DE102004029370A1

DE102004029370A1 - System zur Erkennung eines Reifendruckverlustes bei Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102004029370A1
Application number: DE200410029370
Authority: DE
Inventors: Manfred Ellman; Arthur Pettinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-26
Also published as: WO2005123423A2; WO2005123423A3

Abstract

Bei einem System zur Erkennung eines Reifendruckverlustes bei Kraftfahrzeugen während der Fahrt mit Mitteln zur Erfassung der Raddrehzahl jedes Rades wird bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit für jedes einzelne Rad eine dem dynamischen Abrollumfang proportionale Größe aufgrund der für eine definierte tatsächliche Fahrstrecke gemessenen Raddrehzahl des jeweils einzelnen Rades ermittelt, die mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Erkennung eines Reifendruckverlustes bei Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges System ist beispielsweise aus der DE 100 50 197 A1 bekannt. In der bekannten Druckschrift wird auf die Notwendigkeit eingegangen, dass zur Durchführung einer Druckverlusterkennung mit hoher Genauigkeit eine Änderung des dynamischen Abrollradius aufgrund eines Druckverlustes von Änderungen des dynamischen Abrollradius zu unterscheiden ist, die insbesondere durch fahrdynamische Einflüsse (wie Kurvenfahrt, Schlaglöcher, Beschleunigung) hervorgerufen werden können und die in der Regel größer sind, als der Einfluss eines Druckverlustes auf den dynamischen Abrollradius. Das hieraus bekannte System versucht auf aufwendige Weise die fahrdynamischen Einflüsse zu erkennen und auszublenden.

Bekannte indirekt über die ABS-Sensoren messende Reifendruck-Kontrollsysteme können entweder nur durch Vergleichsoperationen erkennen, ob ein Rad im Vergleich zu den anderen Laufrädern Druck verliert, oder sie basieren auf einer sehr aufwendigen und von vielen Störfaktoren beeinflussten Verifikation der tangentialen Radeigenfrequenz.

Die Aufgabe, gleichmäßige in allen Laufrädern eines Fahrzeuges ablaufende Reifendruckverluste, z. B. durch natürliche Diffusion der Druckluft durch den Reifen nach außen, zu erkennen, erfüllen bisher nur sehr teure, technisch aufwendige und gegen unsachgemäße Behandlung sehr wenig robuste Telemetrie-Systeme.

Fahrzeug-Geschwindigkeits-Anzeiger (Tachometer) sind gewöhnlich auf einen einzigen Reifenabrollumfang kalibriert.

Indirekt messende Reifendruckkontrollsysteme können bisher nur feststellen, ob ein Reifen im Vergleich zu den anderen am Fahrzeug befindlichen Laufrädern deutlich stärker Luft verliert („Reifenpanne"). Gleichmäßig in allen vier Reifen auftretende Druckverluste können hiermit bisher nicht automatisch detektiert werden.

Bei indirekt messenden Systemen mit Messung der tangentialen Radeigenfrequenz haben unterschiedliche Reifen eine stark unterschiedliche Lage der tangentialen Eigenfrequenz oder sind die daraus resultierenden Schwingungen im schlechtesten Fall am Fahrzeug nicht ausreichend stark ausprägt und können damit nicht detektiert werden.

Tachoanzeigen werden, je nach Lage des Abrollumfanges der angebauten Reifen, mehr oder weniger ungenau. Zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen für die Geschwindigkeitsanzeige müssen die Kalibrierwerte unter Umständen so gelegt werden, dass mit einzelnen Reifen deutlich über der tatsächlichen Geschwindigkeit liegende Werte angezeigt werden müssen, was zu Kundenreklamationen führen kann. Bei Fahrzeugen für Verleihfirmen unterliegt der Wegstrecken-Anzeiger dem Eichgesetz. Die hierfür zulässigen Reifen-Abrollumfangs-Toleranzen sind so klein, dass für diese Fahrzeuge das Spektrum freigabefähiger Reifendimensionen stark reduziert werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es, mittels kostengünstiger Software ohne zusätzlichem Hardware-Einbau in bereits mit ABS-Zahnkränzen und ABS-Sensoren ausgerüsteten Fahrzeugen (z. B. PKWs, Motorräder, Quads, LKWs gegebenenfalls auch mit Anhänger, falls dieser ebenfalls mit ABS-Sensoren ausgerüstet ist) in allen Laufrädern im wesentlichen gleichmäßige Reifendruckverluste früh genug und sicher zu erkennen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass ein Druckverlust in den Reifen einfach festzustellen ist, wenn bekannt ist, wie oft sich ein Rad bei vorgegebener tatsächlicher Fahrstrecke gedreht hat. Problematisch hierbei ist die Zuordnung zu einer vorgegebenen tatsächlichen Fahrstrecke. Da das Tacho-Geschwindigkeitssignal sehr ungenau ist, weil dieses üblicherweise ebenfalls über die Raddrehzahlsensoren ermittelt wird, kann aus dem Tacho-Geschwindigkeitssignal keine tatsächliche Fahrstrecke vorgegeben werden. Grundlage der Erfindung ist, eine genaue Information über eine reale zurückgelegte Fahrstrecke zu erhalten. Denn somit kann lediglich über die Raddrehzahl eines Rades bezogen auf die real zurückgelegte Fahrstrecke dessen absoluter Druckverlust festgestellt werden. Mit einem sehr genau arbeitenden Navigationssystem könnte beispielsweise eine derartige vorgegebene tatsächliche Fahrstrecke zugeordnet werden.

Insbesondere wird erfindungsgemäß eine tatsächliche Fahrstrecke durch ein Zeitfenster zwischen zwei erfassbaren Ereignissen vorgegeben, die Anfang und Ende der tatsächlichen Fahrstrecke kennzeichnen. Würde beispielsweise der Abstand von zwei über Kamera-Sensoren erfassbaren Pfosten bekannt sein, könnte als tatsächliche Fahrstrecke dieser Abstand vorgegeben werden. Erfindungsgemäß wird genau zwischen den Zeitpunkten, zu denen die Ereignisse auftreten und erfasst werden, jeweils die Raddrehzahl für jedes Rad ermittelt. Aus der in diesem Zeitfenster gemessenen Raddrehzahl jedes Rades wird durch bekannte Berechnung des jeweils zugehörigen dynamischen Abrollumfanges oder Abrollradius der Druckverlust absolut feststellbar.

Als besonders vorteilhaft hat sich als kalibrierte tatsächliche Fahrstrecke der Radstand herausgestellt, der erfindungsgemäß durch ein Zeitfenster zwischen zwei Ereignissen vorgegeben ist, die Anfang und Ende einer Fahrstrecke kennzeichnen, die genau so lang wie der Radstand ist. Die Ereignisse hierfür sind erfindungsgemäß die kurzzeitigen Drehzahländerungen zuerst am Vorderrad und nachfolgend am Hinterrad aufgrund einer Fahrbahn-Unebenheit.

Das erfindungsgemäße System umfasst auch die Anwendung bei PKWs oder LKWs mit Anhänger, sofern der Anhänger ABS-Sensoren aufweist, deren Signale zum Steuergerät im Fahrzeug geleitet werden. Bei einem einachsigen Anhänger muss in Steuergerät auch der Abstand der Anhängerräder von einer der Achsen des (Zug-) Fahrzeuges als (zweiter) Radstand mit entsprechendem Bezug zu den dazugehörigen Rädern abgespeichert sein. Bei einem zweiachsigen Anhänger muss im Steuergerät der Radstand dieser beiden Achsen als (zweiter) Radstand mit entsprechendem Bezug zu den dazugehörigen Rädern abgespeichert sein.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt die für die Erfindung wesentliche Erkennung einer definierten tatsächlichen Fahrstrecke durch fahrzeuginterne Mittel.

Ein Fahrzeug F (mit durchgezogener Linie gezeichnet) überfährt z. B. mit seinem rechten Vorderrad R_vorne (oder auch mit beiden Vorderrädern) zum Zeitpunkt t_vorne eine Fahrbahn-Unebenheit FU. Nach der definierten tatsächlichen Fahrstrecke A in Form des Radstandes überfährt zumindest das rechte Hinterrad R_hinten des Fahrzeuges F (jetzt mit gestrichelter Linie gezeichnet) zum Zeitpunkt t_hinten dieselbe Fahrbahn-Unebenheit FU. Das Auftreten der Fahrbahn-Unebenheit FU am Vorderrad R_vorne verursacht eine kurzzeitige Änderung dessen Raddrehzahl n_vorne. Das Auftreten der Fahrbahn-Unebenheit FU am Hinterrad R_hinten (derselben Fahrzeugseite) verursacht eine kurzzeitige Änderung dessen Raddrehzahl n_hinten. Die Änderungen der Raddrehzahlen n_hinten und n_vorne sind in der Zeichnung durch kleine Signaleinbrüche in den schematisch dargestellten sonst im wesentlichen gleichbleibenden Drehzahlverläufen angedeutet. Die Drehzahlverläufe sind im wesentlichen gleichbleibend, da die Erfindung das Vorliegen der Bedingung einer konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit v voraussetzt.

