ES2297280T3 - Procedimiento para generar energia electrica dentro de un neumatico. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para generar energía eléctrica dentro de un neumático, comprendiendo el procedimiento: - acoplar un alojamiento (311) que incluye un elemento piezoeléctrico (313) a una porción de neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del neumático, estando el elemento piezoeléctrico dispuesto substancialmente a lo largo de un plano ortogonal respecto una dirección radial (E) de dicho neumático y que tiene un primer extremo (315) substancialmente fijado a dicho alojamiento y un segundo extremo (316) fijado a una masa de carga (312), formándose un intervalo (314) entre por lo menos una pared interior de dicho alojamiento y una superficie exterior de dicha masa de carga; - rotar dicho neumático sobre una superficie de desplazamiento a una primera velocidad de rotación inferior a una velocidad dada, de forma tal de causar que dicha masa de carga oscile dentro de dicho intervalo, conduciendo así a una primera deformación de dicho elemento piezoeléctrico durante dicha rotación del neumático; - rotar dicho neumático sobre dicha superficie de desplazamiento a una segunda velocidad de rotación mayor que dicha velocidad dada, de forma tal de causar que dicha masa de carga contacte con dicha pared interior durante una primera fracción de una revolución completa del neumático, durante dicha primera fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción del neumático que no está en contacto con la superficie de desplazamiento, y causar que dicha masa de carga oscile dentro de dicho intervalo durante la segunda fracción de una revolución completa del neumático, durante dicha segunda fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción del neumático que está en contacto con la superficie de desplazamiento, conduciendo así a una segunda deformación de dicho elemento piezoeléctrico durante dicha rotación del neumático; - recoger de la energía eléctrica generada a partir de dicha primera y dicha segunda deformación de dicho elemento piezoeléctrico.

Description

Procedimiento para generar energía eléctrica dentro de un neumático.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un sistema para generar energía eléctrica dentro de un neumático de vehículo. Más específicamente, la energía eléctrica se genera mediante el uso de tecnología piezoeléctrica para convertir tensión mecánica, debido a la flexión del neumático durante el desplazamiento, en carga eléctrica, que se almacena en un dispositivo de almacenamiento de energía, y por lo tanto, se hace disponible a un dispositivo electrónico dispuesto dentro del neumático. La presente invención también se refiere a un sistema para monitorizar los parámetros operativos de un neumático.

La incorporación de dispositivos electrónicos dentro de los neumáticos está tomando una mayor importancia para incrementar la seguridad de los vehículos. Los componentes electrónicos del neumático pueden incluir sensores y otros componentes adecuados para obtener información referente a diferentes parámetros físicos de un neumático, tales como por ejemplo temperatura, presión, número de revoluciones del neumático, velocidad del vehículo. Dicha información puede ser útil en la monitorización del neumático y/o en sistemas de alarma. Por otra parte, los sistemas de control activo del vehículo pueden basarse en información enviada desde los dispositivos sensores incluidos dentro de los neumáticos. Típicamente, se emplea la trasmisión inalámbrica para enviar la información del rendimiento del neumático fuera del neumático, a un receptor dispuesto sobre el vehículo, de forma tal que dichos dispositivos electrónicos dispuestos dentro del neumático típicamente incluyen un transmisor asociado a una antena. También se emplea típicamente un microprocesador, para recoger y procesar las señales procedentes de los sensores de rendimiento, antes de la transmisión.

Dichos componentes electrónicos integrados del neumático han funcionado de manera convencional mediante una variedad de técnicas y de diferentes sistemas de generación de energía.

Una solución típica para el funcionamiento de sistemas electrónicos de neumáticos es el uso de una batería no recargable, que puede provocar inconvenientes a un usuario de neumático, debido a que una operación adecuada del sistema electrónico depende de un reemplazo periódico de la batería. De hecho, las baterías tienden a reducir su almacenamiento de energía bastante rápidamente cuando hacen funcionar aplicaciones electrónicas caracterizadas por niveles complejos de funcionalidad. Por otra parte, las baterías convencionales contienen típicamente metales pesados que no son ambientalmente inocuos y que presentan problemas de eliminación, especialmente cuando se emplea en cantidad numerosa. Asimismo, el funcionamiento de las baterías convencionales está con frecuencia influenciado por la temperatura: en particular, el funcionamiento de dichas baterías no es fiable a bajas temperaturas.

Otro procedimiento conocido para el funcionamiento de sistemas de monitorización del neumático es un acoplamiento de energía de radiofrecuencia (RF) entre una antena dispuesta sobre el vehículo en cercana proximidad con una antena incluida en el dispositivo electrónico dispuesto en el neumático. Esto requiere típicamente antenas dispuestas en porciones del vehículo frecuentemente expuestas a daños por parte de obstáculos de la carretera, y por lo tanto puede no ser una solución deseable para el funcionamiento de aplicaciones electrónicas del neumático.

El uso de elementos piezoeléctricos también se ha propuesto para el funcionamiento del sistema de monitorización de neumáticos. La piezoelectricidad es una propiedad de ciertos materiales, tales como el cuarzo, la sal Rochelle, y ciertos materiales cerámicos de solución sólida, tales como plomo-zirconato-titanato (PZT), de generar electricidad cuando son tensados mecánicamente.

Por ejemplo, la solicitud de patente PCT WO 01/80327 A1 describe un sistema para generar energía eléctrica en una rueda de vehículo, que comprende por lo menos un elemento piezoeléctrico alargado que se extiende en una dirección longitudinal a lo largo de por lo menos una porción del neumático. El elemento piezoeléctrico alargado preferentemente comprende un cable coaxial que se extiende a lo largo de una trayectoria recta u ondulada de la circunferencia del neumático.

La solicitud de patente PCT WO 03/095244 A1 describe un sistema para generar energía eléctrica a partir de la energía mecánica rotativa de un neumático que tiene una estructura piezoeléctrica y un dispositivo de almacenamiento de energía. La estructura comprende una pluralidad de fibras piezoeléctricas incluidas en una forma generalmente unidireccional en una matriz epoxi. La estructura está montada sobre un sustrato de soporte para distribuir de forma uniforme la tensión mecánica en la estructura piezoeléctrica. La estructura está montada dentro del neumático para generar una carga eléctrica cuando la rueda se mueve a lo largo de la superficie de terreno.

La patente US Nº 4.510.484 describe un dispositivo previsto para monitorizar la condición de un neumático montado sobre una llanta de neumático y sujeto a vibraciones normales. El dispositivo comprende un alojamiento, una banda para montar el alojamiento en la llanta del neumático, un sensor para monitorizar la condición dentro de la rueda, un sistema de circuitos operativamente conectado al sensor para generar señales de radio indicativas de la condición del neumático, una fuente de energía operativamente conectado al sistema de circuitos y un receptor para recibir las señales de radio. La fuente de energía incluye una lengüeta piezoeléctrica que se extiende radialmente y tiene una porción de base y una porción de extremo. La porción de base está unida de forma elastomérica al alojamiento. Un elemento de masa de sintonización se monta sobre la porción de extremo y está configurado para topar coincidentemente contra elementos de parada que limitan la carrera de flexión de la lengüeta piezoeléctrica e inhibe el doblado del compuesto de la lengüeta. El elemento de masa de sintonización está dimensionado en relación a la lengüeta piezoeléctrica para obtener una frecuencia de resonancia natural de vibración de la fuente de energía de aproximadamente 60 Hz, correspondiendo con las vibraciones comunes de la rueda que se producen durante las operaciones del vehículo. Durante la operación, las fuerzas centrífugas operan para impulsar el elemento de masa de sintonización alejándolo del centro de radiación de la rueda en rotación. Dichas fuerzas tienden a alinear el plano definido por el elemento de lengüeta piezoeléctrica con la línea de centro de radiación. En el caso en que el elemento de lengüeta no está alineado en un estado de reposo equilibrado con una línea de centro de radiación, las fuerzas centrífugas causan que el elemento de lengüeta se doble en una alineación tal que puede impulsar el elemento de masa de sintonización en un acoplamiento continuo con un elemento adyacente de parada. Dicho acoplamiento continuo actuará para reducir la vibración del elemento de lengüeta y, por lo tanto, reducir la habilidad de la fuente de energía para hacer funcionar el circuito de radio. Cuando el elemento de lengüeta está adecuadamente alineado a lo largo de una línea central de radiación, la fuente de energía puede gozar de una carrera de vibración máxima durante la operación con una habilidad óptima para hacer funcionar el circuito de radio.

