DE10025504C1 - Sensor zur Messung von Kräften in einem Reifen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Kräften in Reifen. Der Sensor (4) wird durch mindestens zwei partiell leitfähige Schichten (5, 6) gebildet, welche im Verformungsbereich des Reifens (1) angeordnet sind. Die leitfähigen Schichten (5, 6) können hierbei als Kondensator eingesetzt werden, um über die Änderung der Kapazität auf die am Reifen wirkenden Kräfte zurückzuschließen oder der Sensor arbeitet auf induktiver Basis, wobei aus der Änderung der induzierten Spannung auf die aufgetretenen Kräfte zurückgeschlossen wird.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Kräften in einem Reifen.

Der Kontaktstelle zwischen dem Reifen und der Fahrbahn kommt im Hinblick auf die Fahrsicherheit eine entscheidende Bedeutung zu, da die zur Fahrzeugführung erforderlichen Kräfte für Bremsen, Beschleunigen und Kurvenfahrt maßgeblich durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen Reifen und Fahrbahn übertragen werden. Derartige Daten sind insbesondere zur Regelung von Systemen zur aktiven Fahrwerksregelung wie z. B. EAR, ABC, ESP und ABS interessant.

Um derartige Kräfte aufzunehmen, wurden beispielsweise auf dem 3. Esslinger Forum für Kfz-Mechatronik vom 06.11.1997 Sensoren vorgeschlagen, welche im Reifenlatsch angeordnet sind. Dabei werden magnetoresistive Sensoren und Hall- Sensoren zusammen mit in das Gummi des Reifens eingebrachten Magneten eingesetzt, um die Verformung der Reifenstollen zu messen. Der Magnet wird dabei direkt im Reifenstollen angeordnet und die magnetoresistiven Sensoren bzw. Hall-Sensoren sind ungefähr in der Mitte des Reifenmantels oder an dessen Innenseite montiert. Die Sensorsysteme werden in der gesamten Lauffläche des Reifens eingebaut, um zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten, dass ein Sensor an der Kontaktfläche des Reifens zur Straße liegt und die auftretenden Kräfte messen kann. Die Signale der Sensoren werden über Kabel zur Felge und zum Radlager übertragen und dann mittels eines Drehübertragers oder über Schleifkontakte zu einer Fahrzeugsteuerung übertragen. Dieser Aufbau ist jedoch nur für eine Laufleistung von ca. 100 km funktionsfähig, da die Sensoren und die Kabel im Reifenlatsch auf Grund der Walkarbeit und der auftretenden Beschleunigungen zerstört werden. Daher sind derartige Sensoren nur für Versuchszwecke geeignet, nicht aber in einem Reifen für den täglichen Bedarf, bei dem ständig Daten zu einer Fahrzeugsteuerung/ -regelung übertragen werden müssen.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Messung von Kräften im Reifen zu schaffen, der eine ausgezeichnete Langzeitstabilität aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Sensor aus mindestens zwei leitfähigen Schichten, d. h. flächenartig ausgebildeten Bereichen ausgebildet ist, welche im Verformungsbereich des Reifen angeordnet sind. Dabei sind die beiden leitfähigen Schichten integral mit dem Reifen ausgebildet. Dadurch ist gewährleistet, dass auch bei der extremen Belastung der Lauffläche der Sensor nicht beschädigt wird und über die Lebensdauer des Reifens die entsprechenden Kräfte aunehmen kann und an eine Fahrzeugsteuerung/-regelung aufgeben kann.

Vorzugsweise sind die leitfähigen Schichten als leitfähige Gummischichten ausgebildet. Die partiell leitfähige Gummischicht weist damit hinsichtlich der Elastizität ähnliche Eigenschaften wie der Reifengummi auf. Die Gummischicht kann beispielsweise durch Zugabe von Partikeln aus Ruß, Metall, Graphit etc. elektrisch leitfähig gemacht werden. Diese leitfähige Gummimischung lässt sich in dünne Schichten formen und kann anschließend in den Reifenverbund mittels Vulkanisieren eingebracht werden. Somit weist der Reifen verschiedene leitfähige und nichtleitfähige Gummischichten auf. Dadurch werden die Laufeigenschaften des Reifens im Vergleich mit einem Reifen ohne den erfindungsgemäßen Sensor kaum beeinflusst.

Vorzugsweise sind die leitfähigen Schichten im Verformungsbereich des Reifen möglichst nahe an den Stollen angeordnet. Hierbei muss jedoch beachtet werden, dass sie nicht durch den gebrauchsbedingten Verschleiß des Reifens zerstört werden.

