估算作用在轮胎上的负载的方法和系统 |
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| 申请号 | CN201180060029.3 | 申请日 | 2011-12-21 | 公开(公告)号 | CN103260911B | 公开(公告)日 | 2016-10-19 |
| 申请人 | 倍耐力轮胎股份公司; | 发明人 | R·特巴诺; G·奥迪西奥; A·P·菲奥拉万蒂; | ||||
| 摘要 | 用于估算作用在轮胎上的负载的方法和系统，其中：获得代表在滚动表面上的轮胎所发生的 变形 的数据；所获得的数据被处理，从而获得代表在基本上对应于轮胎和滚动表面之间的接地区域的第一变形区域内的变形程度的第一量β，以及代表在第二变形区域中的变形程度的不同于第一量的第二量σ，第二区域包括第一变形区域并且具有比第一变形区域的周向延伸更大的周向延伸，获得的第二量σ起始于至少一部分已获得的数据，该部分已获得的数据对应于在接地区域外侧的一部分第二变形区域；基于所获得的第一量β和第二量σ来估算负载。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于估算作用在轮胎上的负载的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 估算作用在轮胎上的负载的方法和系统技术领域[0001] 本发明涉及一种用于估算作用在轮胎上的负载的方法和系统。 背景技术[0002] 为了提高车辆的安全性，在轮胎内设置电子监控装置变得越来越重要。 [0004] H.Holscher等人（2004年10月28日发行的Computer and Structures预印本的第1-17页，题为“Modeling of Pneumatic Tires by a Finite Element Model for the Development a Tire Friction Remote Sensor”）描述了一种轮胎的曲率传感器，该传感器确定轮胎在给定压力下的实际负载，或者确定轮胎压力对于实际负载是否适当。 [0005] 申请人所要解决的技术问题是在不需要清楚地知道轮胎充气压力的情况下确定作用在轮胎上的负载。 [0006] 这是为了消除在轮胎监控装置内设置直接压力传感器的需求，以及获得在减少监控装置所使用的传感器数量，从而降低监控装置的成本、整体尺寸以及能耗方面的优点。 [0007] 直接式压力传感器通常具有暴露在空气中的薄膜，其涉及到监控装置的组装、强度和可靠性问题。 [0008] 因此，取消所述传感器还能简化监控装置的组装以及提供一种被密封的、牢固可靠的监控装置。 [0009] 申请人发现，由于轮胎由可弹性变形材料制成，通常在滚动表面上的轮胎会因为作用在轮胎上的负载的作用而发生变形。 [0010] 申请人发现，轮胎在基本上对应于接地区域的第一变形区域，以及在周向上更宽的包括了所述第一区域的第二变形区域发生变形。 [0011] 申请人发现，从代表轮胎变形的数据可以获得两个分别代表在第一区域的变形程度和在第二区域的变形程度的不同的量，这两个量取决于作用在轮胎上的负载，而且在不同的负载和充气压力条件下，它们并不直接地相互成比例关系（虽然有关联）。 [0012] 申请人发现，从所述的量可以估算作用在轮胎上的负载，而且这种估算有利地能够在不需要确切地知道轮胎充气压力的情况下进行。 发明内容[0013] 因此在本发明的第一方面，本发明涉及一种用于估算作用在轮胎上的负载的方法，所述方法包括： [0014] -获得代表滚动表面上的轮胎所发生的变形的数据； [0015] -处理所获得的数据，从而获得代表在基本上对应于轮胎和滚动表面之间的接地区域的第一变形区域内的变形程度的第一量β，以及代表在第二变形区域中的变形程度的不同于所述第一量的第二量σ，所述第二区域包括所述第一变形区域并且具有比第一变形区域的周向延伸更大的周向延伸，获得的第二量σ起始于至少一部分已获得的数据，所述至少一部分已获得的数据对应于在接地区域外侧的一部分所述第二变形区域； [0016] -基于这样获得的第一量β和第二量σ来估算所述负载。 [0017] 在本发明的第二方面，本发明还涉及一种用于估算作用在轮胎上的负载的系统，所述系统包括至少一个处理单元，该处理单元能够： [0018] -获得代表滚动表面上的轮胎所发生的变形的数据； [0019] -处理所获得的数据，从而获得代表在基本上对应于轮胎和滚动表面之间的接地区域的第一变形区域内的变形程度的第一量β，以及代表在第二变形区域中的变形程度的不同于所述第一量的第二量σ，所述第二区域包括所述第一变形区域并且具有比第一变形区域的周向延伸更大的周向延伸，获得的第二量σ起始于至少一部分已获得的数据，该至少一部分已获得的数据对应于在接地区域外侧的一部分所述第二变形区域； [0020] -基于这样获得的第一量β和第二量σ来估算所述负载。 [0022] -“作用在轮胎上的负载”用于表示垂直于所述滚动表面作用在轮胎上的力； [0023] -轮胎的“胎冠部分”用于表示沿着轮胎的横向在轮胎的胎侧之间延伸的一部分轮胎； [0024] -“量β和σ彼此不直接成比例关系”用于表示β≠k*σ，其中k是常数； [0025] -“横向的”和“横向地”用于表示沿着平行于轮胎旋转轴线的方向测得的量； [0026] -“径向的”和“径向地”用于表示沿着垂直于轮胎旋转轴线的方向测得的量； [0027] -“纵向的”、“纵向地”、“周向的”和“周向地”用于表示与轮胎相切并垂直于所述横向测得的量。 [0028] 在前面所述的至少一个方面中本发明具有以下优选特征中的至少一个。 [0029] 在一个实施例中，第一量β代表所述第一变形区域的周向延伸。 [0030] 在另一个实施例中，第一量β代表在接地区域内预定胎冠部分相对于预定参照点所发生的位置变化。 [0031] 在一个实施例中，第二量σ代表所述第二变形区域的周向延伸。 [0032] 代表所述变形的数据能从包含以下的组中选择：代表预定胎冠部分所承受的加速度分量的数据、代表预定胎冠部分的速度分量的数据以及代表预定胎冠部分相对于预定参照点的位置变化的数据。 [0033] 有利地，代表变形的数据通过使轮胎在滚动表面上旋转而获得。 [0034] 在一个实施例中，用于估算作用在轮胎上的负载的系统也包括所述轮胎。 [0035] 有利地，所述系统还包括与所述轮胎操作地关联的监控装置，所述监控装置能获得代表所述变形的数据。 [0036] 所述监控装置有利地不包括直接压力传感器。 [0037] 在一个实施例中，所述监控装置包括固定在轮胎的胎冠部分上的加速度计。 [0038] 有利地，代表所述变形的数据通过所述加速度计获得。 [0039] 在一个实施例中，所述监控装置包括能确定预定胎冠部分相对预定参照点的位置的传感器。 [0041] 通过下面仅以非限制性举例的方式所提供的本发明部分示范实施例的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得更清楚，所述描述参考了下列附图，附图中： [0042] -图1示意性地示出变形的轮胎； [0043] -图2示出了代表在轮胎旋转至少一圈期间预定胎冠部分所承受的加速度径向分量的一个示例的曲线； [0044] -图3示出了代表可用于确定图2中所示的量β和σ的两个插值函数的两条曲线； [0045] -图4示出了代表在轮胎旋转至少一圈期间预定胎冠部分的速度径向分量的一个示例的曲线； [0046] -图5示出了在轮胎旋转至少一圈期间，预定胎冠部分所发生的相对于轮胎中心沿轮胎径向的位置改变的一个示例的曲线； [0047] -图6示出了在轮胎旋转至少一圈期间，预定胎冠部分的速度切向分量的曲线； [0048] -图7示意性地示出了包括监控装置的轮胎的一部分。 具体实施方式[0049] 图1示意性地示出了在滚动表面20（例如路面）上的轮胎2。 [0051] 由于作用在轮胎上的负载（例如一旦轮胎已经被安装在车辆上时）以及轮胎2由弹性可变形材料制成，轮胎2会发生变形。 [0052] 在图1中，所述负载由垂直于滚动表面20的箭头Fz代表。 [0053] 如图1示意性所示，所述的变形涉及轮胎2的被限定在周向两端24a、24b之间的周向区域24，其中轮胎的形状不同于大致圆形形状（图1中虚线所示）。 [0054] 所述周向区域24位于轮胎2的面朝滚动表面20的下部分中。 [0055] 周向区域24包括被限定在周向两端22a、22b之间的接地区域22，以及被分别限定在周向两端24a、22a和24b、22b之间的两个位于接地区域22外侧的区域26。 [0056] 申请人观察到，从代表轮胎所发生的变形的数据能确定两个变形区域：第一变形区域基本上对应于接地区域22，而周向上更宽的第二变形区域包含所述接地区域22，对应于所述周向区域24的至少一部分。 [0057] 申请人还发现，从代表轮胎所发生的变形的数据能获得两个不同的量β和σ，它们分别代表在第一变形区域内的变形程度和在第二变形区域内的变形程度，它们都取决于轮胎2的充气压力以及作用在轮胎2上的负载，并且在不同的负载和充气压力条件下它们相互之间并不直接成比例关系（虽然有关联）。 [0058] 具体地，申请人发现，从代表对应于接地区域22外侧的一部分第二变形区域的变形的数据的至少一部分获得第二量σ时，所述两个量β和σ相互并不直接成比例关系。 [0059] 通过以上观察，申请人发现，基于两个量β和σ能估算出作用于轮胎的负载，而且这种估算能够有利地在不需要知道轮胎充气压力的情况下进行。 [0060] 申请人发现，所述量β和σ能根据第一和第二变形区域的周向延伸来代表变形的程度。 [0061] 例如，所述周向延伸能够根据角度延伸（例如参见图1中的角度α和γ）、对向弦长（例如参见图1中的长度L1和L2）或者沿轮胎周向轮廓获得的长度来确定。角度α能够在5°到40°之间，而角度γ通常小于或等于180°。 [0062] 所述量β和σ还能根据在所述两个区域之一内轮胎2的预定胎冠结构相对于预定参照点所发生的位置变化（相对于未变形轮胎被确定）来代表变形的程度。 [0063] 例如，所述位置变化可以根据预定胎冠部分和轮胎中心的径向距离相对于未变形轮胎的变化来确定。 [0064] 代表轮胎2所发生的变形的数据可以在轮胎2的滚动期间通过合适的传感器获得。 [0065] 这种传感器例如是加速度计或位置传感器。 [0066] 所述位置传感器可以是能在轮胎滚动期间确定预定胎冠部分相对于预定参照点的位置（例如在所述胎冠部分和轮胎中心或者安装轮胎的轮辋上的预定点之间的径向距离）的光学或电磁装置。 [0067] 图7示出了可用于根据本发明的一种估算作用在轮胎上的负载的系统中的轮胎2的一部分。 [0068] 轮胎2包括监控装置28，监控装置又包括用附图标记1表示的前述传感器。 [0069] 在图7中，字母“R”、“L”和“A”分别代表轮胎的径向、纵向（也被称为切向或周向）和横向（也被称为轴向）。 [0070] 轮胎2被安装在轮辋3上。它能被安装在任何类型的车辆上，比如轿车、用于运送货物的车辆比如卡车或载重汽车等等。 [0071] 轮胎2优选地被布置为被用在那些具有能与所述监控装置28配合及相互作用的车载电子装置的车辆上。 [0072] 轮胎2包括未被详细示出的胎体结构4，胎体结构4根据基本环面的构型配置，并通过它的相对周向边缘与两个环形锚定结构（通常被称为“胎圈芯”）接合，每个环形锚定结构均位于通常被称为“胎圈”的区域5内。 [0073] 包括一个或多个带束条的带束结构6在周向外侧位置被施加在胎体结构4上。 [0075] 轮胎2还包括被横向地施加在所述胎体结构4的相反两侧上的一对所谓的胎侧8。 [0076] 附图标记9表示沿着轮胎的横向在所述胎侧8之间延伸的轮胎2的胎冠部分。 [0077] 轮胎的内表面通常涂有适于保证轮胎自身密封的密封层或者所谓的“衬层”，该密封层包括一层或多层不透空气的弹性体材料。 [0078] 有利地，如图7所示，监控装置28通过合适的紧固元件（未示出）被固定在胎冠部分9处，优选地在轮胎2的衬底上。 [0079] 优选地，所述监控装置28被大致布置在轮胎2的赤道面上。 [0080] 所述紧固元件有利地适于顺从在滚动期间轮胎结构所发生的变形，从而保持监控装置28一直稳定地紧固在衬层上。 [0081] 有利地，除了传感器1，监控装置28还包括能测量轮胎的相关物理量（例如温度）的其他传感器（未示出）。 [0082] 由于本发明，所述监控装置28能有利地不包括直接压力传感器。 [0083] 有利地，所述监控装置28还包括射频发射器（未示出）。 [0084] 所述射频发射器能通过天线（未示出）向轮胎2外部的接收器（未示出）发送与所测得物理量相关的数据。 [0085] 所述接收器可设置在安装了该轮胎的车辆上。 [0086] 来自传感器1的数据有利地通过被包含在所述监控装置28中和/或在轮胎2外部的接收器中的至少一个处理单元（即，一个或多个处理单元）来处理（可选地进行初步过滤和/或转换成数字格式），从而确定作用在轮胎上的负载。 [0088] 具体地，所述模块有利地能处理来自传感器1的代表变形的数据，从而获得量β和σ并根据所述量估算出作用在轮胎上的负载。 [0089] 例如，如果传感器1包括三维加速度计，所述量β和σ可以通过处理以下数据获得： [0090] -代表所述加速度计所测得的加速度径向分量和纵向分量中的至少一个的数据； [0092] 和/或 [0093] -代表在轮胎旋转至少一圈期间预定胎冠部分的径向和纵向位置中的至少一个相对于轮胎中心或其他预定参照点的变化的数据，该数据也能通过处理（例如两次求积分）所述加速度计所测得的信号来获得，或者通过位置传感器获得。 [0094] 例如，图2示出了通过对安装在轮胎胎冠部分上（在衬底上，基本位于赤道面处）的加速度计所测得的信号进行过滤所获得的在轮胎旋转一圈期间的加速度径向分量的例子，它是加速度计的角位置关于接地区域中心的函数（θ=0代表加速度计的角位置位于接地区域的中心，θ＞0代表角位置在接地区域的中心之后，θ＜0代表角位置在接地区域的中心之前，θ=±180°代表加速度计的角位置与接地区域的中心径向相对）。 [0095] 所述曲线参照被安装在以60km/h的速度在沥青路面上直线行驶的阿尔法罗密欧公司生产的Alfa 159汽车的右前轮上的、由申请人生产的Pzero RossoTM 225/50 R17轮胎。 [0096] 接下来，图4-6分别示出了以下例子：通过对图2的曲线求积分所获得的在轮胎旋转至少一圈期间预定胎冠部分的速度径向分量的曲线；通过对图4的曲线求积分所获得的在轮胎旋转至少一圈期间预定胎冠部分相对于轮胎中心的径向位置变化的曲线；以及通过处理所述加速度计1所测得的切向加速度分量所获得的在轮胎旋转至少一圈期间预定胎冠部分的速度切向（即，纵向）分量的曲线。图4-6中的曲线也代表加速度计的角位置θ关于接地区域中心的函数。在图5中，径向位置的变化是相对于预定胎冠部分在轮胎未变形区域中所处的径向位置而提供的（所以所述位置变化在距离所述接地区域远的位置为零，例如在轮胎的面朝汽车的上半部分中为零）。 [0097] 如所见，图2、4-6的所有曲线都具有图形几乎恒定的区域和图形变化的区域。图形几乎恒定的区域对应于加速度计（以及加速度计所在的胎冠部分）距离接地区域非常远的情形，此时轮胎基本未变形。图形变化的区域对应于加速度计靠近、进入、通过、离开和远离接地区域的情形。该区域基本上对应于周向区域24（图1），在该区域中轮胎因为与滚动表面接触以及负载所施加的挠曲而发生变形。 [0098] 因此图2，4-6的曲线代表轮胎的变形。 [0099] 根据所述曲线，所述量β和σ例如可以被确定为基本上对应于接地区域22的第一区域角度延伸，和包含接地区域22的更宽的第二区域角度延伸（对应于周向区域24的至少一部分）。