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Einleitung und Zweck der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Anpassung des Innendrucks eines Reifens, insbesondere der eines PKW bzw. LKW, bei temporär veränderlichen oder dauerhaft vorliegenden Fahrsituationen. Erfindungsgemäß soll es ermöglicht werden, dass durch eine gezielte Beeinflussung des Reifeninnendrucks auf verschiedene Fahrsituationen reagiert und auf die Fahrsicherheit sowie den Fahrkomfort aktiv Einfluss genommen werden kann. Demnach soll primär die Fahrsicherheit bei verschiedenen Beladungssituationen (temporär veränderlich) verbessert oder Druckunterschiede aufgrund Jahreszeit bedingter Temperaturschwankungen ausgeglichen sowie eine Optimierung des Fahrkomforts wie z. B. Geräuschminderung, verringerter Reifenverschleiß oder Kraftstoffverbrauch erreicht werden.
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Besonders bei motorisierten Fahrzeugen gilt der Reifendruck als ein wichtiges Kriterium für Fahrsicherheit und Komfort.
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Während bei einer längeren Fahrt ein möglichst geringer Rollwiderstand von Vorteil ist (z. B. mittels Verkleinerung der Aufstandsfläche), kann sich in bestimmten Fahrsituationen ein geringerer Reifeninnendruck positiv auf das Fahrverhalten auswirken. Damit beispielsweise bei nassen Witterungsverhältnissen der erforderliche Kontakt zwischen Reifen und Untergrund gewährleistet wird, muss der Reifeninnendruck optimal den Witterungsbedingungen angepasst werden. Erfindungsgemäß wird durch die Adaption des Reifeninnendrucks an verschiedene Fahrsituationen eine Veränderung des Laufwiderstandes, d. h. der Reibung zwischen Lauffläche und Fahrbahnuntergrund, realisiert. Durch einen an die Umgebungsbedingungen angepassten Reifeninnendruck können auch die Stabilität, die Tragfähigkeit und die Lenkbarkeit des Fahrzeugs verbessert werden. Ein zu gering eingestellter Reifeninnendruck führt zumeist zu einer erhöhten thermischen Belastung aufgrund hoher Walk- bzw. Knetarbeit des Reifens. Des Weiteren führt ein zu geringer Reifeninnendruck zu einer verstärkten Ausbildung von Wülsten an den Reifenseitenwänden und damit zu einer Abnahme des Seitenhalts. Ein nicht entsprechend den Herstellervorgaben eingestellter Reifeninnendruck führt zumeist zu einer Beeinträchtigung der gesamten Funktionalität und kann eine Zerstörung des Reifens insbesondere auch eine Trennung von Reifen und Karkasse hervorrufen.
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Neben der gezielten Adaption des Reifeninnendrucks an unterschiedliche Umgebungsbedingungen, kann durch die im weiteren Verlauf näher erläuterte Erfindung zusätzlich die Notlaufeigenschaft des Reifens verbessert werden. Mit einer Variation eines Volumenelementes im Reifen kann die Fahrsicherheit und der Fahrkomfort erhöht, der Kraftstoffverbrauch, der Reifenschleiß sowie die Geräuschentwicklung gesenkt werden.
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Damit die erfindungsgemäß erwähnten Anforderungen erfüllt werden können, muss sich der Innendruck des Reifens an die jeweiligen Bedingungen (z. B. Zuladung, Temperaturunterschiede oder nicht nach Herstellerangaben eingestellte Drücke) anpassen können. Die im Nachfolgenden näher erläuterten Verfahren dienen diesem Zweck.
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Stand der Technik
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Die konventionelle automatische Reifendruckregelung des heutigen Stands der Technik [vgl.
DE 20 2010 008 453 U1 ,
DE 20 2011 000 352 U1 ,
DE 20 2011 051 737 U1 ] besteht aus einer Vielzahl von Komponenten. Einsatz findet diese Technik hauptsächlich im Nutzfahrzeugbereich. Für PKW und LKW hat sich bisher kein System dieser Art umfassend durchsetzen können.
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Konventionelle Reifendruckregelsysteme verfügen zumeist über vorinstallierte Luftkompressoren, Hochdruckvorratskammern/-behälter, Hochdruckluftleitungen, benötigen Dichtanschlüsse zu den Reifen oder Felgen, pneumatische Ventile, Sensoren, Signalumformer, elektronische Steuer- und Kontrolleinheiten etc. Fehlfunktionen der aufgeführten Komponenten können unter Umständen zu erheblichen Schäden führen.
