Шина, содержащая устройство мониторинга
Изобретение относится к автомобильной промышленности. Шина (1) содержит устройство (10) мониторинга, закрепленное на внутренней поверхности (2) в зоне коронной части (16). Устройство (10) мониторинга содержит электронный блок (11) и устройство (12) подачи электропитания. Электронный блок (11) содержит датчик для измерения по меньшей мере одного из параметров, представляющих собой температуру, давление, ускорение, деформацию; блок обработки данных, приемопередатчик. Устройство (10) мониторинга содержит гибкую опору (13), на которой закреплены электронный блок (11) и устройство (12) подачи электропитания, при этом острый угол (А), образованный между основным направлением (L) протяженности гибкой опоры (13) и направлением линии (20’) пересечения экваториальной плоскости (20) шины (1) с внутренней поверхностью (2) шины, больше или равен 20° и меньше или равен 70°. Технический результат - повышение надежности работы устройства мониторинга. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к шине, содержащей устройство мониторинга, например, выполненное с возможностью мониторинга по меньшей мере одной физической величины из температуры, давления, деформации, ускорения.
Уровень техники
Шина, как правило, имеет по существу тороидальную конструкцию относительно оси вращения шины во время эксплуатации, и она имеет экваториальную плоскость, перпендикулярную к оси вращения, при этом указанная экваториальная плоскость, как правило, представляет собой (по существу) плоскость геометрической симметрии (например, без учета любых незначительных асимметрий, таких как асимметрии, связанные с рисунком протектора и/или надписями на боковинах, и/или асимметрии, связанные с конструкцией или профилем).
Под «внутренней полостью» подразумевается пространство, ограниченное внутренней поверхностью шины и поверхностью обода, обращенной к внутренней поверхности смонтированной шины.
Под «коронной частью» подразумевается часть шины, расположенная в зоне протекторного браслета.
Термины «радиальное» и «аксиальное» используются соответственно по отношению к направлению, перпендикулярному к оси вращения шины, и направлению, параллельному оси вращения шины.
Термин «касательное» используется в отношении направления, по существу ориентированного в соответствии с направлением качения шины и перпендикулярного как к радиальному направлению, так и к аксиальному направлению.
Под «зоной пятна контакта» подразумевается та часть наружной поверхности протекторного браслета, которая во время качения шины, смонтированной и подвергающейся воздействию нагрузки (например, вследствие ее установки под транспортным средством), в каждый момент времени находится в контакте с поверхностью, на которой происходит качение. Зона пятна контакта, как правило, имеет по существу нулевую кривизну (или по существу бесконечный радиус кривизны), или в каждом случае она по существу принимает форму поверхности, на которой происходит качение.
Под «устройством подачи электропитания» подразумевается компонент с конструкцией, обеспечивающей возможность подачи электропитания к электронному блоку устройства мониторинга. Устройство подачи питания может состоять из одного или более аккумуляторов электроэнергии, в которых энергия, подлежащая подаче, аккумулирована заранее (например, таких как аккумуляторная батарея или конденсатор), или оно может содержать - в комбинации с одним или более аккумуляторами или без них - генератор электроэнергии и/или устройство приема электроэнергии на месте, выполненный(-ое) с возможностью подачи электропитания непосредственно к электронному блоку и/или с возможностью перезарядки аккумуляторов (например, устройство рекуперации энергии или устройство «собирания или захвата энергии», или устройство приема электромагнитной индукции).
Были предложены шины для транспортных средств, содержащие устройства мониторинга одной или более физических величин, расположенные во внутренней полости шины, например, подобные описанным в публикациях US 2014/0118134 A1, US 4862486, US 5749984, US 5960844, US 5977870, US 2008/0303634 A1, US 2009/0134710 A1, US 2010/0007477 A1, DE 102012007071 A1, WO 2007/121768 A1, WO 2007/048621 A1, WO 2013/098711 A1, WO 2013/098712 A1, WO 2018/065846 A1, US 2007/0013503 A1, US 2010/0271191 A1, US 2015/0097662 A1.
Сущность изобретения
Ниже представлены соображения Заявителя в отношении шин, содержащих устройства мониторинга, расположенные во внутренней полости шины.
Предпочтительно отслеживать/измерять заданную физическую величину, в частности, температуру, деформацию или ускорение, непосредственно на внутренней поверхности или рядом с внутренней поверхностью шины в зоне ее коронной части. Например, предпочтительно получить температуру в зоне, близкой к внутренней поверхности коронной части, поскольку таким образом по существу получают фактическую температуру материала шины в зоне, в которой создаются наибольшие напряжения, которые вызывают нагрев шины во время качения. Напротив, температура, например, в зоне рядом с ободом или температура текучей среды, имеющейся во внутренней полости, может сильно отличаться от температуры внутренней поверхности коронной части. Кроме того, при получении данных о температуре, например, в зоне рядом с ободом или вентилем на данные измерений влияет температура среды, наружной по отношению к колесу, вследствие теплопроводности и/или наличия внешних источников тепла, таких как потоки воздуха от радиаторов или тормозных дисков.
В случае ускорения или деформации предпочтительно непосредственное измерение по меньшей мере одной из радиальной, касательной/тангенциальной и аксиальной составляющих ускорения или претерпеваемой деформации в произвольной точке, расположенной на внутренней поверхности коронной части, которая подвергается нагружению и деформированию, которые обусловлены циклом входа в зону пятна контакта и выхода из нее или в более общем случае взаимодействием между шиной и поверхностью, на которой происходит качение. Таким образом, из отслеживаемого ускорения или отслеживаемой деформации можно получить сигнальную информацию о состоянии и/или поведении шины в данный момент времени во время использования (например, о размерах пятна контакта, износе, аквапланировании, проскальзывании и т.д.). Следовательно, желательно применить датчик или датчики ускорения и/или деформации в точке, близкой к тому месту, в котором создаются наибольшие напряжения, то есть близкой к месту контакта между шиной и поверхностью, на которой происходит качение, - при этом такой точкой, как правило, является точка на внутренней поверхности коронной части, например, расположенная в месте, соответствующем центральному ребру, расположенному в зоне протектора, центральной в аксиальном направлении, - или в любом случае в той точке на внутренней поверхности коронной части, которая соответствует зоне протектора, имеющей наибольшие напряжения (как механические, так и термические) во время качения шины.
