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Die Erfindung betrifft einen Reifen, insbesondere Fahrzeugreifen, mit elektronischen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie Verwendungen des Reifens zum Laden einer Energieversorgung, als Sensor und als Heizelement.
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Zum Messen von Reifeneigenschaften sind im Fahrzeugreifen Sensoren angeordnet, die zur Aufnahme einer Messgröße dienen, beispielsweise eines Reifendruckes oder einer Reifentemperatur. Die Messgröße kann über eine drahtlose oder eine drahtgebundene Verbindung von extern ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Vorab kann mit dafür vorgesehenen elektronischen Bauteilen, die in dem Sensor oder am Reifen angeordnet sein können, eine Vorverarbeitung der Messgrößen stattfinden. Zur Messung und auch zur Verarbeitung der Messgrößen im Fahrzeugreifen ist eine Energieversorgungseinheit als weiteres elektronisches Bauteil nötig, die den Sensor bzw. die anderen elektronischen Bauteile mit Energie versorgt. Die Energieversorgungseinheit ist dazu beispielsweise als eine Batterie oder als eine andere autarke Energiequelle ausgebildet, die mit dem Sensor oder den anderen elektronischen Bauteilen in elektrischer Verbindung steht.
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Nachteilig hierbei ist, dass für die beschriebenen Funktionalitäten - Energieversorgung und Verarbeitung von Messgrößen - auf zusätzliche elektronische Bauteile zurückgegriffen werden muss. Diese sind in entsprechender Weise an einer Innenseite des Reifens oder im Reifen nachträglich anzuordnen. Dies hat den Nachteil, dass bei einer Vielzahl an derartigen zusätzlich eingebrachten elektronischen Bauteilen zusätzliches Gewicht im Reifen und zusätzliche Verarbeitungsschritte in der Produktion und zusätzliche Kosten für den Verbraucher entstehen. Beispielsweise kann die Batterie nur für einen bestimmten Zeitraum Energie liefern, so dass die Batterie rechtzeitig vor Entladung zur weiteren Nutzung des Sensors bzw. der anderen elektronischen Bauteile ausgewechselt oder neu geladen werden muss. Weiterhin kann eine dauerhafte Befestigung der elektrischen Bauteile im oder am Reifen aufwändig sein, wenn ein dauerhafter Betrieb unter den gegebenen Belastungen im Reifen sicher gewährleistet werden soll.
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Weiterhin ist es bekannt, ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, das auf eine Energieversorgung im Fahrzeug, z.B. einen Akku, angewiesen ist, über eine Ladestation aufzuladen. Ist die Energieversorgung demnach entladen oder fast entladen, wird das Fahrzeug entsprechend an eine Ladestation gefahren, mit einem Ladekabel verbunden und darüber wieder aufgeladen. Nachteilig hierbei ist, dass das Fahrzeug für diesen Aufladeprozess manuell über ein Kabel zu laden ist, was aufwändig ist und viel Zeit in Anspruch nimmt. Außerdem existieren bereits kontaktlose Ladestationen in der Fahrbahn, die mit einer Elektrik im Fahrzeug, z.B. im Unterboden, zusammenwirkt. Nachteilig hierbei ist der große Abstand zwischen Unterboden und Fahrbahn.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Reifen mit elektronischen Bauteilen bereitzustellen, mit dem ein zuverlässiger und dauerhafter Betrieb der elektronischen Bauteile gewährleistet werden kann und der variabel eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Reifen nach Anspruch 1 sowie Verwendungen des Reifens nach Anspruch 13 und 14 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, in einem Reifen, insbesondere Fahrzeugreifen, mit mehreren Reifenaufbaukomponenten, wobei die Reifenaufbaukomponenten zumindest durch einen Laufstreifen, eine Spulbandage mit mindestens einer Faser, eine Karkasse, Gürtellagen mit Festigkeitsträgern und Wulstkernen mit jeweils mindestens einem Kerndraht gebildet sind, mindestens ein elektronisches Bauteil anzuordnen, das durch mindestens eine aufgewickelte Reifenaufbaukomponente des Reifens ausgebildet ist, so dass die jeweilige Reifenaufbaukomponente zur Funktionalität des elektronischen Bauteils beiträgt und gleichzeitig den Reifen selbst mit ausbildet,
wobei die mindestens eine aufgewickelte Reifenaufbaukomponente dazu mit einer Anzahl an Wicklungen derartig aufgewickelt ist, dass durch die Wicklungen eine Induktivität des elektronisches Bauteils definiert wird zum Ausbilden eines induktiven Elementes als elektronisches Bauteil,
wobei die mindestens eine aufgewickelte Reifenaufbaukomponente weiterhin mindestens zwei Kontaktstellen aufweist, zum Abführen eines in dem induktiven Element durch Induktion erzeugten Stroms und/oder einer Spannung oder zum Zuführen eines Stroms oder einer Spannung.
