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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Zuständen in Reifen, insbesondere in Radialreifen.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Sensorsysteme für Fahrzeugreifen bekannt. Diese dienen zumeist der Ermittlung des Drucks und der Temperatur im Inneren des Reifens. Hierzu werden im Stand der Technik verschiedene Verfahren beschrieben, beispielsweise die Ermittlung der Datenmittels eines Druck- und Temperatursensors am Luftventil, mittels eines Drucksensors in Form eines Radialstreifen auf der Oberfläche der Felge innerhalb des Reifens oder mittels eines oder mehrerer Druck- und Temperatursensoren, welche auf der Innenseite der Lauffläche des Reifens aufgeklebt sind.
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So offenbart die
EP 0887211 A1 eine Sensorvorrichtung im Laufflächenbereich des Reifens, die den Aufstandsflächendurchgang detektiert. Diese erlaubt jedoch lediglich eine punktuelle Zustandsmessung. Zudem ist sie auf der Innenseite der Lauffläche aufgebracht und ermöglicht nur sehr begrenzte Rückschlüsse auf den Gesamtzustand des Reifens.
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Die
US 6,204,758 B1 beschreibt u. a. die Nutzung von Beschleunigungssensoren als System zur Bestimmung von Lage und Ort der Reifen. Diese ermöglichen jedoch ausschließlich die Erfassung von Axial- und Tangentialkräften, ohne Rückschlüsse auf deren Ursache zuzulassen.
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Auch die
DE 60216153 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Momentanverhaltens mittels mehrerer Sensoren innerhalb des Reifens. Auch dieses System arbeitet jedoch auf Basis punktueller Messungen und mittels Beschleunigungssensoren.
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Weiterhin beschreibt die
EP 1795881 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Erfassung und Berechnung des Betriebszustandes eines Fahrzeugreifens unter Verwendung von Dehnungsmessstreifen.
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Weit verbreitet sind im Stand der Technik somit Druck- und Temperatursensoren, die zumeist innen am Luftventil angeordnet sind. Diese erlauben kaum Rückschlüsse über die Ursachen von Druckschwankungen (z.B. durch starke Druckerhöhung beim Durchfahren eines Schlaglochs) und folglich auch kaum Aussagen über den Zustand des Reifens während und nach einem Ereignis. Da diese ebenfalls nur punktuelle Messungen an einer Stelle des Rades ermöglichen, benötigen sie eine Mindestumdrehungszahl, um Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand des Rades zuzulassen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erfassung von Zuständen in Reifen, wobei man den aktuellen Zustand des Reifens misst und mit Datensätzen von Zuständen vergleicht, welche zuvor mittels einer Mehrzahl von Vorabberechnungen, Messungen und/oder Versuchsergebnissen ermittelt und in einem Datenspeicher abgelegt wurden.
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Es werden somit die jeweils aktuellen Zustände des Reifens ermittelt. Dabei ist es unerheblich, ob der Reifen in Bewegung ist oder ob auf dem Reifen lediglich die Last des Fahrzeugs wirkt, ohne dass Bewegungskräfte vorhanden sind. Der so erhaltenen Messwert wird mit den Datensätzen verglichen, welche in einem Datenspeicher an Bord des Fahrzeugs hinterlegt wurden. Diese hinterlegten Datensätze sind spezifisch für einen bestimmten Reifentyp und sind zuvor ermittelt worden und in das Bordcomputersystem eingegeben worden. Wird nun beispielsweise der Satz Reifen gewechselt wie dies beim Austausch von Winter- und Sommerbereifung üblich ist, so müssen folglich auch die entsprechenden Datensätze für den dann montierten Reifen hinterlegt werden.
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Auf welche Weise die im Datenspeicher abgelegten Zustände zuvor ermittelt werden, ist für die Ausführung der Erfindung ohne Belang. Geeignet sind einerseits Vorabberechnungen, wie weiter unten beschrieben. Es können aber auch Messungen oder Versuchsergebnisse verwendet werden um die zu den jeweiligen Zuständen des Reifens gehörenden Datensätze zu ermitteln. Hierzu werden reale Muster von entsprechenden Reifen entsprechend vermessen.
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Bevorzugt ist das Verfahren, wobei man den Zustand des Reifens mittels Sensoren misst, wobei die Sensoren ausgewählt sind aus Dehnungssensoren, Drucksensoren und Hallsensoren.
