DE102007022430A1

DE102007022430A1 - Reifenmodul mit piezoelektrischem Wandler

Info

Publication number: DE102007022430A1
Application number: DE102007022430A
Authority: DE
Inventors: Sighard Dr. Schräbler; Andreas Pohlmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Ein Reifenmodul (18) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen mit einem Wandler, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, soll eine Verbesserung des Reifenmoduls (18) mit piezoelektrischem Energiewandler zur Anbringung im Inneren eines Reifens (1) ermöglichen. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wandler ein bewegliches Massenelement (16) und ein im Wandler angeordnetes, piezoelektrisches Element (14, 14b) umfasst, wobei beide Elemente (14, 14b; 16) derart zueinander angeordnet sind, dass das bewegliche Massenelement (16) bei Rotation oder bei Abrollen des Reifens (1) auf einem Untergrund auf das piezoelektrische Element (14, 14b) aufschlägt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reifenmodul zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen mit einem Wandler, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, sowie auf ein Verfahren zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie in einem Reifen.
In modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Reifenluftdruckerfassungsvorrichtungen verwendet, um Defekte oder Unfälle, welche auf einen unkorrekten Reifenluftdruck zurückzuführen sind, zu vermeiden. Bei vielen dieser Systeme ist jeweils ein Reifenmodul an jedem Rad, insbesondere im Inneren des Reifens, angeordnet. Ein Reifenmodul umfasst oft mindestens einen Sensor zur Erfassung mindestens eines Reifenparameters, insbesondere des Reifenluftdrucks, sowie eine Sendeeinheit und gegebenenfalls Auswerteelektronik. Die Energieversorgung der elektronischen Komponenten kann z. B. durch eine Batterie, einen Energiewandler 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. Zur Energiegewinnung nutzt das piezoelektrische Ele ment die in das Element eingeleitete Druckspannung des Reifengummis bei Verformung bei Latschdurchlauf.
In der EP 1 614 552 A1 wird ein brückenförmiger Flicken mit einem elektromechanischen Wandler zur Verwendung in einem Fahrzeugreifen offenbart. Auch hier wird die Verformung des Reifens bei Latschdurchlauf zur Energiegewinnung genutzt.
Die DE 10 2005 000 996 A1 offenbart ein Reifenmodul zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen mit einem einseitig eingespannten Federelement und einer Umwandlungseinheit, in der mittels eines piezoelektrischen Elements Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dazu ist eine seismische Masse am nicht eingespannten Ende des Federelementes angeordnet. Ein piezoelektrisches Element ist unmittelbar auf dem Federelement befestigt und bei Auslenkung des Federelementes kommt es zu einer Stauchung oder Dehnung der piezoelektrischen Schicht, so dass durch den Piezoelektrischen-Effekt eine elektrische Spannung erzeugt wird.
Bekannte Mikrogeneratoren, welche piezoelektrisches Material zur Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie verwenden, arbeiten nach einem schwingenden, dehnenden oder biegenden Prinzip, wobei das piezoelektrische Material in irgendeiner Form direkt bewegt oder verformt und damit gestaucht oder gedehnt wird. Hierbei besteht eine der zu lösenden Aufgabenstellungen darin, dass Piezokeramiken, wie z. B. Bleizirkonattitanat (PZT), nur einige Promille Bruchdehnung, und Piezokunststoffe, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), nur einige Prozent Bruchdehnung besitzen. Bei direkter Auslenkung des Piezowerkstoffes muss daher die Bewegung des piezoelektrischen Materials begrenzt werden. Dies sollte zum Schutz des Materials zum Teil schon bei so kleinen Auslenkungen geschehen, dass sich erhebliche Probleme in der Toleranzkette der nachfolgenden Komponenten auftun. Außerdem ergibt sich das Problem, dass extreme Belastungen bei Hochgeschwindigkeitsfahrt oder Hindernis- oder Bordsteinauffahrt nicht ausreichend abgefangen werden können und der Mikrogenerator durch die starke Verformung bricht. Die Lebensdauer des Mikrogenerators bleibt dadurch möglicherweise weit hinter der geforderten Lebensdauer, die mit der erwarteten Lebensdauer des Reifens korrespondieren sollte, zurück.
