DE102008062068A1

DE102008062068A1 - Reifendruckregelsystem und Verfahren zur Reifendruckregelung

Info

Publication number: DE102008062068A1
Application number: DE102008062068A
Authority: DE
Inventors: Michael Herges; Martin Mederer; Markus Stöhr
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reifendruckregelsystem (1) für Fahrzeuge mit pneumatischen Reifen (4) und ein Reifendruckregelverfahren. Dazu weist das Reifendruckregelsystem (1) zumindest einen Reifendrucksensor (20) und ein Reifenventil auf. Zumindest ein Druckverteiler (5) mit Schaltventilen wirkt mit einem Steuer- und Regelgerät (10) zusammen, wobei das Reifendruckregelsystem (1) zumindest ein Reifendrucksteuerventil (21) und der Hochdruckkompressor (13) einen elektrischen Antrieb (14) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reifendruckregelsystem insbesondere für Fahrzeuge mit pneumatischen Reifen und ein Reifendruckregelverfahren. Dazu weist das Reifendruckregelsystem zumindest einen Reifendrucksensor und ein Reifenventil auf. Außerdem weist das Reifendruckregelsystem zumindest einen Druckverteiler mit Schaltventilen und ein Steuer- und Regelgerät sowie einen Hochdruckkompressor auf.
Aus der Druckschrift EP 1 236 588 ist ein Verfahren und ein System zur Reifendrucküberwachung für mit Antiblockierschutzsystemen ausgerüsteten Fahrzeugen bekannt. Dieses Reifendrucküberwachungssystem weist neben den für das ABS notwendigen Antiblockiersensoren, die in jedem Reifen angeordnet sind, um rotationsabhängige Größen zu erfassen, zusätzlich ein Reifendruckmesssystem auf, das den absoluten Reifenfülldruck der Räder wenigstens einer Achse misst. Diese Messung bewirkt jedoch keine Reifendruckregelung, sondern löst lediglich ein Warnsignal aus, wenn der gemessene Reifenfülldruck einen vorgegebenen Solldruck unterschreitet. Mit einem derartigen Warnsignal wird der Führer des Fahrzeugs lediglich darauf aufmerksam gemacht, dass er an der nächstmöglichen Station halten muss, um stationär den Reifendruck dem Solldruck anzupassen. Das bekannte Verfahren und System hat den Nachteil, dass bei fahrendem Fahrzeug ein Nachregeln des Reifendrucks nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Reifendruckregelsystem zu schaffen, mit dem es möglich ist, auch während der Fahrt den Reifendruck des Fahrzeugs an den befahrbaren Untergrund, die Temperaturbedingungen von Reifen und Umgebung sowie an die Belastung des Fahrzeugs anzupassen.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Reifendruckregelsystem für Fahrzeuge mit pneumatischen Reifen geschaffen, das zumindest einen Reifendrucksensor und ein Reifendrucksteuerventil aufweist. Ferner weist das Reifendruckregelsystem zumindest einen Druckverteiler mit Schaltventilen und ein Steuer- und Regelgerät auf, das mit dem Reifensensor, dem Reifensteuerventil und dem Druckverteiler zusammenwirkt. Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Reifendruckregelsystem einen Hochdruckkompressor auf, wobei der Hochdruckkompressor einen elektrischen Antrieb aufweist.
Dieses Reifendruckregelsystem hat den Vorteil gegenüber Reifendruckregelsystemen, bei denen lediglich eine Nachverstärkungsdruckpumpe wie ein Booster vorgesehen ist, dass mit dem elektrisch betriebenen Hochdruckkompressorsystem sowohl Zugfahrzeuge als auch Anhänger ausgerüstet werden können und somit völlig unabhängig voneinander den Reifendruck optimal den äußeren Bedingungen des Fahrbetriebs anpassen können. Ein weiterer Vorteil ist darüber hinaus, dass der mit einem elektrisch betriebenen Kompressor erzeugte Druck im Vergleich zu einem pneumatischen Booster mit einem höheren Wirkungsgrad arbeitet.
Der höhere Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Kompressor mit elektrischem Antrieb kein Pressluftvolumen verbraucht, wie ein pneumatisch betriebener Booster herkömmlicher Bauart. Während Booster für eine Versorgung von Hochdruckreifen, wie sie aus der Druckschrift US 6,269,691 B1 bekannt sind, maximal unter Verlust von Pressluftvolumen einen Systemdruck, wie er beispielsweise für den Bremsvorgang des Fahrzeugs oder den Lenkvorgang des Fahrzeugs zur Verfügung steht, verdoppeln können, ist der erzeugte Hochdruck eines elektrisch betriebenen Kompressors gemäß der Erfindung nicht derart begrenzt.
Ferner ist der erfindungsgemäße elektrische Kompressor nicht von einem mittleren Systemdruck abhängig wie der pneumatisch betriebene Booster, sondern kann ausgehend vom Umgebungsdruck sowohl einen mittleren Systemdruck als auch einen Hochdruck, der für Hochdruckreifen erforderlich ist, bereitstellen. Damit ist es ferner in vorteilhafter Weise möglich, die Reifendruckkontrolle und die Reifendruckregelung komplett von dem Systemdruck eines Fahrzeugs abzukoppeln, indem der Hochdruck für Hochdruckreifen ausschließlich von einem Normaldruck der Umgebung ausgehend erzeugt wird.
