DE10321060A1

DE10321060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Reifendrucks

Info

Publication number: DE10321060A1
Application number: DE2003121060
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Becherer; Volker Dr. Härtel; Heinrich Huinink
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2003-05-10
Filing date: 2003-05-10
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Reifendruckes in Fahrzeugrädern, bei dem ein Sensor (1) die radiale Deformation des Reifens (10) erfasst und aus einer Veränderung der Deformation über einen Vergleich mit einer Referenzgröße eine Veränderung des Reifeninnendruckes ermittelt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine präzise Überwachung des Reifeninnendruckes möglich ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass gleichzeitig die Veränderung der Radlast der jeweiligen Radaufhängung ermittelt wird, die bei der Ermittlung des Reifeninnendruckes aufgrund der Deformation berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Reifendruckes in Fahrzeugrädern, bei dem ein Sensor die radiale Deformation des Reifens erfasst und aus einer Veränderung der Deformation über einen Vergleich mit einer Referenzgröße eine Veränderung des Reifeninnendruckes ermittelt wird. Weiterhin umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung des Reifendruckes in Fahrzeugrädern, mit einem Sensor zur Messung der radialen Reifendeformation und eine mit dem Sensor verbundenen Auswerteschaltung zur Auswertung der von dem Sensor übermittelten Signale.

Aus der DE 39 09 466 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Reifendruckes bekannt, bei dem ein Sensor an einer Radaufhängung eines Fahrzeuges befestigt ist. Der Sensor mißt den Abstand zwischen Fahrbahn und einer vorgegebenen Stelle der Radaufhängung, und der ermittelte Abstand wird mit einem Normalabstand verglichen. Aus der Veränderung des Abstandes wird auf eine Veränderung des Reifeninnendrucks, insbesondere einen Druckverlust, geschlossen.

Nachteilig an dieser Vorrichtung oder dem Verfahren ist die Tatsache, dass bei einer erhöhten Beladung sich zwar der Abstand von der Radaufhängung zum Boden verändert, dies jedoch nicht auf einen Druckverlust in dem Reifen zurückzuführen ist. Ebenfalls werden die Deformationen aufgrund dynamischer Radlasten nicht berücksichtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine präzise Überwachung des Reifeninnendruckes möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst, indem ein Sensor für die Bestimmung der Radlast vorgesehen ist, die bei der Berechnung des Reifeninnendruckes berücksichtigt wird.

Vorteilhafterweise wird die Reifendeformation berührungslos gemessen, beispielsweise optisch oder akustisch. Die Radlast kann über einen Kraftsensor oder über die Veränderung des Abstandes der Radachse zur Karosserie bestimmt werden, vorzugsweise ebenfalls berührungslos und zwar bevorzugt optisch oder akustisch. Die berührungslose Messung der Reifendeformation und der Veränderung des Abstandes der Radachse zur Karosserie wird aus Kostengründen mit Vorteil über einen gemeinsamen Sensor bestimmt, wobei bei akustischer Bestimmung der Reifendeformation und/oder der Radlast ein Referenzobjekt vorgesehen ist, anhand dessen die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sensor den Abstand zwischen einem fahrzeugfesten bzw. karosseriefesten Punkt und der Radachse mißt, wobei aus der Veränderung des Abstandes der Radachse zu der Karosserie die jeweilige Radlast, vorzugsweise über die Federkonstante der Radaufhängung, ermittelt wird. Die ermittelte Radlast wird bei der Ermittlung des Reifeninnendruckes bzw. bei der Bestimmung der Veränderung des Reifeninnendruckes aufgrund der De formation nicht berücksichtigt.

Auf diese Weise wird erreicht, dass statische und dynamische Radlaständerungen bei der Bestimmung des Reifendruckes erfasst werden, so dass unabhängig von dem Beladungszustand des Fahrzeuges oder Belastungen während der Fahrt, beispielsweise bei schneller Kurvenfahrt oder im off-road-Betrieb, eine korrekte Überwachung möglich ist.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Sensor zu der jeweiligen Radachse radial fest beabstandet ist und gleichzeitig den Abstand zum Boden und zur Karosserie erfasst, wobei über die Veränderung des Abstandes zum Boden auf die Deformation und daraus auf die Veränderung des Reifeninnendruckes geschlossen werden kann und über die Veränderung des Abstandes zur Karosserie auf die Einfederung und daraus auf die Veränderung der Radlast geschlossen werden kann. Die Anbringung des Sensors kann entweder an einem Radträger oder der Radaufhängung oder an dem Rad selber stattfinden, wobei bei einer Anbringung an dem Rad die Veränderung des Abstandes aufgrund der Raddrehung bei der Auswertung berücksichtigt werden muss.

