DE102009008468B4 - Verfahren zur Prüfung von Reifen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Prüfung von Reifen, bei dem der Reifen auf einer Felge montiert wird, der auf der Felge montierte Reifen um seine Rollachse in Rotation versetzt wird, und Oberflächenbereiche des rotierenden Reifens mittels einer Messvorrichtung zur dreidimensionalen Konturerfassung vermessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche des Reifens bei einem bestimmten Reifenfülldruck ein erstes mal vermessen werden, der Reifen einer mechanischen Belastung durch Erzeugung von auf den Reifen einwirkenden Zentrifugal- und/oder Anpresskräften ausgesetzt wird, die Oberflächenbereiche des Reifens bei demselben Reifenfülldruck ein zweites mal vermessen werden, und aus den beiden Messungen die Formänderung des Reifens aufgrund der mechanischen Belastung ermittelt wird.

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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 zwischen 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.
• 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.
• 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.
• Ferner lehrt die Patentschrift DE 42 31 578 C2 , die Formänderung des Reifens aufgrund einer Änderung des Innendruckes des Reifens mittels eines Interferometers zu erfassen. Die Patentschrift US 6 006 599 A lehrt darüber hinaus, die Prüfung des Reifens mittels Änderung des Innendruckes und Erfassung der daraus resultierenden Verformung des Reifens an einem Prüfgerät durchzuführen, welches den Reifen um seine Rollachse und relativ zu den interferometrischen Messköpfen dreht. Demgegenüber lehrt die Patentschrift DE 27 21 215 C3 , den Reifen mittels eines holografischen Prüfverfahrens insbesondere an seiner Innenseite zu prüfen. Die Patentschrift US 6 092 414 A lehrt darüber hinaus, die Prüfung der Innenseite des Reifens mittels eines Shearing-Interferometers, welches mit einer elektronischen Kamera bestückt ist, durchzuführen. Die Patentschrift US 5 703 680 A lehrt, Fehlstellen eines Prüfobjektes, insbesondere eines Reifen, ebenfalls mittels eines interferometrischen Prüfverfahrens zu erfassen, wobei die Fehlstellen des Prüfobjektes durch das Einwirken von Stoßanregung, durch Verschleiß oder durch Ausdehnung sichtbar gemacht werden.
• Die Patentschrift 44 42 980 C2 lehrt, die Kontur eines Reifens mittels eines Lasersensors abzutasten, dessen Positionierung relativ zum Querschnitt des Reifens verstellbar ist, so dass verschiedene Konturlinien des Reifens erfasst werden können. Darüber hinaus lehrt die Patentschrift US 5 313 827 A , die Konturmessung bei zwei verschiedenen Fülldrücken des Reifens durchzuführen und die ermittelten Seitenwandkonturen zu vergleichen, um Fehler in den Gewebelagen eines Reifens zu ermitteln.
• Die Patentschrift US 5 616 839 A lehrt, einen Reifen gegen eine angetriebene Rolle zu pressen und die durch die Anpresskraft verursachte Verformung der Reifenaufstandsfläche interferometrisch zu erfassen und daraus die Kraftverteilung in der Reifenaufstandsfläche zu bestimmen.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Prüfung von Reifen anzugeben, das insbesondere die Ermittlung der Eigenschaften eines Reifens unter Belastung ermöglicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
• 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.
• 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 Reifen 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.
• 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.
• 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.
• 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 seinem Einsatz auf seine Formtreue bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten hin geprüft werden. Die Prüfung kann dabei mit Vorteil mit einer Überprüfung der Radunwucht kombiniert werden.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
• In den Zeichnungen zeigen:
• 1: ein System zur Durchführung des neuen Verfahrens
• 2: das in 1 gezeigte System in einer ersten Seitenansicht
• 3: das in 1 gezeigte System in einer zweiten Seitenansicht
• 4: die Verfahrensschritte zur Erzeugung eines tiefencodierten gerasterten Bildes
• 5: eine Detailansicht eines tiefencodierten gerasterten Bildes
• 6: das Zeitdiagramm eines Prüfstandslaufes in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung
• 7: das Zeitdiagramm eines Prüfstandslaufes in einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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
• 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.
• 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.
• Bezugszeichenliste

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, Dr2

Rotationsgeschwindigkeit Reifen

M, M1...Mn

Messung

t

Zeit

td1, td2

Zeitabstand

Claims (25)

1. Verfahren zur Prüfung von Reifen, bei dem der Reifen auf einer Felge montiert wird, der auf der Felge montierte Reifen um seine Rollachse in Rotation versetzt wird, und Oberflächenbereiche des rotierenden Reifens mittels einer Messvorrichtung zur dreidimensionalen Konturerfassung vermessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche des Reifens bei einem bestimmten Reifenfülldruck ein erstes mal vermessen werden, der Reifen einer mechanischen Belastung durch Erzeugung von auf den Reifen einwirkenden Zentrifugal- und/oder Anpresskräften ausgesetzt wird, die Oberflächenbereiche des Reifens bei demselben Reifenfülldruck ein zweites mal vermessen werden, und aus den beiden Messungen die Formänderung des Reifens aufgrund der mechanischen Belastung ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Schwankung des Reifenfülldrucks maximal 0.4 bar beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Reifenfülldruck des Reifens wenigstens während der beiden Messungen aktiv geregelt wird
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Messvorrichtung zur dreidimensionalen Konturerfassung nach einem Lichtschnittverfahren arbeitet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass beide Seitenwände des Reifens vermessen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Lauffläche des Reifens vermessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen in mehreren Umdrehungen an der Messvorrichtung vorbeibewegt wird, wobei die in einer Umdrehung erfassten Teilbereiche des Reifens gegenüber den in den anderen Umdrehungen erfassten Teilbereichen des Reifens einen räumlichen Versatz in Umfangsrichtung des Reifens aufweisen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die auf den Reifen einwirkenden Anpresskräfte durch das Anpressen des Reifens gegen eine Rolle erzeugt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Rolle motorisch angetrieben ist und den angepressten Reifen in Rotation versetzt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die den Reifen tragende Radachse motorisch angetrieben ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die auf den Reifen einwirkenden Zentrifugalkräfte durch die Rotation des Reifens mit einer Rotationsgeschwindigkeit, die einer Fahrgeschwindigkeit von mehr als 150 km/h entspricht, erzeugt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass eine erste Messung bei einer Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, die einer niedrigen Fahrgeschwindigkeit von vorzugsweise weniger als 100 km/h entspricht, eine zweite Messung bei einer Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, die einer hohen Fahrgeschwindigkeit von vorzugsweise mehr als 150 km/h entspricht, und aus den beiden Messungen die Formänderung des Reifens aufgrund der unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten ermittelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass die erste und die zweite Messung bei derselben Rotationsgeschwindigkeit erfolgen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass die erste und die zweite Messung bei denselben Anpresskräften erfolgen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich eine Erfassung der Radunwucht durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, dass eine Serie von Messungen durchgeführt wird, aus denen eine erste und eine zweite Messung zur Ermittlung der Formänderung des Reifens ausgewählt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet dadurch, dass die mechanische Belastung des Reifens über einen längeren Zeitraum von vorzugsweise mehr als 8 Stunden aufgebracht wird und während dieses Zeitraums wenigstens einmal in der Stunde eine Messung durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet dadurch, dass aus den Daten einer Messung ein tiefencodiertes gerastertes Bild erzeugt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass in dem tiefencodierten gerasterten Bild jede Bildspalte jeweils einem Winkelgrad in Umfangsrichtung des Reifens entspricht, jede Bildzeile jeweils einem radialen Abstand zur Rollachse entspricht und der Tiefenwert den axialen Abstand zu einer Ebene senkrecht zur Rollachse angibt.
20. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass in dem tiefencodierten gerasterten Bild jede Bildspalte jeweils einem Winkelgrad in Umfangsrichtung des Reifens entspricht, jede Bildzeile jeweils dem axialen Abstand zu einer Ebene senkrecht zur Rollachse entspricht und der Tiefenwert den radialen Abstand zur Rollachse angibt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens ein Tiefenwert festgelegt wird, der das Fehlen eines Messwertes an einem Bildpunkt signalisiert.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet dadurch, dass zur Berechnung der Formänderungen die tiefencodierten gerasterten Bilder von zwei Messungen voneinander subtrahiert werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, dass die Bildzeilen und oder -spalten eines der Bilder jeweils so in der Bildebene verschoben werden, dass die Position der darin erfassten Beschriftungsreliefs und Profilblöcke von der Reifenoberfläche mit der in dem anderen Bild übereinstimmt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, gekennzeichnet dadurch, dass die Subtraktion bildpunktweise durchgeführt wird, wobei der Differenzwerte in einem Differenzbild abgelegt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet dadurch, dass 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.

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