Vorteilhaft bilden die beiden leitfähigen Schichten einen Kondensator. Dadurch können die an der Kontaktfläche zwischen Fahrbahn und Reifen auftretenden Kräfte einfach durch eine dadurch hervorgerufene Veränderung der Kapazität des Kondensators gemessen werden. Aus diesen gemessenen Kapazitätsgrößen kann dann anhand einer Kalibrierkurve auf die auftretenden Kräfte geschlossen werden. Hierbei können die Paare von leitfähigen Schichten derart angeordnet sein, dass sich die Kapazität verändert, wenn sich der Abstand zwischen den beiden Schichten verändert oder wenn eine Verschiebung der beiden Schichten relativ zueinander in unterschiedliche Richtungen auftritt.

Um die auftretenden Kräfte beim Kontakt zwischen dem Reifen und der Fahrbahn in unterschiedlichen Richtungen erfassen zu können, sind vorzugsweise mehrere Paare von leitfähigen Schichten im Verformungsbereich des Reifens angeordnet.

Vorzugsweise ist eine Guard-Elektrode als äußerste Schicht des Elektrodensystems angeordnet. Dadurch kann eine Signalverfälschung durch Streufeldlinien der Kondensatoren verhindert werden. Beispielsweise wird dadurch auch verhindert, dass auf Grund der hohen Dielektrizitätskonstante des Wassers bei Benetzung des Reifens mit Wasser eine Kapazitätsänderung auftritt.

Um eine einfache Erfassung von Kräften in unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen, sind die leitfähigen Schichten derart ausgebildet, dass sie jeweils unterschiedlich große Flächen bilden. Dabei sind die sich überdeckenden und nicht überdeckenden Bereiche der unterschiedlich ausgebildeten Flächen derart vorgesehen, dass das jeweilige Schichtpaar bestimmte Kräfte in einer Richtung erfassen kann.

Vorteilhaft ist die leitfähige Gummischicht, welche die größere Fläche aufweist, als äußere Schicht im Reifen, d. h. in Richtung der Laufseite des Reifens, angeordnet, da es hier zur größten Verformung und somit zur größten Verschiebung der Flächen kommt. Demgemäß liegt die innere Schicht näher am Gürtel des Reifens und wird daher geringer aus ihrer Ruhelage verschoben.

Um eine hohe Auflösung des Sensors zu erhalten, ist mindestens eine der beiden leitfähigen Schichten mehrfach unterteilt. Dadurch kann für jedes Teilstück eine separat messbare Kapazität gemessen werden. Weiter kann dadurch eine Kompensation des Signals verhindert werden, welche auftritt, wenn Verschiebungen im Kontaktbereich zwischen Reifen und Fahrbahn durch gegenläufige Verschiebungen in ihrer Wirkung zumindest teilweise aufgehoben werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass ein Defekt an der mehrfach unterteilten Schicht nicht sofort dazu führt, dass der gesamte Sensor ausfällt.

Um eine sichere und lang haltende Verdrahtung des Sensors mit anderen Komponenten der Signalübertragung zu erreichen, sind die leitfähigen Schichten vorzugsweise durch leitfähige Kunststoffbahnen verdrahtet. Diese bestehen ebenfalls aus Gummimischungen mit eingebrachten, leitfähigen Partikeln wie z. B. Ruß. Diese Leitbahnen werden vorgeformt und anschließend wie die Sensorschichten in den Reifen eingebracht, sodass sie integral mit dem Reifen gebildet sind.

