Title:
Sensoranordnung zum Erfassen einer Bewegung eines Spikes in einem Fahrzeugreifen sowie Verfahren zum Überwachen einer derartigen Sensoranordnung
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (10a, 10b) zum Erfassen einer Bewegung eines Spikes (5) an einem Fahrzeugreifen (1), mindestens aufweisend:
ein magnetisches Element (7) zum Anbringen an einem Spike (5),
mindestens ein Sensorelement zum Anbringen an einem Fahrzeugreifen (1), wobei auf das Sensorelement ein von dem magnetischen Element (7) erzeugtes Magnetfeld derartig einwirkt, dass das mindestens eine Sensorelement in Abhängigkeit einer relative Lage des magnetischen Elementes (7) relativ zu dem Sensorelement ein Sensor-Signal ausgeben kann, und
eine Recheneinheit (13) zum Anbringen an dem Fahrzeugreifen (1) und zum Weiterverarbeiten des Sensor-Signals,
wobei das mindestens eine Sensorelement derartig von dem magnetischen Element (7) beabstandet ist, dass eine Bewegung des magnetischen Elementes (7) relativ zu dem mindestens einen Sensorelement kontaktlos gemessen werden kann zum Erfassen der Bewegung des Spikes (5) insbesondere während des Betriebs des Fahrzeugreifens (1).




Inventors:
Rissing, Lutz, Prof. (80337, München, DE)
Rittinger, Johannes (30449, Hannover, DE)
Kendziorra, Norbert, Dr. (30827, Garbsen, DE)
Application Number:
DE102016200240A
Publication Date:
08/17/2017
Filing Date:
01/12/2016
Assignee:
Continental Reifen Deutschland GmbH, 30165 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Widjaja, Wira, Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 30855, Langenhagen, DE
Claims:
1. Sensoranordnung (10a, 10b) zum Erfassen einer Bewegung eines Spikes (5) an einem Fahrzeugreifen (1), mindestens aufweisend:
ein magnetisches Element (7) zum Anbringen an einem Spike (5),
mindestens ein Sensorelement (9.i, i = 1, 2, ...) zum Anbringen an einem Fahrzeugreifen (1), wobei auf das Sensorelement (9.i) ein von dem magnetischen Element (7) erzeugtes Magnetfeld (B) derartig einwirkt, dass das mindestens eine Sensorelement (9.i) in Abhängigkeit einer relative Lage des magnetischen Elementes (7) relativ zu dem Sensorelement (9.i) ein Sensor-Signal (S.i) ausgeben kann, und
eine Recheneinheit (13) zum Anbringen an dem Fahrzeugreifen (1) und zum Weiterverarbeiten des Sensor-Signals (S.i),
wobei das mindestens eine Sensorelement (9.i) derartig von dem magnetischen Element (7) beabstandet ist, dass eine Bewegung des magnetischen Elementes (7) relativ zu dem mindestens einen Sensorelement (9.i) kontaktlos gemessen werden kann zum Erfassen der Bewegung des Spikes (5) insbesondere während des Betriebs des Fahrzeugreifens (1).

2. Sensoranordnung (10a, 10b), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Sensorelemente (9.1, 9.2, 9.3) an unterschiedlichen Positionen (P1, P2, P3) relativ zu dem magnetischen Element (7) vorgesehen sind zum Erfassen einer Verschiebung des magnetischen Elementes (7).

3. Sensoranordnung (10a, 10b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Sensorelemente (9.1, 9.2, 9.3) das auf sie einwirkende Magnetfeld (B) in einer ersten Messrichtung (12a) messen und die erste Messrichtung (12a) senkrecht zu einer Magnetisierungsrichtung (M) des magnetischen Elementes (7) in seiner Grundstellung ausgerichtet ist.

4. Sensoranordnung (10b) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Sensorelement (9.4, 9.5, 9.6) vorgesehen ist, wobei das mindestens eine weitere Sensorelement (9.4, 9.5, 9.6) das auf ihn einwirkende Magnetfeld (B) in einer zweiten Messrichtung (12b) misst, wobei die zweite Messrichtung (12b) verdreht zur ersten Messrichtung (12a) ausgerichtet ist zum zusätzlichen Erfassen einer Verkippung des magnetischen Elementes (7).

5. Sensoranordnung (10b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Sensorelement (9.4, 9.5, 9.6) derartig angeordnet ist, dass die zweite Messrichtung (12b) senkrecht zu der Magnetisierungsrichtung (M) des magnetischen Elementes (7) in seiner Grundstellung liegt.

6. Sensoranordnung (10b) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Sensorelemente (9.1, 9.2, 9.3) zur Messung der Verschiebung des magnetischen Elementes (7) mit mindestens einem Sensorelement (9.4, 9.5, 9.6) zur Messung der Verkippung des magnetischen Elementes (7) zusammengefasst sind.

7. Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (9.i) in einer Sensoraufnahme (14.i) auf einem Sensorträger (8) angeordnet ist zum sicheren Positionieren des mindestens einen Sensorelementes (9.i) am Fahrzeugreifen (1) relativ zum magnetischen Element (7), wobei der Sensorträger (8) eine Ebene (E) definiert, in der das mindestens eine Sensorelement (9.i) angeordnet ist.

8. Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (9.i) als ein magnetoresistiver Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor, ein AMR-Sensor, ein CMR-Sensor, ein GMR-Sensor oder ein TMR-Sensor, ausgeführt ist.

9. Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (7) als ein Hartstoff-Magnet, beispielsweise ein Neodym-Magnet oder ein ferritischer Magnet, oder ein Kunststoffmagnet, beispielsweise aus Gummi mit ferritischen Füllstoffen, oder als Elektromagnet oder ein Dünnfilm-Magnet ausgeführt ist.

10. Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (7) ein inhomogenes oder ein homogenes Magnetfeld (B) aufweist.

11. Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10a, 10b) weiterhin einen Temperatursensor (16) aufweist zum Erfassen einer Temperatur der Sensoranordung (10a, 10b) und zum Kompensieren von Temperatureinflüssen bei der Bestimmung der Bewegung des magnetischen Elementes (7).

12. Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (13) ausgebildet ist, aus den Sensor-Signalen (S.i) mit einer auf der Recheneinheit (13) gespeicherten Kalibrierkennlinie (K) zeitaufgelöst eine relative Lage des magnetischen Elementes (7) zu erfassen, wobei die Kalibrierkennlinie (K) den Zusammenhang zwischen dem Sensor-Signal (S.i) und der relativen Lage des magnetischen Elementes (7) relativ zu dem mindestens einen Sensorelement (9.i) abbildet.

13. Fahrzeugreifen (1) mit einer Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mindestens aufweisend:
ein in einem Reifenprofil (4) des Fahrzeugreifens (1) angeordneter Spike (5), ein an dem Spike (5) angeordnetes magnetisches Element (7), mindestens ein Sensorelement (9.i) zum kontaktlosen Erfassen eines von dem magnetischen Element (7) erzeugten Magnetfeldes (B) und eine Recheneinheit (13) zum Verarbeiten des von dem mindestens einen Sensorelement (9.i) ausgegebenen Sensor-Signals (S.i),
wobei das magnetische Element (7) derartig am Spike (5) angeordnet ist, dass das mindestens eine Sensorelement (9.i) das von dem magnetischen Element (7) erzeugte Magnetfeld (B) kontaktlos messen kann zum Erfassen einer Bewegung des mit dem magnetischen Element (7) verbundenen Spikes (5).

14. Fahrzeugreifen (1), nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spikefuß (5.1) des Spikes (5) zumindest teilweise aus einem magnetischen Material gefertigt ist zum Integrieren des magnetischen Elementes (7) in den Spike (5).

15. Verfahren zum Überwachen einer Sensoranordnung (10a, 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, insbesondere in einem Fahrzeugreifen nach Anspruch 13 oder 14, mit mindestens den folgenden Schritten:
a) Erfassen einer Grundstellung der Sensoranordnung (10a, 10b), wobei dazu ein Kalibrier-Magnetfeld (KB) eines Kalibrierelementes (15) von dem mindestens einen Sensorelement (9.i) in der Grundstellung gemessen und in Abhängigkeit davon Sensor-Signale (S.i) erfasst und abgespeichert werden;
b) Überwachen einer relativen Position der Sensorelemente (9.i) zueinander durch testweises Messen der Sensor-Signale (S.i) in Abhängigkeit des Kalibrier-Magnetfeldes (KB), wobei dazu die testweise gemessenen Sensor-Signale (S.i) mit den in der Grundstellung gemessenen Sensor-Signalen (S.i) verglichen werden;
c) Ausgeben eines Warnsignals, wenn die testweise gemessenen Sensor-Signale (S.i) von den in der Grundstellung gemessenen Sensor-Signalen (S.i) um eine Toleranz (dT) abweichen.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen einer Bewegung eines Spikes in einem Fahrzeugreifen, sowie ein Verfahren zum Überwachen einer derartigen Sensoranordnung.

Zum Optimieren der Fahreigenschaften eines Fahrzeugreifens können bereichsweise Sensoranordnungen in einem Fahrzeugreifen vorgesehen sein, die nach Art und Weise eines „Darmstädter Reifensensors“ arbeiten, wobei die Sensoranordnungen die Verformung eines Reifenprofils beispielsweise während einer Berührung des Fahrzeugreifens mit einem Untergrund in einem Reifenlatsch überwachen. Dazu sind im Reifenprofil bereichsweise magnetische Elemente angeordnet, deren Bewegung kontaktlos von einem im Fahrzeugreifen angeordneten Hall-Sensor erfasst wird. Über den Hall-Sensor können hierbei Verschiebungen des magnetischen Elementes und somit des Reifenprofils – beispielsweise beim Abbremsen oder Anfahren – erkannt und ausgewertet werden, so dass auch während der Fahrt Aussagen über die Verformung des Reifenprofils getroffen werden können.

