DE19744611A1 - Sensor for detecting tire condition in motor vehicle - Google Patents
Sensor for detecting tire condition in motor vehicleInfo
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Abstract
Description
Für die Automobiltechnik gewinnen Sensoren, mit deren Hilfe In formationen über die Parameter der Reifen und deren vielfältige Beziehung zur Fahrbahn gewonnen werden können, zunehmend an Be deutung. Von besonderem Interesse sind dabei solche Sensoren, welche fortlaufend, während der Fahrt des Fahrzeugs, messen (z. B. den Reifendruck) und bei auftretenden Unregelmäßigkeiten (Luftdruckverlust) warnen und/oder darüber hinaus die gemesse nen Werte als wichtige Meßgrößen an Steuer- und Regelsysteme des Fahrzeugs (z. B. Fahrwerk-, Brems- und Antriebsregelung) weiterleiten. Basierend auf den Informationen, die ein solcher Sensor liefert, können mit Hilfe dieser Steuer- und Regelsyste me Fahrzustände (z. B. Geschwindkeiten) verhindert werden, wel che bei nicht optimalem oder nicht ordnungsgemäßem Reifenzu stand riskant sind. Insbesondere mit Hinblick auf künftig zu erwartende Einrichtungen, mit deren Hilfe der Reifendruck wäh rend des Betriebes verändert werden kann, kann gestützt auf solche Sensoren der Reifendruck auf den jeweiligen Fahrzustand angepaßt werden. Beispielsweise könnte niedrigerer Druck einen verbesserten Komfort bei langsamer Fahrt und bessere Haftung bei glattem Untergrund ermöglichen, höherer Druck hingegen gün stigeren Treibstoffverbrauch und verminderten Reifenverschleiß bei schneller Fahrt.Sensors for automotive technology, with whose help In Formations about the parameters of the tires and their diverse Relationship to the road can be gained, increasingly at Be interpretation. Such sensors are of particular interest, which measure continuously while the vehicle is traveling (e.g. tire pressure) and when irregularities occur (Air pressure loss) warn and / or in addition the measured Values as important parameters for control systems of the vehicle (e.g. chassis, brake and drive control) hand off. Based on the information such Sensor supplies can with the help of this control system driving conditions (e.g. speeds) can be prevented if the tires are not optimal or improper stood risky. Especially with a view to future Expecting facilities with the help of which the tire pressure select r can be changed during operation, can be based on such sensors the tire pressure to the current driving condition be adjusted. For example, lower pressure could be one improved comfort when driving slowly and better grip Allow on a smooth surface, but higher pressure gün increased fuel consumption and reduced tire wear when driving fast.
An Reifendrucksensoren wird an verschiedenen Stellen gearbei tet, beispielsweise mit Anordnungen, bei denen eine mit Druck beaufschlagte Membran durch ihre Deformationen Spulenkerne ver schiebt oder die Kapazität eines Kondensators verstimmt. Nahe liegend ist dabei auch die Verwendung mikromechanischer (kapa zitiver oder piezoresistiver) Druckfühler. Das Problem der Meß wertübertragung vom drehenden Rad an die Karosserie wird häufig dadurch gelöst, daß ein mit der Meßgröße veränderlicher Blind widerstand Teil eines Resonanzkreises ist, dessen Resonanzfre quenz mit Hilfe einer (achs- oder karosserieseitig angebrach ten) Koppelspule berührungslos vom drehenden Rad abgefragt wer den kann.Tire pressure sensors are used in various places tet, for example with arrangements in which one with pressure acted upon membrane by their deformations coil cores ver pushes or the capacitance of a capacitor is detuned. Close The use of micromechanical (kapa citing or piezoresistive) pressure sensor. The problem of measuring Value transfer from the rotating wheel to the body is common solved in that a variable with the measured variable resistance is part of a resonance circuit, the resonance fre quenz with the help of a (mounted on the axle or body side ten) The contact coil is queried by the rotating wheel without contact that can.
Zusätzlich kann mit Hilfe der oben angeführten Koppelspulen zu sätzlich elektrische Energie zur Versorgung zum Sensor gehöri ger Elektronikschaltungen übertragen werden. In diesem Fall kann aber auch eine von der Elektronikschaltung aufbereitete Meßgröße über die Koppelspulen oder per Funk berührungslos zur Karosserie übertragen werden. Für diese berührungslose Übertra gung von Information und Energie sind vielfältige Anordnungen nach induktiven, kapazitiven, elektromagnetischen oder opti schen Prinzipien Stand der Technik ohnehin. Darüber hinaus wur den Vorschläge bekannt, passiv-funkabfragbare Oberflächenwel len-Drucksensoren als Reifendrucksensoren einzusetzen (Pohl et alii, Drahtlose Messung des Reifenluftdrucks mit passiven OFW-Sensoren, Sensor 97, Tagungsband Vol. 1, pp. 89-94). Noch auf schlußreicher sind Sensoren, welche in den Reifen selber einge baut sind und, über den Reifendruck hinausgehend, vielerlei Spannungs- und Verformungszustände im dynamischen Betrieb er fassen. Solche Sensoren wurden mit Hilfe von Hall-Elementen (Breuer et alii, ATZ) oder mit sehr kostengünstigen kapazitiven Aufnehmer-Arrays (Wobschall, Capacitance-Type Elastomer-Based Three-axis Force Sensor, Sensor 97, Tagungsband Vol. 2, pp. 13-18) verwirklicht.In addition, using the coupling coils listed above additional electrical energy to supply the sensor ger electronic circuits are transmitted. In this case can also be one prepared by the electronic circuit Measured variable via the coupling coils or by radio contactless Body can be transferred. For this contactless transfer The supply of information and energy are diverse arrangements according to inductive, capacitive, electromagnetic or opti State of the art principles anyway. In addition, known the suggestions, passive radio interrogable surface world to use len pressure sensors as tire pressure sensors (Pohl et alii, wireless measurement of tire air pressure with passive SAW sensors, Sensor 97, conference proceedings Vol. 1, pp. 89-94). Still on more conclusive are sensors which are inserted into the tires themselves are built and, in addition to the tire pressure, many things Stress and deformation states in dynamic operation grasp. Such sensors were made using Hall elements (Breuer et alii, ATZ) or with very inexpensive capacitive Transducer arrays (wobschall, capacitance-type elastomer-based Three-axis Force Sensor, Sensor 97, Proceedings Vol. 2, pp. 13-18) realized.
