DE20216290U1

DE20216290U1 - Fahrzeugreifen

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Publication number: DE20216290U1
Application number: DE20216290U
Authority: DE
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2012-10-24

Description

Continental AG 1 202-003-GDE.1 /Wi

30.09.2002 Wi/pk

Beschreibung

Fahrzeugreifen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahrzeugreifen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Demgemäß weist er eine Lauffläche mit Negativen einer Tiefe und Positiven einer Höhe auf.

Bei zu kleiner Profiltiefe wird schon bei geringer Fahrgeschwindigkeit die Wasseraufnahme-Kapazität und Wasserabfuhrgeschwindigkeit der Negative zu gering, um ein Aufschwimmen der Lauffläche - welches mit nahezu vollständigem Verlust des Reibschlusses einherginge - zu vermeiden. Deshalb fordern die Rechtsordnungen für den öffentlichen Straßenverkehr eine Mindestprofiltiefe, in Deutschland.zum Beispiel 1,6 mm.

Leider schenken einige Kraftfahrer diesen Erfordernissen zu wenig Beachtung und gefährden damit sich, selbst und andere. Darum sind schon verschiedene Maßnahme vorgeschlagen worden, um dem Fahrer die Überprüfung der Profiltiefe zu erleichtern; besonders häufig würde vorgeschlagen,, im Bereich der Mindestprofiltiefe zumindest einen bunten Streifen anzuordnen, der im Unterschied zur ansonsten schwarzen Farbe mit Erreichen der Mindestprofiltiefe einen charakteristischen Farbwechsel im Erscheinungsbild der Lauffläche herbeiführt *

Solche Reifen haben sich aber nie durchgesetzt. Der erstrebte Farbwechsel führt zu einer erheblichen Verteuerung des Reifens, weil ein zusätzlicher Streifen gemischt, extrudiert, abgelängt und aufgelegt werden muss während des Aufbaues des Rohlinges und weil die Migration verfärbender Bestandteile aus den umgebenden Bauteilen in den bunten Streifen zumindest gedrosselt oder für ausreichende Zeit gepuffert werden muss.

Diese Probleme gibt es nicht nur auf der zur Karkasse weisenden Seite - wie bei den weißen Streifen von Weißwandreifen - sondern auch auf der gegenüberliegenden Seite, auf der der schwarze Restlaufstreifen zur Haftung zu bringen ist. Überdies liegen diese schwierigen Fügezonen bei einem zunächst verborgenen bunten Streifen in einer von der kühlenden Oberfläche weiter entfernten und somit heißeren Zone.

Und kaum ein Reifenkäufer mag einen erheblichen Mehrbetrag dafür bezahlen, dass er bei einer Unterschreitung der Mindestprofiltiefe mit höherer Wahrscheinlichkeit bestraft wird.

Die Erfinder erstreben ein "loyales" Warnsystem, also ein solches, welches zumindest zuerst - und möglicherweise ausschließlich - den Fahrer informiert. Die Warnung soll im Fahrzeuginneren erkennbar sein, beispielsweise durch ein optisches Signal am Armaturenbrett, nicht aber nach außen. Vorzugsweise soll der Mangel nicht abrupt angezeigt werden, sondern in der Allmählichkeit seiner Entstehungsgeschichte analog dem überwiegend in den 1960er-Jahren vollzogenen Übergang von abrupt anzeigenden Kraftstoff-Mangel-Hinweisen (zum Beispiel durch Zuschalten eines Reservetanks) auf analog anzeigende Tankuhren, seit dem kaum noch ein Fahrzeug wegen Kraftstoff-Mangel liegen bleibt.

Dieser Aufgabe dient auch das System gemäß DE-OS 197 16 586, bei dem ausgenutzt wird, dass die Frequenz von Torsions-Eigenschwingungen sich entsprechend der Quadrat-Wurzel von Torsionssteifigkeit und Massen-Trägheitsmoment einstellt. Während die Torsionssteifigkeit von der Restprofiltiefe nahezu unabhängig ist, nimmt die Masse des LaufStreifens infolge des Abriebes allmählich ab und damit das Massenträgheitsmoment, die Eigenfrequenz steigt also. Diese Eigenfrequenzänderung soll als Korrelativ zur Restpositivhöhe und damit zur Restprofiltiefe herangezogen werden.

Unbeschadet seiner grundsätzlichen Funktionstüchtigkeit leidet dieses System daran, dass ein Großteil der Drehträgheit eines Reifens invariabel ist, insbesondere der Beitrag der Base, der Gürtellagen und des Innenliners. Demzufolge ist die Eichkurve recht flach, die Messgenauigkeit also eingeschränkt. Ferner ändert sich die Torsionssteifigkeit eines Luftreifens deutlich über einer Änderung des Reifenluftdruckes; fährt der Fahrer beispielsweise aus dem schon frühlingswarmen München in einen um 20°C kühleren Wintersportort, so fällt - bei Unterlassung einer Luftmengenanpassung - der Luftdruck und damit die Torsionseigenfrequenz deutlich ab. Ein in München als bedenklich angezeigter Reifen erscheint dann im Hochgebirge wieder als in Ordnung. Dies könnte zu Fehlurteilen führen und die Glaubwürdigkeit solcher Warnungen untergraben.