Eine Überwachung einer Bewegung – beispielsweise einer Verkippung oder Verschiebung – von im Reifenprofil angeordneten Spikes während der Fahrt zum Optimieren der Fahreigenschaften ist in visuellen Verfahren unter realen Bedingungen nicht möglich, so dass beispielsweise zur Verbesserung der mechanischen Einbettung der Spikes im Fahrzeugreifen auf Simulationen zurückgegriffen werden muss, die das reale Fahrverhalten aber nur bedingt abbilden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung bereitzustellen, mit der eine Bewegung eines Spikes in einem Fahrzeugreifen auch während der Fahrt zuverlässig erfasst werden kann. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen einer derartigen Sensoranordnung anzugeben.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1, einen Fahrzeugreifen nach Anspruch 12 sowie ein Verfahren zum Überwachen der Sensoranordnung gemäß Anspruch 14. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß ist demnach ein mit einem Spike verbindbares magnetisches Element vorgesehen, das kontaktlos mit mindestens einem Sensorelement derartig zusammenwirkt, dass ein durch das magnetische Element erzeugtes und auf das mindestens eine Sensorelement einwirkendes Magnetfeld erfasst werden kann. Eine durch eine Bewegung des magnetischen Elementes erzeugte Veränderung des einwirkenden Magnetfeldes kann somit detektiert, verarbeitet und in eine entsprechende Veränderung einer relativen Lage des magnetischen Elementes zu dem mindestens einen Sensorelement umgerechnet werden.

Hierdurch kann bereits der Vorteil erreicht werden, dass mit einfachen Mitteln kontaktlos eine Bewegung des Spikes auch während der Fahrt, d.h. im Betrieb des Fahrzeugreifens erfasst werden kann, so dass darüber eine Optimierung der Fahreigenschaften eines Fahrzeugreifens mit im Reifenprofil aufgenommenen Spikes stattfinden kann. Dazu können unter realen Bedingungen einwirkende Kräfte abgeschätzt und beispielsweise die Güte der mechanischen Einbettung des Spikes im Reifenprofil beurteilt werden.

Die Verarbeitung von von dem mindestens einen Sensorelement ausgegebenen Sensor-Signalen erfolgt hierbei auf einer Recheneinheit, die im Fahrzeugreifen angeordnet ist. Die Sensor-Signale können hierbei bereits in der Recheneinheit in eine relative Lage bzw. eine Bewegung des Spikes umgerechnet werden oder die Recheneinheit verarbeitet die Sensor-Signale nur derartig, dass diese beispielsweise drahtlos an eine externe Steuereinheit auf einem Fahrzeug ausgeben werden können, in der dann die Umrechnung in die Bewegung des Spikes stattfindet.

Die Umrechnung der Sensor-Signale in eine relative Lage des Spikes relativ zu dem mindestens einen Sensorelement erfolgt hierbei vorzugsweise über eine Kalibrierkennlinie, die vorab in einem Kalibriervorgang ermittelt wird, wobei die Kalibrierkennlinie dem oder den gemessenen Sensor-Signal(en) eines oder mehrerer Sensorelemente eine relative Lage des magnetischen Elementes relativ zu dem oder den Sensorelementen zuordnet. Über eine zeitliche Betrachtung der Sensor-Signale und somit der Veränderung der relativen Lage kann eine Bewegung des Spikes ermittelt werden.

Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass für einzelne Sensoranordnungen an verschiedenen Spikes im Fahrzeugreifen individuell eine Umrechnung vorgegeben werden kann, da diese in Abhängigkeit der Spikegeometrie oder Reifengeometrie sowie der Lage im Reifen variieren kann, so dass dadurch die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit bei der Messung steigt.

Die Anzahl der Sensorelemente kann hierbei variieren, wobei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zur ortsaufgelösten Messung mindestens drei Sensorelemente vorgesehen sind, die jeweils an unterschiedlichen Positionen relativ zum magnetischen Element angeordnet sind. Aufgrund der unterschiedlichen Positionierung der mindestens drei Sensorelemente kann die Veränderung des einwirkenden Magnetfeldes an mindestens drei unterschiedlichen Positionen im Raum erfasst werden, so dass für jede Achse eines kartesischen Koordinatensystems eine Lageinformation hergeleitet und somit die relative Lage des magnetischen Elementes und daraus die Verschiebung ermittelt werden kann. Als Verschiebung wird hierbei eine Bewegung des magnetischen Elementes in einem kartesischen Koordinatensystem verstanden, wobei über drei Sensorelemente eine Ausrichtung des Magnetfeldes und somit eine Verkippung des magnetischen Elementes nicht ermittelt werden kann.

Dadurch können vorteilhafterweise Rückschlüsse auf eine ortsgebundene Verschiebung des Spikes in die drei Raumrichtungen gezogen werden, so dass beispielsweise die mechanischen Lastbedingungen auf den Spike während eines Latschdurchlaufs erfasst und beurteilt werden können. Daraus kann dann insbesondere die Güte der mechanischen Einbettung des Spikes in das Reifeprofil analysiert werden, d.h. wie gut der Spike während eines Latschdurchlaufs vom Reifenprofil gehalten wird.

Soll lediglich eine Bewegung des Spikes erfasst werden, beispielsweise um festzustellen, ob der Spike bei beliebigen Lastbedingungen – beim Anfahren, Bremsen oder während einer Kurvenfahrt – seine relative Lage überhaupt um einen bestimmten Weg verändert, reicht hingegen lediglich ein Sensorelement aus.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens drei Sensorelemente in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Ebene senkrecht zu einer Magnetisierungsrichtung des magnetischen Elementes in seiner Grundstellung liegt. Die Grundstellung ist hierbei definiert als die unausgelenkte, d.h. unverkippte und/oder unverschobene Stellung des magnetischen Elementes bzw. des Spikes im unbelasteten Zustand. Die Magnetisierungsrichtung ist in der Grundstellung vorzugsweise in radialer Richtung zum Fahrzeugreifen ausgerichtet.

