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Es
ist bekannt, zur Prüfung von Fahrzeug- und Flugzeugreifen
Reifenprüfstande zu verwenden, auf denen Last- und Fahrzustände
des Reifens simuliert werden können. Gegenüber
realen Fahrversuchen mit Fahrzeugen oder Flugzeugen ermöglicht der
Reifenprüfstand exakt reproduzierbare Versuchsbedingungen,
so dass Reifen bezüglich ihrer Belastbarkeit objektiv verglichen
werden können. Fernerhin können die Reifen an
einem Prüfstand gefahrlos mit Überlast bezüglich
Traglast oder Fahrgeschwindigkeit getestet werden. Auch ist es möglich
den Reifenfülldruck auf im Normalbetrieb unzulässig
niedrige Werte abzusenken.
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Bei
einem Reifenprüfstand ist der Reifen in der Regel auf einer
Felge montiert und die Felge auf einer drehbar gelagerten Nabe befestigt.
Der Reifen wird dann gegen eine sich drehende Rolle gepresst. Um
näherungsweise praxisgerechte Abrollverhältnisse
des Reifens zu gewährleisten, wird der Durchmesser der
Rolle nicht zu klein gewählt und kann durchaus 2–3
Meter betragen. Die Rolle verfügt bei einer solchen Baugröße über
eine enorme Schwungmasse. Die Rolle wird üblicherweise
von einem Motor angetrieben und treibt wiederum das Rad mit dem
zu prüfenden Reifen an. Ferner werden an der Rolle des Prüfstandes
häufig mehrere Räder angebracht, um gleichzeitig
mehrere Reifen an einem Prüfstand testen zu können.
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An
einem Prüfstand für Reifen können bei Bedarf
während des Betriebs Messungen am Reifen durchgeführt
werden. So ist beispielsweise aus der Patentschrift
DE 197 30 787 C2 bekannt,
die Bewegung von Profilelementen beim Abrollen des Reifens auf der
Rolle zu ermitteln. Aus der Patentschrift
DE 10 2004 062 412 B4 ist
es ferner bekannt, die Kontur des Reifens insbesondere im Seitenwandbereich
bei laufendem Prüfstand dreidimensional zu vermessen.
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An
Reifenprüfständen werden häufig Versuche
gefahren, die den Reifen bis oder über die Grenze seiner
Haltbarkeit hinaus beanspruchen. Schädigungen des Reifens
infolge der Beanspruchung machen sich dabei typischerweise in Form
von Materialtrennungen zwi schen den einzelnen Gummilagen, gerissenen
Fäden in den Gewebelagen sowie Materialausbrüchen
insbesondere im Laufflächenbereich bemerkbar. Um den Prüfstandslauf
vor der völligen Zerstörung des Reifens zu beenden,
wird über sogenannte Beulenfänger versucht Ausbeulungen
am Reifen so rechtzeitig zu detektieren, dass der Prüfstand
angehalten werden kann, bevor der Reifen birst. Der Beulenfänger
besteht aus einem um die Reifenkontur gebogenen Draht. Sobald dieser
vom Reifen berührt wird, wird der Prüfstand abgeschaltet.
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Verfahren
zum Erkennen von Formfehlern, insbesondere Beulen, in den mittels
eines Konturmesssystems erzeugten dreidimensionalen Konturdaten
eines Reifens sind bekannt. So zeigt beispielsweise die Patentschrift
DE 198 49 793 C1 auf,
wie aus den mittels eines Lichtschnittverfahrens erzeugten Konturdaten
Ausbeulungen in der Seitenwand eines Reifens detektiert werden können,
auch wenn diese ein Beschriftungsrelief aufweist.
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Die
Patentschrift
DE 100
19 386 C2 lehrt ein Prüfverfahren für
Reifen, bei dem der Reifen bei wenigstens zwei verschiedenen Reifendrücken
mittels eines Lichtschnittsystems vermessen wird. Durch den Vergleich
der bei den verschiedenen Reifendrücken erfassten Geometriedaten
können vorhandene Strukturschäden des Reifens
erkannt werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Prüfung von Reifen anzugeben,
die insbesondere die Ermittlung der Eigenschaften eines Reifens
unter Belastung ermöglichen. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Der
zu prüfende Reifen wird erfindungsgemäß auf
einer Felge montiert und der auf der Felge montierte Reifen um seine
Rollachse in Rotation versetzt. Der Reifen führt hierdurch
eine Drehbewegung aus, die seinem bestimmungsgemäßen
Gebrauch an einem Fahrzeug bzw. Flugzeug entspricht.
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Während
der Reifen um seine Rollachse rotiert, werden Oberflächenbereiche
des rotierenden Reifens mittels einer Messvorrichtung zur dreidimensionalen
Konturerfassung vermessen. Die von der Messvorrichtung erfassbaren
Oberflächenbereiche des Reifens werden erfindungsgemäß bei
einem bestimmten Reifenfülldruck ein erstes mal vermessen. Diese
erste Messung kann dabei erfolgen, während oder bevor der
Reifen durch den Prüfstand einer bestimmten mechanischen
Belastung ausgesetzt wird. Nach Beendigung der ersten Messung wird
der Reifen am Prüfstand einer mechanischen Belastung durch
Erzeugung von auf den Reifen einwirkenden Zentrifugal- und/oder
Anpresskräften ausgesetzt. Wurde der Reifen bereits während
ersten Messung einer mechanischen Belastung ausgesetzt, so wird diese
entweder unverändert beibehalten oder verändert.
