DE19523917A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Profiltiefe von Fahrzeugreifen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Tiefe des Profiles von Fahrzeugreifen.

Die Profiltiefe eines Fahrzeugreifens bestimmt unter anderem den Bremsweg und etwa bei Aquaplaning auch die Bodenhaftung des Fahrzeuges auf der Fahrbahn. Bei Aquaplaning kann das vor dem Reifen angestaute Wasser nicht mehr in Fahrtrichtung nach hinten oder zur Seite über das Reifenprofil abgeführt werden, so daß das Fahrzeug die Bodenhaftung verliert und nicht mehr kontrolliert gelenkt werden kann.

Bei der Entwicklung von Fahrzeugreifen, seien es Reifen für Personen- oder Lastkraftwagen, besteht bei der Materialmischung stets der Zielkonflikt im Hinblick auf Lebensdauer, Sicherheit und Fahrkomfort. Um die Gefahren eines Aquaplaning rechtzeitig zu erkennen und auch automatisierte Führungssysteme, etwa nach dem Prometheus-Konzept zuzulassen, wäre es daher wünschens­ wert, stets einen Hinweis auf die Profiltiefe zu haben oder dem Fahrzeuglenker zumindest ein Warnsignal zu geben, wenn die Propfiltiefe einen Wert erreicht hat, der einen sicheren Zustand des Fahrzeugs nicht mehr gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Profiltiefe eines Fahrzeugreifens quasi kontinuierlich bestimmt werden kann, so daß der Fahrzeuglenker rechtzeitig vor gefähr­ lichen Fahrzuständen gewarnt wird.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für ein Verfahren durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale, für eine Vorrichtung durch die Merkmale des Patentan­ spruches 10 gelöst.

Hiernach wird in einer Auswerteeinheit ein Kennlinien­ feld für die maximale Nässesignalamplitude in Abhängig­ keit der Fahrzeuggeschwindigkeit für wenigstens zwei unterschiedliche Profiltiefen des Fahrzeugreifens gespeichert. Während des Fahrbetriebes wird das von dem Fahrzeugreifen bei nasser Fahrbahn erzeugte Schlepp­ wasser als Nässesignal als auch die Fahrzeuggeschwin­ digkeit erfaßt. Aus den erfaßten Nässesignalen wird der Wert der maximalen Nässesignalamplitude bestimmt. Die Änderung der Profiltiefe ergibt sich aus dem Vergleich des aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Wert der maximalen Nässesignalamplitude gebildeten Wertepaares mit den entsprechenden Werten aus dem abgespeicherten Kennlinienfeld.

Die Erfindung geht dabei von folgender Erkenntnis aus:
Bei einer konstanten Geschwindigkeit, die kleiner als die kritische Geschwindigkeit ist, bei der bei nassen Fahrbahnen Schlupf eintritt, nimmt das Nässesignal, d. h. die Amplitude des Meßsignales eines hinter dem Fahrzeugreifen angeordneten Schleppwassersensors, wie er etwa aus der DE-OS 42 35 809 bekannt ist, mit zunehmender Wasserhöhe auf der Fahrbahn, d. h. mit zunehmender Fahrbahnnässe zu, geht aber dann in einen gleichbleibenden gesättigten maximalen Wert entsprechend einer maximalen Amplitude des Meßsignales über. Dies tritt bei Kraftfahrzeugen mit herkömmlichen Reifenprofilen, in Grenzen abhängig von der Fahrbahn­ rauhigkeit, größenordnungsmäßig bei etwa 4 Millimeter Wasserhöhe ein. Eine weitere Steigerung der Wasserhöhe liefert keine weitere Zunahme der Amplitude, da das Reifenprofil bereits vollständig mit Wasser gefüllt, also gesättigt ist.