Als weitere Alternative bietet es sich an, die Radlast mit einem gesonderten Sensor zu erfassen, entweder mit einem Kraftsensor z.B. in einem Federbein, oder mit einem Wegsensor, der die Einfederung des Federbeins mißt, z.B. integriert in eine Luftfeder. Im Falle der Luftfeder müßte dann zusätzlich der Luftdruck in der Feder erfaßt werden.

Alternativ dazu ist vorgesehen, dass ein Sensor an der Karosserie befestigt ist und die Entfernung zu einem karosseriefesten Referenzobjekt, z. B. einem Kalibrierbügel, ermittelt und ebenso die Entfernung zu einem Radträger bzw. der Radachse und dem Boden bestimmt. Aus diesen drei Entfernungen wird durch eine entsprechende Subtraktion die Deformation des Reifens und die Radlast bestimmt, so dass hieraus auf die Veränderung des Reifendruckes bzw. auf den Reifendruck selbst geschlossen werden kann, wenn ein bekannter Reifendruck zu Beginn des Verfahrens als Normwert oder Referenzgröße ermittelt und eingegeben wird.

Vorteilhafterweise wird die Veränderung der Deformation und/oder des Radachsenabstandes zum Boden berührungslos, insbesondere über optische oder akustische Sensoren bestimmt. Insbesondere ist eine Bestimmung über Ultraschall vorgesehen.

Ebenfalls ist die Messung der Veränderung des Abstandes der Radachse zur Karosserie und damit die Bestimmung der dynamischen oder statischen Radlast aufgrund der Einfederung des Fahrzeuges über eine berührungslose Messung vorgesehen, insbesondere über optische oder akustische Sensoren, wobei die Sensoren zur Bestimmung des Abstandes von der Radachse zum Boden bzw. der Deformation des Reifens in radialer Richtung auch zur Bestimmung der Veränderung des Abstandes der Radachse zur Karosserie bzw. zu einem festen Referenzobjekt verwendet werden können. Alternativ dazu kann in der Radaufhängung ein Winkelgeber angeordnet sein, über den die Einfederung und damit die Radlast bestimmt werden kann.

