包括无源转发器的轮胎以及用于读取数据的方法与流程

本发明涉及一种用于重型车辆或施工设备的设置有识别和通信装置的充气轮胎，并且涉及这种物品的通信方法。

背景技术：

在识别和通信装置的领域，特别是对于轮胎，传统上使用rfid(射频识别的首字母缩略词)无源射频转发器。通过简化物品的识别、监控和管理，这些装置能够使物品的自动化管理更可靠并且更迅速。设置有先进功能的一些装置还能够获得物品的物理量(在轮胎的情况下，例如温度或充气压力)，以保证在物品的使用寿命中正确使用这些物品。在下文中，将通过上位概念“无源通信电子装置”或“无源转发器”提及所有这些装置。

这些无源通信电子装置通常由至少一个电子芯片以及固定至待识别的物品的由磁环形成的天线或辐射天线构成。根据通信射频频带以及这些电子装置的询问距离，优选所述天线中的一个或另一个。通常，在轮胎产业中，对于需要使用辐射天线的这些无源转发器，通信频带是用于远场询问的uhf(超高频的首字母缩略词)频带。uhf频带对应于300兆赫与3千兆赫之间的通信频率。

在充气轮胎中集成这种通信电子装置必须符合一定的要求。首先，由于充气轮胎受到很强的热机械应力，因此通信电子装置的集成必须不造成充气轮胎或电子装置的耐久性的损失，特别地不造成辐射天线的耐久性的损失。其次，电子装置的通信性能必须足够，以便无论使用条件如何都能够容易地询问电子装置，特别是从充气轮胎的外部询问电子装置。

因此，通信电子装置的位置必须满足这些限制。首先，优选在充气轮胎的热机械应力较低的区域中集成，从而不在电子装置上产生较高的应变。具体地，由于施工设备的充气轮胎会经受各种类型的道路或路线上的恶劣行驶条件，刺穿或充气压力损失而导致充气轮胎漏气的危险增加。在这种使用情况下，电子装置的位置必须不再进一步地损伤充气轮胎。此外，为了无线电通信性能，优选没有过多电磁干扰(其由充气轮胎中金属的存在而导致)的区域。

从现有技术状态中，特别地从专利ep1977912b1中，公知一种设置有这种能够在远场中进行询问的uhf无源通信电子装置的充气轮胎。该装置设置在两块刚度适当的绝缘橡胶之间，之后设置在充气轮胎内部、充气轮胎相对于金属胎体帘布层的外面部分。通过不将金属区域插入射频读取器与无源转发器之间，该位置有利于无源转发器的射频通信性能。

然而，该电子装置还在高机械应力的区域中，这导致使用特定的辐射天线。此外，无法完全保护通过这种方式设置的电子装置免受路线上恶劣行驶条件下可能遇到的各种物体的突起相关的机械损伤。最后，只有通过在充气轮胎的制造过程中直接并入电子装置，该技术解决方案才是可行的。

相似地，专利申请ep2873540a1提出一种符合这些技术限制的通信电子装置。该电子装置集成在轮胎的底部区域，所述底部区域受到比胎冠区或胎侧程度低的机械形变。更精确地，该电子装置径向设置在胎圈芯之上，并且固定至充气轮胎的内壁。这一区域能够有效地保护电子装置免受在使用中撞击充气轮胎的物体所产生的震动。

然而，该文献的电子装置不是能够通过设置在轮胎外部的读取器询问的uhf无源转发器。

本发明的目的是提出一种设置有无源通信电子装置的充气轮胎，所述无源通信电子装置例如在uhf频率范围的远场中工作，并且符合重型车辆和施工设备的充气轮胎的使用和通信限制。

通过引入以下定义，将更容易阅读下文的说明。参考轴线此处意指充气轮胎的旋转轴线。竖直方向为在充气轮胎从地面移开的使用条件下充气轮胎与地面之间的接触表面的法向方向。充气轮胎中心为充气轮胎的参考轴线与中平面之间的交点。该几何点对应于轴线的起点。

