CN104703823B - 具有压电式换能器的轮胎模块以及装备有该模块的轮胎 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量气压的装置，包括用于安装到车辆用充气轮胎内侧的轮胎模块，和用于容纳上述轮胎模块的盖部，以及将因滚动的轮胎引起的换能器的形状变化转换成电能的机电换能器，并具有用于所述电能的存储器。盖部包括凸缘，其从轮胎模块向外延伸，并具有用于安装到轮胎内侧的底侧，所述凸缘具有与轮胎模块的底部接合的向内定向的凸起，为此，对于轮胎模块的底侧，位于凸缘的凸起的区域高于位于轮胎模块的底侧的中央区域。

Description

具有压电式换能器的轮胎模块以及装备有该模块的轮胎

技术领域

本发明涉及一种装置，该装置包括用于安装到车辆用充气轮胎内侧的轮胎模块，以及容纳该轮胎模块的盖部，并且该装置具有权利要求1或2的前序部分所限定的特征。这种装置从DE 10 2008 035 498 A1和DE 10 2010 038 136 A1中可知。

背景技术

在DE 10 2010 038 136 A1中公开的装置包含轮胎模块，该轮胎模块包括用于测量和/或监测轮胎中气压的装置；无线电发送器，用于发送包含与轮胎中气压相关信息的无线电信号；机电换能器，用于将因滚动轮胎而引起的换能器的形状变化转换成电能；以及用于电能的蓄能器。在已知的轮胎模块中，机电换能器包括可弯曲的压电元件，该元件位于作为载体的柔性金属薄盘上。专利文献DE 10 2010 038 136 A1公开一种电容器，作为电能的蓄能器。

该轮胎模块是由铸模材料制成，其中轮胎模块的组成部分整体或部分地被嵌入。轮胎模块插入到盖部中，该盖部由弹性材料制成并具有凸缘，其中凸缘形成盖部的内部空间的边缘，并以远离轮胎模块的方式向外延伸，并且完全包围通向盖部的内部空间的开口。在DE 10 2010 038 136 A1所公开的示例性实施例中，从上往下看时，上述盖部和轮胎模块基本上呈圆形，且盖部的内部空间大致呈圆柱形。包含铸模材料的轮胎模块的外部尺寸与盖部的内部尺寸相互匹配，其中在盖部不安装在轮胎内侧时，优选地，轮胎模块在向下方向上可稍微地伸出盖部，使得盖部能够通过其凸缘被牢固地安装到轮胎的内侧之后，该盖部处于机械预压之下。这使得机电换能器被紧紧连接到轮胎的内侧。

盖部的凸缘和轮胎内侧的连接可通过粘合剂粘结或硫化方法来实现。

在已知的轮胎模块中，机电换能器及其载体直接布置在轮胎的内侧，使得轮胎内侧的变形被传递到机电换能器，机电换能器将发生在其上的形状变化转换成电能，这些电能被存储在轮胎模块中，用于运行测量和发送装置。在轮胎滚动时，每当轮胎模块进入到轮胎的拖曳部(shuffle)并从拖曳部重新出来时，形状的变化被周期性地传递到机电换能器。拖曳部(shuffle)是与路面具有瞬时接触的轮胎的一部分。

试验表明，已知的机电换能器的效率会随着运行时间的增加而降低。这是不利的，因为在蓄能器中可利用的电能会随之降低，同时测量过程和发送过程之间的时间间隔因更高频率的测量和发送过程所需的能量无法获得而变长。这也是不利的，反过来，因为连续的、自动的轮胎压力监测对于车辆的安全是非常重要的，因此能够执行轮胎压力监测越频繁，无线发送的结果越频繁，效果越好。

发明内容

本发明要解决的问题在于，在最初提及那种类型的装置中，防止或至少尽可能地减缓机电换能器的效率的降低。

上述问题通过具有如权利要求1所限定的特征的装置来解决。基于同一发明的另一种解决上述问题的方案由权利要求2所限定。具有根据本发明所述装置的轮胎是权利要求14的主题，其中该装置被紧固到轮胎上。本发明的优选特征是从属权利要求的主题。

