DE102008035486A1

DE102008035486A1 - Reifenmodul sowie Verfahren zur Signalaufbereitung

Info

Publication number: DE102008035486A1
Application number: DE102008035486A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kammann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2009-03-05
Also published as: WO2009027424A1; WO2009027423A1; DE102008035498A1; US8291754B2; US20110113876A1

Abstract

Reifenmodul (12, 60) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen in einem Reifen (1), welches mindestens ein, insbesondere piezoelektrisches, Element (40, 54) umfasst, von welchem bei einem Latschdurchlauf (8, 10) eine Wechselspannung (U) erzeugt wird, wobei das Reifenmodul (12, 60) eine Aufbereitungsschaltung (45) umfasst, in welcher positive Anteile des Spannungssignals (20) des, insbesondere piezoelektrischen, Elementes (40, 54) von negativen Anteilen des Spannungssignals (20) des, insbesondere piezoelektrischen, Elementes (40, 54) getrennt werden, so dass zwei Teilsignale (21, 22) ausgegeben werden, wobei das eine Teilsignal (21) die positiven Anteile des Spannungssignals (20) wiedergibt und das andere Teilsignal (22) die negativen Anteile des Spannungssignals (20) wiedergibt, sowie Verfahren zur Aufbereitung eines Wechselspannungssignals (20, U), welches von einem in einem Reifenmodul (12, 60) angeordneten, insbesondere piezoelektrischen, Element (40, 54) bei einem Latschdurchlauf (8, 10) eines Reifens (1) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reifenmodul gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, dessen Verwendung in einem Reifendrucküberwachungssystem sowie ein Verfahren zur Signalaufbereitung gemäß Oberbegriff von Anspruch 9.
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, z. B. zur Erfassung des Reifenluftdrucks oder der Reifentemperatur, gegebenenfalls eine zugeordnete Auswerteelektronik sowie eine Sendeeinheit zur Übertragung der Sensordaten an eine Zentraleinheit am Fahrzeug.
Neben dem Reifenluftdruck stellt die Latschlänge, d. h. die Länge der Kontaktfläche zwischen Reifen und Untergrund, eine für den Zustand des Reifens charakteristische Größe dar, anhand welcher eine Überlastung des Reifens erkannt werden kann, welche z. B. durch einen zu geringen Luftdruck oder durch einen nicht an die Beladung angepassten Luftdruck hervorgerufen wird. Des Weiteren kann die Latschlänge, eventuell gemeinsam mit einem gemessenen Reifendruck, zur Bestimmung der Schwerpunktslage des Fahrzeugs oder der Beladung des Fahrzeugs herangezogen werden.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, ein piezoelektrisches Element im Reifen anzuordnen, welches anhand der Beschleunigungsänderungen im Reifen und/oder der Verformung des Reifens bei Latscheintritt und Latschaustritt die Raddrehzahl und/oder die Latschlänge vermisst. Ein im Reifen angeordnetes piezoelektrisches Element wird dabei auch zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie verwendet. Hierfür ist im Reifen ein Gleichrichter angeordnet, welcher aus dem Wechselspannungssignal des piezoelektrischen Elementes eine Gleichspannung zur Versorgung der elektronischen Bauteile des Reifenmoduls erzeugt.
So offenbart die DE 44 02 136 A1 ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, bei dem im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, welche eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronik trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehung dient. Das System ist in den Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannungen elektrische Energie gewonnen wird. Aus der an den Elektroden des piezoelektrischen Elementes anliegenden Wechselspannung wird durch eine Gleichrichterschaltung eine Gleichspannung zur Verfügung gestellt zur Versorgung der Systemkomponenten.
Die DE 10 2004 031 810 A1 beschreibt einen Sensortransponder mit einem piezoelektrischen Element, welcher in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Element an der Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Das Signal des piezoelektrischen Elements wird dabei zur Bestimmung der Raddrehzahl verwendet und das piezoelektrische Element liefert die gesamte Energie zur Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensortransponders sowie zur Datenübertragung.
Ein Verfahren zur Ermittlung des Reifenfülldruckes und der Radlast eines Fahrzeugreifens wird in der DE 103 29 700 A1 beschrieben. Hierzu wird auch die Latschlänge ermittelt, welche direkt aus dem Wechselspannungssignal eines piezoelektrischen Sensors zur Verformungsmessung bestimmt wird, welcher in den Fahrzeugreifen integriert ist.