Vorzugsweise erfolgt die Signalübertragung von den Sensoren zu einem Steuergerät über Quarz- oder SAW-Resonatoren, welche über die Kapazität verstimmbar sind. Die Resonanzfrequenz der Resonatoren können mittels HF- Übertragungstechnik drahtlos ausgelesen werden. Dadurch sind keine Drahtverbindungen aus dem Reifenlatsch heraus notwendig. Allerdings müssen die Resonatoren im Innenbereich des Reifens angebracht werden. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Signalübertragung vom Sensor zu einem Steuergerät induktiv. Dabei werden an die Kapazitäten Leitungen angebracht und bis zur Reifenseitenwand geführt. Dort wird das Signal induktiv über einen Drehübertrager auf eine feste Spule am Fahrzeug übertragen. Hierbei besteht die Möglichkeit, entweder die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises im Reifen zu bestimmen oder das Signal durch einen IC im Reifen zu verarbeiten, welcher induktiv mit Spannung versorgt wird, und anschließend direkt das Digitalsignal über den Drehübertrager nach außen auf das Fahrzeug zu übertragen.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine der beiden Gummischichten aus Magnetgummi hergestellt und die andere der beiden Gummischichten ist als Spule ausgebildet. Dadurch lässt sich ein Reifenlatschsensor auf einer induktiven Basis herstellen. Wenn sich nun das Magnetfeld durch Verringerung oder Vergrößerung des Abstandes zwischen der Spulenschicht und der Magnetgummischicht ändert oder wenn sich die Überlappung zwischen der Spulenschicht und der Magnetgummischicht infolge der Verformung des Reifens ändert, wird in der Spule eine Spannung induziert. Aus der Größe der induzierten Spannung sowie dem Vorzeichen der Spannung kann ähnlich, wie bei der kapazitiven Ausführung des Sensors auf die auf den Reifen wirkende Kraft geschlossen werden. Hierbei müssen die Spulen entsprechend der zu detektierenden Kraftrichtung ausgelegt sein. Im Vergleich mit dem Sensor, bei dem die beiden leitfähigen Schichten einen Kondensator bilden, ist bei dem induktiv ausgestalteten Sensor ein Überkreuzen von Leiterbahnen der aufnehmenden Spule unvermeidlich. Dies ist jedoch fertigungstechnisch relativ aufwendig, sodass die Ausbildung eines Kondensators aus leitfähigen Gummischichten einfacher und deutlich kostengünstiger realisierbar ist.

Bei der Ausgestaltung des Sensors mit zwei leitfähigen Schichten, welche einen Kondensator bilden, ergibt sich eine Kapazitätsänderung in der Größenordnung eines ein- bis zweistelligen Pikofarad-Bereich. Bei dem induktiv ausgebildeten Sensor ergibt sich eine in induzierte Spannung im ein- bis zweistelligen Mikrovolt-Bereich.

Vorzugsweise erfolgt die Signalübertragung vom Sensor zum Fahrgestell induktiv bzw. über einen Resonator. Desweiteren ist die Verdrahtung im Reifen vorteilhaft über leitfähiges Gummi ausgebildet.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Reifens mit einem Reifenlatschsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Reifenlauffläche mit einem erfindungsgemäßen Reifenlatschsensor und

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Reifen­ latschsensors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sensors zur Messung von Kräften im Reifen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Sensor 4 integral in einem auf einer Felge 2 befestigten Reifen 1 gebildet. Dabei ist der Sensor 4 in der Nähe einer Lauffläche 3 angeordnet. Er weist jedoch einen bestimmten Abstand von der Lauffläche 3 des Reifens 1 auf, um nicht durch den gebrauchsbedingten Verschleiß des Reifens beschädigt zu werden.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte, teilweise geschnittene Draufsicht auf die Lauffläche des Reifens 1 dargestellt. Hierbei wird der Reifenlatschsensor aus drei einzelnen Sensoren gebildet, nämlich einem Z-Sensor 8, einem X-Sensor 11 und einem Y-Sensor 17. Hierbei nimmt der Z-Sensor 8 Kräfte in Z-Richtung auf, wobei die Z-Richtung ausgehend vom Auflagepunkt zwischen Reifen und Asphalt die radiale Richtung zur Mitte des Reifens bezeichnet (vgl. Fig. 1). Der X-Sensor 11 nimmt Kräfte in Fahrtrichtung des Reifens auf, wobei X die Fahrtrichtung bezeichnet. Der Y-Sensor 17 nimmt seitliche Kräfte senkrecht zur Fahrtrichtung, d. h. senkrecht zur Richtung X auf (vgl. Fig. 2). Jeder der drei Sensoren besteht aus zwei übereinander liegenden, leit­ fähigen Gummischichten, welche jeweils eine vorbestimmte Geometrie aufweisen. Die Sensoren sind nebeneinander angeordnet und verlaufen in Umfangsrichtung um den gesamten Umfang des Reifens 1.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der jeweiligen Sensoren beschrieben. Der Z-Sensor 8 besteht aus einer ersten leitfähigen Gummischicht 9 und einer zweiten leitfähigen Gummischicht 10. Hierbei liegt die erste Gummischicht 9 in Richtung der Lauffläche des Rades 1 und die zweite Gummischicht 10 liegt in Richtung der Felge 2 des Rades. Infolge der Auflagekraft, welche durch das Fahrzeuggewicht hervorgerufen wird, verändern die Schichten 9, 10 ihren Abstand zueinander, wodurch sich die Kapazität ändert. Auf Grund dieser Änderung der Kapazität kann die Auflagekraft bestimmt werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, weisen die beiden Gummischichten 19 die gleiche geometrische Außenkontur auf, jedoch weist die erste Gummischicht 9 eine größere Fläche als die zweite Gummischicht 10 auf. Dadurch ist die zweite Gummischicht 10 vollständig von der ersten Gummischicht 9 überdeckt, wobei die erste Gummischicht 9 die gesamte Außenkontur der zweiten Gummischicht 10 überlappt. Wenn nun Relativbewegungen zwischen der ersten und zweiten Gummischicht 9, 10 infolge von Kräften auftreten, welche in X- und/oder Y-Richtung wirken, tritt selbst bei maximal möglicher Auslenkung der Schichten zueinander keine Änderung der Überlappungsfläche zwischen der ersten und der zweiten Gummischicht 9, 10 auf. Somit werden durch den Sensor 8 nur Kräfte gemessen, welche in Z-Richtung wirken und der Abstand zwischen den beiden Schichten 9, 10 ändern.

