-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung sowie
ein Computerprogramm zur Messung des Luftdrucks in einem Fahrzeugreifen während der
Fahrt, wobei ein Beschleunigungssensor in dem Reifen angeordnet
ist und ein Signal generiert, das eine Zentripetalbeschleunigung
in dem Reifen repräsentiert.
-
Es
ist bekannt, fahrzeuginterne Vorrichtungen zur Überwachung des Luftdrucks im
Reifen einzusetzen. Diese Vorrichtungen weisen eine feststehende
Einrichtung auf, die mit einer sich mit dem jeweiligen Rad des Fahrzeugs
mitbewegenden Einrichtung zusammenwirkt, so dass während des
Fahrzeugbetriebs eine Überwachung
des Luftdrucks im Reifen erfolgen kann. Die sich mitbewegende Einrichtung
sensiert mit geeigneten Mitteln den Luftdruck im Reifen und übermittelt
ein drahtloses Signal an die feststehende Einrichtung. Wenn der
Luftdruck einen bestimmten Wert unterschreitet, gibt die feststehende
Einrichtung ein optisches oder akustisches Signal an den Fahrer.
-
Probleme des Standes der Technik
-
Derzeitige
Systeme zur Luftdrucküberwachung
enthalten häufig
einen Drucksensor zur Messung des Drucks im Reifen, dessen Messwerte
geeignet, insbesondere drahtlos durch Telemetrie an ein Steuergerät im Fahrzeug übermittelt
werden. Neuere Entwicklungen zielen in Richtung reifenintegrierter
Systeme, bei denen die Sensorik, Telemetrie und Energieerzeugung
direkt in den Reifen einvulkanisiert werden. Derartige Systeme erfordern
einen Drucksensor und ein Signalübertragungsmittel.
Die bekannten Systeme zur Ermittlung des Reifendrucks sind jedoch
teuer und insbesondere in der aggressiven Umgebung eines Fahrzeugrads
unter Umständen
unzuverlässig,
weil der Drucksensor direkt in Kontakt mit der Reifenatmosphäre steht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung und ein
Verfahren zur Überwachung
des Luftdrucks in einem Fahrzeugreifen während der Fahrt anzugeben,
durch welchen die Messung des Reifendruckes auf einer einfachen
und kostengünstigen
Weise bei einer hohen Zuverlässigkeit
erfolgt.
-
Dieses
Problem wird gelöst
durch Verfahren zur Messung des Luftdrucks in einem Fahrzeugreifen während der
Fahrt, wobei ein Beschleunigungssensor in dem Reifen angeordnet
ist und ein Signal generiert, das eine Zentripetalbeschleunigung
in dem Reifen repräsentiert,
wobei der Reifendruck aus dem zeitlichen Verlauf des Signals ermittelt
wird. Der Reifendruck wird bevorzugt anhand eines aus dem Signal
ermittelten Zeitverhältnisses,
welches eine Änderung
der Zentripetalbeschleunigung während
eines Radumlaufs wiedergibt, ermittelt. Vorzugsweise wird der Reifendruck
aus der Länge
einer Auflagefläche des
Reifens auf einer Fahrbahn ermittelt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen,
dass das Verhältnis
der Längenausdehnung
der Auflagefläche
des Reifens auf der Fahrbahn zum Gesamtumfang des Reifens vermittels
des aus dem Signal des Beschleunigungssensors gemessenen Zeitverhältnis bestimmt
wird.
-
Der
Beschleunigungssensor ist derart im Inneren der Lauffläche des
Reifens befestigt, dass eine Zentripetalbeschleunigung in dem zu
prüfenden
Reifen ermittelt wird, wobei anhand eines durch die Beschleunigungssignale
ermittelten Zeitverhältnisses, welches
eine Änderung
der Zentripetalbeschleunigung während
eines Radumlaufs wiedergibt, der Reifendruck ermittelt wird.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht,
dass mit vergleichsweise einfachen messtechnischen Mitteln, nämlich durch
das Vorsehen eines im inneren des Reifens integrierten Beschleunigungssensors,
der Wechsel von einem großen
Beschleunigungssignal zu einem kleinen Signal nahe 0, also einem
Signal unterhalb eines unteren Grenzwertes, bzw. zu einem gestörten rasch
schwankenden Signal analysiert werden kann, um zu erkennen, ob der
Reifendruck optimal ist oder nicht. Durch das Vorsehen von einem
Beschleunigungssensor zur Ermittlung des Reifendrucks, kann auf
einen Drucksensor und die damit verbundene Notwendigkeit eines Medienkontakts
zum Sensormodul im Reifen verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung,
die einen Beschleunigungssensor vorsieht, kann als eine abgeschlossene
Einrichtung mit hermetisch gekapselten Sensoren ausgeführt werden.
