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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung, welche
eine Antenne und einen Transponder umfasst, für ein Reifendruckwächtersystem,
und spezifischer eine längliche
ringförmige Vorrichtung
zur Integration in ein Reifendruckwächtersystem, wie z.B. in
US 6,546,982 B1 gezeigt.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist üblich,
eine ringförmige
Vorrichtung, welche eine Antenne beinhaltet, zum elektronischen Übertragen
von Reifen- und Rad-Identifikations- oder anderer Daten auf Hochfrequenz
einzusetzen. Die Vorrichtung umfasst einen Hochfrequenztransponder,
der einen integrierten Schaltkreischip mit einer Datenkapazität umfasst,
welche zumindest ausreichend ist, um Identifikationsinformation
für den
Reifen oder das Rad zu behalten. Andere Daten, wie etwa der Fülldruck
des Reifens oder die Temperatur des Reifens oder Rades am Transponderstandort, können zusammen
mit den Identifikationsdaten von dem Transponder übertragen
werden.
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In
der Technik ist es bekannt, eine ringförmige Antenne anzuwenden, um
auf Hochfrequenzen Daten von einem innerhalb der Struktur eines
Reifens oder einer Reifen- und
Rad-Baugruppe enthaltenen Transponder zu übertragen. Die Antenne umfasst
einen Draht oder zu einem Reif geformte Drahtlitzen, die zu einem
Reif geformt sind, der in eine extrudierte Umhüllung, die aus einem geeigneten
Material, wie etwa Kunststoff, gebildet ist, gehüllt ist. Die Kunststoffhülle bildet
in Kombination mit der Antenne einen einstückigen Körper, der in einem Vor-Zusammenbauvorgang
an einem Reifenrohling befestigt werden kann oder in einem nach
der Vulkanisation stattfindenden Arbeitsgang an einem fertigen Reifen befestigt
werden kann. Während
Antenne und Transponder während
der "Vor-Vulkanisations"-Fertigung in einen
Reifen integriert werden können,
ist dies in der Praxis sehr schwierig durchzuführen. Sowohl Radial- als auch
Diagonalreifen erfahren im Fertigungsverlauf eine erhebliche Durchmesservergrößerung. Diagonalreifen
werden vom Durchmesser her ausgedehnt, wenn sie in eine Vulkanisierpresse
eingebracht werden, welche typischerweise einen Balg aufweist, der
den Reifenrohling in die Kreisringform des ihn umgebenden Formwerkzeugs
zwingt. Radialreifen erfahren eine Durchmesserausdehnung während des
Reifen-Bau- oder – Formvorgangs
und eine weitere Durchmesserausdehnung im Verlauf der Vulkanisation.
Jede in den Reifen eingebaute ringförmige Antenne und die zugehörige elektronische
Schaltkreistechnik muss in der Lage sein, ihre strukturelle Integrität und die
mechanische Verbindung zwischen dem Antennen- und Transponderpaket
während
der Durchmesservergrößerung des
Reifens während dessen
Fertigung aufrechtzuerhalten. Sobald sie in den Reifen eingebaut
sind, zerstört
jede aufgespürte Fehlfunktion
in der Antenne, dem Transponder oder der Verbindung von der Antenne
zum Transponder, die nicht repariert werden kann, die Brauchbarkeit des
Reifens und kann ein Ausmustern des Reifens erforderlich machen.
Von daher bringt das Anbringen einer Baugruppe von ringförmiger Antenne
und Transponder in einen Reifen während dessen Fertigung das
Risiko mit sich, dass ein anschließendes Versagen oder Bruch
von Baugruppenkomponenten die Zerstörung des ansonsten geeigneten
Wirtsreifens nötig
machen wird.
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Nicht
nur besteht das Risiko der Beschädigung
eines Systems von ringförmiger
Antenne und Transponder während
seiner Integration in einen Reifen während der Fertigung, sondern
ist eine Beschädigung
solcher Systeme, die vom Betrieb des Reifens an einem Fahrzeug herrührt, nicht
unüblich.
Ringantennen und die damit zusammenhängenden Elektronikbauteile
werden einer erheblichen Kompressionsbelastung und an der Seitenwand
einer hohen Verformungsamplitude unterzogen. Solche Standorte stellen
Hochlast- und Verformungsbereiche des Reifens dar. Demzufolge neigen
die Antenne, die Transponder und die Verbindungen dazwischen an
solchen Standorten zu Bruch und mechanischem oder elektrischem Versagen.
