WO2011012429A1 - Reifen mit vorrichtung zum bereitstellen mechanischer energie, verfahren zum bereitstellen der mechanischen energie mit hilfe des reifens und verwendung der mechanischen energie - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Reifen (1) mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie angegeben. Der Reifen ist dadurch gekennzeichnet, die Vorrichtung mindestens zwei an einer Innenseite einer Lauffläche des Reifens angeordnete, durch eine Gelenkbewegung gegeneinander bewegbare Schenkel (4) aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Schenkeln durch die Gelenkbewegung veränderbar ist. Gemäß dem Verfahren wird der Reifen bei einer Rollbewegung derart deformiert, dass es zu der Gelenkbewegung der Schenkel kommt und dadurch die mechanische Energie bereitgestellt wird. Verwendung findet die Erfindung zur autarken Energieversorgung von Reifenkontrollsystemen.
Description
Beschreibung
Reifen mit Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Energie, Verfahren zum Bereitstellen der mechanischen Energie mit Hilfe des Reifens und Verwendung der mechanischen Energie
Die Erfindung betrifft einen Reifen mit Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie. Daneben werden ein Verfahren zum Bereitstellen der mechanischen Energie unter Verwendung des Reifens und eine Verwendung der bereitgestellten mechanischen Energie angegeben.
Sensoren, die auf der MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) - Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifenkontrollsystemen (Reifensensorik) . Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür notwendige elektrische Bauteile (Reifenelektronik) sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.
Neue Konzepte erfordern, dass das Reifendruckkontrollsystem nicht mehr auf der Felge, sondern direkt auf der Innenseite des Reifenlatsches (ReifenaufStandsfläche) platziert wird. Auf diese Weise ist es möglich, neben Druck und Temperatur auch physikalische Eigenschaften zwischen Autoreifen und Fahrbahn zu vermessen und daraus gewonnene Daten für eine
Fahrdynamik nutzbar zu machen. Eine derartige Ausweitung des Reifenkontrollsystems bedeutet aber kürzere Mess- und Sendeintervalle, eine höhere Messfrequenz und damit eine wesentlich kürzere Lebensdauer der Batterie.
Darüber hinaus ist es notwendig, das Reifenkontrollsystem zu miniaturisieren, so dass dessen Masse erheblich reduziert und damit eine Laufeigenschaft des Autoreifens nicht negativ be- einflusst wird (zum Beispiel durch größere Unwucht).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Hinblick auf energieautarke Systeme mechanische Energie bereitzustellen, die für ein Reifenkontrollsystem zur Verfügung gestellt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Reifen mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie angegeben. Der Reifen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei an einer Innenseite einer Lauffläche des Reifens angeordnete, durch eine Gelenkbewegung gegeneinander bewegbare Schenkel aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Schenkeln durch die Gelenkbewegung veränderbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Bereit- stellen mechanischer Energie für einen piezoelektrischen
Energiewandler unter Verwendung des Reifens angegeben, wobei der Reifen bei einer Rollbewegung derart deformiert wird, dass es zu der Gelenkbewegung der Schenkel kommt und dadurch die mechanische Energie bereitgestellt wird.
An sich ist hier jeder beliebige Reifen denkbar. Vorzugsweise ist der Reifen ein Reifen eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens. Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, die beim Abrollen eines Reifens auf einer Fahrbahn stattfindende Deformation eines Reifens (Latsch-Bildung, Eintritt in den Latsch) zum Bereitstellen von mechanischer Energie bereitzu-
stellen. Dazu werden die bewegbaren Schenkel benutzt. Diese Schenkel fungieren als Zange. Die bereit gestellte mechanische Energie steht dann für die Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung.