La patente US Nº 6.438.193 describen un contador de revoluciones de autopropulsado de un neumático, que comprende un compresor de energía mecánica-eléctrica y un circuito contador de revoluciones. Un elemento de cristal piezoeléctrico actúa tanto como conversor de energía como sensor de revoluciones. El elemento piezoeléctrico está unido o incluido dentro de la pared interior del neumático, bajo la banda de rodadura o el flanco, de una forma que provoca que se flexione con el neumático cada vez que el sector circunferencial del neumático que contiene el elemento piezoeléctrico se comprime contra la carretera u otra superficie de soporte del vehículo. Se genera un pulso positivo cuando el elemento piezoeléctrico se flexiona. Cuando vuelve enderezarse, el elemento piezoeléctrico produce una señal amortiguada oscilante positiva/negativa en un nivel de pico significativamente más bajo que el pulso positivo. Las oscilaciones amortiguadas están determinadas por las características físicas del elemento piezoeléctrico (masa, resistencia a la vibración). Una oscilación de frecuencia típica medida está en el orden de 100 Hz. Según los autores, estas oscilaciones son beneficiosas para la conversión de energía. Una realización preferida del elemento piezoeléctrico descrito en la patente '193 es un unimorfo circular que tiene dos placas circulares unidas juntas y una placa de cristal piezoeléctrico en el centro. Según los autores, la distribución de tensión es más uniforme en esta configuración que la obtenida con un bimorfo implementado en un montaje típico en voladizo. Los autores también describen que un voltaje abierto de 34 V se obtuvo con una gran de flexión en un elemento piezoeléctrico bimorfo montado en voladizo. Sin embargo, el solicitante ha observado que detalles relacionados a la estructura del elemento piezoeléctrico bimorfo montado en voladizo probado y su montaje dentro del neumático no se describen en la patente
'193.

El solicitante se ha enfrentado con el problema de generar una energía suficiente para suministrar a un dispositivo electrónico, incluido dentro de un neumático, adaptado para monitorizar al menos un parámetro del neumático (por ejemplo, presión, temperatura, número de revoluciones del neumático, distancia recorrida, velocidad de rotación, aceleración), mediante la conversión de energía mecánica y eléctrica, aprovechando el efecto piezoeléctrico. Según el solicitante, una estructura de elemento piezoeléctrico adecuada para tener este resultado debe ser de tipo montado en voladizo flexible, montado en una porción del neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura. Sin embargo, otro requerimiento para el elemento piezoeléctrico es la durabilidad. En otras palabras, una estructura que comprende un elemento piezoeléctrico de tipo flexible montado en voladizo, montado en una porción del neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura, debe también garantizar una resistencia a grietas y/o roturas tempranas que pueden estar causadas por la tremenda fuerza centrífuga a la cual está sometido el elemento piezoeléctrico durante la rodadura del neumático, especialmente a alta velocidad.

El solicitante ha encontrado que una energía suficiente, junto con una larga durabilidad, pueden obtenerse disponiendo un elemento piezoeléctrico en una forma montada en voladizo dentro de un alojamiento asociado a un neumático, en una porción del neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del mismo (por ejemplo, unido a la superficie interior del neumático, substancialmente en correspondencia con el plano ecuatorial del mismo). El elemento piezoeléctrico transporta una masa de carga y un pequeño intervalo está presente entre las paredes interiores del alojamiento y la superficie exterior de la masa de carga. El alojamiento está asociado con el neumático de una forma tal que el elemento piezoeléctrico está dispuesto a lo largo de un plano substancialmente ortogonal a una dirección radial del neumático. El elemento piezoeléctrico, la masa de carga y el pequeño intervalo están también dimensionados para permitir:

a) oscilaciones del elemento piezoeléctrico sustancialmente durante una revolución completa del neumático, cuando el neumático rota a baja velocidad; b) oscilaciones del elemento piezoeléctrico sustancialmente sólo cuando la porción de neumático que incluye el elemento piezoeléctrico está en contacto con la carretera, cuando el neumático rota a alta velocidad. En el caso b), en la fracción de revolución del neumático en la cual la porción de neumático que incluye el elemento piezoeléctrico no está en contacto con la carretera, la masa de carga fijada al elemento piezoeléctrico es impulsada contra las paredes interiores del alojamiento mediante la fuerza centrífuga desarrollada por la rotación del neumático, de forma tal que el elemento piezoeléctrico prácticamente no está sujeto a variaciones de deformación.

En otras palabras, cuando el neumático rota a baja velocidad se genera una gran cantidad de energía eléctrica mediante las oscilaciones del elemento piezoeléctrico durante una revolución completa del neumático. El pequeño intervalo y la rigidez del elemento piezoeléctrico no permiten grandes deflexiones del elemento piezoeléctrico, de forma tal que se reduce la producción de grietas y/o roturas debidas substancialmente a la oscilación continua. Cuando el neumático rota a alta velocidad, la gran aceleración radial a la cual se somete el elemento piezoeléctrico es contrarrestada mediante el contacto con las paredes interiores del alojamiento durante casi una revolución completa del neumático, excepto durante el paso del elemento piezoeléctrico en correspondencia con la placa de contacto. Eso también reduce la producción de grietas y/o roturas en el material piezoeléctrico. Sin embargo, la energía aún es generada sustancialmente debido a la libre oscilación del elemento piezoeléctrico durante el paso del elemento piezoeléctrico en correspondencia con la placa de contacto, donde la aceleración radial es sustancialmente nula.

\vskip1.000000\baselineskip

En un primer aspecto, la invención se refiere a un procedimiento para generar energía eléctrica dentro del neumático, comprendiendo el procedimiento:

- el acoplamiento de un alojamiento que incluye un elemento piezoeléctrico a una porción de neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del neumático, estando el elemento piezoeléctrico dispuesto sustancialmente a lo largo de un plano ortogonal a una dirección radial de dicho neumático y que tiene un primer extremo sustancialmente fijado a dicho alojamiento y el segundo extremo fijado a una masa de carga, estando formado un intervalo entre por lo menos una pared interna de dicho alojamiento y una superficie externa de dicha masa
de carga;

- rotar dicho neumático sobre una superficie de desplazamiento a una primera velocidad de rotación inferior a una velocidad dada, para provocar que dicha masa de carga oscile dentro de dicho intervalo, conduciendo a una primera deformación de dicho elemento piezoeléctrico durante dicha rotación del neumático;

- rotar dicho neumático sobre dicha superficie de desplazamiento a una segunda velocidad de rotación mayor que dicha velocidad dada, de forma tal de provocar que dicha masa de carga contacte con dicha pared interna durante una primera fracción de una revolución completa del neumático, no estando en contacto durante dicha primera fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción de neumático con la superficie de desplazamiento, y provocar que dicha masa de carga oscile dentro de dicho intervalo durante la segunda fracción de una revolución completa del neumático, durante dicha segunda fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción de neumático que está en contacto con la superficie de desplazamiento, conduciendo así a una segunda deformación de dicho elemento piezoeléctrico durante dicha rotación de neumático;

- recoger el energía eléctrica generada a partir de dicha primera y dicha segunda deformación de dicho elemento piezoeléctrico.

