DE102009043219A1 - A tire having a mechanical energy supply device, a method of providing the mechanical energy by means of the tire and using the mechanical energy - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Reifen mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie angegeben. Der Reifen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei an einer Innenseite einer Lauffläche des Reifens angeordnete, durch eine Gelenkbewegung gegeneinander bewegbare Schenkel aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Schenkeln durch die Gelenkbewegung veränderbar ist. Gemäß dem Verfahren wird der Reifen bei einer Rollbewegung derart deformiert, dass es zu der Gelenkbewegung der Schenkel kommt und dadurch die mechanische Energie bereitgestellt wird. Verwendung findet die Erfindung zur autarken Energieversorgung von Reifenkontrollsystemen.A tire is provided with a device for providing mechanical energy. The tire is characterized in that the device has at least two arranged on an inner side of a tread of the tire, by a joint movement against each other movable leg, wherein a distance between the legs by the joint movement is variable. According to the method, the tire is deformed during a rolling movement such that it comes to the joint movement of the legs and thereby the mechanical energy is provided. The invention is used for self-sufficient energy supply of tire control systems.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reifen mit Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie. Daneben werden ein Verfahren zum Bereitstellen der mechanischen Energie unter Verwendung des Reifens und eine Verwendung der bereitgestellten mechanischen Energie angegeben.The The invention relates to a tire with apparatus for providing a mechanical energy. In addition, a method for providing the mechanical energy using the tire and a use indicated the provided mechanical energy.
Sensoren, die auf der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.sensors based on MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, are increasingly being used. Particularly interesting are here Sensor nodes and networks that are energy self-sufficient. Such Systems draw the necessary for the operation of individual components electrical energy not from a mains supply or a battery, but about a suitable energy converter from the environment.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifenkontrollsystemen (Reifensensorik). Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür notwendige elektrische Bauteile (Reifenelektronik) sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.One Significant field lies in the automotive industry, for example in connection with tire control systems (tire sensors). today Monitor tire pressure monitoring systems Pressure fluctuations in the car tire by changing pressure and temperature at certain intervals measure and wireless the results send a control unit. Therefore necessary electrical components (tire electronics) are over a Valve attached to a rim of the car tire. The for the operation the tire pressure monitoring system necessary energy is from a Battery delivered. The battery limits the life of the tire pressure monitoring system.
Neue Konzepte erfordern, dass das Reifendruckkontrollsystem nicht mehr auf der Felge, sondern direkt auf der Innenseite des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) platziert wird. Auf diese Weise ist es möglich, neben Druck und Temperatur auch physikalische Eigenschaften zwischen Autoreifen und Fahrbahn zu vermessen und daraus gewonnene Daten für eine Fahrdynamik nutzbar zu machen. Eine derartige Ausweitung des Reifenkontrollsystems bedeutet aber kürzere Mess- und Sendeintervalle, eine höhere Messfrequenz und damit eine wesentlich kürzere Lebensdauer der Batterie.New Concepts require that the tire pressure monitoring system stop working on the rim, but directly on the inside of the tire lash (Footprint) is placed. In this way it is possible, in addition to pressure and temperature also physical properties between car tires and road surface to measure and derived data usable for a driving dynamics close. Such an expansion of the tire control system means but shorter Measurement and transmission intervals, a higher measurement frequency and thus a much shorter one Battery life.
Darüber hinaus ist es notwendig, das Reifenkontrollsystem zu miniaturisieren, so dass dessen Masse erheblich reduziert und damit eine Laufeigenschaft des Autoreifens nicht negativ beeinflusst wird (zum Beispiel durch größere Unwucht).Furthermore it is necessary to miniaturize the tire control system, so that its mass is significantly reduced and thus a running property of the car tire is not adversely affected (for example by major imbalance).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Hinblick auf energieautarke Systeme mechanische Energie bereitzustellen, die für ein Reifenkontrollsystem zur Verfügung gestellt werden kann.task The present invention is, in terms of energy self-sufficient Systems provide mechanical energy necessary for a tire control system to disposal can be made.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Reifen mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie angegeben. Der Reifen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei an einer Innenseite einer Lauffläche des Reifens angeordnete, durch eine Gelenkbewegung gegeneinander bewegbare Schenkel aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Schenkeln durch die Gelenkbewegung veränderbar ist.to solution The object is a tire with a device for providing indicated a mechanical energy. The tire is characterized in that the device comprises at least two on an inner side of a tread of the Tire arranged, by a joint movement against each other movable leg has, wherein a distance between the legs by the joint movement variable is.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Energie für einen piezoelektrischen Energiewandler unter Verwendung des Reifens angegeben, wobei der Reifen bei einer Rollbewegung derart deformiert wird, dass es zu der Gelenkbewegung der Schenkel kommt und dadurch die mechanische Energie bereitgestellt wird.to solution The object is also a method for providing mechanical Energy for a piezoelectric energy converter using the tire indicated, wherein the tire deformed during a rolling motion so is that it comes to the joint movement of the thighs and thereby the mechanical energy is provided.
