-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem für einen Fahrzeugreifen. Sie betrifft ferner einen Fahrzeugreifen, insbesondere einen Vollgummireifen, mit einem derartigen Sensorsystem.
-
Aus der
WO 2018/077502 A1 ist es bekannt, Sensorelemente in Vollgummireifen einzusetzen. Problematisch ist dabei die Verbindung zwischen dem einzelnen Sensorelement und einer dem Sensorelement zugeordneten Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller.
-
Typischerweise erfolgt diese Verbindung über Drähte bzw. metallische Leiterbahnen. Diese sind jedoch insbesondere in Vollgummireifen starken Verformungskräften ausgesetzt und können daher bei dauerhafter Beanspruchung reißen. Dies ist besonders dann kritisch, wenn das Sensorelement nicht im Bereich der Felge und damit in der Nähe der Steuereinheit angeordnet werden soll, sondern weiter außen im Reifen.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem für einen Fahrzeugreifen anzugeben, das diesen Nachteil nicht aufweist, sondern besonders robust aufgebaut und somit auch für die Beobachtung des Verschleißes von Vollgummireifen geeignet ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem für einen Fahrzeugreifen mit zumindest einem Sensor und zumindest einer Steuereinheit angegeben, wobei der Sensor mit der Steuereinheit elektrisch mittels zumindest einer Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden Elastomer verbunden ist.
-
Unter einem elektrisch leitenden Elastomer wird dabei hier und im Folgenden ein Elastomer verstanden, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 1000 Ωm oder sogar von weniger als 100 Ωm aufweist. Derartige Elastomere werden teilweise auch als „Leitgummi“ bezeichnet und können beispielsweise durch die Verwendung leitfähiger Partikel als Füllstoffe hergestellt werden.
-
Somit übernimmt gemäß der Erfindung ein elektrisch leitendes Elastomer die elektrische Verbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinheit. Dies hat - insbesondere gegenüber lediglich in ein Elastomer eingebetteten metallischen Leiterbahnen - den Vorteil, dass die gesamte elektrische Verbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinheit ausreichend elastisch ist, um Verformungen des Reifens mitzumachen. Die elektrische Verbindung ist somit dauerhaft stabil. Wie sich herausgestellt hat, ist die elektrische Leitfähigkeit von elektrisch leitendem Elastomer ausreichend, um Sensorsignale an die Steuereinheit zu übertragen.
-
In einer Ausführungsform ist der zumindest eine Sensor als Temperatursensor ausgebildet. Ein derartiger Temperatursensor kann insbesondere in einer mittig im Reifen befindlichen Zwischenschicht angeordnet sein, in der die durch Reifenverformung eingebrachte Energie in Wärme umgewandelt wird. Eine Beobachtung des Temperaturverlaufs in der Zwischenschicht erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der Zwischenschicht und deren Schädigungen.
-
Eine erfolgte Schädigung beziehungsweise die vorausgehende Temperaturerhöhung, die sogar zu einer Verflüssigung des Materials führen kann, ist von außen in der Regel nicht ersichtlich, da sich die Reifenaußenseite aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Gummis kaum erwärmt. Um die Reifentemperatur im Inneren korrekt erfassen zu können, ist ein integrierter Temperatursensor in der Mitte der Zwischenschicht vorteilhaft.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der zumindest eine Sensor als Abriebsensor ausgebildet und weist Bereiche auf, die Bereiche einer Lauffläche eines Fahrzeugreifens bilden und im Betrieb einem Abrieb ausgesetzt sind.
-
Beispielsweise kann der Abriebsensor als resistiver Sensor ausgebildet sein und eine Anzahl von parallel geschalteten Strompfaden aufweisen, die in unterschiedlichen Entfernungen zu einer Lauffläche des Fahrzeugreifens anordenbar sind.
-
In diesem Fall wird die Anzahl der parallel geschalteten Strompfade mit zunehmendem Abrieb reduziert, sodass sich der elektrische Widerstand des Sensors verändert.
