DE10318058A1 - Reifenprüfstand zur Erfassung dynamischer Veränderungen, insbesondere der Reifenschlupfbewegung eines Laufflächenprofils eines KFZ-Reifens - Google Patents

Abstract

Es wird ein Reifenprüfstand zur Erfassung dynamischer Veränderungen, insbesondere der Reifenschlupfbewegung, eines Laufflächenprofils eines Fahrzeugluftreifens im Latsch offenbart, umfassend eine Prüffläche, eine Lagerung für den zu prüfenden Fahrzeugreifen in Abwälzstellung gegenüber dem Trommelumfang, eine Antriebsvorrichtung für den zu prüfenden Fahrzeugreifen, wobei der Fahrzeugreifen in radialer Richtung gegen die Mantelfläche der Prüftrommel andrückbar ist und wobei ferner die Reifenachse und die Prüffläche in ihrer gemeinsamen Ebene aus der Parallelstellung heraus relativ zueinander winkelveränderlich sind, und mit wenigstens einem optischen Sensor zur Erfassung der dynamischen Veränderungen. Erfindungsgemäß zeichnet sich der Reifenprüfstand dadurch aus, dass der Sensor innerhalb der Prüffläche angeordnet ist, wobei eine Oberfläche des Sensors mit der Oberfläche der Prüffläche fluchtet, wobei der Sensor ein nach dem Prinzip der Totalreflexion arbeitender Sensor ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Reifenprüfstand mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• Derartige, aus der DE 197 30 787 C2, der DE 28 31 978 A1, der US 5,616,839 und der US 6,050,876 bekannte Reifenprüfstände dienen dazu, dynamische Veränderungen eines Fahrzeugluftreifens im Latsch, d. h. also in dem Zustand, in dem sich ein Teil der Mantelfläche des Reifens im Kontakt mit einer fahrbaren Oberfläche befindet, zu erfassen und anschließend zu analysieren, um Aussagen bezüglich bestimmter Zustände des Reifens treffen zu können.
• Zu den dynamischen Veränderungen des Reifenprofils gehören insbesondere dynamische Reifenschlupfbewegungen in allen Punkten der Aufstandsfläche des Reifens bei unterschiedlichen Lasten, Sturz-, Schräglaufwinkeln, Momenten und Geschwindigkeiten, ebenso wie die dynamische Kontur des Reifens und der Footprintgröße insgesamt oder partiell im Latsch. Ebenso gehört hierzu die vertikale Aufstandsdruckverteilung, und zwar in dynamischer wie in statischer Hinsicht.
• Messtechnisch problematisch ist insbesondere die Erfassung von Blockbewegungen einzelner Profilböcke des Laufstreifenprofils eines Fahrzeugluftreifens, da mit bislang bekannten Reifenprüfständen und den dort verwandten Sensoren nur durch eine realitätsfremde Interpolierung von detektierten Blockkantenbewegungen erfasst werden können. Dies liegt vor allem an dem bislang verwendeten Sensoren und deren Anbringungsort. Zu den bislang zur Erfassung der dynamischen Kräfte und Zustände verwendeten Sensoren gehören insbesondere optische Systeme, wie Laser-, Digital- und analoge Kameras, Infrarotkameras, und nicht optische Systeme, wie kapazitive Sensoren, Schallwellenreflektionssensoren und dergleichen. Auch Druckfühler und andere mechanischen Sensoren werden gelegentlich verwendet, wobei diese jedoch nicht in der Lage sind, insbesondere die dynamischen Veränderungen der gesamten Blockkontaktfläche zu erfassen.
• Aus der EP 579 054 A2 ist ein Reifenprüfstand bekannt, bei der ein Reifen auf einer als Schlitten oder Langwagen ausgebildeten Glasplatte abrollt. Unterhalb dieser Glasplatte ist eine Kamera angeordnet, welche die Reifenkontaktfläche erfasst. Bei einer derartigen Vorrichtung können zwar grundsätzlich die oben beschriebenen dynamischen Größen, insbesondere die Reifenschlupfbewegungen, erfasst werden, problematisch ist bei dieser Vorrichtung jedoch, dass die Helligkeiten auch aufgrund des Abstandes der Kamera zur Glasplatte sowie der Kontrast der erzeugten Bilder nicht ausreichen, um bei der Auswertung der gewonnenen Bilder zu vernünftigen Ergebnissen zu gelangen. Zudem muss hier der Reifen vor der Prüfung mit Farbmarkierungen bearbeitet werden. Außerdem benötigt die Kameratechnik konstruktionsbedingt sehr viel Raum am Prüfstand.