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Derartige Sensoren sind im Stand der Technik bekannt und bereits vielfältig im Einsatz. Mit diesen Sensoren können die interessierenden Messwerte des Reifens ermittelt werden. Aus den übermittelten Messwerten ergibt sich dann nach dem Vergleich mit den hinterlegten Datensätzen für bestimmte Zustände der aktuelle Zustand des Reifens. Aus dem Ergebnis kann dann geschlossen werden, ob der Reifen in einem normalen, also sicheren Zustand ist oder ob eine Abweichung von den bekannten Zuständen erreicht ist oder gar bevorsteht.
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Besonders bevorzugt ist ferner ein Verfahren, wobei man den Zustand des Reifens mittels Sensoren misst und die Messdaten berührungslos per Funk oder über elektrisch leitende Kontakte überträgt.
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Die erforderliche Energieversorgung der Sensoren und der Messdatenübertragungstechnik kann mittels einer induktiven oder kapazitiven Energieübertragung erfolgen. Die übertragenen Energie kann direkt zum Betrieb der Sensoren oder Messdatenübertragungstechnik verwendet werden. Es können aber auch in diesen Akkumulatoren vorhanden sein, welche dann wieder aufgeladen werden.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, dass man die Vorabberechnungen mittels der Methode der finiten Elemente durchführt. Es können erfindungsgemäß aber auch andere dem Fachmann bekannte Berechungsverfahren verwendet werden. Jedenfalls müssen die Vorabberechnungen valide sein.
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Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Erfassung von Zuständen in Reifen, wobei man die Vorabberechnungen durchführt, in dem man die folgenden Schritte ausführt:
- a) Einteilung des Reifens in finite Elemente,
- b) Zuordnung von Eigenschaften des Reifens zu den finiten Elementen,
- c) Ermittlung der Lösung der Finiten-Element-Gleichung,
- d) Speicherung der Lösungen der Finiten-Element-Gleichung in einer Datenbank,
- e) Zuordnung weiterer Randbedingungen des Reifens zu den finiten Elementen und Ermittlung und Speicherung der Lösungen der jeweiligen Finiten-Element-Gleichung in der Datenbank.
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Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass die Eigenschaften des Reifens ausgewählt sind aus geometrischen Informationen des Reifens, geometrischen Informationen des finiten Elements, Festigkeit, Dichte, Querkontraktion, Elastizitätsmodul, Poissonzahl und Profilierung.
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Bevorzugt ist dabei insbesondere weiterhin, dass die weiteren Randbedingungen des Reifens ausgewählt sind aus Rollzustand, Stellung, Innendruck, äußerer Belastung, Sturz, Lenkwinkel, Fahrzeuggeschwindigkeit, Raddrehzahl und Rollstabilität des Reifens.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Innendrucks des Reifens, zur Ermittlung der Gesamtmasse des Fahrzeugs, zur Stabilität des Reifens, zur Ermittlung der Spurabweichung des Fahrzeugs, zur Regelung des Innendrucks des Reifens, zur Ermittlung des Sturzes der Reifen, Raddrehzahl, Normal- und Tangentialkräfte; Verschleißzustand und Reibwerte.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß ein Reifen für Fahrzeuge.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Reifen für Fahrzeuge, insbesondere Radialreifen, bestehend aus einer Karkasse und einer Gürtelschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen auf der Innenseite des Reifens im Bereich des Gürtels mindestens zwei Dehnungsmessfäden aufweist, welche im Wesentlichen quer zur Rollrichtung des Reifens regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
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Bevorzugt ist dabei, dass die Dehnungsmessfäden parallel zu den Stahlfäden der Gürtelschicht angeordnet sind.
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Bevorzugt ist dabei ein Reifen, bei dem weiterhin Dehnungsmessfäden in der Seitenwand und/oder Karkasse vorgesehen sind.
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Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Dehnungsmessfäden in der Gürtelschicht einen Fadenwinkel von 15 ° bis 30 °, bevorzugt 20 ° bis 25 ° aufweisen.
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Bevorzugt ist ferner, dass 5 bis 100 Dehnungsmessfäden vorgesehen sind. Weiterhin bevorzugt ist ein Reifen, bei dem an den Reifenflanken eine Profilierung des Reifens vorgesehen ist. Derartige Reifen sind besonders geeignet nur mit einem geringen Innendruck beaufschlagt zu werden, um dann mit einer großen Abflachung der Lauffläche in sandigem Gelände verwendet zu werden.