In der DE 10 2004 001 250 A1 wird eine Vorrichtung zur Ermittlung der Seitenposition von Rädern offenbart, welche an jedem Rad eine Sensoreinheit zur Erfassung der Verformung des Reifens bei Latschdurchlauf umfasst. Aus den Deformationsdaten bei Kurvenfahrt werden die Latschlängen der Räder bestimmt und daraus die Seitenpositionen der Räder ermittelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Reifenmodul mit einem piezoelektrischen Element sowie ein Verfahren zur Aufbereitung des Ausgangssignals eines piezoelektrischen Elements bereitzustellen, welches eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Latschlänge ermöglicht. Dabei soll die Latschlänge möglichst genau bestimmt werden. Des Weiteren sollen die Kosten zur Herstellung des Reifenmoduls bzw. zur Realisierung des Verfahrens gering sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Reifenmodul gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, das Wechselspannungssignal, welches von einem in einem Reifenmodul in einem Reifen angeordneten piezoelektrischen Element bei einem Latschdurchlauf erzeugt wird, in zwei Teilsignale auf zu trennen, wobei das eine Teilsignal die positiven Anteile des Spannungssignals wiedergibt und das andere Teilsignal die negativen Anteile des Spannungssignals wiedergibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in dem Reifenmodul angeordneten Element um ein piezoelektrisches Element, da ein piezoelektrisches Element eine zur weiteren Signalauswertung ausreichend starkes Wechselspannungssignal liefert.
Bevorzugt wird zumindest eines der beiden entstandenen Teilsignale ausgewertet, um eine Reifenzustandsgröße zu bestimmen. Durch die Auswertung eines „rauschfreien" Teilsignals wird die Genauigkeit der Bestimmung der Reifenzustandsgröße erhöht. Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen oder einen zweiten, unabhängigen Wert für die Reifenzustandsgröße zu erhalten, werden besonders bevorzugt die beiden entstandenen Teilsignale getrennt ausgewertet, um die Reifenzustandsgröße zu bestimmen.
Da die Latschlänge eine relevante Größe für eine Erkennung einer Überlastung des Reifens und/oder für eine Beladungserkennung des Fahrzeuges ist, werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die beiden Teilsignale zur Bestimmung einer Kenngröße ausgewertet, welche ein Maß für die Latschlänge des Reifens ist oder darstellt.
Um neben der Latschlänge auch die Raddrehzahl aus dem Spannungssignal des piezoelektrischen Elementes mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, wird bevorzugt das eine Teilsignal zur Erkennung eines Latscheintrittes und das andere Teilsignal zur Erkennung eines Latscheaustrittes ausgewertet.
Um die Energieversorgung des Reifenmoduls zu unterstützen und so z. B. die Lebensdauer einer Reifenmodulbatterie zu verlängern, dient das piezoelektrische Element bevorzugt zusätzlich zur Erzeugung von elektrischer Energie. Dazu wird/werden das Spannungssignal des piezoelektrischen Elementes und/oder eines oder beide der Teilsignale zur Energieversorgung mindestens einer elektronischen Komponente des Reifenmoduls herangezogen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der/den elektronischen Komponente(n) um einen Sensor (z. B. Reifendrucksensor und/oder Reifentemperatursensor) und/oder eine Auswerteschaltung und/oder eine Sendeeinrichtung.
Das Reifenmodul ist bevorzugt an einer Innenseite des Reifens in einem Bereich, welcher bei einem Latschdurchlauf verformt wird, befestigt. So werden die Verformungskräfte auf das piezoelektrische Element übertragen und dieses wird durch die Verformung des Reifens bei einem Latschdurchlauf ebenfalls verformt. Die mechanische Energie wird von dem piezoelektrischen Element in eine Wechselspannung umgesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reifenmoduls umfasst die Aufbereitungsschaltung, in welcher die positiven Anteile des Spannungssignals des piezoelektrischen Elementes von den negativen Anteilen des Spannungssignals des piezoelektrischen Elementes getrennt werden und zwei entsprechende Teilsignale ausgegeben werden, vier Dioden.