In einem direkten Vergleich der beiden genannten Materialien miteinander ist die Verwendung von PZT als piezoelektrisches Material vorteilhafter, weil die Kopplung zwischen mechanischer und elektrischer Energie etwa 20 beträgt. Das entspricht in etwa dem doppelten Wert, den die auch einsetzbaren Piezokunststoffe erreichen. Zudem sind Piezokunststoffe bei gleicher Leistungsabgabe um mehr als den Faktor drei teurer als PZT.
Bei der Verwendung eines Energiewandlers zur Energieversorgung eines Reifenmoduls, welcher im Reifeninneren angebracht ist, muss sichergestellt werden, dass der Energiewandler so gestaltet ist, dass er den Belastungen während der gesamten Lebensdauer des Reifens standhält. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Energiewandler mit den übrigen Komponenten, wie z. B. den elektronischen Bauteilen, ein kompaktes Modul bildet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Reifenmodul mit piezoelektrischem Energiewandler zur Anbringung im Inneren eines Reifens bereitzustellen.
Bezüglich des Reifenmoduls wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wandler ein bewegliches Massenelement und ein im Wandler angeordnetes, piezoelektrisches Element umfasst, wobei beide Elemente derart zueinander angeordnet sind, dass das bewegliche Massenelement bei Rotation oder bei Abrollen des Reifens auf einem Untergrund auf das piezoelektrische Element aufschlägt.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Rotation oder bei Abrollen des Reifens auf einem Untergrund der Aufschlag eines beweglichen Massenelementes auf ein piezoelektrisches Element ausgelöst wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Erzeugung elektrischer Energie für den Betrieb eines Reifenmoduls im Reifen eines Kraftfahrzeuges dauerhaft sichergestellt sein sollte, wobei der eingesetzte Wandler aber vor übermäßiger Beanspruchung zu schützen ist.
Um das piezoelektrische Element bei Aufschlag des beweglichen Massenelements zu schützen, wobei der Aufschlag für die Erzeugung elektrischer Energie vorausgesetzt ist, aber auch zu einer Beschädigung und/oder Zerstörung des piezoelektrischen Elementes führen kann, ist an der dem beweglichen Massenelement zugewandten Seite des piezoelektrischen Elementes vorteilhafterweise ein Impulsverteiler vorgesehen, der bei sehr großen Beschleunigungen den Impuls auf die Oberfläche des Piezomaterials verteilt.
Um ein seitliches Verlassen des beweglichen Massenelementes aus der vorgesehenen, direkten Aufschlagsrichtung zu verhindern, ist zweckmäßigerweise eine Anzahl von Führungselementen vorgesehen, die das Massenelement auf den Aufschlagspunkt führen.
Damit die Richtung des Massenelementes auf den vorgesehenen Aufschlagspunkt erhalten bleibt und weitere Maßnahmen zur Führung des Massenelementes nicht vorgesehen werden müssen, ist das Führungselement als ein Federelement, insbesondere als eine Feder oder ein Biegebalken, ausgebildet, an dessen dem festen Ende gegenüberliegender Seite das Massenelement angeordnet ist.
Damit eine hohe Anzahl von Aufschlägen erreicht werden kann, wobei die erwartete Lebensdauer des Reifens die minimale Anzahl der zu erwartenden Aufschläge definiert, und um nach erfolgtem Aufschlag des Massenelementes auf das piezoelektrische Element ohne Energiezufuhr zuverlässig auf die Ausgangsposition zurückkehren zu können, ist die Feder des Führungselementes vorteilhafterweise aus Federstahl ausgebildet, der derart vorgebogen ist, dass zur Bewegung der Feder aus einem stabilen in einen metastabilen Zustand eine Kraft aufgewendet werden muss, wobei nach Rückgang der Kraft der stabile Zustand selbsttätig wieder erreicht wird und die Feder die Ausgangsposition einnimmt.