根据本发明的装置与上述最接近现有技术的不同之处在于，盖部凸缘具有向内定向的凸起，该向内定向的凸起与轮胎模块底部接合，为了达到此目的，对于轮胎模块的底侧，位于凸缘凸起的区域高于位于轮胎模块的底侧的中心区域。

根据本发明，由于具有非常简单的装置，因此在该装置中，可以减缓甚至防止机电换能器的效率的降低。

机电换能器和轮胎内侧的联结是永久稳定的。在凸缘被连接到轮胎内侧之后，可通过粘结或硫化方法来实现这种连接，轮胎模块紧靠在轮胎内侧。优选地，由于盖部中的主要机械预载荷，该盖部将轮胎模块持久地挤压紧靠在轮胎的内侧。在轮胎模块底侧和轮胎内侧之间稍微延伸的向内定向的凸缘凸起不能阻止这种情况，因为在轮胎模块底侧位于凸缘凸起区域内，产生高于轮胎模块底侧中心区域的区域。在本文中，应该清楚，术语轮胎模块的“顶侧”和“底侧”意图表明：轮胎模块的底侧是指所述轮胎模块开始紧靠轮胎内侧的一侧。顶侧是指轮胎模块远离底侧的一侧，在轮胎模块被固定到轮胎内侧之后，在轮胎胎面所在的区域，朝向轮胎的中心轴定向。轮胎模块的底侧是面向轮胎胎面内侧的一侧。因此，凸缘的底侧是意图连接到轮胎内侧的凸缘的一侧。当上述盖部被连接到轮胎的内侧时，轮胎模块的底侧紧靠在轮胎的内侧，直到凸缘的向内定向的凸起不会在轮胎模块的底侧与轮胎模块的内侧之间之间延伸，基于此目的，位于凸缘凸起区域的轮胎模块的底侧，也就是轮胎模块底侧的边缘区域，比位于轮胎模块底侧的中心区域的底侧区域高。盖部凸缘和轮胎内侧的连接能够通过粘结或硫化方法来实现。

优选地，凸缘凸起的轮廓和轮胎模块底侧的轮廓，在向内定向的凸缘凸起所在的区域彼此匹配，以使得当盖部凸缘和轮胎内侧连接时，盖部的预载荷不仅能够使轮胎模块底侧的中心区域被压靠到轮胎内侧，而且被压靠到凸缘凸起，因为该轮胎模块通过其底侧的边缘区域压靠到凸起。

凸缘并非必须通过粘结或硫化方法而被固定连接到轮胎的内侧。优选地，不仅向外延伸的凸缘被固定连接到轮胎的内侧，而且其向内定向的凸起也采用相同的方式连接到轮胎的内侧。在使用粘合剂时，可以方便地在凸缘及其凸起的底侧预先涂布一层粘合剂。假设通过硫化方法将凸缘连接到轮胎内侧时，可以通过在凸缘和轮胎内侧之间设置扁平薄橡胶圈来实现，上述橡胶圈一侧连接到凸缘及其凸起的底侧，另一侧连接到轮胎的内侧，具体来说，连接到轮胎胎面的内侧。橡胶圈厚度是0.3毫米到1.3毫米，优选地，厚度为0.4毫米到0.6毫米更合适。

更优选地，设置全幅橡胶盘来代替此类扁平橡胶圈，其中该橡胶盘一侧通过硫化方法连接到盖部凸缘的底侧，包括其向内定向的凸起；另一侧连接到轮胎内侧，具体来说，连接到轮胎胎面的内侧。橡胶盘适当的厚度为0.3毫米到1.3毫米，优选地，厚度为0.4毫米到0.6毫米且具有与凸缘相同的直径。与采用橡胶圈相比，采用橡胶盘的优点在于，轮胎模块与轮胎的连接更为简单，并且可避免橡胶浪费。

优选地，轮胎模块底侧的较高边缘(higher-up edge)区域沿着轮胎模块的整个外周延伸。相应地，盖部的凸缘凸起优选地沿着凸缘整个内周延伸，使得盖部和轮胎内侧的连接，在轮胎模块边界上的各个位置都能获得相同的效果。