Для выполнения устройства мониторинга, как правило, используется техническое решение на основе печатной платы на жесткой опоре (подложке), на которой напечатаны дорожки печатной платы (электропроводящие металлические дорожки) и электронные компоненты закреплены посредством соответствующих электрических соединительных элементов (например, «штырьков») с помощью сварки и, возможно, адгезивов. Таким образом выполняют электрические и механические соединения между различными электрическими и электронными компонентами и жесткой опорой. Жесткая опора (печатная плата), как правило, содержит один или более слоев из базового материала, такого как стекловолокно, пропитанного смолой (например, эпоксидной смолой).
Кроме того, для работы устройства мониторинга обычно предусматривают аккумулятор/генератор электроэнергии. Например, как правило, используют аккумуляторную батарею (например, плоский круглый аккумулятор), содержащую(-ий) металлическую капсулу. Этот аккумулятор/генератор электроэнергии, как правило, имеет значительную массу. Например, неперезаряжаемая плоская круглая аккумуляторная батарея типа CR2032 с электрическим зарядом, составляющим приблизительно 200-250 мА⋅ч, имеет массу, составляющую приблизительно 3 г.
Преобладающая тенденция состоит в изготовлении как можно более компактного устройства мониторинга целиком. Например, используемое решение предусматривает наложение друг на друга соединенных соответствующим образом аккумулятора и печатной платы со всеми электронными компонентами, закрепленными на ней, и герметизацию всего устройства посредством герметизирующего материала (например, полимерной смолы), возможно, внутри жесткого удерживающего корпуса. Кроме того, может быть предусмотрен кожух (например, изготовленный из эластомерного материала), предназначенный для присоединения устройства к поверхности шины. Соединение может быть выполнено посредством детали, прикрепляемой к поверхности шины и/или одного или более адгезивов. Комплект данных элементов конструкции (удерживающего корпуса, герметика, кожуха, адгезива/адгезивов) приводит к дополнительному увеличению массы, при этом общая масса всего устройства мониторинга может достигать 8-15 г и устройство мониторинга почти полностью расположено на малой площади, которая равна площади горизонтальной проекции контейнера (например, вписанного в окружность с диаметром 18-30 мм).
Заявитель - при проведении испытаний при очень высоких скоростях вращения шины (соответствующих экстремальным линейным скоростям соответствующего транспортного средства, например, превышающим 300 км/ч) с устройством мониторинга, образованным таким способом и закрепленным на внутренней поверхности коронной части шины в зоне, центральной в аксиальном направлении, - удостоверился в том, что место расположения вышеуказанной общей массы создает очень сильные напряжения (в частности, радиальные и касательные напряжения).
Действительно, в зонах входа в зону пятна контакта и выхода из нее радиальное ускорение больше, чем в зонах снаружи зоны пятна контакта, вследствие соответствующей деформации, которой подвергается шина. Из экспериментальных исследований, выполненных Заявителем при разных скоростях, получено, что максимальное ускорение на входе в зону пятна контакта и выходе из нее приблизительно в 1,5 раза превышает радиальное ускорения снаружи зоны пятна контакта. Кроме того, в зоне пятна контакта при обнулении радиального ускорения появляется касательное ускорение, которое имеет профиль изменения вдоль зоны пятна контакта, аналогичный синусоиде, амплитуда которой была определена Заявителем экспериментально и равна приблизительно половине радиального ускорения на входе в зону пятна контакта/выходе из нее.
По мнению Заявителя, ускорение при его быстром и сильном изменении в циклах, характеризующихся высокой частотой, создает значительные циклические нагрузки, действующие в радиальном направлении (такие как «ударные воздействия») и в касательном направлении (сдвиг) со стороны устройства на элементы конструкции шины и/или наоборот. При вышеуказанных экстремальных скоростях прямым следствием данных нагрузок является значительный и локализованный перегрев устройства мониторинга и/или шины в месте применения/наложения устройства мониторинга. Указанный перегрев может значительно исказить корректное показание рабочей температуры шины, выдаваемое устройством мониторинга. Кроме того, указанный перегрев и указанное механическое напряжение и/или комбинация данных двух эффектов могут привести к повреждению устройства мониторинга (или его компонентов, например, аккумулятора), связанному с нарушением его конструктивной и/или функциональной целостности и/или с нарушением его соединения с внутренней поверхностью шины (например, расслоением и/или отсоединением адгезива, предназначенного для прикрепления устройства к внутренней поверхности). В более серьезных случаях указанный перегрев и указанное механическое напряжение и/или комбинация данных двух эффектов могут привести к потере целостности конструкции коронной части шины даже вплоть до образования отверстий (так называемых «пузырей») в протекторном браслете, вызываемых локализованной деструкцией резиновой смеси шины, которая отсоединяется вследствие вращательного движения шины, и/или к расслоению протектора.
Для преодоления данных недостатков Заявитель разработал устройство мониторинга, в котором электронный блок и устройство подачи электропитания закреплены на гибкой опоре. По мнению Заявителя, данное решение приводит к уменьшению общей массы устройства мониторинга вследствие устранения компонента, имеющего значительную массу, такого как печатная плата, а также устранения герметизирующего материала. Гибкая опора позволяет устройству мониторинга адаптироваться к деформации коронной части во время качения, в частности, в зоне пятна контакта, и она обеспечивает возможность распределения напряжений по более широкой поверхности.
