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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von mindestens einer Materiallage eines Fahrzeugreifens unter Verwendung mindestens einer Terahertz-Strahlungsquelle und mindestens eines Terahertz-Empfängers.
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Fahrzeugreifen bestehen in der Regel aus mehreren unterschiedlichen Materiallagen, die im Zuge der Reifenfertigung sukzessive aufeinander aufgebracht werden. Zwar existieren Messverfahren, mit Hilfe derer die Abmessungen und die Positionierung einer einzelnen Lage bei deren Aufbringung ermittelt werden können, durch das Aufbringen weiterer Lagen sowie durch den abschließenden Vulkanisationsschritt und die dabei herrschenden Drücke und Temperaturen kann es jedoch zu Verschiebungen und/oder Verformungen einzelner Lagen kommen, wodurch die Qualität des fertigen Fahrzeugreifens beeinträchtigt werden kann.
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Im Rahmen von Qualitätskontrollen ist es daher erforderlich, den fertigen Fahrzeugreifen bzw. auch den noch nicht vulkanisierten Reifen oder auch andere Vorstufen des Reifens während des Fertigungsprozesses im Hinblick auf die korrekte Positionierung und Ausrichtung der einzelnen Materiallagen hin zu untersuchen, um so gegebenenfalls frühzeitig Fahrzeugreifen aus der Fertigungslinie ausschleusen zu können, die den Qualitätsstandards nicht genügen. Derartige Untersuchungen erfolgen heute vorzugsweise zerstörungsfrei.
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Hierzu sind bereits unterschiedliche Verfahren bekannt. So kann die Oberfläche und hier insbesondere der Laufstreifen des Fahrzeugreifens mit Hilfe von optischen Oberflächenkonturvermessungen, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Infrarotstrahlung oder sichtbarem Licht, untersucht werden. Derartige Verfahren sind jedoch nicht dazu geeignet, innenliegende Materiallagen wie beispielsweise das Gürtelpaket eines Fahrzeugreifens zu vermessen. Als Gürtelpaket bezeichnet man eine oder mehrere innenliegende Lagen aus Stahlcordgewebe, die dem Fahrzeugreifen seine Festigkeit und Formstabilität geben und das Eindringen von Fremdkörpern verhindern. Eine Abweichung im Rundlauf des Gürtelpakets oder Störungen wie Materialspleiße haben wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Fahrzeugreifens. Die Vermessung des Gürtelpakets im fertigen oder im grünen Reifen erfolgt heute vielfach mittels Röntgenstrahlung, deren Einsatz jedoch aufgrund ihrer ionisierenden und damit schädlichen Wirkung auf den menschlichen Organismus aufwändige Sicherheitsvorkehrungen, beispielsweise in Form von abschirmenden Kabinen, erfordert.
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Ein alternatives Verfahren, bei dem Terahertzstrahlung zur Prüfung von Reifen eingesetzt wird, ist aus der
EP 2 985 585 B1 bereits grundsätzlich bekannt. Unter Terahertzstrahlung wird elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 100µm bis 6mm verstanden. Sie liegt damit im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung. Die Frequenzen dieser Strahlung liegen entsprechend in einem Bereich von etwa 50 GHz bis 3000 GHz bzw. 0,05 THz bis 3 THz. Terahertzstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass sie für bestimmte Materialien wie beispielsweise Gummi eine hohe Durchdringungsfähigkeit besitzt, gleichzeitig aber nichtionisierend und damit im Wesentlichen ungefährlich für den menschlichen Organismus ist. Sie ist damit in besonderer Weise geeignet zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. Dabei kann sowohl das Transmissionsverhalten als auch das Reflexionsverhalten der Strahlung in Abhängigkeit von den bestrahlten Materialien untersucht und ausgewertet werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Vermessung von mindestens einer Materiallage, insbesondere einer innenliegenden Materiallage, eines Fahrzeugreifens unter Verwendung mindestens einer Terahertz-Strahlungsquelle und mindestens eines Terahertz-Empfängers bereitzustellen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß Patentanspruch 1 handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Vermessung von mindestens einer Materiallage eines Fahrzeugreifens unter Verwendung mindestens einer Terahertz-Strahlungsquelle und mindestens eines Terahertz-Empfängers, welches sich dadurch auszeichnet, dass der zu vermessende Fahrzeugreifen zwischen der Terahertz-Strahlungsquelle und dem Terahertz-Empfänger angeordnet ist und in einer tangentialen Richtung so mit Terahertzstrahlung aus der Terahertz-Strahlungsquelle bestrahlt wird, dass der Fahrzeugreifen zumindest teilweise im Strahlengang der Terahertzstrahlung liegt, wobei sowohl durch den Fahrzeugreifen hindurchgetretene als auch an dem Fahrzeugreifen vorbeigelaufene Strahlungsanteile der Terahertzstrahlung von dem Terahertz-Empfänger empfangen werden und wobei aus den Intensitäten der einzelnen von dem Terahertz-Empfänger empfangenen Strahlungsanteile auf die Lage der mindestens einen Materiallage innerhalb des Fahrzeugreifens geschlossen wird.
