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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung des Rollwiderstandes von Serien-Fahrzeugreifen.
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Die Anforderungen, die an Fahrzeugreifen bspw. von Personenkraftwagen gestellt werden, wachsen stetig. Neben fahrdynamischen Aspekten müssen parallel Komfort- und Effizienzziele umgesetzt werden. Um ein verbrauchsarmes und dennoch fahrdynamisches Automobil zu entwickeln, muss das gesamte Fahrzeugkonzept geeignet abgestimmt werden. Dabei spielt der Reifen als Bindeglied zwischen Fahrzeug und Fahrbahn eine große Rolle hinsichtlich Effizienzsteigerung, Fahrkomfort und Fahrdynamik. Reifen werden daher unter großem Aufwand hinsichtlich verschiedener Eigenschaften entwickelt und getestet. Ist ein Reifen schließlich für ein Serienfahrzeug freigegeben und in Großserienproduktion, erfolgen hingegen nur noch vergleichsweise wenige Tests. Reifenhersteller überprüfen sämtliche gefertigte Reifen üblicherweise auf Gleichförmigkeit und Rundlauf. Weitere Reifeneigenschaften, und insbesondere deren Rollwiderstand bzw. Rollwiderstandsbeiwert oder -koeffizient werden in der Serienfertigung jedoch nur stichprobenhaft überprüft, da die herkömmliche Rollwiderstandsbestimmung sehr zeitaufwändig ist. Sollte sich also im Laufe der Serienproduktion von Reifen aufgrund irgendwelcher durch vorstehend genannte Untersuchungen nicht bzw. erst spät feststellbarer Einflüsse deren Rollwiderstand verschlechtern, so würde sich dies erst bei Verwendung dieser Reifen an einem Fahrzeug durch erhöhten Kraftstoffverbrauch herausstellen, was zu vermeiden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes und insbesondere innerhalb eines kurzen Zeitraumes von wenigen Minuten durchführbares Verfahren zur Überprüfung des Rollwiderstandes von Fahrzeug-Reifen aufzuzeigen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit dem Merkmalen des Anspruchs 1, wonach auf einem Prüfstand auf die Reifen-Lauffläche eine radial zum Reifen-Mittelpunkt hin gerichtete und sich zeitlich ändernde Kraft aufgebracht wird und die Phasenverschiebung der daraus resultierenden Verformung oder Einfederung der Reifen-Lauffläche gegenüber dem zeitlichen Kraftverlauf als sog. Verlustwinkel ermittelt wird, aus welchem über Korrelation auf den Rollwiderstandsbeiwert des Reifens geschlossen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Bekanntlich kann ein Reifen physikalisch-mathematisch durch ein viskoelastisches Ersatzmodell mit einer über dem Reifen-Umfang verteilten Anordnung von parallel geschalteten Feder-Dämpfer-Elementen ersetzt werden. Analysiert man den Abrollvorgang des Reifens, so stellt man fest, dass beim Einlaufen in den Latsch eine Wegänderung von Federelement und Dämpferelement stattfindet. Beim Auslaufen aus dem Latsch nimmt der Reifen wieder seine Ursprungsform an. Bedingt durch das Dämpferelement geschieht dies nicht ohne einen Energieverlust in Form von Wärme. Die Parallelschaltung der beiden Elemente repräsentiert also die viskoelastischen Eigenschaften des Reifengummis sowie dessen strukturellen Aufbau. Viskoelastische Bauteile haben die Eigenschaft, bei Verformung eine sogenannte Hysterese auszubilden. In Bezug auf ein Elastomerbauteil wie den Pkw-Reifen beschreibt die Hysterese den zeitlichen Versatz von wirkender Kraft und dem Einfederungsweg. Diese zeitliche Verschiebung kommt durch die zuvor beschriebene Energieumwandlung zustande. Dabei führt eine durch den Gummiwerkstoff bedingte große Dämpfung zu einem großen Hysteresekoeffizenten und somit zu höheren Verlusten. Diese Phasenverschiebung zwischen dem Verlauf der lokal in die Reifen-Lauffläche eingeleiteten Reifenaufstandskraft und der daraus resultierenden Verformung oder Einfederung der Reifen-Lauffläche wird auch als Verlustwinkel bezeichnet.