Mehrere Möglichkeiten zur Führung, insbesondere zur seitlichen Führung des Massenelementes, sind denkbar. Um eine besonders stabile, seitlich nicht variable Führung des Massenelementes zu erreichen, ist dieses vorteilhafterweise kugel-, kegel- oder zylinderförmig sowie das Führungselement als zylinderförmiger Schacht ausgeführt.
Damit die Richtung des Massenelementes auf den vorgesehenen Aufschlagspunkt erhalten bleibt und weitere Maßnahmen zur Führung des Massenelementes nicht vorgesehen werden müssen, ist das Führungselement vorteilhafterweise als ein starres Verbindungselement ausgebildet, dessen eines Ende, insbesondere über ein Filmscharnier, mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist.
Um eine Reflexion von Dichtwellen weitestgehend zu vermeiden und somit eine Zugspannung wirkungsvoll zu verhindern, die das piezoelektrische Element derart belastet, dass es bei Überschreiten eines bauartbedingten Wertes reißt, sind die piezoelektrischen Elemente vorteilhafterweise mit einer Anpassschicht versehen, deren akustische Impedanz an die benachbarten Medien geeignet angepasst ist.
Um einen unkontrollierten Ausschlag des Massenelementes bei starker Belastung des Reifens während des Abrollens und/oder beim Eintritt in den Latsch und dadurch eine mögliche Beschädigung der Führung des Massenelementes und/oder des piezoelektrischen Elementes zu vermeiden, ist vorteilhafterweise eine Dämpfung des Massenelementes vorgesehen, wobei diese Dämpfung in besonders vorteilhafter Ausbildung pneumatisch erfolgt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Haltbarkeit und somit die Lebensdauer des eingesetzten Wandlers größer ist als die bereits bekannter Wandlerelemente. Dies liegt darin begründet, dass das piezoelektrische Element ortsfest angeordnet ist und nicht direkt durch die im Reifen herrschende Beschleunigung oder die Verformung des Reifens bewegt, insbesondere gebo gen, gestaucht oder gedehnt, wird. Das piezoelektrische Material erhält die mechanische Energie vielmehr durch Impulsübertrag von einem beweglichen Massenelement, welches aus einem Material gefertigt sein sollte, das weniger empfindlich ist als piezoelektrisches Material.
Des Weiteren besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass der benötigte Bauraum, der lediglich den Bewegungsraum des Massenelementes und des zugeordneten Piezoambosses oder Massenelement, Feder und Piezoamboss umschließt, besonders klein gehalten werden kann. Zudem handelt es sich bei dieser Ausführung um ein einfaches und somit kostengünstig zu fertigendes Design.
Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, Reifenzustandsgrößen, wie beispielsweise den Reifendruck, die Reifentemperatur, die Latschlänge oder die Radlast, mit einem energieautarken System zu ermitteln.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Reifen mit Abrollverhalten in schematischer Darstellung,
2 den Spannungsverlauf bei Latschdurchlauf als Diagramm, und
3 bis 6 verschiedene Ausführungsbeispiele.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Rollt ein Reifen 1 eines Kraftfahrzeugs, Motorrads, Motorrollers, Nutzfahrzeugs, Fahrrads oder Flugzeugs auf einem Untergrund 2 ab, so entsteht immer eine abgeplattete Aufstandsfläche 4, der so genannte Latsch (siehe 1). Während der rotatorischen Bewegung des Reifens 1 wirkt die geschwindigkeits- und radiusabhängige Zentrifugalbeschleunigung a_Zentri auf ein Reifenmodul 18, welches am Reifen-Innerliner, insbesondere im Bereich der Reifenlauffläche, angeordnet ist. Befindet sich das Modul innerhalb der Aufstandsfläche 4, wirkt hingegen nur die Erdbeschleunigung g. Bei Eintritt 6 in den und Austritt 8 aus dem Latschdurchlauf verringert sich der Radius des Reifens und es kommt zu einer Beschleunigungsüberhöhung und -änderung.
Die 2 zeigt schematisch einen Verlauf der Beschleunigung a am Reifeninnerliner in radialer Richtung beim Abrollen eines Reifens als Funktion des Umlaufwinkels φ. Aus dem Zeitabstand zwischen den Spannungsspitzen bei Latscheintritt 6 und -austritt 8 kann die Latschlänge ermittelt werden.
Es sind verschiedene Ausführungsformen denkbar, allen gemein ist, dass gegenüber bekannten Lösungen nicht mehr das Piezoelement ausgelenkt wird, sondern dass stattdessen durch Dehnung, Biegung oder Beschleunigung ein viel robusterer „Hammer" oder ein Massenelement 16 bewegt wird. Die Bewegung des Massenelementes 16 wird durch die Beschleunigungsänderung im Reifen 1 oder durch die Verformung (Abplattung) des Reifens bei Latschdurchlauf, den so genannten Latsch 4, bewirkt.
Das Massenelement 16 eines Wandlerelementes wird nach Überschreiten einer Schwelle, z. B. der Verformung des Reifens 1, oder der wirkenden Radialbeschleunigung, oder bei Umkehr (Änderung) der Beschleunigung über den zurückgelegten Weg gegen den piezoelektrischen „Amboss" beschleunigt. Das Massenelement 16 trifft bzw. schlägt gegen den Impulsverteiler 12, der den Impuls momentan an den dahinter liegenden Piezowandler 14 abgibt, daher auch Impuls-Mikrogenerator, gemäß F = dp/dt = m·dv/dt = m·a (F: Kraft, p: Impuls, t: Zeit, m: Masse, v: Geschwindigkeit, dp/dt: zeitliche Änderung des Impulses, dv/dt: zeitliche Änderung der Geschwindigkeit, a: Beschleunigung). In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Hammer bzw. das Massenelement 16 gegen eine Feder 10 gespannt und nach Überschreiten einer Schwelle oder bei Umkehr der Beschleunigung mit seiner Masse über den zurückgelegten Weg gegen einen Impulsverteiler 12 beschleunigt, der den Impuls momentan an den dahinter liegenden Piezowandler 14 abgibt.
Das vorab beschriebene Problem kann dadurch gelöst werden, dass nicht das piezoelektrische Material bewegt wird, sondern dass ein beweglicher „Hammer" auf einen piezoelektrischen „Amboss" einwirkt, wie die 3 zeigt. Bevorzugt handelt es sich um eine als Hammer wirkende Feder 10. Ebenfalls bevorzugt wirkt der „Hammer" über einen Impulsverteiler 12 auf den so genannten Piezoamboss ein. Der Impulsverteiler 12 besteht beispielsgemäß aus einer, insbesondere dünnen, Platte, welche auf dem piezoelektrischen Material 14 angebracht, insbesondere angeklebt, ist. Dabei handelt es sich beispielsgemäß um eine Stahlplatte. Der Impulsverteiler 12 schützt das piezoelektrische Material 14 vor Zerstörung oder Beschädigung.
Es ist eine Ausführungsform des Reifenmoduls 18 denkbar, bei der ein federnder Biegebalken mit einer Masse am Ende (Hammer) auf den Piezoamboss schlägt, wie die 3 zeigt. Auf der Platine 20 des Reifenmoduls 18 sind elektronische Bauteile 22, wie beispielsweise Sensoren, insbesondere ein Drucksensor, Auswerteelektronik, Sende- und/oder Empfangseinrichtungen zum Austausch von Steuer- und Datensignalen, Speichern etc., angebracht. Am einen Ende der Platine 20 ist das piezoelektrische Element 14 angebracht, welches über zwei Elektroden 24 mit dieser kontaktiert ist. Auf dem piezoelektrischen Element 14 ist ein Impulsverteiler 12 angeordnet. Zwischen dem piezoelektrischem Element 14 und dem Reifen 1 (hier nicht dargestellt) ist eine Anpassschicht 26 angeordnet. Am anderen Ende der Platine 20 ist eine Blattfeder 10 vorgesehen, die in einer geeigneten Vorrichtung 28 eingespannt ist und an welcher ein Massenelement 16 angebracht ist. Eventuell sind weitere, hier nicht dargestellte, Führungselemente vorgesehen, damit der durch die Feder 10 gebildete Hammer bei Querbeschleunigung nicht seitlich ausbricht und das piezoelektrische Element 14 verfehlt.
