DE102007010780A1

DE102007010780A1 - Reifenmodul mit piezoelektrischem Wandler

Info

Publication number: DE102007010780A1
Application number: DE102007010780A
Authority: DE
Inventors: Sighard Dr. Schräbler; Andreas Pohlmann; Andreas Heise; Stefan Kammann; Markus Neumann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2027-03-03
Also published as: DE102007010780B4

Abstract

Ein Reifenmodul (4) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen mit einem piezoelektrischen Wandler mit einer Anzahl von Trägermitteln, auf denen elektronische Bauelemente angeordnet sind, wobei das jeweilige Trägermittel in mindestens einem Bereich als Federelement ausgebildet ist oder mit mindestens einem Federelement verbunden ist, und wobei das Federelement mit piezoelektrischem Material (20) gekoppelt ist oder aus piezoelektrischem Material (20) besteht, soll ein verbessertes Reifenmodul (4) mit piezoelektrischem Mikrogenerator (34) zur Anbringung im Inneren eines Reifens (1) bereitstellen, das eine besonders hohe Lebensdauer aufweist und möglichst effektiv die Energieversorgung des Reifenmoduls (4) während der gesamten Lebensdauer des Reifens (1) sicherstellt. Dazu kann das Trägermittel und/oder das Federelement flüssigkeitsgedämpft sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reifenmodul gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie dessen Verwendung in einem Reifendrucküberwachungssystem.
Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, Reifenzustandsgrößen mit einem energieautarken System zu ermitteln.
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.
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.
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.
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.
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.
Die DE 10 2004 031 810 A1 benennt ein Reifenkontrollsystem, das über ein piezoelektrisches Element, das innerhalb des Reifens angeordnet ist, elektrische Energie wandelt.
Aus der DE 43 29 591 C2 ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Reifenluftdrucks bekannt, das über einen Sensor das Ausmaß der Verformung des Reifens beim Latschdurchlauf einen elektrischen Impuls erhält und eine Auswerteeinheit das Ausmaß der Verformung ermittelt.
Die DE 103 29 700 A1 beschreibt ein Verfahren, das aus der Reifenumdrehungsgeschwindigkeit sowie aus der Latschlänge und der Verformung über einen differenzierenden Sensor die Radlast und den Reifenluftdruck ermittelt.
In der DE 10 2004 001 250 B4 wird eine Vorrichtung offenbart, die aus der Verformung des Reifens beim Latschdurchlauf in Kurven über Sensoreinheiten die Seitenpositionen der Räder bestimmt.
Die DE 10 2005 000 996 A1 sieht vor, dass ein Federelement eines Reifenmoduls als Stab-, Torsions- oder Blattfeder ausgebildet ist. An einem nicht eingespannten Ende des Federelementes ist eine seismische Masse angeordnet, die durch das Abrollen des Reifens mit einem Impuls beaufschlagt wird. Durch die Lagerung der seismischen Masse an dem Federelement entsteht ein Feder-Masseschwinger, der im Gegensatz zu herkömmlichen piezoelektrischen Energiewandlern einen erhöhten Wirkungsgrad hat. Die Schwingung wird dadurch erzeugt, dass das Reifenmodul sich während des Abrollens bei jedem Lastdurchtritt auf einer geraden Bahn bewegt, während es sich nach dem Latschaustritt auf einer Kreisbahn bewegt. Während der Kreisbahn wirkt die Zentripetalkraft auf die seismische Masse, im Latsch ist sie idealerweise kraftfrei. Durch die Zentripetalkraft wird der Feder-Masse-Schwinger ausgelenkt und strebt im Latsch die Rückkehr in seine Ruhelage an. Es kommt zu Über- und Nachschwingungen, wodurch sich die seismische Masse auch während er Phasen konstanter Kraft, also zwischen den Übergängen, in Bewegung ist. Dies ist für die elektrische Energiewandlung besonders günstig.
Eine Weiterbildung dieser Erfindung sieht vor, dass das Federelement in einem Gehäuse eingespannt ist und in Bewegungsrichtung zumindest ein piezoelektrisches Element mit dem Federelement gekoppelt ist. Das piezoelektrische Element wandelt die Bewegungsenergie des Feder-Masseschwingers in elektrische Energie um, die ihrerseits an Verbraucher weitergeleitet werden kann. Vorteilhafterweise sind piezoelektrische Elemente in jeder Bewegungsrichtung des Federelements mit diesem gekoppelt, so dass bei einer Schwingung in den jeweiligen Ebenen in beiden Auslenkrichtungen von beiden piezoelektrischen Elementen elektrische Energie erhalten werden kann.