Ebenso ist es bevorzugt, dass das Reifenmodul eine Auswerteschaltung umfasst, in welcher ein Teilsignal zur Bestimmung einer Reifenzustandsgröße ausgewertet wird oder beide Teilsignale zur Bestimmung einer Reifenzustandsgröße ausgewertet werden. Besonders bevorzugt ist in dem Reifenmodul eine elektronische Auswerteschaltung angeordnet, in welcher aus den Teilsignalen eine Kenngröße ermittelt wird, welche ein Maß für die Latschlänge des Reifens ist. So können aus den Informationen eines oder mehrerer Latschsensoren am Fahrzeug Rückschlüsse auf die Beladung des Fahrzeugs gezogen werden oder zusätzliche Informationen zur Reifenüberwachung gewonnen werden. Hierzu werden die bestimmten Latschlängen der einzelnen Reifen untereinander oder jeweils mit zuvor eingelernten Vergleichsgrößen oder mit jeweils vorgegebenen Vergleichsgrößen verglichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reifenmoduls ist das Reifenmodul an einer Innenseite des Reifens in einem Bereich der Lauffläche befestigt und umfasst ein piezoelektrisches Element, welches bei einer Verformung des Reifens bei einem Latschdurchlauf ebenfalls verformt wird, ein Trägermittel, auf welchem mindestens ein elektronisches Bauelement angeordnet ist, und mindestens eine Batterie zur zumindest teilweisen Energieversorgung des Reifenmoduls.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Trägermittel um eine Leiterplatte, auf welcher besonders bevorzugt alle elektronischen Bauelemente des Reifenmoduls angeordnet und/oder mit welcher alle elektronischen Bauelemente des Reifenmoduls verbunden sind. So muss keine weitere Leiterplatte im Reifenmodul angeordnet sein.
Das piezoelektrische Element ist bevorzugt als ein Latschsensor ausgeführt, anhand dessen Ausgangssignal erkannt wird, wenn das Reifenmodul in den Latsch ein- und/oder austritt. So kann zur Schonung der Batterie des Reifenmoduls das Reifenmodul bei Stillstand des Fahrzeuges deaktiviert werden (z. B. keine Erfassung von Druckdaten oder Sendung von Daten) und das Ausgangssignal des piezoelektrischen Latschsensors dann zur Aktivierung des Reifenmoduls bei Anfahren des Fahrzeugs nach dem Stillstand herangezogen werden (sogenannte „Wake-up"-Funktion). Besonders bevorzugt wird das piezoelektrische Element ausschließlich als Latschsensor, und nicht zur Energieversorgung, eingesetzt. Die Energieversorgung wird dann von der/den Batterie(n) sichergestellt.
Um den im Reifen auftretenden Belastungen standzuhalten, ist es vor allem für ein Reifenmodul, welches im Reifeninneren im Bereich der Lauffläche angebracht ist, notwendig, dass es möglichst kompakt ist. Außerdem soll eine Unwucht des Reifens sowie Reifenschäden vermieden werden. Daher sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls das Trägermittel und die Batterie bezüglich einer Ausdehnungsrichtung des Reifenmoduls übereinander angeordnet, wobei das Trägermittel und die Batterie senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet sind, und das piezoelektrische Element ist bezüglich der Ausdehnungsrichtung über oder unter oder zwischen dem Trägermittel und der Batterie angeordnet, wobei das piezoelektrische Element jeweils zu dem Trägermittel und zu der Batterie senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet ist. Bei der Ausdehnungsrichtung handelt es sich besonders bevorzugt um die Höhe des Reifenmoduls. Vereinfacht ausgedrückt, die drei Komponenten Trägermittel, Batterie und piezoelektrisches Element werden in dem Reifenmodul übereinander und zumindest teilweise einander überlappend angeordnet („gestapelt"), um die Ausdehnung des Reifenmoduls bezüglich seiner Grundfläche möglichst gering zu halten. So werden die auf das Reifenmodul bei Latschdurchlauf wirkenden Verformungskräfte möglichst gering gehalten, wodurch das piezoelektrische Element vor übermäßiger Verformung geschützt wird, welche zum Bruch des piezoelektrischen Materials führen kann. Es sind somit keine zusätzlichen Auslenkungsbegrenzungsmittel für das piezoelektrische Element notwendig, welche wieder zu einer Erhöhung des Gewichts des Reifenmoduls führen würden.