Aufgabe der Erfindung ist es einen besonders effizienten, mon tagegünstigen und leicht herzustellenden Sensor, welcher die oben genannten Anforderungen erfüllt, anzugeben. Die Aufgaben werden mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, weitere Ausge staltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. The object of the invention is a particularly efficient, mon inexpensive and easy to manufacture sensor, which the meets the above requirements. The tasks are solved with the features of claim 1, further out Events of the invention emerge from the subclaims.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere
mit Hilfe eines im Felgenbett des Rades montierten Ultraschall-
Echolotes, bestehend aus einem Ultraschallwandler oder einer
Ultraschall-Wandleranordnung (im folgenden kurz Wandler bzw.
Wandleranordnung genannt) sowie einer elektronischen Betriebs- und
Auswerteschaltung, innerhalb des Reifens den Abstand a zwi
schen Felge und der der Lauffläche des Reifens gegenüberliegen
den Innenfläche des Reifens fortlaufend im statischen und dyna
mischen Fahrbetrieb zu messen und auszuwerten. Insbesondere
soll die durch das "Einfedern" f verursachte Abstandsänderung
Δa (= Änderung Δr des Radradius r an der Meßstelle) sowie de
ren dynamischer Verlauf
The basic idea of the present invention is, in particular with the aid of an ultrasound echo sounder mounted in the rim of the wheel, consisting of an ultrasound transducer or an ultrasound transducer arrangement (hereinafter referred to as transducer or transducer arrangement) and an electronic operating and evaluation circuit within the tire to measure and evaluate the distance a between the rim and the tread of the tire opposite the inner surface of the tire continuously in static and dynamic driving. In particular, the change in distance Δa caused by the “deflection” f (= change Δr in the wheel radius r at the measuring point) and its dynamic course
f(Φ, v, t, . . .) = -Δa(Φ, v, t, . . .) = -Δr(Φ, v, t, . . .)
f (Φ, v, t,...) = -Δa (Φ, v, t,...) = -Δr (Φ, v, t,...)
in Abhängigkeit vom Rad-Drehwinkel Φ, der Geschwindigkeit v, der Zeit t, und von sonstigen relevanten Größen ausgewertet werden.depending on the wheel rotation angle Φ, the speed v, the time t, and evaluated by other relevant variables become.
Für den richtigen Reifendruck ist die Einfederung f aussage kräftiger als der Druck p selbst, weil der optimale Reifendruck je nach Achslast verschieden sein kann. Die aus der erfindungs gemäßen Auswertung der Einfederung abgeleitete Aussage über den Reifendruck kann auch dann einen nicht optimalen oder gar fal schen Reifendruck erkennen, wenn dieser für einen mittleren Be ladungszustand des Fahrzeugs richtig wäre, nicht aber bei einer eventuell gegebenen starken Beladung. Die dementsprechend rich tige Auswertung der Einfederung f und und ihre Anzeige (bzw. davon abgeleiteter Größen) ist eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die vorzugsweise mit Ultraschall durch geführte Messung hat den besonderen Vorteil der leichten Aus wertung der Laufzeiten sowie die Möglichkeit auch andere wich tige Parameter wie Schallgeschwindigkeit und dergln. zu messen.The deflection f is the statement for the correct tire pressure stronger than the pressure p itself, because the optimal tire pressure may vary depending on the axle load. The invention according to the evaluation of the deflection derived statement about the Tire pressure can then be less than optimal or even fall recognize tire pressure if this for a medium load charge state of the vehicle would be correct, but not with one any heavy load. Accordingly rich evaluation of deflection f and and its display (or derived quantities) is a further embodiment of the present invention. The preferably with ultrasound Guided measurement has the particular advantage of being easily off evaluation of the terms and the possibility of other important parameters such as the speed of sound and the like. to eat.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden Abweichungen von der Symmetrie des Einfederungsverlaufes Δf(Φ, v, t, . . .), ins besondere mit Ultraschall gemessen, dazu genutzt, den Kraft schluß des Reifens mit dem Untergrund zu bewerten, um bei spielsweise Glatteis oder rutschige Fahrbahn zu erkennen. Aus weiteren Auswertungen des Einfederungsverlaufes werden auch Ab nutzungszustand des Reifens und andere relevante Reifen- und Fahrbahnparameter für Anzeige- und Regelungszwecke abgeleitet. Dazu werden auch Modellvorstellungen über Reifen und deren Ver halten im Fahrbetrieb zugrundegelegt.According to a development of the invention, deviations from the symmetry of the deflection curve Δf (Φ, v, t,...), ins especially measured with ultrasound, used to measure the force of the tire with the surface to evaluate at for example recognizing black ice or slippery road surface. Out Further evaluations of the deflection course are also from Condition of use of the tire and other relevant tire and Road parameters derived for display and control purposes. Model ideas about tires and their ver keep in mind while driving.
Diese Größen sind insbesondere auch für künftig zu erwartende Systeme, welche es gestatten, den Reifendruck während der Fahrt zu verändern, von hoher Bedeutung, weil sie die Rückmeldung er möglichen, ob der jeweilige Reifenzustand der Fahrweise, der Geschwindigkeit, dem Fahrzeugzustand, den Fahrbahnbedingungen usw. entsprechend richtig eingestellt sind.These sizes are particularly expected for the future Systems that allow tire pressure while driving to change, of great importance because it is the feedback he possible whether the respective tire condition of the driving style, the Speed, vehicle condition, road conditions etc. are set correctly accordingly.
