DE60108973T3

DE60108973T3 - Rad mit zustandsüberwachungssystem

Info

Publication number: DE60108973T3
Application number: DE60108973T
Authority: DE
Inventors: Graham Michael Charlbury FREAKES; David Daniel George Bicester VILE; Victor Alexandrovich Headington KALININ; John Peter Cowley BECKLEY; Anthony Banbury LONSDALE
Original assignee: Transense Technologies PLC
Current assignee: Transense Technologies PLC
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: US20040061601A1; GB2373863A; GB2373863B; WO2002047924A1; GB0129869D0; EP1341680B2; CN1479677A; EP1341680B1; DE60108973T2; EP1341680A1; JP2004515410A; AU2002222192A1; DE60108973D1; GB0030405D0; ATE289261T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nichtmetallisches Rad, das ein Zustandsüberwachungssystem beinhaltet. Das Zustandsüberwachungssystem umfasst in das Rad eingebaute Komponenten zum Messen physischer Parameter und kann Speichervorrichtungen aufweisen, die zum Beispiel Produktionsdaten enthalten. Die erforderlichen Komponenten und die zugehörige Schaltung können zum Zeitpunkt der Herstellung in das Rad formgepresst werden oder nach der Herstellung eingebettet werden oder sie können zum Zeitpunkt der Herstellung teilweise in das Rad formgepresst werden und teilweise nach der Herstellung eingebettet oder an dem Rad befestigt werden. Das bevorzugte Rad ist besonders geeignet für den Anbau an einem Fahrzeug (Personenkraftwagen) oder an einem Lieferwagen oder an einem Lastkraftwagen oder an einer Tiefbaumaschine (Hochlöffelbagger, Bodenhobel, Planierraupen etc.), jedoch ist die Erfindung nicht auf solche Anwendungen beschränkt und kann für ein beliebiges Rad angewandt werden, das Überwachung durch die vorliegende Erfindung benötigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Rad einen strukturellen Abschnitt, der aus einem nichtmetallischen Material als integralen Teil desselben drei SAW-Sensoren enthält, die so ausgerichtet sind, dass sie eine Belastung in drei orthogonalen Achsen messen, um Eigenschaften des Rades und/oder eines Reifens, der auf dem Rad montiert ist, und/oder eines Fluids, das zwischen dem Rad und dem Reifen eingeschlossen ist, überwacht, während das Rad/der Reifen in Gebrauch ist.
Der hierin verwendete Ausdruck "struktureller Abschnitt" bedeutet ein Abschnitt des Rades, der wenigstens unter bestimmten Betriebsbedingungen des Rades ein tragendes Teil des Rades ist. Der strukturelle Abschnitt kann zum Beispiel ein Teil der Felge des Rades oder ein Abschnitt einer Nabe des Rades oder eine Speiche des Rades sein. Der hierin verwendete Ausdruck "nichtmetallisches Material" bedeutet ein Material, das vorwiegend nichtmetallisch ist, und umfasst Materialien, die metallische Elemente, wie zum Beispiel Verstärkungselemente, beinhalten können. Das bevorzugte nichtmetallische Material der vorliegenden Erfindung ist ein synthetischer Kunststoffwerkstoff, der wahlweise verstärkt sein kann, wie zum Beispiel mit Glasfasern oder mit anderen Verstärkungsmaterialien.
Der hierin verwendete Ausdruck "passiver Sensor" bedeutet ein Sensor, der in der Lage ist, einen Ausgang bereitzustellen, der eine abgetastete Bedingung anzeigen kann, ohne dass eine elektrochemische Primär- oder Sekundärzelle an dem Rad montiert ist. Der Sensor kann zum Beispiel eine SAW-Vorrichtung (zum Beispiel ein SAW-Resonator) und eine zugehörige Antenne und ein HF-Element sein.
