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Die
Erfindung betrifft ein Reifenmodul zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen in Reifen
von Kraftfahrzeugen mit einer Umwandlungseinheit, in der Bewegungsenergie
in elektrische Energie umgewandelt wird, sowie ein Reifendrucküberwachungssystem.
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In
modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Vorrichtungen eingesetzt,
die Defekte und Fehlfunktionen verschiedener Bereiche im Kraftfahrzeug
frühzeitig
erkennen und dem Fahrer melden. Dazu gehört beispielsweise die Erfassung
des Reifenluftdrucks, um Defekte oder Unfälle, welche auf einen zu niedrigen
Reifenluftdruck zurückzuführen sind,
zu vermeiden. Bei vielen der bereits für diesen Zweck eingesetzten
Systeme ist jeweils ein Reifenmodul an jedem Rad, insbesondere im
Inneren des Reifens, angeordnet. Ein Reifenmodul umfasst meist mindestens
einen Sensor zur Erfassung eines Reifenparameters, insbesondere
des Reifenluftdrucks, sowie eine Sendeeinheit und gegebenenfalls
eine zugeordnete Auswerteelektronik. Die Versorgung der elektronischen
Komponenten mit elektrischer Energie kann beispielsweise durch eine
Batterie, einen Mikrogenerator mit piezoelektrischem Element oder eine
Transponderspule erfolgen.
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Bekannt
sind Mikrogeneratoren für
die Versorgung von Reifendrucküberwachungssystemen auf
der Basis von piezoelektrischen Materialien. Der piezoelektrische
Effekt basiert auf dem Effekt, dass bei der Verformung bestimmter
Materialien auf der Oberfläche
elektrische Ladungen auftreten. Beispielsweise wird mittels Druck
durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung üblicherweise in einer Keramik
erzeugt, d. h. durch den ausgeübten Druck
verschieben sich im Inneren Ionen, wodurch sich die Ladung proportional
zur einwirkenden Kraft verändert.
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Des
Weiteren sind Mikrogeneratoren beispielsweise für so genannte Schüttel-Taschenlampen
nach dem elektrodynamischen Prinzip mit Magnet und Spule bekannt.
Die Elektrodynamik, die dieser Form des elektrischen Generators
zugrunde liegt, basiert auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in
elektrische Energie. Bewegt sich ein elektrischer Leiter in einem
Magnetfeld senkrecht zu diesem, wirkt die so genannte Lorentzkraft
auf die Ladungen im Leiter in Richtung dieses Leiters und setzt
sie somit in Bewegung. Diese Ladungsverschiebung bewirkt eine Potentialdifferenz,
also eine elektrische Spannung, zwischen den Enden des Leiters.
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Um
einen Sensor für
eine Funkübertragung, beispielsweise
für Zustandsdaten
eines Reifens, mit ausreichender elektrischer Energie zu speisen,
müssen
im versorgenden Kondensator jede 100 m Fahrtstrecke Ladungen von
etwa 200 μC
gespeichert werden. Die Aufgabenstellung hierbei ist es, den Mikrogenerator
derart zu gestalten, dass er den Belastungen standhält, die
im Laufe der Lebensdauer eines Reifens auftreten. Idealerweise soll
der Mikrogenerator dabei ein Modul mit dem Funksensor bilden.
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Aus
der
DE 44 02 136 A1 ist
ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen
bekannt, bei dem auf einem Trägerkörper eine
Sensoreinheit, eine Auswerteelektronik und ein piezoelektrisches
Element angeordnet ist, das die übrigen
Systemkomponenten mit Energie versorgt. Das piezoelektrische Element
weist einen mehrschichtigen Aufbau auf.
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Die
DE 10 2004 046 193
A1 beschreibt einen Drucksensor zur drahtlosen Druckmessung
in einem Reifen sowie eine zugehörige
Antenneneinrichtung zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen
Feldern.
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Aus
der
DE 10 2006
003 825 A1 ist ein batterieloses Reifendruck-Überwachungssystem
bekannt, das über
einen Sensor Reifenparameter erfasst, wobei der Sensor eingangsseitig
mit einer Antenne verbunden ist, um ein moduliertes Mikrowellensignal
zu empfangen und über
eine Steuerschaltung einen Teil des modulierten Mikrowellensignals
in eine Versorgungsspannung umzuwandeln.