В частности, в устройстве мониторинга по меньшей мере часть устройства подачи электропитания и электронный блок прикреплены по отдельности к гибкой опоре, или по меньшей мере два аккумулятора, принадлежащие устройству подачи питания, по отдельности прикреплены к гибкой опоре. Другими словами, по меньшей мере часть электронного блока и часть устройства подачи питания (предпочтительно электронный блок целиком и устройство подачи питания целиком) и/или по меньшей мере два аккумулятора не наложены друг на друга в радиальном направлении. Таким образом, общая масса устройства мониторинга разделена на по меньшей мере две части, имеющие довольно большую массу по отношению к общей массе устройства. Таким образом, уменьшается масса, которая опирается на соответствующую одну локализованную часть коронной зоны шины и вызывает вследствие этого вышеуказанные явления возникновения ударных воздействий и напряжения сдвига, при этом уменьшение данной массы приводит к уменьшению обусловленного ею перегрева коронной части и/или адгезива и/или устройства мониторинга.
Вышеуказанное решение может приводить в некоторых вариантах осуществления к тому, что устройство мониторинга и, в частности, гибкая опора будет иметь удлиненную горизонтальную проекцию, то есть оно (она) отличается основным направлением протяженности и направлением, перпендикулярным к основному направлению протяженности, и длиной в перпендикулярном направлении, которая меньше длины в основном направлении протяженности. Вышеупомянутые две части, имеющие довольно большую массу, как правило, расположены вдоль данного основного направления протяженности.
Заявитель провел комплекс всесторонних экспериментальных исследований, в которых изменяли расположение такого удлиненного устройства мониторинга, в частности, в отношении его угловой ориентации относительно экваториальной плоскости шины. В некоторых случаях устройство размещали так, чтобы оно пересекало экваториальную плоскость, в частности, так, чтобы электронный блок (и, следовательно, датчик) находился вблизи экваториальной плоскости и, следовательно, вблизи центральной зоны (например, центрального ребра) протектора, для отслеживания/измерения физических величин, представляющих интерес, в зоне с наибольшим термическим и/или механическим напряжениями.
Заявитель установил в результате наблюдений, что при использовании устройств с предпочтительно малыми размерами в (сравнительном) случае, в котором вышеуказанное основное направление параллельно или по существу параллельно экваториальной плоскости (например, оно образует острый угол в пределах ±10° относительно экваториальной плоскости), устройство мониторинга опирается по существу всей массой всех его компонентов на один и тот же участок в центральной зоне протектора. Таким образом, этот участок, уже подвергающийся воздействию бóльших напряжений и большему нагреву при отсутствии устройства мониторинга, подвергается возникновению явлений, связанных с ударными воздействиями и напряжениями сдвига, по существу добавленными вместе вследствие наличия различных компонентов устройства, следствием чего являются дополнительное повышение температуры и/или увеличение механических напряжений и обусловленные этим недостатки, описанные выше.
Кроме того, Заявитель установил в результате наблюдений, что в дополнительном (сравнительном) случае, в котором вышеуказанное основное направление перпендикулярно или по существу перпендикулярно к экваториальной плоскости (например, оно образует угол в пределах 90°±10° относительно экваториальной плоскости), устройство мониторинга при некоторых условиях, связанных с материалом, с размерами опоры, с условиями испытаний, с конструкцией шины и/или с рисунком ее протектора и т.д., подвергается возникновению нового и неожиданного явления, то есть в нем возникает волнистость или «морщинистость» в гибкой опоре, при этом форма волны с впадинами и вершинами создается вдоль основного направления протяженности. Эту волнистость наблюдали главным образом в центральной части гибкой опоры и с протяженностью вдоль всей ширины опоры.
Не желая быть ограниченным какой-либо теорией, Заявитель полагает, что данное явление обусловлено деформациями, которым подвергается шина, смонтированная, накачанная, нагруженная и подвергающаяся качению, и которые влияют на гибкую опору устройства мониторинга (в частности, когда адгезив, который обеспечивает закрепление устройства на поверхности шины, не растекается или относительно поверхности шины, или относительно гибкой опоры). Следовательно, гибкая опора вследствие ее размещения по существу в аксиальном направлении подвергается воздействию деформирующих сил, воздействие которых проявляется в значительной степени вдоль основного направления протяженности. Такие деформирующие силы приводят к созданию вышеуказанной волнистости или «морщинистости» в гибкой опоре, и чем в большей степени несжимаемой является опора или - в более общем случае - чем менее сжимаемой является опора по отношению к шине, тем больше волнистость.
Образование такой волнистости прямо в середине гибкой опоры, то есть там, где имеются много электронных компонентов и/или много дорожек печатной платы, образующих электрические соединения, может привести в особенности при длительном использовании к разрыву электрических соединений и/или неправильной работе устройств. Кроме того, данная волнистость может усилить тангенциальные и/или радиальные перемещения компонентов, которые находятся вблизи зоны с волнистостью, при увеличении механических напряжений и/или перегрева.
Следовательно, Заявитель столкнулся с проблемой создания устройства мониторинга по меньшей мере одной физической величины (например, температуры и/или давления и/или ускорения и/или деформации), которое должно применяться непосредственно рядом с внутренней поверхностью коронной части шины и при этом обеспечивает возможность избежания или ограничения локализованного перегрева и обусловленного им риска определения неправильного значения температуры и/или потери конструктивной или функциональной целостности шины и/или устройства мониторинга, включая также его адгезионное сцепление с поверхностью, даже при очень высоких скоростях вращения шины, а также при наличии значительного аккумулирования электроэнергии, соответствующего среднему сроку службы шины.
Заявитель обнаружил, что при размещении устройства мониторинга, созданного на основе удлиненной гибкой опоры, наклонно по отношению к экваториальной плоскости ограничиваются или устраняются вышеуказанное явление волнистости и связанные с ним вредные последствия.
В соответствии с одним аспектом изобретение относится к шине, содержащей устройство мониторинга, закрепленное на внутренней поверхности указанной шины в зоне коронной части указанной шины.
Устройство мониторинга содержит электронный блок и устройство подачи электропитания, электрически соединенное с указанным электронным блоком.
