Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gewichtsabhängigen Regelung des Innendrucks eines durch eine Gewichts- oder Traglast belasteten Tragkörpers, wobei der Innendruck durch einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter erzeugt wird. Ebenfalls betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Regelung des Innendrucks von Kraftfahrzeugreifen sowie eine Verwendung des

Verfahrens.

Ein allgegenwärtiger durch eine Gewichts- oder Traglast belasteter Tragkörper ist beispielsweise ein Luftreifen für Kraftfahrzeuge. Zum sicheren Betrieb solcher

Kraftfahrzeugreifen ist es unbedingt erforderlich, dass der Luftdruck im Reifen innerhalb relativ enger vorgegebener Grenzen gehalten werden muss, damit Reifenverschleiß und Temperaturbelastung vermindert werden und der Reifen seinen Anforderungen z.B. im Hinblick auf Tragfähigkeit, Rollwiderstand und Seitenführung genügt.

Das Einstellen eines korrekten Luftdrucks ist insbesondere dann wichtig, wenn nach einer Reifenpanne und nach einer außerhalb einer Werkstatt erfolgenden Reparatur der Reifen wieder befüllt werden soll, also etwa bei Reifenpannen, bei denen der Reifen oft nur temporär wieder in einen gebrauchsfähigen Zustand versetzt werden soll.

Heutzutage ist es nämlich bei vielen PKW nicht mehr üblich, einen mit dem Solldruck gefüllten und auf einer Felge montierten Reservereifen mitzuführen, der dann anstelle des Rades mit dem defekten Reifen montiert wird. Mehr und mehr Fahrzeuge führen ein

Pannenset mit sich, welches wesentlich weniger Stauraum als ein Reservereifen benötigt und auch weniger wiegt. Ein solches Pannenset beinhaltet üblicherweise einen

Kompressor, ein im Reifen koagulierendes Dichtmittel, meistens ein Latexmilch-Gemisch, die entsprechenden Verbindungsschläuche und die notwendigen Kabelanschlüsse zur Energiezufuhr sowie Schalter, Manometer und weitere Bedienelemente. Es stellt somit einen ständig einsetzbaren und vollständigen Reparatursatz bereit, mit dem auf das Mitführen eines auf eine Felge aufgezogenen Reserverades oder auf die ständige Kontrolle anderer Reparaturmaterialien wie Schläuche, verschiedene Werkzeugschlüssel,

Wagenheber etc. verzichtet werden kann.

Neben der primären Reparaturf nktion kann der Luftkompressor eines solchen Pannensets auch zur Luftdruckkontrolle und zur Veränderung des Reifendrucks verwendet werden. Diese Zusatzfunktion wird in nicht wenigen Fällen sogar häufiger genutzt als die eigentliche Reifenreparaturf nktion.

Das Einstellen des Reifendrucks erfolgt dabei ausschließlich manuell unter Zuhilfenahme des am Kompressor üblicherweise befindlichen Manometers. Der Benutzer muss die entsprechenden Nenndrücke gemäß der Bereifung und Beladung aus dem

Fahrzeughandbuch entnehmen und selbsttätig das Aufpumpen so durchführen, dass der Solldruck erreicht wird. Üblicherweise ist dem Benutzer dabei die Zuladung des

Fahrzeuges, d.h. die Gewichts- oder Traglast, die den Reifen als Tragkörpers belastet, nur näherungsweise oder gar nicht bekannt. So wird vom Benutzer bei der Einstellung des Reifendrucks oft gerade bei hoher Zuladung ein nicht optimaler Reifendruck eingestellt.