Dadurch kann vorteilhafterweise der konstruktionstechnische Aufwand minimiert werden, da die mindestens drei Sensorelemente beispielsweise auf einem die Ebene definierenden Sensorträger aufgebracht werden können. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die Bewegung des Spikes in alle drei Richtungen gemessen werden kann, wenn die Sensorelemente in einer Ebene liegen. Der Sensorträger erlaubt hierbei eine sichere Positionierung der Sensorelemente am Fahrzeugreifen relativ zum magnetischen Element bzw. zum Spike, indem der Sensorträger beispielsweise flächig unterhalb der Lauffläche, d.h. senkrecht zu der radialen Richtung und somit der Magnetisierungsrichtung des magnetischen Elementes in der Grundstellung, aufgebracht und fixiert wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die mindestens drei Sensorelemente derartig zueinander ausgerichtet, dass sie das Magnetfeld entlang einer ersten Messrichtung erfassen, d.h. die mindestens drei Sensorelemente messen alle dieselbe Komponente des auf sie einwirkenden Magnetfeldes. Die erste Messrichtung liegt hierbei vorteilhafterweise parallel zu der Ebene, in der die Sensorelemente auf dem Sensorträger angeordnet sind, d.h. senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des magnetischen Elementes in seiner Grundstellung.

Vorteilhafterweise kann dadurch der Montageaufwand weiter verringert werden, da identische Sensorelemente verwendet werden können, die beispielsweise in Sensorträgeraufnahmen im Sensorträger eingesetzt werden können, wobei die Sensorträgeraufnahmen der Einfachheit halber in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Dadurch misst jedes Sensorelement das auf ihn einwirkende Magnetfeld in derselben Ebene und in derselben Richtung, die vorzugsweise in der oder parallel zu der Ebene des Sensorträgers liegt. Dadurch kann vorteilhafterweise auch die Auswertung vereinfacht werden, da eine Berechnung der Lageinformation anhand derselben Komponenten des einwirkenden Magnetfeldes erfolgt und somit keine aufwändigen Umrechnung nötig ist, um die gemessenen Werte der einzelnen Sensoren miteinander zu korrelieren.

Für eine zusätzliche Messung einer Drehung bzw. Verkippung – d.h. einer Änderung der Ausrichtung des Magnetfeldes – des magnetischen Elementes bzw. des Spikes im Fahrzeugreifen können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weitere Sensorelemente an unterschiedlichen Positionen relativ zum magnetischen Element vorgesehen sein. Zur Identifizierung aller Drehrichtungen, d.h. eine Drehung um die x-Achse und/oder die y-Achse und/oder z-Achse, ist für jede Achse ein weiteres Sensorelement nötig. Soll lediglich erkannt werden, ob eine bestimmte Verkippung des magnetischen Elementes vorliegt, ist lediglich ein weiteres Sensorelement ausreichend. Die weiteren Sensorelemente messen hierbei in eine zweite Messrichtung, die sich von der ersten Messrichtung unterscheidet. Vorteilhafterweise liegt die zweite Messrichtung ebenfalls parallel zu der Ebene, in der auch die Sensorelemente auf dem Sensorträger angeordnet sind.

Um eine Verkippung in alle Drehrichtungen erfassen zu können, weist das magnetische Element vorteilhafterweise ein inhomogenes Magnetfeld auf, so dass eine Verkippung des magnetischen Elementes um jede beliebige Achse auch eine Veränderung des auf die entsprechenden Sensorelemente wirkenden Magnetfeldes hervorruft.

Somit können zur Optimierung der Fahreigenschaften eines Fahrzeugreifens oder auch zur Überwachung der Bewegung des Spikes vorteilhafterweise weitere Bewegungsinformationen des Spikes – eine Drehung bzw. Verkippung – herangezogen werden, so dass eine genauere Analyse der Bewegung möglich ist. Da die weiteren Sensorelemente zur Messung der Verkippung in derselben Ebene liegen wie die drei Sensorelemente, die die Verschiebung messen, kann der Montageaufwand weiter verringert werden, da die weiteren Sensorelemente zur Messung der Verkippung gegenüber den Sensorelementen zur Messung der Verschiebung lediglich in der Ebene des Schaltungsträgers zu verdrehen sind, hierbei aber identisch ausgeführt sein können. Dies kann beispielsweise durch eine Verdrehung der Sensoraufnahmen erfolgen, so dass lediglich ein geringer Montageaufwand entsteht.

Insgesamt können auch mehr als drei Sensorelement für die Messung einer Verschiebung und mehr als drei weitere Sensorelement zur Messung einer Verkippung vorgesehen sein, so dass vorteilhafterweise Redundanzen ausgebildet werden können oder aber die Genauigkeit bei der Messung verbessert werden kann, da mehrere Informationen zur Verfügung gestellt werden.

