DE102020202311A1 - Fahrzeugluftreifen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen mit einem profilierten Laufstreifen (1), Gürtellagen (2a, 2b),-einer Karkasseinlage (3), einer Innenschicht (4), Seitenwänden (5) und zumindest einem Piezobauelement (11, 12, 13) als piezoelektrischen Energiewandler.Die Piezobauelemente sollen derart angeordnet werden, dass sie eine höhere elektrische Leistung erzielen und derart das „Energy Harvesting“ verbessern.Dies wird erreicht indem sich zumindest ein Piezobauelement (11, 12, 13) im Laufstreifen (1) und/oder in zumindest einer Seitenwand (5) befindet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen mit einem profilierten Laufstreifen, Gürtellagen, einer Karkasseinlage, einer Innenschicht, Seitenwänden und zumindest einem Piezobauelement als piezoelektrischen Energiewandler.
• Ein Fahrzeugluftreifen eingangs genannter Art ist beispielsweise aus der US 2003 209 064 A1 bekannt. Dieser Reifen weist an der Innenseite der Innenschicht befestigte Piezobauelemente als piezoelektrische Energiewandler auf. Dabei wird die durch „Energy Harvesting“ erzeugte elektrische Energie vorzugsweise zum Aufladen von Akkus verwendet, welche zur Spannungsversorgung elektronischer Systeme im Reifen oder an der Felge vorgesehen sind. Als Piezobauelemente werden beispielsweise Piezofasern verwendet, welche in eine Harz- oder Polymermatrix eingebettet sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Piezobauelemente derart an Fahrzeugluftreifen anzuordnen, dass sie eine höhere elektrische Leistung zur Verfügung stellen können und derart das Energy Harvesting verbessern.
• Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass sich zumindest ein Piezobauelement im Laufstreifen und/oder in zumindest einer Seitenwand befindet.
• Gemäß der Erfindung ist bzw. sind im Inneren des Gummimateriales des Laufstreifens bzw. der Seitenwand ein bzw. mehrere Piezobauelement(e) eingebettet. Der Laufsteifen und die Seitenwand bieten jeweils ausreichend Platz für Piezobauelemente und unterliegen im Fahrbetrieb günstiger Weise einer kontinuierlichen Belastung und Deformation. Da die Menge der geernteten Energie pro Zeiteinheit (elektrische Leistung) der Piezobauelemente direkt proportional zur eingebrachten mechanischen Verformungsenergie ist, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Reifen - im Vergleich zu bisher bekannten Reifen - eine deutlich höhere elektrische Leistung erzielen. Auf das bzw. die im Gummimaterial eingebettete(n) Piezobauelement(e) kann bzw. können nämlich aus sämtlichen Richtungen auftretende Kräfte optimal wirken, wodurch die beim Abrollen bzw. dem Betrieb des Reifens mit Piezobauelementen erzielbare elektrische Energie pro Zeiteinheit erhöht und somit das Energy Harvesting verbessert ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist das bzw. sind die im Laufstreifen befindliche(n) Piezobauelement(e) auf der radial äußersten Gürtellage oder auf einer gegebenenfalls vorgesehenen Gürtelbandage angeordnet. Sind die Gürtellagen elektrisch leitfähig ausgeführt, lässt sich die elektrische Energie auf einfache Weise an die gewünschte Stelle im Reifen weiterleiten.
• Bei dieser Ausführung ist es ferner günstig, wenn das bzw. die auf der radial äußersten Gürtellage bzw. der Gürtelbandage befindliche(n) Piezobauelement(e) die Unterprofilstärke des Laufstreifens nicht überragt bzw. überragen, wobei die Unterprofilstärke insbesondere 1,5 mm bis 3,0 mm beträgt.
