CN105270106A - 用于测量运行表面强度的基于轮胎的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开用于测量运行表面强度的基于轮胎的方法和设备。一种方法包括测量机器运行的地面条件。所述方法还包括：通过机器中的至少一个传感器测量可旋转地连接到机器的轮胎的加速度值和挠度值中至少之一，其中所述至少一个传感器与所述机器中的控制设备通信；基于所测量的加速度值和挠度值中至少之一通过控制设备确定轮胎滚动的地面条件；基于确定的地面条件通过控制设备确定轮胎的理想形状；以及通过机器中的压力控制器调节轮胎的充气压力以获得轮胎的理想形状。

Description

用于测量运行表面强度的基于轮胎的方法和设备

技术领域

本发明整体涉及一种用于确定地面条件的方法，更具体地，涉及一种用于确定地面条件并基于所确定的地面条件调节轮胎形状的方法。

背景技术

诸如越野车、自卸卡车、材料处理机等机器的运行性能依赖于机器的充气轮胎与地表面之间的接触压力。充气轮胎的内部压力影响接触压力。为了监测充气轮胎的内部压力，有时将压力监测传感器连接到轮胎。与车轮一起运动的传感器测量充气轮胎的内部气压，并且如果内部气压低于特定值则位于车辆内的控制器通知驾驶员。控制器随后将气压调节成特定值。在名称为“TirePressureAdjustment”的美国专利No.8532872(下文称“‘872专利”)中公开了这种压力控制方法的一种示例。‘872专利针对基于胎纹深度数据将运行轮胎压力值调节成确定的轮胎压力值。

但是，为了改进机器的运行性能，需要考虑机器运行的地面条件。例如，当地面是硬的时，充气轮胎应具有高接触压力与相对小的接触区域以优化寿命和滚动阻力。相反地，当运行表面是软的时，充气轮胎应具有低接触压力与相对大的接触区域以优化牵引、浮动(flotation)阻力和滚动阻力。充气轮胎中恒定的气压不一定提供机器的最优运行性能。需要通过考虑与充气轮胎和地面之间的接合特性有关的信息来确定充气轮胎的最优运行条件。但是，用于根据轮胎条件来调节轮胎压力的已知系统没有彻底地解决地面条件与轮胎之间的关系。

因此，需要一种可以确定充气轮胎与地面之间的各种地面条件并根据确定的地面条件提供最优轮胎状况的系统。

发明内容

一方面，本发明针对一种方法，所述方法包括：通过机器中的至少一个传感器测量可旋转地连接到机器的轮胎的加速度值和挠度值中至少之一，其中所述至少一个传感器与所述机器中的控制设备通信；基于所测量的加速度值和挠度值中至少之一通过控制设备确定轮胎滚动的地面条件；基于确定的地面条件通过控制设备确定轮胎的理想形状；以及通过机器中的压力控制器调节轮胎的充气压力以获得轮胎的理想形状。

另一方面，本发明针对一种机器，所述机器包括：定期地测量机器中轮胎的加速度值和挠度值中至少之一的传感器，其中传感器附接到轮胎；通信地连接到传感器的控制设备，所述控制设备能够基于加速度值和挠度值中至少之一确定轮胎滚动的地面条件，并且根据确定的地面条件确定轮胎的理想形状；以及操作地连接到轮胎的压力控制器，其中压力控制器能够调节轮胎的充气压力以获得轮胎的理想形状。

又一方面，本发明针对一种机器，所述机器包括：用于定期地测量机器的轮胎的加速度值和挠度值中至少之一的装置；用于确定条件的装置，其中所述条件包括轮胎的运行形状、基于加速度值和挠度值中至少之一的地面条件、以及基于确定的地面条件的轮胎的理想形状；以及用于调节轮胎的充气压力以获得轮胎的理想形状的装置。

附图说明

图1示出根据本发明的一个方面的机器的说明性但是非限制性示例。

图2示出根据本发明的测量系统。

图3示出配备有传感器的车轮中的示例性充气轮胎的纵向视图。

图4示出充气轮胎和包括支撑轮辋的车轮的截面视图。

图5是示出硬表面上轮胎的变形的示例。

图6是当在硬表面和软土地上测试轮胎时结果的比较。

图7示出在硬表面上获得的加速度数据。

图8示出在软土地上获得的加速度数据。

图9示出在硬表面和软土地上获得的径向加速度数据的比较。

图10示出硬表面上的挠度数据。

图11示出软土地上的挠度数据。

图12示出当在硬表面和软土地上测试轮胎时挠度数据的比较。

图13示出根据本发明的确定运行地面条件的步骤的示例性图表。

图14是根据本发明的调节轮胎形状的步骤的另一示例性图表。

具体实施方式

在这些非限制性示例中讨论的特定值和构造是可以变化的并且仅用来说明至少一个方面而且不旨在限制其范围。

首先参照附图中的图1，说明性但非限制性示例机器1是负载牵引机器，如图所示具有车轮10和与地面接触的轮胎11。说明性但非限制性示例车轮10包括轮胎11。虽然公开了负载牵引机器1，但是本发明可应用于通过车轮10的旋转进行运动的几乎任何类型机器。

