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Reifenprüfmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Reifenprüfmaschine mit einer drehbar gelagerten
Prüftrommel, gegen die ein drehbar gelagerter Reifen mit vorgebbarer KraFt andrückbar
ist, mit einem Antriebsmotor und mit mindestens einem Kraftaufnehmer.
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Derartige Reifenprüfmaschinen sind bekannt. Normalerweise ist dabei
die Prüftrommel in zwei 2-Komponenten-Kraftaufnehmer gelagert, so daß die Radialkraft
und die Låteralkraft bzw. deren Schwankungen des Reifens bestimmt werden können.
Diese Werte, aus denen die Konizität und der Winkeleffekt zusätzlich berechnet werden
können, können nur bei sehr kleinen Geschwindigkeiten gemessen werden, die in der
Größenordnung von 5 km/h liegen.
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Diese geringe mögliche Meßgeschwindigkeit liegt im wesentlichen auch
daran, daß alle Meßwerte während einer Umdrehung des Reifens ermittelt und gespeichert
werden müssen. Darüberhinaus sind mit derartigen Reifenprüfmaschinen keine Tangentialkräfte
meßbar.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reifenprüfmaschine
zu entwickeln, die die vom Reifen auf die Prüftrommel ausgeübten Kräfte auch bei
hohen Geschwindigkeiten ermitteln kann. Da der Reifen im wesentlichen gummielastisch
ist, können sich die bei niedrigen Geschwindigkeiten ermittelten Kräfte von denen
bei hohen Geschwindigkeiten auftretenden Kräfte erheblich unterscheiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kraftaufnehmer
die auf die Oberfläche der Prüftrommel wirkenden Kräfte bestimmt. Zweckmäßigerweise
ist der Kraftaufnehmer dazu in die Oberfläche der Prüftrommel eingelassen. In einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Kraftaufnehmer
in die Oberfläche der Prüftrommel eingelassen. Dadurch ist es möglich, nicht lediglich
die Kraftschwankungen über den gesamten Reifenquerschnitt zu messen, sondern den
einzelnen Punkten der Lauffläche die tatsächlichen Kraftwerte zuzuordnen.
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Damit kann der Verlauf der Kräfte über die Breite der Lauffläche
bestimmt
werden. Darüberhinaus ist es auf diese Weise erstmals möglich, mit einer Reifenprüfmaschine
mit einer Prüftrommel die Bodendruckverteilung während der Rotation eines Reifens
ermitteln. Bevorzugt sind die Kraftaufnehmer 3-Komponenten-Kraftaufnehmer, da auf
diese Weise die Radialkräfte, die Lateralkräfte und die Tangentialkräfte bzw. deren
Schwankungen ermittelt werden können.
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Da die interessierenden Werte des Reifens nicht während grundsätzlich
einer Umdrehung is Reifens ermittelt werden, sondern in grundsätzlich zahlreichen
Umdrehungen des Reifens, besteht bei kleinen ganzzahligen Verhältnissen von Umfang
der Prüftrommel zum Umfang des Reifens die Möglichkeit, daß lediglich bestimmte
Punkte des Reifens immer wieder abgetastet werden.
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Um dieser Gefahr zu begegnen, ist es ein Wesentlicher Gedanke der
Erfindung, den Umfang der Prüftrommel veränderbar zu machen.
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Dazu wird die Prüftrommel zweckmäßigerweise aus Segmenten aufgebaut,
die radial verschiebbar gelagert sind. Um den Verhältnissen in der Praxis näher
zu kommen ist es sinnvoll, den Prüfstand auch mit angetriebenem bzw. gebremstem
Reifen zu betreiben. Dazu wird vorzugsweise der Reifen mit einem Motor/ Generator
verbunden. Die Reifenprüfmaschine wird besonders bevorzugt zur Bestimmung der Bodendruckverteilung
in der Aufstandsfläche eines Reifens eingesetzt.
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Ferner sollte nochmal auf die Messung der Tangentialkraft hingewiesen
werden. Wie bereits beschrieben können beim Einsatz von 3-Komponenten-Aufnehmern
sowohl die Tangentialkraft als auch die Tangentialkraftschwankungen gemessen werden.
Dabei entspricht die Tangentialkraft- bzw. deren Summe bei mehreren Aufnehmern -
dem Rollwiderstand eines Reifens. Diese Größe interessiert besonders den späteren
Anwender. Die Größe der Tangentialkraftschwankungen sind zwar ebenfalls wichtig
für das spätere Fahrverhalten, doch lassen sich daraus besonders vom Hersteller
Rückschlüsse auf die gleichmäßige Fertigung ziehen.
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Die Figuren zeigen schematisch Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Es zeigen Fig. 1 die Seitenansicht der Reifenprüfmaschine Fig. 2 die
Draufsrht auf die Reifenprüfmaschine.
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Gleiche Bauteile in den Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Ein Reifen 1 ist auf einer Welle 2 gelagert. Die Welle 2 ist in einer Spindel 3
gelagert. Ein erster Winkellagengeber 4 bestimmt die augenblickliche Winkellage
der Welle 2 und damit des Reifens 1. Die Spindel 3 ist in einer Längsführung 5 in
der Zeichenebene verschiebbar gelagert. Die Position der Spindel 3 wird von einer
weiteren Spindel 6 vorgegeben, die mit einem Antriebsmotor 8 verbunden ist. Längsführung
5 und Antriebsmotor 6 sind im Fundament verankert.
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Der Reifen 1 wird gegen eine Prüftrommel 9 gedrückt. Die Prüftrommel
9 ist aus einzelnen Segmente 1o aufgebaut, die beispielsweise über eine Hydraulik
in radialer Richtung verschiebbar angeordnet sind. In der Figur ist der Mechanismus
der Verschiebung der Segmente 1o durch eine Zylinder 11 angedeutet.
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Ein Segment ist als MeBsegment 13 ausgebildet, d.h. in dem Segment
13 sind mehrere Kraftaufnehmer 14 eingelassen, wobei die äuBere Oberfläche der Kraftaufnehmer
bündig mit der Oberfläche des MeBsegments abschließt. Vorzugsweise sind diese Kraftaufnehmer
3-Komponenten-Kraft aufnehmer, bei einer vereinfachten Ausführungsform der Reifenprüfmaschine
ist es jedoch auch möglich Kraftaufnehmer zu verwenden, die lediglich zwei Komponenten
bzw. eine Komponente (in radialer Richtung) nachweisen. Die Kraftaufnehmer 14 sind
im Ausführungsbeispiel in einer axialen Geraden angebracht. Diese Anbringung ist
jedoch nicht funktionsnotwendig. Es ist genauso möglich, die Kraftaufnehmer 14 in
Umfangsrichtung versetzt zuerunder anzubringen. Desweiteren ist es möglich die Kraftaufnehmer
auf zwei oder mehrere Meßsegmente zu verteilen. Die Prüftrommel 9 ist mit einer
zweiten Welle 17 verbunden, die in einer zweiten Spindel 15 gelagert ist. Ein zweiter
Winkellagengeber 16 zeigt die Winkelstellung der Prüftrommel 9 an. Die Spindel 15
ist wiederum fest mit dem Fundament
verbunden. Ebenfalls mit dem
Fundament oder der Spindel verbunden ist ein zweiter Antriebsmotor 16, der über
einen Riementrieb 19 die zweite Spindel 15 und damit die Prüftrommel 9 antreibt.
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Die gesamte Stromversorgung 27 der Kraftaufnehmer 14 sowie die elektrischen
Verbindungen, die die Meßwerte der Kraftaufnehmer 14 weitergeben, stehen über den
Schleifringkopf 2o über eine Meßleitung 21 mit dem Schaltschrank 22 in Verbindung.
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Der Reifen 1 wird über die Spindel 6 vom Antriebsmotor 8 in an sich
bekannter Weise gegen die Prüftrommel 9 gedrückt, wobei die Andrückkraft vom Kraftaufnehmer
14 gemessen wird. Sobald die vorgesehene Andrückkraft erreicht ist, wird der Antriebsmotor
8 fixiert, so daß der Abstand der Welle 2 von der Welle 17 konstant bleibt. Über
den Antriebsmotor 18 wird die Prüftrommel 9 in Drehung versetzt. Jedes Mal wenn
die Kraftaufnehmer 14 die Aufstandsfläche des Reifens 1 durchlaufen, geben sie ein
Signal ab, das einem Speicher 25 zugeführt wird. Gleichzeitig wird die Stellung
der beiden Winkellagengeber 16 und 4 gespeichert. Beim nächsten Kontakt der Kraftaufnehmer
14 mit dem Reifen 1 erfolgt wiederum die Speicherung der gemessenen Werte, insbesondere
auch der Werte der Winkellagengeber 16 und 4. Aus dem Verhältnis der Winkeldifferenzen
des ersten Winkellagengebers 4 und des zweiten Winkellagengebers 16 läßt sich das
Übersetzungsverhältnis von Reifen 1 zu Prüftrommel 9 berechnen. Eine andere Möglichkeit
der Berechnung dieses Übersetzungsverhältnisses besteht darin, daß zwei Werte der
Winkellagengeber nach einer vorgegebenen Zeitdifferenz abgefragt werden und das
Verhältnis deser Differenzwerte gebildet wird.
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Ebenso kann das Übersetzungsverhältnis von Reifen 1 und Prüftrommel
9 statt über Winkellagengeber über Drehzahlgeber ermittelt werden.