\vskip1.000000\baselineskip

En un segundo aspecto, la invención se refiere a un sistema para generar energía eléctrica que comprende:

- un neumático;

- una fuente de energía que comprende un elemento piezoeléctrico, acoplado a una porción de neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del neumático;

en donde

- dicho elemento piezoeléctrico está dispuesto dentro del alojamiento de forma tal de tener un primer extremo sustancialmente fijo a dicho alojamiento y un segundo extremo fijo a una masa de carga, formándose un intervalo entre por lo menos una pared interior de dicho alojamiento y una superficie exterior de dicha masa de carga;

- dicho elemento piezoeléctrico se ubica sustancialmente a lo largo de un plano ortogonal a una dirección radial de dicho neumático;

- dicho elemento piezoeléctrico, dicha masa de carga y dicho intervalo están dimensionados para obtener:

a) durante la rotación del neumático sobre una superficie de desplazamiento a una primera velocidad de rotación inferior a una velocidad dada, una oscilación dentro de dicho intervalo de dicha masa de carga fijada a dicho elemento piezoeléctrico;

b) durante la rotación del neumático sobre dicha superficie de desplazamiento a una segunda velocidad de rotación mayor que dicha velocidad dada, un contacto de dicha masa de carga con dicha pared interior de dicho alojamiento durante una primera fracción de una revolución completa del neumático, no estando durante dicha primera fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción de neumático en contacto con dicha superficie de desplazamiento, y una oscilación dentro de dicho intervalo de dicha masa de carga fijada a dicho elemento piezoeléctrico durante la segunda fracción de una revolución completa del neumático, estando durante dicha segunda fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción de neumático en contacto con la superficie de desplazamiento.

\newpage

En un tercer aspecto, la invención se refiere a un sistema para monitorizar por lo menos un parámetro operativo de un neumático que comprende:

- un sistema para generar energía eléctrica que incluye una fuente de energía según el segundo aspecto de la invención;

- un dispositivo sensor que incluye un dispositivo de medición adaptado para medir dicho por lo menos un parámetro operativo y un dispositivo transmisor adaptado para transmitir dicho parámetro medido, asociado a dicha fuente de energía;

- un dispositivo receptor adaptado para recibir dicho parámetro medido transmitido.

\vskip1.000000\baselineskip

Características y ventajas adicionales de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de algunas realizaciones de ejemplo de la misma, proporcionadas solamente a modo de ejemplos no limitativos, descripción que se conducirá haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1 muestra una sección transversal de un neumático de ejemplo según la invención;

- la figura 2 muestra un esquema de ejemplo de un dispositivo sensor que se incluye en el neumático de la figura 1;

- las figuras 3a y 3b muestran un elemento piezoeléctrico flexible de ejemplo a incluir en el dispositivo sensor de la figura 2 para la fuente de energía;

- la figura 4 muestra una curva típica de aceleración radial respecto al tiempo a la cual está sometida una porción del neumático correspondiente a un área de banda de rodadura durante una revolución completa del neumático;

- la figura 5 muestra un espectro de frecuencia típico de una curva de aceleración radial tal como la mostrada en la figura 4;

- la figura 6 muestra una respuesta de frecuencia de ejemplo del elemento piezoeléctrico flexible de la figura 3;

- la figura 7 muestra una señal obtenida a partir del elemento piezoeléctrico flexible de la figura 3 montado sobre un neumático que rota a una velocidad de 20 km/h;

- la figura 8 muestra una señal obtenida a partir del elemento piezoeléctrico flexible de la figura 3 montado sobre un neumático que rota a una velocidad de 50 km/h;

- la figura 9 muestra el desplazamiento respecto al tiempo al cual la masa de carga fijada al elemento piezoeléctrico flexible de la figura tres está sometida durante la rotación del neumático a baja velocidad (40 km/h);

- la figura 10 muestra el desplazamiento respecto al tiempo al cual la masa de carga fijada al elemento piezoeléctrico flexible de la figura 3 está sometida durante la rotación del neumático a alta velocidad (80 km/h);

- la figura 11 es una vista aumentada de una porción de la figura 10;

- la figura 12 muestra tres curvas de energía eléctrica almacenada respecto al tiempo obtenidas en una prueba con un elemento piezoeléctrico flexible tal como el que se muestra en las figuras 3a y 3b.

\vskip1.000000\baselineskip

La figura 1 muestra una sección transversal de una rueda que comprende un neumático 11 y una llanta de soporte 12. El neumático 11 mostrado en la figura 1 es de un tipo convencionalmente conocido como "sin cámara", es decir que no incluye un tubo interior. Este neumático puede hincharse mediante una válvula de hinchado 13 ubicada, por ejemplo, sobre el canal de dicha llanta 12.

El neumático 11 incluye una carcasa 16, que termina en dos talones 14 y 14', cada uno formado a lo largo de un borde circunferencial interior de la carcasa 16, para fijar el neumático 11 a la correspondiente llanta de soporte 12. Los talones 14, 14' comprenden respectivos núcleos anulares de refuerzo 15 y 15', conocidos como núcleos de talón. La carcasa 16 está formada por al menos una tela de refuerzo, que incluye cuerdas textiles o metálicas, que se extienden axialmente desde un talón 14 al otro 14' en un perfil toroidal, y que tienen sus extremos asociados con un respectivo núcleo de talón 15 y 15'. En neumáticos del tipo conocido como radial, las cuerdas antes mencionadas están dispuestas esencialmente en planos que contienen el eje de rotación del neumático. Una estructura anular 17, conocida como estructura de cintura, se coloca en una posición radialmente externa respecto a la carcasa 16. Típicamente, la estructura de cintura 17 incluye una o más bandas de material elastomérico que incorpora cuerdas metálicas y/o textiles, superponiéndose entre sí. Una banda de rodadura 18 de material elastomérico se enrolla alrededor de la estructura de cintura 17 y se imprime con un diseño en relieve para el contacto de desplazamiento del neumático con el terreno. Dos flancos 19 y 19' de material elastomérico, extendiéndose cada uno radialmente hacia fuera desde el borde exterior del correspondiente talón 14 y 14', también se ubican sobre la carcasa 16 en posiciones laterales axialmente opuestas. En neumáticos sin cámara, la superficie interior de la carcasa 16 normalmente está cubierta con un revestimiento 111, es decir, con una o más capas de material elastomérico impermeable al aire. Pueden proporcionarse otros elementos conocidos, tales como por ejemplo rellenos de talón, según el diseño específico del neumático 11.

Un dispositivo sensor 3 se incluye dentro del neumático 11. El dispositivo sensor 3 está ubicado en una porción del neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del neumático 11, es decir, en una porción ubicada en la región del neumático 11 que se extiende axialmente entre los flancos del neumático 11. Preferentemente, el dispositivo sensor se dispone substancialmente en correspondencia con el plano ecuatorial del neumático 11. En la realización preferida mostrada en la figura 1, el dispositivo sensor 3 se fija al revestimiento interior 111 del neumático 11. Un elemento de fijación 332 adhiere tanto el dispositivo sensor 3 como el revestimiento interior 111. El elemento de fijación 332 proporciona la fijación del dispositivo sensor 3 al revestimiento interior 111 del neumático, y se adapta para acatar las deformaciones sufridas por la estructura del neumático durante el desplazamiento, para mantener de forma estable dicha fijación del sensor. Los materiales adecuados para la fijación del elemento 332 pueden incluir generalmente cauchos flexibles, tales como por ejemplo caucho natural, o caucho sintético, es decir cauchos hechos a partir de dienos conjugados que tienen de 4 a 10 átomos de carbono tales como poliisopreno, polibutadieno, caucho estireno-butadieno y similares. Para mejorar la adhesión entre el dispositivo sensor 3 y el neumático 11, puede ser ventajoso interponer un elemento adhesivo adicional, por ejemplo una película adhesiva de doble cara, entre el elemento de fijación 332 y la superficie interior del neumático 11 y/o entre el elemento de fijación 332 y el dispositivo sensor 3. Una película adhesiva de doble cara apropiada puede ser Scotch(R) 300SL HI Strength, comercializaba por 3M. En realizaciones alternativas, el dispositivo sensor 3 puede estar incorporado en la estructura del neumático en la porción de neumático correspondiente al área de la banda de rodadura, por ejemplo dentro de la banda de rodadura, o entre la banda de cintura exterior y la banda de rodadura.

Se muestra un esquema de un dispositivo sensor de ejemplo 3 en la figura 2. El dispositivo sensor 3 comprende una fuente de energía 31, un microcontrolador 33, un dispositivo de medición 34, un transmisor de radiofrecuencia 36 y una antena 37. La fuente de energía 31 comprende un elemento piezoeléctrico flexible, tal como se describirá en detalle a continuación, que se deforma bajo las fuerzas remitidas al mismo mediante el neumático durante el desplazamiento sobre la carretera. Debido al efecto piezoeléctrico, dichas deformaciones generan carga eléctrica, que puede recogerse mediante electrodos adecuados y alimentar un circuito de preparación de voltaje 32, que típicamente incluye un puente diodo rectificador (no mostrado), estando adaptado transformar una corriente alterna en una corriente continua. El circuito de preparación de voltaje 32 también incluye un condensador (no mostrado), adecuado para almacenar la carga eléctrica generada a través del efecto piezoeléctrico. El circuito de preparación de voltaje 32 también puede comprender un controlador de voltaje (no mostrado), que está adaptado para verificar que el voltaje a través del condensador está por encima de un mínimo predeterminado (por ejemplo 2,7 voltios). Energía eléctrica generada mediante la fuente eléctrico 31 y almacenada en el circuito de preparación de voltaje 32 se suministra al microcontrolador 33, al dispositivo de medición 34 (a través del interruptor 35) y al transmisor de radiofrecuencia 36. El dispositivo de medición 34 comprende sensores adaptados para medir el parámetro o parámetros del neumático a monitorizar, tales como por ejemplo la presión y/o la temperatura. El dispositivo de medición 34 también incluye un circuito de control adaptado para transformar los parámetros detectados en señales eléctricas. El dispositivo de radiofrecuencia 36 está adaptado para transmitir, a través de la antena 37, marcos de información que contienen el parámetro o parámetros medidos, a un receptor (no mostrado) exterior al neumático, ubicado típicamente sobre el vehículo en el cual está instalado el neumático. El microcontrolador 33 comprende típicamente una CPU que controla la operación del dispositivo sensor 3. En la realización preferida mostrada en la figura 2, el microcontrolador 33 permite, a través de un primer circuito temporizador/habilitador 38, que el interruptor 35 cierre de circuito hacia el dispositivo de medición 34, para la activación del mismo para llevar a cabo la medición del parámetro o parámetros característicos a monitorizar. Por otra parte, el microcontrolador 33 habilita, a través de un segundo circuito temporizador/habilitador 40, la transmisión de los marcos al receptor exterior. Asimismo, el microcontrolador 33 recoge las señales que vienen desde el dispositivo de medición 34, las convierte, a través del compresor analógico/digital 39, en una forma digital, y las procesa para extraerle información a enviar fuera del neumático a través de transmisor de radio frecuencia 36. La habilitación del cierre del interruptor 35, así como la habilitación de la transmisión del marco mediante el transmisor 36, puede realizarse a intervalos de tiempo predeterminados. Por ejemplo, el primer circuito temporizador/habilitador 38 puede conducir el cierre del interruptor 38 cada dos minutos, mientras que el segundo circuito temporizador/habilitador 40 puede permitir la transmisión de los datos recogidos al exterior cada siete minutos, debido a que la transmisión de radiofrecuencia típicamente requiere más energía respecto a la medición de parámetros. Como otro ejemplo, el cierre del interruptor 38 y/o la transmisión de datos recogidos pueden habilitarse cuando el voltaje a través del condensador incluido en el circuito de preparación de voltaje 32 está por encima de un umbral predeterminado. El primer y/o el segundo circuito temporizador/habilitador 38, 40 puede realizarse de cualquier forma convencional, como circuitos de hardware separados del microcontrolador 33, o como objetos de software integrados en la memoria del microcontrolador 33.

La figura 3a muestra una sección transversal lateral de la fuente de energía 31. La fuente de energía 31 no comprende un alojamiento 311, un elemento piezoeléctrico 313 y una masa de carga 312 asociada al elemento piezoeléctrico. La figura 3b muestra una vista de la fuente de energía a lo largo de la sección indicada como A-A en la figura 3a. Con referencia a la figura 3a, el elemento piezoeléctrico se dispone entre el alojamiento en una forma en voladizo. En otras palabras, el elemento piezoeléctrico 313 se fija en un primer extremo 315 del mismo al alojamiento 311, mientras que el segundo extremo 316 está asociado a la masa de carga 312. El elemento piezoeléctrico está preferentemente formado como un elemento plano. Alternativamente, puede estar formado como un elemento en forma de lengüeta, o como un elemento en forma de barra. En realizaciones referidas, un elemento piezoeléctrico plano comprende por lo menos dos cristales piezoeléctricos planos, separados por una placa plana, conductora eléctrica (por ejemplo, metálica) (configuración bimorfa). Se disponen convencionalmente electrodos sobre las superficies exteriores de los elementos piezoeléctricos. La fuente de energía 31 se asocia el neumático para disponer el elemento piezoeléctrico 313 a lo largo de un plano substancialmente ortogonal a una dirección radial del neumático (indicada como "E" en las figuras 1, 3a y 3b), es decir, una dirección radial a partir del eje de rotación del neumático. De esta forma, el elemento piezoeléctrico 313 y la masa de carga asociada 312 están sometidas, durante la rodadura del neumático, a la aceleración radial (es decir centrífuga). Para distribuir uniformemente la tensión soportada por el elemento piezoeléctrico 313, el lado más largo del elemento piezoeléctrico 313 puede preferentemente disponerse substancialmente según una dirección axial del neumático (indicada como "F" en las figuras 1, 3a y 3b), es decir, una dirección paralela al eje de rotación del neumático. Alternativamente, el lado más largo del elemento piezoeléctrico puede disponerse según una dirección longitudinal del neumático (indicada como "L" en las figuras 1, 3a y 3b). Las dimensiones geométricas del elemento piezoeléctrico 313, de la masa de carga 312 y del alojamiento 311 se eligen de forma tal de dejar un espacio intermedio 314, también llamado "intervalo", entre la superficie exterior de la masa de carga 312 y las paredes interiores del alojamiento 311, que prácticamente define una reflexión máxima permitida del elemento piezoeléctrico 313. Para limitar las dimensiones de la fuente de energía 31 y para mover el centro de masa de la estructura elemento piezoeléctrico + masa de carga sustancialmente al segundo extremo del elemento piezoeléctrico 313, la masa de carga 312 puede ser preferentemente en forma de U, tal como se muestra en la figura 3a.

Durante el funcionamiento, la fuente de energía 31 está sometida a la aceleración centrífuga que se desarrolla debido a la rotación del neumático. La aceleración centrífuga se mezcla con otras contribuciones de aceleración que vienen a partir de la interacción del neumático con el terreno durante el desplazamiento. La figura 4 muestra un perfil de ejemplo de una aceleración radial resultante respecto al tiempo durante el cual la porción de neumático asociada con la fuente de energía 31 puede estar sometida durante una revolución del neumático.

Durante una primera fracción de una revolución completa del neumático, durante la cual el área de la banda de rodadura correspondiente a la porción de neumático asociada con la fuente de energía 31 no está en contacto con el terreno, la aceleración es substancialmente constante, excepto por las ondas visibles en la figura 4, cuya presencia se explicará continuación, y es un valor que depende del cuadrado de la velocidad de rotación del neumático. Durante la segunda fracción de una revolución completa del neumático, durante la cual el área de la banda de rodadura correspondiente a la porción del neumático asociada con la fuente de energía 31 está en contacto con el terreno, el nivel de aceleración cae sustancialmente a cero, tal como puede verse en la porción central de la figura 4, después del incremento inicial debido a la deformación a la cual se somete el neumático durante el paso de este desde una configuración circunferencial a una plana, en el mismo principio de la región de contacto entre el neumático y el terreno. Se encuentra un incremento adicional del nivel de aceleración cuando el área de la banda de rodadura correspondiente a la porción de neumático asociada con la fuente de energía 31 sale de la región de contacto.

Durante la primera fracción antes mencionada de una revolución completa del neumático, la fuente de energía 31 no puede estar sometida a una tremenda aceleración, que puede alcanzar valores de varios centenares g a alta velocidad (por ejemplo 360 g a 120 km/h). Sometida a este aceleración, que está sustancialmente dirigida a lo largo de la dirección E en la figura 3a y 3b, la masa de carga 312 es empujada alejándose de una primera posición de equilibrio, en la cual el elemento piezoeléctrico 313 es prácticamente ortogonal respecto a una dirección radial del neumático, hacia las paredes interiores del alojamiento 311, en una extensión que es dependiente de las características de resistencia la vibración del elemento piezoeléctrico 313 y del tamaño de la masa de carga 312, estando una máxima extensión definida por el intervalo 314. El movimiento de la masa de carga 312 provoca una flexión correspondiente del elemento piezoeléctrico 313, es decir, la generación de carga eléctrica, debida al efecto piezoeléctrico. Sin embargo, bajo esta aceleración "estática", la generación de carga eléctrica es súbitamente interrumpida tan pronto como la masa de carga alcanza una segunda posición de equilibrio, que puede ser dentro del intervalo 314 o contra las paredes interiores de alojamiento 311, dependiendo del valor de aceleración, es decir de la velocidad de rotación del neumático. Cuanto mayor sea la velocidad de rotación, más lejos se encuentra la segunda posición de equilibrio de la primera posición de equilibrio, hasta un máximo definido por el intervalo 314, tal como se ha dicho con anterioridad.

Por otra parte, durante la segunda fracción antes mencionada de una revolución completa del neumático, es decir durante el paso en la región de contacto con el terreno del área de la banda de rodadura correspondiente a la porción de neumático a la cual la fuente de energía 31 está asociada, la masa de carga 312 se deja libre para oscilar alrededor de la primera posición de equilibrio, debido el hecho de que la aceleración cae substancialmente a cero, de forma tal que ninguna fuerza actúa ya para mantener la masa de carga 312 en la segunda posición de equilibrio. Las oscilaciones de la masa de carga 312 causan una flexión correspondiente del elemento piezoeléctrico 313, es decir, generación de carga eléctrica, debida al efecto piezoeléctrico. Estas oscilaciones pueden proporcionar una gran cantidad de carga eléctrica, dependiendo de la extensión de la oscilación y del efecto amortiguador impuesto a partir de las características de amortiguación del elemento piezoeléctrico 313. Sin embargo, tan pronto como el paso en la placa de contacto acaba, la aceleración centrífuga provoca una detención forzada de las oscilaciones, con un posicionamiento de la masa de carga en la segunda posición de equilibrio, y una correspondiente detención de la generación de carga eléctrica.

La cantidad total de carga eléctrica generada en la segunda fracción de una revolución completa del neumático es el resultado de varios efectos, algunos de ellos contrarrestándose entre sí:

a) a baja velocidad, la extensión de la oscilación es bastante baja; sin embargo, cada paso bajo la placa de contacto es bastante largo, de forma tal que pueden obtenerse un alto número de oscilaciones (es decir de deformaciones del elemento piezoeléctrico 313), si la amortiguación impuesta mediante el elemento piezoeléctrico 313 es adecuadamente escogida;

b) a alta velocidad, la extensión de la oscilación es mayor, con un máximo definido por el intervalo 314; sin embargo, cada pasaje bajo la placa de contacto tiene una duración inferior respecto al caso a) anterior, de forma tal el número de oscilaciones es menor; no obstante, en un intervalo de tiempo dado el número de pasos bajo la placa de contacto es mayor respecto al caso a), de forma tal que puede obtenerse una compensación, contrarrestando la duración inferior de cada pasaje.

El comportamiento del elemento piezoeléctrico 313 asociado a la masa de carga 312 explicado con anterioridad se refiere a la llamada primera contribución "armónica" de la aceleración a la cual la fuente de energía 31 está sometida, es decir una contribución que se produce una vez por cada revolución del neumático. La frecuencia asociada dicha contribución puede variar en un rango de baja frecuencia desde 0 Hz a pocas decenas de Hz, dependiendo de la velocidad de rotación del neumático (por ejemplo aproximadamente 20-25 Hz, para un neumático de automóvil a una velocidad de aproximadamente 150 km/h), correspondiente al número de paso de la porción de neumático asociada a la fuente de energía 31 bajo la placa de contacto en un segundo. Debido a tal baja frecuencia de contribución, una generación "pulsada" de carga eléctrica puede obtenerse, como resultado del comportamiento oscilante "pulsado" del elemento piezoeléctrico 313, con una "frecuencia de pulso" que depende de la velocidad de rotación del neumático.

Sin embargo, la aceleración real a la cual la fuente de energía 31 no está sometida en dirección radial también tiene componentes en rangos de frecuencia mayores que aquellos anteriormente mencionados, como puede verse a partir de la presencia de ondas exhibidas por el perfil de aceleración radial mostrado en la figura 4. Estos componentes de alta frecuencia se deben a contribuciones armónicas de mayor orden, es decir, a eventos que se producen más de una vez por cada revolución del neumático. Por ejemplo, una contribución armónica de mayor orden puede deberse a la interacción con la carretera de los bloques que forman la banda de rodadura del neumático. Otras contribuciones armónicas de mayor orden pueden provenir de modos de vibración de la estructura completa del neumático debido a la trasmisión de las deformaciones a las cuales el neumático está sometido bajo la trayectoria de contacto a porciones del neumático fuera de la placa de contacto. Contribuciones de alta frecuencia adicionales pueden estar causadas por la interacción de pequeñas porciones de la banda de rodadura con la carretera, que pueden depender de la granularidad del terreno (por ejemplo asfalto) sobre cual se está desplazando el neumático.

A modo de ejemplo, la figura 5 muestra el resultado de una transformación de Fourier de una señal de aceleración radial obtenida mediante un acelerómetro unido al revestimiento interior de un neumático (Pirelli P7 195/65 R15, hinchado a 2,2 bares) desplazándose a una velocidad de rotación de 80 km/h durante varias revoluciones. La figura 5 muestra diferentes curvas superpuestas, estando cada una relacionada a la señal de aceleración obtenida en una única revolución. En el eje de abscisas se presenta la frecuencia (en Hz) de los diferentes componentes de aceleración, mientras que en el eje de ordenadas se presenta la suma de las posibles diferentes contribuciones a la misma frecuencia (en unidades arbitrarias). Como puede verse, se tiene una mayor contribución para frecuencias hasta aproximadamente 200 Hz. Las curvas correspondientes a las diferentes revoluciones del neumático están bastante superpuestas en el primer rango de frecuencia, correspondiendo, según el solicitante, a una conducta relacionada prácticamente sólo con la estructura del neumático, es decir, con la respuesta de la estructura del neumático a la atención impuesta mediante el desplazamiento sobre el terreno, y no con factores externos (tales como, por ejemplo, el tipo de asfalto sobre el cual el neumático se desplaza). A baja velocidad, el primer rango de frecuencia tiene una anchura inferior, y, de forma correspondiente, el pico mostrado en la figura 5 se produce a una frecuencia inferior (por ejemplo, aproximadamente 50 Hz a 40 km/h). A frecuencias más altas, las contribuciones son cada vez menores, y muestran un comportamiento aleatorio, representado mediante el incremento en la dispersión de las diferentes curvas visibles para frecuencias mayores de aproximadamente 200-400 Hz, posiblemente debido al desplazamiento sobre diferentes condiciones de carretera. De todas formas, los diferentes componentes de frecuencia de la aceleración radial pueden dar otras contribuciones a las deformaciones del elemento piezoeléctrico 313, además de las deformaciones obtenidas por las primeras contribuciones armónicas antes mencionadas.