Электронный блок содержит по меньшей мере один датчик для измерения по меньшей мере одной из нижеуказанных физических величин: температуры, давления, ускорения, деформации, блок обработки данных, приемопередатчик.
Устройство мониторинга дополнительно содержит гибкую опору в виде единого тела, имеющую горизонтальную проекцию с формой, удлиненной вдоль основного направления протяженности. Указанный электронный блок и указанное устройство подачи электропитания прикреплены к указанной гибкой опоре.
Острый угол, образованный между указанным основным направлением протяженности и направлением линии пересечения экваториальной плоскости шины с внутренней поверхностью шины (или направлением, параллельным направлению линии пересечения), предпочтительно больше или равен 20° и меньше или равен 70°.
Под «основным направлением протяженности» подразумевается направление, вдоль которого гибкая опора имеет больший размер в недеформированном состоянии.
Когда гибкая опора наложена на криволинейную внутреннюю поверхность шины, она может принимать слегка изогнутую форму. Аналогичным образом линия пересечения экваториальной плоскости с внутренней поверхностью, как правило, является кривой. Для идентификации основного направления протяженности, направления линии пересечения экваториальной плоскости с внутренней поверхностью и вышеупомянутого угла рассматривается часть внутренней поверхности шины вокруг устройства, развернутая на плоскости.
Размещение устройства мониторинга, имеющего удлиненную форму, так, чтобы острый угол, образованный между основным направлением протяженности и вышеупомянутым направлением линии пересечения экваториальной плоскости с поверхностью шины, был больше или равен 20° и меньше или равен 70°, то есть размещение его так, чтобы оно не было ни параллельным, ни перпендикулярным к экваториальной плоскости, а наклонным, позволяет разместить массы основных функциональных элементов устройства (например, устройства подачи питания, аккумулятора(-ов), электронного блока и т.д.) так, чтобы не все они опирались на одну и ту же часть протектора, определяемую в направлении вдоль окружности (что имело бы место в альтернативной ситуации при размещении параллельно экваториальной плоскости в случае устройств с предпочтительно ограниченными размерами). Заявитель также удостоверился в том, что данное решение позволяет значительно уменьшить или полностью устранить возникновение вышеуказанного явления волнистости гибкой опоры, которое наблюдалось в некоторых случаях при устройстве, расположенном перпендикулярно, как описано выше.
Не желая быть связанным какой-либо объясняющей теорией, Заявитель полагает, что это обусловлено тем, что наклонное размещение гибкой опоры позволяет «развести» напряжения, передаваемые за счет деформаций шины, как вдоль основного направления протяженности, так и вдоль направления, перпендикулярного к основному направлению протяженности. Другими словами, данные напряжения могут быть распределены в обоих направлениях протяженности устройства без оказания вызываемых ими воздействий в основном в одном направлении.
Настоящее изобретение может иметь один или более из нижеприведенных предпочтительных признаков.
Термин «продольное» (и аналогичные термины) применительно к устройству мониторинга относится к направлению, которое по существу параллельно основному направлению протяженности.
Указанный острый угол предпочтительно больше или равен 25°, более предпочтительно больше или равен 30° и/или меньше или равен 65°, более предпочтительно меньше или равен 60°.
Длина гибкой опоры вдоль указанного основного направления протяженности предпочтительно больше или равна 70 мм, более предпочтительно больше или равна 80 мм и/или меньше или равна 140 мм, более предпочтительно меньше или равна 130 мм. Заявитель удостоверился в том, что данные длины достаточны для обеспечения возможности эффективного распределения масс электрических и электронных компонентов, и при этом устройство в целом не будет выполнено чрезмерно длинным и/или громоздким.
Отношение размеров, представляющее собой отношение длины гибкой опоры вдоль указанного основного направления протяженности и ширины вдоль направления, перпендикулярного к основному направлению протяженности, предпочтительно больше или равно 1,5, более предпочтительно больше или равно 2, еще более предпочтительно больше или равно 2,5 и/или меньше или равно 6, более предпочтительно меньше или равно 5. Данные значения отношения размеров обеспечивают достаточную поверхность для эффективного распределения масс.
Указанное устройство подачи электропитания предпочтительно содержит по меньшей мере один аккумулятор электроэнергии, электрически соединенный с указанным электронным блоком для подачи питания к указанному электронному блоку, при этом указанный аккумулятор закреплен на указанной гибкой опоре.
Указанное устройство подачи электропитания (более предпочтительно указанный по меньшей мере один аккумулятор) и указанный электронный блок предпочтительно расположены вдоль указанного основного направления протяженности (другими словами, основное направление протяженности проходит как через электронный блок, так и через устройство подачи питания, например, через соответствующий центр масс). Таким образом, можно разместить устройство подачи питания и электронный блок на расстоянии друг от друга за счет использования удлиненной формы гибкой опоры для уменьшения их механического и/или теплового взаимодействия.
Указанное устройство подачи электропитания предпочтительно содержит множество аккумуляторов электроэнергии, при этом каждый аккумулятор электрически соединен с указанным электронным блоком и выполнен с возможностью подачи питания к указанному электронному блоку, при этом каждый из указанных аккумуляторов закреплен на указанной гибкой опоре.
Наличие множества аккумуляторов электроэнергии, отдельных друг от друга и закрепленных по отдельности на гибкой опоре, обеспечивает то, что аккумуляторы не будут - даже частично - наложены друг на друга в радиальном направлении. Кроме того, они также не наложены - даже частично - на электронный блок в радиальном направлении при условии, что электронный блок закреплен на гибкой опоре. Таким образом, общая масса устройства подачи питания будет разделена по меньшей мере на две части (соответствующие аккумуляторам), при этом каждая часть имеет довольно большую массу по отношению к общей массе устройства. Таким образом, уменьшается масса, которая опирается на соответствующую одну локализованную часть коронной зоны шины и вызывает вследствие этого вышеуказанные явления возникновения ударных воздействий и напряжения сдвига, при этом уменьшение данной массы приводит к уменьшению обусловленного ею перегрева коронной части и/или адгезива и/или устройства мониторинга.
Указанные аккумуляторы предпочтительно расположены вдоль указанного основного направления протяженности (другими словами, основное направление протяженности проходит через каждый аккумулятор, например, через соответствующий центр масс). Таким образом, можно разместить аккумуляторы на расстоянии друг от друга за счет использования удлиненной формы гибкой опоры для уменьшения их механического и/или теплового взаимодействий.
Указанное множество аккумуляторов предпочтительно содержит первый и второй аккумуляторы, расположенные с противоположных сторон указанного электронного блока. При размещении электронного блока между двумя аккумуляторами последние будут размещены на большем расстоянии друг от друга, чем в случае размещения с одной и той же стороны электронного блока, при той же общей длине устройства мониторинга. Таким образом, избегают возникновения вышеупомянутого явления «суммирования» тепловых воздействий или дополнительно ограничивают возникновение вышеупомянутого явления «суммирования» тепловых воздействий, вызываемых двумя отдельными аккумуляторами, следствием которого является перегрев (в частности, в тех зонах в протекторе шины, которые имеют наибольшие напряжения, например, таких как центральное ребро).
Указанное множество аккумуляторов предпочтительно содержит два аккумулятора и не более двух аккумуляторов. Таким образом, ограничиваются площадь горизонтальной проекции и сложность устройства мониторинга.
Указанные первый и второй аккумуляторы предпочтительно расположены на концах устройства мониторинга, противоположных в продольном направлении. Было доказано, что данная форма является рациональной и особенно эффективной для ограничении перегрева и/или для гарантировании целостности устройства мониторинга. Например, поскольку аккумуляторы (то есть, как правило, более тяжелые компоненты устройства) расположены в периферийном или крайнем месте гибкой опоры, ограничиваются напряжение (радиальное и/или касательное напряжения) и соответствующие деформации, создаваемые аккумуляторами на гибкой опоре в зоне схем и электронного блока (расположенного по существу в центральной зоне гибкой опоры), при этом все это предпочтительно для функциональности устройства.
Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно представляет собой электрическую батарею (например, плоскую круглую аккумуляторную батарею), более предпочтительно неперезаряжаемую.
Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно имеет круглую горизонтальную проекцию.
Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно содержит жесткий корпус, изготовленный, например, из металла.
Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно имеет зарядную емкость, которая больше или равна 30 мА⋅ч, более предпочтительно больше или равна 80 мА⋅ч, еще более предпочтительно больше или равна 100 мА⋅ч.
Каждый из указанных аккумуляторов, как правило, имеет массу, которая больше или равна 0,5 г, более предпочтительно больше или равна 1 г. Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно имеет массу, которая меньше или равна приблизительно 4 г. В случае применений на шине, пригодной для тяжелых нагрузок (такой как шина для «паркетного» внедорожника (SUV), внедорожника-универсала/кроссовера (CUV), грузового автомобиля, автобуса и т.д.), могут быть использованы батареи большей массы, до приблизительно 7-8 г.
Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно вписан в окружность, имеющую диаметр, который меньше или равен 30 мм, более предпочтительно меньше или равен 25 мм, и/или описывает окружность, имеющую диаметр, который больше или равен 15 мм, более предпочтительно больше или равен 17 мм.
Аккумуляторы данных типов способны подавать энергию, достаточную для работы устройства даже в течение периодов, сопоставимых со средним сроком службы шины (в зависимости от ее разных применений), и/или даже при наличии сложных функций устройства, таких как отслеживание/определение различных параметров, таких как ускорение, длина и/или форма пятна контакта, вертикальная нагрузка, действующая на шину, и т.д.
Каждый из указанных аккумуляторов предпочтительно выполнен с конструкцией, обеспечивающей стойкость к температурам, которые больше или равны 100°С, более предпочтительно больше или равны 110°С. Таким образом, аккумуляторы обладают стойкостью к температурам перегрева шин.
Устройство мониторинга, как правило, содержит схему электрических соединений, предназначенную для соединения устройства подачи питания/каждого аккумулятора с указанным электронным блоком, при этом указанная схема электрических соединений предпочтительно содержит по меньшей мере два отдельных электрических пути (один для соединения с положительным полюсом и один для соединения с отрицательным полюсом аккумуляторов).
Указанные аккумуляторы предпочтительно параллельно электрически соединены с указанным электронным блоком. Таким образом, обеспечивается суммирование емкости аккумуляторов, в результате чего получают значительное увеличение продолжительности работы устройства мониторинга и/или увеличение функциональных возможностей отслеживания/измерения.
Схема электрических соединений предпочтительно закреплена на указанной гибкой опоре, более предпочтительно образована путем печати на указанной гибкой опоре посредством проводящей пасты, еще более предпочтительно образована путем трафаретной печати/сеткографии, литографической печати, струйной печати и т.д. В одном варианте осуществления схема электрических соединений содержит медные проводящие дорожки, предпочтительно полученные химическим травлением тонкого слоя меди (например, с толщиной в несколько микрон или несколько десятков микрон). Данные технологии особенно подходят для гибких опор и обеспечивают возможность создания проводящих дорожек, стойких к изгибам.
Расстояние между каждыми двумя аккумуляторами предпочтительно больше или равно 40 мм, более предпочтительно больше или равно 50 мм. Под «расстоянием» подразумевается длина той кратчайшей линии на внутренней поверхности шины (в недеформированном состоянии), которая соединяет края двух рассматриваемых аккумуляторов (например, края корпуса аккумулятора). Заявитель установил в результате наблюдений, что в этом случае профили температур (определяемые явлением нагрева, обусловленного циклическими напряжениями при входе в зону/выходе из зоны пятна контакта, и явлением распространения выделенного тепла), связанные по отдельности с каждым аккумулятором, по существу пространственно «отделены» друг от друга, так что избегают локализованного накопления тепла. Другими словами, аккумуляторы находятся достаточно далеко друг от друга для предотвращения ситуации, при которой локальный нагрев отдельных аккумуляторов «суммируется» в некоторой точке, что обеспечивает дополнительные преимущества, описанные выше.