• Dabei ist es ferner vorteilhaft, wenn das bzw. die auf der radial äußersten Gürtellage bzw. der Gürtelbandage befindliche(n) Piezobauelement(e) eine Dicke aufweist bzw. aufweisen, welche mindestens 1,0 mm geringer ist als die Unterprofilstärke.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist zumindest ein Piezobauelement vorgesehen, welches sich in der Walkzone einer Seitenwand befindet, wobei sich die Walkzone, im Reifenquerschnitt betrachtet, zwischen zwei in axialer Richtung verlaufenden Linien erstreckt, von welchen die eine die Randkante der radial innersten Gürtellage berührt und die andere zur Stelle mit der größten Querschnittsbreite einen in Richtung Wulstbereich und in radialer Richtung ermittelten Abstand von 20% der Querschnittshöhe des Reifens aufweist. Die Walkzone der Seitenwand wird beim Abrollen des Reifens derart verformt, dass in der Walkzone positionierte Piezobauelemente besonders wirksam sind.
• Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn zumindest ein Piezobauelement vorgesehen ist, welches in jenem Zonenbereich der Walkzone angeordnet ist, der sich radial außerhalb der Stelle mit der größten Querschnittsbreite befindet. Besonders bevorzugter Weise ist zumindest ein Piezobauelement vorgesehen, welches sich in der radial äußeren Hälfte dieses Zonenbereiches befindet. In diesem auch als „flexing zone“ bezeichneten Zonenbereich treten beim Abrollen des Reifens in verstärktem Ausmaß Verformungen auf, wodurch die Wirksamkeit der Piezobauelemente besonders gut ist.
• Das bzw. die in der Seitenwand befindliche(n) Piezobauelement(e) befindet bzw. befinden sich insbesondere auf der der Innenschicht abgewandten Seite der Karkasseinlage. Solche Elemente können im Zuge des Reifenaufbaues vor dem Hochschlagen der Seitenwand auf einfache Weise in den Reifen eingebracht werden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das Piezobauelement eine 3D-gedruckte Piezomatte. Günstiger Weise kann eine Piezomatte großflächig und in beliebiger Form mittels 3D-Druck hergestellt werden, sodass sich diese auf besonders einfache und variable Weise im Reifen integrieren lässt. Mittels Piezomatten kann somit der im Reifeninneren vorhanden Platz für Piezoelemente auf eine für effektives „energy harvesting“ besonders vorteilhafte Weise genutzt werden.
• Weitere bevorzugte Piezobauelemente sind piezokeramische Biegeelemente, piezokeramische Scheiben mit Dicken von insbesondere bis zu 0,1 mm und piezoelektrische Folien. Ferner kann das Piezobauelement in Textilien oder Verbundwerkstoffen integrierte Piezofasern aufweisen, wobei es günstig ist, wenn in Wirrlage befindliche Piezofasern vorgesehen sind.
• Insbesondere ist zumindest ein Piezobauelement vorgesehen, welches über den Umfang der Seitenwand oder des Laufsteifens verläuft. Ergänzend oder alternativ sind Piezobauelemente vorgesehen, welche in Reifenumfangsrichtung aufeinanderfolgen.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der einzigen Figur, 1, die schematisch einen Querschnitt durch einen Fahrzeugluftreifen mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, näher beschrieben.
• Gemäß der Erfindung ausgeführte Fahrzeugluftreifen sind Reifen für Kraftfahrzeuge, insbesondere für mehrspurige Kraftfahrzeuge, sowie vorzugsweise Reifen in Radialbauart für Personenkraftwagen, Vans, Light-Trucks oder Nutzfahrzeuge, insbesondere für LKWs oder Busse.
• 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Fahrzeugluftreifen für einen Personenkraftwagen mit einem profilierten Laufstreifen 1, einem Gürtelverband 2, einer Karkasseinlage 3 mit Karkasshochschlägen 3a, einer Innenschicht 4, Seitenwänden 5 und Wulstbereichen mit Wulstkernen 6, Wulstzehen 7 und Kernprofilen 8. Die Reifenäquatorialebene ist durch eine Linie A-A, die radiale Richtung durch einen Doppelpfeil R und die axiale Richtung durch einen Doppelpfeil A angedeutet. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung wird unter der „radialen Richtung“ die Erstreckungsrichtung der Reifenäquatorialebene im Reifenquerschnitt und unter der „axialen Richtung“ eine Richtung parallel zur Reifenachse verstanden. Die größte Querschnittsbreite des Reifens ist mit B bezeichnet.
• Der Gürtelverband 2 weist eine radial innere Gürtellage 2a mit Randkanten 2a' und eine vorzugsweise schmäler als die radial innere Gürtellage 2a ausgeführte, radial äußere Gürtellage 2b auf. Die Gürtellagen 2a, 2b bestehen aus in Gummimaterial eingebetteten Festigkeitsträgern, welche vorzugsweise Stahlkorde sind.
• Der Laufstreifen 1 weist eine Profilierung auf, von welcher in 1 beispielhaft vier auf die jeweils vorgesehene Profiltiefe ausgeführte Umfangsrillen 9 gezeigt sind, wodurch der Laufstreifen zwei schulterseitige und drei mittlere Profilrippen 10 aufweist. Die Profilrippen 10 sind vorzugsweise in bekannter Weise mit Rillen in Profilblöcke gegliedert oder auf sonstige Weise blockartig strukturiert. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Umfangsrillen 9 derart ausgeführt, dass der Laufstreifen 1, im Querschnitt betrachtet, zwischen den tiefsten Stellen der Umfangsrillen 9 und dem Gürtelverband 2 in radialer Richtung eine Unterprofilstärke s₁ (1) von 1,5 mm bis 3,0 mm, insbesondere von bis zu 2,5 mm, aufweist.
• Im Reifen ist bevorzugt eine Vielzahl von Piezobauelementen 11, 12, 13 untergebracht, welche unter der Wirkung der beim Abrollen des Reifens auftretenden Verformungen eine elektrische Spannung, d.h. elektrische Energie, zu produzieren (direkter Piezoeffekt, sogenanntes „Energy Harvesting“). Mittels der elektrischen Spannung werden beispielsweise im Reifen verbaute Sensoren (in 1 nicht gezeigt) versorgt, mittels welchen beispielsweise eine Reifendrucküberwachung durchgeführt wird und deren Signale insbesondere mittels Bluetooth oder Funk in den Fahrzeuginnenraum übertragen werden. Ergänzend oder alternativ kann die elektrische Energie an die Akkus eines Elektrofahrzeuges abgegeben werden.
• Die mittels der Piezobauelemente 11, 12, 13 gewonnene elektrische Energie wird über entsprechend elektrisch isolierte und elektrisch leitfähige Passagen (in 1 nicht gezeigt) weitergeleitet, etwa zu den erwähnten Sensoren. Die elektrisch leitfähigen Passagen sind beispielsweise im Reifen befindliche elektrisch leitfähige Gummistreifen oder elektrisch leitfähige Fäden. Solche Passagen können zumindest abschnittsweise um die Karkasseinlage, die Gürtellagen oder um eine etwaig vorgesehene Gürtelbange herumgewickelt sein. Ferner können die Gummierungen der Gürtellagen und der Gürtelbandage elektrisch leitfähig ausgeführt sein, sodass auch diese eine elektrisch leitfähige Passage bilden oder mitbilden. Unter einer elektrisch leitfähigen aus Gummimaterial bestehenden Passage wird dabei eine solche verstanden, deren zugrundeliegendes elektrisch leitfähiges Material einen spezifischen elektrischen Widerstand von ≤ 10⁸ Ohm x cm aufweist.
• Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Laufstreifen 1 befindliche Piezobauelemente 11, 12 und in den Seitenwänden 5 befindliche Piezobauelemente 13 vorgesehen. Die Piezobauelemente 11, 12 sind auf der radial äußeren Gürtellage 2b positioniert und sind bei der Fertigung des rohen (unvulkanisierten) Gürtel-Laufstreifen-Pakets entsprechend aufgelegt worden, wobei sich die Piezobauelemente 11 im Bereich der mittleren Profilrippen 10 und die Piezobauelemente 12 radial innerhalb der Umfangsrillen 9 befinden. Im Laufstreifen 1 befinden sich insbesondere Piezobauelemente 11, 12, die das Niveau der Unterprofilstärke s₁ in radialer Richtung nicht überragen. Sie weisen eine Dicke d₁ auf, welche um insbesondere mindestens 1,0 mm geringer ist als die Unterprofilstärke s₁ . Die Piezobauelemente 13 befinden sich außenseitig auf der Karkasseinlage 3 im Bereich der sogenannten Walkzone w (engl.: „flexing zone“) der Seitenwände 5. Sie werden bei der Reifenfertigung vor dem Hochschlagen der rohen Seitenwände 5 auf die aus Karkasseinlage 3, Wulstkernen 6 und Kernprofilen 8 bestehende Karkasse aufgelegt.
• Die Walkzone w ist bei der in 1 linken Seitenwand 5 durch einen Doppelfeil angedeutet und ist bekannter Weise jener in Umfangsrichtung umlaufender Bereich der Seitenwand, welcher durch die Walkbewegung, die der Fahrzeugluftreifen beim Abrollen erfährt, verformt bzw. verstärkt verformt wird. Die Walkzone w erstreckt sich, im Reifenquerschnitt betrachtet, zwischen zwei in axialer Richtung verlaufenden Linien 1₁ , 1₂ . Die Linie 1₁ berührt die Randkanten 2a' der radial inneren Gürtellage 2a. Die Linie 1₂ weist zur Stelle mit der größten Querschnittsbreite B einen in Richtung Wulstbereiche in radialer Richtung ermittelten Abstand a₂ von 20% der Querschnittshöhe h des Reifens auf. Vorzugsweise befinden sich die Piezobauelemente 13 in einem radial äußeren Zonenbereich w_a , welcher sich ausgehend von der breitesten Stelle des Reifeninnenraumes 4a bis zur Linie 1₁ erstreckt. Besonders bevorzugt befinden sich die Piezobauelemente 13, wie in 1 gezeigt, in der radial äußeren Hälfte w_a' des radial äußeren Zonenbereiches w_a .
• Die Piezobauelemente 11, 12, 13 sind vorzugsweise 3D-gedruckte Piezomatten, welche sich in entsprechend großflächiger und beliebiger Form herstellen und auf einfache Weise im Reifen einbringen lassen. Solche Piezomatten wurden kürzlich von „Virgina Tech" (Virginia Polytechnic Institute and State University) vorgestellt (http://www.me.vt.edu/3d-piezoelectrics/, aufgerufen am 23.01.2020). Als Piezobauelemente 11, 12, 13 kommen ferner insbesondere piezokeramische Biegeelemente, piezokeramische Scheiben mit Dicken von insbesondere bis zu 0,1 mm, piezoelektrische Folien oder in Textilien oder Verbundwerkstoffen integrierte Piezofasern in Frage. Die Form der Piezobauelemente 11, 12, 13 kann daher variieren. So können die Piezobauelemente 11, 12, 13 beispielsweise flach-kreiszylindrisch oder bandförmig in Umfangsrichtung umlaufen. Ferner kann jeweils eine Vielzahl von Piezobauelementen 11, 12, 13 über den Reifenumfang aufeinanderfolgend positioniert sein. Die Piezobauelemente 11, 12, 13 sind vorzugsweise zumindest abschnittsweise isoliert, beispielsweise mittels einer in bekannter Weise ausgeführten Polymeraußenfläche, und verfügen über elektrische Anschlussstellen (Kontaktstellen) zur Weiterleitung der gewonnen elektrischen Energie. Die Anschlussstellen können beispielsweise Lötpunkte oder bei Piezofasern auch deren abisolierten (freigelegten) Enden sein. Besonders günstig ist eine Wirrlage von Piezofasern, um beim Fahren aus sämtlichen Richtungen wirkende Kräfte optimal aufzunehmen.
• Die Erfindung ist auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt.
• Die jeweils vorgesehenen Piezobauelemente können im Gummimaterial des Laufstreifens eingebettet - also von diesem umgeben - sein. Der Laufstreifen kann dabei beispielsweise durch „Stripwinding“, also durch Wickeln eines Kautschukmischungsstreifens, gebildet werden, wobei der Wickelvorgang zum Einbringen der Piezobauelemente an geeigneter Stelle kurz unterbrochen und nach Auflegen der Piezobauelemente wieder fortgesetzt wird. Alternativ können die Piezobauelemente auch vor dem Wickelvorgang am Kautschukmischungsstreifen appliziert werden. Die Piezobauelemente können auch in einen extrudierten Laufstreifen eingebettet werden. Bevorzugt sind die Piezobauelemente derart im Laufstreifen positioniert, dass sie sich radial innerhalb etwaiger in der jeweiligen Profilrippe ausgebildeter Einschnitte und Rillen befinden. Ferner befinden sich die Piezobauelemente vorzugsweise radial innerhalb des Niveaus der üblichen gesetzlichen Mindestprofiltiefe von 1,6 mm.
• Bezugszeichenliste

