Schwingkreise im Reifen

Zu den letzten sensorfreien Zonen im Auto gehört der Reifen, genauer: das Außenprofil. Im Innern haben viele Hersteller bereits Drucksensoren auf der Felge montiert. Doch außen, wo man gerne Verformungen und Reibung messen würde, herrschen widrige Bedingungen. Die Sensoren müssen Wasser, Schnee, Steine, Staub und Hitze aushalten können. Am Bonner Forschungszentrum caesar wurde jetzt zusammen mit dem Reifenhersteller Goodyear ein neuer Sensor entwickelt, der unter diesen Umständen noch funktioniert und berührungslos ausgelesen werden kann.

Im Labor werden Reifensensoren schon seit mehr als zehn Jahren erforscht. An der TU Darmstadt experimentierten Bert Breuer und seine Mitarbeiter zunächst mit kleinen Magneten, die sie in die Reifenprofile einklebten. Einen fingerbreit entfernt montierten sie Hall-Sonden. Bei einer Verformung verschoben sich Magnet und Hall-Sonde relativ zueinander. Die Schwankung in der Hall-Spannung diente als Maß für die Verformungskraft, aus der man wiederum auf die Haftung des Reifens schließen kann. Der Nachteil: Für die Stromversorgung und das Auslesen des Signals müssen Batterien und Schleifkontakte in den Reifen integriert werden – keine schöne Aussicht für Autohersteller. Außerdem hielten die Sensoren nur eine Geschwindigkeit von 50km/h aus.

Nicht viel größer als ein Streichholzkopf ist der Prototyp eines Sensors, der einmal an der Außenseite von Autoreifen vor Aquaplaning und Glatteis warnen könnte. (Quelle: TU Darmstadt)

Eckhard Quandt und seine Mitarbeiter vom Forschungszentrum caesar haben jetzt einen Sensor entwickelt, der etwa einen Zentimeter lang ist und zusammen mit einer Antenne in den Reifen vulkanisiert wird. Der Sensor funktioniert wie ein elektrischer Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch die Verformung des Reifens verändert wird. Der Schwingkreis wird von einem Radiofrequenzpuls angeregt. Ein Detektor im Radkasten registriert das Echo – hunderttausend Messwerte pro Sekunde. Daraus können die Forscher auf die Haftung des Reifens schließen. Auch der Reifendruck lässt sich aus den Werten ableiten. Da sowohl Scherkräfte als auch Normalkräfte die Resonanzfrequenz beeinflussen, ist die Datenauswertung kompliziert. Welche Ideen es dazu gibt und wie der Sensor genau funktioniert, will Projektleiter Eckhard Quandt allerdings nicht verraten.

In einem alternativen System von der TU Darmstadt, Continental und BMW werden über einen Funkwandler mechanische Oberflächenwellen auf einem Chip angeregt (Foto). Ähnliche Bauelemente dienen in Handys als Frequenzfilter. Auch diese Resonanzfrequenzen ändern sich, wenn ein äußerer Druck auf den Chip einwirkt.

Die neuen Reifensensoren sollen den Fahrer rechtzeitig vor Aquaplaning und Glatteis warnen und gegebenenfalls ein automatisches Gegensteuern unterstützen.

Max Rauner

Quelle: Physik Journal, Juli/August 2003, S. 15

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Geim et al., Nature Materials DOI 10.1038/ nmat 917 (2003)