DE69310137T2

DE69310137T2 - Fahrzeugrad mit reifendrucksensor

Info

Publication number: DE69310137T2
Application number: DE69310137T
Authority: DE
Inventors: Ross Olney; John Reeds
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-10-06
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: WO1994007705A1; EP0614420B1; MX9306210A; US5325901A; EP0614420A1; DE69310137D1; JPH07502000A; CA2124724A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Sensieren des Druckes in einem Reifen, der an einem Rad eines Fahrzeuges montiert ist, mit Trägheitsmassenmitteln, die von dem Rad zur Bewegung entlang einer Radialachse des Rades gelagert sind, wobei die Trägheitsmassenmittel durch eine sich aus der Drehung des Rades ergebende Zentrifugalkraft entlang der Achse radial nach außen gedrückt werden, Druckübertragungsmitteln zum Übertragen des Druckes von dem Reifen auf die Trägheitsmassenmittel in entgegengesetzter Richtung zu der nach außen gerichteten Bewegung, und einem Schaltmittel, das durch die Trägheitsmassenmittel in Antwort auf die Zentrifugalkraft und den Druck in einen ersten Zustand betätigt wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rades unter einem vorbestimmten Wert liegt, der als eine vorbestimmte Funktion des Druckes variiert, und in einen zweiten Zustand betätigt wird, wenn der Zustand über dem vorbestimmten Wert liegt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeugrad eines Fahrzeuges, mit einem Körper, der eine Umfangsfelge zum Montieren eines Reifens daran aufweist, wobei die Felge und der Reifen einen Druckfüllraum definieren, wobei die obige Sensoranordnung zum Sensieren des Druckes in dem Reifen vorgesehen ist.
Eine derartige Sensoranordnung und ein solches Fahrzeugrad sind aus der EP-A-0 335 082 bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft generell den Stand der Technik der Kraftfahrzeuge und betrifft insbesondere ein Rad für ein Fahrzeug, in das ein Sensor zum kontinuierlichen Überwachen des Luftdruckes in einem an dem Rad montierten Reifen während des Betriebes des Fahrzeuges eingebaut ist.
Ein niedriger Reifendruck ist eine Hauptursache für übermäßigen Kraftstoffverbrauch, Reifenabnutzung und beeinträchtigte Steuerbarkeit. Ein normaler Reifen verliert pro Jahr aufgrund seiner inhärenten Permeabilität in der Größenordnung von 25 Prozent seines Druckes. Es ist wird daher empfohlen, den Reifendruck regelmäßig auf Stand zu bringen.
Selbst ein Überprüfen des Reifendruckes alle paar Wochen kann diese nachteiligen Wirkungen jedoch nicht verhindern, wenn ein kleines Loch vorliegt, und es kann vorkommen, daß das Loch nicht bemerkt wird, es sei denn er werden sorgfältige Aufzeichnungen gemacht, wie häufig der Druck in jedem Reifen aufzufüllen ist. Ein großes Loch bzw. ein schneller Druckabfall oder platter Zustand des Reifens bzw. ein Platten können schnell zu Beschädigungen des Reifens führen und diesen sogar innerhalb einer kurzen Zeitspanne unbrauchbar machen. Es kann jedoch vorkommen, daß dieser Zustand von einem unerfahrenen Fahrer nicht bemerkt wird, bis es zu spät ist.
Es ist daher in hohem Maße wünschenswert, wenn Mechanismen vorhanden sind, die dem Fahrer automatisch anzeigen, wenn der Reifendruck zu niedrig ist. Ein derartiges System ist in dem US-Patent 4,067,376 von Barabino offenbart. Dieses Patent offenbart ein Hochdruck-Luftreservoir, das in dem Fahrzeugrad vorgesehen ist, und ein Ventil, das in Antwort darauf, daß der Reifendruck unter einen ausgewählten Schwellenwert fällt, automatisch einen Kanal zwischen dem Hochdruck-Reservoir und dem Reifen öffnet. Auf diese Weise wird automatisch verhindert, daß der Reifendruck unter diesen Wert fällt.
Obwohl das System von Barabino seinen beabsichtigten Zweck erfüllt, enthält das Ventil eine komplizierte und teure Wege- Anordnung, die die praktische kommerzielle Anwendung dieses Ventils begrenzt.
Die oben erwähnte EP-A-0 335 082 offenbart einen Druckschalter zum Überwachen des Luftdruckes, der in einem Druckfüllraum des Reifens montiert ist. Der Schalter umfaßt eine Referenz-Druckkammer, die von dem Druckfüllraum mittels einer elektrisch leitenden Schaltmembran getrennt ist. Der Schalter stützt weiterhin einen Kontaktstift, der mit der Membran zusammenwirkt. Die Massenverteilung der Membran ist derart, daß die Schaltschwelle des Drucksensors automatisch variabel ist. Mit anderen Worten paßt sich die Schaltschwelle des Drucksensors automatisch an den notwendigen Reifendruck bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten an. Beispielsweise löst der Druckschalter in einem niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich bis zu 160 km/h ein Warnsignal bei einem Reifendruck aus, der etwa 0,5 bar niedriger ist als die Schaltschwelle bei der Maximalgeschwindigkeit von 280 km/h.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Sensoranordnung zum Sensieren des Druckes in einem Reifen und ein Fahrzeugrad mit einer derartigen Sensoranordnung anzugeben.
Die obige Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Sensoranordnung dadurch erreicht, daß das Fahrzeug einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor aufweist und daß ein Rechenmittel vorgesehen ist, das auf den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und das Schaltmittel anspricht, um den Reifendruck auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit zu berechnen, bei der das Schaltmittel seinen Zustand verändert.
Die vorliegende Erfindung stellt generell ein Fahrzeugrad bereit, an dem sich ein Reifen montieren läßt und das einen einfachen und kostengünstigen, aber dennoch genauen und zuverlässigen Sensor zum Überwachen des Luftdruckes in dem Reifen beinhaltet.