Die Belastung durch Zentrifugalkräfte wird erzeugt, indem
der Reifen mit einer nicht geringen Geschwindigkeit gedreht wird.
Die Rotationsgeschwindigkeit wird dabei wenigstens so groß gewählt,
dass die hierdurch im Reifen entstehenden Zentrifugalkräfte
den Reifen gegenüber dem Ruhezustand so stark verformen,
dass die Verformung mit der Messvorrichtung feststellbar ist. Die
Belastung durch Anpresskräfte kann erzeugt werden, indem
der Reifen gegen eine Rolle oder ein Laufband gepresst wird. Die
mechanische Belastung des Reifens wird vorzugsweise über
einen längeren Zeitraum aufrechterhalten. Nach dem Aufbringen
der mechanischen Belastung werden die Oberflächenbereiche
des Reifens bei demselben Reifenfülldruck, der bei der
ersten Messung eingestellt worden ist, ein zweites mal vermessen.
Während der zweiten Messung kann dabei die aufgebrachte
mechanische Belastung entweder noch anliegen oder weggenommen werden.
Erfindungsgemäß wird aus den beiden Messungen
die Formänderung des Reifens aufgrund der mechanischen
Belastung ermittelt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass die Konturerfassung des Reifens am Prüfstand und das
Absuchen der erfassten Konturdaten nach Ausbeulungen oder sonstigen Auffälligkeiten
nicht ausreicht, um während des Prüfstandslaufes
am Reifen entstehende Schäden frühzeitig zu erkennen
und zu dokumentieren. Durch den Vergleich von zwei Messungen ist
es wesentlich einfacher, bereits geringfügige Veränderungen
am Rei fen zu erkennen. Dabei ist es von großem Vorteil, wenn
der Reifenfülldruck bei der Erfassung der zu vergleichenden
Messungen nicht verändert wird. Vorzugsweise sollte die
Abweichung des Reifenfülldrucks bei der zweiten Messung
gegenüber dem der ersten Messung weniger als 0.4 bar betragen.
Dadurch wird verhindert, dass eine Überlagerung von Veränderungen
der Oberflächenkontur des Reifens aufgrund entstehender
Schäden und solchen aufgrund eines geänderten
Reifenfülldrucks stattfindet. Darüber hinaus ist
es vorteilhaft die Prüfraumtemperatur und die Temperatur
des Reifens während der Messungen konstant zu halten. Es
ist vorteilhaft, den Reifenfülldruck des Reifens wenigstens
während der beiden Messungen aktiv zu regeln, so dass eine
unerwünschte Änderung des Reifenfülldrucks
beispielsweise aufgrund der aufgebrachten mechanischen Belastung
verhindert wird. Darüber hinaus wird mit Vorteil der Reifenfülldruck
während des gesamten Prüfstandslaufes geregelt.
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Die
Messvorrichtung zur dreidimensionalen Konturerfassung arbeitet gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach einem Lichtschnittverfahren. Mit Vorteil
wird hierzu ein Linienlasermodul zur Erzeugung der Lichtschnittebene
und eine elektronische Flächenkamera zur Erfassung des
Lichtschnitts verwendet.
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Die
mittels einer oder mehrerer Messvorrichtungen erfassten Oberflächenbereiche
des rotierenden Reifens umfassen vorzugsweise beide Seitenwände
des Reifens. Bei Belastung eines Reifens mit Kräften der
erfindungsgemäßem Art, zeigen sich strukturelle
Schäden erfahrungsgemäß überwiegend in
den Seitenwänden. Gemäß einem Aspekt
der Erfindung kann zusätzlich oder alternativ zu den Seitenwänden
auch der Laufflächenbereich des Reifens vermessen werden.
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Auf
den Reifen wirkende Anpresskräfte werden vorzugsweise durch
das Anpressen des Reifens gegen eine Rolle erzeugt. Die Rolle ist
dabei vorzugsweise motorisch angetrieben und versetzt den angepressten
Reifen in Rotation. In einer alternativen Ausgestaltungsform der
Erfindung ist hingegen die den Reifen tragende Radachse motorisch
angetrieben. Eine ggf. gegen den Reifen gepresste Rolle wird dann
vom Reifen Insbesondere zum Prüfen von Pkw- und Motorradreifen
werden vorteilhafterweise zur Erzeugung der mechanischen Belastung
des Reifens Zentrifugalkräfte durch eine hohe Rotationsgeschwindigkeit
des Reifens erzeugt. Die Zentrifugalkräfte im Reifen entstehen
dabei durch die Materialmasse des Reifens, insbesondere im Bereich
der Lauffläche bzw. des Gürtels. Dies führt
zu Materialspannungen in der Reifenkarkasse insbesondere in radialer
Richtung und in Umfangsrichtung des Reifens. Die Rotationsgeschwindigkeit
entspricht vorzugsweise einer Fahrgeschwindigkeit von mehr als 150
km/h. Die Fahrgeschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit, die
ein Fahrzeug hätte, wenn der Reifen mit der entsprechenden
Rotationsgeschwindigkeit schlupffrei auf der Fahrbahn abrollen würde.