Um einen weiteren Schutz des piezoelektrischen Elementes gegen Beschädigung zu erzielen, sind das Trägermittel, die Batterie und das piezoelektrische Element bevorzugt zumindest teilweise in eine Vergussmasse eingebettet. Besonders bevorzugt sind die drei Komponenten vollständig in die Vergussmasse eingebettet, um einen Schutz vor Umgebungseinflüssen von allen Seiten zu erreichen. Durch die durch das Vergussmaterial erzielte Versteifung des piezoelektrischen Elementes wird die Bruchgefahr weiter minimiert. Aufgrund der kompakten Bauweise des Reifenmoduls („Stapelung" der Komponenten) wird weniger Vergussmasse zur Einbettung von Trägermittel, Batterie und piezoelektrischem Element benötigt als bei einer Anordnung nebeneinander, so dass hier durch ein Vorteil in Bezug auf ein möglichst geringes Gewicht des Reifenmoduls erreicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Reifenmoduls ist das piezoelektrische Element direkt an der Batterie oder an dem Trägermittel angebracht. Hierdurch wird das piezoelektrische Element noch zusätzlich durch die Batterie oder das Trägermittel vor übermäßiger Verformung geschützt. Besonders einfach und kostengünstig ist die Anbringung als eine Klebung ausgeführt.
Das piezoelektrische Element umfasst bevorzugt ein Trägerelement aus Metall und piezoelektrisches Material, wobei das piezoelektrische Material auf dem Trägerelement aufgebracht ist. So dient das Trägerelement durch seine Steifigkeit direkt als Verformungsbegrenzungsmittel für das piezoelektrische Material. Das Trägerelement ist besonders bevorzugt eine Messingscheibe oder eine Messingplatte. Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich besonders bevorzugt um eine piezoelektrische Keramik. Besonders bevorzugt wird das piezoelektrische Element mit seinem Trägerelement direkt an der Batterie oder an dem Trägermittel angebracht, ganz besonders bevorzugt durch Klebung.
Bevorzugt ist zur Versorgung der elektronischen Bauelemente der Trägerschicht die Batterie über einen Batteriekontakt elektrisch leitend mit der Trägerschicht verbunden, wobei das piezoelektrische Element elektrisch leitend mit einem Batteriekontakt verbunden ist. Hierdurch wird eine Kontaktierung zwischen Trägerschicht und piezoelektrischem Element eingespart.
Das piezoelektrische Element wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls genutzt. Hierzu umfasst das Reifenmodul, insbesondere auf dem Trägermittel, eine elektronische Schaltung, welche derart ausgeführt ist, dass die bei Verformung des piezoelektrischen Elementes erzeugte elektrische Spannungssignal oder eines oder beide der Teilsignale auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls genutzt wird/werden. So umfasst die elektronische Schaltung besonders bevorzugt Mittel zur Gleichrichtung der Piezospannung des piezoelektrischen Elements. Ebenso umfasst die elektronische Schaltung besonders bevorzugt Mittel zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie. Durch die zusätzliche Energieversorgung des Reifenmoduls mit Hilfe des piezoelektrischen Elements wird die Lebensdauer der Batterie verlängert.
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.
Es zeigen schematisch
1 einen auf einem Untergrund abrollenden Reifen,
2 einen beispielsgemäßen Verlauf eines Ausgangssignals eines piezoelektrischen Elementes in einem Reifen,
3 Signale nach beispielsgemäßer Aufbereitung und Auswertung eines Ausgangssignals eines piezoelektrischen Elementes in einem Reifen,
4 eine beispielsgemäße elektronische Schaltung zur erfindungsgemäßen Aufbereitung eines Ausgangssignals eines piezoelektrischen Elementes,
5 eine erste Anordnung von Komponenten in einem beispielsgemäßen Reifenmodul,
6 eine zweite Anordnung von Komponenten in einem beispielsgemäßen Reifenmodul,
7 ein beispielgemäßes Reifenmodul mit Anbringung am Reifen, und
8 ein beispielsgemäßes piezoelektrisches Element.
