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Die
Erfindung betrifft eine Radelektronikanordnung mit batterielosem
Energiegenerator gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
Energiegenerator in einer Radelektronik nutzt die physikalischen Änderungen
von Kräften/Zuständen während der
Drehbewegung eines Rads an einem definierten Bereich im Rad zur
Energiewandlung. Diese Änderungen,
z.B. mechanische Deformationen, erzeugen typische Änderungen
von Spannung, Strom bzw. Leistung am Energiewandler. Die Radelektronik
kann diese Energie beispielsweise zur Übermittlung von Signalen einsetzen.
Bekannte Systeme setzen hierzu Piezo-Materialien ein.
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Es
ist auch denkbar, in einer Radelektronik eines Kraftfahrzeugs die
aus einem Wechsel der Gravitationskraft entstehende Energie in elektrische
Energie umzuwandeln. Dabei sollen Vibrationen positiv zur Energiewandlung
beitragen, aber nicht zwingend notwendig sein, da Vibrationen nur
zufällige
Einflüsse
sind.
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Ausgehend
von bekannten mechanischen Betrachtungen, die sich auf wirkende
Kräfte
auf ein bewegtes Rad beziehen, wird im Folgenden der bisherige Stand
der Technik anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine bewegliche Masse an einem Rad
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2a, 2b, 2c zeigen
schematisch eine tangential bewegliche Masse an einem Rad
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3a und 3b zeigen
schematisch eine Masse, die als Pendel wirkend an einem Rad angeordnet ist
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4 zeigt
schematisch ein Rad, eine Masse und die auf die Masse wirkenden
Kräfte
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1 zeigt
ein frei schwingendes Rad 2 mit Radius r0,
an dem eine Masse 1 über
einen Stab 5 mit einer festen Länge an einem Befestigungspunkt
befestigt ist. Die Masse 1 kann um den Befestigungspunkt, ähnlich einem
Pendel, schwingen. Auf die Masse 1 wirken die drehfrequenzabhängige Fliehkraft
Fz und die Gewichtskraft Fg der
Masse 1. Ferner ist in 1 der Wegunterschied
einer halben Umdrehung dh eingezeichnet, aus dem die Energie Eh
einer halben Umdrehung berechnet werden kann. Die Richtung der Gewichtskraft Fg auf die Masse bzw. den Masseschwerpunkt ändert sich
mit dem Drehwinkel des Rads 2. Die ständige Richtungsänderung
der Gewichtskraft Fg auf den Masseschwerpunkt
kann in eine oszillierende Bewegung der Masse 1 umgewandelt
werden. Diese Bewegung wiederum kann mit einer entsprechenden Dämpfungsvorrichtung
in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Um
eine Masse in Schwingung zu versetzen sind derzeit das so genannte
tangentiale Pendel und das so genannte radiale Pendel bekannt, die
im Folgenden beschrieben werden.
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In
den 2a, 2b und 2c ist
jeweils eine Masse 1 mit einer tangentialen Bahnkurve 4 dargestellt.
Der Abstand der tangentialen Bahnkurve 4 zum Radmittelpunkt
ist über
den Radius R und den Winkel β definiert.
In 2a ist die Masse 1 mittig auf der Bahnkurve,
d.h. nicht ausgelenkt, angeordnet. In 2b ist die
Masse 1 ausgelenkt. 2c zeigt
eine Darstellung mit den wirkenden Kräften, wobei Fzt die
tangentiale Kraft, Fza die vertikal wirkende
Kraft und Fz die resultierende Kraft darstellen.
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Die
tangentiale Bahnkurve 4 der Masse 1 auf dem Rad 2 entspricht
einer labilen Lagerung. Die Masse 1 bewegt sich auf der
tangentialen Bahnkurve 4 vergleichbar mit einem tangentialen
Pendel. Das Problem beim tangentialen Pendel wird schon bei einer
kleinen Auslenkung sichtbar, da die tangentiale Kraft Fzt mit
größerer Auslenkung
zunimmt. Die tangentiale Kraft Fzt, die
proportional zur Beschleunigungskomponente in tangentialer Richtung
wirkt, vergrößert sich
mit dem Abstand der Masse 1 vom Tangentenpunkt, der in
der Ausgangslage zentriert ist, und der Drehzahl des Rads 2.