Die gemessene Nässesignalamplitude des Schleppwasser­ sensors setzt sich aus mindestens zwei Komponenten zusammen, nämlich dem adhäsiven Wasseranteil, der auch beim abgefahrenen Reifen ohne Profil auftritt, und einem Anteil, der durch das Reifenprofil transportiert wird. Diese Anteile nehmen mit abnehmender Reifenpro­ filtiefe ebenfalls ab. Die maximale Amplitude des Nässesignales kann daher zum Bestimmen der Profiltiefe herangezogen werden. Hierzu wird für das Fahren auf nasser Fahrbahn gemäß der Erfindung ein Kennlinienfeld für Referenzwerte der maximalen Nässesignalamplitude in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit bei unter­ schiedlichen Profiltiefen des Fahrzeugreifens abge­ speichert. Während des Fahrens auf nasser Fahrbahn werden dann die Werte Fahrzeuggeschwindigkeit und Nässesignal gemessen, aufbereitet und diese aufbereite­ ten Meßwerte entsprechenden Punkten des Kennlinien­ feldes zugeordnet, so daß daraus sich die Profiltiefe des Fahrzeugreifens entnehmen läßt. Dadurch, daß hierbei quasi kontinuierlich gemessen wird, z. B. stets bei bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeiten etwa von 30 km/h, 40 km/h, 50 km/h usw. werden eine Vielzahl von Meßwerten erhalten, aus denen nach statistischen Verfahren unter Hinzuziehen gespeicherter früherer Daten die Profiltiefe permanent bestimmt und aktuali­ siert wird.

Vorzugsweise kann der Wert für die maximale Nässe­ signalamplitude aus dem, bei einer bestimmten Fahrzeug­ geschwindigkeit erfaßten Nässesignal und der erfaßten Änderungsgeschwindigkeit dieses Nässesignales im Bereich der gleichen Geschwindigkeit berechnet werden.

Eine weitere vorteilhafte Bestimmung des Wertes der maximalen Nässesignalamplitude kann derart durchgeführt werden, daß aus der laufenden Erfassung der Nässe­ signale dasjenige Nässesignal mit maximaler Amplitude herausgegriffen wird, und dieses Nässesignal als Wert der maximalen Nässesignalamplitude betrachtet wird. Dieser Vorgang wird sukzessive durchgeführt, bis keine Steigerung der Amplitudenwerte der erfaßten Nässe­ signale möglich ist.

Die Aufstellung der Referenzwerte des Kennlinienfeldes kann entweder vorab geschehen; die Referenzwerte können aber auch während des Fahrens durch Meßwerte aufgebaut werden, die dann so weit aktualisiert werden, bis keine Steigerung mehr erfolgt, so daß dieser Wert als maxi­ male Nässesignalamplitude für eine bestimmte Profil­ tiefe in das Kennlinienfeld abgespeichert wird. Da sehr häufig gemessen wird, ist ein solches "lernendes" Aufstellen des Kennlinienfeldes in kurzer Zeit abge­ schlossen, da während eines solchen kurzen Zeitabschnittes die Profiltiefe als konstant angesehen werden karn.

Das Selbstlernsystem kann dabei so aufgebaut werden, daß ausgehend vom Nullniveau, also der Referenzwerte für den abgefahrenen Reifen, sich das System zum aktuellen Profil "hochlernt". Ein solches System wird als konservatives System bezeichnet, wobei die Referenzwerte für das Vollprofil dem System bekannt sind. Die das Nullniveau darstellende Referenzwerte sind sehr genau, da sich abgefahrene Reifen, unabhängig von Profil und Fabrikat, in ihren Eigenschaften sehr ähnlich sind.

Im Gegensatz dazu wird ein anderes System als modern bezeichnet, das ausgehend von den Referenzwerten des Vollprofiles sich auf das aktuelle Profil "herunter­ lernt". Neben der Kennlinie für das Vollprofil sind auch die Referenzwerte für den abgefahrenen Reifen (Nullniveau) abgespeichert.

Bei solchen Selbstlernsystemen werden bevorzugt stets die Meßwerte zumindest über einen bestimmten Zeitraum gespeichert, wodurch die mit dem Kennlinienfeld zu vergleichenden Meßwerte eine erhebliche Anzahl haben und durch die Vielzahl von Vergleichen und statisti­ schen Berechnungen ein Selbstlerneffekt erzielt wird.

Durch die Auswertung gespeicherter Werte kann nicht nur eine Profilabnahme, sondern z. B. auch ein Reifenwech­ sel, d. h. eine Profilzunahme festgestellt werden.