Vorteilhafterweise wird bei dieser Prüfart eine erste Messung
bei einer Rotationsgeschwindigkeit durchgeführt, die einer
niedrigen Fahrgeschwindigkeit von vorzugsweise weniger als 100 km/h
entspricht, und eine zweite Messung bei einer Rotationsgeschwindigkeit
durchgeführt, die einer hohen Fahrgeschwindigkeit von vorzugsweise
mehr als 150 km/h entspricht. Dabei ist es auch möglich,
wenngleich weniger praxisgerecht, die zweite Messung vor der ersten Messung
durchzuführen, d. h. zuerst die Messung bei der hohen Rotationsgeschwindigkeit
durchzuführen. Aus den beiden Messungen wird dann die Formänderung
des Reifens aufgrund der unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten
ermittelt. Diese Ausführungsvariante ermöglicht
es, die Formänderung des Reifens aufgrund unterschiedlicher
Rotations- bzw. Fahrgeschwindigkeiten zu ermitteln. Insbesondere
ist dabei die Ermittlung der Reifenform bei höchsten Geschwindigkeiten
möglich. Es hat sich gezeigt, dass sich beispielsweise
bei Motorradreifen zu starke Änderungen der Laufflächenkontur
negativ auf das Hochgeschwindigkeitsfahrverhalten des Motorrades
auswirken können. Bei Reifen für Rennfahrzeuge
hat es sich darüber hinaus gezeigt, dass schon geringe
Inhomogenitäten bei der Ausdehnung des Reifens infolge
der im Fahrbetrieb im Reifen auftretenden Zentrifugalkräfte
zu Vibrationen und Problemen bei der Fahrzeugbeherrschung führen
können. Wird gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung die Radachse mit dem zu prüfenden Reifen
angetrieben und auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Anpresskräften
verzichtet, so kann ein kompakter Reifenprüfstand gebaut
werden, der ohne Weiteres zur Prüfung der Reifen an der
Rennstrecke bereitgestellt werden kann. Jeder Reifen bzw. jedes Rad
kann dann unmittelbar vor sei nem Einsatz auf seine Formtreue bei
unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten hin geprüft werden.
Die Prüfung kann dabei mit Vorteil mit einer Überprüfung
der Radunwucht kombiniert werden.
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Alternativ
zur Vermessung des Reifens bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten
erfolgt bei einer anderen vorteilhaften Prüfart die erste und
die zweite Messung bei derselben Rotationsgeschwindigkeit. Hierdurch
wird eine Formänderung des Reifens aufgrund unterschiedlicher
Rotationsgeschwindigkeiten und damit verschieden großer
auf den Reifen einwirkenden Zentrifugalkräften vermieden.
Damit ist es mit großer Sicherheit möglich, Veränderungen,
insbesondere Schäden, die zwischen den beiden Messungen
am Reifen entstanden sind, zu erkennen.
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Insbesondere
im Rahmen einer Haltbarkeitsprüfung ist es vorteilhaft,
die mechanische Belastung des Reifens über einen längeren
Zeitraum von vorzugsweise mehr als 8 Stunden aufzubringen. Dadurch
können die Grenzen der Belastbarkeit eines Reifens bis
zum Entstehen erster erkennbarer Schäden ermittelt werden,
ohne den Reifen praxisfremden Überlasten auszusetzen. Bei
solch langandauernden Versuchen wird mit Vorteil der komplette Prüfstandslauf
durch regelmäßige Messungen mit der Messvorrichtung
zur dreidimensionalen Konturerfassung des Reifens dokumentiert.
Eine Messung wird mit Vorteil wenigstens einmal in der Stunde durchgeführt.
Es hat sich gezeigt, dass auch bei mehrtätigen Haltbarkeitsprüfungen
von der Entstehung erster detektierbarer Schäden bis zur
völligen Zerstörung des Reifens meist nur wenige
Stunden vergehen. Wird die Vermessung des Reifens wie beschrieben
in regelmäßigen Abständen durchgeführt,
so erhält man im Laufe der Prüfung eine Vielzahl
von Messungen. Es ist dann weder notwendig noch zweckmäßig
lediglich zwei aufeinanderfolgende Messungen zur Ermittlung der
Veränderungen am Reifen zu vergleichen. Vielmehr ist es
zweckmäßig eine Referenzmessung auszuwählen,
bei der der Reifen beispielsweise eine anfängliche aber
unkritische Wachstumsphase beendet hat, und die nachfolgenden Messungen
mit dieser Referenzmessung zu vergleichen, um beispielsweise die
Schadensentwicklung am Reifen zu verfolgen.