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Als Reifenaufbaukomponenten werden hierbei diejenigen Komponenten im Reifen verstanden, die den Reifen herkömmlicherweise selbst mit ausbilden bzw. aufbauen, d.h. die bis zur Fertigstellung z.B. nach der Vulkanisation in einem Reifenaufbauprozess für den Reifenaufbau verwendet werden und die Festigkeits- bzw. Fahreigenschaften des Reifens charakterisieren. Diese Reifenaufbaukomponenten können alleine und/oder in Kombination untereinander oder optional ergänzt durch weitere Komponenten genutzt werden, um das elektrische Bauteil bzw. die Induktivität auszubilden. Eine nachträgliche Ergänzung ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da das induktive Element für sich vorteilhafterweise auch lediglich aus den Reifenaufbaukomponenten gebildet werden kann.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Anzahl an nachträglich an oder in den Reifen anzubringenden elektronischen Bauteilen reduziert werden, indem Funktionselemente der jeweiligen elektronischen Bauteile bzw. des induktiven Elementes, die auch durch Reifenaufbaukomponenten eines Reifens ausgebildet werden können, durch diese auch tatsächlich ausgebildet werden. Somit können diese vorteilhafterweise eine Doppelfunktion erfüllen.
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Zu diesem Zweck können die bereits vorhandenen Reifenbauteile auch modifiziert werden, um den neuen zusätzlichen Anforderungen zu genügen (z.B. hinsichtlich der elektrischen und/oder elektromagnetischen Eigenschaften). Beispielsweise können herkömmlicherweise nicht-leitende Reifenaufbaukomponenten durch eine Modifikation zumindest bereichsweise leitfähig bzw. mit definierten elektrischen oder magnetischen Eigenschaften versehen werden.
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Vorzugsweise kann das induktive Element aber auch mit einem weiteren induktiven Zusatzelement gekoppelt werden, das nicht durch Reifenaufbaukomponenten im Sinne der Erfindung ausgebildet wird. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Induktivität eines induktiven Elementes verstärkt werden soll, dazu allerdings keine Reifenaufbaukomponenten zur Verfügung stehen. Das induktive Zusatzelement kann dann aus nachträglich in den Reifen eingebrachten Komponenten bestehen und/oder aus Komponenten, die nicht zu den Festigkeits- und Fahreigenschaften des Reifens beitragen. Diese können wie auch die Reifenbauteile modifiziert werden, um die jeweils gewünschten elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften auszubilden. Auch die Art der Wicklung des induktiven Zusatzelementes kann identisch zu dem induktiven Element ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente in eine Umfangsrichtung des Reifens aufgewickelt ist. Dadurch kann die Wicklungsrichtung von ohnehin im Reifen gewickelten Komponenten beibehalten werden, so dass keine weiteren Modifikationen nötig sind. Lediglich für eine Kontaktierung über die Kontaktstellen ist demnach zu sorgen. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, eine Dicke bzw. einen Durchmesser der Reifenaufbaukomponenten entsprechend geringer zu wählen, um die Anzahl an Wicklungen in Umfangsrichtung erhöhen zu können bei gleichzeitiger Beibehaltung der geometrischen Ausdehnung und der mechanischen Eigenschaften des aufgewickelten Bauteils.
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Vorzugsweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente bzw. eine zusätzliche Reifenaufbaukomponente auf einer weiteren Reifenaufbaukomponente aufgewickelt ist. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Erhöhung der Wicklungszahl erreicht werden, da nicht mehr nur die festgelegte Umfangsrichtung verwendet wird. Dabei wirkt die weitere Reifenaufbaukomponente als Wickelkörper bzw. Kern. Demnach kann die Induktivität auch verstärkt werden, wenn die umwickelte Reifenaufbaukomponente magnetisch, insbesondere ferromagnetisch und/oder ferrimagnetisch ausgeführt ist.
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Bevorzugt enthält die weitere Reifenaufbaukomponente als Wickelkörper dann einen Werkstoff mit möglichst hoher magnetischer Sättigungsflussdichte und hoher magnetischer Permeabilität, z.B. weichmagnetische und/oder oxidkeramische ferrimagnetische Werkstoffe (Ferrite). Vorteilhaft ist hierbei auch die Ausführung des Wickelkörpers aus einzelnen nebeneinander liegenden Bauteilen, z.B. Drähten oder Fäden.
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Ergänzend oder alternativ können auch die den Reifen bzw. die Reifenaufbaukomponenten umgebenden Bauteile magnetisch ausgeführt sein und damit einen magnetischen Wickelkörper bzw. Kern ausbilden, der sich innerhalb der aufgewickelten Spule befindet. So kann beispielsweise die Felge und/oder der Radträger und/oder Bremsenbauteile (Bremssattel, Bremsscheibe), die sich im Inneren der durch die aufgewickelten Reifenaufbaukomponenten ausgebildeten Spule befinden, magnetisch ausgeführt sein, um somit die Induktivität des induktiven Elementes zu verstärken.
