DE2713451C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reifenüberlastungsanzeige-Ein­ richtung für einen an einem Rad angebrachten Luftreifen, mit einem innerhalb des Luftreifens befindlichen piezo-elektrischen Wandler, der bei unzureichendem Reifen­ druck bei jeder Radumdrehung mechanisch beanspruchbar ist und daraufhin ein Spannungssignal und eine elektrische Energie liefert, die in einem Ladekondensator speicherbar ist und die, nach Erreichen eines von einer Freigabeschaltung kon­ trollierten Schwellenwertes einem Sender zuführbar ist, der daraufhin ein Radiosignal erzeugt, das drahtlos von einem Empfänger aufnehmbar ist, der nach Zuordnung des aufgenomme­ nen Signals zu einem bestimmten Luftreifen eine Anzeige ver­ anlaßt.

Eine Reifenüberlastungsanzeige-Einrichtung dieser Art ist aus der DE 25 28 352 A1 bekannt. Bei der bekannten Reifen­ überlastungsanzeige-Einrichtung ist der piezo-elektrische Wandler direkt mit einem Kondensator verbunden, der seiner­ seits über eine, die Freigabeschaltung bildende Funken­ strecke mit der Übertragungsschaltung des Senders verbunden ist. Die vom piezo-elektrischen Element abgegebene Ladung baut sich im Kondensator so lange auf, bis ein Wert erreicht ist, der ausreicht, um die durch die Funkenstrecke gebildete Unterbrechung in der Übertragungsschaltung zu überwinden.

Eine mechanische Beanspruchung eines piezo-elektrischen Elementes erzeugt einen Spannungsstoß bestimmter Polarität; bei der anschließenden Entlastung des piezo-elektrischen Elementes wird ein Spannungsstoß entgegengesetzter Polari­ tät frei. Werden beide Spannungsstöße dem Ladekondensator zugeführt, erfolgt eine zumindest teilweise Entladung, was zu einer unzureichenden Ausnutzung der vom piezo-elektri­ schen Wandler erzeugten elektrischen Energie führt.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Energieausnutzung bei einer Reifenüberlastungs­ anzeige-Einrichtung der aus der DE 25 28 352 A1 bekannten Art zu verbessern.

Ausgehend von einer Reifenüberlastungsanzeige-Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß das Span­ nungssignal aus einem positiven und einem negativen Span­ nungssignal besteht und daß zwischen den piezo-elektrischen Wandler und den Ladekondensator eine Gleichrichter-Anordnung geschaltet ist, welche sowohl die positiven wie negativen Spannungsimpulse des piezo-elektrischen Wandlers ausnutzt.

Hierdurch läßt sich die Ladungsausbeute bei jeder mechani­ schen Beanspruchung des piezo-elektrischen Elementes ver­ bessern.

Zwar ist aus der US 35 48 314 bekannt, das elektrische Gleichspannungssignal auszunützen, das bei der Relaxation eines piezo-elektrischen Kristalles auftritt, nachdem eine Krafteinwirkung auf diesen Kristall beendet worden ist. Die Dauer dieses rückwärts oder entgegengesetzt (zu dem bei der mechanischen Beanspruchung des piezo- elektrischen Kristalls auftretenden Spannungssignals) ge­ richteten Spannungssignals ist direkt proportional zur auf den Kristall ausgeübten Kraft und kann deshalb zur Messung dieser Kraft dienen. Mit diesem Stand der Technik wird folglich ein Sensor zur Kraftmessung bereitgestellt, der ausschließlich dasjenige Spannungssignal verwertet, das bei der Relaxation eines piezo-elektrischen Kristalles auf­ tritt. Jener bekannte Sensor hat keinen Bezug zur Anzeige eines Druckmittelverlustes an einem Fahrzeugreifen und/oder zu der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So kann vorzugsweise die Gleichrichter-Anordnung eine mit mehreren Dioden ausgerüstete Gleichrichterbrücke sein. Es resultiert eine Vollweg-Gleichrichtung, welche sowohl die positiven wie die negativen Spannungsimpulse optimal ausnutzt.

