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OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

11 Número de publicación: 2 227 494

51 Int. Cl. : B60C 11/24

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B60C 23/04

ESPAÑA

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TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA

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86 Número de solicitud europea: 03009401 .5

86 Fecha de presentación: 25.04.2003

87 Número de publicación de la solicitud: 1356957

87 Fecha de publicación de la solicitud: 29.10.2003

54 Título: Neumático montable sobre una llanta, red de sensores, unidad de medida de revoluciones y sistema

de vigilancia del vehículo. 30 Prioridad: 26.04.2002 DE 102 18 781

73 Titular/es: TÜV Automotive GmbH

Unternehmensgruppe TÜV Süddeutschland Ridlerstrasse, 65 80339 München, DE

45 Fecha de publicación de la mención BOPI:

72 Inventor/es: Schick, Bernhard

01.04.2005

45 Fecha de la publicación del folleto de la patente:

74 Agente: Cañadell Isern, Roberto

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01.04.2005

Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCIÓN Neumático montable sobre una llanta, red de sensores, unidad de medida de revoluciones y sistema de vigilancia del vehículo. La invención se refiere a un neumático que se puede montar sobre una llanta, que en su interior presenta una multitud de unidades sensoras dispuestas por lo menos en la zona de la superficie de rodadura, para determinar por lo menos un parámetro de trabajo. La invención se refiere además a un sistema de vigilancia del vehículo. Un neumático respecto a esta especie se conoce por la patente US-A-5573610. Los neumáticos de las ruedas transmiten el contacto entre la calzada y el vehículo. Los neumáticos tienen por lo tanto una importancia múltiple: influyen en el confort de rodadura, en la resistencia a la marcha, en la seguridad de marcha y en otras muchas cosas, y por lo tanto constituyen un componente decisivo para la funcionalidad de un vehículo. Los neumáticos están sujetos durante el funcionamiento a cargas considerables. Además de las influencias del medio ambiente causadas por gases, luz y líquidos y las solicitaciones mecánicas tales como la carga del vehículo, el ajuste de los ángulos de avance y caída, la vida útil y el comportamiento de funcionamiento de un neumático es de importancia decisiva la presión de inflado del neumático, es decir la presión de aire que hay en el interior del neumático. En particular una presión de aire demasiado escasa da lugar a un exceso de trabajo de flexión del neumático, con lo cual aumenta la temperatura del neumático, en particular en la zona del borde de la banda de rodadura. Una temperatura elevada no solamente daña a la goma del neumático propiamente dicha, sino también a su unión con la carcasa y demás refuerzos del neumático, por ejemplo con un cinturón. En conjunto es importante mantener reducida la potencia de pérdidas condicionada por el neumático, que se manifiesta no sólo en la solicitación mecánica sino también en una mayor temperatura del neumático. La invención tiene como objetivo indicar una posibilidad mediante la cual se pueda captar la seguridad funcional de un neumático que se pueda montar sobre una llanta. La reivindicación 1 caracteriza una solución básica de este objetivo. Por el hecho de que en el neumático estén dispuestos multitud de sensores, se pueden determinar los parámetros de trabajo del neumático tales como la temperatura, presión, solicitación mecánica, etc., que están disponibles para un análisis que no solamente permite sacar conclusiones relativas al neumático propiamente dicho sino también a los parámetros de funcionamiento del vehículo. Las sub-reivindicaciones 2 a 12 se refieren a realizaciones ventajosas del neumático según la reivindicación 1. La reivindicación 13 muestra un sistema de vigilancia del vehículo que comprende un neumático conforme a una de las reivindicaciones 1 a 12. La invención es adecuada para neumáticos que se puedan montar sobre la llanta para toda clase de vehículos, también de aviones. La invención se describe a continuación con más detalles a título de ejemplo mediante dibujos esquemáticos. Las Figuras muestran: Figura 1 una sección a través de la mitad superior de un neumático de vehículo así como partes de un 2