1 zeigt das Abrollverhalten eines Reifens 1 mit einer Rotationsrichtung 2 eines Kraftfahrzeugs, wobei dieses Verhalten auch auf beispielsweise ein Motorrad oder einen Motorroller, auf ein Nutzfahrzeug, ein Fahrrad oder Flugzeug übertragen werden kann. Das Abrollverhalten ist hier in idealisierter Form auf einem ebenen Untergrund 4 dargestellt. Es entsteht immer eine abgeplattete Aufstandsfläche, der so genannte Latsch 6. Die Größe, also die Länge und Breite, wobei die Länge vom Latscheintritt 8 bis zum Latschaustritt 10 gemessen wird, sowie die Form des Latschs 6 ist unter anderem abhängig von Reifenkenndaten, der Radlast, dem Reifendruck, dem Fahrzustand (Längs- und Querkräfte) und der Geschwindigkeit.
Befindet sich ein Reifenmodul 12 in Reifen 1, so wirken auf dieses bei Latscheintritt 8 und Latschaustritt 10 aufgrund der Änderung der im Reifen wirkenden Beschleunigung und/oder der Verformung des Reifens Kräfte, welche zu Verformung und/oder Bewegung von zumindest Teilen des Reifenmoduls führen.
Die Verformung des Reifens 1 bei Latschdurchlauf, speziell der Knick 14 beim Latscheintritt 8 und Latschaustritt 10, und/oder die Änderung der wirkenden Beschleunigung bei Latschdurchlauf kann/können mit einem piezoelektrischen Element gemessen werden. Das Reifenmodul 12 ist derartig im Reifen befestigt, dass das piezoelektrische Element durch die Walkbewegungen und/oder Beschleunigungsänderungen verformt oder ausgelenkt wird. Hierdurch entsteht ein Wechselspannungssignal an den Elektroden des piezoelektrischen Elementes.
In 2 ist schematisch ein beispielsgemäßer Verlauf eines Ausgangssignals eines piezoelektrischen Elementes dargestellt, welches in einem Reifen angeordnet ist und durch die Reifenverformung bei Latschdurchlauf verformt wird. Auf der x-Achse ist die Zeit t und auf der y-Achse die Piezospannung U oder eine ihr entsprechende Größe aufgetragen. In dem durch die Reifenverformung resultierenden Ausgangssignal 20 treten bei Latscheintritt T₈ und Latschaustritt T₁₀ Spannungsspitzen auf. Im dargestellten Beispiel ergibt sich bei Latscheintritt T₈ eine negative Spannungsspitze (Peak), bei Latschaustritt T₁₀ eine positive Spannungsspitze (Peak).
Beispielsgemäß umfasst das erfindungsgemäße Reifenmodul eine Schaltung zur störungsfreien Aufbereitung und Auswertung des Signals 20. Dabei wird der negative Teil des Signals 20 vom positiven Teil des Signals 20 getrennt (sog. selektive Gleichrichtung) und die entstehenden Teilsignale getrennt bewertet. In 3 ist das Ergebnis einer beispielsgemäßen Aufbereitung und Auswertung eines Ausgangssignals 20 eines piezoelektrischen Elementes schematisch dargestellt. Die beiden unteren Kurven 21 und 22 zeigen die sich ergebenden Verläufe der beiden selektiv gleichgerichteten Signale (Signalaufbereitung). Kurve 21 stellt den Betrag des negativen Signals (des negativen Signalanteils) und Kurve 22 das positive Signal (den positiven Signalanteil) des Ausgangssignals 20 bei zwei Latschdurchläufen dar. Kurve 23 beschreibt das ausgewertete Latschsignal (Signalauswertung). Bei einem Latscheintritt T₈, welcher durch die steil ansteigende Flanke im negativen Signalanteil 21 angezeigt wird, steigt das Latschsignal 23 an, bei Latschaustritt T₁₀, welcher durch die steil ansteigende Flanke im positiven Signalanteil 22 angezeigt wird, fällt das Latschsignal 23 wieder ab. Anhand des Latschsignals 23 kann somit die Latschlänge 4 oder die Latschzeit oder das Verhältnis von Latschzeit zu Radumlaufzeit (Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Latscheintritten T₈ oder Latschaustritten T₁₀) bestimmt werden.