Alternativ ist eine Ausführungsform denkbar, bei der ein starres Verbindungselement, z. B. ein Stäbchen, mit einem Massenelement 16 am nicht befestigten Ende auf den Piezoamboss schlägt, ähnlich zur Ausführungsform, die in der 3 dargestellt ist. Der Unterschied zu dieser besteht allerdings darin, dass das bewegliche Massenelement 16 beispielsweise mittels eines Filmscharniers an der Platine 20 befestigt ist, im Gegensatz zu der in 3 dargestellten Einspannung 28 der Feder 10.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 4 dargestellt ist, drückt ein Massenelement 16, welches kugelförmig ausgeführt ist, wobei die Führung in einem zylinderförmigen Gehäuse 30 erfolgt, auf der einen Seite des Ge häuses 30 gegen eine Feder 10 und schlägt auf der anderen Seite gegen das piezoelektrische Element 14. Auch hier ist das piezoelektrische Element 14 durch einen Impulsverteiler 12 geschützt. Das piezoelektrische Element 14 ist mit zwei Elektroden 24 versehen, deren Kontakte unten aus dem Gehäuse 30 herausgeführt sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Wandler eine Anpassschicht 26.
Das Gehäuse 30 ist in der Zeichnung beispielsweise mit seinem unteren Ende auf der Platine 20 des Reifenmoduls 18 angebracht (hier nicht dargestellt). Im Ausführungsbeispiel der 4 ist das Massenelement 16 nicht mit der Feder 10 verbunden. Es sind jedoch auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen das Massenelement 16 an der Feder 10 befestigt ist. Außerdem besteht im Ausführungsbeispiel der 4 ein Spalt 32 zwischen Feder 10 und Massenelement 14 bzw. zwischen Impulsverteiler 12 und Massenelement 14, d. h., der Abstand zwischen dem Ende der ungespannten Feder 10 und dem Impulsverteiler 12 ist größer als der Durchmesser des kugelförmigen Massenelementes 14. Dadurch kann sich das Massenelement 14 über eine vorgegebene Wegstrecke bewegen, ohne gegen den Impulsverteiler 12 zu stoßen oder die Feder 10 zu spannen. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich Feder 10, Massenelement 14 und Impulsverteiler 12 berühren, so dass bei einer Bewegung des Massenelementes 14 die Feder 10 zwangsweise gespannt wird.
Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit, den Mikrogenerator wie ein Bauelement in eine elektrische Schaltung zu integrieren. Hierfür können die Kontakte beispielsweise an einer Seite herausgeführt werden, wie die 4 zeigt.
In der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Hier wird eine Feder 10 verwendet, die zwei Zustände annehmen kann. Dabei kann es sich um eine monostabile Feder 10 handeln, d. h., es existiert eine stabile Position sowie eine metastabile, aus der die Feder 10 bei Beendigung der Krafteinwirkung selbsttätig in den stabilen Zustand zurückkehrt. Ebenfalls kann eine bistabile Feder 10 vorgesehen werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei stabile Positionen existieren und jeder Wechsel von einer Position in die andere eine Krafteinwirkung voraussetzt.
Das erste genannte Beispiel beschreibt eine Feder 10, wie sie aus einem Kinderspielzeug, dem so genannten Knackfrosch, der auch zur Hundedressur verwendet wird, oder aus Folientastaturen bekannt ist.