Das Messsystem wird somit von der aggressiven Atmosphäre im Reifen
auf eine einfache und kostengünstige
Weise isoliert. Dadurch wird vermieden, dass es zu schädlicher
Korrosion im Modul und dadurch zu einer wesentlichen Beeinträchtigung
der Zuverlässigkeit
des Messsystems kommt.
-
Vorzugsweise
kann anhand des durch den Beschleunigungssensor gemessenen Zeitverhältnisses τ/T das Verhältnis der
Längenausdehnung
einer Auflagefläche
A des Reifens auf der Fahrbahn IA zum Gesamtumfang
des Reifens 2πr
nach der Formel: IA/2πr = τ/T,bestimmt
werden, wobei τ die
Zeit ist, in der der Beschleunigungssensor auf der Fahrbahn aufliegt
und somit die Zentripetalbeschleunigung aZ annährend 0 ist,
und T eine Periodendauer eines vollständigen Umlaufs des Rades ist.
Die Länge
der Auflagefläche IA des Reifens in Fahrtrichtung ist für die Bestimmung eines
absoluten Reifendrucks maßgebend.
Die so ermittelte Größe ist zwar
nicht direkt einem Reifendruck gleichzusetzen, jedoch liefert sie
als eine „relative Auflagefläche auf
der Fahrbahn" eine
klare Aussage darüber,
ob der Reifendruck unter der aktuellen Fahrzeugbeladung richtig
ist oder nicht.
-
Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei einer Abweichung des Zeitverhältnisses
von einem vorgegebenen Wert eine kritische Abnahme oder Zunahme
des Reifendruckes erkannt wird.
-
Die
Einrichtung kann bevorzugt einen zusätzlichen Temperatursensor enthalten,
wobei die aus dem Signal des Beschleunigungssensors ermittelten
physikalischen Größen, insbesondere
Beschleunigungssensordaten, durch die mit einem Temperatursensor
gemessene Reifentemperatur korrigiert werden. Die Temperatur des
Reifengummis gibt ein weiteres Indiz dafür, ob der Reifendruck unter den
Belastungen der Fahrt angemessen oder zu niedrig gewählt worden
ist, im Sinne einer redundanten Messgröße. Über einen zu hohen Reifendruck macht
die Temperatur keine Aussage. Hohe Temperatur entspricht generell
einem hohen Materialverschleiß pro
Zeiteinheit, niedrige Temperatur – einem entsprechend niedrigeren
Materialverschleiß pro Zeiteinheit.
Integration der Verschleißdaten
erlaubt z.B. eine Aussage über
die Restlebensdauer des Reifens. Es ist besonders vorteilhaft, dass
diese Kombination aus einem Beschleunigungssensor und einem Temperatursensor
in einem Messsystem nicht nur eine redundante Größe für einen zu niedrigen Reifendruck
liefern sondern auch als Reifenverschleißindikator dienen kann.
-
Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Anordnung zur
Messung des Luftdrucks in einem Fahrzeugreifen während der Fahrt, wobei ein
Beschleunigungssensor in dem Reifen angeordnet ist und ein Signal
generiert, das eine Zentripetalbeschleunigung in dem Reifen repräsentiert, wobei
der Reifendruck aus dem zeitlichen Verlauf des Signals ermittelt
wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann als
Beschleunigungssensor ein piezoelektrischer oder ein sonst wie gearteter
Vibrationswandler verwendet werden, der gleichzeitig als Energiewandler
zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Vibration dient, ein
so genannter „Power
Harvester" oder
ein „power
harvesting device".
Dadurch, dass das Signal dieses „Power harvester" in Form eines piezoelektrischen
Vibrationswandlers gleichzeitig als Messsystem zur Ermittlung der
Beschleunigungskräfte
im Reifen herangezogen werden kann, entfällt auch die Notwendigkeit
eines zusätzlichen
Beschleunigungssensors. Somit kann das System besonders günstig ausgeführt werden.
-
Der
Vibrationswandler kann bevorzugt als Piezostreifen parallel zur
Reifenlauffläche
befestigt werden und zur Erzeugung von elektrischen Signalen aus
den Beschleunigungssignalen des Beschleunigungssensors verwendet
werden, wobei die elektrischen Signale zur Energieversorgung einer
Sensorelektronik und gleichzeitig als Beschleunigungssignale zur
Ermittlung des Reifendrucks dienen. Somit entfällt die Notwendigkeit eines
separaten Beschleunigungssensors oder eines Drucksensors zur Reifendruckbestimmung.
