DE102004044853A1

DE102004044853A1 - Verfahren zur Ermittlung und Optimierung eines Reibwertes

Info

Publication number: DE102004044853A1
Application number: DE102004044853A
Authority: DE
Inventors: Dieter Schmidt
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung und Optimierung des Reibwertes (RW) zwischen einer Auflagefläche (5) eines Gegenstands (1) und einem auf einer Wegstrecke (16) angeordneten Belag (3), wobei der Gegenstand (1) relativ zu dem Belag (3) der Wegstrecke (16) bewegt wird. In zumindest einem Teilbereich des Belags (3) der Wegstrecke (16) werden die Temperaturmesswerte (Ti(Pi)) des Belags (3) positionsabhängig ermittelt; anhand der ermittelten positionsabhängigen Temperaturmesswerte (Ti(Pi)) wird ein Reibwert (RW) zumindest qualitativ ermittelt bzw. ein auf abgespeicherten Erfahrungswerten beruhender Vorschlag zur Beschaffenheit bzw. zur Ausgestaltung der Auflagefläche (5; 2) ausgegeben; anschließend wird aufgrund der vorgeschlagenen Beschaffenheit bzw. Ausgestaltung der Auflagefläche (5; 2) der Reibwert (RW) zwischen der Auflagefläche (5; 2) des Gegenstands (1) und dem Belag (3) derart optimiert, dass der Gegenstand (1) mit einer vorgegebenen Haft- oder Gleitreibung auf dem Belag (3) bewegt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Ermittlung und Optimierung des Reibwertes zwischen einer Auflagefläche eines Gegenstands und einem auf einer Wegstrecke angeordneten Belag, wobei der Gegenstand relativ zu dem Belag der Wegstecke bewegt wird.

Bei einer Vielzahl von sportlichen Disziplinen ist die Einstellung eines optimalen Reibwertes zwischen dem Sportgerät und dem Bodenbelag von großer Wichtigkeit. Als Beispiel sei an dieser Stelle die geeignete Präparierung von Skiern genannt: Es ist bekannt, Skier mittels einer aufgetragenen Wachsschicht so zu präparieren, dass die Gleit- bzw. Haftreibung zwischen der Auflagefläche eines Skis und dem Schneebelag möglichst optimal auf die Beschaffenheit des Schneebelags abgestimmt ist. Je nach herrschenden Schneeverhältnissen kann es auch sein, dass unterschiedliche Skier zum Einsatz kommen.

Ein wesentlicher Faktor bei der Wahl einer geeigneten Wachsschicht ist die Kenntnis der Schnee-Temperatur. Üblicherweise wird die Temperatur des Schneebelags punktuell in einem begrenzten Bereich einer Loipe oder einer Sprungschanze gemessen. Es versteht sich in diesem Zusammenhang von selbst, dass die Messung der Temperatur in einem begrenzten Bereich der Loipe oder der Sprungschanze wenig aussagekräftig für die korrekten Temperaturverhältnisse entlang der kompletten Wegstrecke. Beispielsweise spielen die Licht- und Schattenverhältnisse gerade in den kritischen Passagen der Wegstrecke bzw. Rennstrecke eine große Rolle. Um eine korrekte Aussage darüber machen zu können, welches Wachs bevorzugt zum Einsatz kommen soll, ist es notwendig, die Temperatur längs der Wegstrecke mit einer guten Ortsauflösung zu bestimmen.

Bislang ist es bekannt geworden, an ausgewählten Stellen Vorort-Messungen manuell durchzuführen. Ein derartiges Vorgehen ist natürlich recht umständlich und aufwändig und – je nach Dauer des Messverfahrens und je nach herrschenden Witterungsbedingungen- auch noch ziemlich ungenau, da bei Ende aller Vorortmessungen die ermittelten Temperaturmesswerte ggf. bereits wieder überholt sind.

