CN110770049B - 设置有电子单元的适用于失压续跑的轮胎 - Google Patents

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Abstract

适用于失压续跑的轮胎，其包括胎冠，两个胎侧和两个胎圈，锚固在每个胎圈中的胎体增强件以及胎侧插入件，所述胎侧插入件相对于胎体增强件轴向向内布置在两个胎侧的每一个中，所述轮胎设置有电子单元，所述电子单元包括至少一个射频应答器并且所述电子单元嵌入在一个胎侧插入件的内部中。

Description

设置有电子单元的适用于失压续跑的轮胎
技术领域
本发明涉及适用于失压续跑并且配备有电子设备的轮胎。
背景技术
多年来，轮胎制造商一直在寻求去除在车辆上必须存在的备用轮胎，同时确保即使一个或更多个轮胎的压力显著或完全损耗的情况下，车辆仍将能够继续行驶。例如，这使得在无需停车(在通常很危险的环境下)的情况下到达服务中心以安装备用轮胎。
一种设想的解决方案是使用设置有自支撑胎侧的失压续跑轮胎(有时以其商品名称“ZP”表示“零压力”或“SST”表示“自支撑轮胎”)。
从现有技术中已知失压续跑轮胎，其包括包含胎冠增强件的胎冠，该增强件由增强元件的两个胎冠帘布层形成并且由胎面覆盖。两个胎侧将胎冠径向向内延伸。这些胎侧由橡胶插入件加强，这些橡胶插入件能够在减压或甚至无压力的情况下支撑负荷。
轮胎还包括两个胎圈，每个胎圈包括胎圈线和胎体增强件，所述胎体增强件从胎圈穿过胎侧延伸至胎冠并包括至少一个增强元件的胎体帘布层。胎体帘布层经由围绕胎圈线的卷边而锚固至每个胎圈。
当充气压力与使用压力相比显著降低或甚至为零时(这种情况则称为“失压续跑”模式)，轮胎必须能够以给定速度行驶给定距离。法规或机动车辆制造商要求将此性能称为“RME”(扩展行驶模式)性能，以允许制造商宣传轮胎为失压续跑轮胎。
当充气压力接近于使用压力时(这种情况则称为“正常行驶”模式)，希望轮胎表现出称为“RMG”(充气行驶模式)性能的性能尽可能的高。该RMG行驶性能，除了其它性能以外，包括质量、滚动阻力或甚至舒适度。
此外，有利的是，给轮胎配备电子识别设备，该电子识别设备使得在轮胎的制造、储存、整个寿命以及翻新期间对其进行识别和跟踪。
所讨论的轮胎是用于重型货物车辆、乘用车辆、建筑设备、农业机械和飞机的轮胎。
这样的电子设备可以是射频应答器或射频识别(RFID)应答器。
这些电子设备必须非常精确地放置，以确保良好的射频通信，可接受的设备寿命，并且不损害轮胎的运行或耐久性。
在失压续跑时使用能够失压续跑的轮胎的特定条件使得将这种电子设备引入这些类型的轮胎特别困难。
发明内容
本发明的主题是适用于失压续跑的轮胎，所述轮胎包括胎冠，两个胎侧和两个胎圈，胎体增强件以及胎侧插入件，所述胎体增强件锚固在每个胎圈中，所述胎侧插入件相对于胎体增强件轴向内部地放置在两个胎侧的每一个中。该轮胎的特征在于，其配备有电子设备，所述电子设备包括至少一个嵌入在一个胎侧插入件内部的射频应答器。
在胎侧插入件的内部，由于制造胎侧插入件的橡胶具有较高的刚性，因此当以充气模式运行时，机械应力较低。这使得电子设备具有良好的抗疲劳性。
另一个不可否认的优点是，在轮胎正常模式，充气模式下的寿命期间，充气模式可能经受很多路缘刮擦。在最严重的情况下(出租车等)，胎侧甚至会磨损到其新厚度的80％。因为自然地防备了路缘刮擦，因此在胎侧侧面的内部中的这种位置是非常有利的。此外，当使轮胎爬上路缘时，胎侧会发生非常大的变形：它们在路缘上行驶时采用路缘形状。当路缘具有锋利的边缘且弯曲半径小于5mm时，如果电子设备位于胎侧和胎体帘布层增强件之间，则存在被毁坏的潜在风险。当轮胎爬上路缘时，胎侧插入件增加了胎侧的刚性，并减小了胎侧的变形。因此，电子设备的最佳位置是在胎侧插入件的内部，而不是在胎圈中，并且在轮辋凸缘上方。