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Neben dem Reifenaufbau und seiner Profilstruktur besitzt der Reifeninnendruck einen wesentlichen Einfluss auf das Fahrverhalten eines Fahrzeugs. Nach heutigem Stand der Technik sind Neufahrzeuge in der EU und in den USA mit einem Reifendruckkontrollsystem (Tire Pressure Monitoring System) auszustatten.
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Der Reifen als solches besteht grundlegend aus einer Karkasse und einem Laufband. Die Karkasse wird dabei als stabilisierendes Element genutzt, welches u. a. einen sicheren Sitz des Reifens auf der Felge gewährleistet. Aufgrund ihrer mehrschichtigen Bauweise ist die Karkasse zudem für eine definierte Reifenform verantwortlich. Das Laufband besteht ebenfalls aus mehreren Schichten, wobei der Laufstreifen in unmittelbarem Kontakt mit der Fahrbahnoberfläche steht.
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Das Problematische bei der Reifendruckregelung ist die Absicherung von Fahrsicherheits- und Fahrkomfortaspekten bei verschiedensten Fahrsituationen wie z. B. unterschiedliche Beladungszustände oder Temperaturunterschieden. Sollen diese Umstände insgesamt berücksichtigt werden, führt dies in der heutigen Reifenentwicklung zwangsweise zu Kompromisslösungen insbesondere für den Reifeninnendruck bzw. zu notwendigen manuellen Druckeinstellung durch den Fahrzeugführer. Grundsätzlich muss für jede Fahrsituation oder den gewünschten Fahrkomfort ein bestimmter Reifeninnendruck eingestellt werden.
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Ein korrekt eingestellter Reifeninnendruck sorgt für Stabilität und Tragfähigkeit bei gleichzeitiger Elastizität. Ein zu niedrig eingestellter Druck führt zu einer verstärkten Erwärmung, hervorgerufen durch die Walk- und Knetbelastung des Reifens sowie zu einer verstärkten Ausbildung von Reifenwülsten und damit zu einer Abnahme des Seitenhalts. Ein falscher Reifendruck führt in jedem Fall zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität und im schlimmsten Fall zu einer kompletten Zerstörung des Reifens.
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Der Reifendruck muss deshalb in regelmäßigen Abständen kontrolliert und auf das Gesamtgewicht des Fahrzeugs abgestimmt werden. Achsweise sind stets gleiche Fülldrücke einzustellen. Ein nicht den Belastungen angepasster Fülldruck beeinträchtigt die Fahrstabilität und auch den Geradeauslauf des Fahrzeuges erheblich. Der Fülldruck hat außerdem erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer und den Verschleiß eines Reifens.
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Vergleichbare Entwicklungstrends [vgl.
DE 10 2004 011 121 A1 ] zur automatischen Regelung des Innendrucks befassen sich mit Substanzen, welche im Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand eine große Volumenausdehnung aufweisen. Diese Substanzen liegen dabei in flüssiger oder fester Form bzw. als Pulver vor und können über konventionelle Ventile bzw. vorher in den Reifen eingebracht werden. Über die Änderung des Aggregatszustands bei definierten Temperatur- und Druckverhältnissen wird demnach eine automatische Regelung des Reifeninnendrucks erreicht. Hauptaugenmerk ist der Minderdruck im Reifen. Mit dieser Entwicklung soll bei einer Beschädigung des Reifens der Druckabfall über einen bestimmten Zeitraum kompensiert und Druckstöße minimiert werden.
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Eine andere Entwicklung [vgl.
EP 1 911 609 A2 ] beschäftigt sich mit der gezielt und vorzugsweise automatischen Anpassung des Reifens an die Fahrsituation durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Reifenaufstandsfläche. Die mögliche Realisierung erfolgt demnach über ein Formänderungsmittel in den Reifenwandungen oder aber durch Erhöhung/Erniedrigung des Luft- bzw. Gasdrucks mittels Formänderungsmittels, welches sich in einem Luft-/Gaskammersystem oder Schlauch befindet. Auch hierbei wird erfindungsgemäß ein Leitungssystem mit dem Reifen verbunden, welches eine Druckluft bzw. Gasquelle benötigt. Weiterhin soll eine zusätzliche Stabilisierung des Reifens aufgrund elektroaktiver Polymerstränge in den Seitenwänden erreicht werden. Die Realisierbarkeit für das Einbringen zusätzlicher Komponenten in den Reifen ist aus heutiger Sicht als sehr schwierig einzuschätzen.