Weiterhin kann vorzugsweise die dem Ladekondensator zuge­ ordnete Freigabeschaltung einen Thyristor, eine Diode und eine Zener-Diode aufweisen, welche bei Überschreitung ihrer Sperrspannung den Thyristor zu triggern vermag. Hierdurch wird eine einfache, zuverlässige und wenig Energie ver­ brauchende Freigabeschaltung realisiert, die sich genau auf eine bestimmte Sperrspannung einer Zener-Diode einstellen läßt. Eine entsprechende Genauigkeit läßt sich mit einer Funkenstrecke nicht erzielen.

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letztere zeigt

Fig. 1 in Draufsicht die Anordnung eines Fahr­ zeugs mit einer erfindungsgemäßen Anzeige- Einrichtung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht auf ein mit der Anzeige-Einrichtung ausge­ rüstetes Straßenlaufrad;

Fig. 3 in größerem Maßstab und teilweise geschnitten die Einbauzone aus Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des elektronischen Teils der Anzeige-Einrichtung; und

Fig. 5 ein Schaltbild für die Anzeige-Einrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug mit mehreren pneumatischen Reifen 10, die mit einem Fluid wie Luft aufblasbar sind. Die Reifen 10 sind auf Rädern 12 montiert, welche ein Chassis 14 tra­ gen, das angedeutet ist.

Mit jedem Reifen 10 ist eine gekapselte Übertragungseinheit 30 verbunden, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel im Notlaufring 26 jedes Reifens 10 sitzt. Die Übertragungsein­ heit 30 könnte aber auch in mehr gebräuchlichen Reifen und Radanordnungen untergebracht sein. Jede Übertragungseinheit 30 verwendet eine Funkfrequenz zur Signalübertragung auf eine Empfangsantenne 18 und einen Empfänger 16. Dieser ent­ hält einen Decoder zur Identifizierung der zugehörigen Über­ tragungseinheit 30 und erzeugt ein akustisches und/oder optisches Warnsignal, welches dem Fahrer die übernormale Ab­ plattung des betreffenden Reifens anzeigt. Erfindungsgemäß wird diese Warnung ohne Drähte oder Kabel, welche schwierig und teuer zu installieren wären von den Übertragungs­ einheiten 30 abgegeben.

Der Empfänger 16 kann in herkömmlicher Weise ausgeführt sein und Verstärker sowie frequenzselektive Kreise enthalten.

Unter Umständen kann die vorhandene Autoradioantenne als Empfangsantenne 18 verwendet werden, oder eine geeignete äußere Antenne kann angebracht werden.

Die Anwendbarkeit der Erfindung ist nicht auf einen Perso­ nenwagen beschränkt, wie in Fig. 1 dargestellt, sondern auch möglich bei anderen Fahrzeugen mit Luftreifen, wie Lastwagen, Bussen und Flugzeugen.

Fig. 2 zeigt, wie die Übertragungseinheit 30 im Reifen 10 untergebracht ist. Es ist im Radialschnitt die Reifendecke (Decke) 20 gezeigt und darin ein Notlaufring 26 von geo­ metrisch ähnlicher, jedoch kleinerer Form, welcher auf der Felge 22 sitzt. Der Notlaufring 26 ermöglicht bei Druckver­ lust durch Reifenschaden ein sicheres Weiterfahren mit begrenzter Geschwindigkeit über eine gewisse Distanz, etwa bis zur nächsten Reparaturwerkstatt. Wenn der Reifen 10 Luft verliert und die Decke 20 sich abplattet und die Radlast auf den Notlaufring 26 drückt, wird die zwischen dessen Trag­ fläche 24 und der Felge 22 eingelassene Übertragungseinheit 30 ein Funksignal über die Sendeantenne 28 auf den Empfän­ ger 16 geben. Die Länge der Sendeantenne (Antenne) 28 ist vorzugsweise ein ganzzahliger Bruch der Wellenlänge des Senders, beispielsweise eine viertel oder eine halbe Wel­ lenlänge, und folgt dem Umfang des Notlaufringes 26. Die Übertragungseinheit 30 mit Sendeantenne 28 sind in den Notlaufring 26 eingebettet. Dadurch werden Übertragungs­ einheit 30 und Sendeantenne 28 geschützt gegen Straßen­ schmutz und andere schädliche Einwirkungen.