Durch die selektive Gleichrichtung lässt sich ein störendes Rauschen beim Latscheintritt 8 bzw. beim Latschaustritt 10 sehr wirkungsvoll ausblenden. Wie aus 3 deutlich ersichtlich ist, lässt sich bei einer Trennung von positivem Signalanteil 22 und negativem Signalanteil 21 der Latsch 4 leicht auswerten. Dies wäre bei einem komplett gleichgerichteten Signal nur mit größerem Aufwand möglich. Es wird also eine deutliche Vereinfachung und/oder Verbesserung der Latschvermessung erreicht.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Auswertung des Signals 20 eines piezoelektrischen Elementes wird das Signal 20 abgetastet und digitalisiert um eine genaue Auswertung des Signalverlaufs 20 durchführen zu können. Dies ist aufwendiger als das oben beschriebene Verfahren der selektiven Gleichrichtung des Piezoelement-Signals 20. Des Weiteren verbraucht die bekannte Auswertung im Gegensatz zum hier beschriebenen Auswerteverfahren mehr Strom.
In 4 ist eine beispielsgemäße elektronische Schaltung 45 zur selektiven Gleichrichtung dargestellt. Die Spannung an piezoelektrischem Element 40 wird mittels vier Dioden 41 selektiv gleichgerichtet. Der positive Signalanteil 22 und der negative Signalanteil 21 werden über die Kontakte K1 und K2 abgegriffen.
Gemäß des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels werden die selektiv gleichgerichteten Signale 21, 22 zur Bestimmung der Latschlänge und/oder damit verbundener Größen (Latschzeit oder Verhältnis von Latschzeit und Umlaufzeit etc.) verwendet. Alternativ oder zusätzlich werden die Signale 21, 22 oder auch das Ausgangssignal 20 zur Energieversorgung der elektronischen Komponenten des Reifenmoduls herangezogen.
In 5 sind schematisch einige relevanten Teile eines beispielgemäßen Reifenmoduls dargestellt. Batterie 50 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 51 mit Leiterplatte 52 verbunden. Batterie 50 ist unterhalb von Leiterplatte 52 angeordnet. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Batterie 50 und Leiterplatte 52 in z-Richtung in einem gewissen Abstand angeordnet, es ist jedoch auch möglich, dass Batterie 50 direkt an Leiterplatte 52 angebracht ist. Auf Leiterplatte 52 sind weitere elektronische Bauelemente 53 angebracht, z. B. eine Aufbereitungsschaltung 45 und/oder eine Auswerteschaltung. Ein piezoelektrisches Element 54 ist beispielsgemäß unterhalb von Batterie 50 an Batterie 50 angebracht. Piezo-Element 54 ist über eine elektrische Verbindung 55 mit Leiterplatte 52 verbunden.
In 6 ist schematisch eine Anordnung von relevanten Komponenten in einem weiteren beispielsgemäßen Reifenmodul dargestellt. Batterie 50 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 51 mit Leiterplatte 52 verbunden. Batterie 50 ist unterhalb von Leiterplatte 52 in einem gewissen Abstand angeordnet. Piezoelektrisches Element 54 ist zwischen Batterie 50 und Leiterplatte 52 angeordnet. Auf Leiterplatte 52 sind weitere elektronische Bauelemente 53 angebracht.
Bei den elektronischen Bauelementen 53 kann es sich z. B. um eine oder mehrere der folgenden Bauelemente handeln: Drucksensor, Temperatursensor, Sendeeinrichtung (z. B. HF-Sender), Empfängereinrichtung (z. B. HF-Empfänger), elektronische Aufbereitungsschaltung 45 und/oder Auswerteschaltung, Gleichrichter, Speicherelement.
Die beispielsgemäßen Reifenmodule umfassen eine Batterie 50 sowie ein piezoelektrisches (Mess)Element 54. Die Batterie 50 dient dabei bevorzugt zur Versorgung der elektronischen Komponenten des Reifenmoduls. Das piezoelektrische Messelement 54 dient bevorzugt zur Bestimmung oder Messung einer Reifenzustandsgröße, insbesondere zur Bestimmung oder Messung der Latschlänge 6 oder einer damit zusammenhängenden Größe, wie z. B. der Latschzeit. Zusätzlich kann das piezo elektrische Element 54 auch als Wandlerelement, d. h. zur Erzeugung elektrischer Energie, herangezogen werden.