特别优选地，轮胎模块和用于轮胎模块的盖部，从上往下看时，大致呈圆形形状，且包括大致呈圆柱或圆锥形的轮胎模块和盖部的护套。优选地，轮胎模块和盖部的形状和轮廓相互匹配，使得盖部可以严丝合缝地容纳轮胎模块。

为了确保上述效果，在被紧固到轮胎内侧之后，盖部保持处于机械预载荷下，并且轮胎模块尽可能压靠在轮胎的内侧，盖部应该由能够被拉伸因而产生反弹力且不会产生蠕变或老化或者产生尽可能缓慢蠕变或老化的材料制成。因此，盖部优选地由弹性材料制成。当选择所述材料时，应该小心确保该材料具有合适的交联指数(degree of cross-linking)。如果交联指数过高，则聚合材料呈现出硬质塑料的性能，而不是弹性纤维的性能。如果交联指数过低，则对于本发明的应用目的来说，该弹性纤维过软。适合的弹性纤维是天然橡胶以及由天然橡胶制成的合成橡胶，三元乙丙橡胶和丁基橡胶。

优选地，凸缘凸起以形状匹配的方式与轮胎模块底侧在底部接合。根据本发明，形状匹配连接通过包括轮胎模块和盖部的装置与轮胎内侧的连接而增强。

凸缘凸起和容纳该凸起的轮胎模块底侧的边缘区域，可以具有阶梯状设计。这种几何形状产生特别好的形状匹配连接。然而，凸缘凸起优选地被设计成，使得其高度在从外到内的方向上逐渐变小到最小高度，其中该最小高度应尽可能的小，且技术上可行。同样地，向外延伸的凸缘在其垂直方向上也可以是阶梯状的，但是凸缘也可被设置成这种形状，即在盖部顶侧及底侧之间延伸的壁厚，以可选高度差从顶部到底部不断地增加，使得凸缘的壁厚在从内到外的方向上不断地减小。这种设计的优点在于，能够减小或避免在弹性体盖部内出现力的分布的峰值。

优选地，轮胎模块具有作为重要组成部分的槽(trough)，槽的底部形成轮胎模块的底侧，槽的壁被定形成使得轮胎模块被安装到轮胎的内侧之后，在轮胎的内侧与上述槽之间存在一定空间，该空间容纳凸缘凸起。

上述槽容纳包括铸模材料在内的轮胎模块的其它组件。上述槽具有许多优点：该槽能够同时被用作利用铸模材料铸造轮胎模块的模具，在铸造之后，该轮胎模块具有确切限定的形状；对于上述槽，可以选择不粘附在轮胎内侧的材料；或者，在轮胎模块的盖部是通过橡胶盘被连接到轮胎内侧的情况下(其中橡胶盘是通过硫化方法被连接到二者之间)，可以选择不粘附到橡胶盘上的材料，但是要选择在轮胎的变形过程中能够在轮胎内侧或橡胶盘上滑动的材料。优选地，上述槽由塑料薄片、通过深冲压或温加工方法而成型。上述槽应该具有足够薄的底体，以使其很容易随着轮胎的变形而变形，并且将变形传递给机电换能器，该机电换能器位于上述槽中，优选地直接位于槽的底部上。

优选地，上述机电换能器是由可弯曲的压电元件形成，其被应用到作为载体的薄金属盘上。上述薄金属盘也应该足够薄，以使其很容易与轮胎的变形相匹配，使得通过压电效应产生的电能能够被存储在轮胎模块的蓄能器中，该蓄能器被需要，以用于运行轮胎模块的电子元件，特别是用于测量压力和传送包含压力信息的信号的元件。上述蓄能器可以是电容器。

在权利要求2中所限定的技术方案与权利要求1中所限定的技术方案的不同，仅仅在于当从底侧到顶侧测量时，上述盖部的内部高度不小于，而是等于轮胎模块的高度。同样在该实施例中，能够减缓甚至防止机电换能器的效率降低。