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Mit anderen Worten sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass ein zu vermessender Fahrzeugreifen zwischen einer Terahertz-Strahlungsquelle und einem Terahertz-Empfänger positioniert wird und dass Terahertz-Strahlung aus der Terahertz-Strahlungsquelle in einer tangentialen Richtung so auf den Fahrzeugreifen gerichtet wird, dass dieser zumindest teilweise im Strahlengang der Terahertzstrahlung liegt. Ein Teil der eingestrahlten Terahertzstrahlung läuft außen an dem Fahrzeugreifen vorbei und trifft im Wesentlichen ungeschwächt auf den Terahertz-Empfänger. Ein anderer Teil der eingestrahlten Terahertz-Strahlung dringt in das Reifenmaterial ein. Je nach Reifenmaterial wird die Terahertzstrahlung hier unterschiedlich stark abgeschwächt oder sogar vollkommen abgeschirmt, so dass in dem Terahertz-Empfänger in Abhängigkeit von dem jeweiligen Reifenmaterial, das sich im Strahlengang der Terahertzstrahlung befindet, Strahlungsanteile unterschiedlicher Intensität empfangen werden. Aus der Intensitätsverteilung der von dem Terahertz-Empfänger empfangenen Strahlung kann auf die Lage einzelner Materiallagen innerhalb des Fahrzeugreifens geschlossen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Durchdringungsfähigkeit von Terahertzstrahlung für verschiedene Materialien kann insbesondere auf die Lage innenliegender Materiallagen des Fahrzeugreifens geschlossen werden. Beispielsweise kann die Lage des aus Stahlcordgewebe bestehenden Gürtelpakets bestimmt werden, da Stahl die Terahertzstrahlung nahezu vollständig abschirmt und das zugehörige Signal im Terahertz-Empfänger entsprechend schwächer erscheint als ein Signal, welches von Terahertzstrahlung herrührt, die lediglich durch Gummi hindurchgetreten ist.
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Insbesondere können auf diese Weise auch etwaige Verschiebungen und/oder Verformungen wie z.B. Spleiße der innenliegenden Materiallage, beispielsweise des Gürtelpakets, ausfindig gemacht werden und im Rahmen von Qualitätskontrollen können Fahrzeugreifen, bei denen die Eigenschaften einer innenliegenden Materiallage aus einem vorgegebenen Toleranzbereich herausfallen, frühzeitig aus der Fertigungslinie ausgeschleust werden.
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Die Frequenz der eingestrahlten Terahertz-Strahlung liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Bereich von etwa 0,05 THz bis 3,0 THz. Die Frequenz der Terahertz-Strahlung liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,05 THz bis 1,0 THz, sie kann beispielsweise 0,1 THz betragen.
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Unter dem Begriff „Fahrzeugreifen“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl fertige, vulkanisierte Reifen als auch fertig zusammengebaute, aber noch nicht vulkanisierte Reifen als auch diverse Vorstufen dieser Reifen während des Fertigungsprozesses verstanden. Insbesondere können solche Vorstufen eines Reifens vermessen werden, bei denen bereits im Wesentlichen alle Materiallagen des Reifens übereinander angeordnet sind, wobei aber noch nicht alle Materiallagen vollständig miteinander verbunden sein müssen.