A modo de comparación, la figura 6 muestra la respuesta de frecuencia de un elemento piezoeléctrico de ejemplo 313 asociado a una masa de carga 312. Las dimensiones y el material del elemento piezoeléctrico 313 se eligieron para obtener una rigidez k del mismo de aproximadamente 4800 N/m. A la masa de carga 312 m se le dio la dimensión de hasta aproximadamente 0,96 gramos. Para obtener la respuesta de frecuencia, el alojamiento que comprende el elemento piezoeléctrico asociado a la masa de carga se dispuso sobre un dispositivo agitador manejado mediante controles electrónicos, que aplicaron una fuerza de excitación pulsada al agitador, en un rango de frecuencia entre 0 Hz y 1000 Hz. El movimiento del agitador causó oscilaciones de la masa de carga y del elemento piezoeléctrico, con la consiguiente generación de carga eléctrica. La figura 6 presenta la función de transferencia voltaje/aceleración (expresada en términos de g), respecto a la frecuencia de la fuerza de excitación. Como puede verse a partir de la figura 6, un pico de resonancia de la estructura formada por elemento piezoeléctrico y por la masa de carga que está entre 300 Hz y 400 Hz, es decir, bastante lejos del pico mostrado la figura 5. Esto significa que, en la práctica, durante el desplazamiento del neumático la fuerza de excitación trasmitida por el neumático a la fuente de energía 31 que comprende el elemento piezoeléctrico a modo de voladizo 313 no puede provocar substancialmente oscilación resonante del elemento piezoeléctrico 313. Este hecho es importante para reducir la producción de grietas en el material piezoeléctrico, que pueden causarse mediante grandes oscilaciones continuas del elemento piezoeléctrico 313, con la consiguiente reducción de eficiencia de la fuente de energía 31, o, en el peor de los casos, con una rotura temprana del elemento piezoeléctrico 313.

Aunque no sea resonante, el elemento piezoeléctrico 313 es excitado de todas maneras mediante los componentes de la aceleración radial en la frecuencia mayor que la frecuencia de la "primera armónica". El solicitante ha verificado que cuando el neumático se desplaza baja velocidad, es decir, cuando la aceleración centrífuga desarrollada por la rotación del neumático no es tan fuerte para prácticamente cancelar todo los otros componentes de frecuencia de la aceleración radial, la masa de carga 312 asociada al elemento piezoeléctrico 313 o si la alrededor de la segunda posición de equilibrio antes mencionada, es decir, la posición alcanzada por la masa de carga cuando es empujada por la aceleración centrífuga. Dichas relación, debido los componentes de "alta frecuencia" (es decir componentes debidos a armónicos de alto orden y/o componentes debidos a la interacción entre la banda de rodadura del neumático y la carretera), es muy beneficiosa para la generación de carga eléctrica a través del efecto piezoeléctrico. En realidad, debido a dichas oscilaciones, se genera un flujo continuo de carga eléctrica durante la primera fracción antes mencionada de una revolución completa del neumático (es decir, la porción fuera de la trayectoria de contacto), que, sumada a la carga eléctrica generada durante la segunda fracción antes mencionada de una revolución completa del neumático (es decir la parte de contacto), contribuye a formar una generación "continua" de carga eléctrica durante la revolución completa del neumático.

Como se ha dicho, dicha conducta se produce a baja velocidad. A mayor velocidad, la aceleración centrífuga desarrollada se vuelve tan fuerte, respecto a los otros componentes que forman la aceleración radial, que la masa de carga 312 es impulsada contra las paredes interiores del alojamiento 313 y cualquier movimiento del mismo es prácticamente inhibido. En dicha estación, la carga eléctrica, de todas formas, se genera en la segunda fracción de la revolución del neumático.

La figura 7 y la figura 8 muestran este comportamiento diferente de la fuente de energía 31. Más en particular, ambas figuras muestran el voltaje respecto al tiempo generado mediante una fuente de energía unida con una placa elastomérica al revestimiento interior de un neumático, estando la fuente de energía formada mediante la inclusión de una placa bimorfa de material piezoeléctrico (PZT), que tiene una anchura de 5 mm, una longitud de 11 mm, un grosor general de 0,46 mm en un alojamiento plástico que tiene una anchura de 7 mm, una longitud de 13 mm, una altura de 7 mm, un grosor de 0,5 mm. Una masa de carga de 0,97 gramos se fijó al extremo libre de la placa piezoeléctrica. Se dejó un intervalo de 250 \mum en dirección radial entre las paredes interiores del alojamiento y la superficie exterior de la masa de carga (125 \mum + 125 \mum).

La figura 7 muestra el voltaje respecto al tiempo tenido mediante dicha fuente de energía cuando el neumático se desplaza a 20 km/h. Son visibles tres fuertes oscilaciones de voltaje, correspondientes a los pasos del área de la banda de rodadura correspondiente a la porción de neumático asociada a la fuente de energía bajo la parte de contacto, con una continua superposición de oscilaciones de menor voltaje que se extiende a través de todo el intervalo de tiempo. Claramente, las oscilaciones de voltaje se deben a oscilaciones reales de la placa piezoeléctrica, que se producen tanto cuando el área de la banda de rodadura correspondiente a la porción del neumático asociada a la fuente de energía está fuera de la placa de contacto, como cuando el área de la banda de rodadura que corresponde a la porción de neumático asociada a la fuente de energía está dentro de la placa de contacto.

La figura 8 muestra el voltaje respecto al tiempo obtenido mediante la fuente de energía cuando el neumático se desplaza a 50 km/h. El número de fuertes oscilaciones de voltaje se incrementa, debido a la mayor velocidad de rotación. Sin embargo, las oscilaciones menores de voltaje prácticamente han desaparecido, de forma tal que la señal de voltaje generada es similar a una señal pulsada, con estallidos separados entre sí. En este segundo caso, la carga eléctrica se genera prácticamente sólo cuando el área de la banda de rodadura correspondiente a la porción del neumático asociada a la fuente de energía está dentro de la placa de contacto.

Un resultado similar se muestra en las figuras 9, 10 y 11, que muestran el resultado de una simulación realizada por el solicitante con una herramienta convencional de simulación por ordenador. En la simulación se consideró un modelo que representa la fuente de energía piezoeléctrica en voladizo descrita con anterioridad con referencia a las figuras 7 y 8, dispuesta sobre la superficie interior del neumático. Se consideraron perfiles de aceleración correspondientes a señales de aceleración radial real tomadas a partir de la medición realizada a diferentes velocidades de rotación con un acelerómetro ubicado sobre la superficie interior de un neumático, mientras las aceleraciones excitaban la fuente de energía.