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die Restprofiltiefe und/oder Restprofilhöhe loyal und vom herrschenden Reifenluftdruck unbeeinflusst anzugeben mit besonders hoher Genauigkeit im Bereich zwischen 4 und 1 mm.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Reifen gemäß dem Anspruch 1. Ausgehend von den gattungsbildenden Merkmalen sind diese dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Positive (4) elektrische und/oder elektronische Mittel (10, 11, 12) enthält, die Informationen über die aktuelle Höhe (H) des betreffenden Positives verschaffen. Diese sollen dann einen Warner (W) aktivieren, vorzugsweise ein Warnlämpchen im Armaturenbrett des betreffenden Fahrzeuges. Möglich ist aber auch ein akustischer Warner; letzterer ist dann besonders sinnvoll, wenn der Mangel bereits gravierend geworden ist. Beispielsweise könnte bis zu einer Restprofiltiefe von 2,5 mm optisch und ab da zusätzlich akustisch bei jedem Starten des Fahrzeuges gewarnt werden. Bei weiter abnehmender Profiltiefe könnte die Penetranz des Warngeräusches gesteigert werden, beispielsweise zunächst nur alle paar Minuten ein Ton, dann jede Minute und etwa ab 1,6 mm Profiltiefe ein Dauerpiepen.

Zur Auswahl der Warnart (optisch oder akustisch) und Warnheftigkeit empfiehlt sich die Mitberücksichtigung anderer Parameter, vor allem bezüglich Regens und Fahrgeschwindigkeit, ggf. noch Außentemperatur; schließlich sind 1,8 mm Profiltiefe bei Regen und 12 0 km/h weitaus gefährlicher als 1,6 mm Profiltiefe bei 180 km/h und völliger Trockenheit. Eine Information über Regen könnte ein Regensensor besorgen, wie bereits zur Steuerung von Scheibenwischern vorgeschlagen wurde. Es könnte aber auch - wo ein solcher Sensor fehlt - die Schaltstellung des Scheibenwischers herangezogen werden.

"Elektrische Mittel" sind in dieser Anmeldung Mittel, die in sich den Fluss elektrischen Stromes zulassen, wie Leiter, Widerstände, Kondensatoren und Spulen. Magnetische Marken, die beispielsweise aus der DE-OS 196 46 251 bekannt sind, gehören nicht dazu, weil sie in sich keinen Stromfluss zulassen. Gemäß Anspruch 7 gehört vorzugsweise auch keine Batterie und kein Akku dazu, sondern es wird an einer Spule eine Spannung abgegriffen, die dort mittels Induktion erzeugt wird.

"Elektronische Mittel" heißen hier solche elektrischen Mittel, die die Stromstärke und/oder die Spannung und/oder die Phasenlage zwischen beiden mit anderen Mitteln als Induktivitäten, Kapazitäten und ohmschen Widerständen beeinflussen, z. Bsp. mit optischen oder mit mechanischen, insbesondere akustischen Effekten, sowie Schaltern, Transistoren, Dioden, Zusammenschaltungen davon wie Chips, Datenspeicher und Prozessoren etc. .

Die elektrischen und/oder elektronischen Mittel im besagten Reifen-Positiv sind so auszubilden, dass sich irgendeine Eigenschaft zumindest eines dieser Mittel in eindeutiger Korrelation zur aktuellen Positiv-Höhe verändert.

Anspruch 2 enthält die Lehre, dass als ein solches Element ein Kondensator (10) besonders geeignet ist, dessen Platten (10a, 10z) etwa senkrecht zur Laufflächenperipherie angeordnet sind und nach radial außen hin bis in die Peripherie reichen. Dann nämlich wird jede der Kondensatorplatten (10a, 10z) auf ihrer Stirnseite ähnlich abgerieben wie das umgebende Gummi. Der Abrieb der Kondensatorplatten führt zur Verkürzung ihrer radialen Erstreckung· Da alle sonstigen Abmessungen der Kondensatorplatten unverändert bleiben, wird also ihre Kapazität verkleinert. Der Verlust an Kondensator-Kapazität korreliert also mit dem Verlust von Laufflächengummi.

Abgesehen vom Kondensator sollen natürlich die anderen elektrischen und/oder elektronischen Bauteile dem Abrieb nicht ausgesetzt sein.

Man kann auf verschiedene Weise die Kondensatorkapazität messen. Nach bisheriger Erkenntnis ist es am besten, einen solchen Kondensator in einen Reifen gemäß Anspruch 2 als Glied eines Schwingkreises einzubauen. Dessen Schwingungsfrequenz liefert ein besonders genau und zuverlässig mit der Restprofiltiefe korrelierendes Signal: Die Frequenz erhöht sich bei abnehmender Kapazität, also bei abnehmender Profiltiefe.

Zweckmäßigerweise wird das radial innere Ende der Kondensatorplatten nur wenig radial innen von der Fläche entfernt angeordnet, die der Mindestprofiltiefe entspricht. So wird eine besonders große Steilheit der Eichkurve im Bereich der Mindestprofiltiefe erreicht, also die höchste Genauigkeit im interessantesten Bereich. Der Anspruch 13 enthält hierzu geeignete Bemessungen.