Die Sensorelemente sind vorzugsweise als Hall-Sensoren, insbesondere als vertikale Hall-Sensoren ausgeführt, die ein senkrecht auf das Sensorelement wirkendes Magnetfeld erfassen und in Abhängigkeit davon als Sensor-Signal eine Hall-Spannung ausgeben. Es sind aber auch AMR-Sensoren denkbar, die auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR) basieren, d.h. in Abhängigkeit eines senkrecht auftreffenden Magnetfeldes ihren Widerstand ändern. Weiterhin können auch GMR-Sensoren, die den Riesenmagnetowiderstand ausnutzen, CMR-Sensoren, in denen ein Widerstand von Dünnfilmmagneten gemessen wird, oder TMR-Sensoren, die den magnetischen Tunnelwiderstand ausnutzen, verwendet werden. All diese Sensoren weisen eine magnetoresistive Abhängigkeit auf, die von dem magnetischen Element je nach relativer Lage beeinflusst wird und ausgelesen werden kann.

Das magnetische Element ist vorzugsweise aus einem Hartstoff gefertigt, beispielsweise aus Neodym oder einem ferritischen Material. Weiterhin kann das magnetische Element auch aus Kunststoff, beispielsweise aus einem Gummi mit ferritischen Füllstoffen, ausgeführt sein, oder aber als ein Elektromagnet, in den durch einen elektrischen Strom ein Magnetfeld induziert werden kann. Weiterhin kann auch ein magnetisches Element aus einem Dünnfilm verwendet werden, wobei in dem Dünnfilm vorteilhafterweise eine definierte Magnetisierung ausgebildet werden kann. Die Magnetisierung kann homogen oder inhomogen sein, so dass ein homogenes oder inhomogenes Magnetfeld genau eingestellt werden kann, um beispielsweise auch eine Drehung des magnetischen Elementes um die z-Achse zu erfassen. Zudem können mit einem Dünnfilm-Magneten vorteilhafterweise sehr kleine magnetische Elemente im µm-Bereich gefertigt werden, so dass Material gespart und das Gewicht gering gehalten werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann mindestens eines der Sensorelemente zur Messung der Verschiebung mit mindestens einem Sensorelement zur Messung der Verkippung zusammengefasst sein. Dadurch kann vorteilhafterweise Platz gespart werden und die Auswertung vereinfacht werden, da in etwa an derselben Position gemessen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, in der Sensoranordnung einen zusätzlichen Temperatursensor anzuordnen, so dass eine Temperatur der Sensoranordnung, insbesondere der Sensorelemente, bestimmt werden kann. Vorteilhafterweise können dadurch Temperatureinflüsse auf die Sensorelemente kompensiert werden, indem für die gemessene Temperatur die Bewegung entsprechend korrigiert wird, beispielsweise durch eine Anpassung der Kalibrierkennlinie.

Erfindungsgemäß kann weiterhin eine Überwachung einer relativen Position der Sensorelemente zueinander stattfinden. Demnach kann beispielsweise vor dem Einbau des Sensorträgers mit den Sensorelementen in den Fahrzeugreifen und/oder vor Beginn der Fahrt ein Kalibrierelement mit einem definierten Kalibrier-Magnetfeld von den Sensorelementen vermessen werden. Während des Betriebs der Sensoranordnung wird dann testweise nach einem vordefinierten Zeitraum das Kalibrierelement erneut von den Sensorelementen vermessen, wobei das Kalibrierelement dazu beispielsweise als Elektromagnet ausgeführt sein kann, der für die Testmessung eingeschaltet wird. Wird eine Abweichung, beispielsweise um eine bestimmte Toleranz, im Vergleich zu einer vorherigen Messung festgestellt, kann auf eine Veränderung der relativen Position der Sensorelemente zueinander geschlossen werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn es zu Verspannungen im Sensorträger aufgrund der mechanischen Belastungen auf den Fahrzeugreifen kommt. Diese können dadurch erkannt und ggf. auch kompensiert werden, indem beispielsweise die Kalibrierkennlinie entsprechend an die neue relative Position der Sensorelemente zueinander angepasst wird.

Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Bestimmung der Bewegung des Spikes im Fahrzeugreifen auch über einen großen Zeitraum zuverlässig erfolgt und keine falschen Messergebnisse aufgrund einer Verschiebung der Sensorelemente zueinander ausgegeben werden.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im Folgenden näher erläutert werden. Es zeigen:

1 einen Fahrzeugreifen mit einer Sensoranordnung;

2 eine Sensoranordung gemäß einer ersten Ausführungsform;

3 eine Sensoranordung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und

4 eine Detailansicht eines Spikes mit einer Sensoranordnung.

Gemäß 1 ist ein Fahrzeugreifen 1 vorgesehen, auf dessen Oberfläche 2 umlaufend ein Reifenprofil 4 mit mehreren Spikes 5 angeordnet ist. Das Reifenprofil 4 und die Spikes 5 dienen hierbei der besseren Traktion des Fahrzeugreifens 1 auf einem Untergrund 6, wobei das Reifenprofil 4 insbesondere für eine bessere Traktion auf einer normalen Fahrbahn vorgesehen ist und die Spikes 5 zusätzlich für eine verbesserte Traktion auf einer glatten Oberfläche, z. B. Schnee, sorgen. Der Fahrzeugreifen 1 liegt hierbei innerhalb eines Reifenlatsches L auf dem Untergrund 6 auf.