Указанное расстояние между каждыми двумя аккумуляторами (14) предпочтительно меньше или равно 250 мм, более предпочтительно меньше или равно 200 мм, еще более предпочтительно меньше или равно 150 мм. Таким образом, длина схемы электрических соединений и/или протяженность всего устройства будут ограничены, и уменьшаются соответствующие сложности, связанные с изготовлением, соединением (адгезионным сцеплением) с шиной, конструкционной прочностью дорожек и т.д.
Экваториальная плоскость шины предпочтительно пересекает указанное устройство мониторинга, в более предпочтительном варианте она пересекает указанный электронный блок, например, в зоне указанного датчика. Таким образом, устройство (предпочтительно датчик) будет применяться в той части шины, которая подвергается наибольшим напряжениям и, следовательно, представляет больший интерес в случае измерений параметров сигналов (например, акселерометров), из которых должна быть получена информация о состоянии шины и/или о поведении шины в данный момент времени во время использования.
Указанный по меньшей мере один датчик предпочтительно выполнен с возможностью измерения по меньшей мере двух из нижеуказанных физических величин: температуры, давления, ускорения, деформации, например, температуры и давления. В еще более предпочтительном варианте указанный по меньшей мере один датчик выполнен с возможностью измерения по меньшей мере трех из указанных физических величин или всех четырех указанных физических величин. Указанный по меньшей мере один датчик предпочтительно выполнен с возможностью измерения по меньшей мере указанного ускорения и/или указанной деформации, более предпочтительно - по меньшей мере радиальной составляющей и/или тангенциальной составляющей указанного ускорения и/или указанной деформации. Таким образом, устройство мониторинга предоставляет особенно полезные данные для получения информации о состоянии и/или функционировании шины и/или о поведении транспортного средства, на котором она смонтирована.
Указанная гибкая опора предпочтительно прикреплена к внутренней поверхности указанной шины посредством слоя адгезива (например, адгезива, склеивающего при надавливании).
Указанная гибкая опора предпочтительно является по существу не растяжимой. Таким образом, обеспечивается распределение напряжений сдвига и/или ограничиваются нагрузки на дорожки схемы соединений.
В контексте настоящего описания и нижеследующей формулы изобретения под «гибкой опорой» по существу подразумевается опора, образованная из материала (включая композиционный/многослойный материал), который в случае его использования для изготовления листовой заготовки квадратной формы со стороной, значительно большей, чем определяемая в направлении вдоль окружности протяженность зоны входа в пятно контакта или выхода из пятна контакта шины, (например, плиты с плоской поверхностью с размерами 120 мм × 120 мм), и с толщиной, равной толщине опоры, обеспечивает возможность адаптации формы данной плиты - при температуре окружающей среды - к форме цилиндрической поверхности с радиусом, который меньше радиуса нормальной кривизны шины, накачанной до ее номинального внутреннего давления (например, цилиндрической поверхности с радиусом 200 мм, предпочтительно 100 мм, более предпочтительно 50 мм), без разрыва или подвергания возникновению остаточной деформации.
В контексте настоящего описания и нижеследующей формулы изобретения под «нерастяжимой опорой», как правило, подразумевается опора с толщиной от приблизительно 10 мкм до приблизительно 400 мкм, предпочтительно от приблизительно 50 мкм до приблизительно 200 мкм, изготовленная из материала (включая композиционный/многослойный материал), имеющего модуль упругости при растяжении, предпочтительно превышающий 0,1 ГПа, более предпочтительно превышающий 0,5 ГПа при 23°С.
Указанная гибкая опора (13) предпочтительно представляет собой пленку из эластомерного или термопластичного материала, выбранного из следующей группы: нейлона, полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтиленнафталата (PEN), полиимида, этиленпропилендиенового каучука (EPDM), диеновых полимеров и полиуретановых смол. Также могут быть использованы бумажные опоры, тонкие листы из эпоксидной смолы (возможно, армированные, например, стекловолокном) или сверхтонкие и, следовательно, гибкие листы, образованные из кремния (или другого полупроводника).
Было доказано, что данные гибкие опоры пригодны для технологий, в которых схему электрических соединений образуют путем печати или осаждения на опоре или получают химическим травлением, и заранее изготовленные электронные компоненты прикрепляют к схеме электрических соединений и электрически соединяют со схемой электрических соединений посредством соединения с помощью проводящих адгезивов (например, адгезивов, в которые введены проводящие частицы, такие как частицы из серебра, меди или углеродистые частицы) и/или посредством сварки, например, с помощью олова или его сплавов (например, сплава олова и висмута).
Один или более из указанного по меньшей мере одного датчика, указанного блока обработки данных и указанного приемопередатчика предпочтительно представляет собой заранее изготовленный электронный компонент. Этот заранее изготовленный электронный компонент может быть (непосредственно) прикреплен к схеме электрических соединений и электрически соединен со схемой электрических соединений, например, посредством соединения с помощью проводящих адгезивов и/или сварки.
В одном варианте осуществления один или более из указанного по меньшей мере одного датчика, указанного блока обработки данных и указанного приемопередатчика образован непосредственно на месте на гибкой опоре (то есть он не изготовлен заранее), например, посредством технологий печати или осаждения.
Предпочтительно по меньшей мере два компонента из указанного датчика, указанного блока обработки данных и указанного приемопередатчика, более предпочтительно все три компонента расположены в одном модуле, предпочтительно изготовленном заранее (например, посредством удерживающего корпуса, в котором размещены, по меньшей мере частично, указанные по меньшей мере два компонента из указанного датчика, указанного блока обработки данных и указанного приемопередатчика). Таким образом значительно упрощается выполнение устройства мониторинга.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическое, выполненное в перспективе и частичное изображение сечения шины, содержащей устройство мониторинга согласно настоящему изобретению;
фиг.2-3 - схематический, выполненный в перспективе и частичный вид в плане внутренней поверхности шины, развернутой на плоскости фигуры и содержащей дополнительные соответствующие варианты осуществления устройства мониторинга согласно настоящему изобретению.
