Messung der mechanischen und physikalischen Zusammenhänge in der Bodenaufstandsfläche von Reifen

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    18-Mar-2017

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  • 258 ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 102 (2000) 4

    Entwicklung Mess- und Prftechnik

    1 Einleitung

    Bei Reifen sind schon seit Beginn derReifenentwicklung die mechanischen undphysikalischen Zusammenhnge in der Bo-denaufstandsflche von groem Interesse.Das Interesse begrndet sich auf die physi-kalischen Eigenschaften von Gummi undReifenmechanik. Zum einen nimmt mit zu-nehmendem Druck der Reibwert bei Gum-mi ab, was bei ungleichmiger Druckver-teilung beziehungsweise Druckspitzen in

    Mit einem neuen Prfstandskonzept der Continental AG knnen dielokalen Krfte und Bewegungen des gesamten Reifens bei realen Ge-schwindigkeiten unter Fahrzeugbedingungen erfasst werden. Somit er-laubt dieser Prfstand erstmals die Bestimmung von Messgren zuroptimalen Abstimmung von Kontur und Profil.

    Messung der mechanischen und physikalischen Zusammenhnge in der Bodenaufstandsflche von Reifen

    der Bodenaufstandflche zu einer erhebli-chen Reduktion der bertragbaren Krfteund damit der Traktion fhren kann. Ande-rerseits fhren unterschiedliche Steifigkei-ten im Profil zu einer Verspannung der Bo-denaufstandsflche; dieses kann einerseitsAbriebsprobleme und andererseits Schief-ziehen hervorrufen. Darber hinaus ist einReifen ein doppelt gekrmmter Krper;durch diese doppelte Krmmung ergebensich zwangslufig unterschiedliche Bewe-gungen in der Bodenaufstandflche, Bild 1.Diese knnen unter anderem zu Abriebs-

    problemen fhren. Durch die Bercksichti-gung der unterschiedlichen Phnomeneknnen optimal aufeinander abgestimmteKonturen und Profilstrukturen entwickeltwerden.

    Um die mechanischen und physikalischenZusammenhnge in der Bodenaufstands-flche zu erfassen, mssen die dort auftre-tenden Krfte und Bewegungen gemessenwerden.

    2 Vergleich unterschiedlicherPrfstandskonzepte

    Experimentelle Untersuchungen ber dieKraft- und Bewegungsverteilung in der Bo-denaufstandsflche wurden schon in ver-schiedenster Form durchgefhrt [2, 3, 4, 5,6]. Dabei kann man grundstzlich zwi-

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    schen Prfstnden mit verschiebbarenOberflchen [7], Bild 2, und Trommelober-flche [8], Bild 3, unterscheiden.

    Die verschiebbaren Oberflchen haben denNachteil, dass auf ihnen die Reifen nur beigeringen Geschwindigkeiten untersuchtwerden knnen, das bedeutet, dass die Rei-fen nicht bei realistischen Geschwindigkei-

    ten untersucht werden knnen und dasszustzlich einer hoher Zeitbedarf fr dieMessungen besteht. Trommelprfstndehaben den Nachteil, dass sie nur ber einegekrmmte Oberflche verfgen, jedochzeigen Vergleichsuntersuchungen zum Ab-rieb auf Trommelprfstnden und Straen-versuchen, dass die gleichen Abriebsbildergefunden werden; somit ist der Einfluss in

    bezug auf die Abriebsmechanismen gering.Untersuchungen von Tretyakov [9] zeigen,dass die Druckverteilung auch blockweisevariiert. Abriebsbilder wie Irregular Wear,Lowered Blocks und andere lassen auf-grund ihrer stochastischen Verteilungber dem Reifenumfang darauf schlieen,dass die Kraft- und Bewegungsverteilungvon Block zu Block variiert.

    Eine blockweise Untersuchung mit einemPrfstand mit einer verschiebbaren Ober-flche ist nahezu unmglich, da die Positio-nierung zwischen Messaufnehmer undProfilblock hier ein erhebliches Problemdarstellt. Whrenddessen ist dieses bei ei-nem Trommelprfstand aufgrund derhheren Geschwindigkeit und der statisti-schen Verschiebung des Reifens zur Trom-mel, aufgrund der unterschiedliche Abroll-lngen von Trommel und Reifen, ein zeit-lich lsbares Problem.