• Aus der DE 197 30 787 C2 ist ein Trommelprüfstand bekannt, in dessen Trommel- Mantelfläche ein axial verlaufender Schlitz eingebracht ist, unter dem eine Zeilenkamera angeordnet ist, welche Momentaufnahmen von Profilblockkanten liefert. Da Trommel und Reifen unterschiedlich Umfänge aufweisen, dauert es mehrere Stunden, bis eine Vielzahl von linienartigen Bildern entstehen, die zusammengesetzt und interpoliert ein fiktives Bild ergeben, dass jedoch keine realen Zustände erkennbar machen kann. Eine Erfassung sogenannter "Footprints" mit nur einer einzigen Aufnahme bzw. mit nur wenigen Aufnahmen, ist mit einer derartigen Vorrichtung nicht möglich. Auch die Visualisierung realer Blockbewegungen ist mit einer derartigen Anordnung unter Verwendung einer Zeilenkamera nicht möglich, da lediglich die Blockkanten erfaßt werden können.
• Schließlich ist aus der DE 195 15 949 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur flächenhaften Vermessung und Erfassung des Profilabriebs eines Fahrzeugreifens bekannt, bei dem optische Sensoren in Form von Kameras auf das Profil eines Fahrzeugreifens gerichtet sind. Allerdings können mit dieser Vorrichtung nur Zustände außerhalb der Reifenkontaktfläche erfasst werden, nicht jedoch aber im Bereich des besonders interessierenden Latsches.
• Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, mit welcher dynamische Veränderungen eines Laufflächenprofils eines Kraftfahrzeugreifens im Latsch einfach und messtechnisch zuverlässig erfasst werden können.
• Diese Aufgabe wird mit einem Reifenprüfstand gelöst, welcher die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Sensor innerhalb der Prüffläche angeordnet ist, wobei eine Oberfläche des Sensors mit der Oberfläche der Prüffläche fluchtet, wobei der Sensor ein nach dem Prinzip der Totalreflexion arbeitender Sensor ist.
• Auf überraschend einfache Weise wird die Aufgabe also dadurch gelöst, dass der Sensor in die Aufstandsfläche des Reifens, d. h. in die Prüffläche integriert ist und an dieser Stelle in, unmittelbarem Kontakt zum Reifenprofil befindlich ist. Dies hat den Vorteil, dass Messungenauigkeiten, durch schlechte Lichtverhältnisse, durch einen ungenügenden Kontrast, durch Reflektionswinkel und dergleichen vermieden werden.
• Das Phänomen der Totalreflexion lässt sich an optisch transparenten Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes "n" beobachten. Beim Übergang von einem optisch dichteren (Glas, Wasser) in ein optisch dünneres (Luft) wird der Lichtstrahl in einen reflektierten und in einen transmittierten Anteil aufgespalten. Der Anteil des reflektierten Lichts steigt für größere Einfallswinkel, bis die Totalreflexion erreicht ist. In diesem Bereich wirkt die Grenzfläche wie ein Spiegel sehr hoher Güte. Der Grenzwinkel, bei dem Totalreflexion eintritt, ist abhängig von den Dichten der beteiligten Medien. Wenn - was gemäß praktischen Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen sein kann - eine CMOS- Kamera oder eine CCD-Kamera verwendet wird, ist dieses erwähnte Medium ein aus Glas bestehendes Prisma, das vom Gummi des Reifens bzw. von anderen Grenzschichten reflektierende Licht unter unterschiedlichen Brechungswinkel einer Kamera zuführt.
• Durch den erfindungsgemäßen Reifenprüfstand können real auftretende Schlupfbewegungen in allen Punkten der Reifenkontaktfläche bei dynamischen Abrollbewegungen ermittelt werden. Die Erforschung der physikalischen Zustände in der Kontaktzone Reifen/Fahrbahn und deren Interaktion kann durch diese Messmöglichkeit vorangetrieben werden. Insbesondere kann neues Know-how über die Profilmechanik gewonnen und das Traktions- und Bremsverhalten in der Reifenentwicklung optimiert werden.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Sensor eine digitale CMOS-Kamera oder eine CCD-Kamera (CCD = Charge Coupled Device) aufweist. Derartige digitale CMOS-Kameras (CMOS = complementary metal oxide semiconductor), welche beispielsweise als Fingerabdruckscanner zur Erfassung von Fingerabdrücken verwendet werden, sind klein, preiswert und haben sich zur Erfassung sonst nur schwer erfassbarer biometrischer oder geometrischer Konturen gut bewährt und sind zudem sehr preiswert. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise unter der Handelsbezeichnung "morphosoric Optiscan II" von der Morphosoric AG in D-17491 Greifswald erhältlich, welcher eine Scan-Auflösung im Bereich von 100 bis 1200 dpi aufweist. Zudem arbeiten derartige Sensoren nach dem oben beschriebenen Prinzip der Totalreflexion.
• Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, das die Prüffläche eine Prüftrommel eines Trommelprüfstandes ist. Alternativ ist es auch denkbar, einen derartigen Sensor in Form einer CMOS-Kamera mit einer nicht nur für einen Reifenprüfstand in Form einer Prüftrommel, sondern auch für andere Reifenprüfstände zu verwenden, deren Aufstandsfläche mehr oder weniger gerade verläuft, wie in Straßenoberflächen eingelassene Messstrecken oder auch für Messtische in ähnlicher Weise, wie sie aus der EP 0 579 054 A2 bekannt sind.
• In praktischen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor ein Gehäuse aufweist, welches mit einer transparenten Platte abgedeckt ist, welche die mit der Prüftrommel fluchtende Oberfläche des Sensors bildet, wobei im Gehäuse eine LED- Lichtquelle und ein Prisma angeordnet sind.
• In einer weiteren praktischen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Sensoren in die Prüffläche eingebaut ist. Beispielsweise können über den Umfang der Prüftrommel in gleichen oder unterschiedlichen Abständen 2 bis 100.000 Sensoren angeordnet sein.
• Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der Patentansprüche näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reifenprüfstands in schematischer Darstellung, und
• Fig. 2 eine Teileansicht einer Prüftrommel des Reifenprüfstandes aus Fig. 1 im Längsschnitt.
• In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reifenprüfstandes 1 in schematischer Ansicht von der Seite dargestellt. Der im Ausführungsbeispiel als Trommelprüfstand ausgebildete Reifenprüfstand 1 besteht im Wesentlichen aus einer Prüffläche, welche als Prüftrommel 2 ausgebildet ist, und welche über nicht näher dargestellte Antriebsmittel um eine Achse 3 rotiert. Ein zu messender Fahrzeugluftreifen 4 ist über eine Drehachse 5 mit einer nur schematisch dargestellten Antriebsvorrichtung 6 verbünden. Die Antriebsvorrichtung 6 dient neben dem Antreiben des Fahrzeugluftreifens 4 auch dazu, die Andrucklasten des Fahrzeugluftreifens 4 auf eine Mantelfläche 7 der Prüftrommel 2 zu verändern und ferner die Winkelstellung der Achse 5 und damit die Winkelstellung des Fahrzeugluftreifens 4 zur Mantelfläche 7 der Prüftrommel in X-Y-Z- Richtung zu verändern, um so unterschiedlichen Sturzwinkel, Vorspur, Kurvenfahrt und ähnliche Zustände zu simulieren.
• In die Prüftrommel 2 ist ein Sensor 8 eingelassen, dessen Oberfläche 9 mit der Mantelfläche 7 der Prüftrommel 2 fluchtet. Der Sensor 8 ist über eine nur angedeutete elektrische Leitung 10 mit einer Auswerteeinheit 11 verbunden, welche aus einem Computer, einem Monitor oder einem Drucker bestehen kann.
• In Fig. 2 sind die Prüftrommel 2 und der Sensor 8 aus Fig. 1 als Prinzipskizze in nicht maßstäblicher Darstellung im Schnitt in Teilansicht dargestellt. Der Sensor 8 weist ein Gehäuse 12 auf, in welchen eine digitale CMOS-Kamera 13 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 ist mit einer transparenten Platte 14 in Form einer Glasplatte abgedeckt, welche die Oberfläche 9 des Sensors 8 bildet. Anstelle einer Platte aus Glas können auch andere geeignete Materialien, beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Acryl, verwendet werden.
• Was in Fig. 2 nicht näher dargestellt ist, ist im Gehäuse 12 eine LED-Lichtquelle angeordnet, welche Licht abgibt, das durch ein ebenfalls nicht dargestelltes Prisma das Gehäuse 12 des Sensors 8 verläßt und je nach Beschaffenheit des auf dem Sensor 8 aufliegenden Teils des Reifenprofils unter unterschiedlichen Brechungswinkeln in die Kamera 13 geleitet wird. Durch ein entsprechendes Computerprogramm werden die dynamischen Meßdaten (Brechungswinkel) ausgewertet und in ein Bild des Profilabdrucks (Footprint) umgewandelt. Bezugszeichenliste 1 Reifenprüfstand
  2 Prüftrommel
  3 Achse
  4 Fahrzeugluftreifen
  5 Drehachse
  6 Antriebsvorrichtung
  7 Mantelfläche
  10 Leitung
  11 Auswerteeinheit
  12 Gehäuse
  13 CMOS-Kamera
  14 transparente Platte
  