有利地，胎侧插入件由两个周向和轴向相邻的橡胶块组成，将电子设备放置在胎侧插入件的两个橡胶块之间的界面处。
放置在形成胎侧插入件的两个橡胶块之间的界面处是有利的，因为在轮胎的制造过程中容易将电子设备定位在该界面处。
有利地，每个胎圈包括围绕参考轴线旋转的胎圈线，并且H是所述胎圈线最接近旋转轴线的点之一，电子设备放置在距点H大于20mm的径向距离处。
该位置使得可以确保与轮胎外部接收器电磁通信的品质。轮胎安装在其上的车轮通常由金属制成，如果位置太近，则可能会影响通信。将会注意到，常规轮辋凸缘的高度是17.5mm，并且距点H的径向距离超过20mm，轮辋凸缘的电磁干扰变得最小。
根据优选的实施方案，将电子设备在径向上放置在代表所述轮胎截面高度的20％至70％之间的区域中。
非常有利地，将电子设备在径向上放置在代表轮胎截面高度SH的30％至60％之间的区域中。
由于胎侧插入件的高硬度，可以将电子设备安装在轮胎的该区域中。该区域使得可以在电子设备和外部接收器之间获得最佳的射频通信。
有利地，胎侧插入件具有介于6mm至16mm之间的最大厚度。
电子设备可以由射频应答器组成。它也可以由包封在电绝缘包封橡胶块中的射频应答器组成。
为了使电子设备的辐射天线正确地进行射频操作，必须将所述天线嵌入于电绝缘包封橡胶块中。因此，可以使用由射频应答器组成的半成品元件，所述射频应答器嵌入于电绝缘橡胶块中，以在轮胎的制造过程中将其以选定的位置放置在轮胎的结构中。
然而，当由于共混物的配方是电绝缘的时，也可以将射频应答器直接放置在轮胎的两种所述共混物之间。
优选地，包封橡胶块的弹性模量小于或等于相邻橡胶共混物的弹性模量。
根据另一方面，包封橡胶块的相对介电常数小于相邻橡胶共混物的相对介电常数。
射频应答器通常包括电子芯片和能够与外部射频读取器通信的辐射天线。
根据第一实施方案，辐射天线包括两个螺旋天线段，并且电子芯片电连接至两个螺旋天线段。
根据另一实施方案，射频应答器还包括电连接至电子芯片的主天线，其中主天线感应耦合至辐射天线，并且辐射天线是由单股螺旋弹簧组成的偶极天线。
该第二实施方案具有以下优点：将辐射天线与应答器的电子部件机械地分离，从而避免了常规应答器的弱点，即天线段被紧固到电子芯片的载体的区域。将这种电子设备集成到轮胎中，由于其结构，使得降低设备劣化的风险，同时改善无线电通信性能并使轮胎的物理完整性的相关风险最小化。
具体地，电子设备的劣化通常是由通信辐射天线与设备的电子部分之间存在的电连接故障引起的。在此，不需要机械连接，因为通信天线和电子芯片之间的能量传递是通过电磁场经由主天线实现的。然而，尽管与通信的频带及其远场操作有关的辐射天线的尺寸本质上很大，但是主天线不受此约束。因此，它具有较小的尺寸，通常使轮胎的变形易于承受，而不会在轮胎与电子芯片之间的电连接处产生过高的机械应力。最后，辐射天线的柔软限制了接近应答器的轮胎区域变差的风险。
其次，引入主天线使得可以消除对辐射天线尺寸和设备电子部分的电阻抗的矛盾约束。因此，可以确定主天线的尺寸，以使其电阻抗与芯片的电阻抗相匹配，以使损耗最小化，从而改善电子设备在功耗方面的性能。然后仅根据电子设备的通信频率标准来选择辐射天线的尺寸。所有这些趋向于改善电子设备的无线电通信性能。
根据一个优选的实施方案，辐射天线限定第一纵向轴线，主天线是限定第二纵向轴线的具有至少一个匝的线圈，所述线圈限制在圆柱体内，所述圆柱体的旋转轴线平行于第二纵向轴线并且其直径介于辐射天线的螺旋弹簧的平均直径的三分之一和三倍之间，优选介于一半和两倍之间。