Im folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems an einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel noch näher erläutert:
Das erfindungsgemäße System ist in vorteilhafter Weise in einem elektronischen Steuergerät für Bremssysteme integriert, das ohnehin schon in bekannter Weise die Eingangssignale sehr genauer Raddrehzahlsensoren erhält. Die Raddrehzahlen jedes Rades werden über je einen ABS-Drehzahlsensor pro Radposition (also bei einem vierrädrigen Kraftfahrzeug: Rad vorne links, Rad vorne rechts, Rad hinten links und Rad hinten rechts) erfasst. Die Raddrehzahlsensoren erfassen üblicherweise die Zähne bzw.
Zahnflanken einer mit beispielsweise 48 Zähnen versehenen Geberscheibe, die drehfest mit jedem Rad verbunden ist und mitrotiert.
Bei Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit v ist die Drehzahl n_i jeden Rades (mit i=1, 2, 3, 4; die Ziffern 1 bis 4 bezeichnen die vier Radpositionen: z.B. 1 für vorne links, 2 für hinten links, 3 für vorne rechts, 4 für hinten rechts) zwar individuell geringfügig unterschiedlich, jedoch zeitlich im Prinzip solange konstant, wie auch die Fahrgeschwindigkeit v konstant ist.
Die Raddrehzahl n errechnet sich aus n = v/U_dyn, wobei U_dyn der dynamische Abrollumfang des Reifens unter den jeweils spezifischen Fahrbedingungen (Radlast, Geschwindigkeit, Reifendruck, Reifenart etc.) ist.
Fährt ein Reifen über eine Fahrbahn-Unebenheit bzw. ein Hindernis (z.B. Fahrbahn-Querfuge, Schlagloch), so ändert sich während der Überfahrt des Hindernisses kurzzeitig die Raddrehzahl, weil jede Hindernis-Überfahrt mit einer kurzzeitigen lokalen Veränderung des Reifen-Einfederungsweges und damit des Reifen-Abrollumfanges verbunden ist.
Bei genauer Ermittlung der Zeitabstände t_i (mit i=1 ... 96; entspricht 96 Flanken bei 48 Zähnen oder mit i=1 ... 48; entspricht 48 Zähnen), in denen z.B. zwei aufeinanderfolgende Zähne oder Zahnflanken am ABS-Drehzahlsensors vorbeilaufen, lässt sich feststellen, daß sich diese Zeitabstände während der Überfahrt des Reifens über ein Hindernis kurzzeitig gegenüber dem z.B. über eine ganze Radumdrehung berechneten- Mittelwert t_quer (t_quer = Zeit t für eine Radumdrehung/Z_konstruktiv verändern. Hierbei ist Z_konstruktiv die konstruktiv vorgegebene Zähnezahl (z.B. 48) oder Zahnflankenzahl (z.B. 96) der ABS-Zahnkränze.
Eine einfache Methode zur Erkennung einer Hindernis-Überfahrt wäre dann, einen Schwellwert für die Differenz t_quer-t_i zu definieren, bei dessen Betrags- Überschreitung eine Hindernis-Überfahrt mit hinreichender Wahrscheinlichkeit zu postulieren ist. Der Schwellwert muss fahrzeugspezifisch durch Versuche ermittelt werden.
Bei Vorwärtsfahrt wird ein Hindernis auf jeder Fahrzeugseite zuerst vom Vorderrad und erst danach vom Hinterrad derselben Fahrzeugseite überfahren. Demzufolge ist es zweckmäßig, diese Hindernis-Detektion zuerst mit einem Vorderrad der jeweiligen Fahrzeugseite durchzuführen und danach mit dem Hinterrad der gleichen Fahrzeugseite.