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Eine
Messvorrichtung zur dreidimensionalen Konturerfassung liefert bekanntlich
räumliche Punktkoordinaten von der erfassten Oberfläche.
Das Messergebnis einer solchen Messvorrichtung wird deshalb auch
oft als Punktewolke bezeichnet. Aus der Punktewolke wird häufig
ein Flächenmodell abgeleitet, um die gemessene Oberfläche
beispielsweise als realistisch aussehendes Modell darstellen zu
können. Ferner kann beispielsweise das aus einer gemessene
Oberfläche erzeugte Flächenmodell mit einem gerechneten
Flächenmodell, das beispielsweise mit einem CAD System
erzeugt wurde verglichen werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird aus der bei einer Messung zunächst
erhaltenen Punktwolke ein tiefencodiertes gerastertes Bild erzeugt. Dabei
ist es vorteilhaft, aus der Punktwolke zunächst ein Flächenmodell
zu entwickeln, das anschließend in einer der gewünschten
Bildauflösung entsprechenden Anzahl von Bildzeilen und
Bildspalten abgerastert wird. In dem durch das Abrastern entstehenden tiefencodierten
gerasterten Bild sind im Gegensatz zu einem digitalen Bild herkömmlicher
Art in den Bildelementen keine Grau- oder Farbwerte abgelegt, sondern
Zahlenwerte, im Folgenden auch Tiefenwerte genannt, die dem Wert
der Raumkoordinate senkrecht zur Bildebene entsprechen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Koordinatensystem
in dem tiefencodierten gerasterten Bild so gewählt, dass jede
Bildspalte jeweils einem Winkelgrad in Umfangsrichtung des Reifens
entspricht, jede Bildzeile jeweils einem radialen Abstand zur Rollachse
des Reifens entspricht und der Tiefenwert den axialen Abstand zu
einer Ebene senkrecht zur Rollachse angibt. Diese Ausführungsform
ist besonders zur Darstellung der beiden Seitenwände des
Reifens geeignet. Die an sich kreisrunde Seitenwand des Reifens wird
dabei als geradliniges Band dargestellt und erlaubt es, die beiden
Seitenwände des Reifens z. B. auf einem Monitor über-
oder nebeneinander darzustellen.
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Insbesondere
zur Darstellung der Reifenlauffläche wird hingegen das
Koordinatensystem in dem tiefencodierten gerasterten Bild mit Vorteil
so gewählt, dass jede Bildspalte jeweils einem Winkelgrad in
Umfangsrichtung des Reifens entspricht, jede Bildzeile jeweils einem
axialen Abstand zu einer Ebene senkrecht zur Rollachse entspricht
und der Tiefenwert den radialen Abstand zur Radachse angibt. Die im
Wesentlichen zylindrische Reifenlauffläche wird hierdurch
als abgewickeltes Band dargestellt und lässt sich in einfacher
Weise mit der obengenannten Darstellung der Seitenwände
des Reifens kombinieren.
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Es
ist vorteilhaft, dass in dem tiefencodierten Bild wenigstens ein
Tiefenwert festgelegt wird, der das Fehlen eines Messwertes an einem
Bildpunkt signalisiert. Dieser Tiefenwert liegt außerhalb
des Wertebereiches in dem sich die Tiefenwerte der erfassten Objektoberfläche
bewegen. Hierdurch lassen sich die tiefencodierten Bilder aus verschiedenen
Messungen in einfacher Weise vergleichen bzw. verrechnen. Ferner
ist es für den Betrachter sofort einsichtig, in welchen
Bereichen des tiefencodierten Bildes Messdaten vorliegen und in
welchen nicht.
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Mit
Vorteil werden die Messergebnisse eines Prüfstandslaufes
unter Anwendung einer unveränderlichen Abbildungsvorschrift
jeweils in ein tiefencodiertes gerastertes Bild überführt.
Mit Vorteil können dann die Formänderungen des
Reifens durch eine Subtraktion der betreffenden Bilder ermittelt
werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Darstellung der Messergebnisse in Form
von tiefencodierten gerasterten Bildern praxisgerecht ist. Ferner
ist die Berechnung von Formänderungen durch Verrechnung
von tiefencodierten gerasterten Bildern besonders einfach und schnell.
Sie wird vorzugsweise durch bildpunktweise Subtraktion von zwei
tiefencodierten gerasterten Bildern durchgeführt. Der sich
durch die Rasterung ergebende Digitalisierungsfehler ist bei der
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens akzeptabel
und kann zudem über die Anzahl der Spalten und Zeilen des
Rasters bzw. des tiefencodierten gerasterten Bildes beeinflusst
werden.
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Zur
Darstellung der Formänderung wird mit Vorteil eine bildpunktweise
Subtraktion der aus den beiden Messungen erhaltenen tiefencodierten
gerasterten Bilder durchgeführt und die Differenzwerte
in einem tiefencodierten gerasterten Differenzbild abgelegt. Dabei wird
mit Vorteil der Differenzwert an einem Bildpunkt auf einen festgelegten
Tiefenwert gesetzt wird, falls an der betreffenden Bildposition
wenigstens eines der voneinander subtrahierten Bilder keinen gültigen
Messwert enthält. Dieser Tiefenwert weicht vorzugsweise
deutlich von den anderen Tiefenwerten, die sich aus der Verrechnung
der Messwerte ergeben, ab. Diese Vorgehensweise führt zu einer
leicht verständlichen, beispielsweise auf einem Monitor
anzeigbaren Darstellung des Formänderungsverhaltens des
Reifens und erleichtert darüber hinaus das rechnergestützte
Auffinden von Formänderungen.