附图说明

在附图中示意性示出本发明的示例性实施例，其中：

图1是示出根据现有技术、被紧固到轮胎内侧的包含有轮胎模块和盖部的装置的纵截面；

图2示出根据本发明的装置、与图1相对应的纵截面；

图3示出图2的放大细节图；

图4示出图2所示装置的变型装置；以及

图5示出根据图4的示例，根据图2的装置的第二种变型装置。

在上述五蝠图中，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

附图标记说明：

1：轮胎模块

2：盖部

3：机电换能器

4：轮胎模块的顶侧

5：轮胎模块的底侧

6：轮胎的内侧

7：轮胎

8：盖部的顶侧

9：护套(jacket)

10：凸缘

11：凸缘的底侧

12：粘合剂层或橡胶圈或橡胶盘

13：中心孔

14：凸起

15：阶梯状凹部

16：槽

17：槽的底部

H：轮胎模块的高度

具体实施方式

图1以放大、示意性的方式示出一种已知的、位于盖部2中的大致圆柱形的轮胎模块1，其中盖部2严丝合缝地容纳轮胎模块1。轮胎模块1具有顶侧4和底侧5，在安装状态下，轮胎模块1紧靠在轮胎7的胎面的内侧6上。盖部2具有靠在轮胎模块1的顶侧4的顶部件8，以及大致呈圆筒形的护套9，护套9包围轮胎模块1并变成向外延伸的凸缘10，凸缘10具有底侧11，底侧11面向轮胎7的胎面的内侧6，并被粘结到轮胎7的内侧6。以放大厚度的方式示出粘合剂层12。

盖部2由弹性材料制成。包含粘合剂层12在内一起测量的盖部2的内部高度，比轮胎模块1的高度H小得多，以使得仅仅在盖部2的内侧高度被弹性拉伸时，盖部2的凸缘10才能够被整体地粘结到轮胎7的内侧6，从而使得盖部2在被固定连接到轮胎7的内侧6之后具有机械预载荷，通过上述机械预载荷将轮胎模块1压靠到轮胎7的内侧6上。

盖部2与轮胎7的固定连接与轮胎模块1的组件被如何具体地设计和布置无关。因此没有详细示出轮胎模块1中的组件的布置情况。用来为轮胎模块1的运行提供电能的机电换能器3，应尽可能地紧靠轮胎7的胎面的内侧6，使得轮胎7的内侧6的变形能有效地被传递到机电换能器3，尤其是在每次经过拖曳部(shuffle)的开始段和结束段，其中上述机电换能器的位置仅在图1中以示意方式示出。铸模材料填充轮胎模块1的其它组件之间的开放空间，其很大程度上决定了轮胎模块1的外轮廓。

盖部2在顶侧4具有中心孔13，该中心孔使轮胎7中处于压力下的空气能够进入到轮胎模块1中的压力传感器，从而能够对轮胎7中的气压进行测量。

如图2所示的本发明的示例性实施例与图1所示的现有技术的不同在于凸缘10具有向内延伸的凸起14，其底侧与向外延伸的凸缘10的底侧11对齐。然而，凸起14大致低于凸缘10。凸起14具有阶梯状的设计，并被安装到轮胎模块1的下边缘区域中的相应阶梯状凹部15中。采用这种方式，从下往上时看，盖部2具有由凸起14所形成的底切(undercut)，从上往下看时，轮胎模块1具有由凹部15形成的相应底切，其中这两个底切彼此以形状匹配方式连接。凸起14和凹部15围绕轮胎模块1的整个外周延伸。

实验表明，根据本发明的包括轮胎模块1和弹性盖部2的装置，在布置在或靠近轮胎模块1的底侧5的机电换能器3的效率的长期稳定性方面，具有比根据图1所示的现有技术更好的表现；其中弹性盖部2容纳轮胎模块1，并且在被紧固到轮胎7的内侧6之后处于机械预载荷之下，并将轮胎模块1和凸缘10的凸起14压靠到轮胎7的内侧6上。升高的凸起14并不会产生长期稳定性的相关改善。通过利用粘结或硫化方法将凸缘10连接到轮胎7的内侧6上，可以将盖部2紧固到轮胎7的内侧6上。在使用硫化方法的情况下，优选地，将由橡胶制成的薄扁环放置在粘合剂层12的位置上。

