AT519648B1

AT519648B1 - Verfahren zur bestimmung des energieeintrages in einen reifen

Info

Publication number: AT519648B1
Application number: ATA50299/2017A
Authority: AT
Inventors: Ing Gerhard Schagerl Dipl; Arce Alonso Gorka; Michael Kollmann Bsc; Helmut Kokal Dr; Martin Monschein Ing
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-09-15
Also published as: AT519648A4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Energieeintrages dET/dt in einen Reifen (2) eines Rads (1) eines Fahrzeugs. Um auf einfache Weise eine wirklichkeitsnahe Simulation der Reifentemperaturen bei Bremsvorgängen bereitzustellen, werden folgende Schritte durchgeführt: - Einspannen zumindest des Rads (1), welches den Reifen (2), eine Felge (3) und eine Bremseinrichtung (4), vorzugsweise eine Scheibenbremseinrichtung, aufweist, auf einem Prüfstand (6); - Aufbringen eines Antriebsdrehmoments auf das Rad (1); - Bremsen des Rads (1) durch die Bremseinrichtung (6), wobei das Rad (1) mit Luft (L) der Umgebung angeströmt wird; - Messen einer ersten Temperatur (TB) der Bremseinrichtung (6), vorzugsweise der Bremsscheibe der Scheibenbremseinrichtung, einer zweiten Temperatur (TT) der Oberfläche des Reifens (2) und einer dritten Temperatur (TL) der Luft (L) der Umgebung während des Bremsvorgangs; - Bestimmen eines ersten Wärmestroms Q‘BT zwischen der Bremseinrichtung (6) und dem Reifen (2); Bestimmen eines zweiten Wärmestroms Q‘TL zwischen dem Reifen (2) und der Umgebungsluft (L); - Bestimmen des Energieeintrages dET/dt in den Reifen (2) auf Grund einer Differenz zwischen dem ersten Wärmestrom Q‘BT und dem zweiten Wärmestrom Q‘TL .

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Energieeintrages in einen Reifen eines Rades eines Fahrzeuges. Weiters betrifft die Erfindung einen Prüfstand zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Die Reifentemperatur und der Reifenverschleiß hängen von verschiedenen Energieeintragsquellen in den Gummi des Reifens ab. Den dominanten Faktor bilden dabei die an der Kontaktfläche zur Fahrbahn angreifenden Kräfte. Weiters wirken sich die Walkarbeit des Reifens und die von den Bremseinrichtungen eingeleitete Wärme nachteilig auf die Temperatur und auf den Verschleiß des Reifens aus.

[0003] Üblicherweise wird die Reifentemperatur am Fahrzeug gemessen, samt allen einwirkenden temperatursteigernden- und - senkenden Effekten. Dadurch ist es allerdings nicht möglich Einträge unterschiedlicher Energiequellen zu separieren.

[0004] Weiters ist es bekannt, Temperaturen von Bremseinrichtungen mittels Bremsprüfständen zu messen. Dies geschieht aber meistens ohne montierte Reifen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise eine wirklichkeitsnahe Simulation der Reifentemperaturen bei Bremsvorgängen bereitzustellen.

[0006] Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung des Energieeintrages in einen Reifen eines Fahrzeuges vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist: [0007] - Einspannen zumindest des Rades, welches den Reifen, eine Felge und eine Bremsein richtung - vorzugsweise eine Scheibenbremseinrichtung mit zumindest einer Bremsscheibe - aufweist, auf einem Prüfstand, [0008] - Aufbringen eines Antriebsdrehmoment auf das Rad, [0009] - Bremsen des Rades mittels der Bremseinrichtung, wobei das Rad mit Luft der Umge bung angeströmt wird; [0010] - Messen einer ersten Temperatur der Bremseinrichtung, vorzugsweise der Brems scheibe der Scheibenbremseinrichtung, einer zweiten Temperatur der Oberfläche des Reifens und einer dritten Temperatur der Luft der Umgebung während des Bremsvorganges; [0011] - Bestimmen eines ersten Wärmestroms zwischen der Bremseinrichtung und dem Rei fen und eines zweiten Wärmestroms zwischen dem Reifen und der Umgebung; [0012] - Bestimmen des Energieeintrages in den Reifen auf Grund der Differenz des ersten und zweiten Wärmestroms.

[0013] Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der erste Wärmestrom QB^T zwischen der Bremseinrichtung und dem Reifen nach der folgenden Gleichung ermittelt wird: wobei

die Differenz zwischen erster Temperatur (TB) und zweiter Temperatur (TT),

.................der Wärmeleitfähigkeitsparameter in W/K ist.