轴线方向为平行于参考轴线的方向，其远离充气轮胎中心指向刻有轮胎的标准化标识的充气轮胎外侧。径向方向为垂直于参考轴线而远离参考轴线的方向。周向方向为与轴向方向和径向方向正交的方向。几何点的方位角为由竖直方向与径向方向形成的角度。

技术实现要素：

本发明的主题为设置有无源转发器的充气轮胎。该充气轮胎为环形形式，其在任一点相对于充气轮胎的中心定义了轴向方向、径向方向和周向方向，其具有径向内表面和径向外表面，并包括胎冠、两个胎侧和两个胎圈。每个胎圈具有至少一个环状胎圈芯、至少一个环形形式的胎体帘布层、至少一个内衬和至少一个保护件，所述胎圈芯绕着参考轴线旋转，所述参考轴线从该充气轮胎的中心起始定义了轴向方向。该环形形式的保护件由设置在胎圈芯、胎体帘布层和内衬的径向内侧的至少一个弹性体混合物层构成。该保护件包括第一端部和第二端部，所述第一端部位于轴向内侧径向外侧，所述第二端部称为胎趾并位于轴向内侧径向内侧。无源转发器包括形成辐射天线的至少一个金属线股，所述辐射天线定义纵向轴线并能够与电子芯片形成电联接。纵向轴线设置为大致垂直于胎体帘布层的丝线。无源转发器嵌入电绝缘的弹性体混合物中，以形成补片。该补片在其外周具有大致垂直于参考轴线的第一面和第二面；相对于充气轮胎中心，所述第一面位于轴向外侧，所述第二面位于轴向内侧。该补片还定义了分别相对于参考轴线位于径向内侧的第一端部以及位于径向外侧的第二端部，第一端部和第二端部分别对应于补片与参考轴线之间的最小距离和最大距离。该充气轮胎的特征在于：补片的面中的至少一个在胎体帘布层的轴向内侧端部与充气轮胎的内表面之间轴向地延伸，补片的端部中的至少一个以胎趾的距离与胎圈芯径向外侧端部的距离之间的距离径向地延伸。

根据一个具体实施方案，无源射频转发器通过无线电波以属于uhf频带的频率通信。

术语“内衬”意指与充气轮胎的内部空腔的空气接触的气密橡胶层。在用于重型车辆或施工设备的充气轮胎的情况下，胎体帘布层通常包括金属增强丝线。

与引用的现有技术的文献的教导相反，尽管有邻近的金属物，根据本发明的uhf无源转发器的位置使其能够与位于充气轮胎外部的射频读取器良好地通信，并且能够良好地防护充气轮胎的所有热机械应力。

由于充气轮胎必须承受的热机械应变较小，因此该位置还允许使用比较简化的辐射天线。

术语“电联接”此处意为在两个介质之间传递电能，无论是通过电连接、感应或是电磁辐射而实现这种传递。

目前为止，当天线封装在弹性体混合物中时，超高频的频带能够获得辐射天线尺寸与无线电通信的质量之间的最佳可能折中。

优选地，辐射天线与电子芯片之间的电联接需要附加天线，所述附加天线电连接至电子芯片并电感耦合至所述辐射天线。

在这种情况下，由于去除了电子芯片与辐射天线之间的机械连接，因此根据本发明的电子装置的耐久性得到提高。因此，辐射天线所承受的热机械应力不会在剩余电子装置上产生较高的机械应变。

根据优选的实施方案，无源转发器的辐射天线为半波偶极天线。

由于这种类型的天线发出的场类似于垂直于天线的轴线的全向平面波，因此这种类型的天线能够获得在平面(例如子午线充气轮胎的径向平面)中较大的覆盖区域。此外，由于其单向几何结构，这还是一种易于生成的天线。

