CN104822547A - 用于充气轮胎的球形监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监控充气轮胎内部的状况的监控装置和系统。所述监控装置包括传感器单元、壳体以及密封材料。所述监控装置设计成在轮胎内侧上滚动或浮在轮胎内部的液体上。

Description

用于充气轮胎的球形监控装置

技术领域

本发明总体上涉及充气轮胎，并且特别涉及一种耐用封装，用于监控上述轮胎状况的无线传感器。

背景技术

当充气轮胎被安装并在车辆上使用时，人们通常希望监控气压轮胎内部的状况。例如，要监控的实例包括压力和温度。在不卸掉轮胎的情况下检查获知轮胎内部的情况时出现困难。此外，当轮胎正在旋转时，很难将测量装置应用于轮胎的阀杆。因此，已经开发出各种系统，以在轮胎上或在轮胎内提供无线传感器。

大型的非公路用车(例如矿石拖运卡车和轮式装载机)为提供合适的无线监控解决方案提出了额外的动机。此类车辆的轮胎更换成本通常是好几万美元，而早期发现轮胎的损坏对防止永久性损伤来说是必要的。此外，这些车辆在土路上行驶，在所述土路上损坏轮胎的岩石和其它碎石是常见的。

自动驾驶车辆对提供合适的无线监控解决方案提出了进一步的动机。此类特征的实例是用于采矿应用的自拖运卡车。本质上，不存在可在操作期间检测轮胎的问题的操作者。因此需要一种轮胎监控系统用来在轮胎缺气或损坏之后阻止车辆运行。

安装合适的监控装置到轮胎上或轮胎内公认是具有挑战的。在轮胎或轮辋的外部安装的监控装置受到碎石的撞击而受损。在轮胎或轮辋的内部安装的监控装置受到不同的环境挑战。这些环境挑战包括高压、高含氧量以及暴露于设计为增加轮胎性能的液体。此外，在轮胎内附接监控装置的方法存在挑战。一种解决方案是通过将监控装置连接到缠绕在轮辋周围的带状物来将监控装置附接到轮辋上。然而，一些车辆的轮辋不具有轮辋的凹进部分以建立用于带状物连接解决方案的空腔。因而，当轮胎安装在轮辋上时，监控装置会被轮胎缘从轮辋上撞下来。另一种解决方案是将监控装置附接到轮胎的内部。然而，众所周知，当轮胎接触到地面并支撑车辆时会挠曲。因此，轮胎的挠曲使得附接变得很困难。

Koch等人所有的US 6,082,192于2000年7月4日公开了一种解决方案。Koch等人公开了一种球形监控组件，所述球形监控组件插入轮胎和轮辋之间形成的气室内。所述组件的曲率足以使组件能够在轮胎内侧上滚动。然而，专利US 6,082,192并未提出将组件外部的温度变化传达给传感器。此外，专利US 6,082,192中所使用的传递胶不够坚固以承受预期的应用中可以预见的冲击、振动以及高g载荷。另外，呼吸管的使用限制了将环境条件传达给传感器并不便于附接至所述感测器。

Koch等人所有的US 6,543,277于2003年4月8日公开了一种球形监控组件，所述球形监控组件的比重小于1，从而其可浮在轮胎内所含液体上。专利US 6,543,277还公开了一种适于使传感器以预定配置定位的外部重块，即以便传感器入口暴露于空气中，而非暴露于液体。然而，出于至少两个原因，所述外部重块存在问题。首先，能够实现预定配置的外部质量块在漂浮时并不太适合于允许监控组件在不存在液体的情况下于轮胎内侧上滚动。由此引起的平衡不良将给监控组件带来不当冲击和振动，如同失衡的轮胎疾驰在道路上一般。其次，每当外部质量块接触到轮胎的内侧，外部重块将会导致监控组件跳离轮胎内侧。

发明内容

在本发明的一方面，公开了一种在充气轮胎内使用的监控装置。所述监控装置包括传感器单元、包围所述传感器单元的密封材料以及通过组合半球形半体所形成的球形壳体。球形壳体包括排气口及排气口防护装置，其中，球形壳体包围密封材料。

在本发明的另一方面，公开了一种用于监控充气轮胎内部的状况的系统。所述系统包括与接收器单元通信的车辆控制系统。接收器单元配置为与监控装置通信。所述监控装置包括传感器单元。所述传感器单元包括围绕所述传感器单元的密封材料，以及通过组合半球形半体所形成的球形壳体。所述球形壳体包括排气口及排气口防护装置，其中，所述球形壳体包围密封材料。

