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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie an einem rollenden Rad-Reifen, insbesondere elektrischer Energie in oder an einem Rad eines Kraftfahrzeugs.
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Es ist u.a. aus der
DE 10 2007 041 920 A1 bekannt, einen piezoelektrischen Mikroenergiewandler als Ersatz für eine Batterie in Rad-Reifen eines Kraftfahrzeugs zu verwenden, um als Energie- und Leistungsversorgungseinrichtungen insbesondere für Reifendruckkontrollsysteme zu dienen. Dazu kann der piezoelektrische Mikroenergiewandler eine zwei Elektrodenstrukturen und eine piezoelektrische Struktur aufweisen, in eine und/oder aus einer Aussparung eines Trägers dynamisch auslenkbaren Piezostruktur zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie durch Verformung des Reifens, wobei die Piezostruktur mechanisch an eine Innenseite eines Reifenlatsches gekoppelt ist, nämlich verklebt. Der Reifenlatsch bezeichnet als Reifenaufstandsfläche denjenigen Teil eines Reifen, der Kontakt zu einer Straßenoberfläche hält, um dort die für eine spurstabile Führung eines Fahrzeugs erforderlichen Kräfte aufzubauen.
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Eine geringe Anzahl geländegängiger Fahrzeuge besitzt heute automatische Systeme, die den Reifendruck auf rutschigem Untergrund verringern können, um eine größere Reifenaufstandfläche zu bewirken, um damit mehr „Grip“ zu haben. Wenn das Fahrzeug in weichem Sand oder dergleichen festgefahren ist, kann es zudem helfen, Luft aus den Reifen der Antriebsachse abzulassen. Andererseits ist bekannt, dass ein um ca. 0,5 bar zu geringer Reifeninnendruck auf normaler Straße eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs um etwa 5% bis ca. 10% hervorrufen kann. Ein zu geringer Innendruck erhöht zudem den Abrieb und steigert die Erwärmung des Reifens im Betrieb. Damit ist auch hier aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, der Energieeinsparung und zur Senkung des Schadstoffausstoßes ein automatischer Ausgleich des Reifeninnendrucks wünschenswert. Dabei stellt der genannte Stand der Technik gerade nur ausreichend Energie in elektrischer Form zum Betrieb einer sehr kleinen Überwachungs- und Mess-Sensorik in einem Reifen zur Verfügung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, das die Ausbeute an Energie aus der Rollbewegung eines Radreifens steigert.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie an einem rollenden Rad-Reifen vorgeschlagen, bei dem während der Fahrt und der Drehung des Rades die Verformung des Radreifens im Bereich einer Reifenaufstandsfläche als auf Wandlermittel wirkende Kraft genützt wird, um direkt elektrische Energie zu erzeugen oder um ein Medium, wie z.B. Hydrauliköl oder Luft, zur nachfolgenden Gewinnung elektrischer Energie mit Druck zu beaufschlagen, wobei zu einer möglichst kontinuierlichen Energieerzeugung über den gesamten Umfang des Reifens verteilte Wandlermittel verwendet werden.
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Demgemäß zeichnet sind eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem rollenden Rad-Reifen dadurch aus, dass sie in einem Rad-Reifen Wandlermittel aufweist, die im Bereich der Lauffläche über den gesamten Umfang des Reifens verteilte derart angeordnet sind, dass jedes Wandlermittel bei jeder Umdrehung des Reifens dann mit einer Kraft beaufschlagt ist, wenn es sich im Bereich einer Reifenaufstandsfläche befinden, um dann an angeschlossene Einheiten ein mit Druck beaufschlagtes Medium oder elektrische Energie zu liefern. Die Wandlermittel bestehen dabei vorteilhafter Weise aus Einzelsystemen zur Erzeugung auch außerhalb eines Reifens nutzbarer Energie in Form von mit Druck beaufschlagten Medien oder elektrischer Energie.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Nebenansprüche. Ebenso lösen entsprechende Verwendungen die obige Aufgabe.
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Es sind bei Reifen Systeme zum automatischen Erhöhen eines Reifen-Innendrucks bekannt, bei denen durch die Verformung einer Druckkammer eine Druckkammer eines Radreifens gespeist werden kann, siehe hierzu im Internet z.B. die Seite http://www.gizmag.com/the-self-inflating-tire/9042/. Auch sind bei Fahrrad-Reifen vergleichbare Ansätze bekannt geworden, um einem Druckverlust entgegen zu wirken. So offenbart z.B. http://www.gizmag.com/pumptire-self-inflating-bike-tire/19613/ eine Lösung zur Korrektur eines Druckverlustes an einem Fahrradreifen während der fortgesetzten Fahrt, ohne selber zur Luftpumpe greifen zu müssen. Beiden Ansätzen ist dabei gemein, ohne dass hierbei eine Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie nicht vorgesehen ist oder auch nur angedacht wäre. Zudem umfasst bei diesen bekannten Systemen eine ganz Umdrehung eines Reifens nur einen Pump-Zyklus.
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Um hier zu einer über jede Umdrehung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Systems in einem Reifen kontinuierlicher Energie wandeln zu können, werden über den gesamten Umfang des Reifens verteilte Einzelsysteme als Wandlermittel verwendet. Vorteilhafterweise kann je nach Ausführungsform eines Einzelsystems als Medium ein Hydrauliköl oder Luft eingesetzt werden. Ein mit Druck beaufschlagtes Medium jedes der Einzelsysteme kann in einer Ausführungsform der Erfindung außerhalb des Rad-Reifens gespeichert und/oder dort für eine Umwandlung in elektrische Energie genutzt werden.
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Im Vergleich zu bekannten Systemen werden erfindungsgemäß die Einzelsysteme nicht parallel zu einer Lauffläche eines Reifens orientiert, sondern sehen normal zur Lauffläche. Dazu weist jedes der Einzelsysteme einen gegen eine Rückstellkraft eines Federelementes beweglichen Stößel auf. Der Stößel ist über ein Gelenk mit einem Fußteil verbunden ist, um die sich um Zuge der Bildung eines Latsches ergebenden Winkeländerungen auszugleichen und dabei den Stößel weiterhin mit einer axial gerichteten Kraft zu versorgen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Fußteil an der Lauffläche des Rad-Reifens (3) angeordnet und dort fixiert.
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Über diverser Ausführungsformen hinweg ist ein dem Gelenk gegenüberliegendes, freies Ende des Stößels entweder als in einem Zylinder verschieblicher Kolben, als in einer Spule beweglicher Permanentmagnet oder als unter Druckeinwirkung zu stauchendes Piezo-keramisches Element ausgebildet. Dabei werden in einem Radreifen immer nur gleichartige Einzelsysteme verwendet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Wandlermittel derart dimensioniert, dass sie einen Teil der Federung und/oder Dämpfung des nachfolgenden Fahrwerks des Fahrzeugs übernehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1: ein Ausführungsbeispiel einer Energieversorgung eines herkömmlichen Reifendruck-Kontrollsystems;
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2: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgestatteten Radreifens mit acht gleichmäßig über den Umfang zwischen einer Lauffläche und einer Achse angeordneten Einzelsystemen zur Bildung einer Energieversorgung in einer Schnittdarstellung;
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3: einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einzelsystems als hydraulisches System;
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4: einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem pneumatischen System in einer Darstellung gemäß 3 und
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5: einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem elektrischen System in einer Darstellung gemäß der 3 und 4.
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Über die verschiedenen Abbildungen und Ausführungsformen hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bestandteile verwendet werden.
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Die Abbildung von 1 zeigt als Ausschnitt einer Seitenansicht eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Energieversorgung 1 nach dem Stand der Technik. Auf Basis eines auf Biegung beanspruchten Piezoelements 2 wird je Umdrehung eines so ausgerüsteten Reifens 3 ein Spannungspuls erzeugt. Im Bereich des Latsches 4 wird zur Unterstützung der Durchbiegung des beidseitig fixierten Piezoelements 2 hier noch ein Körper 5 vorgesehen. Dieser Art einer diskontinuierlichen Versorgung ist zur Speisung eines hier nicht weiter dargestellten herkömmlichen Reifendruck-Kontrollsystems an Ort und Stelle in dem Reifen 3 ausreichend. Dabei ist in dem darstellten Fall durch eine möglichst geringe Masse darauf zu achten, dass durch die Energieversorgung 1 keine nennenswerte Unwucht im Reifen 3 erzeugt wird. Ein so ausgestatteter Reifen 3 beim Abrollen unter Last in Einsatz an einem Fahrzeug darf auch im Bereich der Energieversorgung 1 keine sonstige Anomalie in Bezug auf sein Abrollverhalten aufweisen.
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2 zeigt in einer Seitenansicht einen erfindungsgemäß ausgestatteten Radreifen 3 in einer Schnittdarstellung. Hier sind zur Bildung einer im Wesentlichen kontinuierlich wirkenden Energieversorgung in einer Vorrichtung 1 über den Umfang verteilt zwischen der Achse 6 und einer Lauffläche 7 acht gegeneinander durch Stützelemente 8 gesicherte Einzelsysteme 10 gleichmäßig angeordnet. Die Einzelsysteme 10 sind jeweils gleicher Bauart und umfassen stets einen gegen eine Rückstellkraft beweglichen Stößel 11. Die Rückstellkraft wird durch ein Federelement 9 realisiert. Der Stößel 11 ist seinerseits über ein Gelenk 12 mit einem Fußteil 13 verbunden. Der Fußteil 13 ist schließlich an der Lauffläche 4 des Rad-Reifens 3 angeordnet und dort fixiert, im vorliegenden Ausführungsbeispiel verklebt. Das Gelenk 12 bieten einen Ausgleich für eine im Zuge der Bildung des Latsches 4 fortschreitend auftretende Verformung der Lauffläche 7 derart, dass ein wesentlicher Teil der unter einem sich verändernden Winkel angreifenden Kraft in axialer Richtung auf den Stößel 11 geführt werden kann.
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Für ein in 2 nur vom Prinzip her angedeutetes Einzelsystem 10 sind mehrere Ausführungsformen vorgesehen, von denen nachfolgend drei mit Bezug auf die Abbildungen der Zeichnung beschrieben werden. Als erstes ist in 3 ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einzelsystems 10 angegeben, das als hydraulisches System wirkt. Hier ist der Stößel 11 an einem freien, dem Gelenk 13 gegenüberliegenden Ende 14 mit Dichtungen 15 versehen und wirkt so als Kolben in einem Zylinder 16 mit Einlass- und Auslassventilen 17 zum Pumpen eines Mediums 18 in einem geschlossenen Kreislauf durch die Achse 6 hindurch. Die Abbildung von 3 stellt insofern eine Konkretisierung der Abbildung von 2 dar, in der aus Gründen der Übersichtlichkeit einige Details nicht dargestellt worden sind.
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In einer Darstellung analog der von 3 zeigt 4 nun einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Einzelsystem 10 als pneumatisches System. Im wesentlichen Unterschied zu der ersten Ausführungsform muss ein pneumatisches System keinen geschlossenen Kreislauf aufweisen, so dass ein Einlassventil über einen Filter 19 zur Umluft hin geöffnet ist. Das unter Druck stehende Medium 19, also Pressluft, muss über das Auslassventil 18 hinaus auch nur über einen Pfad durch die Achse 6 hindurch in einen nicht weiter dargestellten Vorratsbehälter gefördert werden. Dort steht die Pressluft dann wahlweise zum Ergänzen von Reifendruck, Unterstützung einer Druckluftbremse oder Lenkhilfe, in einer Klimaanlage und/oder zur Einspeisung als Verbrennungsluft in eine Brennkraftmaschine insbesondere zur Kompensation eines sog. Turbolader-Lochs im Bereich niedriger Motordrehzahlen oder aber zur Erzeugung elektrischer Energie bereit. Bei geeigneter Auslegung wäre es in Anlehnung an die Ausführungsform von 3 aber auch möglich, um das Einlassventil 17 vorkomprimierte Luft in jedem der Einzelsysteme 10 noch höher zu komprimieren. Analog kann unter Druck stehendes Hydrauliköl in einem Bremskraftverstärker, wie auch einer Lenkhilfe Verwendung finden.
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Weiter Darstellung analog der von 3 zeigt 5 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem Einzelsystem 10 als elektrisches System. Im Vergleich zu den vorangehenden beiden Ausführungsbeispielen ist hier nun statt eines Zylinders 16 eine Spule 21 getreten, in der das einen Dauermagneten 22 tragende freie Ende 14 des Stößels 11 unter Einwirkung einer Kraft gegen die Rückstellkraft des Federelementes 9 bewegt wird. Die induzierte Spannung wird wiederum im Bereich der Achse 6 abgenommen und kann zur Versorgung von Hilfssystemen insbesondere beim Ausfall einer Hauptbatterie genutzt werden.
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In einer nicht weiter dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung wird unter weitgehend identischem Aufbau des elektrischen Einzelsystems 10 statt des vorstehend beschriebenen Induktionssystems aus Permanentmagnet 22 und Spule 21 eine unter Krafteinfluss im Bereich des Latsches 4 gestauchte Piezo-Keramik am freien Ende 14 des Stößels 11 verwendet. Der hierbei auftretenden hohen Spannung ist durch eine entsprechende elektrische Isolation und nachfolgende Verarbeitung und Speicherung Rechnung zu tragen.
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Eine vorstehend mit Varianten beschriebene Vorrichtung ist an allen sich drehenden Reifen sämtlicher denkbarer unter jedweder Motorisierungsart angetriebener, wie auch nicht angetriebener Fahrzeuge oder Anhänger einsetzbar. Schneller laufende Fahrzeuge mit hohem Gewicht werden besonders gute Ergebnisse erzielen und dabei an bislang unbekannter Stelle Hilfsenergie zur Verfügung stellen, deren Verwendung über eine breite Palette von Möglichkeiten wählbar ist. Es handelt sich bei den vorstehend beschriebenen Abbildungen der Zeichnung grundsätzlich nur um Prinzipskizzen. Die Größenverhältnisse können durch den Fachmann also in jedem Fall den tatsächlichen Erfordernissen in einem Einsatzfall angepasst werden, um dadurch Material und auch Gewicht einsparen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Energieversorgung
- 2
- Piezoelement
- 3
- Reifen
- 4
- Latsch
- 5
- Körper
- 6
- Achse
- 7
- Lauffläche
- 8
- Stützelement
- 9
- Federelement
- 10
- Einzelsystem
- 11
- Stößel
- 12
- Gelenk
- 13
- Fußteil
- 14
- freies Ende des Stößels 11
- 15
- Dichtung am freien Ende 14
- 16
- Zylinder
- 17
- Einlassventil
- 18
- Auslassventil
- 19
- Medium
- 20
- Filter
- 21
- Spule
- 22
- Dauermagnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007041920 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.gizmag.com/the-self-inflating-tire/9042/ [0008]
- http://www.gizmag.com/pumptire-self-inflating-bike-tire/19613/ [0008]