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Abhängig von
der Auslenkung bzw. vom Auslenkwinkel β erhöht sich die auf die Masse
1 wirkende tangentiale
Kraft F
zt. Dies ist anhand des nachfolgenden
Zahlenbeispiels verdeutlicht.
| Fahrzeuggeschwindigkeit | Frequenz
[Hz] | Zentrifugalbeschleunigung ohne
Auslenkung | Tangentialbeschleunigung ohne
Auslenkung | Tangentialbeschleunigung mit
Auslenkung (~ Fzt) | Auslenk
-winkel β |
| 20
km/h | 2,8
Hz | 5,7
g | 0,0
g | 0,1
g | 1,4 ° |
| 50
km/h | 7,0
Hz | 35,6
g | 0,0
g | 0,6
g | 0,9 ° |
| 80
km/h | 11,1
Hz | 91,2
g | 0,0
g | 0,9
g | 0,6 ° |
| 120
km/h | 16,7
Hz | 205,3
g | 0,0
g | 1,2
g | 0,3 ° |
| 160
km/h | 22,3
Hz | 364,9
g | 0,0
g | 1,3
g | 0,2 ° |
| 200
km/h | 27,9
Hz | 570,2
g | 0,0
g | 1,4
g | 0,1 ° |
| 250
km/h | 34,8
Hz | 890,9
g | 0,0
g | 1,4
g | 0,1 ° |
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Auf
die Erdbeschleunigung von 1g bezogen wird durch oben genanntes Beispiel
ersichtlich, dass ab einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 120km/h die
Tangentialbeschleunigung bei einer ausgelenkten Masse größer ist
als die Erdbeschleunigung. Daraus ergibt sich bei dem Wandlersystem
eine blockierende Kraft, welches das schwingende Pendel blockiert.
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Zur
Rückstellung
der Masse 1 ist eine Kraft, z.B. durch eine Feder oder
ein Eigengewicht der schwingenden Masse 1, nötig. Am
Beispiel einer Feder kann dies durch die Biegesteifigkeit eines
Piezomaterials erreicht werden. Ein solches Prinzip funktioniert
gut in einem eng abgestimmten Drehzahlbereich, was bei der Applikation
Reifendruckkontrolle nicht möglich
ist. Dadurch kann das tangentiale Pendel nur unter gewissen Einschränkungen
die Energiewandlung gewährleisten.
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Die 3a und 3b zeigen
ein frei schwingendes Rad 2, an dem eine Masse 1 über einen
Stab 5 mit einer festen Länge an einem Befestigungspunkt
befestigt ist. Die Masse 1 kann um den Befestigungspunkt, ähnlich einem
Pendel, schwingen. Das Pendel ist in Fliehkraftrichtung ausgerichtet.
Die Gewichtskraft versucht die Masse 1 auszulenken. Die
Fliehkraft drückt
die Masse 1 mit der Kraft Fm ins
Zentrum, welches, bedingt durch die Fliehkräfte, in radialer Richtung ausgerichtet
ist. Die zentrierende Kraft steigt mit der Fliehkraft bzw. Drehzahl
und dem Auslenkungswinkel des Pendels. Je kürzer das Pendel ist, je größer wird
die zentrierende Kraft, weil der Winkel φ bei gleicher linearer Auslenkung
ansteigt.
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Bei
hohen Geschwindigkeiten entstehen Zentrifugalbeschleunigungen von über 1000
g. Dabei wird das Problem des Kraftverhältnisses zwischen der zentrierenden
Kraft zur auslenkenden Kraft von > 1000/1
ersichtlich.
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4 zeigt
ein Rad 2, an dem über
einen Pendelstab 5 eine Masse 1 befestigt ist.
Die bei der Drehung des Rads 2 auf die Masse wirkenden
Kräfte
sind ebenfalls dargestellt. Dabei kennzeichnen Fz die
Zentrifugalkraft, Fg die Gewichtskraft und
Fm die der Rotationsbewegung entgegenwirkende
Kraft. Ebenfalls dargestellt ist die Länge dh, auf deren Basis die
benötigte
Energie für
eine halbe Umdrehung nach der Beziehung Eh = m·g·dh berechnet
wird.
