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Fahrzeugreifen
werden üblicherweise
mit Luft oder einem speziellen Füllgas
gefüllt.
Für den Betrieb
des Fahrzeugreifens ist es notwendig, dass der Luftdruck im Reifen
möglichst
konstant bleibt. Durch Diffusion oder kleinere Beschädigungen
(Mikrorisse) verliert der Autoreifen Luft; dieses Phänomen kann
als schleichender Druckverlust bezeichnet werden. Als Folge nimmt
der Druck im Reifen ab. Zu geringer Luftdruck zieht eine erhöhte Walkarbeit
und damit frühzeitigen
Reifenverschleiß nach
sich. Dies wiederum kann bei hohen Geschwindigkeiten dazu führen, dass
die Reifen der Belastung nicht mehr standhalten und platzen.
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Bisher
musste zu niedriger Luftdruck im Reifen durch manuelle Kontrolle
des Luftdruckes erkannt werden. Es gibt ferner Reifendruck-Kontrollsysteme,
die vor plötzlichem
und schleichendem Druckverlust warnen. SIEMENS VDO Automotive bietet
mit „Tire
IQ System" ein solches
System an. In beiden Fällen
muss bei Bedarf Luft manuell nachgefüllt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, den Auswirkungen eines schleichenden
Druckverlustes bei einem Fahrzeugreifen mit möglichst geringem Aufwand so
weit wie möglich
entgegenzuwirken.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Luftbefüllungseinrichtung
für Fahrzeugreifen
vorgeschlagen, mit einem Verdichtungsraum, der über ein Auslassventil mit einem
zu befüllenden Luftraum
in Verbindung steht, einem Kolbenraum, der an den Verdichtungsraum
angrenzt und über
eine elastische Membran von diesem getrennt ist, wobei die Membran eine
luftdurchlässige Öffnung aufweist, und
einem Kolben, der in dem Kolbenraum derart geführt ist, dass er bei Einwirkung
einer in Richtung des Verdichtungsraums wirkenden Kraft die elastische Membran
unter Verringerung des Volumens des Verdichtungsraums elastisch
verformt und gleichzeitig die luftdurchlässige Öffnung verschließt.
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Durch
die Erfindung wird folglich eine Luftbefüllungseinrichtung zur Verfügung gestellt,
die einen sowohl mit einem zu befüllenden Luftraum, beispielsweise
dem Fahrzeugreifen, als auch mit einem Kolbenraum in Verbindung
stehenden Verdichtungsraum aufweist, wobei durch Einwirkung des
Kolbens auf den Verdichtungsraum über die elastische Membran
der Luftraum quasi automatisch aufgepumpt wird. Ein schleichender
Druckverlust wird also kontinuierlich ausgeglichen, ohne dass manuelle
Mess- und Nachfülltätigkeiten
durchgeführt
werden müssen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Luftbefüllungseinrichtung
ist vorgesehen, dass das Auslassventil bei Überschreiten eines vorbestimmten
Wertes des Luftdrucks im Verdichtungsraum öffnet, um Luft in den zu befüllenden
Luftraum entweichen zu lassen, und bei Unterschreiten des vorbestimmten
Wertes schließt.
Hierdurch wird vorteilhafterweise ein so genanntes selbstschließendes Ventil
als Auslassventil vorgesehen, das zwar bei einem bestimmten Druck
im Verdichtungsraum Luft in den zu befüllenden Luftraum abgibt, aber
in umgekehrter Richtung das Entweichen von Luft aus dem Luftraum
in den Verdichtungsraum sicher vermeidet.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Luftbefüllungseinrichtung sieht
vor, dass eine Seitenwand des Kolbenraums eine Öffnung aufweist, durch die
Luft in den Kolbenraum strömen
kann, wenn der Kolben nicht auf die Membran gedrückt wird. Auf diese Weise kann
besonders einfach neue Luft aus dem Kolbenraum in den Verdichtungsraum
nachströmen,
um in einem folgenden Verdichtungsvorgang in den zu befüllenden
Luftraum abgegeben zu werden.
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Damit
der Kolben nicht aufgrund eines Unterdrucks, der auf der Membran
angewandten Seite des Kolbens entsteht, am Verdichten der Luft in
dem Verdichtungsraum gehindert wird, kann gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
vorgesehen sein, dass der Kolbenraum auf derjenigen Seite des Kolbens,
die von der Membran abgewandt ist, mindestens eine Luftausgleichsbohrung
aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Luftbefüllungseinrichtung sieht
vor, dass der Kolben ein Überdruckventil
aufweist, das derart angeordnet ist, dass es über die luftdurchlässige Öffnung in
der Membran mit dem Verdichtungsraum in Verbindung steht, wenn der
Kolben auf die Membran gedrückt
wird. Hiermit kann der maximale Fülldruck des zu befüllenden
Luftraumes eingestellt werden und die Luftbefülleinrichtung damit an die
Gegebenheiten verschiedener zu befüllender Lufträume angeglichen
werden.