附图说明

图1示出在本发明中所描述的环境；

图2示出用于与本发明一起使用的系统的框图；

图3示出如本发明中所描述的装置；

图4示出如本发明中的替代方案所描述的装置；

图5示出如本发明中所描述的装置的附加视图；

图6示出如本发明中所描述的装置的附加视图；

图7示出如本发明中所描述的装置的附加视图；

图8示出如本发明中所描述的装置的一部分的视图；

具体实施方式

将本发明的图1中所示的监控装置10设计成嵌入轮胎20中，以使监控装置10在轮胎20安装到轮辋30上时装入轮胎20与轮辋30之间的空腔32内。在车辆运行期间，监控装置10可随着轮胎和轮辋组件的旋转围绕加压空气腔32自由移动。正如本领域所公知的，轮胎20主要是具有加强带或绳的橡胶。轮辋30通常是钢或铝。

在图2中所示的无线轮胎监控系统215包括监控装置10、接收器单元230和车辆控制系统220。监控装置10通常将轮胎20内的状况传达至车辆控制系统220。传感器单元40能够向基于车辆的接收器单元230发送信号并接收信号，所述基于车辆的接收器单元230与车辆控制系统通信。在车辆上可以存在多个接收器单元230。在接收来自监控装置10的信号后，车辆控制系统220可采取多种行动，例如向操作者显示状态、通过无线网络发送消息、改变操作参数、改变车速限制、或改变导航路线。

监控装置10可以在轮胎20安装在轮辋30上之前嵌入轮胎20中。然后，对轮胎20增压，使得轮胎和轮辋组件将支撑车辆的重量。替代地，当轮胎20和轮辋30在维修期间部分地分离时，监控装置10能够被放置在轮胎20中。嵌入安装技术允许使用现有的轮胎20和轮辋30的设计，而无需修改。在正常运行期间，监控装置10将被限制在空腔32内，并且随着轮胎20转动而在轮胎20的底部的内表面上滚动。

重型载货应用中使用的轮胎通常部分地填充有液体。这种液体的实例是由俄勒冈州克拉克默斯的富勒兄弟公司出售的Tire Life。这种液体阻止较小的泄漏并防止轮辋30的腐蚀。因此，监控装置10应当能够在加压空气腔32以及含有液体的加压空气腔32中操作。当液体存在时，监控装置10应当能够浮在液层的顶部。

在图3、4和5中所示的监控装置10包括传感器单元40\壳体50和密封材料60。正如本领域中所公知的，传感器单元40包括使得其可以用作无线轮胎传感器所需的电子部件。作为实例而非限制，电子部件可包括天线、中央处理单元(CPU)、电源、压力传感器或温度传感器。传感器单元40的电子部件可以布置在印刷电路板上。传感器单元40可以被灌封材料封闭，所述灌封材料包围电子部件并使其免受冲击和振动损害。替代地，传感器单元40可以被由复合材料制成的保护罩封闭。灌封材料或保护罩应当包括周围空气供应装置以与传感器单元40的感测部件连通。所述供应装置的实例包括孔或可透层。

参照图6，监控装置10的外部由壳体50形成。壳体50通常呈球形并通过组合二半球形半体60而形成。沿着围绕壳体50限定中纬线的接合处接合半球形半体60。半球形半体60可以是相同的。在这种情况下，半球形半体60可含有使得半球形半体60与相似部分相啮合的互补特征。所述互补特征的实例包括插舌承槽、销和孔、插片和狭槽等等。

半球体60可通过多种方法连接，例如插舌承槽、销和孔或螺纹紧固件。参见图6。相同半球形半体60可包含各互补接合特征组的部分。例如，相同半球形半体60可包含：一部分上的插舌特征150和在另一部分上的承槽特征160，使得半球形半体60被配置为接合到相同部分。在另一实施例中，相同半球形半体60可包含：一部分上的销特征150和在另一部分上的孔特征160，使得半球形半体60被配置为接合到相同部分。在另一实例中，相同半球形半体60可包含：一部分上的排气口特征和在另一部分上的盲孔特征，使得半球形半体60配置为通过插入螺纹紧固件而接合到相同部分。半球形半体60可以通过激光焊或通过化学粘合(例如胶水或环氧树脂)接合在一起。图4示出了可能更适合用于通过激光焊将两个半球形半体60接合在一起的替代配置。

壳体50装配有排气口110。将排气口110配置成使得液体、灰尘和污物得以阻挡，但是允许气体和水蒸气通过。合适的排气口的实例是戈尔保护排气口，可从马里兰州埃尔克顿的W.L.戈尔公司获得。当在部分填充有液体的轮胎中使用时，不透液体的排气口110允许监控装置10正常地操作。壳体50可装配有不止一个排气口110，使得如果在液体环境中使用监控装置10，至少一个排气口总是打开以与空气连通。在一个实例中，排气口110位于监控装置10的通常相对的侧面上。