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Vorzugsweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente eine leitfähige Zusatzfaser ist, die von einer weiteren Reifenaufbaukomponente getragen und/oder geführt ist, wobei die weitere Reifenaufbaukomponente dazu von der Zusatzfaser zumindest bereichsweise umwickelt ist und/oder zumindest bereichsweise parallel zur Zusatzfaser verläuft. Demnach kann eine zusätzliche leitfähige Faser eingebracht werden, um den herkömmlichen Reifenaufbauprozess mit den jeweiligen Materialien im Wesentlichen beibehalten zu können. Die leitfähige Zusatzfaser stellt hierbei keinen Fremdkörper im Reifen dar, sondern bildet vielmehr durch ihre Nähe zur jeweiligen Reifenaufbaukomponente ebenfalls eine Reifenaufbaukomponente aus, da sie zu den Fahr- und Festigkeitseigenschaften mit beiträgt. Dabei kann die Traglast des Faserverbunds entweder ganz oder teilweise oder anteilig von der ursprünglichen, ggf. nicht leitfähigen Faser und der neu hinzugefügten leitfähigen Zusatzfaser aufgenommen werden. Das Einbringen der Zusatzfaser erfolgt dabei ebenfalls im Reifenaufbauprozess mit der jeweils tragenden Reifenaufbaukomponente zusammen, so dass die Zusatzfaser selbst auch Teil des fertiggestellten Reifens sowie auch des elektronischen Bauteils ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente ein Kerndraht des Wulstkerns ist, wobei der Kerndraht im Wulstkern in eine Umfangsrichtung aufgewickelt ist zum Ausbilden der Induktivität und der Kerndraht den Wulstkern selbst mit ausbildet, wobei der Kerndraht mit einer nicht-leitfähigen Ummantelung versehen ist zum Isolieren der Wicklungen gegeneinander.
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Somit kann vorteilhafterweise eine ohnehin leitfähige Reifenaufbaukomponente verwendet werden, die somit in ihrer Eigenschaft zum Halten des Reifens bereits eine Induktivität ausbildet, wenn der Kerndraht aufgespult wird. Über die Kontaktstellen kann endseitig dafür gesorgt werden, dass ein Strom und/oder eine Spannung abgegriffen und/oder zugeführt werden kann. Ergänzt werden kann dies mit der leitfähigen Zusatzfaser, die auf den Kerndraht aufgewickelt ist, um die Wicklungszahl zu erhöhen. Wird der Kerndraht dünner gefertigt als üblich, kann die Wicklungszahl ebenfalls erhöht werden, wenn die Kontur des gesamten Wulstkerns beibehalten wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente eine Faser der Spulbandage ist, wobei die Faser in der Spulbandage in eine Umfangsrichtung aufgewickelt ist zum Ausbilden der Induktivität und die Faser die Spulbandage selbst mit ausbildet. Somit kann auch mit dieser Reifenaufbaukomponente eine Spule bzw. ein induktives Element ausgebildet werden, da die Spulbandage herkömmlicherweise unterhalb des Laufstreifens aufgewickelt ist.
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Vorzugsweise ist dabei dafür zu sorgen, dass die aufgewickelte Faser leitfähig ist, was dadurch erreicht werden kann, dass die Faser der Spulbandage durch metallische oder halbleitende Materialien ersetzt oder ergänzt wird. Dies kann durch Beimischen von leitfähigen Partikeln oder durch eine leitfähige Beschichtung erfolgen. Weiterhin ist für eine nicht-leitfähige Ummantelung zu sorgen, so dass die Wicklungen gegeneinander isoliert sind.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente durch Korde der Gürtellagen ausgebildet ist. Dazu können die Korde in den Gürtellagen mit einer Anzahl an Wicklungen aufgewickelt sein zum Ausbilden der Induktivität, wobei die Korde die Gürtellagen selbst mit ausbilden. Die Korde können aber ergänzend oder alternativ auch von der leitfähigen Zusatzfaser umwickelt sein, um dadurch das induktive Element mit auszubilden.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Reifenaufbaukomponente durch Korde der Karkasse ausgebildet ist. Dazu können die Korde in den Karkasslagen mit einer Anzahl an Wicklungen vorzugsweise in radialer Richtung aufgewickelt sein zum Ausbilden der Induktivität, wobei die Korde die Karkasse selbst mit ausbilden. Die Korde der Karkasse können aber ergänzend oder alternativ auch von der leitfähigen Zusatzfaser umwickelt sein, um dadurch das induktive Element mit auszubilden. Die Korde der Karkasse können dazu leitfähig gemacht werden, wobei dies durch Beimischen von leitfähigen Partikeln oder durch eine leitfähige Beschichtung erfolgen kann. Weiterhin ist für eine nicht-leitfähige Ummantelung zu sorgen, so dass die Wicklungen gegeneinander isoliert sind. Ergänzend oder alternativ können Zusatzfasern wie beschrieben in die Korde der Karkasse eingebaut werden. Alternativ kann die Karkasse zum Beispiel aus einem einzigen langen Kord ausgeführt sein, der N-mal über die Reifenoberfläche geführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist vorgesehen, dass mehrere durch die Reifenaufbaukomponenten ausgebildete induktive Elemente und ggf. induktive Zusatzelemente im Reifen miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind, vorzugsweise in Reihe geschaltet, zum Erhöhen der Anzahl an Wicklungen. Demnach kann auch dadurch in einfacher Weise eine Erhöhung der Wicklungszahl erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann aber auch vorgesehen sein, dass das induktive Element mit einem Kondensator derartig im Reifen verbunden ist, dass der Kondensator von dem induktiven Element mit Energie versorgt werden kann und/oder mit diesem einen elektrischen Schwingkreis bildet. Somit kann mit dem induktiven Element vorteilhafterweise auch eine Schaltung aufgebaut werden, wodurch beispielsweise eine Sensorfunktion durch Überwachen des Schwingkreises bzw. der Induktivität oder die Speicherung von Energie im Reifen ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der Kondensator dazu ebenfalls aus Reifenaufbaukomponenten ausgebildet, so dass auch dafür keine weiteren Komponenten in den Reifen einzubringen sind. Desweiteren können im Schwingkreis einer oder mehrere Widerstände vorgesehen sein zur Abstimmung.