Ein vergleichbares Problem kann sich natürlich auch bei anderen Tragkörpern ergeben, wobei nicht ausschließlich Reparaturvorgänge zu betrachten sind. Beispielsweise können bei Fahrzeugen mit Luftfederungen, bei denen nach hoher Beladung durch eine individuell vom Fahrer betätigbare Niveauregulierung die für ein sicheres Fahren erforderliche Höhenlage bzw, Straßenlage wieder eingestellt werden soll, solche Situationen auch auftreten. Die DE 10 2015 214 006 AI offenbart ein Verfahren zur Messung des Druckes, der durch einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter erzeugt wird, bei dem die von der Veränderung des Druckes am Verdichterausgang abhängige Veränderung des mittleren Motorstroms des den Verdichter antreibenden Elektromotors ermittelt und als

druckproportionale Größe für den Betrieb des Verdichters einer Steuerungseinrichtung in Form einer Eingangsgröße bereitgestellt wird oder angezeigt wird. Ein solches Verfahren erlaubt zwar die Ermittlung eines Druck ohne zusätzliche Sensoren oder ohne ein zusätzliches Manometer, ist aber nachteiligerweise nicht in der Lage, den erforderlichen Druck abhängig von der Beladung/Belastung festzustellen.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, ein Verfahren zur Regelung des Innendrucks eines durch eine Gewichts- oder Traglast belasteten Tragkörpers bereitzustellen, das die geschilderten Nachteile nicht aufweist und sowohl für gelegentliche Nutzer als auch für automatische Verfahren eine Regelung bereitstellt, die in sicherer Weise auf die tatsächlich vorhandene Belastung eines Tragkörpers reagieren kann und eine entsprechende

Innendruckeinstellung erlaubt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Dabei wird die vorhandene Gewichts- oder Traglast, die in Form einer Masse mLoad unter Erdbeschleunigung g auf einen Tragkörper wirkt, dadurch ermittelt, dass eine Erniedrigung und eine darauffolgende Erhöhung des Innendrucks erfolgt. Durch die Erhöhung des Innendrucks verändert sich die Lage eines Angriffspunktes der Gewichts- oder Traglast um eine Lagedifferenz ΔΖ.

Dabei werden folgende weitere Verfahrensschritte durchgeführt:

- während der Erhöhung des Innendrucks durch den Verdichter wird bei konstanter Motorspannung U der Motorstrom iLoad des Antriebsmotors des Verdichters gemessen und über die Zeit der Druckerhöhung integriert, wobei die zur Lageänderung erforderliche elektrische Arbeit WLoad als Produkt von

Motorspannung und integriertem Motorstrom ermittelt wird,

- die elektrische Arbeit WLoad wird mit einem Kennwert der elektrischen Arbeit Wo aus einem Kennfeld verglichen, in welchem abhängig von einer in Form einer Normmasse mo unter Erdbeschleunigung g wirkenden Normlast und weiteren Parametern des Tragkörpers die Werte für die elektrische Arbeit zum Erreichen einer Norm- oder Standardlage des Angriffspunktes bei Normlast gespeichert sind,

- aus der Differenz AW zwischen WLoad und Wo werden die Lageänderung ΔΖ, die Massendifferenz Am und die Traglastdifferenz AFz bestimmt über die

Beziehungen

AW = AF _Z ^■ AZ

sowie

m-wAD - m ₀ = Am

und

AF _Z = g ^■ Am und daraus wiederum die nach der Druckerhöhung vorhandene Gewichts- oder Traglast bestimmt wird aus der Masse unter Berücksichtigung der Erdbeschleunigung g, wonach abhängig von der so ermittelten Gewichts- oder Traglast der Verdichter bei Erreichen eines für die ermittelte Gewichts- oder Traglast anhand der Parameter des Tragkörpers vorgegebenen Innendrucks abgeschaltet wird.

Durch das erfindungsgemäße kontrollierte Erniedrigen und Widererhöhen des Tragkörper- Innendrucks und der Ermittlung der zugehörigen Ladearbeit anhand der Integration des Motorstroms kann in Verbindung mit den übrigen Verfahrensschritten automatisch die Gewichts- oder Traglast bestimmt werden. Mit bekannter Traglast kann dann anhand von vorgegebenen Kennwerten/Kennlinien automatisch der optimale Innendruck eingestellt werden.

Im Hinblick auf die Anwendung des Verfahrens beispielsweise bei Tragkörpern in Form von Kraftfahrzeugreifen kann eine auf die tatsächlich vorhandene Radlast angepasste Befüllung eines solchen Reifens dann automatisiert und ohne ständige Kontrolle des Nutzers anhand eines Manometers oder anhand von Tabellen erfolgen.