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Gemäß einem Vorschlag der Erfindung ist der zu vermessende Fahrzeugreifen auf einer Rotationseinrichtung gelagert. Insbesondere wenn Vorstufen des fertigen Reifens untersucht werden, kann es sich hierbei beispielsweise um die Reifenbautrommel handeln, auf der der Fahrzeugreifen zusammengebaut wird. So kann eine Vermessung insbesondere auch von innenliegenden Materiallagen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise unmittelbar im Rahmen des Fertigungsprozesses erfolgen. Bei der Rotationseinrichtung kann es sich beispielsweise auch um einen Nutenspannkopf oder eine Felge handeln, auf der vorzugsweise ein fertiger Fahrzeugreifen vermessen wird.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird der zu vermessende Fahrzeugreifen während der Messung gedreht. Auf diese Weise kann der Reifen über seinen gesamten Umfang oder über Teile seines Umfangs vermessen werden, ohne dass die Terahertz-Strahlungsquelle und der Terahertz-Empfänger bewegt werden müssten. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, den Reifen festzuhalten und die Terahertz-Strahlungsquelle und/oder den Terahertz-Empfänger zu bewegen.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass ein Drehgeber verwendet wird, durch welchen der Fahrzeugreifen in definierten Winkelschritten Δα gedreht wird, wobei für jeden auf diese Weise eingestellten Drehwinkel α die Strahlungsanteile der Terahertzstrahlung von dem Terahertz-Empfänger erfasst werden. Der Drehgeber kann an der Rotationseinrichtung angeordnet sein und als Inkrementalgeber oder als Absolutwertgeber ausgebildet sein.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung wird der Fahrzeugreifen während der Messung in Winkelschritten Δα von 1° gedreht, wobei für jede Drehwinkeleinstellung die Strahlungsanteile der Terahertzstrahlung von dem Terahertz-Empfänger erfasst werden. Die so erfassten Messsignale können nachfolgend in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α ausgewertet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Positionierung einzelner Materiallagen des Fahrzeugreifens, insbesondere innenliegender Materiallage wie des Gürtelpakets, über den gesamten Umfang des Fahrzeugreifens zu bestimmen. Abweichungen von vorgegebenen Normen können so schnell erfasst werden, beispielsweise kann ein Höhenschlag und/oder ein Planschlag des Gürtelpakets oder einer oder mehrerer anderer Materiallagen auf diese Weise zuverlässig erkannt werden.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist der Terahertz-Empfänger als Sensorarray ausgebildet ist. Ein Sensorarray umfasst mehrere geometrisch angeordnete Sensorzellen, so dass die verschiedenen Strahlungsanteile der Terahertzstrahlung mit einem derartigen Sensorarray ortsaufgelöst empfangen werden können. In einer Ausgestaltung ist das Sensorarray mindestens so groß, dass es den gesamten Messbereich sowohl in einer vertikalen als auch in einer horizontalen Richtung abdeckt.
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Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das Sensorarray zwischen verschiedenen Positionen in einer vertikalen Richtung und/oder in einer horizontalen Richtung verfahrbar ist. Auf diese Weise kann das Sensorarray kleiner und damit kostengünstiger ausgebildet sein.
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Grundsätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass als Terahertz-Empfänger ein Sensor mit nur einer einzelnen Sensorzelle zum Einsatz kommen. Um hier eine entsprechende Ortsauflösung zu erhalten, kann ein solcher Sensor in einer vertikalen und in einer horizontalen Richtung vorzugsweise linear verfahren werden, um die unterschiedlichen Strahlungsanteile der Terahertzstrahlung in den einzelnen Positionen zu erfassen. Anhand der Lagebeziehungen zwischen der Terahertz-Strahlungsquelle und dem Terahertz-Empfänger lassen sich Rückschlüsse auf die untersuchten Materialübergänge ziehen. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren deutlich kostengünstiger durchzuführen als mit einem ortsauflösenden Sensorarray.
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Neben der Vermessung von unterschiedlichen Materiallagen eines Fahrzeugreifens ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren grundsätzlich auch möglich, einzelne Komponenten im Fahrzeugreifenbau vor ihrer Zusammensetzung zum fertigen Fahrzeugreifen zu vermessen, beispielsweise um Überlappungsbereiche einzelner Materiallagen hinsichtlich ihrer Charakteristika wie Breite, Dicke und Größe zu bestimmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer, perspektivischer Ansicht;
- 2: Strahlengang der Terahertzstrahlung in schematischer Darstellung;
- 3: schematische Darstellung der Sensorsignale in dem Terahertz-Empfänger für einen gegebenen Drehwinkel a.