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Erfindungsgemäß kann der beschriebene Reifen demnach auch zum Laden einer Energieversorgung in einem Fahrzeug verwendet werden, wobei der Reifen dazu über das mindestens eine induktive Element beispielsweise mit einem induktiven Aktivierungselement in oder neben einer Fahrbahn, über oder neben dem der Reifen sich befindet, derartig in Wechselwirkung treten kann, dass in dem mindestens einen induktiven Element im Reifen durch Induktion eine Spannung und/oder ein Strom berührungslos erzeugt wird, wobei in dem induktiven Aktivierungselement in einem Einwirkbereich ein Magnetfeld, vorzugsweise ein wechselndes Magnetfeld, erzeugt wird und der dadurch im mindesten einen induktiven Element im Reifen erzeugte Strom und/oder die im induktiven Element erzeugte Spannung über die Kontaktstellen abgegriffen wird, um damit die Energieversorgung zu laden.
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Dadurch kann ein manueller Ladevorgang eines Elektrofahrzeuges an einer Ladestation entfallen oder hinausgezögert werden, da je nach Art und Größe des induktiven Aktivierungselementes beispielsweise an Ampeln oder auf Parkplätzen oder auch während der Fahrt ein Laden der Energieversorgung (Energiespeicher) im Fahrzeug stattfinden kann. Zudem bietet der Reifen für das kontaktlose Laden einen extrem geringen Abstand zur Fahrbahn oder sogar den direkten Kontakt zur Fahrbahn über die Aufstandsfläche des Reifens. Dadurch kann ein besonders effizienter Energieübertrag gewährleistet werden.
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Weiterhin kann der erfindungsgemäße Reifen aber auch als Sensor verwendet werden, wobei dazu die im mindestens einen induktiven Element vorherrschende Induktivität über die Kontaktstellen überwacht wird. Je nach Fahrbahnbeschaffenheit oder Umgebungsbedingen oder Fahrweise kann sich demnach eine Veränderung der Induktivität einstellen, die entsprechend abgegriffen werden kann, um auf die Reifenbelastung zu schließen. Durch Ausbilden von mehreren induktiven Element in einzelnen Bereichen kann auch eine positionsaufgelöste Überwachung ermöglicht werden, z.B. eine seitenweise Überwachung des Reifens.
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Erfindungsgemäß kann der Reifen weiterhin als Heizelement verwendet werden, wobei das mindestens eine induktive Element dazu über die Kontaktstellen mit einem Strom durchflossen wird. Dadurch können die jeweilige Reifenaufbaukomponente sowie die angrenzenden Komponenten gezielt erhitzt werden.
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Zur Kompensation unerwünschter magnetischer Kräfte, die dadurch auftreten, dass das induktive Element stromdurchflossen ist, können mindestens zwei induktive Elemente vorgesehen sein, die derartig ausgeführt und zueinander angeordnet sind, dass sich die jeweils erzeugten magnetischen Kräfte gegenseitig aufheben. Dazu kann beispielsweise die Polung der Spulen bzw. der induktiven Elemente vertauscht sein, wenn die beiden induktiven Elemente sonst identisch ausgeführt sind. Dadurch kann vermieden werden, dass es bei hohen Stromflüssen zu einer Beeinflussung der Fahrdynamik kommt, wenn beispielsweise ein Aufladen oder Sensieren oder Heizen des Reifens während der Fahrt stattfindet.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Reifens mit induktiven Elementen;
- 2 Detailansicht einer Spulbandage als induktives Element im Reifen gemäß 1;
- 3a, 3b Detailansichten des Reifens gemäß 1 und 2;
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In 1 ist eine Schnittansicht eines Reifens 1, insbesondere eines Fahrzeugreifens, mit einem Laufstreifen 1a, einer Spulbandage 1b, einer Karkasse 1c, Gürtellagen 1d sowie Wulstkernen 1e gezeigt. Diese Elemente dienen als sogenannte Reifenaufbaukomponenten, wobei herkömmlicherweise weitere, nicht näher bezeichnete Reifenaufbaukomponenten in dem Reifen 1 vorgesehen sind. Als Reifenaufbaukomponenten werden hierbei diejenigen Komponenten im Reifen 1 verstanden, die vor oder im Reifenaufbauprozess, d.h. bis zur Vulkanisation, in den Reifen 1 eingefügt werden und die den Reifen 1 herkömmlicherweise selbst mit ausbilden bzw. aufbauen. Darunter ist zu verstehen, dass diese Komponenten im Reifenaufbau herkömmlicherweise zu finden sind und dabei eine bestimmte Funktion erfüllen, um die Festigkeits- bzw. Fahreigenschaften des Reifens 1 festzulegen. Als Reifenaufbaukomponenten werden demnach keine Komponenten verstanden, die nach der Fertigstellung des Reifens 1 nachträglich an den Reifen 1 angebracht oder in den Reifen 1 eingebracht werden. Die Materialien der bisher genannten Reifenaufbaukomponenten sind in einem herkömmlichen Reifen 1 wie folgt gewählt:
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Der Laufstreifen 1a ist aus unterschiedlichen gummiartigen, im Wesentlichen nicht-leitfähigen Schichten, beispielsweise aus Kautschuk, gefertigt, deren Funktion es ist, für eine gewisse Abriebfestigkeit sowie eine Fahrstabilität des Reifens 1 zu sorgen. Der Laufstreifen 1a weist dabei eine bestimmte Laufstreifen-Dicke D auf.