Darüber hinaus hat diese Lösung den Vorteil, dass unabhängig von einem Systemdruck jederzeit durch eine intelligente Steuerung der Druck in einem entsprechenden Hochdruckbehälter kontrolliert und zu einem geeigneten Zeitpunkt auf den erforderlichen Hochdruck erhöht werden kann. Somit ist das erfindungsgemäße Reifendruckregelsystem mit einem elektrisch betriebenen Hochdruckkompressor die geeignete Lösung für einen Kraftfahrzeuganhänger, da diesem völlig autark und unabhängig von einem Zugfahrzeug eine Reifendruckanpassung ermöglicht wird.
Vorzugsweise weist der Hochdruckkompressor eine Kolbenverdichterstruktur auf. Mit derartigen Kolbenverdichtern sind die für Hochdruckreifen erforderlichen Druckwerte mit relativ kleinen und kompakten Kompressorpumpen erzeugbar. Dazu kann in vorteilhafter Weise der elektrische Antrieb des Hochdruckkompressors eine Antriebswelle aufweisen, die mit mindestens einem Pleueltrieb in Wirkverbindung steht, der die Drehbewegungen der Antriebswelle oder eines Rotationsgetriebes in Hubbewegungen eines Kompressorkolbens umsetzt.
Den elektrischen Antrieb eines derartigen Kompressors für die Kfz-Technik bildet aus nahe liegenden Gründen ein Gleichstrommotor, der mit Hilfe der Gleichstromversorgung eines Kraftfahrzeugs betrieben werden kann. Ein Nachteil konventioneller Gleichstrommotoren ist jedoch die Abhängigkeit von geeigneten Kommutatoren wie elektromechanischen Kommutatoren, die mit verschleißbehafteten Bürstenanordnungen arbeiten.
Um diesem Nachteil zu begegnen, werden in einer Ausführungsform der Erfindung Gleichstrom betriebene Motoren eingesetzt, deren Stator mit einem elektrischen Wechselrichter zusammenwirkt, welcher von einer Fahrzeuglichtmaschine oder einer Batterie versorgt wird. Durch den Wechselrichter wird praktisch ein Wechselfeld in dem Stator erzeugt, so dass der Rotor kommutatorfrei, beispielsweise mit Hilfe eines Permanentmagneten, das entsprechende Drehmoment für das Betreiben des Kompressors aufbringen kann.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, als elektrischen Antrieb einen Asynchronmotor mit Wechselrichterversorgung des Stators aus einer Gleichstromquelle vorzusehen. Damit weist der elektrische Antrieb einen bürstenlosen Gleichstrommotor auf.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann der Hochdruckkompressor auf seiner Niederdruckseite mit einer Mitteldruckzuleitung verbunden sein, um einen vorgegebenen Systemdruck des Fahrzeugsystems zu verwenden und auf diesen aufbauend mit hohem Wirkungsgrad ein Hochdruckvolumen beispielsweise für einen Hochdruckbehälter zu erzeugen. Dieses Reifendruckregelsystem, das mit einer Mitteldruckzuleitung zusammenwirkt, hat den Vorteil, dass die Luft an der Niederdruckseite des Hochdruckkompressors bereits gereinigt und getrocknet ist.
Andererseits ist es für einen autarken Betrieb von Vorteil, wenn der Hochdruckkompressor mit Umgebungsluft arbeitet, die jedoch vorher ein Luftfiltersystem aus Filtersätzen zum Ausfiltern von Partikeln durchlaufen hat. In einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrzeug mehrere Hochdruckkompressoren auf, die mit ihren Hochdruckseiten mit Gruppen von Hochdruckreifen in Wirkverbindung stehen. Dabei kann es von Vorteil sein, dass achsweise der Reifendruck überwacht und geregelt wird.
Ein Verfahren zur Reifendruckregelung weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird die Luft mit Hilfe eines Hochdruckkompressors komprimiert. Die komprimierte Luft wird anschließend in einem Hochdruckbehälter gespeichert. Parallel wird der Reifendruck bei fahrendem Fahrzeug erfasst und ein Vergleich durchgeführt, indem der Reifendruck gemessen wird und mit einer Tabelle verglichen wird, die den optimalen Reifendruck in Abhängigkeit von der Straßenbe schaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Außentemperatur, der Fahrzeugbeladung und der extrapolierten Reifen- und Fahrbahntemperatur vorgibt. Je nach der Differenz zwischen dem Reifendruck und dem optimalen Reifendruck wird anschließend der Reifendruck erhöht oder vermindert bis eine Übereinstimmung zwischen Ist- und Sollreifendruck erreicht ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine optimale Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahngrund gewährleistet wird. Dabei können die Tabellen auf empirisch ermittelten Werten beruhen. Diese Tabellen können darüber hinaus in einer zentralen Recheneinheit eines Steuer- und Regelgerätes gespeichert sein.
In einer weiteren Durchführungsform der Erfindung werden mit der durch den Hochdruckkompressor komprimierten Druckluft die übrigen druckluftabhängigen Systeme eines Fahrzeugs betrieben. Vorzugsweise sind die Bremsbetätigung und/oder die Bremsverstärkung davon betroffen. Auch für die Lenkverstärkung kann diese Druckluft eingesetzt werden.