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Lösungsansätze und wesentliche Merkmale
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Der im Fahrzeugreifen vorherrschende Druck beeinflusst wesentlich das Fahrverhalten und den Fahrkomfort. Erfindungsgemäß können Verfahren zur adaptiven Anpassung des Reifeninnendrucks die Stabilität und die Tragfähigkeit des Reifens positiv beeinflussen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Volumenänderung kann durch ein im Reifen befindliches Volumenänderungselement, welches gegebenenfalls direkt auf der Fahrzeugfelge aufgebracht wird, realisiert werden. Als Volumenänderungselemente können beispielsweise Dehnstoffe verwendet werden, welche unter definierten Bedingungen ihre Gestalt/Volumen ändern und damit das Gasvolumen zwischen der Fahrzeugfelge und dem Reifen vergrößern/verkleinern. Mit diesem Verfahren kann der Reifeninnendruck geregelt werden.
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Das Volumenänderungselement kann in einer weiteren Variante gleichzeitig als Aktuator- und Sensorelement genutzt werden.
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Dabei sorgt die Gestaltänderung der möglichst ringförmig angeordneten Aktuatoren für eine Volumenänderungsarbeit. Eine Vergrößerung des Volumens der zusätzlichen ringförmigen Anordnung kann auch über ein Getriebe realisiert werden. Die Volumenausdehnung kann dabei in radialer und/oder axialer Richtung erfolgen.
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Die Aktivierung bzw. Gestaltänderung der Volumenänderungselemente ist reversibel und wird durch temporäre bzw. vorhersehbare Umgebungsfaktoren autark oder durch eine externe Energiequelle angesteuert. Zur gezielten Ansteuerung der Volumenänderungselemente kann es notwendig sein, über Sensoren weitere Zustände zu erfassen. Dazu können die in dem Fahrzeug ggf. vorhandenen Systeme genutzt bzw. erforderliche Sensoren installiert werden. Handelt es sich bei den verwendeten Aktuatoren um nichtautarke Systeme, so muss eine entsprechende Energieversorgung für die Ansteuerung angedacht werden. Notwendige Energien können aus dem Bordnetz des Fahrzeuges entnommen oder aus ein im Reifensystem integrierten Energieversorgungssystemen gewonnen werden [vgl.
US 7,415,874 B2 ].
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Das erfindungsgemäße Lösungskonzept beinhaltet den Einsatz von Volumenänderungselementen, welche feste, flüssige oder gasförmige Substanzen enthalten und zwischen Felge und Reifen aufgebracht werden. Eine erste Variante arbeitet dabei autark, ausschließlich über eine temperaturabhängige Volumenänderung.
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Eine gezielte Erwärmung/Abkühlung ist durch die Verwendung zusätzlicher Elemente möglich. Etwaige Volumenänderungselemente können durch Wärmequellen oder durch Wärmeentzug für eine Reifeninnendruckregelung verwendet werden. Die entstehende Volumenausdehnung/-verringerung kann in einer weiteren Variante gezielt über ein Getriebemechanismus vergrößert/verkleinert werden. Der Kraftfluss kann dabei, je nach Integrationselement in Kammern oder innerhalb eines Begrenzungselementes stattfinden. Das Begrenzungselement kann dabei auch eine mechanische stützende Funktion übernehmen.
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Denkbar sind auch elektrisch oder chemische ansteuerbare Aktuatoren als Volumenelemente. Alternativ können in gleicher Weise Formgedächtnislegierungen, -polymere, Nanopartikel oder leitfähige Polymere als Aktuatoren verwendet werden, um eine erfindungsgemäße Veränderung des Reifeninnendrucks in Folge zu bewirken.
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Durch eine gezielte Ansteuerung/Regelung der Volumenänderungselemente kann in einer weiteren Ausführungsform, insbesondere aufgrund veränderter Trägheitsmomente, ein automatisches Auswuchten des Rades generiert werden.