Der X-Sensor 11 misst die Kräfte, welche in X-Richtung auftreten. Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht der X-Sensor 11 ebenfalls aus einer ersten Gummischicht 12 und einer zweiten Gummischicht 13. Die erste Gummischicht 12 ist in Richtung der Auflagefläche des Reifens 1 angeordnet und die zweite Gummischicht 13 ist in Richtung der Felge an­ geordnet. Die beiden Schichten 12, 13 sind fischgratähnlich aufgebaut, wobei ausgehend von einem mittleren Bereich 14 jeweils seitliche Ausbuchtungen bzw. Bereiche 15 und 16 zu beiden Seiten des mittleren Bereichs 14 angeordnet sind. Dabei weisen die seitlichen Bereiche 15, 16 der ersten und zweiten Schicht 12, 13 jeweils in X-Richtung die gleiche Breite auf. In Y-Richtung sind hingegen die seitlichen Bereiche 15 und 16 der zweiten Schicht 13 kürzer als die der ersten Schicht 12. Mit anderen Worten überlappt die erste Schicht 12 die zweite Schicht 13 in Y-Richtung, wohingegen in X-Richtung eine vollständige Überdeckung zwischen der ersten und der zweiten Schicht 12, 13 vorliegt.

Wenn sich nun die beiden Schichten 12, 13 in X-Richtung relativ zueinander bewegen, findet nur noch eine teilweise Überlappung der ersten und zweiten Schicht 12 und 13 in X- Richtung statt. Dadurch ändert sich die Kapazität des X- Sensors 11. Wenn eine Relativbewegung zwischen den beiden Schichten 12, 13 in Y-Richtung auftritt, bleibt die Überdeckungsfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht 12, 13 gleich, sodass sich die Kapazität nicht ändert. Bei einer Änderung des Abstandes zwischen der ersten und der zweiten Schicht 12 und 13 in Z-Richtung ändert sich (entsprechend der Wirkung des Z-Sensors) auch die Kapazität zwischen den beiden Schichten 12 und 13 des X-Sensors. Dieser durch die Auflagekraft verursachte Fehler bei der Bestimmung der Kraft in X-Richtung kann jedoch durch einen Rechenalgorithmus unter Verwendung des gemessenen Signals des Z-Sensors 8 herausgerechnet werden.

Der Y-Sensor 17 ist ähnlich wie der X-Sensor 11 aufgebaut. Eine erste und eine zweite Gummischicht 18 und 19 sind ebenfalls fischgratartig aufgebaut und bestehen aus einem mittleren Bereich 20 sowie daran angeordneten seitlichen Bereichen 21 und 22. Im Unterschied zum X-Sensor 11 sind jedoch beim Y-Sensor 18 die seitlichen Bereiche 21, 22 in Y-Richtung gleich lang aufgebaut, sodass sie sich in Y- Richtung vollständig überdecken. In X-Richtung überlappt jedoch die erste Schicht 18 die zweite Schicht 19 (vgl. Fig. 2). Wenn nun eine Kraft in Y-Richtung auftritt, ändert sich die Überdeckung zwischen den beiden Schichten 18 und 19 in Y-Richtung, da die seitlichen Bereiche 20, 21 in Y-Richtung gleich lang ausgebildet sind. Im Gegensatz dazu wird bei einer Verschiebung der beiden Schichten 18 und 19 zueinander in X-Richtung die sich überdeckenden Flächen der ersten und zweiten Schichten 18 und 19 nicht verändert, sodass durch den Y-Sensor keine Kräfte ermittelt werden, welche in X-Richtung wirken. Wie schon beim X- Sensor 11 beschrieben, treten jedoch Kapazitätsänderungen in Z-Richtung infolge der Auflagekraft auf, welche jedoch herausrechenbar sind.