Подробное описание некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения
Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут дополнительно разъяснены посредством нижеприведенного подробного описания некоторых вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающего примера осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг.1 показана шина (на виде в перспективе, выполненном с частичным разрезом), обозначенная ссылочной позицией 1 и содержащая устройство 10 мониторинга согласно настоящему изобретению. Пунктирные линии 30 показывают схематически и произвольно граничные линии между коронной частью 16 и плечевыми зонами шины. В представленном описании и на фигурах одна и та же ссылочная позиция используется для одних и тех же элементов, а также в вариантах их осуществления.
На фиг.2 и 3 показан вид в плане части внутренней поверхности 2 коронной части, схематически ограниченной направлениями 30 и развернутой в плоскости, в которой расположена фигура, вместе с устройством 10 мониторинга. Ссылочная позиция 20’ обозначает направление линии пересечения экваториальной плоскости 20 с внутренней поверхностью 2 шины (развернутой в плоскости) рядом с устройством мониторинга. Все фигуры показаны не в масштабе и только в целях иллюстрации.
Устройство 10 мониторинга содержит электронный блок 11 и устройство 12 подачи электропитания, электрически соединенное с электронным блоком.
Устройство 10 мониторинга дополнительно содержит гибкую опору 13 в виде одного тела, закрепленную на внутренней поверхности 2 шины в зоне коронной части 16 шины 1 (то есть части шины в зоне протекторного браслета 17). Электронный блок и устройство подачи электропитания закреплены на гибкой опоре 13, например, посредством проводящего адгезива (например, Henkel® 3104 WXL) и конструкционного адгезива (например, Henkel® LOCTITE® 312TM).
Устройство 12 подачи электропитания предпочтительно содержит аккумулятор 14 электроэнергии (например, только один, как показано на фиг.1), более предпочтительно, как показано в качестве примера на фиг.2 и 3, множество отдельных аккумуляторов 14 электроэнергии, при этом каждый аккумулятор 14 электрически соединен с электронным блоком для подачи питания к электронному блоку. Каждый аккумулятор 14 прикреплен непосредственно к гибкой опоре 13.
В качестве примера каждый аккумулятор 14 представляет собой электрическую батарею, например, плоскую круглую батарею типа CR2032HR, продаваемую Maxell® (емкость 200 мА⋅ч, масса 3 г, диаметр и толщина 20 × 3,2 мм), или BR1632A, продаваемую Panasonic®, (емкость 120 мА⋅ч, 1,5 г, 6 × 3,2 мм). Типовое напряжение равно 3 В, и рабочие температуры находятся в диапазоне от -40°C до +125°C (или, возможно, в подынтервалах, зависящих от типа намеченного применения).
Устройство 10 мониторинга содержит схему 18 электрических соединений (показанную только схематически на фиг.2 и 3), предназначенную для соединения каждого аккумулятора 14 с электронным блоком 11. В случае множества аккумуляторов они предпочтительно соединены параллельно (как показано в качестве примера и схематически только на фиг.2).
В одном варианте осуществления дорожки схемы электрических соединений образованы посредством проводящей пасты (например, серебряной проводящей пасты DuPont® 5025), нанесенной путем печати непосредственно на гибкую опору, например, с помощью технологии трафаретной печати/сеткографии.
Электронный блок 11 содержит (непоказанный) по меньшей мере один датчик для измерения по меньшей мере одной из нижеуказанных физических величин: температуры, давления, ускорения, блок обработки данных и приемопередатчик.
В качестве примера электронный блок может включать в себя модуль заводского изготовления модели FXTH870911DT1, продаваемый NXP Semiconductors®, содержащий блок обработки данных и множество датчиков, выполненных с возможностью измерения всех трех физических величин: температуры, давления и ускорения. Этот модуль также включает в себя радиочастотный приемопередатчик с частотой приемопередатчика, составляющей 315-434 МГц. В иллюстративном варианте осуществления может быть использован дополнительный приемопередатчик, прикрепленный к гибкой опоре отдельно от вышеупомянутого модуля и используемый в другом диапазоне частот (например, при использовании технологии Wi-Fi или Bluetooth®).
В качестве примера гибкая опора 13 представляет собой пленку, изготовленную из полиимида (например, Kapton® от компании DuPont®).
Слой адгезива (непоказанного), например, склеивающего при надавливании, может быть размещен для присоединения нижней поверхности гибкой опоры 13 к внутренней поверхности шины.
Устройство 10 предпочтительно наложено на внутреннюю поверхность шины таким образом, что экваториальная плоскость 20 шины пересекает устройство 10 мониторинга (например, на фиг.1 в промежуточном месте между устройством подачи питания и электронным блоком), более предпочтительно, как показано в качестве примере на фиг.2 и 3, она пересекает электронный блок 11 (например, так, что датчик будет расположен в зоне центрального ребра 21 или рядом с центральным ребром 21 протекторного браслета 17).
В некоторых вариантах осуществления множество аккумуляторов 14 содержит два и не более двух аккумуляторов, которые в более предпочтительном варианте расположены с противоположных сторон электронного блока 11, как показано в качестве примера на фиг.2 и 3).
Гибкая опора 13 имеет горизонтальную проекцию с формой, удлиненной вдоль основного направления L протяженности.
Предпочтительно устройство 12 подачи электропитания (фиг.1, 2 и 3) (более предпочтительно указанный(-е) аккумулятор(-ы) 14) и электронный блок 11 расположены вдоль основного направления L протяженности (например, основное направление протяженности проходит через соответствующие центры масс электронного блока и устройства подачи питания).
Аккумуляторы 14 (фиг.2 и 3) предпочтительно расположены вдоль основного направления L протяженности (например, основное направление протяженности проходит через соответствующий центр масс каждого аккумулятора).
Два аккумулятора 14 предпочтительно расположены на концах устройства мониторинга, противоположных в продольном направлении (фиг.2 и 3).
