CN1953881B - 运载工具接地系统的轮胎、防振连接或安全支撑体的测试装置的布线及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运载工具接地系统的橡胶物体(例如防振连接或轮胎)的测试装置，其可以包括使用在功能单元(36，38)之间电连接的导线(34)。本发明提出一种连接元件，其电线(34)或导线束被集成到支撑体(32)内，此支撑体由与轮胎橡胶相容的预硫弹性体制成。电连接元件构成测试装置组件(30)的一部分，其包括功能单元(36，38)，连接(34)和轮胎测试装置必需的其它附件(40，42)，它们被集成到支撑体(32)内，组件(30)被成形为能够粘附于硫化之前的轮胎外胎。

Description

运载工具接地系统的轮胎、防振连接或安全支撑体的测试装置的布线及方法

技术领域

本发明涉及用于运载工具接地系统的可变形物体的测试装置。

本发明尤其涉及这种可变形物体的全部测试装置所必需的电线以及其集成，从而不损害运载工具接地系统的可变形物体的机械性能。

背景技术

轮胎测试装置的目的是在轮胎中集成电子装置，例如传感器，以便能例如监测与轮胎使用和/或磨损有关的参数。

因而，现有的构想是把传感器集成到轮胎橡胶中，不管它在制造和使用期间承受的相当的变形。此外，这样的电子装置也必须包括传感器的供电装置，信号回收装置甚至信号处理装置。具体地，现有技术中描述的解决方案中建议，尽可能小例如钉子形(见文献EP-A-1,275,949)的传感器被连接到一个通常是电磁的接收天线。这些天线采用形成闭环的电导体形式，其可能在轮胎整个圆周上延伸：参见文件WO99/29522或WO99/29495。例如，为了经受它们嵌入其中的轮胎橡胶的变形，此环被配置为能够承受延伸，其导线被布置为例如锯齿形。此外，导线有时涂覆弹性涂层。然而，没有文件提到由于刚性导体和其周围的聚合物间剪切力而带来的问题。

轮胎测试装置一直属于配件，而且很清楚地，所获得的组件的主要功能仍然是确保最佳的行驶状况。特别重要地是，各种集成在轮胎内的装置不应损害其机械性能或其耐久性。

此外，有时并不希望由天线接收的信号直接传送出去。传感器的存在实际上改变了其执行测量的环境，而且钉形的传感器并不能构建关于某些参数的解决方案：有时似乎必需适当地重新定位传感器的处理电子装置，目的是尽可能较小的扰乱测量环境并且获得更加可靠的参数。另一方面，参数不能总是以未处理的状态传送，其可能需要在本地加以处理。文件EP-A-1,350,640提出的解决方案建议在橡胶中径向放置导电连接，然后在孔中填充弹性体，朝向附着在轮胎上的处理单元。即使这种定位实际上使电线受到很小的应力，该文件却并没有指出这一类型连接的长期性能如何。此外，测试装置的结构和传感器的位置在这种情况下非常受限制，如果计划放置多个传感器，则轮胎的制造过程会被延长，而且轮胎的改造可能变得十分困难。

因此，在测量不同位置的参数需要用多个单独的传感器的情况下，或传感器必须要在轮胎的圆周上均匀地分布时，传感器和处理单元之间的导电连接就是必需的了。为了可靠性，也需要把处理单元放置于轮胎内。

然而，这样的连接造成了问题，其源于这样的事实，即导电连接的导线本来不能延长，然而轮胎橡胶是弹性的，在使用期间由于相当大的变形而经受剧烈的机械应力。具体地，当前的条带线缆并不适合在此类导电连接中应用：形成支承体的绝缘材料不直接地黏附在轮胎上，导线丧失了可集成性。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点，除了别的优点以外，本发明特别地建议以下面的方式集成电子装置，该方式考虑了用于运载工具接地系统的可变形物体的固有机械特性，包括在本说明书的运载工具接地系统可以是防振连接、轮胎或安装在轮胎中的安全支承体，象安装在特别由米其林销售的PAX系统中的支承体。

