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Dokumentenidentifikation DE60307475T2 29.03.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001526385
Titel Verfahren zur Bestimmung der physischen Merkmale eines Luftreifens
Anmelder STMicroelectronics S.r.l., Agrate Brianza, Mailand/Milano, IT
Erfinder Sergio, Maximilian, 40044 Sasso Marconi (BO), IT;
Manaresi, Nicolo, 40125 Bologna, IT;
Tartagni, Marco, 47014 Meldola (FC), IT;
Guerrieri, Roberto, 40122 Bologna, IT;
Canegallo, Roberto, 15057 Tortona (AL), IT
Vertreter PRÜFER & PARTNER GbR, 81479 München
DE-Aktenzeichen 60307475
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 21.10.2003
EP-Aktenzeichen 034256859
EP-Offenlegungsdatum 27.04.2005
EP date of grant 09.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.03.2007
IPC-Hauptklasse G01R 27/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01M 17/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B60C 23/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaften eines Reifens, beispielsweise der Verformungen, denen er während der Verwendung unterliegt.

In letzter Zeit ist die Sicherheit von Autos dank der Anbringung verschiedener Typen von Sensoren und den dazugehörigen elektronischen Steuersystemen angestiegen.

Auch die Reifen unterliegen einer Untersuchung, um zu verhindern, dass die Abnutzung und eine mögliche Explosion den Insassen von Motorfahrzeugen Probleme bereiten könnten.

Normalerweise werden die Verformungen des Laufstreifens durch Anbringen von Sensoren an den Reifen gemessen, und die Messsysteme liefern die Daten, die auf den Kontaktzustand des Reifens mit der Straße bezogen sind.

Ein Verfahren, das den Aufbau des Reifens als Sensor verwendet, ist in dem Artikel von A. Todoroki, S. Miyatani, and Y. Shimamura, "Wireless Strain Monitoring using electrical capacitance change of tire: part I with oscillating circuit", Smart material and structure, Institute of Physics Publishing, Nr. 12, S. 410-416, 2003 beschrieben. Er beschreibt ein Messverfahren für die Verformungen, das die Reifenstahldrähte als Elektronen eines Kondensators verwendet. Die Stahldrähte sind mit einer Oszillationsschaltung des LC-Typs verbunden, und die Frequenzänderungen des Oszillators entsprechen den Änderungen der Kondensatorkapazität.

Angesichts des beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren für die physikalischen Eigenschaften eines Reifens bereitzustellen, das eine höhere Genauigkeit aufweist und in der Lage ist, verglichen mit den bekannten Verfahren weitere Informationen zu liefern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solche Aufgabe erfüllt mittels eines Verfahrens zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaften eines Reifens, wobei der Reifen zumindest einen ersten Gürtel enthält, der mit einer Mehrzahl von Metalldrähten verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Phasen enthält: Bereitstellen eines Signals zwischen einem ersten und einem zweiten Metalldraht und Bestimmen des Realteils und des Imaginärteils der Impedanz zwischen dem ersten und dem zweiten Metalldraht.

Der Anmelder hat festgestellt, dass der Reifen nicht durch ein isolierendes Material gebildet ist und dass es möglich ist, auch aus den Änderungen des Widerstandswerts des Reifens wichtige Informationen zu beziehen. Dank der Messung sowohl der Kapazität als auch des Widerstandswerts ist es möglich, eine bessere Interpretation der Reifenverformungen zu bekommen. Außerdem hat der Anmelder herausgefunden, dass es möglich ist, die Messungen sowohl an den Drähten desselben Gürtels als auch an Drähten verschiedener Gürtel durchzuführen, und so die gewinnbare Information auf die beste Weise zu interpretieren. Die Messung des Widerstandswerts in Verbindung mit derjenigen des Kapazitätswerts erlaubt es, die Dickenveränderungen der Gürtel besser abzuschätzen und auch mehr diejenigen des einzelnen Gürtels. Weiterhin sind zwei charakteristische Parameter des Reifens unter Kontrolle, d.h. &egr; und &rgr;. Es wurde auch festgestellt, dass der Widerstandswert eine Verbindung mit der von dem Reifen angenommenen Temperatur hat, und durch Messen des Realteils der Impedanz ist es daher möglich, Informationen über die Temperaturänderung des Reifens zu erhalten.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer durch die folgende detaillierte Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform, die in den beigefügten Zeichnungen als nichteinschränkendes Beispiel veranschaulicht sind, in denen:

1 in einer Perspektive einen schematisierten Teilaufbau eines Reifens zeigt;

2 eine schematische Darstellung der Reifengürtel zeigt;

3 ein Messsystem für eine Impedanzmatrix zeigt;

4 einen Graphen zeigt, in dem die Kondensatorwertschwankungen im Hinblick auf eine Verformung einer Probe dargestellt sind.

Ein Reifen, der in 1 schematisiert dargestellt ist, enthält eine Karkasse 1 mit einer torusartigen Form, die zumindest aus einer Materialschicht besteht, die durch Drähte verstärkt ist, die in Radialebenen angeordnet sind, und einen Laufstreifen 2, der über der Karkasse 1 angeordnet ist. Zwischen der Karkasse 1 und dem Laufstreifen 2 sind zwei Gürtel 3 und 4 angeordnet. Jeder Gürtel ist aus einer verstärkten Gummischicht mit Stahldrähten gebildet, die parallel zueinander liegen. Bei den Gürteln 3 und 4 sind die Stahldrähte im Hinblick auf die Äquatorialebene des Reifens gekippt, normalerweise um etwa 20°, und sie sind so angeordnet, dass die Drähte des einen Gürtels sich mit den Drähten des anderen Gürtels kreuzen. Wenn die Drähte eines Gürtels nach rechts gekippt sind und die Drähte des anderen Gürtels nach links gekippt sind, bedeutet das daher, dass sie einen Winkel von etwa 40° zueinander bilden.

Die Kraft, die zwischen dem Reifen und dem Boden ausgeübt wird, kann durch einen Vektor mit zwei Komponenten dargestellt werden: eine Komponente senkrecht zu der Kontaktfläche und eine tangential. Die Tangentialkomponente kann daraufhin mit Bezug auf die Äquatorialebene des Reifens in eine Parallelkomponente und eine senkrechte Komponente aufgeteilt werden.

Es wird nun auf 2 Bezug genommen, in der die Gürtel 3 und 4 schematisch dargestellt sind. Für jeden Gürtel wurden die Verstärkungsdrähte schematisiert, insbesondere heißt das in diesem Fall, dass sie einen Winkel von 90° zueinander bilden. Der Gürtel 3 ist mit den Drähten 10 aufgebaut und der Gürtel 4 ist mit den Drähten 11 aufgebaut.

Impedanzen, die aus einem Widerstand und einem Parallelkondensator aufgebaut sind, sind zwischen den Drähten, die zu den zwei Gürteln gehören, als Widerstand RT und Kondensator CT dargestellt, und Impedanzen zwischen den Drähten, die zu demselben Gürtel gehören, als widerstand RC und Kondensator CC.

Wir betrachten beispielsweise die Drähte in demselben Gürtel. Die Kopplung zwischen den zwei Elektroden, die durch die Drähte dargestellt sind, verhält sich als verteilter Kondensator, während der Gummi dazwischen sich als Widerstand verhält. Der Kondensator kann durch die folgende Beziehung berechnet werden: C = &egr;·S/d, wobei &egr; die Elektrizitätskonstante des Gummis ist, S die Fläche zwischen den zwei einander zugewandten Elektroden ist und der D der Abstand zwischen den Elektroden ist. Der Widerstandswert kann durch die folgende Beziehung berechnet werden: R = &rgr;·d, wobei &rgr; der Widerstandswert pro Längeneinheit des Gummis ist und d der Abstand zwischen den Elektroden ist.

Wenn ein Reifen auf ein Hindernis trifft, wird die Verformung des Reifens auf die Verstärkungsdrähte der Gürtel 3 und 4 übertragen. Die Verformung bewirkt eine Änderung des Zwischenraums zwischen den Drähten, und diese Änderung wird in eine Änderung der Kondensatorkapazität und des Widerstandswerts übertragen. wenn der Draht beispielsweise länger wird, sinkt der Abstand d und die Kapazität sinkt, während der Widerstandswert steigt.

Ein Messen der Impedanzänderungen ist dann möglich, um eine Reifenverformung zu bestimmen, und da die Bewegung proportional zu der Kraft ist, können die auf den Reifen ausgeübten Kräfte gemessen werden.

Es gibt viele Impedanzmesssysteme und Systeme, um in dem besonderen Fall den Widerstandswert und den Kapazitätswert zu bestimmen. Ein Beispiel für ein Messsystem ist in 3 gezeigt.

In diesem Fall beziehen wir uns auf den Fall, in dem die Impedanz zwischen den Drähten von zwei Gürteln gemessen wird.

Ein Schaltsystem 20 ermöglicht es, das Signal, das von einem Generator G kommt, selektiv an die Drähte 11 des Gürtels 4 anzulegen.

Ein Schaltsystem 21 ermöglicht es, eine Ladung von den Drähten 10 des Gürtels 3 selektiv dem Verstärker A zuzuführen.

Vorzugsweise werden die Drähte, an die das Signal nicht angelegt wurde oder mit denen der Verstärker A nicht verbunden ist, über die Schaltsysteme 20 und 21 mit Masse verbunden.

Das von den Drähten 10 empfangene Signal wird an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers A angelegt, der invertierende Eingang ist mit Masse verbunden, und zwischen dem nicht invertierenden Eingang und dem Ausgang sind ein Kondensator CF und ein Widerstand RF angelegt.

Die Übertragungsfunktion der Messschaltung ist die folgende wobei V0 die Ausgangsspannung der Drähte 10 ist und Vi die Eingangsspannung ist.

In einem niedrigen Frequenzbereich, beispielsweise in der Größenordnung von einigen kHz, gilt &ohgr; << 1/(RTCT) und &ohgr; << 1/RFCF), und die vorige Beziehung kann gerundet werden auf V0/Vi = (RF/RT). Daher ist es möglich, den widerstandswert zu bestimmen, d.h. den Realteil der Impedanz.

In einem hohen Frequenzbereich, beispielsweise in der Größenordnung von einigen MHz, gilt &ohgr; >> 1/(RTCT) und &ohgr; >> 1/(RFCF), und die vorige Beziehung kann gerundet werden auf V0/Vi = (CT/CF). Daher ist es möglich, den Kapazitätswert zu bestimmen, d.h. den Imaginärteil der Impedanz.

Durch die Schaltsysteme 20 und 21 können alle Drähte abgescannt werden und auf diese Weise kann eine Punktkarte der mechanischen Verformung des Reifens erhalten werden.

Eine Messung wird an einer Reifenprobe durchgeführt, die zwei Gürtel enthält. Eine Elektrode wurde an einen Draht eines Gürtels angelegt und eine andere Elektrode an einen Draht des anderen Gürtels. Zum Messen der Impedanz wurde ein Impedanzen-LCR-Meter verwendet, und ein Spannungsmesser wurde angelegt zum Messen der auf die Probe ausgeübten Dehnkraft.

In 4 sind die Kapazitätswertänderungen im Hinblick auf die Verformung der Probe gezeigt. Insbesondere ist auf der x-Achse die Komponente der Kraft senkrecht zu der Äquatorialebene des Reifens dargestellt, d.h. die Bewegung in mm, während auf der y-Achse die entsprechende Änderung der Kapazität in nF angegeben ist.

Wenn die Dehnkraft steigt, sinken die Dicke der Probe und der Abstand zwischen den Elektroden, und dementsprechend steigt die Kapazität. Dann sättigt sich das Ansteigen der Kapazität für eine Dehnkraft, die etwa 2,5 &mgr;m entspricht, aufgrund der Tatsache des Vorhandenseins der Reifenverstärkungsstrukturen.

Es wurde bemerkt, dass eine Verformung von 0,6% der Linearabmessung des Reifens eine Änderung von 7% der Kapazität bewirkt.

Es wurde eine andere Reifenprobe gemessen, die nur aus einem Gürtel gebildet ist, und daher wurde der Widerstand zwischen den Elektroden derselben Schicht des Gürtels gemessen. Die Dehnkraft wurde statisch zwischen 0 und 3 mm angelegt. Aufgrund der linearen Verformung steigt der Abstand zwischen den Elektroden, die Dicke sinkt, und der Widerstandswert steigt. Unter Verwendung eines einzelnen Gürtels gibt es keinen weiteren Verstärkungsstrukturen des Reifens, und daher tritt der Sättigungseffekt nicht auf. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Es wurde eine weitere Messung an einer Reifenprobe durchgeführt, die zwei Gürtel des vorher verwendeten Typs enthält. Eine Dehnungsanregung wurde für die Dauer einer Sekunde mit unterschiedlichen Kräften angelegt. Es wurde festgestellt, dass die Impedanzmessung sich bei dem Anlegen der Kraft direkt ändert und sie daher ihren statischen Wert erreicht bei der Bestimmung, dass die Beziehung zwischen der Impedanz und der Dehnkraft linear ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaften eines Reifens, wobei der Reifen zumindest einen ersten Gürtel enthält, der mit einer Mehrzahl von Metalldrähten verstärkt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Phasen enthält:

Bereitstellen eines Signals zwischen einem ersten und einem zweiten Metalldraht und

Bestimmen des Realteils und des Imaginärteils der Impedanz zwischen dem ersten und dem zweiten Metalldraht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Metalldraht zu dem ersten Gürtel gehört und

der zweite Metalldraht zu dem ersten Gürtel gehört.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

der Reifen einen zweiten Gürtel enthält, der mit einer Mehrzahl von Metalldrähten verstärkt ist,

der erste Metalldraht zu dem ersten Gürtel gehört und

der zweite Metalldraht zu dem zweiten Gürtel gehört.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Metalldrähten des ersten und des zweiten verstärkten Gürtels außer dem ersten und dem zweiten Metalldraht mit Masse verbunden sind. Verfahren zum Erstellen einer Karte der mechanischen Verformung eines Reifens, gekennzeichnet durch aufeinanderfolgendes Abtasten jedes Paares von Metalldrähten mittels des Verfahrens gemäß Anspruch 1.






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