Разработка датчика давления воздуха в шинах без источников электропитания, без радиопередатчиков и измеряющего угловые скорости колес
31 Мая 2023
Международная заявка PCT/RU2021/000332
Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах автомобиля и угловых скоростей колес
Публикация в PATENTSCОPE от 09.02.2023 г, номер WO2023014239
При отличии давления воздуха в шинах от оптимального давления расход топлива может возрасти на 4 % , кроме того, не реализуется заявленный ресурс шины.
Контроль температуры воздуха в шинах не менее важен, чем контроль давления. Можно сказать, что контроль температуры в шинах − это превентивная мера диагностики ходовой части (например, по различной температуре в колесах можно определить необходимость проведения развала-схождения колес).
Различают два вида систем контроля давления в шинах: система с косвенным измерением давления и система прямого измерения давления.
Системы прямого измерения давления воздуха в шине автомобиля имеют преимущество перед системами с косвенным измерением давления, т. к. измеряют непосредственно давление воздуха в шине, а не радиус качения шины, который может изменяться не только из-за изменения давления воздуха, но и в силу многих других причин.
Системы прямого измерения давления выполняются в двух вариантах по способу установки датчиков давления:
1. Система с внутренними датчиками давления; внутренний датчик давления устанавливается на ободе колеса внутри шины;
2. Система с внешними датчиками давления; внешний датчик давления устанавливаются вместо колпачка на вентиль шины.
Система прямого измерения давления с внутренними датчиками давления
Система с внутренними датчиками давления содержит на каждом колесе внутри шины датчик давления, представляющий собой сложное устройство, объединяющее электронные блоки управления, измерения давления и температуры, аккумулятор, генератор электромагнитных волн и передающую антенну.
«Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес»
Описание изобретения
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автомобилестроении, тракторостроении.
Одним из направлений в решении проблемы создания простых устройств с прямыми измерениями давлений и температур в шинах, является разработка устройств не содержащих, установленных на ободе колеса сложных радиотехнических устройств, требующих для своей работы электропитания: радиопередатчиков, датчиков давления и температуры и др.
Такие устройства имеют много преимуществ, например: простота конструкции; высокая надежность; низкая цена; увеличенный срок службы; простота технического обслуживания; индукционная передача информации о давлении и температуре с колеса, следовательно, устранение проблем, связанных с использованием электромагнитных волн.
Одно из возможных решений указанной проблемы, реализовано в устройстве для контроля за давлением в шине автомобиля (Патент РФ № 2009898, B60C23/04, 1992 г), являющегося аналогом пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес. Действующая модель этого устройства была представлена на выставке BRUSSELS EUREKA ‘96 и была удостоена диплома и бронзовой медали.
Опытный образец устройства для контроля за давлением в шине автомобиля был испытан в 1999 г. в АО «Москвич» г. Москва.
Испытания подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований физических основ измерительной системы с индукционной передачей сигнала с перемещающегося объекта на неподвижный измерительный узел, которые были использованы при разработке пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес.
В частности, были получены теоретически и подтверждены экспериментально математические модели электрических сигналов и напряжений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемое изобретение «Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес» содержит, установленные на ободе колеса или на шине, конструктивные детали, генерирующие магнитные поля, сенсоры давления и температуры, генерирующие при вращении колеса во внешнем магнитном поле, собственные магнитные поля, зависящие, соответственно, от давления и температуры. Вблизи обода колеса или шины установлен генератор сигналов, генерирующий внешнее магнитное поле, и генерирующий, при воздействии на него собственного магнитного поля сенсора давления (температуры), электрический сигнал, зависящий от давления (температуры), и генерирующий, при вращении колеса, электрические напряжения, при воздействии на него магнитных полей конструктивных деталей. При осуществлении беспроводной передачи информации, вблизи генератора сигналов установлен, связанный с ним в электрическую цепь, пассивный беспроводной узел передачи информации с программным обеспечением обработки электрических сигналов и напряжений для определения информации о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса, электропитание которого осуществляется электрическими сигналами и напряжениями. В салоне транспортного средства установлен беспроводной узел отображения информации, полученной от пассивного беспроводного узла передачи информации. При осуществлении проводной передачи информации в салоне транспортного средства установлен, связанный в электрическую цепь с генератором сигналов пассивный проводной узел отображения информации с программным обеспечением обработки электрических сигналов и напряжений для определения информации о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса, электропитание которого осуществляется электрическими сигналами и напряжениями.