Zur Erfassung des Reifendrucks kann ein zentraler stationärer Reifendrucksensor in dem zentralen Druckverteiler für alle Fahrzeugreifen oder für eine Fahrzeugreifengruppe den Reifendruck erfassen. Dieses hat den Vorteil, dass der Reifendrucksensor stationär angeordnet sein kann. Andererseits ist es auch möglich, einen mitrotierenden Reifendrucksensor in jedem der Reifen zu installieren. Das hat den Vorteil, dass der Reifendruck unverfälscht dem Steuer- und Regelgerät und damit einer zentralen Recheneinheit zugeführt werden kann, welche die Messwerte auswertet und entsprechend die Schaltventile des Druckverteilers zum Erhöhen oder zum Vermindern des Reifendrucks kontrolliert. Bei einer dezentralen Erfassung des Reifendrucks durch Reifendrucksensoren, die direkt in den Reifen angeordnet sind, kann eine Übertragung der Werte drahtlos erfolgen, indem entsprechende Sender mit den Drucksensoren in den Reifen kommunizieren.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines dreiachsigen Fahrzeuganhängers mit einem Reifendruckregelsystem einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers mit einem Reifendruckregelsystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers mit einem Reifendruckregelsystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines einstufigen stationären Hochdruckkompressors mit Kolbenverdichterstruktur für ein Reifendruckregelsystem;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Hochdruckkompressor gemäß 4;
6 zeigt eine schematische Darstellung im Detail zur Reifendruckregelung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt ein schematisches Diagramm unterschiedlicher Betriebsphasen des Reifendruckregelsystems gemäß 1;
8A bis 8C zeigen schematische Querschnitte durch Reifendrucksteuerventile;
8A zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Reifendrucksteuerventil, das über Druckflanken gesteuert werden kann und dazu eine bistabile Tellerfeder aufweist;
8B zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Reifendrucksteuerventil, bei dem die Bistabilität des Ventilkolbens durch einen Permanentmagneten erreicht wird;
8C zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Reifendrucksteuerventil, bei dem die Bistabilität des Ventilkolbens durch zwei unterschiedliche Schraubenfedern erreicht wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers 19 mit einem Reifendruckregelsystem 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeuganhänger 19 an ein Luftdrucksystem eines Zugfahrzeugs über eine Anhängerkupplung 30 angeschlossen. Dabei weist das Drucksystem des Zugfahrzeugs einen Mitteldruckbehälter 7 auf, in dem ein mittlerer Luftdruck gespeichert wird, der ausreicht, um pneumatische Bremsen, Bremsverstärker oder Lenkverstärker zu versorgen.
Für die an den drei Achsen 31, 32 und 33 angeordneten Hochdruckreifen 4 reicht der Systemdruck der Zugmaschine, der über die Kupplung 30 zur Verfügung gestellt wird, nicht aus, um eine Reifendruckregelung während der Fahrt für den Anhänger 19 zu gewährleisten. Dabei können die pneumatischen Reifen 4 auch Zwillingsreifen auf entsprechenden Zwillingsfelgen darstellen. Um den erhöhten Druck, der über eine Druckluftkupplung 30 aufgrund von Sicherheitsstandards nicht an einen Anhänger transferiert werden darf, im Bereich des Anhängers 19 zu erzeugen, weist diese erste Ausführungsform der Erfindung einen Hochdruckkompressor 13 auf, der einen elektrischen Antrieb 14 besitzt.
Während somit über eine Mittel- oder Systemdruckleitung 11 die Niederdruckseite 15 des Hochdruckkompressors 13 mit einem mittleren Luftdruck versorgt wird, kann auf der Hochdruckseite 16 ein entsprechend hoher Druck über ein Rückschlagventil 17 einem Hochdruckbehälter 12 zugeführt werden. Stromaufwärts des Hochdruckbehälters 12 ist ein Druckverteiler 5 angeschlossen, der in dieser Ausführungsform der Erfindung einen zentralen Luftdrucksensor 20 aufweist, welcher den Hochdruck in den Hochdruckzuleitungen 41 bis 46 zu den Reifen 4 überwacht und bei Bedarf über die Steuerleitung 9 das Steuer- und Regelgerät 10 aktiviert, das mit einem zentralen Reifendrucksteuerventil 21 in dem Druckverteiler 5 zusammenwirkt.
Dabei ist das Reifendrucksteuerventil 21 einerseits mit Hilfe des Druckverteilers 5 in der Lage, bei zu geringem Reifendruck die Reifen 4 aufzupumpen, beispielsweise bei einem Wechsel der Fahrbahn von einem Schotterweg zu einer asphaltierten Straße, andererseits bei zu hohem Reifendruck, beispielsweise bei einem Fahrbahnwechsel von einem Asphaltweg auf einen Schotterweg, auch den zu hohen Reifendruck wieder abzulassen und den überhöhten Reifendruck beim Ablassen über die Mitteldruckzuleitung 11 dem Mitteldruckbehälter 7 zur Energierückgewinnung zuzuführen, was durch eine gestrichelte Linie 34 in 1 angedeutet wird.
Ein derartiges Reifendruckregelsystem für einen Anhänger 19 hat den Vorteil, dass es für die Reifendruckregelung einen elektrisch betriebenen Kompressor aufweist, der einen deutlich höheren Wirkungsgrad hat als ein pneumatisch betriebener Booster bzw. eine Drucknachverstärkungspumpe, bei der für den Antrieb Druckluft aus dem Systemdruck bzw. der mittleren Druckversorgung verbraucht wird. Des weiteren hat dieses System den Vorteil, dass das Steuer- und Regelgerät 10 beispielsweise in einer Antiblockiersteuerung des Fahrzeugs oder einem ESP (electronic safety program) mit integriert sein kann. Darüber hinaus zeichnet sich das System durch eine überschaubare Anzahl von Komponenten aus, zumal es lediglich ein einziges Reifendrucksteuerventil 21 und einen einzigen Reifendrucksensor 20 in dem Druckverteiler 5 benötigt, um alle Reifen 4 oder eine Gruppe von Reifen des Anhängers 19 auf einen angepassten optimalen Druck zu regeln.