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sistema de vigilancia del vehículo. Figura 2 esquemáticamente una posibilidad de leer datos del neumático. Figuras 3-5 vistas de partes de una red de sensores, extendida. Figura 6 esquemáticamente un sensor. Figura 7 esquemáticamente una unidad sensora autárquica. La Figura 1 muestra una sección a través de un neumático de construcción radial, que presenta una carcasa 4 que está compuesta por ejemplo a base de dos capas radiales de hilos de rayón, y que termina radialmente hacia el interior en los talones 6. Para estabilizar los talones 6 hay unos núcleos 8 incorporados en sus extremos radiales interiores. En la zona radial exterior de la carcasa 4 está situado un cinturón 10, que se compone por ejemplo de dos capas cruzadas de hilos de acero y dos capas periféricas de hilos de nylon. Encima de la carcasa o del cinturón 10 va vulcanizada una capa de caucho 12, que en la zona radial exterior forma la banda de rodadura 14, y que en la parte lateral forma unas paredes laterales 16 relativamente delgadas. Los talones 6 van alojados en los rebordes 18 de una llanta 20, que a su vez está unida formando una sola pieza con un disco de rueda que no está representado. El neumático es una construcción estanca al aire, de manera que se puede aplicar aire comprimido al interior del neumático a través de una válvula 22 colocada en la llanta. La estructura de neumático descrita es de por sí conocida y por lo tanto no se describe con mayor detalle. La estructura sólo se da a título de ejemplo. La invención se puede utilizar también para neumáticos con una forma de construcción distinta. Entre el cinturón 10 y la carcasa 4 está dispuesta una red de sensores 24, por ejemplo incorporada por laminación o vulcanización, que contiene unas unidades de sensores que no están representados en la Figura 1. En el ejemplo representado, las unidades de sensores se pueden leer mediante una antena 26 que va fija en el vehículo, que está conectada a un aparato de mando 28, que puede tener otras entradas 30, salidas 32 unidas a sensores del vehículo o a otros equipos de mando así como una línea de datos 34 conectada a un sistema de bus. La Figura 3 muestra esquemáticamente tres antenas 26 situadas en una aleta de un vehículo y separadas en dirección periférica, y en caso de necesidad también decaladas entre sí en dirección transversal del vehículo, que están en comunicación con por lo menos un transpondedor 36 contenido en la red de sensores 24 o conectado a un nudo de la red de sensores. Según la disposición del transpondedor o de los transpondedores, se puede prever un número mayor o menor de antenas fijas en el vehículo. Las Figuras 3 a 5 muestran vistas en planta de la red de sensores 24, desde la cara interior del neumático, con el cinturón 10 situado debajo de ella. En la forma de realización según la Figura 3, las unidades de sensores 38 que forman parte de la red de sensores 24 están unidas por medio de sendas líneas 40 con un nudo 42 que contiene el transpondedor 36. En la forma de realización según la Figura 4 hay respectivamente varios sensores 38 dispuestos uno tras otro en serie, unidos al transpondedor 36 a través de sendas líneas comunes 40. La Figura 5 muestra una forma de realización en la que las líneas 40 forman una red romboidal 41, que