Целями заявляемого изобретения являются:
1. Измерения угловых скоростей и угловых ускорений колес транспортного средства;
2. Сохранение целостности обода колеса, выполненного из материала с магнитной проницаемостью много большей единицы, например, стали, при размещении сенсоров давления и сенсоров температуры внутри шины;
3. Передача информации с пассивного беспроводного узла передачи информации на беспроводной
узел отображения информации без использования электромагнитных волн.
Первая цель достигается использованием программного обеспечения обработки электрических сигналов и электрических напряжений, установленного на соответствующем узле пассивного измерителя.
Знание угловой скорости вращения колеса необходимо для работы алгоритмов обнаружения, оценки параметров электрических сигналов, и, следовательно, для оценки давления и температуры.
При необходимости информация об угловой скорости колеса может передаваться на другие системы транспортного средства, для работы которых необходимо знание угловых скоростей колес, например, систем ABS, ESP.
Вторая цель достигается тем, что в случае использования стального обода колеса сенсор давления (температуры) размещается внутри шины не на ободе колеса, а на самой шине, например, одним из возможных вариантов является размещение сенсора давления (температуры) на боковине шины.
Материал, из которого сделана боковина шины, является немагнитным, следовательно, внешнее магнитное поле генератора сигналов, размещенного вблизи шины, присутствует внутри шины и собственное магнитное поле сенсора создает электрический сигнал в генераторе сигналов.
В случае использования колеса, с ободом, изготовленным из немагнитного материала с малой магнитной проницаемостью, экранирование внешнего магнитного поля не происходит и сенсор давления (температуры) может устанавливаться внутри шины на внешней поверхности обода колеса.
Третья цель достигается тем, что беспроводной узел передачи информации содержит генератор и излучатель звуковых волн, и передача информации осуществляется кодированными звуковыми сигналами.
По сравнению с известными устройствами контроля давлений и температур воздуха в шинах с прямыми измерениями, пассивный измеритель имеет преимущества, например:
1. Пассивный измеритель не нуждается в источниках электропитания;
2. На колесе отсутствуют радиопередатчики, датчики давления и температуры, подвижные механические части;
3. Индуктивная передача электрических сигналов и напряжений с колеса на генератор сигналов, установленный на грязезащитном щитке тормоза вблизи колеса, исключает использование электромагнитных волн для этой цели и, следовательно, устраняются все проблемы, связанные с использованием электромагнитных волн;
4. Простая конструкция, небольшие размеры и небольшие массы сенсоров давления (и температуры, генератора сигналов, пьезоизлучателя, низкая стоимость пассивного измерителя;
5 Возможность использования пассивного измерителя на колесах с камерными и бескамерными шинами;
6. Возможность измерения угловых скоростей колес пассивным измерителем может привести к отказу от использования на транспортном средстве других устройств измерения угловых скоростей, например, системы ABS, состоящей из зубчатого ротора и датчика угловой скорости колеса, что приведет к снижению цены на систему ABS, к повышению ее надежности
7. Возможность использования проводной связи генератора сигналов с узлом отображения информации, устраняющей многие проблемы, возникающие при осуществлении беспроводной связи;
8. Возможность использования звуковых волн для беспроводной передачи информации с генератора сигналов на узел отображения информации, устраняющая многие проблемы, возникающие при использовании электромагнитных волн для этой цели;
9. Низкая стоимость пассивного измерителя, особенно для автопоездов, имеющих много колес;
10. Отсутствие необходимости в «прописке» сенсоров давления (температуры) после проведения шиномонтажных работ, т. к. сигналы в блок отображения информации передает генератор сигналов, установленный на грязезащитном щитке тормоза, а не на колесе;
11. Возможность использования без «прописки» произвольного количества комплектов колес с установленными на них сенсорами давления (температуры).
Оценка экономической выгоды
Предварительная оценка экономической выгоды, при продвижении на рынок пассивного измерителя, проведена с использованием усредненных розничных цен на составные части пассивного измерителя, взятых из различных сайтов, размещенных в интернете, по состоянию на май 2023 г.
Цена пассивного измерителя нуждается в обосновании при проведении проектных работ по разработке рабочей документации на изделие.
Примерная розничная цена покупных изделий для производства сенсора давления:
1. Медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;
2. Резистивный датчик давления диаметром ~ 15 мм, массой ~ 7 гр., цена ~ 120 руб.
Итого цена сенсора давления составит ~ 125 руб.
Примерная розничная цена покупных изделий для производства сенсора температуры:
1. Медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;
2. Термистор диаметром ~ 11 мм, массой ~ 1 гр., цена ~ 30 руб.
Итого цена сенсора давления составит ~ 35 руб.
Генератор сигналов состоит из кронштейна, на котором устанавливается постоянный магнит, а на постоянном магните устанавливается катушка индуктивности.
Можно использовать ферритовый цилиндрический постоянный магнит диаметром ~16 мм, высотой ~6 мм; ценой ~10 руб.
Можно использовать неодимовый цилиндрический постоянный магнит диаметром ~10 мм, высотой ~4 мм; ценой ~50 руб.
Катушку индуктивности лучше изготавливать собственными силами, цена катушки индуктивности составит ~60 руб
Цена кронштейна из стали составит ~20 руб.
Итого цена генератора сигналов составит ~ 90 – 130 руб.
При беспроводной передаче данных о давлении и температуре воздуха в шине дополнительно к генератору сигналов устанавливается беспроводной узел передачи информации, например, пьезоизлучатель.
Беспроводной узел передачи информации и блок отображения информации для пассивного измерителя лучше изготавливать своими силами.
Ориентировочно, в качестве цены беспроводного узла передачи информации примем розничную цену пьезоизлучателя ~ 600 руб.
Также в качестве цены узла отображения информации примем розничную цену пьезоизлучателя ~ 600 руб.
На четырехколесный автомобиль цена пассивного измерителя составит ~
4000 руб.
Цена TPMS меняется от ~3000 руб. до ~30000 руб., в зависимости от производителя системы контроля.
С учетом многих других преимуществ пассивной системы перед системой TPMS можно считать, что установка на автомобиль пассивной системы является предпочтительнее установки системы TPMS.
Прибыль производителя может ставить 1000 руб. на один произведенный и проданный комплект пассивной системы.
В предположении, что пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес будет выдавать измеренные значения угловых скоростей в систему ABS, отпадет необходимость использования зубчатого ротора и датчика угловой скорости колеса системы ABS.
Усредненная цена зубчатого ротора составляет ~ 1500 руб., а датчика угловой скорости колеса ~ 1000 руб.
Следовательно, цена системы ABS снизится на 2500 руб.
Прибыль производителя за счет упрощения системы ABS может ставить 1000 руб. на один произведенный и проданный комплект пассивной системы.
Суммарная прибыль производителя на один проданный комплект пассивной системы может составить 2000 руб.
При организации производства пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес такие составные части изделия, как медные шайбы, резистивные датчики давления, терморезисторы, постоянные магниты лучше закупать оптом по цене в два − три раза меньшей розничной цены.Производство генератора сигналов (ожидаемая стоимость ~ 50 руб.), пьезоизлучателя (ожидаемая стоимость ~ 400 руб.) и блока отображения информации (ожидаемая стоимость ~ 400 руб.) можно наладить собственными силами.