In 7 ist ein beispielsgemäßes Reifenmodul 60 mit einer Anordnung von Batterie 50, Leiterplatte 52 und piezoelektrischem Element 54 entsprechend 6 schematisch dargestellt. Batterie 50, Leiterplatte 52, piezoelektrisches Element 54 und elektronische Bauelemente 53 sind von einem geeigneten Verguss 56 umgeben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Komponenten vollständig von der Vergussmasse 56 umschlossen, es können jedoch auch nur einige Komponenten oder die Komponenten nur teilweise von der Vergussmasse 56 umschlossen sein.
Durch Vergussmasse 56 sind die Komponenten gegen äußere Einflüsse geschützt. Auch wenn Teile des Reifenmoduls 60 umgossen ist, werden die Bewegungen (Verformungen) des Reifens 1 bei Latschdurchlauf auf die einzelnen Bauteile, insbesondere auf das piezoelektrische Element 54, übertragen.
Beispielsgemäß ist das Reifenmodul 60 durch einen Container 57, welcher z. B. aus Gummi besteht, an Reifen 1 befestigt. Hierzu ist Container 57 am Innerliner des Reifens 1 befestigt, z. B. eingeklebt oder einvulkanisiert. Container 57 kann z. B. eine Öffnung enthalten (nicht dargestellt in 7), durch welche Reifenmodul 60 aus Container 57 entnommen oder in Container 57 eingeführt werden kann. So kann bei einem Defekt des Reifenmoduls 60 ein Austausch stattfinden.
In Piezo-Element 54 erfolgt bei Dehnung/Stauchung bzw. bei Biegung, z. B. bei Latschein- 8 und Latschaustritt 10, eine Ladungstrennung. Nutzt man das Piezo-Element 54 ausschließlich als (Latschdeformations)Sensor – nicht als Energie wandler – so ist die exakte Anordnung im Reifenmodul nicht von entscheidender Bedeutung für eine ordnungsgemäße Funktionsweise. Somit ist eine Bauraum-minimierende Anordnung durch Stapelung von Batterie 50, Leiterplatte 52 und piezoelektrischem Element 54 möglich. Hierdurch wird auch die Montage des Reifenmoduls vereinfacht, was zu geringeren Produktionskosten führt.
Bei Piezo-Element 54 handelt es sich gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels um einen an sich bekannten Piezo-Buzzer.
In 8 ist ein beispielgemäßes Piezo-Element 54' schematisch dargestellt, dabei zeigt 5a) dieses in Aufsicht und 5b) in Seitenansicht. Das beispielgemäße Piezo-Element 54' umfasst eine Messingscheibe 30, auf welcher piezoelektrisches Material 31, insbesondere Piezokeramik, angebracht ist.
Piezo-Element 54 kann z. B. unter der Batterie 50 (z. B. 5), zwischen Platine 52 und Batterie 50 (z. B. 6 oder 7) oder direkt an Platine 52 (ohne Darstellung) angebracht sein. Es kann fest mit Platine 52 bzw. Batterie 50 verbunden sein (z. B. 5) oder auch ohne direkte Verbindung zu diesen Bauteilen 52, 50 umgossen werden (z. B. 7), da die Krafteinwirkung durch die Vergussmasse 56 gewährleistet wird.
Gemäß eines weiterer Ausführungsbeispiels des Reifenmoduls 60 umfasst dieses zwei Batterien 50. Die beiden Batterien 50 sind übereinander angeordnet und das Piezo-Element 54 ist zwischen den Batterien 50 oder oberhalb oder unterhalb der Batterien 50 angeordnet.
Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels ist das Piezo-Element 54 galvanisch direkt mit einem Batteriekontakt verbunden – so entfällt eine Kontaktierung.
Das im Reifenmodul angeordnete Piezo-Element 54 kann sowohl als Signalgeber (z. B. zur Latschvermessung) als auch als Mikrogenerator (Energiewandler) verwendet werden. Durch die Variation der Größe des Elements 54 kann die abgegebene Leistung bzw. Spannung skaliert werden.