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1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung von mindestens einer Materiallage eines Fahrzeugreifens 2 unter Verwendung von Terahertzstrahlung. Der Fahrzeugreifen 2 ist auf einer als Bautrommel ausgebildeten Rotationseinrichtung 5 gelagert, wobei die Rotationseinrichtung 5 über einen Servomotor 6 gedreht werden kann. An der Rotationseinrichtung 5 ist ein Drehgeber 7 angeordnet, durch welchen die Rotationseinrichtung 5 und mit ihr der Fahrzeugreifen 2 in definierten Winkelschritten Δα gedreht werden kann.
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Die Anordnung 10 umfasst eine Terahertz-Strahlungsquelle 3 sowie einen Terahertz-Empfänger 4, wobei der zu vermessende Fahrzeugreifen 2 zwischen der Terahertz-Strahlungsquelle 3 und dem Terahertz-Empfänger 4 angeordnet ist. Die Terahertz-Strahlungsquelle 3 emittiert Terahertzstrahlung 11 mit einer Frequenz von etwa 0,1 THz. Der Terahertz-Empfänger 4 ist als Sensorarray mit mehreren geometrisch angeordneten Sensorzellen ausgebildet und deckt im Wesentlichen den gesamten relevanten Messbereich ab.
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Der Fahrzeugreifen 2 wird in einer tangentialen Richtung so mit der Terahertzstrahlung aus der Terahertz-Strahlungsquelle 3 bestrahlt, dass der Fahrzeugreifen 2 teilweise im Strahlengang der Terahertzstrahlung liegt. Von dem Terahertz-Empfänger 4 werden sowohl durch den Fahrzeugreifen 2 hindurchgetretene Strahlungsanteile als auch an dem Fahrzeugreifen 2 vorbeigelaufene Strahlungsanteile empfangen, was besser aus der Darstellung der 2 ersichtlich ist.
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In der schematischen Schnittdarstellung der 2 ist der Aufbau des Fahrzeugreifens 2 aus mehreren Materiallagen zu erkennen. Bei dem hier gezeigten Beispiel umfasst der Fahrzeugreifen 2 eine der Rotationseinrichtung 5 zugewandte Materiallage 9 aus Gummi, eine äußere Materiallage 8 aus Gummi, die auch den Laufstreifen des Fahrzeugreifens 2 umfasst, sowie eine innenliegende Materiallage 1 aus Stahlcordgewebe. Bei der Materiallage 1 handelt es sich um das Gürtelpaket des Fahrzeugreifens 2.
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Die von der Terahertz-Strahlungsquelle 3 emittierte Terahertzstrahlung 11 trifft in einer tangentialen Richtung auf den Fahrzeugreifen 2, so dass dieser teilweise in den Strahlengang der Terahertzstrahlung 11 hineinragt. Die von dem Terahertz-Empfänger 4 empfangene Strahlung umfasst Strahlungsanteile 12, die an dem Fahrzeugreifen 2 vorbeigelaufen sind und den Terahertz-Empfänger 4 im Wesentlichen ungeschwächt erreichen, sowie Strahlungsanteile 13, die durch die äußere Materiallage 8 aus Gummi hindurchgetreten sind und hier aufgrund der hohen Durchdringungsfähigkeit von Terahertzstrahlung nur teilweise abgeschwächt wurden. Terahertzstrahlung 11 hingegen, die im Inneren des Fahrzeugreifens 2 auf die für Terahertzstrahlung im Wesentlichen undurchlässige Materiallage 1 aus Stahlcordgewebe trifft, wird durch diese nahezu vollständig abgeschirmt. Nur ein sehr geringer Anteil der Terahertzstrahlung tritt durch die Materiallage 1 hindurch. Entsprechend umfasst die von dem Terahertz-Empfänger 4 empfangene Strahlung weitere, in ihrer Intensität gegenüber den Strahlungsanteilen 12 und 13 jedoch deutlich reduzierte Strahlungsanteile 14.
