Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messelement zum Feststellen der Profiltiefe oder des Laufflächenabriebs eines Reifens, wobei das Messelement in dem Reifen anzuordnen ist und mindestens einen Sensor mit einer Messelektronik zum Senden der von dem Sensor ermittelten Daten umfasst.

Stand der Technik

Zur Fortbewegung und zum Transport von Gütern und Personen gibt es

verschiedene Arten von Fahrzeugen: Wasserfahrzeuge, Landfahrzeuge,

Luftfahrzeuge, Raumfahrzeuge und Kombinationen untereinander. Insbesondere die Landfahrzeuge, wie z. B. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und auch

Anhänger, ebenso die Fahrwerke von Luftfahrzeugen weisen Räder auf.

Das einzelne Rad umfasst in der Regel eine Felge und einen darauf angebrachten, meist mit Druckluft gefüllten Reifen. Die Räder werden zum Drehen angeregt und/oder gebremst, sodass die Fahrzeuge auf den Rädern über einen

entsprechenden Untergrund bzw. eine Fahrbahn rollen und/oder gebremst werden. Die Fläche des Reifens, die über den Fahrzeuguntergrund rollt, wird als Lauffläche bezeichnet. Die Reifen sind an der Lauffläche mit einem speziell ausgestalteten Profil ausgebildet. Durch dauerhafte Benutzung entsteht eine Abnutzung. Dies bedeutet, dass die Profiltiefe während des Fahrbetriebes kontinuierlich abnimmt. Diese Abnahme ist solange zulässig, bis ein kritischer Wert erreicht ist, bei dem die Fahrsicherheit erheblich beeinträchtigt ist.

Die Profiltiefe ist mechanisch messbar, was aber aufgrund der Abmessungen von Profiltiefen von nur wenigen Millimetern hohe Genauigkeit und bei

fortgeschrittener Abnutzung kurze Messintervalle erforderlich macht. Dies ist arbeits- bzw. personalintensiv. Ferner gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Profiltiefe automatisch zu erkennen, welche jedoch zusätzliche Sensoren und Einbauteile erforderlich machen.

So ist beispielsweise aus der DE 197 45 734 B4 ein Abriebsensor zur Erfassung der Profiltiefe eines Reifens bekannt. In die Lauffläche des Reifens wird ein vom Abrieb abhängiges elektrisches oder elektromagnetisches Messelement

eingegossen, das mit einer ebenfalls i den Reifen eingegossenen Sensorschaltung zusammenwirkt. Das Messelement besteht aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Schlaufen, die nacheinander bei unterschiedlicher Tiefe durchtrennt werden. Da Messelement und Sensorschaltung in den Reifen eingegossen sind, ist ein einfacher Austausch bei Fehlfunktionen nicht möglich. Zudem müssen die Reifen speziell ausgebildet werden und eine Nachrüstung ist nicht möglich.

Für den Betrieb solcher Sensoren, aber auch zur Datenübertragung wird eine im Reifen angeordnete Spannungsquelle benötigt. Dadurch ist das System mit dem Abriebsensor auch nur eine definierte Zeit anwendbar, nämlich solange die Spannungsquelle ausreichend Energie zur Verfügung stellt. Bei tiefen

Temperaturen oder hohen Geschwindigkeiten kann dies aber ein Problem darstellen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messelement bereitzustellen, welches eine zuverlässige Erkennung des Reifenverschleisses insbesondere im Bereich der Lauffläche jederzeit ermöglicht. Lösung der Aufgabe

Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, als Messelement ein dübelartiges Element in die Lauffläche eines Reifens einzusetzen, derart dass dieses sich im montierten Zustand radial erstreckt. Aufgrund der mechanischen Eigenschaft, dass jeder definierte Punkt auf der Lauffläche eines Reifens während seiner vollen (360 Grad) Drehung einen Moment erreicht, an dem an dem definierten Punkt ein höchster Flächendruck entsteht, macht sich das Messelement diese Erkenntnis zu eigen. Dieser Flächendruck wird ein geeignetes Material, beispielsweise ein Piezo- Element in der Ausbildung einer Verformung übertragen. Ein Piezoelement ist ein Bauteil, das den Piezoeffekt ausnutzt, um entweder durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung auszuführen (Piezoaktor, verwendet den sogenannten inversen Piezoeffekt), oder bei Einwirkung einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung zu erzeugen.