所述第一区域通常会介于角位置-20°到+20°之间，而第二区域通常会介于角位置-90°到+90°之间。在实践中，所述量β和σ通过设置合适的阈值（选择为确定所述第一和第二区域）以及通过计算所述曲线经过所设阈值的角度之间的距离而获得。 [0100] 量β和σ和阈值ath2，ath1的例子在图2、4-6中示出。 [0101] 具体地，如图2中所示，在径向加速度曲线中，阈值ath1能够是远离所述接地区域的加速度径向分量（大约等于轮胎的离心加速度，并且在图中用参照线S代表）的一个分数值，而阈值ath2能够是一个大于所述远离接地区域的加速度径向分量并且在任何情况下都小于th2加速度径向分量所能达到的最大值（绝对值）的值。例如，阈值a 能够被计算为径向加速度所能达到的最大值（绝对值）的一个预定分数。作为所述两个阈值的替代，也可使用单个阈值（例如等于图2中所示的阈值ath2）。在这种情形下，量β能够被确定为曲线经过阈值ath2的两个最内侧点之间的角距离，而量σ能够被确定为曲线经过阈值ath2的两个外侧点之间的角距离。 [0102] 在图4的径向速度曲线的情况下，所述量β可有利地被确定为曲线最小值和最大值之间的角距离，而所述量σ通过使用阈值ath2来确定，该阈值例如是曲线最大值或最小值的一个预定分数。 [0103] 在图5的曲线的情况下，被用于计算所述量β的阈值ath1可以等于该曲线最大值（绝对值）的一个分数（例如1/2）。 [0104] 然后，所述量σ可以被确定为在所述接地区域中心左侧和右侧的所述曲线的两个局部最大值之间的角距离。 [0105] 在图6的曲线的情况下，和图2中所考虑的类似。 [0106] 如前面所述，除了角度延伸以外，所述量β和σ也能根据在轮胎旋转至少一圈期间轮胎2的预定胎冠部分相对预定参照点（例如轮胎中心）所发生的位置变化（例如沿径向方向）来代表轮胎变形的程度。 [0107] 这例如在图5中示出，其中图5示出了代表接地区域22内的变形程度的量也能通过确定最大位置变化（绝对值）（图5中用符号β′代表）或者曲线局部最大值和最小值之间的距离（图5中用符号β〞代表）而获得。 [0108] 另外，在图2的曲线的情形下，注意到，所述量β能代表在所述接地区域的入口和/或出口处的与加速度径向分量曲线的过渡段的倾斜度相关的参数。加速度径向分量曲线的过渡段的倾斜度在意大利专利申请No.MI2010A001789中详细描述（由同一申请人提出并通过引用将其纳入本文）。 [0109] 根据一变型，不使用合适的阈值，而是通过使用以下类型的参数函数的插值过程来确定一个或两个量β和σ [0110] [0111] 其中θ代表胎冠部分在轮胎完整旋转一圈期间的角位置θ，而p1…pn是参数，其中至少一个是β和/或σ。 [0113] 例如，当代表变形的数据是通过加速度计所测得的加速度径向分量所获得，且所述量β和σ代表图2中所示的角度延伸时，可使用以下插值函数： [0114] [0115] [0116] 其中，如图3所示，y1是高斯曲线的函数，而y2是角位置θ的幂的指数曲线的函数，它在接地区域以外几乎取零值（由β限定）。所述插值过程能求得β和σ的值，所述值通过前面所述的函数y1和y2而最佳地接近通过传感器所获得的数据（图3中用曲线Y3代表）。 [0117] 应当发现，有利地，通过加速度计所获得的数据能通过标准化程序被标准化。 [0119] a=GV+Voffset [0120] 其中G是增益，Voffset是补偿，有利地，可执行标准化从而使得加速度（或速度或位置变化）值独立于加速度计1的所述补偿（通过减法运算）和所述增益（通过除法运算）。 [0121] 这是非常有利的，因为不需要执行费力的加速度计校正操作。 [0122] 一旦所述量β和σ被确定，作用在轮胎上的负载Fz就能通过傅里叶展开，或者通过所述量β和σ的组合（例如线性的或者优选二次的）而被估算。