Рассмотрю предложения по коммерциализации прав на изобретение
Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах автомобиля и угловых скоростей колес
Публикация в PATENTSCОPE от 09.02.2023 г, номер WO2023014239
При отличии давления воздуха в шинах от оптимального давления расход топлива может возрасти на 4 % , кроме того, не реализуется заявленный ресурс шины.
Контроль температуры воздуха в шинах не менее важен, чем контроль давления. Можно сказать, что контроль температуры в шинах − это превентивная мера диагностики ходовой части (например, по различной температуре в колесах можно определить необходимость проведения развала-схождения колес).
Различают два вида систем контроля давления в шинах: система с косвенным измерением давления и система прямого измерения давления.
Системы прямого измерения давления воздуха в шине автомобиля имеют преимущество перед системами с косвенным измерением давления, т. к. измеряют непосредственно давление воздуха в шине, а не радиус качения шины, который может изменяться не только из-за изменения давления воздуха, но и в силу многих других причин.
Системы прямого измерения давления выполняются в двух вариантах по способу установки датчиков давления:
1. Система с внутренними датчиками давления; внутренний датчик давления устанавливается на ободе колеса внутри шины;
2. Система с внешними датчиками давления; внешний датчик давления устанавливаются вместо колпачка на вентиль шины.
Система прямого измерения давления с внутренними датчиками давления
Система с внутренними датчиками давления содержит на каждом колесе внутри шины датчик давления, представляющий собой сложное устройство, объединяющее электронные блоки управления, измерения давления и температуры, аккумулятор, генератор электромагнитных волн и передающую антенну.
«Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес»
Описание изобретения
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автомобилестроении, тракторостроении.
Одним из направлений в решении проблемы создания простых устройств с прямыми измерениями давлений и температур в шинах, является разработка устройств не содержащих, установленных на ободе колеса сложных радиотехнических устройств, требующих для своей работы электропитания: радиопередатчиков, датчиков давления и температуры и др.
Такие устройства имеют много преимуществ, например: простота конструкции; высокая надежность; низкая цена; увеличенный срок службы; простота технического обслуживания; индукционная передача информации о давлении и температуре с колеса, следовательно, устранение проблем, связанных с использованием электромагнитных волн.
Одно из возможных решений указанной проблемы, реализовано в устройстве для контроля за давлением в шине автомобиля (Патент РФ № 2009898, B60C23/04, 1992 г), являющегося аналогом пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес. Действующая модель этого устройства была представлена на выставке BRUSSELS EUREKA ‘96 и была удостоена диплома и бронзовой медали.
Опытный образец устройства для контроля за давлением в шине автомобиля был испытан в 1999 г. в АО «Москвич» г. Москва.
Испытания подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований физических основ измерительной системы с индукционной передачей сигнала с перемещающегося объекта на неподвижный измерительный узел, которые были использованы при разработке пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес.
В частности, были получены теоретически и подтверждены экспериментально математические модели электрических сигналов и напряжений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемое изобретение «Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес» содержит, установленные на ободе колеса или на шине, конструктивные детали, генерирующие магнитные поля, сенсоры давления и температуры, генерирующие при вращении колеса во внешнем магнитном поле, собственные магнитные поля, зависящие, соответственно, от давления и температуры. Вблизи обода колеса или шины установлен генератор сигналов, генерирующий внешнее магнитное поле, и генерирующий, при воздействии на него собственного магнитного поля сенсора давления (температуры), электрический сигнал, зависящий от давления (температуры), и генерирующий, при вращении колеса, электрические напряжения, при воздействии на него магнитных полей конструктивных деталей. При осуществлении беспроводной передачи информации, вблизи генератора сигналов установлен, связанный с ним в электрическую цепь, пассивный беспроводной узел передачи информации с программным обеспечением обработки электрических сигналов и напряжений для определения информации о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса, электропитание которого осуществляется электрическими сигналами и напряжениями. В салоне транспортного средства установлен беспроводной узел отображения информации, полученной от пассивного беспроводного узла передачи информации. При осуществлении проводной передачи информации в салоне транспортного средства установлен, связанный в электрическую цепь с генератором сигналов пассивный проводной узел отображения информации с программным обеспечением обработки электрических сигналов и напряжений для определения информации о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса, электропитание которого осуществляется электрическими сигналами и напряжениями.