Bei dem Reifen eines Kraftfahrzeuges führt die Rollbewegung über die Fahrbahn zur Bildung eines Reifenlatsches. Der Reifen ist so ausgestaltet, dass bei Bildung des Reifenlatsches, das heißt bei der Deformation des Reifens, die Gelenkbewegung der Schenkel erfolgt. Umgekehrt, bei Rückbildung der Deformation des Reifens, also bei der Auflösung des Reifenlatsches, kommt es ebenfalls zu einer Gelenkbewegung. In beiden Fällen führt die Gelenkbewegung dazu, dass der Abstand zwischen den Schenkeln verändert wird. Die Veränderung des Abstands bezie- hungsweise die dabei auftretende mechanische Energie kann nun ausgenutzt werden, um einen elektromechanischen Energiewandler (Generator) anzutreiben. Auf diese Weise ist ein energieautarkes System zugänglich, mit dem elektrische Energie gewonnen werden kann, und mit deren Hilfe beispielsweise ein Reifenkontrollsystem betrieben werden kann.
Die Schenkel sind mehrere mm lang. Vorzugsweise ist eine Schenkellänge aus dem Bereich von 5 mm bis 50 mm uns insbesondere aus dem Bereich von 5 mm bis 20 mm ausgewählt. Bei- spielsweise sind die Schenkel 10 mm lang.
Vorzugsweise weisen die Schenkel ein starres Material auf. Beispielsweise ist das starre Material ein Metall. Damit ist gewährleistet, dass mechanische Energie nicht bei einer Ver- formung der Schenkel verloren geht. Vorzugsweise weist das
Material, beispielsweise das Metall, einen hohen E-Modul auf und ist elastisch.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird als elektromechani- scher Energiewandler ein piezoelektrisches Element verwendet. Der elektromechanische Energiewandler weist ein piezoelektrisches Element auf. Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts kann hier elektrische Energie gewonnen werden. So ist
beispielsweise der piezoelektrische Wandler ebenfalls an der Innenseite der Lauffläche des Reifens angeordnet.
Der Energiewandler, insbesondere der Energiewandler mit dem piezoelektrischen Element weist laterale Abmessungen aus dem Bereich von wenigen μm bis hin zu einigen mm. Beispielsweise ist beträgt eine Fläche des piezoelektrischen Elements des Energiewandlers 10 mm x 10 mm. Im Übrigen kann an der Innenseite der Lauffläche des Reifens eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Bereitstellen der mechanischen Energie angeordnet sein. Gleiches gilt für die elekt- romechanischen Wandler. So ist es beispielsweise möglich, dass einem elektromechanischen Energiewandler mehrere Vor- richtungen zum Bereitstellen einer mechanischen Energie zugeordnet sind. Der umgekehrte Fall ist ebenfalls denkbar, dass einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie mehrere elektromechanische Energiewandler zugeordnet sind. In jedem Fall wird dafür gesorgt, dass eine für den elektromechanischen Energiewandler benötigte mechanische Energie effizient bereitgestellt wird.
Vorzugsweise wird die elektrische Energie für den Betrieb eines Reifenkontrollsystems verwendet.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile :
- Mechanische Energie kann innerhalb eines Reifens robust be- reitgestellt werden.
- Die Höhe der bereitgestellten mechanischen Energie ist unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit, mit der der Reifen bewegt wird.
- Zum Bereitstellen der mechanischen Energie wird im Gegensatz zu anderen elektromechanischen Energiewandlern keine seismische Masse benötigt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung.
Figur 2 zeigt ein Detail aus Figur 1.
Figuren 3 und 4 zeigen die Geometrieverhältnisse und Definition von Parametern.
Figur 5 zeigt einen Reifen von der Seite.
Gegeben ist ein Reifen 1, der an einer Innenseite 3, die der Lauffläche 2 des Reifens abgewandt ist, eine Vorrichtung 10 zum Bereitstellen einer mechanischen Energie aufweist. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von durch Gelenkbewegungen gegeneinander bewegbaren Schenkel 4 auf. Die Schenkel sind starr. Sie bestehen aus einem Metall.
