DE10007558A1 - System zur Ermittlung des optimalen Reifendrucks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung oder ein System zur Ermittlung des Sollwerts des Reifenluftdrucks und des Reifenzustandes für ein Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug mit luft- oder gasgefüllten Roll- oder Laufrädern und mindestens einem Sensor zur Bestimmung des Istwerts des Reifenluftdrucks und mindestens einem weiteren Sensor zur Bestimmung von Fahrwerks- oder Umweltmesswerten und mindestens einer Auswerteeinheit. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reifenluftdrucksensor ständig Messwerte an die Auswerteeinheit übermittelt, dass der weitere Sensor Messwerte liefert, welche sich den Messwerten des Reifenluftdrucksensors zeitlich zuordnen lassen, dass die Auswerteeinheit die beiden Messwerte miteinander vergleicht oder in ein Fahrwerksmodell einspeist, dass die Ergebnisse des Vergleichs oder die aus dem Fahrwerksmodell hergeleiteten Daten genutzt werden, um dem Fahrer einen Vorschlag für den für seine Nutzungsart und Fahrweise sinnvollen Reifenluftdruck oder Reifentyp zu machen oder Warnhinweise, basierend auf den aktuellen Fahrwerksverhältnissen, zu geben.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den für eine bestimmte Fahrweise und Nutzungsart eines Kraftfahrzeugs optimalen Reifenluftdruck dynamisch zu bestimmen.

Bisher wird der für einen bestimmten Kraftfahrzeugtyp erforderliche Reifenluftdruck zumeist an­ hand einer Tabelle eingestellt, die in vielen Versuchsreihen vom Fahrzeughersteller oder Reifenher­ steller ermittelt wurde. Diese Tabelle enthält üblicherweise Angaben zur Beladung, berücksichtigt aber weder die individuelle Fahrweise noch zum Beispiel die im üblichen Nutzungsbereich des Kraftfahrzeugs vorkommenden Straßenverhältnisse. Auch typische witterungsbedingte Einflüsse wie ein Betrieb des Fahrzeugs im Hochgebirge bleiben in der Tabelle im allgemeinen unberücksich­ tigt.

Aus dem Rennsport ist jedoch bekannt, daß eine individuelle Anpassung des Reifenluftdrucks an die Strecke und die individuelle Fahrweise des Fahrers erhebliche Vorteile zum Beispiel in Hinblick auf das Traktionsverhalten oder das Bremsverhalten hat. Daneben bedeuten weichere Reifen einen erhöhten Abrollkomfort, der allerdings wieder zu Lasten des Verbrauchs geht.

Eine individuelle Ermittlung des für den jeweiligen Fahrstil und die übliche Nutzungsweise sinn­ vollen Reifenluftdrucks ist jedoch für den Normalfahrer nicht zumutbar. Eine automatische Ermitt­ lung wäre daher ebenso wünschenswert wie auch Warnhinweise zum Reifenzustand oder Vorschlä­ ge zur Auswahl geeigneter Reifen oder zur Erneuerung dieser.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch das in Patentanspruch 1. beschriebene System gelöst, dessen Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird:

Das System erhält ständig Informationen über den aktuellen Reifenluftdruck sowie Informationen von weiteren Fahrwerkssensoren. In Zeichnung 1 ist dies beispielhaft für ein einzelnes Rad darge­ stellt. Der Reifendruck kann beispielsweise drahtlos kontinuierlich von der Auswerteeinheit abge­ fragt werden, ein solches System ist im Patent DE 197 02 768 desselben Erfinders beschrieben. Im Rahmen dieser Übertragung kann ebenfalls die Reifenlufttemperatur übertragen werden. In der Zeichnung ist dies durch die drahtlos angebundenen Sensoren DS1 für den Reifenluftdruck und TS1 für die Reifenlufttemperatur sowie den gemeinsamen Empfänger E1 symbolisch dargestellt. Dane­ ben wird beispielsweise das Tachosignal vom Sensor VS1 ebenfalls an die Auswerteeinheit R1 (Rechner mit Mikrocomputer) übermittelt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden zudem Signale über den aktu­ ellen Federweg in die Auswerteeinheit übertragen.