Das vorgeschlagene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung können eigenständig genutzt werden, aber auch in ein Fahrzeug-Regelsystem, z. B. in ein Anti­ blockier- und Antischlupfsystem oder ein automatisches Führ- und Leitsystem entsprechend dem erwähnten Prometheus-Konzept. Da sich die Aufschwimmgeschwindig­ keit und damit die Gefährdung durch Aquaplaning als auch der Reibbeiwert auf nasser Fahrbahn mit der Profiltiefe ändern, können derartige Regelsysteme mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung optimiert werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Erfindungsge­ dankens für die Parameter Nässesignal und Wasserhöhe bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit für unterschied­ liche Profiltiefen eines Fahrzeugreifens;

Fig. 2 ein Kennlinienfeld für die maximale Wasserampli­ tude in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit für unterschiedliche Profiltiefen eines Fahrzeugreifens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der für die Berechnung der Profiltiefe an den Vorderrädern eines Fahrzeuges beim Fahren auf nasser Fahrbahn erforder­ lichen Einrichtung und

Fig. 4 ein Blockdiagramm für eine Vorrichtung zum Bestimmen der Profiltiefe.

An einem Kraftfahrzeug 1 (siehe Fig. 3), von dem nur die Vorderräder 2 und Hinterräder 3 schematisch darge­ stellt sind, sind hinter den Vorderrädern 2 an nicht dargestellten Spritzlappen oder direkt an den Kotflügeln Nässesensoren 4, sogenannte Schleppwasser­ sensoren, die das von den Vorderrädern 2 nach hinten hochgespritzte Wasser erfassen. Die Ausgangssignale dieser Sensoren werden einer Signalverarbeitungsstufe 5 und von dort einem Rechner 6 zugeführt, in den z. B. von einem Tachometer 7 die Fahrzeuggeschwindigkeit eingege­ ben wird. Die Ausgangssignale des Rechners 6 werden einmal einer Anzeige 9 für den Fahrer zugeführt und weiterhin einem Fahrzeugregelsystem 10 sowie einem Aquaplaning-Warnsystem 11 und einem Reibbeiwerterken­ nungssystem 12.

In Fig. 1 sind für eine konstante Geschwindigkeit v die Ausgangssignale A der Nässesensoren 4 in Abhängigkeit der Wasserhöhe h auf der Fahrbahn für drei unterschied­ liche Profiltiefen dargestellt, nämlich der Signalver­ lauf für ein abgefahrenes und ein aktuelles Profil sowie für ein Vollprofil. Man sieht, daß die Signal­ amplituden bei trockener Fahrbahn für alle Geschwindig­ keiten und Profile praktisch gleich sind, daß anschlie­ ßend die Amplituden der Signale bei feuchter Fahrbahn ansteigen und im Bereich einer nassen, d. h. vollständig mit Wasser bedeckten Fahrbahn, zunächst zwar weiter ansteigen, dann jedoch in ein Plateau mit der maximalen Amplitude A_max übergehen. Diese maximale Nässesignal­ amplitude A_max hängt von der Profiltiefe des Fahr­ zeugreifens ab. Je geringer die Profiltiefe ist, desto niedriger ist auch die maximale Nässesignalamplitude A_max Dieser Effekt kann somit, wie weiter unten erläutert, zum Bestimmen der aktuellen Profiltiefe herangezogen werden. In dem Diagramm ist die Geschwin­ digkeit v kleiner als die kritische Geschwindigkeit V_A, bei der Aquaplaning auftritt.

In Fig. 2 sind Kennlinien für unterschiedliche Profil­ tiefen eines Fahrzeugreifens, nämlich für ein voll­ ständig abgefahrenes Profil, ein Vollprofil, und einen aktuellen Zustand dargestellt, wobei auf der Ordinate die maximale Amplitude A_max der Nässesensoren und auf der Abszisse die Fahrzeuggeschwindigkeit v in Kilometer pro Stunde aufgetragen sind und hier wiederum die Fahr­ zeuggeschwindigkeiten kleiner als die kritische Geschwindigkeit V_A sind.

In dem Rechner 6 ist das Kennlinienfeld entsprechend Fig. 2 abgespeichert, wobei es natürlich, wie in Fig. 2 angedeutet, ausreichend ist, das Kennlinienfeld nur an bestimmten Stützstellen, z. B. in einem Abstand von jeweils 10 Kilometer pro Stunde abzuspeichern.