Zur besseren Verdeutlichung der Ausgestaltung der Sensoren ist in Fig. 3 nochmals eine perspektivische Darstellung des Y-Sensors 17 gezeigt. Die erste Schicht 18 und die zweite Schicht 19 sind voneinander in einem Abstand a angeordnet. Beide Schichten 18, 19 weisen eine fischgratähnliche Gestalt auf, bei der an einem mittleren Bereich jeweils zu beiden Seiten seitliche Bereiche angeordnet sind. Die Länge der seitlichen Bereiche in Y- Richtung, welche in Y-Richtung vom mittleren Bereich abstehen, ist bei der ersten und bei der zweiten Schicht 18 und 19 gleich. Wenn nun Kräfte auf den Reifen in Y-Richtung wirken, erfolgt eine Relativverschiebung zwischen den beiden Schichten 18 und 19 in Y-Richtung, wodurch sich die Überdeckung der beiden Schichten 18 und 19 ändert. Auf Grund dieser Änderung der Überdeckung der beiden Schichten 18 und 19 ändert sich die Kapazität, welche als Maß für die Größe der Kraft in Y-Richtung verwendet werden kann. Die Sensoren in X- und Z-Richtung arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie der Y-Sensor 17.

Um möglichst genaue Werte zu erhalten, sollte eine der beiden Schichten möglichst weit außen nahe der Lauffläche des Reifens angebracht werden, wo die größte Verformung und damit die größte Verschiebung in X- und Y-Richtung und Quetschung in Z-Richtung auftritt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der erfindungsgemäße Sensor aus drei Sensoreinheiten 8, 11 und 17, welche jeweils Kräfte in X-, Y- und Z-Richtung aufnehmen. Hierbei sind die drei Sensoreinheiten 8, 11 und 17 nebeneinander an der Lauffläche des Reifens angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Sensoreinheiten sich jeweils über die gesamte Lauffläche des Reifens erstrecken und in Schichten übereinander angeordnet sind. Weiter weisen die drei Sensoreinheiten 8, 11 und 17 in vorliegendem Ausführungsbeispiel eine fischgratähnliche Gestalt auf. Sie können jedoch auch in anderen geometrischen Formen, wie z. B. zackenförmig oder nur mit seitlichen Bereichen in einer Richtung ausgehend vom mittleren Bereich, ausgebildet sein.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor zur Messung von Kräften im Reifen. Der Sensor wird durch mindestens zwei partiell leitfähige Schichten 5, 6 gebildet, welche im Verformungsbereich des Reifens 1 angeordnet sind. Die leitfähigen Schichten 5, 6 können hierbei als Kondensator eingesetzt werden, um über die Änderung der Kapazität auf die am Reifen wirkenden Kräfte zurückzuschließen oder der Sensor arbeitet auf induktiver Basis, wobei aus der Änderung der induzierten Spannung auf die aufgetretenen Kräfte zurückgeschlossen wird.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (10)

1. Sensor zur Messung von Kräften in einem Reifen (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) aus mindestens zwei leitfähigen Schichten (5, 6) gebildet ist, welche im Verformungsbereich des Reifens (1) angeordnet sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (5, 6) als leitfähige Gummischichten ausgebildet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden leitfähigen Schichten (5, 6) einen Kondensator bilden.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von leitfähigen Schichten (9, 10; 12, 13; 18, 19) im Verformungsbereich des Reifens (1) angeordnet sind, um Kräfte in unterschiedlichen Richtungen zu erfassen.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Guard-Elektrode als äußerste Schicht der leitfähigen Schichten ausgebildet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Schichten (5, 6), welche den Kondensator bilden, unterschiedliche große Flächen aufweisen.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (5, 6), welche die größere Fläche aufweist, in Richtung der Laufseite des Reifens (1) angeordnet ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden leitfähigen Schichten (5, 6) mehrfach unterteilt ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Schichten mittels leitfähiger Kunststoffbahnen verdrahtet sind.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten aus Magnetgummi besteht und die andere Schicht als Spule ausgebildet ist.