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Es
besteht daher ein fortgesetzter Bedarf an einer Antennenvorrichtung,
die zur Integration in einen Reifen entweder in einer vor oder nach
dem Vulkanisieren stattfindenden Vorgang geeignet ist. Die Antennenvorrichtung
muss eine ausreichende strukturelle Integrität vorsehen, um den Belastungen
zu widerstehen, die Reifenbauprozesse und Verwendung nach der Fertigung
an einem Fahrzeug begleiten. Außerdem
behält
die Antennenvorrichtung idealerweise ihre optimale, beabsichtigte
Konfiguration und Form während
des Reifenbauvorgangs und der anschließenden Anwendung an einem Fahrzeug.
Da die Leistung des Reifendruckwächtersystems
von der effizienten Kommunikation zwischen den Reifen-Elektronikbauteilen
und einem Fernablesegerät mittels
der Antenne abhängig
ist, ist das in einer optimalen Konfiguration Halten der Antenne
höchst wünschenswert.
Schließlich
verschafft eine geeignete Antennenvorrichtung den erforderlichen
Konduktanzgrad verschaffen, der erforderlich ist, um in einem Reifenwächtersensorsystem
Signale zu und von einem Transponder zu befördern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Ermüdungsmängel bei
bekannten Antennensystemen und Verfahren für Reifenwächtersysteme, indem sie einen
flexiblen Leiter, der ausreichende Dehnungsmerkmale hat, als Antenne
in einem Reifenwächtersensorsystem
vorsieht und nutzt. Das Antennenseil ist aus einer leitenden Metalllitze
geformt, die hergestellt wurde, indem zuerst ein Draht zu einem
flachen Band gerollt wurde. Ein oder mehrere Bänder werden spiralförmig eng
um ein Textil-Festigkeitselement
gewickelt, um den Antennenleiter oder -litze zu bilden. Nach einem
Aspekt der Erfindung werden mehrere der Antennenleiter miteinander
verdrillt, um das vollständige
Metall-Antennenseil zu bilden. Nach einem anderen Aspekt der Erfindung
können
die Metallbänder
geflochten um ein Festigkeitselement herumgewickelt sein. Wenn die
Metallbänder
Kräften äußeren Ursprungs
unterzogen werden, können
sie sich etwas mit dem Festigkeitselement mitdehnen. Die Dehnung
ist von dem Textil-Festigkeitselement abhängig. Teilorientierte Textilien,
wie etwa Nylon und Polyester, können
sich um etwa 10% dehnen; andere, wie etwa Baumwolle und Kevlar,
dehnen sich sehr wenig, während
Spandex-Gewebe eine enorme Dehnung hat. Wenn Spandex eingesetzt
wird, bringen die Befreiung vom Einfluss solcher Kräfte, restliche
Elastomer-Federkräfte
innerhalb des Festigkeitselements, das Festigkeitselement und die
davon getragene leitende Metallbandantenne wieder in ihre ursprüngliche,
optimale Konfiguration zurück.
Für manche
der anderen, weniger dehnenden Textilelemente wäre das Metall-Antennenseil
sinusförmig
an einem Reifen anzubringen. Weiter kann das Festigkeitselement
der Fasern verdrillt werden, um ihre Dehnung zu erhöhen, bevor
das Metallband angebracht wird. Das dehnbare Festigkeitselement
schützt
die Intaktheit der leitenden Metallbandantenne; gestattet das bequeme
Transportieren und Lagern der einheitlichen Baugruppe; verbessert
den Metallermüdungswiderstand
der Baugruppe; und erhält
einen optimalen Standort der ringförmigen Antennenbaugruppe in einem
Reifenhohlraum aufrecht.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Zuordnen
einer Ringantenne zu einem Reifen verschafft, das die Schritte umfasst des
Zusammenbauens einer leitenden Bandantenne; Befestigens der Bandantenne
an einem Befestigungselement, und Befestigen der Baugruppe aus Antenne
und Festigkeitselement in einem Luftreifen.
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Die
Vorteile der Erfindung, welche den Fachleuten in der Technik deutlich
sein werden, werden durch bevorzugte und alternative Ausführungen
erzielt, die nachstehend detailliert beschrieben und durch die begleitenden
Zeichnungen illustriert sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivansicht eines Reifens und der vorliegenden ringförmigen Vorrichtung, wobei
Teile des Reifens zum Zweck der Illustration entfernt sind.
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2 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht eines Teils einer Antennenvorrichtung, die eine leitende
Bandantenne als spiralförmige
Umwicklung integriert, die ein elastisches Festigkeitselement gemäß der Erfindung
umgibt.
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3 ist
eine seitliche Perspektivansicht eines Antennenvorrichtungssegments
in einer spiralförmigen
Umwicklungskonfiguration.