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Bevorzugt ist ferner, dass der Reifen mit einer Druckgasversorgung versehen ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Innendruck des Reifens auf die Umgebungsbedingungen angepasst werden kann. Beim Fahren in sandigem Gelände kann somit der Reifen zunächst mit vermindertem Innendruck versehen werden, um beispielsweise aus einer Sandwehe herausgefahren werden zu können. Im Anschluss daran kann der Druck wieder auf einen normalen Wert angepasst werden. Derartige Reifen sind bei Geländefahrzeugen von besonderem Vorteil. Durch die fortlaufende Überwachung des Reifens mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können dann für die Umgebung optimale Reifenzustände eingestellt werden. Derartige Veränderungen des Innendrucks können aber auch vorgenommen werden, um beispielsweise die thermischen Bedingungen beim Wechsel von Fahrten mit hoher Geschwindigkeit und dann mit geringer anzupassen. Somit kann bei jeder Geschwindigkeit der optimale Innendruck eingestellt werden.
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Dabei sollen Dehnungsmessstreifen in der Seitenwand und/oder Karkasse des Reifens integriert werden, die mittels elektrischer Widerstandsmessung augenblickliche Zustandsmeldungen (über Verformungen) an ein Auswertungssystem abgeben. Durch die Anordnung mehrerer Sensoren im Gesamtumfang des Rades, können verschiedenartige Rückschlüsse über z.B. Lage, Bewegungsrichtung und Umdrehungsgeschwindigkeit des Rades, aber auch über den Innendruck der Reifen, die Beanspruchung der Reifenbestandteile oder die Wahrscheinlichkeit von Havarien gezogen werden. Die Übertragung der Messergebnisse geschieht mittels bekannter Übertragungstechnik aus dem Reifen an einen an das Bordsystem des Fahrzeugs angeschlossenen Empfänger.
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Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen ist in verschiedenen Weisen ausführbar. So können z.B. Informationen über die Verformung der Seitenwände des Reifens Rückschlüsse über Tangentialkräfte ermöglichen. Während Verformungen in der Lauffläche (oder Teilen hiervon) – vor allem in der Auswertung in Kombination mehrerer Sensoren – vielfältige Rückschlüsse über Bewegung und Zustand des Rades insgesamt erlauben. Da die Dehnungsmessstreifen nur integrale Messungen, also über die Gesamtlänge und nicht über Abschnitte der Sensoren, erlauben, ist der Einsatz kürzerer Messstreifen an verschiedenen Stellen des Reifenquerschnitts denkbar.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, Sensor-Drähte in die Seitenwand und/oder die Lauffläche eines Reifens zu integrieren und an den jeweiligen Enden elektrische Kontakte anzubringen. Die spezifischen Eigenschaften der Drähte ermöglichen die Detektion von Verformungen über die Länge des Sensor-Drahts – nach dem Prinzip eines Dehnungsmessstreifens.
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Dehnungsmessstreifen werden in vielfältigen Gebieten zur Überwachung von Verformungen eingesetzt. Eine Anwendung in Radialreifen ermöglicht eine spezifische Detektion von Verformungen an (theoretisch beinahe beliebig) vielen Stellen eines Reifens. In der Auswertung dieser Signale kann eine Vielzahl von Zustandsbeschreibungen in Echtzeit an die Bordelektronik übermittelt und für verschiedene Überwachungs- und Sicherheitssysteme verarbeitet werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 die Spannungen in dem Reifenunterbau – links Karkasse, rechts Gürtelschicht;
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2 den inneren Aufbau eines Reifens;
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3 die Vernetzung und Struktur bei Abplattung mit (rechts) und ohne Sturzwinkel (links);
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4 die Spannung im Gürtel bei Abplattung mit (rechts) und ohne Sturzwinkel (links); und
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5 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Systemkomponenten.
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Innendruck und Kräfte in der Reifenaufstandsfläche erzeugen in den verschiedenen Schichtlagen des Reifens charakteristische Dehnungs- und Spannungsverläufe. In 1 sind diese für den Lastfall Innendruck dargestellt. Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente sind diese Dehnungsverläufe in Abhängigkeit vom Lastfall und vom Rollzustand sowie vom Innendruck darstellbar und können rechnerisch bestimmt werden. Dies gilt für ausgewählte Punkte der Struktur. Werden diese Punkte in Anlehnung an den inneren Reifenaufbau gewählt, sind Aussagen zur Gesamtdehnung einzelner Fasern möglich. Dies stellt eine integrale Methode zur Messung der Dehnungen im Rechenmodell dar. Solche Messungen können basierend auf der Idee der Dehnungsmessung durch Messstreifen auch am realen Objekt vorgenommen werden. Dazu werden Messbrücken mit entsprechenden Fadenpaaren zu einer temperaturkompensierenden Vollbrücke verschaltet.