    3 Vergleich verschiedener Messkonzepte

    Bei den Messaufnehmern existieren ver-schiedene Konzepte: zum einen die Drei-komponenten-Kraftaufnehmer und derSchlupfsensor als eine Einheit und zum an-deren getrennte Kraft- und Wegaufneh-mer. Bei den meisten Kraftaufnehmern va-riiert der Durchmesser der Kraftaufnehmerzwischen 5 mm und 10 mm, aber es gibtauch Untersuchungen mit Messstiftdurch-messern von 1 mm. Dieser geringe Durch-messer ist insbesondere fr die blockweiseUntersuchung notwendig.

    Bei der Bewegungsmessung wird zwischenmechanischen und optischen Messverfah-

    Stephan H. Khne istLeiter der Prfmethoden-entwicklung der ContinentalAG, Hannover.

    Dr. Jrgen Sommer istLeiter Prfmethodenent-wicklung und Prftechnikder Continental AG.

    Die Verfasser

    Bild 1: Doppelte Krmmung des Reifens in Lngs- und Querrichtung und die aus den Krmmungenresultierenden tangentialen Krfte beim statisch abgeplatteten Reifen (vereinfachte Darstellung) [1]

    Figure 1: Double curvature of a tyre in longitudinal and lateral direction and the of curvature resulting tangential forces of a statically loaded tyre (simplified figure) [1]

    Bild 2: Schematische Darstellung von einem Verschiebetisch

    Figure 2: Schematic figure of a movable table test stand

    Bild 3: Schematische Darstellung von einem Trommelprfstand [8]

    Figure 3: Schematic figure of a drum test stand

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    ren unterschieden. Die mechanischen Auf-nehmer bestehen meistens aus einer Na-del, die ber eine Aussparung in der Ober-flche mitbewegt werden kann, oder eineNadel, die in den Profilblock eindringt undsich verformt. Bei optischen Messverfahrenwerden die Bewegungen entweder bermarkierte Punkte auf Profilblcken mit ei-ner Kamera oder ber eine durch Linien-projektion sichtbar gemachten Profilkantemit einer Zeilenkamera verfolgt.

    Um die lokalen Krfte zu erfassen, muss derMessaufnehmer mglichst klein sein. EinMessaufnehmer, in dem Bewegungs- undKraftmesssystem zusammengefasst sind, istbei einer Auflsung der Messstiftoberflchevon 1 mm2 nicht sinnvoll, da die Bewegungdes Profilblocks oft grer als 1 mm ist.

    Beim Vergleich zwischen optischen undmechanischen Messverfahren zur Erfas-sung der Bewegung zeigt sich, dass es beimechanischen Verfahren aufgrund der feh-lenden Oberflche oder der Verformung derMessstifte zu Messfehlern kommt. Bei opti-schen Messverfahren dagegen zeigt dieGlasoberflche annhernd gleiche Reib-schlussverhltnisse wie eine Straenober-flche, das heit, es besteht jederzeit Kon-takt und es findet hier keine Verformungder Profilblcke aufgrund der fehlendenOberflche statt.

    4 Neues Prfstandskonzept

    Ausgangspunkt fr das Prfstandskonzeptist der in den Dissertationen von Seitz [8]und Gerresheim [10] vorgestellte Trommel-prfstand, bei denen die Krfte und Bewe-gungen von Reifen bei realen Geschwindig-keiten gemessen wurden, Bild 4 und Bild 5.

    4.1 Pflichtenheft fr den neuenPrfstand

    Der neue Prfstand sollte den in der Tabel-le genannten Spezifikationen gengen.

    Abweichend von den Untersuchungen vonGerresheim und Seitz sollen mit diesemPrfstand die Krfte und Bewegungen dergesamten Bodenaufstandflche erfasstwerden. Der Prfstand wird mit einer Mess-spur ausgerstet, auf der sowohl die Bewe-gungen als auch die Krfte erfasst werden.Diese Messspur besteht aus fnf Dreikom-poneten-Kraftmessdosen und zwei Bewe-gungserfassungssystemen.

    Aufgrund der unterschiedlichen Abrollln-gen des Reifens und der Trommel, trifft bei

    Bild 4: Zeichnung der Aufsicht des neuen Prfstandes

    Figure 4: Drawing of the upper view of the new test stand

    Bild 5: Zeichnung der Seitenansicht des neuen Prfstandes

    Figure 5: Drawing of the side view of the new test stand

    Lastenheft fr den neuen Prfstand Maschinengrundkrper mit horizontaler Prftrommel, aufstellbar auf ebenem

    Boden

    Prftrommel mit blanker Oberflche, mit acht Messstellen in der Trommel-oberflche (fnf 3K Messstellen, zwei SchlupfMessstellen)

    Trommelantrieb mit regelbarbarer Prfgeschwindigkeit

    Radaufnahme von Standard Stahl-Prfradfelgen

    Vertikale Verschiebeeinheit der Trommel oder der Prfradposition

    Eine angetriebene Prfradposition mit folgenden Stell- und Regelgren: Last, Luftdruck, Drehmoment, Sturz, Schrglauf

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    jeder Messung ein anderer Abschnitt desReifens auf die Messstiftoberflche. Zur Zu-ordnung der Messungen auf dem Reifenwird die Position der Messstelle am Reifenerfasst und mit dem Datensatz gespeichert.