Die Montage der Übertragungseinheit 30 ist in Fig. 3 ver­ größert dargestellt. Dabei ist die Übertragungseinheit 30 im Verhältnis zum Notlaufring 26 übertrieben groß gezeichnet, um ihre Wirkungsweise deutlicher erkennbar zu machen. Die Übertragungseinheit 30 enthält einen Energiewandler (Wand­ ler) 50 mit einem kreisrunden oblatenförmigen piezo-elektri­ schen Element 42 aus keramischem Material, befestigt an einer Metallscheibe 44. Wenn der Wandler 50 gebogen oder verformt wird, erzeugt er eine Spannung zwischen dem piezo- elektrischen Element 42 und der Metallscheibe 44. Vorzugs­ weise ist der Wandler 50 ausgerüstet mit einem piezo- elektrischen Element 42 vom Typ "unimorph", wie es von der Vernitron Company in Bedford, Ohio, auf den Markt gebracht wird. Da die Einzelheiten des Wandler 50 nicht zur Erfin­ dung gehören, werden sie nicht erläutert. Auf dem Wandler 50 sitzt ein gummielastisches Polster 40 aus dauerhaftem Material.

Zur Übertragungseinheit 30 gehört ferner ein im allgemeinen zylindrisches Traggehäuse 34, welches in eine dem Notlauf­ ring 26 eingeformte zylindrische Aufnahme 32 paßt und in seiner Einbauposition fixiert ist durch seine Paßrippe 36. Vorzugsweise ist die Aufnahme 32 schwach konvergierend, damit sie leicht geformt werden kann und die Übertragungs­ einheit 30 bequem einschiebbar ist. Das Traggehäuse 34 kann aus Metall geformt sein oder, um eine Unwucht im Notlauf­ ring 26 zu vermeiden, aus leichtem Plastik bestehen.

Das gummielastische Polster 40, das piezo-elektrische Ele­ ment (Piezoelement) 42 und die Metallscheibe 44 bilden eine Einheit, welche abgestützt ist am Boden der Aufnahme 32 und teilweise in den Hohlraum 45 eindringen kann, und mit einer Schulter 48 am Traggehäuse 34 anliegt. Der Hohlraum 45 ist so gestaltet, daß er dem piezo-elektrischen Element 42 mit der Metallscheibe 44 eine Verformung gestattet, jedoch innerhalb seiner elastischen Verformbarkeit. Die Wölbung 49 des Hohlraumes 45 begrenzt die Verformung des Piezoelements 42, so daß dabei die größtmögliche elektrische Spannung er­ zielt wird, ohne Zerstörung des Piezoelements 42. Der Wand­ ler 50 produziert dann eine Spannung von etwa 80 Volt, bei einer Durchbiegung in der Größenordnung von 0,38 mm. Die Dauer des dabei erzeugten Energieimpulses ist abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges und liegt in der Grö­ ßenordnung von Millisekunden, mit je einer positiven und einer negativen Polarität des Spannungsstoßes.

Das Traggehäuse (Stützgehäuse) 34 enthält ferner eine zylindrische Büchse 47, welche einen elektronischen Modul 46 aufnimmt. Der Modul 46 hat Schaltelemente zur Erzeugung des Funksignals für den Empfänger 16 und ist mit dem Wandler 50 verdrahtet. Alles zusammen bildet die geschlossene Übertra­ gungseinheit 30, welche nur einen minimalen Einbauraum be­ ansprucht. Derjenige Teil der Aufnahme 32, welcher nicht von der Übertragungseinheit 30 ausgefüllt ist, wird mit einem Paßstopfen 38 verschlossen, der das Polster 40 in kraft­ schlüssiger Berührung mit dem Boden der Aufnahme 32 hält.

Wenn abnormale Bedingungen auftreten, das Fahrzeug über­ lastet ist oder ein Reifen 10 Druckverlust bekommt, so daß die Abplattung der Reifendecke 20 das zulässige Maß über­ schreitet, setzt sich die Decke 20 auf den Notlaufring 26 und belastet diesen mit der anteiligen Fahrzeuglast. Wenn dabei die Felge 22 sich dreht und der die Übertragungsein­ heit 30 enthaltene Teil des Notlaufringes 26 zusammenge­ preßt wird, verformen sich über das Polster 40 das Piezo­ element 42 und die Metallscheibe 44. Dadurch wird eine Spannung erzeugt, die an den Modul 46 gelangt und ihre Polarität wechselt bei der anschließenden Rückkehr des elastisch verformten Piezoelements 42 in seine entspannte Position. Bei jeder Umdrehung des Notlaufringes 26 wird so elektrische Energie erzeugt, um den Sender zu speisen.

