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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Reifenprüfmaschine
sowie speziell eine Vorrichtung mit Nullsteifigkeit zum Belasten
einer Reifen-Rad-Baugruppe auf einer simulierten Straßenoberfläche.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Um
die Leistung eines Fahrzeugs vorhersagen, korrigieren oder anderweitig
testen zu können, ist
es in der Branche der Reifenherstellung üblich, ein vollständiges Modell
der Fahrzeugdynamik zu entwickeln. Da die Reifen-Rad-Baugruppe die
einzige Verbindung zwischen einem Fahrzeug und einer Straße ist,
kann sie die Dynamik des gesamten Fahrzeugsystems stark beeinflussen.
Dementsprechend ist es wichtig, die natürlichen Frequenzen, die Modusformen
und die modale Dämpfung
der Reifen-Rad-Baugruppe zu kennen, die an einem Fahrzeug für Prüfzwecke
eingesetzt wird, beispielsweise als Verifizierung der Modelle der
finiten Elementanalyse. Deshalb wird die Reifen-Rad-Baugruppe in der
Regel unabhängig
vom Rest des Fahrzeugmodells getestet, um die erforderliche Verifizierung
zu erhalten.
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Da
sich die dynamischen Eigenschaften nichtdrehender Reifen von denen
drehender Reifen unterscheiden, wird im Rahmen der Testverfahren
in der Regel eine Reifenprüfmaschine
verwendet. Eine solche Reifenprüfmaschine
kann beispielsweise eine bewegliche simulierte Straßenoberfläche, eine
Achse mit einer Lageroberfläche,
um die sich eine Reifen-Rad-Baugruppe drehen kann, und einen Rahmen
umfassen, durch den eine Reifen-Rad-Baugruppe so belastet wird,
dass sie in einen rollenden Eingriff zur simulierten Straßenoberfläche kommt.
Die simulierte Straßenoberfläche kann
sich beispielsweise auf der Außenumfangsfläche eines
Rades befinden. Auf diese Art und Weise kann das Rollen eines Rades
auf einer simulierten Straßenoberfläche in einer ansonsten
stationären
Reifenprüfmaschine
getestet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach
dem Stand der Technik notwendig ist eine Reifenprüfmaschine,
mit der eine Minimierung der Variablen der Simulation erreicht wird,
sodass die finite Elementanalyse und andere Verifizierungen auf eine
Art und Weise vorgenommen werden können, die im Wesentlichen eine
Duplizierung der realen Reifen-Rad-Baugruppe an einem realen Fahrzeug auf
einer realen Straßenoberfläche darstellt.
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Konkreter
wird nach dem Stand der Technik eine Reifenprüfmaschine benötigt, die
das Testen eines Reifens unter den Grenzbedingungen der Nullsteifigkeit
relativ zur simulierten Straßenoberfläche gestattet.
Ohne die Grenzbedingungen der Nullsteifigkeit müssen die Beiträge der Maschine
zu den gemessenen Frequenzen berücksichtigt
werden, um die natürliche
Frequenz des Reifens bestimmen zu können. Eine solche Bestimmung
exakt auszuführen ist
schwierig, insbesondere, wenn mit Modellen niederer Frequenz (unter
20 Hz) gearbeitet wird. Die Grenzbedingung der Nullsteifigkeit kann
problemlos und exakt in der finiten Elementanalyse modelliert werden
und ermöglicht
auch, dass die unteren natürlichen
Frequenzen der Reifen-Rad-Baugruppe in allen drei Hauptrichtungen
gemessen werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Reifenprüfmaschine mit einem Rahmen
vorgestellt, der es ermöglicht,
dass eine Reifen-Rad-Baugruppe belastet wird und auf einer simulierten
Straßenoberfläche unter
den Grenzbedingungen der Nullsteifigkeit rollt. Mit besonderer Bezugnahme
auf eine gewölbte simulierte
Straßenoberfläche (beispielsweise
ein Straßenrad)
sind Vorbelastungselemente vorgesehen, damit die Reifen-Rad-Baugruppe
in einer stabilen Art und Weise unter statischer Belastung auf der gewölbten Oberfläche aufsetzt.