Bekannt sind Mikrogeneratoren für die Versorgung von Reifendrucküberwachungssystemen auf der Basis von piezoelektrischen Materialien. Der piezoelektrische Effekt basiert darauf, 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, wo durch sich die Ladung proportional zur einwirkenden Kraft verändert.
Bei der Verwendung eines Mikrogenerators zur Energieversorgung eines Reifenmoduls, welches im Reifeninneren angebracht ist, muss sichergestellt werden, dass der Mikrogenerator so gestaltet ist, dass er den Belastungen während der gesamten Lebensdauer des Reifens standhält. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Mikrogenerator mit den übrigen Komponenten, wie z. B. den Bauteilen, ein kompaktes Modul bildet.
Zur Erzielung einer kompakten Bauweise ist das piezoelektrische Element bzw. sind die piezoelektrischen Elemente unmittelbar auf dem Federelement befestigt, so dass eine Auslenkung des Federelementes zu einer Dehnung oder Stauchung der piezoelektrischen Schicht führt und an den entsprechenden Kontaktflächen eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann.
Da sich bei sehr hohen Geschwindigkeiten sehr hohe Beschleunigungskräfte einstellen, besteht bei dieser Ausführung die Gefahr, dass eine Feder bricht, wenn sie frei eingespannt ist. Daher kann vorgesehen sein, dass in dem Gehäuse Anschläge in Bewegungsrichtung des Federelementes ausgebildet sind, die eine Bewegung der Feder begrenzen. Vorteilhafterweise sind die Anschläge so ausgebildet, dass sie der Biegelinie des Federelementes entsprechen oder aber eine zu der Biegelinie des Federelementes geringere Krümmung aufweisen. Dadurch ist es möglich, dass das Federelement auf den Anschlägen abrollt, so dass die mechanischen Belastungen des Federelementes reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass der seismischen Masse ein Amplitudenbegrenzer zugeordnet ist, um eine Zerstörung bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu vermeiden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Reifenmodul mit piezoelektrischem Mikrogenerator zur Anbringung im Inneren eines Reifens bereitzustellen, das eine besonders hohe Lebensdauer aufweist und möglichst effektiv die Energieversorgung des Reifenmoduls während der gesamten Lebensdauer des Reifens sicherstellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Reifenmodul gemäß Anspruch 1 gelöst.
Unter einer Blattfeder wird in Verallgemeinerung eine elastische, flächige Feder verstanden, welche Biegeschwingungen durchführen kann. Dabei kann die Form der Fläche beliebig sein. In einfachsten Fall handelt es sich um eine rechteckige Blattfeder. Aber auch komplizierte Formen, beispielsweise durch Ausstanzen hergestellt, sind denkbar. Als Beispiel sei eine Blattfeder mit mäanderförmiger Grundfläche genannt.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Reifenmoduls in einem Reifendrucküberwachungssystem.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.
Während der rotatorischen Bewegung 2 des Reifens 1 eines Kraftfahrzeugs, Motorrades, Nutzfahrzeuges, Flugzeugs oder Fahrrads, wie in 1 dargestellt, wirkt die Zentripetalbeschleunigung auf ein Reifenmodul 4, welches im Bereich des Reifen-Innerliners angeordnet, insbesondere mit dem Reifen-Innerliner verbunden, ist. Befindet sich das Reifenmodul 4 innerhalb der Aufstandsfläche 6, wirkt hingegen nur die Erdbeschleunigung. Bei Ein- und Austritt in diesen so genannten Latschdurchlauf verringert sich der Radius des Reifens 1 durch die Abplattung und es kommt zu einer Beschleunigungsüberhöhung, wie schematisch in 2 dargestellt:
Die horizontale Achse des Koordinatensystems stellt den Umlaufwinkel dar, die vertikale Achse die radiale Beschleunigung nach außen. Der durch den Latschein- sowie -austritt begrenzte Latschdurchlauf 8 sowie die Zentripetalbeschleunigung 10 erzeugen beim Latschein- und -austritt zwei Überhöhungen 12.
Ein Reifenmodul 1, welches eine Beschleunigungsänderung zur Energieumwandlung ausnutzt, benötigt nach W = m·a·s (die Arbeit/Energie ergibt sich aus dem Produkt von Masse, Beschleunigung und Wegstrecke) zwangsläufig eine Masse, die durch die Beschleunigung ausgelenkt wird. Diese Masse kann beispielsweise durch den Bauteileträger und die Bauteile selbst dargestellt werden, wie in 3 dargestellt. Während der Wirkung der Zentripetalbeschleunigung 10 wird sich das Element aufgrund der einwirkenden Beschleunigung auslenken. Beim Latschdurchgang 8 erfolgt ein Rückschwingen. Diese Bewegungen werden vom piezoelektrischen Material in elektrische Energie umgesetzt.