Mittels der Auflagen 34 ist das Reifenmodul 18 am hier nicht dargestellten Reifen 1 befestigt und durch eine Feder 10, die über die genannten Eigenschaften verfügt, über Lager 36 im Gehäuse 30 mit einem Massenelement 16 verbunden. Im Gehäuse 30 ist eine Platine 20 angeordnet, auf welcher die elektronischen Bauelemente 22 und das piezoelektrische Element 14 angebracht sind. Für das piezoelektrische Element 14 sind zwei Elektroden 24 vorgesehen und mit der Platine 20 elektrisch verbunden. Auf dem piezoelektrischen Element 14 ist in Richtung des Massenelementes 16 ein Impulsverteiler 12 angebracht. Das Gehäuse 30 ist in Richtung des Inneren des Reifens 1 über eine Anpassschicht 26 an das Reifenfüllgas angekoppelt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Feder 10, die sich durch den so genannten Knackfrosch-Effekt auszeichnet, durch Biegung, wie sie beispielsweise bei Verformung des Reifens bei Latscheintritt 6 und -austritt 8 auftritt, und/oder durch Änderung der Beschleunigung betätigt. Zum Beispiel schlägt ab einer vorgegebenen Krafteinwirkung die Feder 10 bei Latscheintritt 6 aus der in der 6 dargestellten Position in die andere Position um, und dabei schlägt das Massenelement 16 auf das piezoelektrische Element 14, wobei der direkte Aufschlag auf dem Impulsverteiler 12 erfolgt und die Kraft indirekt auf das piezoelektrische Element 14 einwirkt. Im piezoelektrischen Material 14 kommt es durch die aufschlagende Kraft zu einem Spannungsimpuls. Bei Latschaustritt 8 schlägt die Feder 10 aufgrund von Biegung und/oder Beschleunigungsänderung zurück in die in 6 dargestellte Position.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Rückvolumen, also das Volumen, welches von Gehäuse 30 und Feder 10 unterhalb des Massenelementes 16 eingeschlossen ist, durch Überdruck als Luftpolster 38 mit Federwirkung ausgestaltet sein. Eine geeignete Abdichtung, insbesondere der Lager 36, ist hierzu sinnvoll, um zu erreichen, dass eine möglichst große Kraft in die Gegenrichtung nach erfolgter Krafteinwirkung zur Komprimierung des Luftpolsters 38 erhalten bleibt.
Durch eine zweiseitige oder ringförmig verklebte Auflage 34 kann sowohl die Biegung wie auch die Beschleunigung zur Auslösung der Feder 10 mit dem Knackfrosch-Effekt und damit zur Energiegewinnung genutzt werden, wobei nahezu die gesamte Masse des Wandlers als Beschleunigungsmasse für das Massenelement 16 vorgesehen ist.
Ebenfalls sind Ausführungsbeispiele mit beispielsweise einer Vorspannung des durch die Feder 10 gebildeten Hammers über eine Rampe und plötzlichem Auslösen der Bewegung des beweglichen Massenelementes 16 bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwelle denkbar.
Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform des Wandlers ist die Möglichkeit, eine recht kleine, aber dicke Piezokeramik 14 einzusetzen. Ebenfalls ist die Krafteinwirkung derart sinnvoll, dass eine Stauchung in der Dicke erfolgt, also eine Anregung in der 33-Richtung, da die Krafteinwirkung, welche durch Impulsübertrag von dem Massenelement 16 auf das Piezoelement 14 wirkt, und die Verbindungsrichtung der beiden Elektroden 24 zum Abgriff der erzeugten elektrischen Spannung in der selben Richtung erfolgen. Dies ist vom Ergebnis her mit etwa Faktor drei günstiger als die biegende/dehnende Anregung in einer 31-Richtung, bei der die Krafteinwirkung, welche durch Impulsübertrag von dem Massenelement 16 auf das Piezoelement 14 wirkt, und die Verbindungsrichtung der beiden Elektroden 24 zum Abgriff der erzeugten elektrischen Spannung nicht in der selben Richtung erfolgen. Das liegt daran, dass für konventionelles PZT5A die Piezokonstante g33 für Anregung in 33-Richtung etwa dreimal so groß ist wie die Piezokonstante g31 für die entsprechende Anregung in der 31-Richtung.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass das Piezomaterial 14 nur noch auf Druck und nicht mehr auf Zug beansprucht wird. Dies ist insbesondere für Piezo-Sinterkeramiken (PZT) wichtig, die materialbedingt sehr stark auf Druck, aber fast überhaupt nicht auf Zug beansprucht werden können. Die Druckbelastbarkeit ist etwa um den Faktor hundert größer als die mögliche Belastbarkeit auf Zug. Daraus folgt eine weitaus bessere Nutzung der Piezokeramik, was sich in einem geringeren Bedarf an keramischem Material zur Erreichung der vorgegebenen Leistungsdaten und somit geringeren Kosten bemerkbar macht.