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Es
hat sich gezeigt, dass die in den beiden Messungen erfassten Beschriftungsreliefs
und Profilblöcke des Reifens häufig einen geringfügigen
Versatz in der Bildebene aufweisen, der das Auffinden kleiner Formänderungen
behindert und im Differenzbild zu Störungen führt.
Mit Vorteil werden deshalb die Bildzeilen und oder -spalten eines
der tiefencodierten gerasterten Bilder jeweils so verschoben, dass
die Position der darin erfassten Beschriftungsreliefs und Profilblöcke
von der Reifenoberfläche mit der in dem anderen Bild übereinstimmt.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
von Zeichnungen erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
ein System zur Durchführung des neuen Verfahrens
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2:
das in 1 gezeigte System in einer ersten Seitenansicht
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3:
das in 1 gezeigte System in einer zweiten Seitenansicht
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4:
die Verfahrensschritte zur Erzeugung eines tiefencodierten gerasterten
Bildes
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5:
eine Detailansicht eines tiefencodierten gerasterten Bildes
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6:
das Zeitdiagramm eines Prüfstandslaufes in einer ersten
Ausführungsvariante der Erfindung
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7:
das Zeitdiagramm eines Prüfstandslaufes in einer zweiten
Ausführungsvariante der Erfindung
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Die 1, 2 und 3 zeigen
den schematischen Aufbau eines Prüfstandes zur Durchführung
des neuen Verfahrens in der Vorderansicht (1) und den
beiden Seitenansichten (1 und 2). An dem
Prüfstand 10 befindet sich der auf einer Felge 13 montierte
Reifen 100. Die Felge 13 ist mit der Nabe 12 verschraubt.
Die Nabe 12 ist starr mit der Radachse 11 verbunden.
Die Radachse 11 ist drehbar bezüglich des Gestells 14 gelagert
und weist einen Antrieb 60 auf. Der Antrieb 60 weist
einen Motor 61 auf, der über ein Zahnriemengetriebe
bestehend aus den Zahnschieben 64, 65 und dem
Zahnriemen 63 die Radachse 11 antreibt. Durch
den Antrieb über einen Zahnriemen ist die Kraftübertragung zwischen
Motor 61 und Radachse 11 schlupffrei. Die Drehstellung
des Reifens 100 wird deshalb über einen Encoder 62 an
der Motorwelle 66 des Motors 60 abgegriffen. Die
Zähnezahlen der Zahnscheiben 65 und 64 sind
vorzugsweise so gewählt, dass die Zähnezahl der
Zahnscheibe 65 entweder identisch mit der der Zahnscheibe 64 ist
oder eine ganzzahlig Vielfaches der Zähnezahl der Zahnscheibe 64 beträgt. Hierdurch
wird sichergestellt, dass sich Geometriefehler im Antrieb 60 bei
der Durchführung von Messungen jeweils in gleicher Weise
auf die Erfassung der Drehstellung des Reifens 100 durch
den Encoder 62 auswirken und bei der Bestimmung von Formänderungen
des Reifens durch Vergleich von zwei Messungen keinen Einfluss haben.
Der Encoder 62 arbeitet inkremental, d. h. er liefert eine
zu dem von der Motorwelle 66 zurückgelegten Drehwinkel
proportionale Anzahl von Impulsen. Diese werden vom Encoder 62 auf
dem Signal ENC ausgegeben und in eine Zählvorrichtung 80 eingespeist.
Die Impulse werden dann mittels der Zähleinrichtung 80 abgezählt.
Encoder 62 und Zählvorrichtung 80 bilden
so eine Einrichtung zur Erfassung der Drehstellung der Motorwelle 66 und,
unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses
der Zahnscheiben 64 und 65, der Drehstellung der
Radachse 11 bzw. des Reifens 100. Um einen definierten
Startpunkt für den Zählvorgang zu erhalten, liefert
der Encoder auf einem zweiten Signal RI einmal pro Umdrehung einen
Impuls. Das Signal RI kann ferner zum Abzählen der Umdrehungen
der Motorwelle 66 und damit der Anzahl der Umdrehungen
des Reifens 100 verwendet werden.
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Mittels
des Antriebs 60 wird die Radachse 11 und damit
die Nabe 12, die Felge 13 und der Reifen 100 in
Rotation versetzt. Um die dreidimensionale Kontur des rotierenden Reifens 100 zu
erfassen, sind drei Messvorrichtungen 20, 30 und 40 vorhanden. Dabei
erfasst die Messvorrichtung 20 die erste Seitenwand 101 des
Reifens 100, die Messvorrichtung 30 die zweite
Seitenwand 102 des Reifens 100 und die Messvorrichtung 40 den
Laufflächenbereich 103 des Reifens 100.