Im ungedämpften Falle beträgt bekanntlich die Eigenfrequenz f eines elektrischen Schwingkreises:

-i -I

f = (2pi) (LC) 2

Eine kleine Dämpfung entsteht durch den kleinen ohmschen Widerstand in den Leitungen, insbesondere auch in den Leiterwicklungen der Spule. Diese Dämpfung führt im wesentlichen zu einer exponentiellen Amplitudenabnahme über der Zeit nach einer Schwingungserregung (sei es durch eine Schwingung, sei es durch einen Impuls oder Mischformen oder dergleichen), lässt aber die Eigenfrequenz im wesentlichen unverändert.

Ein komplizierterer Verlust an Schwingungsenergie über der Zeit erfolgt auf feuchter Straße, insbesondere dann, wenn das dort befindliche Wasser stark salzhaltig ist, wodurch die ohnehin dem Wasser eigene Leitfähigkeit noch erhöht ist:

Es kommt zum partiellen Plattenkurzschluss des Kondensators, nämlich an der vom Abrieb immer aus Neue freigelegten radial äußeren Stirnfläche. Der dortige Ladungsübergang zwischen beiden Kondensatorplatten wirkt sich auf das elektrische Schwingverhalten so aus, wie ein parallel zum Kondensator geschalteter Widerstand, was die Eigenfrequenz geringfügig - weil die im Kondensator gespeicherte Ladung geringfügig sinkt - steigert und die Dämpfung deutlicher erhöht. Ersteres lässt den Reifen auf nasser Straße geringfügig kritischer erscheinen als auf trockener, was tolerabel ist.

Von den drei im Anspruch 14 genannten Varianten ist c) die beste (allerdings auch aufwendigste), weil hiermit die günstige Unempfindlichkeit der Eigenfrequenz gegenüber einer Änderung des elektrischen Straßenwiderstandes und zudem die Sicherheitserhöhende Orientierung des geringfügigen Messfehlers genutzt wird.

Die Varianten a) und b) hingegen zeigen größere Messfehler über einer Varianz des elektrischen Straßenwiderstandes. Es kann sich darum empfehlen, dass gemäß Anspruch 19 die Anzeigeeinrichtung am Armaturenbrett immer nur das zuletzt erfasste Minimum der Profiltiefe anzeigt, also die auf nasser Straße erzeugten größeren Werte ignoriert. Entsprechend sollte sich natürlich auch eine akustische Warneinrichtung auf das Minimum beziehen. Solange der Reifen in einem Klima betrieben wird, in dem alle 2.000 km auch mal ein trockener Kilometer vorkommt, ist die hiermit erreichte Messgenauigkeit ausreichend hoch. Weitere Erklärungen und bevorzugte Ausgestaltungen folgen an späterer Stelle (ab Seite 12, unterer Absatz).

Zurück zur Variante c) nach Anspruch 14, dergemäß eine Schwingungsfrequenz zu ermitteln ist, was durch eine Zeitspannenmessung erfolgt.

Zwecks hoher Messgenauigkeit sollte eine Zeitspannenmessung nicht gleich mit dem ersten Nulldurchgang des schwingenden Stromes beginnen, sondern beispielsweise erst mit dem zweiten Nulldurchgang nach der Erregung und sie sollte beispielsweise mit dem sechsten Nulldurchgang stoppen. So erhält man in guter Reproduzierbarkeit ein Signal für 2T. Das Reziprokum davon mal 2 liefert die Eigenfrequenz f; diese mal 2pi liefert übrigens die Kreiseigenfrequenz "klein Omega".

Bei diesem bevorzugten Beispiel muss also - auch bei einer Zusatzdämpfung durch partiellen Plattenkurzschluss durch Feuchtigkeit - mindestens noch die dritte Periode nach der Erregung eine so große Amplitude haben, dass der Nulldurchgang an deren Ende steil genug verläuft, um den dadurch markierten Zeitpunkt ausreichend scharf zu bestimmen. Es hat sich heraus gestellt, dass dies leicht gelingt bei ausreichend hoher Schwingungsfrequenz, sodass T ausreichend klein ist.

Da die Größe des durch partiellen Plattenkurzschluss an den Stirnflächen hinzunehmenden Ladungs- und damit Schwingungsenergieverlustes von der Größe des Ladungsvorrates und der Schwingungszeit abhängt, kann man den Amplitudenabfall über der Nummer der Periode ausreichend klein halten bei Wahl einer ausreichend hohen Frequenz. Wegen des doppelten Einflusses des Ladungsvorrates sollte die Anfangskapazität des Kondensators möglichst groß gewählt werden; damit trotzdem die Schwingungseigenfrequenz ausreichend hoch ist, sollte die Induktivität klein gewählt werden. Gemäß Anspruch 8 sollte die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators mindestens 100 nF (NanoFarad) und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität höchstens 20 &mgr;&EEgr; (MikroHenry) betragen. Weiter bevorzugt sollte gemäß Anspruch 9 die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators etwa 1000 nF (NanoFarad) und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität etwa 10 &mgr;&EEgr; (MikroHenry) betragen.

Wenn dereinst noch bessere Materialen und/oder Herstellungsverfahren für die Kondensatorherstellung zur Verfügung stehen, die eine noch höhere Ladungsdichte erlauben, dann wäre es noch besser, wenn die Kapazität noch höher und die Induktivität noch tiefer läge, besonders bevorzugt die Anfangskapazität 10.000 nF = 10 pF und die Induktivität 1 &mgr;&EEgr;.