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está conectada al transpondedor 36 en el nudo 42. Las líneas filiformes 40 están constituidas convenientemente de cables de acero, carbono, plástico conductor y otros conductores eléctricos conocidos por ejemplo del sector aeroespacial, que estarán combinados con otros materiales o fibras para obtener el aislamiento necesario y la descarga de tracción, por ejemplo con carbono, aramida, cable de acero con plástico, fibra cerámica con plástico conductor, etc., en cuyo caso los hilos o líneas de los materiales compuestos han de ser resistentes a los productos químicos y al calor para no sufrir daños al vulcanizar el neumático, y han de presentar unas propiedades mecánicas que soporten las solicitaciones que surjan durante la marcha del neumático. Según la técnica de tratamiento de datos, cada unidad sensora 38 está unida al nudo central a través de una o varias líneas eléctricamente aisladas entre sí, o las distintas unidades de sensores utilizan conjuntamente líneas cuando las unidades sensoras disponen por ejemplo de procesadores propios y pueden ser consultadas por el transpondedor 36 individualmente con técnica de multiplexado o técnica de bus. Dentro de la red de conductores o hilos 41 se pueden realizar por lo tanto por ejemplo las disposiciones de circuito de la Figura 3 o de la Figura 4. Según el número de sensores deseado o la dotación de unidades de sensores del neumático, se forma con los conductores necesarios 40 una red de conductores o hilos 41 que, equipada con las unidades de sensores 38 forma la red de sensores 24, que está situada entre el cinturón 10 y la carcasa 4, y que queda empotrada en el vulcanizado durante la fabricación del neumático. La anchura de la red de sensores 24, que en la Figura 1 es algo mayor que la de la carcasa 10, puede llegar hasta dentro de las paredes laterales 16, según el número de unidades de sensores deseada, o bien no puede recubrir enteramente el cinturón 10. Igualmente no es obligatorio que la red de sensores 24 se extienda por todo el perímetro del neumático (visto en su dirección de marcha). Los distintos hilos de la red pueden ser multifilares. Una masa para todas las unidades de sensores 38 y el transpondedor puede estar formada por la tapa de acero del cinturón 10, con la cual se une de forma conductora cada una de las unidades de sensores y el transpondedor 36. En la zona de realización representada, el nudo 42 forma por ejemplo un substrato básico con pistas conductoras para la conexión de los conductores 40 y de los elementos del transpondedor colocados sobre el substrato básico, tales como procesador, memoria, antena y eventualmente alimentación de energía. Según el diseño, los hilos mecánicamente estables se pueden extender a través de todo el substrato o pueden estar unidos con elementos extensométricos para medir la fuerza, y que estén integrados en el substrato. Según las magnitudes físicas o parámetros de trabajo del neumático, las unidades sensoras 38 pueden ser de la clase más diversa. Las unidades sensoras 38 pueden contener varios elementos sensores, por ejemplo uno para medir la temperatura, uno para medir la presión de aire en el neumático, uno para medir la presión que actúa desde el cinturón así como células extensométricas para medir las fuerzas que actúan desde los hilos o las dilataciones (Figura 5) que dan una magnitud de la dilatación local respectiva de la estructura del neumático. Mediante una distribución suficientemente densa