Jede der drei Messvorrichtungen arbeitet nach dem Lichtschnittverfahren
mit jeweils einer Kamera 21 bzw. 31 bzw. 41 und
einem Linienlasermodul 22 bzw. 32 bzw. 42.
Die von den Kameras 21, 31 und 41 erfassten
Bilder werden über die Signalleitungen Video 1,
Video 2 bzw. Video 3 an eine Auswertevorrichtung 50 übertragen.
Zur Vereinfachung der Messung mit den drei Lichtschnittsystemen
werden die Kameras 21, 31 und 41 über
das von der Auswertevorrichtung 50 erzeugte Signal VD synchronisiert
und nehmen damit die Bilder gleichzeitig auf. Die Auswertevorrichtung 50 kann
aus einem Bildverarbeitungssystem bestehen.
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Die
Auswertevorrichtung 50 ist ferner über eine Schnittstelle 53 mit
der Zähleinrichtung 80 verbunden und kann somit
den von den Kameras 21, 31, 41 erfassten
Bildern die zutreffenden Drehstellungen des Reifens 100 zuordnen.
Zur Eingabe von Daten besitzt die Auswertevorrichtung 50 eine
Tastatur 52 und zur Darstellung von Daten, insbesondere
von Ergebnisbildern, einen Monitor 51.
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Der
Reifen 100 wird über das Druckluftsystem 90 mit
Luft befüllt. Hierzu ist das Druckluftsystem 90 beispielsweise
mit einem nicht dargestellten Kompressor verbunden. Über
einen Druckregler 91 wird der gewünschte Fülldruck
eingestellt und über die Druckluftleitung 92 und
den Druckluftadapter 93 die Druckluft in die Radachse 11 eingespeist.
Mittels des Druckluftadapter 93 ist die Druckluftleitung 92 drehbar
mit der Radachse 11 verbunden. An dem dem Druckluftadapter 93 gegenüberliegenden
Ende der Radachse 11 wird die Felge 13 und damit
der Reifen 100 über die Druckluftleitung 94 mit
dem Druckluftsystem 90 verbunden. Damit kann der Fülldruck
des rotierenden Reifens 100 kontrolliert und korrigiert werden.
Insbesondere kann der Fülldruck während der gesamten
Versuchsdurchführung konstant gehalten werden.
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Um
mittels der Prüfvorrichtung 10 nicht nur eine
Belastung des Reifens durch Zentrifugalkräfte sondern ggf.
zusätzlich auch durch Anpresskräfte erzeugen zu
können, ist die Rolle 70 vorgesehen. Die Rolle 70 besitzt
eine gegenüber dem Gestell 14 verschiebbare Lagerung 72.
Die Verschieberichtung ist dabei radial gegenüber dem Reifen 100. Über
den Hydraulikzylinder 73 kann die Rolle mit einer definierten
Kraft Fa gegen den Reifen 100 gepresst werden. Die Rolle 70 beginnt
sich zu drehen, sobald der Reifen 100 zu rotieren beginnt.
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Wie
die 2 zeigt, ist die Felge 13 an der Nabe 12 mit
Radmuttern wie an einem Fahrzeug befestigt. Um das Rad bestehend
aus Felge 13 und Reifen 100 problemlos montieren
und demontieren zu können, weist die Halterung der Messvorrichtung 20 ein
Gelenk 23 auf, um die Messvorrichtung 20 beim Radwechsel
auf die Seite schwenken zu können.
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Die 4 zeigt
die Verfahrensschritte zur Erzeugung eines tiefencodierten gerasterten
Bildes. Gezeigt ist die Seitenwand 101 des Reifens 100,
die ein Beschriftungsrelief 105 aufweist. In einem ersten Auswerteschritt
wird aus den von der Seitenwand 101 des Reifens 100 erfassten
Konturdaten eine Punktewolke 200 erzeugt. Jeder Punkt der
Punktewolke 200 geht aus einem Bildpunkt der Kamera 21 der
Messvorrichtung 20 hervor. Die gemessenen Punkte sind in
einem Polarkoordinatensystem dargestellt, bei dem auf der horizontalen
Achse der Umlaufwinkel von 0° bis 360° dargestellt
wird. Die Seitenwand 101 wird dadurch als geradliniges
Band abgebildet. Aus der Punktewolke wird in einem 2. Auswerteschritt
das Flächenmodell 201 erzeugt. Das Flächenmodell 201 besteht
im einfachsten Fall aus Dreiecksflächen, bei denen jeweils
die Eckpunkte durch drei Punkte der Punktewolke 200 gebildet
werden. In dem nachfolgenden Verfahrensschritt wir das Flächenmodell 201 zur
Erzeugung des tiefencodierten gerasterten Bildes 300 abgerastert.