Sobald eine derartige Zeitabstands-Änderung an einem Vorderrad hinreichend eindeutig detektiert ist, wird sie mit dem Zeitstempel (Zeitpunkt) t_vorne versehen. Gleichzeitig mit dem Zeitpunkt t_vorne wird z. B. für jede Radposition ein eigener Zähler gestartet, welcher die ab dem Zeitpunkt t_vorne stattfindenden ABS-Sensor-Zahn- oder Zahnflankenimpulse z1, z2, z3 und z4 jedes einzelnen Rades hochzählt. Die Ziffern 1 bis 4 bezeichnen wieder die vier Radpositionen; z.B. 1 für vorne links, 2 für hinten links, 3 für vorne rechts, 4 für hinten rechts. Der Zählerstand z_i ist also gleichbedeutend mit einer Drehzahl n_i für jedes Rad.
Eine beim Vorderrad zum Zeitpunkt t_vorne detektierte Hindernisüberfahrt wird zu einem späteren Zeitpunkt t_hinten auch vom Hinterrad detektiert, wenn dort die oben beschriebene Hindernisdetektion in gleicher Weise angewandt wird. Zum Zeitpunkt t_hinten werden gemäß dem Ausführungsbeispiel die zum Zeitpunkt t_vorne gestarteten Zähler gestoppt. Dies entspricht der allgemeinen erfindungsgemäßen Aussage, dass die Messung der Raddrehzahl für eine definierte tatsächliche Fahrstrecke A in Form des Radstandes bei Auftreten einer kurzzeitigen durch eine Fahrbahn-Unebenheit verursachte Änderung der Raddrehzahl n_vorne zumindest eines Vorderrades auf einer Fahrzeugseite beginnt und bei Auftreten einer kurzzeitigen durch dieselbe Fahrbahn- Unebenheit verursachte Änderung der Raddrehzahl n_hinten zumindest des Hinterrades auf derselben Fahrzeugseite endet.
Die Zählerstände sind dann Z1, Z2, Z3 und Z4 und gehören immer zum gleichen Zeitintervall t_hinten-t_vorne.
Sobald t_vorne und t_hinten ermittelt sind, werden aus dem Radstand A des Fahrzeuges (= Abstand der Radmittelpunkte von Vorder- und Hinterachse), der konstruktiv vorgegebenen Zähne- oder Zahnflankenzahl Z_konstruktiv der ABS-Sensor-Zahnkränze und den jeweiligen Zählerständen Z1, Z2, Z3, Z4 die an jeder Radposition individuell unterschiedlichen Reifen-Abrollumfänge bzw. Reifen-Abrollradien R_dyn1, R_dyn2, R_dyn3 bzw. R_dyn4 nach folgender Formel errechnet: Rdyn i = Zkonstruktiv × A)/(Zi × 2 × π) (wobei i = 1, 2, 3 oder 4)
Aus der Entwicklung von sogenannten "indirekt messenden Reifenpannenwarnsystemen" ist bekannt, dass ein Reifen bei Druckverlust seinen dynamischen Abrollumfang bzw. Abrollradius R_dyn verringert. Wenn der dynamische Abrollumfang bzw. Abrollradius eines Reifens unmittelbar nach dem Einstellen des Reifendruckes nach der oben genannten Methode bestimmt wird und wenn dieser Wert als Ausgangswert bzw. Referenzwert im Steuergerät gespeichert wird, kann bei weiterer Beobachtung des dynamischen Abrollumfangs bzw. Abrollradius nach der oben genannten Methode sein diffusionsbedingter Druckverlust durch Rückgang des R_dyn-Wertes festgestellt werden. Bei Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes kann eine Meldung an den Fahrer ausgelöst werden.
Da Fahrbahn-Unebenheiten bzw. Hindernisse in Abstand und Höhe erfahrungsgemäß meist stochastisch verteilt sind, müssen die o.g.
Rechenwerte mehrmals bestimmt und auf statistische Relevanz überprüft werden. Dies kann mit verschiedenen Methoden geschehen. Einige davon werden hier beispielhaft beschrieben und können entweder einzeln oder in Kombination miteinander angewandt werden.