优选地，电子装置的辐射天线为螺旋形式。

因此，通过促进辐射天线的机械形变而不影响其工作，提高了电子装置的机械耐久性。虽然设置在使用条件下热机械应力较低的区域中，但在成形或固化操作之前将电子装置并入充气轮胎可能使辐射天线受到较大的热机械形变；通过这种几何形状，能够更简单地承受所述热机械形变。

有利地，补片包括电绝缘的弹性体混合物，所述电绝缘的弹性体混合物的厚度在1.5毫米与5毫米之间，优选地在2毫米与4毫米之间。

因此，电子装置(特别是辐射天线)电绝缘于可能干扰uhf读取器与辐射天线之间的射频波的发送的任何导电材料。术语“电绝缘”此处意为弹性体混合物的电导性在混合物的导电填充物的渗流阈值之下。

优选地，补片的位于轴向外侧的面与无源转发器的辐射天线之间的距离为至少1毫米。

此处所定义的面必须为补片的固定在充气轮胎中最深处的几何部分。在无源转发器的辐射天线与充气轮胎的弹性体混合物(所述弹性体混合物包括例如炭黑的导电填充物)之间，并入依照以上尺寸的最小厚度的电绝缘材料，确保了辐射天线关于无线电波(辐射天线通过无线电波通信)的正常工作。该特征因此提高了无源转发器的通信性能。

在具体实施方案中，补片的位于轴向内侧的面与无源转发器的辐射天线之间的距离为至少0.5毫米。

补片的位于轴向内侧的面对应于被充气轮胎的弹性体混合物的导电填充物最少包围的区域。因此，0.5毫米厚的电绝缘弹性体足以确保电子装置的辐射天线在导电填充物产生的电干扰下正常工作。

在优选的实施方案中，电子芯片连接至印刷电路以形成电路板，所述印刷电路包括其它的附加的有源或无源电子零件。

因此，通过加入例如任何类型的存储器或传感器，能够改进无源转发器的功能。通过辐射天线来询问或发送电路板的数据。

优选地，补片的位于径向内侧的端部与保护件的胎趾的径向距离为至少5毫米。

因此，由于轮辋与充气轮胎之间的接触区域不是用于装配电子装置的位置，所述区域在充气轮胎使用期间可能受到很高的应力，因此电子装置的耐久性得到提高。

根据优选的实施方案，补片固定在充气轮胎的内表面、位于轴向外侧的面上。

因此，包括在补片中的电子装置可以在制造充气轮胎后插入充气轮胎中。因此，电子装置的部件的机械特征更加灵活，能够采用更简单且更价廉的技术解决方案。

根据非常具体的实施方案，补片设置在充气轮胎的内表面上、在胎趾与保护件的位于径向外侧轴向内侧的端部之间。

在这种情况下，补片完全固定在充气轮胎的单一零件上(此处为保护件)，这能够使充气轮胎与补片之间的整个结合化学地和机械地均匀化。因此，通过避免与不同部件(例如内衬和保护件)的连接区域，补片与充气轮胎之间的结合的机械耐久性得到提高。

优选地，补片能够由包含以下成分中的至少一种的弹性体混合物制成：天然橡胶、丁基橡胶以及三元乙丙橡胶。

对于可能与tyrelife相接触的工地用的充气轮胎，补片有利地基于三元乙丙橡胶。实际上，这种弹性体能够耐受tyrelife的乙二醇成分。

根据一个具体实施方案，补片通过厚度至少为0.5毫米的结合橡胶固定至轮胎的内表面。

本发明的另一目标为一种用于读取包含在无源转发器中的数据的方法，所述无源转发器并入充气轮胎中，所述充气轮胎安装在金属车轮上并被充气，所述方法包括以下步骤：

-在充气轮胎上定位用于装配无源转发器的角位置；

-将包括辐射天线的射频读取器以垂直的方式设置于充气轮胎的外表面，所述辐射天线设置为与用于装配无源转发器的径向平面处的外表面的距离小于或等于20厘米，优选地小于或等于10厘米，非常优选地小于或等于5厘米；