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Konkreter
wird mit der vorliegenden Erfindung eine Reifenprüfmaschine
vorgestellt, die eine bewegliche simulierte Straßenoberfläche; eine Achse einschließlich einer
Lageroberfläche,
um die sich eine Reifen-Rad-Baugruppe drehen kann; und einen Rahmen
umfasst. Der Rahmen hält
die Achse in einer nicht drehbaren, sondern vertikal schwimmbaren Art
und Weise relativ zur simulierten Straßenoberfläche, wobei der Reifen belastet
werden kann, sodass sie in einen rollenden Eingriff mit der simulierten
Straßenoberfläche gebracht
werden kann. Zu diesem Zweck umfasst der Rahmen Zugelemente, die
von der Achse in einer geometrisch unveränderlichen Anordnung zu einer
stationären
Stütze
verlaufen, und nichtdämpfende
Kolbenelemente, die sich zwischen den Zugelementen und der stationären Stütze befinden.
Die simulierte Straßenoberfläche kann
die Außenoberfläche eines
Straßenrades
umfassen.
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„Geometrisch
unveränderlich” bedeutet, dass
die Verbindung von Rahmen und Zugelementen zu einer, basierend auf
der Geometrie der Verbindungen, im Wesentlichen inflexiblen Struktur
führt,
sodass es zu einer dynamischen Isolierung der Straßen-Rad-Baugruppe vom Rest
der Prüfmaschine kommt.
Vorzugsweise ist die geometrisch unveränderliche Anordnung dreieckig,
da dann eine minimale Anzahl von Komponenten ausreicht. Aus einer
Vielzahl von Gründen
kann es jedoch wünschenswert sein
eine größere Anzahl
an Komponenten in einer anderen geometrisch stabilen Anordnung zu
verwenden, beispielsweise in mehreren dreieckigen, fünfeckigen,
sechseckigen oder achteckigen Anordnungen, oder in Kombinationen
dieser Anordnungen. Auch bei einer linearen Ausrichtung der Zugelemente kann
unter bestimmten Umständen
eine geometrisch stabile Anordnung erreicht werden.
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Die
Kolbenelemente können
verstellbar sein, sodass anfänglich
die Last der Reifen-Rad-Baugruppe
(oder die Vorbelastung des Reifens) gegen die bewegliche simulierte
Straßenoberfläche eingestellt werden
kann. Diese Kolbenelemente können
Pneumatikkolben und, stärker
zu bevorzugen, reibungslose Pneumatikkolben mit Nullsteifigkeit
umfassen. Die Zugelemente können über Gleitstücke, die
zur Eliminierung von nahezu der gesamten Dämpfungswirkung der Gleitstücke mit
Luftlagern versehen sind, mit den Pneumatikkolben verbunden werden.
Bevorzugtermaßen
sind die Zugelemente in der Form eines gleichschenkligen Dreiecks
angeordnet.
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Um
eine Reifen-Rad-Baugruppe mit einer Reifenprüfmaschine entsprechend der
vorliegenden Erfindung zu testen, wird die Reifen-Rad-Baugruppe drehbar
an der Lageroberfläche
der Achse montiert und der Reifen so belastet, dass er in einen
rollenden Eingriff mit der simulierten Straßenoberfläche kommt. Die simulierte Straßenoberfläche wird
dann bewegt, um die Reifen-Rad-Baugruppe zu drehen, wobei Prüfdaten unter
den Grenzbedingungen einer im Wesentlichen Nullsteifigkeit ermittelt
werden, beispielsweise bei Messungen der natürlichen unteren Reifen-Rad-Frequenzen
in den drei Hauptrichtungen. Diese Prüfdaten können unter Anwendung verschiedener
finiter Elementanalysen modelliert werden, die Fachleuten auf dem
Gebiet bekannt sind und von ihnen genutzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst diese und andere Merkmale, die nachfolgend
ausführlich
beschrieben und insbesondere in den Ansprüchen hervorgehoben werden.
