Sensoren in Staplerreifen sollen Unfälle verhindern

Schwere Fracht und heiße Reifen: Gabelstapler müssen einiges aushalten. (Foto: STILL GmbH)

ITA | Gabelstapler tragen etliche Tonnen Gewicht und sind ständig in Bewegung – ihre Reifen erhitzen sich dadurch stark. Bei zu hohen Temperaturen verlieren sie ihre Tragfähigkeit. Drahtlose Sensoren im Reifeninneren sollen künftig vor Überhitzung warnen und so Unfälle verhindern.

Flurförderzeuge (FFZ) wie zum Beispiel Gabelstapler sind für den Materialtransport in einem Unternehmen unentbehrlich. Fällt ein Fahrzeug aus, können erhebliche Störungen im Produktionsprozess und Materialfluss eintreten. Besonders kritisch sind dabei die Reifen: Durch Überlastung oder zu schnelles Fahren können sie sich übermäßig erwärmen und bei zu großer Hitze regelrecht schmelzen.

Um solche Ausfälle zu verhindern, wollen Wissenschaftler des Instituts für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) Sensoren ins Reifeninnere integrieren. Sie sollen kontinuierlich Temperatur und Belastung messen und drahtlos nach außen übermitteln. So lassen sich drohende Schäden vorhersagen, der Fahrer des Gabelstaplers wird rechtzeitig gewarnt und kann eingreifen.

Hitze zerstört Gummi: Ab 145°C wird es kritisch

Anders als beim Auto sind die Reifen von Flurförderzeugen üblicherweise nicht mit Luft gefüllt, sondern bestehen aus drei unterschiedlichen Gummimischungen, die übereinander geschichtet sind. In diesen sogenannten Super-Elastik-Reifen (SE-Reifen) hat jede Gummischicht andere Eigenschaften und eine spezifische Aufgabe: Den festen Halt auf der Felge gewährleistet die besonders harte Bodenschicht, die zu diesem Zweck mit Stahleinlagen verstärkt sein kann. Die Zwischen- oder auch Komfortschicht ist elastischer und dämpft Stöße und Vibrationen ab. Für guten Halt auf der Fahrbahn sorgt die besonders dicke Laufschicht. Sie ist schnitt- und abriebfest und wird während der Lebensdauer der Reifen fast vollständig abgefahren.

Einen platten Reifen wie beim Auto können Gabelstapler zwar nicht bekommen – aber die Reifen können überhitzen. Die Bewegungsenergie beim Fahren wird in der mittleren Zwischenschicht zum größten Teil in Wärme umgesetzt, so dass sich der Reifen von innen heraus aufheizt. Ab einer Temperatur von etwa 145°C wird der chemische Zusammenhalt der Gummimoleküle im Reifenmaterial dauerhaft geschädigt, sodass die Tragfähigkeit des Reifens nicht mehr gegeben ist. Steigen die Temperaturen weiter an oder sind sie dauerhaft zu hoch, kann sich das Material regelrecht verflüssigen – und der Reifen zerplatzt.

Forscher integrieren Sensoren direkt ins Reifeninnere

Die Temperatur auf der Außenseite des Reifens zu messen nützt allerdings wenig: Das Reifenmaterial leitet die Wärme schlecht, deshalb kann die Temperatur im Reifeninneren deutlich von der auf der Reifenaußenseite abweichen. Die Forscher am ITA wollen deshalb RFID-Systeme mit angeschlossenen Sensoren ins Innere der SE-Reifen integrieren: Sie sollen die Temperatur und Belastung drahtlos nach außen übermitteln.

Um die Temperatur im Reifeninneren korrekt erfassen zu können, muss der Sensor in die Zwischenschicht der Reifen integriert werden. Dort befindet sich der Ort mit der höchsten Temperatur, der sogenannte Hot-Spot. Die Transponder und Sensoren müssen daher hohen Belastungen widerstehen – sowohl während der Reifenherstellung als auch während der Fahrt – und entsprechend geschützt sein. Allerdings dürfen sie den Reifen auch nicht negativ beeinflussen.

Die Wissenschaftler haben daher unterschiedliche Transponderbauformen und Schutzmaßnahmen untersucht und das Reifenverhalten mit und ohne Transponder simuliert. Als besonders geeignet für eine Integration erwiesen sich mehrlagig aufgebaute Transponder auf Basis einer FR4-Platine und Transponder mit einer auf Glasfasergewebe aufgenähten Fernfeldantenne. Komplexe Kapselungen aus Kunststoff sind dagegen ungeeignet: Sie stellen eine zu große Störstelle im Reifen dar und können dessen Haltbarkeit verschlechtern.

Bei Überhitzung oder Umkippen wird der Fahrer gewarnt

Die Sensoren messen nicht nur die Temperatur, sondern auch die Reifenbelastung – denn nicht nur überhitzte Reifen können zu Unfällen führen, bei Überladung können Flurförderzeuge auch umkippen. Ein beginnender Kippvorgang ist dabei durch eine Belastungsänderung bis hin zur vollständigen Entlastung der Fahrzeugreifen gekennzeichnet. Das führt – ebenso wie ein geplatzter Reifen – zu besonders kritischen Ausfällen mit hohen Stillstandszeiten.

Vermeiden lassen sich solche Unfälle künftig mit Hilfe der in den Reifen integrierten drahtlosen Sensoren und eines RFID-Readers, der am Flurförderzeug verbaut ist. Wird die zulässige Reifentemperatur überschritten oder registrieren die Sensoren einen beginnenden Kippvorgang, warnen sie den Fahrer – und er kann Gegenmaßnamen einleiten.

von Steffen Kleinert

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Schwere Fracht und heiße Reifen: Gabelstapler müssen einiges aushalten. (Foto: STILL GmbH)
  • Querschnitt eines SE-Reifens mit Transponder und Antenne auf Glasfasergewebe. (Quelle: ITA)
  • Transponder mit unterschiedlichen Schutzmechanismen für den Einbau in den Reifen. (Quelle: ITA)
  • Der integrierte RFID-Sensor überträgt die Messdaten an den Reader am Fahrzeug. (Quelle: ITA)
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