DE69112183T2 - Passive Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Fahrzeugreifens und zur Messung der Rotationsparameter des Rades. - Google Patents

Passive Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Fahrzeugreifens und zur Messung der Rotationsparameter des Rades.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es gestattet, einerseits den Reifenbetriebszustand der Reifen von wenigstens einem Fahrzeugrad zu überwachen und andererseits die Umdrehungskenngrößen, z.B. die Drehzahl, die Winkelbeschleunigung usw. des Rades zu messen.
  • Eine derartige Vorrichtung kann bei zahlreichen Arten von Fahrzeugen verwendet werden, die mit Luftreifen aufweisenden Rädern ausgerüstet sind. Als Beispiele kann man Automobile, Straßentransportfahrzeuge, Waggons der untergrundbahn und Fahrwerke von Flugzeugen anführen.
  • Tatsächlich ist es beim Betrieb solcher Fahrzeuge von Interesse, nicht nur die Umdrehungskenngrößen der Räder zu kennen, mit denen sie ausgerüstet sind, sondern auch den Betriebszustand der Luftreifen dieser Räder, um zur Aufrechterhaltung der Fahrzeugsicherheit und demzufolge der Sicherheit der Benutzer insbesondere zu geringen Luftdruck und Überhitzung der Reifen zu vermeiden.
  • Aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 117 172 ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines zu geringen Reifendruckes und zum Messen des kinetischen Zustands des Rades eines Fahrzeuges bekannt. Die Vorrichtung umfaßt ein Zahnrad, das gemeinsam mit dem Rad umläuft und dessen Zähne aus einem unmagnetischen und elektrisch leitenden Material hergestellt sind, unter Ausnahme eines Zahnes, der aus einem nichtleitenden Material hergestellt ist, das eine leitende Spule trägt (und) einen stillstehenden Elektromagnet, der den Aufnehmer bildet und in welchem die axial orientierten Zähne des Zahnrades ein Signal erzeugen, das von einem Rechner verarbeitet wird. Die leitende Spule kann dem Füllzustand des Luftreifens entsprechend kurzgeschlossen sein oder offene Klemmen haben.
  • Darüber hinaus ist aus der französischen Patentanmeldung 2 420 439 eine Vorrichtung zur Reifendrucküberwachung bekannt, die einen Zahnring aufweist, dessen Zähne axial ausgerichtet sind. Dem Zahnring ist ein Kolbenmechanismus zugeordnet, dessen Tätigwerden von dem Reifendruck abhängt. Wenn der Luftreifen zu wenig aufgepumpt ist, ermöglicht es der Mechanismus, mittels eines Kolbens, einem Stiftende den Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen des Zahnringes derart auszufüllen, daß das in dem Aufnehmer induzierte Signal eine Unregelmäßigkeit aufweist, wenn dieser vor dem Ende des Stiftes vorbeiläuft.
  • Nach einem Artikel von J. Mayfield "Cockpit Display of Aircraft Tire Pressure", veröffentlicht in der Zeitschrift "Aviation Week and Space Technology", 7. Mai 1979, New York, USA, Seiten 46 bis 54, kann man zur Anzeige des Reifendruckes eine Erregerspule und eine Induktionsspule verwenden, die relativ zueinander umlaufen.
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, gleichzeitig den Betriebszustand der Bereifung eines Rades zu überwachen, z.B. den Druck und oder die Temperatur, sowie die Umdrehungskenngrößen des Rades zu messen, z.B. die Drehzahl und die Winkelbeschleunigung, und dies auf eine einfache und kostengünstige Weise.
  • Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung ein Geberelement, das mit dem umlaufenden Teil der Radnabe (Radlagerung) fest verbunden ist, ein Mittel zum Überwachen des Reifenbetriebszustands des umlaufenden Rades, wobei das Mittel die Charakteristik des Geberelementes gemäß dem Wert eines vorbestimmten Parameters des Reifenbetriebszustands verändern kann, sowie ein ortsfestes Aufnehmerelement, das mit dem Geberelement zur Abgabe eines Signals an einen Rechner zusammenwirkt, um damit Informationen zum einen über die Umdrehungskenngrößen des Rades und zum anderen über den Reifenbetriebszustand zu übermitteln.
  • Gemäß der Erfindung ist das Geberelement durch einen mehrpoligen magnetischen Ringe dessen mit unterschiedlicher Polarität magnetisierte Segmente gleichmäßig und alternierend längs des Umfangs verteilt sind, und durch eine Erregerspule gebildet, die auf dem sich drehenden Teil der Radnabe koaxial zu dem mehrpoligen Ring montiert und von einem elektrischen Strom durchflossen ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich dem von dem mehrpoligen Ring erzeugten Magnetfeld in der Höhe des Aufnehmerelementes überlagert, wobei die Amplitude des in dem Aufnehmerelement induzierten und dem von der Erregerspule erzeugten Magnetfeld entsprechenden Signals direkt von dem jeweils überwachten Parameter abhängt.
  • Der mit einem umlaufenden Element der Radnabe (Radlagerung) fest verbundene mehrpolige Ring kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, die dazu geeignet sind, eine mehrpolige permanente Magnetisierung zu erhalten. Die ausgewählten Materialien können hart sein, z.B. Metallegierungen, oder nachgiebig, z.B. Kunststoff oder Elastomer, die mit einem magnetisierbaren Pulver gefüllt sind. Die große Auswahlmöglichkeit der Materialien erleichtert zum Unterschied von den oben erwähnten herkömmlichen starren Zahnrädern beträchtlich die Integration des entsprechenden mehrpoligen Ringes in mechanische Untereinheiten, die häufig kleine Abmessungen aufweisen.
  • Erfindungsgemäß weist das stillstehende Aufnehmerelement eine ringförmige Induktions-Empfängerspule und ein ringförmiges Magnetflußleitelement auf, das koaxial zu dem mehrpoligen Ring angeordnet ist und das einen U-förmigen Querschnitt aufweist, bei dem die Endabschnitte der beiden Schenkel einen ringförmigen Raum bilden, in welchem der mehrpolige Ring umläuft. Die Induktionsspule ist vorzugsweise auf dem Grund des U-förmigen Querschnitts des Flußleitelementes angeordnet, so daß sie dem mehrpoligen Ring gegenüberliegt.
  • Vorteilhafterweise ist wenigstens einer der Endabschnitte der Schenkel des U-förmigen Querschnittes des Flußleitelementes mit durch Materialausnehmungen längs des Umfangs gleichmäßig beabstandeten Zähnen versehen, derart, daß die Zähne gleichgerichtete Magnetfeldlinien durch die Induktionsspule hindurch konzentrieren und führen können.
  • Auf diese Weise liegen alle Zähne, falls ein einziger Schenkel des U mit Zähnen versehen ist, in jedem Augenblick magnetisierten Segmenten gegenüber, deren magnetische Polarität jeweils gleich ist. Wenn beide Schenkel des U Zähne aufweisen, sind die Zähne derart paarweise angeordnet, daß zwei Pole mit umgekehrten Vorzeichen eines magnetisierten Segmentes des mehrpoligen Ringes jeweils zwei Zähnen des Flußleitelementes gleichzeitig gegenüberliegen.
  • Das Magnetflußleitelement ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
  • Die Erregerspule kann mittels einer Stromquelle (in der Zeichnung nicht dargestellt) ständig mit elektrischem Wechselstrom versorgt sein, wobei dann die nominale Amplitude des auf diese Weise erzeugten Magnetfeldes in der Höhe des Aufnehmerelementes proportional zu dem Wert des oder der überwachten Parameter(s) ist. Die Frequenz des Wechselstroms liegt vorzugsweise außerhalb des Frequenzbereichs der Magnetfeldänderungen, die von dem mehrpoligen Ring erzeugt werden. Wenn mehrere Parameter gleichzeitig überwacht werden, ist die Erregerspule in genausoviele unabhängige Teile wie zu überwachende Parameter unterteilt, wobei jeder Teil von einer Wechselstromquelle gespeist wird. Die Frequenzen des Stromes sind dann voneinander verschieden gewählt.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Erregerspule nur dann mit elektrischem Wechselstrom gespeist, wenn der Wert des überwachten Parameters in Bezug auf einen kritischen Schwellenwert als nicht normal betrachtet wird.
  • Es ist möglich, mehrere elektrische Stromquellen vorzusehen, die jeweils mit der Erregerspule und mit einem bestimmten Aufnehmer zur Erfassung eines bestimmten Parameters verbunden sind, um gleichzeitig z.B. den Druck und die Temperatur des Reifens zu überwachen.
  • Der mit dem Aufnehmerelement, d.h. der Induktionsspule, verbundene elektronische Rechner verfährt bei der Analyse des Signals in an sich bekannter Weise, um daraus die Informationen über die Raddrehzahl und deren Veränderungen sowie die in dem Luftreifen gemessenen Parameter ableiten zu können.
  • Auf diese Weise kann man z.B. entweder die Überwachung des Reifendrucks oder die Temperatur des Reifens oder die beiden gleichzeitig auswählen.
  • Die Erfindung ist besser durch das Lesen der aus führlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu verstehen, das in keiner Weise einschränkend gemeint und in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist, in der:
  • Fig. 1 einen axialen Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, mit der ein nicht dargestelltes Rad ausgerüstet ist und die einen mehrpoligen Ring mit radialer Magnetisierung aufweist;
  • Fig. 2a, 2b und 2c in der Empfängerspule der Erfindung induzierte elektrische Signale zeigen;
  • und Fig. 3, 4 und 5 drei Arten von Magnetisierung in radialer, in axialer Richtung und in Umfangsrichtung des mehrpoligen Ringes gemäß der Erfindung angeben.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Vorrichtung zum Überwachen des Reifenbetriebszustands eines Fahrzeugrades und zum Messen der Umdrehungskenngrößen des Rades erfindungsgemäß auf einem Wälzlager 1 angeordnet, das einen umlaufenden Außenring 2 und zwei nicht umlaufende Innenteilringe 3, 4 (eines geteilten Innenringes) aufweist. Zwischen dem Außenring 2 und den beiden Innenhalbringen 3, 4 sind zwei in schräger Richtung berührende Kugelreihen 5, 6 angeordnet, die durch einen Käfig 7 in einem geeigneten Abstand voneinander gehalten sind. Der Außenring 2 kann mit der umlaufenden nicht dargestellten Radnabe fest verbunden oder ein Teil davon sein. Die Umdrehung des Rades bewirkt unmittelbar die Umdrehung des Außenringes 2 des Wälzlagers 1.
  • Die seitliche Abdichtung des Wälzlagers 1 ist auf einer Seite durch eine herkömmliche Dichtung 8 und auf der anderen Seite durch eine Dichtung 9 sichergestellt, die für die Montage des Aufnehmerelementes der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingerichtet ist. Zu diesem Zweck weist die Dichtung 9 einen Tragflansch 10 auf, vorzugsweise aus unmagnetischem Material, z.B. rostfreiem Stahl, der in dem Bohrungsraum des umlaufenden Außenringes 2 angeordnet und mit einem radialen Flansch 11 versehen ist, wobei ein mehrpoliger Ring 12 mit radialer Magnetisierung auf dem radialen Flansch 11 direkt oder mittels eines unmagnetischen Ringes 13 fest angeordnet ist, der z.B. aus einem Elastomer oder aus einem Kunststoff hergestellt ist.
  • Die Dichtung 9 weist außerdem einen ringförmigen Dichtring 14 auf, z.B. aus Kautschuk, der ein Aufsatzteil 15 reibschlüssig berührt, das den Teilring 4 umschließend angeordnet ist. Das Aufsatzteil 15 weist einen Kragen 16 auf, der mit einer Anzahl von Schlitzen 17 versehen ist.
  • Erfindungsgemäß besteht der mehrpolige Ring 12 aus einer Anzahl von magnetisierten Segmenten mit unterschiedlicher Polarität, die alternierend und in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen verteilt sind. Eine Erregerspule 12a ist auf dem Tragflansch 10 koaxial zu dem mehrpoligen Ring 12 angeordnet und mit einem Mittel zur Überwachung des Reifenbetriebszustands des nicht dargestellten Rades über eine Verbindung 12b elektrisch verbunden, wobei das Mittel zur Überwachung ein Druckschalter für den Druck oder ein Thermoschalter für die Temperatur sein kann. Sowohl der mehrpolige Ring 12 als auch die Erregerspule 12a werden einem drehfesten Aufnehmerelement 18 gegenüberliegend durch den umlaufenden Außenring 2 des Wälzlagers 1 in Umlauf versetzt.
  • Das Aufnehmerelement 18 umfaßt eine Induktionsempfängerspule 19 und ein Magnetflußleitelement 20, das aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist. Das Flußleitelement 20 weist eine ringförmige Gestalt mit U- förmigem Querschnitt auf. Das Flußleitelement 20 umschließt die Induktionsspule 19 am Grund des U, dessen Schenkel über die Spule 19 hinausragen, so daß sie dem Innenumfang und dem Außenumfang des mehrpoligen Ringes 12 gegenüberliegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der in radialer Richtung außen liegende Schenkel des U mit einer Anzahl von Zähnen 21 versehen, deren Breite ungefähr gleich der Breite in Umfangsrichtung eines magnetisierten Segmentes ist, wobei die Zähne 21 in Umfangsrichtung gleichmäßig so beabstandet sind, daß sie den magnetisierten Segmenten jeweils gleicher Polarität gleichzeitig gegenüberliegen.
  • Die aus der Induktionsspule 19 und dem Flußleitelement 20 gebildete Einheit ist vorteilhafterweise in einem Block 23 aus Kunstharz oder aus gießfähigem Kunststoff vergossen und elektrisch isoliert, um so das Aufnehmerelement 18 als Ganzes auszubilden.
  • Das Aufnehmerelement 18 ist mit einem Montagering 24 fest verbunden, der eine Anzahl von radialen Pratzen 25 aufweist, die dazu eingerichtet sind, in die Schlitze 17 des Aufsatzteiles 15 einzurasten, wobei die Pratzen 25 in der Öffnung des Ringes 24 angeordnet sind und in die Schlitze 17 von außen eindringen. Auf diese Weise kann das Aufnehmerelement 18 auf einfache Weise dem bereits an seinem Platz befindlichendem mehrpoligen Ring 12 gegenüberliegend angeordnet werden, wobei es die Verrastung des Montageringes 24 gestattet, bei der Montage Lageabweichungen zu verringern.
  • Die Induktionsspule 19 ist elektrisch mit Anschlußsteckkontakten 26 eines in dem Montagering 24 integrierten Anschlußkopfes 27 verbunden, um das von der Spule 19 abgegebene Signal zu einer externen Verarbeitungseinheit, die z.B. Teil einer Antiblockiereinrichtung für ein Automobilrad ist, zu übermitteln.
  • Erforderlichenfalls können zusätzliche Dichtmittel vorgesehen sein, um die Abdichtung gegenüber der Außenumgebung zu vervollkommnen. Als Beispiel ist in Fig. 1 eine Abwandlung gestrichelt dargestellt, bei welcher der Montagering 24 eine ringsumlaufende Randleiste 28 aufweist, die eine Dichtlippe 29 berührt, die Teil des Ringes 13 ist, der zur Befestigung des mehrpoligen Ringes 12 dient.
  • Der mehrpolige Ring kann eine Magnetisierung in radialer Richtung aufweisen, wie in dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel (Fig. 3), aber er kann auch eine Magnetisierung in axialer Richtung (Fig. 4) oder in Umfangsrichtung (Fig. 5) aufweisen. Zu diesem Zweck genügt es, das Aufnehmerelement 18 bezüglich des mehrpoligen Ringes 12 in geeigneter Weise radial oder axial so anzuordnen, daß die periodischen Magnetfeldänderungen bei in Umdrehung versetztem mehrpoligem Ring ausgenutzt werden können.
  • Die Fig. 2a bis 2c zeigen die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die es gestattet, einerseits die Drehzahl oder die Drehzahländerungen des Rades zu messen und andererseits den Reifenbetriebszustand des Rades zu überwachen.
  • In den Fig. 2a, 2b und 2c sind dargestellt die in der Induktionsspule 19 erzeugten elektrischen Signale, die von den Magnetfeldänderungen des mehrpoligen Ringes 12 bzw. von dem von der Erregerspule 12a erzeugten Magnetfeld hervorgerufen werden, wenn diese ständig mit einem Wechselstrom gespeist wird, und schließlich die resultierende Spannung des Signales, das in der Induktionsspule 19 erzeugt und an einen nicht dargestellten Rechner abgegeben wird.
  • Die beiden induzierten Signale (Fig. 2a und 2b) sind periodisch und bezüglich der Zeit ungefähr sinusförmig. Die beiden jeweiligen Frequenzen dieser beiden Signale unterscheiden sich voneinander, damit der Rechner anschließend das resultierende Signal (Fig. 2c) in an sich bekannter Weise zerlegen kann, um daraus zum einen die Drehzahl und die Winkelbeschleunigung des Rades und zum anderen das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein von Anomalien des Reifenbetriebszustandes abzuleiten, z.B. durch Überwachung der Amplitude des resultierenden Signals.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Überwachen des Reifenbetriebszustands eines Fahrzeugrades und zum Messen der Umdrehungskenngrößen des Rades, mit einem Geberelement, das mit dem umlaufenden Teil (2) der Radnabe fest verbunden ist, mit einem Mittel zum Überwachen des Reifenbetriebszustands des umlaufenden Rades, wobei das Mittel die Charakteristik des Geberelementes gemäß dem Wert eines vorbestimmten Parameters des Reifenbetriebszustands, wie zum Beispiel dem Druck oder der Temperatur des Reifens, verändern kann, und mit einem ortsfesten Aufnehmerelement (18), das mit dem Geberelement zur Abgabe eines Signals an einen Rechner zusammenwirkt, um damit Informationen zum einen über die Umdrehungskenngrößen des Rades und zum anderen über den Reifenbetriebszustand zu übermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement durch einen mehrpoligen magnetischen Ring (12), dessen mit unterschiedlicher Polarität magnetisierte Segmente gleichmäßig und alternierend längs des Umfangs verteilt sind, und durch eine Erregerspule (12a) gebildet ist, die auf dem sich drehenden Teil (2) der Radnabe koaxial zu dem mehrpoligen Ring (12) montiert und von einem elektrischen Strom durchflossen ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich dem von dem mehrpoligen Ring erzeugten Magnetfeld in der Höhe des Aufnehmerelementes (18) überlagert, wobei die Erregerspule (12a) entweder ständig oder nur dann mit Wechselstrom gespeist wird, wenn der Wert des überwachten Parameters in Bezug auf einen kritischen Schwellenwert als nicht normal betrachtet wird, wobei die Frequenz des Wechselstroms außerhalb des Frequenzbereichs der Magnetfeldänderungen liegt, die von dem mit dem Rad umlaufenden mehrpoligen Ring (12) erzeugt werden, und wobei die Amplitude des von der Erregerspule erzeugten Magnetfelds zu dem Wert des jeweils überwachten Parameters proportional ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnehmerelement (18) eine ringförmige Induktionsspule (19) und ein ringförmiges Magnetflußleitelement (20) aufweist, das koaxial zu dem mehrpoligen Ring (12) angeordnet ist und das einen U-förmigen Querschnitt aufweist, bei dem die Endabschnitte der beiden Schenkel einen ringförmigen Raum bilden, in welchem der mehrpolige Ring umläuft, wobei das Flußleitelement die in dem U-förmigen Querschnitt befindliche Induktionsspule umgibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Endabschnitte der Schenkel des U-förmigen Querschnittes des Flußleitelementes (20) mit durch Materialausnehmungen längs des Umfangs gleichmäßig beabstandeten Zähnen versehen ist, wobei jeder Zahn eine Breite aufweist, die ungefähr der Breite in Umfangsrichtung eines magnetisierten Segments des mehrpoligen Ringes (12) entspricht, und wobei alle Zähne magnetisierten Segmenten gegenüber liegen, deren magnetische Polarität jeweils gleich ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endabschnitte des U-förmigen Querschnittes des Flußleitelementes (20) mit Zähnen versehen sind, deren Breite ungefähr der Breite in Umfangsrichtung eines magnetisierten Segmentes des mehrpoligen Ringes (12) entspricht, wobei die Zähne in Umfangsrichtung gleichmäßig derart verteilt sind, daß zwei Pole mit umgekehrtem Vorzeichen eines magnetisierten Segmentes des mehrpoligen Ringes jeweils zwei Zähnen des Flußleitelementes gleichzeitig gegenüber liegen.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (12a) zwei oder mehrere unabhängige Teile aufweist, von denen jeder von einer Wechselstromquelle gespeist wird, die einem bestimmten Parameter des Reifenbetriebszustands zugeordnet ist, wie zum Beipiel dem Druck oder der Temperatur des Reifens, wobei sich die Frequenzen der Ströme voneinander unterscheiden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der überwachte Parameter der Reifendruck ist und daß der kritische Schwellenwert entweder von einem minimalen Druckschwellenwert oder von einem maximalen Druckschwellenwert oder sowohl von einem minimalen als auch von einem maximalen Druckschwellenwert gebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der überwachte Parameter die Reifentemperatur ist und daß der kritische Schwellenwert einem maximalen Temperaturschwellenwert entspricht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie gleichzeitig den Druck und die Temperatur des Reifens mittels zweier unabhängiger Stromquellen überwacht, von denen jede mit der Erregerspule (12a) verbunden ist.
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