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Im
Folgenden wird die Berechnung der Länge dh aus den wirkenden Drehmomenten,
die sich aus den gekennzeichneten Größen in der
4 ergeben,
abgeleitet:
dh = sinα*l MZ = aZ*m*dh; MZ = aZ*m*sinα*l MS = k*sinα*l2 MG =
g*m*cosα*l MG = MZ +
MS; g*m*cosα*l = aZ*m*sinα*l + k*sinα*l2 g*m*cosα = (aZ*m* + k*l)*sinα dh = sinα*l -
Dabei
ist l die Länge
des Stabs 5, m die Masse, α der Winkel zwischen der resultierenden
Kraft Fr und Fz,
az die Zentrifugalbeschleunigung und g die
Erdbeschleunigung. Darüber
hinaus ist MZ das zentrifugale-, MG das Erdbeschleunigungs- und MS das Stabilisierungs-Drehmoment;
k ist die Federsteifigkeit des Pendels.
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Die
radiale Pendellänge
und der daraus resultierende Bahnradius sind durch die mögliche Bauhöhe der Radelektronik
begrenzt. Die maximale Bauhöhe
richtet sich nach der Tiefe des Felgenbettes, die bei PKW Reifen
ca. 17 mm beträgt.
Wegen der bauartbedingten Wandstärken
und der Einspannung des Pendels, bleibt für eine realisierbare Pendellänge ca.
10 mm. Bei konstantem Auslenkwinkel ist die aus dem Pendel gewonnene
Energie neben der schwingenden Masse von der Pendellänge bzw.
dem Bahnradius abhängig.
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Zur
Verbesserung der Energie-Gewinnung beim tangentialen und radialen
Pendel wäre
eine hohe Pendellänge
bzw. ein großer
Bahnradius der schwingenden Masse von Vorteil.
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Soweit
bekannt, basieren die bisherigen Lösungen auf den oben beschriebenen
Grundideen. Die Ausführungen
sind jedoch nur in sehr engen Grenzen anwendbar.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Energieumwandlung
eine Anordnung einer vibrierenden Masse an einer Radelektronik vorzuschlagen,
die im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Energieausbeute
und leichtere Implementierbarkeit im Rad gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination
miteinander eingesetzt werden können,
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Ausgehend
von der aus dem Stand der Technik bekannten 3b kann
die Energieausbeute mit einem definierten Bahnradius maximiert werden,
denn die Energiegewinnung ist abhängig von dem Gewicht und der
Amplitude der schwingenden Masse. Der Pendelradius der schwingenden
Masse sollte kleiner als der umlaufende Bahnradius der Masse auf
der Felge sein, jedoch so groß wie
möglich,
um diese rückstellende
Kraft zu minimieren, da diese mit Zunahme des Auslenkwinkels zunimmt.
Dies sorgt für
einen zuverlässigen
zentrierenden Effekt – siehe
rückstellende
Kraft Fm.
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Der
Vergleich von verschiedenen Pendellängen unter zu Hilfe nahme der
oben beschriebenen Rechnung zeigt den Einfluss von verschiedenen
Pendellängen
auf die Amplitude der Masse:
| Radidentifikation | 195/65
R15 |
| Radumfang | 634,5
mm |
| Sensordurchmesser | 364,8
mm |
| Beschleunigung | 9,81
m/s2 |
| Masse | 15
g |
| Federkraft
des Pendels | 10
N/m |
| | Geschwindigkeit | 20
km/h | 50
km/h | 100
km/h | 200
km/h | 250
km/h |
| Frequenz | 2,8
Hz | 7,0
Hz | 13,9
Hz | 27,9
Hz | 34,8
Hz |
| FZ | 5,7
G | 35,6
G | 142,5
G | 570,2
G | 890,9
G |
| Pendellänge | |
| 12
mm | dl, Auslenkung der Masse | 1820,0 μm | 329,1 μm | 83,7 μm | 21,0 μm | 13,5 μm |
| 40
mm | 4717,4 μm | 1042,6 μm | 275,4 μm | 69,8 μm | 44,8 μm |
| 80
mm | 7153,6 μm | 1947,2 μm | 540,6 μm | 139,0 μm | 89,3 μm |
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Je
höher die
freie Auslenkung des Pendels ist, je mehr Energie kann abgegriffen
werden.
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Bei
einer Verwendung einer Pendellänge
von 12 mm, bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 km/h ist näherungsweise
eine Amplitude von ~330 μm
erreichbar. Erhöht
man die Pendellänge
auf 80 mm kann eine Auslenkamplitude von 1950 μm erreicht werden. Dies führt zu einer
erhöhten
Energieausbeute.
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Die
maximal mögliche
Auslenkung wird durch die Federsteifigkeit und durch die Bedämpfung des
Systems begrenzt. Die Energiegewinnung des Generators bedeutet eine
Bedämpfung.