An sich ist hier jeder beliebige Reifen denkbar. Vorzugsweise ist der Reifen ein Reifen eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens.At Any tire is conceivable here. Preferably, the Tire a tire of a motor vehicle, such as a passenger car or a truck.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, die beim Abrollen eines Reifens auf einer Fahrbahn stattfindende Deformation eines Reifens (Latsch-Bildung, Eintritt in den Latsch) zum Bereitstellen von mechanischer Energie bereitzustellen. Dazu werden die bewegbaren Schenkel benutzt. Diese Schenkel fungieren als Zange. Die bereit gestellte mechanische Energie steht dann für die Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung.The basic idea of the invention is that when unrolling a tire on a roadway occurring deformation of a Tire (Laces formation, entry into the laces) to provide of mechanical energy. These are the movable Thighs used. These legs act as pliers. The ready Asked mechanical energy is then for conversion into electrical Energy available.
Bei dem Reifen eines Kraftfahrzeuges führt die Rollbewegung über die Fahrbahn zur Bildung eines Reifenlatsches. Der Reifen ist so ausgestaltet, dass bei Bildung des Reifenlatsches, das heißt bei der Deformation des Reifens, die Gelenkbewegung der Schenkel erfolgt. Umgekehrt, bei Rückbildung der Deformation des Reifens, also bei der Auflösung des Reifenlatsches, kommt es ebenfalls zu einer Gelenkbewegung. In beiden Fällen führt die Gelenkbewegung dazu, dass der Abstand zwischen den Schenkeln verändert wird. Die Veränderung des Abstands beziehungsweise die dabei auftretende mechanische Energie kann nun ausgenutzt werden, um einen elektromechanischen Energiewandler (Generator) anzutreiben. Auf diese Weise ist ein energieautarkes System zugänglich, mit dem elektrische Energie gewonnen werden kann, und mit deren Hilfe beispielsweise ein Reifenkontrollsystem betrieben werden kann.In the case of the tire of a motor vehicle, the rolling movement over the roadway leads to the formation of a tire lash. The tire is designed so that when the formation of the tire lash, that is, in the deformation of the tire, the joint movement of the legs takes place. Conversely, when the deformation of the tire is reduced, that is to say when the tire lash dissolves, a joint movement likewise occurs. In both cases, the joint movement causes the distance between the legs to change. The change of the distance or the occurring mechanical energy can now be exploited to drive an electromechanical energy converter (generator). In this way, an energy self-sufficient system is accessible, with which electrical energy can be obtained, and with their help For example, a tire control system can be operated.
Die Schenkel sind mehrere mm lang. Vorzugsweise ist eine Schenkellänge aus dem Bereich von 5 mm bis 50 mm uns insbesondere aus dem Bereich von 5 mm bis 20 mm ausgewählt. Beispielsweise sind die Schenkel 10 mm lang.The Thighs are several mm long. Preferably, a leg length is off the range of 5 mm to 50 mm us especially from the field selected from 5 mm to 20 mm. For example, the legs are 10 mm long.
Vorzugsweise weisen die Schenkel ein starres Material auf. Beispielsweise ist das starre Material ein Metall. Damit ist gewährleistet, dass mechanische Energie nicht bei einer Verformung der Schenkel verloren geht. Vorzugsweise weist das Material, beispielsweise das Metall, einen hohen E-Modul auf und ist elastisch.Preferably the legs have a rigid material. For example the rigid material is a metal. This ensures that mechanical Energy is not lost in a deformation of the thighs. Preferably For example, the material, such as the metal, has a high modulus of elasticity on and is elastic.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird als elektromechanischer Energiewandler ein piezoelektrisches Element verwendet. Der elektromechanische Energiewandler weist ein piezoelektrisches Element auf. Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts kann hier elektrische Energie gewonnen werden. So ist beispielsweise der piezoelektrische Wandler ebenfalls an der Innenseite der Lauffläche des Reifens angeordnet.According to one special embodiment is called electromechanical energy converter a piezoelectric element is used. The electromechanical Energy converter has a piezoelectric element. Under exploitation the piezoelectric effect can be obtained here electrical energy become. For example, the piezoelectric transducer is also on the inside of the tread of the tire.
