DE19522269A1 - Vorrichtung zum Ermitteln und Aufaddieren der Umdrehungen eines Reifens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln und Aufad­ dieren der Umdrehungen eines Reifens und einen mit der Vorrichtung ausgerüsteten Reifen. Bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit eines Fahrzeugreifens ist neben dem Wissen über seine Abnutzungs­ erscheinungen und seinen Rollwiderstand insbesondere seine Lebenserwartung, also seine Laufleistung in Kilometern und seine Runderneuerungsfähigkeit von Interesse. Hier­ zu ist es wünschenswert, eine manipulationssichere und zuverlässi­ ge Einrichtung zur Ermittlung der Laufleistung jedes einzelnen Reifens zur Verfügung zu haben.

Die DE-OS 30 44 149 offenbart einen im Fahrzeugreifen angebrachten Umdrehungszähler, der die Anzahl der Umdrehungen mit einem als Folie ausgeführten piezoelektrischen Sensor erfaßt und in einem Zählregister speichert. Die Daten werden durch ein kontaktloses Interface nach außen übertragen. Dieser Umdrehungszähler benötigt zur Energieversorgung seiner Komponenten eine Batterie.

Die im Inneren des Reifens vorgesehene Batterie bildet zusätzlich eine Unwucht, die mit entsprechendem Aufwand ausgeglichen werden muß.

Insbesondere LKW-Reifen sind für eine lange Zeit im Einsatz, so daß die Batterie eine hohe Lebensdauer haben muß, um die Funktionsfähigkeit des Umdrehungszählers über die gesamte Laufzeit sicherzustellen.

Neben einer hohen Lebensdauer muß eine solche Batterie auch in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar sein, da Umdrehungen des Reifens sowohl bei tiefsten Außentemperaturen im Winter, wenn das Fahrzeug gerade in Betrieb genommen wird, als auch bei hochsommer­ lichen Außentemperaturen, nachdem das Fahrzeug bereits mehrere Stunden mit hoher Geschwindigkeit im Einsatz ist, sicher erfaßt werden müssen. Diese Anforderungen führen zu teuren und entspre­ chend vulominösen Ausführungen, die allenfalls für den labormäßi­ gen Versuch, keinesfalls jedoch im täglichen Einsatz verwendbar sind.

Aus der US-PS 4,246,567 ist eine Vorrichtung zur Erfassung zu niedrigen Luftdrucks oder übermäßiger Erwärmung in einem Luftrei­ fen bekannt, die mit einem piezoelektrischen Element und einem damit verbundenen Schaltkreis arbeitet. Das Piezoelement ist im Inneren des Reifens vorgesehen und befindet sich in einem Abstand zur Reifenaufstandsfläche. Sinkt der Luftdruck zu weit ab, wird die Reifenaufstandsfläche entsprechend weit verformt, so daß der Reifen im Bereich der Aufstandsfläche an das piezoelektrische Ele­ ment anstößt und hierdurch ein Spannungssignal zur Erzeugung eines Alarms oder ähnlichem erzeugt wird. Zwischen dem Piezoelement und der Reifenaufstandsfläche ist außerdem eine Wachsplatte vorgese­ hen, die sich bei steigender Temperatur im Reifen ausdehnt. Der Abstand der Wachsplatte zur Reifenaufstandsfläche ist so gewählt, daß eine Temperaturerhöhung im unkritischen Bereich zu einer Aus­ dehnung führt, bei der die Platte nicht die Innenseite des Reifens kontaktiert. Eine zu hohe Temperatur im Reifeninneren führt zu einer erhöhten Ausdehnung bis zur Reifenaufstandsfläche und über diese Wachsplatte wird wie bereits erläutert das Piezoelement durch den Reifen kontaktiert. Für eine Verwendung als Umdrehungs­ zähler ist diese Vorrichtung nicht geeignet, da sie im äußeren Radius des Reifens angeordnet sein muß und damit zu einer nicht mehr tolerierbaren Unwucht führt.