Da bei der Messung des Abstandes a nicht von einer konstanten
Schallgeschwindigkeit c ausgegangen werden kann, wird nach ei
ner weiteren Ausgestaltung der Schallgeschwindigkeitseinfluß
kompensiert, vorzugsweise durch zusätzliche Messung des Abstan
des b eines in bekannter Entfernung zum Sensor angebrachten Re
ferenzreflektors. Unabhängig vom Wert der Schallgeschwindigkeit
gilt bei den gemessenen Laufzeiten, tm zum Meßpunkt sowie tr
zur Referenz:
Since a constant sound velocity c cannot be assumed when measuring the distance a, the influence of sound velocity is compensated for, according to a further embodiment, preferably by additional measurement of the distance of the b of a reference reflector mounted at a known distance from the sensor. Regardless of the value of the speed of sound, the following applies to the measured transit times, t m to the measuring point and t r to the reference:
a = b.tm/tr.a = bt m / t r .
Die dabei erfolgende Bestimmung der Referenzlaufzeit wird ent weder im Hauptstrahl beispielsweise durch einen als Referenzre flektor genutzten Drahtbügel - oder ähnliches - ermittelt oder mittels eines Referenzreflektors in einem Nebenschallweg (auch bereits vorhandene geeignete Flächen wären im Sinne der Erfin dung als Referenzreflektoren nutzbar). Dieser Nebenschallweg kann durch Umlenken eines kleinen Anteils des in die Haupt schallrichtung abgestrahlten Ultraschalls mittels eines kleinen Umlenkspiegels beschallt werden oder aber mit Hilfe von Wand lern, welche durch entsprechende konstruktive Gestaltung (z. B. Anbringen einer Fase), einen kleinen Anteil ihres Schalls in die vorgegebene Richtung zum Referenzreflektor aussenden. Die Schallaussendung zur Referenzmessung kann auch simultan oder sequentiell auf einer anderen Trägerfrequenz erfolgen. Durch Festlegung des Abstandes zum Referenzreflektor wird im Sinne dieser Ausgestaltung erreicht werden, daß Meßecho und Referen zecho zeitlich hinreichend voneinander getrennt sind, damit ei ne simultane Auswertung beider Echos auf einfache Weise ermög licht wird.The determination of the reference term is carried out neither in the main beam, for example by a reference reference used wire bracket - or similar - determined or by means of a reference reflector in a secondary sound path (also Existing suitable areas would be in line with the Erfin usable as reference reflectors). This side sound path can be done by redirecting a small portion of the into the main ultrasound emitted by means of a small Deflecting mirror are sonicated or with the help of a wall learn, which through appropriate constructive design (e.g. Attaching a bevel), a small portion of their sound in send the specified direction to the reference reflector. The Sound emission for reference measurement can also be done simultaneously or take place sequentially on a different carrier frequency. By Determining the distance to the reference reflector is in the sense this configuration can be achieved that measurement echo and Referen zecho are sufficiently separated in time so that egg ne simultaneous evaluation of both echoes made possible in a simple manner light becomes.
Im Sinne einer weiteren Ausgestaltung kann der insbesondere als Ultraschallsensor ausgeführte komplette Sensor oder mindestens Teile wie der/die Ultraschallwandler in einer in der Felge be reits ohnehin vorhandenen oder eigens für diesen Zweck einge brachten Einbuchtung oder Sicke befestigt sein. Durch kompakte Gestaltung der Sensoranordnung und durch Wahl des Einbauortes wird die Wandler- bzw. Sensoranordnung vor Beschädigung bei der Reifenmontage geschützt. Dazu werden auch Abdeckplatten, Schutzbügel und ähnliche Anordnungen zum mechanischen Schutz (z. B. perforierte Abdeckbleche) angebracht. Vorzugsweise wird der Sensor auch so montiert, daß die Schallabstrahlung zunächst im wesentlichen tangential zur Felge erfolgt und erst anschlie ßend durch einen Umlenkspiegel in radiale Richtung gebracht wird. Auf diese Weise wird ein Vorlauf erreicht, welcher insbe sondere die Messung mit sog. monostatischen Wandlern (d. h. ein und demselben Wandler zum Senden und zum Empfang) auch dann ge stattet, wenn der Meß- und der Referenzabstand kleiner als der sog. Blindbereich des Sensors sind. Dabei kann auch durch Nut zung eines reflektierenden Randes dieses Umlenkspiegels oder durch Einbringen einer Unterbrechung in die Spiegeloberfläche (z. B. durch eine Bohrung oder eine Nut) ein stabiler Referenz reflektor realisiert werden.In the sense of a further embodiment, the in particular as Complete sensor or at least ultrasonic sensor Parts like the ultrasonic transducer (s) in one in the rim already existing or used specifically for this purpose brought indentation or bead to be attached. Through compact Design of the sensor arrangement and by choosing the installation location is the transducer or sensor assembly from damage to the Tire mounting protected. Also cover plates, Guard bars and similar arrangements for mechanical protection (e.g. perforated cover plates). Preferably the sensor also mounted so that the sound radiation initially essentially tangential to the rim and only then ßend brought in a radial direction by a deflecting mirror becomes. In this way, a lead is achieved, which in particular especially the measurement with so-called monostatic converters (i.e. a and the same converter for sending and receiving) if the measuring and reference distances are smaller than so-called blind area of the sensor. It can also through groove tion of a reflective edge of this deflecting mirror or by introducing an interruption in the mirror surface (e.g. through a hole or a groove) a stable reference reflector can be realized.