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In 2 sind die interessierenden Schichten Karkasse (Body ply) und Gürtel (Steels belts) dargestellt. Werden nun entweder in dieser Schicht isolierte leitende Fasern integriert oder die enthaltenen Fäden direkt verwendet, können am Umfang verteilt n-Messstellen installiert werden. Das sich daraus ergebende Muster der Dehnungen wird mit den vorab berechneten Mustern verglichen, um den Kraftzustand in den Kräften der Aufstandsfläche zu ermitteln. Durch die Periodizität des Musters ist gleichzeitig eine Messung der Raddrehzahl möglich. Schließlich wird durch die Abhängigkeit der berechneten Verteilungen vom Innendruck dieser berücksichtigt und ein Druckverlust im Reifen kann durch Vergleich mit entsprechenden Mustern sensiert werden. Damit besteht das System aus den Elementen der Vorabberechnung, der Dehnungsmessung sowie der Interpretation der Messwerte mit den gespeicherten Mustern. Dazu werden die Messwerte mit Hilfe einer (drahtlosen) Verbindung an einen Mikrokontroller gesendet, der die Auswertung vornimmt und die Ergebnisse dem Bussystem des Fahrzeuges zur Verfügung stellt. Es wird also eine indirekte Messung der Größen Innendruck, Raddrehzahl und Kontaktkräfte (Radlast, Seitenkraft und Umfangskraft) vorgenommen und durch die Interpretation bereitgestellt. Aus dem Verhältnis der Größen Radlast, Seitenkraft und Umfangskraft kann bei Nutzung der üblicherweise vorhandenen Informationen zu Lenkradwinkel, Motormoment usw. unter Umständen auch ein Rückschluss auf den herrschen Reibungszustand zwischen Straße und Reifen erfolgen, der eine weitere Nutzung des Systems darstellt.
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Den Einfluss der Stellung des Rades auf die Form und Größe des Kontaktgebietes zeigt 3, in der ebenfalls die lokal verfeinerte Vernetzung der Struktur zu sehen ist. Für diese beiden Lastfälle wurde eine Berechnung der Spannungen an den Gürtelrändern in beiden Gürtellagen durchgeführt.
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Die Ergebnisse in 4 zeigen die charakteristischen Eigenschaften. In Abhängigkeit vom Rollzustand – hier der Sturzwinkel – ändern sich die Spannungen und damit auch die Dehnungen.
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5 zeigt die Systemkomponenten im Reifen und die damit verbundenen Elektronik zur Übertragung der Messwerte.
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Die Dehnungsmessfäden im Gürtel erstrecken sich – je nach Gürtelwinkel und Reifengeometrie – in etwa über einen Bereich von 18–36 Grad. Damit kann mit 10–20 Messfäden der gesamte Reifenumfang abgedeckt werden. In der Vorabrechnung zur Musterbestimmung wird dann der entsprechende Bereich untersucht und die Dehnungen können in elektrische Signale umgerechnet werden. Damit ist ein direkter Mustervergleich mit den Messbrückendaten möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannung in der Karkasse unter Innendruck
- 2
- Spannung in einer Gürtelschicht unter Innendruck
- 3
- Karkassfäden
- 4
- Gürtelfäden
- 5
- Verformung unter Last ohne Sturz
- 6
- Verformung unter Last mit Sturz
- 7
- Gürtelspannungen in der Gürtelmitte unter Last mit Sturz
- 8
- Gürtelspannungen am Gürtelrad unter Last mit Sturz
- 9
- Gürtelspannungen in der Gürtelmitte unter Last ohne Sturz
- 10
- Gürtelspannungen am Gürtelrad unter Last ohne Sturz
- 11
- Messfäden in der Struktur
- 12
- Messwiderstände zur Brückenschaltung
- 13
- Messfäden in der Seitenwand
- 14
- Funksender
- 15
- Funkempfänger
- 16
- Mikrokontroller
- 17
- Bus zum Bordrechner
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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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- EP 0887211 A1 [0003]
- US 6204758 B1 [0004]
- DE 60216153 T2 [0005]
- EP 1795881 A1 [0006]