Gemäß der Erfindung ist an den Spikes 5 jeweils ein magnetisches Element 7 sowie im Fahrzeugreifen 1 ein Sensorträger 8 angeordnet, wobei das magnetische Element 7 derartig positioniert ist, dass bei einer Bewegung, insbesondere einer Verschiebung oder einer Verkippung, des Spikes 5 das magnetische Element 7 mitgenommen wird. Die Bewegung des magnetischen Elements 7 und somit die Bewegung des Spikes 5 kann durch Sensorelemente 9.i, i = 1, 2, ..., die in Sensoraufnahmen 14.i, i = 1, 2, ... auf dem Sensorträger 8, insbesondere einer Platine, angeordnet sind, kontaktlos erfasst werden (s. 2 und 3). Die Sensorelemente 9.i sind hierbei als magnetische Sensoren ausgeführt, die in Abhängigkeit eines durch das magnetische Element 7 verursachten und auf die Sensorelement 9.i wirkenden Magnetfeldes B ein entsprechendes Sensor-Signal S.i, i = 1, 2, ..., ausgeben, so dass eine Veränderung des auf die Sensorelement 9.i wirkenden Magnetfeldes B aufgrund einer Bewegung des magnetischen Elementes 7 sensiert und über das Sensor-Signal S.i ausgegeben werden kann.

Die aus dem magnetischen Element 7 sowie dem Sensorträger 8 mit den Sensorelementen 9.i ausgebildete Sensoranordnung 10a, 10b ist hierbei als eine kontaktlose Sensoranordnung ausgebildet, d.h. eine Bewegung des magnetischen Elementes 7 kann kontaktlos von den Sensorelementen 9.i erfasst werden. Die Sensorelemente 9.i können dazu je nach Magnetfeldstärke des magnetischen Elementes 7 beispielsweise ca. 2mm vom magnetischen Element 7 beabstandet sein.

Gemäß 2 ist eine beispielhafte Sensoranordnung 10a vorgesehen, wobei mit einer derartigen Sensoranordnung 10a insbesondere eine Verschiebung des magnetischen Elementes 7 entlang einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems detektiert werden kann, wobei die z-Achse gemäß diesem Ausführungsbeispiel in die radiale Richtung R des Fahrzeugreifens 1 an der Position des jeweiligen Spikes 5 zeigt und eine Magnetisierungsrichtung M des nicht-verschobenen und nicht-verdrehten magnetischen Elementes 7 in seiner Grundstellung ebenfalls in die radiale Richtung R ausgerichtet ist. Demnach sind auf dem Sensorträger 8 drei Sensorelemente 9.1, 9.2, 9.3 an unterschiedlichen Positionen P1, P2, P3 in einer Ebene E angeordnet, wobei jedes Sensorelement 9.1, 9.2, 9.3 das Magnetfeld B in einer in der Ebene E oder parallel zu der Ebene E liegenden ersten Messrichtung 12a erfasst und die Ebene E durch den Sensorträger 8 definiert wird. D.h. ein erstes Sensorelement 9.1 ist derartig ausgeführt und ausgerichtet, dass es das auf das erste Sensorelement 9.1 wirkende Magnetfeld B entlang beispielsweise der x-Achse, d.h. eine Bx-Komponente des Magnetfeldes B messen kann. Ein zweites und drittes Sensorelement 9.2, 9.3 messen entsprechend ebenfalls die Bx-Komponente des Magnetfeldes B.

Da die drei Sensorelemente 9.1 an unterschiedlichen Positionen P1, P2, P3 auf dem Sensorträger 8 liegen, bewirkt eine Verschiebung des magnetischen Elementes 7 eine unterschiedliche Reaktion an den drei Sensorelementen 9.1, 9.2, 9.3, da sich die durch die Verschiebung des magnetischen Elementes 7 verursachte Veränderung der an der jeweiligen Position P1, P2, P3 gemessenen Bx-Komponente unterscheidet. Um aus der Veränderung der Bx-Komponente des Magnetfeldes B an der jeweiligen Position P1, P2, P3 eine relative Verschiebung bzw. eine Veränderung der relativen Lage des magnetischen Elementes 7 relativ zu den Sensorelementen 9.1, 9.2, 9.3 bestimmen zu können, werden die entsprechend ausgegebenen Sensor-Signale S.1, S.2, S.3 des jeweiligen Sensorelementes 9.1, 9.2, 9.3 anhand einer Kalibrierkennlinie K entsprechend in eine relative Lage umgerechnet. Dazu wird ein Zusammenhang zwischen der relativen Lage des magnetischen Elementes 7 relativ zu den Sensorelementen 9.1, 9.2, 9.3 in einer vorab durchgeführten Kalibrierung bestimmt, wobei das magnetische Element 7 dazu beispielsweise über eine definierte Länge in unterschiedliche Richtungen ausgelenkt wird und die entsprechenden Reaktionen der Sensor-Signale S.1, S.2, S.3 erfasst werden. Der Zusammenhang zwischen der Auslenkung bzw. der relativen Lage und den gemessenen Sensor-Signalen S.1, S.2, S.3 wird dann in einer Kalibrierkennlinie K gespeichert, so dass daraus in einer späteren Messung, beispielsweise beim Durchgang der Messanordnung 10a durch den Reifenlatsch L, die Veränderung der relativen Lage des magnetischen Elementes 7 in Abhängigkeit der Sensor-Signale S.1, S.2, S.3 bestimmt werden kann.