Целями заявляемого изобретения являются:
1. Измерения угловых скоростей и угловых ускорений колес транспортного средства;
2. Сохранение целостности обода колеса, выполненного из материала с магнитной проницаемостью много большей единицы, например, стали, при размещении сенсоров давления и сенсоров температуры внутри шины;
3. Передача информации с пассивного беспроводного узла передачи информации на беспроводной
узел отображения информации без использования электромагнитных волн.
Первая цель достигается использованием программного обеспечения обработки электрических сигналов и электрических напряжений, установленного на соответствующем узле пассивного измерителя.
Знание угловой скорости вращения колеса необходимо для работы алгоритмов обнаружения, оценки параметров электрических сигналов, и, следовательно, для оценки давления и температуры.
При необходимости информация об угловой скорости колеса может передаваться на другие системы транспортного средства, для работы которых необходимо знание угловых скоростей колес, например, систем ABS, ESP.
Вторая цель достигается тем, что в случае использования стального обода колеса сенсор давления (температуры) размещается внутри шины не на ободе колеса, а на самой шине, например, одним из возможных вариантов является размещение сенсора давления (температуры) на боковине шины.
Материал, из которого сделана боковина шины, является немагнитным, следовательно, внешнее магнитное поле генератора сигналов, размещенного вблизи шины, присутствует внутри шины и собственное магнитное поле сенсора создает электрический сигнал в генераторе сигналов.
В случае использования колеса, с ободом, изготовленным из немагнитного материала с малой магнитной проницаемостью, экранирование внешнего магнитного поля не происходит и сенсор давления (температуры) может устанавливаться внутри шины на внешней поверхности обода колеса.
Третья цель достигается тем, что беспроводной узел передачи информации содержит генератор и излучатель звуковых волн, и передача информации осуществляется кодированными звуковыми сигналами.
По сравнению с известными устройствами контроля давлений и температур воздуха в шинах с прямыми измерениями, пассивный измеритель имеет преимущества, например:
1. Пассивный измеритель не нуждается в источниках электропитания;
2. На колесе отсутствуют радиопередатчики, датчики давления и температуры, подвижные механические части;
3. Индуктивная передача электрических сигналов и напряжений с колеса на генератор сигналов, установленный на грязезащитном щитке тормоза вблизи колеса, исключает использование электромагнитных волн для этой цели и, следовательно, устраняются все проблемы, связанные с использованием электромагнитных волн;
4. Простая конструкция, небольшие размеры и небольшие массы сенсоров давления (и температуры, генератора сигналов, пьезоизлучателя, низкая стоимость пассивного измерителя;
5 Возможность использования пассивного измерителя на колесах с камерными и бескамерными шинами;
6. Возможность измерения угловых скоростей колес пассивным измерителем может привести к отказу от использования на транспортном средстве других устройств измерения угловых скоростей, например, системы ABS, состоящей из зубчатого ротора и датчика угловой скорости колеса, что приведет к снижению цены на систему ABS, к повышению ее надежности
7. Возможность использования проводной связи генератора сигналов с узлом отображения информации, устраняющей многие проблемы, возникающие при осуществлении беспроводной связи;
8. Возможность использования звуковых волн для беспроводной передачи информации с генератора сигналов на узел отображения информации, устраняющая многие проблемы, возникающие при использовании электромагнитных волн для этой цели;
9. Низкая стоимость пассивного измерителя, особенно для автопоездов, имеющих много колес;
10. Отсутствие необходимости в «прописке» сенсоров давления (температуры) после проведения шиномонтажных работ, т. к. сигналы в блок отображения информации передает генератор сигналов, установленный на грязезащитном щитке тормоза, а не на колесе;
11. Возможность использования без «прописки» произвольного количества комплектов колес с установленными на них сенсорами давления (температуры).