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Damit
der Kolben eine ausreichende Kraft zur Verdichtung der Luft in dem
Verdichtungsraum entwickeln kann, sollte er aus einem Material mit
hoher Dichte, beispielsweise Blei, bestehen.
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Besonders
einfach lässt
sich der Kolben konstruieren, wenn die luftdurchlässige Öffnung ferner etwa
mittig in der Membran angeordnet ist. Die Membran kann beispielsweise
aus einem Elastomer bestehen.
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Besonders
vorteilhaft kann die Erfindung bei Reifen von Fahrzeugen eingesetzt
werden. In diesem Fall ist dann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, dass die Luftbefüllungseinrichtung
derart an einer Reifenfelge des Reifens befestigt ist, dass die
auf den Kolben wirkende Kraft die bei Rotation der Reifenfelge entstehende
Fliehkraft ist. Hierdurch wird die bei der Fahrt auf den Kolben ausgeübte Fliehkraft
zur Verdichtung der Luft in dem Verdichterraum ausgenutzt. Weitere
Energiequellen zur Verdichtung der Luft werden nicht benötigt.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auch auf ein Rad eines Fahrzeuges
mit einem Reifen und zumindest einer mit dem Reifen in Verbindung
stehenden Luftbefüllungseinrichtung
der Art, wie sie vorangehend beschrieben ist.
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Zur
weiteren Erläuterung
der erfindungsgemäßen Luftbefüllungseinrichtung
wird die Erfindung anhand der nachstehenden Figuren näher erläutert. Hierbei
zeigen
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1 eine
schematische Prinzipdarstellung einer Luftbefüllungseinrichtung,
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2a bis 2c Darstellungen
zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Luftbefüllungseinrichtung,
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3 eine
Schnittansicht eines Kolbens einer Luftbefüllungseinrichtung und
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4 ein
Segment eines Kraftfahrzeugreifens mit einer Luftbefüllungseinrichtung.
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Mit
der erfindungsgemäßen Luftbefüllungseinrichtung
kann einem Fahrzeugreifen während
der Fahrt bis zum Erreichen eines maximalen Luftdruckes kontinuierlich
automatisch Luft zugeführt
werden.
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Das
wird erreicht, indem die Luftbefüllungseinrichtung
am Außenradius
einer Reifenfelge befestigt ist.
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Eine
solche Luftbefüllungseinrichtung 1 enthält gemäß 1 eine
Membranpumpe. Durch einen in einem Kolbenraum 6 beweglichen
Kolben 2, der gemäß 1 lediglich
schematisch als bewegliches Massenstück dargestellt ist und auf
den eine Kraft einwirkt, wird Luft in einen zu befüllenden
Luftraum 3, zum Beispiel in einen Reifen, gepumpt. Eine
Membran 4, gebildet aus einem elastischen Material, wie
einem Elastomer (zum Beispiel Gummi) begrenzt den Kolbenraum 6 und
trennt ihn von einem Verdichtungsraum 7. Die Membran 4 weist
eine luftdurchlässige Öffnung 5 auf,
die in Verbindung mit dem Kolben 2 ein Einlassventil bildet.
Durch eine Kraft, zum Beispiel die Fliehkraft bei Rotation des Reifens,
die in Richtung des Pfeiles F wirkt, deckt der Kolben 2 die Öffnung 5 der
Membrane 4 ab. Der Verdichtungsraum 7 ist so ausgestaltet,
dass mit zunehmender Auslenkung des Kolbens 2 der Druck
im Verdichtungsraum 7 steigt. Beim Erreichen eines ausgewählten Druckes öffnet ein
Auslassventil 8 und die komprimierte Luft im Verdichtungsraum 7 strömt in den
zu befüllenden
Luftraum 3.
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Durch
das Öffnen
des Auslassventils 8 kommt es zum Druckausgleich zwischen
dem Luftraum 3 und dem Verdichtungsraum 7. Verringert
sich die Kraft auf die Membrane 4, zum Beispiel weil sich die
Rotationsgeschwindigkeit des Reifens verringert und damit die Fliehkraft
und der Druck auf die Membrane 4 sinken, gibt der Kolben 2 die Öffnung 5 frei. Der
Restdruck im Verdichtungsraum wird über die Öffnung 5 abgebaut,
was in Folge zum Schließen
des Auslassventils 8 führt.