[0014] Vorzugsweise wird zweite Wärmestrom Qt->l zwischen der Bremseinrichtung und dem Reifen nach folgender Gleichung ermittelt:

wobei

die Differenz zwischen zweiter Temperatur (TT) und dritter Temperatur (TL), h.......die Wärmeübertragungskoeffizient in W/m2K, A........an die Umgebung grenzende Oberfläche des Reifens ist.

[0015] Um auf einfache Weise eine wirklichkeitsnahe Simulation des Energieeintrages in den Reifen durch die Bremseinrichtung zu ermöglichen, ist in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass eine simulierte Temperatur

des Reifens zu einem diskreten Zeitpunkt i+1 mittels folgender Gleichung ermittelt wird: wobei

Τγ.......die Temperatur des Reifens zum Zeitpunkt i,

At.......Die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten i und i+1, mT.......die Masse des Reifens, cp........spezifische Wärmekapazität des Reifens h.........die Wärmeübertragungskoeffizient in W/m2K, A.........an die Umgebung grenzende Oberfläche des Reifens,

ÄA Y........der Wärmeleitfähigkeitsparameter in W/K ist.

[0016] In den obigen Gleichungen sind die Ausdrücke Wärmeleitfähigkeitsparameter γ und Wärmeübertragungskoeffizient h als unbekannte Größen enthalten. Diese unbekannten Größen können in einem Kalibriervorgang ermittelt werden, indem zumindest eine der unbekannten

Größen, vorzugsweise beide unbekannte Größen Wärmeleitfähigkeitsparameter γ und Wärmeübertragungskoeffizient h schrittweise solange verändert werden, bis die simulierte Temperatur des Reifens einem Messwert der Temperatur der Oberfläche des Reifens zum entsprechenden Zeitpunkt entspricht.

[0017] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich ein Prüfstand, insbesondere Bremsenprüfstand, welcher folgende Merkmale aufweist: [0018] - eine Einspannvorrichtung für zumindest ein Rad, welches einen Reifen, eine Felge und eine Bremseinrichtung - vorzugsweise eine Scheibenbremseinrichtung mit zumindest einer Bremsscheibe -, [0019] - einen Antriebseinrichtung zum Antreiben des Rades, [0020] - eine Einrichtung zum Betätigen der Bremseinrichtung; [0021] - eine erste Messeinrichtung zum Messen einer ersten Temperatur der Bremseinrich tung, vorzugsweise der Bremsscheibe der Scheibenbremseinrichtung, [0022] - eine zweite Messeinrichtung zum Messen einer zweiten Temperatur der Oberfläche des Reifens, [0023] - eine dritte Messeinrichtung zum Messen einer dritten Temperatur der Luft der Umge bung; [0024] - eine Recheneinheit zur Bestimmen eines ersten Wärmestroms zwischen der Brems einrichtung und dem Reifen, eines zweiten Wärmestroms zwischen dem Reifen und der Umgebung und des Energieeintrages in den Reifen auf Grund der Differenz des ersten und zweiten Wärmestroms.

[0025] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also das Rad inklusive Reifen auf dem Brem- senprüfstand montiert. Die komplette Bremseinrichtung, die Felge und der Reifen werden dem Test unterzogen, wobei als Antriebseinrichtung beispielsweise ein transienter Dynamometer bzw. Rollenprüfstand zum Antrieb des Rades eingesetzt wird und eine transiente Luftströmung zur Reproduzierung der Kühlbedingungen des realen Fahrzeuges erzeugt wird.

[0026] Es werden die Temperaturen der Bremsscheibe, des Reifens und der umgebenden Luft während des Bremstests gemessen. Für die Identifizierung der Wärmeströme wird eine Simulation auf der Basis der Wärmeleitgleichung der thermischen Massen der Bremsscheibe, des Reifens und der Umgebungsluft erstellt. Der Wärmestrom zwischen der Bremsscheibe und dem Reifen beruht auf reiner Wärmeleitung. Der Wärmestrom zwischen Reifen und Umgebungsluft beruht auf reiner Konvektion.

[0027] Die Wärmeströme ergeben sich aus der Wärmeleitgleichung mit den Temperaturen der Bremsscheibe und der Umgebungsluft als Randbedingungen. Die Differenz der Wärmeströme ergibt die Änderung der inneren Energie des Reifens. Diese Energie kann aus den Messungen der Temperatur des Reifens abgeleitet werden.

[0028] Die Simulationsrechnung weist dabei die Wärmeleitfähigkeit - insbesondere den Wärmeleitfähigkeitsparameter - zwischen Bremsscheibe und Reifen und den Wärmeübertragungskoeffizienten der Radoberfläche als vorerst unbekannte Größen auf. Diese beiden unbekannten Größen werden solange verändert, bis die simulierte Temperatur des Reifens der tatsächlich gemessenen Temperatur des Reifens entspricht.