In 3 ist ein beispielsgemäßes Reifenmodul 4 schematisch dargestellt. Es umfasst eine Trägerschicht 14, auf welcher elektronische Bauteile 16, z. B. Sensoren, insbesondere ein Drucksensor, Auswerteelektronik, Sende- und/oder Empfangseinrichtungen zum Austausch von Steuer- und Datensignalen, Speicher, eine zweite Energiequelle etc., sowie piezoelektrisches Material, z. B. in Form piezoelektrischer Elemente 20 auf einer piezo-aktiven Fläche, angeordnet sind. Die in der Mitte oder unterhalb gelegene Trägerschicht 14 kann z. B. eine glasfaserverstärkte Epoxydharz-Platte (FR4 oder FR5), eine Metallträgerschicht oder aus Carbon, Glasfaser oder Keramik sein.
Das Reifenmodul 1 ist derart im Inneren des Reifens 1, insbesondere am Innerliner 22, angeordnet, dass die Trägerschicht 14, welche in einer geeigneten Einspannung 18 einseitig eingespannt ist, als eine Art Federelement in radialer Richtung des Reifens 1 Schwingungen ausführen kann, in der 3 durch die beiden Richtungspfeile angedeutet. Eine denkbare Ausführungsform der Anordnung des Reifenmoduls 4 im Reifen 1 zeigt die 3b. Hierbei wirken die elektronischen Bauteile 16, welche an dem nicht-eingespannten Ende der Trägerschicht 14 angeordnet sind, als seismische Masse. Das bedeutet, dass das piezoelektrische Element 20 derart in dem Reifen 1 angeordnet ist, dass es Änderungen der radialen Beschleunigung (Richtung und/oder Absolutwert) in elektrische Energie umwandelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerschicht 14 eine Leiterplatte, die als Bauteileträger dient. Das piezoelektrische Material 20 wird direkt auf den Bauteileträger aufgebracht.
Bei der Verarbeitung von Piezokeramik, beispielsweise als Trimorph 23, also einem System aus zwei piezoelektrischen, insbesondere piezokeramischen, Komponenten 20 und einer passiven Zwischenlage 14, wurden bisher als Trägermaterialien (passive Zwischenlage) Kohlefasern (Carbon), uniaxiale Glasfasern oder Metalle verwendet.
Die 4a zeigt ein Beispiel für eine herkömmliche Anwendung nach dem Stand der Technik mit einer Carbon-Trägerschicht 24. Eine bevorzugte Ausführungsform ist es nun, diese Trägerschicht 14 durch einen Bauteileträger 26, beispielsweise eine Leiterplatte, zu ersetzen, und die Piezokeramik 20, wie in 4b dargestellt, direkt auf das die elektronischen Bauteile 16 tragende Material aufzubringen. Die Leiterplatte 26 kann beispielsweise aus FR4 oder FR5 (Hochtemperatur FR4) gefertigt sein (glasfaserverstärktes Epoxydharz). Die piezoelektrische Keramik 20 kann als Bleizirkonattitanat (PZT) ausgeführt sein.
Neben der Anordnung als Trimorph 23 sind alle weiteren denkbaren Anordnungen, z. B. als Monomorph, einem System aus piezoelektrischen Komponenten 20 und einer passiven Lage, oder als Multimorph, einem System aus vielen piezoelektrischen Komponenten 20, von piezoelektrischem Material, insbesondere piezokeramischem Material oder Piezofolie (z. B. Polyvinylidenfluorid, PVDF), auf einer Trägerschicht, insbesondere Leiterplatte, möglich.
Vorteil dieser Anordnung ist, dass eine elektrische Schaltung aus elektrischen Bauteilen mit einer Piezokeramik zusammen auf einem Bauteileträger 26 positioniert sind. So entsteht ein kompaktes und geschlossenes System, da die Kontaktierung des piezoelektrischen Materials 20 direkt über die Trägerschicht 14 erfolgen kann. Es muss kein zusätzliches (piezoelektrisches) Element mehr gehandhabt oder durch Kabel angeschlossen werden.
In tangentialer Richtung zum Reifen 1 erfolgt beim Ein- und Austritt in den Latsch 6 ebenfalls eine Beschleunigungsänderung, wie in der 5 dargestellt, auf das Reifenmodul 4, das am Reifeninnerliner 22 angeordnet ist. Die Beschleunigung resultiert aus drei sich überlagernden Effekten:

1. der Stauchung und Dehnung des Innerliner-Materials,
2. die Kippbewegung beim Übergang aus bzw. in die rotatorische Bewegung, und
3. die Erdbeschleunigung.

Die horizontale Achse repräsentiert den Umlaufwinkel, wogegen die vertikale Achse die tangentiale Beschleunigung nach außen darstellt.