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Zunächst muß sichergestellt werden, daß die Umfänge des Reifens 1
und der Prüftrommel 9 sich nicht wie kleine ganze Zahlen zuekender verhalten, da
sonst der Reifen nicht an seiner gesamten Lauffläche abgetastet wird, sondern nur
an einigen
wenigen Punkten, die sich immer wiedErholen. Um dxs zu
vermeiden besteht die Möglichkek, den Radius der Prüftrommel 9 und damit ihren Umfang
über die beispielsweise gezeichreten Zylinder 11 zu verändern. Die gespeicherten
Werte der Winkellagengeber 4 und 16 werden dazu einem Meßwertrechner 26 zugeführt,
der ein in der Umgebung der ermittelten Umfangsverhältnisse liegendes optimales
Umfangsverhältnis ermittelt, bei welchem der Reifen bei der vorgegebenen Prüfgeschwindigkeit
in möglichst kurzer Zeit vollständig von den Kraftaufnehmern 14 abgetastet wird.
Die Hydraulik der Zylinder 11 wird anschließend so beaufschlagt, daß der gesuchte
Umfang der Prüftrommel 9 erreicht wird. Die Hydraulik funktioniert in in den Figuren
nicht dargestellter an sich bekannter Weise. Mit der Veränderung des Radius der
Prüftrommel 9 hat sich auch die Anpreßkraft des Reifens 1 verändert, so daß über
den Antriebsmotor 8 und die Spindel 6 der Abstand der Spindel 3 von der Spindel
15 derart verändert werden muß, daß die vorgegebene Anpreßkraft wieder gegeben ist.
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Anschließend erfolgt bei den ermittelten Werten der Meßlauf, der zweckmäßigerweise
aus etwa 100 bis 1.ooo Umdrehungen des Reifens 1 besteht. Bei jedem Kontakt der
Kraftaufnehmer 14 mit der Aufstandsfläche des Reifens 1 werden die geglätteten Maximalwerte
der Kraftaufnehmer 14 zusammen mit den dazugehörigen Werten des ersten Winkellagengebers
4 im Speicher 25 abgespeichert. Sobald der Meßlauf beendet ist, mit anderen Worten
sobald der Reifen 1 mit einem hinreichend dichten Netz von Meßpunkten überzogen
ist, erfolgt im Meßwertrechner 26 eine Zuordnung der im Speicher 25 gespeicherten
Meßwerte der Kraftaufnehmer 14 so, daß die gemessenen Kräfte, die Radialkraft, die
Lateral kraft und die Tangentialkraft in einer Reihe über den Umfang dargestellt
werden können. Die Ausgabe dieser Werte erfolgt in der Meßwertanzeige 28. Aus diesen
Werten können in an sich bekannter Weise die erste und die höheren Harmonischen
der Kraftverläufe berechnet werden. Desweiteren können aus diesen Werten der Winkeleffekt
und der Konuseffekt ermittelt werden. Da über den Reifenquerschnitt nicht lediglich
ein Meßwert existiert, sondern mehrere Meßwerte, kann desweiteren die
Bodendruckverteilung
in Achsrichtung des Reifens 1 ermittelt werden.
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Eine einfachere Ausführungsform der Reifenprüfmaschine besitzt statt
der tangential angeordneten Kraftaufnehmer 14 lediglich einen Kraftaufnehmer, der
den Mittelwert der vom Reifen 1 auf die Prüftrommel 9 ausgeübten Kräfte beispielsweise
in drei Komponenten ermittelt. Der übrige Aufbau und die Funktionsweise der Reifenprüfmaschine
sind mit dem Beschriebenen identisch.
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Mit dieser vereinfachten Ausführung der Reifenprüfmaschine kann keine
Zuordnung der Gleichförmigkeit bzw. der Lateral- oder Tangentialkraft zu einzelnen
Punkten der Reifenoberfläche erfolgen ebenso kann keine Bodendruckverteilung des
Reifens angegeben werden. Es läßt sich mit dieser vereinfachten Maschine lediglich
die über einen Reifenquerschnitt gemittelte Gleichförmigkeit des Reifens 1 angeben.
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Da die Kraftaufnehmer 14 an der Trommeloberfläche angeordnet sind,
stellen die ermittelten Tangentialkräfte des Reifens den tatsächlichen Rollwiderstand
des Reifens 1 dar. Dagegen geschieht die Ermittlung des Rollwiderstandes nach dem
Stand der Technik vorzugsweise über das auf die Prüftrommel ausgeübte Drehmoment
so daß die Lagerreibung der Trommel eingeht, womit die nach dem Stand der Technik
ermittelten Werte mit erheblichen Ungenauigkeiten belastet sind. Schließlich können
alle Meßwerte auch unter Umfangskraft, d.h. also bei angetriebenem bzw. gebremstem
Reifen ermittelt werden.