Durch die Verringerung der auf den Kolben 2 wirkenden Kraft,
sowie durch den Restdruck im Verdichtungsraum und die Rückstellkraft der
elastischen Membran 4 wird der Kolben 2 zurückge drängt. Unterstützt wird
dies durch die Schwerkraft, wenn sie in entgegengesetzter Richtung
zur Fliehkraft wirkt.
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Durch
geeignete Auslegung der im Verfahren beteiligten Einzelteile und
Größenverhältnisse kann
erreicht werden, dass ein Maximaldruck im Luftraum 3 nicht überschritten
wird. Damit die Luftbefüllungseinrichtung 1 für unterschiedliche
Lufträume 3 verwendet
werden kann, kann der maximale Druck durch ein einstellbares Überdruckventil
im Kolben begrenzt werden. Dies wird später näher erläutert.
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Der
Kolbenraum 6 hat die Aufgabe, den Kolben 2 zu
führen.
Die Führung
muss nicht randschlüssig
erfolgen. Ausführungsbevorzugt
werden die Innenwand des Kolbenraums 6 und die Oberfläche des Kolbens 2 so
gestaltet, dass sich der Kolben 2 fast ohne Widerstand
im Kolbenraum 6 bewegen kann. Das kann zum Beispiel durch
entsprechenden Abstand oder durch Abstandsnuten erreicht werden. Der
Kolbenraum 6 wird durch die Membran 4 begrenzt.
Daran schließt
sich der Verdichtungsraum 7 an. Die Membran 4 bildet
zusammen mit der Öffnung 5 und
dem Kolben 2 quasi ein Einlassventil für den Verdichtungsraum 7.
Das Ausgangsventil 8 wird zum Beispiel durch eine mittels
eines federbelasteten Ventiltellers verschließbare Austrittsöffnung zum Luftraum 3 gebildet.
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Bei
der Auslegung des Kolbens 2 wird erfindungsgemäß ein Material
mit hoher Dichte verwendet (zum Beispiel Blei). Je größer die
Masse des Kolbens 2 ist, desto größer ist die Luftmenge, die
in den Luftraum 3 gepumpt werden kann.
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2a bis 2c illustrieren
die Funktionsweise der Luftbefüllungseinrichtung 1.
Kolbenraum 6 wird gemäß 2 durch einen becherartigen Ansatz 6' und einen Deckel 6'' gebildet. Der Kolben 2 ist
gemäß 2 so gestaltet, dass er das maximale Volumen
des Ansatzes 6' ausnutzt
und die Membran 4 im Betrieb gleichmäßig belastet. Die Formgebung
der Innenseite des Deckels 6'' und die Berührungsfläche des
Kolbens 2 mit der Membrane 4 sind so gestaltet, dass
in der maximalen Auslenkung des Kolbens 2, wie in 2b dargestellt,
der Verdichtungsraum 7 minimal wird. Dadurch wird erreicht,
dass im Verdichterraum 7 ein hoher Druck aufgebaut wird,
der zur Öffnung
des Auslassventils 8 führt.
In 2a, 2b und 2c werden
die einzelnen Phasen der Funktionsweise der Luftbefüllungseinrichtung
gezeigt.
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Die 2a zeigt
die erste Phase der Funktionsweise. Das Auslassventil 8 ist
geschlossen. Auf den Kolben 2 wirkt die Kraft F. Kolben 2 dichtet
die Öffnung 5 der
Membran 4 ab. Der Verdichtungsraum 7 ist jetzt
beidseitig geschlossen. Durch die auf den Kolben 2 wirkende
Kraft F bewegt sich der Kolben 2 auf den Verdichtungsraum 7 zu,
verformt dabei die Membran 4 und verdichtet die im Verdichtungsraum 7 befindliche
Luft.
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Beim
Erreichen eines bestimmten Druckes im Verdichtungsraum öffnet sich
das Auslassventil 8. Dies zeigt 2b. Der
Druck im Verdichtungsraum ist in dieser Situation größer als
der Druck im Luftraum 3. Durch das Öffnen des Auslassventils 8 kommt
es zum Druckausgleich zwischen Verdichtungsraum 7 und Luftraum 3,
indem komprimierte Luft aus dem Verdichtungsraum 7 durch
das Auslassventil 8 in den Luftraum 3 strömt, wie
in 2b durch Pfeile angedeutet. Der Druck im Luftraum 3 steigt. 2b zeigt
den Kolben 2 in maximaler Auslenkung mit minimalen Volumen
des Verdichtungsraumes 7 bei geöffnetem Auslassventil 8.
Durch den Druckausgleich sinkt der Druck im Verdichtungsraum 7 und das
Auslassventil 8 schließt
wieder.
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Lässt die
Kraft F auf den Kolben 2 nach, wird durch den Restdruck
im Verdichtungsraum 7 der Kolben 2 zurückgedrängt. Un terstützt wird
dieser Vorgang zum Beispiel durch die Schwerkraft und die Rückstellkraft
der Membran 4.