Ein anderes Beispiel aus dem Sportbereich, bei dem die Kenntnis der Temperatur des Bodenbelags von großer Wichtigkeit ist, ist der Motorsport. Im Motorsport ist die Wahl der Reifen von ausschlaggebender Bedeutung für den Ausgang des Rennens. Ist die Haftreibung zwischen den Reifen und dem Bodenbelag zu gering, so besteht gerade in Kurven die Gefahr, dass das Auto in den Kurven abdriftet, was dann eine reduzierte Geschwindigkeit bei Kurvendurchfahrten erfordert und zu entsprechend schlechten Rundenzeiten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem zwecks Ermittlung und Optimierung des Reibwertes eine Temperaturmessung näherungsweise simultan über eine ausgedehnten Wegstrecke erfolgt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in zumindest einem Teilbereich des Belags der Wegstrecke die Temperaturmesswerte des Belags positionsabhängig ermittelt werden, dass anhand der ermittelten positionsabhängigen Temperaturmesswerte Reibwerte zumindest qualitativ ermittelt werden bzw. ein ggf. auf abgespeicherten Erfahrungswerten beruhender Vorschlag zur Beschaffenheit bzw. zur Ausgestaltung der Auflagefläche ausgegebenen wird, und dass durch die vorgeschlagene Beschaffenheit bzw. Ausgestaltung der Auflagefläche der Reibwert zwischen der Auflagefläche des Gegenstandes und dem Belag der Wegstrecke derart optimiert wird, dass die Auflagefläche mit einer optimierten Haft- bzw. Gleitreibung auf dem Belag bewegt wird. Bei dem Gegenstand, der sich entlang seiner Auflagefläche über den Belag bewegt, handelt es sich übrigens bevorzugt um ein Sportgerät oder um einen Reifen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die positionsabhängigen Temperaturmesswerte über die Wegstrecke oder über einen ausgewählten Teilbereich der Wegstrecke gemittelt bzw. statistisch analysiert, gewichtet oder gemäß einem vorgegebenen Algorithmus bewertet.

Als besonders günstig wird es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesehen, wenn zumindest eine zusätzliche physikalische Größe ermittelt wird, die die Wegstrecke bzw. zumindest einen Teilbereich der Wegstrecke oder die Gegebenheiten an der Wegstrecke bzw. in dem zumindest einen Teilbereich der Wegstrecke charakterisiert, und wenn nachfolgend diese ermittelte, zusätzliche physikalische Größe bei der vorgeschlagenen Beschaffenheit bzw. Ausgestaltung der Auflagefläche des Gegenstands auf dem Belag berücksichtigt wird.

Vorteilhafterweise werden die positionsabhängigen Temperaturmesswerte in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke in Abhängigkeit von der zusätzlichen physikalischen Größe unterschiedlich gewichtet. Beispielsweise ist es im Ski-Langlauf extrem wichtig, wenn der Reibwert der Skier optimal auf die Gegebenheiten im Bereich von Steigungen bzw. Gefällen abgestellt ist. Im Motorsport ist es wichtig, die Information über die Rennstrecke im Bereich von Kurven vorrangig zu berücksichtigen.

Wie bereits zuvor erwähnt, ist es im Skisport sehr wichtig, dass die Optimierung der Auflagefläche des Skis auf dem Schneebelag durch einen Austausch des Skis oder durch Auftragen einer geeigneten Gleit- bzw. Haftschicht, insbesondere einer Wachsschicht, erzielt wird.

Eine zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens geeignete Vorrichtung sieht vor, dass es sich bei der Temperaturmessvorrichtung um diskrete Einzelmessstellen und/oder mindestens eine faseroptische Temperaturmessvorrichtung handelt, die in den Belag der Wegstrecke bzw. des Teilbereichs der Wegstrecke entweder temporär oder stationär eingebracht ist und die positionsabhängige Temperaturmesswerte von der Wegstrecke bzw. aus dem Teilbereich der Wegstrecke zur Verfügung stellt. Positionsabhängige faseroptische Temperaturmessvorrichtungen werden in unterschiedlichen Ausgestaltungen angeboten und vertrieben. Beispielhaft seien an dieser Stelle die entsprechenden Temperaturmessvorrichtungen der Firma GESO aus Jena genannt, die den sog. Raman-Effekt nutzen.

Positionsabhängige, faseroptische Temperaturmessvorrichtungen nach dem Raman- oder Brillouin-Verfahren zeichnen sich aufgrund der zeitaufgelösten Messung des Rückstreuspektrums dadurch aus, dass sie das Temperaturprofil entlang einer Wegstrecke, in einer Fläche oder einem Volumen mit hoher Ortsauflösung und mit hoher Temperaturauflösung erfassen können.

Bei einem solchen faseroptischen Laserradar-Temperaturmessverfahren wird die Temperaturabhängigkeit bestimmter optischer Eigenschaften von Lichtwellenleitern zur Messung der Temperatur entlang des Lichtwellenleiters genutzt. Dazu werden kurze Laserlichtimpulse in die Lichtwellenleiter eines Sensorkabels eingekoppelt. Ein geringer Teil des Laserlichts wird in einzelnen Bereichen des Lichtwellenleiters zurückgestreut. Neben der eingestrahlten Wellenlänge enthält das Rückstreuspektrum z.B. je ein Stokes- und ein Anti-Stokes-Band, welche in ihrer Wellenlänge jeweils zu geringeren und zu größeren Wellenlängen hin verschoben sind.