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de unidades sensoras en toda la superficie de rodadura del neumático (área de contacto), las informaciones están presentes en una forma que permite la representación de la magnitud respectiva que se haya medido en función de la superficie respectiva. Estas representaciones se pueden utilizar de forma diversa tal como se explicará más adelante. Las mediciones de presión se pueden realizar por ejemplo mediante láminas sensibles a la presión o microcélulas de medida con piezoelementos o condensadores. Las dilataciones de la estructura del neumático se pueden medir con láminas sensibles a la dilatación o células de micromedida (piezoeléctricas o según el principio del condensador). La distribución de la temperatura también se puede determinar de forma similar por procedimiento piezoeléctrico, mediante elementos de medición de la resistencia. Los principios de medida son de por sí conocidos por lo que no se entra en detalle sobre ellos. La Figura 6 muestra esquemáticamente una unidad sensora 38 con un elemento para la medición de la temperatura 44, un elemento para la medición de la presión 46 y dos elementos extensométricos 48 y 50 dispuestos perpendiculares entre sí. Para la transmisión de los datos captados por las unidades sensoras 38 existen las posibilidades más diversas. Una posibilidad ventajosa consiste en transmitir los datos a través del transpondedor 36 que esté asignado al nudo 42, con el que están comunicadas las unidades sensoras 38. Cada vez que el transpondedor 36 se desplaza frente a las antenas 26, se alimenta inductivamente con corriente. Se sobreentiende que para ello el transpondedor 36 deberá estar situado convenientemente no directamente debajo del cinturón 10 sino lateralmente junto al cinturón, de manera que no quede apantallado con respecto a la antena o antenas 26. La transmisión de los datos desde el transpondedor 36 a través de la antena o antenas 26 al aparato de mando 28 puede efectuarse en línea, leyendo para ello cada vez una de las unidades sensoras; en otro procedimiento se registran cíclicamente los datos de las distintas unidades sensoras en una memoria controlada por el procesador del transpondedor, quedan en una memoria intermedia y después se leen, por ejemplo de acuerdo con un procedimiento Sample-Hold. La lectura de las unidades sensoras puede efectuarse controlada por el tiempo o por las revoluciones. El transpondedor y las técnicas de transmisión relacionadas con el mismo son de por sí conocidas, por lo que no se entra en detalle sobre ellas. Por ejemplo se puede leer en cada vuelta de la rueda un valor de temperatura, el valor de la presión, un alargamiento etc. de un sensor, de manera que después de un número correspondiente de vueltas se obtiene una imagen completa del neumático. Según la capacidad de tratamiento de datos disponible se pondrán leer simultáneamente varios valores de medida correspondientes a las distintas unidades sensoras de emplazamiento conocido, de manera que se obtiene rápidamente una imagen completa (Footprin) del neumático. Así se pueden leer unas magnitudes poco dinámicas, tales como temperaturas con menor frecuencia de seguimiento, que las magnitudes que se vayan modificando rápidamente, como es por ejemplo la distribución de presiones y alargamientos. Se sobreentiende que los elementos sensores de temperatura están situados principalmente en la zona del borde del cinturón 10, en el borde de la banda de rodadura, 3

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ya que éste es el punto del neumático en el que en caso de baja presión de aire o carga excesiva aparecen las temperaturas más altas que posiblemente puedan dañar al neumático. La lectura de los datos a través de un transpondedor que tiene lugar mediante el equipo electrónico correspondiente (memoria, procesador) a través de la capacidad de tratamiento de datos, no es obligatoria. Los distintos elementos sensores pueden tener por ejemplo circuitos oscilantes con frecuencias de resonancia específicas del sensor, de manera que los sensores se pueden leer inmediatamente según su frecuencia. La señal de medida puede venir dada por la desintonización de la frecuencia de resonancia, o por una modulación de la frecuencia de resonancia. En esta clase de tratamiento de datos, no se necesita el nudo central 42 con su correspondiente transpondedor central 36. La red de hilos o líneas 41 no es obligatoria. Al ir aumentando cada vez más la miniaturización de los transpondedores, en los que están integrados los elementos sensores, y que en conjunto son flexibles o curvables, y debido a sus bajos costes, se tiene la posibilidad de disponer una multitud de unidades sensoras individuales con transpondedores integrados así como eventualmente alimentación de energía propia adicional en el neumático, en puntos adecuados para esta finalidad, leyéndolos sin contacto físico. Estos chips flexibles de plástico con suficiente resistencia a las temperaturas se describen por ejemplo en el artículo de F. Miller “Polytronic: Chips von der Rolle” (Polytronic: Chips en rollo), Fraunhofer Magazin 4, 2001, pág. 8-12. Estos chips se pueden incorporar individualmente en el neumático, o dispuestos como subconjunto prefabricado, en una red de hilos. Los datos obtenidos en la técnica de medición descrita del neumático “inteligente”, gracias a las unidades sensoras que tiene distribuidas en su interior, se pueden analizar de múltiples maneras. El aparato de mando consta para ello de un microprocesador y de unas unidades de cribado, de manera que se controla el funcionamiento de una unidad lectora contenida en el mismo y una unidad de análisis, y se presentan los resultados en una unidad de visualización. La variación de temperatura del neumático se puede registrar donde para la vida útil o los daños del neumático resulta decisivo durante cuánto tiempo está presente en un determinado punto del borde de la banda de rodadura del neumático una temperatura superior a un valor umbral. A partir de una temperatura inadmisiblemente alta se puede deducir que hay insuficiente presión de aire en el neumático. En combinación con la solicitación mecánica del neumático, por ejemplo la dilatación o deformación en el plano de la superficie de rodadura se puede deducir que hay unos valores erróneos de avance y convergencia de las ruedas del vehículo, de manera que el aparato de mando realiza la correspondiente indicación de avería. También a partir de la asimetría de distribución de temperatura se pueden sacar conclusiones sobre estados defectuosos del vehículo, por ejemplo una incidencia de un flujo caliente debido a un sistema de escape defectuoso, mal ajuste de los ejes, etc. La imagen (Footprint) de la distribución de dilatación y/o compresión dentro de la superficie de contacto del neumático (del área de contacto) permite obtener informaciones relativas a las fuerzas de rozamiento que se pueden transmi4

