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Dokumentenidentifikation DE102004002910A1 11.08.2005
Titel Vorrichtung zur Wandelung von Energie eines sich drehenden Rades und Kraftfahrzeugrad mit einer derartigen Wandelungsvorrichtung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hillenmayer, Franz, 93133 Burglengenfeld, DE;
Kuchler, Gregor, 93107 Thalmassing, DE;
Weber, Rainer, 93055 Regensburg, DE
DE-Anmeldedatum 20.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002910
Offenlegungstag 11.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.08.2005
IPC-Hauptklasse F03G 7/08
IPC-Nebenklasse H02K 7/18   H02N 2/18   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandelung von Energie eines sich drehenden Randes, insbesondere Kraftfahrzeugrades, mit einem auf einem mechanischen Schwingkreis basierenden Wandlerelement für eine Wandelung der mechanischen Gravitationsenergie des sich drehenden Rades (12) in elektrische Energie, wobei die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes veränderbar ist; und mit einer Einstelleinrichtung, welche automatisch die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes in Abhängigkeit der Raddrehzahl des Rades geeignet einstellt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeugrad mit einer derartigen Wandelungsvorrichtung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandelung von Energie eines sich drehenden Rades und ein Kraftfahrzeugrad mit einer derartigen Wandelungsvorrichtung.

Obwohl auf beliebige Räder anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf ein Kraftfahrzeugrad näher erläutert.

Aktive und passive Sicherheitssysteme im Kraftfahrzeugbereich spielen eine immer größer werdende Rolle bei der Fortentwicklung von Fahrzeugen. Die Erwartungen der Kunden erfordern sowohl Leistungsfähigkeit und Komfort, gerichtet auf eine zunehmende Sicherheit für die Fahrzeuginsassen.

Neben den passiven und aktiven Sicherheitssystemen, wie Airbag, Aufprallschutz und Gurtstraffer, gewinnt mehr und mehr die aktive Fahrsicherheit mit ihren immer größer werdenden Möglichkeiten an Bedeutung. Ziel der Entwicklung ist dabei ein Kontrollsystem, das die momentane Fahrsituation schnell erfasst und sofort in eine etwaige kritische Lage aktiv eingreifen bzw. dem Fahrer ein entsprechendes Signal für eine manuelle Änderung der Fahrsituation liefern kann.

Beispielsweise kann der Reifendruck überwacht werden, wobei bei kritischen Werten des Reifendrucks das Kontrollsystem dem Fahrer diesen Mangel anzeigen kann, welcher daraufhin die Möglichkeit hat, entsprechend zu reagieren. Bei Systemen zur Reifendrucküberwachung ist es notwendig, Sensoren im Reifeninneren zu integrieren, welche beispielsweise den Druck, die Temperatur, Beschleunigungen und eventuell weitere Messgrößen erfassen und an beispielsweise die fahrzeugfeste zentrale Auswerteeinheit übermitteln.

Für den sicheren und auch ökonomischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs ist die Kenntnis bestimmter Kenngrößen der Reifen von grundlegender Bedeutung. Insbesondere stellt ein platter oder mit zu wenig Betriebsdruck beaufschlagter Radreifen bei den Anforderungen an heutige Kraftfahrzeuge ein beachtliches Sicherheitsrisiko dar. Dabei ermöglichen es gerade die an und für sich positiven Notlaufeigenschaften moderner Fahrzeugreifen einem Kraftfahrzeugführer nicht mehr ohne weiteres, einen Reifendefekt der vorstehend genannten Art unmittelbar zu erkennen. So ist eine stabile Fahrt mit einem platten Radreifen ohne wesentliche Komforteinbußen mit bis zu 80 km/h möglich, ohne dass der Kraftfahrzeugführer akustisch oder durch wesentlich geändertes Fahrverhalten auf diesen Fehlerzustand aufmerksam werden könnte. Bei einer höheren Geschwindigkeit verhält sich ein derartiger Radreifen dann schlagartig unkontrollierbar.

