennzeichnet, dass als fahrdynamische Messgrößen Von dem Fahrzeug- Regelungssystem ermittelte Regelungs-Eingangsgrößen, ausschließlich oder zusammen mit zusätzlichen Messgrö­ ßen, wie Außentemperatur, Reifendruck etc., zur Erfas­ sung des Reifenzustandes oder der Reifenabnutzung bzw. des Reifenverschleißes herangezogen werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als fahrdynamische Mess­ größen die Radumfangsgeschwindigkeiten der einzelnen Fahrzeugräder, daraus abgeleitete Größen, wie Beschleu­ nigung, Reibwert. etc., zur Ermittlung oder Abschätzung der Reifenabnutzung und des Reifenverschleißes herange­ zogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Lenkradwinkel, die Gierrate, die Querbe­ schleunigung des Fahrzeugs, und zwar eine Kategorie oder mehrere Kategorien dieser Daten, zur Berechnung der Rei­ fenabnutzung herangezogen werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrdynamischen Messgrößen zur Berechnung oder Abschätzung der am Reifen umgesetzten Energie herangezogen werden, woraus unter Berücksichtigung von vorgegebenen Fahrzeugparametern (Masse etc.), ggf. unter Berücksichtigung der Außentem­ peratur, des Reifendruckes etc., unter Einbeziehung von Reifenverschleiß-Kennfeldern auf die Reifenabnutzung ge­ schlossen wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Drehverhalten der einzelnen Räder der Fahrzustand des Fahrzeugs (Beschleunigung, Verzögerung, Bremsbetätigung, Kurven­ fahrt etc.), der auf den Reifenschlupf schließen lässt, ermittelt und zur Abschätzung der am Reifen umgesetzten Energie (längs und quer) herangezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Fahrzustand des Fahrzeugs zur Ermittlung des Reifendrucks ausgewertet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an den einzelnen Reifen auftretenden Reifenkräfte (längs und quer) mit Hilfe von Kraftmesseinrichtungen, z. B. mit Hilfe von SWT-Sensoren (Side-Wall-Torsion-Sensoren), erfasst und zur Berechnung oder Schätzung der am Reifen umgesetzten Energie (längs und quer), ausschließlich oder zusammen mit zusätzlichen Messgrößen, wie Raddrehverhalten, Au­ ßentemperatur etc., herangezogen werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die errechneten oder ge­ schätzten Werte der am Reifen umgesetzten Energie mit Hilfe von Reifenverschleiß-Kennfeldern bewertet und zur Ermittlung oder zum Abschätzen des aktuellen Reifenzu­ standes bzw. Reifenverschleißes gespeichert werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hinweis- oder Warn­ signal ausgegeben wird, wenn der Speicherwert des Rei­ fenverschleißes eine vorgegebene Verschleiß-Kennschwelle überschreitet.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass diese als Zusatzeinrichtung oder Erweite­ rung eines herkömmlichen Kraftfahrzeug-Regelungssystems, wie ABS, ESP, Fahrwerk-Regelung etc., ausgestaltet ist und im wesentlichen die Eingangsgrößen des Regelungssys­ tems, welche die Reifenbeanspruchung und Reifenabnutzung wiedergeben, zur Schätzung der am Reifen umgesetzten Energie erfasst, auswertet und speichert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich die Außentemperatur und/oder den Reifendruck der einzelnen Fahrzeugreifen erfasst und in die Berechnung oder Abschätzung der Reifenabnutzung ein­ bezieht.