In jedem der vorgenannten Fälle sollten die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität so aufeinander abgestimmt sein, dass der Schwingkreis im Neuzustande eine Eigenfrequenz zwischen 10 und 1.500 kHz aufweist, besonders bevorzugt gemäß Anspruch 12 zwischen 40 und 120 kHz aufweist.

Dies stellt die Verwendung handelsüblicher Zeitmessglieder und Antennen sicher. Dabei sollte gemäß Anspruch 13 der im Schwingkreis eingebaute und abzureibende Kondensator so im Reifen positioniert sein, dass er bei Erreichen der zulässigen Restprofiltiefe noch mindestens 10 %, vorzugsweise noch 15 bis 20 %, seiner Anfangskapazität aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine vom nicht-rotierenden Sender eingebrachte Schwingungsenergie nicht zu schnell abklingt.

Im übrigen führt die Abstimmung auf ein hohes Frequenzband zu einer vorteilhaften Miniaturisierung der elektrischen Elemente Kondensator und/oder insbesondere der Spule; es ist sogar möglich, ohne Ausbildung eines separaten Elementes "Spule" nur einen Leiter von der einen zur anderen Kondensatorplatte zu führen, wobei dieser Leiter als einzige Windung einer Spule wirkt oder sogar - bei direkter Verbindung - nur aufgrund seiner - noch geringeren - Eigeninduktivität. Die bevorzugten Frequenzen auch für einen solchen Schwingkreis liegen zwischen 10 kHz und 1.500 kHz, die ganz besonders bevorzugten zwischen 40 und 120 kHz.

Zweckmäßig ist es, den Erreger des im rotierenden Reifen untergebrachten Schwingkreises in der nicht-rotierenden Umgebung dieses Rades zu platzieren. In der Sprache der Funktechnik könnte man diesen Erreger auch "Sender" nennen. In der gleichen Sprache könnte der Schwingkreis als frequenzselektiver Nachhall-Generator bezeichnet werden. Der von ihm ausgehende Nachhall wird in einem "Empfänger" empfangen, der zweckmäßigerweise wiederum in der nicht-rotierenden Umgebung des zu überwachenden Rades platziert ist, in einfachen Ausführungsformen im selben Gehäuse wie der Sender.

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Falls im Bereich niedriger Frequenzen gearbeitet würde, beispielsweise bei 15 kHz, würde eine besonders hohe Signalausbeute erreicht, wenn der Empfänger im Drehsinn hinter dem Sender angeordnet ist; für eine Fahrgeschwindigkeit von beispielsweise 20 m/s (= 72 km/h), einem Reifenabrollumfang von 2 m und einem Messintervallende von 3T betrüge dieser optimale Phasenversatz 0,72°. Für den Bereich tatsächlich bevorzugter Frequenzen, beispielsweise 50 kHz, läge dieser Wert also bei 0,216°.

Bei Verzicht auf letztgenannte Weiterbildung ist es möglich, den Sender selber als Empfänger zu benutzen, insbesondere bei noch höheren Frequenzen.

Nach dieser ausführlichen Darstellung, wie der Kondensator in eine elektrische Schaltung einzubinden ist, nun zurück zum Kondensator als solchen:

Gemäß Anspruch 3 sollten die Kondensatorplatten (10a, 10z) aus einem solchen Material bestehen, dass deren Stirnabriebgeschwindigkeit etwa mit der Abriebgeschwindigkeit des umgebenden Gummis übereinstimmt. Dies lässt sich durch eine lockere Sinterung aus Metall erreichen oder durch eine Fertigung aus Graphit anstelle einer aus Metall. Besonders günstig ist es, in einem aus Silica-gefüllter Kautschukmischung gebildeten Klotz zwei dünne Platten aus ruß-gefüllter Kautschukmischung anzuordnen; dann ließen sich die Differenzen im Abrieb und in der Steifigkeit zwischen dem Sensor (man könnte ihn auch als Transponder bezeichnen) und dem umgebenden Gummi besonders gering halten.

An den Kondensatorplatten kann in größerem Ausmaße eine erhöhte Abriebgeschwindigkeit gegenüber der des umgebenden Gummis eher toleriert werden als umgekehrt eine erhöhte Abriebbeständigkeit. In letzterem Falle nämlich würde der Kondensator allmählich vorstehen, würde unangenehme Geräusche produzieren, eine zu große Profiltiefe anzeigen und droht, nach allzu großem Hervorkragen zu brechen.

Gemäß Anspruch 4 ist zumindest eine - ggf. die äußere (10a) der Kondensatorplatten rohrförmig. Die erforderliche zweite Platte (10z) und ggf. weitere Platten ist bzw. sind konzentrisch darin angeordnet. Dieser konzentrische Aufbau macht den Transponder-Sensor besonders kompakt und hat zudem den Vorteil, dass seine - bei der Übertragung jeglicher Tangentialkräfte erlittene - Verbiegung mangels Kanten zu keinen Kantenbelastungen und örtlichen Spannungsspitzen führt. Dabei kann die radial innerste Platte (10z) auch massiv - also nicht röhrenförmig - , vorzugsweise als Draht oder Drahtseil ausgebildet sein.

Unter Inkaufnahme einer geringeren Kapazität pro Bauraum, dafür aber einer besseren mechanischen Werkstoffverträglichkeit ist es auch möglich, alle oder einige der üblicherweise aus Metall ausgeführten Schichten eines Kondensators aus einer rußhaltigen Gummimischung oder einem intrinsisch leitfähigen Polymer oder einem Gemisch daraus herzustellen und die isolierenden Schichten aus einer rußfreien, vorzugsweise mit Kieselsäure verstärkten Kautschukmischung herzustellen. Ein so aufgebauter Kondensator verspricht, erhebliche Verformungen schadlos aufnehmen zu können.

Bei Verwendung steifer Kondensatoren empfiehlt es sich, diese zum Schütze vor mechanischer Überlastung in eine Kautschukmischung einzubetten, die weicher ist als der umgebende Laufflächengummi.

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Um mit einer besonders geringen Induktivität auskommen zu können, empfiehlt sich die Erzeugung einer relativ großen Kapazität. Dazu werden gemäß Anspruch 5 bevorzugt Wickel-Kondensatoren verwendet. Bei "Wickel-Kondensatoren" ist auf eine erste Metalllage eine als Dielektrikum dienende, isolierende Folie, darauf eine zweite Metalllage und darauf schließlich eine zweite isolierende Folie aufgewickelt. In der Draufsicht zeigt ein solcher Kondensator ein Bild von vier ineinander gewickelten Spiralen, nämlich zwei Metallfolien und zwei Dielektrikumsschichten zwischen je zwei Metallschichten.

Eine hohe Kapazität kann aber auch dadurch platzsparend und besonders widerstandsarm erreicht werden, dass gemäß Anspruch 6 der Kondensator (10) aus einer geraden Vielzahl größer 2 von Platten (10a, 10b, 10c, 10z) aufgebaut ist, die alternierend mit der einen und der anderen Spulenseite verbunden sind. Dieses Prinzip der alternierenden Ineinanderschachtelung lässt sich nicht nur bei ebener Ausbildung der Kondensatorplatten verwirklichen sondern auch zusammen mit der zuvor genannten Konzentrizität der Platten. Beispielsweise könnte die Platten-Röhrchenabfolge von außen nach innen lauten: AaBbCc. Dabei bilden A, B und C den einen und a, b und c den anderen Pol.

Gemäß Anspruch 14 ist ein erfindungsgemäßer Reifen wie bis hierher beschrieben zur Errichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Positivhöhe eines Fahrzeugreifens zwar notwendig, aber noch nicht hinreichend; man braucht ferner eine Energie-Einspeisung in den Sensor im Reifen und irgendeine Art von Datenübertragung vom Sensor letztlich zum Warnlämpchen und/oder Warnlautsprecher oder dergleichen, wobei für die Datenübertragung die entscheidende Hürde der Übergang von einem rotierenden Körper (Reifen) in einen nicht-rotierenden (Karosserie oder Radaufhängungsteile davon) Körper ist; die Datenübertragung durch Kabel innerhalb der Karosserie bedarf keiner weiteren Beschreibung, da sie dem Durchschnittsfachmann hinlänglich bekannt ist.

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Um mit einer besonders geringen Induktivität auskommen zu können, empfiehlt sich die Erzeugung einer relativ großen Kapazität. Dazu werden gemäß Anspruch 5 bevorzugt Wickel-Kondensatoren verwendet. Bei "Wickel-Kondensatoren" ist auf eine erste Metalllage eine als Dielektrikum dienende, isolierende Folie, darauf eine zweite Metalllage und darauf schließlich eine zweite isolierende Folie aufgewickelt. In der Draufsicht zeigt ein solcher Kondensator ein Bild von vier ineinander gewickelten Spiralen, nämlich zwei Metallfolien und zwei Dielektrikumsschichten zwischen je zwei Metallschichten.

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Gemäß Anspruch 14 erfolgt die Energieeinspeisung als elektromagnetische Schwingungserregung, wobei der elektro-magnetische Schwingungserreger nicht-rotierend möglichst nahe am zu versorgenden Rade in der Karosserie angeordnet ist, bevorzugt an einem Radaufhängungsteil, z. B. einem Längslenker. Der Schwingungserreger, der bei solcher Fernwirkung auch als Sender bezeichnet werden könnte, muss eine Resonanz im Sensor-Schwingkreis hervorrufen; dazu muss er eine Erregungsfrequenz in der Nähe der Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises im Reifen (1) aufweisen. Die unscharfen Worte "in der Nähe" meinen eine so gute Übereinstimmung beider Frequenzen, dass eine ausreichende Signalausbeute erreicht wird; dies ist in der Regel der Fall bei einer Frequenzabweichung von weniger als 2 %.

Gemäß Anspruch 14 erfolgt die Datenübertragung auf den nichtrotierenden Körper dadurch, dass das Resonanzsignal des Sensors im Reifen zu einen Sensor im nicht-rotierenden Körper gelangt, der analog auch als Empfänger bezeichnet werden könnte. Dieser Empfänger kann so ausgebildet sein, dass er

a) die Abdämpfung der Erregungsschwingung durch den im Reifen platzierten Schwingkreis (10, 11, 12) oder

b) die Schwingungsamplitude des im Reifen platzierten Schwingkreises (10, 11, 12) oder

c) die Eigenfrequenz des im Reifen platzierten Schwingkreises (10, 11, 12) erfasst.

Die Variante nach c) wird zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 15 ausgeführt, wozu der Schwingungserreger oder Sender eine solche Selbstregelungsvorrichtung enthalten muss, dass er die Erregerfrequenz passend zur Resonanzfrequenz des im Reifen angeordneten Schwingkreises (10, 11, 12) nachführt. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass ausgehend von einer solchen Erregerfrequenz f^, die etwa zur Profiltiefe eines Neureifens passt, die Erregerfrequenz zunächst um 3 % auf eine Erregerfrequenz f^ gesenkt wird und die Stärke des Sensor-Resonanz-Signales als SRSi aufgezeichnet wird.

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Kurze Zeit später, beispielsweise 3 Sekunden später, wird eine Erregerfrequenz f2 eingestellt, die nur um 1,5 % unterhalb £3 liegt und die Stärke des Sensor-Resonanz-Signales als SRS2 aufgezeichnet. Analog wird eine weitere kurze Zeitspanne später eine Erregerfrequenz fq. eingestellt, die um 1,5 % oberhalb f^ liegt und die Stärke des so erregten Sensor-Resonanz-Signales als SRS4 aufgezeichnet. Danach wird eine weitere kurze Zeitspanne später wird eine Erregerfrequenz f5 eingestellt, die um 3 % oberhalb fß liegt und die Stärke des so provozierten Sensor-Resonanz-Signales als SRS5 gespeichert.

Durch die so gewonnenen fünf Messpunkte in einem Diagramm der Sensor-Resonanz-Signalstärke über der Erregerfrequenz wird zweckmäßigerweise sodann - zur Eliminierung eventueller zufälliger Messfehler - nach der Fehler-Quadrat-Methode im Logikteil des Empfängers ein Polynomzug geringeren Grades als die Anzahl der Messpunkte gelegt, vorzugsweise einer dritten Grades, also gemäß der Formel:

SRS(f) = a + bf + cf² + df³

Von dieser Funktion bestimmt man dann das Maximum. Liegt die Frequenz f_max dieses Maximums im Intervall zwischen ±2 und f4, so wird sie als die Resonanzfrequenz des Sensors erkannt. Liegt diese Frequenz aber außerhalb dieses Intervalles, stellt sie also ein Randmaximum dar, so wird die Messreihe wiederholt mit einer neuen mittleren Frequenz f^; in dem Falle, in dem f_max größer oder gleich f$ ist, wählt man die neue Frequenz f3 größer als die alte, vorzugsweise um 1 % größer und dem entsprechend auch die vier anderen Frequenzen in der Umgebung; im umgekehrten Falle, in dem f_max kleiner oder gleich f2 ist, wählt man die neue Frequenz f3 kleiner als die alte, vorzugsweise um 1 % kleiner und dem entsprechend auch die vier anderen Frequenzen in der Umgebung. Gegebenenfalls werden die Messreihen solange wiederholt, bis die Frequenz des Resonanz-Maximums größer f2 und kleiner fq ist.

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Mit den gewählten Abfrageschritten in einer 1,5%-Staffeiung erfolgt die Iteration ausreichend schnell und ausreichend genau; die Resonanzfrequenz wird etwa auf 0,8 Prozent genau bestimmt. Natürlich ist es aber auch möglich, zur Erhöhung der Genauigkeit die Staffelung noch dichter, beipielsweise in 0,5%-Schritten, zu wählen und/oder die Anzahl der betrachteten Messpunkte zu vergrößern innerhalb eines jeden Iterationsschrittes, zum Beispiel von 5 auf 7, sodass die mittlere Frequenz dann nicht fß sondern f$ lautet und dann die Toleranzbedingung zu verschärfen, zum Beispiel zu fordern f_max größer f3 und kleiner f$'_f dafür ist dann aber eine größere Zahl von Iterationsschritten nötig.

Zur Entspannung des Konfliktes zwischen dem Wunsch nach noch höherer Genauigkeit einerseits und dem Wunsch nach einer nur geringen Anzahl von Iterationsschritten andererseits ist es außerdem möglich, zunächst in gröberen Schritten zu iterieren und am Ende in feineren.

Die wie im Detail auch immer bestimmte Erregerfrequenz, die das maximale Resonanz-Signal vom Sensor zur Antwort bekommt, wird gemäß Anspruch 16 spätestens nach Vollendung der Iteration als Korrelativ zur Positivhöhe (H) herangezogen unter Verwertung einer Eichkurve oder eines Rechenprogrammes. Letzteres könnte zunächst das Reziprokum der Erregerfrequenz bilden, dann hieraus die Quadratwurzel und diese mit einem geeichten Proportionalitätsfaktor multiplizieren.

Die Verfahrensvariante b) des Anspruches 14 ist als Einzelschritt im Verfahren nach c) enthalten. Die Beschränkung auf eine einzige Amplitudenmessung führt naturgemäß zum geringstmöglichen Aufwände. Um aber eine noch ausreichende Genauigkeit zu erreichen, ist ein erhöhter Aufwand bei der Eichung erforderlich; möglicherweise ist sogar eine Eichung jeder individuellen Sender-Sensor-Empfänger-Paarung nötig.

• ·

Im Unterschied zur Frequenz reagiert nämlich die Amplitude sehr empfindlich auf Änderungen in der Dämpfung.

Generell ändert sich die Resonanzamplitude über der Frequenz umso stärker und begünstigt damit die Messgenauigkeit, umso geringer die Dämpfung und damit das logarithmische Dekrement ist. Dabei sollte die Erregerfrequenz nahe bei, aber nicht exakt auf der Resonanzfrequenz liegen. Am günstigsten wird die Erregerfrequenz so gewählt, dass sie bei 1,0 mm Profiltiefe mit der Sensor-Resonanzfrequenz übereinstimmt. Dann bleibt man immer auf einer - in diesem Falle auf der linken - Seite des Amplitudenganges, sodass die Eichkurve streng monoton ist. Damit ist das Problem vermieden, dass im Resonanzmaximum selbst die Kurve des Amplitudenganges über der Frequenz die Steigung Null hat, also keine Messgenauigkeit besteht. Mit dieser einfachen Variante ist zwar die Messgenauigkeit bei großen Profiltiefen gering, in der Nähe der kritischen Profiltiefe aber ausreichend hoch und auf letztere kommt es für Fahrzeuge für den Verbraucher an.

Die Verfahrensvariante a) nach Anspruch 14 setzt einen sehr geringen Abstand zwischen Sender und Sensor und zwischen Sensor und Empfänger voraus, um sicherzustellen, dass die Senderdämpfung durch den Sensor signifikant wird gegenüber sonstigen Dämpfungseinflüssen.

Ausgehend von der Variante c) des Anspruches 14 und der Selbstregelungsvorrichtung gemäß Anspruch 15 lehrt Anspruch 17, dass die Vorrichtung - ggf. nach Erreichung grober Übereinstimmung - mittels einer anderen Verfahrensvariante, etwa b) (Amplitudenvergleich) von Anspruch 14 oder eines ganz anderen Verfahrens die Regelabweichung, also den Unterschied zwischen der Eigenfrequenz des im Reifen platzierten Schwingkreises und der Erregerfrequenz des Erregers, anhand eines Vergleiches zwischen beiden Nachhällen ermittelt.

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Es soll also der Nachhall des Erregersignales mit dem Nachhall des Schwingkreissignales verglichen werden. Der Nachhall des Erregersignales wird deutlich nach dem Verlassen der Erregerzone oder nach Abschaltung der Erregung.

Die beiden Nachhälle haben dicht beieinander liegende Frequenzen und bilden deshalb eine Schwebung aus. Die Frequenz dieser Schwebung liegt deutlich niedriger als die so indirekt miteinander verglichenen Signale. Für die weitere Angleichung der Erregerfrequenz an die Schwingkreisfrequenz eignet sich am besten die Frequenzbetrachtung der Schwebung: Eine hohe Schwebungsfrequenz deutet auf eine höhere Abweichung beider Frequenzen voneinander hin als eine niedrigere Schwebungsfrequenz. Zusätzlich oder alternativ kann die Schwebung aber auch anhand ihrer Phasenlage zum Schwingkreisnachhall oder Erregernachhall und/oder ihrer Amplitude bestimmt werden.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles mit zugehörigen Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Fahrzeugluftreifen mit einer Lauffläche und einem in der Lauffläche angeordneten elektrischen Schwingkreis,

Fig. 2 als schematische Einzelheit den elektrischen Schwingkreis,

Fig. 3 Resonanzkurven dieses Schwingkreises für verschieden hoch angenommene Nebenschlusswiderstände R2, die die schwankende Straßenleitfähigkeit (insbesondere infolge schwankender Feuchtigkeit) simulieren,

Fig. 4 Resonanzkurven des gleichen Schwingkreises, wobei jedoch die Kapazität des Kondensators auf 50 % des ursprünglichen Wertes abgerieben ist, wiederum über die gleichen, verschieden hoch angenommenen Nebenschlusswiderstände R2,

Fig. 5 Resonanzkurven des gleichen Schwingkreises, wobei jedoch die Kapazität des Kondensators auf 15 % des ursprünglichen Wertes abgerieben ist, wiederum über die gleichen, verschieden hoch angenommenen Nebenschlusswiderstände R2 und

Figur 1 zeigt eine schematische Zeichnung des schwingfähigen Elements, das im Profilklotz 3 eingebracht wird mit einer Induktivität 1, den Gürtellagen 2 und einer Kapazität 4.

Figur 2 zeigt als schematische Einzelheit den elektrischen Schwingkreis. Die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators beträgt hier exakt 1000 nF (NanaFarad). Diese hohe Kapazität ist nur mit einer Ausführung gemäß Anspruch 6 möglich. Die im Schwingkreis eingebaute Induktivität beträgt genau 10&mgr;&EEgr; (MikroHenry). Die unvermeidlichen Leitungswiderstände sind mit 1 Ohm angenommen.

R2 ist ein variabeler Nebenschlusswiderstand. Für den Fall R2 = 0 läge praktisch ein Plattenkurzschluss vor, für den Fall R 2 = Inf trockene Straße. Es wird im Folgenden angenommen, dass der Übergangswiderstand auf nasser Straße oberhalb von 10 Ohm liegt.

Claims

1. Fahrzeugreifen mit einer Lauffläche mit Negativen einer Tiefe und Positiven einer Höhe dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Positive elektrische oder elektronische Mittel enthält, die Informationen über die aktuelle Höhe des betreffenden Positives verschaffen.

2. Fahrzeugreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass zumindest eines der Positive als elektrische oder elektronische Mittel einen Kondensator, eine Spule und Leitungen dazwischen enthält,

- die zu einem elektrisch schwingfähigen Kreis zusammengeschlossen sind,

- wobei die Platten des Kondensators sich im wesentlichen radial erstrecken und bis zur Peripherie des Positives reichen,

- sodass sie mit ihren Stirnseiten am abreibenden Fahrbahnkontakt teilnehmen und sich die Kapazität des Kondensators mit abnehmender Positivhöhe verkleinert,

- wobei die anderen elektrischen oder elektronischen Bauteile so weit radial innen angeordnet sind, dass sie bei Erreichen der Mindestprofiltiefe noch keinem abreibenden Fahrbahnkontakt ausgesetzt sind,

- sodass sich die Eigenfrequenz des Schwingkreises bei abnehmender Positivhöhe erhöht.

3. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorplatten (10a, 10z) aus einem solchen Material bestehen, dass deren Stirnabriebgeschwindigkeit etwa mit der Abriebgeschwindigkeit des umgebenden Gummis übereinstimmt.

4. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (10) eine rohrförmige Platte (10a) und eine konzentrisch dazu darin angeordnete zweite Platte (10z) oder einen Draht aufweist.

5. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (10) in an sich bekannter Weise durch Aufwickeln erzeugt ist.

6. Fahrzeugreifen (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (10) aus einer geraden Vielzahl größer 2 von Platten (10a, 10b, 10c, 10z) aufgebaut ist, die alternierend mit der einen und der anderen Spulenseite verbunden sind.

7. Fahrzeugreifen (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er frei von jeglicher Batterie ist.

8. Fahrzeugreifen (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators mindestens 100 nF (NanoFarad) und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität höchstens 20 µH (MikroHenry) beträgt.

9. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators etwa 1000 nF (NanoFarad) und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität etwa 10 µH (MikroHenry) beträgt.

10. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators etwa 10.000 nF (NanoFarad) und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität etwa 1 µH (MikroHenry) beträgt.

11. Fahrzeugreifen (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität so abgestimmt sind, dass der Schwingkreis im Neuzustande eine Eigenfrequenz zwischen 10 und 1.500 kHz.

12. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 8 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskapazität des abzureibenden und im Schwingkreis eingebauten Kondensators und die im Schwingkreis eingebaute Induktivität so abgestimmt sind, dass der Schwingkreis im Neuzustande eine Eigenfrequenz zwischen 40 und 120 kHz aufweist.

13. Fahrzeugreifen (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schwingkreis eingebaute und abzureibende Kondensator so im Reifen positioniert ist, dass er bei Erreichen der zulässigen Restprofiltiefe noch mindestens 10%, vorzugsweise noch 15 bis 20%, seiner Anfangskapazität aufweist.

14. Vorrichtung (20) zur Überwachung der Positivhöhe (H) eines Fahrzeugreifens (1), dadurch gekennzeichnet,

- dass sie einen Fahrzeugreifen (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 enthält

- sowie zumindest einen nicht-rotierenden elektrischen Schwingungserreger (E), der eine Erregungsfrequenz in der Nähe der Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises im Reifen (1) aufweist

- und einen Sensor (S), der

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, Variante c), dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger eine Selbstregelungsvorrichtung dergestalt enthält, dass er die Erregerfrequenz passend zur Resonanzfrequenz des im Reifen (1) angeordneten Schwingkreises (10, 11, 12) nachführt, wobei die so eingestellte Erregerfrequenz als Korrelativ zur Positivhöhe (H) herangezogen wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Korrelationsherstellung zwischen der nachgeführten Erregerfrequenz und der restlichen Positivhöhe (H) eine Eichkurve eingespeichert enthält oder ein Rechenprogramm, welches im Wesentlichen zunächst das Reziprokum der nachgeführten Erregerfrequenz bildet und dann hieraus die Quadratwurzel zieht und diese Quadratwurzel mit einem - vorzugsweise durch Eichung bestimmten - Proportionalitätsfaktor multipliziert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass - ggf. nach Erreichung grober Übereinstimmung anhand eines anderen Verfahrens, wie z. B. des Amplitudenvergleiches - sie die Regelabweichung, also den Unterschied zwischen der Eigenfrequenz des im Reifen platzierten Schwingkreises (10, 11, 12) und der Erregerfrequenz des Erregers (S) anhand der Frequenz und/oder Phasenlage und/oder Amplitude der Schwebung zwischen dem Nachhall des Erregersignales und dem Nachhall des Schwingkreissignales aus dem Reifen (1) nach dem Verlassen der Erregerzone oder Abschaltung der Erregung bestimmt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der im Reifen (1) angeordneten Schwingkreise (10, 11, 12) gleichzeitig als Marke für andere, zeitspannenmessende Überwachungsvorrichtungen dienen, insbesondere zur Erfassung der Raddrehzahl und/oder Radlängs- und/oder Radquerkraft zur Regelung des Brems- oder Antriebs- oder Querschlupfes.