Damit kann sich ein Fahrzeug mit einem platten Radreifen bei einer Fahrt durch eine Ortschaft zuverlässig verhalten. Direkt nach der Auffahrt auf eine Autobahn gerät das Fahrzeug dann jedoch bei höherer Geschwindigkeit außer Kontrolle des Fahrers, ohne dass ein Warnhinweis abgegeben worden wäre.

Weitere Störungen können auch durch Unwuchten, fehlerhafte Einstellung von Sturz und Spur an einem Rad oder aber durch Defekte einer internen Radreifenstruktur auftreten. Auch diese Defekte können schnell schwerwiegende Schäden an dem Radreifen hervorrufen, insbesondere sind sie geeignet, das Fahrzeug in einer Gefahrensituation außer Kontrolle geraten zu lassen, beispielsweise bei einer Vollbremsung auf einer Autobahn bei hoher Geschwindigkeit.

Gemäß dem Stand der Technik sind reifenmontierte Elektroniken, z.B. zur Überwachung des Reifendrucks mittels Sensoreinrichtungen, der Fahrbahnbeschaffenheit oder der Radbeladung in dem Reifen vorgesehen. Die reifenmontierten Elektroniken benötigen elektrische Energie zur Ausübung ihrer Funktionen.

Alle Bauteile können in ein Reifeninformationssystem als Teil eines umfassenderen Fahrerassistenzsystems einmünden. Es wird dabei die Entwicklung von zwei grundsätzlich verschiedenen Ansätzen von Reifeninformationssystemen verfolgt: batteriegestützte und batterielose Systeme. Aufgrund der extremen Einsatzbedingungen eines Radreifens hat sich eine Signalübertragung per Funk bzw. elektromagnetischer Welle gegenüber elektromechanischen Übertragungswegen generell durchgesetzt.

Batteriegestützte Systeme haben den Vorteil, dass die Energieversorgung sowohl für die Messungen der Reifenparameter, wie z.B. Druck, als auch für eine anschließende Funkübertragung der Informationen zum Fahrzeug durch eine Batterie erfolgt. Eine hierzu benötigte Fahrzeug-Architektur weist einen geringen zusätzlichen Umfang auf: Es genügen vier Reifenelektroniken und ein zentraler Funkempfänger mit einer anschließenden Signalverarbeitung.

Die Nachteile batteriegestützter Reifeninformationssysteme sind jedoch gravierend: Eine im Innern eines Radreifens vorgesehene Batterie bildet zusätzlich eine Unwucht, die mit entsprechendem Aufwand ausgeglichen werden muss. Zudem weisen Radreifen insbesondere bei Lastkraftwagen sehr hohe Standzeiten auf, d.h. diese Reifen sind extrem langlebig und dementsprechend lang im Einsatz. So muss eine Batterie eine extreme Lebensdauer haben, um die gewünschte Funktionalität über die gesamte Laufzeit sicherstellen zu können. Neben der hohen Lebensdauer muss eine solche Batterie zudem in einem weiten Temperaturbereich zuverlässig einsetzbar sein. Eine Ausgangsspannung herkömmlicher Batterien würde zwischen den Werten bei winterlichem Einsatz und denen eines Langzeiteinsatzes bei hochsommerlichen Außentemperaturen ganz erheblich schwanken. Diese und weitere Anforderung führen derzeit zu teuren und entsprechend voluminösen Ausführungsformen.

Es sind daher in der Vergangenheit bereits verschiedene batterielose Systeme vorgeschlagen worden, die auf den folgenden Funktionsprinzipien beruhen:

  • a) Die Reifenelektronik wird durch ein elektromagnetisches Feld mit Energie versorgt, die sowohl zur Messung der Reifenparameter, als auch zur Informationsübertragung genutzt wird. In der Regel erfordert dieser Ansatz vier dezentral angeordnete Antennen, die im Bereich der Radkästen montiert sind, um eine ausreichende Feldstärke zur Verfügung zu stellen. Im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen batteriegestützten Systemen bedeutet dies einen erheblichen Zusatzaufwand in und an einem jeweiligen Fahrzeug.
  • b) Kinetische Energie, die bei der Bewegung der Reifenelektronik im Reifen zur Verfügung steht, wird zum Beispiel mit Hilfe eines Piezogenerators oder mit Hilfe eines mechanischen Generators zur Versorgung der Elektronik genutzt, ähnlich z.B. einer sogenannten Automatikuhr.

Im allgemeinen haben batterielose Systeme gegenüber batteriegestützten Systemen den Vorteil einer quasi unbegrenzten Lebenszeit und einer systembedingten Wartungsfreiheit. Sie werden daher als Ausgangspunkt einer erfindungsgemäßen Weiterbildung gewählt.

Der Vorteil eines Ansatzes nach b) liegt ferner darin, dass im Betrieb stets genügend viel Energie und damit Sendeleistung zur Verfügung gestellt wird, um die Reifeninformationen zu einem zentralen Empfänger zu senden. Damit reicht ein zentraler Funkempfänger in einem Fahrzeug aus, wie dies auch bei den batteriegestützten Systemen der Fall ist.

Im Stand der Technik findet sich speziell der Ansatz eines batterielosen Konzeptes, wobei die notwendige elektrische Energie berührungslos übertragen oder mittels eines Wandlerelementes für eine Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie generiert. Diese Energie wird batterielos u.a. aus der Wandelung mechanischer Verformungsenergie des Reifens aus der Balkarbeit, den Vibrationen, den Reifenschwingungen, oder dergleichen in elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden. Als Wandelungselemente werden beispielsweise piezoelektrische Elemente verwendet, wie oben bereits erläutert.

Zur Energieversorgung der rad- oder reifenbasierten Elektronik können auch Wandlerelemente eingesetzt werden, welche auf einem mechanischen Schwingkreis basierend mechanische Energie in elektrische Energie, beispielsweise elektrische Ladungstrennung, umwandeln. Dabei weisen derartige Wandlerelemente eine durch ihre Bauart bestimmte, feste Resonanzfrequenz auf.

An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass mechanische Schwingungen in einem Rad bzw. einem Reifen selten periodisch auftreten. In der Regel handelt es sich um statistische einzelne Schwingungsereignisse mit einem entsprechend breitbandigen Frequenzspektrum. Wegen der Breite des Spektrums ist eine effiziente Energieausnutzung daher nicht realisierbar.

Dieses Problem wird im Stand der Technik dadurch gelöst, dass die Schwingungsenergie eines Schwingungskörpers aufgrund der Gravitation relativ zu einer rad- oder reifenmontierten Elektronik während des Abrollens des Rades umgewandelt wird.

Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache herausgestellt, dass sich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit die Raddrehzahl und somit die Frequenz der Gravitationsschwingung erhöht. Somit kann durch ein Wandlerelement mit einer festen Resonanzfrequenz gemäß dem Stand der Technik bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten keine optimale Energieumwandlung erfolgen, da sich die Schwingungsfrequenzen in einem breiten Spektrum um die Resonanzfrequenz des Wandlerelements herum befinden.

Die Druckschrift U.S. 5,741,966 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Aufzeichnung eines Parameters eines Kraftfahrzeugrades. Das System umfasst eine Sensoreinrichtung, welche in dem Reifen angeordnet ist, um ein den Parameter des Rads kennzeichnendes Signal zu erzeugen und an eine Auswerteeinheit zu übersenden. Die dafür notwendige elektrische Energie wird mittels eines Energiewandlers erzeugt, welcher allerdings eine feste Resonanzfrequenz aufweist.

Somit ist an diesem Ansatz die Tatsache nachteilig, dass das angebotene Energiespektrum in einem mehr oder weniger schmalbandigen Bereich um diese feste Resonanzfrequenz des Wandlerelements genutzt wird. Dabei steigt mit der Dämpfung die Breite des nutzbaren Bereiches an. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung allerdings sinkt mit der Dämpfung dagegen ab. Da für eine Anwendung ein bestimmter Dämpfungsgrad fest eingestellt wird, ist das System nicht an unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten bzw. Raddrehzahlen einstellbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wandelung von Energie eines sich drehenden Rades zu schaffen, mittels der ein besserer Wirkungsgrad bei der Umwandlung von mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie bei Drehung eines Rades mit unterschiedlichen Raddrehzahlen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Kraftfahrzeugrad mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die Wandelungsvorrichtung ein auf einem mechanischen Schwingkreis basierendes Wandlerelement für eine Wandelung der mechanischen Gravitationsenergie des sich drehenden Rades in elektrische Energie aufweist, wobei die Resonanzfrequenz des Wandlerelements veränderbar ist. Ferner weist die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung auf, welche automatisch die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes in Abhängigkeit der Raddrehzahl des Rades geeignet einstellt.

Damit weist die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass eine automatische Abstimmung der Resonanzfrequenz des Wandlerelementes auf die Frequenz der Raddrehzahl bzw. der Gravitationsschwingung gewährleistet wird. Dadurch wird ein hoher Grad der Energieumwandlung erreicht und eine effiziente Ausnutzung der bereitgestellten Energien geschaffen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Wandlerelement einen Schwingbalken auf, an dessen freien, ersten Ende eine Schwungmasse angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Schwingbalken mit seinem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende in einer Führungseinrichtung gleitend verschiebbar gelagert. Vorteilhaft ist eine Rückstelleinrichtung, beispielsweise eine Rückstellfeder, mit der Führungseinrichtung und dem zweiten Ende des Schwingbalkens für eine Verschiebung desselben relativ zur Führungseinrichtung gekoppelt. Somit kann eine Fliehkraftmasse, auf welche die Zentrifugalkraft bei Drehung des Rades wirkt, durch eine Kraftumlenkung, beispielsweise mittels einer Umlenkrolle und eines Zugseils, eine Kraft auf den Schwingbalken für eine Veränderung der freien Länge des freien, ersten Endes des Schwingbalkens ausüben. Somit wird automatisch bei einer erhöhten Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. bei einer erhöhten Raddrehzahl aufgrund der größeren Zentrifugalkraft eine erhöhte Kraft auf die Fliehkraftmasse ausgeübt, wodurch der Schwingbalken durch diese vergrößerte Kraft weiter in die Führungseinrichtung derart gezogen wird, dass die Länge des freien, ersten Endes des Schwingbalkens für eine geeignete automatische Einstellung der Resonanzfrequenz des Wandlerelementes verkürzt wird. Bei einer Abnahme der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. der Raddrehzahl gilt das oben Gesagte analog in umgekehrter Weise. Der Schwingbalken befindet sich vorzugsweise in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen der rückstellenden Kraft der Rückstelleinrichtung und der auslenkenden Zentrifugalkraft der Fliehkraftmasse.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Wandlerelement einen Schwingbalken auf, welcher an einem ersten Ende fest gelagert ist und welcher an dem gegenüberliegenden zweiten Ende mit einer Fliehkraftmasse derart gekoppelt ist, dass eine Erhöhung der Zentrifugalkraft bei erhöhter Raddrehzahl eine erhöhte axiale Vorspannung des Schwingbalkens für eine automatische geeignete Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingbalken bewirkt, und umgekehrt. Auf die Fliehkraftmasse wirkt vorzugsweise die Zentrifugalkraft bei Drehung des Rades, wobei die Fliehkraftmasse durch Kraftumlenkung, beispielsweise mittels einer Umlenkrolle und eines Zugseils, eine Kraft auf den Schwingbalken für eine Veränderung der Vorspannung des Schwingbalkens ausübt.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung am Grund einer Felge eines Kraftfahrzeugrades angeordnet. Vorteilhaft ist die Vorrichtung derart ausgerichtet, dass der Schwingbalken parallel zur Bodenfläche und senkrecht zur Rollrichtung des Rades angeordnet ist und quer zur Rollrichtung des Rades schwingt. Somit kann bei Drehung des Rades die durch die Gravitation entstehende Schwingung des Schwingbalkens für eine Generierung einer elektrischen Energie erzeugt werden. Ferner ist die Fliehkraftmasse vorzugsweise derart positioniert, dass sie die Schwingbewegung des Wandlerelementes nicht stört. Das Wandlerelement wandelt beispielsweise die mechanische Schwingungsenergie mittels dem Induktionsprinzip, dem Piezoeffekt, etc. in elektrische Energie um. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass die dazu notwendigen Materialien bzw. Vorrichtungen zusätzlich an geeigneten Stellen vorgesehen werden.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise mit einer elektronischen Radeinheit für eine Versorgung derselben mit der generierten elektrischen Energie elektrisch gekoppelt. Somit wird ein energieautarkes System geschaffen, welches aus der bei einer Raddrehung vorherrschenden mechanischen Energie die zum Betrieb der elektronischen Radeinheit notwendige elektrische Energie generiert und der elektronischen Radeinheit zuführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine graphische Darstellung der Leistungsdichte mechanischer Schwingungen in einem Rad bei einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit;

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

4 eine Schnittansicht eines Rades mit montierter erfindungsgemäßer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

1 illustriert eine graphische Darstellung der Leistungsdichte mechanischer Schwingungen in einem Rad, aufgetragen über der Frequenz f. Die Daten wurden beispielsweise mittels Telemetrie bei einer Fahrt eines Kraftfahrzeuges auf einer ebenen Fahrbahn mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 30 km/h aufgenommen. Dies entspricht in etwa einer Radfrequenz von 4,2 Hz. Wie in 1 ersichtlich ist, wird das Spektrum von einem Peak bei ca. 4 Hz, gerade der Frequenz der Raddrehung bei der angegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 30 km/h, dominiert. Daraus kann abgeleitet werden, dass in dem relativen Wechsel der Gravitationskraft, bezogen auf ein rotierendes Wandlerelement, deutlich mehr Energie steckt als in dem gesamten Restspektrum. Somit ist es wünschenswert, ein Wandlerelement zu verwenden, welches gerade bei dem Peak der Energiedichte, d.h. in etwa bei der jeweils vorherrschenden Radfrequenz, eine Resonanzfrequenz aufweist.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist ein Wandlerelement 2 auf, welches beispielsweise einen Schwingbalken 3 umfasst, wobei an einem freien, ersten Ende eine Schwungmasse 4 angebracht ist. Ferner besteht das Wandlerelement 2 aus einer Führungseinrichtung 5, welche den Schwingbalken 3 vorzugsweise gleitend verschiebbar derart lagert, dass der aus der Führungseinrichtung 5 hervorstehender Abschnitt des Schwingbalkens 3 mit der freien Länge 1 bei Anregung durch eine Schwingung der Schwungmasse 4 zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Führungseinrichtung 5 gleichzeitig die Funktion eines Spannungsabnehmers besitzen.

Eine Rückstelleinrichtung 6, beispielsweise eine Rückstellfeder 6, ist mit der Führungseinrichtung 5 und einem zweiten, dem ersten freien Ende gegenüberliegenden Ende des Schwingbalkens 3 derart gekoppelt, dass ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der rückstellenden Kraft der Rückstelleinrichtung 6 und einer etwaigen den Schwingbalken 3 in Längsrichtung auslenkenden Kraft in der Führungseinrichtung 5 gelagert ist, wie in 2 ersichtlich ist.

Mit dem zweiten Ende des Schwingbalkens 3, d.h. dem mit der Rückstelleinrichtung 6 gekoppelten Ende des Schwingbalkens 3, ist vorzugsweise über eine Umlenkrolle 7 und ein Zugseil 11 eine Fliehkraftmasse 8 gekoppelt, welche in einer Führungseinrichtung 9 bewegbar gelagert ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die 2 und 4 die Wirkungsweise der Wandelungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. 4 illustriert eine Schnittansicht eines Rades 12 mit einem auf einer Felge 13 montierten Reifen 15. Vorzugsweise ist die Wandelungsvorrichtung 1 an dem Grund 14 der Felge 13 des Rades 12 derart fest montiert, dass der Schwingbalken 3 parallel zur Bodenfläche und senkrecht zur Rollrichtung des Rades angeordnet ist und quer zur Rollrichtung des Rades schwingt, wie in 4 in Verbindung mit 2 dargestellt ist.

In 4 befindet sich die Wandelungsvorrichtung 1 im dargestellten Zeitmoment an der obersten Position des Rades 12. Bei einem Umlauf des Rades 12 erfährt der Schwingbalken 3 in seinem Koordinatensystem einen kompletten Umlauf der Richtung der Gravitationskraft aufgrund der Wirkung der Gravitationskraft auf die Schwungmasse 4 bei einem derartigen Umlauf. Diese Kraft führt eine Schwingung des Schwingbalkens 3 mit der Frequenz der Raddrehzahl aus. Erhöht sich die Raddrehzahl bzw. die Fahrzeuggeschwindigkeit, so muss für eine optimale Energieumwandlung die Resonanzfrequenz der Wandelungsvorrichtung 1 entsprechend der augenblicklich vorherrschenden Raddrehzahl nachgeführt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die der Raddrehzahl entsprechende Zentrifugalkraft auf die Fliehkraftmasse 8 wirkt, wodurch diese in der Führungseinrichtung 9 entsprechend in radialer Richtung bewegt wird. Aufgrund der radialen Bewegung der Fliehkraftmasse 8 wird bei einer erhöhten Raddrehzahl die Fliehkraftmasse 8 in Richtung des vertikalen Pfeils ausgelenkt, wodurch aufgrund der Umlenkung dieser Bewegungsenergie mittels des Zugseils 11 und der Umlenkrolle 7 der mit der Fliehkraftmasse 8 gekoppelte Schwingbalken 3 eine Auslenkung in Richtung der in 2 dargestellten linken Seite erfährt. Diese Verschiebung in der Führungseinrichtung 5 bewirkt eine Verkürzung des aus der Führungseinrichtung 5 herausragenden Abschnitts des Schwingbalkens 3 mit angebrachter Schwungmasse 4, d.h. der freien Schwinglänge 1, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Schwingbalkens 3 entsprechend erhöht. Dadurch wird die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes 2 automatisch entsprechend der augenblicklich vorherrschenden Raddrehzahl nachgeführt, so dass eine optimale Ausnutzung der Energieumwandlung gewährleistet ist. Auf analoge Weise nimmt die Zentrifugalkraft bei abnehmender Raddrehzahl entsprechend ab und verlängert die freie Länge 1 des Schwingbalkens 3, wodurch sich die Eigenfrequenz des Wandlerelementes entsprechend verringert. Somit ist das Wandlerelement 2 automatisch auf die Raddrehzahl resonant abgestimmt.

Die Rückstelleinrichtung 6 dient der Einstellung eines dynamischen Gleichgewichts des Schwingbalkens 3 zwischen der rückstellenden Kraft der Rückstelleinrichtung 6 und der auslenkenden Zentrifugalkraft. Die jeweiligen Massen, Federkonstanten und weiteren Abmessungen der einzelnen Elemente sind in geeigneter Weise aufeinander abzustellen.

Wie für einen Fachmann offensichtlich ist, kann die Schwingbewegung des Schwingbalkens 3 beispielsweise durch das Induktionsprinzip in elektrische Energie umgewandelt werden. Die dafür notwendigen, zusätzlichen und hinlänglich bekannten Bauteile sind der Vorrichtung 1 in 2 entsprechend hinzuzufügen. Alternativ oder zusätzlich kann die mechanische Energie durch den Piezoeffekt in elektrische Energie umgewandelt werden. Hierbei besteht das Wandlerelement 2 vorzugsweise aus einer Trägerschicht, auf der eine piezoelektrische Wandlerschicht vorgesehen ist.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung 1 mit einer elektronischen Radeinheit (nicht dargestellt) elektrisch verbunden, welche ebenfalls in dem Rad 12 montiert ist und beispielsweise eine Sensoreinrichtung zum Messen von Reifenzustandsgrößen, wie beispielsweise des Reifendrucks, der Reifentemperatur, oder dergleichen, eine Sendeeinheit zum Senden der gemessenen Reifenzustandsgrößen an eine zentrale Auswerteeinheit, oder dergleichen aufweist. Die zum Betrieb der elektronischen Radeinheit notwendige elektrische Energie wird demnach von der Wandelungsvorrichtung 1 geliefert.

3 illustriert eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wandelungsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst die Wandelungsvorrichtung 1 einen Schwingbalken 3, welcher mit einem ersten Ende über beispielsweise einen Spannungsabnehmer 10 fest gelagert ist. Das gegenüberliegende zweite Ende des Schwingbalkens 3 ist über beispielsweise ein Zugseil 11 über eine Umlenkrolle 7 mit einer Fliehkraftmasse 8 gekoppelt. Die Fliehkraftmasse 8 ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel in einer Führungseinrichtung 9 bewegbar geführt. Die Zentrifugalkraft wirkt bei einer Radumdrehung analog zum ersten Ausführungsbeispiel auf die Fliehkraftmasse 8, welche wiederum nach einer Umlenkung durch die Umlenkrolle 7 bei einer Erhöhung der Raddrehzahl und somit einer Erhöhung der Zentrifugalkraft die Vorspannung bzw. die Zugkraft auf den Schwingbalken 3 durch das Zugseil 11 erhöht. Somit wird analog zu einer Gitarrenseite die Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz des Schwingbalkens 3 erhöht und an die erhöhte Raddrehzahl automatisch resonant nachgeführt. In analoger Weise verringert eine geringere Raddrehzahl und eine geringer vorherrschende Zentrifugalkraft die Vorspannung des Schwingbalkens 3 durch die Fliehkraftmasse 8, so dass die Resonanzfrequenz entsprechend der verringerten Raddrehzahl herabgesetzt und somit automatisch resonant nachgeführt wird.

Ein Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass lediglich eine geringfügige mechanische Bewegung als Antwort auf eine Veränderung der Zentrifugalkraft notwendig ist.

Eine Anbringung der Vorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt analog zum ersten Ausführungsbeispiel vorzugsweise an dem Grund 14 der Felge 13 des Rades 12, wie in 4 ersichtlich ist. Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise wiederum derart ausgerichtet, dass der Schwingbalken 3 parallel zur Bodenfläche und senkrecht zur Rollrichtung des Rades 12 angeordnet ist und quer zur Rollrichtung des Rades 12 schwingt.

Analog zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Umwandlung der mechanischen Energie mittels des Induktionsprinzips und/oder des Piezoeffektes in elektrische Energie. Bezüglich dieses Aspektes sowie weiterer analoger Aspekte des zweiten Ausführungsbeispiels wird auf die Ausführungen des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.

Vorzugsweise ist der Schwingbalken 3 bezüglich der Fliehkraftmasse 8 derart positioniert, dass keine Störung der Schwingbewegung des Schwingbalkens 3 durch die Fliehkraftmasse 8 erfolgt. Die Vorrichtung 1 gemäß den 2 und 3 kann sich vorzugsweise in einem Gehäuse befinden, welches an dem Grund 14 der Felge 13 durch Befestigungsmittel befestigbar ist, wie in 4 ersichtlich ist.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung (1) zur Wandelung von Energie eines sich drehenden Rades (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugrades, mit

    einem auf einem mechanischen Schwingkreis basierenden Wandlerelement (2) für eine Wandelung der mechanischen Gravitationsenergie des sich drehenden Rades (12) in elektrische Energie, wobei die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes (2) veränderbar ist, und

    einer Einstelleinrichtung (5, 6, 7, 8, 9; 11; 7, 8, 9, 10, 11), welche automatisch die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes (2) in Abhängigkeit der Raddrehzahl des Rades (12) geeignet einstellt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (2) einen Schwingbalken (3) aufweist, an dessen freien, ersten Ende eine Schwungmasse (4) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingbalken (3) mit seinen dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende in einer Führungseinrichtung (5) gleitend verschiebbar gelagert ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstelleinrichtung (6), beispielsweise eine Rückstellfeder (6), mit der Führungseinrichtung (5) und dem zweiten Ende des Schwingbalkens (3) für eine Verschiebung des Schwingbalkens (3) relativ zu der Führungseinrichtung (5) gekoppelt ist.
  5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Fliehkraftmasse (8) aufweist, auf welche die Zentrifugalkraft bei Drehung des Rades (12) wirkt, wobei die Fliehkraftmasse (8) durch Kraftumlenkung, beispielsweise mittels eines Zugseils (11) und einer Umlenkrolle (7), eine Kraft auf den Schwingbalken (3) für eine Veränderung der freien Länge (1) des freien, ersten Endes des Schwingbalkens (3) ausübt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schwingbalken (3) in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen der rückstellenden Kraft der Rückstelleinrichtung (6) und der auslenkenden Zentrifugalkraft der Fliehkraftmasse (8) befindet.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung der Raddrehzahl des Rades (12) die Einwirkung der Fliehkraftmasse (8) auf den Schwingbalken (3) die freie Länge (1) des freien, ersten Endes des Schwingbalkens (3) für eine geeignete automatische Einstellung der Resonanzfrequenz des Wandlerelementes (2) verkürzt, und umgekehrt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (2) einen Schwingbalken (3) aufweist, welcher an einem Ende fest gelagert ist und an dem anderen Ende mit einer Fliehkraftmasse (8) derart gekoppelt ist, dass eine Erhöhung der Zentrifugalkraft bei erhöhter Raddrehzahl eine erhöhte axiale Vorspannung des Schwingbalkens (3) für eine automatisch, geeignete Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingbalkens (3) bewirkt, und umgekehrt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliehkraftmasse (8), auf welche die Zentrifugalkraft bei Drehung des Rades (12) wirkt, durch Kraftumlenkung, beispielsweise mittels eines Zugseils (11) und einer Umlenkrolle (7), eine Kraft auf den Schwingbalken (3) für eine Veränderung der Vorspannung des Schwingbalkens (3) ausübt.
  10. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) am Grund (14) einer Felge (13) eines Kraftfahrzeugrades (12) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) derart ausgerichtet ist, dass der Schwingbalken (3) parallel zur Bodenfläche und senkrecht zur Rollrichtung des Rades (12) angeordnet ist und quer zur Rollrichtung des Rades schwingt.
  12. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (2) die mechanische Schwingungsenergie mittels des Induktionsprinzips, des Piezoeffektes, etc. in elektrische Energie umwandelt.
  13. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mit einer elektronischen Radeinheit für eine Versorgung derselben mit der generierten elektrischen Energie elektrisch verbunden ist.
  14. Kraftfahrzeugrad (12) mit einer Wandelungsvorrichtung (1), welche gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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