Von Vorteil für den Wirkungsgrad ist auch, dass bei elastischen Stößen des beweglichen Massenelementes 16 auf das den so genannten Piezoamboss bildende Piezomaterial 14 und größtenteils verlustloser Arbeit der Feder 10 in die jeweils entgegengesetzte Richtung ein Großteil der Arbeit im Piezomaterial 14 verrichtet wird. Die Feder 10 speichert den Impuls in Gegenrichtung und verdoppelt dadurch den Wirkungsgrad.
Zwischen der Feder 10 und dem Massenelement 16 ist ein Spalt vorgesehen. Dadurch kann sich das Massenelement über die vorgesehene Strecke im Wesentlichen frei bewegen, ohne gegen die Feder 10 oder das Piezoelement 14 zu stoßen, weil der Mikrogenerator auch bei geringen Fahrtgeschwindigkeiten funktioniert, aber gleichzeitig hoch überlastfähig ist.
Um eine möglichst geringe Wirkung des Impulses aus dem Wandler (Mikrogenerator) und/oder dem Gehäuse 30 entkommen zu lassen, ist es sinnvoll, die Anpassschicht 26 vorzusehen, die eine akustische Impedanz Z besitzt, welche sich aus der Wurzel des Produktes der akustischen Impedanz des Piezoelementes Z_piezo und der akustischen Impedanz des Reifens 1 Z_Reifen oder des Reifenfüllgases Z_gas ergibt,
oder
und eine Dicke von λ/4 besitzt, wobei λ die Wellenlänge ist, welche der Eigenresonanzfrequenz des Piezowandlers (Piezoelementes) auf Grund seiner geometrischen Abmessungen und der Schallgeschwindigkeit im Piezomaterial 14 entspricht.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein zweites Piezoelement 14b relativ zum ersten Piezoelement 14 derart angeordnet, dass das Massenelement 16 abwechselnd gegen beide Piezoelemente 14 und 14b schlägt. Auf einem, beiden oder keinem Piezoelement 14 oder 14b ist ein Impulsverteiler 12 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel, welches ähnlich dem in 4 dargestellten Beispiel ausgestaltet ist, wird auf die Feder 10 verzichtet und stattdessen am oberen Ende des Gehäuses 30 ein zweiter Piezowandler eingesetzt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches ähnlich dem in 3 dargestellten Beispiel ausgestaltet ist, wird ein zweites Piezoelement 14b an einem Schenkel, welcher unter einem bestimmten Winkel, z. B. 45°, relativ zu der Platine 20 angeordnet ist, angeordnet. Auch ein dem in 5 dargestellten Beispiel entsprechendes Ausführungsbeispiel mit zwei Piezoelementen 14 und 14b ist möglich. Hierzu ist unten am Gehäuse 30, gegenüber dem ersten Piezoelementes 14, ein zweites Piezoelement 14b vorgesehen.
Ein Vorteil der Ausführungsform mit zwei Piezoelementen 14 und 14b ist es, dass neben der größeren Ausbeute von elektrischer Energie auch eine einfache Bestimmung der Länge des Latsch 4 möglich ist. Bei Latscheintritt 6 schlägt das be wegliche Massenelement 16 gegen das eine Piezoelement 14 und bei Latschaustritt 8 gegen das andere Piezoelement 14b. Aus dem zeitlichen Abstand der an den beiden Piezoelementen 14 und 14b erzeugten Spannungsimpulse lässt sich auf die Länge des Latsch 4 schließen.