Claims (8)

1. Reifenprüfstand (1) zur Erfassung dynamischer Veränderungen, insbesondere der Reifenschlupfbewegung, eines Laufflächenprofils eines Fahrzeugreifens (4) im Latsch, umfassend eine Prüffläche, eine Lagerung für den zu prüfenden Fahrzeugreifen (4) in Abwälzstellung gegenüber dem Trommelumfang, eine Antriebsvorrichtung (6) für den zu prüfenden Fahrzeugreifen (4), wobei der Fahrzeugreifen (4) in radialer Richtung gegen die Mantelfläche (7) der Prüftrommel (2) andrückbar ist und wobei ferner die Reifenachse (5) und die Prüffläche in ihrer gemeinsamen Ebene aus der Parallelstellung heraus relativ zueinander winkelveränderlich sind, und mit wenigstens einem optischen Sensor (8) zur Erfassung der dynamischen Veränderungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) innerhalb der Prüffläche angeordnet ist, wobei eine Oberfläche (9) des Sensors (8) mit der Oberfläche der Prüffläche fluchtet, wobei der Sensor (8) ein nach dem Prinzip der Totalreflexion arbeitender Sensor (8) ist.

2. Reifenprüfstand (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) eine CCD- Kamera aufweist.

3. Reifenprüfstand (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) eine digitale CMOS-Kamera (13) aufweist.

4. Reifenprüfstand (1) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) ein Gehäuse (12) aufweist, welches mit einer transparenten Platte (14) abgedeckt ist, welche die mit der Prüffläche fluchtende Oberfläche (9) des Sensors (8) bildet, wobei im Gehäuse (12) ferner eine LED-Lichtquelle und ein Prisma angeordnet sind.

5. Reifenprüfstand (1) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren (8) in die Prüffläche eingebaut ist, wobei die Anzahl der Sensoren zwischen 2 und 100.000 beträgt.

6. Reifenprüfstand (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Platte (14) durch das Prisma gebildet ist.

7. Reifenprüfstand (1) nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüffläche durch eine Mantelfläche (7) einer Prüftrommel (2) gebildet ist.

8. Reifenprüfstand (1) nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüffläche durch einen Meßtisch gebildet ist.