Auch diese Beschleunigungsänderung kann durch ein Reifenmodul 4 zur Energiegewinnung genutzt werden, wie in 3 dargestellt. Hierzu wird das Reifenmodul 4 derart im Inneren des Reifens 1 angeordnet, dass die Trägerschicht 14, welche einseitig eingespannt ist, als eine Art Federelement in tangentialer Richtung Schwingungen ausführen kann, wie in den 6 und 7 durch die beiden Richtungspfeile angedeutet. Das bedeutet, dass das piezoelektrische Element 20 derart im Reifen 1 angeordnet ist, dass es Krafteinwirkungen in tangentialer Richtung in elektrische Energie umwandelt.
6 zeigt eine Ausführungsform für die Nutzung der tangentialen Krafteinwirkung in einer instabilen Anordnung, 7 zeigt eine Ausführungsform für die Nutzung der tangentialen Krafteinwirkung in einer pendelartigen Anordnung.
Für die Energieumwandlung im Reifen 1 kann auch ein Mikrogenerator verwendet werden, welcher sowohl Biegungsänderungen (z. B. die Deformation bzw. Verformung des Reifen-Innerliners 22 bei Latschdurchlauf 8) als auch Beschleunigungsänderungen ausnutzt. Bisherige Systeme nutzen entweder die Änderungen des Biegeradius am Reifen-Innerliner 22 oder die Beschleunigungsänderung beim Ein/Austritt in den Latsch 6 aus. Nutzt man beide Effekte gleichzeitig, kann eine höhere Effektivität erreicht werden.
Zwei Ausführungsformen eines Reifenmoduls 4 mit Mikrogenerator, welcher sowohl Verformungen als auch Beschleunigungsänderungen in elektrische Energie umsetzt, sind in 8a, 8b und 9 schematisch dargestellt. Das Reifenmodul 4 ist beispielsgemäß durch mindestens zwei Stützstellen (siehe 7b und 1) derart an dem Reifeninnerliner 22 befestigt, dass es bei Latschdurchlauf 8 zu einer Verformung bzw. Biegung der Trägerschicht 14 des Reifenmoduls 4 kommt, wie es in 1 schematisch dargestellt ist.
Dazu sind die Positionen der Befestigungen 28 des Reifenmoduls 4 am Innerliner 22 bevorzugt in Laufrichtung 2 des Reifens 1 gelegen. Die Trägerschicht 14 ist an zwei Enden in den Einspannungen 18 befestigt. In den beiden äußeren Berei chen ist die Trägerschicht 14 derart ausgeführt, beispielsweise durch die Materialstärke und/oder die Grundform, z. B. mäanderförmig in 8 und 9), dass sie Biegeschwingungen in radialer Richtung des Reifens 1 ausführen kann (durch die Richtungspfeile in 8b gekennzeichnet). Dabei wirken die elektronischen Bauteile 16 mit dem Bauteileträger 26 als seismische Masse. Die elektronischen Bauteile 16 sind dazu bevorzugt im mittleren Bereich des Reifenmoduls 4 angeordnet.
Das piezoelektrische Material 20 ist auf der Trägerschicht 14, insbesondere in den äußeren Bereichen, angeordnet, so dass sowohl durch direkte Verformung der Trägerschicht 14 bei Latschdurchlauf 8 als auch durch Beschleunigungsänderungen während der Schwingungen bei Latschdurchlauf 8 elektrische Energie wandelt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerschicht 14 eine Leiterplatte (ein Bauteileträger 26). Das piezoelektrische Material 20 wird dabei, wie oben bereits beschrieben, direkt auf den Bauteileträger 26 aufgebracht.
Für die den beschriebenen Mikrogeneratoren wird u. a. eine Veränderung der Beschleunigung zur Energiegewinnung genutzt. Es handelt sich um ein schwingendes System. Solch ein System muss im Allgemeinen vor zu großen Auslenkungen geschützt werden. Hierzu werden für gewöhnlich auslenkungsbegrenzende Anschläge 30 im Gehäuse 32 vorgesehen, wie auch in 8b dargestellt. Der Mikrogenerator im Reifenmodul 4 soll mehrere 10 Millionen Mal ausgelenkt werden, bei einem herkömmlichen System mit Anschlägen 30 würde dies zur Zerstörung durch mechanischen Verschleiß führen.
Um dies zu verhindern, kann das Reifenmodul 4 in seiner Schwingung gedämpft werden. Beispielsweise kann das Reifenmodul 4 in einer Flüssigkeit gelagert werden, in der Art, dass es sich nur gegen einen Widerstand bewegen kann. Es entsteht ein Tiefpass mit Dämpfung, d. h. niederfrequente Schwingungen werden in das Reifenmodul 4 übertragen, hochfrequente Schwingungen, wie sie bei sehr schnelle Fahrt auftreten können, werden bedämpft.