В соответствии с одним аспектом изобретения и как схематически показано на фигурах, устройство 10 мониторинга имеет размеры L1 и L2 горизонтальной проекции (соответственно вдоль такого направления L и вдоль направления, перпендикулярного к нему), отличающиеся друг от друга.
В качестве примера в случае устройства по фиг.2 размеры L1 × L2 равны приблизительно 110 × 30 мм (отношение R размеров равно 3,7) или приблизительно 80 × 25 мм (R равно 3,2). В качестве примера расстояние D между двумя аккумуляторами равно приблизительно 69 мм в случае размеров 110 × 30 мм, в то время как при размерах, равных 80 × 25 мм, расстояние D равно приблизительно 50 мм.
В качестве примера в случае устройства по фиг.3 размеры L1 × L2 равны приблизительно 80 × 55 мм (отношение R размеров равно приблизительно 1,5) и расстояние D между двумя аккумуляторами равно приблизительно 45 мм.
Согласно настоящему изобретению, как показано в качестве примера на фигурах, устройство мониторинга закреплено на внутренней поверхности шины 1 так, чтобы был образован острый угол A между основным направлением L протяженности и направлением линии 20’ пересечения, который больше или равен 20° (предпочтительно больше или равен 25°, более предпочтительно больше или равен 30°) и меньше или равен 70° (предпочтительно меньше или равен 65°, более предпочтительно меньше или равен 60°). Например, данный острый угол А может быть равен 45°.
1. Шина (1), содержащая устройство (10) мониторинга, закрепленное на внутренней поверхности (2) шины (1) в зоне коронной части (16) шины (1);
при этом устройство (10) мониторинга содержит электронный блок (11) и устройство (12) подачи электропитания, предназначенное для подачи питания к электронному блоку (11);
причем электронный блок (11) содержит по меньшей мере один датчик для измерения по меньшей мере одной из следующих физических величин: температуры, давления, ускорения, деформации; блок обработки данных; приемопередатчик;
при этом устройство (10) мониторинга дополнительно содержит гибкую опору (13) в виде единого тела, имеющую горизонтальную проекцию с формой, удлиненной вдоль основного направления (L) протяженности, причем электронный блок (11) и устройство (12) подачи электропитания прикреплены к гибкой опоре (13);
при этом острый угол (А), образованный между основным направлением (L) протяженности и направлением линии (20’) пересечения экваториальной плоскости (20) шины (1) с внутренней поверхностью (2) шины, больше или равен 20° и меньше или равен 70°.
2. Шина (1) по п.1, в которой указанный острый угол больше или равен 25° и/или меньше или равен 65°.
3. Шина (1) по п.1 или 2, в которой указанный острый угол больше или равен 30° и/или меньше или равен 60°.
4. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой длина гибкой опоры (13) вдоль основного направления (L) протяженности больше или равна 70 мм и/или меньше или равна 140 мм.
5. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой отношение (R) размеров, представляющее собой отношение длины (L1) гибкой опоры (13) вдоль основного направления (L) протяженности и ширины (L2) вдоль направления, перпендикулярного основному направлению (L) протяженности, больше или равно 1,5 и/или меньше или равно 6.
6. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой устройство (12) подачи электропитания и электронный блок (11) расположены вдоль основного направления (L) протяженности.
7. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой устройство (12) подачи электропитания содержит множество аккумуляторов (14) электроэнергии, причем каждый аккумулятор (14) электрически соединен с электронным блоком (11) и выполнен с возможностью подачи питания к электронному блоку (11), при этом каждый из аккумуляторов (14) закреплен на гибкой опоре (13), причем аккумуляторы (14) расположены вдоль основного направления (L) протяженности, при этом аккумуляторы (14) параллельно электрически соединены с электронным блоком (11).
8. Шина (1) по п.7, в которой указанное множество аккумуляторов (14) содержит первый и второй аккумуляторы, расположенные с противоположных сторон электронного блока (11), причем указанное множество аккумуляторов (14) содержит два аккумулятора и не более двух аккумуляторов, при этом первый и второй аккумуляторы расположены на концах устройства (10) мониторинга, противоположных в продольном направлении.
9. Шина (1) по п.7 или 8, в которой расстояние (D) между каждыми двумя аккумуляторами (14) больше или равно 40 мм и/или меньше или равно 250 мм.
10. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой устройство (10) мониторинга содержит схему (18) электрических соединений, предназначенную для соединения устройства (12) подачи электропитания с электронным блоком (11), причем схема (18) электрических соединений содержит по меньшей мере два отдельных электрических пути, при этом схема (18) электрических соединений образована путем печати на гибкой опоре посредством проводящей пасты, или схема (18) электрических соединений содержит медные проводящие дорожки, полученные химическим травлением тонкого слоя меди.
11. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой экваториальная плоскость (20) шины (1) пересекает устройство (10) мониторинга.
12. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой указанный по меньшей мере один датчик выполнен с возможностью измерения по меньшей мере двух из следующих физических величин: температуры, давления, деформации, ускорения.
13. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой гибкая опора (13) является по существу не растяжимой, и она прикреплена к внутренней поверхности (2) шины (1) посредством слоя адгезива.
14. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой гибкая опора (13) представляет собой пленку из эластомерного или термопластичного материала, выбранного из следующей группы: нейлона, полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтиленнафталата (PEN), полиимида, этиленпропилендиенового каучука (EPDM), диеновых полимеров и полиуретановых смол, или она выбрана из дополнительной следующей группы: бумажных подложек, тонких слоев из эпоксидной смолы, очень тонких полупроводниковых слоев.
15. Шина (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой один или более из указанного по меньшей мере одного датчика, блока обработки данных и приемопередатчика представляет собой заранее изготовленный электронный компонент, прикрепленный к схеме (18) электрических соединений и электрически соединенный со схемой (18) электрических соединений посредством приклеивания с помощью проводящих адгезивов и/или посредством сварки.