应该指出，为了信息公开，本发明正文中的术语“轮胎”等同地适用于充气轮胎和弹性实心轮胎或牵引履带，所有这些术语都被解释为等同物：本发明内容目的是提供可能的方法将这些橡胶物品变成可通讯的被测试物体。

更特别地，本发明建议通过在不同的集成元件间形成从机械观点来看是非可见的导电连接、并将预成形的电子组件设置在位来增加测试装置的可靠性。

在一个方面，本发明涉及导电连接元件，导电连接元件可在运载工具接地系统的可变形物体制造过程中并且在运载工具接地系统的可变形物体硫化之前被附着到运载工具接地系统的可变形物体上。此连接元件包括导线束或配线，其由至少一根电线组成，优选由多根电线组成，所述电线可以采用互相平行的路径、并且每端可以连接到不同功能单元，从而确保导电连接；各功能单元之间的间隔范围可从例如其信号微弱的压电传感器情况下的几个毫米到例如相对于轮胎径向相对布置的两个传感器被连接到同一处理器单元情况下的十几公分。电线可以是涂铜的钢质线，其与轮胎结构中已使用的加强件性质相似。导线束根据预定的几何形状被集成到支撑体中，以使其能够承受施加在支撑体上的张力而不断裂、或相对于环绕它的支撑体在界面层面处不经受相对位移。支撑体优选由预交联的、绝缘的弹性体组成，其与轮胎领域常用的混合物相容。“相容”的含义应该被理解为，当混合物和弹性体并置时，硫化阶段能确保形成紧密的连接。

优选地，用于测试装置的功能单元本身也至少部分地集成在支撑体中。在这点上，本发明在其一个方面涉及测试装置组件，其包括被连接到导线束的至少一个功能单元，并且优选包括所有被集成在轮胎或更通常的橡胶物品中用于测试装置的电子装置。因而，组件可包括可选择地连接到控制单元的处理单元，其通过导线和至少一个传感器和/或致动器连接。它也可包括天线。

在一个优选实施例中，测试装置组件的导电连接元件的支撑体厚度很小，达到一毫米数量级，以致于其实体可在轮胎胎胚的组装期间放置在适当的位置而不用修改轮胎制造工艺。

另一个方面，本发明涉及一种方法，用于制造用于运载工具接地系统被测试橡胶物品，如被测试轮胎，更确切地说是将电子元件和它们的导电连接集成到这种物体中。

制造轮胎的传统方法包括组装轮胎的各种构件，通常是一些半成品，该方法通过以预定的顺序放置各种构件而生产出轮胎胎胚。根据本发明的方法，在组装过程中将上述导电连接元件和/或测试装置组件放置在位。根据一优选实施例，在测试装置被设置在位之前或之后，在组装期间有一个成型阶段。在后一个情形下，导线束使得在轮胎的使用期间和在成型期间在电线的表面与邻接的支撑体表面之间不发生位移。

接下来的步骤是硫化整个组装体；在硫化期间，支撑体和其周围的橡胶的弹性体链交织形成单一组合物，也就是说在二个组件之间的交联是紧密的。

本发明最后涉及用于运载工具接地系统的可变形物体例如轮胎，其包括电线，电线被集成使得电线在界面层面处相对于构成轮胎的聚合物材料不经受任何相对位移。优选地，电线与构成轮胎测试装置的功能单元相连，与这些元件邻接的橡胶是绝缘的。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过阅读下文的描述更清楚地披露，以下描述只涉及到了轮胎但并不限于轮胎，并且是通过参照附图进行描述，以下描述只是通过说明的方式给出而决不是限定于此。

图1是一个轮胎截面示意图。

图2显示了传统的轮胎测试装置。

图3显示了根据本发明的导电连接元件的示例。

图4显示了根据本发明的测试装置组件的实施例。

具体实施方式

图1显示了一个已知轮胎1的径向截面，轮胎与轮辋2，限定了充满空气的容积3。轮胎1由许多不同的装配层构成。在传统的轮胎制造过程中，例如，胎体4形成在柱体上的不透气层5上，然后，通过增加压力成型为环面。在胎体4的成型过程中，某些部分经受的延伸和/或变形达到40％或更高。