Das Massenelement 16 besteht vorzugsweise aus einem extrem belastbaren und dichten Material, damit eine Verformung und/oder Verpressung des Materials des Massenelementes 16 durch den bei hohen Beschleunigungen auftretenden Druck und eine dadurch eventuell auftretende Blockade des Massenelements 16 im Führungsschacht des Gehäuses 30 vermieden werden kann. Dies gilt insbesondere für das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel.

1: Reifen
2: Untergrund
4: Aufstandsfläche/Latsch
6: Latscheintritt
8: Latschaustritt
10: Feder
12: Impulsverteiler
14: piezoelektrisches Material/Piezoelement/Piezowandler
14b: Piezoelement
16: bewegliches Massenelement
18: Reifenmodul
20: Platine
22: elektronische Bauelemente/elektronische Bauteile
24: Elektroden
26: Anpassschicht
28: Einspannvorrichtung
30: Gehäuse
32: Spalt
34: Auflage
36: Lager
38: Luftpolster
a: Beschleunigung am Reifeninnerliner
a_Zentri: Zentrifugalbeschleunigung
dp/dt: zeitliche Änderung des Impulses
dv/dt: zeitliche Änderung der Geschwindigkeit
F: Kraft
m: Masse
g: Erdbeschleunigung
g31: Piezokonstante
p: Impuls
t: Zeit
v: Geschwindigkeit
λ: Wellenlänge
9: Umlaufwinkel
Z: Impedanz
Z_piezo: Impedanz des Piezoelementes
Z_Reifen: Impedanz des Reifens
Z_gas: Impedanz des Reifensfüllgases

Claims

Reifenmodul (18) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen mit einem Wandler, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein bewegliches Massenelement (16) und ein im Wandler angeordnetes, piezoelektrisches Element (14, 14b) umfasst, wobei beide Elemente (14, 14b; 16) derart zueinander angeordnet sind, dass das bewegliche Massenelement (16) bei Rotation oder bei Abrollen des Reifens (1) auf einem Untergrund auf das piezoelektrische Element (6) aufschlägt.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag im Wesentlichen impulsartig erfolgt.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem piezoelektrischen Element (14, 14b) ein Impulsverteiler (12) vorgesehen ist.
Reifenmodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Massenelementes (16) durch eine Anzahl von Führungselementen erfolgt.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement als Federelement, insbesondere Feder (10) oder Biegebalken, ausgebildet ist, an dem das Massenelement (16) angeordnet ist.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (10) des Führungselementes aus Federstahl ausgebildet und derart vorgebogen ist, dass sie einen stabilen und einen metastabilen Zustand aufweist.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenelement (16) kugelförmig ausgebildet ist und seine Führung in einem zylinderförmig ausgebildeten Führungsschacht erfolgt.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement ein, insbesondere starres, Verbindungselement ist, an dem das Massenelement (16) angeordnet ist und dessen eines Ende, insbesondere über ein Filmscharnier, mit dem Wandler verbunden ist.
Reifenmodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein weiteres Federelement oder ein zweites piezoelektrisches Element (14b) umfasst, welches in Bezug auf das erste piezoelektrische Element (14), insbesondere auf das Führungselement, derart angeordnet ist, dass das Massenelement (16) bei Rotation oder bei Abrollen des Reifens (1) auf einem Untergrund abwechselnd auf das erste piezoelektrische Element (14) und das weitere Federelement oder das zweite piezoelektrische Element (14b) aufschlägt.
Reifenmodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Anzahl der piezoelektrischen Elemente (14, 14b) eine Anpassschicht an gebracht ist, deren akustische Impedanz an drei benachbarten Medien angepasst ist.
Reifenmodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Massenelementes (16) einer Dämpfung unterliegt.
Reifenmodul (18) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Bewegung des Massenelementes (16) pneumatisch erfolgt.
Reifendrucküberwachungssystem mit einem Reifenmodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie in einem Reifen (1), dadurch gekennzeichnet, dass bei Rotation oder bei Abrollen des Reifens (1) auf einem Untergrund der Aufschlag eines beweglichen Massenelementes (16) auf ein piezoelektrisches Element (14, 14b) ausgelöst wird.