Dieser optimale Druck kann in einer Sollwerttabelle innerhalb des Steuer- und Regelgeräts 10 abgelegt sein, wobei dieser Sollreifendruck von der Beladung, von der Fahrbahnbeschaffenheit wie oben erwähnt oder von der Temperatur der Umgebung im Verhältnis zur Reifentemperatur und/oder von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig ist. Derartige Werte können durchaus empirisch ermittelt werden und als Vergleichswerte für die Messwerte des zentralen Sensors 20 herangezogen werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers 19 mit einem Reifendruckregelsystem 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Diese zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass der Hochdruckkompressor 13 mit dem Druckverteiler 5 eine Einheit bildet und beide in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist der Hochdruckkompressor 13 wiederum mit einem elektrischen Antrieb 14 ausgestattet. Über eine Steuer- und Stromzuführung 8 wird der elektrische Antrieb für den Kompressor von dem Steuer- und Regelgerät 10 bei Bedarf betätigt. Auf einen Hochdruckbehälter wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung wird hierbei verzichtet, vielmehr werden die Reifen 4 mit ihrem Volumen als gemeinsamer Hochdruckbehälter betrieben.
Dazu ist es erforderlich, dass wiederum ein zentraler Sensor 20 in dem Druckverteiler 5 angeordnet ist und ein zentrales Reifendrucksteuerventil ebenfalls dort positioniert ist. Alternativ können bei der Ausführungsform gemäß 2 auch die Hohlrohe der Achsen 31, 32 und 33 als Hochdruckspeicher dienen und jeder der Reifen 4 mit einem mitrotierenden Reifendrucksteuerventil ausgestattet sein. Während auch in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung der elektrisch betriebene Hochdruckkompressor mit einem Systemdruck eines Zugfahrzeugs über eine Mitteldruckleitung versorgt wird, ist es auch möglich, einen elektrisch angetriebenen Kompressor für ein autarkes Luftdruckversorgungssystem eines Fahrzeughängers, wie es die nachfolgende 3 zeigt, einzusetzen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers 19 mit einem Reifendruckregelsystem 3 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Niederdruckseite 15 des elektrisch angetriebenen Hochdruckkompressors 13 mit der Umgebungsluft 18 verbunden, die auf normalem Luftdruck liegen kann, wobei durch den elektrischen Antrieb 14 der Hochdruckkompressor 13 über ein Luftaufbereitungssystem 6 und ein Rückschlagventil 17 einen Hochdruckbehälter auf gleich bleibend hohem Druck hält.
Wie in 1 versorgt der in 3 gezeigte Hochdruckbehälter 12 einen Druckverteiler 5. Jedoch ist die Druckluft mit Hilfe eines Luftaufbereitungssystem 6 von Aerosolpartikeln gereinigt und von Feuchtigkeit befreit, bevor sie in dem Hochdruckbehälter 12 gespeichert wird. Schaltventile des Druckverteilers 5 stehen über die Steuerleitung 9 mit dem Steuer- und Regelgerät 10 in Wirkverbindung und erzeugen Druckimpulse bzw. Druckimpulssteuerflanken, mit denen zumindest ein Reifendrucksteuerventil geschaltet wird.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines einstufigen stationären Hochdruckkompressors 13 mit Kolbenverdichterstruktur 22. Diese Kolbenverdichterstruktur arbeitet mit einem Pleueltrieb 24, der die Rotationsbewegung eines Elektromotors in Hubbewegungen eines Kompressorkolbens 25 umwandelt. Wie 4 zeigt, ist für den Pleueltrieb 24 ein entsprechend voluminöses Gehäuse vorzusehen, um sicherzustellen, dass die Drehbewegung in Pfeilrichtung A in eine Hubbewegung in Pfeilrichtung B in der Kolbenverdichterstruktur 22 umgesetzt wird. Noch deutlicher wird dieser Raumbedarf mit einem Querschnitt durch den Kompressor 13, wie in der nachfolgenden 5 gezeigt.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Hochdruckkompressor 13 gemäß 4. Dieser Hochdruckkompressor 13 mit elektrischem Antrieb 14 weist drei Gehäusebereiche auf, zum einen das Hochdruckgehäuse 37 für den Kompressor 13, dann ein Pleuelgehäuse 35 für den Pleueltrieb 24 sowie ein an dieses Pleuelgehäuse 35 angeflanschtes Gehäuse 36 des elektrischen Antriebs 14. Somit ergibt sich ein Antrieb, der nicht radialsymmetrisch aufgebaut ist.
Folglich können derartige Hochdruckkompressoren lediglich in stationären Bereichen eines Fahrzeuganhängers, wie es die vorhergehenden Ausführungsformen 1 bis 3 zeigen, eingebaut werden. Eine Mitrotation mit den Reifen wäre für Kom pressoren mit Pleueltrieb 24 allein durch die dabei entstehende Unwucht problematisch. In 5 wird ein derartiger stationär anbaubarer Kompressor gezeigt, der für die Ausführungsform gemäß 3 geeignet ist und mit der Umgebungsluft an der Niederdruckseite 15 des Kompressors 13 zusammenwirkt.