Am Beispiel der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem

Kraftfahrzeugreifen lässt sich auch die verfahrensgemäße Funktionsweise sehr leicht erklären. Zur Erhöhung des Reifendrucks muss nämlich ein dazu vorgesehener elektrisch angetriebener Luftkompressor eine gewisse elektrische Arbeit leisten. Diese Arbeit ist hauptsächlich abhängig von der geförderten Luftmenge, dem Gegendruck im Reifen und der Kompressionseffizienz des Luftkompressors.

Es besteht jedoch eine messbare Abhängigkeit von der Beladung des Reifens, d.h. von der Radlast, da bei einer Druckerhöhung der Radschwerpunkt vertikal angehoben wird.

Mithilfe einer vorab bestimmten Referenzkennlinie des unbelasteten (oder normbelasteten) Reifens kann die geleistete Mehrarbeit aufgrund der Schwerpunktsbewegung bestimmt und somit die Radlast berechnet werden.

Eine solche zur Druckregelung erforderliche Lastmessung ist natürlich für jede Art von druckgesteuerten Aktuatoren anwendbar. Genauso wie bei dem Prozess der

Reifendruckkontrolle und Reifendruckanpassung, stellt das Verfahren für den Endbenutzer eine erhebliche Vereinfachung dar und verbessert die Genauigkeit des eingestellten Innendrucks/Reifendrucks erheblich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der elektromotorisch angetriebene Verdichter über eine elektronische Motorkontrolleinheit (MCU = Motor Control Unit) gesteuert wird, die Motorspannung und Motorstrom erfasst und so verarbeitet, dass das Produkt von Motorspannung und intergriertem Motorstrom ermittelt und mit in einem elektronischen Speicher der Motorkontrolleinheit abgelegten Werten eines Kennfelds verglichen wird, wobei abhängig von ebenfalls durch die Motorkontrolleinheit ermittelten Gewichts- oder Traglast und nach Vergleich mit in einem weiteren elektronischen Speicher der Motorkontrolleinheit abgelegten Werten eines Kennfelds für den zur jeweiligen Gewichts- oder Traglast vorgegebenen Innendruck eine elektronische

Motortreibereinrichtung (MD = Motor Driver) für den Antriebsmotors des Verdichters angesteuert wird. Damit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach innerhalb von Steuerungsbauteilen integrieren und mit einer kompakten Kombination aus Hard- und Software unterstützen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der elektromotorisch angetriebene Verdichter mit einem den Innendruck des Tragkörpers detektierenden Drucksensor versehen ist, der ein dem Innendruck proportionales Signal an die elektronische

Motorkontrolleinheit (MCU) und/oder an die elektronische Motortreibereinrichtung (MD) übermittelt. Ein solcher Drucksensor führt dann zu einer inhärenten Kontrolle bzw. zu einer Rückkopplung und Regelung in dem gesamten Verfahren.

Eine entsprechende drucksensitive Auswertung der Motorkenngrößen kann natürlich auch dadurch geschehen, dass der Druck auf eine Weise ermittelt wird, wie sie in der DE 10 2015 214 006 AI offenbart ist, nämlich dadurch, dass die von der Veränderung des Druckes am Verdichterausgang abhängige Veränderung des mittleren Motorstroms des den Verdichter antreibenden Elektromotors ermittelt und als druckproportionale Größe für den Betrieb des Verdichters einer Steuerungseinrichtung in Form einer Eingangsgröße bereitgestellt wird. Da der Motorstrom bzw. die Integration des Motorstroms für das erfindungsgemäße Verfahren allemal erforderlich ist, stellt eine solche Nutzung eine besonders einfache Möglichkeit der Realisierung dar. Diesbezüglich wird auf die DE 10 2015 214 006 AI vollinhaltlich Bezug genommen. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mindestens die ermittelte

Gewichts- oder Traglast und der ermittelte Innendruck im Tragkörper als Signale an weitere Steuerungs- oder Kontrolleinrichtungen umgebender Systeme übermittelt werden. Im Falle einer Anwendung des Verfahrens für Kraftfahrzeugreifen ist es diesbezüglich hilfreich, die ermittelten Größen an die zentrale Motorsteuerung weiterzugeben, die dann eventuell Hinweise an den Fahrer über z.B. Displays oder Signaleinrichtungen erzeugt, beispielsweise im Rahmen der Funktionen eines Reifendruckkontrollsystems.