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tir (longitudinales y transversales), los ajustes de los ejes, el comportamiento de desgaste, resistencia a la rodadura, aquaplaning, etc. Además de la posibilidad de diagnóstico (p.e. ajustes de los ejes, defecto de los cojinetes, etc.) las variaciones de presión analizadas también pueden dar una información sobre defectos mecánicos del neumático. Los valores obtenidos se pueden conducir además, eventualmente teniendo en cuenta la velocidad del vehículo comunicada a través de las entradas 30 al aparato de mando 28 y la potencia instantánea del motor, a sistemas de regulación del vehículo y alarma, por ejemplo a un sistema estabilizador de marcha o a un sistema de confort, que ajuste unos apoyos hidráulicos adaptativos de acuerdo con el estado de la carretera y del vehículo. En conjunto, la invención no solamente ofrece la posibilidad de captar las solicitaciones estáticas y dinámicas del neumático, determinar su potencia de pérdidas, vigilar la funcionalidad del neumático y pronosticar su vida útil, sino también la posibilidad de deducir del análisis de los datos detallados del neumático que se hayan captado, la existencia de fallos en el vehículo y vigilar su estado. La Figura 7 representa una unidad de medida de revoluciones autárquica 52, que se puede integrar en la red de sensores 24 o que se vulcaniza de forma autónoma en el neumático. La unidad de medida de revoluciones 52 contiene un elemento sensor 54 que emite una señal para cada revolución del neumático. El elemento sensor 54 puede contener por ejemplo un piezoelemento contra el cual aprieta con fuerza oscilante una masa inerte cuando gira el neumático, de manera que haya una señal de tensión oscilante que se pueda tomar del elemento sensor 54. La señal de salida del elemento sensor 54 se puede analizar para la alimentación de energía, cuya energía se prepara debidamente en una unidad de alimentación de energía 56, y se puede aprovechar además para generar una señal integradora de las revoluciones del neumático, para lo cual cada variación de la señal de salida del elemento sensor 54 debida a una revolución incrementa en una unidad un contador de una unidad de memoria 58. Con la unidad autárquica de medición de revoluciones 52 integrada en el neumático se consigue que sea el mismo neumático el que contenga una señal que exprese el número de revoluciones que ha recorrido el neumático, con independencia de en qué vehículos se utilizó el neumático. El nivel del contador de la unidad de memoria 58 se puede leer para ello en los talleres. Para seguridad contra manipulaciones no es posible poner a cero la unidad de memoria 58, o sólo puede realizarse en centros autorizados. Alternativamente se puede integrar la unidad de medida de revoluciones en una válvula que vaya fija en la llanta (p.e. la válvula 22 de la Figura 1). De manera semejante a la unidad de medida de revoluciones 52 se pueden alimentar también con energía generada por las revoluciones del neumático los sensores 38 y/o el transpondedor 43. Además se pueden prever elementos de memoria en los que estén registradas en el mismo neumático magnitudes críticas para el estado del neumático, de manera que se pueda efectuar un control de calidad del neumático, por ejemplo comprobar daños en los flancos o exceso de solicitación mecánica, en el mismo neumático, leyendo la memoria de datos correspondiente.