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In
der
EP 1 614 552 A1 wird
ein brückenförmiger Flicken
mit einem elektromechanischen Wandler zur Verwendung in einem Fahrzeugreifen
offenbart.
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Bei
der Verwendung eines Mikrogenerators zur Energieversorgung eines
Reifenmoduls, welches im Reifeninneren angebracht ist, muss sichergestellt sein,
dass der Mikrogenerator derart gestaltet ist, dass er den auftretenden
Belastungen während
der gesamten Lebensdauer des Reifens standhält. Dabei ist es von Vorteil,
wenn der Mikrogenerator mit den übrigen
Komponenten, beispielsweise dem Sensor und der Sendeeinheit, ein
Modul bildet.
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Während der
Lebensdauer des Reifens ist das Reifenmodul etwa 30–50 Millionen
Umdrehungen und somit einer gleichen Anzahl von Latschdurchläufen ausgesetzt.
Bei sehr hohen Geschwindigkeiten kann es pro Durchlauf zu Wechselbeschleunigungen
bis zu 5000 g kommen. Bei Langsamfahrten können bei Normaldruck des Reifens Biegungen
der Lauffläche
gegenüber
dem Normalzustand von bis zu 15° beobachtet
werden, bei Druckverlust des Reifens oder besonderen Belastungen, beispielsweise
Bordsteinauffahrten, kann die Biegung noch größer sein.
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Daher
ist ein Modul, das im Innern der Reifens an der Innenfläche angebracht
ist, diesen Belastungen ausgesetzt, wobei besonders die Wechselbeschleunigungen
und die Durchbiegungen der Lauffläche des Reifens bei den genannten
besonderen Belastungen hohe Ansprüche an die Robustheit des Reifenmoduls
sowie an die Flexibilität
der Befestigung des Reifenmoduls im Reifen stellen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Reifenmodul zur
Anbringung im Inneren eines Reifens anzugeben, das besonders robust
und zugleich leicht sowie kostengünstig und einfach zu montieren
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
die Umwandlungseinheit in einen Biegekörper integriert ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass zur Erreichung einer hohen Lebensdauer die beweglichen
Bereiche des Reifenmoduls, beispielsweise die Verbindung der oberen
Hälfte
mit der elektronischen Schaltung zur unteren Hälfte mit der Anbindung an den
Reifen, derart ausgelegt sein muss, dass die Bewegungen und Belastungen,
die der Reifen im Laufe seines Einsatzes erfährt, sowohl zu verkraften als
auch zu nutzen sind. Des Weiteren ist sicherzustellen, dass das
Reifenmodul derart robust ausgelegt und gegen auftretende Einflüsse geschützt ist,
dass es zumindest die gleiche Lebensdauer erreicht, die auch für den Reifen
vorgesehen ist. Darüber
hinaus ist vorzusehen, dass die notwendige elektrische Versorgung
der elektronischen Bauelemente über
die gesamte Einsatzdauer gewährleistet
ist.
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Um
eine möglichst
hohe, zyklenfeste Robustheit des Reifenmoduls zu erzielen, sollte
das Filmscharnier an den Befestigungsseiten zu weiteren Elementen
des Reifenmoduls vorteilhafterweise über einen Befestigungsbereich
verfügen,
der besonders geeignet für
beispielsweise eine mechanische Verbindung ist, wohingegen im Biegebereich
eine hohe Lebensdauer durch ein besonders flexibles Material zu
erzielen ist.
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Um
die Reifenbiegung innerhalb konstruktionsbedingter Grenzen in eine
Biegung der Oberseite des Biegekörpers
umzusetzen, ist der Biegekörper vorteilhafterweise
linsen- oder kissenförmig
ausgebildet.
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Die
Umwandlungseinheit kann beispielsweise auf der Oberseite des Reifenmoduls
angebracht sein. Dabei wird die Reifenbewegung allerdings nur begrenzt
abgebildet. Um demgegenüber
die größtmögliche Bewegung
des Reifenmoduls, die im Bereich der Verbindung der oberen zur unteren
Hälfte aufgrund
der seismischen Masse der oberen Hälfte und ihrer Bewegung relativ zur
unteren Hälfte
stattfindet, für
die Umwandlung in elektrische Energie zu nutzen, ist die Umwandlungseinheit
vorteilhafterweise im Bereich der Biegung des Filmscharniers angeordnet.
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Da
sowohl Dehnungs- als auch Biegungsmomente auf den Biegekörper einwirken,
ist die Umwandlungseinheit vorteilhafterweise auf Dehnung und Biegung
beanspruchbar und kann eine der Bewegungsarten für die Umwandlung in elektrische
Energie nutzen.