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Die Spulbandage 1b ist unterhalb des Laufstreifens 1a angeordnet und besteht aus einer oder mehreren Fasern 2 (s. 2), die normalerweise textil und damit nicht-leitfähig sind, beispielsweise aus Nylon, die in Kautschuk eingebettet sind. Deren Funktion ist es, den unter Druck stehenden Reifen 1 auf einen bestimmten Umfang festzulegen. Diese Fasern 2 sind auf die darunterliegenden Gürtellagen 1d entlang einer Umfangsrichtung U aufgewickelt, wie beispielhaft in 2 dargestellt. Die Spulbandage 1b kann dabei aus einer durchgehenden Faser 2 oder aus mehreren Fasern 2 bestehen, die entsprechend nebeneinander und/oder übereinander auf die Gürtellagen 1d aufgewickelt sind.
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Die Gürtellagen 1d weisen gemäß 3a jeweils leitfähige Korde 3ai, 3bi in einer bestimmten Kordkonstruktion auf, wobei jeder Kord 3ai, 3bi beispielsweise aus ein oder mehreren leitfähigen Drähten aus Stahl besteht. Die Korde 3ai, 3bi sind gegeneinander isoliert, beispielsweise durch eine nicht-leitende Kord-Ummantelung. Die Funktion der Gürtellagen 1d ist es, für die Festigkeit im Reifen 1 zu sorgen.
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Durch die aus mehreren Festigkeitsschichten bzw. ebenfalls Korden 3ai, 3bi bestehenden Karkasse 1c wird der Reifen 1 komplettiert, wobei dieser in den äußeren Endbereichen der Karkasse 1c in die Wulstkerne 1e übergeht. Die Wulstkerne 1e sind jeweils aus einem leitfähigen Draht, im Folgenden als Kerndraht 4 bezeichnet, beispielsweise aus einem mit Kautschuk ummantelten Draht aus Stahl, gefertigt. Die Kerndrähte 4 sind gemäß dieser Ausführungsform in Umfangsrichtung U des Reifens 1 aufgewickelt, wobei pro Wulstkern 1e vorzugsweise lediglich ein aufgewickelter Kerndraht 4 vorgesehen ist. Die herkömmliche Funktion des Wulstkerns 1e bzw. des Kerndrahtes 4 ist es, für den Halt des Reifens 1 auf der Felge zu sorgen.
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Weiterhin können auch bisher nicht genannte Reifenaufbaukomponenten vorgesehen sein, beispielsweise Seitenwände, Wulstverstärker, Kernprofile und eine Innenschicht auf der Innenseite des Reifens 1.
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Ausgehend von diesem herkömmlichen Aufbau eines Reifens 1 mit leitfähigen und normalerweise nicht-leitfähigen Komponenten ist in dem erfindungsgemäßen Reifen 1 als elektrisches Bauteil mindestens ein induktives Element 6 ausgebildet, das eine bestimmte Induktivität L aufweist. Die Induktivität L wird hierbei insbesondere durch eine Anzahl N an Wicklungen bzw. Windungen eines leitfähigen Elementes des Reifens 1 bestimmt. Erfindungsgemäß wird dieses aufgewickelte leitfähige Element durch eine Reifenaufbaukomponente selbst ausgebildet. Demnach weist die jeweils verwendete Reifenaufbaukomponente eine Doppelfunktion auf, nämlich den Reifen 1 aufzubauen und für dessen Festigkeits- und Fahreigenschaften zu sorgen und gleichzeitig als leitfähige Komponente ein elektronisches Bauteil bzw. das induktive Element 6 mit einer gewissen Induktivität L im Reifen 1 auszubilden.
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Um dies zu erreichen, sind mehrere Möglichkeiten vorgesehen. Zum einen kann eine von vornherein leitfähige und aufgewickelte Reifenaufbaukomponente verwendet werden oder eine normalerweise nicht-leitfähige Reifenaufbaukomponente wird derartig bearbeitet, dass mit dieser eine Induktivität L ausgebildet werden kann, ohne dass dadurch die ursprüngliche Funktion dieser Reifenaufbaukomponente im Reifen 1 beeinträchtigt wird.
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Zur Ausbildung des induktiven Elementes 6 können gemäß einer Ausführung die Kerndrähte 4 als bereits leitfähige Reifenaufbaukomponenten verwendet werden. Diese sorgen zum einen für den sicheren und festen Sitz des Reifens 1 auf einer Felge und definierten gleichzeitig durch ihre N Wickelungen jeweils eine Induktivität L im Reifen 1. Wie bereits beschrieben, ist jeder Kerndraht 4 in Umfangsrichtung U aufgewickelt und definiert dadurch gemäß 1 im Querschnitt z.B. eine in etwa kreisförmige oder viereckige Kontur des Wulstkerns 1e. Durch die Ummantelung aus z.B. Kautschuk sind die N Wicklungen zueinander elektrisch isoliert, so dass ein Windungsschluss verhindert werden kann. Somit kann in jedem Wulstkern 1e durch den Kerndraht 4 eine Art Spule bzw. induktives Element 6 ausgebildet werden, das eine bestimmte Induktivität L aufweist.