Der
Energiewandler, insbesondere der Energiewandler mit dem piezoelektrischen
Element weist laterale Abmessungen aus dem Bereich von wenigen μm bis hin
zu einigen mm. Beispielsweise ist beträgt eine Fläche des piezoelektrischen Elements
des Energiewandlers 10 mm × 10
mm.Of the
Energy converter, in particular the energy converter with the piezoelectric
Element has lateral dimensions ranging from a few microns up
to a few mm. For example, is an area of the piezoelectric element
of the
Im Übrigen kann an der Innenseite der Lauffläche des Reifens eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Bereitstellen der mechanischen Energie angeordnet sein. Gleiches gilt für die elektromechanischen Wandler. So ist es beispielsweise möglich, dass einem elektromechanischen Energiewandler mehrere Vorrichtungen zum Bereitstellen einer mechanischen Energie zugeordnet sind. Der umgekehrte Fall ist ebenfalls denkbar, dass einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie mehrere elektromechanische Energiewandler zugeordnet sind. In jedem Fall wird dafür gesorgt, dass eine für den elektromechanischen Energiewandler benötigte mechanische Energie effizient bereitgestellt wird.Incidentally, can on the inside of the tread of the tire, a variety of devices for providing the be arranged mechanical energy. The same applies to the electromechanical Converter. So it is possible, for example, that an electromechanical Energy converter several devices for providing a mechanical Energy are assigned. The reverse case is also conceivable that a device for providing a mechanical energy more electromechanical energy converters are assigned. In any case will do it taken care of that one for The electromechanical energy converter required mechanical energy efficiently provided.
Vorzugsweise wird die elektrische Energie für den Betrieb eines Reifenkontrollsystems verwendet.Preferably is the electrical energy for used the operation of a tire control system.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:
- – Mechanische Energie kann innerhalb eines Reifens robust bereitgestellt werden.
- – Die Höhe der bereitgestellten mechanischen Energie ist unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit, mit der der Reifen bewegt wird.
- – Zum Bereitstellen der mechanischen Energie wird im Gegensatz zu anderen elektromechanischen Energiewandlern keine seismische Masse benötigt.
- - Mechanical energy can be stably provided within a tire.
- - The amount of mechanical energy provided is independent of the speed at which the tire is moved.
- - To provide the mechanical energy, unlike other electromechanical energy converters, no seismic mass is needed.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based an embodiment and the associated Figures, the invention is described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale illustrations represents.
Gegeben
ist ein Reifen
Der
Reifen ist der Reifen eines Kraftfahrzeuges. Durch eine Rollbewegung
des Reifens auf einer Fahrbahn
Die
Schenkel bilden eine zangenartige Vorrichtung. Eine Länge der
Schenkel beträgt
mehrere mm. Die Schenkel Der Schenkelabstand (Öffnungsdurchmesser) sich beim
Ein- und Austritt in den Latsch von d0 nach
dc ändert.
Wird ein elastisches Element mit Federkonstante k um die Abstandsänderung Δd =
d0 – dc ausgelenkt ergibt sich eine mechanische
Kraft:
Diese Kraft kann nun mechanische Arbeit z. B. an einer Piezokeramik verrichten. Die Piezokeramik wiederum wandelt die eingekoppelte mechanische Energie in eine elektrische Energie um.These Force can now mechanical work z. B. perform on a piezoceramic. The piezoceramic in turn converts the coupled mechanical Energy into an electrical energy.
Im
Folgenden wird die erzielbare Abstandsänderung Δd ausgerechnet.
Dazu sind die in den
- rw
- Reifenradius
- sl
- Latschlänge
- d0
- Zangenöffnung (Schenkelabstand) im Normalzustand
- dc
- Zangenöffnung (Schenkelabstand) bei Ein-/Austritt Latsch
- hd
- Zangen-Schenkellänge
- r w
- tire radius
- s l
- shuffle length
- d 0
- Pliers opening (leg distance) in the normal state
- c
- Pincer opening (leg distance) at entry / exit Laces
- h d
- Clamp arm length
Die
mit den oben getroffenen Definitionen ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Die durch die Gelenkbewegung frei werdende mechanische Energie wird in einen elektromechanischen Energiewandler (Generator) eingekoppelt, um aus der mechanischen Energie elektrische Energie zu gewinnen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Energiewandler. Bei dem piezoelektrischen Wandler wird die mechanische Energie in eine piezoelektrisch aktive Schicht eingekoppelt. Dabei kommt es zur Ladungstrennung. Die Ladungstrennung wird dazu benutzt, elektrische Energie herzustellen.The becomes mechanical energy released by the joint movement coupled into an electromechanical energy converter (generator), to gain electrical energy from the mechanical energy. According to one embodiment the electromechanical transducer is a piezoelectric energy converter. In the piezoelectric transducer, the mechanical energy is in coupled a piezoelectrically active layer. It happens for charge separation. The charge separation is used to electrical To produce energy.
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