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Um
einen Biegewandler, beispielsweise PZT-Unimorph oder Bimorph, für die Erzeugung
von elektrischer Energie aus mechanischer Bewegung nutzen zu können sowie
vor nicht gedämpfter
Stoßbelastung
zu schützen,
ist die Umwandlungseinheit vorteilhafterweise auf der biegsamen
Oberseite des Biegekörpers
angeordnet.
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Damit
durch die Verformung des Reifens bei besonders hohen Belastungen
mit einer Veränderung
des Reifenradius und somit einer Veränderung des Kreissegments keine
Druck- oder Zugbelastung auf das Reifenmodul ausgeübt wird,
ist das Reifenmodul entgegen anderen Ausführungen, die in Form einer
Brücke
realisiert sind, vorteilhafterweise nur an einem Punkt mit der Lauffläche des
Reifens verbunden.
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Damit
die elektronischen Bauteile, die im Reifenmodul zur Aufnahme des
Reifenluftdrucks und zur Sendung eines entsprechenden Signals an
eine zugehörige
Auswerteeinheit möglichst
vor besonderen Belastungen, die auf den Reifen einwirken können, insbesondere
Stoßbelastungen,
geschützt
sind, er folgt ihre Anordnung zweckmäßigerweise auf der dem Reifenzentrum
zugewandten Seite des Reifenmoduls.
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Um
eine hohe Lebensdauer des Reifenmoduls als Folge einer flexiblen
Reaktion der Komponenten auf besonders hohe Belastungen zu erreichen,
sind die elektronischen Bauelemente oder eine Teilmenge davon vorteilhafterweise
auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet, die die elektrische
Verbindung der elektronischen Bauteile realisiert.
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Um
die Versorgung des Reifenmoduls und der ihm zugeordneten elektronischen
Bauteile mit elektrischer Energie zuverlässig sicherzustellen, arbeitet
die Umwandlungseinheit zweckmäßigerweise nach
dem elektrodynamischen oder piezoelektrischen Prinzip.
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Um
die Anzahl der Bauteile des Reifenmoduls sowie den Fertigungsaufwand
und die Fertigungskosten möglichst
gering halten zu können,
besteht das Filmscharnier oder für
die Stromerzeugung wesentliche Teile des Filmscharniers vorteilhafterweise
aus einem piezoelektrischen Material oder piezoelektrischem Polymer.
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Damit
die Erzeugung von elektrischer Energie zur Versorgung des Reifenmoduls
zuverlässig und
möglichst
unabhängig
von punktuellen Bewegungen der Lauffläche des Reifens erfolgen kann,
ist das piezoelektrische Material zweckmäßigerweise an zwei Orten angeordnet,
die räumlich
voneinander getrennt sind.
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Um
eine elektrodynamische Arbeitsweise der Umwandlungseinheit zu ermöglichen,
indem der Magnet in die Luftspule ein tauchen kann, sind der Magnet
und die Spule zweckmäßigerweise
auf den jeweils gegenüberliegenden
Seiten des Reifenmoduls angeordnet.
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Die
Bauhöhe
des Reifenmoduls ist aus Gründen
der Belastung bei auftretenden Beschleunigungen, insbesondere bei
hohen Geschwindigkeiten und Wechselbeschleunigungen, möglichst
gering zu halten, um die auftretenden Hebelkräfte zu minimieren. Daher ist
die Spule der Umwandlereinheit zweckmäßigerweise als planare Spule
ausgebildet.
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Um
die planare Spule vor äußeren Einflüssen, beispielsweise
Feuchtigkeit durch Kondenswasserbildung im Reifen, zu schützen, ist
sie vorteilhafterweise in einer leiterbeschichteten Folie angeordnet.
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Damit
die elektrische Verbindung der elektronischen Bauteile im Reifenmodul
untereinander sichergestellt und nicht äußeren Einflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit
durch Kondenswasserbildung im Reifen, ausgesetzt ist, sind die Leiterbahnen
zweckmäßigerweise
in einer geschlossenen Folie angeordnet.
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Um
die vorhandenen Elemente der elektronischen Schaltung auslegungsbedingt
mehrfach nutzen zu können
und keine separaten Elemente vorsehen zu müssen, ist eine Anzahl der Leiterbahnen
vorteilhafterweise als Antenne für
des Senden der Statusinformationen zum Zustand des Reifens ausgelegt.