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Erfindungsgemäß umfasst
eine Radelektronikanordnung einen batterielosen Energiegenerator
mit einem Lagersystem in einem Rad, das eine bewegliche Masse umfasst,
die mit dem Energiegenerator verbunden ist, wobei das Lagersystem
auf einer Kreissegmentbahn angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kreissegmentbahn
auf der Felgenlauffläche eines
Rads angeordnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Lagersystem
als Kugellager ausgebildet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Lagersystem
als Rollenlager ausgebildet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Kugellagersystem
als Magnetlager ausgebildet.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in Bezugnahme auf
die weiteren Abbildungen erläutert.
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Darin
zeigen schematisch:
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5a bis 5g verschiedene
Ansichten einer beweglichen Masse auf einem Gestell mit einem Segmentlager;
und
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6a eine
bewegliche Masse auf einer Kreissegmentbahn ohne Auslenkung;
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6b eine
bewegliche Masse auf einer Kreissegmentbahn mit Auslenkung;
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder vergleichbare Komponenten.
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Die 5a und 5b zeigen
eine Schrägsicht
eines Lagersystems 10 mit einer beweglichen Masse 13,
einem Gestell 12 und einem Segmentlager 11, das
die bewegliche Masse 13 und das Gestell 12 miteinander
verbindet. Die bewegliche Masse 13 und das Gestell 12 sind
dabei so ausgestaltet, dass jeweils beidseitig eine Nut ausgefräst ist,
in der das Segmentlager eingepasst wird.
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Die
Pendellänge
bzw. Bahnkurve kann mittels eines Segmentlagers 11 optimiert
realisiert werden. Mit dem Segmentlager 11 kann die Pendellänge der
Masse 13 ohne Einfluss auf die Baugröße nahezu beliebig eingestellt
werden. Durch Variation des Radius am Gestell 12 und an
der beweglichen Masse 13 kann die Pendellänge optimiert
werden. Nur eine bestimmte Bahnkurve erlaubt eine optimale Energieausbeute
unter der Berücksichtung
der Faktoren:
- • Federsteifigkeit,
- • Rückstellende
Kräfte
- • Bedämpfung
- • Evt.
Resonanzen in bestimmten Drehzahlbereichen
- • Lagetoleranzen
bei der Montage
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Die
Anforderung an das Segmentlager 11 ist eine sehr geringe
Reibung. Die antreibende Kraft kann bis zu einem 1/1000 kleiner
sein, als die Kraft, die das Lager abstützen muss.
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Mögliche Ausführungen
des Segmentlagers sind
- • Kugellager (siehe Ausführungsbeispiel)
- • Rollenlager
- • Magnetlager
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5c zeigt
nochmals die Einzelteile der Anordnung aus den 5a, 5b und 5d-5h die bewegliche Masse 13, das
Gestell 12 und das Segmentlager 11.
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5d zeigt
eine Seitenansicht der Anordnung aus den 5a-5c,
wobei der Krümmungsradius der
Anordnung durch die Krümmung
des Gestells mit Radius R angezeigt wird.
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5e zeigt
eine Draufsicht der Anordnung aus den 5a-5d mit
einer angezeigten Bewegungsrichtung „Oszillation" der beweglichen
Masse 13.
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5f und 5g zeigen
eine Vorderansicht der Anordnung aus den 5a-5e,
einerseits als schematischen Aufbau in 5f, und
andererseits als dreidimensionales Bauteil in 5g.
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6a zeigt
eine bewegliche Masse 13 auf einer Kreissegmentbahn 14,
wobei die Masse 13 zentriert auf der Kreissegmentbahn 14 angeordnet
ist, also ohne Auslenkung.
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6b zeigt
eine bewegliche Masse auf einer Kreissegmentbahn, wobei die Masse
abweichend von der zentrierten Position angeordnet ist, also mit
Auslenkung.
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Die
Erfindung bietet folgende Vorteile:
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- Optimierte energieautarke Versorgung der Radelektronik
- Erhöhte
Energieausbeute
- Sicherheit
- Höheres Überwachungsintervall
des Reifens
- Geringe Bauhöhe,
kompakte Bauweise
- Überwachung
des Reifens im gesamten Geschwindigkeitsbereich ist gewährleistet
- Keine Lebensdauer-Begrenzung
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Die
vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Reifendrucksysteme für Kraftfahrzeuge.