如图4所示的示例性实施例与图2和图3所示的示例性实施例的不同点在于轮胎模块1具有槽(trough)16，该槽16容纳轮胎模块1的其他所有组件。槽16能够由诸如聚碳酸酯等塑料薄片制成。槽16的底部17非常薄，使得在轮胎模块1被紧固到轮胎7上时(槽16的底部17靠在轮胎7的胎面的内侧6)，其很容易随着轮胎7的胎面的变形而变形，从而使轮胎7的内侧6的变形被传递给机电换能器3，对于上述机电换能器3来说，这是产生电能的先决条件，电能可被存储在轮胎模块1中用以运行。槽16没有被粘结到轮胎7的内侧6。相反地，当轮胎变形时，槽16的底部17能够在轮胎7的内侧6上滑动，为达到此目的，优选地，为槽16选择相对于特定轮胎7的内侧6，具有尽可能低的静摩擦系数和滑动摩擦系数的材料。这种槽16还能够被使用在根据本发明的其他实施例中的轮胎模块中，特别是可使用在根据图2和图3所示的示例性实施例中。

图4的示例性实施例与图2的示例性实施例二者的不同点还在于凸缘10的凸起14没有设置明显的阶梯形状，而是具有朝向其内端逐渐减小的厚度。这有助于防止在弹性盖部2的力的分布中出现明显的峰值。

图5所示的示例性实施例适用于盖部2的内部高度小于轮胎模块1的高度的情况，也适用于盖部2的内部高度等于轮胎模块1的高度的情况。图5与图4所示的示例性实施例的不同之处在于，设置全幅(all-over)橡胶盘12，来代替将凸缘10连接到轮胎7的内侧6的环形粘合剂层12，或者来代替硫化的扁平橡胶圈12，橡胶盘12一侧通过硫化方法连接到轮胎7的内侧6，另一侧连接到盖部2的凸缘10。优选地，橡胶盘12的厚度为0.4毫米到0.6毫米，且与凸缘10具有相同的直径。为了硫化，利用加压和加热方法从上方作用凸缘10。通过硫化，橡胶盘12与凸缘10和轮胎7的内侧6相结合。橡胶盘12与轮胎7的内侧6的交联，不仅沿着凸缘10底部的环形区域延伸，而且在橡胶盘12的中央区域延伸。然而，橡胶盘12不与槽16的底部17结合，因此当轮胎7变形时，底部17可以在橡胶盘12上滑动。为了实现上述情况，优选地，用于槽16的材料应具有相对于橡胶盘12尽可能低的静摩擦系数和滑动摩擦系数。使用橡胶盘12代替橡胶圈，可简化轮胎模块1安装到轮胎7的过程，并且防止浪费。

橡胶盘12还可被使用在图2所示实施例的变型中，其中可以省略槽16。

Claims (21)

1.一种用于测量气压的装置，包括用于安装到车辆的充气轮胎(7)的内侧(6)的轮胎模块(1)以及容纳所述轮胎模块(1)的盖部(2)，其中所述轮胎模块(1)具有：

顶侧(4)和底侧(5)，

用于测量和/或监测所述轮胎(7)中的气压的装置，

无线电发送器，用于发送包含关于所述轮胎(7)中气压的信息的无线电信号，

机电换能器(3)，其将由滚动轮胎(7)引起的所述机电换能器(3)的形状变化转换成电能，以及

用于电能的蓄能器，

其中所述盖部(2)包括：

凸缘(10)，其从所述轮胎模块(1)向外延伸，并具有用于安装到所述轮胎(7)的内侧(6)的底侧(11)，所述凸缘(10)形成所述盖部(2)的内部空间的边缘，并且所述盖部(2)的内部高度小于从所述轮胎模块(1)的所述底侧(5)到所述顶侧(4)测量的所述轮胎模块(1)的高度(H)，使得所述轮胎模块(1)超出所述盖部(2)的凸缘(10)的底侧(11)，

其特征在于，所述凸缘(10)具有与所述轮胎模块(1)的底部接合的向内定向的凸起(14)，为此，对于所述轮胎模块(1)的底侧(5)，位于所述凸缘(10)的凸起(14)的区域高于位于所述轮胎模块(1)的底侧(5)的中央区域。