Con referencia a la figura 9, la curva 91 representa una porción del perfil de aceleración respecto al tiempo utilizado para la simulación, tomada una velocidad de 40 km/h. La curva 92 representa el desplazamiento calculado respecto al tiempo experimentado por el centro de masas de la estructura del elemento piezoeléctrico + la masa de carga. La línea recta 93 representa el desplazamiento máximo permitido en una dirección, es decir una mitad del intervalo. Los valores presentados en el eje y de la figura 9 se refieren a valores de desplazamiento, y deben considerarse como unidades arbitrarias para la curva de aceleración 91. Como puede verse mediante la curva 92, oscilaciones continuas son realizadas por la placa piezoeléctrica asociada a la masa de carga, alrededor de una segunda posición de equilibrio desplazada de la primera posición de equilibrio representada por el valor de la ordenada "0", es decir, la posición de equilibrio tomada por la placa piezoeléctrica cuando el neumático está estacionario. La segunda posición de equilibrio se alcanza por el centro de masa estando sometido a la aceleración centrífuga desarrollada durante la rotación. La figura 9 muestra ambas oscilaciones de pequeña entidad y oscilaciones de mayor entidad. Las oscilaciones de mayor entidad corresponden al paso del área de la banda de rodadura correspondiente a la porción de neumático asociada a la fuente de energía bajo la parte de contacto, es decir donde la curva 91 alcanza un valor substancialmente de cero. Las oscilaciones de menor entidad están prácticamente presentes y se superponen a lo largo de toda la curva 92. También debe observarse que durante las oscilaciones de mayor entidad el centro de masa "golpea" la línea recta 93, correspondiendo al golpeo real de la masa de carga contra las paredes interiores del alojamiento de la fuente de energía.

Con referencia a la figura 10, la curva 101 representa una porción del perfil de aceleración respecto al tiempo utilizado para la simulación, tomada una velocidad de 80 km/h. La curva 102 representa el desplazamiento calculado respecto al tiempo experimentado por el centro de masa de la estructura del elemento piezoeléctrico + la masa de carga. La línea recta 93 todavía representa el máximo desplazamiento permitido en una dirección, es decir, una mitad del intervalo. Los valores presentados en el eje y de la figura 10 se refieren a valores de desplazamiento, y deben considerarse como unidades arbitrarias para la curva de aceleración 101. Como puede verse en la curva 102, oscilaciones pulsadas son realizadas por la placa piezoeléctrica asociada a la masa de carga, comenzando desde el desplazamiento máximo permitido, en el paso del área de la banda de rodadura correspondiente a la porción de neumático asociada a la fuente de energía bajo la placa de contacto, es decir, donde la curva 101 alcanza un valor substancialmente de cero. La figura 11 muestra una porción aumentada de la figura 10. Como puede verse en la figura 11, la curva 102 está inicialmente superpuesta a la línea 93, correspondiente a un posicionamiento de la masa de carga contra las paredes interiores del alojamiento. Cuando la aceleración radial (curva 101) decrece, la masa de carga comienza la oscilación libre alrededor de la primera posición de equilibrio (valor del eje de ordenadas cero en la figura 11), tal como se representa mediante la fuerte oscilación de la curva 102 en la porción central de la figura 11. Cuando la aceleración radial se incrementa, la carga es impulsada contra las paredes interiores del alojamiento, que se completa después de una serie de golpes contra las paredes interiores del alojamiento, tal como se representa mediante las oscilaciones amortiguadas de la curva 102 en la porción derecha de la figura 11.

El solicitante ha verificado que una fuente de energía preparada tal como se muestran en las figuras 3a, 3b, asociada a una porción de neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura, tal como se ha explicado con anterioridad, con los diferentes componentes (material del elemento piezoeléctrico, dimensiones, número de capas piezoeléctricas, valor de masa de carga, intervalo) dimensionados para obtener una generación sustancialmente continua de carga eléctrica cuando neumático rota a baja velocidad y una generación substancialmente pulsada de carga eléctrica cuando neumático rota a alta velocidad, permitiendo tener una energía eléctrica suficiente para suministrar a dispositivos sensores comunes a incluir dentro del neumático para la monitorización de sus parámetros característicos. En particular, una alta cantidad de carga eléctrica puede generarse a baja velocidad, debido sustancialmente a la oscilación continua del elemento piezoeléctrico. Esto se muestra mediante el gráfico de la figura 12, en el cual se representan tres curvas obtenidas en una serie de pruebas realizadas por el solicitante. Las tres curvas de la figura 12 muestran la energía eléctrica almacenada en un condensador de 100 \muF conectado (a través de un puente rectificador de diodo) a la fuente de energía de ejemplo descrita con anterioridad con referencia las figuras 7 y 8, respecto al tiempo. Una resistencia de carga de 3,3 M\Omega se conectó a través del condensador. La fuente de energía se dispuso sobre un dispositivo agitador al cual se aplicaron señales reales de aceleración obtenidas a partir de un neumático rotando a una velocidad de 20 km/h, 40 km/h, 60 km/h. Como puede verse, una gran cantidad de energía eléctrica se almacena dentro del condensador a una velocidad de 20 km/h en un intervalo de tiempo dado, respecto a la almacenada a 40 ó 60 km/h en el mismo intervalo de tiempo. Por otra parte, una gran cantidad de energía eléctrica se almacena en un intervalo de tiempo dado a una velocidad de 60 km/h, respecto a la almacenada a 40 km/h, debido a que la frecuencia de las generaciones de carga eléctrica pulsada es mayor a 60 km/h.

Una mayor confiabilidad de la fuente de energía también fue verificada por el solicitante. El solicitante cree que esto depende del hecho de que a baja velocidad el elemento piezoeléctrico se excita para oscilar en una pequeña extensión la mayor parte de tiempo, mientras que las grandes oscilaciones se producen cuando la porción de neumático asociada a la fuente de energía pasa bajo la placa de contacto pueden estar limitadas con un dimensionado adecuado del intervalo entre las paredes interiores del alojamiento y la superficie exterior de la masa de carga. Por lo tanto, puede obtenerse una fuerte reducción de la producción de grietas y roturas en el material piezoeléctrico. El valor de velocidad preciso en el cual el comportamiento de la fuente de energía pasa de "generación continua de carga eléctrica" a "generación pulsada de carga eléctrica" depende del dimensionado preciso de los componentes que forman la fuente de energía. Ventajosamente, el dimensionado de los diferentes componentes puede realizarse para obtener un cambio de comportamiento de la fuente de energía entre velocidades intermedias, preferentemente comprendidas entre 30 km/h y 70 km/h, más preferentemente entre 40 km/h y 60 km/h. Ventajosamente, para reducir la producción de modos resonantes de la fuente de energía, los diferentes componentes de la fuente de energía pueden dimensionarse para obtener una frecuencia de resonancia de la estructura del elemento piezoeléctrico + la masa de carga mayor de 150 Hz, preferiblemente mayor de 200 Hz, más preferentemente mayor de 300 Hz. El solicitante cree que dicha elección permite incrementar adicionalmente la confiabilidad de la fuente de energía, debido a que mayores oscilaciones resonantes del elemento piezoeléctrico son evitadas substancialmente durante la rotación del neumático, en cualquier condición práctica de velocidad.

Rangos preferidos de ejemplo para una fuente de energía que utiliza una placa piezoeléctrica PZT bimorfa para obtener el rendimiento antes explicado pueden ser los siguientes:

-

longitud de la placa PZT: de 8 a 18 mm;

-

anchura de la placa PZT: de 3 a 18 mm;

-

grosor total de la placa bimorfa: de 0,30 a 1,20 mm;

-

masa de carga: de 0,05 a 3 gramos

-

intervalo: de 50 a 400 \mum.

