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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Reifenmodul zur Erfassung von Rad-
und/oder Reifenzustandsgrößen, wobei
das Reifenmodul an einer Innenseite eines Reifens angeordnet ist,
sowie auf ein Reifendrucküberwachungssystem.
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Die
Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, Reifenzustandsgrößen, wie
z. B. den Reifendruck, die Reifentemperatur, die Latschlänge oder die
Radlast, zu ermitteln.
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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.
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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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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
dem System zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem piezoelektrischen
Element, welches in der
WO
2006/003052 offenbart wird, ist das piezoelektrische Element
von einer Abdeckung, die als ein festes Gehäuse oder ein Globtop ausgebildet ist,
umgeben und wird so vor einer umgebenden Vergussmasse geschützt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Reifenmodul, insbesondere mit einem piezoelektrischen
Energiewandler, zur Anbringung im Inneren eines Reifens bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
ein Modulkopf des Reifenmoduls über
einen elastischen, gekrümmten
Modulfuß,
insbesondere aus Metall, federnd am Reifen befestigt ist, wobei der
Modulkopf in einem Bereich des einen Endes des Modulfußes und
das andere Ende des Modulfußes am
Reifen angeordnet 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 ein Reifenmodul eine möglichst
hohe Lebensdauer aufweisen sollte, mindestens aber die gleiche Lebensdauer
wie ein Reifen, und ein autarker Betrieb des Reifenmoduls möglich sein
sollte, also unabhängig
beispielsweise von einer externen Spannungsversorgung. Darüber hinaus
sollte das Reifenmodul entweder während des Herstellungsprozesses
des Reifens oder unabhängig
davon installierbar sein, wobei es je nach Anforderung fest oder
lösbar
im Reifen anzubringen sein sollte.
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Damit
das Reifenmodul eine autarke Energieversorgung erhält, die
von der Lebensdauer einer Batterie unabhängig ist, weist der Modulkopf
oder der Modulfuß des
Reifenadapters vorteilhafterweise ein piezoelektrisches Wandlerelement
auf, das bei Bewegung des Fahrzeuges mechanisch bewegt wird und
mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
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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.
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Um
unabhängig
von der Fertigung und/oder Ausgestaltung eines Reifens das Reifenmodul
im Reifen befestigen zu können,
weist dieser an seiner Innenseite, insbesondere am Reifeninnerliner,
einen Moduladapter zur Aufnahme des Modulfußes des Reifenmoduls auf.
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Um
die Wiederverwendbarkeit eines Reifenmoduls, beispielsweise in einem
anderen Reifen, oder den Austausch des Reifenmoduls im Reifen zu ermöglichen,
ist die Verbindungsstelle zwischen dem Modulkopf und dem Modulfuß und/oder
die Verbindungsstelle zwischen dem Modulfuß und dem Moduladapter zweckmäßigerweise
lösbar
ausgeführt,
wobei die Befestigung der jeweiligen Elemente untereinander an den
Verbindungsstellen durch Anstecken und/oder Einrasten oder Einklemmen
erfolgen kann.
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Damit
die reifenbezogenen Daten, die im Reifenmodul gespeichert sind,
nicht durch einen einfachen Austausch des Reifenmoduls von unberechtigter
Stelle ausgelesen werden können
und/oder um im Falle eines Austauschs diesen erkennbar zu machen,
ist die Verbindungsstelle zwischen dem Modulkopf und dem Modulfuß und/oder
die Verbindungsstelle zwischen dem Modulfuß und dem Moduladapter vorteilhafterweise
als eine nicht lösbare
Verbindung ausgeführt,
wobei diese durch Anspritzen oder Ankleben erfolgen kann oder die
Ausführung
der Elemente als jeweils einteiliges Element erfolgen kann.
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Um
die extremen Beschleunigungsspitzen, welche beim Latscheintritt
auf das Reifenmodul wirken, vom Modulkopf fernzuhalten und eine
Auslenkungsbegrenzung zu erreichen, ist der Modulfuß aus einem
federelastischen Material, bevorzugt Metall oder Metallverbindung,
gefertigt und weist vorteilhafterweise eine durch Biegen, Stanzen
oder Pfalzen hervorgerufene Versteifung auf.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass das Reifenmodul einen einfachen und platzsparenden, aber dennoch
robusten Aufbau aufweist.
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Das
Modul wird bevorzugt zur Erfassung des Verhältnisses der Reifenaufstandsfläche (-länge) zum
Reifenumfang sowie von davon abgeleiteten Größen benutzt. Das Modul arbeitet
eigenständig oder
in Zusammenhang mit im Fahrzeug oder extern des Fahrzeugs angebrachten
Elektroniken. Weiterhin eignet sich das Modul bevorzugt zur Druckerfassung
und/oder Temperaturerfassung der Luft im Reifeninnern und/oder dazu,
ermittelte Informationen noch Außen weiterzugeben.
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Die
spezielle Aufbautechnik erlaubt es, dass Batterien, auch handelsübliche Batterien,
im Modul verwendet werden können,
da diese durch den speziellen Aufbau des Moduls für die extremen
mechanischen Belastungen im Reifeninnern hinreichen robust angebracht/gelagert
sind.
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Varianten
der Erfindung beschreiben die Integration einer Antenne, welche
vorzugsweise zum Senden von Daten des Moduls an einen zugeordneten
Empfänger
im Kraftfahrzeug, aber bei Bedarf auch für Empfangszwecke verwendbar
ist.
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In
einer weiteren Variante wird die spezielle Aufbautechnik für die Energiegewinnung
durch Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische
Energie, welche durch die Aufbauform extrem begünstigt wird, verwendet.
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Als
Besonderheit der Aufbautechnik ist anzumerken, dass der Aufbau je
nach Ausführungsform eine
einfache Montage sowie Demontage des Moduls im/am Reifen erlaubt.
Die Anbringung kann sowohl durch Vorprozesse bei der Reifenherstellung (Einbringung
eines „Fußstückes") oder auch im Nachrüstgeschäft erfolgen.
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Als
Besonderheit ist auch der mögliche
Herstellungsprozess eines derartigen Moduls festzustellen, welcher
im Wesentlichen dem eines integrierten Schaltkreises (gehäustes IC
(Integrated Circuit)) bzw. Multichipmoduls entsprechen kann. Hierbei
ist die spezielle Formgebung des Modulgehäuses und des Leadframes sowie
ggf. das Basismaterial des Leadframes abweichend, aber die Prozesse
sind vergleichbar oder identisch.
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Als
weitere Besonderheit kann die im Bedarfsfall lötfreie Einbringung einer Anzahl
von Batterien in das Modul angesehen werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 das
Fahrzeugrad in schematischer Darstellung,
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2 das
Reifenmodul in dreidimensionaler Ansicht,
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3 das
Reifenmodul mit Anbringung am Reifen in seitlicher Ansicht,
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4 die
Elemente des Modulkopfes des Reifenmoduls in dreidimensionaler Ansicht,
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5 den
Modulkopf als Multichipmodul in geöffnetem Zustand in Draufsicht,
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6 den
Modulkopf als Multichipmodul in geschlossenem Zustand in Draufsicht,
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7 den
Modulkopf mit ausgespartem (Batterie-)Innenraum in dreidimensionaler
Ansicht,
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9 den
Modulkopf mit Aufnahmebereich mit verschlossener Öffnung für ein Multichipmodul
in dreidimensionaler Ansicht,
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10 das
Reifenmodul mit gebogenem Modulfuß in dreidimensionaler Ansicht,
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11 den
Reifen mit profilierter Aufstandsfläche und Moduladapter im Schnitt,
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12 den
Moduladapter (Adapterstück)
im Schnitt,
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13 das
Adapterstück
in einer anderen Ausführung
im Schnitt,
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14 das
Reifenmodul in seitlicher Ansicht,
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15 den
Modulfuß aus
Draht oder Metallröhren
in dreidimensionaler Ansicht,
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16 den
Modulfuß aus
Blechmaterial mit Einrastelementen in dreidimensionaler Ansicht,
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17 den
Modulfuß aus
Blechmaterial mit Umbördelung
in dreidimensionaler Ansicht,
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18 das
Reifenmodul mit zugeordneten Bereichen in dreidimensionaler Ansicht,
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19 das
Reifenmodul mit zugeordneten Bereichen in seitlicher Ansicht,
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20 den
Moduladapter mit befestigungsfreiem Bereich am Innerliner in dreidimensionaler
Ansicht,
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21 den
Moduladapter mit Trennfolie in dreidimensionaler Ansicht,
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22 die
Trennfolie in Draufsicht,
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23 das
Reifenmodul mit doppelter Auslenkungsbegrenzung in dreidimensionaler
Ansicht, und
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24 das
Reifenmodul mit einfacher Auslenkungsbegrenzung in dreidimensionaler
Ansicht.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Fahrzeugrad 1 mit Reifen 2 auf
ebener Fahrbahn 4, wobei die Aufstandsfläche 6 des
Reifens 2, der so genannte Latsch, durch den Latscheintritt 8 und
den Latschaustritt 10 definiert ist. Der Latsch 6 ist
ein Kennzeichen für
verschiedene Parameter des Rades 1, beispielsweise für die Last
und/oder den Reifendruck im Reifen 2.
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In
der 2 ist ein Reifenmodul 12 mit einem Modulkopf 14 mit
hier nicht dargestellter Elektronik und/oder Batterie in dreidimensionaler
Ansicht dargestellt. Des Weiteren verfügt das Reifenmodul 12 über einen
elastischen Modulfuß 16,
auf dem der Modulkopf 14 sowie vorzugsweise in der Krümmung ein
piezoelektrischer Spannungserzeuger 18 angeordnet ist.
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Das
piezoelektrische Material 18 auf dem elastischen Modulfuß 16 weist
eine elektrische Verbindung zum Modulkopf 14 auf, sodass
die Biegungen des Modulfußes 16 im
elastischen Bereich durch Bewegungen des Modulkopfes 14 in
Bezug zum Anbringungspunkt im Reifen 2 in elektrische Energie umgewandelt
und an den Modulkopf 14 geleitet werden können.
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Ebenso
wie Biegungen des Modulfußes 16 im
elastischen Bereich können
Biegungen des Moduladapters 20, der zur Befestigung des
Reifenmoduls 12 am Reifen 2 dient, also die an
dieser Stelle auftretende mechanische Energie, umgewandelt werden. Dies
ist in der 3 dargestellt, die das Reifenmodul 12 in
seitlicher Ansicht zeigt. Die Befestigung des Reifenmoduls mit dem
elastischen Modulfuß 16 und dem
als seismische Masse wirkenden Modulkopf 14 ist über den
Moduladapter 20 mit der Innenfläche (Innerliner) des Reifens 2 verbunden.
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Das
Reifenmodul weist zwischen dem Modulkopf 14 und dem Moduladapter 20 einen
Freiraum zur elastischen Federung des Modulkopfes 14 zum Reifen
hin auf. Ggf. ist ein hier nicht dargestellter Anschlag vorzusehen,
um eine Überdehnung
des Modulfußes 16 über die
Elastizitätsgrenze
hinaus zu verhindern.
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4 zeigt
den Modulkopf 14 zur nachträglichen Installation im Reifen
mit einer mechanischen Schnittstelle 22 zur Anbringung
des Modulkopfes 14 am elastischen Modulfuß 18.
Dazu weist der Modulfuß 18 ein
Einrastelement 24 auf, das bei Aufschieben des Modulkopfes 14 auf
den Modulfuß 18 in der mechanischen
Schnittstelle 22 einrastet und somit ein Abrutschen des
Modulkopfes 14 vom Modulfuß 18 verhindert.
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Der
Moduladapter 20 zur Befestigung des Reifenmoduls 12 am
Reifen 2 besteht in vorteilhafter Ausgestaltung aus Gummi
oder Kunststoff und weist eine einrastende, formschlüssige und/oder
klemmende Schnittstelle zum Modulfuß 18 auf. Denkbar
ist auch ein zusätzliches
oder alternatives Verkleben des Modulfußes 18 am oder im
Moduladapter 20.
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Die 5 zeigt
den Modulkopf 14 in einer Ausführung als Multichipmodulgehäuse, hier
dargestellt ohne elektronische Bauelemente mit dem metallischen
elastischen Modulfuß 16 als
Teil des Leadframes in ungebogenem Zustand sowie das Einrastelement 24 zum
Festsetzen am Moduladapter 20, das als Befestigungsnoppen,
Loch oder Nase vorgesehen sein kann.
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Die 6 stellt
ebenfalls den Modulkopf 14 des Multichipmoduls dar, allerdings
in geschlossenem Zustand, mit einer Öffnung 26 für einen
Drucksensor. Der Modulkopf ist im Bereich des einen Endes des noch
ungebogenen, metallischen, elastischen Bereich des Modulfußes 16 angeordnet,
auf dessen gegenüberliegender
Seite ist der Moduladapter 20 angesteckt, angespritzt,
angeklebt oder als gummibeschichteter Teil zum Ankleben an den Innerliner
des Reifens 2 angeordnet.
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Die 7 beschreibt
ein Reifenmodul 12 mit dem Modulkopf 14 mit einem
ausgesparten Innenraum 28 im Multichipmodul zur Aufnahme
einer Anzahl von Batterien 30 sowie vorbereiteten Kontaktstellen 32 zur
Aufnahme von Batteriekontaktfahnen 34. Der elastische Modulfuß 16 weist
eine Anzahl von Einrastelementen 24 auf, die als Prägungen oder Ausstanzungen
zum Festsetzen des Modulfußes 16 am
hier nicht dargestellten Moduladapter 20 ausgelegt sind.
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Der
Modulfuß 16 kann
darüber
hinaus eine Ausstanzung oder Prägung 36 zur
Erhöhung
der Elastizität
des Modulfußes 16 oder
zu dessen Versteifung aufweisen.
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Einen
Ausschnitt des Modulkopfes 14 im Schnitt mit Kontaktstelle 32 zur
Batteriekontaktfahne 34 sowie eine Klemmbefestigung 38 der
Batteriekontaktfahne 34 zeigt die 8.
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Das
Reifenmodul 12 gemäß 9 weist
eine eckige Form auf, wobei auch andere Ausgestaltungen, beispielsweise
rund oder oval, denkbar sind. Der Modulkopf 14 umfasst
einen Aufnahmebereich 28 mit einer hier verschlossen dargestellten Öffnung für ein Multichipmodul
sowie eine Atmungsöffnung 26,
beispielsweise für
einen im Aufnahmebereich 28 vorgesehenen Drucksensor, und
ist auf den Modulfuß 16 aufgesteckt.
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Die 10 zeigt
eine Variante des Reifenmoduls 12 mit dem gebogenen Modulfuß 16,
wobei der Modulkopf 14 eine Anzahl von Batterien umfasst, die üblicherweise
von oben in den Modulkopf 14 eingelassen werden.
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Eine
Variante der Befestigung des Reifenmoduls 12 in einem Reifen 2 verdeutlicht
die 11: Im Schnitt ist hier der Reifen 2 eines
Kraftfahrzeugs oder Flugzeugs dargestellt mit einer profilierten
Aufstandsfläche 40 sowie
einem Moduladapter 20 zur Aufnahme des Modulfußes 16 am
Innerliner des Reifens 2, der in der 12 als
Adapterstück
(Formteil) zur Einklebung oder Vulkanisierung im Reifen 2 und in
der 13 als ein weiteres Ausführungsbeispiel als Formteil aus
Gummi oder einem anderen geeigneten Material dargestellt ist.
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Die 14 zeigt
in das Reifenmodul 12 seitlicher Ansicht mit dem gebogenen
elastischen Modulfuß 16,
der ein hier nicht dargestelltes piezoelektrisches Wandlerelement 18 umfasst
und/oder bei geeigneter Auslegung Verwendung als Antenne findet, sowie
dem am Modulfuß 16 angeordneten
Modulkopf 14, der beispielsweise eine Anzahl von Batterien 30 und/oder
weiteren Elektronikkomponenten umfassen kann. Der Modulkopf 14 dient
als seismische Masse für
die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie über das
piezoelektrische Wandlerelement 18.
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Der
Modulfuß 16 verfügt des Weiteren über ein
Einrastelement 24, das als Verrastungs- oder Klemmnase
ausgebildet sein kann, das den Modulfuß 16 nach der vorgesehenen
Anbringung, beispielsweise dem Aufstecken auf den Moduladapter 20,
auf diesem arretiert.
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Die
Verwendung als Antenne ist in der 15 dargestellt:
Der Modulfuß 16 besteht
im Wesentlichen aus Draht oder Metallröhrchen, die eine vorgegebene
Länge des
elektrischen Leiters und somit eine geeignete Auslegung und Berechnung
der Antennenwirkung ermöglichen.
Als Einrastelement 24 für
die Befestigung des Modulfußes 16 im
oder am Moduladapter 20 ist eine geeignete Biegung des
Modulfußes 16 vorgesehen.
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Die 16 zeigt
den Modulfuß 16 in
einer Ausführung
aus Blechmaterial mit Einrastelementen 24 zum Arretieren
des Modulfußes 16 in
dem hier nicht dargestellten Moduladapter 20 sowie zum
Arretieren des ebenfalls in dieser Figur nicht dargestellten Modulkopfes 14 am
Modulfuß 16.
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In
der 17 ist der der Modulfuß 16 ebenfalls, wie
in der 16 gezeigt, als aus Blechmaterial gefertigt
dargestellt. Allerdings zeigt die 17 eine Ausführung, die
durch eine Randumbördelung
des Blechmaterials mit einem geringen Radius dem Modulfuß 16 eine
besonders hohe Steifigkeit verleiht. In das Blechmaterial eingearbeitet,
beispielsweise gestanzt und gebogen, ist das Einrastelement 24 zur Befestigung
des Modulfußes 16 im
oder am Moduladapter 20.
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Die 18 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform
des Reifenmoduls 12 in dreidimensionaler Ansicht. Das Reifenmodul 12 verfügt über einen
integrierten Batteriebereich im Modulkopf 14 sowie einen integrierten
Elektronikbereich 42, also einem Bereich mit den vorgesehenen
elektronischen Bauteilen, die hier allerdings nicht explizit dargestellt
sind.
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Die
elektrische Verbindung zwischen den beiden Bereichen, dem Batteriebereich
im Modulkopf 14 und dem Elektronikbereich 42,
also die Spannungsversorgung des Elektronikbereich 42,
wird durch zwei elektrische Leiter 44, deren Gesamtheit den
elastischen Modulfuß 16 bildet,
hergestellt. Die elektrischen Leiter 44 können auch
als Antenne für die Übermittlung
von Signalen aus dem Reifenmodul 12 an einen Empfänger im
Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Die gleiche Ausführungsform des Reifenmoduls 12 wie
in 18 zeigt die 19, allerdings
in seitlicher Ansicht.
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Die 20 zeigt
den Moduladapter 20 in einer Ausführungsform als Gummiteil oder
Gummiflicken, der zur Anbringung am Innerliner 46 des Reifens 2 geeignet
ist, wobei diese Anbringung durch Anvulkanisieren oder Aufkleben
erfolgen kann.
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Die
Ausbildung des Moduladapters 20 in dieser Form kann beispielsweise
durch Stanzen als Formteil erfolgen. Der Moduladapter umfasst einen befestigungsfreien
Bereich 48, der nicht an den Innerliner 46 des
Reifens 2 anvulkanisiert oder mit diesem verklebt ist.
Dies wird dadurch ermöglicht,
dass zwischen den Innerliner 46 des Reifens 2 und
den Moduladapter 20 vor Anvulkanisierung oder Aufklebung
eine in ihren Konturen dem befestigungsfreien Bereich 48 entsprechende
Trennfolie 50 eingelegt wird, wie die 21 zeigt.
Die Trennfolie 50 ist in der 22 in
ihrer ganzen Form als loses Element dargestellt.
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Die 23 gibt
einen Überblick über das Reifenmodul 12 mit
Auslenkungsbegrenzung: Das Reifenmodul 12, bestehend aus
dem Modulfuß 16 und
dem Modulkopf 14 mit dem Einrastelement 24, ist
bei seiner Bewegung durch den in beide Bewegungsrichtungen wirkenden
mechanischen Anschlag begrenzt.
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Die 24 zeigt
eine andere Form der Auslenkungsbegrenzung auf: Der mit dem Modulfuß 16 verbundene,
an ihm angeordnete oder durch ihn gehaltene mechanische Anschlag 52 begrenzt
die Bewegung des Modulkopfes 14 in der Richtung zum Inneren
des Reifens 2. Die entgegengesetzte Bewegung des Modulkopfes 14 in
Richtung des Innerliners 46 des Reifens 2 ist
durch den Modulfuß 16 und
die maximale Auslenkung des Modulkopfes 14 bis zum Modulfuß 16 gegeben.
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- 1
- Rad
- 2
- Reifen
- 4
- Fahrbahn
- 6
- Latsch
- 8
- Latscheintritt
- 10
- Latschaustritt
- 12
- Reifenmodul
- 14
- Modulkopf
- 16
- (elastischer)
Modulfuß
- 18
- piezoelektrisches
Wandlerelement (Spannungserzeuger)
- 20
- Moduladapter
- 22
- mechanische
Schnittstelle
- 24
- Einrastelement
- 26
- Öffnung für Drucksensor
- 28
- Innenraum/Aufnahmebereich
- 30
- Batterie(n)
- 32
- Kontaktstelle
- 34
- Batteriekontaktfahne
- 36
- Prägung/Ausstanzung
- 38
- Klemmbefestigung
- 40
- profilierte
Aufstandsfläche
- 42
- Elektronikbereich
- 44
- elektrische
Leiter
- 46
- Innerliner
- 48
- befestigungsfreier
Bereich
- 50
- Trennfolie
- 52
- mechanischer
Anschlag