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Lista de referencias

31 Salidas

4 Carcasa

34 Línea de datos

6 Talón 8 Núcleo

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36 Transpondedor 5

38 Unidad sensora

10 Cinturón

40 Línea

12 Capa de goma

41 Red de hilos

14 Banda de rodadura

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42 Nudo

16 Pared lateral

44 Elemento de medición de la temperatura

18 Reborde

46 Elemento de medición de la presión

20 Llanta

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48 Elemento de medición de la dilatación

22 Válvula

50 Elemento de medición de la dilatación

24 Red de sensores

52 Unidad de medida de las revoluciones

26 Antena 28 Equipo de mando

54 Elemento sensor 20

30 Entradas

56 Unidad de alimentación de energía 58 Unidad de memoria

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REIVINDICACIONES 1. Neumático montado sobre una llanta, cuyo neumático presenta en su interior una multitud de unidades sensoras (38), colocadas por lo menos en la zona de la superficie de rodadura, para la determinación de por lo menos un parámetro de trabajo del neumático, cuyas unidades sensoras son adecuadas para leer los valores de medida captados por ellas, caracterizado porque las unidades sensoras (38) tienen una estructura tal y están empotradas de tal manera en el material de neumático en la zona de la superficie de rodadura que captan por lo menos una de las magnitudes existentes e el interior del material del neumático en la zona de la superficie de rodadura, a la temperatura, la presión o la dilatación. 2. Neumático según la reivindicación 1, caracterizado por estar prevista por lo menos una unidad sensora (38) para determinar la temperatura del material del neumático en la zona del borde de la banda de rodadura. 3. Neumático según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por estar previstas unidades sensoras (38) mediante las cuales se capta por lo menos una de las magnitudes captadas en puntos distantes entre sí en la zona de la superficie de rodadura. 4. Neumático según la reivindicación 3, caracterizado porque las unidades sensoras (38) van fijadas a una red de hilos (41), que está vulcanizada dentro del neumático. 5. Neumático según la reivindicación 4, caracterizado porque los hilos (40) de la red (41) son eléctricamente conductores y sirven para conectar las unidades sensoras (38) a una unidad central (42, 43). 6. Neumático según la reivindicación 5, caracterizado porque la red (41) está dispuesta por la cara

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interior sobre un cinturón (10) del neumático, y porque el cinturón forma la conexión a masa entre las unidades sensoras (38) y la unidad central (42, 43). 7. Neumático según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque la unión entre la unidad central (42, 43) y las unidades sensoras (38) está realizada de tal manera que las unidades sensoras pueden ser consultadas individualmente desde la unidad central. 8. Neumático según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque la unidad central (42, 43) contiene una memoria en la que se pueden registrar los valores medidos por las unidades sensoras (38). 9. Neumático según una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque la unidad central (42, 43) contiene un transpondedor (43). 10. Neumático según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque por lo menos una de las unidad sensoras (38) está reunida con un transpondedor formando una unidad funcional integrada. 11. Neumático según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por una unidad de medición de revoluciones (52) que capta el giro del neumático, y que presenta un elemento de memoria (58) para registrar el número de vueltas que ha dado el neumático. 12. Neumático según la reivindicación 11, caracterizado por estar previsto un elemento generador de energía (54), que genera energía eléctrica a partir del giro del neumático. 13. Sistema de vigilancia del vehículo, que comprende un neumático según una de las reivindicaciones 1 a 12 así como un aparato de mando (28) con una unidad lectora para leer los datos suministrados por los sensores (38), una unidad de análisis que analiza los datos de acuerdo con unos algoritmos predeterminados y una unidad de presentación que muestra los estados determinados a partir de los datos.

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