Von dieser Problemstellung ausgehend soll eine Vorrichtung zum Ermitteln und Aufaddieren der Umdrehungen eines Reifens geschaffen werden, die als elektronischer Kilometer-Zähler eine sichere Er­ kenntnis über die tatsächliche Laufleistung eines Reifens ermög­ licht.

Zur Problemlösung wird eine im wesentlichen aus einem piezoelek­ trischen Element als Sensor für die Reifenumdrehung und, einem damit in Wirkverbindung stehenden, mindestens eine Zähleinheit, eine Steuereinheit und eine Speichereinheit aufweisenden Schalt­ kreis bestehende Vorrichtung vorgeschlagen, bei der das piezoelek­ trische Element in Kraftaufnahmerichtung zwei sich gegenüberlie­ gende Verlängerungen aufweist.

Die Verlängerungen können als Arme ausgebildet sein oder von einem Körper gebildet werden, in den das piezoelektrische Element einge­ legt ist.

Das Piezoelement liefert die vollständige Energieversorgung der einzelnen Komponenten der Vorrichtung. Durch die als Hebelarme wirkenden Verlängerungsarme werden kleine Kräfte, die aus der Ver­ formungsarbeit des Reifens beim Drehen resultieren, verstärkt in das piezoelektrische Element eingeleitet, wodurch eine ent­ sprechend hohe Spannung erzeugt werden kann, die zur Energiever­ sorgung ausreichend ist. Gleichzeitig kann das Piezoelement aber auch sehr klein ausgebildet sein und in einem Bereich möglichst dicht an der Felge angeordnet werden, in dem zwar die Reifenver­ formung gering aber auch der Einfluß der Gesamtvorrichtung auf die Rundlaufeigenschaften des Reifens vernachlässigbar ist. Da die Energieversorgung direkt vom Piezoelement stammt, ist die Einsetz­ barkeit quasi unbeschränkt, so daß insbesondere eine Verwendung in Lkw-Reifen mit entsprechend hoher Laufleistung angebracht ist.

Die Verlängerungsarme laufen an ihren vom Piezoelement wegweisen­ den Enden vorzugsweise in Richtung der Trägerkeramik aus. Dadurch ist es möglich, die Verlängerungsarme der Innenkontur des Reifens anzupassen, so daß die Krafteinleitung bzw. Weiterleitung auf das Piezoelement optimiert wird. Vorzugsweise bestehen die Verlänge­ rungsarme aus Blech.

Wenn die Verlängungen von einem Körper gebildet werden, weist der Körper vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Ver­ längerungen entsprechen dabei einem dreieckförmigen Querschnitt und bilden je einen Keil, an deren stumpfen Seite das piezoelek­ trische Element schwebend im Körper befestigt ist. Bei einem sol­ chen Aufbau werden nicht die Druck- und Zuspannungen im Reifen ausgenutzt, sondern die Biegung der Innenschicht des Reifens. Durch die trapezförmige Konstruktion und die schwebende Aufhängung des piezoelektrischen Elementes erzeugt bereits eine geringe Bie­ gung des Körpers, das heißt eine geringe Reifenverformung, hohe Kräfte bzw. Spannungen in dem piezoelektrischen Element. Für eine besonders effektive Ausnutzung der Piezokeramik sollte das piezo­ elektrische Element stabförmig mit geringem Querschnitt ausgebil­ det sein, damit bereits geringe Kräfte hohe Spannungen erzeugen.

Vorteilhaft ist auch ein steifer Grundkörper aus einem Kunststoff mit hohem Modul, der hart ist, und damit Verformungen des Reifens auch wirklich als Biegekräfte an das piezoelektrische Element ge­ langen und nicht durch Verformung des Grundkörpers aufgefangen werden.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung in der Nähe des Wendepunktes zwischen Wulst und Seitenwand im Inneren des Rei­ fens angeordnet wird. Die Verlängerungsarme laufen dann in der Form des Wulstes bzw. der Seitenwand und das piezoelektrische Ele­ ment ist an dem im Übergang gerade ausgebildeten Bereich (Wende­ punkt) sicher verkleb- oder einheizbar. Der Piezostab ist dabei in radialer Richtung auszurichten. Dabei werden Biegeverformungen des Wulst/Seitenwandbereiches des Reifens beim Durchlaufen der Auf­ standsfläche ausgenutzt. Denkbar ist aber auch ein Einbau der Vor­ richtung im Bereich des Laufstreifens, wobei dann die Keramik in Umfangsrichtung liegen müßte. Bei dieser Anordnung wird die Ver­ formung des Laufstreifens beim Durchlaufen der Aufstandsfläche ausgenutzt.

Mit jeder Radumdrehung wird über das resultierende Spannungssignal des Piezoelementes die Zähleinheit aktiviert und der Speicher um eins erhöht. Aus der Anzahl der Umdrehungen kann die tatsächliche Laufleistung des Reifens ermittelt werden, wobei die Daten des Speichers von außen drahtlos mit einem Lesegerät abgerufen werden können. Derartige Geräte werden bereits am Markt angeboten. Die notwendige Energie beim Lese- oder Schreibvorgang wird über eine elektromagnetische Kopplung eingebracht, so daß zum Ablesen die im Reifen angebrachte Elektronik nicht über eine eigene Energiequelle zu verfügen braucht. Für die Ausgestaltung der elektronischen Schaltung wird im übrigen auf die DE 44 02 136 verwiesen.

Mit Hilfe einer Zeichnung sollen zwei Ausführungsbeispiele der Er­ findung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht;

Fig. 1a die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Sichtpfeil A nach Fig. 1,

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit den Funktionseinheiten des Systems,

Fig. 3 die schematische Teildarstellung eines Reifens im Schnitt,

Fig. 4 den Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispie­ les der Erfindung,

Fig. 4a die Draufsicht der Vorrichtung gemäß Sichtpfeil B nach Fig. 4,

Fig. 5 ein Funktionsprinzipbild der erfindungsgemäßen Vor­ richtung nach Fig. 4.

Wie den Fig. 1 und 1a entnehmbar ist, ist das piezoelektrische Element 1 mit zwei sich gegenüberliegenden Verlängerungsarmen 5, 6 versehen, die in Kraftaufnahmerichtung verlaufen. Das piezoelek­ tronische Element 1 wirkt in bekannter Weise mit der Spule 2 und der Trägerkeramik 3 zusammen. Ein elektronischer Schaltkreis 4 weist eine Zähleinheit 42, eine Steuereinheit 43 und eine Speichereinheit 44 auf.

Die Verlängerungsarme 5, 6 sind seitliche Ausläufer aus Blech, die die Piezokeramik verlängern und auf der Innenseite des Reifens 11 im Übergang des den Kern 10 tragenden Wulstes 12 zur Seitenwand 13 aufgeklebt sind. Da die Bleche wesentlich steifer sind als das umgebende Gummi, konzentrieren sie die Druckspannungen auf das piezoelektrische Element 1, so daß dort höhere Spannungen entste­ hen. Die Durchbiegung des Reifens beim Einfedern wird zur Erzeu­ gung der benötigten Energie eingesetzt. Das beim Einfedern entste­ hende Signal ist proportional des Federweges des Reifens und könn­ te auch zum Erkennen von Minderluftdruck benutzt werden.

Über die Verlängerungsarme 5, 6 werden in das Piezoelement 1 so­ wohl Druck- als auch Biegespannungen eingeleitet. Anstelle einer druckempfindlichen Keramik kann deshalb auch eine Biegekeramik eingesetzt werden. Durch eine entsprechende konstruktive Ausbil­ dung der Verlängerungsarme 5, 6 kann erreicht werden, daß diese bei einer Überlastung - die beispielsweise durch zu starke Einfe­ derung des Reifens auftritt - einknicken und dadurch eine Beschä­ digung des piezoelektrischen Elements 1 verhindert wird.

Das in den Fig. 4 bis 5 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das piezoelektrische Element 1 in einem Körper 17 aufgenommen ist, der in der Drauf­ sicht eine rechteckige Form aufweist und im Längs-Querschitt tra­ pezförmig ausgebildet ist. Der Körper 17 weist eine mittige Aus­ nehmung 18 auf, die der Länge des piezoelektrischen Elements 1 entspricht. Diese Ausnehmung ist so tief in dem Körper 17 über dessen volle Breite B_K vorgesehen, daß eine flexible Verbiegung des Körpers 17 möglich ist. Hierzu sind die Verlängerungen 15, 16 zu ihren äußeren Seiten hin im Querschnitt geringer ausgebildet. Die keilförmige Ausbildung der Enden 15, 16 bewirkt, daß das piezo­ elektrische Element 1 an den stumpfen Seiten der Verlängerungen 15, 16 befestigt werden kann und somit die Ausnehmung 18 über­ brückt. Die Oberseite des piezoelektrischen Elementes 1 schließt mit der oberen Kante der stumpfen Seiten der Verlängerungen 15, 16 ab. Der Körper 17 kann auf die Innenschicht des Reifens 11 aufvul­ kanisiert oder nachträglich eingeklebt werden. Als Einbaulage ist der Übergang zwischen Wulst 12 und Seitenwand 13 möglich. Dabei ist das piezoelektrische Element 1, das stabförmig mit einem mög­ lichst geringen Querschnitt mit der Breite bzw. dem Durchmesser B_E ausgebildet ist, in radialer Richtung des Reifens auszurichten.

Die als Antenne dienende Spule 2 sowie die weiteren Elektronikkom­ ponenten, die in Fig. 4a nur beispielhaft mit der allgemeinen Bezugsziffer 4 bezeichnet sind, können im Kunststoff des Körpers 17 eingegossen werden.

Das Funktionsprinzip des zweiten Ausführungsbeispieles geht aus Fig. 5 deutlich hervor und es ist ersichtlich, daß Biegemomente auf den Körper 17 zu Druck- bzw. Zugkräften führen, die auf das piezoelektrische Element 1 wirken.

Bei jeder Reifenumdrehung wird vom piezoelektrischen Element ein pulsförmiges Signal erzeugt, das als Grundlage der Umdrehungszäh­ lung dient. Zur Registrierung, Auswertung und Speicherung dieser Information ist der hier nicht näher dargestellte Ausgang des pie­ zoelektrischen Elements 1 mit dem integrierten Schaltkreis 4 ver­ bunden, der auf der Trägerkeramik 3 angeordnet ist und eine Spannungsversorgungseinheit 41, eine Zählereinheit 42, eine Steu­ ereinheit 43, eine Speichereinheit 44 und eine Ausgabeeinheit 45 aufweist.

Jede Reifenumdrehung wird in der Zähleinheit 42 des integrierten Schaltkreises 4 registriert. Eine Elektrode (ein Ausgang) des pie­ zoelektrischen Elements 1 ist mit der Zählereinheit 42 verbunden, die an ihrem Ausgang ein Zählregister zur weiteren Verarbeitung bereitstellt. Bei einem Stillstand des Fahrzeugs wird die Energie­ zufuhr durch das piezoelektrische Element 1 beendet und der momen­ tane Zählwert in einem EEPROM-Speicher der Speichereinheit 44 ab­ gespeichert. Bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs, also einer begin­ nenden Raddrehung wird der im EEPROM-Speicher abgespeicherte, ak­ tuelle Wert in die Zähleinheit 42 geladen und die Umdrehungszäh­ lung fortgesetzt. Mittels der Steuereinheit 43 wird die maximale Anzahl der Datenänderungen in den EEPROM-Speicherzähler reduziert und eine automatische Fehlerkorrektur durchgeführt.

Mittels des Pulsdetektors 42a wird jede vom piezoelektrischen Ele­ ment 1 erzeugte negative oder positive Flanke als Signal für eine Reifenumdrehung detektiert. Der vorzugsweise als Binärzähler aus­ gebildete Zähler 42c übermittelt seinen Zählerstand bei einem Stillstand des Reifens 11 an die Speichereinheit 44 und wird von dieser bei Wiederaufnahme der Reifendrehung mit dem dort abgespei­ cherten Wert vorgeladen. Zur Vermeidung von Datenverlusten in Pha­ sen sehr langsamer Reifenumdrehung wird beim Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Versorgungsspannung vom Spannungspe­ geldetektor 43a ein Signal generiert, durch das die Speicherein­ heit 44 zur Übernahme des momentanen Zählerstands veranlaßt wird.

Durch die Schreib-Lese-Logik 44a wird die aufgrund der Rotation der Zählerstellen des Binärzählers 42c codierte Reifenumdrehungs­ information beim Starten bzw. Stoppen der Reifenumdrehung zwischen der Codier-/Decodier-Einheit 43c und der Speicherzelleneinheit 44b transferiert. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen, wird die Speicherzelleneinheit 44b in Gruppen mit einer bestimmten Zahl an EEPROM-Speicherzellen unterteilt.

Bei der Datenübertragung wird die abgespeicherte Information mit­ tels der Ausgebeeinheit 45, der Transponderelektronik 51 und der Transponderspule 52 nach außen übertragen und kann beispielsweise mittels eines hier nicht näher dargestellten Handelsgeräts, das ein induktives Wechselfeld zur Energieversorgung bereitstellt, ausgelesen werden. Der Kondensator 53 dient als Resonanzkondensa­ tor zur Abstimmung auf die Übertragungsfrequenz.

Um die Umdrehungsinformation nach außen zu übertragen wird als Ausgabeinheit 45 ein digitales Transponder-Interface verwendet. Da beim Auslesen das piezoelektrische Element 1 keine eigene Energie liefert, müssen alle zum Auslesen benötigten Systemkomponenten von einem externen Transponder 50 mittels eines induktiven Wechselfel­ des mit Spannung versorgt werden. Die Transponderelektronik 51 kann ebenfalls im Schaltkreis 4 integriert sein. Während der Um­ drehungszählung wird das Transponder-Interface 45 abgeschaltet um Leistung zu sparen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Ermitteln und Aufaddieren der Umdrehungen eines Reifens, insbesondere eine Kraftfahrzeugreifens, im wesentlichen bestehend aus einem piezoelektrischen Element (1) als Sensor für die Reifenumdrehung, einem damit in Wirk­ verbindung stehenden, mindestens eine Zähleinheit (42), eine Steuereinheit (43) und eine Speichereinheit (44) aufweisenden Schaltkreis (4); wobei das piezoelektrische Element (1) in Kraftaufnahmerichtung zwei sich gegenüberliegende Verlänge­ rungen (5, 6; 15, 16) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen (5, 6) als Arme ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsarme (5, 6) an ihren vom Piezoelement (1) wegwei­ senden Enden in Richtung der Trägerkeramik (3) gebogen aus­ laufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsarme (5, 6) aus Blech bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen (15, 16) von einem Körper (17) gebildet wer­ den, in den das piezoelektrische Element (1) eingelegt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (17) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen (15, 16) jeweils einen Keil bilden und das piezoelektrische Element (1) im Körper (17) mit den stumpfen Seiten der Keile schwebend befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B_K) des Körpers (17) größer ist als die Breite (B_E) des piezoelektrischen Elementes (1).

9. Reifen gekennzeichnet durch eine in seinem Inneren in der unmittelbaren Nähe des Wendepunktes zwischen Wulst (12) und Seitenwand (11) angeordnete Vorrichtung nach einem oder meh­ reren der vorstehenden Ansprüche.

10. Reifen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ richtung mit dem Reifen verklebt oder in diesen einvulkani­ siert ist.

11. Reifen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ längerungen (5, 6; 15, 16) des piezoelektrischen Elements (1) der Reifenkontur im Bereich der Befestigungsstelle angepaßt sind.