Die 13 beschreibt eine solche Ausführungsform. Die Trägerschicht 14 ist als PZT-Bimorph-Biegebalken ausgeführt. Auf diesen Biegebalken würden ohne Dämpfung durch den Latschdurchlauf und die ansonsten wirksame Zentripetalbeschleunigung mit jeder Umdrehung des Reifens 1 pulsierende Beschleunigungen von 10 bis 5000 g einwirken.
Dabei würden beschleunigte Massen des Biegebalkens mit Frequenzen bis zu 45 Hz und mit effektiven Massen bis zu 5000 g gegen die Auslenkungsanschläge 30 schlagen. Durch diese hohe Belastung würden die Anschläge aufgrund der für das Reifenmodul 4 geforderten leichten Bauweise zerstört werden.
Daher wird in den V-förmigen, abgeschlossenen Bewegungsraum 40 eine viskose Flüssigkeit gefüllt, die derart wirkt, dass der Biegebalken 14 bei geringer Geschwindigkeit in seiner Bewegung wenig gedämpft wird, bei hoher Geschwindigkeit dagegen stärker. Die maximale Auslenkung des Biegebalkens 14 ist beidseitig durch die zugelassenen Biegelinien des Bewegungsraums 40 vorgegeben.
Die Dämpfungsrate ist dadurch beeinflussbar, dass der Biegebalken 14 in seinem Strömungswiderstand entsprechend aus gelegt ist. Auch die Gestaltung des mit der Dämpfungsflüssigkeit befüllten seitlichen Bewegungsraums 40 kann Einfluss auf das Dämpfungsverhalten haben, weil die Flüssigkeit hier durchströmt.
Da es auslegungsbedingt zu einer elektrischen Entladung oder einer kapazitiven Belastung von piezoelektrischen Generatoren kommen kann, ist die Flüssigkeit derart vorzusehen, dass sie möglichst gut isoliert sowie von geringer Dielektrizität ist, weiterhin ist ein geeignet ausgelegter Masseanschluss 42 vorgesehen.
Die Dämpfung kann auch durch andere geeignete Verfahren realisiert werden, beispielsweise pneumatisch oder mit Hilfe eines Elastomers. Eine pneumatische Dämpfung kann durch ein Luftvolumen realisiert werden, welches bei jeder Schwingung komprimiert wird. Hierzu kann die Leiterplatte mit einer (fast) luftundurchlässigen Schicht, beispielsweise einer Folie oder einer geeigneten Lack- oder Kunststoffschicht überzogen werden und somit die obere und untere Kammer voneinander trennen, wie die 11 zeigt.
Bei einer Auslenkung wird dann gegen das sich komprimierende Luftvolumen gearbeitet. Eine andere denkbare Möglichkeit ist, pneumatische Dämpfungselemente zu verwenden. Ein Elastomer kann als ein komprimierbarer elastischer Kunststoff ausgeführt sein. Die in 8b eingezeichneten Auslenkungsbegrenzungen können beispielsweise aus einem elastomeren Material ausgeführt sein. So entsteht kein harter Anschlag, sondern eine „sanfte" Auslenkungsbegrenzung.
Der vorgesehene Mikrogenerator 34 kann mäanderförmig (10c und d), spiralförmig (10b) oder einfach gerade (10a) ausgeführt sein, kann aber auch eine eckige (10a, b, c), runde oder ovale („Tablette" oder „Bonbon", 10d) Grundform haben. Auf diese Art wird die Länge der schwingenden Elemente vergrößert, die Resonanzfrequenz der Anordnung wird erheblich gesenkt und somit die Effektivität gerade bei geringen Geschwindigkeiten gesteigert.
Ein oben beschriebenes Reifenmodul 4 kann neben dem Mikrogenerator 34 noch eine zweite Energiequelle nutzen, um auch im Stand funktionsfähig zu sein und/oder Daten speichern zu können. Dies kann eine Batterie oder eine LF-Quelle (Low-Frequency-Quelle) auf einer ISM-Frequenz, z. B. 125 kHz, sein. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, das Reifenmodul 4 sowohl während der Fahrt als auch im Stand (z. B. in der Produktion) mit Energie zu versorgen. Bei der Fahrt erfolgt die Energieversorgung mit Hilfe des Mikrogenerators 34, im Stand kann die Energieversorgung über ein Low-Frequency-(LF)-Feld erfolgen. Das LF-Feld kann neben der Energieversorgung auch Daten an das Reifenmodul 4 übertragen.