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Nunmehr kurz auf den Rollwiderstand von Fahrzeugreifen eingehend ist dessen Bestimmung oder Messung in der Norm ISO 28580 festgelegt. Ferner verpflichtet die Verordnung Nr. 1222/2009 des europäischen Parlaments die Reifen-Hersteller, ihren hergestellten Reifen ein sogenanntes Reifenlabel beizulegen, welches den Reifen hinsichtlich Nasshaftung, Rollgeräusch und Kraftstoffeffizienz kategorisiert. Zur Bewertung der Kraftstoffeffizienz dient der Rollwiderstandsbeiwert als Grundlage, so dass es sich hierbei um eindeutig identifizierbare Größe handelt. Dabei ist die übliche bzw. genormte Rollwiderstandsmessung eine langwierige Prozedur, welche folglich für eine Serienüberprüfung ungeeignet ist. Demgegenüber wesentlich einfacher ist die hier vorgeschlagene Untersuchung von Reifen in der Serienherstellung auf einem sog. Vertikal-Dynamik-Prüfstand. Grundsätzlich ist ein Vertikal-Dynamik-Prüfstand vorgesehen, um Kennwerte von Feder-Dämpfer-Bauteilen zu ermitteln. Hierfür kann eine Prüfeinrichtung Vertikalkräfte auf einen zu prüfenden Gegenstand und vorliegend auf einen Reifen, genauer wie in der Realität auf dessen Lauffläche in Radialrichtung zum Reifenmittelpunkt hin gerichtet aufbringen. Dies erfolgt durch einen hydraulisch angesteuerten Stempel. Mittels eines Kraftmess-Sensors werden die aufgebrachten Kräfte erfasst und aufgezeichnet; ebenso mittels eines Wegmess-Sensors die daraus resultierenden Verformungen des Prüflings bzw. Reifens. Dabei besteht die Möglichkeit, den Stempel kraftgeregelt oder weggeregelt entweder quasistationär oder jeweils bspw. in Form einer Sinuskurve mit unterschiedlichen Frequenzen auf den Prüfling bzw. Reifen einwirken zu lassen. Eine quasistationäre Messung liefert dann die sog. statische Reifenvertikalsteifigkeit, während mittels einer „schwingenden“, d.h. frequenzbehafteten Krafteinwirkung die dynamische Vertikalsteifigkeit ermittelt werden kann. Selbstverständlich sollte dabei der zeitliche Ablauf und die Zeitdauer der Prüfung für alle Reifen einheitlich und vorrangig kurz, bspw. in der Größenordnung von 3 Minuten liegend sein, um Ungenauigkeiten durch unterschiedliche Erwärmung bzw. Temperaturen der Reifen zu vermeiden.
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Mit einem einfachen Auswerteprogramm kann somit an einem Vertikal-Dynamik-Prüfstand oder auch an einem anderen geeignet gestalteten Prüfstand durch Vergleich der zeitlichen Verläufe der dynamischen, d.h. sich zeitlich ändernden Krafteinwirkung auf den Reifen und dessen daraus resultierender Verformung die Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Verläufen und damit der Verlustwinkel bestimmt werden. Dabei hat sich in einer Vielzahl von Versuchen herausgestellt, dass sich die beste Korrelation zwischen dem so ermittelten Verlustwinkel und dem Rollwiderstandsbeiwert ergibt, wenn zur Ermittlung des Verlustwinkels zunächst eine quasistatische Federungskennlinie ermittelt wird, mit deren resultierendem maximalen Einfederungsweg dann die dynamische und weggeregelte Messung des Verlustwinkels durchgeführt wird.
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Was nun die Auswertung der Verlustwinkelmessung in der Serienkontrolle von neu hergestellten Reifen betrifft, so kann im einfachsten Fall ein überprüfter Reifen (ohne auf eine Radfelge montiert worden zu sein) dann als ungeeignet definiert werden, wenn der für ihn ermittelte Verlustwinkel außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches eines Soll-Verlustwinkels liegt, welcher für einen Reifen des jeweiligen Typs vorgegebenen ist. Insbesondere wegen seiner Abhängigkeit vom Befülldruck des Reifens, d.h. vom innerhalb eines auf eine Radfelge aufgezogenen und aufgepumpten Reifens herrschenden Luftdrucks können für einen bestimmten Reifen-Typ für unterschiedliche Befülldruck-Werte unterschiedliche Soll-Verlustwinkel vorgegeben sein und ein im aufgepumpten Zustand überprüfter Reifen dann als ungeeignet definiert werden, wenn ein vorgegebener Anteil der für ihn mit diesen unterschiedlichen Befülldruck-Werten ermittelten Verlustwinkeln außerhalb vorgegebener Toleranzbereiche für die jeweiligen für einen Reifen diesen Typs vorgegebenen Soll-Verlustwinkel liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm ISO 28580 [0006]
- Verordnung Nr. 1222/2009 des europäischen Parlaments [0006]