Die Sensorelemente 9.1, 9.2, 9.3 sind dazu beispielsweise als Hall-Sensoren, insbesondere als vertikale Hall-Sensoren ausgeführt, die ein senkrecht auf das Sensorelement 9.1, 9.2, 9.3 wirkendes Magnetfeld B messen und in Abhängigkeit davon als Sensor-Signal S.1, S.2, S.3 eine Hall-Spannung ausgeben. Es sind aber auch AMR-Sensoren denkbar, die in Abhängigkeit eines senkrecht auftreffenden Magnetfeldes B ihren Widerstand ändern.

Somit sind die Sensorelemente 9.1, 9.2, 9.3 gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel senkrecht zur Bx-Komponente des Magnetfeldes B ausgerichtet. Die erste Messrichtung 12a kann aber alternativ auch abweichend zu den kartesischen Achsen x, y, z ausgerichtet sein. Zudem kann jedes Sensorelement 9.1, 9.2, 9.3 auch in eine unterschiedliche Richtung ausgerichtet sein. Weiterhin können auch GMR-Sensoren, CMR-Sensoren oder TMR-Sensoren verwendet werden.

Somit kann mit einer Sensoranordnung 10a gemäß 2 eine Verschiebung des magnetischen Elementes 7 insbesondere auch zeitaufgelöst erfasst werden.

Um auch eine Drehung bzw. eine Verkippung des magnetischen Elementes 7 im kartesischen Koordinatensystem erfassen zu können, ist in 3 beispielhaft eine weitere Sensoranordnung 10b dargestellt, wobei für jede mögliche Achse x, y, z, um die eine Drehung stattfinden kann, ein weiteres Sensorelement 9.i vorgesehen ist.

Demnach sind insgesamt sechs Sensorelemente 9.i, i = 1, ..., 6 auf den Sensoraufnahmen 14.i vorgesehen, wobei das erste, zweite und dritte Sensorelement 9.1, 9.2, 9.3 mit denen der 2 identisch sind, so dass auch eine Verschiebung gemessen werden kann. Ein zusätzliches viertes Sensorelement 9.4 misst in eine zur ersten Messrichtung 12a versetzten zweiten Messrichtung 12b, wobei die Messrichtungen 12a, 12b beispielsweise um 45° in oder parallel zu der Ebene E versetzt zueinander ausgerichtet sind. Ein fünftes und ein sechstes Sensorelement 9.5, 9.6 messen ebenfalls in die zweite Messrichtung 12b. Dadurch kann anhand einer vorab durchgeführten Kalibrierung eine Drehung bzw. eine Verkippung des magnetischen Elementes 7 erfasst werden, da sich das in die zweite Messrichtung 12b ausgerichtete Magnetfeld B an den Sensorelementen 9.4, 9.5, 9.6 unterschiedlich verändert, wenn das magnetische Element 7 verkippt wird.

Um auch eine Drehung um die Hochachse, d. h. um die z-Achse, erfassen zu können, ist das magnetische Element 7 asymmetrisch zu konstruieren, so dass das magnetische Element 7 ein in Richtung der x-Achse und der y-Achse inhomogenes Magnetfeld B erzeugt. Erst dann führt eine Drehung des magnetischen Elementes 7 um die z-Achse auch zu einer Veränderung im durch die Sensorelemente 9.4, 9.5, 9.6 gemessenen Magnetfeld B entlang der zweiten Messrichtung 12b. Aus der vorab durchgeführten Kalibrierung kann eine derartige Drehung um die z-Achse berechnet werden.

Gemäß einer Weiterbildung kann zusätzlich ein magnetisches Kalibrierelement 15 vorgesehen sein, mit dem die relative Position der Sensorelemente 9.i zueinander festgestellt werden kann. Dazu werden beispielsweise in der Grundstellung des Sensorträgers 8, beispielsweise vor Fahrtbeginn, die Sensor-Signale S.i in Abhängigkeit des vom Kalibrierelement 15 erzeugten Kalibrier-Magnetfeldes KB ausgewertet und während der Fahrt der Einfluss des Kalibrierelementes 15 auf die Sensorelemente 9.i überwacht. Dabei kann beispielsweise ein elektronisch angesteuertes, magnetisches Kalibierelement 15 verwendet werden, das nach einem definierten Zeitraum eingeschaltet wird und somit das Kalibrier-Magnetfeld KB erzeugt. Wird während der Fahrt eine Veränderung in der Reaktion des Kalibrierelementes 15 auf die Sensorelemente 9.i festgestellt, so hat sich die relative Position der Sensorelemente 9.i zueinander verändert, beispielsweise durch eine Verformung des Sensorträgers 8, so dass die Kalibrierkennlinie K entsprechend anzupassen ist. Dabei kann beispielsweise eine Toleranz dT festgelegt werden, um ein Rauschen oder unkritische Veränderungen in der relativen Position der Sensorelemente 9.i zueinander zu berücksichtigen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, vorab zu ermitteln, wie sich die durch das Kalibrier-Magnetfeld KB des Kalibrierelementes 15 verursachten Sensor-Signale S.i in Abhängigkeit der relativen Position der Sensorelemente 9.i zueinander verändern, so dass darüber eine nachträgliche Anpassung der Kalibrierkennlinie K während des Betriebes stattfinden kann, ohne dass eine Umpositionierung der Sensorelemente 9.i vorzunehmen ist.