Die Signale des Piezo-Elements 54 werden bevorzugt zur Bestimmung der Latschlänge 6 ausgewertet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4402136 A1 [0005]
- DE 102004031810 A1 [0006]
- DE 10329700 A1 [0007]
- DE 102004001250 A1 [0008]

Claims

Reifenmodul (12, 60) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen in einem Reifen (1), welches mindestens ein, insbesondere piezoelektrisches, Element (40, 54) umfasst, von welchem bei einem Latschdurchlauf (8, 10) eine Wechselspannung (U) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (12, 60) eine Aufbereitungsschaltung (45) umfasst, in welcher positive Anteile des Spannungssignals (20) des, insbesondere piezoelektrischen, Elementes (40, 54) von negativen Anteile des Spannungssignals (20) des, insbesondere piezoelektrischen, Elementes (40, 54) getrennt werden, so dass zwei Teilsignale (21, 22) ausgegeben werden, wobei das eine Teilsignal (21) die positiven Anteile des Spannungssignals (20) wiedergibt und das andere Teilsignal (22) die negativen Anteile des Spannungssignals (20) wiedergibt.
Reifenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungsschaltung (45) zumindest vier Dioden (41) umfasst.
Reifenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Auswerteschaltung umfasst, in welcher zur Bestimmung mindestens einer Reifenzustandsgröße (6) zumindest eines der Teilsignale (21, 22) ausgewertet wird, insbesondere die beiden entstandenen Teilsignale (21, 22) getrennt ausgewertet werden.
Reifenmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteschaltung die beiden Teilsignale (21, 22) zur Bestimmung einer Kenngröße (23), welche ein Maß für die Latschlänge (6) des Reifens (1) ist oder repräsentiert, ausgewertet werden.
Reifenmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteschaltung das eine Teilsignal (21) zur Erkennung eines Latscheintrittes (8) und das andere Teilsignal (22) zur Erkennung eines Lat scheaustrittes (10) ausgewertet wird.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (12, 60) an einer Innenseite des Reifens (1) in einem Bereich, welcher bei einem Latschdurchlauf (8, 10) verformt wird, befestigt ist, und dass das piezoelektrische Element (40, 54) derart angeordnet ist, dass es durch eine Verformung des Reifens (1) bei einem Latschdurchlauf (8, 10) verformt wird.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das dieses eine zweite Aufbereitungsschaltung umfasst, mit welcher das Spannungssignal (20) des piezoelektrischen Elementes (40, 54) und/oder eines oder beide der Teilsignale (21, 22) zur Energieversorgung mindestens einer elektronischen Komponente (53) des Reifenmoduls (12, 60), insbesondere eines Sensors und/oder einer elektronischen Schaltung, genutzt und/oder zur Nutzung aufbereitet wird/werden.
Verwendung eines Reifenmoduls nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Reifendrucküberwachungssystem.
Verfahren, mit welchem ein Wechselspannungssignal (20, U), welches von einem in einem Reifenmodul (12, 60) angeordneten, insbesondere piezoelektrischen, Element (40, 54) bei einem Latschdurchlauf (8, 10) eines Reifens (1) erzeugt wird, aufbereitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die positiven und negativen Anteile des Spannungssignals (20) getrennt werden und dass zwei Teilsignale (21, 22) erzeugt werden, wobei das eine Teilsignal (21) die positiven Anteile des Spannungssignals (20) wiedergibt und das andere Teilsignal (22) die negativen Anteile des Spannungssignals (20) wiedergibt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Teilsignale (21, 22) ausgewertet wird, um mindestens eine Reifenzustandsgröße (6) zu bestimmen, insbesondere dass die beiden entstandenen Teilsignale (21, 22) getrennt ausgewertet werden, um mindestens eine Reifenzustandsgröße (6) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilsignale (21, 22) zur Bestimmung einer Kenngröße (23), welche ein Maß für die Latschlänge (6) des Reifens (1) ist oder repräsentiert, ausgewertet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Teilsignal (21) zur Erkennung eines Latscheintrittes (8) und das andere Teilsignal (22) zur Erkennung eines Latscheaustrittes (10) ausgewertet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal (20) des piezoelektrischen Elementes (40, 54) und/oder eines oder beide der Teilsignale (21, 22) zur Energieversorgung mindestens einer elektronischen Komponente (53) des Reifenmoduls (12, 60), insbesondere eines Sensors und/oder einer Auswerteschaltung, herangezogen wird/werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselspannungssignal (20, U) von einem in dem Reifen (1) angebrachten piezoelektrischen Element (40, 54) erzeugt wird, welches sich durch eine Verformung des Reifens (1) bei einem Latschdurchlauf (8, 10) verformt.