Im Speicher des Mikrocomputers der Auswerteeinheit sind nun Kennfelder abgelegt, welche anhand von Versuchsreihen ermittelt wurden. Mit diesen Kennfeldern sowie der Gleichung des allgemeinen Gasgesetzes wird nun durch einen zeitlichen Vergleich der gemessenen Temperatursteigerung im Reifen nach Fahrtantritt mit der voreilenden Drucksteigerung ebenfalls infolge der Temperaturer­ höhung und der Fahrtgeschwindigkeit sowie deren Zeitableitung zur Bestimmung der Beschleuni­ gungs- und Bremsvorgänge abgelesen, inwieweit die Temperaturerhöhung im Reifen direkt durch die lokale Erwärmung der Lauffläche oder durch die Erwärmung der Felge infolge insbesondere von Bremsvorgängen und der Abstrahlung der Bremsleistung auf die Felgen resultiert. Da in beiden Fällen ein jeweils anderer Wärmetransportmechanismus vorliegt, wird sich dies an einem unter­ schiedlichen Zeitverhalten, insbesondere im Verhältnis der lokalen Temperaturmessung des Reifen­ luftdrucksensors an der Felge im Vergleich zur indirekten Messung der Lufttemperatur im Reifen über das allgemeine Gasgesetz mittels des Reifenluftdrucks bemerkbar machen. Aus diesem Unterschied kann die direkt in der Lauffläche erzeugte Walkleistung errechnet werden und bei zu hoher Walkleistung ein Hinweis zur Erhöhung des Luftdrucks gegeben werden.

Um eine möglichst direkte Messung der Felgentemperatur zu ermöglichen, wird der Sensor ver­ nünftigerweise auf die Felge geklebt, z. B. mittels einer Abziehklebefolie. Denkbar ist auch ein wei­ terer Temperaturkanal, z. B. für die getrennte Übertragung der Felgentemperatur und der sensor­ nahen Reifenlufttemperatur, um den Wärmefluss kontrollieren zu können und gleichzeitig über den verzögerten Temperaturanstieg eine Überwachung des temperaturbedingten Druckanstiegs und somit der insgesamt vorhandenen Luftmasse im Reifen durchführen zu können. Sollte die Luft­ masse unerwartet abnehmen, so kann schon sehr frühzeitig eine Warnmeldung gegeben werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die so ermittelte Walkleistung zusammen mit der mittleren Fahrgeschwindigkeit, der Spitzengeschwindigkeit und dem Beladungs­ zustand in ein mathematisches Fahrwerksmodell eingespeist, um so zum Beispiel bei hoher Bela­ dung den Hinweis zur Druckerhöhung noch frühzeitiger geben zu können. Umgekehrt kann dieses Modell bei zu heftigen Federschlägen, welche sich aus den von den Federwegsensoren gelieferten Daten und deren ersten und zweiten Zeitableitungen ergeben können, eine Komforterhöhung durch Absenkung des Reifenluftdrucks vorschlagen.

Dazu kann dieses Modell im Rahmen einer was-wäre-wenn-Optimierung auch mit verschiedenen theoretischen Reifenluftdruckwerten die Folgen für das Fahrverhalten durchspielen und dieses gegen Zielwerte vergleichen. Mittels der aus der Mathematik und Informatik bekannten Opti­ mierungsmethoden, insbesondere Gradientenverfahren, evolutionären Algorithmen, dynamischer Optimierung oder neuronaler Netzwerke läßt sich dann ein Reifenluftdruckwert nahe dem Optimum ermitteln.

Natürlich kann ein solches Modell andererseits auch genutzt werden, um die Kennfelder zur Ermitt­ lung der Walkleistung und anderer Parameter durch eine genauere Lösung zu ersetzen. Dabei können auch Korrelationsverfahren, insbesondere Kreuz- und Autokorrelationen zum Einsatz kommen, welche wiederum auch die Modellparameter verbessern helfen können, bis hin zu einem selbstlernenden System, welches sich an die typische Nutzungsart und Fahrweise dieses Fahrzeugs anpaßt.

Zusammen mit den Korrelationsverfahren können für diese Erfindung auch bevorzugt Prädiktor­ filter zur Vorhersage von Größen verwendet werden, hier sind als Basis Wiener-Hopf und Kalman- Filter sowie deren dynamische Anpassung mittels der Autokorrelationsfunktionen besonders gut ge­ eignet.

Die aus den Fahrwerksmodell resultierenden Ergebnisse werden sinnvollerweise noch einer statisti­ schen Behandlung, insbesondere Mittelwertbildung und Kontrolle der Standardabweichung unterzo­ gen, um kurzeitige Ausreißer zu unterdrücken. Danach können die Ergebnisse zur Generierung von Hinweisen und Warnmeldungen an den Fahrer genutzt werden, in der Zeichnung ist dies durch das Display D1 symbolisiert, auf dem gleichzeitig der Soll- und der Istwert des Reifenluftdrucks gegen­ übergestellt werden. Dabei sollte sich der vorgeschlagene Reifenluftdruck nur innerhalb eines fahr­ werkspeziflschen Wertebereichs bewegen, diese Einschränkung kann leicht mittels Software pro­ grammiert werden.