由各种加强元件形成的胎冠6附着在已成型的胎体上：用来加强轮胎的胎冠加强件6通常包括多个交叉叠置的帘布层，可选地包括环形帘布层。这些帘布层一般包括金属加强线，尤其对于交叉帘布层而言，和/或织物加强线。

接下来，通过叠加构成轮胎的各种混合物层，特别是外胎面，来完成胎坯的制造。

在成型前后放置的连续的混合物层可具有不同的特性；特别地，它们由橡胶或其它的弹性体组成，其填充了二氧化硅和/或碳黑，各种添加剂，特别是包括硫化系统。

硫化是最后一个阶段，此阶段使胎坯1形成为其确定的形状：然后将被准备安装在轮辋2上。

当然，用于轮胎1的测试装置的测量装置可以附着到橡胶7上，或者直附着到轮辋2上。然而，这种方案只能用于测试很少的轮子参数，而且也不是在轮胎1上进行的真正测量。此外，所必需的粘合连接从长期来看也是不可靠的。

因而，轮胎1的真正测试装置需要在硫化的最后阶段前集成各种装置，硫化将确保各装配层之间牢固结合并允许材料形成其充分的机械性能。此外，由于在成型阶段尺寸和形状的改变而有相当大的应力，所以优选地一旦胎体4已经成型就集成电子装置。然而，可能需要通过正确地度量电导线的几何尺寸，以将测试装置组件放置在正确的位置然后成型胎坯(下面的文字会有更详细的说明)。

根据本发明的轮胎测试装置需要在胎坯中植入功能单元，功能单元可以例如是传感器、和/或用来识别轮胎的电子标签、和/或监控装置，以及与这些实体连接的电子单元。传感器会提取感应或测量某个参数的信号：传感器可能是力传感器、和/或温度传感器、和/或压力传感器等等。可行地，这些功能单元中的一个可以是致动器，其单独动作以修改和控制参数，或者包括在带有传感器的调节回路中。

为了被供应电力和/或传递测量数据，功能单元通常连接到天线上，其通常是电磁天线。

图2是现有技术中在橡胶内具有测试装置的轮胎10的示意图。功能单元，在此是传感器12，被设计成由在轮胎10外部的发射装置14控制。远程控制可以用于电力供应和/或记录的参数通信。为此，传感器12与感应接收天线16连接，天线16被设计成与发射装置14的发射天线18电磁耦合。此接收天线16由包括电导线的两个环形成，但也可能是其它的结构。可能还要指出的是，为了应付轮胎使用中的固有变形，天线导线被成波浪形(还有已知的其它形状)布置，以便能经受轮胎特别是轮胎的变形带来的应力，而没有被损害的危险。

正如已经提到过的，现有的这种测试装置很快地达到了其极限。尤其是，记录的信号必须是简单的并且能够被直接传送到控制单元14，或者信号的处理必须直接在传感器12中执行，这样排除了将处理重新定位到远离传感器的地点的可能性，但是，重新定位有时更可取。

此外，传感器12的数量要受到限制很快变得清楚起来。然而，已被证实理想的是要在不同的点测量参数，而这些点均匀或者不均匀地分布在轮胎的周面、或者在侧壁及胎面中。这种情况下，出于效率和可靠性的考虑，似乎需要信号的处理由同一个处理单元来完成；考虑到效率和所需天线的数目，这个单元没有被定位在轮胎外面。于是，导电连接被推荐使用，根据被记录和/或测量的信号特性，导电连接由一个或多个导线组成。这种导电连接同天线一样必须面对如上所述由于轮胎使用产生的机械压力。