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Die Induktivität L ist hierbei proportional zur Anzahl N an Wicklungen des leitfähigen Elementes; hier des Kerndrahtes 4. Um die Induktivität L des induktiven Elementes 6 in diesem Beispiel zu erhöhen, ist die Anzahl N an Wicklungen des Kerndrahtes 4 zu erhöhen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Kerndraht 4 dünner gefertigt wird, gleichzeitig aber öfter aufgewickelt wird, um die Kontur des Wulstkerns 1e beizubehalten. Bei einer Halbierung der Dicke der Kerndrähte 4 ergibt sich somit in etwa eine Verdoppelung der Anzahl N an Wicklungen. Durch die in etwa gleichbleibende Kontur des Wulstkerns 1e ändert sich die herkömmliche Funktion des Kerndrahtes 4 bzw. des gesamten Wulstkerns 1e, d.h. für den sicheren Halt und den festen Sitz auf der Felge zu sorgen, nicht. Demnach bleibt auch mit dieser Änderung zu einer höheren Induktivität L hin die Doppelfunktion erhalten.
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In einer weiteren Ausführung, kann auch die Spulbandage 1b als induktives Element 6 fungieren. Dabei ist allerdings dafür zu sorgen, dass die Faser 2 leitfähig gemacht wird, um eine Induktivität L dadurch ausbilden zu können, dass die Faser 2 der Spulbandage 1b normalerweise spulenförmig aufgewickelt sind. Dazu sind unterschiedliche Methoden möglich:
- Die Faser 2 kann dazu statt aus in Kautschuk eingebettetem Nylon aus einem vergleichbaren, in Kautschuk eingebetteten elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. Stahl, Aluminium oder Kupfer bestehen, so dass die gesamte Spulbandage 1b aus einer leitfähigen Faser 2 besteht. Alternativ kann das herkömmliche Material der Faser 2, z.B. Nylon, mit leitfähigen Partikeln, z.B. Kohlenstoffröhrchen (CNT), Graphene, Zink, ... versehen werden. Weiterhin kann die Faser 2 mit einer leitfähigen Gummierung oder einem leitfähigen Material beschichtet, z.B. bedruckt, werden. Über die somit leitfähig gemachte Faser 2 ist dann eine zusätzliche nicht-leitfähige Ummantelung aufzubringen, um die N Wicklungen gegeneinander zu isolieren.
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Dadurch kann also aus einer nicht-leitfähigen Reifenaufbaukomponente (Spulbandage 1b) ein leitfähiges Element mit N Wicklungen im Reifen 1 ausgebildet werden, das zwischen dem Laufstreifen 1a und den Gürtellagen 1d isolierend eingebettet ist, und damit eine Induktivität L ausbildet. Durch die Veränderung der Leitfähigkeit der Faser 2 wird auch hier die eigentliche Funktionalität der Spulbandage 1b nicht verändert, so dass die Doppelfunktion erhalten bleibt.
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Alternativ zur Bearbeitung der Faser 2 der Spulbandage 1e kann im Reifenaufbauprozess eine leitfähige Zusatzfaser 2a aus z.B. Stahl, Kupfer oder Aluminium mit einer nicht-leitfähigen Ummantelung zusammen mit der dann nicht-leitfähigen Faser 2 auf die Gürtellagen 1d aufgewickelt werden. Die Faser 2 der Spulbandage 1b dient somit im Reifenaufbauprozess als eine Art Träger für die leitfähige Zusatzfaser 2a, wobei auch die leitfähige Zusatzfaser 2a zur eigentlichen Funktion der Spulbandage 1b beitragen kann und gleichzeitig durch die Wickelung als induktives Element 6 fungiert.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Anzahl N an Wicklungen für das induktive Element 6 durch die Dicke der Faser 2 der Spulbandage 1b und/oder auch der leitfähigen Zusatzfaser 2a festgelegt werden, ohne dass dabei die ursprüngliche Funktion im Reifen 1 verloren geht. Demnach kann öfter umwickelt werden, wenn eine dünnere Faser 2, 2a verwendet wird.
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Weiterhin kann zur Erhöhung der Anzahl N an Wicklungen vorgesehen sein, dass die leitfähige Zusatzfaser 2a um die nicht-leitfähige, auf die Gürtellagen 1d aufgewickelte Faser 2 der Spulbandage 1b aufgewickelt wird (s. 3b). D. h. die Zusatzfaser 2a ist in diesem Fall nicht im Wesentlichen parallel zu der bestehenden Spulbandage 1b geführt, sondern verläuft im Wesentlichen quer zur Hauptfaserrichtung der bestehenden Spulbandage 1b. Dadurch wird die Anzahl N an Wicklungen stark erhöht, da nicht mehr in die Umfangsrichtung U aufgewickelt wird, sondern um die mehrfach aufgewickelte Faser 2. Auch hier dient die Faser 2 der Spulbandage 1b als eine Art Träger für die leitfähige Zusatzfaser 2a, die damit ebenfalls zur Festigkeit der Spulbandage 1b beiträgt. Die eigentliche Funktion der Spulbandage 1b wird daher nicht beeinträchtigt. Somit kann auch in diesem Beispiel durch die Faser 2 als Träger und die zusätzliche leitfähige Faser 2a eine Doppelfunktion der Spulbandage 1b gewährleistet werden.