壳体50可包括排气口防护装置120。排气口防护装置120在排气口110上方延伸，并防止排气口受到碰撞。排气口防护装置120可形成壳体50的大体球形形状的一部分，从而当监控装置10在轮胎20的内部上滚动时不会产生阻碍。排气口防护装置120可以呈形成为半球形半体60的一部分的悬臂形状的形式。当将两个半体接合以形成壳体50时，悬臂形状的另一端可由另一半球形半体60支撑。

排气口防护装置120可在排气口110的上方(在这里，液体可聚集并阻塞排气口110)，在排气口防护装置120与壳体50之间形成空间125。因此，可能必须提供第一排泄口130和第二排泄口140，所述排泄口将允许液体从排气口110排出。第一和第二排泄口130、140可形成为相同的半球形半体60，或者其可形成为不同的半球形半体60。用于从排气口110排出液体的装置可包括第一排泄口130、第二排泄口140或以上两个。用于从排气口110排出液体的装置还可包括支撑排气口防护装置120的其它特征。可优化包围空间125的特征，以允许液体从排气口110排出。

可能希望影响监控装置10以在某一方向上滚动或浮动。例如，如果监控装置10在轮胎内操作，可能希望监控装置10以这样的方式滚动，使得排气口110不会暴露于高旋转力。如果监控装置10在存在液体的轮胎中操作时，可能希望监控装置10以这样的方式浮动，使得排气口110更有可能暴露于空气，而不是暴露于液体。在一个实例中，壳体50可配备有两个位于监控装置10的相对侧上的排气口110。参照图5。可定义与两个排气口防护装置120相交的所需旋转轴线210。附加的质量块可分布为与所述所需旋转轴线210成90度，使得离心力将导致监控装置10滚动，以致两个排气口110将暴露于空气，而不是暴露于液体。所述附加的质量块可以呈形成为壳体50的一部分的附加材料200的形式。附加材料200可形成为肋片，如图6所示。附加材料200可由与壳体50相同的材料形成。替代地，致密材料可形成为壳体50。附加质量块可以呈添加到壳体50内部的重块190的形式。见图7。重块190可由致密材料制成，例如金属。

在大型非公路用车的轮胎中使用的监控装置10也将面临公路应用中不常见的压力变化需求。当装上或卸下负载时，大型非公路用车可快速改变重量。例如，考虑具有400吨的装载能力的大型矿石拖运卡车。这种车辆可提升其翻斗车身，并在数秒内卸下全部400吨负载。胎压可在四秒内临时改变60kPa。必须使排气口110的直径的尺寸配置成接受足够大的气流以防止损坏排气口110。因此，必须考虑监控装置10的体积(在此实例中大约是1500cc)和排气口110的流动能力(在此实例中大约是2000ml/min)，以满足压力变化需求。

密封材料70包围传感器单元40，并由壳体50封闭。密封材料70有几个用途，包括：

使传感器单元40位于壳体50的中心；

保护传感器单元40免受冲击和振动；

将环境条件从监控装置10外部传导至传感器单元40；以及

为监控装置10提供浮力。

图8中所示的密封材料70可由足够硬以在保护免受冲击和振动的同时能够将传感器单元40支撑在壳体50的中心的材料制成。实例包括泡沫或橡胶配合物。在泡沫的情况下，其应由基本上100％开孔的结构制成。三聚氰胺泡沫是合适类型的泡沫的实例。在开孔泡沫中，将孔壁打破并且空气填充材料中的大部分空间。这允许环境条件从开孔泡沫的一侧传送到另一侧。开孔泡沫的同一性质使得其非常适合于在经历较大压力变化的环境中使用。闭孔泡沫可在较大压力变化的过程中经历泡孔压缩或破裂。在橡胶配合物的情况下，所述材料应形成有足够的空隙，使得其可使环境条件从一侧传送到另一侧。这可在制造材料时通过形成空隙来实现，或在制造其之后通过在材料中研磨空隙来实现。

应选择密封材料70的密度，使得监控装置10的比重低于在轮胎中使用的液体35的比重，以确保监控装置将浮动。例如，如果要在水中使用监控装置10，那么监控装置10的比重应小于1.0。如果监控装置10需要在液体35中浮动得更高，那么可选择更低的比重。0.50的比重将允许一半的监控装置10位于液体35上方。0.33的比重可允许监控装置10在液体35中浮动得足够高，以确保与接收器单元230可靠地通信。