Dazu wird über das Flächenmodell ein Raster mit
einer vordefinierten Anzahl von Zeilen und Spalten gelegt. Im Falle
der Seitenwand 101 des Reifens 100 wird das Raster
so ausgerichtet, dass die durch die Zeilen und Spalten des Rasters
aufgespannte Raster- bzw. Bildebene senkrecht zur Rollachse 104 des
Reifens 100 ist. An jedem Punkt des Rasters wird dann der
axiale Abstand des Flächenmodells 201 zu einer
bestimmten Radebene, also einer senkrecht zur Rollachse 104 des
Reifens 100 stehenden Ebene, eingetragen. Das in Zeilen
und Spalten organisierte tiefencodierte gerasterte Bild 300 entspricht
einem digitalen Bild, wobei jedoch an einem Punkt des Rasters, statt
eines Farb- oder Grauwertes die senkrecht zur Rasterebene stehende
Komponente der betreffenden Raumkoordinate abgelegt ist. Als Ergebnis
der Abrasterung des Flächenmodells 201 entsteht
somit das tiefencodierte gerasterte Bild 300. Durch das
Abrastern des Flächenmodells 201 und nicht der
Punktewolke 200 wird sichergestellt, dass unabhängig
von der gewählten Anzahl von Zeilen und Spalten des Rasters
für jeden Bildpunkt des tiefencodierten gerasterten Bildes 300 ein
Tiefenwert ermittelt werden kann, sofern die Objektoberfläche
den betreffenden Raster- bzw. Bildpunkt bedeckt.
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Die 5 zeigt
eine Detailansicht eines tiefencodierten gerasterten Bildes. Zur
Veranschaulichung ist das Detail 304 des tiefencodierten
gerasterten Bildes 300 aus der 4 gezeigt.
Das tiefencodierte gerasterte Bild 300 ist in Zeilen und
Spalten organisiert. Wie die Orientierung des im Detail 304 abgebildeten
Buchstabens A von der Seitenwand 101 des Reifens 100 zeigt,
entspricht jede Spalte jeweils einem bestimmten Winkelgrad in Umfangsrichtung des
Reifens und jede Zeile jeweils einem bestimmten radialen Abstand
zur Rollachse 104 des Reifens. In jedem Rasterpunkt ist
ein als Tiefencode bezeichneter Wert abgelegt, der die senkrecht
zur Bildebene stehende Komponente der betreffenden Raumkoordinate
repräsentiert. Diese Komponente entspricht dem Abstand
zu einer Ebene, welche senkrecht zur Rollachse 104 ist.
Die Lage der Ebene entlang der Rollachse 104 wird einmal
festgelegt und für die weitere Auswertung nicht verändert.
So enthält beispielsweise der Rasterpunkt 303 in
der Bildzeile 301 und der Bildspalte 302 den Tiefenwert
I. Der in dem Detail 304 abgebildete Buchstabe A ist deutlich
zu erkennen, da sein Schriftrelief gegenüber seiner Umgebung
erhaben ist.
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Wird
das tiefencodierte gerasterte Bild 300 von der Seitenwand 101 des
Reifens 100 bei allen Messungen stets nach derselben Abbildungsvorschrift
erzeugt, so kann eine zwischen zwei Messungen erfolgte Formänderung
der Seitenwand 101 unmittelbar durch Subtraktion der betreffenden
tiefencodierten gerasterten Bilder sichtbar gemacht werden.
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Die 6 und 7 zeigen
jeweils ein Zeitdiagramm eines Prüfstandslaufes, wie er
mit dem Prüfstand 10 durchgeführt werden
kann. Angetragen sind die zur Erläuterung der Erfindung
relevanten, folgenden Parameter:
- Pr: Fülldruck
des Reifens 100
- Fa: Anpresskraft der Rolle 71
- Dr: Mittels des Antriebs 60 erzeugte Rotationsgeschwindigkeit
des Reifens 100
- M: Durchführung einer Messung mittels der Messvorrichtungen 20, 30 und 40
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Die 6 zeigt
einen Prüfstandslauf, bei dem der Reifen bei zwei unterschiedlichen
Rotationsgeschwindigkeit Dr1 und Dr2 jeweils einmal vermessen wird.
Die erste Messung M1 erfolgt bei der Rotationsgeschwindigkeit Dr1
und die zweite Messung M2 bei der Rotationsgeschwindigkeit Dr2.
Die Rotationsgeschwindigkeit Dr2 ist erheblich größer
als die Rotationsgeschwindigkeit Dr1. Der Reifenluftdruck Pr wird
zu Beginn auf einen konstanten Wert Pr1 eingestellt und während
des gesamten Prüfstandslaufes nicht verändert.
Die Anpresskraft Fa ist während des gesamten Prüfstandslaufes
0, d. h. die Rolle 71 wird nicht gegen den Reifen gepresst.
Nach Beendigung der Messung M2 wird der Prüfstandslauf
beendet und die Rotationsgeschwindigkeit sinkt auf 0. Gegenüber
der Rotationsgeschwindigkeit Dr1 wirken bei der Rotationsgeschwindigkeit
Dr2 größere Zentrifugalkräfte auf den
Reifen ein. Die hierdurch verursachte Formänderung des
Reifens wird durch Vergleich der Messungen M1 und M2 bestimmt. Der
Zeitabstand td1 zwischen den beiden Messungen M1 und M2 kann nur
wenige Sekunden betragen, so dass die gesamte Prüfung nur
eine kurze Zeit beansprucht.