1

Laufstreifen

2

Gürtelverband

2a,

2b Gürtellage

2a'

Randkante

3

Karkasseinlage

3a

Karkasshochschlag

4

Innenschicht

5

Seitenwand

6

Wulstkern

7

Wulstzehe

8

Kernprofil

9

Umfangsrille

10

Profilrippe

11, 12, 13

Piezobauelement

A

Doppelpfeil (axialen Richtung)

a2

Abstand

A

Doppelpfeil (axiale Richtung)

A-A

Linie (Reifenäquatorialebene)

B

größte Querschnittsbreite

d1

Dicke

h

Querschnittshöhe

l1, l2

Linie

R

Doppelpfeil (radiale Richtung)

s1

Unterprofilstärke

w

Walkzone

wa

radial äußerer Zonenbereich

wa'

radial äußere Hälfte

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2003209064 A1 [0002]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Solche Piezomatten wurden kürzlich von „Virgina Tech“ (Virginia Polytechnic Institute and State University) vorgestellt (http://www.me.vt.edu/3d-piezoelectrics/, aufgerufen am 23.01.2020 [0024]

Claims (14)

1. Fahrzeugluftreifen mit einem profilierten Laufstreifen (1), Gürtellagen (2a, 2b), einer Karkasseinlage (3), einer Innenschicht (4), Seitenwänden (5) und zumindest einem Piezobauelement (11, 12, 13) als piezoelektrischen Energiewandler, daddurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Piezobauelement (11, 12, 13) im Laufstreifen (1) und/oder in zumindest einer Seitenwand (5) befindet.
2. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die im Laufstreifen (1) befindliche(n) Piezobauelement(e) (11, 12) auf der radial äußersten Gürtellage (2b) oder auf einer gegebenenfalls vorgesehenen Gürtelbandage angeordnet ist bzw. sind.
3. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die auf der radial äußersten Gürtellage (2b) bzw. der Gürtelbandage befindliche(n) Piezobauelement(e) (11, 12) die Unterprofilstärke (s₁) des Laufstreifens (1) nicht überragt bzw. überragen, wobei die Unterprofilstärke (s₁) insbesondere 1,5 mm bis 3,0 mm beträgt.
4. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die auf der radial äußersten Gürtellage (2b) bzw. der Gürtelbandage befindliche(n) Piezobauelement(e) (11, 12) eine Dicke (d₁) aufweist bzw. aufweisen, welche mindestens 1,0 mm geringer ist als die Unterprofilstärke (s₁).
5. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Piezobauelement (13) vorgesehen ist, welches sich in der Walkzone (w) einer Seitenwand (5) befindet, wobei sich die Walkzone (w), im Reifenquerschnitt betrachtet, zwischen zwei in axialer Richtung verlaufenden Linien (l₁, l₂) erstreckt, von welchen die eine die Randkante (2a') der radial innersten Gürtellage (2a) berührt und die andere zur Stelle mit der größten Querschnittsbreite (B) einen in Richtung Wulstbereich und in radialer Richtung ermittelten Abstand (a₂) von 20% der Querschnittshöhe (H) des Reifens aufweist.
6. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Piezobauelement (13) vorgesehen ist, welches in jenem Zonenbereich (w_a) der Walkzone (w) angeordnet ist, der sich radial außerhalb der Stelle mit der größten Querschnittsbreite (B) befindet.
7. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Piezobauelement (13) vorgesehen ist, welches sich in der radial äußeren Hälfte (w_a') des Zonenbereiches (w_a) befindet.
8. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das bzw. die in der Seitenwand (5) befindliche(n) Piezobauelement(e) (13) auf der der Innenschicht (4) abgewandten Seite der Karkasseinlage (3) befindet bzw. befinden.
9. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezobauelement (11, 12, 13) eine 3D-gedruckte Piezomatte ist.
10. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezobauelement (11, 12, 13) ein piezokeramisches Biegeelement, eine piezokeramische Scheibe mit einer Dicke von insbesondere bis zu 0,1 mm oder eine piezoelektrische Folie ist.
11. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezobauelement (11, 12, 13) in Textilien oder in Verbundwerkstoffen integrierte Piezofasern aufweist.
12. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Piezobauelemente (11, 12, 13) in Wirrlage befindliche Piezofasern vorgesehen sind.
13. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Piezobauelement vorgesehen ist, welches über den Umfang der Seitenwand (5) oder des Laufstreifens (1) verläuft.
14. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Piezobauelemente vorgesehen sind, welche in Reifenumfangsrichtung aufeinanderfolgen.

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