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Die 3 zeigt die Sensorsignale in dem Terahertz-Empfänger 4 für einen gegebenen Drehwinkel α. Aufgetragen ist hier die Spannung U des Signals und damit die Intensität der empfangenen Strahlung als Funktion der Höhe h, vgl. auch 2. Man erkennt im Wesentlichen drei Bereiche 120, 130, 140, wobei das Spannungssignal von dem Bereich 120 über den Bereich 130 zum Bereich 140 hin abfällt und wobei die Bereiche 120 und 130 in einem durch einen starken Abfall gekennzeichneten Übergangsbereich 15 ineinander übergehen und die Bereiche 130 und 140 in einem durch einen weiteren starken Abfall gekennzeichneten Übergangsbereich 16 ineinander übergehen. Der Bereich 120 spiegelt die Strahlungsanteile 12 wider, die außen an dem Fahrzeugreifen 2 vorbeilaufen und im Wesentlichen ungeschwächt auf den Terahertz-Empfänger 4 treffen. Der Bereich 130 umfasst die Strahlungsanteile 13, die durch die äußere Materiallage 8 aus Gummi hindurchtreten und nur geringfügig abgeschwächt werden. Der Bereich 140 schließlich umfasst die Strahlungsanteile 14, die aufgrund der innenliegenden Materiallage 1 aus Stahlcordgewebe nur noch mit sehr geringer Intensität den Terahertz-Empfänger 4 erreichen. Die Lage der Übergangsbereiche 15, 16 zwischen den Bereichen 120, 130, 140 kann aufgrund des abrupten Signalabfalls in diesen Übergangsbereichen zuverlässig bestimmt werden und hieraus kann sehr präzise auf die Lage der unterschiedlichen Materialübergänge und damit auf die Lage der einzelnen Materiallagen 1, 8, 9 in dem Fahrzeugreifen 2 geschlossen werden.
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Der Terahertz-Empfänger 4 ist als Sensorarray ausgebildet, der den gesamten relevanten Messbereich sowohl in der Höhe als auch in der Breite abdeckt. Insofern kann aus den Signalen in den einzelnen Sensorzellen unmittelbar auf ein Profil der einzelnen Materiallagen in dem Fahrzeugreifen 2 geschlossen werden. Alternativ ist es auch möglich, mit einem kleineren Sensorarray oder auch mit nur einer einzelnen Sensorzelle den Messbereich abzufahren und die jeweiligen Strahlungsanteile an unterschiedlichen Messpunkten zu erfassen.
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Um die Lage der einzelnen Materiallagen entlang des gesamten Umfangs oder entlang von Teilen des Umfangs des Fahrzeugreifens 2 zu untersuchen, kann der Fahrzeugreifen 2 während der Messung gedreht werden, wobei über den Drehgeber 7 ein vorgegebener Winkelbereich in definierten Winkelschritten Δα durchfahren werden kann. Beispielsweise kann der Fahrzeugreifen 2 in Winkelschritten Δα von 1° gedreht werden und für jede dieser Winkeleinstellungen können die Intensitäten der unterschiedlichen Strahlungsanteile erfasst werden. Auf diese Weise können die Intensitäten der einzelnen Strahlungsanteile in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α ausgewertet werden und es können mögliche Abweichungen der Lage der einzelnen Materiallagen von vorgegebenen Toleranzwerten detektiert werden. Insbesondere kann auf diese Weise der Höhenschlag einzelner, auch innenliegender, Materiallagen vermessen werden, beispielsweise der Höhenschlag des Gürtelpakets des Fahrzeugreifens 2.
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Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Terahertzstrahlung tangential und in einer Richtung parallel zur Laufrichtung des Fahrzeugreifens 2 eingestrahlt. Alternativ ist es auch möglich, dass die Terahertzstrahlung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tangential und in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laufrichtung des Fahrzeugreifens 2, d.h. parallel zur Drehachse des Fahrzeugreifens 2, eingestrahlt wird. Auf diese Weise kann die Rundheit des Fahrzeugreifens 2 von der Seite geprüft werden. Entsprechend sind sowohl die Terahertz-Strahlungsquelle 3 als auch der Terahertz-Empfänger 4 seitlich des Fahrzeugreifens 2 zu platzieren, so dass eine gedachte Verbindungslinie zwischen Terahertz-Strahlungsquelle 3 und Terahertz-Empfänger 4 parallel zur Drehachse des Fahrzeugreifens 2 verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- innenliegende Materiallage
- 2
- Fahrzeugreifen
- 3
- Terahertz-Strahlungsquelle
- 4
- Terahertz-Empfänger
- 5
- Rotationseinrichtung
- 6
- Servomotor
- 7
- Drehgeber
- 8
- Materiallage
- 9
- Materiallage
- 10
- Anordnung
- 11
- Terahertzstrahlung
- 12
- Strahlungsanteile
- 13
- Strahlungsanteile
- 14
- Strahlungsanteile
- 15
- Übergangsbereich
- 16
- Übergangsbereich
- 120
- Bereich
- 130
- Bereich
- 140
- Bereich
- α
- Drehwinkel
- U
- Spannung
- h
- Höhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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