-从充气轮胎的半高向参考轴线径向扫描外表面；并且

-记录无源转发器响应射频读取器的询问信号而发出的信息。

根据一个具体实施方案，射频读取器的辐射天线设置为与充气轮胎的外表面相接触。

在这种情况下，射频读取器的读取系统和辐射天线设置为工作在无源转发器(其封装在电绝缘的弹性体混合物中)的工作频率。因此，能够从充气轮胎外部读取；然而本领域技术人员不期望从将补片设置在充气轮胎这一地理区域的无源转发器接收到响应信号，无论射频读取器所发射的并且依照etsi302208标准所允许的功率如何。

能够通过充气轮胎上的特殊记号，或者通过任何检测无源转发器的手段(例如x光)，而手动或自动地定位无源转发器的角位置。

射频读取器在充气轮胎的外表面上的定位和扫描是手动的或自动的。

该读取协议首先允许相对于无源转发器位于远场，其次允许以大约这些波的波长来修改无线电通信波的路径的距离。这样能够找到射频读取器与无源转发器之间的最佳距离，从而最大限度地减少无线电波在导电材料上的反射的有害影响。

射频读取器的辐射天线与充气轮胎的外表面之间的距离影响到达无源转发器的直接无线电波和反射无线电波的强度。根据该无源转发器所需的触发能量(该触发能量具体地由电子芯片的灵敏度决定)，能够调整射频读取器与充气轮胎之间的距离。对于节能型电子芯片和低损耗充气轮胎，能够在离充气轮胎的表面最远20厘米的距离读取来自无源转发器的数据。然而，射频读取器的辐射天线与充气轮胎的外表面接触的设置为考虑到发送能量的优选情况。

附图说明

通过阅读以下附图说明，将更好地理解本发明。这些说明仅以示例的方式并且参考所附附图给出，附图中：

图1示出了充气轮胎的三维截面；

图2示出了根据本发明的充气轮胎的底部区域处在旋转参照系中的带有撕离的立体图；

图3示出了根据本发明的充气轮胎的底部区域处的径向截面视图；

图4示出了根据本发明的补片的分解视图；

图5示出了发送到设置在根据本发明的充气轮胎中的uhf无源转发器的触发射频功率根据观察频带的曲线图。

具体实施方式

在下文中，术语“轮胎”和“充气轮胎”以等同的方式使用，并涉及任何类型的充气轮胎或非充气轮胎。

图1示出了包括胎冠s的根据本发明的充气轮胎1的截面，所述胎冠s通过两个胎侧f延伸并以两个胎圈b结束。在该实施例中，轮胎1旨在于两个胎圈b处安装在重型车辆或施工设备类型的车辆车轮8(该图中未示出)上。如此限定了封闭空腔c，所述封闭空腔c包含至少一种加压流体，并由充气轮胎1的内表面13和车辆的车轮8的外表面限定。

标出参考轴线201和中平面211，所述参考轴线201对应于充气轮胎的自然旋转轴线，所述中平面211垂直于参考轴线201并与两个胎圈距离相等。参考轴线201与中平面211的交点确定了充气轮胎中心200。将在充气轮胎中心200定义笛卡尔坐标系，所述笛卡尔坐标系由参考轴线201、垂直于地面的竖直轴线203以及垂直于另两个轴线的纵向轴线202构成。此外，定义轴向平面212，其穿过参考轴线201和纵向轴线202、平行于地面平面并垂直于中平面211。最后，垂直于中平面211和轴向平面212并穿过竖直轴线203的平面将被称为竖直平面213。

充气轮胎1的任何质点由其圆柱坐标(y，r，θ)唯一限定。标量y表示在参考轴线201的方向上与充气轮胎中心200的轴向距离，其由轮胎1的质点在参考轴线201上的正交投影定义。定义围绕参考轴线201与竖直平面213形成角度θ的径向平面214。通过在垂直于参考轴线201的方向上与充气轮胎中心的距离r，在该径向平面214中定位充气轮胎1的质点，所述距离r由该质点在径向轴线204上的正交投影定义。

图2示出了胎圈b的带有撕离的立体图，从根据本发明的充气轮胎1的空腔c观察到该视图。该胎圈b包括金属环状胎圈芯2以及各种弹性体组件，所述弹性体组件包括胎体帘布层3、内衬4、保护件6、尖端5以及胎侧11。通过虚线指示胎体帘布层3的金属增强丝线15的方向。丝线15此处为径向方向，这对应于子午线充气轮胎1。清楚地看到胎趾7以及保护件6的径向外侧轴向内侧端部9。该充气轮胎还具有包括无源转发器150的补片100，所述无源转发器150包括辐射天线151和至少一个电子芯片152，所述辐射天线151由两个相等长度增量a和b的金属线股构成，所述电子芯片152联接至辐射天线151并由例如基于环氧树脂的刚性电绝缘块180覆盖。由电子装置150的辐射天线151的轴线定义界面100的纵向轴线101。在该充气轮胎1示例中，周向设置补片100。由于撕离，补片100包括第一补块121和第二补块122，所述第一补块121和所述第二补块122由电绝缘弹性体材料构成，其刚度与封装电子装置150的胎圈b的弹性体组件相配。此处，补片100的轴向外面131设置在胎体帘布层3上。轴向上，该面131位于胎体帘布层3的最小轴向位置处。径向上，补片100的下端部141和上端部142按照径向方向，以胎趾7与胎圈芯上端部12的距离之间的距离设置。补片100在轴向内面132处由充气轮胎11的内衬4覆盖。因此，该示例对应于包括无源转发器150的补片100完全插入充气轮胎1的结构内部的情况。

图3对应于在胎圈b和胎侧f的一部分处穿过补片100的充气轮胎1在径向平面214上的截面，所述胎侧f的一部分位于充气轮胎1的半高(所述截面纵向截止于此)之下。安装在车轮8上并充气至工作压力的充气轮胎1包括金属环状胎圈芯2以及各种弹性体组件，所述弹性体组件包括胎体帘布层3、内衬4、保护件6、尖端5以及胎侧11。通过虚线限定胎体帘布层3的金属丝线15的方向。对应于子午线轮胎，丝线15设置在径向平面214中。

在该实施例中，补片100包括无源转发器150和结合橡胶123，所述无源转发器150嵌入电绝缘的弹性体混合物中，所述结合橡胶123部分覆盖所述弹性体混合物；所述补片100的由辐射天线151定义的纵向轴线101在该实施例中垂直于径向平面214。该结合橡胶123设置在充气轮胎1的内表面13上保护件6处。更精确地，结合橡胶123位于橡胶尖端7与保护件6的径向外侧轴向内侧端部9之间，与车轮8所接触的胎趾7的径向距离大约为d。通过补片100的径向下端部141的径向位置(标记为r141)与胎趾7的径向位置(标记为r7)之间的差值，得到该距离d。此处，电绝缘的弹性体混合物优选地由epdm制成，其以肖氏a测量的刚度在30与80之间。结合橡胶123通常基于天然橡胶。补片100的径向外面131和径向内面132的轴向位置(分别标记为u131和u132)分别定义为通过在参考轴线201上的正交投影而获得的面的轴向距离的平均值。在该实施例中，补片100的两个面131和132的所处的轴向距离小于胎体帘布层3的轴向内侧端部(标记为u3)，所述轴向内侧端部位于充气轮胎1的半高与车轮8之间。在本文的实施例中，补片100的两个径向内侧端部141和径向外侧端部142所处的径向距离r在胎趾7的径向距离(标记为r7)与保护件6的径向外侧轴向内侧端部9的径向距离(标记为r9)之间，而小于胎圈芯径向外侧端部12的径向位置(标记为r12)。