Das Messelement ist als zylinderförmiger Körper ausgebildet, derart, dass dieser lang gestreckt ausgebildet ist. Die Abmasse sind mit denen eines handelsüblichen Dübels für die Aufnahme von Schrauben in der Grösse M6 bis M 1 2 denkbar. Eine bevorzugte Ausführungsform weist zwei Bereiche auf, nämlich einen ersten Bereich, der eine Messelektronik und eine Sendeeinheit zur Übermittlung der Daten umfasst und einen zweiten Bereich, der als Messsensor dient und mit der

Messelektronik gekoppelt ist. Der erste Bereich ist vorzugsweise in einem Metalloder Kunststoffgehäuse angeordnet, um die Messelektronik vor mechanischen Einflüssen zu schützen. Der zweite Bereich, in dem der Messsensor angeordnet ist, ist in ein gummiartiges Material eingebettet, das zumindest nahezu die gleichen Abriebeigenschaften wie die Lauffläche hat. Die Intention dieser technischen Ausbildung liegt darin, dass durch den Abrieb der Lauffläche auch der zweite Bereich in zumindest ähnlicher, vorzugsweise in gleicher Weise abnutzt.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Messelements sieht vor, dass der zweite Bereich mit den Messsensoren mehrere parallel geschaltete Piezoelemente aufweist. Diese Piezoelemente sind in Längserstreckung des Messelements angeordnet und vorzugweise in ein Gummimaterial eingegossen. Die einzelnen Piezoelemente sind leiterartig angeordnet, beginnend von einer Stirnseite des Messelements hin zu dem ersten Bereich, der die Messelektronik umfasst.

Im eingebauten Zustand erstreckt sich das Messelement radial von der

Aussenfläche der Lauffläche hin zur Bindeschicht des Reifens, die dann zur Karkasse übergeht.

Die Funktionsweise des Messelements ist nun derart, dass das jeweils äusserste Piezoelement zur Messung der Profiltiefe der Lauffläche verwendet wird. Das äusserste (zur Laufoberfläche hinweisende) Piezoelement hat damit den

unmittelbaren Kontakt zur Oberfläche der Lauffläche und wird bei Kontakt mit der Ebene im Vergleich zu den tiefer liegenden Piezoelementen gestaucht, so dass dieses den grössten Spannungsimpuls (aufgrund der auf das Piezoelement wirkenden Kraft) abgibt. Dadurch kann die Tiefe des Profils der Lauffläche festgestellt werden.

Der erzeugte Spannungsimpuls, der bei jeder vollen Umdrehung des Rades entsteht, in dem das Messelement angeordnet ist, wird von der Messelektronik verwendet. Die Messelektronik ist derart ausgelegt, dass diese neben der

Auswertung der einzelnen Piezoelemente (zur Analyse der Profiltiefe) auch für den eigentlichen Betrieb aber auch zur Datenspeicherung und -Übertragung verwendet wird. Vorzugsweise ist innerhalb des Reifens ein Sendemodul angeordnet, dass diese von dem Messelement drahtlos übertragene Daten an eine Daten- Darstellungseinheit, beispielsweise ein Dashboard im Fahrzeug oder ein Tablet-PC, Mobilfunkgerät übermittelt. Dabei ist es unerheblich, ob das Fahrzeug nun länger steht oder ständig fährt. Die Messelektronik umfasst ein Energiespeicherelement, so dass auch im stehenden Vorgang Daten von dem Messelement übermittelt werden. Steht das Fahrzeug eine Weile, so werden keine Daten mehr mangels Energie übermittelt. Es genügen aber schon wenige Umdrehungen ( 1 -3), bis wieder ausreichend Energie zur Detektion und zum Senden vorhanden sind.