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Zusätzlich kann die bestehende Spulbandage 1b bzw. die aufgewickelte Faser 2 in dieser Ausführung als Magnetkern bzw. magnetischer Wickelkörper, um den die Zusatzfaser 2a aufgespult ist, dienen, indem die magnetische Permeabilität µ der Faser 2 der Spulbandage 1b durch Verwendung oder Zugabe geeigneter Materialien, z.B. Eisenspäne oder Eisendraht, erhöht wird. Dadurch kann die Induktion L weiter erhöht werden.
Analog ist dies auch in dem ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich. Demnach kann eine ummantelte leitfähige Zusatzfaser 2a auch auf den Kerndraht 4 aufgewickelt werden, um die Anzahl N an Wicklungen im jeweiligen Wulstkern 1e zu erhöhen. Der Kerndraht kann dann bei entsprechender Wahl des Materials auch als Magnetkern bzw. magnetischer Wickelkörper dienen, um die Induktivität L zu verstärken.
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Um dies zu verstärken, kann auch eine Felge und/oder ein Radträger und/oder Bremsenbauteile, die von dem derartig ausgebildeten induktiven Element 6 umgeben werden, magnetisch ausgeführt sein. Diese können somit ebenfalls als magnetischer Wickelkörper dienen.
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Um die Anzahl N an Wicklungen weiter zu erhöhen, kann auch vorgesehen sein, mehrere induktive Elemente 6 im Reifen 1 in Reihe zu schalten, z.B. den Kerndraht 4 und die leitfähige Faser 2 und/oder leitfähige Zusatzfaser 2a der Spulbandage 1e miteinander elektrisch leitend zu verbinden, beispielsweise über weitere leitfähige Reifenaufbaukomponenten z.B. in der Karkasse 1c und/oder in den Gürtellagen 1d (z.B. über die leitfähigen Korde 3ai, 3bi). Weiterhin kann auch ein induktives Zusatzelement 6b eingebracht und mit dem induktiven Element 6 verbunden werden, wenn für eine weitere Erhöhung der Anzahl N an Wicklungen bzw. der Erhöhung der Induktivität L keine Reifenaufbaukomponenten mehr zur Verfügung stehen. Das induktive Zusatzelement 6b kann dann nachträglich eingebracht und mit dem induktiven Element 6 verbunden werden und/oder aus Komponenten bestehen, die nicht Reifenaufbaukomponenten im Sinne der Erfindung sind.
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Ergänzend können auch einzelne Korde 3ai, 3bi in den Gürtellagen 1d und/oder der Karkasse 1c mit einer leitfähigen Zusatzfaser 2a umwickelt werden, um darüber eine Induktivität L bzw. ein induktives Element 6 auszubilden. Weiterhin können auch die Korde 3ai, 3bi der Gürtellagen 1d und/oder der Karkasse 1c selbst aufgewickelt sein, z.B. im Wesentlich in radialer Richtung, und das induktive Element 6 mit ausbilden. Die nicht-leitfähigen Korde 3ai, 3bi der Karkasse 1c sind dazu analog zu der Faser 2 der Spulbandage 1b zu modifizieren, um diese leitfähig zu machen.
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Das induktive Element 6 als elektronisches Bauteil sowie ggf. das induktive Zusatzelement 6b im Reifen 1 kann in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen. Zum einen kann dieses zum Bereitstellen eines Stromes I bzw. einer Spannung V im Reifen 1 dienen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass nahe dem Reifen 1, z.B. in einer Fahrbahn 10, ein induktives Aktivierungselement 6a angeordnet ist, das ebenso wie das induktive Element 6 im Reifen 1 eine gewisse Induktivität L durch Ausbilden einer Leiterschleife aufweist. Wird in diesem induktiven Aktivierungselement 6a durch Anlegen einer Spannung oder eines Stroms ein Magnetfeld B, insbesondere ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld B erzeugt, so wird in dem induktiven Element 6 im Reifen 1, wenn es sich im Einwirkbereich E des induktiven Aktivierungselementes 6a befindet, nach dem Induktionsgesetz eine Spannung V bzw. ein Strom I induziert, der abhängig von der Induktivität L des induktiven Elementes 6 ist. Dieser berührungslos erzeugte Strom I bzw. die Spannung V kann entsprechend abgegriffen und im Reifen 1 bzw. im Fahrzeug genutzt werden. Vorteil hierbei ist, dass der Abstand zwischen dem induktiven Aktivierungselement 6a in der Fahrbahn 10 und dem induktiven Element 6 im Reifen 1 sehr gering ist. Die Spulbandage 1b als induktives Element 6 ist beispielsweise lediglich um die Laufstreifen-Dicke D von der Fahrbahn 10 entfernt. Da das im induktiven Aktivierungselement 6a erzeugte Magnetfeld B mit dem inversen Abstand abnimmt, kann die Induktionswirkung optimiert und eine sehr effektive berührungslose Übertragung von Energie in das Fahrzeug über den Reifen 1 gewährleistet werden.