Die Referenzgröße, hinsichtlich der der Reifeninnendruck aufgrund der Veränderung der Deformation bestimmt wird, wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Reifentyp festgelegt, da aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsverhältnisse und der Reifentypen eine Veränderung des Reifeninnendruckes unterschiedliche Auswirkungen auf den Abstand von der Radachse zum Boden hat.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Proportionalitätsverhalten zwischen dem Sensorsignal und dem Reifeninnendruck ermittelt wird und zur Berechnung des Reifeninnendruckes aufgrund der Deformation des Reifens verwendet wird. Es wird also eine reifenabhängige Meßkurve aufgenommen, bei der der Reifendruck erhöht bzw. verringert wird und das korrespondierende Sensorsignal ermittelt und dem entsprechenden Reifendruck zugeordnet wird. Auf diese Weise kann nicht nur eine qualitative sondern auch eine quantitative Bestimmung des Reifeninnendruckes erfolgen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 – einen schematischen Aufbau einer Radaufhängung; und
2 – ein Diagramm der Ausgangsspannung des Sensors.
Die 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Radaufhängung mit einem Reifen 10, der über einen Radträger 6 mit der nicht dargestellten Karosserie verbunden ist. Über ein Federbein 20 wird die Radaufhängung und damit der Reifen 10 gegenüber der Karosserie abgestützt.
Ein Sensor 1, vorzugsweise ein Ultraschallsensor mit Sender und Empfänger, ist an einem karosseriefesten Punkt angeordnet und sendet Schallwellen in Richtung auf den Boden 5 aus. Ebenfalls werden Schallwellen in Richtung auf einen Referenzbügel 2, einen alternativen Reflexionspunkt 3 zur Kalibrierung sowie auf einen Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6 gesendet.
Bei der vorliegenden Ausführung ist der Abstand von dem Sensor 1 zu dem Reflexionspunkt des Referenz- oder Kalibrierbügels 2 oder der Abstand von dem Reflexionspunkt 4 des Radträgers 6 und dem alternativen Reflexionspunkt 3 bekannt. Somit liegen insgesamt vier Laufzeiten vor, nämlich die Laufzeiten von dem Sensor 1 zu dem Referenzbügel 2 bzw. zu dem alternativen Reflexionspunkt 3 zur Kalibrierung, die Laufzeit von dem Sensor 1 zum Reflexionspunkt 4 des Radträgers 6 und die Laufzeit von dem Sensor 1 bis zum Boden 5.
Anhand eines Quotientens aus dem bekannten Abstand des Sensors 1 zum dem Referenzbügel 2 und der Laufzeit von dem ausgesendeten Signal bis zur Reflexion kann die Schallgeschwindigkeit Vs bestimmt werden. Anhand der über den Abstand zu dem Referenzbügel 2 bestimmten Schallgeschwindigkeit kann dann der Abstand von dem Sensor 1, der gleichzeitig als Sender und Empfänger dient, und dem Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6 über die Laufzeit des Signals ermittelt werden. Ebenfalls kann die Entfernung von dem Sender 1 zu dem Boden 5 auf die gleiche Art und Weise gemessen werden. Anhand der Laufzeitdifferenz zwischen dem vom Boden 5 reflektierten Signal und dem von dem Reflexionspunkt 4 reflektierten Signal kann in Verbindung mit der ermittelten Schallgeschwindigkeit Vs der Abstand von dem Reflexionspunkt 4 zu dem Boden 5 errechnet werden, was ein Maß für die Deformation des Reifens 10 im Bereich der Refenaufstandsfläche bildet.
Bei der Verwendung eines Ultraschallsenders muss die Schallgeschwindigkeit Vs berücksichtigt werden, die in Abhängigkeit u.a. von der Temperatur veränderlich ist. Die aktuelle Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Vs erhöht die Genauigkeit der Deformationsbestimmung, da die Schallgeschwindigkeit Vs erstens veränderlich ist und zweitens die Signale, sofern sie als Schallsignale ausgebildet sind, von Luftströmungen beeinflusst werden können.
Anhand des über die Laufzeitdifferenz bestimmten Deformationsgrades des Reifens 10 kann über eine Referenzgröße auf den Luftdruck innerhalb des Reifens 10 geschlossen werden, wobei die Radlasten herausgerechnet werden. Die Radlasten werden errechnet, indem die Veränderung des Abstandes des Reflexionspunktes 4 zu dem Sender 1 ermittelt; über die Federrate der Radaufhängung und der statischen oder dynamischen Einfederung wird die Radlast bestimmt. Alternative Bestimmungsverfahren für die Radlast, insbesondere in Verbindung mit Luftfedern, können ebenfalls verwendet werden.
Die statische oder dynamische Radlast wird bei der Bestimmung der Reifendeformation aufgrund eines Luftdruckverlustes herausgerechnet, so dass ein wesentlich genauerer Wert mit einer solchen Vorrichtung ermittelbar ist.
Alternativ zu der dargestellten Anbringung des Reflexionsbügels 2 kann die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Vs über den bekannten Abstand des alternativen Reflexionspunktes 3 und dem Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6 erfolgen. Die Schallgeschwindigkeit Vs errechnet sich dann aus dem Quotienten des Abstandes der Reflexionspunkte 3, 4 zueinander und der Differenz der Laufzeiten des Signals von dem Sender 1 zum alternativen Reflexionspunkt 3 und dem Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 6. Die Abstände vom Sender 1 zum Boden 5, vom Sender 1 zum Reflexionspunkt 4 auf dem Radträger 1 und damit auch die Deformation des Reifens 10 ermitteln sich dann analog zu dem oben beschriebenen Verfahren.
Alternativ zu der in der 1 dargestellten Ausführungsform kann ein Sender auch am Radträger angeordnet sein, wobei dann die Entfernung zu einem karosseriefesten Punkt und dem Boden bestimmt werden muss und aus diesen beiden Größen die Verformung des Reifens ermittelt wird. Auch hier wird die Radlast bestimmt, die bei der Beurteilung der Veränderung des Reifenluftdruckes unberücksichtigt bleibt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der verwendete Sensor ein Ultraschallwellensender und -empfänger ist, der die Ultraschallwellen über einen Piezowandler erzeugt, der eine Eigenfrequenz von 270 kHz aufweist. Die Auflösung beträgt 1 mm, der Dynamikbereich erstreckt sich von 0 Hz – 20 Hz und der Sensor weist einen Messbereich von 4 cm – 45 cm auf. Das Ausgangssignal ist eine zu dem gemessenen Abstand analoge Spannung. Um eine gesicherte Aussage über eine Änderung des Reifeninnendrucks anhand der Messergebnisse treffen zu können, wurde eine Kalibrierung des Sensors vorgenommen, indem der Sensor in einem definierten Abstand zu einer Referenzfläche befestigt wurde und die zugehörige Ausgangsspannung gemessen wurde. Bei einer Veränderung des Abstandes der Referenzfläche zu dem Sensor ergab sich eine lineare Abhängigkeit von dem Abstand der Referenzfläche zu der Ausgangsspannung, so dass eine direkte Abhängigkeit des Abstandes von der Ausgangsspannung vorliegt. Es ist also möglich, dass man direkt aus der abgelesenen Spannung auf den Abstand schließen kann.
Eine Untersuchung dahingehend, ob bei einer oszillierenden Änderung des Abstandes ein konstanter Mittelwert bestimmbar ist, wurde durch die Ausrichtung eines Sensors gegen eine sinusförmig oszillierende Platte durchgeführt. Im Ergebnis stellte sich immer ein entsprechender Mittelwert ein, so dass das Ergebnis den Rückschluss zuläßt, das bei dem Fahrzeug ebenfalls bei einer ausreichend langen Meßdauer ein für den aktuellen Reifeninnendruck repräsentativer Mittelwert bestimmbar ist. Bei einem stehenden Fahrzeug wurde schließlich der Abstand vom Sensor 1 zur Fahrbahn gemessen, wobei dies bei unterschiedlichen Reifendrücken eines bestimmten Reifentyps geschah. Der Druck wurde dabei in einem Bereich von 0,5 bar – 3,5 bar in Schritten von 0,1 bar variiert und mit Hilfe einer Reifendruck-Nachfüllvorrichtung eingestellt.
Die Abhängigkeit der gemessenen Spannung von dem vorliegenden Reifendruck ist in der 2 dokumentiert. Darin ist eine deutliche Abhängigkeit des Sensorsignals vom Reifeninnendruck erkennbar. Der gemessene Verlauf kann gut durch eine Ausgleichskurve approximiert werden. Die Reifeneinfederung beträgt bei einem Druckabfall von 2,5 bar auf 1,5 bar ca. 9 mm, bei einem Abfall von 2,2 bar auf 0,5 bar beträgt sie ca. 22 mm. Dies führt bei einem Proportionalitätsfaktor von 59,7 mm/V zu einer Spannungsdifferenz von ungefähr 0,09 V bzw. 0,23 V.
Auch bei Fahrversuchen bei Geschwindigkeiten bis zu 100 km/h ergab sich keine Meßwertverfälschung aufgrund des Fahrtwindes oder der Luftverwirbelung aufgrund der Reifendrehung.