Es ist aber auch möglich,
einen zusätzlichen
Drucksensor zur direkten Reifendruckbestimmung bzw. einen separaten
Beschleunigungssensor zusätzlich
zum piezoelektrischen oder wie auch immer gearteten Vibrationswandler
einzusetzen. Im letzteren Fall kann der Beschleunigungssensor piezoelektrisch
oder als Siliziumsensor, z.B. als ein oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor
in Si-Technik ausgeführt
sein.
-
Vorzugsweise
ist der Beschleunigungssensor und gegebenenfalls die weiteren Sensoren,
welche ein Sensorsystem bilden, z. B. mittels eines Standard-Vulkanisierverfahrens
in den Reifen einvulkanisiert und in diesen somit integriert, ohne
dass Zugänge
vom Reifeninneren zum Sensorsystem vorgehalten oder später angelegt
werden müssen,
da die Gewinnung eines Beschleunigungssignal ein Messprinzip ist,
das grundsätzlich
ohne Medienkontakt auskommt.
-
Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm
mit Programmcode zur Durchführung
des Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche, wenn das Programm in einem
Computer oder Microcontroller oder Microprozessor ausgeführt wird.
-
Zeichnungen
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung eines Fahrzeugrades;
-
2 ein
Diagramm, in dem die Abhängigkeit
der Zentripetalbeschleunigung von der Zeit graphisch dargestellt
ist.
-
1 zeigt
skizzenhaft eine vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugrades 1 mit
einem Fahrzeugreifen 2. Der Fahrzeugreifen 2 umfasst
eine Lauffläche 9 sowie
ein in der Regel mit Luft gefülltes Reifeninneres 10.
Die Luft weist einen Druck (statischer Druck gleich Gesamtdruck)
von p auf. Im Reifeninneren 10 des Fahrzeugreifen 2 ist
ein Beschleunigungssensor 3 angeordnet, der ein elektromegnetisches
Signal über
einen Aufnehmer 4, der z.B. achsfest oder karosseriefest
angeordnet ist, an eine Auswerteeinrichtung 5 überträgt. Zusätzlich kann
ein Temperatursensor 11 in dem Reifen angeordnet sein, der
ein Signal erzeugt, das die Reifentemperatur (Temperatur der Reifenlauffläche un/oder
Lufttemperatur im Reifen und/oder Temperatur innerhalb des Materials
der Lauffläche,
je nach Anordnung des Sensors) repräsentiert und ebenfalls elektromagnetisch
an die Auswerteeinrichtung überträgt. Die
Auswerteeinrichtung 5 ist Teil eines Steuergerätes 6,
das mit Anzeigeeinrichtung 7 im Blickfeld eines Fahrers
in einem Kraftfahrzeug verbunden ist. Der Fahrzeugreifen 2 rollt
auf einer Fahrbahn 8. Die Fahrbahn weist eine Oberflächenbeschaffenheit
auf, die insbesondere durch das Material der Oberfläche sowie
deren physikalische Eigenschaften charakterisiert ist. Dazu gehören auch
Unebenheiten z.B. in Form von Wellen, Rillen oder Fremdkörpern. Ebenso
verändern Beläge wie z.B.
Wasser auf der Oberfläche
den Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn.
-
Das
Fahrzeuggewicht verteilt sich bekannterweise auf die Räder, wobei
jedes Rad über
die Fläche
A der Fahrbahn-Auflage ein Teilgewicht G des Fahrzeugs zu tragen
hat, wie in der Prinzipdarstellung gezeigt ist. Der Zusammenhang
zwischen Reifendruck p und Teilgewicht G sowie der Auflagefläche A ist
gegeben durch die Formel: G = p·A. Der Reifendruck p trägt also
dieses Gewicht G vermöge
einer Auflagefläche
A des Reifens auf der Fahrbahn. Die Länge der Auflagefläche IA ist
dabei die entscheidende Größe, durch
welche entschieden wird, ob der Reifen „richtig" oder „falsch" am Fahrzeug betrieben wird. Die richtige
Auflagefläche
wird in an sich bekannter Weise über
den Reifendruck p eingestellt. Ist der Reifendruck p zu gering,
wird die Auflagefläche
A zu groß und
der Reifen zu stark durchgewalkt. Dies würde zu einer Überhitzung
und überhöhten Verschleiß und Kraftstoffverbrauch
führen.
Ist jedoch der Reifendruck p zu hoch, dann ist die Auflagefläche zu klein
und die Kraftübertragung
ReifenStrasse dementsprechend nicht optimal, was sich z.B. beim
Beschleunigen oder bei einem Bremsmanöver schädlich auswirken kann. Wird
das Fahrzeug mit Zusatzlasten beladen oder davon befreit, muss in
der Regel der Reifendruck erhöht
oder abgesenkt werden, um wieder die richtige Auflagefläche Reifen-Strasse
einzustellen.