[0029] Mit dem beschriebenen Messaufbau und der Simulation der Reifentemperatur ist es möglich den Energieeintrag vom Bremssystem in den Reifen zu identifizieren. Da diese Messungen auf dem Bremsenprüfstand vorgenommen werden stammt die in den Reifen eingetragene Energie ausschließlich von der beim Bremsvorgang erzeugten Wärme.

[0030] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand eines in den Figuren dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen [0031] Fig. 1 ein Rad eines Fahrzeuges und [0032] Fig. 2 den Temperaturverlauf des Reifens während eines Bremsvorganges.

[0033] Das in Fig. 1 dargestellte Rad 1 eines Fahrzeuges weist einen Reifen 2, eine Felge 3 und eine Bremseinrichtung 4 auf, die im Ausführungsbeispiel als Scheibenbremseinrichtung ausgebildet ist. Das Rad 1 ist mittels einer Einspannvorrichtung 5 auf einem Prüfstand 6, beispielsweise einem Bremsenprüfstand, montiert. Das Rad 1 wird über eine Antriebseinrichtung -an der Radnabe, beispielsweise über einen Adapter oder eine spezielle Felge angetrieben. Es ist auch möglich, dass das Rad mit einer Rolle eines Rollenprüfstandes bzw. eines Dynamometers angetrieben wird. Über die durch eine Steuereinrichtung 6a betätigte Bremseinrichtung 6 wird das Rad 1 abgebremst, wobei Dissipationsenergie in Form von Wärme freigesetzt wird. Um die Kühlbedingungen eines realen Fahrzeuges während eines Bremsvorganges nachzubilden, wird das Rad 1 von einem transienten Kühlluftstrom mL angeströmt.

[0034] Zur Messung einer ersten Temperatur TB der Bremseinrichtung 4 ist eine erste Messeinrichtung 8, zur Messung einer zweiten Temperatur TT der Oberfläche des Reifens 2 eine zweite Messeinrichtung 9 und zur Messung einer dritten Temperatur TA der Umgebungsluft L ist eine dritte Messeinrichtung 10 vorgesehen. Erste 8, zweite 9 und dritte Messeinrichtungen 10 sind mit einer Recheneinheit 11 verbunden. Die Recheneinheit 11 dient zum Bestimmen eines ersten Wärmestroms QB^T zwischen der Bremseinrichtung 4 und dem Reifen 2, eines zweiten Wärmestroms QT^L zwischen dem Reifen 2 und der Umgebungsluft L und des Energieeintrages

in den Reifen 2 auf Grund der Differenz zwischen dem ersten QB^T und zweiten Wärmestrom Qt^l'.

[0035] Der erste Wärmestrom QB^T zwischen der Bremseinrichtung 4 und dem Reifen 2 wird dabei nach der folgenden Gleichung ermittelt:

wobei

. die Differenz zwischen erster Temperatur TB und zweiter Temperatur TT, und

...............der Wärmeleitfähigkeitsparameter in W/K ist.

[0036] Der zweite Wärmestrom QT^L zwischen dem Reifen 2 und der Umgebungsluft L wird nach der folgenden Gleichung ermittelt: wobei

.. die Differenz zwischen zweiter Temperatur TT und dritter Temperatur TL , h die Wärmeübertragungskoeffizient in W/m2K, A die an die Umgebungsluft L grenzende Oberfläche des Reifens 2 ist.

[0037] Eine simulierte Temperatur

des Reifens 2 zu einem diskreten Zeitpunkt i+1 kann mittels folgender Gleichung ermittelt werden:

wobei

.........die Temperatur des Reifens 2 zum Zeitpunkt i,

At...........Die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten i und i + 1, mT..........die Masse des Reifens 2, cp...........spezifische Wärmekapazität des Reifens 2 h............die Wärmeübertragungskoeffizient in W/m2K, A............an die Umgebungsluft L grenzende Oberfläche des Reifens 2,

.........der Wärmeleitfähigkeitsparameter in W/K ist.

[0038] Die Größen Wärmeübertragungskoeffizient h und Wärmeleitfähigkeitsparameter

sind zunächst unbekannt und können in einer ersten Annäherung abgeschätzt werden. Eine Feinabstimmung des Simulationsmodells kann erfolgen, indem die unbekannten Größen Wärmeleitfähigkeitsparameter

und Wärmeübertragungskoeffizient h solange verändert werden, bis die simulierte Temperatur

des Reifens 2 einem zweiten Messwert der Temperatur TT der Oberfläche des Reifens 2 zum entsprechenden Zeitpunkt i+1 entspricht.