In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird detailliert auf eine
bestimmte illustrative Ausführungsform
der Erfindung eingegangen. Diese Ausführungsform zeigt jedoch nur
eine der verschiedenen Möglichkeiten
zur Umsetzung der Prinzipien der Erfindung.
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ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Vorderansicht einer Reifenprüfmaschine entsprechend der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Seitenansicht einer Reifenprüfmaschine entsprechend der
vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nunmehr
detailliert auf die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigen die 1 und 2 schematisch
eine Reifenprüfmaschine 10 entsprechend
der vorliegenden Erfindung, die zum Testen einer Reifen-Rad-Baugruppe
T dient. Die Reifenprüfmaschine 10 umfasst
eine bewegliche simulierte Straßenoberfläche 14,
eine Achse 16 und einen Rahmen 18, der die Achse 16 relativ
zur simulierten Straßenoberfläche 14 stützt.
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In
der illustrierten Ausführungsform
handelt es sich bei der simulierten Straßenoberfläche 14 um die Außenumfangsfläche eines
Straßenrades 20. Obwohl
in den Zeichnungen nicht speziell dargestellt, umfasst das Straßenrad 20 eine
Achse, die von einem Motor gedreht wird. Der Straßenradmotor
kann eine Vorrichtung mit variabel einstellbarer Drehzahl sein,
sodass das Straßenrad 20 so
eingestellt werden kann, dass es sich mit einer Drehzahl dreht,
die der gewünschten
Drehzahl der Reifen-Rad-Baugruppe T während der Prüfverfahren
entspricht. Die simulierte Straßenoberfläche 14 kann
statt einer gewölbten
auch eine flache Oberfläche
umfassen, beispielsweise ein bewegliches Band oder eine flache Bahn.
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Die
Achse 16 umfasst eine Lageroberfläche 22, um die sich
die Reifen-Rad-Baugruppe T drehen kann. Eine Riemenscheibe 24 ist
zur Koordinierung mit dem Rahmen 18 an jeder lateralen
Seite der Achse 16 positioniert. Obwohl nicht speziell
in den Zeichnungen dargestellt, können Rückhalteelemente (beispielsweise
Federn) für
die seitliche Bewegung und die Vor- und Rückwärtsbewegung vorgesehen werden,
um während
der Prüfverfahren
die Reifen-Rad-Baugruppe T relativ zur Straßenoberfläche 14 zu stabilisieren.
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Der
Rahmen 18 stützt
die Achse 16 in einer nicht drehbaren, sondern vertikal
schwimmbaren Art und Weise relativ zur simulierten Straßenoberfläche 14,
wobei die Reifen-Rad-Baugruppe
so belastet werden kann, dass sie in einen rollenden Eingriff mit der
simulierten Straßenoberfläche 14 kommt.
Der illustrierte Rahmen 18 umfasst Zugelemente 26,
eine stationäre
Stütze 28 sowie
nichtdämpfende
Kolbenelemente 30, die sich zwischen den Zugelementen 26 und
der stationären
Stütze 28 befinden.
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Die
Zugelemente 26 verlaufen zwischen der Achse 14 und
der stationären
Stütze 28 in
einer geometrisch unveränderlichen
Anordnung. In der illustrierten Ausführungsform handelt es sich
bei den Zugelementen 26 um Seile, die von der stationären Stütze 28 zu
Schellen 24 auf der Achse 14 verlaufen, wobei
jedes Seil ein Ende umfasst, das mit einem der Kolbenelemente 30 verbunden
ist. Bei der illustrierten dreieckigen Anordnung der Zugelemente 26 handelt
es sich um eine gleichschenklige dreieckige Anordnung. Auch andere
geometrisch unveränderliche Anordnungen
(einschließlich
anderer Vielecke, aber auch lineare Anordnungen) sind bei der Umsetzung der
vorliegenden Erfindung möglich
und mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt.