图2示出根据所公开的方面的地面测量系统2。机器1可配备有地面测量系统2。系统2可包括至少一个传感器20和控制设备30。传感器20可附接到图1中的轮胎11以测量轮胎11的运行条件。传感器20可通信地连接到控制设备30。控制设备30可用来确定地面条件、轮胎11的运行形状、以及用于确定的地面条件的轮胎11的理想形状中至少之一。可选地，控制设备30可集成在机器1的电子控制模块(ECM)50中。控制设备30可通信地连接到机器1中的压力控制器40。一方面，压力控制器40可操作地连接到轮胎11。压力控制器40可调节轮胎11的充气压力以获得轮胎11的理想形状。

图3示出配备有传感器20的示例性轮胎11的纵向视图。传感器20可附接到车轮10的轮胎11。传感器20能够随着机器1运动测量轮胎11的加速度值和/或挠度值。

图4示出包括支撑轮辋12的车轮10的截面视图。车轮10的轮胎11可包括一个或多个胎缘13。胎缘13可由弯曲的(wound)高强度钢制成并且可以是圆形、方形或半矩形。胎缘13可将轮胎11保持在车轮10上并增加侧壁刚度。胎缘13可被接收在轮辋12的肩部中。轮胎11还可包括一个或多个胎体14。胎体14可由径向地从胎缘13到胎缘13的涂有橡胶的织物积层形成。胎体14可为轮胎11提供侧壁区域的强度。轮胎11可具有气密构造，使得轮胎11的内部可通过压力控制器40供应压缩空气。

一方面，传感器20可放置在轮胎11的运行表面的内侧上使得传感器20可测量从0°到360°的完整旋转过程中轮胎11的加速度值和/或挠度值。在一些方面中，可将多个传感器20放置在轮胎11的运行表面的内侧的各种位置上，使得每个传感器20可测量加速度值和/或挠度值。可选地，可将控制设备30与传感器20一起放置在轮胎11的运行表面的内侧上。

传感器20能够测量轮胎11的各种方向的多个加速度值。例如径向方向，轮胎11的加速度可通过下式获得：

等式1加速度＝ω²R

其中，ω为旋转轮胎的瞬时角速度，R为轮胎11的半径。等式1可表示径向加速度的通式，其中未考虑重力对轮胎11的影响，轮胎在运行表面上没有变形。

传感器20可测量切向和/或径向方向的加速度值。可相对于旋转传感器20确定切向和/或径向方向。如图3和4中所示，传感器20可测量相对于旋转传感器20的位置的切向加速度值a_t和径向加速度值a_r。

在轮胎11和地面之间的接触区域处的应力可随轮胎11的充气压力、轮胎11上的垂直载荷、土地和轮胎变形/扭曲(distortion)、土地-轮胎接触区域的大小等变化。如果地面是软的并且充气压力与由胎体14的刚度产生的压力之和足够大，则轮胎11可像刚性车轮保持基本圆形。另一方面，如果地形是坚固的，则轮胎11的周围的部分可以变形或变平。

图5是示出硬表面上轮胎11的变形的示例。如图5所示，在硬表面上，轮胎的接触区域可表示轮胎的变形。轮胎11的变形可随施加载荷和/或充气压力变化。图5示出无载荷条件下自由滚动的轮胎、最优条件下的轮胎、以及充气不足条件下的轮胎。作为竖直载荷和/或充气压力的函数，接触区域可以近似为矩形、椭圆形、或环截面(torussection)。在硬表面上，通过这些形状可估计轮胎的整个形状、竖直载荷、以及充气压力。

图6是当在硬表面和软土地上测试轮胎时结果的比较。图6示出在无负载条件下自由滚动的轮胎、在硬表面上滚动的轮胎、以及在软土地上滚动的轮胎。虽然施加的载荷可将应力限制在接触区域的中心部分，但是土壤特性可对应力沿轮胎周界的升高和降低施加另外的限制。由土壤特性施加在界面应力上的限制会使负载与轮胎11的形状之间的关系复杂化。例如如图6所示，即使在相同充气压力下，轮胎11的变形可根据接触的地面条件变化。不考虑地面条件，简单地响应于轮胎变形来调节轮胎11的充气压力不一定改进给定地面条件下机器1的性能。为了最大化机器1的燃料效率、牵引和机动性以及轮胎11的寿命，需要确定地面条件。轮胎11的理想形状和对应的充气压力可确定为地面条件的函数。

图7示出在硬表面上获得的切向和径向加速度值。在径向和/或切向方向测量的加速度值可提供轮胎11旋转过程中有关轮胎变形的信息。一方面，在径向方向和切向方向测量的加速度值都可提供轮胎11的变形的三维信息。

图8示出从在软土地上运行的机器1获得的加速度数据。图8中轮胎11具有与图7中硬地面上的轮胎相同的初始条件。放置在轮胎11的运行表面内侧上的传感器20已经测量了加速度值。加速度值是以径向方向和切向方向测量的。

图9示出在硬表面和软地面上获得的径向加速度数据的比较。在软土地上获得的加速度值与在硬表面上获得的加速度值的比较显示出显著不同。加速度值的不同是由地面条件的不同造成的。

随着传感器20测量轮胎11的加速度值，传感器20可如图2所示将数据发送至控制设备30。控制设备30可通信地连接到传感器20。控制设备30可分析从传感器20获得的加速度数据以确定地面条件。一方面，在对加速度数据的分析中，如图7-9所示可移除重力的影响。随着传感器20的旋转，加速度值可随着传感器20相对于地面的位置而变化。为了通过测量的加速度值确定地面条件，可用下式分析加速度数据。

等式2

其中，a_max为最大值，a_min为最小值，(a_max-a_min)为最大值与最小值之差，为轮胎的完整旋转过程中加速度递增变化与角位置递增变化的比。

控制设备30可根据从轮胎11的完整旋转获得的a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中至少之一确定地面条件。如图7-9所示，a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中加速度数据的不同可表示地面条件的不同。一方面，可在切向方向和/或径向方向评估a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及的值。

可选地，控制设备30可评估轮胎11的挠度数据。轮胎11的挠度可限定为空载截面高度与负载截面高度之间的差值，而挠度百分比可限定为挠度与截面高度的百分比。一方面，控制设备30可通过测量的加速度数据获得挠度值。在一些方面中，传感器20能够测量挠度数据并将它们提供给控制设备30。

随着传感器20的旋转，挠度值可随着传感器20相对于地面的位置而变化。为了通过测量的挠度值确定地面条件，可用下式分析挠度数据。

等式3

其中，在轮胎11的完整旋转过程中，d_max为最大值，为轮胎的完整旋转过程中挠度递增变化与角位置递增变化的比，为递增变化的最大值，而Δθγ为轮胎的完整旋转过程中不为零时的旋转距离。

参照图10，图10示出硬表面上的挠度数据。挠度值随着传感器进入接触区域而增加。在硬表面上，挠度值的峰值可形成在接触区域的中心处。挠度值随着传感器离开接触区域而减小。但是在如图11所示的软表面上，挠度值的峰值不一定形成在接触区域的中心处。可通过Δθ估计的宽度和峰值的高度会根据地面条件变化。

图12示出在硬表面上和在软土地上获得的挠度数据的比较。在软土地上获得的挠度值与在硬表面上获得的挠度值的比较示出显著不同。挠度值的不同是由地面条件的不同导致的。评估接触区域中挠度峰值的宽度和高度可提供有关地面条件的信息。

控制设备30可确定轮胎11的运行形状。一方面，轮胎11的运行形状可根据加速度数据和/或挠度数据进行确定。在各种方面，例如位移测量传感器、激光扫描传感器等传感器可用来提供有关轮胎11的运行形状的信息。

控制设备30可根据用传感器20测量的加速度值确定地面条件。一方面，所述确定可由以径向方向测量的加速度数据得出。在一些方面，所述确定可由以切向方向和径向方向测量的加速度值的组合得出。

可通过将测量的加速度值与用于多种预定地面条件中每种预定地面条件的一组预定加速度值进行比较来确定地面条件。a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中至少之一可作为参数用于确定。如果a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中至少之一的值落入关于特定地面条件的预定值的阈值范围中，则可选取所述特定地面条件。一方面，所有a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及可作为参数用于确定。当a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中每个的值落入关于特定地面条件的预定值的阈值范围中时，可选取所述特定地面条件。