In besonderer Weise vorteilhaft lässt sich das Verfahren in eine Vorrichtung realisieren, die als Pannenset zum Aufpumpen von Kraftfahrzeugreifen ausgebildet ist. Dabei weist die Vorrichtung einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter auf, vorzugsweise einen elektromotorisch über ein Schubkurbelgetriebe angetriebenen Hubkolbenverdichter zur Befüllung des Kraftfahrzeugreifens, wobei die Erniedrigung des Innendrucks durch den Pannenzustand ja bereits vorgegeben ist und eine Erhöhung des Innendrucks durch die Befüllung des Kraftfahrzeugreifens erfolgt, bei der sich die Lage der Radachse als

Angriffspunktes der Radlast sich um eine Höhe ΔΖ verändert. Der der elektromotorisch angetriebene Verdichter wird dann über eine elektronische Motorkontrolleinheit (MCU) und einen elektronische Motortreibereinrichtung (MD), kurz Motortreiber genannt, gesteuert und während des Befüllungs Vorgangs abhängig von der ermittelten Gewichtsoder Traglast bei Erreichen eines für die ermittelte Gewichts- oder Traglast vorgegebenen Innendrucks des Kraftfahrzeugreifens abgeschaltet.

Bei einer solchen Vorrichtung vereinfacht sich für den Nutzer die Handhabung bei der Reifendruckkontrolle und besonders bei der Reifendruckanpassung auf die tatsächliche Belastung in hohem Maße. Außerdem wird die Genauigkeit des eingestellten Reifendrucks verbessert. Insgesamt führt eine solcher Art gesteigerte Bedienungsfreundlichkeit der Vorrichtungen zu einer höheren Akzeptanz.

Dies ist in ausgeprägtem Maße auch der Fall, wenn die Vorrichtung als Pannenset zum Abdichten und Aufpumpen von Kraftfahrzeugreifen ausgebildet ist, bei der eine einen Anschluss für einen Behälter mit Dichtmittel aufweisende Ventil- und Verteilereinheit für Dichtmittel und Druckgas vorgesehen ist, bei der weiterhin Verbindungsmittel wie etwa Schläuche zwischen Ventil- und Verteilereinheit und aufblasbarem Gegenstand, sowie ggf. Verbindungsmittel zur Energiezufuhr, Schalt-, und/oder Steuer- und Anzeigeeinrichtungen für den Betrieb der Vorrichtung vorhanden sind. Damit werden eine Abdichtung und ein Befüllen des Reifens quasi in einem Arbeitsgang erreicht. Gerade in solchen„Notfällen", in denen z.B. auf der Straße und neben dem fließenden Verkehr ein schnelles Arbeiten vordringlich ist, geraten ein langwieriges Einstellen des Luftdrucks und das Anpassen auf Beladungssituationen oft in Vergessenheit.

Natürlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahrens auch in vielen anderen Fällen und Einsatzgebieten vorteilhaft verwenden, beispielsweise zur Regelung des Innendrucks in einem als Luftfederbalg einer Fahrzeugluftfederung ausgebildeten Tragkörper. Wie oben bereits dargestellt können solche Regelungen sowohl manuell als auch automatisch vorgenommen werden. In beiden Fällen ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, da auf weitere Sensorik und Messeinrichtungen verzichtet werden kann. Anhand eines Ausführungsbeispiels, nämlich anhand eines Pannensets für

Kraftfahrzeugreifen, soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 prinzipiell den Aufbau einer Luftkompressoreinheit für eine als

Pannenset ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 schematisch den Befüllprozess eines Fahrzeugreifens. Die Fig. 1 zeigt prinzipiell den Aufbau einer Luftkompressoreinheit 1 für eine als