Als Wandler kommen vorzugsweise mit einer akustischen Anpaß schicht versehene Piezokeramikschwinger in Frage, der bevorzugte Frequenzbereich liegt bei 0,2 . . . 1 Mhz. Gut geeignet sind auch elektrostatische Wandler. Die Wandler werden in ihrem Frequenz verhalten sowie hinsichtlich ihres Richtdiagramms an ihre Auf gabe angepaßt, beispielsweise durch eine hohe Richtschärfe oder durch Ausbildung einer Nebenkeule zur Referenzmessung außerhalb des Hauptstrahls. Wandler mit kleiner Apertur werden gemäß ei ner weiteren Ausgestaltung mit Hilfe von Hohlspiegeln (even tuell auch als Umlenkspiegel verwendet) mit geringem Zusatzauf wand mit hoher Richtschärfe versehen. Durch Belegen der Felge ninnenseite mit einem ultraschallabsorbierendem Belag werden schnelleres Abklingen vagabundierender Ultraschallsignale und damit schnellere und genauere Messungen bewerkstelligt.As transducers preferably come with an acoustic adjustment layered piezoceramic transducers in question, the preferred Frequency range is 0.2. . . 1 Mhz Are also well suited electrostatic converter. The converters are in their frequency behave as well as their directional diagram to their up adapted, for example by a high level of sharpness or by forming a side lobe for reference measurement outside of the main beam. Small aperture transducers are manufactured according to ei ner further embodiment with the help of concave mirrors (even sometimes also used as a deflecting mirror) with little additional opening wall with high directional sharpness. By covering the rim inside with an ultrasound absorbing covering faster decay of vagabond ultrasound signals and so that faster and more accurate measurements can be achieved.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein mikromechanischer Ultraschall-Sende-Empfangs-Wandler (bzw. eine mikromechanische Ultraschall-Sende-Empfangs-Wandleranord nung) verwendet und insbesondere mit einer als Integrierter Schaltkreis ausgeführten Elektronikschaltung (ASIC) monoli thisch integriert. Damit wird neben funktionellen Verbesserun gen (besserer Signal-Störabstand usw.) vor allem eine effizien te Fertigung bei hohen Stückzahlen erreicht. Die geringe Richt wirkung auf Grund der kleiner Apertur, welche sich bei solchen Wandlern aus dem kleinen zur Verfügung stehenden Platz auf dem Chip ergibt, kann entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch Einsatz fokussierend geformter Hohlspiegel er heblich verbessert werden (siehe oben).According to a further embodiment of the invention a micromechanical ultrasound transceiver (or a micromechanical ultrasound transceiver transducer arrangement tion) and in particular with an integrated one Circuit executed electronic circuit (ASIC) monoli integrated. In addition to functional improvements (better signal-to-noise ratio, etc.), above all, an efficient Production achieved in large quantities. The low dir effect due to the small aperture, which is in such Walkers from the small space available on the According to a further embodiment, the chip can Invention by using a focusing concave mirror he be significantly improved (see above).
Obwohl die erfindungsgemäße Bestimmung der Einfederung und ih res Verlaufs (über Zeit und Raddrehwinkel), insbesondere mit Ultraschall, an sich schon sehr aussagefähige, d. h. vielfältige Reifen- und Fahrbahnparameter beschreibende, Messungen darstel len, liefert die Ermittlung weiterer reifenbezogener Größen wie die Reifentemperatur, Druck und Dichte der im Reifen einge schlossenen Luft zusätzliche wichtige Größen. Im Sinne einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergibt die Bestimmung des Verhältnisses von Änderung der Einfederung und Änderung von Druck (und/oder Temperatur und/oder Dichte) Hinweise über bei spielsweise Federeigenschaften des Reifens. Eine mit dem erfin dungsgemäßen Sensor gemessene starke Erhöhung der Reifentempe ratur ist ein weiteres Indiz dafür, daß mit dem Reifen etwas nicht in Ordnung ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bestimmung der genannten Zusatzgrößen durch eine detail liertere Auswertung der im erfindungsgemäßen Sensor ohnehin enthaltenen Informationen ermöglicht wird und somit zu diesem Zweck keine weiteren Sensoren erforderlich sind.Although the determination of the deflection and ih res course (over time and wheel rotation angle), especially with Ultrasound, which is itself very meaningful, i.e. H. diverse Describe measurements describing tire and road parameters len, provides the determination of further tire-related sizes such as the tire temperature, pressure and density of the in the tire closed air additional important sizes. In the sense of Another embodiment of the invention results in the determination of Ratio of change in deflection and change in Pressure (and / or temperature and / or density) Notes about at for example spring properties of the tire. One with the invent according to the sensor measured strong increase in tire temperature ratur is another indication that something is wrong with the tire is not okay. It is particularly advantageous if the determination of the additional sizes mentioned by a detail Lated evaluation of the anyway in the sensor according to the invention contained information is made possible and thus to this No further sensors are required for this purpose.
Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entsprechend kann zur Bestimmung der akustischen Impedanz Z (Z = ρ.c) oder Dichte ρ der im Reifen befindlichen Luft die Amplitude der Echos oder die Impedanz der Wandler oder das Abklingen des Sen dewandlers ausgewertet werden. Mit zunehmender Dichte der Luft erhöht sich das Wirkungsgrad-Bandbreite-Produkt der Wandler, welche normalerweise nicht gut an Luft angepaßt sind. Da die Schallgeschwindigkeit nur schwach vom Druck abhängig ist, und zudem aus der Laufzeit auf der Referenzstrecke bestimmt wird, kann die Temperatur der Luft im Reifen aus der gemessenen Schallgeschwindigkeit ermittelt werden (sofern man es nicht vorzieht einen eigenen Temperatursensor zu verwenden, welcher insbesondere im Fall einer integrierten Elektronikschaltung einfach zu verwirklichen ist). Somit kann aus der einer weite ren Ausgestaltung gemäß ermittelten Dichte und der gemessenen Temperatur auch der Druck ermittelt werden. Bei konstruktiver Gestaltung als geschlossener Wandler können mikromechanisch re alisierte Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung zusätzlich zur direkten Druckmessung herangezogen werden, indem die statische Verformung der schallabstahlenden Membran einer solchen Wandleranordnung erfaßt wird.According to a further embodiment of the invention to determine the acoustic impedance Z (Z = ρ.c) or Density ρ of the air in the tire is the amplitude of the Echoes or the impedance of the transducers or the decay of the sen dewandlers can be evaluated. With increasing density of the air the efficiency-bandwidth product of the converters increases, which are usually not well adapted to air. Since the Speed of sound is only weakly dependent on pressure, and is also determined from the running time on the reference route, can measure the temperature of the air in the tire from the measured Speed of sound can be determined (unless you do it prefers to use its own temperature sensor, which especially in the case of an integrated electronic circuit is easy to implement). Thus, one can be wide Ren design according to the determined density and the measured Temperature also the pressure can be determined. With constructive Design as a closed converter can micromechanically re alized ultrasonic transducer according to a further embodiment can also be used for direct pressure measurement by the static deformation of the sound-emitting membrane such a transducer arrangement is detected.