Con referencia en particular al tamaño de la masa de carga, debe observarse que un tamaño bajo de la masa de carga permite incrementar la frecuencia de resonancia de la estructura del elemento piezoeléctrico + la masa de carga. Además, un bajo tamaño de la masa de carga permite reducir el desequilibrio causado en la rotación del neumático debido a la presencia de la fuente de energía. Por otra parte, un bajo tamaño de la masa de carga permite reducir la producción de grietas y roturas en los alojamientos de la fuente de energía causados por los golpes contra las paredes internas durante la oscilación. Sin embargo, un tamaño demasiado bajo de la masa de carga no permite el doblado suficiente de elemento piezoeléctrico, con la consecuente generación insuficiente de carga eléctrica. Una guía para el dimensionado de la fuente de energía puede ser elegir un tamaño de masa de carga m suficiente para evitar substancialmente el desequilibrio del neumático durante la rotación (por ejemplo una masa inferior a 3 gramos), elegir una frecuencia de resonancia f_{r} para la estructura del elemento piezoeléctrico + la masa de carga (por ejemplo mayor a 150 Hz) y luego derivar las dimensiones del elemento piezoeléctrico a partir de su rigidez k, calculada mediante la inversión de la siguiente relación conocida

f_{r} = \frac{1}{2 \pi} \sqrt{\frac{k}{m}}

Claims (29)

1. Procedimiento para generar energía eléctrica dentro de un neumático, comprendiendo el procedimiento:

- acoplar un alojamiento (311) que incluye un elemento piezoeléctrico (313) a una porción de neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del neumático, estando el elemento piezoeléctrico dispuesto substancialmente a lo largo de un plano ortogonal respecto una dirección radial (E) de dicho neumático y que tiene un primer extremo (315) substancialmente fijado a dicho alojamiento y un segundo extremo (316) fijado a una masa de carga (312), formándose un intervalo (314) entre por lo menos una pared interior de dicho alojamiento y una superficie exterior de dicha masa de carga;

- rotar dicho neumático sobre una superficie de desplazamiento a una primera velocidad de rotación inferior a una velocidad dada, de forma tal de causar que dicha masa de carga oscile dentro de dicho intervalo, conduciendo así a una primera deformación de dicho elemento piezoeléctrico durante dicha rotación del neumático;

- rotar dicho neumático sobre dicha superficie de desplazamiento a una segunda velocidad de rotación mayor que dicha velocidad dada, de forma tal de causar que dicha masa de carga contacte con dicha pared interior durante una primera fracción de una revolución completa del neumático, durante dicha primera fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción del neumático que no está en contacto con la superficie de desplazamiento, y causar que dicha masa de carga oscile dentro de dicho intervalo durante la segunda fracción de una revolución completa del neumático, durante dicha segunda fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción del neumático que está en contacto con la superficie de desplazamiento, conduciendo así a una segunda deformación de dicho elemento piezoeléctrico durante dicha rotación del neumático;

- recoger de la energía eléctrica generada a partir de dicha primera y dicha segunda deformación de dicho elemento piezoeléctrico.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha porción de neumático es una porción de una superficie interior del neumático.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que el elemento piezoeléctrico tiene un lado más largo dispuesto substancialmente según una dirección axial del neumático.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que durante dicha rotación a dicha segunda velocidad de rotación, dicha masa de carga oscila alrededor de una primera posición de equilibrio, sustancialmente dispuesta lo largo de dicho plano ortogonal respecto a dicha dirección radial del neumático.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que durante dicha rotación a dicha primera velocidad de rotación, dicha masa de carga oscila alrededor de una segunda posición de equilibrio dentro de dicho intervalo, diferente de dicha primera posición de equilibrio.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha velocidad dada esta comprendida entre 30 km/h y 70 km/h.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que dicha velocidad dada está comprendida entre 40 km/h y 60 km/h.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el acoplamiento del alojamiento (311) con la porción de neumático incluye fijar un dispositivo sensor (3) que comprende dicho alojamiento a la porción de neumático, incluyendo además el dispositivo sensor un dispositivo de medición adaptado para medir por lo menos un parámetro operativo del neumático.

9. Sistema para generar energía eléctrica que comprende:

- un neumático;

- una fuente de energía que comprende un elemento piezoeléctrico, acoplado a una porción de neumático en correspondencia con un área de la banda de rodadura del neumático;

en donde

- dicho elemento piezoeléctrico se dispone dentro del alojamiento de forma tal de tener un primer extremo sustancialmente fijado a dicho alojamiento y un segundo extremo fijado a una masa de carga, formándose un intervalo entre por lo menos una pared interna de dicho alojamiento y una superficie exterior de dicha masa de carga;

- dicho elemento piezoeléctrico está ubicado sustancialmente a lo largo de un plano ortogonal a una dirección radial de dicho neumático;

- dicho elemento piezoeléctrico, dicha masa de carga y dicho intervalo están dimensionados para obtener:

a) durante la rotación del neumático sobre una superficie de desplazamiento a una primera velocidad de rotación inferior a la velocidad dada, una oscilación dentro de dicho intervalo de dicha masa de carga fijada a dicho elemento piezoeléctrico;

b) durante la rotación del neumático sobre dicha superficie de desplazamiento a una segunda velocidad de rotación más alta que dicha velocidad dada, un contacto de dicha masa de carga con dicha pared interior de dicho alojamiento durante una primera fracción de una revolución completa del neumático, durante dicha primera fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción del neumático que no está en contacto con dicha superficie de desplazamiento, y una oscilación dentro de dicho intervalo de dicha masa de carga fijada a dicho elemento piezoeléctrico durante la segunda fracción de una revolución completa del neumático, estando durante dicha segunda fracción dicha área de la banda de rodadura correspondiente a dicha porción de neumático en contacto con la superficie de desplazamiento.

10. Sistema según la reivindicación 9, en el que dicha porción del neumático es una porción de una superficie interior del neumático.

11. Sistema según la reivindicación 9 ó 10, en el que el elemento piezoeléctrico tiene un lado más largo dispuesto substancialmente según la dirección axial del neumático.

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que dicha velocidad dada está comprendida entre 30 km/h y 70 km/h.

13. Sistema según la reivindicación 12, en el que dicha velocidad dada está comprendida entre 40 km/h y 60 km/h.

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el que una frecuencia de resonancia de dicho elemento piezoeléctrico asociado a dicha masa de carga dentro de dicho alojamiento es mayor de 150 Hz.

15. Sistema según la reivindicación 14, en el que dicha frecuencia de resonancia es mayor de 200 Hz.

16. Sistema según la reivindicación 15, en el que dicha frecuencia de resonancia es mayor de 300 Hz.

17. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 16, en el que dicha masa de carga es inferior a 3 gramos.

18. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17, en el que dicha masa de carga es en forma de U.

19. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 18, en el que dicho intervalo tiene una extensión máxima de 400 \mum.

20. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 19, en el que dicho elemento piezoeléctrico es un elemento bimorfo.

21. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 20, en el que dicho elemento piezoeléctrico es un elemento plano.

22. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 21, en el que un material de dicho elemento piezoeléctrico es PZT.

23. Sistema para monitorizar por lo menos un parámetro operativo de un neumático que comprende:

- un sistema para generar energía eléctrica que incluye la fuente de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 22;

- un dispositivo sensor que incluye un dispositivo de medición adaptado para medir dicho por lo menos un parámetro operativo y un dispositivo transmisor adaptado para transmitir dicho parámetro de medición, asociado a dicha fuente de energía;

- un dispositivo receptor adaptado para recibir dicho parámetro medido trasmitido.

24. Sistema según la reivindicación 23, en el que dicho dispositivo de medición incluye un sensor de presión.

25. Sistema según la reivindicación 23 ó 24, en el que dicho dispositivo de medición incluye un sensor de temperatura.

26. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, en el que dicho dispositivo de medición incluye un sensor de aceleración.

27. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 26, en el que dicho dispositivo de medición incluye un contador de revoluciones del neumático.

28. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 27, en el que dicho dispositivo sensor incluye un microcontrolador que está adaptado para habilitar dicho dispositivo de medición y dicho dispositivo transmisor, asociados a dicha fuente de energía.

29. Sistema según la reivindicación 23, en el que el dispositivo sensor comprende dicho alojamiento en el cual se dispone el elemento piezoeléctrico; el sensor se fija en la porción del neumático.