因此，主天线是环形天线，能量主要通过电感耦合而在辐射天线和主天线之间传递。这要求两个天线之间有一定的接近度(以限制两个天线之间的间隙)，这要求相对于辐射天线确定主天线线圈的尺寸，以确保足够有效地获得所需无线电通信品质的能量传递。具体地，主天线的直径可以有利地小于辐射天线的直径；在这种情况下，将应答器的整个电子部分插入辐射天线中，然后该组件在诸如轮胎的环境中特别坚固。
天线的直径也可以大于辐射天线的直径；当需要向射频应答器添加其他有源或无源电子部件以允许增加附加功能(如例如监视轮胎状态)时，这种情况特别有利。
根据一个有利的实施方案，辐射天线具有在两个侧向区域之间的中心区域，并且主天线具有垂直于第二纵向轴线的正中平面，第一和第二纵向轴线彼此平行并且主天线的正中平面位于辐射天线的中心区域。
因此，确保了辐射天线和主天线之间的距离沿着这些天线的纵向轴线是恒定的，从而优化了主天线长度的每个元素的等效能量传递水平。另外，由电流流过的线圈产生的磁场在线圈的长度的中心处最大(在λ/2天线的情况下)，为了将作为感应耦合源的磁场最大化，优选将主天线的正中平面放置在辐射天线的中心区域，更优选放置在辐射天线的中心。
优选地，在轮胎能够失压续跑的情况下，将主天线放置在辐射天线的单股螺旋弹簧的内部。
当轮胎是定向的时，即，其具有确定的行驶方向而没有用于安装在车辆上的确定的内侧或外侧时，将电子设备放置在两个胎侧插入件的每一个中是有利的。独立于轮胎的安装方式，电子设备之一与外部接收器之间的通信将变得容易。
当轮胎具有旨在朝向车辆外部放置的外侧E和旨在朝向车辆内部放置的内侧时，将电子设备放置在轮胎外侧的胎侧插入件中也是有利的。
这使得可以促进电子设备与其射频应答器和外部接收器之间的通信。
附图说明
通过以下详细描述和附图，将更好地理解本发明的各个主题，在所有附图中已经使用相同的附图标记来引用相同的部件，并且在附图中：
-图1以局部轴向横截面图示出了能够失压续跑并配备有电子设备的轮胎；
-图2示出图1轮胎的另一个实施方案；
-图3是常规的射频应答器；
-图4是根据第二实施方案的电子设备的分解示意图；
-图5是根据本发明一个实施方案的射频应答器的立体图，在其构造中电子部分位于辐射天线的内部；
-图6是根据本发明的射频应答器的立体图，在其构造中电子部分位于辐射天线的外部；
-图7是根据本发明一个实施方案的射频应答器的辐射天线的详图；以及
-图8是射频应答器的电子部分的立体图，在其构造中电子部分位于辐射天线内部。
具体实施方式
在下文中，术语“橡胶共混物”、“橡胶”和“共混物”等同地用于标识轮胎的橡胶成分。
图1示出了轮胎30的轴向X、圆周C和径向Z方向，以及正中平面EP(垂直于轮胎的旋转轴线的平面，该平面位于轮胎的两个胎圈之间，并穿过胎冠增强件的中间)和旋转轴线XX。
该图还示出了轮胎的截面高度SH，即轮胎的安装轮辋的标称直径NRD与轮胎胎面的径向最外部分之间的径向距离。在本发明的上下文中，轮胎的安装轮辋的标称直径被认为是轮胎的直径，如轮胎的尺寸所示。
在所有附图中，轮胎显示为自由的，未安装在轮辋上，并且使得两个胎圈之间的宽度减小至标称ETRTO轮辋的宽度。
关于轴向方向，“轴向外部”是指朝向轮胎外部的轴向方向，而“轴向内部”是指朝向轮胎的正中平面EP的轴向方向。
该失压续跑轮胎30包括由胎冠增强件或带束层36增强的胎冠32，胎侧33和胎圈34；胎圈34由胎圈线35增强。胎冠增强件36在径向外部由橡胶胎面39覆盖。胎体增强件37围绕胎圈线35缠绕在胎圈34中，该增强件37的卷边38例如朝向轮胎30的外部布置。以本身已知的方式，胎体增强件37由至少一个帘布层构成，所述至少一个帘布层由所谓的“径向”帘线(此处，例如为织物)来增强，即这些帘线实际上彼此平行地布置并且从一个胎圈延伸至另一个胎圈，从而与中间周向平面EP形成在80°和90°之间的角度。气密的内衬40相对于胎体增强件37从一个胎圈径向向内延伸至另一胎圈。胎圈34包括能够与轮辋的表面接触的保护性橡胶(或“保护件”)42。它还包括相对于胎圈线35径向向外延伸的第一填充橡胶46。