-
Alternativ kann der Abriebsensor auch als kapazitiver Sensor ausgebildet sein und zumindest eine erste Elektrode aus einem elektrisch leitenden Elastomer, zumindest eine zweite Elektrode aus einem elektrisch leitenden Elastomer sowie zumindest eine zwischen den Elektroden angeordnete dielektrische Schicht aus einem weiteren, elektrisch isolierenden Elastomer aufweisen, wobei die Elektroden und die Schicht senkrecht zu einer Lauffläche des Fahrzeugreifens anordenbar sind
-
Bei dieser Ausführungsform wird mit zunehmendem Abrieb des Fahrzeugreifens die Fläche der Elektroden verringert, sodass sich die Kapazität des aus den Elektroden und der elektrischen Schicht gebildeten Kondensators verändert. Mit Hilfe eines solchen Abriebsensors kann auf besonders einfache Weise der Abrieb eines Vollgummireifens quantifiziert werden.
-
Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeugreifen mit dem beschriebenen Sensorsystem angegeben, wobei der Fahrzeugreifen insbesondere als Vollgummireifen ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Reifen für ein Flurfördergerät oder eine ähnliche Arbeitsmaschine handeln.
-
Der mit dem Sensorsystem ausgestattete „intelligente“ Fahrzeugreifen hat den Vorteil, dass das Sensorsystem eine genaue Beobachtung des Zustands der Fahrzeugreifen erlaubt, wobei gleichzeitig elektrische Verbindungen besonders robust ausgebildet sind und der Fahrzeugreifen mit dem Sensorsystem somit besonders belastbar ist und eine lange Lebensdauer aufweist.
-
Der Sensor des Sensorsystems kann abhängig von der Art des Sensors in einer Schicht des Fahrzeugreifens angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Temperatursensor vorteilhaft in einer Zwischenschicht des Reifens angeordnet sein, während ein Abriebsensor vorteilhaft im Bereich einer Lauffläche des Fahrzeugreifens angeordnet sein kann.
-
Das Sensorsystem ist insbesondere in einer Bohrung des Fahrzeugreifens angeordnet.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Radsystem mit dem beschriebenen Fahrzeugreifen angegeben, das zusätzlich zum Fahrzeugreifen auch eine Felge umfasst. Dabei ist die Steuereinheit des Sensorsystems an einer Felge des Radsystems angeordnet. Alternativ ist es auch denkbar, die Steuereinheit im Fahrzeugreifen anzuordnen.
-
Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Vollgummireifen mit einem Sensorsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 zeigt einen als Temperatursensor ausgebildeten Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 zeigt einen Verbinder zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 zeigt eine Längsschnittansicht eines als Abriebsensor ausgebildeten Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 5 zeigt eine Seitenansicht des Sensors gemäß 4 und
- 6 zeigt eine Schnittansicht eines als Abriebsensor ausgebildeten Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
-
1 zeigt einen als Vollgummireifen ausgebildeten Fahrzeugreifen 1, der auf einer Felge 5 eines Radsystems angeordnet ist. Der Fahrzeugreifen 1 weist verschiedene Elastomerschichten auf. Eine Anwendung in einem pneumatischen Reifen ist jedoch ebenfalls denkbar. Die Elastomerschichten bilden in bekannter Weise eine Bodenschicht 4 mit Stahlarmierungen 6, eine Zwischenschicht 3 und eine Laufschicht 2, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Insbesondere ist die Zwischenschicht 3 verhältnismäßig elastisch ausgebildet, um den Rollwiderstand zu minimieren und somit die Wärmebildung zu reduzieren.
-
Der Fahrzeugreifen 1 weist in einer nicht dargestellten Bohrung ein Sensorsystem 10 auf mit einem ersten Sensor 11 und einem zweiten Sensor 12 sowie einer Steuereinheit 13, die in der gezeigten Ausführungsform als Mikrocontroller ausgebildet und im Bereich der Felge 5, beispielsweise in einer eingeheizten Tasche, angeordnet bzw. befestigt ist.