Der Modul 46 ist in Fig. 4 als Blockschaltbild darge­ stellt. Er enthält eine Gleichrichterbrücke (Brücke) 52, einen Ladekreis 54, einen Modulator 56 und einen Sender 58.

Die vom Wandler 50 erzeugten alternierenden Spannungsimpulse werden in der Brücke 52 gleichgerichtet und im Ladekreis 54 gespeichert. Wenn genügend Energie gespeichert ist, um den Modulator 56 und den Sender 58 zu speisen, wird diese Ener­ gie vom Ladekreis 54 freigegeben. Die Fehleranzeige geht dann als Funksignal über die Antenne 28, bis die im Lade­ kreis 54 gespeicherte Energie verbraucht ist. Dieser Arbeits­ zyklus wiederholt sich periodisch während der weiteren Um­ drehungen der Felge 22, wobei zusätzliche alternierende Spannungsimpulse im Wandler 50 erzeugt werden, die dem Ladekreis 54 erneut Energie zuführen. Diese intermittie­ rende Signalgabe hat den Vorteil, daß andere benachbarte Funkdienste kaum gestört werden, wie es durch ein konti­ nuierliches Hochfrequenzsignal der Fall wäre, und außerdem werden fehlerhafte Signale vermieden.

Das Schaltbild in Fig. 5 zeigt den Wandler 50, verbunden mit der Gleichrichterbrücke 52 aus den Dioden 60, 62, 64 und 66, welche eine Vollweggleichrichtung ergeben. Die alter­ nierenden positiven und negativen Spannungsimpulse aus dem Wandler 50 werden dadurch optimal ausgenutzt, wobei die zu­ gehörige Energie im Ladekondensator 74 gespeichert wird, welcher über die Diode 68 mit der Brücke 52 verbunden ist. Die Spannung am Ladekondensator 74 wächst, bis sie aus­ reicht, um den Modulator 56 und den Sender 58 zu betreiben. Für eine Sendeausgangsleistung von einem Milliwatt genügt eine Spannung von 12 Volt und eine Kapazität des Ladekon­ densators 74 von 50 mF. Wenn mehr oder weniger Sende­ leistung gewünscht wird, sind die erwähnten Werte entspre­ chend zu ändern.

Die Spannung am Ladekondensator 74 wird gesteuert durch den Thyristor 72, die Diode 68 und die Zener-Diode 70. Letztere bleibt nicht-leitend, bis die Spannung am Ladekondensator 74 die Sperrspannung der Zener-Diode 70 übersteigt. Dabei trig­ gert diese den Thyristor 72, so daß dieser den Modulator 56 und den Sender 58 einschaltet.

Wenn dann die Spannung am Ladekondensator 74 unter den Durchlaßwert des Thyristors 72 absinkt, schaltet dieser den Sender 58 und den Modulator 56 aus, und das Arbeitsspiel be­ ginnt von neuem.

Der Modulator 56 kann jede Schaltung haben, um ein charakte­ ristisches Tonsignal zu erzeugen. Er ist dargestellt in seiner bevorzugten Ausführungsform als instabiler Multivi­ brator, wobei der Kollektor eines NPN-Transistors 82 am La­ dewiderstand 76 liegt. Dieser ist andererseits verbunden mit der Speiseleitung 79. Entsprechend hat die andere Hälfte des Multivibrators einen NPN-Transistor 90, dessen Kollektor am Ladewiderstand 86 liegt, welcher andererseits an der Speise­ leitung 79 angeschlossen ist.

Die Transistoren 82, 90 sind verbunden mit einem Verzöge­ rungsglied aus Widerstand 84, Kondensator 88 und Widerstand 78, Kondensator 80, jeweils über ihre Basis. Die erzeugte Modulationsfrequenz ist bestimmt durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes dieser beiden Kreise und ist zweckmäßig unter­ schiedlich für die verschiedenen Reifen 10.

Das Modulationssignal ist kapazitiv dem Verstärker des Sen­ ders 58 angekoppelt, nämlich an die Basis eines Transistors 97, durch den Kondensator 92, der am Kollektor des Transi­ stors 90 angeschlossen ist.

Der Sender 58 enthält einen Oszillator zur Erzeugung eines für Frequenzmodulation geeigneten Trägers. Vorzugsweise enthält der Oszillator den NPN-Transistor 97 mit Leistungs­ kreis, bestehend aus der Spule 102 und dem Kondensator 100, der am Kollektor des Transistors 97 angeschlossen ist. Die Antenne 28 liegt am einem Abgriff der Spule 102. Der Lei­ stungskreis bestimmt die Trägerfrequenz des Senders 58. Ein Widerstand 96 zwischen der Basis des Transistors 97 und der Masse bestimmt den Arbeitspunkt des Oszillators. Ein Kon­ densator 104 bildet einen Rückkopplungspfad für den Oszil­ lator und liegt zwischen Emitter und Kollektor des Transi­ stors 97. Ein Widerstand 106 liegt zwischen dem Emitter des Transistors 97 und Masse.

Ein Spannungsteiler, enthaltend einen Widerstand 94 zwi­ schen der Speiseleitung 79 und einer Elektrode des Wider­ standes 96, welcher andererseits an Masse liegt, erzeugt die Vorspannung für die Basis des Transistors 97 am Ab­ griff des Spannungsteilers. Ein Glättungskondensator 98 liegt zwischen diesem Abgriff und Masse.

Der Sender 58 hat eine Ausgangsleistung von etwa 1 mW und kann auf einer Rundfunkfrequenz im Bereich von 50 bis 100 MHz arbeiten. Zur Vermeidung von Überlagerungsstörungen sollte seine Reichweite begrenzt sein auf etwa 18 m.

Die erfindungsgemäße Reifenüberlastungsanzeige-Einrichtung ist nicht nur verwendbar in einem Reifen 10 mit Notlauf­ ring 26, sondern die Übertragungseinheit 30 könnte bei­ spielsweise auf der Felge 22 durch bekannte Mittel montiert sein für die Zusammenarbeit mit gebräuchlicheren Reifen und Radanordnungen ohne Notlaufring. Dabei würde die Übertra­ gungseinheit 30 durch direkten Kontakt mit der Reifendecke 20 aktiviert werden, wenn die Reifenabplattung das zulässige Maß überschreitet durch Druckverlust oder Überladung. Die Wirkungsweise wäre die gleiche wie vorher beschrieben.

Claims (3)

1. Eine Reifenüberlastungsanzeige-Einrichtung für einen an einem Rad angebrachten Luftreifen, mit einem innerhalb des Luftreifens befindlichen piezo- elektrischen Wandler, der bei unzureichendem Reifendruck bei jeder Radumdrehung mechanisch beanspruchbar ist und daraufhin ein Spannungssignal und eine elektrische Energie liefert, die in einem Ladekondensator speicherbar ist und die, nach Erreichen eines von einer Freigabeschal­ tung kontrollierten Schwellenwertes einem Sender zuführ­ bar ist, der daraufhin ein Radiosignal erzeugt, das drahtlos von einem Empfänger aufnehmbar ist, der nach Zuordnung des aufgenommenen Signals zu einem bestimmten Luftreifen eine Anzeige veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
das Spannungssignal aus einem positiven und aus einem negativen Spannungsimpuls besteht; und
zwischen den piezo-elektrischen Wandler (50) und den Ladekondensator (74) eine Gleichrichter-Anordnung (52) geschaltet ist, welche sowohl die positiven wie negati­ ven Spannungsimpulse des piezo-elektrischen Wandlers (50) ausnutzt.

2. Reifenüberlastungsanzeige-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter-Anordnung (52) eine mit mehreren Dio­ den (60, 62, 64, 66) ausgerüstete Gleichrichterbrücke (52) ist.

3. Reifenüberlastungsanzeige-Einrichtung nach Anpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Ladekondensator (74) zugeordnete Freigabeschal­ tung einen Thyristor (72), eine Diode (68) und eine Zener-Diode (70) aufweist, welche bei Überschreitung ihrer Sperrspannung den Thyristor (72) zu triggern ver­ mag.