Die Messelektronik hat auch die Möglichkeit, derart ausgelegt zu werden, dass weitere physikalische Parameter an dem Reifen gemessen werden können. Als physikalische Parameter können Temperatur an der Bindeschicht zur Karkasse, Profilbelastung oder Fahrbahnzustände gemessen werden.

Für die Montage eines solchen Messelements kann zum einen das Einbringen vor der Vulkanisation mit der Reifenkarkasse vorgesehen sein. Damit kann zur Montage stützend eine konische Lochform in der Lauffläche bzw. Profiltiefe vorgesehen sein, so dass eine Fixierung des Messelements vor dem

Vulkanisationsprozess möglich ist. An dem Umfang sind elastische Ringelemente angeordnet, die den Querschnitt zumindest stellenweise vergrössert, so dass ein Halten des Messelements in der vorgesehenen Bohrung erwirkt werden kann.

Eine alternative Ausbildung sieht vor, das Messelement nachträglich einzubringen. Dies geschieht in der Weise, dass eine Sacklochbohrung in der Lauffläche vorbereitet wird. Das Messelement ist mit einer Hülle versehen und wird zusammen mit dieser Hülle in die Bohrung eingeführt. Die Einführung in die Bohrung wird soweit geführt bis die Stirnseite des ersten Bereichs mit der Oberfläche der Lauffläche abschliesst. In einem weiteren Schritt wird dann die Hülle entfernt und eine Klebeflüssigkeit läuft aus, so dass eine unverlierbare Verbindung zwischen dem Messelement und der Bohrung entsteht.

Grundsätzlich sind alle Montageverfahren geeignet, die das Einsetzen des

Messelements in die Lauffläche in radialer Richtung ermöglichen und das

Messelement fixieren. Weitere vorteilhafte Ausbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen hervor.

Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung sowie der Anwendung des Messelements;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf das erfindungsgemässe

Messelement;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Lauffläche eines Reifens vor der Einführung des erfindungsgemässen Messelements gemäss Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Lauffläche eines Reifens mit einem

eingesetzten Messelement;

Fig. 5 einen Schnitt durch das Messelement gemäss Fig. 2 entlang einer

Linie V-V;

Fig. 6 [A-B] eine schematische Darstellung von unterschiedlichen

Montagemöglichkeiten des Messelements gemäss Fig. 2.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Messsystem MS dargestellt, das die Anwendung des

erfindungsgemässen Messelements 1 zeigt. Das Messelement 1 ist in einem Reifen R in dessen Lauffläche L angeordnet. Die Anordnung des Messelements 1 ist derart, dass das Messelement 1 sich in die Tiefe der Lauffläche L erstreckt. Die Ausrichtung erfolgt radial und derart, dass die eine Stirnseite des Messelements 1 mit der Oberfläche 0 der Lauffläche L abschliesst.

Das Messelement 1 verfügt über eine Sendeeinheit, die die von dem Messelement 1 aufgenommenen Daten überträgt. Diese Sendeeinheit übermittelt die Daten an ein im Fahrzeug K angeordnetes Dashboard oder an jede andere beliebige

Darstellungseinheit, wie ein Tablet-PC oder - wie in Fig. 1 dargestellt - eine mobile Einheit M. Die Daten können aber auch via Satellit SA an einen entfernt angeordneten Personalcomputer PC beispielsweise aus Überwachungsgründen (über die mobile Einheit) übermittelt werden. Dort kann dann neben der laufenden Überwachung der physikalischen Daten der Reifen von unterschiedlichen

Fahrzeugen auch Auswertungen dieser Daten vornehmen.

In Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht das Messelement 1 gezeigt. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Bereichen 2, 3. Der erste Bereich 2 umfasst die Sensoren, die zur Feststellung der aktuellen Profiltiefe des Reifens vorgesehen sind. Der zweite Bereich 3 umfasst die Messelektronik, die dafür vorgesehen ist, die von den Sensoren bereitgestellten elektrischen Signale umzuwandeln und an eine Sendeeinheit (SE, in Fig. 1 dargestellt), zu übermitteln.