Im Sinne einer Ausgestaltung für eine reifenspezifische genaue re Auswertung der gemessenen Reifenwerte können konstruktions- und typbestimmten Grundparameter der Reifen in den Sensor oder in das die Sensordaten nutzende System eingegeben werden, vor zugsweise unter Nutzung elektrisch lesbarer Datenträger (z. B. Karten mit Magnetstreifen und dergln.). Dazu können insbesonde re auf mit dem Reifen konstruktiv verbundenen Datenträger wie z. B. Bar-Codes oder in die Reifenoberfläche eingeprägte Muster oder Oberflächenwellen-Identifizierungskomponenten und dergln., genutzt werden. Die Nutzung der so eingegebenen Parameter für Auswertealgorithmen, eventuell Fuzzy-Algorithmen oder durch Einbeziehung der Sensorergebnisse in selbstlernende Systeme (Neuronale Netze etc.) entspricht einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.In the sense of a configuration for a tire-specific precise re evaluation of the measured tire values can design and type-determined basic parameters of the tires in the sensor or into the system using the sensor data preferably using electrically readable data carriers (e.g. Cards with magnetic stripes and the like.). In particular, re on data carriers connected to the tire such as e.g. B. bar codes or embossed patterns in the tire surface or surface wave identification components and the like., be used. The use of the parameters entered in this way for Evaluation algorithms, possibly fuzzy algorithms or by Inclusion of the sensor results in self-learning systems (Neural networks etc.) corresponds to a further embodiment the invention.
Der Ablauf der Meßzyklen zeitlich und/oder bezogen auf den Rad drehwinkel ist erfindungsgemäß so abzustimmen, daß zu bestimm ten Radwinkel/Zeiten, zu denen die Einfederung stattfindet, be ginnt und insbesondere ihren Maximalwert erreicht, eine Messung der Einfederung stattfindet. Zur Bestimmung dieser Radwin kel/Zeiten können vorhandene Radsensoren herangezogen werden; es es entspricht aber auch einer weiteren erfinderischen Ausge staltung, die Ergebnisse vorausgegangener Ultraschallmessungen zur Bestimmung der besagten Zeitpunkte zu verwenden, d. h. mit Hilfe der Messungen deren weitere Abfolge zu synchronisieren. The course of the measuring cycles in time and / or in relation to the wheel According to the invention, the angle of rotation is to be coordinated so that it is to be determined wheel angles / times at which deflection takes place starts and in particular reaches its maximum value, a measurement the deflection takes place. To determine this Radwin existing wheel sensors can be used; but it also corresponds to a further inventive feature design, the results of previous ultrasound measurements to use to determine the said times, d. H. With Using the measurements to synchronize their further sequence.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die zeitliche Abfolge der Messungen gegenüber festen Werten des Raddrehwinkels zu ver schieben, um damit den Verlauf der Einfederung besonders fein stroboskopartig abzutasten. Durch unregelmäßige Meßperioden können die Meßzyklen ineinander verschachtelt werden, d. h. es können bereits neue Meßzyklen gestartet werden, bevor die Signale aus vorhergehenden Zyklen vollständig abgeklungen sind. Dies gestattet, die mittlere Meßperiode erheblich zu verkürzen.In addition, it is also possible to change the chronological order of the Measurements against fixed values of the wheel rotation angle to make the deflection particularly fine to scan stroboscopically. Due to irregular measuring periods the measuring cycles can be nested, i.e. H. it new measuring cycles can be started before the Signals from previous cycles have completely subsided. This allows the mean measurement period to be shortened considerably.
Die erfindungsgemäße Messung des Abstandes a, insbesondere mit
Ultraschall, ist nicht nur im dem Bereich des Raddrehwinkels,
in dem die Einfederung stattfindet, sinnvoll sondern während
des ganzen Radumlaufes. Dies ermöglicht eine Reihe weiterer
Ausgestaltungen, wie im folgenden beschrieben:
Durch die Messung am dicht eingefederten Teil des Reifens bzw.
durch Mittelwertbildung über mehrere solcher Werte wird ein Be
zugswert für die Einfederung gewonnen.The measurement of the distance a according to the invention, in particular with ultrasound, is useful not only in the area of the wheel rotation angle in which the deflection takes place, but during the entire wheel revolution. This enables a number of further configurations, as described below:
A reference value for the deflection is obtained by measuring the tightly sprung part of the tire or by averaging over several such values.
Diese Meßwerte (bzw. Mittelwerte) sind selber druckabhängig und können eine zusätzliche Aussage über den Reifendruck, abnut zungszustand und dergln. liefern.These measured values (or mean values) are themselves pressure-dependent and can make an additional statement about the tire pressure, abnormally condition and the like. deliver.
Umfangsschwingungen des Reifens, wie sie bei hohen Fahrge schwindigkeiten auftreten und Fahrkomfort und Fahrsicherheit ungünstig beeinflussen sowie höhere Geräuschentwicklung verur sachen, können im Betrieb direkt meßtechnisch erfaßt werden.Circumferential vibrations of the tire, as in high driving speed and driving comfort and driving safety adversely affect and cause higher noise things can be measured directly in operation.