Physikalisch wird dieses Streuverhalten durch den Raman-Effekt beschrieben. Während die Intensität des Stokes-Bandes annähernd temperaturunabhängig ist, zeigt das Anti-Stokes-Band eine deutliche Temperaturabhängigkeit. Durch Bildung des Quotienten der beiden Intensitäten kann in eindeutiger Weise die Temperatur des Lichtwellenleiterabschnitts, in dem das Licht zurückgestreut wurde, berechnet werden. Hierbei handelt es sich jeweils um die mittlere Temperatur des Längenabschnitts, aus dem das rückgestreute Licht innerhalb eines bestimmten Zeitfensters stammt. In einer Regel-/Auswerteeinheit wird die Intensitätsmessung mit einer Laufzeitmessung des Lichts im Lichtwellenleiter verknüpft. Von der Firma GESO werden Temperaturmeßvorrichtungen angeboten, die bei einer Ortsauflösung von 0.1 K eine Ortsauflösung von ca. 1 m liefern. Die Lichtwellenleiter können übrigens mit offenen Enden ausgestattet sein, sie können ringförmig oder geradlinig oder auch mäanderförmig in dem Belag der Wegstrecke verlegt sind.

Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, handelt es sich bei der Wegstrecke um eine Rennstrecke in einer Sportstätte, eine Loipe, eine Skisprung-Schanze oder eine Motorsportstrecke.

Oftmals ist im Rahmen von Sportveranstaltungen die Information über die Temperaturverhältnisse der Rennstrecke nicht allein ausreichend, um die Sportgeräte optimal zu präparieren. Weitere physikalische Größen, wie die Luftfeuchte, die Luftbewegung bzw. die Windgeschwindigkeit oder eine Positionsangabe, z.B. über GPS, die Geschwindigkeit, die Drehzahl oder den Schlupf des auf dem Belag der Wegstrecke bewegten Gegenstandes spielen gleichfalls eine bedeutende Rolle. Diese Größen werden gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung bei der optimalen Präparierung bzw. bei der Auswahl des Sportgeräts oder eines Teils desselben berücksichtigt und bei Bedarf mit den Temperaturmesswerten verknüpft. Hierdurch lässt sich eine qualitativ hochwertige Analyse bzw. Information über den gesamten Streckenverlauf bereitstellen. Durch sukzessives Auffüllen einer Datenbank mit den Temperaturmesswerten, den zusätzlichen physikalischen Größen, der unterschiedlichen Beschaffenheit der Wegstrecke/Rennstrecke und den entsprechenden Vorschlägen für die optimale Beschaffenheit oder Präparierung der Auflagefläche erhält man ein selbstlernendes System, das letztlich den optimalen Vorschlag für die Beschaffenheit der Auflagefläche unter den aktuellen, an der Wegstrecke gegebenen Verhältnissen zur Verfügung stellt.

Wie bereits gesagt, betreffen weitere Größen, deren Kenntnis für die Auswahl bzw. die Präparierung des Sportgeräts unter Umständen sehr wichtig sind, die Gegebenheiten an der Wegstrecke bzw. an der Rennstrecke. Als wichtige Einflussgrößen sind hier Steigungen und Gefälle ebenso wie die Licht- oder Schattenverhältnisse in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke zu nennen oder aber auch die Krümmung bzw. der Radius oder der Neigungswinkel einer Kurve der Wegstrecke.

Nutzen aus dem Sammeln und Bereitstellen der wetterabhängigen Streckeninformationen zieht natürlich auch der Streckenbetreiber, der aufgrund dieser Informationen die Wegstrecke optimal – d. h. qualitativ gut und zuverlässig – präparieren bzw. warten kann. Wichtig ist die erfindungsgemäß zur Verfügung gestellte Information letztlich auch für den Sportler selbst, dem Information zur Erkennung und Darstellung von gefährlichen und kritischen Teilbereichen der Wegstrecke zur Verfügung gestellt werden. Die gewonnene Information über die Verhältnisse an der Wegstrecke kann dem Sportler beispielsweise über Funk auch während eines laufenden Rennens übermittelt werden.