Der erste Bereich 2 besteht im Wesentlichen aus einem gummiartigen Gehäuse. Die freie Stirnseite 4 schliesst jeweils mit der Oberfläche 0 der Lauffläche L ab, so dass diese Stirnseite 4 immer - unabhängig von dem Verschleiss bzw. Abrieb der Oberfläche 0 der Lauffläche L - mit der Oberfläche 0 abschliesst. Dies bedeutet, dass sich auch die Länge 5 des ersten Bereichs 2 mit zunehmender Abnutzung der Oberfläche bzw. des Profils verringert. Die Länge 5 des ersten Bereichs 2 ist somit ein Mass für die Profiltiefe des Reifens R.

Damit die dübelartige Ausbildung des Messelements 1 innerhalb einer in der Lauffläche L vorgesehenen Bohrung 6 (Fig.4) platziert und dort gehalten werden kann, sind auf dem Umfang 7 des Bereichs 2 (Fig. 3) Ringelemente 8 vorgesehen. Diese Ringelemente 8 sind elastisch und hinsichtlich ihres Aussendurchmessers grösser als der Durchmesser eine Bohrung. Durch Eindrücken des Messelements 1 in eine Bohrung 6 in Pfeilrichtung 9 (Fig. 3) werden die Ringelemente 8

zusammengedrückt, so dass diese sich an die Innenwandung der Bohrung 6 anlegen. Durch zusätzliche Verklebungsmittel kann das ungewollte Herausfallen des Messelements 1 aus der Bohrung verhindert werden.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch das Messelement 1 gemäss Fig. 2 entlang einer Linie V-V dargestellt. In dem weiteren Bereich 3 ist eine Messelektronik 1 0 vorgesehen. Diese Messelektronik 1 0 dient dazu, die von den Sensoren bereitgestellten Werte umzuwandeln und an eine Sendeeinheit zu übermitteln. Dabei wird die

Messelektronik 1 0 vorzugsweise von einer Stromquelle gespeist, die aus

Piezoelementen 1 1 besteht. Diese Piezoelemente 1 1 sind in dem ersten Bereich leiterartig, d.h. übereinander und parallel geschaltet angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind fünf Piezoelemente übereinander angeordnet. Durch das

Zusammenstauchen der Lauffläche L des Reifens R und damit des Messelements 1 in Pfeilrichtung F wird das erste und damit das am nächsten der Oberfläche 0 zugeordnete Piezoelement 1 1 am stärksten gestaucht und gibt daher auch den grössten Stromimpuls ab. Dadurch kann festgestellt werden, welches

Piezoelement 1 1 den grössten Stromimpuls abgibt, so dass die Profiltiefe bestimmt werden kann.

Zudem werden bei jeder Umdrehung, bei der das Messelement 1 die grösste Kraft erfährt (Stirnseite 4 des Messelements 1 ausgerichtet zur Ebene) durch die Piezoelemente 1 1 Stromimpulse erzeugt, die über Speicherelemente als

Energieversorgung für die Messelektronik 1 0 bereitstehen.

Der erste Bereich 2 ist vorteilhafterweise in ein gummiartiges Material gegossen. Der weitere Bereich 3, in dem die Messelektronik 1 0 angeordnet ist, ist in einem Gehäuse 1 2 untergebracht. Das Gehäuse 1 2 besteht entweder aus Metall oder einem Kunststoff. Das Gehäuse 1 2 weist vorteilhafterweise einen Hohlraum 1 3 auf, in dem die Messelektronik 1 0 fixiert ist. Für eine Fixierung innerhalb einer Bohrung und damit einer lagegerechten Anordnung ist auf dem Umfang des Gehäuse 1 2 ein Gewinde 1 5 angeordnet, das mit dem gummiartigen Material der Lauffläche im montierten zusammenwirkt.