由于存在相对于胎体增强件37轴向内部放置的胎侧插入件44，轮胎30能够失压续跑。该插入件44使得轮胎的结构在零压力下承受其上的负荷。胎侧插入件的橡胶的弹性模量的数量级约为胎侧橡胶的模量的值的两倍或更大。
图1的胎侧插入件44包括电子设备2，所述电子设备2放置在距点H径向距离D1处。点H是最接近旋转轴线XX的点之一。距离D必须大于D0(所述D0等于20mm)，以免损害电子设备与外部读取器之间的通信品质。该距离大于常规轮辋凸缘的高度，即17.5mm。
电子设备2嵌入在胎侧插入件44的内部。由于制造胎侧插入件的橡胶的较高模量(这对于确保轮胎和车辆在失压续跑时的承载能力是必需的)，该电子设备在充气行驶模式下承受的应力很小，因此具有可接受的使用寿命。
优选在将半成品胎侧插入件结合到生胎中之前将电子单元放置在半成品胎侧插入件中。
与图1相似的图2以局部轴向横截面示出了适用于失压续跑的轮胎31，并且其结构几乎与图1的轮胎30相同。在该实施例中，胎侧插入件44由彼此轴向相邻的两个橡胶块441和442组成，并且电子设备2和2bis放置在两个橡胶441和442之间的界面处。
该实施方案有助于在轮胎的制造过程中电子设备的精确和可再现的定位。
图2示出了轮胎的截面高度SH的区域Z，优选在区域Z中放置电子设备。该区域Z位于20％至70％SH之间。电子设备2放置在约25％SH位置处，而设备2bis放置在60％SH位置处。
在图1中，电子设备放置在约45％SH处。
图3示出了诸如文献WO2009134243A1中所描述的常规射频应答器。
图4是电子设备2的分解图。该设备2包括嵌入在未硫化的电绝缘弹性体共混物的两个层3a和3b之间的射频应答器1。这样的电子设备是能够在轮胎的制造过程中集成到轮胎的结构中的半成品。
包封弹性体共混物包含100phr(质量份/100质量份的弹性体)的聚合物，例如EPDM(乙丙二烯单体橡胶)、丁基橡胶、氯丁橡胶或二烯弹性体，例如SBR(丁苯橡胶)、聚丁二烯、天然橡胶或聚异戊二烯。
共混物可以含有填料，例如二氧化硅、炭黑、白垩和高岭土类型的填料：
-二氧化硅类型的填料，其最大量为50phr；
-由ASTM等级高于700的炭黑组成的类型的填料，其含量小于50phr；
-由等级小于或等于500的炭黑组成的类型的填料，其最大含量为20phr。
-可以用白垩或高岭土添加或替换这些填料。
填料的这种数量和类型使得可以确保相对介电常数小于6.5，特别是在915MHz频率下的相对介电常数。
包封共混物在固化状态下的硬度优选小于或接近于相邻共混物的硬度。
在第一实施方案中，电子设备2的射频应答器是常规的射频应答器，例如在文献WO2009134243A1中所描述的。该应答器100包括电子芯片120，所述电子芯片120固定至载体或印刷电路板(PCB)102，并且经由导电轨道104、130A和130B电连接至两个半天线110和112。天线是螺旋弹簧，其实芯是钢丝。轮廓150是指覆盖PCB、电子芯片和两个半天线的至少一部分的非导电橡胶层。
如图4所示的电子设备2的射频应答器1对应于将在下面描述的电子设备2的第二实施方案。
根据电子设备2的第二实施方案的射频应答器1包括电子芯片22和能够与外部射频读取器通信的辐射天线10。它另外包括一个主天线24，所述主天线24电连接至电子芯片22并感应耦合到辐射天线10。该辐射天线是由限定第一纵向轴线的单股螺旋弹簧组成的偶极天线。
图5显示了射频应答器1，在其构造中电子部分20位于辐射天线10的内部。电子部分20的几何形状被限制在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于或等于螺旋弹簧10的内径13。因此，有助于将电子部分20引入至辐射天线10中。主天线的正中平面21位于辐射天线的中心区域中，并且基本上叠置在辐射天线10的正中平面19上。