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4 ist
eine seitliche Perspektivansicht eines Antennenvorrichtungssegments
in einer alternativen Flecht-Umwicklungskonfiguration.
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5 ist
eine Querschnittsansicht durch das Antennensegment von 4,
genommen entlang Linie 5-5.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Ein
Reifendruckwächtersystem
umfasst typischerweise einen Transponder mit einem oder mehreren
Sensoren. Der Transponder und zugehörige Elektronikbauteile sind
innerhalb einer Verpackung untergebracht. Zum Senden oder Empfangen
von HF-Signalen muss ein Transponder eine Antenne haben. Die Antenne
ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt von ringförmiger Konfiguration,
kann jedoch, falls gewünscht,
alternative Formen haben. Die Antenne kann entweder während der
Fertigung in den Reifen eingebaut oder mittels eines nach der Fertigung
stattfindenden Vorgangs an dem Reifen befestigt werden. Wie hierin
verwendet, kann eine "ringförmige Antenne" kreisförmig, länglich,
symmetrisch oder asymmetrisch sein, ohne von den vorliegenden erfinderischen
Prinzipien abzuweichen. Die bevorzugte Konfiguration der Antenne
ist jedoch kreisförmig
und so dimensioniert, dass sie den Reifenseitenwandbereich überlappt,
an dem sie befestigt ist. Die Antenne kann einen Einzeldraht oder
eine Vielzahl von Litzen umfassen. Wie nachstehend erläutert, setzt
die vorliegende Erfindung eine leitende Metallkonfiguration in Form
einer Antenne ein. Verschiedene kommerziell erhältliche Transponder, Sensoren
und andere in Kombination mit einer aus konventionellen leitfähigen Materialien
geformten ringförmigen
Antenne eingesetzte Geräte
sind in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Anwendung geeignet.
Akzeptable Materialien für
den Antennendraht beinhalten Stahl, Aluminium, Kupfer, Kupferlegierungen
oder anderen elektrisch leitenden Draht.
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Zunächst bezugnehmend
auf 1 ist eine bevorzugte Ausführung 10 der vorliegenden
Erfindung in einem Reifen 12 eingesetzt dargestellt. Der Reifen 12 ist
aus konventionellen Materialien, wie etwa Kautschuk oder Kautschukverbundwerkstoffen, durch
konventionelle Mittel gebildet und kann eine Radial- oder Diagonalkonfiguration
aufweisen. Ein typischer Reifen 12 ist mit einer Lauffläche 14,
einer Schulter 16, einer ringförmigen Seitenwand 18 und einem
abschließenden
Wulst 20 konfiguriert. Eine Innenisolierung 22 ist
geformt und definiert einen Reifenhohlraum 24. Der Reifen 12 ist
für einen
montierten Standort an einer ringförmigen Felge 26 mit
einem peripheren Felgenflansch und einer äußeren Felgenflanschfläche 30 beabsichtigt.
Die Felge 26 ist konventionell konfiguriert und aus einem
geeignet starken Metall, wie etwa Stahl, zusammengesetzt.
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Eine
ringförmige
Antenne, allgemein bei 32 angedeutet, ist vorgesehen und
verkörpert
in der bevorzugten Ausführung
einen oder mehrere Metallleiter 32, die um ein Festigkeitselement 36 herumgeschlagen
sind oder es anderweitig umgeben. Die Metallantenne 32 kann
in alternativen Konfigurationen um das Festigkeitselement 36 herumgeschlagen sein,
wie nachstehend erläutert.
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Unter
fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist ein
Transpondermodul 34 des oben beschriebenen allgemeinen
Typs vorgesehen und kann Mittel zum Abtasten von Reifenparametern,
wie etwa Druck und Temperatur, umfassen. Als Teil der Vorrichtung 10 enthalten
ist ein bevorzugt, jedoch nicht unbedingt zu der gezeigten ringförmigen Konfiguration
geformtes Festigkeitselement aus elastischem Material 36. Das
Festigkeitselement 36 ist aus elektrisch isolierendem,
elastischem Material geformt, wie nachstehend beschrieben wird.