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2c zeigt
den Kolben 2 in Minimalstellung. Das Auslassventil ist
geschlossen. Das Einlassventil, gebildet durch Kolben 2,
Membran 4 und Öffnung 5 erreicht,
wie durch Pfeile in 2c angedeutet ist. Der Ansatz 6' enthält zudem
Luftgleichsbohrungen 10, die verhindern, dass bei der Komprimierung
des Verdichtungsraumes ein hemmender Unterdruck oder bei der Belüftung des
Verdichtungsraumes 7 ein die Bewegung des Kolbens 2 hemmender Überdrück entsteht.
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Die
Verbindung zwischen Deckel 6'' und Ansatz 6' kann lösbar (zum
Beispiel über
eine Schraubverbindung) oder nicht lösbar ausgeführt sein. Im letztgenannten
Fall werden Deckel 6'' und Ansatz 6' verpresst und
die Membran 4 zwischen Deckel 6'' und
Ansatz 6' gepresst.
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Der
Deckel 6'' kann vorzugsweise
Funktionsflächen,
also vorbereitete Bereiche, zur Bildung des Verdichtungsraumes und
Funktionsflächen
zur Bildung des Auslassventils enthalten. 3 zeigt
Kolben 2 mit einem eingebauten Überdruckventil 11 in vereinfachter
Darstellung. Das Überdruckventil 11 wird
hierbei aus einer Stellschraube 12, einer Feder 13,
einem Ventilteller 14 und dem Kolben 2 gebildet. Die
Stellschraube 12 spannt die Feder 13 und drückt den
Ventilteller 14 von innen gegen den Kolben 2.
Je weiter die Stellschraube 12 in den Kolben 2 gedreht wird,
desto größer ist
die Kraft, mit der der Ventilteller 14 gegen den Kolben 2 gedrückt wird.
Die Länge
der Stellschraube 12, die aus dem Kolben 2 herausragt, ist
eine sichtbare Anzeige für
die Spannkraft und damit für
den Druck, der benötigt
wird, um das Überdruckventil 11 zu öffnen. Der
Ventilteller 14 ist so ausgestaltet, dass die Öffnung 5 in
der Membran 4 (siehe 1) abdeckt.
Membran 4, Öffnung 5 und
Ventilteller 14 bilden somit das Einlassventil für den Verdichterraum 7.
Die gleiche Kraft wirkt auch über
den Ventilteller 14 des Überdruckventils 11 auf
die Öffnung 5. Bei
Erreichen eines bestimmten und durch die Stellschraube 12 eingestellten
Druckes, kann der Ventilteller 14 die Öffnung 5 nicht mehr
abdecke. Die Luft im Verdichterraum 7 wird nicht mehr verdichtet
und kann über
die Öffnung 5,
das nunmehr offene Überdruckventil 11 und
einen Entlüftungskanal 15 entweichen.
Der zum Öffnung
des Auslassventils 8 (1) notwendige
Druck wird nicht erreicht. Es wird keine Luft mehr in den Luftraum 3 (1)
gepumpt.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Stellschraube frei drehbar im Kolben gelagert. Durch Drehen
der Stellschraube wird die Position eines Stellers verändert. Über den
Steller wird die Feder gespannt. Die Position des Stellers kann
mittels einer Skala an der Außenhülle des
Kolbens angezeigt werden.
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4 zeigt
die Luftbefüllungseinrichtung 1 an
einem Fahrzeugreifen 16, von dem nur ein Kreissegment dargestellt
ist. Durch die Rotation in Richtung V des Fahrzeugreifens 16 erfährt der
Kolben 2 in der Vorrichtung eine Fliehkraft F, die, wie
oben beschrieben, Luft in den Fahrzeugreifen 16 pumpt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann einmal oder mehrmals am Fahrzeugreifen 16 eingesetzt
werden. Als eine Ausführungsform
kann die Vorrichtung auch mit einem herkömmlichen Befüllungsventil
zum manuellen Befüllen
des Fahrzeugreifens 16 kombiniert werden. Weiterhin können zusätzliche
zu der Luftbefüllungseinrichtung 1 Luftdruck-
und Fahrzeugreifentemperatursensoren vorgesehen sein.
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Mit
der beschriebenen Luftbefüllungseinrichtung 1 kann
ein schleichender Druckverlust automatisch ausgeglichen werden.
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Drucküberprüfungsintervalle
werden hierdurch größer beziehungsweise
können
entfallen. Das erfindungsgemäße System
kann sehr gut als Ergänzung
zum Reifendruck-Kontrollsystem „Tire IQ System" von SIEMENS VDO
Automotive dienen.