Ein SAW-Resonator-Sensor kann betrieben werden, indem der Resonator mit einem Funksignal erregt wird, um eine Resonanzfrequenzwiedergabe zu erzeugen. SAW-Resonatoren können demzufolge in dem Sinne als vollkommen "passiv" angesehen werden, dass das Ausgangssignal von denselben als Reaktion auf das Eingangssignal, das sie empfangen, erzeugt wird, ohne dass eine separate Stromversorgung benötigt wird. Sensoren auf der Grundlage von SAW-Vorrichtungen können in Räder eingebaut und unbegrenzt benutzt werden, um geeignete physische Bedingungen des Rades zu überwachen. Gleichermaßen können Sensoren auf Grundlage von Verzögerungsleitung oder andere passive Sensoren verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst das Rad eine Siliziumvorrichtung zum Berechnen von Parametern und/oder zum Speichern voreingestellter Werte. Wenn weiterhin ein ASIC für die Abfrage des passiven Sensors erforderlich ist, kann auch dieser in das Rad integriert werden. Wenn dies elektrische Leistung in dem Rad erfordert, kann die erforderliche Leistung örtlich durch geeignete Mittel erzeugt werden, einschließlich durch mechanische und elektromechanische Mittel zum Erzeugen elektrischer Energie innerhalb des Rades während sich das Rad dreht, und sie kann mit geeigneten Mitteln zum Speichern elektrischer Energie gespeichert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Stromversorgung extern erfolgen, wie zum Beispiel durch Hochfrequenzenergie, die zu dem Rad übertragen und in dem Rad gleichgerichtet wird, oder durch induktive Kopplung an das Rad.
Erforderliche Berechnungs- oder Speicherfunktionen (die sogenannte "Intelligenz") kann in dem stationären Teil des Fahrzeuges untergebracht und über Hochfrequenzenergie von dem stationären ASIC an die in dem Rad eingebauten passiven Sensoren gekop gelt werden. Es gibt auch Ausführungsbeispiele, bei denen eine Kombination aus in dem Rad eingebauter Intelligenz und externer Intelligenz bereitgestellt wird.
Es gibt drei wichtige Klassen und zahlreiche Unter-Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Rades. Die wichtigen Klassen können als vollpassives Rad, halbpassives Rad und aktives Rad beschrieben werden.
Das vollpassive Rad kann eingebettete SAW-basierte Sensoren oder andere passive Sensoren aufweisen, wie zum Beispiel Sensoren des Typs Passive Impedance to Frequency Converter (PIFC) bzw. des Typs Passive Impedance to Amplitude Converter (PIAC) (die nach dem Stand der Technik bekannt sind). Diese werden berührungslos über ein HF-Element oder ein Paar Antennen adressiert. An Bord des stationären Teiles des Fahrzeuges befindet sich die notwendige Elektronik zum Beispiel in Form eines ASIC. Diese erzeugt Abfragesignale und wertet die zurückgeführten Signale aus, um Daten über physische Parameter des Rades zu erhalten. Diese können danach zum Beispiel für Antriebsschlupfregelung, Aktivbremsen etc. verwendet werden. Diese Informationen können auch von jedem Radlauf an eine zentrale Verarbeitungs- und Anzeige-Einheit zum Beispiel über drahtlose Telemetrietechnik übertragen werden, zum Beispiel unter Verwendung des Bluetooth-Protokolls oder des Satelliten-Kommunikationsprotokolls.
Das halbpassive Rad weist eingebettete Sensoren wie oben beschrieben auf, kann jedoch eine gewisse Elektronik in Form einer Identifikationsmarke an Bord haben. Diese Klasse muss gegebenenfalls intern oder von einer gekoppelten externen Quelle zum Beispiel über einen Drehtransformator oder über HF-Leistung berührungslos mit Strom versorgt werden. Die Sensorelektronik ist auch hier in dem stationären Teil des Fahrzeuges untergebracht, und eine geeignete Kopplung wird benötigt.