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Darstellung der Lösungsvorteile
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Der erfindungsgemäße Vorteil liegt in der gezielten, adaptiven Anpassung des Reifeninnendrucks an temporär vorherrschende Umgebungsbedingungen und an unterschiedliche Fahrsituationen mittels gesteuerter bzw. geregelter sowie zusätzlich in das Rad eingebrachter Volumenelemente. Damit können der Fahrkomfort als auch die Fahrsicherheit positiv beeinflusst werden. Insbesondere mögliche Beladungssituationen und Minderdruck aufgrund einer Pannensituation werden durch das genannte Verfahren behandelt. Weitere darstellbare Vorteile der Erfindung sind die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie eine verbesserte Stabilität und Tragfähigkeit des Reifens. Anzustreben ist der Einsatz kleiner kompakter sowie hochenergiereicher Sensor/Aktuatorsysteme und Energiequellen.
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Durch die direkte Anbringung auf der Felge wird sowohl eine einfache Installation gewährleistet, als auch eine nachträgliche Montage ermöglicht. Das System kann somit auch in bestehende Radsysteme bzw. Fahrzeugassistenzsysteme integriert werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Systems besteht auch, dass primär kein Eingriff in den Reifen- oder Felgenherstellungsprozess erforderlich ist.
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Durch eine gezielte Steuerung und Regelung der Volumenänderungselemente lässt sich ein automatisches Auswuchten des Reifen-Felgen-Systems, vorzugsweise während der Fahrt realisieren. Ein solches System würde ein zusätzliches Auswuchten überflüssig machen. Auch temporär auftretende Unwuchten können aufgrund entsprechender Anpassungen ausgeglichen werden. Weiterhin kann dem Abflachen des Reifens aufgrund längerer Standzeiten und damit nicht unwesentlichen Unwuchten/Vibrationen entgegengewirkt werden.
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Erfindungsgemäß können durch eine gezielte Steuerung bzw. Regelung der Volumenänderungselemente Schwingungen des Rades reduziert und somit eine Geräusch- und Verschleißminimierung – nicht nur den Reifen betreffend – realisiert werden.
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Erfindungsgemäß können die eingesetzten Volumenänderungselemente in einer weiteren Ausführungsform gleichzeitig als Sensoren für Reifen- und Umgebungsparameter genutzt werden.
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Ausführungsbeispiele
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Die nachfolgend aufgeführten Zeichnungen besitzen beispielhaften Charakter, wonach alle aufgeführten Merkmale in der dargestellten Form nicht zwingend zur Realisierung der Erfindung notwendig sind.
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Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsmöglichkeit.
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1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines viertelsten Reifen-Felgenquerschnitts eines PKW.
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In 1 und 2 ist eine mögliche Ausführungsvariante dargestellt, mit denen eine erfindungsgemäße adaptive Reifeninnendruckregelung bewirkt werden soll. Dabei sind die Komponenten/Elemente zwischen Felge 1 und Reifen 2 angeordnet. Das Volumenänderungselement 7 befindet sich in dieser Variante in einem geschlossenen System 6. Das Volumenänderungselement 7 kann dabei auch in einer segmentierten Struktur angeordnet sein, bei gleichzeitig separierter Ansteuerungsmöglichkeit.
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Eine mögliche Unterstützung der Funktionalität wird kann durch eine mechanische begrenzende Struktur 3 erreicht werden. Diese kann neben der Führung und Stabilität vor allem eine verbesserte Notlaufeigenschaft des Reifens/der Rades ermöglichen. Die aufgebrachte Struktur 3 ist vorzugsweise kraft-/formschlüssig mit der Felge verbunden. Das Element 5 und 3 können auch für eine thermische Isolation verwendet werden. Element 4 kann gleichzeitig als Wärme- und Kühlelement fungieren; ein mittels Temperatur aktivierbares Volumenänderungselements kann dadurch beeinflusst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Felge
- 2
- Reifen
- 3
- Führungs-/Stützelement
- 4
- Wärme-/Kühlelement
- 5
- Thermische Isolation
- 6
- Geschlossenes System
- 7
- Volumenänderungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202010008453 U1 [0006, 0013]
- DE 202011000352 U1 [0006, 0013]
- DE 202011051737 U1 [0006, 0013]
- DE 102004011121 A1 [0014]
- EP 1911609 A2 [0015]
- US 7415874 B2 [0020]