Claims

Verfahren zur Messung des Reifendruckes in Fahrzeugrädern, bei dem ein Sensor (1) die radiale Deformation des Reifens (10) erfasst und aus einer Veränderung der Deformation über einen Vergleich mit einer Referenzgröße eine Veränderung des Reifeninnendruckes ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig die Veränderung der Radlast ermittelt und diese bei der Ermittlung des Reifeninnendruckes zusätzlich zu der Reifendeformation berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifendeformation berührungslos gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifendeformation optisch oder akustisch gemessen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radlast über einen Kraftsensor oder über die Veränderung des Abstandes der Radachse (11) zur Karosserie bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Abstandes der Radachse (11) zur Karosserie berührungslos bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Abstandes der Radachse (11) zur Karosserie optisch oder akustisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur berührungslosen Messung der Reifendeformation und der Veränderung des Abstandes der Radachse (11) zur Karosserie mit einem gemeinsamen Sensor (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei akustischer Bestimmung der Reifendeformation und/oder der Radlast ein Referenzobjekt (2, 3) vorgesehen ist, anhand dessen die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt achsfest oder in einem sensorfesten Abstand angeordnet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Veränderung des Abstandes zur Karosserie die Radlast der jeweiligen Radaufhängung über die Federkonstante der jeweiligen Radaufhängung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Radachse (11) radial fest beabstandeter Sensor den Abstand zum Boden erfasst.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (1) an der Karosserie befestigt ist und die Entfernung zu einen karosseriefesten Referenzobjekt (2), zu einem Radträger (6) und dem Boden (5) bestimmt wird und dass aus den drei Entfernungen die Deformation des Reifens (10) und die Radlast bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (1) an der Karosserie befestigt ist und die Entfernung zu einen radträgerfesten Referenzobjekt (3), zu einem Radträger (6) und dem Boden (5) bestimmt wird und dass aus den drei Entfernungen die Deformation des Reifens (10) und die Radlast bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Abstandes der Radachse (11) zur Karosserie über Winkelgeber bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzgröße in Abhängigkeit von dem Reifentyp festgelegt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalitätsverhalten zwischen Sensorsignal und Reifeninnendruck ermittelt wird und zur Berechnung des Reifeninnendrukkes aufgrund des Deformation des Reifens (10) verwendet wird.
Vorrichtung zur Messung des Reifendruckes in Fahrzeugrädern, mit einem Sensor (1) zur Messung der radialen Reifendeformation und einer mit dem Sensor (1) verbundenen Auswerteschaltung zur Auswertung der von dem Sensor (1) übermittelten Signale, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (1) zur Bestimmung der Radlast vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (1) zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem fahrzeugfesten Punkt, insbesondere der Karosserie, und der Radachse (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) an der Karosserie befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem fahrzeugfesten Punkt und der Radachse (11) an einem Radträger (6) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) als optischer oder akustischer Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem akustischen Sensor ein zum Sensor fest beabstandetes Referenzobjekt (2) zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vorgesehen ist.