密封材料70由壳体50封闭，且因此通常是球形的。传感器单元40位于密封材料70球体的中心处的空隙中。可用几种方法来插入传感器单元40。一个实例包括使密封材料70形成为两个实心半球体，然后使其接合。另一实例包括在密封材料70球体的中心钻孔，然后用相同材料的塞子填充所述孔。另一实例包括从一个角度看类似加号或十字形的形状。可改变密封材料70的形状，以调节硬度，使得与传感器单元40的不同尺寸匹配。

由开孔泡沫制成的密封材料70非常适合于通过材料传送环境条件(例如压力，温度，湿度，等等)。然而，可通过在密封材料70内建立通道100来改进环境条件的传送。可使通道100在传感器单元40与壳体50之间沿径向定向。

工业实用性

监控装置10设计成嵌入轮胎20中，以使监控装置10在轮胎20安装在轮辋30上时，装入轮胎20和轮辋30之间的空腔32中。在车辆运行期间，所述监控装置10可随着轮胎和轮辋组件的旋转围绕加压空气腔32自由移动。轮胎20可包含液体35，其旨在防止泄漏和腐蚀。因此，监控装置10必须设计成当轮胎20转动时，在轮胎20内自由滚动，以及如果液体35存在，浮在液体上。

感测允许对轮胎损坏的定期维护或检测；非公路用车上的轮胎在经常遇到岩石和碎石的未修整道路上使用是非常昂贵的；允许自动驾驶车辆检测轮胎问题或损坏；无线轮胎监控系统215可以在轮胎20有问题时警告操作员。在自动机器的实例中，车辆控制系统220可采取多种行动，例如通过无线网络发送信息，改变操作参数，改变车速限制，或改变导航路线。

Claims (28)

1.一种用于充气轮胎内部的监控装置，所述监控装置包括：

传感器单元；

包围所述传感器单元的密封材料；

通过组合半球形半体所形成的球形壳体，所述球形壳体包括：

排气口；

排气口防护装置；

其中所述球形壳体包围所述密封材料。

2.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述排气口是不透液体的。

3.根据权利要求1所述的监控装置，其中排气口防护装置集成到所述壳体中。

4.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述半球形半体是相同的。

5.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述球形壳体进一步包括排泄口。

6.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述球形壳体进一步包括引导液体远离所述排气口的装置。

7.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述半球形半体通过互补特征接合。

8.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述监控装置具有小于一的比重。

9.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述球形壳体包括两个位于所述监控装置的相对侧上的排气口。

10.根据权利要求9所述的监控装置，其中所述壳体由预定材料制成；以及

块体配置在所述半球形半体中，使得所述监控装置的旋转轴线基本上与延伸穿过所述两个排气口防护装置的轴线对齐。

11.根据权利要求10所述的监控装置，其中所述块体呈附加壳体材料的形式。

12.根据权利要求10所述的监控装置，其中所述块体呈比所述壳体材料更为致密的附加材料的形式。

13.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述密封材料由开孔泡沫制成。

14.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述泡沫密封材料包括用于将环境条件传导到所述传感器单元的通道。

15.一种用于监控充气轮胎内部的状况的系统，所述系统包括：

与接收器单元通信的车辆控制系统；

所述接收器单元配置为与监控装置通信；

所述监控装置包括：

传感器单元；

包围所述传感器单元的密封材料；

通过组合半球形半体所形成的球形壳体，所述球形壳体包括：

排气口；

排气口防护装置；

其中所述球形壳体包围所述密封材料。

16.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述排气口是不透液体的。

17.根据权利要求15所述的监控装置，其中排气口防护装置集成到所述壳体中。

18.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述半球形半体是相同的。

19.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述球形壳体进一步包括排泄口。

20.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述球形壳体进一步包括引导液体远离所述排气口的装置。

21.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述半球形半体通过互补特征接合。

22.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述监视装置具有小于一的比重。

23.根据权利要求15所述的监控装置，其中所述球形壳体包括两个位于所述监控装置的相对侧上的排气口。

24.根据权利要求23所述的监控装置，其中所述壳体由预定材料制成；以及

块体配置在所述半球形半体中，使得所述监控装置的旋转轴线基本上与延伸穿过所述两个排气口防护装置的轴线对齐。

25.根据权利要求24所述的监控装置，其中所述块体呈附加壳体材料的形式。

26.根据权利要求10所述的监控装置，其中所述块体呈比所述壳体材料更为致密的附加材料的形式。

27.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述密封材料由开孔泡沫制成。

28.根据权利要求1所述的监控装置，其中所述泡沫密封材料包括用于将环境条件传导到所述传感器单元的通道。