In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung und Optimierung von Reibwerten RW dargestellt.
Der Gegenstand 1 liegt mit der Auflagefläche 2 auf dem Belag 3 der Wegstrecke 16 auf und wird mit einer Geschwindigkeit v relativ zu dem Belag 3 bzw. zu der Wegstrecke 16 bewegt. Im Folgenden wird der konkrete Fall beschrieben, dass es sich bei dem Gegenstand 1 um einen Ski und bei dem Belag 3 um einen Schneebelag handelt.
Um die Gleitreibung zwischen dem Ski 1 und Belag 3 zu optimieren, ist auf zumindest einen Teil der Auflagefläche 5 bzw. der Reibfläche des Skis 1 eine Wachsschicht 2 aufgetragen. Die Wahl der Wachsschicht 2 ist abhängig von der Beschaffenheit, z.B. der Temperatur, des Schneebelags 3, von physikalischen Größen X und von sonstigen Gegebenheiten G an der Wegstrecke 16. Alternativ oder additiv zur Auftragung einer Wachsschicht 2 ist es auch möglich, einen andersartig gestalteten Ski 1 zu nutzen.
In den Belag 3 der Wegstrecke 16 sind n Temperaturmessstellen 4 eingebracht. Die Temperaturmessstellen 4 liefern Temperaturmesswerte Ti, die Information über die Temperaturwerte Ti an definierten Stellen Pi des Belags 3 beinhalten. In 1 sind die Wegmessstellen 6 gesondert dargestellt, die die den Temperaturmesswerten Ti zugeordneten Positionsangaben Pi liefern. Bevorzugt kommt jedoch zumindest eine faseroptische Temperaturmessvorrichtung 4 zum Einsatz, die aus zumindest einem Teilbereich der Wegstrecke 16 die positionsabhängigen Temperaturmesswerte Ti(Pi) unmittelbar – ohne die Information von zusätzlichen Positionsmessstellen Pi zu benötigen – zur Verfügung stellt. Möglich ist dies durch die Messung der Laufzeit von Laserpulsen, die in zumindest einen Lichtwellenleiter eingespeist und in dem Lichtwellenleiter Rückstreuungen erfahren. Wie bereits zuvor beschrieben, lassen sich über dieses Verfahren positionsabhängige Temperaturmesswerte Ti(Pi) gewinnen, die nachfolgend an die Auswerte-/Berechnungseinheit 7 übergeben werden.
Wie bereits gesagt ist die Temperatur T nicht die einzige Größe, die die Gleitreibung beeinflusst. Weitere physikalische Größen X können hier eine Rolle spielen. Das Messgerät 8 misst oder ermittelt die zumindest eine physikalische Größe X. Der Messwert, der die physikalische X Größe repräsentiert, wird über einen Messumformer 9 an die Auswerte-/Berechnungseinheit 7 weitergeleitet. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, handelt es sich bei der physikalischen Größe X beispielsweise um die Luftfeuchte h, um die Luftbewegung bzw. die Windgeschwindigkeit, oder um eine Positionsangabe, um die Geschwindigkeit, die Drehzahl oder den Schlupf des auf dem Belag 3 der Wegstrecke 16 bewegten Gegenstandes 1.
Darüber hinaus können auch weitere Gegebenheiten G an der Wegstrecke 16 bzw. an der Rennstrecke berücksichtigt werden. Beispielhaft seien an dieser Stelle die Steigung oder das Gefälle in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke 16, die Licht- oder Schattenverhältnisse in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke 16 oder die Krümmung bzw. der Radius einer Kurve der Wegstrecke 16 genannt. Die zuletzt genannte Information wird der Auswerte-/Berechnungseinheit 7 in der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung über die Eingabeeinheit 13 zur Verfügung gestellt. Die Speichereinheit 12 dient zur Abspeicherung von Daten, z.B. in Form einer Datenbanktabelle. Hier ist in Abhängigkeit von definierten Gegebenheiten ein optimaler, üblicherweise auf Erfahrung beruhender Reibwert RW vorgegeben.
Der korrekte Reibwert RW, ebenso wie die aktuellen Temperaturmesswerte Ti(Pi), ggf. die anderweitigen physikalischen Größen X und die sonstigen Gegebenheiten G an der Wegstrecke 16 werden über die Übertragungseinheiten 11, 14, bevorzugt drahtlos an eine entfernte Stelle übertragen, an der die geeignete Präparierung des Skis 1 erfolgen soll.
Mit der Kennzeichnung 15 ist in der 1 eine Vorrichtung zur Optimierung des Reibwertes RW symbolisiert. Bei der Vorrichtung 15 handelt es sich im einfachsten Fall um ein Auftragsmedium, mit dem die geeignete Gleitschicht 2 auf die Auflagefläche 5 des Skis 1 appliziert wird. Aufgrund der zur Ver-fügung stehenden aktuellen Informationen ist die Beschaffenheit der Gleitschicht 2 so vorgebbar, dass sie optimal auf die aktuellen Gegebenheiten an der Wegstrecke 16 abgestimmt ist, ohne dass hierzu spezielles Fach-wissen notwendig ist.