2.一种用于测量气压的装置，包括用于安装到车辆的充气轮胎(7)的内侧(6)的轮胎模块(1)以及容纳所述轮胎模块(1)的盖部(2)，其中所述轮胎模块(1)具有：

顶侧(4)和底侧(5)，

用于测量和/或监测所述轮胎(7)中的气压的装置，

无线电发送器，用于发送包含关于所述轮胎(7)中气压的信息的无线电信号，

机电换能器(3)，其将由滚动轮胎(7)引起的所述机电换能器(3)的形状变化转换成电能，以及

用于电能的蓄能器，

其中所述盖部(2)包括：

凸缘(10)，其从所述轮胎模块(1)向外延伸，并具有用于安装到所述轮胎(7)的内侧(6)的底侧(11)，所述凸缘(10)形成所述盖部(2)的内部空间的边缘，并且所述盖部(2)的内部高度等于从所述轮胎模块(1)的所述底侧(5)到所述顶侧(4)测量的所述轮胎模块(1)的高度(H)，

其特征在于，所述凸缘(10)具有与所述轮胎模块(1)的底部接合的向内定向的凸起(14)，为此，对于所述轮胎模块(1)的底侧(5)，位于所述凸缘(10)的凸起(14)的区域高于位于所述轮胎模块(1)的底侧(5)的中央区域。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述凸起(14)和所述轮胎模块(1)的底侧(5)的较高区域，分别围绕所述凸缘(10)的整个内周或者所述轮胎模块(1)的整个外周延伸。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述凸起(14)以形状适配的方式与所述轮胎模块(1)的底部接合。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述凸起(14)和所述轮胎模块(1)上用于容纳所述凸起(14)的区域具有阶梯状设计。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述凸起(14)在从外侧朝向内侧的方向上连续地逐渐减小，直到最小高度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述凸起(14)连续地逐渐减小到最小为零的高度。

8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述盖部(2)由弹性材料制成。

9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述轮胎模块(1)包括槽(16)，作为组成部分，其容纳包括铸模材料在内的所述轮胎模块(1)的其余组件。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述槽(16)由塑料薄片制成。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述槽(16)具有较薄的底部(17)，使得在所述轮胎滚动时，所述机电换能器经过所述轮胎(7)的拖曳部时，所述槽(16)随着所述轮胎(7)的变形而变形，并能够将所述变形传递给所述机电换能器(3)。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述槽(16)通过深冲压薄片而形成。

13.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述机电换能器(3)包括可弯曲的压电元件。

14.一种用于车辆的充气轮胎，如权利要求1或2所述的装置被固定到所述充气轮胎的内侧(6)，其中所述盖部(2)的所述凸缘(10)通过粘结或硫化方法被直接或间接连接到所述轮胎(7)的内侧(6)。

15.如权利要求14所述的充气轮胎，其特征在于所述盖部(2)的所述凸缘(10)被固定到所述轮胎(7)的胎面的内侧(6)上。

16.如权利要求14所述的充气轮胎，其特征在于橡胶盘(12)位于所述盖部(2)和所述轮胎(7)的内侧(6)之间，所述橡胶盘(12)的一侧通过硫化方法连接到所述凸缘(10)，其另一侧连接到所述轮胎(7)的内侧(6)。

17.如权利要求16所述的充气轮胎，其特征在于所述橡胶盘(12)的直径与所述凸缘(10)的外径相同。

18.如权利要求16所述的充气轮胎，其特征在于所述橡胶盘(12)的厚度为0.3毫米到1.3毫米。

19.如权利要求16所述的充气轮胎，其特征在于所述橡胶盘(12)的厚度为0.4毫米到0.6毫米。

20.如权利要求14所述的充气轮胎，其特征在于所述凸缘(10)的向内定向的凸起(14)也通过粘结或硫化方法直接或间接地连接到所述轮胎(7)的内侧(6)。

21.如权利要求14所述的充气轮胎，其特征在于所述轮胎模块(1)压靠在所述凸缘(10)的凸起(14)上。