优选地，用于导电连接布线的金属丝与用于胎冠6的加强元件的金属丝有相似的性质。例如：通常由涂铜的钢所制成的金属丝公知地是可相容并适用于集成到轮胎混合物内，同时又能保持轮胎良好的机械性能。但是，它们这里用于导电连接的功能涉及其电阻率和传导特性，并且出于对绝缘的需要，它们都被绝缘的弹性体所围绕。

实际上，另一个位于导线上的约束源于轮胎的特性：其由填充二氧化硅和碳黑的弹性体和/或橡胶组成，具有轻微地导电性。然而，用于信号传输的导电连接需要导线之间相互绝缘，并且被安装在绝缘的环境里。

根据本发明的连接元件的电线被与支撑体相关联的集成，换句话说，其与支撑体成一体，使得在支撑体弹性变形时在导线与支撑体之间的界面处不会出现移动。在本发明中，导体和其所置的环境变形相同，但导线自身是非弹性的，维持一个固定长度。也就是说，当张力被施加到支撑体，支撑体会延长，不用导线承受阻力，这应归于其采取的几何形状；此外，在界面处，没有位移出现在导线表面与邻近导线的支撑体表面之间。为了增加粘附力，可以在嵌入支撑体之前对导线表面进行处理。

根据如图3所示的优选实施例，导电连接元件20包括由电线22组成的导线束，导线数目可能会变化，例如，其可能是12根。电线彼此之间不接触，以便避免两根电线之间因拉伸而产生的剪切力；因此，理想的是，每根导线22限定与其相邻导线平行的路径。

在一个实施例中，导线22被平放在弹性体中，呈波状.依据波动幅度，可以获得具有较宽波形几何形状的导线束24，其中的每一根导线都与另外的每根导线相“适应”(见图3A)，或者如图3B所示，具有“波动轨迹”的导线束26中的导线具有沿着平行路径的小振幅、小节距的波状.依照另一个实施例，导线22采用螺旋型线圈27的形状，如图3C和3D所示，它们表示在两个不同截面的同一几何形状.几何形状的选择具体地取决于最初的导体(如其长度，性质)、选择的用于获得该几何形状的方法、以及轮胎中将来的植入区域.总的来说，优选每根导线沿着具有正弦曲线或圆的一系列渐开线的形状的路径，或者不带有有限长度的任何直线部分的任何形状.也要考虑轮胎制造阶段中附着导线束的过程可能产生的形变.

导线束可集成到弹性体中，其采用带状线缆28的形式：一般是四边形或矩形，具有非常小的厚度，如毫米级或者更小的级别，这种连接元件20在轮胎制造阶段可以很容易的被放置在轮胎的任何位置。

嵌入电线束的弹性体与用来制造轮胎的橡胶是相容的：轮胎测试装置只是最小程度的修改了轮胎生产过程。具体地，此弹性体能够与其将被集成在其中的轮胎在相同条件下被硫化。此外，在硫化过程中，导电连接元件20和轮胎的其余部分变成一体：支撑体28的弹性体与弹性体放置在其上的混合物以及覆盖弹性体的混合物相容，使得当温度升高时，聚合物链产生交联。在这个过程的最后，也即各混合物层在商用轮胎里相互密切地结合时，聚合物就不再与其所处的环境分离，其形成了紧密的交织联接。

此外，在被集成到轮胎胚体中之前，导电连接元件20被预固化，也就是说被预交联或预硫化：这已经被证明，弹性体的开始交联确保了导线束的导线22在支撑体28中的集成和完全固定。这使元件20的几何定型成为可能：事实上，一些聚合物的连接已经形成，这样支撑体28的材料已经脱离纯塑态，即使它在硫化过程中没得到最优的机械特性。由于弹性体的最初预交联，可以在上游例如在实验室确保元件20没有缺陷，并满足测试装置不破坏轮胎特性的条件。

如图3所示的导线束具有形成导电连接的两个端部，由此可以将其连接到两个功能单元上。仅仅通过示例的方式显示出了端部的两个构造，但任何构造都具有可行性，这一点是很清楚的，这取决于被连接到此处的功能单元。