Im Zustand nach Fertigung stellt die Vorrichtung 10, welche
die Antenne 32, das Transpondermodul 34 und das
Festigkeitselement 36 umfasst, eine einheitliche, im allgemeinen
kreisförmige
Baugruppe dar, die leicht transportierbar und handhabbar für die Befestigung
am Reifen 12 ist. Der Durchmesser der Vorrichtungsbaugruppe 10 ist
eine Funktion der Größe des Reifens 12 und
des bevorzugten Befestigungsstandorts daran.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird die Vorrichtung 10 entweder
während
der Fertigung des Reifens oder, wie zu bevorzugen ist, in einem
nach der Fertigung stattfindenden Montagevorgang an der Innenisolierung 22 des
Reifens 12 befestigt. Die Befestigung kann mittels eines
Klebstoffs sein oder die Vorrichtung kann während der Fertigung in den
Reifen selbst eingebettet werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird ein Metallleiter hergestellt,
indem zu Anfang ein runder leitender Draht zu einem flachen Band 40 gerollt
wird. Ein oder mehrere Bänder
werden dann spiralförmig eng
um ein Textil-Festigkeitselement 38 gewickelt, um
eine Metallitze 32 herzustellen. Die Beabstandung der Metallbandumhüllungen 40 in 3 ist deutlichkeitshalber
verbreitert. Es wird bevorzugt, obwohl es nicht notwendig ist, das
Metallband 40 so um das Festigkeitselement 38 zu
wickeln, dass keine Lücke
zwischen benachbarten Windungen gelassen wird. Die Litze 32 umfasst
somit ein Metall-Dehnungskord, das ausreichende Elastizität aufweist,
um wiederholte Zyklen von Ausdehnung und Zusammenziehen zuzulassen.
Mehrere Litzen 32, 36 können dann miteinander verdrillt
werden, wie in den 1 und 2 gezeigt,
um einen vollständigen
Metallleiter zu bilden. Die Wahl der Anzahl von zur Herstellung
des vollständigen
Metallleiters verwendeten Litzen bezieht sich auf den erforderlichen
Widerstand und die Impedanz der Antenne. Seile, die 7 bis 19 Litzen
enthalten, sind typisch, jedoch nicht darauf beschränkt. Solche
Leiter weisen ausgezeichnete Flexibilität und Walkermüdungsbeständigkeit
auf. Zur Verwendung als Antenne ergeben die Flexibilitäts- und Walkermüdungsbeständigkeitsmerkmale
eine hohe Haltbarkeit und die Fähigkeit,
mit Reifenfertigung und Reifengebrauch zusammenhängenden Beanspruchungen zu
widerstehen.
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Das
Aufrollen eines runden Drahts zu einem flachen Band erhöht die Flexibilität, da Biegewiderstand
proportional zu der Abmessung in der Biegeebene ist. Das Erhöhen der
Flexibilität
ist in einer ringförmigen
Antennenkonstruktion zur Anwendung in einem Reifen höchst erwünscht. Zweitens
wird bei geringerer Biegekraft die sich ergebende Reduktion der Energie
in einen verbesserten Widerstand gegen Walkermüdung umgesetzt. Spiralförmiges Anbringen des
Bandes um ein Textilelement erzeugt eine multidirektionale Flexibilität, während Zugfestigkeit
des Textils zu der Struktur hinzugefügt wird.
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Das
Textil-Festigkeitselement verschafft Bruchfestigkeit. Polyester,
Nylon, Baumwolle, Kevlar, Spandex und andere bekannte Materialien,
die in der Industrie üblich
sind, können
verwendet werden. Die Wahl der Textilfestigkeitselemente sollte
aufgrund des erforderlichen Dehnungsgrades getroffen werden. Teilorientierte
Textilmaterialien, wie etwa Nylon und Polyester, können sich
um etwa 10% dehnen. Andere, wie etwa Baumwolle und Kevlar, dehnen sich
sehr wenig, während
Spandexgewebe eine enorme Dehnung aufweist. Weiter können Textilfasern
verdrillt werden, um ihre Dehnung zu erhöhen. Beispielsweise kann Kevlar
auf einer hohen Verdrillungsstruktur sich 8% Dehnung nähern und
Polyester kann bis zu oder über
20% liegen. Auch andere Elastomere können in das Festigkeitselement
integriert werden, wie etwa Gummi oder leitender Gummi, um die Langlebigkeit
und Leistung der Antenne zu erhöhen.
Allgemein erhältliche
Leitermaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf,
Kupfer und Legierungen davon. Die Bänder können blank oder mit Silber
oder Zinn elektroplattiert sein. Zinn und Silber erleichtern das
Löten des
Leiters an ein Elektronikbauteilpaket, das sich zwischen Anschlussenden
der Antennenbaugruppe befindet. Die Auswahl des Materials für das Festigkeitselement
kann die Leichtigkeit beeinflussen, mit der die Enden des Metall-Leiters
an das Elektronikbauteilpaket gelötet werden können. Metallseile
können
gebildet werden, die eine Impedanz von nur 15 bis 200 Ohm/Fuß haben.