Das aktive Rad trägt das Konzept ein Stück weiter, indem alle zur Abfrage der Sensoren in dem Rad erforderlichen Komponenten integriert werden. Die Schnittstellen zwischen dem Rad und dem stationären Teil bestehen aus einem Mittel bidirektionaler Kommunikation, wahrscheinlich und vorzugsweise in einem digitalen Format, zum Beispiel über HF-Signale, die über Antennen oder über Drehtransformatoren oder über optisches Drehgelenk gesendet werden. Diese Informationen können auch von dem Radlauf an eine zentrale Verarbeitungs- und Anzeige-Einheit über drahtlose Telemetrietechnik ü bertragen werden, zum Beispiel unter Verwendung des Bluetooth-Protokolls oder des Satelliten-Kommunikationsprotokolls.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen drahtlose Kommunikation zwischen dem Rad und dem Fahrzeug wünschenswert ist, kann eine Antenne beim Formen in die Radkonstruktion integriert oder aber zu einem späteren Zeitpunkt eingebettet werden.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt die Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie Impulse elektrischer Energie, wie zum Beispiel einen Impuls elektrischer Energie pro Umdrehung des Rades. In diesem Fall umfasst die Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise auch eine Zähleinrichtung, die eine Zählung der Anzahl der Umdrehungen des Rades speichert. Vorzugsweise kann die Abfragevorrichtung die gespeicherte Zählung abfragen, um die Anzahl der Umdrehungen, die das Rad zurückgelegt hat, zu ermitteln. Diese Funktion ist besonders wünschenswert bei großen Rädern, wie sie zum Beispiel an schweren Tiefbaumaschinen verwendet werden. Reifen für solche Räder werden oft geleast und können bei verschiedenen Gelegenheiten zur Runderneuerung an das Werk zurückgegeben werden. Es ist besonders wichtig, dass die Runderneuerung eingeleitet wird, bevor der Reifen zu stark verschlissen ist. Durch die Bereitstellung einer Fernanzeige der Gesamtzahl der von dem Rad zurückgelegten Umdrehungen kann die Umdrehungszählung als Entscheidungsgrundlage dafür dienen, wann der Reifen überprüft und/oder zwecks Runderneuerung aus dem Betrieb genommen werden muss.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung zum Erzeugen eines Impulses elektrischer Energie eine piezoelektrische Vorrichtung, zum Beispiel eine PVDF-Vorrichtung, die in die Struktur des Rades eingebettet ist. Bei einer solchen Vorrichtung erzeugt die sich ändernde Beanspruchung an einem Punkt des Rades, die durch die mit dem Drehen des Rades veränderliche Belastung verursacht wird, einen Impuls elektrischer Energie. Die Impulse inkrementieren die Zähleinrichtung und laden eine elektrische Speichervorrichtung auf.
Vorzugsweise verwendet die elektrische Speichervorrichtung einen Kondensator als das Mittel zum Speichern der elektrischen Energie. Der Strombedarf des Systems ist sehr gering, und durch die Verwendung eines Kondensators anstelle einer elektrischen Primärzelle oder Sekundärzelle hat die Vorrichtung eine sehr lange Lebenserwartung, und sie wird durch die harte Betriebsumgebung, in der sie funktionieren muss, nicht nachteilig beeinflusst.
Vorzugsweise umfasst das Rad Speichereinrichtungen zum Speichern eines Identifizierungscodes, der mit dem Sensor verbunden ist; eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Signals von einer Fernabfrage-Vorrichtung; eine Einrichtung zum Senden von Signalen zur Anzeige des Zustandes, für den der Sensor empfindlich ist, an die Abfragevorrichtung; eine Vorrichtung zum Senden von Signalen zur Anzeige des Identifizierungscodes an die Abfragevorrichtung; eine Stromversorgung zum Zuführen von elektrischer Energie zu der Vorrichtung; und in das Rad integrierte Vorrichtungen zum Speichern der erzeugten elektrischen Energie.
Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Anordnung dergestalt sein, dass jedes Rad nur eine Anzeige des Zustandes bereitstellt, das von dem Sensor als Reaktion auf ein Abfragesignal abgetastet wurde und das einen Abschnitt entsprechend des in dem Speicher gespeicherten Identifizierungscodes hat. Das Rad kann auch seinen eigenen Identifizierungscode als Teil der Abfragesequenz ausgeben. Typischerweise wird die an dem Rad montierte Vorrichtung aktiviert, indem ein Signal mit einem Abschnitt entsprechend dem Identifizierungscode des Rades, das die Vorrichtung trägt, gesendet wird. Die Vorrichtung wird dann die erforderlichen Signale zur Anzeige des abgetasteten Zustandes übertragen und wird danach ein Signal zur Anzeige des Rad-Identifizierungscodes übertragen. Die Kombination aus reiner Übertragung der Sensor-Informationen als Reaktion auf ein empfangenes Signal einschließlich einem Abschnitt entsprechend dem gespeicherten Identifizierungscode und dem Senden des gespeicherten Identifizierungscodes am Ende der Sensorinformations-Sendesequenz ergibt für die Abfragevorrichtung einen hohen Sicherheitsgrad, dass die Sensor-Information zu dem richtigen Identifizierungscode zugehörig ist.
Die Erfindung wird anhand der folgenden ausschließlich beispielhaften Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles derselben und unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen besser verstanden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2a und 2b veranschaulichen Änderungen des Ausführungsbeispieles aus 1.
3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 veranschaulicht schematisch die Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 schematisch ein Rad 1 mit einem Zustandsüberwachungssystem gezeigt.
Das System umfasst einen Sensor oder mehrere Sensoren 2. Drei SAW-Sensoren zum Messen der Dehnung in drei orthogonalen Achsen X, Y, Z werden in 1 gezeigt. Die Sensoren können von einer beliebigen passiven Ausführungsart sein, wie zum Beispiel SAW-Vorrichtungen oder Nanophasen-Draht oder Band oder passive Impedanz-Frequenz-Umrichter, und sie können Anzeigen beliebiger Radzustände, wie zum Beispiel des Raddruckes und der Radtemperatur und der Mehrachsendehnung in dem Rad bereitstellen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Erfindung nicht auf die genannten Sensoren beschränkt ist und mit SAW-Vorrichtungs-Sensoren betrieben werden kann, die andere Signale als Temperatur- oder Drucksignale erzeugen, und/oder mit anderen Arten passiver Sensoren.
Wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, sind SAW-Vorrichtungs-Sensoren besser in der Lage, eine Anzeige eines charakteristischen Merkmales des Sensors als Reaktion auf ein von einer Fern-HF-Quelle gesendetes Abfragesignal bereitzustellen. Das vollständig passive System kommuniziert entweder über ein HF-Element 5 oder über eine Antenne 3, 4 in Abhängigkeit von der Abfragestrategie und der gerätetechnischen Beschränkungen des Systems. Beide Kommunikationsverfahren werden gezeigt. Die Sensorinformation wird sodann von der Elektronik 6 verarbeitet, vorzugsweise in Form eines ASIC, und danach entweder über Datenbus oder drahtlos an das Fahrzeug-Überwachungssystem bzw. an das Stabilitätskontrollsystem 7 gesendet.
2a zeigt eine Modifikation des Systems aus 1, das nunmehr eine Identifikationsmarke 8 umfasst. Die Identifikationsmarke 8 besitzt eine Reihe von Anwendungen insbesondere in Lastkraftwagen und Fuhrparks, wie in GB-A-2361546 erläutert wird, die unserer gleichzeitig anhängigen UK-Patentanmeldung 0024416.0 entspricht. Diese kann drahtlos bzw. über das HF-Element gelesen werden. Bei drahtlosem Lesen kann dies bei einer anderen Frequenz als die bereits beschriebenen SAW-Sensoren erfolgen. Auch hier wird die Sensorinformation danach von der Elektronik verarbeitet, vorzugsweise in Form eines ASIC, und danach entweder über Datenbus oder drahtlos an das Fahrzeug-Stabilitätskontrollsystem gesendet.
2b umfasst eine Vorrichtung 9 zum Erzeugen einer Spannung in dem Rad, so dass das System, das die Identifikationsmarke 8 und die SAW-basierten Sensoren 1 enthält, sich selbst mit Strom versorgen und drahtlos abgefragt werden kann, indem das in der vorstehenden Patentanmeldung beschriebene Verfahren verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nunmehr ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die in das Rad 1 integrierten bzw. an dieses angebauten Komponenten geeignete Sensoren 1, eine Identifikationsmarke 8 und eine interne Stromquelle 9 wie in dem Ausführungsbeispiel von 2b. In diesem Fall sind der erforderliche ASIC und die erforderliche Signalverarbeitungs-Vorrichtung 6 in das Rad integriert und mit den Sensoren 1, der Identifikationsmarke 8 und der Stromversorgung 9 festverdrahtet. Zusätzlich ist eine Kommunikationsvorrichtung 10 in das Rad integriert, um Kommunikation mit einer zusätzlichen Kommunikationsvorrichtung 11, die an einem nichtdrehenden Teil des Fahrzeuges angebaut ist, bereitzustellen. Die Kommunikation zwischen den Vorrichtungen 10 und 11 kann durch beliebige geeignete Mittel erfolgen, wie zum Beispiel durch HF-Technologie, einschließlich insbesondere der Bluetooth-Technologie. Die von dem Empfänger 11 empfangenen Informationen werden an ein geeignetes Fahrzeugüberwachungs- oder Stabilitätskontroll-Verwaltungssystem übertragen.
Unter Bezugnahme auf 4 wird nunmehr eine Weiterentwicklung der Erfindung schematisch dargestellt. In diesem Fall umfassen die an dem Rad angebauten Komponenten einen Raddrehmoment-Sensor 12, einen Raddrehzahl-Sensor 13, einen Rotationszähler 14, eine Identifikationsmarke 15, einen Reifendruck-Sensor 16, einen Rei fentemperatur-Sensor 17 und einen Radschwingungs-Sensor 18. Der auf dem Rad montierte Reifen beinhaltet einen Laufflächenabnutzungs-Sensor 19, eine Reifenidentifikations-Vorrichtung 20 und eine Reifenbelastungs-Messvorrichtung 21. Zusätzlich umfasst der Reifen eine ablative Antenne 22 zum Bereitstellen von Signalerfassung zwischen den in dem Reifen eingebauten Komponenten und den an dem Rad angebauten Komponenten. Ein geeigneter Steuerkreis 23 wird zur Steuerung der verschiedenen Sensoren und zur Bereitstellung von Zähl-, Takt- und Speicherfunktionen bereitgestellt. Das System wird durch eine in dem Rad integrierte Spannungserzeugungsvorrichtung 24 gespeist, deren Ausgang Impulse bereitstellt, die zum Zählen von Drehung verwendet werden können und die genutzt werden, um eine virtuelle Batterie 25 aufzuladen, die Bestandteil der Elektronikeinheit 23 ist. Eine in dem Rad integrierte Antenne 26 wird bereitgestellt, um Kommunikation über eine an dem Radlauf montierte Antenne 27 an einen Empfängerkreis 28, der an einem nichtdrehenden Teil des Fahrzeuges angebracht ist, bereitzustellen. Von dem Schaltkreis 28 verarbeitete Signale werden durch einen geeigneten Senderkreis 29 an eine Fahrer-Informationstafel und/oder an ein Fahrzeugüberwachungs- oder Fahrzeugsteuersystem 30 weitergegeben.
Bei jeder der oben genannten Vorrichtungen werden wenigstens einige Komponenten bei der Herstellung in ein nichtmetallisches Teil des Rades eingebaut und werden somit zum festen Bestandteil des Rades. Geeignete Sensoren können zum Beispiel bei der Herstellung in das Rad eingebaut werden und/oder eine Antenne kann bei der Herstellung in das Rad eingebaut werden. In einem relativ einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Dehnungsmessstreifen auf Basis von SAW-Vorrichtungen in die Speichen eines nichtmetallischen Rades eingebaut und mit einer Antenne verbunden, die aufgrund des Einbaus einer vorgeformten Antenne bei der Herstellung bzw. wegen des Anbringens einer Antenne auf der Oberfläche des hergestellten Rades fester Bestandteil des Rades ist. Durch Abfragen der Dehnungsmessstreifen in den Speichen kann das durch das Rad übertragene Drehmoment überwacht werden. Wenn Drehmomentwerte von allen Rädern des Fahrzeuges überwacht werden, können diese Werte als Eingang zu einem Antischlupfregelsystem oder einem aktiven Bremssteuersystem verwendet werden. Wenngleich die vorliegende Erfindung den Anbau bestimmter Komponenten an das Rad nach der Herstellung vorsieht, besteht das kritische Merkmal der Erfindung darin, dass wenigstens einige Komponenten während der Herstellung in das Rad eingebaut werden, um eine kostengünstige, stabile Konstruktion bereitzustellen, die lediglich einen minimalen späteren Montageaufwand für zusätzliche Komponenten verursacht, um die geforderte Funktionalität bereitzustellen.

Claims

Rad mit einem strukturellen Abschnitt, der aus einem nichtmetallischen Material besteht, wobei der strukturelle Abschnitt als integralen Teil desselben drei SAW-Sensoren ausgerichtet, um Beanspruchung in drei orthogonalen Achsen zu messen, enthält, um Eigenschaften des Rades und/oder eines Reifens, der auf dem Rad montiert ist, und/oder eines Fluids, das zwischen dem Rad und dem Reifen eingeschlossen ist, zu überwachen, während das Rad/der Reifen in Funktion ist.
Rad nach Anspruch 1, wobei eine Siliziumvorrichtung zum Berechnen von Parametern und/oder Speichern voreingestellter Werte in dem Rad eingebettet oder daran befestigt ist.
Rad nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das eine Abfragevorrichtung zum Abfragen des passiven Sensors enthält, wobei die Abfragevorrichtung einen ASIC enthält, der in dem Rad eingebettet oder daran befestigt ist.
Rad nach einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Einrichtung enthält, die in dem Rad eingebettet oder daran befestigt ist, um elektrischen Strom zu erzeugen und die Bauteile, die in dem Rad eingebettet oder daran befestigt sind, mit Strom zu versorgen.
Rad nach einem der vorangehenden Ansprüche in Kombination mit einer Einrichtung außerhalb des Rades zum Zuführen von Energie zu dem Rad über eine drahtlose Verbindung.
Rad nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie eine feste Anzahl von Impulsen elektrischer Energie für jede Umdrehung des Rades erzeugt.
Rad nach Anspruch 6, wobei das Rad eine Zähleinrichtung enthält, die einen Zählwert der Anzahl von Impulsen speichert, um einen Wert für die Anzahl von Umdrehungen bereitzustellen, um die sich das Rad gedreht hat.
Rad nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die Vorrichtung zum Produzieren eines Impulses elektrischer Energie eine piezoelektrische Vorrichtung ist, beispielsweise eine PVDF-Vorrichtung, die in die Struktur des Rades eingebettet ist.
Rad nach einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Speichereinrichtung zum Speichern eines Identifizierungscodes, der mit dem Sensor verbunden ist, eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Signals von einer Fern-Abfragevorrichtung, eine Einrichtung zum Senden von Signalen, die den Zustand anzeigen, für den der Sensor empfindlich ist, zu der Abfragevorrichtung, und eine Einrichtung zum Senden von Signalen, die den Identifizierungscode anzeigen, zu der Abfragevorrichtung enthält.
Rad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der passive Sensor eine SAW-Vorrichtung ist.