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In
der illustrierten Ausführungsform
umfasst die stationäre
Stütze 28 Kolbenmontageelemente 32, die
an den abgewinkelten Bodenankern 34 montiert sind. Mithilfe
der Montageelemente 32 werden die Kolbenelemente 30 in
der gewünschten
winkligen Ausrichtung (in der illustrierten Ausführungsform 60° von der
Horizontalen) montiert. Eine stationäre Stütze mir mehr oder weniger Montageelementen
bzw. Ankern, einer anderen Gestaltung der Montageelemente bzw. Anker
oder selbst mit einer Konfiguration, bei welcher der Boden die stationäre Stütze darstellt, ist
bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung möglich und mit der vorliegenden
Erfindung beabsichtigt.
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In
der illustrierten Ausführungsform
umfassen die Kolbenelemente 30 Pneumatikkolben, insbesondere
Pneumatikkolben 36 mit Nullsteifigkeit bei der Bewegung
mit niedrigen Frequenzen und nahezu Nullsteifigkeit bei der Bewegung
mit hohen Frequenzen. Ein solcher Kolben kann durch ein relativ
großes Druckluftreservoir
erreicht werden, sodass jede Differenzialbewegung des Kolbens unter
annähernd
gleichen Druckbedingungen erreicht wird. Die illustrierten Kolbenelemente 30 enthalten
außerdem
jeweils ein Paar Gleitstücke 38,
die mit dem Pneumatikkolben 36 verbunden sind und sich
zusammen mit ihm bewegen. Die Gleitstücke 38 sind mit Luftlagern
ausgestattet, um zu verhindern, dass von ihnen eine Reibungs- oder
Dämpfungswirkung
ausgeht. Die Enden des Seils 26 sind so an den Gleitstücken 38 befestigt, dass
sie sich linear mit der Stange des Pneumatikkolbens 36 bewegen.
Durch Einstellen des Luftdrucks in jedem der Pneumatikkolben 36 kann
die Reifen-Rad-Baugruppe T so belastet werden, dass sie mit einer
bestimmten Last auf die simulierte Straßenoberfläche 14 einwirkt.
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Um
eine Reifen-Rad-Baugruppe mit der Reifenprüfmaschine 10 entsprechend
der vorliegenden Erfindung prüfen
zu können,
ist die Reifen-Rad-Baugruppe T drehbar auf der Lageroberfläche 22 der Achse 16 montiert,
und die Reifen-Rad-Baugruppe T wird so belastet, dass sie in einen
rollenden Eingriff mit der simulierten Straßenoberfläche 14 kommt. Die simulierte
Straßenoberfläche 14 wird
dann bewegt, um die Reifen-Rad-Baugruppe T zu drehen, wobei Prüfdaten unter
den Grenzbedingungen einer im Wesentlichen Nullsteifigkeit ermittelt
werden können, beispielsweise
durch Messungen der natürlichen
unteren Reifen-Rad-Frequenzen
in den drei Hauptrichtungen. Diese Daten können dann in einer finiten
Elementanalyse modelliert werden.
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Man
kann nun erkennen, dass mit der vorliegenden Erfindung eine Reifenprüfmaschine 10 mit
einem Lastrahmen 18 vorgestellt wird, der eine Belastung
der Reifen-Rad-Baugruppe und ein Rollen auf einer simulierten Straßenoberfläche 14 unter
den Grenzbedingungen einer im Wesentlichen Nullsteifigkeit ermöglicht.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass für Fachleute
auf diesem Gebiet beim Lesen und Verstehen dieser Beschreibung äquivalente Änderungen und
Modifikationen vorstellbar werden. Die vorliegende Erfindung umfasst
alle diese Veränderungen
und Modifikationen und ist darüber
hinaus nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzt.