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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung des Luftdruckes in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Einrichtung zur kontaktlosen Energie- und Signalübertragung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.
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Durch die
DE 34 05 111 A1 wurde eine Einrichtung zur Änderung des Luftdruckes in den Reifen eines Fahrzeuges bekannt. Die bekannte Reifendruckregelanlage verbindet ein fahrzeugseitiges Druckluftsystem über Leitungen und Ventile mit dem Inneren des Fahrzeugreifens, wobei die Verbindung zwischen der fahrzeugseitigen Leitung und dem Reifen über eine rotationsbewegliche Dichtung, auch Rotor genannt, erfolgt. Der Rotor, auch Drehübertrager genannt, verbindet also den fahrzeugfesten Teil der Leitung mit einem rotierenden Teil am Rad, wobei die relativ zueinander beweglichen Leitungsteile durch Dichtelemente abgedichtet werden müssen.
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Durch die
DE 10 2014 224 701 A1 wurde eine Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung bekannt, welche als induktiver Koppler mit einer ortsfesten Primärspule oder -wicklung und einer beweglichen Sekundärspule oder -wicklung ausgebildet ist. Der induktive Koppler wird bei einer zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Fahrzeuges verwendeten Riemenscheibe eingesetzt, in welcher eine elektrische Maschine angeordnet ist. Primär- und Sekundärwicklung sind koaxial innerhalb der Riemenscheibe angeordnet, wobei die Primärwicklung ortsfest mit dem Motorblock und die Sekundärwicklung mit der Riemenscheibe verbunden sind. Durch die berührungslos auf die Sekundärwicklung übertragene Energie kann die elektrische Maschine aktiviert werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Regelung des Luftdruckes in einem Fahrzeugreifen zu verbessern. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, für eine Einrichtung zur kontaktlosen Energie- und Signalübertragung weitere Optionen im Fahrzeug auszuschöpfen.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Druckregelaggregat an oder im Rad angeordnet, wobei das Rad eine Radnabe sowie eine mit der Radnabe und dem Reifen verbundene Felge aufweist. Das Druckregelaggregat, welches den Luftdruck im Reifen, d. h. den Reifendruck regelt, ist somit an einem rotierenden Bauteil angeordnet und befestigt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Druckregelaggregat eine elektromotorisch antreibbare Luftpumpe, auch Kompressor genannt, welcher aus der Umgebung angesaugte Luft in den Reifen pumpt und somit den gewünschten Luftdruck herstellt. Der Elektromotor ist direkt mit der Luftpumpe verbunden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Luftpumpe und der Elektromotor innerhalb des Reifens angeordnet. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass kein zusätzlicher Bauraum am Rad für die Unterbringung von Kompressor und Elektromotor beansprucht wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Energie zum Antrieb der Luftpumpe draht- oder kontaktlos von einer Energiequelle des Fahrzeuges über die Fahrzeugachse auf das Rad, respektive den Elektromotor im Reifen übertragen. Aufgrund der berührungslosen Energieübertragung und der Anordnung der Luftpumpe am Rad, insbesondre im Reifen entfallen jegliche Dichtungen, wie sie bei bekannten Drehübertragern erforderlich sind.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung einerseits an der Fahrzeugachse und andererseits am Rad angeordnet, d. h., die Einrichtung zur Energieübertragung weist eine fahrzeugfeste Komponente und eine rotierende Komponente auf, welche körperlich nicht miteinander verbunden sind und als Induktivitäten oder Kapazitäten ausgebildet sein können.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Energie induktiv übertragbar. Dabei handelt es sich um eine an sich bekannte und vorteilhafte Form der berührungslosen Energieübertragung, wie sie beispielsweise durch die eingangs genannte
DE 10 2014 224 701 A1 bekannt wurde.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Energieübertragung induktiv gekoppelte Spulen, wobei eine erste Spule, die Primärspule, fahrzeugfest, vorzugsweise fest an der Fahrzeugachse und eine zweite Spule, die Sekundärspule, am Rad, insbesondere an der Radnabe angeordnet sind. Beide Spulen weisen einen relativ geringen Abstand zueinander auf, so dass zumindest ein Teil des Magnetflusses der Primärspule die Sekundärspule durchsetzt. Damit wird eine Koppelung beider Spulen, d. h. eine berührungslose Energieübertragung erreicht, die sowohl für die Übertragung der elektrischen Energie als auch für die Übertragung von Signalen in beiden Richtungen, d. h. bidirektional genutzt werden kann.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Primärspule und die Sekundärspule koaxial zueinander und zur Radachse angeordnet, wobei beide Spulen ineinander oder axial versetzt zueinander angeordnet sein können. Durch diese Anordnung wird ein hoher Koppelungsfaktor erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Druckregelaggregat einen Ventilblock zur Steuerung des Luftdruckes im Reifen auf. Der Ventilblock umfasst dabei mehrere Ventile, beispielsweise ein Rückschlagventil in der Luftansaugleitung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Druckregelaggregat mindestens einen Sensor zur Messung des Luftdruckes, d. h. einen Drucksensor. Dadurch wird eine genaue Regelung des Reifendrucks möglich.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Druckregelaggregat ein im Fahrzeug angeordnetes Steuergerät zugeordnet, welches eingehende Signale, insbesondere Drucksignale verarbeitet und Steuerbefehle für den Antrieb des Kompressors ausgibt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Primärspule mit elektrischer Energie aus einem im Fahrzeug angeordneten Energiespeicher, insbesondere der Fahrzeugbatterie versorgt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Druckregelaggregat koaxial oder zentral von außen auf die Radnabe aufgesteckt und mit dieser befestigt werden. Damit ist eine Nachrüstung des Druckregelaggregats möglich.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer Einrichtung zur kontaktlosen Energie- und Signalübertragung in einem Fahrzeug mittels eines induktiven Kopplers vorgesehen, dass die Primärspule an der Fahrzeugachse und die Sekundärspule an der Radnabe oder am Rad angeordnet sind. Somit kann elektrische Energie vom Fahrzeug berührungslos auf einen am Fahrzeugrad angeordneten elektrischen Verbraucher übertragen werden. Es bedarf daher keiner Dichtungen und Schleifkontakte.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verbraucher als Druckregelaggregat ausgebildet, d. h. als ein am Rad, an der Felge, im Reifen oder an der Radnabe befestigtes Aggregat, welches ein elektrisch antreibbares Pumporgan zu Regelung des Luftdruckes im Reifen umfasst. Zusätzlich kann das Druckregelaggregat einen Drucksensor sowie Schalt- oder Regelventile und zusätzliche Druckspeicher aufweisen. Vorteilhaft ist, dass die Druckluft nicht vom Fahrzeug, z. B. einem fahrzeugfesten Druckluftspeicher über Druckluftleitungen und Drehübertrager durch die Radnabe in den Reifen gepumpt werden muss.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 eine Fahrzeugachse mit einem in ein Rad integrierten Druckregelaggregat,
- 1a das Druckregelaggregat gemäß 1 mit Batterie und Steuergerät,
- 2 eine Fahrzeugachse mit integriertem induktiven Koppler,
- 3 eine konstruktive Ausführung eines induktiven Kopplers,
- 4 ein Druckregelaggregat innerhalb eines Fahrzeugreifens,
- 5 eine Erweiterung des Druckregelaggregats durch Druckspeicher und
- 6 eine Ergänzung der Darstellung von 2 durch ein nachrüstbares Druckregelaggregat
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1 zeigt eine Achse 1 eines nicht dargestellten Fahrzeuges, auch Fahrzeugachse 1 genannt, an welcher ein Rad 2 drehbar angeordnet ist. Ein zweites, analog ausgebildetes Rad der Fahrzeugachse 1 ist nicht dargestellt. Das Rad 2 umfasst eine drehbar gegenüber der Fahrzeugachse 1 gelagerte Radnabe 3, welche drehfest mit einer Felge 4, auf welcher ein Reifen 5 befestigt ist, verbunden ist. Innerhalb des mit Luft gefüllten Reifens 5 sind eine Luftpumpe 6, auch Kompressor 6 genannt, sowie ein den Kompressor 6 antreibender Elektromotor 7 angeordnet. Kompressor 6 und Elektromotor 7 werden auch als Druckregelaggregat A bezeichnet, d. h. als ein Aggregat, welches den Luftdruck im Reifen 5, den Reifendruck, regelt. Zur Vermeidung einer Unwucht ist auf der dem Druckregelaggregat A diametral gegenüberliegenden Seite eine Ausgleichsmasse 8 angeordnet. Die Fahrzeugachse 1 weist einen hohl ausgebildeten Achskörper 1a auf, in welchem eine Einrichtung 9 zur draht- oder kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie und Signalen angeordnet ist. Die Einrichtung 9 ist als induktive Koppeleinrichtung 9, kurz auch induktiver Koppler 9 genannt, ausgebildet und weist eine mit dem Achskörper 1a verbundene Primärspule 10 sowie eine drehfest mit der Radnabe 3 verbundene Sekundärspule 11 auf, welche keinen körperlichen Kontakt mit der Primärspule 10 hat. Die elektrische Energie und Signale sind somit berührungslos von der Primärspule 10 auf die Sekundärspule 11 und umgekehrt, d.h. bidirektional übertragbar. Die Sekundärspule 11 ist über Leitungen 11a, 11b mit dem Elektromotor 7 verbunden, der somit mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Primärspule 10 wird von einer hier nicht, jedoch in 1a dargestellten, im Fahrzeug angeordneten Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt.
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1a zeigt eine Ergänzung der Darstellung gemäß 1, insbesondere im Hinblick auf die Energieversorgung und Steuerung des Druckregelaggregats A. Aus einer im Fahrzeug angeordneten Batterie 12, allgemein auch elektrischer Energiespeicher 12 genannt, wird dem induktiven Koppler 9 elektrische Leistung über eine elektrische Leitung 12a zugeführt. Zusätzlich ist im Fahrzeug ein Steuergerät 13 angeordnet, welches hochfrequente Signale über eine Signalleitung 13a und eine Mischstufe 14 in die elektrische Leitung 12a einkoppelt. Innerhalb des Reifens 5 ist ein Drucksensor 15 angeordnet, welcher den Luftdruck im Reifen 5 misst und die Messwerte über eine Signalleitung 15a und eine weitere Mischstufe 16 in die Leitungen 11a, 11b einkoppelt.
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Alternativ zur oben beschriebenen induktiven ist auch eine kapazitive berührungslose Energie- und Signalübertragung möglich, bei welcher die Spulen durch Kapazitäten ersetzt werden.
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2 zeigt in einer detaillierten Darstellung die Fahrzeugachse 21 mit dem hohl ausgebildeten Achskörper 21a, gegenüber welchem die Radnabe 23 drehbar gelagert und von einer Achswelle 32 über ein Planetengetriebe 33 angetrieben wird. Das Planetengetriebe 33 weist einen Steg oder Planetenträger 33a auf, welcher einerseits mit der Radnabe 23 und andererseits über Planetenräder 33b mit der Achswelle 32 verbunden ist. Innerhalb des Achskörpers 21a ist eine als induktiver Koppler 29 ausgebildete Übertragungseinrichtung 29, welche eine achsfeste, ringscheibenförmige Primärspule 30 sowie eine koaxial angeordnete, ebenfalls ringscheibenförmig ausgebildete, am Planetenträger 33a befestigte Sekundärspule 31 aufweist, angeordnet. Die Primärspule 30 ist über eine elektrische Leitung 30a mit einem Stecker 34 im Achskörper 21a verbunden. Die Sekundärspule 31 ist über eine elektrische Leitung 31a mit einem zentral in der Radnabe 23 angeordneten Leistungsstecker 35 und einem Signalstecker 36 verbunden. Über den achsfesten Stecker 34 und die elektrische Leitung 30a wird der Primärspule 30 elektrische Energie zugeführt, welche durch Induktion, d. h. berührungslos auf die Sekundärspule 31 übertragen und an die Stecker 35, 36 weitergeleitet wird, wobei die elektrische Energie bzw. Leistung von den hochfrequenten Signalen entkoppelt werden.
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Die Energie zur Versorgung der achsfesten Primärspule 30 wird einer im Fahrzeug angeordneten Batterie 37 entnommen und dem Stecker 34 über eine elektrische Leitung 37a als Wechselstrom zugeführt. In einem Hochfrequenzgenerator 38 aufbereitete Signale werden über eine Signalleitung 38a einem Mischer 39 zugeführt, welcher die hochfrequenten Signale dem niederfrequenten Wechselstrom aufprägt. Somit werden über den induktiven Koppler 29 sowohl elektrische Energie als auch Signale übertragen.
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3 zeigt eine konstruktive Ausführung eines induktiven Kopplers 40, welcher dem induktiven Koppler 9 gemäß 1 und 1a entspricht. Der induktive Koppler 40 umfasst eine achsfest angeordnete Primärspule 41, welche über die elektrischen Leitungen 41a, 41b mit elektrischer Energie (Wechselstrom) aus einem elektrischen Energiespeicher 43 des Fahrzeuges versorgt wird. Koaxial zur Primärspule 41 ist eine drehbewegliche Sekundärspule 42, welche drehfest mit einer Welle 44 verbunden ist, angeordnet. Die auf die Sekundärspule 42 berührungslos übertragene elektrische Energie wird über Leitungen 42a, 42b einem hier nicht dargestellten, auf dem Rad 2 (1) angeordneten Verbraucher, d. h. dem Druckregelaggregat A (1) zugeführt. Die Welle 44 ist mit der Radnabe 3 (1) verbunden. Die als Wechselstrom induzierte Energie kann -je nach Bedarf - durch einen Gleichrichter 45 in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Die über eine Mischstufe 46 eingekoppelten hochfrequenten Signale können über eine Hochpass 47 ausgekoppelt werden.
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4 zeigt eine Einzelheit aus 1 und 1a, nämlich das Druckregelaggregat A innerhalb des Reifens 5, welcher auf der Felge 4 befestigt ist. Für gleiche und analoge Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 1 und 1a verwendet. Der Antriebsmotor 7 des Kompressors 6 ist als elektrische Maschine 7 ausgebildet, welche über die Leitungen 11a, 11b mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Kompressor 6 weist eine (durch die Felge 4) ins Freie führende Ansaugleitung 17a auf, in welcher ein steuerbares Rückschlagventil 18 angeordnet ist. Der Kompressor 6 weist ferner eine Druckleitung 17b oder einen Druckstutzen 17b auf, welcher in das Innere des Reifens 5 mündet. Der Drucksensor 15 ist mit zwei Relais 19a, 19b verbunden, welche in Abhängigkeit vom gemessenen Luftdruck im Reifen 5 entweder einen Ein/AusSchalter 20 für die Unterbrechung des Motorstroms oder das Rückschlagventil 18 auf Durchgang, d. h. Luftablass schalten. Soll der Luftdruck, angedeutet durch sternförmige Pfeile p, im Reifen 5 erhöht werden, so schaltet das Relais 19a den Schalter 20 auf Stromdurchgang, und der Motor 7 treibt den Kompressor 6 an, welcher über das Rückschlagventil 18 Luft aus dem Freien ansaugt und über die Druckleitung 17b in das Innere des Reifens 5 fördert. Soll der Luftdruck p im Reifen 5 reduziert werden, so schaltet das Relais 19b das Rückschlagventil 18 auf Durchgang nach außen, so dass Luft aus dem Inneren des Reifens 5 ins Freie entweichen kann.
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5 zeigt eine Erweiterung des Druckregelaggregats A gemäß 4. Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 4 verwendet. Zusätzlich zu den in 4 dargestellten Komponenten ist der pneumatische Kreis durch einen ersten Druckspeicher 50 mit konstantem Volumen, beispielsweise einen Membranspeicher 50 und durch einen zweiten Druckspeicher 51 mit variablen Volumen, beispielsweise einen Kolbenspeicher 51 erweitert. Dem Membranspeicher 50 ist ein Schaltventil 52 zugeordnet, welches bei Befüllung des Reifens 5 durch die Luftpumpe 6 auf Durchgang geschaltet ist, wodurch eine größere Dynamik des Befüllvorganges erreicht wird. Der Druckspeicher 51 mit variablem Volumen dient der Veränderung des Reifendruckes durch Aufnahme von Druckluft, die durch den Kompressor 6 gefördert wird. Der erste Druckspeicher 50 mit konstantem Volumen wird über ein vom Drucksensor 15 gesteuertes Relais 19c über das Schaltventil 52 angesteuert: Bei niedrigem Druck p im Reifen 5 steht der Membranspeicher 50 vorzugsweise unter hohem Druck, damit eine Erhöhung des Luftdruckes p im Reifen 5 schneller erreicht werden kann. Bei hohem Druck p im Reifen 5 ist der Druck im Membranspeicher 50 vergleichsweise niedrig, damit eine Druckerniedrigung im Reifen 5 schneller ausgeführt werden kann.
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6 zeigt eine Ergänzung des Ausführungsbeispieles gemäß 2, wobei für gleiche Teile in 6 die gleichen Bezugszahlen wie in 2 verwendet werden. 6 zeigt ein Druckregelaggregat 60, welches im Wesentlichen der Darstellung in 4 entspricht - daher werden für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie in 4 verwendet. Das Druckregelaggregat 60, welches als nachrüstbare Baueinheit schematisch dargestellt ist, weist einen Kompressor 6 mit elektrischem Antriebsmotor 7, eine Luftansaugleitung 17a mit Rückschlagventil 18 sowie eine Druckleitung 17b auf, welche in einen als punktiertes Rechteck dargestellten Druckluftverbraucher 5, insbesondere einen Reifen 5 führt, in welchem ein Drucksensor 15 angeordnet ist. Das Druckregelaggregat 60 kann koaxial oder zentrisch an der Radnabe 23 befestigt werden, wobei die elektrischen Leitungen 11a, 11b für den Motor 7 mit dem Stecker 35 in der Radnabe 23 verbunden werden. Das Signalkabel 15a des Drucksensors 15 kann mit dem Stecker 36 in der Radnabe 23 verbunden werden. Alternativ kann das Druckregelaggregat 60 auch mit einer an der Radnabe 23 befestigten Felge (nicht dargestellt) verbunden werden, wobei die Felge einen an das Druckregelaggregat 60 angepassten Reifen aufweist. In diesem Falle könnte das komplette Druckregelaggregat 60 durch einen Radwechsel nachgerüstet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugachse
- 1a
- Achskörper
- 2
- Rad
- 3
- Radnabe
- 4
- Felge
- 5
- Reifen
- 6
- Kompressor/Luftpumpe
- 7
- Elektromotor
- 8
- Ausgleichsmasse
- 9
- Übertragungseinrichtung/induktiver Koppler
- 10
- Primärspule
- 11
- Sekundärspule
- 11a
- elektrische Leitung
- 11b
- elektrische Leitung
- 12
- Batterie
- 12a
- elektrische Leitung
- 13
- Steuergerät
- 13a
- Signalleitung
- 14
- Mischstufe
- 15
- Drucksensor
- 15a
- Signalleitung
- 16
- weitere Mischstufe
- 17a
- Saugleitung
- 17b
- Druckleitung
- 18
- Rückschlagventil
- 19a
- erstes Relais
- 19b
- zweites Relais
- 19c
- drittes Relais
- 20
- Ein/Aus-Schalter
- 21
- Fahrzeugachse
- 21a
- Achskörper
- 23
- Radnabe
- 29
- induktiver Koppler
- 30
- Primärspule
- 31
- Sekundärspule
- 31a
- elektrische Leitung
- 32
- Achswelle
- 33
- Planetengetriebe
- 33a
- Steg/Planetenträger
- 33b
- Planet
- 34
- Stecker
- 35
- Leistungsstecker
- 36
- Signalstecker
- 37
- Batterie
- 38
- Hochfrequenzgenerator
- 38a
- Signalleitung
- 39
- Mischstufe
- 40
- induktiver Koppler
- 41
- Primärspule
- 41a
- elektrische Leitung
- 41b
- elektrische Leitung
- 42
- Sekundärspule
- 42a
- elektrische Leitung
- 42b
- elektrische Leitung
- 43
- Batterie
- 44
- Welle
- 45
- Gleichrichter
- 46
- Signaleinkoppler
- 47
- Signalauskoppler
- 50
- erster Druckspeicher
- 51
- zweiter Druckspeicher
- 52
- Schaltventil
- 60
- Druckregelaggregat
- A
- Druckregelaggregat
- p
- Reifendruck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3405111 A1 [0002]
- DE 102014224701 A1 [0003, 0011]