Als Warnmeldungen bieten sich insbesondere Hinweise zur Reduzierung der Höchstgeschwindig­ keit bei drohender Strukturüberlastung des Reifens infolge hoher Walkleistung oder übermäßiger Belastung an, daneben sind Aquaplaningwarnungen bei an der Verschleißgrenze befindlichen. Reifen sowie Wechselhinweise zu den Reifen denkbar. Ebenso könnte die erwartete Restlebens­ dauer angezeigt werden und ein Hinweis bei einer Fahrweise gegeben werden, die die Gefahr einer Vergeringerung der Reifenlebensdauer birgt.

Dazu kann auch die Information von Gierraten- und Beschleunigungssensoren zur weiteren Erken­ nung der Ursache der Erwärmung der Lauffläche besonders vorteilhaft sein, besonders um ein Driften des Fahrzeugs quer zur Laufrichtung zu erkennen. Der Außenluftdruck kann dabei ebenso wie die Außentemperatur zur Korrektur der gemessenen Größen nach dem Gasgesetz herangezogen werden. Daneben bietet sich auch an, einen Betrieb des Fahrzeugs im Hochgebirge ebenfalls anhand des Außenluftdrucks zu erkennen und im Fahrwerksmodell, insbesondere bei zudem niedriger Außentemperatur, beispielsweise durch höhere Gewichtung der Traktion zu berücksichtigen.

Die Messwerte der Sensoren stehen häufig auf einem Fahrzeugdatenbus, insbesondere CAN-Bus zur Verfügung, ebenso kann der vorgeschlagene Reifenluftdruck und ein eventuell vorliegender Warnhinweis mit dem CAN-Bus zur Anzeige auf dem Armaturenbrett (Instrumententräger) sicher übermittelt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung oder System zur Ermittlung des Sollwerts des Reifenluftdrucks und des Reifenzu­ standes für ein Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug mit luft- oder gasgefüllten Roll- oder Laufrädern und mindestens einem Sensor zur Bestimmung des Istwerts des Reifenluftdrucks und mindestens einem weiteren Sensor zur Bestimmung von Fahrwerks- oder Umweltmeßwerten und mindestens einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Bordcomputer, dadurch gekennzeichnet, dass (1) der Reifenluftdrucksensor ständig Messwerte an die Auswerteeinheit übermittelt, dass (2) der weitere Sensor Messwerte liefert, welche sich den Mess werten des Reifenluftdrucksensors zeit­ lich zuordnen lassen, dass (3) die Auswerteeinheit die beiden Messwerte miteinander vergleicht, insbesondere durch Korrelation oder Kennfelder, oder in ein Fahrwerksmodell einspeist, dass (4) die Ergebnisse des Vergleichs oder die aus dem Fahrwerksmodell hergeleiteten Daten genutzt werden, um dem Fahrer einen Vorschlag für den für seine Nutzungsart und Fahrweise sinnvollen Reifenluftdruck oder Reifentyp zu machen oder Warnhinweise basierend auf den aktuellen Fahr­ werksverhältnissen zu geben, besonders zur angemessenen Fahrweise oder zu Wartungsmaß­ nahmen, insbesondere zur Reduzierung der Höchstgeschwindigkeit bei drohender Strukturüber­ lastung der Reifen oder drohendem Aquaplaning bei schlechtem Reifenzustand.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierenden Istwerte abgeleite­ ter Parameter aus dem Fahrwerksmodell, insbesondere Walkleistungen, Traktionswerte oder Verbrauchsschätzungen, rechnerisch gegen Zielwerte verglichen werden und mittels Simulation mit modifizierten Eingangswerten eine Optimierung der simulierten Eingangswerte zum aktuelle Fahrwerksmodell vorgenommen wird und dass diese optimierten möglichen Eingangswerte, ins­ besondere der angestrebte Reifenluftdruck, dem Fahrer präsentiert oder für weitere Regelsysteme bereitgestellt werden.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksmodell unter Verwen­ dung der Istwerte des Reifenluftdrucksensors und der Istwerte des oder der weiteren Sensoren an die tatsächlichen Gegebenheiten ständig angepasst wird, indem die vom Modell vorhergesagten Messwerte für den oder die weiteren Sensoren gegen dessen Istwert verglichen werden und das Modell so angepaßt wird, dass der Istwert mit dem berechneten Wert möglichst gut überein­ stimmt.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung des Fahrwerks­ modells mittels eines Gradientenverfahrens, eines evolutionären Algorithmus, mittels dynami­ scher Optimierung oder eines künstlichen neuronalen Netzes vorgenommen wird, wobei diese Verfahren auch in ihrer selbstlernenden Form genutzt werden können.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksmodell unter Nutzung eines Prädiktionsfilters, insbesondere für die Berechnung der nur mit Verzögerung messbaren Lufttemperatur im Reifen, gebildet wird, wobei der Filter im Rahmen eines Lernvorganges dyna­ misch an die erhaltenen Messwerte angepasst wird, indem die vorhergesagten mit den tatsächli­ chen Messwerten verglichen werden. Die dynamische Anpassung des Prädiktionsfilters kann hierbei inbesondere durch die Verwendung von Autokorrelationsfunktionen der Messwerte in einem linearen Gleichungssystem angepasst werden. Als Filter sind parametrisierbare Wiener- Hopf-Filter oder Kalman-Filter besonders gut geeignet.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeschlagene Reifenluftdruck durch Anwendung statistischer Funktionen, insbesondere Mittelwertbildung und Standardab­ weichung und lineare Regression, auf die Vergleichsergebnisse oder Fahrwerksmodellparameter berechnet wird, wobei auch zusätzliche Werte aus Erfahrungswerttabellen oder Kennfeldern in diese Berechnung einfließen können.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des vorliegenden Reifen­ druckistwerts und weiterer Istwerte, insbesondere Fahrgeschwindigkeit und Beladungszustand, anhand des Fahrwerksmodell für das Fahrverhalten und die Reifenlebensdauer wesentliche Para­ meter, insbesondere die Walkleistung pro Reifen, berechnet werden und bei einer deutlichen Verschlechterung dieser Parameter dem Fahrer vorzeitig eine Warnmeldung gegeben wird, ins­ besondere dann, wenn durch die Fortrechnung der Messwerte Anlaß zur Besorgnis besteht, dass ein Reifenschaden in naher Zukunft eintreten könnte oder die Reifenlebensdauer deutlich ver­ kürzt werden könnte.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei deutlichen Abweichungen des be­ rechneten Reifendrucksollwerts vom Istwert oder bei zeitlich schnellen Abweichungen des Soll­ werts vom Istwert dem Fahrer vorzeitig eine Warnmeldung gegeben wird, insbesondere dann, wenn durch die Fortrechnung der Messwerte Anlaß zur Besorgnis besteht, dass ein Reifen­ schaden in naher Zukunft eintreten könnte.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Temperatur­ sensor für die Reifenlufttemperatur, Felgentemperatur oder Umgebungstemperatur ist.