为了更好的可靠性和简化集成到轮胎或任何其它用于运载工具接地系统的可变形物体，另外还需要将连接至每一端部的功能单元嵌入构成带状线缆28的弹性体中。实际上，即使在轮胎胎坯上定位连接元件的过程中可在电线束与功能单元之间形成导电连接，也优选在轮胎的各种组件的组装过程中将预制备组件附着于轮胎上，预制备组件包括用于测试装置的大部分或甚至全部。有利地，这种测试装置组件可以在某个不同于轮胎生产线的地方制备，例如在更受控的环境中或甚至在实验室中制备。

利用导线束，组件需要呈在轮胎的制造过程中可被集成在轮胎内的形状，具体是扁平形状。组件本身可以制成圆环形，覆盖胎体4的整个径向表面和侧表面。

根据本发明的组件30显示在图4中：其用虚线表示外胎测试装置的形状。组件30包括保持其形状的支撑体32。支撑体32由上面所述的弹性体形成：其与轮胎橡胶相容且被预先交联和定型，以便获得能够容易地适应如图所示圆环面的形状。支撑体32例如全部由绝缘弹性体制成以防止电干扰影响传感器信号。它可以通过将各种元件放置和集成到未硫化的聚合物中、然后再进行预硫化来制造。

在图中，组件包括3个导线束34，它们形成组件30的互连系统.这些导线束由不同数目的导线组成，线组34a，34b，34c的导线数目不必相同，几何形状也不必相同.具体地，附着到侧壁的导线束34c承受与其它两个导线束不同性质的应力.例如图3所示，每个导线束的导线具有使它们能够承受延伸变形的几何形状.每个导线束在它们的一个端部被连接到功能处理和控制单元36.

在它们的另一端部，每个电线束被连接到三个其它功能单元38。两个功能单元38a和38b例如可以是传感器；而传感器又连接到发射或接收天线：传感器38b被连接到电磁天线40，传感器38a被连到两个射频天线42。第三个导线束34c被连接到致动器38c：随着传感器38a和38b将数据传输到单元36单元36指示致动器38c将应力施加到其所在的轮胎侧壁。

该组元件34，36，38，40，42被集成到支撑体32中，以便当张力和/或压力被施加在支撑体32上时在任何接触点不会出现有关弹性体的相对位移。因为支撑体32本身是由与轮胎橡胶相容的材料制成，轮胎和构成组件30外部的支撑体32充分连接在一起，这样在测试装置组件30与轮胎之间在交接面上没有相对位移的发生，因而剪切力不会改变轮胎的性能。可以使支撑体32拥有不同的特性，只要它的材料和橡胶相容，例如在天线40，42附近用导电微粒来局部填充弹性体。

通过说明给出的示例可以清楚地看出：可能存在不同数目的传感器，而侧壁上致动器的存在也不是必需的，天线也是可选择的、或者可以放置在与所有传感器不同的其它功能单元上，组件的形状也可以不同，例如单独地从轮胎胎面开始等等。

为制造方便，例如，不透气层和各种构成层被放置在合适的制造支承体上。在胎体成型为圆环状并被置入一些起码的胎冠帘布层后，直接将组件30放置到如此形成的组装体上，位于在两个胎冠块体之间。胎坯制备接下来正常进行，特别是放置胎面。最后的硫化形成集成了组件30的轮胎。

也有可能的是，一旦测试装置组件已经安装到位，进行轮胎成型，例如如果某些传感器必须被安装在胎体帘布层下面或者在胎体帘布层上。在这种情况下，组件30的尺寸选择成能承受变形，例如变形可能达到70％，其既来源于轮胎的制造也来源于轮胎的使用。应当指出，成型当然不是制造被测试轮胎过程中不可缺少的步骤。