1: Gegenstand/Ski
2: Gleit-/Haftschicht mit Reibwert RW (insbesondere Wachsschicht)
3: Belag/Schneebelag
4: Temperaturmessstelle/Temperaturmessvorrichtung
5: Auflagefläche
6: Wegmessstelle
7: Auswerte-/Berechnungseinheit
8: Messgerät für eine physikalische Einflußgröße X
9: Messwert-Umformer
10: Ausgabeeinheit, z.B. Display oder Interface
11: Übertragungseinheit
12: Speichereinheit
13: Eingabeeinheit
14: Übertragungseinheit
15: Vorrichtung zur Reibwertanpassung
16: Wegstrecke

Claims

Verfahren zur Ermittlung und Optimierung des Reibwertes zwischen einer Auflagefläche (5) eines Gegenstands (1) und einem auf einer Wegstrecke (16) angeordneten Belag (3), wobei der Gegenstand (1) relativ zu dem Belag (3) der Wegstecke (16) bewegt wird, wobei in zumindest einem Teilbereich des Belags (3) der Wegstrecke (16) die Temperaturmesswerte (Ti) des Belags (3) in Abhängigkeit von der jeweiligen Position (Pi) ermittelt werden, wobei anhand der ermittelten positionsabhängigen Temperaturmesswerte (Ti(Pi)) ein Reibwert (RW) zumindest qualitativ ermittelt wird bzw. ein auf abgespeicherten Erfahrungswerten (EW) beruhender Vorschlag zur Beschaffenheit bzw. zur Ausgestaltung der Auflagefläche (5) ausgegebenen wird, und wobei durch die vorgeschlagene Beschaffenheit bzw. Ausgestaltung der Auflagefläche (5) der Reibwert (RW) zwischen der Auflagefläche (5) des Gegenstandes (1) und dem Belag derart optimiert wird, dass die Auflagefläche (5) mit einer vorgegebenen Haft- oder Gleitreibung auf dem Belag (3) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die positionsabhängigen Temperaturmesswerte (Ti(Pi)) über die Wegstrecke (16) oder über zumindest einen ausgewählten Teilbereich der Wegstrecke (16) gemittelt bzw. statistisch analysiert, gewichtet oder gemäß einem vorgegebenen Algorithmus bewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eine zusätzliche physikalische Größe (X) ermittelt wird, die die Wegstrecke (16) bzw. zumindest einen Teilbereich der Wegstrecke (16) oder die Gegebenheiten (G) an der Wegstrecke bzw. in dem zumindest einen Teilbereich der Wegstrecke (16) charakterisiert, und wobei die physikalische Größe (X) bei der vorgeschlagenen Beschaffenheit bzw. Ausgestaltung der Auflagefläche (5) des Gegenstands (1) auf dem Belag (3) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei die positionsabhängigen Temperaturmesswerte (Ti(Pi)) in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke (16) in Abhängigkeit von der zusätzlichen physikalischen Größe (X) unterschiedlich gewichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Optimierung der Auflagefläche (5) des Gegenstandes (1) auf dem Belag (3) durch Auswahl eines abgeänderten Gegenstandes (1) oder durch Auftragen einer geeigneten Gleit- bzw. Haftschicht (2) erzielt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Temperaturmessvorrichtung (4) um diskrete Einzelmessstellen und/oder mindestens eine faseroptische Temperaturmessvorrichtung (4) handelt, die in den Belag (3) der Wegstrecke (16) bzw. in einen Teilbereich der Wegstrecke (16) eingebracht ist und die positionsabhängige Temperaturmesswerte (Ti(Pi)) von der Wegstrecke (16) bzw. aus dem Teilbereich der Wegstrecke (16) zur Verfügung stellt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei es sich bei Wegstrecke (16) um eine Rennstrecke in einer Sportstätte handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei es sich bei der physikalischen Größe (X) um die Luftfeuchte (h), die Luftbewegung bzw. Windgeschwindigkeit oder um eine Positionsangabe, die Geschwindigkeit, die Drehzahl oder den Schlupf des auf dem Belag der Wegstrecke (16) bewegten Gegenstandes (1) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 5 oder 7, wobei es sich bei den Gegebenheiten (G) an der Wegstrecke (16) bzw. an der Rennstrecke um die Steigung oder das Gefälle in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke (16), um die Licht- oder Schattenverhältnisse in einzelnen Teilbereichen der Wegstrecke (16) oder um die Krümmung bzw. den Radius einer Kurve der Wegstrecke (16) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 8, wobei es sich bei dem Gegenstand (1) um ein Sportgerät oder um einen Reifen handelt.