Während der Fahrt auf nasser Fahrbahn wird bei z. B. durch die Stützstellen entsprechend Fig. 2 definierten Fahrzeuggeschwindigkeiten ständig die Nässesignalampli­ tude gemessen und ausgewertet. Das Ergebnis der Auswertung stellt die maximale Nässesignalamplitude A_max dar. Diese wird mit den gespeicherten Werten verglichen, die somit als Referenzniveau dienen. Bei entsprechender Kalibrierung kann anhand der Abnahme der Meßwerte bei steigender Laufleistung des Fahrzeug­ reifens auch die absolute Profiltiefenabnahme berechnet werden. Wird eine definierte Schwelle unterschritten, so z. B. eine gesetzlich vorgeschriebene Mindestprofil­ tiefe, so sollte der Reifen gewechselt werden.

Die maximale Nässesignalamplitude A_max kann einmal anhand der ebenfalls erfaßten Änderungsgeschwindigkeit des Nässesignals berechnet werden und zum anderen durch sukzessives Gleichsetzen des den größten Amplitudenwert aufweisenden Nässesignals mit dem Wert der maximalen Nässesignalamplitude, bis im Sättigungsbereich keine Steigerung der Amplitude des Nässesignals möglich ist.

Bei Abweichungen von den bisher gemessenen Profiltiefen zu größeren Werten wird von dem Auswertesystem auf einen Reifenwechsel geschlossen, so daß nicht nur eine Abnahme, sondern auch eine Zunahme der Profiltiefe erkannt und ermittelt wird.

In Fig. 4 ist ein Blockdiagramm für eine Vorrichtung zum Ermitteln der Profiltiefe dargestellt. Dem Rechner 6 werden von dem Tachometer 7 permanent Daten über die Fahrzeuggeschwindigkeit übermittelt und ferner von dem Nässesensor 4 dessen in der Signal Verarbeitung 5 aufbe­ reiteten Ausgangssignal. In dem Rechner sind in einem Bereich 24 die Nullniveaus NN_vi für die unterschied­ lichen Geschwindigkeiten V_i als Referenzwerte und in einem weiteren Bereich 25 Stützwerte des Kennlinien­ feldes gespeichert, in einem weiteren Bereich 26 werden die Meßwerte des Nässesensors und der Fahrzeuggeschwin­ digkeit eingegeben. Aufgrund dieser Daten erfolgt in einem Bereich 27 eine statistische Auswertung zur Bestimmung der Profiltiefe, wobei auch frühere Daten herangezogen werden, um die Ergebnisse sozusagen in einem Lernprozeß genauer zu machen, insbesondere werden in einem ersten Bereich 28 erste Schätzwerte berechnet und abgelegt und in einem weiteren Bereich 29 diese Schätzwerte anhand von statistischen Methoden hochge­ rechnet und aktualisiert.

Die in dem Rechner 6 errechneten Ergebnisse können der erwähnten Anzeige 9 der Profiltiefe und schließlich noch anderen Systemen zugeführt werden, z. B. dem Fahr­ zeugregelsystem 10 mit einer Antiblockier- und Anti­ schlupfregelung, einem Aquaplaning-Warnsystem 11 und einem Reibbeiwerterkennungssystem 12, mit denen dem Fahrer angezeigt wird, ob Aquaplaning droht oder die Bodenhaftung in nicht mehr sichere Bereiche tendiert.