Der Reifen-Luftdrucksensor ist genauer gesagt an dem Fahrzeugrad montiert und enthält eine Trägheitsmasse, die durch eine Zentrifugalkraft radial nach außen gedrückt wird, die sich aus der Drehung des Rades ergibt.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Reifenluftdruck an die Trägheitsmassenmittel in entgegengesetzter Richtung zu der Zentrifugalkraft angelegt. Wenn die Drehzahl des Rades hinreichend ist, so daß die Zentrifugalkraft den aufgebrachten Luftdruck überwindet, bewegt sich die Trägheitsmasse radial nach außen und öffnet einen Schalter. Die Geschwindigkeit, bei der der Schalter öffnet, ist eine vorbestimmte Funktion des Reifendruckes.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein weiterer Sensor vorgesehen, um zu sensieren, wenn sich der Reifendruck unter einem Minimalwert befindet. Eine Feder drückt die Trägheitsmasse entgegen der Zentrifugalkraft einwärts und der Reifendruck wird an einen Balgen mit einem Ende angelegt, das sich proportional zu dem angelegten Druck radial nach außen bewegt.
Der Balgen öffnet einen ersten Schalter, wenn der Druck höher ist als der Minimalwert, und die Trägheitsmasse bewegt sind von dem Ende des Balgens radial nach außen weg, um einen zweiten Schalter zu öffnen, wenn die Raddrehzahl den Wert entsprechend dem Reifendruck überschreitet.
Der vorliegende Sensor kann ausschließlich dazu verwendet werden, dem Fahrzeugführer den Reifendruck anzuzeigen, oder kann dazu verwendet werden, ein System zu steuern, wie es von Barabino offenbart ist, bei dem Luft von einem Hochdruck- Reservoir automatisch in einen Reifen abgegeben wird, wenn der sensierte Druck unter einen bestimmten Wert fällt.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich Fachleuten aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugsziffern sich auf gleiche Teile beziehen.
Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht, die ein Fahrzeugrad und einen Reifen mit eingebautem Reifen-Luftdrucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform des Sensors darstellt, bei der der Reifenluftdruck an einen Kolben anqelegt ist und wobei das Rad steht oder sich mit einer relativ niedrigen Drehzahl dreht;
Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 2, stellt jedoch den Sensor in einem Zustand dar, bei dem sich das Rad mit einer relativ hohen Drehzahl dreht;
Fig. 4 stellt eine Ausführungsform des Sensors dar, die jener der Fig. 2 und 3 ähnlich ist, jedoch eine Rollmembran zum Abdichten des Kolbens aufweist;
Fig. 5 stellt eine Ausführungsform des Sensors dar, bei dem der Luftdruck an einen Balgen angelegt wird;
Fig. 6 stellt eine Ausführungsform des Sensors mit einem zweiten Balgen zum Erfassen dar, wenn sich der Reifenluftdruck unter einem Minimalwert befindet;
Fig. 7 ist ein schematisches elektrisches Schaltbild, das eine Schalteranordnung des Sensors der Fig. 6 darstellt;
Fig. 8a stellt eine Ausführungsform des Sensors mit einem einzelnen Balgen zum Sensieren des Reifenluftdruckes und zum Sensieren dar, wenn sich der Druck unter einem Minimalwert befindet, und zwar in einem Zustand, in dem der Druck unter dem Minimalwert liegt;
Fig. 8b ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8a, stellt den Sensor jedoch in einem Zustand dar, bei dem sich der Druck über dem Minimalwert befindet und bei dem das Rad steht oder sich mit einer relativ niedrigen Drehzahl dreht;
Fig. 8c ist eine der Fig. 8a ähnliche Ansicht, stellt den Sensor jedoch in einem Zustand dar, bei dem sich der Druck über dem Minirnalwert befindet und bei dem das Rad sich mit einer relativ hohen Drehzahl dreht; und
Fig. 8d ist ebenfalls eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8a, stellt den Sensor jedoch in einem Zustand dar, in dem sich der Druck unter dem Minimalwert befindet und bei dem sich das Rad mit einer relativ hohen Drehzahl dreht.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Rad für ein Kraftfahrzeug oder eine andere Art von Fahrzeug eine Felge 12, an der ein Reifen 14 montiert ist. Das Rad 10 umfaßt weiterhin einen kreisförmigen Körper oder eine Wand 16, die sich von der Felge 12 radial nach innen erstreckt und mit (nicht gezeigten) Löchern versehen ist, um das Rad 10 an einer Fahrzeugachse zu montieren.
Ein Reifen-Luftdrucksensor 18 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorzugsweise an der Felge 12 im Inneren des Füllraumes des Reifens 14 festgelegt. Auf diese Weise ist der Sensor 18 dem Luftdruck in dem Reifen 15 direkt ausgesetzt. Es liegt jedoch im Schutzbereich der Erfindung, obwohl es nicht explizit dargestellt ist, den Sensor 18 an der Wand 16 oder an einem anderen Ort zu montieren und eine Leitung zum Übertragen des Reifen-Luftdruckes an den Sensor 18 vorzusehen.
Der Sensor 18 ist so montiert, daß seine sensitive Achse mit einer Radialachse 20 zusammenfällt, die die Drehachse des Rades 10 senkrecht schneidet. Die radial nach außen gerichtete Richtung entlang der Achse 20 ist durch einen Pfeil 22 gezeigt. Eine elektrische Sekundärwicklung oder -spule 24 ist an der Wand 16 des Rades 10 festgelegt, so daß sie sich einstückig mit diesem dreht. Eine elektrische Primärwicklung oder -spule 26 ist an einem strukturellen Element 28 des Fahrzeuges festgelegt, das sich nicht mit dem Rad 10 dreht. Die Spule 24 ist benachbart zu der Spule 26 angeordnet und in der dargestellten Drehposition des Rades 10 induktiv mit dieser gekoppelt.
Das Strukturelement 28 und das Rad 10 sind elektrisch geerdet bzw. mit Masse verbunden. Beide Enden der Spule 26 sind mit einer Detektoreinheit 30 verbunden. Ein Ende der Spule 24 ist geerdet und das andere Ende ist mit dem Sensor 18 über eine Leitung 32 verbunden.
Wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, umfaßt der Sensor 18 einen Schalter 33, der zwischen der Leitung 32 und Masse angeschlossen ist. Der Schalter 33 befindet sich bei relativ geringen Fahrzeuqgeschwindigkeiten (Reifendrehzahlen) in einem ersten (geschlossenen) Zustand und befindet sich bei höheren Geschwindigkeiten in einem (geöffneten) zweiten Zustand. Die Detektoreinheit 30 umfaßt einen Schaltkreis, um zu erfassen, ob der Schalter 33 in dem Sensor 18 geöffnet oder geschlossen ist. Die Irnpedanz der Spule 24 wird zu der Spule 26 zurückreflektiert und erscheint als kleine Last, wenn der Schalter 33 geöffnet ist, und als eine große Last, wenn der Schalter 33 geschlossen ist.
Die Detektoreinheit 30 kann einen (nicht gezeigten) Oszillator aufweisen, um an die Spule 26 und den Schaltkreis zum Sensieren der Spannung über der Spule 26 konstante Stromimpulse anzulegen. Die Spannung wird geringer sein, wenn der Schalter 33 geschlossen ist, als in dem Fall, wenn der Schalter 33 geöffnet ist. Alternativerweise kann die Detektoreinheit 30 konstante Spannungsimpulse an die Spule 26 anlegen und den Strom durch die Spule 26 sensieren. Der Strom wird größer sein, wenn der Schalter 33 geschlossen ist, als in dem Fall, wenn der Schalter 33 geöffnet ist.
Alternativerweise kann ein (nicht gezeigter) Kondensator parallel zu der Spule 24 angeschlossen sein, um einen Parallelresonanzkreis zu bilden, der in Antwort auf induzierte Impulse von der Spule 26 oszilliert, wenn der Schalter 33 geöffnet ist, und nicht oszilliert, wenn der Schalter 33 geschlossen ist. Die Oszillation in der Spule 24 wird als "Klingel"-Signal an die Spule 26 zurückreflektiert, was durch die Detektoreinheit 30 erfaßt werden kann.
Der Sensor 18 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und umfaßt ein elektrisch leitendes Gehäuse oder einen elektrisch leitenden Körper 34, der mit Masse verbunden ist. Eine Bohrung 36 ist in dem Körper 34 ausgebildet und erstreckt sich entlang der Achse 20. Das radial innere Ende der Bohrung 36 ist geschlossen, wohingegen das radial äußere Ende der Bohrung 36 mit dem Füllraum des Reifens 14 über einen Kanal 38 in Verbindung steht.
Ein elektrisch leitender Kolben 40, der eine Trägheitsmasse bildet, ist abgedichtet entlang der Achse 20 gleitbar in der Bohrung 36 aufgenommen. Eine Druckkammer 42 ist in der Bohrung 36 über einer radial äußeren Stimseite 40a des Kolbens 40 definiert. Die Druckkammer 42 steht mit dem Füllraum des Reifens 14 über den Kanal 38 in Verbindung, so daß der Druck in der Kammer 42 derselbe ist wie der Druck in dem Reifen 14.
Es sind weiterhin dargestellt O-Ringe 44 aus Gummi oder Kunststoff, die in Umfangsnuten 46 in dem Kolben 40 passen, um die Abdichtung zwischen dem Kolben 40 und der Wand der Bohrung 36 zu verbessern. Ein elektrisch leitender Vorsprung 48 erstreckt sich von der radial inneren Endwand der Bohrung 36 in Richtung auf eine radial innere Stimseite 40b des Kolbens 40. Ein leitender Stab 49 erstreckt sich durch eine Bohrung, die durch die Zentralachse des Kolbens 50 hindurch gebildet ist, und ist gegenüber dem radial äußeren Hauptkörper des Kolbens 40 durch eine Hülse 50 aus Kunststoff oder einem anderen elektrisch isolierenden Material isoliert. Der Stab 49 und die Hülse 50 sind stramm in den Kolben 40 eingepaßt und bewegen sich einstückig mit diesem.
Die Stange 49 ist mit der Leitung 32 elektrisch verbunden, die sich durch einen Isolator 51 zum Isolieren der Leitung 32 gegenüber dem Körper 34 erstreckt. Der Vorsprung 48 bildet einen ersten Kontakt des Schalters 33, wohingegen der Stab 49 einen zweiten Kontakt des Schalters 33 bildet. In der Position von Fig. 2 kontaktiert der Stab 49 den Vorsprung 48 und der Schalter 33 ist geschlossen. In der Position von Fig. 3 ist der Stab 49 gegenüber dem Vorsprung 48 beabstandet und der Schalter 33 ist geöffnet.
Wenn die O-Ringe 44 den Kolben 40 effektiv gegenüber dem Körper 34 isolieren, ist es möglich, die Stange bzw. den Stab 49 und die Hülse 50 wegzulassen und die Leitung 32 direkt mit dem Kolben 40 zu verbinden. Die dargestellte Anordnung ist jedoch bevorzugt, da sie ermöglicht, daß der Kolben 40 den Körper 34 berührt, ohne daß der Schalter 33 fälschlicherweise geschlossen wird. Ein solcher Kontakt könnte sich aus einer Abnutzung nach einem längeren Betrieb des Sensors 18 ergeben.
Der Luftdruck in der Druckkammer 42 wirkt auf die radial äußere Stirnseite 40a des Kolbens 40 und drückt den Kolben 40 radial nach innen in entgegengesetzter Richtung zu dem Pfeil 22. Wenn das Fahrzeug steht oder sich mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit bewegt, wird der Stab 49 von dem Luftdruck gegen den Vorsprung 48 gehalten und der Schalter 33 wird geschlossen. Die radial einwärts gerichtete Kraft Fin, die auf den Kolben 40 von dem Luftdruck in der Kammer 42 ausgeübt wird, ist Fin = PA, wobei P der Luftdruck in der Kammer 42 (der Reifenluftdruck) ist und wobei A die Fläche der Stimseite 40a des Kolbens 40 ist.
Eine Bewegung des Fahrzeuges und eine Drehung des Rades 10 erzeugt eine Zentrifugalkraft Fout, die den Kolben 40 in Richtung des Pfeiles 22 radial nach außen drückt. Fout = 4 mrV²/D², wobei m die Masse des Kolbens 40 ist, wobei r die radiale Entfernung von dem Drehzentrurn des Rades 10 zu der radial äußeren Spitze des Vorsprungs 48 ist, wobei V die lineare Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist und wobei D der Durchmesser des Reifens 14 ist.
Wenn die auf den Kolben 40 ausgeübte Zentrifugalkraft Fout, die sich aus der Drehung des Rades 10 ergibt, die Kraft Fin übersteigt, die von dem Druck in der Kammer 42 auf den Kolben 40 ausgeübt wird, bewegen sich der Kolben 40 und der Stab 49 von dem Vorsprung 48 weg und der Schalter 33 öffnet. Der Schalter 33 öffnet bei Fout = Fin oder bei PA = 4 mrV²/D², so daß P = (4 mr/AD²)V². Da m, r, A und D Konstanten sind, variiert der Reifenluftdruck P als vorbestimmte Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Genauer gesagt ist der Reifenluftdruck P proportional zum Quadratwert der Fahrzeuggeschwindigkeit V.