Auch eine Kombination mit RFID 36 (Radio Frequency Identifier) ist möglich. Hierbei wird die bekannte RFID-Technik (Antenne und RFID-Chip mit EEPROM 38) in Kombination mit dem Reifenmodul 4 angewendet, wie in der 12 dargestellt. Mit RFID können Daten aus einem Speicher gelesen bzw. in einen Speicher geschrieben werden. Dieser Speicher kann identisch sein mit dem Datenspeicher, den das Reifenmodul 4 im Fahrbetrieb (Mikrogenerator-Betrieb) verwendet. Über RFID können so Daten in den Reifen 1 geschrieben und aus dem Rei fen 1 gelesen werden. Diese Datenübertragung kann sowohl während der Reifen- bzw. Fahrzeugproduktion als auch im Betrieb, zur Logistik oder zur Diagnose im Service verwendet werden. Sowohl RFID als auch die das Reifenmodul 1 steuernde Einheit verwenden in diesem Fall denselben Speicher. Ein Vorteil ist hierbei, dass RFID-Technik keine externe Spannungsversorgung benötigt. Dies prädestiniert diese Technik zur Kombination mit einem Mikrogenerator 34 gespeisten Reifenmodul 4, welches nur bei der Fahrt funktioniert.
Der das Reifenmodul 4 vollständig oder teilweise mit Spannung versorgende Mikrogenerator 34 kann zur Erkennung der Länge des Latsches 6 (bzw. des Verhältnisses zwischen der Zeit des Latschdurchlaufs 8 und der Umlaufzeit) verwendet werden, wobei der Mikrogenerator 34 als Signalgeber für die Latscherkennung verwendet wird. Der Mikrogenerator 34, der dabei auch als Sensor dient, kann dabei radiale oder tangentiale Beschleunigungsänderungen, eine Verformung des Reifens 1 oder eine Kombination aus beidem ausnutzen. Bevorzugt ist ein Mikrogenerator 34, welcher auf einem piezoelektrischen Wandler basiert, wie oben beschrieben.
Die Zeit des Latschdurchlaufs 8 kann mit einem Beschleunigungssensor bestimmt werden, der in tangentialer oder radialer Richtung des Reifens 1 angeordnet ist. Beispielsweise kann ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor verwendet werden. Durch Beschleunigungsänderungen, welche bei Latschein- und -austritt auftreten, wird die schwingungsfähig gelagerte seismische Masse (Testmasse) zu Schwingungen angeregt. Diese Bewegungsenergie wird durch ein piezoelektrisches Element 20 in elektrische Spannung umgewandelt. Es können die Zeiten zwischen den Spannungsspitzen auftreten, die zwischen Latschein- und -austritt ermittelt werden. Aus den zeitlichen Abständen können die Latschdurchlaufszeit und die Umlaufzeit bestimmt werden.
Eine andere Möglichkeit ist es, die Verformung (oder Dehnung) des Reifen-Innerliners 22 zu messen, speziell den Knick beim Ein- bzw. Auslauf in den Latsch und daraus die Zeit des Latschdurchlaufs (und die Umdrehungszeit) zu bestimmen. Dies kann ebenfalls mit Hilfe eines piezoelektrischen Materials 20, welches an einem Bereich im Reifen 1 angeordnet ist, der beim Latschdurchlauf 8 verformt wird, erfolgen. Da beim Latschein- und Latschaustritt der Reifen 1 verformt wird, erfolgt eine Ladungstrennung im piezoelektrischen Material 20, welche als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Es können die Zeiten zwischen diesen Spannungsspitzen ermittelt werden. Aus den zeitlichen Abständen ergeben sich die Latschzeit und die Umlaufzeit.
Die oben beschriebene Informationen und Daten, z. B. Latschzeit und Umlaufzeit, werden dann als Bestandteil des Übertragungsprotokolls von dem Reifenmodul 4 an die Fahrzeugelektronik, z. B. eine Zentraleinheit des Reifenüberwachungssystems im Fahrzeug, gesendet. Die Verarbeitung der Daten kann dabei sowohl im Reifenmodul 4 als auch in der Fahrzeugelektronik erfolgen.
Das Reifenmodul 4 ermittelt einen Indikator für die Latschlänge bzw. das Verhältnis von Latschlänge zu Reifenumfang eines Reifens 1, hierbei kann beispielsweise ein Quotient aus Latschzeit/Umlaufzeit gemessen werden. Der Indikator kann von dem Reifenmodul 4 an eine Auswerteeinheit übertragen werden.