Оценка экономической выгоды
Предварительная оценка экономической выгоды, при продвижении на рынок пассивного измерителя, проведена с использованием усредненных розничных цен на составные части пассивного измерителя, взятых из различных сайтов, размещенных в интернете, по состоянию на май 2023 г.
Цена пассивного измерителя нуждается в обосновании при проведении проектных работ по разработке рабочей документации на изделие.
Примерная розничная цена покупных изделий для производства сенсора давления:
1. Медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;
2. Резистивный датчик давления диаметром ~ 15 мм, массой ~ 7 гр., цена ~ 120 руб.
Итого цена сенсора давления составит ~ 125 руб.
Примерная розничная цена покупных изделий для производства сенсора температуры:
1. Медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;
2. Термистор диаметром ~ 11 мм, массой ~ 1 гр., цена ~ 30 руб.
Итого цена сенсора давления составит ~ 35 руб.
Генератор сигналов состоит из кронштейна, на котором устанавливается постоянный магнит, а на постоянном магните устанавливается катушка индуктивности.
Можно использовать ферритовый цилиндрический постоянный магнит диаметром ~16 мм, высотой ~6 мм; ценой ~10 руб.
Можно использовать неодимовый цилиндрический постоянный магнит диаметром ~10 мм, высотой ~4 мм; ценой ~50 руб.
Катушку индуктивности лучше изготавливать собственными силами, цена катушки индуктивности составит ~60 руб
Цена кронштейна из стали составит ~20 руб.
Итого цена генератора сигналов составит ~ 90 – 130 руб.
При беспроводной передаче данных о давлении и температуре воздуха в шине дополнительно к генератору сигналов устанавливается беспроводной узел передачи информации, например, пьезоизлучатель.
Беспроводной узел передачи информации и блок отображения информации для пассивного измерителя лучше изготавливать своими силами.
Ориентировочно, в качестве цены беспроводного узла передачи информации примем розничную цену пьезоизлучателя ~ 600 руб.
Также в качестве цены узла отображения информации примем розничную цену пьезоизлучателя ~ 600 руб.
На четырехколесный автомобиль цена пассивного измерителя составит ~
4000 руб.
Цена TPMS меняется от ~3000 руб. до ~30000 руб., в зависимости от производителя системы контроля.
С учетом многих других преимуществ пассивной системы перед системой TPMS можно считать, что установка на автомобиль пассивной системы является предпочтительнее установки системы TPMS.
Прибыль производителя может ставить 1000 руб. на один произведенный и проданный комплект пассивной системы.
В предположении, что пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес будет выдавать измеренные значения угловых скоростей в систему ABS, отпадет необходимость использования зубчатого ротора и датчика угловой скорости колеса системы ABS.
Усредненная цена зубчатого ротора составляет ~ 1500 руб., а датчика угловой скорости колеса ~ 1000 руб.
Следовательно, цена системы ABS снизится на 2500 руб.
Прибыль производителя за счет упрощения системы ABS может ставить 1000 руб. на один произведенный и проданный комплект пассивной системы.
Суммарная прибыль производителя на один проданный комплект пассивной системы может составить 2000 руб.
При организации производства пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес такие составные части изделия, как медные шайбы, резистивные датчики давления, терморезисторы, постоянные магниты лучше закупать оптом по цене в два − три раза меньшей розничной цены.Производство генератора сигналов (ожидаемая стоимость ~ 50 руб.), пьезоизлучателя (ожидаемая стоимость ~ 400 руб.) и блока отображения информации (ожидаемая стоимость ~ 400 руб.) можно наладить собственными силами.
Рассмотрю предложения по коммерциализации прав на изобретение
Последние новости раздела
2 октября 2023
2 октября 2023
2 октября 2023
1 октября 2023