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Dies kann beispielsweise zu Laden einer Energieversorgung, z.B. eines Akkus, im Fahrzeug, beispielsweise eines Elektrofahrzeuges mit dem Reifen 1, genutzt werden. Das induktive Aktivierungselement 6a kann beispielsweise vollflächig auf der Fahrbahn 10 oder lediglich im Bereich von Ampeln oder Parkplätzen in der Fahrbahn 10 eingebettet sein, um das Fahrzeug bzw. den Energiespeicher im Fahrzeug entsprechend laden zu können. Demnach kann der Fahrer über das Aktivierungselement 6a fahren, wodurch die Energieversorgung automatisch aufgeladen wird, ohne dass der Fahrer aussteigen muss. Dadurch kann die Energieversorgung auch lediglich kurz geladen werden, wenn das Fahrzeug an einer Ampel steht oder aber länger, wenn das Fahrzeug auf dem Parkplatz abgestellt wird. Dadurch verlängert sich der Zeitraum, bis das Fahrzeug zu einer Ladestation zu fahren ist. Bei entsprechend großflächiger Bereitstellung der Energieversorgung über den Reifen 1 kann das Fahren zu einer Ladestation auch gänzlich entfallen. So kann bei einer vollflächigen Anordnung des induktiven Aktivierungselementes 6a im Bereich der Fahrstrecke in der Fahrbahn 10 auch ein Aufladen während der Fahrt stattfinden.
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Zum Ableiten der erzeugten Spannung V bzw. des Stroms I aus dem Reifen 1, kann das induktive Element 6 über zwei Kontaktstellen 7a, 7b, die in 1 und 2 schematisch für die Spulbandage 1b dargestellt sind, verfügen. Die Kontaktstellen 7a, 7b können in beliebiger Weise mit Leitern 8a, 8b im Reifen 1 verbunden werden. Über die Leiter 8a,8b kann der Strom I bzw. die Spannung V zum Fahrzeug hin abgeführt werden (nicht dargestellt).
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Beispielsweise kann dies im Bereich der Nabe der Felge über Schleifkontakte erfolgen, wobei die Leiter 8a, 8b entsprechend mit den Schleifkontakten über die Felge leitfähig zu verbinden sind. Im Falle des Kerndrahtes 4 können die zusätzlichen Leiter 8a, 8b auch entfallen, da die Kerndrähte 4 ohnehin an der Felge anliegen und eine leitfähige Verbindung zur Felge durch ein endseitiges Abisolieren der nicht-leitfähigen Ummantelung der Kerndrähte 4 erfolgen kann. Außerdem kann das Gummimaterial des Reifens 1 lokal leitfähig ausgebildet werden, um den Übergang zu ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren Anwendung kann das induktive Element 6 mit einem Kondensator gekoppelt werden, um einen Schwingkreis aufzubauen. Dadurch kann beispielsweise ein Sensorelement ausgebildet werden, über das Belastungen im Reifen 1 erfasst werden können, da äußere Einwirkungen auf das induktive Element 6 eine gewisse Reaktion des Schwingkreises hervorrufen, die durch eine Messelektronik erfasst werden kann. Dadurch kann beispielsweise ein Beladungszustand oder eine Fahrcharakteristik bzw. eine Fahrumgebung erfasst werden. Dazu kann die Spulbandage 1b beispielsweise auch in zwei oder mehrere in axialer Richtung getrennte induktive Elemente 6 geteilt sein, z.B. durch separates Aufwickeln von zwei oder mehreren Fasern 2 und/oder leitfähigen Zusatzfasern 2a, so dass eine bereichsweise Überwachung über die zwei oder mehreren induktiven Elemente 6 erfolgen kann. Auch in weiteren Schaltkreisen im Reifen 1 kann das induktive Element 6 Anwendung finden, beispielsweise gekoppelt mit Dioden oder Widerständen im Reifen 1.
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Weiterhin kann das jeweilige induktive Element 6 als Kerndraht 4 bzw. Wulstkern 1e und/oder als Spulbandage 1b und/oder als Karkasse 1c, wenn es stromdurchflossen wird, auch als Heizelement verwendet werden, um den Reifen 1, insbesondere den Laufstreifen 1a, situationsbedingt heizen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reifen
- 1a
- Laufstreifen
- 1b
- Spulbandage
- 1c
- Karkasse
- 1d
- Gürtellage
- 1e
- Wulstkern
- 2
- Faser
- 2a
- leitfähige Zusatzfaser
- 3ai, 3bi
- Korde der Gürtellagen 1d/Karkasse 1c
- 4
- Kerndraht
- 6
- induktives Element
- 6a
- induktives Aktivierungselement
- 6b
- induktives Zusatzelement
- 7a, 7b
- Kontaktstellen
- 8a, 8b
- Leiter
- 10
- Fahrbahn
- B
- Magnetfeld
- D
- Laufstreifen-Dicke
- E
- Einwirkbereich
- I
- Strom
- L
- Induktivität
- N
- Anzahl an Wicklungen
- U
- Umfangsrichtung
- V
- Spannung