Im Vorhergehenden wurde davon ausgegangen, daß in den Rechner vorab das Kennlinienfeld eingespeichert wird und die Meßwerte sowie "historische" Meßwerte mit dem Kennlinienfeld verglichen werden. Es ist, wie oben angedeutet, auch möglich, die Werte des Kennlinien­ feldes durch Übernahme von Meßwerten aufzubauen, so daß eine vorherige Speicherung nicht notwendig ist. Dies ist möglich, da mit dem Verfahren durch die quasi kontinuierliche Messung eine Vielzahl von Meßwerten anfallen, die natürlich auch dazu verwendet werden können, das Kennlinienfeld aufzubauen, dessen Werte nach einer gewissen Zeit als Referenzwerte abge­ speichert werden. Die Werte des Kennlinienfeldes können somit durch einen Selbstlernalgorithmus bestimmt und als Referenzwerte abgespeichert werden; weitere Kenn­ linienwerte werden dann durch Interpolation bestimmt und ebenfalls abgespeichert. Dabei kann ein solches Selbstlernsystem - wie oben ausgeführt - als konserva­ tives oder modernes System aufgebaut werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Profiltiefe können durch Abschätzen und statistisches Hochrechnen der maximalen Amplitude des Nässesensors alle Zustände zwischen einem Nullniveau entsprechend dem abgefahrenen Reifen und einem Maximalniveau entsprechend dem Vollprofil erkannt und daraus die ,entsprechende Profiltiefe ermittelt werden. Durch die quasi kontinuierliche Messung können über eine Vielzahl von Meßwerten die Profiltiefen genau bestimmt werden, wobei es nicht notwendig ist, Meßwerte heranzuziehen, die in einem kritischen Fahrzustand des Fahrzeuges, z. B. bereits beim Schlupf der Räder oder bei einsetzen­ dem Aquaplaning erreicht werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erkennen der Änderung der Profiltiefe und insbesondere zum Bestimmen der Profiltiefe von Fahrzeugreifen bei nasser Fahrbahn, bei dem ein Kenn­ linienfeld mittels einer Auswerteeinheit für die maxi­ male Nässesignalamplitude (A_max) in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_i) bei wenigstens zwei unter­ schiedlichen Profiltiefen gespeichert ist und folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

• a) Erfassung des von dem Fahrzeugreifen bei nasser Fahrbahn erzeugten Schleppwassers als Nässesignal (A),
• b) Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_i),
• c) Bestimmung der maxaimalen Nässesignalamplitude (A_max) aus den erfaßten Nässesignalen (A) und
• d) Bestimmung der Änderung der Profiltiefe aus dem Vergleich des aus der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_i) und der maximalen Nässesignalamplitude (A_max) gebildeten Wertepaares mit den entsprechenden Werten aus dem Kennlinienfeld.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Nässesignalamplitude (A_max) statistisch aus dem Nässesignal (A) bei der Fahrzeugge­ schwindigkeit (v_i) mittels der erfaßten Änderungsge­ schwindigkeit des Nässesignales (A) berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sukzessiv das aktuell erfaßte Nässesignal (A) mit maximaler Amplitude als Wert der maximalen Nässe­ signalamplitude bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aufbauend von einem Referenzniveau durch einen Selbstlernalgorithmus die maximale Nässesignal­ amplitude (A_max) für die jeweilige Fahrzeuggeschwindig­ keit bestimmt und als Kennlinienreferenzwert gespeichert wird, und daß weitere Kennlinienwerte durch Interpolation bestimmt und gespeichert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzniveau die Werte des abgefahrenen Reifens (Nullniveau) abgespeichert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzniveau die Werte eines Reifens mit Vollprofil abgespeichert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich Werte des Nässe­ signals ausgewertet werden, die oberhalb eines Null­ niveaus für die jeweilige Fahrzeuggeschwindigkeit liegen, wobei dieses Nullniveau der maximalen Nässe­ signalamplitude bei abgefahrenem Reifen, d. h. mit einer Profiltiefe Null entsprechen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der errechnete Wert für die Profiltiefe angezeigt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten einer bestimmten Profiltiefe ein Warnsignal abgegeben wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - einen Nässesensor (4) zum Erfassen des Schlepp­ wassers, das in Fahrtrichtung hinter dem Fahr­ zeugreifen durch diesen hochgeschleudert wird;
• - eine Einrichtung (7) zum Erfassen der Fahrzeug­ geschwindigkeit;
• - einen Rechner (6) mit einem Speicherbereich (24, 25) zum Abspeichern zumindest einiger Stützstellen eines Kennlinienfeldes für die Werte maximale Nässesignalamplitude und Fahrzeuggeschwindigkeit und einem Bereich (26) zum Eingeben der Meßwerte des Nässesensors und der Fahrzeuggeschwindigkeit und mit einem Auswertebereich (27) zum Aufbereiten der Meßwerte und zum Vergleich der aufbereiteten Meßwerte mit den Werten des Kennlinienfeldes zum Bestimmen der Profiltiefe.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Anzeige (9) für die Profiltiefe des Fahrzeugreifens vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in ein System (10, 11, 12) eingebunden ist, das weitere Fahrzeugzustände berücksichtigt und gegebenenfalls regelt.