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Die 7 zeigt
einen Prüfstandslauf, bei dem der Reifen einer Haltbarkeitsprüfung
unterworfen wird. Vor dem Anlegen einer Rotationsgeschwindigkeit
Dr und dem Aufbringen einer Anpresskraft Fa wird zunächst
der Reifenfülldruck auf den Wert Pr1 eingestellt und während
des gesamten Prüfstandslaufes konstant gehalten. Nach Einstellung
des Reifenfülldrucks Pr1 wird der Reifen auf eine Rotationsgeschwindigkeit
Dr1 beschleunigt und die Rotationsgeschwindigkeit Dr1 während
des gesamten Prüfstandslaufes nicht mehr verändert.
Nachdem der Reifen die Rotationsgeschwindigkeit Dr1 erreicht hat, wird die
Rolle 71 mit der Kraft Fa1 gegen den Reifen gepresst. Die
Anpresskraft Fa wird danach bis zum Ende des Prüfstandslaufes
nicht mehr verändert. Nach Einstellung des Reifenfülldrucks
Pr1, der Rotationsgeschwindigkeit Dr1 und der Anpresskraft Fa1 werden
die Messungen M1 bis Mn durchgeführt. Der zeitliche Abstand
td2 zwischen zwei Messungen ist näherungsweise konstant.
Nach Abschluss der Messung Mn wird der Prüfstandslauf beendet.
Durch paarweisen Vergleich von zwei Messungen kann ermittelt werden,
wie sich der Reifen während der Prüfung aufgrund
der aufgebrachten mechanischen Belastung, insbesondere durch die
angepresste Rolle, verändert. Sollte sich bei Vergleich
der Messung Mn mit einer der vorhergehenden Messungen zeigen, dass
der Reifen durch erhebliche Schädigungen verursachte Formänderungen
aufweist, so kann der Prüfstandslauf aufgrund dieses Befundes
beendet werden, bevor beispielsweise der Reifen völlig
zerstört wird. Je nach Schwerpunkt der Untersuchung werden
die Höhe der Anpresskraft Fa und der Rotationsgeschwindigkeit
Dr1 gewählt. Um beispielsweise Formänderungen
des Reifens unter dauerhaft hoher Rotationsgeschwindigkeit zu ermitteln,
kann die Rotationsgeschwindigkeit Dr1 sehr groß gewählt werden
und die Anpresskraft Fa auf 0 gesetzt werden, d. h. die Rolle 71 wird
nicht gegen den Reifen 100 gepresst. Um in einem anderen
Anwendungsfall die Formänderungen des Reifens unter dauerhaft
hohen Achslasten zu ermitteln, kann die Rotationsgeschwindigkeit
Dr1 klein und die Anpresskraft Fa sehr hoch gewählt werden.
-
- 10
- Prüfstand
- 11
- Radachse
- 12
- Nabe
- 13
- Felge
- 14
- Gestell
- 20
- 1.
Messvorrichtung
- 21
- Kamera
- 22
- Linienlaser
- 23
- Gelenk
- 30
- 2.
Messvorrichtung
- 31
- Kamera
- 32
- Linienlaser
- 40
- 3.
Messvorrichtung
- 41
- Kamera
- 42
- Linienlaser
- 50
- Auswertevorrichtung
- 51
- Monitor
- 52
- Tastatur
- 53
- Schnittstelle
- 60
- Antrieb
- 61
- Motor
- 62
- Encoder
- 63
- Zahnriemen
- 64
- 1.
Zahnscheibe
- 65
- 2.
Zahnscheibe
- 70
- Anpressvorrichtung
- 71
- Rolle
- 72
- Lagerung
Rolle
- 73
- Hydraulikzylinder
- 80
- Zählvorrichtung
- 90
- Druckluftsystem
- 91
- Druckluftregler
- 92
- Druckluftleitung
- 93
- Druckluftadapter
- 94
- Druckluftleitung
- 100
- Reifen
- 101
- 1.
Seitenwand
- 102
- 2.
Seitenwand
- 103
- Lauffläche
- 104
- Rollachse
- 105
- Beschriftung
- 200
- Punktewolke
- 201
- Flächenmodell
- 300
- tiefencodiertes
gerastertes Bild
- 301
- Bildzeile
- 302
- Bildspalte
- 303
- Bildelement
- 304
- Detail
- RI
- Nullpositionssignal
- ENC
- Inkrementales
Gebersignal
- VD
- Rahmensignal
- P
- Druck
- Pr,
Pr1
- Reifenfülldruck
- Fa,
Fa1
- Anpresskraft
- Dr,
Dr1,
- Rotationsgeschwindigkeit
Reifen
- Dr2
-
- M,
M1 ... Mn
- Messung
- t
- Zeit
- td1,
td2
- Zeitabstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19730787
C2 [0003]
- - DE 102004062412 B4 [0003]
- - DE 19849793 C1 [0005]
- - DE 10019386 C2 [0006]