Zur hochauflösenden Abstandsmessung ist es auch im Sinne einer Ausgestaltung der Erfindung, die Phase empfangener Ultraschall- "Bursts" auszuwerten. Eine weitere erfindungsgemaße kontinuier liche Abtastung wird durch die Messung der Phase der Empfangs signale kontinuierlich ausgesandter Ultraschallwellen ermög licht (Dopplerauswertung, eventuell komplex), Entfernungsein deutigkeit ist durch Frequenzmodulation der ausgesandten Signal zusätzlich erreichbar (FM-CW-Doppler) sowie durch alternieren den Betrieb zwischen gepulsten und kontinuierlichen Signalen (modellgestützte Dopplerauswertung mit aus gepulster Messung bekannten reflektierenden Objekten) möglich. Aus den Spektren der Dopplersignale können auch relevante Aussagen über dynami sche Vorgänge abgeleitet werden. Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zufolge, kann die Einfederung und ihr Verlauf auch durch Integration (Aufsummieren) der Doppler-Phasenver schiebung kontinuierlich und mit hoher Entfernungsauflösung be stimmt werden.For high-resolution distance measurement, it is also in the sense of a Embodiment of the invention, the phase of received ultrasound Evaluate "bursts". Another continuous according to the invention Liche scanning is done by measuring the phase of reception signals of continuously transmitted ultrasound waves enable light (Doppler evaluation, possibly complex), distance Clarity is due to frequency modulation of the transmitted signal additionally reachable (FM-CW-Doppler) and alternate operation between pulsed and continuous signals (Model-based Doppler evaluation with pulsed measurement known reflective objects) possible. From the spectra the Doppler signals can also make relevant statements about dynami processes are derived. Another embodiment According to the invention, the deflection and its course also by integrating (summing) the Doppler phase ver shift continuously and with high range resolution be true.
Während sich der Ultraschallwandler im Inneren des Reifens be finden muß, kann sich Elektronikschaltung auch außerhalb befin den. Die Verbindung zwischen diesen beiden Teilen kann durch eine luftdichte Durchführung durch die Felgenwand erfolgen. Vorteilhafte Alternative ist es auch, die Elektronik zusammen mit dem Ultraschallwandler im Reifeninneren zu montieren. Zur Verbindung mit außenliegenden Teilen der erfindungsgemäßen Sen soranordnung, wie beispielsweise einer radseitigen Koppelspule oder allgemein zu einem radseitigen Koppelelement zur berüh rungslosen Informations- und Energieübertragung wird weiterhin eine luftdichte Durchführung einer elektrischen Verbindung be werkstelligt, falls man es nicht, einem weiteren Erfindungsge danken entsprechend, vorzieht, die Elektronikschaltung durch die Reifenwand hindurch über Funk abzufragen. Einer vorteilhaf ten weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Durchführung der elektrischen Abfragesignale bzw. der Stromversorgung durch ein entsprechend konstruiertes Reifenventil erfolgen, dessen Verschlußkappe kann dementsprechend als elektrischer Anschluß stecker konstruktiv ausgeführt werden.While the ultrasonic transducer is inside the tire electronics circuit can also be found outside the. The connection between these two parts can be made through an airtight passage through the rim wall. It is also an advantageous alternative to combine the electronics to be installed inside the tire with the ultrasonic transducer. For Connection with external parts of the Sen according to the invention sensor arrangement, such as a wheel-side coupling coil or to touch generally to a wheel-side coupling element seamless information and energy transmission will continue an airtight implementation of an electrical connection if you don't, another invention thank accordingly, prefers the electronic circuit through to interrogate the tire wall by radio. An advantageous th further embodiment of the invention can be carried out the electrical query signals or the power supply a suitably designed tire valve, the Accordingly, the cap can be used as an electrical connection be carried out constructively.
Zur berührungslosen Übertragung von Betriebsenergie (zum Sen sor), Steuersignalen und Meßergebnissen ist mindestens ein Übertragungselement (z. B. eine Koppelspule) radseitig und ein entsprechendes Übertragungselement achsenseitig bzw. karosse rieseitig vorzusehen. Zwischen einem solchen Paar von Übertra gungselementen soll die Übertragung stattfinden. Dazu sind vie le Möglichkeiten denkbar: induktive, kapazitive oder optische Übertagung sowie Funkverbindung. Die Übertragungselemente kön nen auf viele unterschiedliche Arten plaziert werden (siehe Fig. 3).For the contactless transmission of operating energy (to the sensor), control signals and measurement results, at least one transmission element (e.g. a coupling coil) must be provided on the wheel side and a corresponding transmission element on the axle side or the body side. The transmission should take place between such a pair of transmission elements. There are many possibilities for this: inductive, capacitive or optical transmission as well as radio connection. The transmission elements can be placed in many different ways (see Fig. 3).
Die Messung des Abstands zwischen Felge und der der Lauffläche gegenüberliegenden Fläche auf der Innenseite des Reifens kann im Sinne der Erfindung auch mittels anderer berührungsloser Ab standssensoren erfolgen. Als solche kommen beispielsweise opti sche Sensoren oder Sensoren, bei denen die erfindungsgemäße Ab standbestimmung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen oder Fel der oder mit Hilfe kapazitiver oder induktiver Funktionsprinzi pien erfolgt, in Frage. Dazu kann inbesondere die Innenseite des Reifens mit geeigneten Oberflächengebungen, Farbanstrichen, funktionellen Anstrichen (z. B. mit Leitlacken, Lacken mit fer romagnetischen Partikeln und dergln.) Aufbringen geeigneter Teile (z. B. Metallfolien, aufgedruckter Spulen und dergln.), Aufbringen von (insbesondere optischer) Mustern in geeigneter Weise markiert oder strukturiert werden. Vorteil der optischen Sensoren ist ihre hohe Meßgeschwindigkeit und ihre Unempfind lichkeit gegenüber den Einflüssen der im Reifen eingeschlosse nen Luft.The measurement of the distance between the rim and that of the tread opposite surface on the inside of the tire in the sense of the invention also by means of other non-contact from level sensors. As such come opti, for example cal sensors or sensors in which the Ab Position determination with the help of electromagnetic waves or fel the or with the help of capacitive or inductive functional principles pien takes place in question. In particular, the inside can do this the tire with suitable surface finishes, paints, functional coatings (e.g. with conductive lacquers, lacquers with fer Romagnetic particles and the like.) Apply more suitable Parts (e.g. metal foils, printed coils and the like), Application of (in particular optical) patterns in a suitable manner Marked or structured in a way. Advantage of optical Sensors is their high measuring speed and their insensitivity sensitivity to the influences of the trapped in the tire air.