替代地，可用挠度值评估地面条件。一方面，可通过将获得的挠度值与用于多种预定地面条件中每种预定地面条件的一组预定挠度值进行比较来评估地面条件。如果获得的挠度值落入关于选定的特定地面条件的预定值的阈值范围中，则可选取所述特定地面条件。一方面，可通过加速度值获得挠度值。在一些方面，可通过传感器20和/或附加传感器直接测量挠度值。在其它方面，可根据轮胎11的挠度值连同轮胎11的加速度值来确定地面条件。

可选地，可通过将测量的挠度值与用于多种预定地面条件中每种预定地面条件的一组预定加速度值进行比较来确定地面条件。d_max，以及Δθγ中至少之一可作为参数用于确定。如果d_max， 以及Δθγ中至少之一的值落入关于特定地面条件的预定值的阈值范围中，则可选取所述特定地面条件。一方面，所有d_max， 以及Δθγ可作为参数用于确定。当d_max，以及Δθγ中每个的值落入关于特定地面条件的预定值的阈值范围中时，可选取特定地面条件。

一旦确定地面条件，控制设备30可确定关于确定的地面条件的理想轮胎形状。一方面，可将理想轮胎形状设定成与特定地面条件有关的预定轮胎形状。控制设备30可通信地连接到机器1中的压力控制器40。压力控制器40可经由安装在车轮10上的压力传感器(为清楚起见未示出)检测轮胎11的充气压力，根据确定的地面条件自动地或可选择地对轮胎11进行充气或放气。如果运行轮胎形状不对应于与确定的地面条件有关的理想轮胎形状，则控制设备30可与压力控制器40通信以调节轮胎压力直到可以获得理想轮胎形状。

图13是根据本发明确定地面条件的步骤的示例性图表。具体地，图13示出流程步骤100，其包括感测机器中轮胎加速度的步骤110、收集加速度数据的步骤120、分析所收集加速度数据的步骤130、以及确定地面条件的步骤140。

图14是根据本发明调节轮胎形状的步骤的另一示例性图表。图14示出流程步骤200，其包括感测机器中轮胎加速度的步骤210、收集加速度数据的步骤220、分析所收集加速度数据的步骤230、分析挠度数据的步骤240、根据分析的加速度数据和挠度数据确定地面条件的步骤250、确定运行轮胎形状的步骤260、根据所确定地面条件确定理想轮胎形状的步骤270以及调节轮胎压力以获得理想轮胎形状的步骤280。一方面，可定期地执行步骤200。在一些方面，可按照机器操作人员的指令执行步骤200。

工业实用性

本发明能够应用于期望检测机器1所运行的地面条件的机器1中的任何地面测量系统2。机器控制系统2可具有附接到机器1的轮胎11的传感器20，传感器20还通信地连接至控制设备30，控制设备30实时确定机器1所运行的地面条件，并确定与所确定的地面条件有关的车轮10的理想轮胎形状。

传感器20可包括加速度传感器。加速度传感器可以是表面安装的压电式加速度传感器。所述加速度传感器可包括MEMS(微机电系统)。

控制设备30可包括任何适合类型的通用微处理器、数据信号处理器、微控制器、专用硬件等。控制设备30还可包括或可连接到随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、储存设备、网络接口等。控制设备30可执行计算机程序指令序列以实施各种程序。可将计算机程序指令加载到RAM中用于通过来自ROM、通信通道(有线或无线)、储存设备和/或类似设备的处理程序来执行。储存设备可包括提供用来储存控制设备需要用来执行程序的任何类型信息的任何适合类型的存储器。

随机存取存储器(RAM)可储存各种数字化文件，包括通过传感器20感测的值。RAM可以是任何适合的计算机可读介质。RAM的示例包括但不限于动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、电阻式随机存取存储器(RRAM)、以及二极管存储器等。RAM可将感测的数值提供给处理器使得处理器可根据所述数值确定地面属性或地面类型。RAM还可储存所确定的地面条件。

只读存储器(ROM)可储存各种数字化文件。ROM的示例包括但不限于可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，其可包括电可改写只读存储器(EAROM)和闪存存储器、以及光存储器，例如CD-ROM。RAM和/或ROM可储存处理器用来计算地面属性和地面类型的算法。

处理器可处理可储存在RAM中的通过传感器20感测的值，以使用储存在ROM或RAM中的算法确定地面条件。处理器可将所感测的值与数据库进行比较以确定地面条件。一旦处理器确定地面条件，处理器还可确定与地面条件有关的理想轮胎形状。处理器可向压力控制器40发送信号使得压力控制器40可控制轮胎的充气压力以获得理想轮胎形状。处理器的示例包括本文限定的计算设备和/或专用硬件，但不限于一个或多个中央处理单元和微处理器。