Zusätzlich ist bei einem besonderen Ausführungsbeispiel auf der dem weiteren Bereich zugeordneten Seite des Messelements 1 ein Temperatursensor 1 4 angeordnet. Dieser ist dafür vorgesehen, die Temperatur insbesondere im

Übergangsbereich der Lauffläche zur Karkasse, also in der kritischen Bindeschicht dauerhaft zu messen. Dadurch kann bereits vor Ablösung aufgrund hoher

Temperaturen eine entsprechende Warnmeldung an das Dashboard des Fahrzeugs erfolgen.

Das Messelement 1 kann auf unterschiedliche Weisen angeordnet werden. In den Fig. 6 [A] und 6 [B] sind beispielhaft zwei Ausführungen dargestellt.

In Fig. 6 [A] wird beispielsweise nachträglich (nach der Fertigung des Reifens, beispielsweise zur Nachrüstung) das Messelement 1 in eine Bohrung in der Lauffläche L eingebracht. Diese Bohrung kann konisch oder zylindrisch

ausgestaltet sein und erstreckt sich bis maximal zur Bindeschicht B, die zwischen der Lauffläche L (dem Profilträger) und der Karkasse Ka angeordnet ist. Für die Montage umgibt das Messelement 1 eine Hülse 1 6, die sich stirnseitig auf dem Gehäuse 1 2 des weiteren Bereichs 3 aufstützt. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass das Messelement 1 in die Bohrung 6 eingebracht werden kann. Nach Platzierung des Messelements 1 wird die Hülse 1 6 entfernt und entweder wird zusätzlich Klebe- und Füllstoff eingebracht, oder es läuft selbsttätig Flüssigkeit aus, die das Messelement 1 unverlierbar in der Bohrung 6 fixiert.

Eine alternative Einbringung des Messelements 1 ist in Fig. 6 [B] dargestellt. Vor dem Vulkanisierprozess wird das Messelement 1 von der Seite der

Bindungsschicht B in die Bohrung 6 eingebracht und vorzugsweise auf dieselbe Weise fixiert, wie bereits hinsichtlich der Fig. 6 [A] beschrieben. Für die Montage umgibt das Messelement 1 eine Hülse 1 6, die sich stirnseitig auf dem Gehäuse 1 2 des weiteren Bereichs 3 aufstützt. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass das Messelement 1 in die Bohrung 6 eingebracht werden kann. Nach Platzierung des Messelements 1 wird die Hülse 1 6 entfernt und entweder wird zusätzlich Klebe- und Füllstoff eingebracht, oder es läuft selbsttätig Flüssigkeit aus, die das Messelement 1 unverlierbar in der Bohrung 6 fixiert.

Das erfindungsgemässe Messelement 1 ist sehr kompakt aufgebaut, so dass es mit herkömmlich bekannten Mitteln nachgerüstet werden könnte. Es wird vergleichbar mit einem Dübel in die Lauffläche eines Reifens eingebracht, um dort zumindest die aktuelle Profiltiefe drahtlos messen zu können. Zudem kommt das Messelement ohne Stromquelle aus, dass die als Sensor ausgebildeten

Piezoelemente gleichzeitig Stromerzeuger sind.

B EZ U G S Z E I C H E N L I ST E

Messelement zur Anordnung in einer Lauffläche eines Reifens

1 Messelement

2 erster Bereich

3 zweiter Bereich

4 Stirnseite

5 Länge

6 Bohrung

7 Umfang

8 Ringelement

9 Pfeilrichtung

10 Messelektronik

11 Piezoelemente

12 Gehäuse

13 Hohlraum

14 Temperatursensor

15 Gewinde

16 Hülse

B Bindungsschicht

F Pfeilrichtung

H Hohlkammerraum

K Fahrzeug

Ka Karkasse

L Lauffläche

M Mobilfunkgerät

MS Messsystem

R Reifen

0 Oberfläche

PC Personalcomputer

SA Satellit