10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Geschwindig­ keitssensor für die Fahrgeschwindigkeit ist.

11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Wegsensor für den Stoßdämpferweg oder Fahrwerkschwingungsdämpferweg oder Federweg oder Gasfeder­ druck ist, aus dem insbesondere der aktuelle Beladungszustand oder Informationen über den Grad der Schlagdämpfung durch den Reifen abgeleitet werden können.

12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Beschleuni­ gungssensor für lineare Momente oder Drehmomente ist.

13. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor ein Sensor für den Umgebungsluftdruck ist.

14. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der Sensoren über ein Bussystem für die Auswerteeinheit bereitgestellt werden und somit auch von anderen Fahrzeug­ systemen genutzt werden können.

15. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Auswerteeinheit errechne­ ten Werte auch an andere Fahrzeugsysteme übermittelt werden, insbesondere über ein Bus­ system.

16. System nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwicklung der Lufttem­ peratur im Reifen anhand des steigenden Luftdrucks im Reifen und der bisher gemessen Tempe­ ratur unter Ausnutzung des allgemeinen Gasgesetzes vorhergesagt wird, wobei diese Berechnung einerseits zusätzlich anhand der Fahrgeschwindigkeit und deren Ableitung nach der Zeit zur Be­ rechnung der Walkleistung in der Lauffläche und der von den Bremsscheiben abgestrahlten Wär­ meleistung korrigiert werden kann und andererseits die Lufttemperatur mit diesen Parametern in einem Fahrwerksmodell auch in Zusammenhang gestellt werden kann.

17. System nach Anspruch 1 oder Ansprüchen 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Funk­ tionen dieses Systems, insbesondere die Berechnungs- und Vergleichsfunktionen, ganz oder teil­ weise unter Verwendung eines Mikrocomputers, Mikrocontrollers oder Signalprozessors in Soft­ ware realisiert werden.