Das magnetische Element 7 kann beispielsweise aus einem Hartstoff gefertigt sein, wobei das magnetische Element 7 dazu beispielsweise als ein Neodym-Magnet oder ein ferritischer Magnet ausgeführt sein kann. Weiterhin kann das magnetische Element 7 auch aus Kunststoff, beispielsweise aus einem Gummi mit ferritischen Füllstoffen, ausgeführt sein, oder aber als ein Elektromagnet, in dem durch einen elektrischen Strom ein Magnetfeld B induziert werden kann. Weiterhin kann auch ein Magnet aus einem Dünnfilm verwendet werden, wobei durch eine definierte Magnetisierung ein homogenes oder inhomogenes Magnetfeld erzeugt werden kann, so dass beispielsweise auch eine Drehung des magnetischen Elementes in z-Richtung erfasst werden kann.

Das magnetische Element 7 kann hierbei beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm und eine Dicke von ca. 1 mm aufweisen, wobei als Dünnfilmmagnet auch magnetische Elemente 7 im µm-Bereich gefertigt werden können.

Zum Verbinden des magnetischen Elementes 7 mit dem Spike 5 wird das magnetische Element 7 gemäß 4 an einem Spikefuß 5.1 des Spikes 5 befestigt, so dass das magnetische Element 7 beim Einsetzen des Spikes 5 in eine entsprechende Ausnehmung 11 im Fahrzeugreifen 1 im Inneren des Fahrzeugreifens 1 an einer Stelle angeordnet ist, die nahe dem Sensorträger 8 liegt. Somit kann eine kontaktlose Sensoranordnung 10a, 10b zum Messen einer Bewegung des Spikes 5 ausgebildet werden. Alternativ kann der Spikefuß 5.1 bereits aus einem magnetischen Material gefertigt sein, so dass das magnetische Element 7 im Spike 5 integriert ist.

Zur Verarbeitung der gemessenen Sensor-Signale S.i sind die Sensorelemente 9.i mit einer Recheneinheit 13 verbunden, wobei die Recheneinheit 13 mit den Sensorelementen 9.i und dem Sensorträger 8 eine Einheit ausbilden kann. Die Recheneinheit 13 nimmt die Sensor-Signale S.i auf und berechnet daraus über die Kalibrierkennlinie K eine relative Lage des magnetischen Elementes 7 zu den Sensorelementen 9.i, wobei daraus zeitlich aufgelöst eine Veränderung der relativen Lage, d. h. eine Bewegung, insbesondere eine Verschiebung oder eine Verkippung, des magnetischen Elementes 7 und somit des Spikes 5 hergeleitet werden kann.

Die dadurch bestimmten Werte für die Bewegung des Spikes 5 können anschließend beispielsweise drahtlos an eine zentrale Steuereinheit 17 im Fahrzeug übermittelt werden, die in Abhängigkeit der erkannten Bewegung eine entsprechende Nachricht an den Fahrer oder an Fahrassistenzsysteme weitergeben kann.

Weiterhin kann vorgesehen sein, in der Recheneinheit 13 eine Kompensation von weiteren Einflussgrößen, beispielsweise eines Temperatureinflusses, durchzuführen, wobei dazu ein Temperatursensor 16 auf dem Sensorträger 8 angeordnet ist, der die aktuell vorliegende Temperatur insbesondere der Sensorelemente 9.i misst. In Abhängigkeit davon kann die erfasste Bewegung des magnetischen Elementes 7 korrigiert werden, indem beispielsweise die Kalibrierkennlinie K entsprechend angepasst wird, d.h. eine für die Temperatur gültige Kalibrierkennlinie K ausgewählt wird, oder aber die Sensor-Signale S.i temperaturabhängig angepasst werden. Alternativ kann diese Kompensation auch bereits in der Sensoreinheit 9.i erfolgen.

Bezugszeichenliste

1
Fahrzeugreifen
2
Oberfläche
4
Reifenprofil
5
Spike
5.1
Spikefuß
6
Untergrund
7
magnetisches Element
8
Sensorträger
9.i
Sensorelemente
10a, 10b
Sensoranordnung
11
Ausnehmung
12a, 12b
Messrichtung
13
Recheneinheit
14.i
Sensoraufnahmen
15
magnetisches Kalibrierelement
16
Temperatur-Sensor
17
externe Steuereinheit
B
Magnetfeld
Bx, By, Bz
Komponenten des Magnetfeldes B
dT
Toleranz
E
Ebene
K
Kalibrierkennlinie
KB
Kalibriermagnetfeld
M
Magnetisierungsrichtung
P1, P2, P3
Position
R
radiale Richtung
S.i
Sensor-Signal