DE102017210149A1

DE102017210149A1 - Sensormodul sowie Reifen mit einem derartigen Sensormodul

Info

Publication number: DE102017210149A1
Application number: DE102017210149.0A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kendziorra; Joachim Busche; Martin Kurz
Original assignee: Continental Reifen Deutschland GmbH
Current assignee: Continental Reifen Deutschland GmbH
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul (2) zum Erfassen einer eine Profiltiefe (T) eines Reifens (3) charakterisierenden Messgröße, mit einem Sensorbereich (2a) und einem Auswertebereich (2b).Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensorbereich (2a) ein leitfähiges Sensorikmedium mit einer Sensorhöhe (H) und zwei mit dem Sensorikmedium leitfähig verbundene Kontaktmedien aufweist und im Auswertebereich (2b) ein Auswertemodul (7) angeordnet ist, wobei das Auswertemodul (7) ausgebildet ist, über die Kontaktmedien eine elektrische Eigenschaft des Sensorikmediums als Messgröße zu erfassen,wobei der Sensorbereich (2a) derartig mit einem Reifen (3) verbindbar ist, dass eine Wechselwirkung eines Reifen-Umfeldes (U) mit dem Reifen (3), infolge derer sich eine Veränderung der Profiltiefe (T) des Reifens (3) einstellt, ebenfalls auf den Sensorbereich (2a) wirkt, so dass sich die Sensorhöhe (H) des Sensorikmediums derartig verändert, dass die Messgröße die Profiltiefe (T) des Reifens (3) charakterisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Reifen für ein Fahrzeugrad mit einem derartigen Sensormodul.
Zum Erfassen von Reifeneigenschaften oder Reifenzuständen eines Reifens, beispielsweise einem Abriebzustand bzw. einer Profiltiefe des Reifens, ist beispielsweise ein am Fahrzeug angeordnetes Sensormodul bekannt, wobei das Sensormodul vom Reifen reflektierte Strahlung detektieren kann, aus der unter Kenntnis der Eigenschaften von vorab auf den Reifen ausgesandter Strahlung die Profiltiefe des Reifens hergeleitet werden kann. Durch eine derartige Messmethode kann eine Änderung des Abriebzustandes bzw. der Profiltiefe erfasst werden.
Nachteilig hierbei ist, dass ein derartiger Sensoraufbau sehr fehleranfällig ist, da äußere Einflüsse zwischen dem Sensormodul und dem Reifen die Messung verfälschen oder unbrauchbar machen können. Zudem ist die Justierung eines derartigen Sensorsystems sehr aufwändig und eine Messung nur im Stillstand möglich.
Weiterhin sind Methoden bekannt, bei denen durch eine lokale und manuelle durchgeführte Messung einer Rillentiefe von Rillen im Reifenprofil aus einer Höhendifferenz eine verbliebene Materialstärke des Reifenprofils hergeleitet wird. Der Nachteil hierbei ist, dass derartige Messverfahren sehr umständlich sind und zudem auch nur im Stillstand des Fahrzeuges durchgeführt werden können. Eine vollumfängliche Erfassung der Profiltiefe ist zudem sehr aufwändig. Auch eine weitere Verarbeitung der Messwerte ist aufgrund der manuellen Durchführung der Messung nur sehr umständlich möglich und die Messwerte können zudem nicht mit einem beliebigen Fahrzustand des Reifens verknüpft werden.
Ein weiteres Messverfahren sieht eine Messung des Abrollumfangs des Reifens vor, der sich mit der Profiltiefe entsprechend verändert. Nachteilig hierbei ist, dass aus einer Veränderung des Abrollumfangs keine lokale Aussage über die Profiltiefe getroffen werden kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Sensormodul bereitzustellen, mit dem in einfacher und zuverlässiger Weise eine positionsbezogene Ermittlung einer Profiltiefe des Reifens auch im Fahrbetrieb des Fahrzeuges erfolgen kann. Zudem ist Aufgabe der Erfindung, einen Reifen für ein Fahrzeugrad mit einem derartigen Sensormodul bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensormodul nach Anspruch 1 sowie einen Reifen nach Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, dass ein Sensorbereich eines Sensormoduls zum Erfassen einer eine Profiltiefe eines Reifens charakterisierenden Messgröße ein leitfähiges Sensorikmedium mit einer gewissen Sensorhöhe und zwei mit dem Sensorikmedium leitfähig verbundene Kontaktmedien aufweist und im Auswertebereich ein Auswertemodul angeordnet ist, wobei das Auswertemodul ausgebildet ist, über die Kontaktmedien eine elektrische Eigenschaft des Sensorikmediums als Messgröße zu erfassen. Der Sensorbereich ist hierbei derartig mit dem Reifen verbindbar, dass eine Wechselwirkung eines Reifen-Umfeldes mit dem Reifen, infolge derer sich eine Veränderung der Profiltiefe des Reifens durch den Abrieb des Reifens einstellt, ebenfalls auf den Sensorbereich wirkt, so dass sich die Sensorhöhe des Sensorikmediums derartig verändert, dass die Messgröße die Profiltiefe des Reifens charakterisiert.
Erfindungsgemäß wird somit erkannt, dass der Abrieb, der im Fahrbetrieb am Reifen verursacht wird, in etwa in gleicher Weise auch am Sensorbereich des Sensormoduls, der als Sensorik dient, bewirkt wird. Durch ein Erfassen der elektrischen Eigenschaft des Sensorikmediums kann also darauf zurückgeschlossen werden, wie stark sich das Sensorikmedium abgerieben hat, indem eine Veränderung der elektrischen Eigenschaft gegenüber einem Ausgangszustand, z. B. bei der ersten Inbetriebnahme des Reifens, verändert hat. Als elektrische Eigenschaft kann hierbei beispielsweise ein elektrischer Widerstand und/oder eine elektrische Leitfähigkeit als Messgröße vom Auswertemodul gemessen werden, die sich infolge des Abriebs bzw. der Wechselwirkung des Sensorbereiches mit dem Reifen-Umfeld jeweils verändern, da sich durch den Abrieb die Masse des Sensorikmediums verändert. Da diese Masseänderung mit dem Abrieb des Reifens korreliert ist, kann aus der Messgröße beispielsweise über eine Kalibrier-Kennlinie die Profiltiefe hergeleitet werden.
Somit wird vorteilhafterweise ein Sensormodul angegeben, mit dem auch im laufenden Betrieb die Profiltiefe ermittelt werden kann, wobei durch das direkte Einbringen des Sensormoduls in den Reifen auch ein lokales Erfassen der Profiltiefe ermöglicht wird, da der Abrieb für eine bestimmte Position am Reifen ermittelt werden kann. Sind mehrere derartige Sensormodule am Reifen vorgesehen, kann eine Überwachung der Profiltiefe an mehreren Positionen des Reifens stattfinden, so dass auch im Fall von lokalen Abweichungen, z.B. aufgrund von Beschädigungen, auf den tatsächlichen Abrieb des Reifens geschlossen werden kann.
Die Messgröße kann durch das Auswertemodul erfasst werden, indem von diesem über die mit dem Sensorikmedium verbundenen Kontaktmedien die jeweilige elektrische Eigenschaft abgegriffen wird. Die Verbindung zwischen den Kontaktmedien und dem Sensorikmedium kann derartig ausgebildet sein, dass die Kontaktmedien flächig miteinander verbunden sind, beispielsweise in einem Extrudiervorgang oder durch eine Beschichtung der Oberfläche des Sensorikmediums in definierten Bereichen. Dadurch wird vorteilhafterweise eine einfache Möglichkeit geschaffen, die elektrische Eigenschaft des Sensorikmediums durch das Auswertemodul abzugreifen. Dazu werden die Kontaktmedien vorzugsweise über eine elektrische Leitung mit dem Auswertemodul verbunden, wobei die elektrische Leitung vorzugsweise ein Gummimaterial aufweist zum Ausbilden einer Dauerhaltbarkeit unter Belastung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind das Sensorikmedium und/oder die Kontaktmedien schichtweise aufgebaut, wobei das Sensorikmedium flächig zwischen den beiden Kontaktmedien liegt. Dadurch kann in zuverlässiger Weise eine ausgedehnte leitfähige Verbindung zwischen den Kontaktmedien und dem Sensorikmedium ausgebildet werden, so dass auch bei geringer werdender Sensorhöhe infolge des Abriebs ein Erfassen der jeweiligen Messgröße ermöglicht wird.
Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, dass das Sensorikmedium und die Kontaktmedien horizontal und/oder vertikal und/oder radial zueinander schichtweise angeordnet sind, wobei der Sensorbereich je nach Schichtung zylinderförmig oder quaderförmig bzw. auch prismenförmig ausgebildet ist. Dadurch kann ein variabler, an die Anwendung angepasster Aufbau gewährleistet werden, so dass der Sensorbereich je nach Aufbau einer Profilierung (Reifenprofil) in den Reifen eingepasst werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind das Sensorikmedium und/oder die Kontaktmedien aus elastomerartigen und leitfähigen Materialien gefertigt, wobei eine elektrische Kontakt-Leitfähigkeit der Kontaktmedien höher ist als eine elektrische Sensorik-Leitfähigkeit des Sensorikmediums. Durch die Wahl der unterschiedlichen Leitfähigkeiten kann der Einfluss der Kontaktmedien auf die Messung minimiert werden.
Vorzugsweise ist hierbei als Material eine Gummimischung mit einem leitfähigen Füllstoff vorgesehen, so dass ein Sensorbereich ausgebildet wird, deren Abriebeigenschaften vergleichbar zu den Abriebeigenschaften des Reifens bzw. der Profilierung ist. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich der Sensorbereich und das Reifenprofil im Fahrbetrieb in etwa identisch abnutzen und dadurch eine direkte Korrelation zwischen der Sensorhöhe und der Profiltiefe gegeben ist, anhand derer die Profiltiefe in zuverlässiger Weise ermittelt werden kann.
Vorzugsweise ist dazu vorgesehen, dass der leitfähige Füllstoff Rußpartikel und/oder Aluminiumpartikel und/oder Partikel auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) oder Graphen, aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise eine gute elektrische Leitfähigkeit des Sensorbereiches erreicht werden, ohne dass sich die Abriebeigenschaften der Gummimischung wesentlich verändern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensorbereich und der Auswertebereich als ein Bauteil ausgeführt sind. Dadurch kann eine zuverlässige Übertragung der Messgröße auf das Auswertemodul erreicht werden, da keine beweglichen Bauteile zwischen beiden Bereichen vorhanden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist vorgesehen, dass das Sensormodul über den Sensorbereich und/oder den Auswertebereich am Reifen befestigbar sind, vorzugsweise über ein stoffschlüssig und/oder formschlüssig wirkendes Befestigungsmittel, beispielsweise einem Klebstoff und/oder einem Haftvermittler und/oder in einem Vulkanisierungsprozess und/oder durch Verklemmung. Der Klebstoff und/oder der Haftvermittler sind hierbei vorzugsweise derartig zu wählen, dass zwischen dem Gummimaterial des Reifens und dem Gummimaterial des Sensorbereiches und/oder des Auswertebereiches eine dauerhaltbare Verbindung ausgebildet wird, beispielsweise durch eine chemische Reaktion des Haftvermittlers mit den Gummimaterialien, so dass eine Art Vernetzung zwischen beiden Bauteilen ausgebildet wird.
Dazu kann der Sensorbereich vorteilhafterweise auch selbst als Befestigungsmittel dienen, indem dieser in eine den Reifen durchdringende Bohrung derartig eingesteckt wird, dass die Bohrung luftdicht verschlossen ist und/oder das Sensormodul gleichzeitig formschlüssig am Reifen gehalten ist. Die Bohrung ist hierbei vorteilhafterweise im Bereich der Profilierung auf der Oberfläche des Reifens ausgebildet.
Dadurch kann das Sensormodul an der entsprechenden Stelle im Reifen angeordnet werden, für die eine Überwachung der Profiltiefe gewünscht ist, ohne dass dabei eine Undichtigkeit des Reifens auftritt. Durch den Formschluss kann zudem bereits eine gewisse Befestigung gewährleistet werden, wobei durch eine zusätzliche nichtlösbare Verbindung über ein stoffschlüssiges Befestigungsmittel eine Befestigung auch bei hohen Belastungen sichergestellt werden kann. Insbesondere kann bei einer derartigen Befestigung des Sensormoduls in einer Bohrung im Reifen auch auf Methoden zur Einbringung von Spikes in einen Reifen zurückgegriffen werden, da Spikes vergleichbare Formen aufweisen und in vergleichbarer Weise dauerhaltbar mit dem Reifen zu verbinden sind. Demnach kann das Sensormodul vorteilhafterweise in eine in den Reifen eingeformte Bohrung ein mit dem Haftvermittler und/oder dem Klebstoff beschichtetes Sensormodul eingesteckt werden, so dass der Haftvermittler und/oder der Klebstoff im eingesteckten Zustand unter Ausbildung einer dauerhaltbaren Verbindung zum Reifen aushärten kann. Vorzugsweise kann dies durch eine Wärmbehandlung zusätzlich unterstützt werden.
Vorzugsweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass am Auswertebereich eine Halterung zum lösbaren Aufnehmen von weiteren elektronischen Bauelementen und/oder einer Energiequelle angeordnet sind. Hierbei kann über die Halterung beispielsweise ein Kommunikationsmodul am Sensormodul gehalten sein, um ein drahtloses Übertragen der über das Auswertemodul erfassten elektrischen Eigenschaften oder einer anderen die Profiltiefe charakterisierenden Größe, die auf dem Auswertemodul ermittelt wird, auf eine Steuerelektronik zu ermöglichen.
Dadurch kann eine umfangreiche Auswertung auf die Steuerelektronik beispielsweise im Fahrzeug verlagert werden und das Auswertemodul ist lediglich dafür zuständig, die jeweilige elektrische Eigenschaft als Messgröße zu erfassen und an das Kommunikationsmodul weiterzugeben. Auf dem Sensormodul am Reifen selbst finden somit keine oder nur wenige Verarbeitungsschritte statt. Durch die drahtlose Übertragung ist somit eine einfache und zuverlässige Möglichkeit gegeben im Fahrbetrieb die erfasste Messgröße im Fahrzeug zu einer Profiltiefe zu verarbeiten und entsprechende Warnungen auszugeben oder eine anderweitige Analyse der Profiltiefe durchzuführen. Beispielsweise können auf der Steuerelektronik die Profiltiefen mehrere Sensormodule an demselben oder an unterschiedlichen Reifen miteinander korreliert werden, um auf die Belastung des oder der Reifen im Fahrbetrieb zu schließen, wobei auch die aktuelle Fahrsituation berücksichtigt werden kann.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Fahrzeugrad mit mehreren Sensormodulen;
2 eines der Sensormodule gemäß 1 in einer Detailansicht;
3a, 3b, 3c ein Sensorbereich des Sensormoduls in unterschiedlichen Ausführungsformen;
4 eine Detailansicht eines Sensormoduls gemäß 2; und
5 ein Sensormodul mit einem Kommunikationsmodul.

Gemäß 1 ist ein Fahrzeugrad 1 dargestellt, das an unterschiedlichen Positionen Sensormodule 2 aufweist. Jedes der Sensormodule 2 ist hierbei an einem Reifen 3 des Fahrzeugrades 1, im Speziellen an einer Innenseite 4 des Reifens 3, angeordnet, wobei das Sensormodul 2 zumindest teilweise durch den Reifen 3 hindurch ragt. Die Positionen der Sensormodule 2 können derartig gewählt werden, dass eine gleichmäßige Verteilung über den gesamten Umfang des Reifens 3, vorzugsweise im Bereich eines Laufstreifens des Reifens 3, vorliegt. Die Sensormodule 2 sind hierbei ausgebildet, für die jeweiligen Positionen am Reifen 3 eine Profiltiefe T der Profilierung 5a charakterisierende Messgröße zu erfassen und entsprechend verarbeitet auszugeben und sind somit als Profiltiefensensoren ausgeführt.
Auf einer Oberfläche 5 des Reifens 3 ist insbesondere im Bereich des Laufstreifens eine Profilierung 5a (Reifenprofil) vorgesehen, die in 2 detailliert dargestellt ist, wobei 2 einen Ausschnitt des Reifens 3 gemäß 1 im Bereich eines der Sensormodule 2 darstellt. Das Sensormodul 2 ist gemäß dieser Ausführungsform in zwei Bereiche 2a, 2b unterteilt, einen Sensorbereich 2a und einen Auswertebereich 2b, wobei der Sensorbereich 2a in beliebiger Form vom Auswertebereich 2b um eine gewisse Sensorhöhe H nach oben ragt. Alternativ kann der Auswertebereich 2b auch getrennt vom Sensorbereich 2a auf der Innenseite 4 des Reifens 3 angeordnet und anderweitig mit dem Sensorbereich 2a verbunden sein, beispielsweise über elektrische Leitungen.
Der Sensorbereich 2a bildet hierbei die Sensorik des jeweiligen Sensormoduls 2 selbst aus und dient der Erfassung der jeweiligen Messgröße, die die Profiltiefe T charakterisiert. Der Sensorbereich 2a weist dazu wie in den 3a, 3b, 3c und 3d beispielhaft dargestellt mindestens ein Sensorikmedium MS sowie zwei voneinander getrennte Kontaktmedien K1, K2 auf, wobei die Kontaktmedien K1, K2 jeweils zumindest bereichsweise an dem Sensorikmedium MS flächig anliegen, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen beiden zu schaffen. Die Kontaktmedien K1, K2 sind dazu mit dem Sensorikmedium MS fest verbunden.
Beispielsweise kann der Sensorbereich 2a durch gemeinsames Extrudieren des Sensorikmediums MS mit den Kontaktmedien K1, K2 mit einem Querschnitt nach einem der 3a, 3b, 3c, 3d hergestellt werden, so dass ein entsprechend langgezogenes Extrudat bereitgestellt wird, das durch Zertrennen in einzelne Sensorbereiche 2a mit der Sensorhöhe H zerteilt werden kann. Alternativ kann auch eine Oberflächenbeschichtung des Sensorikmediums MS mit einem entsprechenden leitfähigen Material erfolgen, um die Kontaktmedien K1, K2 auszubilden.
Das Sensorikmedium MS ist dabei aus einem oder mehreren schichtweise aneinander liegenden leitfähigen Sensor-Materialien gefertigt, beispielsweise aus einer Gummimischung, die mit einem leitfähigen Füllstoff versetzt ist, wobei als leitfähiger Füllstoff beispielsweise Rußpartikel und/oder Aluminiumpartikel und/oder Partikel auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) oder Graphen, möglich sind. Dadurch weist das Sensorikmedium MS eine gewisse elektrische Sensorik-Leitfähigkeit GS auf.
Die Kontaktmedien K1, K2 sind ebenfalls aus einem leitfähigen Material, bei Herstellung in einem Extrudiervorgang beispielsweise ebenfalls einer Gummimischung mit einem leitfähigen Füllstoff, gefertigt, wobei eine elektrische Kontakt-Leitfähigkeit GK der Kontaktmedien K1, K2 über den Füllstoff jeweils höher eingestellt wird als die elektrische Sensorik-Leitfähigkeit GS des Sensorikmediums MS. Alternativ können die Kontaktmedien K1, K2 auch als metallische Beschichtung des Sensorikmediums MS ausgebildet sein. Über die Kontaktmedien K1, K2 kann die elektrische Sensorik-Leitfähigkeit GS bzw. ein elektrischer Sensorik-Widerstand RS des Sensorikmediums MS erfasst werden, indem die Kontaktmedien K1, K2, wie in 4 schematisch dargestellt, über hochelastische, dauerhaltbare elektrische Leitungen 6 mit niedrigem Widerstand mit einem Auswertemodul 7 verbunden werden. Um die Messung der elektrischen Sensorik-Leitfähigkeit GS bzw. des elektrischen Sensorik-Widerstandes RS durch die Kontaktmedien K1, K2 nicht zu beeinflussen, ist die Kontakt-Leitfähigkeit GK entsprechend hoch zu wählen.
Das Auswertemodul 7 ist in beliebiger Weise mit den elektrischen Leitungen 6 verbunden beispielsweise über im Auswertebereich 2b integrierte Leiterbahnen. Es ist aber auch jede beliebige andere Anordnung möglich. Beispielsweise kann das Auswertemodul 7 auch direkt am Sensorbereich 2a angeordnet sein und die elektrischen Leitungen 6 können ebenfalls als Leiterbahnen ausgeführt sein.
Über das Auswertemodul 7 kann dann sowohl eine Messung des elektrischen Sensorik-Widerstandes RS bzw. der elektrischen Sensorik-Leitfähigkeit GS als auch eine Verarbeitung bzw. Auswertung der jeweils ermittelten Messgröße GS, RS erfolgen, um daraus auf eine Profiltiefe T der Profilierung 5a schließen zu können. Bei der Auswertung ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Kontaktmedien K1, K2 selbst auch einen gewissen elektrischen Kontakt-Widerstand RK aufweisen. Um diesen Umstand zu berücksichtigen, kann z.B. auf eine entsprechende Kalibrierung zurückgegriffen werden.
Um aus der mit einem derartigen Sensormodul 2 erfassten Messgröße GS, RS die Profiltiefe T des Reifens 3 zu ermitteln, wirkt das Sensormodul 2 in folgender Weise mit dem Reifen 3 und einem Reifen-Umfeld U zusammen:
Befindet sich das Fahrzeugrad 1 im Fahrbetrieb, wird durch ein Zusammenwirken des Reifen-Umfeldes U, insbesondere der Fahrbahn, mit dem aus der Profilierung 5a herausragenden Teil des Sensorbereiches 2a ein Teil des Materials des Sensorbereiches 2a abgetragen, d. h. der Sensorbereich 2a wird nach oben hin in seiner Sensorhöhe H verkürzt. Dies ist in 2 übertrieben dargestellt. Tatsächlich befindet sich der Sensorbereich 2a in etwa in einer Ebene mit der Profilierung 5a und wird gleichzeitig mit dieser abgetragen bzw. abgerieben. Dazu wird für das Sensorikmedium MS sowie auch für die Kontaktmedien K1, K2 des Sensorbereiches 2a ein Material gewählt, dass sich vergleichbar wie die Gummimischung der Profilierung 5a abreibt. Dazu kann beispielsweise in etwa dieselbe Gummimischung wie für die Profilierung 5a verwendet werden, die mit den o.g. Füllstoffen versehen wird, die den Abrieb nur unwesentlich beeinflussen.
Wird nun von dem Auswertemodul 7 als Messgröße der elektrische Sensorik-Widerstand RS oder die elektrische Sensorik-Leitfähigkeit GS des Sensorikmediums MS ermittelt, lässt sich daraus unter Kenntnis einer vorab ermittelten Kalibrier-Kennlinie die Sensorhöhe H und daraus wiederum die Profiltiefe T ermitteln. Dazu wird die Sensorhöhe H bei der Montage des Sensormoduls 2 am Reifen 3 mit der entsprechenden anfänglichen Profiltiefe T der Profilierung 5a abgestimmt und diese anfängliche Sensorhöhe H als Ausgangspunkt verwendet, so dass zu jedem Zeitpunkt dynamisch über die Kalibrier-Kennlinie aus der Veränderung der Messgröße RS, GS zunächst die Sensorhöhe H im abgeriebenen Zustand des Sensorbereiches 2a und daraus die Profiltiefe T im abgeriebenen Zustand des Reifens 3 ermittelt werden kann.
Die Veränderung des elektrischen Sensorik-Widerstandes RS bzw. der elektrischen Sensorik-Leitfähigkeit GS des Sensorikmediums MS ergibt sich daraus, dass sich der Sensorbereich 2a mit dem herausragenden Teil über das Reifen-Umfeld U insbesondere im Betrieb des Fahrzeugrades 1 ebenfalls abreibt und sich demnach eine Masse des Sensorikmediums MS - und auch der Kontaktmedien K1, K2 - verändert. Dadurch erhöht sich der elektrische Sensorik-Widerstand RS bzw. verringert sich die elektrische Sensorik-Leitfähigkeit GS des Sensorikmediums MS systematisch. Aus der erfassten Messgröße RS, GS kann dann unter Kenntnis der Kalibrier-Kennlinie und dem Einfluss der Kontaktmedien K1, K2 auf die Profiltiefe T der Profilierung 5a geschlossen werden, so dass quasikontinuierlich auf den Abriebzustand des Reifens 3 geschlossen werden kann. Diese Auswertung kann entweder direkt im Auswertemodul 7 des Sensormodul 2 stattfinden oder aber extern, d.h. das Auswertemodul 7 erfasst lediglich die Messgröße RS, GS und gibt diese zur Verarbeitung weiter.
Der Auswertebereich 2b des Sensormoduls 2 dient primär der Aufnahme des Auswertemoduls 7 und/oder weiterer elektronischer Bauelemente, die zur Auswertung oder Übertragung der gewonnenen Messgrößen GS, SR sowie zur Versorgung des Sensormoduls 2 mit Energie dienen. Das Auswertemodul 7 und/oder die weiteren elektronischen Bauelemente können hierbei im Auswertebereich 2b auch integriert sein, beispielsweise in Form von gedruckten Schaltungen oder eingebrachten Leiterbahnen bzw. Schaltungselementen. Demnach werden die entsprechenden elektronischen Bauelemente 7 in einem Druckprozess mit leitfähigen Materialien auf die Oberfläche des Auswertebereiches 2b aufgetragen und in entsprechender Weise mit dem Sensorbereich 2a verbunden, um Energie zur Durchführung der Messung auf den Sensorbereich 2a übertragen und die entsprechende Messgröße RS, GS abgreifen zu können. Alternativ oder ergänzend können auch leitfähige Tinten verwendet werden, um beispielsweise die Leitungen 6 oder die Leiterbahnen zum Übertragen der entsprechenden Messgröße RS, GS im Auswertebereich 2b und zur Energieversorgung auszubilden. Weiterhin kann der Auswertebereich 2b an den entsprechenden Stellen aus einem leitfähigen Gummi ausgebildet sein, der eine gewisse Leitfähigkeit aufweist, um darüber die Messgrößen RS, GS sowie Energie zu übertragen.
Beide Bereiche 2a, 2b sind hierbei fest miteinander verbunden. Der Auswertebereich 2b und der Sensorbereich 2a können hierbei auch als ein Bauteil gefertigt sein, um eine sichere Verbindung zwischen beiden Bereichen 2a, 2b zu ermöglichen und somit beide Bereiche 2a, 2b aneinander zu halten. Die Bereiche 2a, 2b können aber auch getrennt voneinander sein und über beispielsweise die Leitungen 6 elektrisch miteinander verbunden werden.
Die Verbindung bzw. Befestigung des Sensormoduls 2 am Reifen 3 erfolgt zunächst über den Sensorbereiche 2a selbst, indem der Sensorbereich 2a durch eine Bohrung 8 im Reifen 3 im Bereich der Profilierung 5a gesteckt wird. Die Bohrung 8, ragt von der Innenseite 4 des Reifens 3 durch die Oberfläche 5 und durch die Profilierung 5a hindurch und ist beispielsweise derartig dimensioniert, dass diese kleiner bzw. maximal gleich groß wie der Querschnitt des Sensorbereiches 2a ist, so dass im eingesteckten Zustand des Sensorbereiches 2a aus dem Reifen 3 keine Luft durch die Bohrung 8 entweichen kann und somit für eine Luftdichtigkeit des Reifens 3 gesorgt wird.
Ist die Bohrung 8 etwas kleiner als der Querschnitt des Sensorbereiches 2a, wird der Sensorbereich 2a von der Bohrung 8 quasi fest umschlossen und damit eingeklemmt, wodurch neben der Luftdichtigkeit auch bereits eine gewisse formschlüssige Befestigung am Reifen 3 ohne weitere Befestigungsmittel erreicht werden kann. Um die Zuverlässigkeit einer derartigen Befestigung für den Einsatz unter Belastung während der Fahrt zu erhöhen, ist der Sensorbereich 2a und/oder der Auswertebereich 2b zusätzlich über ein formschlüssig und/oder stoffschlüssig wirkendes Befestigungsmittel, beispielsweise über einen Haftvermittler, insbesondere einen zwei- oder mehrkomponentigen Haftvermittler, und/oder einen Kleber, insbesondere Cyanacrylatkleber, und/oder auch durch einen Vulkanisierungsprozess (heiß oder kalt) mit dem Reifen 3 vorzugsweise flächig verbunden, so dass bevorzugt eine nichtlösbare und dauerhaltbare Verbindung zwischen beiden ausgebildet wird. Eine gute Dauerhaltbarkeit der Verbindung wird hierbei dann ausgebildet, wenn mit dem Kleber und/oder dem Haftvermittler durch eine chemische Reaktion eine Art Vernetzung ausgebildet wird, durch die das Gummimaterial des Sensorbereiches 2a und/oder des Auswertebereiches 2b mit dem Gummimaterial des Reifens 3 fest verbunden wird. Ergänzend kann dazu auch eine haftende Schicht auf das Sensormodul 2 aufgetragen werden, durch die unter Erwärmung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Reifen 3 und dem Sensorbereich 2a und/oder dem Auswertebereich 2b ausgebildet werden kann.
Da die Einbringung von Spikes in einen Reifen mit vergleichbaren Methoden erfolgt, kann vorteilhafterweise auf bekannte Techniken und Montagewerkzeuge zum Einbringen des Sensormoduls 2 zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann die Bohrung 8 bei der Vulkanisierung des Reifens 3 eingeformt werden und anschließend ein mit dem Haftvermittler und/oder dem Kleber beschichtetes Sensormodul 2 in die Bohrung 8 eingebracht werden, so dass beim Aushärten des Haftvermittlers und/oder des Klebers eine dauerhaltbare Verbindung zum Reifen 3 ausgebildet wird. Je nach Art des Haftvermittlers und/oder des Klebers kann zusätzlich eine Aktivierung durch Wärme erfolgen, um eine dauerhaltbare Verbindung zum Reifen 3 auszubilden.
Um die im Sensorbereich 2a aktuell vorliegende und über das Auswertemodul 7 erfasste und ggf. auch bereits darauf zu einer Profiltiefe T verarbeitete Messgröße RS, GS weiterverwenden zu können, ist eine übergeordnete Steuerelektronik 10 beispielsweise im Fahrzeug vorgesehen. Um eine Übertragung vom Sensormodul 2 auf die Steuerelektronik 10 zu ermöglichen, ist gemäß 5 ein Kommunikationsmoduls 9 vorgesehen, das dafür sorgt, eine vorzugsweise drahtlose Kommunikation zwischen dem Sensormodul 2 und der übergeordneten Steuerelektronik 10 zu schaffen, über die ein Signal S drahtlos übertragen werden kann, beispielsweise in einem niederfrequenten Frequenzband. Über das Signal S kann die ermittelte Profiltiefe T und/oder die ermittelte Messgröße RS, GS und/oder eine diese charakterisierende Variable übertragen und auf der Steuerelektronik 10 entsprechend weiterverarbeitet werden.
Die Steuerelektronik 10 kann dann in Abhängigkeit von den über das Signal S übertragenen Daten eine bestimmte Aktion ausführen, z.B. ein Warnsignal ausgeben und/oder die Daten mit weiteren Daten von anderen Sensormodulen 2 am Reifen abgleichen und/oder eine Reifenanalyse durchführen. Dazu kann beispielsweise die Profiltiefe T für die entsprechende dem Sensormodul 2 zugeordnete Position am Reifen 3 mit der aktuellen Fahrsituation abgeglichen werden, um Informationen über den Reifenzustand bzw. die Profiltiefe T in der aktuellen Fahrsituation zu erhalten.
Um das Kommunikationsmodul 9 am Sensormodul 2 zu befestigen, ist am Auswertebereich 2b eine Halterung 11 angeordnet. In die Halterung 11 ist das Kommunikationsmodul 9 lösbar eingesteckt und über Sensormodul-Kontaktbereiche 12 können die von dem Auswertemodul 7 ermittelten Messgrößen RS, GS oder davon abhängige Größen über eine Auswerteleitung 7a, beispielsweise eine Leiterbahn, o.ä. an das Kommunikationsmodul 9 übertragen werden. Vom Kommunikationsmodul 9 werden diese über das Signal S drahtlos an die übergeordnete Steuerelektronik 10 ausgegeben. Das Kommunikationsmodul 9 weist dazu Kommunikationsmodul-Kontaktbereiche 9a auf, die beim Einstecken des Kommunikationsmoduls 9 in die Halterung 11 elektrisch mit den Sensormodul-Kontaktbereichen 12 verbunden sind. Die Kontaktbereiche 9a, 12 können hierbei aufeinanderliegen und/oder aber beispielsweise auch über eine lösbare Lötverbindung miteinander elektrisch leitend verbunden werden.
Über die Kontaktbereiche 9a, 12 kann das Sensormodul 2 ergänzend auch mit Energie versorgt werden, wobei in dem Fall im Kommunikationsmodul 9 eine Energiequelle 13 aufgenommen ist, beispielsweise eine Batterie oder eine vergleichbare Energiequelle, insbesondere auch eine autarke Energiequelle. Es können aber auch separate Kontaktbereiche (nicht dargestellt) vorgesehen sein, über die die Energieversorgung stattfinden kann.
Alternativ kann eine Übertragung des Signals S sowie eine Energieversorgung über eine elektrische Leitung erfolgen, die vom Sensormodul 2 zur Steuerelektronik 10 und/oder zu einer separaten Energiequelle 13 geführt ist, beispielsweise über eine hochelastische dauerhaltbare Leitung aus leitfähigem Gummi, die im Inneren des Reifens 3 entsprechend verlegt ist.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugrad
2: Sensormodul
2a: Sensorbereich
2b: Auswertebereich
3: Reifen
4: Innenseite des Reifens
5: Oberfläche des Reifens
5a: Profilierung des Reifens
6: elektrische Leitungen
7: Auswertemodul
7a: Auswerteleitung
8: Bohrung
9: Kommunikationsmodul
9a: Kommunikationsmodul-Kontaktbereich
10: Steuerelektronik
11: Halterung
12: Sensormodul-Kontaktbereiche
13: Energiequelle
GS: Sensorik-Leitfähigkeit
GK: Kontakt-Leitfähigkeit
H: Sensorhöhe
K1, K2: Kontaktmedium
MS: Sensorikmedium
RS: Sensorik-Widerstand
RK: Kontakt-Widerstand
S: Signal
T: Profiltiefe
U: Reifen-Umfeld

Claims

Sensormodul (2) zum Erfassen einer eine Profiltiefe (T) eines Reifens (3) charakterisierenden Messgröße (RS, GS), mit einem Sensorbereich (2a) und einem Auswertebereich (2b), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (2a) ein leitfähiges Sensorikmedium (MS) mit einer Sensorhöhe (H) und zwei mit dem Sensorikmedium (MS) leitfähig verbundene Kontaktmedien (K1, K2) aufweist und im Auswertebereich (2b) ein Auswertemodul (7) angeordnet ist, wobei das Auswertemodul (7) ausgebildet ist, über die Kontaktmedien (K1, K2) eine elektrische Eigenschaft des Sensorikmediums (MS) als Messgröße (RS, GS) zu erfassen, wobei der Sensorbereich (2a) derartig mit einem Reifen (3) verbindbar ist, dass eine Wechselwirkung eines Reifen-Umfeldes (U) mit dem Reifen (3), infolge derer sich eine Veränderung der Profiltiefe (T) des Reifens (3) einstellt, ebenfalls auf den Sensorbereich (2a) wirkt, so dass sich die Sensorhöhe (H) des Sensorikmediums (MS) derartig verändert, dass die Messgröße (RS, GS) die Profiltiefe (T) des Reifens (3) charakterisiert.
Sensormodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Kontaktmedien (K1, K2) und dem Auswertemodul (7) jeweils eine elektrische Leitung (6) angeordnet ist zum Erfassen der elektrischen Eigenschaft des Sensorikmediums (MS) als Messgröße (RS, GS), wobei die elektrische Leitung (6) ein Gummimaterial aufweist zum Ausbilden einer Dauerhaltbarkeit unter Belastung.
Sensormodul (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorikmedium (MS) und die Kontaktmedien (K1, K2) schichtweise aufgebaut sind, wobei das Sensorikmedium (MS) flächig zwischen den beiden Kontaktmedien (K1, K2) angeordnet ist.
Sensormodul (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorikmedium (MS) und die Kontaktmedien (K1, K2) horizontal und/oder vertikal und/oder radial zueinander schichtweise angeordnet sind und der Sensorbereich (2a) dabei zylinderförmig oder quaderförmig ausgeführt ist.
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontakt-Leitfähigkeit (GK) der Kontaktmedien (K1, K2) höher ist als eine elektrische Sensorik-Leitfähigkeit (GS) des Sensorikmediums (MS).
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmedien (K1, K2) an dem Sensorikmedium (MS) elektrisch leitend befestigt sind.
Sensormodul (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmedien (K1, K2) durch einen Extrudiervorgang oder durch einen Beschichtungsvorgang an dem Sensorikmedium (MS) elektrisch leitend befestigt sind.
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorikmedium (MS) und/oder die Kontaktmedien (K1, K2) aus elastomerartigen und leitfähigen Materialien, vorzugsweise aus einer Gummimischung mit einem leitfähigen Füllstoff, gefertigt sind zum Ausbilden eines Sensorbereiches (2a) mit vergleichbaren Abriebeigenschaften wie der Reifen (3).
Sensormodul (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Füllstoff Rußpartikel und/oder Aluminiumpartikel und/oder Partikel auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphen, aufweist.
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (2a) und der Auswertebereich (2b) als ein Bauteil ausgeführt sind.
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste elektrische Eigenschaft des Sensorbereiches (2a) ein elektrischer Widerstand (R) und/oder eine elektrische Leitfähigkeit (G) ist.
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (2) über den Sensorbereich (2a) und/oder den Auswertebereich (2b) am Reifen (3) befestigbar sind, vorzugsweise über ein stoffschlüssig und/oder formschlüssig wirkendes Befestigungsmittel.
Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Auswertebereich (2b) eine Halterung (11) zum lösbaren Aufnehmen von weiteren elektronischen Bauelementen (9) und/oder eine Energiequelle (13) angeordnet sind.
Sensormodul (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Halterung (11) ein Kommunikationsmodul (9) am Sensormodul (2) gehalten ist zum drahtlosen Übertragen der über das Auswertemodul (7) erfassten Messgröße (RS, GS) oder einer die Profiltiefe (T) charakterisierenden Größe auf eine Steuerelektronik (10).
Reifen (3) für ein Fahrzeugrad (1) mit mindestens einem Sensormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensormodul (2) an dem Reifen (3) im Bereich einer Oberfläche (5) derartig befestigt ist, dass der Sensorbereich (2a) des Sensormoduls (2) mit dem Reifen-Umfeld (U) wechselwirken kann, so dass sich die Sensorhöhe (H) des Sensorikmediums (MS) des Sensormoduls (2) derartig verändert, dass die vom Sensormodul (2) erfasste Messgröße (RS, GS) die Profiltiefe (T) des Reifens (3) charakterisiert.
Reifen (3) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (2a) und/oder der Auswertebereich (2b) des Sensormoduls (2) über eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise einem Haftvermittler und/oder einem Klebstoff und/oder in einem Vulkanisationsprozess, an dem Reifen (3) befestigt sind.
Reifen (3) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbereich (2a) des Sensormoduls (2) in eine den Reifen (3) durchdringende Bohrung (8) derartig eingesteckt ist, dass die Bohrung (8) luftdicht verschlossen ist und das Sensormodul (2) am Reifen (3) gehalten ist.
Reifen (3) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (8) im Bereich einer Profilierung (5a) auf der Oberfläche (5) des Reifens (3) ausgebildet ist.
Reifen (3) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensormodule (2) an unterschiedlichen Positionen im Bereich der Oberfläche (5) des Reifens (3) vorgesehen sind zum positionsgebundenen Auswerten der Profiltiefe (T) in Abhängigkeit der von dem jeweiligen Sensormodul (2) erfassten Messgröße (RS, GS).