Pannenset ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, also ein„elektronisch" unterstütztes Pannenset. Eine Kontrolleinheit 2 (MCU) steuert über einen Motortreiber 3 (MD) den angeschlossenen Luftkompressor 4 je nach Anforderung des Benutzers über die Benutzerschnittstelle 5 (UI). Als Luftkompressoreinheit ist hier also die Baugruppe des Pannensets bezeichnet, die die Kontrolleinheit, den Motortreiber, den Luftkompressor als solchen mit Kolbenverdichter, Motor und Getriebe und die Benutzerschnittstelle umfasst.

Im Betrieb erfasst die Kontrolleinheit (MCU) alle relevanten Systemparameter wie Temperatur, Motorspannung, Motorstrom oder Gegendruck. Hierbei kann die

Druckmessung über einen elektrischen Drucksensor oder auch über die Auswertung der Daten des mittleren Motorstroms erfolgen, wie oben dargestellt.

In Fig. 2 ist schematisch der Befüllprozess eines Fahrzeugreifens 6 mit Luft dargestellt. Von Zustand A (Luftmangel bzw. zu niedriger Innendruck) nach Zustand B

(vorgeschriebener Luftfdruck) wird der Luftdruck im Reifen 6 durch den Luftkompressor 4 vom Druck PSTART auf den Druck PEND erhöht. Hierbei wird der Schwerpunkt des Reifens um die Höhendifferenz ΔΖ angehoben. Hierbei verrichtet der Luftkompressor 4 bei Motorspannung U und momentanen Strom ILOAD die elektrische Arbeit WLOAD. tl (P=PEND)

WLOAD = U - j I _L0AD (t)dt

to ( ^{p =p} START)

Hierbei setzt sich die verrichtete Arbeit aus dem Teil Wo der Druckerhöhung des mit der Masse mo normbelasteten Reifens und dem Teil AW der Schwerpunktsbewegung des mit der Masse

™- _L0AD = m ₀ + Am mehrbelasteten Reifens zusammen.

WLOAD = W ₀ + AW

Der Anteil Wo ist in einer Kalibrationsmessung für die entspreche Systemkonfiguration (Fahrzeugtyp, Reifengröße, Reifenposition, Betriebsspannung, Betriebstemperatur, Start- und Enddruck) vorab bestimmt worden und als Wertetabelle oder Kennlinienfeld in der Kontrolleinheit (MCU) gespeichert. Durch Messung und Integration des momentanen Motorstroms ILOAD kann die Arbeit WLOAD in der Kontrolleinheit (MCU) gemessen und damit der Anteil der Schwerpunktsbewegung berechnet werden.

Mit der Beziehung AW = AF _Z ^■ AI kann aus diesem Wert die zusätzlich zum normbelasteten Fall wirkende Gewichtskraft AF _Z = g ^■ Am und somit auch die Radlast IHLOAD berechnet werden. m LOAD koAD (t)dt - W ₀ + m _n

Zur Abschätzung der Messgenauigkeit wird hier letztlich noch der mittlere Motorstrom ho AD sowie f ₀ betrachtet.

U _ _ U - AI - At

Am = —— [hoAD ^■ At - / ₀ ^■ At] =

g ^■ AZ g ^■ AZ

Mit AI = I _L0AD - l ₀ ergibt sich

_ q ^■ Am - AZ Am U ^■ At

AI = ^— «->

U - At AI g - AZ

Für die typischen Paramter U=12V, At=300s und AZ=5cm ergibt sich ein

Genauigkeitsfaktor von 7,3kg/mA. Bei einer Messgenauigkeit der Motorstrommessung von 5mA kann also eine Radlastbestimmung mit einer Genauigkeit von ca. 40kg erreicht werden. Dies ist für eine Einstellung des optimalen Reifendrucks völlig ausreichend. Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Luftkompressoreinheit 2 Kontrolleinheit (MCU)

3 Motortreiber (MD)

4 Luftkompressor

5 Benutzerschnittstelle (UI)

6 Fahrzeugreifen