控制设备30可以是发动机控制模块(ECM)50的部分。ECM50可通过多个传感器接收有关轮胎11的运行的信息。ECM50可利用来自多个传感器的信息来确定机器的运行条件。ECM50可控制或指令机器运行的参数。这些ECM50控制可通过软件指令执行。ECM50能够接收来自机器中各种传感器的信号，例如空气流量传感器、温度传感器、霍尔效应传感器、压力传感器、驱动轴扭矩传感器、车辆速度传感器、位移测量传感器、倾斜传感器、坡度传感器以及发动机速度传感器。

压力控制器40可操作地连接到轮胎11。一方面，当轮胎运行形状不是理想轮胎形状时，压力控制器40中的整体式空气压缩机可控制空气流向轮胎11，并调节轮胎11的充气压力。在一些方面，与加速度传感器分离的压力传感器可附接到轮胎11使得轮胎11的充气压力可被传递至控制设备30和/或压力控制器40。

将会意识到前述描述提供所公开系统和技术的示例。但是可以预见本发明的其它实施方式在细节上可不同于前述示例。所有引用的公开内容或其示例是要参考就该问题所讨论的特定示例，而不是要更一般地暗示对本发明的范围的任何限制。关于某些特征的所有区分性和贬抑性语言旨在表示那些特征不是优选的，但并未将其完全地排除在本发明的范围之外，除非另有说明。

本文所述的数值范围仅旨在用作分别地涉及落入所述范围内的每个单独的值的速记方法，除非本文另有说明，并且每个单独的值包括在说明书中，就像其被本文单独地叙述一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序实施，除非本文另有说明或者明显与本文相矛盾。

Claims (15)

1.一种方法，包括：

通过机器中的至少一个传感器测量可旋转地连接到机器的轮胎的加速度值和挠度值中至少之一，其中所述至少一个传感器与所述机器中的控制设备通信；

基于所测量的加速度值和挠度值中至少之一通过控制设备确定轮胎滚动的地面条件；

基于确定的地面条件通过控制设备确定轮胎的理想形状；以及

通过机器中的压力控制器调节轮胎的充气压力以获得轮胎的理想形状。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过所述至少一个传感器测量轮胎的切向加速度值。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

基于切向加速度值通过控制设备确定地面条件。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过所述至少一个传感器测量径向加速度值。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

基于径向加速度值通过控制设备确定地面条件。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过控制设备确定三维运行轮胎形状。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过所述至少一个传感器定期地测量轮胎的加速度值。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过挠度传感器测量轮胎的挠度值。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

通过控制设备确定在轮胎的完整旋转中获得的挠度值的d_max，以及Δθγ中至少之一，

其中，d_max为最大值，为轮胎的完整旋转过程中挠度递增变化与角位置递增变化的比，为递增变化的最大值，而Δθγ为轮胎的完整旋转过程中不为零时的旋转距离。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过控制设备确定在轮胎的完整旋转中获得的加速度值的a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中至少之一，

其中，a_max为最大加速度值，a_min为最小加速度值，(a_max-a_min)为a_max与a_min之差，而为加速度递增变化与角位置递增变化的比。

11.一种机器，包括：

传感器，其定期地测量机器中轮胎的加速度值和挠度值中至少之一，其中所述传感器附接到轮胎；

控制设备，其通信地连接到传感器，其中所述控制设备能够：

基于加速度值和挠度值中至少之一确定轮胎滚动的地面条件；和

根据所确定的地面条件确定轮胎的理想形状；以及

压力控制器，其操作地连接到轮胎，其中压力控制器能够调节轮胎的充气压力以获得轮胎的理想形状。

12.根据权利要求11所述的机器，其中，控制设备(30)能够确定轮胎的三维形状。

13.根据权利要求11所述的机器，其中，控制设备能够

确定在轮胎的完整旋转中获得的挠度值的d_max，以及Δθγ中至少之一，

其中，d_max为最大值，为轮胎的完整旋转过程中挠度递增变化与角位置递增变化的比，为递增变化的最大值，而Δθγ为轮胎的完整旋转过程中不为零时的旋转距离。

14.根据权利要求11所述的机器，其中，控制设备能够

确定在给定量的时间内获得的加速度值的a_max，a_min，(a_max-a_min)，以及中至少之一，

其中，a_max为最大加速度值，a_min为最小加速度值，(a_max-a_min)为a_max与a_min之差，而为加速度递增变化与角位置递增变化的比。

15.根据权利要求11所述的机器，其中，机器包括越野车、自卸卡车、材料处理机以及负载牵引机器中至少之一。