-
Die
Länge der
Auflagefläche
A in Fahrtrichtung bzw. deren relativer Anteil bezogen auf den Gesamtumfang
des Reifens kann mittels Beschleunigungsmessung ermittelt werden.
Während
der Beschleunigungssensor denjenigen Teil der Bahn durchläuft, der
dem Reifenumfang entspricht, ermittelt er die Zentripetalbeschleunigung,
die in der Regel eine Größenordnung
von 10g bis einigen 100g annimmt. Durchläuft der Beschleunigungssensor
denjenigen Teil der Bahn, der der Kontaktfläche A mit der Fahrbahn entspricht,
ist das Beschleunigungssignal nahezu 0, bzw. es werden Vibrationen
oder Störungen
de Straßenbelags
ermittelt. In jedem Fall ist das Signal ein sehr unregelmäßiges, schnell
variierendes, relativ kleines Beschleunigungssignal.
-
In 2 ist
ein Diagramm gezeigt, in dem die Abhängigkeit der Zentripetalbeschleunigung,
d.h. die Beschleunigung senkrecht zum Reifenumfang, von der Zeit
graphisch dargestellt ist. Die Zentripetalbeschleunigung auf dem
Reifenumfang ergibt sich unmittelbar aus der Raddrehung und dem
Reifenradius, d.h. dem Abstand Achsmittelpunkt bis zur Reifenfläche, in
der die Messung stattfindet. Der Wert der Zentripetalbeschleunigung
ist: aZ = ω2r,wobei r der Reifenradius ist, ω – die momentane Drehgeschwindigkeit
des Rades.
-
Misst
man die Zentripetalbeschleunigung aZ mit
einem Beschleunigungssensor, der an einem fixen Punkt der inneren
Lauffläche
eines Reifens befestigt ist, erhält
man den in 2 gezeigten qualitativen Verlauf.
Relativ lange Phasen mit hohen Werten der Zentripetalbeschleunigung
wechseln periodisch ab mit relativ kurzen Phasen relativ niedriger
Beschleunigung, die während
des Kontakts des Beschleunigungssensors mit der Fahrbahn auftreten, wie
aus 2 ersichtlich ist. Innerhalb einer Auflagefläche A des
Reifens ist die Zentripetalbeschleunigung an nähernd 0, da ein Punkt der Auflagefläche A auf
der Fahrbahn sich annähernd
geradlinig linear und parallel zur Fahrbahn bewegt. Mit τ ist dabei
die Zeitspanne gezeigt, die der Beschleunigungssensor auf der Fahrbahn
aufliegt. Mit T ist die Periodendauer (1/Raddrehzahl) gezeigt. Mit
Hilfe der Beschleunigungssignale können die Zeitspannen eines
Durchlaufens des „freien" Umfangs (T-τ) des Reifens
und des Kontaktbereichs mit der Fahrbahn τ genau gemessen werden. Das
Verhältnis
der gemessenen Zeiten τ/T
spiegelt das Verhältnis
der Längenausdehnung
der Fläche
A zum Gesamtumfang des Reifens nach der Formel: IA/2πr = τ/T, wieder.
Dabei genügt es,
wenn das Beschleunigungssignal auf große Änderungen oder Sprünge analysiert
wird, wie sie für den
Wechsel der Bahnabschnitte charakteristisch sind.
-
Absolutwerte
oder ein absolut und genauer messender Beschleunigungssensor sind
hierfür
an sich nicht erforderlich. Vielmehr kommt es nur auf den Wechsel
von einem großen
Signal zu einem kleinen Signal nahe 0 bzw. zu einem gestörten rasch schwankenden
Signal an. Somit ist das so ermittelte Zeitverhältnis die eigentlich relevante
Messgröße für den Reifendruck.
Eine über
die Zeit erfolgende Vergrößerung dieses
Verhältnisses
kann in an sich bekannter Weise mit einer gewissen Rate als kritische Reifendruckabnahme
interpretiert werden.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung
kann auch eine Warnung an den Fahrzeugführer abgegeben werden, beispielsweise
ein optisches und/oder akustisches Signal. Es ist auch möglich, sämtliche
Reifen eines Fahrzeugs jeweils separat für sich zu überwachen und eine individuelle Anzeige
für den
Reifendruck jedes Reifens vorzusehen, oder aber auch eine individuelle
an jedem Reifen erfolgende Luftdrucküberwachung vorzunehmen, die
jedoch insgesamt nur zu einem einheitlichen Meldesignal führt. In
diesem Fall muss der Fahrzeugführer
nach Wahrnehmung des Warnsignals prüfen, welcher Reifen zu der
Alarmauslösung
geführt
hat.