Die Umgebungsluft 18 wird zunächst in einem Luftfiltersystem 39 von Partikeln durch einen Filtersatz 40 befreit ehe sie dem Kompressionsraum 38 über ein Einlassventil 47 zugeführt wird. Auf der Hochdruckseite 16 des Kompressionsraums 38 ist ein Rückschlagventil 17 angeordnet, das dafür sorgt, dass der erzeugte Hochdruck in einem entsprechenden Hochdruckbehälter 12, wie ihn die 1 und 3 zeigen, gespeichert werden kann.
Der elektrische Antrieb 14 in Form eines rotierenden Motors mit Antriebswelle 23 kann unterschiedlich ausgeführt sein. Bei normalen Gleichstrommotoren wäre es erforderlich, entsprechende Bürsten anzuschließen, um eine Rotorwicklung 48 zu versorgen, wobei entsprechende Bürstenkontakte einen elektromechanischen Kommutator darstellen. Bei einem derartigen hier nicht gezeigten Gleichstrommotor oder Gleichstromantrieb kann der Stator 26 aus einem Permanentmagneten oder einer entsprechenden Kurzschlussspule bestehen. Im Prinzip wird bei einem Gleichstrommotor der elektromechanische Kommutator direkt von einer Gleichstromquelle in Form einer Batterie 28 versorgt.
Derartige elektrische Antriebe haben jedoch den Nachteil eines Verschleißes des elektromagnetischen Kommutators, weshalb für den Antrieb von Kompressoren in einem Fahrzeughänger bürstenfreie Gleichstrommotoren bevorzugt werden. Bei derartigen Gleichstrommotoren kann der Stator 26 eine Wicklung aufweisen, die von einem Wechselrichter 27 mit einem Wechselstrom, der durchaus dreiphasig sein kann, versorgt wird, während der Wechselrichter 27 selbst an eine Gleichstromquelle bzw. Batterie 28 angeschlossen ist.
Dabei ist es von Vorteil, einen asynchronen Betrieb durchzuführen und für die Antriebswelle 23 einen Permanentmagneten als Rotor 48 anzuordnen. Die Antriebswelle 23 ist mit der Pleuelmechanik in dem Gehäuse 35 für den Pleueltrieb 24 ver bunden. Dabei wird bei einer Bewegung des Pleueltriebs 24 in Pfeilrichtung C in den Kompressionsraum 38 Luft über das Einlassventil 27 und das Luftfiltersystem 39 angesogen. Bei einer Bewegung des Pleueltriebs 24 in Pfeilrichtung B wird die Luft komprimiert, wobei das Rückschlagventil 17 auf der Hochdruckseite 16 des Kompressionsraumes 38 bei einem höheren Druck, als es der Hochdruckbehälter 12 aufweist, in den Hochdruckbehälter 12 gepresst wird.
6 zeigt eine schematische Darstellung im Detail zur Reifendruckregelung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied jedoch zur ersten Ausführungsform der Erfindung wird hier der Reifendruck individuell für jeden einzelnen Reifen 4 oder für eine Gruppe von Reifen beispielsweise einer Achse dadurch geregelt, dass der Reifen jeweils von einem mitrotierenden Reifendrucksteuerventil 21 versorgt wird. Dabei ist es sinnvoll, den Reifendruck auch individuell mittels mitrotierenden Drucksensoren 20 zu überwachen und zu prüfen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß 6 ist für die Übertragung der Sensormesswerte der mitrotierenden Luftdrucksensoren 21 eine drahtlose Verbindung zwischen einem nabenseitigen Sender 49 und einem Empfänger 50 in dem Steuer- und Regelgerät vorgesehen. Dieses Steuer- und Regelgerät 10 steuert über Steuerleitungen 9 einzelne Schaltventile 51 bis 54, beispielsweise zur Regelung des Druckluftbedarfs für vier Achsen oder vier Reifen, wobei die Schaltventile 51 bis 54 lediglich schematisch für eine Anordnung mehrerer Schaltventile stehen, die im Zusammenwirken mit den Reifendruckventilen 21 in der Lage sind, sowohl während der Fahrt den Reifendruck zu erhöhen als auch den Reifendruck durch entsprechende Schaltstellungen der Schaltventile zu vermindern oder auch die Reifendrucksteuerventile bei Erreichen eines Sollreifendruckes abzusperren.
Dieser Reifendruck für die Hochdruckreifen 4 wird von einem Hochdruckkompressor 13 zur Verfügung gestellt, der durch einen elektrischen Antrieb 14 über die Steuer- und Stromzufuhrleitung 8 versorgt wird. Dabei kann der Hochdruckkompressor 13 bei dieser Ausführung gemäß 6 entweder an eine Mitteldruckzuleitung 11, die ihn mit gereinigter und getrockneter Luft versorgt, angeschlossen sein oder über ein Luftfiltersystem 39 mit der Umgebungsluft 18 in Wirkverbindung stehen. Alternativ kann das Achsrohr 29 auch als Hochdruckbehälter 12 eingesetzt werden, jedoch ist dann der Druckverteiler 5 vorzugsweise in der Radnabe 55 des Rades 56 mitrotierend angeordnet und über eine mitrotierende Hochdruckleitung 41 mit dem Reifendrucksteuerventil 21 pneumatisch verbunden.
7 zeigt ein schematisches Diagramm unterschiedlicher Betriebsphasen des Reifendruckregelsystems gemäß den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen. Dazu ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen, beginnend mit der Zeit t₀ und den weiteren Zeitstufen t₁, t₂, t₃, t₄, t₅ und t₆. Auf der Ordinate ist der Druck D aufgetragen, der mit R_D das Niveau des Reifendruckes des auf der rechten Seite des Diagramms schematisch dargestellten Reifens 4 darstellt.