    Sobald die gesamte Spur des Reifens erfasstist, wird der Reifen auf der Trommel ver-schoben, so dass eine andere Spur des Rei-fens vermessen werden kann. Am Ende lie-gen Messwerte vom gesamten Reifen vor.

    Die Messung der gesamten Bodenauf-standsflche erfolgt statisch, das bedeutet,Sturz, Schrglauf und Antriebsmomentwerden whrend der gesamten Messungnicht verndert. Ansonsten wren dieMesswerte im Ganzen nicht vergleichbar.Eine komplette Messung der Krfte und Be-wegungen eines Reifens dauert etwa vierStunden.

    Zur Messwerterfassung wird ein Dreikom-ponenten-Kraftaufnehmer mit einer Mess-stiftoberflche von 1 mm2 verwendet. Diesermglicht insbesondere die Messung vonDruckspitzen mit sehr geringer Ausdeh-nung, die zum Beispiel an Spitzen von Profil-blcken oder stark lamellierten Profilen(Winterreifen) auftreten knnen. Die Erfas-sung der Bewegung erfolgt optisch mit Hilfeeiner Linienprojektion, Bild 6 und Bild 7.

    Ziel ist es, diesen Prfstand fr Standard-messungen mit Standardauswertungen zuetablieren.

    Eine Standardmessung knnte sich aus denFahrzeugbedingungen fr Vorder- undHinterachse (Sturz, Schrglauf und An-triebsmoment) ergeben.

    Eine Standardauswertung knnte die Reib-wertverteilung des Reifens fr Vorderachs-und Hinterachsbedingungen ergeben, Bild8.

    Mit diesem Prfstand knnen somit die lo-kalen Krfte und Bewegungen des gesam-ten Reifens bei realen Geschwindigkeitenunter Fahrzeugbedingungen erfasst wer-den. Somit steht erstmals ein Prfstand frdie optimale Abstimmung von Kontur undProfil zur Verfgung.

    Literaturhinweise

    [1] Kraft P.: Force distribution in the contact surfa-ce between tire and runway. NACA TM 1365,Aug. 1954, S. 34 ff.

    [2] Anon: Tire footprint behaviour during dyna-mometer testing. Aerospace Engineering (War-rendale, Pennsylvania) Volume 16, Number 4,April 1996, S. 11 ff.

    [3] Clark, S. K.: Mechanics of Pneumatic Tire. U.S.Department of Transportation, WashingtonD.C., U.S. Government printing Office, 1982

    [4] Ridha, R. A., Theves, M.: Advanced in Tyre Me-chanics. Rapra Review Reports 77, Volume 7,Number 5, 1994

    [5] Walter H.: Uneven wear of vehicle tyres. TireScience & Technology, Volume 21, Number 4,October-December 1993, S. 202 ff.

    [6] Weber, R.: Transmission behaviour betweenSlippage and Tyre Controlling Forces. 19. FISTA-Congress, Melbourne, Proceedings Volume 1

    [7] Smithers: FSAM, Footprint Stresses and moti-ons, Internation report, 1997

    [8] Seitz, N.: Experimentielle und theoretische Un-tersuchungen der in der Aufstandsflche freirollender Reifen wirkenden Krfte und Bewe-gungen. Dissertation TH Mnchen, 1969

    [9] Tretyakov O. B., Novopolskii V. I.: Distributionof contact stresses over the projections of tread

    patterns, Soviet Rubber Technology, Volume28, 1969, S 40 ff.

    [10] Gerresheim, M.: Experimentieller und theoreti-scher Beitrag zu Fragen des Reifenverhaltens.Dissertation 1992, TU Mnchen

    Bild 6: Prinzipskizze der Messeinrichtung zur Erfassung der Blockbewegung

    Figure 6: Principle sketch of measurement system for the measurement of the block movement

    Bild 7: Prinzipskizze des Zeilenkamerabildes bei der Bewegung des Profilblocks

    Figure 7: Principle sketch of the line scan camera picture during the movement of profile block

    Bild 8: Darstellung der Reibwertverteilung ber den Reifenumfang

    Figure 8: Picture of the friction distribution over the tyre circumference

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