An Hand der Figuren werden die Erfindung und deren Weiterbil dungen weitergehend erläutert.The invention and its further development are illustrated by the figures further explained.
Fig. 1 zeigt die Querschnittzeichnung eines Rades bestehend aus Felge FG und Reifen RF. Mit RF' ist der unter der Radlast verformte Reifen, mit VL das Ventil und mit VK die Ventilkappe bezeichnet. Der Durchmesser des unbelasteten Rades ist mit A angegeben, mit r wird der Radius an der Stelle bezeichnet, an der das belastete Rad auf dem Untergrund (Fahrbahn) aufliegt. Fig. 1 shows the cross-sectional drawing of a wheel consisting of rim FG and tire RF. RF 'denotes the tire deformed under the wheel load, VL the valve and VK the valve cap. The diameter of the unloaded wheel is specified with A, with r the radius at the point at which the loaded wheel rests on the ground (road surface).
Die Einfederung des Rades, deren meßtechnische Erfassung Gegen stand vorliegender Erfindung ist, wird mit f gekennzeichnet. Es gilt (f = A/2-r). Mit dL ist die Dicke des Reifens an der Lauffläche bezeichnet, sie wird während des Abrollens als nähe rungsweise konstant angenommen. Der Abstand zwischen Felgenbett und gegenüberliegender Reifeninnenseite ist beim nicht eingefe derten Reifen mit a, beim eingefederten mit a' bezeichnet.The deflection of the wheel, the measurement of which is the subject of the present invention, is marked with f. The following applies (f = A / 2-r). With d L is the thickness of the tire on the tread, it is assumed to be approximately constant during rolling. The distance between the rim well and the opposite inside of the tire is denoted by a in the case of the non-sprung tire and a 'in the sprung-in tire.
In Fig. 2 sind erfindungsgemäße Reifensensoren eingezeichnet, jeweils eine Variante im oberen und unteren Teil des Rades. Im unteren Teil stellt W die im inneren Teil des Reifens an der Felge angebrachte Ultraschallwandleranordnung (einzelner Wand ler oder mehrere Wandler) dar. Diese Wandleranordnung ist mit einer durch die Felge mittels einer Durchführung Df geführten Verbindungsleitung V mit der Elektronikschaltung E des Sensors verbunden. Der von der Wandleranordnung ausgesandte Ultra schall-Hauptstrahl 1 trifft an der Stelle F auf die der Lauf fläche gegenüberliegende Stelle im Reifeninneren auf. Das in Richtung Wandleranordnung reflektierte Echosignal 2 erreicht nach einer abstandsproportionalen Laufzeit die Wandleranordnung und wird mittels der Elektronikschaltung ausgewertet. Zusätz lich wird ein Ultraschallsignal 3 auf einem Nebenweg zum in be kanntem Abstand angebrachten Referenzreflektor Rr ausgesandt, das dadurch hervorgerufene Referenzechos 4 dient zur Eliminie rung des Einflusses der variablen Schallgeschwindigkeit bzw. zur Messung der Lufttemperatur im Inneren des Reifens. Die Va rianten im oberen Teil der Fig. 2 beinhalten Wandleranordnung W' zusammen mit der elektronischen Schaltung E' im Inneren des Reifens, der Referenzreflektor Rr (könnte beispielsweise ein Drahtbügel sein) liegt, mindestens teilweise im Ultraschall- Hauptstrahl 1'. Das Meßecho 2' und das Referenzecho (nicht eingezeichnet) kommen zeitlich nacheinander, daß sie ohne wei teres nacheinander ausgewertet werden können. Die Verbindungs leitungen V' und V'' werden durch das Ventil durchgeführt, ins besondere V'' durch die Ventilkappe, und verbinden die Anordnung innerhalb des Reifens mit außenliegenden mit der Felge verbun denen (Schaltungs-)Anordnungen welche vorzugsweise zur Übertra gung von Meßwerten und Betriebsenergie dienen können. Selbst verständlich können im Sinne der Erfindung Teile der oberen Va riante mit Teilen der unteren Variante in beliebiger sinnvoller Weise kombiniert werden.In Fig. 2 tire sensors according to the invention are shown, each a variant in the upper and lower part of the wheel. In the lower part, W represents the ultrasonic transducer arrangement (individual transducer or several transducers) attached to the rim in the inner part of the tire. This transducer arrangement is connected to the electronic circuit E of the sensor by a connecting line V through the rim by means of a bushing Df. The ultrasound main beam 1 emitted by the transducer arrangement strikes at point F on the point opposite the running surface in the interior of the tire. The echo signal 2 reflected in the direction of the transducer arrangement reaches the transducer arrangement after a distance that is proportional to the distance and is evaluated by means of the electronic circuit. In addition, an ultrasound signal 3 is emitted on a side path to the reference reflector R r , which is attached at a known distance, and the reference echoes 4 which are thereby caused are used to eliminate the influence of the variable speed of sound or to measure the air temperature inside the tire. The variants in the upper part of FIG. 2 include transducer arrangement W 'together with the electronic circuit E' inside the tire, the reference reflector R r (could be a wire bracket, for example) is at least partially in the main ultrasound beam 1 '. The measurement echo 2 'and the reference echo (not shown) come one after the other in time so that they can be evaluated one after the other without further teres. The connecting lines V 'and V''are carried out by the valve, in particular V''through the valve cap, and connect the arrangement within the tire to the outside with the rim, which (circuit) arrangements are preferably used for the transmission of measured values and operating energy can serve. Of course, parts of the upper Va riante can be combined with parts of the lower variant in any meaningful way in the sense of the invention.