Mit H_D wird der Bereich des Hochdrucks gekennzeichnet, wie er in dem auf der rechten Seite des Bildes schematisch gezeichneten Hochdruckbehälter 12 in den unterschiedlichen Phasen vorhanden ist. Unterhalb des Reifendruckes R_D ist ein mittlerer Druck M_D vorgesehen, der für die übrigen Verbraucher eines Fahrzeugs, wie beispielsweise der Bremsbetätigung, der Bremsverstärkung oder der Lenkungsverstärkung, erforderlich ist. Dabei weist jeder dieser drei Druckbereiche, nämlich der Mitteldruckbereich M_D, der Reifendruckbereich R_D und der Hochdruckbereich H_D, einen oberen Wert und einen unteren Wert auf. Die Abszisse des Diagramms liegt auf einem Normaldruck N_D, der in der Umgebung des Fahrzeugs herrscht.
In der Anfangsphase I zwischen t₀ und t₁ wird angenommen, dass der Hochdruckbehälter 12 noch nicht mit Hochdruck beladen ist und der Reifendruck seinen Sollreifendruck R_DS aufweist. Auch der Mitteldruck M_D, der hier mit einer gestrichelten Linie markiert ist, zeigt ein mittleres Niveau. Dabei soll dieses Diagramm sowohl für den Fall, dass der Hochdruckkompressor mit dem Normaldruck N_D auf der Niederdruckseite versorgt wird, was in diesem Diagramm in den Phasen I und II mit einer durchgezogenen Kurve a gekennzeichnet ist, als auch für den Fall, dass der Kompressor mit elektrischem Antrieb mit einem Mitteldruck M_D auf seiner Niederdruckseite versorgt wird, welches durch die Kurve b mit gestrichelten Linien in den Phasen I und II markiert ist, gelten.
In der Phase II zwischen t₁ und t₂ wird der Hochdruckkompressor durch Einschalten des elektrischen Antriebs in Betrieb genommen. Dabei steigt in Phase II der Druck vom Normaldruck N_D auf den maximalen Druck H_DO in dem Druckbehälter 12 an und wird von dem Drucksensor 58 im Hochdruckbehälter 12 überwacht. Wird der elektrisch angetriebene Hochdruckkompressor niederdruckseitig an den Mitteldruck M_D eines Mitteldruckbehälters 7 oder einer Mitteldruckzuleitung angeschlossen, so steigt in der Betriebsphase II beim Einsetzen des Hochdruckkompressors dieser Druck auf der Hochdruckseite des Kompressors auf den maximalen oberen Hochdruck H_DO gemäß der gestichelten Kurve b. Dabei wird jedoch Luftdruck aus dem Mitteldruckbehälter 7 verbraucht, so dass der Druck hier entsprechend der Kurve c leicht absinkt.
Wird darüber hinaus angenommen, dass in dieser Phase II auch der Reifendruck gemäß der Kurve d auf einen Minimalwert von R_DU abnimmt, indem beispielsweise ein Fahrbahnwechsel, ein Geschwindigkeitswechsel, ein Temperaturwechsel oder ein Belastungswechsel in der Betriebsphase II auftritt, so kann der Reifendruck R_DU seinen tiefsten Punkt erreichen, wenn noch kein neuer Sollwert festgelegt ist.
In der Phase III zwischen t₂ und t₃ wird der Reifendruck R_D auf einen neuen Sollwert R_DS mit Hilfe der Hochdruckluft aus dem Hochdruckbehälter 12 aufgepumpt, so dass dieser beispielsweise auf seinen minimalen Wert H_DU absinkt. Da in dieser Phase III der Mitteldruckbehälter 13 nicht belastet wird, bleibt dort der Mitteldruck MD konstant, wie es die Kurve c zeigt. In der Phase IV zwischen t₃ und t₄ wird nun angenommen, dass der Reifendruck R_D auf seinem Sollwert liegt und beibehalten werden kann, während durch die Wirkungsweise des elektrisch betriebenen Hochdruckkompressors der Hochdruckbehälter 12 erneut auf den höchsten Druck H_DO aufgeladen wird und dabei der Druck im Mitteldruckbehälter 7 sich weiter durch den Luftdruckverbrauch vermindert. Dieser Luftdruckverbrauch passiert jedoch nicht wie bei pneumatischen Antrieben aufgrund einer pneumatischen Antriebskinematik, sondern lediglich aufgrund der Versorgung eines Komprimierungsraumes des Hochdruckkompressors.
Da der Hochdruckbehälter 12 in der Phase IV wieder sein volles Druckvolumen aufweist, kann in der Phase V nun Druckluft in den Mitteldruckbehälter 7 abgegeben werden, bis auch dieser wieder seinen Sollwert erreicht hat. Falls es die äußeren Randbedingungen erfordern, kann der Reifendruck R_D auch genauso gut erneut erhöht werden. In der letzten Phase VI wird der Hochdruck in dem Hochdruckbehälter 12 beibehalten, während der Reifendruck einen Maximalwert einnimmt und zum Zeitpunkt t₅ den höchstzulässigen Druckwert erreicht hat und nun seinen Druck beispielsweise in den Mitteldruckbehälter ableiten kann, was einer Energierückgewinnung entspricht.
8A bis 8C zeigen schematische Querschnitte durch Reifendrucksteuerventile 60, 70 und 80. Dazu zeigt 8A ein Reifendrucksteuerventil 80, das über Druckflanken gesteuert werden kann und dazu eine bistabile Tellerfeder 87 aufweist, die Bypassöffnungen 86 besitzt, wobei ein Ventilkolben 84 durch eine Schließfeder 85 und die Tellerfeder 87 auf einen Ventilsitz 83 gepresst wird. Damit wird die Einlassöffnung 81 des Reifendrucksteuerventils 80 durch die Federkräfte von Tellerfeder 87 und Schließfeder 85 in einer Schließposition gehalten. Die Auslassöffnung 82, die zum Reifen hin gerichtet ist, wird somit ebenfalls verschlossen gehalten. Da die Tellerfeder 87 ein bistabiles Bauelement ist, das zwei stabile Positionen aufweist, wird bei einer entsprechenden Druckflanke oder einem Druckimpuls an der Einlassöffnung 81 die Tellerfeder 87 in ihre zweite stabile Position verbracht und das Ventil gegen die Kraft von der Schließfeder 85 und der Tellerfeder 87 geöffnet.
Dabei wird die Schließfeder 85 zusammengepresst und die Tellerfeder 87 in ihre zweite stabile Position gepresst. Über die Bypassöffnungen 86 in der Tellerfeder 87 kann nun Druckluft über die Auslassöffnung 82 in den Reifen gepumpt werden, wobei in dieser zweiten stabilen Position der Tellerfeder 87 auch Überdruck aus dem Reifen über die Auslassöffnung 82 und den Bypass 86 sowie die Einlassöffnung 81 abgegeben werden kann, solange an der Einlassöffnung 81 keine steile Druckabstiegsflanke anliegt. In dem Augenblick, in dem eine steile Druckabstiegsflanke an der Einlassöffnung 81 steht, fällt die Tellerfeder 87 in ihre erste stabile Position zurück und das Reifendrucksteuerventil 80 schließt, indem der Ventilkolben 84 auf den Ventilsitz 83 gepresst wird, wie es in 8A gezeigt wird.
8B zeigt ein Reifendrucksteuerventil 60, wobei Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 8A mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet werden und nicht extra erörtert werden. Die bistabile Position für den Ventilkolben 84 wird diesmal nicht mit einer Tellerfeder erreicht, sondern mit einem Permanentmagneten 67, der nach Anlegen eines Druckimpulses an die Einlassöffnung 81 den Kolben 84 in einer Offenposition hält, wobei die Schließfeder 85 zusammengepresst wird und eine Gegenkraft erzeugt, die jedoch nicht ausreicht, um den Ventilkolben 84 zurück in die Schließposition zu bringen, solange an der Einlassöffnung 81 kein steiler Druckabfall auftritt. Somit kann nicht nur über die Einlassöffnung 81 Druckluft in den Reifen über die Auslassöffnung 82 gepumpt werden, sondern auch Druckluft aus dem Reifen über die Auslassöffnung 82 und die Einlassöffnung 81 an das Energiemanagement des Fahrzeugs zurückgegeben werden.
8C zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Reifendrucksteuerventil 70, bei dem die Bistabilität des Ventilkolbens 84 durch zwei unterschiedliche Schraubenfedern erreicht wird, nämlich der Schließfeder 85, gegen die mit einer schwächeren Federkraft eine Haltefeder 77 drückt. Sobald ein Druckimpuls z. B. eine Druckanstiegsflanke an der Einlassöffnung 81 anliegt, wird der Ventilkolben 84 gegen einen Arretierungssitz 78 gepresst, so dass durch den Bypass 86 entweder Druckluft in Richtung auf die Auslassöffnung 82 in den dort nicht gezeigten Reifen strömen kann oder umgekehrt in Richtung auf die Einlassöffnung 81 aus dem Reifen abgegeben werden kann, solange keine steile Druckabstiegsflanke an der Einlassöffnung 81 anliegt. Durch das Anlegen einer derartig steilen Druckabstiegsflanke an die Einlassöffnung 81 fällt der Ventilkolben 84 in seine Schließstellung auf dem Ventilsitz 83 zurück, so dass das Reifendrucksteuerventil geschlossen ist.
Verbesserungen des Reifendrucksteuerventils können durch einen verbesserten Ventilsitz beispielsweise mittels gummielastischen Dichtelementen oder durch Verlegen des Bypasses aus dem Ventilkolben oder der Tellerfeder in den Bereich des Ventilgehäuses erfolgen.