因此应指出的是，对于同一个轮胎的测试装置组件的结构性伸长率可选择20～40％或者在40％到70％之间，这取决于制造轮胎过程中的其用途。

由此，由该制造工艺获得的轮胎包括了集成在其体积中的测试装置。具体地，导电连接使得电线在轮胎使用过程中在不同材料之间的界面层次上不会发生相对于轮胎橡胶的任何运动。

Claims (19)

1.一种导电连接元件(20)，其被设计成将被包括在用于运载工具接地系统的可变形物体中，所述导电连接元件包括支撑体(28，32)和导线束(24，26，34)，导线束包括能够在其两端建立导电连接的至少一根电线(22)，支撑体(28，32)基本上由弹性体构成，并且电线(22)在支撑体(28，32)中的路径为非直线形，使得支撑体(28，32)可以经受延伸而电线(22)不提供任何阻力，其特征在于，支撑体(28，32)的弹性体被预交联，并且导线束(24，26，34)与支撑体(28，32)成一体，使得在界面处没有相对位移发生在每根电线(22)的表面与邻接的支撑体(28，32)表面之间。

2.如权利要求1所述的导电连接元件，其特征在于，弹性体是绝缘的。

3.如权利要求1至2中任一项所述的导电连接元件，其特征在于，导线束(24，26，34)包括多根电线。

4.如权利要求3所述的导电连接元件，其特征在于，导线束的电线(22)采用平行路径布置。

5.如权利要求1至2中任一项所述的导电连接元件，其特征在于，每根电线(22)在支撑体内形成波状(24，26)。

6.如权利要求1至2中任一项所述的导电连接元件，其特征在于，每根电线(22)采用螺旋线圈(27)的形式。

7.如权利要求1至2中任一项所述的导电连接元件，其特征在于，导线束(24，26，27，34)由涂铜的钢质电线组成。

8.如权利要求1至2中任一项所述的导电连接元件，其特征在于，支撑体(28，32)的厚度为一毫米级。

9.一种半成品测试装置组件(30)，用于制造运载工具接地系统的橡胶物体，所述组件包括至少一个如前面权利要求任一项所述的导电连接元件(20)和连接在导电连接元件端部的功能单元(36，38)。

10.如权利要求9所述的组件(30)，其特征在于，包括多个如权利要求1至8中任一项所述的导电连接元件，所述多个导电连接元件在一个端部连接到同一功能单元(36)上。

11.如权利要求9至10中任一项所述的组件，其特征在于，所述功能单元(36)是能够进行传输和/或控制的处理单元。

12.如权利要求9至10中任一项所述的组件，其特征在于，所述功能单元(38)是传感器或致动器。

13.如权利要求9至10中任一项所述的组件，其特征在于，包括连接到功能单元(38)的至少一个天线(40，42)。

14.如权利要求13所述的组件，其特征在于，导电连接元件(20)的支撑体(32)使整个组件(30)嵌入其中，使得在支撑体受到张力作用时构成组件(30)的导线束(34)、功能单元(36，38)和天线(40，42)在界面层面上相对于支撑体(32)不经受相对位移。

15.一种用于制造运载工具接地系统的被测试橡胶物体的方法，其包括以下步骤：

-在合适制造的支撑体上设置所述运载工具接地系统的橡胶物体的至少第一部件以形成第一装配体；

-将如权利要求1至8中任一项所述的导电连接元件(20)或如权利要求9至14中任一项所述的测试装置组件(30)设置在第一装配体上，以形成第二装配体；

-在第二装配体上设置第二部件以形成运载工具接地系统的橡胶物体的坯体；

-硫化所述坯体。

16.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，其用于制造轮胎，并且还包括成型第一装配体的步骤。

17.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，其用于制造被测试轮胎，并且还包括成型第二装配体的步骤，在此期间，导线束的电线(22，34)的表面相对于其支撑体(28，32)的直接邻接表面不经受任何位移。

18.一种轮胎，包括如权利要求1至8中任一项所述的导电连接元件。

19.如权利要求18所述的轮胎，其特征在于，包括连接至导电连接元件(20)的集成功能单元(36，38)。

Images