二次组合的一个例子如下： [0123] FZ=b11+b12σ+b13β+b14σβ+b15σ2+b16β2 （1） [0124] 有利地，考虑到所述量β和σ也与轮胎的充气压力有关，它们也能被用于通过执行傅里叶展开即通过执行所述量β和σ的组合（例如线性的或者优选二次的）来估算充气压力p。二次组合的一个例子如下： [0125] p=b21+b22σ+b23β+b24σβ+b25σ2+b26β2 （2） [0126] 系数bij能够针对每个所给定的轮胎规格而确定一次，从而最佳地重现已知的参考值。 [0127] 例如，所述系数bij可以这样获得： [0128] -通过在多个已知压力和负载条件下确定（根据实验或者通过数字模拟）多个成对的β和σ值； [0129] -通过利用插值过程（例如通过执行最小二乘算法）来确定参数bij的值，该参数的值能通过前面所述的函数（1）和（2）来最佳接近于压力、负载和量β和σ的多个已知状态。 [0130] 针对以下负载和压力值的25种不同组合： [0131] Fz=170，337，505，675，1015kg； [0132] P=1.2，1.7，2.1，2.5，3.0bar， [0133] 申请人通过在Pirelli P7 CinturatoTM 225/50 R17轮胎上进行FEA（有限元分析）模拟来执行这种程序并获得以下的参数bij值： [0134] b11=2017 [0135] b12=2263 [0136] b13=1497 [0137] b14=-1219 [0138] b15=4706 [0139] b16=3024 [0140] b21=-2.37 [0141] b22=-8.08 [0142] b23=13.23 [0143] b24=-54.95 [0144] b25=30.62 [0145] b26=37.75。 [0146] 在模拟中，考虑轮胎以100km/h的速度在自由滚动状态下（即，在稳定滚动状态下）在平路上沿直线滚动。所述量β和σ根据加速度径向分量曲线确定。所述量β通过使用阈值而获得，而所述量σ通过采用高斯函数，比如图3中所示的函数y1的插值过程而获得。 [0147] 一旦获得前面所述的参数bij的值以后，为了评估本发明的性能，申请人进行FEA模拟，其中压力值和负载值（Pest，Fzest）都通过确定所述量β和σ来估算，如同前面使用前述的函数（1）和（2）所描述过的那样。 [0148] 所述模拟的结果在下面的表格中给出，其中：最前面的两栏表示已知的压力和负载参考值（Pref和Fzref），第三和第四栏表示采用本发明的方法所估算出的压力和负载值（Pest和Fzest），最后两栏表示已知参考值和估算值之间的差值（ΔP和ΔFz）。 [0149]Pref[bar] Fzref[kg] Pest[bar] Fzest[kg] ΔP[bar] ΔFz[kg] 2.10 337 2.15 320 -0.05 17 2.10 505 2.19 526 -0.09 -21 2.10 675 2.22 704 -0.12 -29 2.50 337 2.38 319 0.12 18 2.50 505 2.51 504 -0.01 1 2.50 675 2.53 691 -0.03 -16 2.73 255 2.68 228 0.05 27 2.73 400 2.71 370 0.02 30 2.73 526 2.86 530 -0.13 -4 2.73 603 2.83 620 -0.10 -17 2.73 880 2.75 895 -0.02 -15 3.00 337 2.77 304 0.23 33 3.00 505 2.95 502 0.05 3 3.00 675 3.10 686 -0.10 -11 [0150] 从模拟结果能明显看出，本发明的方法能以良好近似估算出充气压力和作用在轮胎上的负载。 |
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