图6显示了射频应答器1，在其构造中电子部分20位于辐射天线10的外部。电子部分20的几何形状具有圆柱腔25，所述圆柱腔25的直径大于或等于辐射天线10的外径15。因此，有助于将辐射天线10引入至电子部分的圆柱腔25中。主天线的正中平面21位于辐射天线的中心区域，并且基本上与辐射天线10的正中平面19一致。
图7显示了由钢丝12组成的辐射天线10，所述钢丝12已经塑性变形以形成具有旋转轴线11的螺旋弹簧。该钢丝涂覆有由铜、铝、银、锌或黄铜制成的导电层，必要时覆盖有例如由黄铜、锌、镍或锡制成的化学绝缘层，以保护橡胶共混物不受导电层的材料的影响。
这种天线的电磁传导主要通过集肤效应发生，即，主要在天线的外层发生。集肤层的这种厚度特别地取决于辐射的频率以及制成传导层的材料。举例来说，对于UHF频率(例如915MHz)，集肤层厚度对于银约为2.1μm，对于铜约为2.2μm，对于黄铜约为4.4μm。
可以将钢丝先用这些层涂覆然后成形，可替代地，其也可以先成形然后涂覆。
螺旋弹簧主要由经涂覆的线材的缠绕直径和螺距限定。因此，在给定丝线的直径的情况下，可以精确地确定螺旋弹簧的内径13和外径15。此处，弹簧10的长度17对应于橡胶块中的射频应答器1的传输信号的一半波长。此外可以限定垂直于旋转轴线11的螺旋弹簧10的正中平面19，所述正中平面19将辐射天线分成两个相等的部分。该平面在辐射天线的中心区域16的中间，该中心区域16对应于天线总长度的约25％，优选为15％。
图8示出了射频应答器1的电子部分20，所述射频应答器1旨在用于电子部分20位于辐射天线10的内部的构造。电子部分20包括电子芯片22和主天线24，所述主天线24通过印刷电路板26电连接至电子芯片22。此处的主天线由具有对称轴线23的表面贴装设备(CMS)微线圈组成。主天线的正中平面21由平行于CMS线圈的对称轴线23的法线限定，并将线圈分成两个相等的部分。印刷电路板上的部件使用铜制轨道进行电连接，轨道由铜焊盘27端接。印刷电路板上的部件使用引线接合技术通过在部件和焊盘27之间延伸的金线28进行电连接。由印刷电路板26，电子芯片22和主天线24组成的组件被嵌入由电绝缘高温环氧树脂制成的刚性块29中，并形成射频应答器1的电子部分20。
该射频应答器1的优点是比常规应答器具有更高的机械耐受性，因此特别适用于恶劣条件用途，例如失压续跑轮胎。

Claims (18)

1.适用于失压续跑的轮胎(30、31)，所述轮胎(30、31)包括胎冠(32)，两个胎侧(33)和两个胎圈(34)，胎体增强件(37)以及胎侧插入件(44)，所述胎体增强件(37)锚固在每个胎圈(34)中，所述胎侧插入件(44)相对于所述胎体增强件(37)轴向内部地放置在两个胎侧(33)的每一个中，其特征在于，所述轮胎(30、31)配备有电子设备(2)，所述电子设备(2)包括至少一个射频应答器(1、100)并且所述电子设备(2)嵌入在一个所述胎侧插入件(44)中。
2.根据权利要求1所述的轮胎(30、31)，其中，所述插入件(44)由周向和轴向相邻的两个橡胶块(441、442)组成，所述电子设备(2)放置在所述胎侧插入件(44)的所述两个橡胶块(441、442)之间的界面处。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，每个胎圈(34)包括围绕参考轴线(XX)旋转的胎圈线(35)，并且H是所述胎圈线(35)最接近所述参考轴线(XX)的点之一，所述电子设备径向向外放置在距所述点H大于20mm的径向距离处。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述电子设备(2)在径向上放置在代表所述轮胎(30、31)的截面高度(SH)的20％至70％之间的区域中。