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Um
das Reifenmodul gegen die Lebensdauer beeinträchtigende Fremdeinwirkungen
wie beispielsweise Nässe
oder Dampfbeaufschlagung durch Kondenswasserbildung und/oder Verdunstung im Reifen
zuverlässig
zu schützen,
ist das Reifenmodul vorteilhafterweise durch eine Laminierung geschützt.
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Um
die obere Hälfte
des Reifenmoduls mit den elektronischen Bauelementen vor hohen Beschleunigungskräften und
abrupten Stoßeinwirkungen
zu schützen,
ist vorteilhafterweise in dem Reifenmodul zwischen der oberen und
der unteren Seite ein geeignetes dämpfendes Material vorgesehen.
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Um
eine Überdehnung
des Biegekörpers durch
eine besonders hohe Beschleunigung und einen Bruch der elektronischen
Bauelemente des Reifenmoduls zu verhindern, ist das Reifenmodul
vorteilhafterweise mit einer geeigneten Zugentlastung ausgestattet,
die die maximale Ausdehnung des Biegekörpers begrenzt.
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Damit
die Zugentlastung des Reifenmoduls zuverlässig fixiert und gegen Abrutschen
gesichert werden kann, ohne die Flexibilität des Reifenmoduls im Reifen
einzuschränken,
weist das Reifenmodul an geeigneter Stelle eine Taillierung auf.
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Vorteilhafterweise
findet das Reifenmodul in einem Reifendrucküberwachungssystem in einem Kraftfahrzeug
Verwendung.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass ein Reifenmodul gemäß der Erfindung
sicher, zuverlässig
und einfach im Reifen befestigt werden kann und aufgrund der Ausführung als
Biegekörper
kostengünstig
zu fertigen ist und eine zuverlässige Übermittlung
von Reifenzustandsdaten sicherstellt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur
in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Reifenmodul.
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Die
Figur zeigt einen Reifenausschnitt 1 gemäß der Erfindung
mit einem Reifenmodul 2, das in dieser Ausführungsform
als robustes Reifendrucksensor-Modul mit einem Mikrogenerator in
Form einer Piezofolie 4 in linsenförmiger Bauart ausgebildet ist.
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Für eine besonders
geeignete Ausbildung der Piezofolie 4 ist diese als Filmscharnier
ausgelegt. Der besondere Vorteil liegt hierbei in einer zyklenfesten
Nutzung, da mehr als 50 Millionen Belastungszyklen während der
Lebensdauer des Reifens vorgesehen sein sollen. Des Weiteren ist
eine besonders kostengünstige
Fertigung zu erzielen.
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Unter
einem Filmscharnier wird üblicherweise
ein Verbindungsbereich oder eine Anbindung beispielsweise in Form
eines Gelenks zwischen mindestens zwei Teilen verstanden, welche
wiederholt relativ zueinander bewegt und/oder geklappt werden sollen.
Das Filmscharnier und die angrenzenden Teile können einteilig ausgeführt oder
durch geeignete Mittel, beispielsweise Verklebung, miteinander verbunden
sein. Dabei kann das Filmscharnier durch Verringerung der Materialstärke, beispielsweise
im Biegebereich des Gelenks, realisiert werden oder in besonders
vorteilhafter Ausführung
aus einem genügend elastischen
Material gewählt
werden, vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff oder Gummi.
Des Weiteren können
die im Biegekörper
vorgesehenen Filmscharniere als piezoelektrischer Biegewandler ausgeführt sein,
hierbei in besonders günstiger
Ausführungsform
als PVDF-Bimoprh.
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Für das Reifenmodul 2 ist
aus Gründen
der Robustheit und der Art der Reifenverformung im Latschdurchlauf
eine Montage an einem einzigen Befestigungspunkt 6 auf
dem Innerliner des Reifens 8 wichtig.
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Der
Träger 12 hat
von der Seite betrachtet die Außenkontur
einer Linse oder eines Kissens, in dessen Rändern sich links und rechts
die Generatorfolien 4 befinden. Die elektronische Schaltung 16 ist oben
auf dem Reifenmodul 2 in Form einer flexiblen Platine,
bestehend aus dünnem
Epoxid oder Kapton, angeordnet.