Das ermittelte Verhältnis von Latschzeit zu Umlaufzeit kann für eine oder mehrere der folgenden Systemaufgaben verwendet werden, gegebenenfalls kann die Information bezüglich der Latschzeit/Latschlänge durch eine Information über den Reifendruck, welcher z. B. mit einem, insbesondere in das Reifenmodul integrierten, Drucksensor bestimmt wird, kalibriert, ergänzt oder kombiniert werden:

1. Zuordnung der Reifenmodule zu den einzelnen Positionen (Autolocation) durch „dynamische Achslastverteilung". Es treten der Fahrdynamik entsprechende Radlasten auf und dementsprechend auch – je nach Fahrsituation – unterschiedliche Latschlängen. Bei einer Rechtskurve entsteht z. B. eine dynamische Belastung der linken (kurvenäußeren) Räder. Der Latsch auf der linken Seite wird also länger und der Latsch auf der rechten Seite kürzer. Bei einer Bremsung vergrößert sich z. B. der Latsch vorne. So treten also bei Kurvenfahrt bzw. bei Beschleunigungen oder Bremsungen unterschiedliche Latschlängen auf, diese können detektiert und genutzt werden.
2. Beladungsabhängige Druckwarnung wird möglich (durch mehr Gewicht wird die Latschlänge größer. Das bedeutet, dass mehr Druck im Reifen notwendig ist. Reifenhersteller empfehlen, je nach Beladung unterschiedliche Luftdrücke einzustellen. Meist erfolgt die Unterteilung in zwei oder drei Stufen (leer, teilbeladen, vollbeladen). Hier kann man ein intelligentes Modell anwenden, welches z. B. zusätzlich die Fahrstrecke bzw. die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt (Druckwarnung bei hoher Beladung und dafür nicht ausreichen dem Luftdruck erfolgt z. B. erst nach bestimmter Wegstrecke oder ab einer bestimmten Geschwindigkeit).
3. Wankbewegungen können erkannt und durch Kommunikation mit dem ESP Steuergerät reduziert werden. Wenn ein Fahrzeug wankt, dann ändern sich ebenfalls die dynamischen Radlasten. Dies kann wiederum durch eine Latschlängenmessung erkannt und für andere Systeme genutzt werden.
4. Die einzelnen Radlasten können gemessen und durch andere Systeme des Fahrzeugs genutzt werden. Sind die Eigenschaften eines Reifens bekannt, kann man prinzipiell mit Hilfe der Latschlänge und des Reifendrucks die Radlast bestimmen. Die Radlasten können z. B. für die Optimierung des Bremssystems (EBV – Elektronische Bremsverteilung) genutzt werden. Weiterhin lassen sich die Feder-Dämpfer-Wirkungen moderner Fahrwerke einstellen. Bei bekannten Radlasten kann das Fahrwerk den Gegebenheiten angepasst werden, was für den Fahrer mehr Komfort und Sicherheit bedeutet. Ebenso kann die Lenkung auf die einzelnen Radlasten (bzw. den Beladungszustand des Fahrzeugs) reagieren. So können Komfort und Handling bei beladenen Fahrzeugen verbessert werden, insbesondere wird die Kipperzeugung bei Kurvenfahrt mit Vollbeladung und/oder Dachlast reduziert.
5. Unebene Untergründe können erkannt werden und die Information darüber durch andere Systeme des Fahrzeugs genutzt werden (z. B. Fahrwerke oder Bremsen).
6. Früherkennung von Aquaplaning (oder Fahrt auf Schneematsch etc.) wird möglich (Aufschwimmen eines Rades wird er kannt). Fahrzeugsysteme können darauf reagieren und eine Steuerung/Regelung vornehmen.
7. Radlasterkennung ist möglich, da die Latschlänge direkt mit der Radlast zusammenhängt. Die Radlasterkennung kann z. B. zu einer automatischen Leuchtweitenregulierung genutzt werden, wodurch dafür bisher notwendige Sensoren dann entfallen können.
8. Nutzung des Latschlängensignals für eine Überschlagsfrüherkennung und Vermeidung (Roll-Over-Protection), da ein drohendes Abheben eines oder mehrere Räder erkannt wird. Die Fahrdynamikregelung vermag durch gezielten Bremseneingriff die Kippbewegung in eine seitwärts gerichtete Rutschbewegung umzusetzen, was zu einer höheren Betriebssicherheit führt.
9. Erkennung des Abhebens (oder bevorstehenden Anhebens) eines Fahrzeugrades von der Fahrbahn.
10. Redundanz des Luftdrucksensors. Bisher lässt sich die Plausibilität des Druckwertes nicht herstellen. Wenn als zweite Information noch die Latschlänge zur Verfügung steht, kann ein „hängender" Drucksensor oder ein Drucksensor, der einen ganz falschen Wert ermittelt, erkannt werden. Diagnostizierbare und/oder redundante Drucksensoren sind deutlich teuerer als einfachere.