5.根据权利要求4所述的轮胎(30、31)，其中，所述电子设备(2)在径向上放置在代表所述轮胎(30、31)的截面高度(SH)的30％至60％之间的区域中。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述胎侧插入件(44)具有的最大厚度介于6mm至16mm之间。
7.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述电子设备(2)由射频应答器(1、100)组成。
8.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述电子设备(2)由包封在至少一个电绝缘包封橡胶块(3a、3b、150)中的射频应答器(1、100)组成。
9.根据权利要求8所述的轮胎(30、31)，其中，包封橡胶块(3a、3b、150)的弹性模量小于或等于相邻橡胶共混物的弹性模量。
10.根据权利要求8所述的轮胎(30、31)，其中，包封橡胶块(3a、3b、150)的相对介电常数小于相邻橡胶共混物的相对介电常数。
11.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述电子设备(2)的射频应答器(1、100)包括电子芯片(120、22)和能够与外部射频读取器通信的辐射天线(10)。
12.根据权利要求11所述的轮胎(30、31)，其中，所述辐射天线(10)包括两个螺旋天线段(110、112)，所述电子芯片(120)电连接至所述两个螺旋天线段(110、112)。
13.根据权利要求11所述的轮胎(30、31)，其中，所述电子设备(2)的射频应答器(1、100)还包括电连接至所述电子芯片(22)的主天线(24)，其中，所述主天线(24)感应耦合至辐射天线(10)，并且其中辐射天线(10)是由限定第一纵向轴线(11)的单股螺旋弹簧组成的偶极天线。
14.根据权利要求13所述的轮胎(30、31)，其中，所述主天线(24)是限定第二纵向轴线(23)的具有至少一匝的线圈，所述线圈限制在圆柱体内，所述圆柱体的旋转轴线平行于所述第二纵向轴线(23)并且其直径介于辐射天线(10)的螺旋弹簧的平均直径的三分之一和三倍之间。
15.根据权利要求14所述的轮胎(30、31)，其中，所述辐射天线(10)具有在两个侧向区域之间的中心区域，并且所述主天线(24)具有垂直于所述第二纵向轴线(23)的正中平面(21)，所述第一纵向轴线和第二纵向轴线(11、23)彼此平行并且所述主天线(24)的所述正中平面(21)位于辐射天线(10)的中心区域。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述主天线(24)放置在所述辐射天线(10)的单股螺旋弹簧的内部。
17.根据权利要求1和2中的任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述轮胎(30、31)具有优选的行驶方向，所述电子设备(2)放置在两个胎侧插入件(44)的每一个中。
18.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(30、31)，其中，所述轮胎(30、31)具有用于安装在车辆上的外侧和内侧，所述电子设备(2)放置在所述轮胎(30、31)外侧上的胎侧插入件(44)中。
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