-
Der Sensor 11 ist in der Laufschicht 2 angeordnet und als Abriebsensor ausgebildet. Eine Fläche 27 des Sensors 11 bildet einen kleinen Bereich einer Lauffläche 7 des Fahrzeugreifens 1 und ist wie diese im Betrieb Abrieb ausgesetzt. Der Sensor 11 ist mit der Steuereinheit 13 über elektrische Verbindungen 14 aus elektrisch leitenden Elastomeren verbunden.
-
Der zweite Sensor 12 ist in der Zwischenschicht 3 angeordnet und als Temperatursensor ausgebildet. Er weist ebenfalls eine Verbindung 14 aus einem elektrisch leitenden Elastomer mit der Steuereinheit 13 auf.
-
2 zeigt den als Temperatursensor ausgebildeten Sensor 12. Wie in dieser Darstellung erkennbar ist, weist der Sensor 12 zwei Kontaktanschlüsse 18 auf. Es ist auch denkbar, dass der Sensor 12 mehr Kontaktanschlüsse 18 aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform wurde jedoch ein Sensor 12 eingesetzt, dessen Signale vorteilhafterweise über seine Versorgungsleitung abgegriffen werden können, so dass lediglich zwei Kontaktanschlüsse 18 benötigt werden. Die Anschlüsse 18 sind durch die Verbindung 14 elektrisch mit der Steuereinheit 13 verbunden. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Verbindung 14 aus einzelnen Verbindern 17 aufgebaut, wobei jeweils ein Verbinder 14 einen Kontaktanschluss 18 kontaktiert.
-
3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Verbindung nur einen einzigen Verbinder 20 aufweist, der aus einzelnen Leiterbahnen 21 aus elektrisch leitendem Elastomer in einer elektrisch isolierenden Matrix 22 aufgebaut ist. Beispielsweise kann die Matrix 22 als extrudiertes Profil aus einem isolierenden Elastomer hergestellt und die Nuten mit elektrisch leitendem Elastomer aufgefüllt werden.
-
Die Verbindung 14 weist keine metallischen Drähte bzw. Leiterbahnen auf, sondern besteht vollständig aus elektrisch leitendem Elastomer und gegebenenfalls zusätzlich (insbesondere als Ummantelung) elektrisch isolierenden Elastomer. Sie bildet demnach eine Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden Elastomer. Sie ist daher mindestens ebenso flexibel ausgebildet wie die sie umgebenden Schichten des Fahrzeugreifens. Das Reißen von elektrischen Verbindungen wird dadurch verhindert.
-
Die Verbindungen 14 aus elektrisch leitendem Elastomer weisen typischerweise Durchmesser von wenigen Millimetern auf, beispielweise etwa 2 mm. Wie sich herausgestellt hat, lassen sich die Sensorsignale damit zufriedenstellend übertragen.
-
Die gestrichelte Linie 19 in den 2, 4, 5 und 6 deutet eine Kapselung des Sensors 11, 12 und seiner Kontaktanschlüsse 18 mittels einer Vergussmasse an, die zum Schutz insbesondere der elektrischen Kontaktanschlüsse 18 vorgesehen sein kann.
-
4 zeigt eine Ausführungsform des ersten Sensors 11, die als resistiver Abriebsensor ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform weist der Sensor 11 zwei unterschiedliche Elastomere auf, nämlich einen Isolator 23 und einen elektrischen Leiter 24. Dabei bildet der Isolator 23 eine stellenweise unterbrochene Schicht zwischen zwei Schichten aus dem elektrischen Leiter 24 aus. Jede Schicht des elektrischen Leiters 24 ist durch einen Kontaktanschluss 18 kontaktiert. Die beiden elektrisch leitenden Schichten 31, 32 sind miteinander durch Verbindungen 25 aus dem elektrisch leitenden Elastomer verbunden. Die Verbindungen 25 sind als Durchbrechungen der Schicht aus dem Isolator 23 ausgebildet.