Fig. 3 zeigt schematisch einige Möglichkeiten, den radgebunde nen Sensor (wie in Fig. 2 eingezeichnet) berührungslos mit achs- bzw. karosserieverbundenen Übertragungseinrichtungen zu verbinden, um Meßwerte, Steuersignale und Betriebsenergie zu übertragen. Dabei sind ÜR, Ü'R, . . ., Ü''''R radgebundene Übertra gungseinrichtungen und ÜA, Ü'A, Ü''A, Ü'''A die entsprechenden achsseitigen sowie Ü''K und Ü''''K die entsprechenden karosserie seitigen Übertragungs-Gegenstücke. 5 bzw. 5' kennzeichnen Funk-Übertragungswege, 5' verbindet insbesondere eine im Inneren des Reifens plazierte radseitige Übertragungseinheit mit einem außenliegenden Gegenstück. Mit AR ist ein eventuell aufzubrin gender schallabsorbierender Belag bezeichnet. Fig. 3 shows schematically some ways to contact the wheel-bound sensor (as shown in Fig. 2) contactless with axially or body-connected transmission devices to transmit measured values, control signals and operating energy. Here are Ü R , Ü ' R ,. . ., Ü '''' R wheel-bound transmission devices and Ü A , Ü ' A , Ü'' A , Ü''' A the corresponding axle-side and Ü '' K and Ü '''' K the corresponding body-side transmission Counterparts. 5 and 5 'identify radio transmission paths, 5 ' connects in particular a wheel-side transmission unit placed inside the tire with an external counterpart. AR is used to denote a possibly sound absorbing covering.
f Einfederung
a, a' Abstand zwischen Felgenbett und gegenüberliegender
Reifen-Innenwand, nicht eingefedert und eingefedert
Δa Veränderung von a
b Abstand zu Referenz-Reflektor
Φ Rad-Drehwinkel
v Geschwindigkeit
c Schallgeschwindigkeit
t Zeit
z akustische Impedanz
ρ Dichte
tm, tr Laufzeit des Meßsignals, bzw. des Referenzsignals
FG Felge
RF, RF' Reifen, dto. im eingefederten Zustand
VL Ventil
VK Ventilkappe
A Raddurchmesser
r Abstand Radachse - Fahrbahn (Radradius)
dL f deflection
a, a 'Distance between the rim well and the opposite inner wall of the tire, not compressed and compressed
Δa change of a
b Distance to reference reflector
Φ wheel rotation angle
v speed
c speed of sound
t time
z acoustic impedance
ρ density
tm, tr transit time of the measurement signal or the reference signal
FG rim
RF, RF 'tires, dto. In the sprung condition
VL valve
VK valve cap
A wheel diameter
r Distance between wheel axis and road surface (wheel radius)
d L
Dicke der Reifenwand an der Lauffläche
W, W' Ultraschallwandler, Ultraschallwandleranordnung
E, E' Elektronikschaltung
V-V'' Elektrische Verbindungsleitung
F, F' Auftreffpunkt d. Meßstrahls
Thickness of the tire wall on the tread
W, W 'ultrasonic transducer, ultrasonic transducer arrangement
E, E 'electronic circuit
V-V '' electrical connection cable
F, F 'impact point d. Measuring beam
11
; ;
22nd
Ultraschall-Meßstrahl; Meß-Echo
Rr Ultrasonic measuring beam; Measurement echo
R r
, R'r , R ' r
, Referenz-Reflektoren
, Reference reflectors
33rd
; ;
44th
Ultraschall-Referenzstrahl; Referenz-Echo
ÜR Ultrasound reference beam; Reference echo
Ü R
-ÜR -Ü R
'''' radseitige Koppelelemente
ÜA '''' coupling elements on the wheel side
Ü A
-ÜA -Ü A
'''' achsseitige Koppelelemente
Df Durchführung
ÜK '''' Axial coupling elements
Df implementation
Ü K
'', ÜK '', T K
'''' karosserieseitige Koppelelemente
AR schallabsorbierender Belag
'''' Body-side coupling elements
AR sound absorbing surface
Claims (38)
- - im von Reifen und und Felge gebildeten Reifeninnenraum der Abstand zwischen der Reifeninnenwand an der Lauffläche und der Felge an einem oder mehreren Punkten gemessen wird,
- - die Veränderung dieses Abstandes während des Reifenabrol lens erfaßt und zur Bestimmung der Einfederung des Reifens ver wendet wird.
- the distance between the tire inner wall on the tread and the rim is measured at one or more points in the tire interior formed by the tire and rim;
- - The change in this distance during the Reifenabrol lens detected and ver used to determine the deflection of the tire.
- - die Ultraschall- bzw. Lichtaussendung nahezu tangential zur Felge angeordnet ist und
- - einen Umlenkspiegel zur Umlenkung in die radiale Richtung vorgesehen ist.
- - The ultrasound or light emission is arranged almost tangentially to the rim and
- - A deflection mirror is provided for deflection in the radial direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19744611A DE19744611A1 (en) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | Sensor for detecting tire condition in motor vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19744611A DE19744611A1 (en) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | Sensor for detecting tire condition in motor vehicle |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19744611A1 true DE19744611A1 (en) | 1999-04-15 |
Family
ID=7845055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19744611A Withdrawn DE19744611A1 (en) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | Sensor for detecting tire condition in motor vehicle |
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| Country | Link |
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