– Es werden nur diejenigen Zeitintervalle t_hinten-t_vorne betrachtet, in denen nur eine einzige Hindernisüberfahrt detektiert wird.
– Es werden nur diejenigen Zeitintervalle t_hinten-t_vorne betrachtet, in denen die zeitliche Abfolge kurz aufeinanderfolgender Hindernisse gleich ist.
– Eine Meldung an den Fahrer wird nur ausgelöst, wenn die R_dyn-Reduktion in einer zu definierenden Anzahl lückenlos aufeinander folgender Detektionsfälle festgestellt wurde.
– Eine Meldung an den Fahrer wird nur ausgelöst, wenn die R_dyn-Reduktion bis zu einer zu definierenden Summe kumulierter Detektionsfälle festgestellt wurde.
– Der Detektionsalgorithmus wird abgebrochen, sobald die aus der Zeitdifferenz t_hinten-t_vorne und dem Radstand A errechenbare mittlere Fahrgeschwindigkeit v_mittel = A/(t_hinten-t_vorne) sich um mehr als einen zu definierenden bestimmten Betrag von der über das Tachosignal ermittelten Fahrgeschwindigkeit v_Tacho unterschreitet.

Aus der letzten Überlegung lässt sich auch umgekehrt die Richtigkeit des Tachosignals v_Tacho verifizieren. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn die bisher übliche einheitliche Tachokalibrierung aufgegeben werden muss, weil die Spanne der Abrollumfänge der am Fahrzeug verwendbaren Reifen so groß wird, dass die gesetzlich zulässigen Toleranzen mit einer einzigen Kalibrierzahl nicht mehr eingehalten werden können.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass der hier zu ermittelnde Reifendruckverlust sehr langsam auftritt und zur Detektion bzw. Meldung an den Fahrer ausreichend Zeit in der Größenordnung von Wochen besteht, in der eine Evaluierung der Messergebnisse möglich ist.
Die oben beschriebenen Funktionen können sinngemäß auch für Motorräder angewandt werden, sofern diese an beiden Rädern mit entsprechenden Zahnkränzen (z.B. wie auch für ABS verwendet) ausgestattet sind.
Mit der beschriebenen Methode wird es mittels kostengünstiger Software möglich, ohne zusätzlichen Hardware-Einbau in bereits mit ABS-Zahnkränzen und -Sensoren ausgerüsteten Fahrzeugen (PKW, Motorräder, Quads) in allen Laufrädern gleichmäßige oder annähernd gleichmäßige Reifendruckverluste früh genug anzuzeigen, so dass ein nennenswerter Abfall der Reifenhaltbarkeit und der Reifeneigenschaften abgefangen wird. Diese Fähigkeit haben bisher nur sehr teure Telemetrie-Reifendruckkontrollsysteme. Die beschriebenen Detektionsfunktionen sind auf einfache konstruktiven Fahrzeugdimensionen (Radstand, ABS-Zahnkranz) einstellbar und nicht von relativ schwer erfassbaren und instabilen Reifen-Eigenfrequenz-Analysen abhängig.
Ebenso wird auf sehr einfache Weise automatisch die Tachoanzeige präzisiert und der übliche Reifeneinfluss umgangen.

Claims

System zur Erkennung eines Reifendruckverlustes bei Kraftfahrzeugen während der Fahrt mit Mitteln zur Erfassung der Raddrehzahl jedes Rades, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit (v) für jedes einzelne Rad eine dem dynamischen Abrollumfang proportionale Größe aufgrund der für eine definierte tatsächliche Fahrstrecke (A) gemessenen Raddrehzahl des jeweils einzelnen Rades ermittelt wird, die mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen wird.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte tatsächliche Fahrstrecke (A) durch ein Zeitfenster (t_hinten-t_vorne) zwischen zwei erfassbaren Ereignissen vorgegeben ist, die Anfang und Ende der tatsächlichen Fahrstrecke kennzeichnen.
System nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte tatsächliche Fahrstrecke der Radstand (A) ist.
System nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Raddrehzahl für eine definierte tatsächliche Fahrstrecke (A) in Form des Radstandes bei Auftreten einer kurzzeitigen durch eine Fahrbahn-Unebenheit verursachte Änderung der Raddrehzahl (n_vorne) zumindest eines Vorderrades auf einer Fahrzeugseite beginnt und bei Auftreten einer kurzzeitigen durch dieselbe Fahrbahn-Unebenheit verursachte Änderung der Raddrehzahl (n_hinten) zumindest des Hinterrades auf derselben Fahrzeugseite endet.