-
In der Seitenansicht gemäß 5 ist erkennbar, dass die Verbindungen 25 dadurch hergestellt wurden, dass in einem Sandwichaufbau aus einer Schicht 31 des Leiters 24, einer Schicht des Isolators 23 sowie einer Schicht 32 des Leiters 24 einzelne Bohrungen 26 eingebracht und mit dem Leiter 24 ausgefüllt wurden. Der Sandwichaufbau aus zwei verschiedenen Elastomeren kann beispielsweise mittels eines Triplex-Extruders hergestellt werden.
-
Die Verbindungen 25 bilden Bereiche von Strompfaden aus, die von einem Kontaktanschluss 18 zum anderen Kontaktanschluss 18 führen. Mit zunehmendem Abrieb des Fahrzeugreifen 1, in den der Sensor 11 beispielsweise mithilfe einer Schnur 16 eingezogen wird, werden einige der Verbindungen 25 entfernt. Somit ändert sich der elektrische Widerstand des Sensors.
-
6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Sensors 11, der ebenfalls als Abriebsensor ausgebildet ist, jedoch als kapazitiver Abriebsensor. In dieser Ausführungsform weist der Sensor 11 einen Schichtaufbau aus drei elektrisch leitenden Schichten und zwei jeweils dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Schichten auf, die insbesondere mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt werden können. Dabei bilden zwei äußere elektrisch leitende Schichten eine erste Elektrode 28, während die innere elektrisch leitende Schicht eine zweite Elektrode 29 bildet und das dazwischen angeordnete isolierende Material eine dielektrische Schicht 30.
-
Insgesamt bildet somit der Sensor 11 einen Kondensator mit einer Fläche, die sich mit zunehmendem Abrieb des Fahrzeugreifens 1 damit auch des Sensors 11 verringert, wobei sich in der gezeigten Ausführungsform sowohl die Elektrodenfläche als auch die Fläche der dielektrischen Schicht 30 verringert. Dadurch verringert sich die zur Elektrodenfläche proportionale Kapazität des Sensors 11 ebenfalls. Die Kapazität wird mittels der Steuereinheit 13 zur Bestimmung der Laufleistung bzw. des Abriebs des Fahrzeugreifens 1 ausgewertet.
-
Die Elektroden 28, 29 sowie das Dielektrikum 30 sind dabei senkrecht zur Lauffläche 7 des Fahrzeugreifens 1 angeordnet um sicherzustellen, dass die Kondensatorfläche mit zunehmendem Abrieb verringert wird.
-
Der Fahrzeugreifen 1 in 1 weist sowohl einen (resistiven oder kapazitiven) Abriebsensor 11 als auch einen Temperatursensor 12 auf sowie eine Steuereinheit 13, die Signale beider Sensoren 11, 12 empfängt und mit beiden über Leiterbahnen aus elektrisch leitendem Elastomer verbunden ist. Es ist auch denkbar, lediglich einen der beiden Sensoren 11, 12 vorzusehen oder für jeden der Sensoren 11, 12 eine Steuereinheit 13.
-
Wie sich herausgestellt hat, reagiert der Sensor 11 auch auf Verformungen. Damit ist es möglich, aus dem Sensorsignal auch auf die Belastung, die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke zu schließen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeugreifen
- 2
- Laufschicht
- 3
- Zwischenschicht
- 4
- Bodenschicht
- 5
- Felge
- 6
- Stahlarmierung
- 7
- Lauffläche
- 10
- Sensorsystem
- 11
- Sensor
- 12
- Sensor
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Verbindung
- 16
- Schnur
- 17
- Verbinder
- 18
- Kontaktanschluss
- 19
- gestrichelte Linie
- 20
- Verbinder
- 21
- Leiterbahn
- 22
- Matrix
- 23
- Isolator
- 24
- Leiter
- 25
- Verbindung
- 26
- Bohrung
- 27
- Fläche
- 28
- erste Elektrode
- 29
- zweite Elektrode
- 30
- dielektrische Schicht
- 31
- Schicht
- 32
- Schicht
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