Der Reifen ist der Reifen eines Kraftfahrzeuges. Durch eine Rollbewegung des Reifens auf einer Fahrbahn 12 kommt es zur Ausbildung eines Reifenlatsches 11 (Figur 5) . Bei der Bildung des Reifenlatsches 11 kommt es zu einer Gelenkbewegung, über die der Schenkelabstand 41 verringert wird. Bei dem weiteren Abrollen des Reifens und damit beim Wiederauflösen des Reifenlatsches wird der Schenkelabstand wieder vergrößert. In beiden Fällen kommt es zu einer Gelenkbewegung 40 der beiden Schenkel zueinander beziehungsweise voneinander weg.
Die Schenkel bilden eine zangenartige Vorrichtung. Eine Länge der Schenkel beträgt mehrere mm. Die Schenkel Der Schenkelab- stand (Öffnungsdurchmesser) sich beim Ein- und Austritt in den Latsch von do nach dc ändert. Wird ein elastisches Element mit Federkonstante k um die Abstandsänderung Δd = d0 - dc ausgelenkt ergibt sich eine mechanische Kraft:
Fd = Δd -k :D
Diese Kraft kann nun mechanische Arbeit z.B. an einer Piezo- keramik verrichten. Die Piezokeramik wiederum wandelt die eingekoppelte mechanische Energie in eine elektrische Energie um.
Im Folgenden wird die erzielbare Abstandsänderung Δd ausge- rechnet. Dazu sind die in den Figuren 3 und 4 angegebenen Parameter folgende Größen: r„ Reifenradius
Sj Latschlänge
d0 Zangenöffnung (Schenkelabstand) im Normalzustand
dc Zangenöffnung (Schenkelabstand) bei Ein-/Austritt Latsch hd Zangen-Schenkellänge
Die mit den oben getroffenen Definitionen ergeben sich fol- gende Zusammenhänge:
ß
hß = rd■ c°s - i 'A )
d. = 2■ rr] ■ sin ß :5)
*d =Ad(rw,sι,hd,do) = do-dc =ύ?0-2-O-sin|— I (6)
Die durch die Gelenkbewegung frei werdende mechanische Energie wird in einen elektromechanischen Energiewandler (Generator) eingekoppelt, um aus der mechanischen Energie elektrische Energie zu gewinnen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Energiewandler. Bei dem piezoelektrischen Wandler wird die mechanische Energie in eine piezoelektrisch aktive Schicht eingekoppelt. Dabei kommt es zur Ladungstrennung. Die Ladungstrennung wird dazu benutzt, elektrische Energie herzustellen.
Claims
1. Reifen (1) mit mindestens einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer mechanischen Energie,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung mindestens zwei an einer Innenseite einer Lauffläche des Reifens angeordnete, durch eine Gelenkbewegung gegeneinander bewegbare Schenkel aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Schenkeln durch die Gelenkbewegung veränderbar ist.
2. Reifen nach Anspruch 1, wobei der Reifen ein Reifen eines Kraftfahrzeugs ist.
3. Reifen nach Anspruch 2, wobei die Schenkel ein starres Material aufweisen.
4. Reifen nach Anspruch 3, wobei das starre Material ein Metall ist.
5. Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Energie für einen elektromechanischen Energiewandler unter Verwendung des Reifens, wobei der Reifen bei einer Rollbewegung derart deformiert wird, dass es zu der Gelenkbewegung (40) der Schenkel kommt und dadurch die mechanische Energie bereitgestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei durch die Rollbewegung die Bildung eines Reifen-Latsches (11) hervorgerufen wird und bei der Bildung des Reifen-Latsches die Gelenkbewegung erfolgt.
7. Verwendung der mit dem Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 bereitgestellten mechanischen Energie zum Umwandeln der me- chanischen Energie in eine elektrische Energie durch Einkop- peln der mechanischen Energie in einen elektromechanischen Energiewandler .
8. Verwendung nach Anspruch 8, wobei als elektromechanischer Energiewandler ein piezoelektrisches Element verwendet wird.
9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die elektrische Energie für den Betrieb eines Reifenkontrollsystems verwendet wird.
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