1: Reifen
2: Rotationsrichtung
4: Reifenmodul
6: Latsch
8: Latschdurchlauf
10: Zentripetalbeschleunigung
12: Spannungsspitzen
14: Trägerschicht
16: elektronische Bauteile
18: Einspannung
20: piezoelektrische Elemente/Material
22: Innerliner
23: Trimorph
24: Carbon-Trägerschicht
26: Bauteileträger (Leiterplatte)
28: Befestigung
30: Auslenkungsanschlag
32: Gehäuse
34: Mikrogenerator
36: RFID
38: RFID-Chip
40: Bewegungsraum
42: Masseanschluss

Claims

Reifenmodul (4) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen mit einem piezoelektrischen Wandler mit einer Anzahl von Trägermitteln, auf denen elektronische Bauelemente angeordnet sind, wobei das jeweilige Trägermittel in mindestens einem Bereich als Federelement ausgebildet ist oder mit mindestens einem Federelement verbunden ist, und wobei das Federelement mit piezoelektrischem Material (20) gekoppelt ist oder aus piezoelektrischem Material (20) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel und/oder das Federelement flüssigkeitsgedämpft ist.
Reifenmodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dämpfende Flüssigkeit viskose Eigenschaften hat.
Reifenmodul (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dämpfende Flüssigkeit eine hohe Isolationseigenschaft aufweist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dämpfende Flüssigkeit eine geringe Dielektrizitätskonstante besitzt.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ende des Federelements eingespannt ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (4) an einer Innenseite des Reifens, insbesondere in einem Bereich des Reifens (1) befestigt ist, welcher bei einem Latschdurchlauf (8) verformt wird.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Reifen (1) so angeordnet ist, dass die Schwingungsrichtung der seismischen Masse im Wesentlichen in radialer Richtung des Reifens (1) liegt.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Reifen (1) so angeordnet ist, dass die Schwingungsrichtung der seismischen Masse im Wesentlichen in tangentialer Richtung in Fahrtrichtung aber senkrecht zu der Reifendrehbewegung liegt.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Reifen (1) so angeordnet ist, dass neben der Nutzung von Beschleunigungsänderungen zur Energieumwandlung auch die Verformung des Reifens (1) bei Latschdurchlauf (8), welche zumindest auf Teile des Reifenmoduls (4) übertragen wird, zur Energieumwandlung genutzt wird.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Blatt-, Stab- oder Torsionsfeder ausgebildet ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel eine Trägerschicht (14), insbesondere eine Leiterplatte (26), ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (20) direkt auf das Federelement, insbesondere auf das in mindestens einem Bereich als Federelement ausgebildete Trägermittel, aufgebracht ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (20) jeweils in ein- oder mehreren Lagen ein- oder zweiseitig auf das Federelement aufgebracht ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (20) eine piezoelektrische Keramik, insbesondere Bleizirkonattitanat (PZT), oder eine piezoelektrische Folie, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel als Blattfeder ausgebildet ist, an deren nicht eingespanntem Ende die elektronischen Bauelemente angeordnet sind.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel in zwei Bereichen als Federelement, insbesondere als Blattfeder, ausgebildet ist, zwischen welchen die elektronischen Bauelemente angeordnet sind, und an zwei gegenüberliegenden Enden eingespannt ist.
Reifenmodul (4) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verformung des Trägermittels bei Latschdurchlauf (8) dadurch erreichbar ist, dass die eingespannten Enden des Trägermittels entlang der Laufrichtung des Reifens (1) im Bereich der Lauffläche Befestigungen (28) aufweisen.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine geeignete Pneumatik oder ein Elastomer für die Schwingungsdämpfung der seismischen Masse vorgesehen ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dieses neben dem piezoelektrischen Wandler ein zweites Mittel zur Energieversorgung umfasst, insbesondere in Form einer Batterie und/oder durch Transpondertechnologie über ein elektromagnetisches Feld.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einem Mittel zur Funkerkennung (RFID) ausgestattet ist.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Datenspeicher umfasst.
Reifenmodul (4) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher eine Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Datenübermittlung umfasst.
Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Kenngröße bestimmt, welche ein Maß für die Latschlänge des dem Reifenmoduls (4) zugeordneten Reifens (1) ist.
Verwendung eines Reifenmoduls (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 in einem Reifenüberwachungssystem.
Reifenüberwachungssystem mit einem Reifenmodul (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch eine Zentraleinheit und eine Anzahl von Reifenmodulen (4), die mit einer zentralen Auswerteeinheit über Steuerleitungen oder mittels einer drahtlosen Übertragungstechnik in Verbindung stehen.
Verfahren zum Betreiben eines Reifenmoduls (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei denen eine Verformung mindestens eines elastischen Biegebereichs, welcher mit einem piezoelastischen Material (20) gekoppelt ist oder aus einem piezoelektrischem Material (20) besteht, zur Wandlung von elektrischer Energie verwendet wird, und die Auslenkung zumindest eines der elastischen Biegebereiche zum Schutz vor übermäßiger Biegung gedämpft wird.