Das Fahrzeug, an dem das Rad 10 montiert ist, umfaßt gewöhnlicherweise ein Geschwindigkeitsmeßgerät oder einen Tachometer zum Sensieren der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Die Geschwindigkeit V, bei der der Schalter 33 öffnet, steht auf eine genau vorbestimmte Weise mit dem Reifendruck P in Bezug, wobei P = KV², wobei K = 4 mr/AD². Die Detektoreinheit 30 umfaßt eine Rechnerschaltung, die als herkömmlicher Mikroprozessor oder als dedizierte Hardwareeinheit ausgeführt sein kann, zum Berechnen des Reifendruckes P durch Quadrieren der Geschwindigkeit V und durch Multiplizieren mit der Konstanten K. Der berechnete Reifendruck P kann auf einem Anzeigegerät an dem Armaturenbrett des Fahrzeuges angezeigt oder dazu verwendet werden, die Zufuhr von Luft in den Reifen 14 automatisch zu steuern, wenn der berechnete Druck sich unter einem normalen Wert bzw. Nennwert wie 35 psi befindet.
Fig. 4 stellt einen Sensor 60 dar, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet und dem Sensor 18 mit der Ausnahme änhnlich ist, daß die O-Ringe 44 durch eine Rollmembran 62 ersetzt sind, die z.B. von Bellofram company in Newell, West Virginia, kommerziell erhältlich ist.
Der zentrale Abschnitt der Membran 62 ist an die äußere Stimseite 40a des Kolbens 40 durch eine elektrisch isolierende Stirnseitenplatte 64 und eine Schraube 66 angeklemmt, wohingegen der Umfang der Membran 62 an der Wand der Bohrung 36 durch eine Ringklemmvorrichtung 68 festgelegt ist. Ein gefalteter oder "Roll"-Abschnitt 62a der Membran 62 erstreckt sich in einen ringförmigen Raum 36a zwischen dem Kolben 40 und der Wand der Bohrung 36. Die Leitung 32 ist mit der Schraube 66 verbunden, die in den Stab 49 geschraubt ist und eine elektrische Verbindung mit diesem bereitstellt.
Der Betrieb des Sensors 60 ist im wesentlichen ähnlich dem des Sensors 18. Der Vorteil der Rollmembran 62 gegenüber den O- Ringen 44 besteht darin, daß die Reibung zwischen dem Kolben 40 und der Wand der Bohrung 36 im wesentlichen eliminiert ist, und daß der Sensor 60 inhärent genauer ist als der Sensor 18.
Um eine Variation im Betrieb des Sensors 60 zu eliminieren, die sich aus Veränderungen in dem atmosphärischen Druck ergeben würde, wenn der Abschnitt 36a der Bohrung 36 an die Atmosphäre entlüftet wäre, ist der Abschnitt 36a vorzugsweise abgedichtet. Bei idealen Zuständen bleibt der Druck in den Abschnitt 36a konstant auf einem bekannten Wert.
Der Sensor 60 arbeitet für eine undefinierte Zeitspanne genau, wenn die Membran 62 aus einem Material mit einer geringen Permeabilität besteht. Die Permeabilität von einigen Rollmembranen, die zu geringen Kosten kommerziell verfügbar sind, ist jedoch so hoch, daß Luft aus der Kammer 42 langsam durch die Membran 62 in den Abschnitt 36a wandern kann. Dies wird dazu führen, daß der Druck in dem Abschnitt 36a graduell auf den Druck in der Kammer 42 ansteigt, so daß der Sensor 60 unwirksam wird.
Dieses Problem wird bei einem Sensor 70 überwunden, der in Fig. 5 dargestellt ist und der einen Körper 72 aufweist, der mit einer Bohrung 74 ausgebildet ist. Eine Trägheitsmasse 76, die die Funktion des oben beschriebenen Kolbens 40 bereitstellt, ist in der Bohrung 74 zur radialen Bewegung entlang der Achse 20 angeordnet. Die Masse 76 umfaßt einen äußeren Spulenkörper 78, der mit einer Bohrung 78a ausgebildet ist. Ein gestufter Stopfen 80 ist in das radial innere Ende der Bohrung 78a eingepaßt. Ein Flansch 82 erstreckt sich von der radial äußeren Wand des Körpers 72 radial nach innen und weist einen Kanal 84 auf, der durch diesen hindurch ausgebildet ist und der zu dem Füllraum des Reifens 14 führt.
Ein flexibler, elektrisch leitender Metallbalgen 86 erstreckt sich durch die Bohrung 78a und ist an seinen gegenüberliegenden Enden an dem Stopfen 80 bzw. dem Flansch 82 festgelegt. Ein Balgen 86, der zum Ausführen der Erfindung geeignet ist, ist von der Servomotor Company of Cedar Grove, New Jersey, kommerziell erhältlich. Das Innere des Balgens 86 definiert eine Druckkammer 88, die die Funktion der oben beschriebenen Druckkammer 42 bereitstellt.
Genauer gesagt, wird der Reifendruck durch den Kanal 84 in die Druckkammer 88 übertragen und übt eine entsprechende Kraft auf eine radial äußere Stimseite 80a des Stopfens 80 aus. Eine längliche elektrische Durchführung 90 erstreckt sich durch einen Isolator 92 in die Bohrung 74. Die Leitung 32 ist mit der Durchführung 90 verbunden. Der Stopfen 80 ist über den Balgen 86, den Flansch 82 und den Körper 72 elektrisch mit Masse verbunden und bildet einen Kontakt eines Schalters 91, der die Funktion des oben beschriebenen Schalters 33 bereitstellt. Die Durchführung 90 bildet einen zweiten Kontakt des Schalters 91.
Der Balgen 86 ist flexibel und kann eine vernachlässigbare Elastizität (Federrate oder -konstante) oder einen vorbestimmten Elastizitätswert aufweisen. Jedenfalls wirkt der Luftdruck in der Kammer 88 radial einwärts auf die Stirnseite 80a des Stopfens 80, wohingegen die sich aus der Drehung des Rades 10 ergebende Zentrifugalkraft radial nach außen auf die Trägheitsmasse 76 wirkt, die den Spulenkörper bzw. die Haspel 78 und den Stopfen 80 aufweist.
Wenn die Zentrifugalkraft kleiner ist als die Kraft, die von dem Druck in der Kammer 88 ausgeübt wird, greift die radial innere Stimseite 80b des Stopfens 80 an der Durchführung 90 an, wobei sich der Balgen 86 in der maximal ausgestreckten Position befindet, wie dargestellt, wodurch der Schalter 91 geschlossen wird. Wenn die Zentrifugalkraft den Luftdruck überwindet, bewegt sich der Stopfen 80 von der Durchführung 90 weg, wodurch der Schalter 91 geöffnet wird.
Der Balgen 86 ist vorzugsweise aus einem Material wie Nikkel hergestellt, das eine außerordentlich niedrige Permeabilität besitzt. Daher wird aus der Kammer 88 im wesentlichen keine Luft in die Bohrung 74 (außerhalb der Kammer 88) ausströmen und das dem Sensor 60, der eine permeable Rollmembran 62 geringer Kosten aufweist, zueigene Problem existiert bei dem Sensor 70 nicht.
Reifen, die im platten Zustand lauffähig sind ("run-flat"- Reifen) sind kürzlich vorgestellt worden, die bei einem Reifendruck des Wertes Null ihre strukturelle Integrität und Handhabungscharakteristika für 100 bis 200 Meilen behalten. Dies ermöglicht, daß ein Fahrzeug mit einem im platten Zustand lauffähigen Reifen mit Loch bis zu einer Werkstatt gefahren werden kann, ohne daß der Reifen mit Loch durch einen Reservereifen ersetzt werden muß.
Die oben beschriebenen Sensoren 18, 60 und 70 liefern eine genaue Anzeige des Reifendruckes bei normalen Betriebszuständen. Sie sind jedoch nicht in der Lage, einen plötzlichen Verlust des Reifendruckes bei hoher Geschwindigkeit zu erfassen, wie er durch ein Loch hervorgerufen wird, da der Schalter bei hoher Geschwindigkeit geöffnet ist und nach dem Druckverlust offenbleibt.
Da im platten Zustand lauffähige Reifen ihre Handhabungscharakteristika bei einem Reifendruck von Null beibehalten, kann es sein, daß die Bedienperson des Fahrzeuges nicht entdeckt, daß der "run-flat"-Reifen ein Loch bekommen hat, bis er über eine Strecke gefahren ist, die ausreicht, um Schäden an dem Reifen hervorzurufen und eine potentiell gefährliche Situation hervorzubringen.
Ein in Fig. 6 dargestellter Sensor 100 ist dem Sensor 70 von Fig. 5 ähnlich, umfaßt jedoch eine zusätzliche Membran und eine Schalteranordnung zum Erfassen, wenn der Luftdruck in dem Reifen 14 unter einen vorbestimmten Minimalwert gefallen ist, wie 15 psi. Der Sensor 100 umfaßt einen Körper 102 und Elemente, die auch dem Sensor 70 zu eigen sind, und die durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Eine Bohrung 104 ist in dem Körper 102 ausgebildet, die sich senkrecht zu der Achse 20 erstreckt. Ein flexibler Balgen 106 erstreckt sich in die Bohrung 104. Ein Stopfen 108 ist in das linke Ende (in der Ansicht von Fig. 6) des Balgens 106 eingepaßt, wohingegen das rechte Ende des Balgens 106 durch einen Flansch 110 abgestützt ist. Der Reifendruck wird zu einer Druckkammer 112 übertragen, die im Inneren des Balgens 106 definiert ist, und zwar über einen Kanal 114, der durch den Flansch 110 hindurch ausgebildet ist. Die Bohrungen 74 und 104 sind über einen Kanal 115 miteinander verbunden.
Eine elektrische Durchführung 116 erstreckt sich durch einen Isolator 118, der in ein Zentralloch in dem Flansch 110 eingepaßt ist. Die Leitung 32 ist mit dem externen Ende der Durchführung 116 verbunden, wohingegen der innere Abschnitt der Durchführung 116 sich durch die Kammer 112 derart erstreckt, daß das linke Ende der Durchführung 116 benachbart zu dem Stopfen 108 liegt. Der Stopfen 108 ist über den Balgen 106, den Flansch 110 und den Körper 102 mit Masse verbunden und bildet einen ersten Kontakt eines Niedrigdruck-Erfassungsschalters 120. Die Durchführung 116 bildet einen zweiten Kontakt des Schalters 120.
Da der Balgen 106 sich senkrecht zu der Achse 20 erstreckt, bleibt er von der sich aus der Drehung des Rades 10 ergebenden Zentrifugalkraft im wesentlichen unbeeinflußt. In der dargestellten Position wirkt der Druck in der Kammer 112 auf die innere Stimseite des Stopfens 108, wodurch der Balgen 106 verlängert wird, bis der Stopfen 108 an der linken Wand der Bohrung 104 anstößt. Der Balgen 106 ist in der dargestellten Position jedoch nachgiebig bzw. elastisch verlängert. Die Nachgiebigkeit bzw. Elastizität des Balgens 106 zieht den Balgen 106 in seinen komprimierten Zustand und bewegt den Stopfen 108 gegen die Kraft des Druckes in der Kammer 112 nach rechts.
Die Elastizität (Federrate oder -konstante) des Balgens 106 ist derart ausgewählt&sub1; daß der Balgen 106 komprimiert wird, so daß der Stopfen 108 nach rechts bewegt wird, so daß er die Durchführung 116 berührt und den Schalter 120 schließt, wenn der Druck in der Kammer 112 (Reifendruck) unter dem vorbestimmten Minimalwert liegt. Wenn der Druck über den Minimalwert ansteigt, überwindet er die Elastizität des Balgens 106 und bewegt den Stopfen 108 von der Durchführung weg, so daß der Schalter 120 geöffnet wird.
Ein schematisches Schaltbild der Schalter 91 und 120 ist in Fig. 7 dargestellt. Wenn der Reifendruck sich unter dem Minimalwert befindet, z.B. 15 psi, bleibt der Schalter 120 für alle Fahrzeuggeschwindigkeiten geschlossen. Da die Kontakte 90 und 116 beide mit der Leitung 32 verbunden sind, bleibt die Leitung 32 in dem Niedrigdruck-Zustand bei allen Fahrzeuggeschwindigkeiten mit Masse verbunden.
Wenn sich das Fahrzeug daher mit einer Geschwindigkeit V bewegt, die hinreichend hoch ist, so daß der Schalter 91 geöffnet sein sollte (normaler Reifendruck), die Detektoreinheit 30 jedoch erfaßt, daß die Leitung 32 mit Masse verbunden ist, muß der Reifendruck unter dem Minirnalwert liegen. Die Detektoreinheit 30 ist so konstruiert oder programmiert, daß der Niedrigdruck-Zustand angezeigt wird, wenn sich das Fahrzeug mit einer größeren als einer vorbestimmten Geschwindigkeit V bewegt und wenn die Leitung 32 mit Masse verbunden ist.
Die folgende TABELLE stellt die logische Funktion der Schalter 91 und 120 in dem Sensor 100 dar, unter der Annahme, daß der Balgen 86 elastisch ist und den Stopfen 80 in Richtung eines Kontaktes mit der Durchführung 90 drückt. TABELLE
Die Fig. 8a bis 8d stellen einen weiteren Sensor 30 gemäß einer Ausführungsforrn der Erfindung dar, der sämtliche Funktionen des Sensors 100 bereitstellt, jedoch nur einen Balgen aufweist. Der Sensor 130 weist einen generell tassenförmigen Körper 132 auf, der darin eine Kammer 134 mit einem geschlossenen oberen (gemäß der Ansicht in der Zeichnung) Ende besitzt. Das untere Ende der Kammer 134 ist durch einen Flansch 136 geschlossen. Eine generell tassenförmige Trägheitsrnasse 138 ist in der Kammer 134 zur Bewegung entlang der Achse 20 angeordnet und wird durch eine Kompressionsfeder 114 in Anlage an den Flansch 136 gedrückt.
Die Masse 138 weist eine radial einwärts zeigende stirnseitige Fläche 138a auf, auf der ein Vorsprung 142 ausgebildet ist. Ein ringförmig geformter Isolator 144 erstreckt sich von dem Flansch 136 radial nach außen. Ein ringförmiger Kontakt 146 erstreckt von dem oberen Ende des Isolators 144 radial nach außen und ist über eine Leitung 148 mit einer Durchführung 150 verbunden, die sich durch einen Isolator 152 erstreckt, der in ein Loch in dem Körper 132 eingepaßt ist. Die Leitung 32 ist mit der Durchführung 150 verbunden, wohingegen der Körper 132 mit Masse verbunden ist.
Ein elastischer Balgen 154 erstreckt sich durch eine Bohrung 156, die durch den Flansch 136 und den Isolator 144 hindurch ausgebildet ist. Das Innere des Balgens 154 ist dem Reifendruck ausgesetzt und bildet eine Druckkammer 158. Das radial äußere Ende des Balgens 154 ist durch eine elektrisch leitende Endplatte 160 abgedichtet, die über den Balgen 154, den Flansch 136 und den Körper 132 mit Masse verbunden ist bzw. geerdet ist. Die Masse 138 ist mit der Durchführung 150 über die Feder 140 und eine Leitung 162 verbunden. Es ist weiterhin ein Isolator 164 dargestellt, der die Feder 140 und die Leitung 162 gegenüber dem Körper 132 und daher gegenüber Masse isoliert.
Der Kontakt 146 und die Platte 160 bilden einen Niedrigdruck-Schalter 166, der die Funktion des oben beschriebenen Schalters 120 bereitstellt. Der Vorsprung 142 und die Platte 160 bilden einen Schalter 168, der die Funktion des oben beschriebenen Schalters 91 bereitstellt.
Fig. Ba zeigt den Zustand, bei dem das Fahrzeug steht oder sich mit einer sehr geringen Geschwindigkeit bewegt und bei dem der Reifendruck unter dem Minirnalwert liegt. Die Elastizität des Balgens 154 ist derart ausgewählt, daß der Balgen 154 sich zusammenzieht bzw. komprimiert, so daß die Platte 160 nach unten bewegt wird, so daß sie in Anlage an dem Kontakt 146 liegt und den Schalter 166 schließt.
Während bei den oben beschriebenen Sensoren der Reifendruck entgegengesetzt zu der sich aus der Drehung des Rades 10 ergebenden Zentrifugalkraft wirkt, wirken der Reifendruck und die Zentrifugalkraft bei dem Sensor 130 beide radial nach außen. Die Feder 140 übt eine radial einwärts gerichtete Kraft auf die Masse 138 in entgegengesetzter Richtung zu der Zentrifugalkraft aus. In Fig. Ba ist die Zentrifugalkraft Null oder sehr klein und die Feder 140 bewegt die Masse 138 nach unten, so daß der Vorsprung 142 die Platte 160 berührt und den Schalter 168 schließt.
Fig. 8b zeigt den Fall, bei dem sich der Druck über dem Minirnalwert befindet und das Fahrzeug steht oder sich mit einer sehr geringen Geschwindigkeit bewegt. Der Druck in der Kammer 158 überwindet die Elastizität des Balgens 154 und die Kraft der Feder 140 und bewegt die Platte 160 von dem Kontakt 146 weg, so daß der Schalter 120 geöffnet wird. Der Schalter 168 ist jedoch durch die Kraft der Feder 140 weiterhin geschlossen.
Fig. 8c zeigt den Zustand, bei dem sich der Reifendruck über dem Minimalwert befindet und bei dem sich das Fahrzeug hinreichend schnell bewegt, so daß die Zentrifugalkraft, die auf die Masse 138 wirkt, diese radial nach außen gegen die Kraft der Feder 140 bewegt und den Vorsprung 142 von der Platte 160 löst, so daß der Schalter 168 geöffnet wird. In diesem Fall ist der Schalter 166 ebenfalls geöffnet, so daß die Leitung 132 nicht mit Masse verbunden ist.
Die Elastizität des Balgens 154 ist so ausgewählt, daß sie sehr viel größer ist als jene der Feder 140. Daher variiert die radiale Position der Platte 160 gemäß dem Druck in der Kammer 158, unter vernachlässigbarem Einfluß seitens der Feder 140. Die Platte 160 wird progressiv radial nach außen bewegt, wenn der Reifendruck ansteigt und die Feder 140 progressiv komprimiert, solange die Zentrifugalkraft nicht ausreicht, um die Kraft der Feder 140 zu überwinden.
Auf diese Weise steigt die von der Feder 140 auf die Masse 138 ausgeübte Kraft mit dem Reifendruck und die Zentrifugalkraft, und somit die zur Überwindung der Federkraft erforderliche Fahrzeuggeschwindigkeit, steigen mit dem Reifendruck. Der Schalter 168 öffnet sich daher bei einer Geschwindigkeit, die mit dem Reifendruck auf eine vorbestimmte Art und Weise ansteigt, wie oben beschrieben.
Fig. 8d zeigt den Zustand, bei dem sich das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit bewegt, die groß genug ist, um den Schalter 168 zu öffnen, wobei sich der Reifendruck jedoch unter dem Minimalwert befindet. In diesem Fall ist der Schalter 166 geschlossen und der Niedrigdruck-Zustand wird von der Detektoreinheit 30 erfaßt, wie es oben unter Bezugnahme auf die TABELLE beschrieben worden ist.
Obwohl einige illustrative Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ergeben sich Fachleuten unzählige Veränderungen und alternative Ausführungsformen, ohne den Grundgedanken und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise können die oben beschriebenen elektrischen Schalter, die die Ausgänge der Sensoren bereitstellen, durch pneumatische oder andere Arten von Schaltern ersetzt werden.

Claims

1. Sensoranordnung zum Sensieren des Druckes in einem Reifen (14), der an einem Rad (10) eines Fahrzeugs montiert ist, mit:

- Trägheitsmassenmitteln (40; 78, 80; 138), die von dem Rad (10) zur Bewegung entlang einer Radialachse (20) des Rades gelagert sind, wobei die Trägheitsmassenmittel (40; 78, 80; 138) durch eine sich aus der Drehung des Rades (10) ergebende Zentrifugalkraft entlang der Achse (20) radial nach außen gedrückt werden;

- Druckübertragungsmitteln (36, 38, 40a, 42; 36, 38, 62; 84, 86, 88; 154, 156, 158, 160) zum Übertragen des Druckes von dem Reifen (14) auf die Trägheitsmassenmittel (40; 78, 80; 138) in entgegengesetzter Richtung zu der nach außen gerichteten Bewegung;

- einemschaltmittel (33; 91; 168), das durch die Trägheitsmassenmittel (40; 78, 80; 138) in Antwort auf die Zentrifugalkraft und den Druck in einen ersten Zustand betätigt wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rades (10) unter einem vorbestimmten Wert liegt, der als eine vorbestimmte Funktion des Druckes variiert, und in einen zweiten Zustand betatigt wird, wenn die Geschwindigkeit über dem vorbestimmten Wert liegt,

- einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor,

gekennzeichnet durch

- ein Rechenmittel (30), das auf den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und das Schaltmittel (33; 91; 168) anspricht, um den Reifendruck auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit zu berechnen, bei der das Schaltmittel (33; 91; 168) seinen Zustand verändert.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsmittel (36, 38, 40a, 42; 62; 84, 86, 88) den Druck zu den Trägheitsmassenmitteln (40; 78, 80) radial einwärts entlang der Achse (20) in entgegengesetzter Richtung zu der Zentrifugalkraft übertragen.

3. sensoranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitsmassenmittel einen Kolben (40) aufweisen und daß die Druckübertragungsmittel (36, 38, 40a, 42) aufweisen:

- eine Radialbohrung (36), die sich entlang der Achse (20) erstreckt und in der der Kolben (40) abgedichtet verschiebbar ist;

- eine Druckkammer (42), die in der Bohrung (36) durch eine radial äußere Stimseite (40a) des Kolbens (40) definiert ist; und

- einen Durchgang (38), der von dem Reifen (14) zu der Druckkammer (42) führt.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsrnittel (84, 86, 88) einen flexiblen Balgen (86) aufweisen.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen weiteren flexiblen Balgen (106), der sich senkrecht zu der Achse (20) erstreckt, um zu sensieren, wenn der Druck unter einem vorbestimmten Minimalwert ist, und um in Antwort hierauf das Schaltmittel (91) in den ersten Zustand zu betätigen.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitsmassenmittel einen Kolben (40) aufweisen und daß die Druckübertragungsmittel (36, 38, 42, 62) aufweisen:

- eine Radialbohrung (36), die sich entlang der Achse (20) erstreckt und eine innere Oberfläche aufweist;

- eine Rollmembran (62), die einen radial äußeren Umfang aufweist, der dichtend an der Oberfläche festgelegt ist;

- eine Druckkammer (42), die abgedichtet in der Bohrung (36) durch eine radial äußere Stimseite der Membran (62) definiert ist; und

- einen Durchgang (38), der von dem Reifen (14) zu der Druckkammer (42) führt;

- wobei der Kolben (40) in der Bohrung (36) bewegbar ist und ein radial äußeres Ende (40a) aufweist, das an einer radial inneren Stirnseite der Membran (62) festgelegt ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel aufweist:

- einen beweglichen Kontakt (49; 80), der einstückig mit einer radial einwärts gerichteten Stimseite (40b; 80b) der Trägheitsmassenmittel (40; 78, 80) ausgebildet ist; und

- einen feststehenden Kontakt (48; 90), der radial einwärts bezüglich des beweglichen Kontaktes (49; 80) angeordnet und mit diesem zusammenbringbar ist.

8. sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, gekennzeichnet durch Niedrigdruck-Erfassungmittel (106, 120; 154, 166) zum Sensieren&sub1; wenn der Druck unter einem vorbestimmten Minimalwert ist, und um in Antwort hierauf das Schaltmittel (91; 168) in den ersten Zustand zu betätigen.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedrigdruck-Erfassungsmittel (106, 120) einen flexiblen Balgen (106) aufweisen, der sich senkrecht zu der Achse (20) erstreckt.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsmittel (154, 156, 158, 160) den Druck zu den Trägheitsmassenmitteln (138) radial nach außen entlang der Achse (20) übertragen.

11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Vorspannmittel (140) zum Drücken der Trägheitsmassenmittel (138) radial einwärts entlang der Achse (20).

12. Sensoranordnung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsmittel (154, 156, 158, 160) einen elastischen Balgen (154) aufweisen, der sich entlang der Achse (20) erstreckt und einen beweglichen, radial äußeren Endabschnitt (160) aufweist, der mit einem radial nach innen weisenden Abschnitt (142) der Trägheitsmassenmittel (138) zusammenbringbar ist.

13. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Balgen (154) eine Federrate hat, die größer ist als die Federrate der Vorspannmittel (140), derart, daß die radiale Position des äußeren Endabschnittes (160) des Balgen (154) als eine vorbestimmte Funktion des Druckes variiert.

14. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (168) aufweist:

- einen ersten beweglichen Kontakt (160), der einstückig mit dem äußeren Endabschnitt des Balgen (154) ausgebildet ist;

- einen feststehenden Kontakt (146), der radial einwärts bezüglich des ersten beweglichen Kontaktes (160) angeordnet und mit diesem zusammenbringbar ist; und

- einen zweiten beweglichen Kontakt (142), der einstückig mit dem einwärts weisenden Abschnitt (142) der Trägheitsmassenmittel (138) ausgebildet und mit dem ersten beweglichen Kontakt (160) zusammenbringbar ist.

15. Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Kontakt (146) und der zweite bewegliche Kontakt (142) elektrisch miteinander verbunden sind.

16. Fahrzeugrad (10) eines Fahrzeugs, mit einem Korper (16), der eine Umfangsfelge (12) zum Montieren eines Reifens (14) daran aufweist, wobei die Felge (12) und der Reifen (14) einen Druckfüllraum definieren, wobei eine Sensoranordnung (18; 60; 70; 100; 130) gemäß einem der Ansprüche 1 - 15 zum Sensieren des Druckes in dem Reifen (14) vorgesehen ist.

17. Rad nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (34; 72; 102; 132), das an der Felge (12) im Inneren des Füllraumes festgelegt ist, wobei die Trägheitsmassenmittel (40; 78, 80; 138) und die Druckübertragungsmittel (36, 38, 40a, 42; 62; 84, 86, 88; 154, 156, 158, 160) in dem Gehäuse (34; 72; 102; 132) angeordnet sind.