Die Dehnung kann sich an 20 Prozent annähern, abhängig von der Textil- oder Mischtextil-Festigkeitselementzusammensetzung.
Wenn ein Material wie etwa Spandex verwendet wird, ist die Dehnung
erheblich erhöht.
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4 zeigt
eine alternative Ausführung,
worin zwei leitende Metallbänder 40, 42 um
einen Festigkeitselementkern 38 auf geflochtene Weise miteinander
verwebt sind. Typischerweise werden mehr als zwei schmale Bänder verwendet,
um das Flechtmuster zu bilden. Die Konfiguration demonstriert eine gute
Leitfähigkeit,
akzeptable Walkermüdungsmerkmale
und einen akzeptablen Dehnungsgrad. So konfiguriert, kann das Antennenseil
sich, in Reaktion auf ihm aufgrund des Reifenbauvorgangs oder durch
die Verwendung des Reifens an einem Fahrzeug auferlegter Kräfte, abhängig von
dem verwendeten Textilfestigkeitselement ausdehnen und zu seiner
ursprünglichen
Form zusammenziehen. Wie in den 1 und 2 gezeigt,
können
die metallumwickelten Litzen 32, 34 verdrillt
werden, um das Antennenseil zu bilden. Die Erfindung ist nicht durch
die Anzahl von bei der Bildung des Antennenseils eingesetzter Litzen
begrenzt. Eine Litze 32, 34 kann, falls gewünscht, allein
bei der Bildung des Antennenseils verwendet werden, oder mehr als
zwei, in einer Verdrillung oder anderweitig kombinierte Litzen können eingesetzt
werden. Zusätzlich
können,
während
nur ein Antennenseil gezeigt ist, mehrere Antennenseil um die Reifeninnenisolierung an
jeweiligen Bereichen eingesetzt werden, falls gewünscht. Das
Antennenseil ist elektrisch und mechanisch auf konventionelle Weise
mit dem Transponderpaket 34 verbunden.
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Aus
dem Vorangehenden wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung
den Bedarf der Industrie an einem bequemen, zuverlässigen Verfahren
zur Befestigung einer Antenne in Ringform an der Innenseite eines
Reifens erfüllt.
Die Verwendung eines sich dehnenden Textils als Festigkeitselement,
umgeben von einem leitenden Bandleiter, ist wirtschaftlich und hocheffizient.
Das Textil-Festigkeitselement streckt sich von einem anfänglich entspannten
Zustand zu einem gedehnten beanspruchten Zustand, wenn die Beanspruchungen
innerhalb eines Reifens auferlegt werden; wobei das Material des
Substrats und die gekrümmte
Konfiguration der Antenne eine solche Dehnung ermöglichen.
Die Rückkehr
des Festigkeitselements zu seiner ursprünglichen Form ist vorhersagbar
und dauerhaft genug, um der erforderlichen Anzahl von Dehnungs-/Rückkehrzyklen
innerhalb eines auf die beabsichtigte Weise verwendeten Reifens
zu widerstehen. LYCRA SPANDEX (registrierte Marke von E.I. DuPont
de Nemours & Company)
ist beispielsweise ein Material, das eingesetzt werden kann. Andere
kommerziell erhältliche
Stretchgewebe können
ebenfalls genutzt werden. Solche Gewebe sind mit einer Auswahl von
Reckwiderstands-, Beanspruchungsauskling-, Hysterese-, Restdehnungs- und
Erholungsmerkmalen verfügbar.
Die Materialien haben generell ein Zykluslimit, welches die größte Dehnung
darstellt, der das Material unterzogen werden kann, ohne zu einer
permanenten Verformung zu führen.
Haltekraft und Reckwiderstand können
weiter so gewählt
werden, dass sie eine optimale Abstimmung zwischen den Elastizitätsmerkmalen
des Festigkeitselements 36 und der Größenordnung der Dehnung, die
sich aus Beanspruchungen in einer Reifenumgebung ergibt, verschaffen.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber einer aus einem Gummi-Trägerstreifen
zusammengesetzten Antennenvorrichtung sind erheblich. Eine Spandexfaserkonstruktion
kann wiederholt gereckt werden und sehr dicht zur ursprünglichen Länge und
Festigkeit zurückkehren;
das Material kann durch eine hohe Anzahl von Zyklen gereckt werden,
ohne zu brechen; das Material ist stärker, dauerhafter und weist
eine höhere
Rückziehkraft
auf als Gummi. Außerdem
ist elastisch gemachtes Textilgewebe, wie etwa Spandex, leicht,
nachgiebig und kann zu einer breiten Vielfalt von Formen geformt werden.