图4为根据本发明的补片100的立体分解视图。在该实施例中，补片100包括电子装置150，所述电子装置150由螺旋形钢制单线股辐射天线151构成，所述辐射天线151形成了半波电偶极。辐射天线151的方向代表了补片100的纵向轴线101(标记为u)。该辐射天线151通过电感耦合而连接至附加天线160，所述附加天线160经由印刷电路170而电连接至电子芯片152。电子芯片152、附加天线160和印刷电路170封装在例如由环氧树脂制成的刚性电绝缘块180中。在该实施例中，辐射天线151插入第一补块121与第二补块122之间，所述第一补块121和所述第二补块122都由例如基于过氧化物epdm的电绝缘的弹性体混合物制成。平行于这些补块的厚度的方向形成竖直轴线(标记为w)，所述竖直轴线的正向由第一补块121指向第二补块122。最后，横向轴线(标记为v)用于与轴线u和轴线w形成右三面体。如果该补片旨在装配在子午线充气轮胎1中，那么补片100的轴向外面131定义为第一补块121在方向w上的下表面。相似地，在该实施例中，补片100的轴向内面132对应于第二补块122在方向w上的上表面。此外，在该实施例中，补片100的径向内侧端部141和径向外侧端部142分别由第一补块121分别在横向轴线v的正向和负向上的下边缘构成。最后，在该实施例中，通过辐射天线150与补片100的轴向外面131之间的竖直位置的差值来定义标记为e131的最小距离。相似地，在该实施例中，通过辐射天线150与补片100的轴向内面132之间的竖直位置的差值来定义标记为e132的最小距离。在子午线轮胎的情况下，补片100的纵向轴线u、横向轴线v和竖直轴线w将分别沿着充气轮胎1的周向轴线205、径向轴线204和参考轴线201定向。

图5为示出了触发无源转发器150的功率根据询问天线发射的无线电波的频率的曲线图。为此目的，使用这样的射频读取器，其能够发射在约900mhz的延伸频率范围内恒定的指定射频功率。依照根据本发明的通信协议，该射频读取器的天线与充气轮胎1的外表面14相接触，所述充气轮胎1安装在车辆轮胎8上并充气至工作压力。针对发射无线电波的每个功率水平和每个频率，观测无源转发器150的响应。该曲线图在对数尺度(以分贝表示)上示出了针对相同询问距离，触发无源转发器150的无线电波最小发射功率。在本文的实施例中，所用的无源转发器150包括50毫米长的螺旋形钢制双线股辐射天线151，所述辐射天线151嵌入3.5毫米厚的基于epdm的电绝缘混合物中，所述混合物由0.5毫米的结合橡胶(123)部分覆盖。通过这种方式形成的补片100垂直于子午线充气轮胎(1)的胎体帘布层3的金属丝线(15)设置；所述充气轮胎1的品牌为米其林，尺寸为59/80r63，安装在直径63英寸平座安装的钢制车轮上；所述补片100设置在组件的内表面13上，组件安装在与胎趾7距离45毫米处，在保护件6的径向外侧轴向内侧端部9之下。对于补片100的安装和位置的不确定性，能够认为射频转发器150与询问天线之间的距离为恒定的；所述询问天线设置在外表面14上、轮胎1的半高处。实线曲线500示出了当辐射天线151设置在与补片100的轴向外面131距离至少1.5毫米处时，触发无源转发器150所需的发射功率。虚线曲线600为触发无源转发器150所需的射频发射功率，无源转发器150的辐射天线151设置在与补片100的轴向外面131距离小于0.5毫米处。最后，曲线700表示根据etsi302208标准的最大允许功率。

首先，应注意到，当无源转发器150的辐射天线151没有充分嵌入补片100的内部时，需要至少四倍辐射功率来触发无源转发器150。随后，这还导致对无源转发器150的辐射天线151的共振的干扰；通过曲线500和曲线600的最低值的频率位置能够显示，所述共振在辐射天线151的两种装配结构之间偏离大约40mhz。这些示例示出了能够询问位于充气轮胎1的内表面13上保护件6处的无源转发器150，同时遵守发射射频功率标准。然而，这种无源转发器150的通信性能会受到其插入的补片100的特征的强烈影响。