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Bei
einem derartigen Einsatz nutzt der als Generatorfolie 4 ausgebildete
Mikrogenerator sowohl die Latschverformung mit ca. 15°-Biegung
am Innerliner 8 als auch die Beschleunigung, wobei hier
besonders hervorzuheben ist, dass die elektrische Baugruppe 16 selbst
die seismische Masse bildet.
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Der
Mikrogenerator kann auch in die elektrische Baugruppe 16 integriert
sein oder als separater Baustein 15 auf der oberen Seite
des Reifenmoduls in räumlicher
Nähe zur
elektrischen Baugruppe 16 angeordnet sein. In diesem Bereich
des Biegekörpers
ist die Biegung nicht so stark wie in der als Filmscharnier ausgebildeten
Piezofolie 4, aber die Belastung, die auf diesen bereich
wirkt, ist auch geringer.
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Die
Generatoren 12 und die elektrische Baugruppe 16 sind
durch eine umlaufende linsenförmige oder
zweiteilige kissenförmige
Kaptonfolie mit Leiterbahnen elektrisch verbunden. Das gesamte Gebilde aus
PVDF, Kaptonfolie und Bauelementen kann leicht durch einen Laminierungsprozess
hergestellt wer den. Die Piezofolie 4 kann auf diese Weise
vor depolarisierender Feuchtigkeitseinwirkung geschützt werden.
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Zusätzliche
Leiterbahnen in der Kaptonfolie können als Sendeantenne ausgebildet
werden. Es ist bekannt, dass räumliche
Antennen, die Abstand zur Schaltungsmasse habe, einen besseren Antennenwirkungsgrad
erreichen als Flachleiterantennen.
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Um
die hohen Beschleunigungen auf die Elektronik 16, mit denen
die elektronische Baugruppe 16 auf den Innerliner 8 des
Reifens aufschlägt,
zu dämpfen,
wird in die offene Mitte des Gebildes ein Dämpfungselement 18,
beispielsweise aus offenporigem oder geschlossenporigem Kunststoff,
getränktem
Papier oder Folienwickel, eingebracht.
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Zur
Umwandlung von mechanischer Bewegung in elektrische Energie soll
die Reifenverformung genutzt werden, die im Latschdurchlauf auftritt. Da
das Dämpfungselement 18 aber
ausschließlich dafür vorgesehen
ist, einen Druckimpuls abzufangen, wird eine weitere Maßnahme gegen
auftretende Zugbelastungen benötigt,
damit Energiewandler, die an den Seiten oder auf der Oberseite des
Biegekörpers
angebracht sind, nicht überdehnt
werden. Als Zugentlastung kann beispielsweise ein Faden 20 um den
Körper
des Reifenmoduls 2 gewickelt oder anderweitig angebracht
werden, wobei das Reifenmodul 2 an geeigneter Stelle zweckmäßigerweise
tailliert wird, damit der Faden oder eine andere Zugentlastung nicht
abrutschen kann.
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Für einen
Einsatz des Reifenmoduls 2, der außer der Druckerkennung auch
die Roll- und Rollrichtungserkennung zur Aufgabe hat, ist eine Zweiteilung
des Wandlers sinnvoll. Das bedeutet, in beiden Flanken des Reifenmoduls 2 Generatorfolien 4 unterzubringen,
weil die beiden Generatoren 4 dann zusätzlich zur Hauptfunktion zeitversetzt
ansprechen, woraus grundsätzlich
ein -Rollverhalten sowie die Rollrichtung erkannt werden kann. Es
ist bereits bekannt, dass die Rollrichtungserkennung ein wichtiger Baustein
in der Realisierung der so genannten Autolocation ist, speziell
der Erkennung der Radposition links oder rechts von der Fahrzeugmitte.
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Ein
Mikrogenerator, basierend auf dem elektrodynamischen Prinzip, kann
ebenfalls mittels Filmscharnieren und Linsenkontur realisiert werden.
Dabei wird auf der Unterseite des Trägers 12 ein Magnet eingeklebt
und die Oberseite als planare Spule beispielsweise mit leiterbeschichteter
Kaptonfolie realisiert.
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- 1
- Reifenausschnitt
mit Reifenmodul
- 2
- Reifenmodul
- 4
- Piezofolie
- 6
- Befestigungspunkt
- 8
- Innerliner
des Reifens
- 12
- Träger
- 15
- Mikrogenerator
- 16
- elektronische
Schaltung (elektronische Bauelemente)
- 18
- Dämpfungselement
innen
- 20
- Zugentlastung