1: Reifendruckregelsystem
2: Reifendruckregelsystem
3: Reifendruckregelsystem
4: Reifen
5: Druckverteiler
6: Luftaufbereitungssystem
7: Mitteldruckbehälter
8: Steuer- und Stromzufuhr
9: Steuerleitung für 10
10: Steuer- und Regelgerät
11: Mitteldruckzuleitung
12: Hochdruckbehälter
13: Hochdruckkompressor
14: elektrischer Antrieb
15: Niederdruckseite von 13
16: Hochdruckseite von 13
17: Rückschlagventil
18: Umgebungsluft
19: Fahrzeuganhänger
20: Reifendrucksensor
21: Reifendrucksteuerventil
22: Kolbenverdichterstruktur
23: Antriebswelle
24: Pleueltrieb
25: Kompressorkolben
26: Stator
27: Wechselrichter
28: Batterie bzw. Gleichstromquelle
29: Achsrohr
30: Anhängerkupplung
31: Achse
32: Achse
33: Achse
34: gestrichelte Linie
35: Gehäuse für den Pleueltrieb
36: Gehäuse für den elektrischen Antrieb
37: Gehäuse für den Kompressor
38: Kompressionsraum
39: Luftfiltersystem
40: Filtersatz
41: Hochdruckleitung
42: Hochdruckleitung
43: Hochdruckleitung
44: Hochdruckleitung
45: Hochdruckleitung
46: Hochdruckleitung
47: Einlassventil
48: Rotor
49: Sender
50: Empfänger
51: Schaltventil
52: Schaltventil
53: Schaltventil
54: Schaltventil
55: Radnabe
56: Fahrzeugrad
58: Drucksensor
60: Reifendrucksteuerventil (Ausführungsform)
67: Permanentmagnet
70: Reifendrucksteuerventil (Ausführungsform)
77: Haltefeder
78: Arretierungssitz
80: Reifendrucksteuerventil (Ausführungsform)
81: Einlassöffnung
82: Auslassöffnung
83: Ventilsitz
84: Ventilkolben
85: Schließfeder
86: Bypass
87: stabile Tellerfedersperre

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1236588 [0002]
- US 6269691 B1 [0007]

Claims

Reifendruckregelsystem insbesondere für Fahrzeuge mit pneumatischen Reifen (4) aufweisend: – zumindest einen Reifendrucksensor (20), – ein Reifenventil (21), – zumindest einen Druckverteiler (5) mit Schaltventilen, – ein Steuer- und Regelgerät (10), – einen Hochdruckkompressor (13), wobei das Reifendruckregelsystem (1) zumindest ein Reifendrucksteuerventil (21) und der Hochdruckkompressor (13) einen elektrischen Antrieb (14) aufweisen.
Reifendruckregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Kraftfahrzeuganhänger (19) ist.
Reifendruckregelsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (13) eine Kolbenverdichterstruktur (22) aufweist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (14) des Hochdruckkompressors (13) eine Antriebswelle (23) aufweist, die mit mindestens einem Pleueltrieb (24) in Wirkverbindung steht, der die Drehbewegungen der Antriebswelle (23) oder eines Rotationsgetriebes in Hubbewegungen eines Kompressorkolbens (25) umsetzt.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (14) einen Gleichstrommotor aufweist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (26) des elektrischen Antriebs (14) mit einem elektronischen Wechselrichter (27), der von der Lichtmaschine oder einer Batterie (28) versorgt wirkt, zusammenwirkt.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (14) einen Asynchronmotor mit Wechselrichterversorgung des Stators (26) aus einer Gleichstromquelle (28) aufweist.
Reifendruckregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (14) einen bürstenlosen Gleichstrommotor aufweist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (13) auf seiner Niederdruckseite (15) mit einer Mitteldruckzuleitung (11) verbunden ist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (13) auf seiner Hochdruckseite (16) über ein Rückschlagventil (17) mit einem Hochdruckbehälter (12) verbunden ist.
Reifendruckregelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter (12) eine Achsrohr (29) ist.
Reifendruckregelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (13) über ein zentrales Reifendrucksteuerventil (21) mit den Reifen direkt verbunden ist und der Hochdruckbehälter (12) durch die pneumatischen Reifen (4) gebildet ist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrischen Antrieb (14) mit dem Steuer- und Regelgerät (10) elektrisch in Verbindung steht, wobei das Steuer- und Regelgerät (10) ein Bestandteil eines Bremssteuergerätes des Fahrzeugs ist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (13) auf seiner Niederdruckseite (15) bzw. seiner Ansaugseite über ein Luftfiltersystem (39) mit der Umgebungsluft (18) in Wirkverbindung steht.
Reifendruckregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (13) hochdruckseitig (16) ein Luftaufbereitungssystem (6) aufweist.
Reifendruckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mehrere Hochdruckkompressoren (13) aufweist, die mit ihren Hochdruckseiten (16) mit Gruppen von Reifen in Wirkverbindung stehen.
Verfahren zur Reifendruckregelung mit folgenden Verfahrensschritten: – Komprimieren von Luft mit Hilfe eines elektrisch betriebenen Kompressors (13); – Speichern der komprimierten Luft mit einem Hochdruckbehälter (12); – Erfassen eines Reifendrucks (R_DO, R_DU) bei fahrendem Fahrzeug; – Vergleichen des gemessenen Reifendrucks (R_DO, R_DU) mit einer Tabelle, die den optimalen Reifendruck (R_DS) in Abhängigkeit von dem Beladungszustand, der Straßenbeschaffenheit, der Fahrzeugge schwindigkeit, der Außentemperatur und der extrapolierten Reifen- und Fahrbahntemperatur vorgibt, wobei je nach der Differenz zwischen Ist-Reifendruck (R_DO, R_DU) und dem optimalen Reifendruck (R_DS) der Reifendruck anschließend erhöht oder vermindert wird bis eine Übereinstimmung zwischen Ist- und Sollreifendruck (R_DS) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit der durch den elektrisch betriebenen Hochdruckkompressor komprimierten Druckluft (H_DO, H_DU) die übrigen druckluftabhängigen Systeme eines Fahrzeugs betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler stationärer Reifendrucksensor (20) in dem zentralen Druckverteiler (5) für die Fahrzeugreifen (4) oder eine Fahrzeugreifengruppe den Reifendruck (R_D) erfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Reifendrucks (R_D) dezentral in jedem Reifen (4) angeordnete mitrotierende Reifendrucksensoren (20) den Reifendruck (R_D) erfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Tabelle, die den optimalen Reifendruck (R_DS) in Abhängigkeit von der Beladung, der Straßenbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Außentemperatur und der extrapolierten Reifen- und Fahrbahntemperatur vorsieht, in einer zentralen Recheneinheit eines Steuer- und Regelgeräts (10) gespeichert wird.