[0039] In Fig. 2 ist sowohl gemessene zweite Temperatur TT des Reifens 2, als auch die simulierte Temperatur 7^+1 des Reifens 2 über der Zeit t aufgetragen. Das Diagramm zeigt eine hohen Grad an Übereinstimmung zwischen der Messung und der Simulation nach erfolgter

Feinabstimmung der Größen Wärmeleitfähigkeitsparameter und Wärmeübertragungskoeffizient h.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des Energieeintrages

in einen Reifen (2) eines Rades (1) eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden: - Einspannen zumindest des Rades (1), welches den Reifen (2), eine Felge (3) und eine Bremseinrichtung (4) - vorzugsweise eine Scheibenbremseinrichtung mit zumindest einer Bremsscheibe - aufweist, auf einem Prüfstand (6), - Aufbringen eines Antriebsdrehmoments auf das Rad (1), - Bremsen des Rades (1) mittels der Bremseinrichtung (6), wobei das Rad (1) mit Luft (L) der Umgebung angeströmt wird; - Messen einer ersten Temperatur (TB) der Bremseinrichtung (6), vorzugsweise der Bremsscheibe der Scheibenbremseinrichtung, einer zweiten Temperatur (TT) der Oberfläche des Reifens (2) und einer dritten Temperatur (TL) der Luft (L) der Umgebung während des Bremsvorganges; - Bestimmen eines ersten Wärmestroms QB^T zwischen der Bremseinrichtung (6) und dem Reifen (2); - Bestimmen eines zweiten Wärmestroms QT^L zwischen dem Reifen (2) und der Umgebungsluft (L); - Bestimmen des Energieeintrages

in den Reifen (2) auf Grund einer Differenz zwischen dem ersten Wärmestrom QB^T und dem zweiten Wärmestrom QT^L.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmestrom QB^T zwischen der Bremseinrichtung (4) und dem Reifen (2) nach der folgenden Gleichung ermittelt wird:

wobei

... die Differenz zwischen erster Temperatur (TB) und zweiter Temperatur

.............der Wärmeleitfähigkeitsparameter in W/K ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmestrom Qt^l zwischen dem Reifen (2) und der Umgebungsluft (L) nach der folgenden Gleichung ermittelt wird: wobei

.... die Differenz zwischen zweiter Temperatur (TT) und dritter Temperatur h...............der Wärmeübertragungskoeffizient in W/m2K, A...............die an die Umgebung grenzende Oberfläche des Reifens (2) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine simulierte Temperatur

des Reifens (2) zu einem diskreten Zeitpunkt i+1 mittels folgender Gleichung ermittelt wird: wobei

.............die Temperatur des Reifens (2) zum Zeitpunkt i, At.............die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten i und i+1, mT............die Masse des Reifens (2), cp..............spezifische Wärmekapazität des Reifens (2) h...............der Wärmeübertragungskoeffizient in W/m2K, A...............an die Umgebungsluft (L) grenzende Oberfläche des Reifens (2), ÄA Y.............der Wärmeleitfähigkeitsparameter in W/K ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der unbekannten Größen Wärmeleitfähigkeitsparameter

und Wärmeübertragungskoeffizient h verändert werden, bis die simulierte Temperatur

des Reifens (2) einem zweiten Messwert der Temperatur (TT) der Oberfläche des Reifens (2) zum entsprechenden Zeitpunkt (i+1) entspricht.
6. Prüfstand (6), insbesondere Bremsenprüfstand, zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung des Energieeintrages

in einen Reifen (2) eines Rades (1) eines Fahrzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstand (6) aufweist: - eine Einspannvorrichtung (5) für zumindest ein Rad (1), welches den Reifen (2), eine Felge (3) und eine Bremseinrichtung (6) - vorzugsweise eine Scheibenbremseinrichtung mit zumindest einer Bremsscheibe -, - eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Rades (1), - eine Steuereinrichtung (6a) zum Betätigen der Bremseinrichtung (6); - eine erste Messeinrichtung (8) zum Messen einer ersten Temperatur (TB) der Bremseinrichtung (6), vorzugsweise der Bremsscheibe der Scheibenbremseinrichtung, - eine zweite Messeinrichtung (9) zum Messen einer zweiten Temperatur (TT) der Oberfläche des Reifens (2), - eine dritte Messeinrichtung (10) zum Messen einer dritten Temperatur (TL) der Luft (L) der Umgebung; - eine Recheneinheit (11) zur Bestimmung eines ersten Wärmestroms QB^T zwischen der Bremseinrichtung (6) und dem Reifen (2), eines zweiten WärmestromsQT^L zwischen dem Reifen (2) und der Umgebungsluft (L) und des Energieeintrages

in den Reifen (2) auf Grund der Differenz des ersten QB^T und zweiten Wärmestroms QT^L. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen