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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System
zum Erzeugen elektrischer Energie innerhalb eines Fahrzeugreifens.
Insbesondere wird die elektrische Energie durch Verwendung einer
piezoelektrischen Technologie zur Umwandlung einer mechanischen
Spannung aufgrund einer Reifenbiegung während des Rollens in eine elektrische
Ladung erzeugt, die in einer Energiespeichereinrichtung gespeichert
wird und so für
eine elektronische, in dem Reifen angeordnete Vorrichtung verfügbar gemacht
wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein System
zur Überwachung
von Betriebsparametern eines Reifens.
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Zur
Erhöhung
der Sicherheit von Fahrzeugen gewinnt der Einbau von elektronischen
Vorrichtungen in Luftreifen größere Bedeutung.
Die Reifenelektronik kann Sensoren und andere Komponenten aufweisen,
die zum Erhalten von Informationen geeignet sind, die verschiedene
physikalische Parameter eines Reifens betreffen, beispielsweise
die Temperatur, den Druck, die Anzahl der Reifenumdrehungen und
die Fahrzeuggeschwindigkeit. Solche Informationen können in
der Fahrzeugüberwachung und/oder
in Warnsystemen nützlich
werden. Weiterhin können
aktive Steuersysteme des Fahrzeugs auf Informationen basiert werden,
die von Sensoreinrichtungen gesendet werden, die in den Reifen eingeschlossen
sind. Gewöhnlich
wird eine drahtlose Übertragung
verwendet, um die Reifenleistungsinformationen vom Reifen nach außen zu einem
Empfänger
zu senden, der an dem Fahrzeug angeordnet ist, so dass solche in
dem Reifen angeordnete elektronische Vorrichtungen gewöhnlich einen
Sender haben, dem eine Antenne zugeordnet ist. Gewöhnlich wird auch
ein Mikroprozessor verwendet, um die aus den Leistungssensoren kommenden
Signale vor der Übertragung
zu sammeln und zu verarbeiten.
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Eine
derartige integrierte Reifenelektronik wird gewöhnlich über eine Vielfalt von Techniken
und unterschiedlichen Leistungserzeugungssystemen mit Strom versorgt.
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Eine
typische Lösung
für die
Stromversorgung von Reifenelektroniksystemen besteht in der Verwendung
einer nicht wiederaufladbaren Batterie, was bei einem Reifennutzer
zu Unannehmlichkeiten führen
kann, da ein passender Betrieb des Elektroniksystems von einem periodischen
Batterieaustausch abhängig
ist. Tatsache ist, dass Batterien dazu neigen, ihren Energiespeicher
ziemlich schnell zu entleeren, wenn elektronische Einrichtungen
mit Strom versorgt werden, die sich durch komplexe Funktionalitätsniveaus
auszeichnen. Außerdem
enthalten herkömmliche
Batterien gewöhnlich
Schwermetalle, die nicht umweltfreundlich sind und zu Entsorgungsproblemen
führen,
insbesondere wenn sie in großer
Menge verwendet werden. Darüber
hinaus werden die Leistungen herkömmlicher Batterien häufig von
der Temperatur beeinflusst, insbesondere ist die Funktionsweise
solcher Batterien bei niedrigen Batterien nicht verlässlich.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren für
die Stromversorgung von Reifenüberwachungssystemen
besteht in der Einkoppelung von Hochfrequenz-(HF-)Leistung zwischen
einer Antenne, die am Fahrzeug in unmittelbarer Nähe zu einer
Antenne angeordnet ist, die in der elektronischen Vorrichtung eingeschlossen
ist, die im Reifen angeordnet ist. Dies erfordert natürlich Antennen,
die in Fahrzeugabschnitten angeordnet sind, die häufig Beschädigungen
ausgesetzt werden, die von Gefahren von der Straße ausgehen, und somit keine
brauchbare Lösung
für die
Stromversorgung einer Reifenelektronik sein können.
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Zur
Stromversorgung von Reifenüberwachungssystemen
hat man auch die Verwendung von piezoelektrischen Elementen vorgeschlagen.
Die Piezoelektrizität
ist eine Eigenschaft bestimmter Materialien, beispielsweise Quarz,
Rochelle-Salz und bestimmter keramischer Feststofflösungsmaterialien, wie
Blei-Zirconat-Titanat (PZT), zur Erzeugung von Elektrizität, wenn
sie mechanisch beansprucht werden.
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Beispielsweise
offenbart die PCT-Patentanmeldung
WO 01/80327 A1 ein System zur Erzeugung elektrischer
Energie in einem Fahrzeugreifen, wobei das System wenigstens ein
langgestrecktes piezoelektrisches Element aufweist, das sich in Längsrichtung
auf wenigstens einem Teil des Reifens erstreckt. Das langgestreckte
piezoelektrische Element weist vorzugsweise ein Koaxialkabel auf,
das sich auf einer geraden oder gewellten Bahn des Reifenumfangs
erstreckt.
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Die
PCT-Patentanmeldung
WO
03/095244 A1 offenbart ein System zur Erzeugung von elektrischer
Leistung aus der mechanischen Energie eines drehenden Reifens mit
einer piezoelektrischen Anordnung und einem Energiespeicher. Die
Anordnung weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Fasern auf, die
in einer insgesamt gleichgerichteten Weise in eine Epoxidgrundmasse
eingebettet sind. Die Anordnung ist an einem Trägersubstrat für eine gleichförmige Verteilung
einer mechanischen Spannung in dem piezoelektrischen Aufbau angebracht.
Die Anordnung wird in einem Reifen zur Erzeugung einer elektrischen
Ladung angebracht, wenn sich das Rad auf einer Bodenfläche bewegt.
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Das
US-Patent 4,510,484 offenbart
eine Vorrichtung, die für
das Erfassen des Zustands eines Luftreifens vorgesehen ist, der
auf einer Reifenfelge angeordnet und normalen Vibrationen ausgesetzt
ist. Die Vorrichtung hat ein Gehäuse,
ein Band zum Befestigen des Gehäuses
an der Reifenfelge, einen Sensor zum Überwachen des Zustands in dem
Reifen, eine funktionsmäßig mit
dem Sensor zur Erzeugung von den Reifenzustand anzeigenden Signalen verbundene
Schaltung, eine funktionsmäßig mit
der Schaltung verbundene Stromversorgung und einen Empfänger zum
Empfang der Radiosignale. Die Stromversorgung hat eine sich radial
erstreckende piezoelektrische Federzunge mit einem Basisabschnitt
und einem Endabschnitt. Der Basisabschnitt hat eine elastomere Bindung
mit dem Gehäuse.
An dem Endabschnitt Ist ein Masseelement für die Feinabstimmung angebracht,
das so gestaltet ist, dass ein Widerlager an Anschlagelementen angreift,
die den Biegehub der piezoelektrischen Federzunge begrenzen und
die Verbundbiegung der Federzunge unterbinden. Das Masseelement
für die
Feinabstimmung ist bezogen auf die piezoelektrische Federzunge so
bemessen, dass eine natürliche
Resonanzfrequenz der Schwingung der Stromversorgung von etwa 60
Hz in Übereinstimmung
mit üblichen
Radvibrationen erreicht wird, die während der Fahrzeugeinsätze auftreten.
In Betrieb wirken Zentrifugalkräfte so,
dass das Masseelement für
die Feinabstimmung aus der Radialmitte des drehenden Rades weggedrückt wird.
Derartige Kräfte
neigen dazu, die von dem piezoelektrischen Federzungenelement gebildete
Ebene zu einer Radialmittellinie auszurichten. Wenn das Federzungenelement
in einem Ruhegleichgewichtszustand nicht zu einer Radialmittellinie ausgerichtet
ist, bringen Zentrifugalkräfte
das Federzungenelement zu einem Biegen in eine solche Ausrichtung
und können
das Masseelement für
die Feinabstimmung in einen fortgesetzten Eingriff mit einem benachbarten
Anschlagelement drücken.
Ein solcher fortgesetzter Eingriff würde so wirken, dass die Schwingung
des Federzungenelements und dementsprechend die Fähigkeit
der Stromversorgung verringert würde,
die Ra dioschaltung mit Strom zu versorgen. Wenn das Federzungenelement
richtig auf einer Radialmittenlinie ausgerichtet ist, kann die Stromversorgung
einen maximalen Schwingungshub während des
Betriebs bei optimaler Fähigkeit
ausführen,
die Radioschaltung mit Strom zu versorgen.
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Das
US-Patent 6,438,193 offenbart
einen Umdrehungszähler
eines Reifens mit Eigenversorgung, der einen Wandler für mechanische
Energie in elektrische Energie und eine Umdrehungszählschaltung
aufweist. Dabei wirkt ein Piezokristallelement sowohl als Energiewandler
als auch als Umdrehungssensor. Das Piezoelement ist an der Innenwand
des Reifens unter der Lauffläche
oder der Seitenwand so angebracht oder darin eingebettet, dass es
zu einem Biegen mit dem Reifen jedes Mal dann gebracht wird, wenn
der Umfangssektor des Reifens, der das Piezoelement aufweist, gegen
die Straße oder
eine andere das Fahrzeug abstützende
Oberfläche
zusammengedrückt
wird. Wenn das Piezoelement gebogen wird, wird ein positiver Impuls
erzeugt. Wenn das Piezoelement gerade gerichtet wird, erzeugt es
ein gedämpftes
positives/negatives Oszillationssignal mit einem beträchtlich
geringeren Spitzenwert als der positive Impuls. Die gedämpften Schwingungen
werden durch physikalische Eigenschaften des Piezoelements (Masse,
Kompleanz) bestimmt. Eine typische gemessene Oszillationsfrequenz
liegt in der Größenordnung
von 100 Hz. Nach den Verfassern sind diese Oszillationen für eine Energieumwandlung
günstig.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des in dem '193-Patent offenbarten Piezoelements
ist ein kreisförmiger
unimorpher Körper
mit zwei Kreisplatten, die miteinander verbunden sind, und einer
Piezokristallplatte in der Mitte. Nach den Verfassern ist die Spannungsverteilung
bei dieser Ausgestaltung gleichförmiger
als diejenige, die mit einem bimorphen Körper erhalten wird, der in
einer typischen Kragarmanbringung ausgeführt ist. Die Verfasser offenbaren
auch, dass bei einer großen
Biegung in einem geprüften,
kragarmartig angebrachten bimorphen Piezoelement eine offene Spannung
von 34 V erhalten wurde. Die Anmelderin stellt jedoch fest, dass
in dem '193-Patent
keine Einzelheiten offenbart sind, die sich auf den Aufbau des geprüften kragarmartig
angebrachten bimorphen Piezoelements und seine Anbringung in dem
Reifen beziehen.
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Die
Anmelderin sah sich dem Problem gegenüber, eine ausreichende Leistung
für die
Einspeisung in eine elektronische Vorrichtung zu erzeugen, die in
einem Reifen eingeschlossen und an die Überwachung wenigstens eines
Reifenparameters (beispielsweise Druck, Temperatur, Anzahl der Reifenumdrehungen,
zurückgelegte
Entfernung, Drehgeschwindigkeit, Be schleunigung) durch mechanisch-elektrische
Energieumwandlung unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts angepasst
ist. Nach der Anmelderin sollte der Aufbau eines piezoelektrischen
Elements, das zum Erhalten dieses Ergebnisses geeignet ist, eine
Biegebauweise mit Kragarmanbringung haben und in einem Teil des
Reifens in Übereinstimmung
mit einem Laufflächenbereich
angeordnet werden. Eine andere Anforderung an das piezoelektrische
Element ist jedoch seine Beständigkeit.
D. h. mit anderen Worten, dass eine Anordnung mit einem piezoelektrischen
Element in Biegebauweise mit Kragarmanbringung, das in einem Teil
eines Reifens in Übereinstimmung
mit einem Laufflächenbereich
angebracht ist, auch einen Widerstand gegen frühe Risse und/oder Brüche garantieren
soll, die durch die gewaltige Zentrifugalkraft verursacht werden,
der das piezoelektrische Element während des Rollens des Reifens,
insbesondere bei hoher Geschwindigkeit, ausgesetzt ist.
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Die
Anmelderin hat gefunden, dass eine ausreichende Leistung zusammen
mit einer langen Lebensdauer dadurch erhalten werden kann, dass
ein piezoelektrisches Element in kragarmgehaltener Weise in einem
einem Reifen zugeordneten Gehäuse
in einem Reifenabschnitt in Übereinstimmung
mit einem Laufflächenbereich
von ihm angeordnet wird (beispielsweise an der Innenfläche des
Reifens im Wesentlichen in Übereinstimmung
mit seiner Äquatorialebene
befestigt wird). Das piezoelektrische Element trägt eine Lademasse, und zwischen
den Innenwänden
des Gehäuses
und der Außenfläche der Lademasse
ist ein kleiner Spalt vorhanden. Das Gehäuse ist dem Reifen so zugeordnet,
dass das piezoelektrische Element längs einer Ebene angeordnet ist,
die im Wesentlichen orthogonal zur Radialrichtung des Reifens ist.
Das piezoelektrische Element, die Lademasse und der kleine Spalt
sind so bemessen, dass a) Schwingungen des piezoelektrischen Elements
im Wesentlichen während
einer vollständigen
Umdrehung des Reifens, wenn der Reifen mit geringer Geschwindigkeit
dreht, und b) Schwingungen des piezoelektrischen Elements im Wesentlichen nur
dann möglich
sind, wenn der Reifenabschnitt mit dem piezoelektrischen Element
in Kontakt mit der Straße
steht und sich der Reifen mit hoher Geschwindigkeit dreht. Im Falle
b) wird in dem Bruchteil der Reifenumdrehung, in welchem der Reifenabschnitt mit
dem piezoelektrischen Element nicht in Kontakt mit der Straße ist,
die an dem piezoelektrischen Element befestigte Lademasse gegen
die Innenwände des
Gehäuses
durch die Zentrifugalkraft gedrückt, die
durch die Drehung des Reifens entwickelt wird, so dass das piezoelektrische
Element praktisch keinen Verformungsänderungen unterliegt.
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D.
h. mit anderen Worten, dass, wenn sich der Reifen mit geringer Geschwindigkeit
dreht, eine große
Menge elektrischer Energie durch die Schwingungen des piezoelektrischen
Elements während
einer vollständigen
Umdrehung des Reifens erzeugt wird. Der kleine Spalt und die Steifigkeit
des piezoelektrischen Elements erlauben keine großen Biegungen
des piezoelektrischen Elements, so dass das Auftreten von Rissen
und/oder Brüchen
aufgrund einer im Wesentlichen kontinuierlichen Oszillation verringert
wird. Wenn sich der Reifen mit hoher Geschwindigkeit dreht, wird
der hohen Radialbeschleunigung, der das piezoelektrische Element
unterliegt, durch den Kontakt mit den Innenwänden des Gehäuses über fast
eine vollständige
Umdrehung des Reifens, mit Ausnahme des Durchgangs des piezoelektrischen
Elements in Übereinstimmung
mit der Aufstandsfläche,
entgegengewirkt. Dies verringert ebenfalls das Auftreten von Rissen
und/oder Brüchen
in dem piezoelektrischen Material. Es wird jedoch noch Energie aufgrund
der im Wesentlichen freien Oszillation des piezoelektrischen Elements
während
des Durchgangs des piezoelektrischen Elements in Obereinstimmung
mit der Aufstandsfläche
erzeugt, wo die Radialbeschleunigung im Wesentlichen null ist.
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In
einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Erzeugen von elektrischer Energie in einem Reifen, wobei bei
dem Verfahren
- – ein Gehäuse, das ein piezoelektrisches
Element aufweist, mit einem Reifenabschnitt in Übereinstimmung mit einem Reifenlaufflächenbereich verbunden
wird, das piezoelektrische Element im Wesentlichen auf einer Ebene
senkrecht zu einer Radialrichtung des Reifens angeordnet wird und ein
erstes im Wesentlichen an dem Gehäuse befestigtes Ende sowie
ein zweites an einer Lademasse befestigtes Ende aufweist und zwischen wenigstens
einer Innenwand des Gehäuses
und einer Außenfläche der
Lademasse ein Spalt gebildet wird;
- – der
Reifen auf einer Rollfläche
mit einer ersten Drehgeschwindigkeit gedreht wird, die geringer als
eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, wodurch die Lademasse zum
Schwingen in dem Spalt veranlasst wird, was zu einer ersten Verformung
des piezoelektrischen Elements während der
Reifendrehung führt;
- – der
Reifen auf der Rollfläche
mit einer zweiten Drehgeschwindigkeit gedreht wird, die höher als die
vorgegebene Geschwindigkeit ist, so dass die Lademasse zu einem
Kontaktieren mit der Innenwand während
eines ersten Bruchteils einer vollständigen Reifenumdrehung veranlasst
wird, und während
des ersten Bruchteils der dem Reifenabschnitt entsprechende Laufflächenbereich
nicht in Kontakt mit der Rollfläche
steht, und dass die Lademasse zum Schwingen in dem Spalt während eines
zweiten Bruchteils einer vollständigen
Reifenumdrehung veranlasst wird, und während des zweiten Bruchteils
der dem zweiten Abschnitt entsprechende Laufflächenbereich in Kontakt mit
der Rollfläche
steht, was zu einer zweiten Verformung des piezoelektrischen Elements
während
der Reifenumdrehung führt,
und
- – die
bei der ersten und zweiten Verformung des piezoelektrischen Elements
erzeugte elektrische Energie gesammelt wird.
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In
einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein System zum
Erzeugen von elektrischer Energie, wobei das System einen Reifen
und eine Stromversorgung mit einem piezoelektrischen Element aufweist,
das mit einem Reifenabschnitt in Übereinstimmung mit einem Laufflächenbereich
gekoppelt ist, wobei
- – das piezoelektrische Element
in einem Gehäuse so
angeordnet ist, dass es mit einem ersten Ende im Wesentlichen an
dem Gehäuse
und mit einem zweiten Ende an einer Lademasse befestigt ist, und
ein Spalt zwischen wenigstens einer Innenwand des Gehäuses und
einer Außenfläche der Lademasse
gebildet wird,
- – das
piezoelektrische Element im Wesentlichen auf einer zu einer Radialebene
des Reifens orthogonalen Ebene angeordnet ist, und
- – das
piezoelektrische Element, die Lademasse und der Spalt so bemessen
sind, dass
- a) während
einer Drehung des Reifens auf einer Rollfläche bei einer ersten Drehgeschwindigkeit, die
niedriger als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, in dem Spalt
eine Schwingung der an dem piezoelektrischen Element befestigten
Lademasse und
- b) während
einer Drehung des Reifens auf der Rollfläche mit einer zweiten Drehgeschwindigkeit, die
höher als
die vorgegebene Geschwindigkeit ist, ein Kontakt der Lademasse mit
der Innenwand des Gehäuses
während
eines ersten Bruchteils einer vollständigen Reifenumdrehung erreicht wird,
wobei während
des ersten Bruchteils der dem Reifenabschnitt entsprechende Laufflächenbereich
nicht in Kontakt mit der Rollfläche
steht, und in dem Spalt eine Oszillation der an dem piezoelektrischen
Element befestigten Lademasse während
eines zweiten Bruchteils einer vollständigen Reifenumdrehung erhalten
wird, wobei während
des zweiten Bruchteils der dem Reifenabschnitt entsprechende Laufflächenbereich
in Kontakt mit der Rollfläche
steht.
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In
einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Überwachen
wenigstens eines Betriebsparameters des Reifens, wobei das System
- – ein
System zum Erzeugen elektrischer Energie mit einer Stromversorgung
nach dem zweiten Aspekt der Erfindung,
- – eine
Sensoreinrichtung mit einer Messeinrichtung, die zum Messen wenigstens
eines Betriebsparameters angepasst ist, und eine Sendereinrichtung,
die zum Senden des der Stromversorgung zugeordneten gemessenen Parameters
angepasst ist, und
- – eine
Empfangseinrichtung aufweist, die zum Empfangen des gesendeten gemessenen
Parameters angepasst ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der folgenden näheren
Beschreibung einiger beispielsweiser Ausführungsformen, die lediglich
als nicht beschränkende
Beispiele anzusehen sind, wobei die Beschreibung Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen nimmt, in denen
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1 einen
Querschnitt eines beispielsweisen Reifens nach der Erfindung zeigt,
-
2 ein
beispielsweises Schema einer Sensorvorrichtung für den Einschluss in den Reifen von 1 zeigt,
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3a und 3b ein
beispielsweises sich biegendes, piezoelektrisches Element für die Anordnung
in der Sensoreinrichtung von 2 zur Stromversorgung
zeigen,
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4 eine
typische Kurve einer Radialbeschleunigung über der Zeit zeigt, der ein
einem Laufflächenbereich
entsprechender Abschnitt eines Reifens während einer vollständigen Reifenumdrehung unterliegt,
-
5 ein
typisches Frequenzspektrum einer Radialbeschleunigungskurve zeigt,
wie sie beispielsweise in 4 dargestellt
ist,
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6 eine
beispielsweise Frequenzkennlinie des sich biegenden piezoelektrischen
Elements von 3 zeigt,
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7 ein
Signal zeigt, das von dem sich biegenden piezoelektrischen Element
von 3 erhalten wird, das an einem
Reifen angebracht ist, der sich mit einer Geschwindigkeit von 20
km/h dreht,
-
8 ein
Signal zeigt, das aus dem sich biegenden piezoelektrischen Element
von 3 erhalten wird, das an einem
Reifen angebracht ist, der sich mit einer Geschwindigkeit von 50
km/h dreht,
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9 die
Verschiebung über
der Zeit zeigt, der die an dem sich biegenden piezoelektrischen
Element von 3 befestigte Lademasse
während
einer Drehung des Reifens mit geringer Geschwindigkeit (40 km/h)
unterliegt,
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10 die
Verschiebung über
der Zeit zeigt, der die an dem sich biegenden piezoelektrischen
Element von 3 befestigte Lademasse
während
einer Drehung des Reifens mit hoher Geschwindigkeit (80 km/h)
unterliegt,
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11 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils von 10 ist und
-
12 drei
Kurven für
gespeicherte elektrische Energie über der Zeit zeigt, die in
einem Versuch mit einem sich biegenden piezoelektrischen Element
erhalten wird, wie es beispielsweise in 3a und 3b dargestellt
ist.
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1 zeigt
einen Querschnitt eines Rads mit einem Reifen 11 und einer
Tragfelge 12. Der in 1 gezeigte
Reifen 11 hat eine Bauweise, die herkömmlicherweise als "schlauchlos" bekannt ist, d.
h. er hat keinen inneren Schlauch. Dieser Reifen kann mit Hilfe
eines Hufpumpventils 13 aufgepumpt werden, das beispielsweise
an dem Kanal der Felge 12 angeordnet ist.
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Der
Reifen 11 hat eine Karkasse 16, die in zwei Wulsten 14 und 14' endet, von
denen jeder längs
eines inneren Umfangsrandes der Karkasse 16 ausgebildet
ist und zum Befestigen des Reifens 11 an der entsprechenden
Tragfelge 12 dient. Die Wulste 14, 14' haben jeweils
verstärkende
Ringkerne 15 und 15',
die als Wulstkerne bekannt sind. Die Karkasse 16 wird von
wenigstens einer Verstärkungslage
mit textilen oder metallischen Korden gebildet, die sich axial von
einem Wulst 14 zum anderen 14' in einem Torusprofil erstrecken
und deren Enden mit einem entsprechenden Wulstkern 15 und 15' verbunden sind.
In Reifen der Bauweise, die als Gürtelreifen bekannt sind, liegen
die erwähnten
Korde im Wesentlichen in Ebenen, die die Drehachse des Reifens enthalten.
In einer radial äußeren Position
bezüglich
der Karkasse 16 ist ein ringförmiger Aufbau 17 angeordnet,
der als Gurtaufbau bekannt ist. Gewöhnlich hat der Gurtaufbau 17 einen
oder mehrere Streifen eines elastomeren Materials, in das Metall- und/oder Textilkorde
eingeschlossen sind, die einander überlappen. Um den Gurtaufbau 17 herum
ist ein Laufflächenband 18 aus
elastomerem Material herumgelegt, in das ein Reliefmuster für den Rollkontakt
des Reifens mit dem Boden eingeprägt ist. In axial gegenüberliegenden
seitlichen Positionen sind ferner zwei Seitenwände 19 und 19' aus elastomerem
Material angeordnet, von denen sich jede von dem Außenrand
des entsprechenden Wulstes 14 und 14' radial nach außen erstreckt.
Bei schlauchlosen Reifen ist die Innenfläche der Karkasse 16 normalerweise
mit einer Auskleidung 111 abgedeckt, d. h. mit einer oder
mehreren Schichten eines luftundurchlässigen elastomeren Materials.
Entsprechend der speziellen Auslegung des Reifens 11 können andere
bekannte Elemente vorgesehen werden, beispielsweise Wulstfüller.
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In
dem Reifen 11 ist eine Sensoreinrichtung 3 angeordnet.
Die Sensoreinrchtung 3 befindet sich in einem Reifenabschnitt
in Übereinstimmung
mit einem Laufflächenbereich
des Reifens 11, d. h. in einem Abschnitt, der sich in dem
Bereich des Reifens 11 befindet, der sich zwischen den
Seitenwänden des
Reifens 11 axial erstreckt. Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung
im Wesentlichen in Übereinstimmung
mit der Äquatorialebene
des Reifens 11 angeordnet. Bei der in 1 gezeigten
bevorzugten Ausführungsform
ist die Sensoreinrichtung 3 an der Innenauskleidung 111 des
Reifens 11 befestigt. Ein Befestigungselement 332 haftet
sowohl an der Sensoreinrichtung 3 als auch an der Innenauskleidung 111. Das
Befestigungselement 332 sorgt für die Befestigung der Sensoreinrchtung 3 an
der Innenauskleidung 111 des Reifens und ist so angepasst,
dass sie den Verformungen stattgibt, denen der Reifenaufbau während des
Rollens unterliegt, um eine solche Sensorbefestigung stabil aufrechtzuerhalten.
Zu geeigneten Materialien für
das Befestigungselement 332 können im Allgemeinen flexible
Kautschuke gehören, beispielsweise
Naturkautschuk oder synthetischer Kautschuk, wie Kautschuke hergestellt
aus konjugierten Dienen mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, beispielsweise
Polyisopren, Polybutadien, Styrol-Butadien-Kautschuk und dergleichen.
Für eine
verbesserte Haftung zwischen der Sensoreinrichtung 3 und dem
Reifen 11 kann es vorteilhaft sein, ein weiteres Haftelement,
beispielsweise einen doppelseitigen Haftfilm, zwischen dem Befestigungselement 332 und
der Innenfläche
des Reifens 11 und/oder zwischen dem Befestigungselement 332 und
der Sensoreinrichtung 3 anzuordnen. Ein geeigneter doppelseitiger
Klebefilm kann Scotch® 300SL HI-Strength, vermarktet
von 3M, sein. In alternativen Ausgestaltungen kann die Sensoreinrichtung 3 in
den Aufbau des Reifens in dem Reifenabschnitt eingeschlossen werden,
der dem Laufflächenbereich
entspricht, beispielsweise in dem Laufflächenband oder zwischen dem äußeren Gurtstreifen
und dem Laufflächenband.
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Ein
Schema einer beispielsweisen Sensoreinrichtung 3 ist in 2 gezeigt.
Die Sensoreinrichtung 3 hat eine Stromversorgung 31,
eine Mikrosteuerung 33, eine Messeinrichtung 34,
einen Hochfrequenzsender 36 und eine Antenne 37.
Die Stromversorgung 31 hat ein sich biegendes piezoelektrisches Element,
wie es nachstehend näher
beschrieben wird, das sich unter den Kräften verformt, die auf es durch
den Reifen während
des Abrollens auf der Straße übertragen
werden. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugen derartige
Verformungen eine elektrische Ladung, die durch geeignete Elektroden
gesammelt werden und einer Spannungsaufbereitungsschaltung 32 zugeführt werden
kann, die gewöhnlich
eine Diodengleichrichterbrücke
(nicht gezeigt) aufweist und so angepasst ist, dass sie einen Wechselstrom
in einen Gleichstrom umwandelt. Die Spannungsaufbereitungsschaltung 32 hat
auch einen Kondensator (nicht gezeigt), der zum Speichern der elektrischen
Ladung geeignet ist, die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt
wird. Die Spannungsaufbereitungsschaltung 32 kann auch
eine Spannungssteuerung (nicht gezeigt) aufweisen, die so angepasst
ist, dass sie dafür
sorgt, dass eine Spannung an dem Kondensator über einem vorgegebenen Minimum
(beispielsweise 2,7 Volt) legt. Die von der Stromzuführung 31 erzeugte
und in der Spannungsaufbereitungsschaltung 32 gespeicherte elektrische
Leistung wird der Mikrosteuerung 33, der Messeinrichtung 34 (über den
Schalter 35) und dem Hochfrequenzsender 36 zugeführt. Die
Messeinrichtung 34 hat Sensoren, die für das Messen von dem zu überwachenden
Reifenparameter oder den zu überwachenden
Parametern, wie beispielsweise Druck und/oder Temperatur, angepasst
sind. Die Messeinrichtung 34 hat auch eine Steuerschaltung, die
zur Umformung der erfassten Parameter in elektrische Signale angepasst
ist. Die Hochfrequenzeinrichtung 36 ist so angepasst, dass
sie über
die Antenne 37 Informationsblöcke, die den gemessenen Parameter
oder die gemessenen Parameter enthalten, zu einem Empfänger (nicht
gezeigt) außerhalb
des Reifens sendet, der gewöhnlich
am Fahrzeug angeordnet ist, an dem der Reifen sitzt. Die Mikrosteuerung 33 hat
gewöhnlich
eine CPU (Central Processing Unit – Zentrale Verarbeitungseinheit),
die die Funktion der Sensoreinrichtung 3 steuert. Bei der
in 2 gezeigten bevorzug ten Ausführungsform ermöglicht es
die Mikrosteuerung 33 über
eine erste Zeitsteuer-/Aktivierungsschaltung 38 dem
Schalter 35, die Schaltung zu der Messeinrichtung 34 hin
zu schließen,
um diese für
das Ausführen
der Messung des zu überwachenden
charakteristischen Parameters oder der Parameter zu aktivieren.
Ferner ermöglicht
es die Mikrosteuerung 33 über eine zweite Zeitsteuer-/Aktivierungsschaltung 40,
die Informationsblöcke
zu dem externen Empfänger
zu senden. Darüber
hinaus sammelt die Mikrosteuerung 33 die von der Messeinrichtung 34 ankommenden
Signale, wandelt sie über
einen Analog-/Digitalwandler 39 in eine digitale Form um
und verarbeitet sie, um die Informationen herauszuziehen, die vom
Reifen nach außen über den
Hochfrequenzsender 36 gesendet werden sollen. Das Aktivieren
des Schließens
der Schalter 35 sowie das Aktivieren der Blocksendung durch
den Sender 36 kann in vorgegebenen Zeitintervallen ausgeführt werden.
Beispielsweise kann die erste Zeitsteuer-/Aktivierungsschaltung 38 das Schließen des
Schalters 38 alle zwei Minuten veranlassen, während die
zweite Zeitsteuer-/Aktivierungsschaltung 40 das Senden
der gesammelten Daten nach außen
alle sieben Minuten aktivieren kann, da das Hochfrequenzsenden gewöhnlich mehr
Leistung bezogen auf Parametermessungen erfordert. Bei einem anderen
Beispiel kann das Schließen
des Schalters 38 und/oder das Senden der gesammelten Daten
aktiviert werden, wenn die Spannung am in der Spannungsaufbereitungsschaltung 32 vorgesehenen
Kondensator über
einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Die erste und/oder zweite
Zeitschalt-/Aktivierungsschaltung 38, 40 können in
irgendeiner herkömmlichen
Weise als von der Mikrosteuerung 33 getrennte Hardware-Schaltungen
oder als in den Speicher der Mikrosteuerung 33 integrierte Software
verwirklicht werden.
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3a zeigt
eine geschnittene Seitenansicht der Stromversorgung 31.
Die Stromversorgung 31 hat ein Gehäuse 311, ein piezoelektrisches
Element 313 und eine Lademasse 312, die dem piezoelektrischen
Element zugeordnet ist. 3b zeigt
eine Ansicht der Stromversorgung längs der Schnittlinie A-A von 3a.
Gemäß 3a ist
das piezoelektrische Element in dem Gehäuse kragarmartig angeordnet.
D. h. mit anderen Worten, dass das piezoelektrische Element 313 an
seinem ersten Ende 314 mit dem Gehäuse 311 verbunden
ist, während
sein zweites Ende 316 mit der Lademasse 312 gekoppelt ist.
Das piezoelektrische Element ist vorzugsweise als planares Element
ausgebildet. Alternativ kann es als Federzungenelement oder als
Stabelement ausgebildet sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen hat
ein planares piezoelektrisches Element wenigstens zwei planare piezoelektrische
Kristalle, die durch eine planare elektrisch leitende (beispielsweise
metallische) Platte (bimorphe Ausgestaltung) getrennt sind. Die
Elektroden sind zweckmäßigerweise an
den Außenflächen der
piezoelektrischen Elemente angeordnet. Die Stromversorgung 31 ist
dem Reifen so zugeordnet, dass das piezoelektrische Element 313 längs einer
Ebene angeordnet ist, die im Wesentlichen orthogonal zur Radialrichtung
des Reifens ist (was als "E" in 1, 3a, 3b gekennzeichnet
ist), d. h. eine Richtung, die radial von der Drehachse des Reifens
ausgeht. Auf diese Weise unterliegen das piezoelektrische Element 313 und die
zugeordnete Lademasse 312 während des Abrollens des Reifens
der radialen (d. h. zentrifugalen) Beschleunigung. Um die Spannung,
der das piezoelektrische Element 313 unterliegt, gleichförmig zu
verteilen, kann die längere
Seite des piezoelektrischen Elements 313 vorzugsweise im
Wesentlichen entsprechend einer Axialrichtung des Reifens angeordnet
werden (was in 1, 3a, 3b durch "F" gekennzeichnet ist), d. h. einer Richtung
parallel zur Drehachse des Reifens. Alternativ kann die längere Seite
des piezoelektrischen Elements entsprechend einer Längsrichtung
des Reifens angeordnet werden (was als "L" in 1, 3a, 3b gekennzeichnet
ist). Die geometrischen Abmessungen des piezoelektrischen Elements 313,
der Lademasse 312 und des Gehäuses 311 werden so
gewählt,
dass ein Zwischenraum 314, auch "Spalt" genannt, zwischen der Außenfläche der
Lademasse 312 und den Innenwänden des Gehäuses 311 verbleibt,
der in der Praxis eine maximale Biegung begrenzt, die dem piezoelektrischen
Element 313 ermöglicht
wird. Um die Abmessungen der Stromversorgung 31 zu begrenzen und
um die Mitte der Masse des piezoelektrischen Elements plus Lademassenaufbau
im Wesentlichen an dem zweiten Ende des piezoelektrischen Elements 313 zu
verschieben, kann die Lademasse 312 vorzugsweise U-förmig sein,
wie es in 3a gezeigt ist.
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In
Betrieb unterliegt die Stromversorgung 31 der Zentrifugalbeschleunigung,
die aufgrund der Reifendrehung entsteht. Die Zentrifugalbeschleunigung ist
mit anderen Beschleunigungsbeiträgen
gemischt, die sich aus der Interaktion des Reifens mit dem Boden
während
des Abrollens ergeben. 4 zeigt ein beispielsweises
Profil einer sich einstellenden Radialbeschleunigung über der
Zeit, der der mit der Stromversorgung 31 verbundene Reifenabschnitt während einer
Reifenumdrehung ausgesetzt werden kann.
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Während eines
ersten Bruchteils einer vollständigen
Reifenumdrehung, währenddessen
der Laufflächenbereich,
der dem Reifenabschnitt entspricht, der mit der Stromversorgung 31 verbunden ist,
nicht in Kontakt mit dem Boden steht, ist die Beschleunigung mit
Ausnahme der in 4 sichtbaren Welligkeit, deren
Vorhandensein nachstehend erörtert
wird, im Wesentli chen konstant und nimmt einen Wert an, der von
dem Quadrat der Reifendrehgeschwindigkeit abhängt. Während eines zweiten Bruchteils
einer vollständigen
Reifenumdrehung, währenddessen
der Laufflächenbereich,
der dem Reifenabschnitt entspricht, der der Stromversorgung 31 zugeordnet
ist, in Kontakt mit dem Boden steht, fällt der Beschleunigungswert,
wie in dem zentralen Abschnitt von 4 zu sehen
ist, nach einem anfänglichen
Anstieg aufgrund einer Verformung, der der Reifen während des
Durchgangs aus einer Umfangsform in eine flache Form unterliegt,
zum eigentlichen Beginn des Kontaktbereichs zwischen Reifen und
Boden auf im Wesentlichen null. Ein weiterer Anstieg des Beschleunigungswerts
tritt ein, wenn der Laufflächenbereich,
der dem Reifenabschnitt entspricht, der mit der Stromversorgung 31 verbunden ist,
den Kontaktbereich verlässt.
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Während des
vorstehend erwähnten
ersten Bruchteils einer vollständigen
Reifenumdrehung kann die Stromzuführung 31 einer gewaltigen
Beschleunigung ausgesetzt sein, die bei hoher Geschwindigkeit Werte
von mehreren Hundert g (beispielsweise 360 g bei 120 km/h) erreichen
kann. Wenn die Lademasse 312 dieser Beschleunigung, die
im Wesentlichen längs
der Richtung E in 3a und 3b gesichtet
ist, ausgesetzt wird, wird sie aus einer ersten Gleichgewichtsposition,
in der das piezoelektrische Element 313 praktisch orthogonal zur
Radialrichtung des Reifens ist, zu den Innenwänden des Gehäuses 311 in
einem Ausmaß weggedrückt, das
von der Federwiderstandskennlinie des piezoelektrischen Elements 313 und
von der Größe der Lademasse 312 abhängt, wobei
ein maximales Ausmaß durch
den Spalt 314 begrenzt wird. Die Bewegung der Lademasse 312 verursacht
ein entsprechendes Biegen des piezoelektrischen Elements 313,
d. h. die Erzeugung einer elektrischen Ladung aufgrund des piezoelektrischen
Effekts. Bei dieser "statischen" Beschleunigung wird
jedoch die Erzeugung der elektrischen Ladung abrupt unterbrochen, sobald
die Lademasse eine zweite Gleichgewichtslage erreicht, die innerhalb
des Spaltes 314 oder an den Innenwänden des Gehäuses 311 liegen
kann, was von dem Beschleunigungswert, d. h. der Reifendrehzahl,
abhängt.
Je größer die
Drehzahl ist, desto weiter ist die zweite Gleichgewichtsposition
von der ersten Gleichgewichtsposition entfernt, wobei, wie vorstehend
erwähnt,
dies bis zu einem Maximum geht, das von dem Spalt 314 begrenzt
ist.
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Während des
vorstehend erwähnten
zweiten Bruchteils einer vollständigen
Reifenumdrehung, d. h. während
des Durchgangs des Laufflächenbereichs,
der dem Reifenabschnitt entspricht, mit dem die Stromversorgung 31 verbunden
ist, in dem Kontaktbereich mit dem Boden, kann andererseits die
Lademasse 312 um die erste Gleichgewichtsposition aufgrund
der Tatsache frei schwingen, dass die Beschleunigung auf im Wesentlichen
null fällt,
so dass keine Kraft mehr wirkt, um die Lademasse 312 in
der zweiten Gleichgewichtsposition zu halten. Die Schwingungen der
Lademasse 312 veranlassen ein entsprechendes Biegen des
piezoelektrischen Elements 313, d. h. die Erzeugung von
elektrischer Ladung aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Diese Schwingungen
können
eine große
Menge an elektrischer Ladung abhängig
von dem Ausmaß der Schwingung
und dem Dämpfungseffekt
liefern, der sich aus den Dämpfungseigenschaften
des piezoelektrischen Elements 313 ergibt. Sobald jedoch
der Durchgang in der Aufstandsfläche
aufhört,
verursacht die Zentrifugalbeschleunigung ein Zwangsanhalten der
Schwingungen, wobei die Lademasse in der zweiten Gleichgewichtsposition
positioniert wird, sowie ein entsprechendes Unterbrechen der Erzeugung
von elektrischer Ladung.
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Die
Gesamtmenge an erzeugter elektrischer Ladung in dem zweiten Bruchteil
einer vollständigen Reifenumdrehung
ist das Ergebnis vieler Effekte, von denen einige gegeneinander
wirken, nämlich
- a) bei niedriger Geschwindigkeit ist der Umfang der
Schwingung ziemlich gering, jedoch ist jeder Durchgang unter der
Kontaktfläche
ziemlich lang, so dass eine hohe Anzahl von Schwingungen (d. h.
Verformungen des piezoelektrischen Elements 313) erreicht
werden kann, wenn die durch das piezoelektrische Element 313 aufgeprägte Dämpfung geeignet
gewählt
wird, während
- b) bei hoher Geschwindigkeit der Umfang der Schwingung größer ist,
wobei ein Maximum durch den Spalt 314 begrenzt wird, jedoch
jeder Durchgang unter der Berührungsfläche eine
bezogen auf den obigen Fall a) geringere Dauer hat, so dass die
Anzahl von Schwingungen geringer ist, trotzdem in einem gegebenen
Zeitintervall die Anzahl von Durchgängen unter der Berührungsfläche bezogen
auf den Fall a) größer ist,
so dass man eine Kompensation erhalten kann, die der geringeren
Dauer eines jeden Durchgangs entgegenwirkt.
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Das
vorstehend erläuterte
Verhalten des piezoelektrischen Elements 313, das mit der
Lademasse 312 verbunden ist, bezieht sich auf einen so
genannten "ersten
harmonischen" Beitrag
der Beschleunigung, der die Stromversorgung 31 ausgesetzt
ist, d. h. einen Beitrag, der einmal pro Reifenumdrehung auftritt.
Die einem solchen Beitrag zugeordnete. Frequenz kann in ei nem Niederfrequenzbereich
von 0 Hz bis wenige 10 Hz, abhängig
von der Reifendrehgeschwindigkeit (beispielsweise etwa 20 bis 25
Hz für
einen Pkw-Reifen bei einer Geschwindigkeit von etwa 150 km/h), entsprechend
der Anzahl von Durchgängen
des der Stromversorgung 31 zugeordneten Reifenabschnitts
unter der Aufstandsfläche in
einer Sekunde variieren. Aufgrund eines derart geringen Frequenzbeitrags
kann eine "gepulste" Erzeugung elektrischer
Ladung als Ergebnis des "impulsförmigen" Schwingungsverhaltens
des piezoelektrischen Elements 313 erhalten werden, wobei
die "Impulsfrequenz" von der Reifendrehgeschwindigkeit abhängt.
-
Jedoch
hat die tatsächliche
Beschleunigung, der die Stromversorgung 31 in Radialrichtung
ausgesetzt ist, auch Komponenten in Frequenzbereichen, die höher als
die vorstehend erwähnten
sind, wie aus dem Vorhandensein der Welligkeit zu sehen ist, die das
in 4 gezeigte radiale Beschleunigungsprofil hat.
Diese Hochfrequenzkomponenten haben ihre Ursache in harmonischen
Beiträgen
höherer
Ordnung, d. h. in Vorgängen,
die mehr als einmal pro Reifenumdrehung auftreten. Beispielsweise
kann sich ein harmonischer Beitrag höherer Ordnung durch die Interaktion
von die Reifenlauffläche
bildenden Blöcken
mit der Straße
einstellen. Andere harmonische Beiträge höherer Ordnung können sich aus
Vibrationsformen des gesamten Reifenaufbaus infolge der Übertragung
von Verformungen ergeben, denen der Reifen unter der Aufstandsfläche für die Reifenabschnitte
außerhalb
der Aufstandsfläche ausgesetzt
ist. Weitere Hochfrequenzbeiträge
können
durch die Interaktion von kleineren Laufflächenabschnitten mit der Straße verursacht
werden, die von der Körnigkeit
des Bodens (beispielsweise Asphalt) abhängen, auf dem der Reifen abrollt.
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5 zeigt
beispielsweise das Ergebnis einer Fourier-Transformation eines Radialbeschleunigungssignals,
das von einem Beschleunigungsmesser erhalten wird, der an der Innenauskleidung
eines Reifens (Pirelli P7 195/65 R15, aufgepumpt auf 2,2 bar) befestigt
ist, der mit einer Drehgeschwindigkeit von 80 km/h für mehrere
Umdrehungen rollt. 5 zeigt unterschiedliche, aufeinander
angeordnete Kurven, von denen jede in Beziehung zu dem Beschleunigungssignal
steht, das bei einer einzigen Umdrehung erhalten wird. Auf der Abszisse
ist die Frequenz (in Hz) der unterschiedlichen Beschleunigungskomponenten
aufgetragen, während
auf der Ordinate die Summe von möglichen
unterschiedlichen Beiträgen bei
der gleichen Frequenz (in willkürlichen
Einheiten) aufgetragen ist. Man sieht, dass ein größerer Beitrag für Frequenzen
bis zu etwa 200 Hz erhalten wird. Die Kurven, die den verschiedenen
Reifenum drehungen entsprechen, sind in diesem ersten Frequenzbereich entsprechend – nach der
Anmelderin – dem
Verhalten gut darübergelegt,
das in der Praxis nur auf den Reifenaufbau bezogen ist, d. h. auf
die Reaktion des Reifenaufbaus auf die Beanspruchung, die durch
das Rollen auf dem Boden aufgeprägt
wird, und nicht auf externe Faktoren (wie beispielsweise die Art
des Asphalts, auf dem der Reifen rollt). Bei einer niedrigeren Geschwindigkeit
hat der erste Frequenzbereich eine geringere Breite, und dementsprechend
tritt die in 5 gezeigte Spitze bei einer
niedrigeren Frequenz (beispielsweise etwa 50 Hz bei 40 km/h) auf.
Bei höheren
Frequenzen werden die Beiträge
immer weniger und zeigen ein willkürliches Verhalten, das durch die
zunehmende Dehnung der verschiedenen Kurven dargestellt wird, die
für Frequenzen
von mehr als 200 bis 400 Hz, möglicherweise
aufgrund des Rollens auf Straßen
mit unterschiedlichen Bedingungen, sichtbar wird. Die unterschiedlichen
Frequenzkomponenten der Radialbeschleunigung können andere Beiträge für die Verformungen
des piezoelektrischen Elements 313 neben den Verformungen
liefern, die durch die vorstehend erwähnten ersten harmonischen Beiträge erhalten
werden.
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Zum
Vergleich zeigt 6 die Frequenzkennlinie eines
beispielsweisen piezoelektrischen Elements 313, das einer
Lademasse 312 zugeordnet ist. Die Abmessungen und das Material
des piezoelektrischen Elements 313 sind so gewählt, dass
man eine Steifigkeit k von etwa 4800 N/m erhält. Die mit "m" bezeichnete Lademasse 312 war
auf etwa 0,96 g bemessen. Um die Frequenzkennlinie zu erhalten, wurde
das Gehäuse
mit dem der Lademasse zugeordneten piezoelektrischen Element auf
einer Schütteleinrichtung
angeordnet, die von einer Steuerelektronik angetrieben wurde, die
eine gepulste Erregungskraft an die Schütteleinrichtung in einem Frequenzbereich
zwischen 0 Hz und 1000 Hz anlegte. Die Bewegung der Schütteleinrichtung
verursachte Oszillationen der Lademasse und des piezoelektrischen
Elements mit der daraus folgenden Erzeugung von elektrischer Ladung. 6 zeigt
die Transferfunktion Spannung/Beschleunigung (ausgedrückt in Einheiten
von g) über
der Frequenz der Erregungskraft. Aus 6 ist zu
sehen, dass sich eine Resonanzspitze des von dem piezoelektrischen
Element und der Lademasse gebildeten Aufbaus zwischen 300 Hz und
400 Hz einstellt, d. h. ziemlich weit entfernt von der in 5 gezeigten
Spitze. Dies bedeutet, dass in der Praxis während des Abrollens des Reifens
die Erregungskraft, die von dem Reifen auf die Stromversorgung 31 übertragen
wird, welche das kragarmartige piezoelektrische Element 313 aufweist,
im Wesentlichen keine Resonanzschwingung des piezoelektrischen Elements 313 verursachen kann.
Diese Tatsache ist wichtig, um das Auftreten von Rissen in dem piezoelektrischen
Material zu verringern, die durch fortlaufende große Schwingungen des
piezoelektrischen Elements 313 bei daraus folgender Verringerung
des Wirkungsgrads der Stromversorgung 31 oder im schlimmsten
Fall bei einem frühen
Bruch des piezoelektrischen Elements 313 verursacht werden
könnten.
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Auch
wenn keine Resonanz eintritt, ist das piezoelektrische Element 313 immer
durch die Komponenten der Radialbeschleunigung erregt, die eine Frequenz
haben, die höher
als die Frequenz der "ersten
Harmonischen" ist.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass, wenn der Reifen mit geringer
Geschwindigkeit rollt, d. h. wenn die von der Reifendrehung erzeugte
Zentrifugalbeschleunigung nicht so stark ist, um praktisch alle
anderen Frequenzkomponenten der Radialbeschleunigung auszulöschen, die
Lademasse 312, die dem piezoelektrischen Element 313 zugeordnet
ist, um die vorstehend erwähnte
zweite Gleichgewichtsposition herum oszilliert, d. h. die Position,
die von der Lademasse erreicht wird, wenn sie durch die Zentrifugalbeschleunigung
gedrückt
wird. Eine solche Oszillation aufgrund der "Hochfrequenz"-Komponenten
(d. h. Komponenten aufgrund harmonischer höherer Ordnung und/oder Komponenten
aufgrund einer Interaktion zwischen Reifenlaufflächen und Straße) ist
für die
Erzeugung von elektrischer Ladung durch den piezoelektrischen Effekt
sehr günstig.
Aufgrund derartiger Oszillationen wird tatsächlich ein kontinuierlicher
Fluss elektrischer Ladung während
des vorstehend erwähnten
ersten Bruchteils einer vollständigen
Umdrehung des Reifens erzeugt (d. h. des Abschnitts außerhalb
der Aufstandsfläche),
der summiert zu der elektrischen Ladung, die während des vorstehend erwähnten zweiten
Bruchteils einer vollständigen
Reifenumdrehung (d. h. der Aufstandsfläche) erzeugt wird, zur Bildung einer "kontinuierlichen" Erzeugung von elektrischer Ladung
während
der ganzen Reifenumdrehung beiträgt.
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Wie
erwähnt,
tritt ein solches Verhalten bei niedriger Geschwindigkeit auf. Bei
höherer
Geschwindigkeit wird die entwickelte Zentrifugalbeschleunigung so
stark bezogen auf die anderen, die Radialbeschleunigung bildenden
Komponenten, dass die Lademasse 312 gegen die Innenwände des Gehäuses 313 gedrückt wird
und jede Bewegung von ihr praktisch unterbunden wird. In dieser
Situation wird dennoch in dem zweiten Bruchteil der Reifenumdrehung
elektrische Ladung erzeugt.
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7 und 8 zeigen
dieses unterschiedliche Verhalten der Stromversorgung 31.
Insbesondere zeigen beide Figuren die Spannung über der Zeit erzeugt von einer
Stromversorgung, die mit einem elastomeren Heftpflaster an der Innenauskleidung
eines Reifens befestigt ist, wobei die Stromversorgung dadurch gebildet
wird, dass eine bimorphe Platte aus piezoelektrischem Material (PZT)
mit einer Breite von 5 mm, einer Länge von 11 mm und einer Gesamtdicke
von 0,46 mm in einem Kunststoffgehäuse verwendet wird, das eine
Breite von 7 mm, eine Länge
von 13 mm und eine Höhe
von 7 mm sowie eine Dicke von 0,5 mm hat. An dem freien Ende der
piezoelektrischen Platte war eine Lademasse von 0,97 g befestigt.
In Radialrichtung verblieb zwischen den Innenwänden des Gehäuses und
der Außenfläche der
Lademasse ein Spalt von 250 μm
(125 μm
+ 125 μm).
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7 zeigt
die Spannung über
der Zeit, die mit einer solchen Stromversorgung erhalten wird, wenn
der Reifen mit 20 km/h dreht. Es sind drei starke Spannungsschwingungen
ersichtlich, die den Durchgängen
des der Stromversorgung zugeordneten Laufflächenbereichs unter der Aufstandsfläche bei
darübergelegtem
Kontinuum kleinerer Spannungsoszillationen entsprechen, die sich über das ganze
Zeitintervall erstrecken. Die Spannungsoszillationen ergeben sich
deutlich aufgrund tatsächlicher Oszillationen
der piezoelektrischen Platte, die sowohl dann auftreten, wenn der
Laufflächenbereich,
der dem Reifenabschnitt zugeordnet ist, der der Stromversorgung
zugeordnet ist, sich außerhalb
der Aufstandsfläche
befindet, als auch wenn der Laufflächenbereich, der dem Reifenabschnitt
entspricht, der der Stromversorgung zugeordnet ist, sich innerhalb der
Aufstandsfläche
befindet.
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8 zeigt
die Spannung über
der Zeit, was durch die Stromversorgung erhalten wird, wenn der Reifen
mit 50 km/h dreht. Die Anzahl der starken Spannungsschwingungen
nimmt aufgrund der höheren
Drehgeschwindigkeit zu. Jedoch sind die kleineren Spannungsoszillationen
praktisch verschwunden, so dass das erzeugte Spannungssignal einem Impulssignal
mit voneinander getrennten Bursts ähnlich ist. In diesem zweiten
Fall wird die elektrische Ladung praktisch nur dann erzeugt, wenn
der Laufflächenbereich,
der dem Reifenabschnitt entspricht, dem die Stromversorgung zugeordnet
ist, innerhalb der Aufstandsfläche
liegt.
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Ein ähnliches
Ergebnis wird von 9, 10 und 11 gezeigt,
die das Ergebnis einer Simulation darstellen, die von der Anmelderin
mit einem herkömmlichen
Computer-Simulationsgerät ausgeführt wurde.
Bei der Simulation wurde ein Modell in Betracht gezogen, das die
kragarmförmige
piezoelektrische Stromversorgung darstellt, die vorstehend anhand
von 7 und 8 beschrieben wurde und an der
Innenfläche
eines Reifens angeordnet ist. Als die die Strom versorgung erregenden
Beschleunigungen wurden Beschleunigungsprofile in Betracht gezogen,
die tatsächlichen
radialen Beschleunigungssignalen entsprechen, die aus Messungen
erhalten wurden, die bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten mit
einem Beschleunigungsmesser ausgeführt wurden, der sich an der
Innenfläche
eines Reifens befand.
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In 9 stellt
die Kurve 91 einen Teil des Beschleunigungsprofils über der
Zeit dar, das für
die Simulation bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h verwendet wurde.
Die Kurve 92 stellt die berechnete Verschiebung über der
Zeit dar, die der Massenschwerpunkt aus piezoelektrischem Element
plus Lademassenaufbau erfährt.
Die gerade Linie 93 stellt die maximal zulässige Verschiebung
in eine Richtung dar, d. h. eine Hälfte des Spaltes. Die auf der
y-Achse von 9 aufgetretenen Werte beziehen
sich auf die Verschiebungswerte und sind als willkürliche Einheiten
für die
Beschleunigungskurve 91 anzusehen. Wie durch die Kurve 92 zu
ersehen ist, werden von der der Lademasse zugeordneten piezoelektrischen Platte
fortgesetzte Oszillationen um eine zweite Gleichgewichtsposition
herum ausgeführt,
die von der ersten Gleichgewichtsposition aus verschoben ist, die
durch den Ordinatenwert "0" dargestellt wird, d.
h. der Gleichgewichtsposition, die die piezoelektrische Platte einnimmt,
wenn der Reifen stationär
ist. Die zweite Gleichgewichtsposition wird durch den Schwerpunkt
erreicht, der der während
der Drehung erzeugten Zentrifugalbeschleunigung unterliegt. 9 zeigt
sowohl Schwingungen kleineren Grads als auch Schwingungen höheren Grads.
Die Schwingungen höheren
Grads entsprechen dem Durchgang des Laufflächenbereichs, der dem Reifenabschnitt entspricht,
der der Stromversorgung zugeordnet ist, unter der Aufstandsfläche, d.
h. wenn die Kurve 91 einen Wert von im Wesentlichen null
erreicht. Die Schwingungen kleineren Grades sind praktischerweise
vorhanden und alle der Kurve 92 überlagert. Festzustellen ist
auch, dass während
der Oszillationen höheren
Grads der Schwerpunkt auf die gerade Linie 93 "trifft", was dem tatsächlichen
Auftreffen der Lademasse auf die Innenwände des Stromversorgungsgehäuses entspricht.
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In 10 stellt
die Kurve 101 einen Teil des Beschleunigungsprofils über der
Zeit dar, das für
die Simulation bei einer Geschwindigkeit von 80 km/h verwendet wurde.
Die Kurve 102 stellt die berechnete Verschiebung über der
Zeit dar, die der Schwerpunkt aus piezoelektrischem Element plus
Lademassenaufbau erfährt.
Die gerade Linie 93 stellt weiter die maximal zulässige Verschiebung
in eine Richtung dar, d. h. eine Hälfte des Spaltes. Die auf der
y-Achse von 10 aufgetragenen
Werte beziehen sich auf Verschiebungswerte und sind als willkürliche Einheiten
für die
Beschleunigungskurve 101 anzusehen. Wie aus der Kurve 102 zu
sehen ist, werden von der piezoelektrischen Platte, die der Lademasse
zugeordnet ist, ausgehend von der maximal zulässigen Verschiebung beim Durchgang
des Laufflächenbereichs,
der dem Reifenabschnitt entspricht, der der Stromversorgung zugeordnet
ist, unter der Aufstandsfläche
impulsförmige
Oszillationen ausgeführt, d.
h. wo die Kurve 101 einen Wert von im Wesentlichen null
erreicht. 11 zeigt einen vergrößerten Abschnitt
von 10. Wie aus 11 zu
sehen ist, liegt die Kurve 102 anfänglich über der Linie 93 entsprechend
einer Positionierung der Lademasse an den Innenwänden des Gehäuses. Wenn
die Radialbeschleunigung (Kurve 101) abnimmt, beginnt die Lademasse
um die erste Gleichgewichtsposition (Ordinatenwert null in 11)
frei zu schwingen, was durch die starke Oszillation der Kurve 102
im zentralen Abschnitt von 11 dargestellt
it. Wenn die Radialbeschleunigung zunimmt, wird die Lademasse gegen
die Innenwände
des Gehäuses
gedrückt,
was nach einer Reihe von Stößen gegen
die Innenwände des
Gehäuses
zum Abschluss kommt, wie es durch die gedämpften Schwingungen der Kurve 102 im rechten
Teil von 11 gezeigt ist.
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Die
Anmelderin hat erkannt, dass es mit einer Stromversorgung, die wie
in 3a und 3b hergestellt
und mit einem Reifenabschnitt in Übereinstimmung mit einem Laufflächenbereich
gekoppelt ist, wie vorstehend erläutert, wenn die unterschiedlichen
Komponenten (Material des piezoelektrischen Elements, Abmessungen,
Anzahl der piezoelektrischen Schichten, Lademassenwert, Spalt) so
bemessen sind, dass eine im Wesentlichen fortlaufende Erzeugung
elektrischer Ladung bei einem mit geringer Geschwindigkeit drehenden
Reifen und eine im Wesentlichen gepulste Erzeugung elektrischer
Ladung bei einem mit hoher Geschwindigkeit drehenden Reifen erhalten
wird, möglich
ist, eine ausreichende elektrische Leistung zur Versorgung üblicher Sensoreinrichtungen
zu erreichen, die in einem Reifen zum Überwachen seiner charakteristischen
Parameter eingebaut werden. Insbesondere kann eine große Menge
elektrischer Ladung bei niedriger Geschwindigkeit aufgrund der im
Wesentlichen kontinuierlichen Oszillation des piezoelektrischen
Elements erhalten werden. Dies ist in dem Diagramm von 12 gezeigt,
in welchem drei Kurven dargestellt sind, die in einer Reihe von
Versuchen erhalten wurden, die die Anmelderin ausgeführt hat.
Die drei Kurven von 12 zeigen die in einem Kondensator
von 100 μF
gespeicherte elektrische Energie, der (über eine Gleichrichterdiodenbrücke) mit
der beispielsweisen Stromversorgung verbunden ist, die vorstehend anhand
von 7 und 8 über der Zeit beschrieben ist.
Quer über
den Kondensator ist ein Ladewiderstand von 3,3 MΩ angeschlossen. Die Stromversorgung
war an einer Schütteleinrich tung
angeordnet, an die tatsächliche
Beschleunigungssignale angelegt wurden, die aus einem Reifen erhalten
wurden, der mit einer Geschwindigkeit von 20 km/h, 40 km/h und 60
km/h drehte. Wie zu sehen ist, wird eine größere Menge elektrischer Energie
in dem Kondensator bei einer Geschwindigkeit von 20 km/h in einem gegebenen
Zeitintervall in Bezug auf diejenige bei 40 oder 60 km/h in dem
gleichen Zeitintervall gespeichert. Ferner wird eine größere Menge
elektrischer Energie in einem gegebenen Zeitintervall bei einer Geschwindigkeit
von 60 km/h bezogen auf die bei 40 km/h gespeichert, da die Frequenz
der gepulsten elektrischen Ladungserzeugungen bei 60 km/h größer ist.
-
Die
Anmelderin hat auch eine hohe Betriebssicherheit der Stromversorgung
verwirklicht. Die Anmelderin ist der Auffassung, dass dies von der
Tatsache abhängt,
dass bei niedriger Geschwindigkeit das piezoelektrische Element
erregt wird und in einem geringen Ausmaß für den Großteil der Zeit schwingt, während große Schwingungen,
die auftreten, wenn der Reifenabschnitt, der der Stromversorgung
zugeordnet ist, unter der Aufstandsfläche hindurchgeht, mit einer
geeigneten Abmessung des Spalts zwischen den Innenwänden des
Gehäuses
und der Außenfläche der
Lademasse begrenzt werden können. Dadurch
kann eine starke Reduzierung des Auftretens von Rissen und Brüchen in
dem piezoelektrischen Material erreicht werden. Der genaue Geschwindigkeitswert,
bei dem das Verhalten der Stromversorgung von einer "kontinuierlichen
Erzeugung elektrischer Ladung" in
eine "gepulste Erzeugung
elektrischer Ladung" übergeht,
hängt von
den genauen Abmessungen der die Stromversorgung bildenden Komponenten
ab. Vorteilhafterweise kann die Bemessung der verschiedenen Komponenten
so durchgeführt
werden, dass eine Verhaltensänderung der
Stromversorgung zwischen mittleren Geschwindigkeiten ausgeführt werden
kann, vorzugsweise zwischen 30 km/h und 70 km/h, und besonders bevorzugt
zwischen 40 km/h und 60 km/h. Zur Reduzierung des Auftretens von
Resonanzfällen
bei der Stromversorgung können
vorteilhafterweise die verschiedenen Komponenten der Stromversorgung
so dimensioniert werden, dass eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen
Elements plus Lademassenaufbau von größer als 150 Hz, vorzugsweise
größer als
200 Hz und besonders bevorzugt von größer als 300 Hz erhalten wird.
Die Anmelderin ist der Auffassung, dass eine solche Auswahl es ermöglicht,
die Betriebssicherheit der Stromversorgung weiter zu steigern, da
große
Resonanzschwingungen des piezoelektrischen Elements während der
Reifendrehung bei jedem praktischen Geschwindigkeitszustand im Wesentlichen
vermieden werden.
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Beispielsweise
bevorzugte Bereiche für
eine Stromversorgung unter Verwendung einer bimorphen PZT-piezoelektrischen
Platte zur Erzielung der vorstehend erläuterten Leistung können die
folgenden sein:
- – Länge der PZT-Platte 8 bis 18
mm,
- – Breite
der PZT-Platte 3 bis 18 mm,
- – Gesamtdicke
der bimorphen Platte 0,30 bis 1,20 mm,
- – Lademasse
0,05 bis 3 g und
- – Spalt
50 bis 400 μm.
-
Unter
spezieller Bezugnahme auf die Lademassengröße ist zu erwähnen, das
eine geringe Größe der Lademasse
eine Steigerung der Resonanzfrequenz von piezoelektrischem Element
plus Lademassenaufbau erlaubt. Ferner lässt eine geringe Größe der Lademasse
die Reduzierung einer Unwucht zu, die durch die Reifendrehung aufgrund
des Vorhandenseins der Stromversorgung verursacht wird. Darüber hinaus
erlaubt eine geringe Größe der Lademasse,
das Auftreten von Rissen und Brüchen in
den Stromversorgungsgehäusen
zu verringern, die durch Stöße gegen
die Innenwände
während
der Oszillation verursacht werden. Eine zu geringe Größe der Lademasse
erlaubt jedoch kein ausreichendes Biegen des piezoelektrischen Elements,
was eine unzureichende Erzeugung elektrischer Ladung zur Folge hat.
Eine Anweisung für
die Dimensionierung der Stromversorgung könnte darin bestehen, eine Lademassengröße m zu
wählen,
die ausreicht, um eine Unwucht des Reifens während der Drehung im Wesentlichen
zu vermeiden (beispielsweise eine Masse von weniger als 3 g), eine
Resonanzfrequenz f
r für das piezoelektrische Element
plus dem Lademassenaufbau auszuwählen
(beispielsweise höher als
150 Hz) und dann die Abmessungen des piezoelektrischen Elements
von seiner Steifigkeit k abzuleiten, die durch Umkehren der folgenden
bekannten Beziehung berechnet wird:
