CN110072712B - 用于估计轮胎使用状况的严重程度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计安装在车辆上的轮胎的使用状况的严重程度的方法，该方法包括以下步骤：·测量车辆速度和车辆负载的步骤，·根据所执行的测量结果评估轮胎的内部耗散生热的功率的步骤，以及·根据该功率确定轮胎内部温度的步骤，·记录车轮旋转的圈数和/或在与给定温度区间相对应的使用状况下所经历的时间的步骤。本发明还涉及一种用于实现所述方法的系统。

Description

用于估计轮胎使用状况的严重程度的方法和系统

技术领域

本发明涉及道路车辆轮胎的使用状况，特别是拖拽式道路运输车辆的轮胎。本发明具体涉及用于评估这些使用状况的严重程度的方法和系统。

背景技术

已经注意到，当半挂车行驶时，轮胎的内部耗散生热会引起热效应。现在，长时间保持较高的内部温度会引起形成轮胎的材料(特别是橡胶和增强件)的劣化。

上述车辆通常设置有制动计算机，也称拖车电子制动系统(Trailer ElectronicBraking System，TEBS)，其可以提供各种功能，例如姿态调节、负载测量、制动控制调制、甚至防抱死制动功能。

车辆还可以设置有远程信息处理系统，该系统集合并传输地理、负载和速度信息。

然而，迄今为止，这些计算机不提供关于轮胎使用状况的信息，所述使用状况可以导致热效应并因此导致轮胎过早老化。现在，了解这些使用状况对于运输者或车队经理优化他或她的车辆可能是有用的，或者对于服务提供商优化运输者或轮胎车队经理的服务可能是有用的。

申请文献WO 2008046766 A1公开了一种用于指示轮胎经历的老化的方法，其中在轮胎的至少一个点处局部地测量温度。然而，该方法需要在轮胎中直接安装温度传感器，这会影响轮胎制造，并且产生额外的成本。

理论上，如果记录了随时间的所有历史(负载、速度)，则可以后验地重新计算热历史。然而，由于时间顺序很重要，所以这需要存储或传输大量数据。

因此，本发明旨在提供一种用于评估轮胎使用状况的严重程度同时弥补上述缺点的方法和系统。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于估计安装在车辆上的轮胎的使用状况的严重程度的方法，该方法包括以下步骤：

-测量车辆速度和车辆负载的步骤，

-根据所执行的测量来评估轮胎的内部耗散生热的功率的步骤，以及

-根据该功率来确定轮胎内部温度的步骤，

-记录所执行的车轮旋转的圈数和/或所经历的时间的步骤并且按温度等级更新圈数的计数和时间的步骤。

术语轮胎的“内部温度”应理解为表示形成轮胎结构的材料内的温度。

所描述的本发明包括：通过根据由传感器发送到计算机的测量值来更新热模型以在嵌入式计算机中实时地计算轮胎温度的估计，并且汇集精简、概括的受热严重程度的表述，而不传输数据流。

该方法有利地由根据本发明的估计系统实现，该估计系统包括嵌入式计算机和数据记录装置。制动计算机包括各种功能，其可以：

-测量车辆速度和车辆负载，

-根据所执行的测量来评估轮胎的内部耗散生热的功率，以及

-根据该功率来确定轮胎的内部温度。

在本发明中实现的嵌入式计算机可以是制动计算机，或者是结合在安装于车辆中的远程信息处理单元中的计算机，或者是车辆专用的任何其它计算机。实际上，在嵌入式传感器测量之后，计算机能够接收关于车辆负载和速度的数据、车辆的数据总线上可用的数据。

实际上，通常安装在半挂车上的制动计算机包括用于确定每个轴的负载和瞬时速度的装置。根据该信息，可以评估轮胎内部的热源以及与周围空气的热对流系数。

然后在根据本发明的方法中，可以使用轮胎的数字热模型来评估轮胎的内部温度，该模型根据负载和速度测量以及可用温度进行实时地解析。有利地，使用通用模型，其对应于常规使用的轮胎、车辆上的位置(前部或后部)以及所考虑的车辆。实际上，本发明并不旨在提供真实轮胎的剩余使用寿命，而是提供使用状况严重程度的信息。

已经发现该信息可以从通用模型获得，而不需使其适应每个特定轮胎，也不需要随着轮胎磨损的进行而更新模型参数。

该数字模型(它的分辨率将在后面详述)例如由嵌入在车辆中的计算机实现。现在，为了不妨碍计算机执行其它用途的操作，对于所实现的计算能力进行限制是有用的。为此，可以将热模型的方程和自由度减化为最强热梯度出现的方向。周向梯度基本上为零，并且在感兴趣的区域中子午线梯度较低。垂直于轮胎表面的梯度在热流动中占主导地位。因此，温度的计算减化为厚度的分布，并且可以设想在计算时间方面没有占用很大的资源。

同样地，温度更新的时间间隔较长以便不消耗太多的计算能力，而温度更新的时间间隔较短可以捕获车速瞬变，例如从0.1s到10s。

该系统还包括用于记录在与给定温度区间相对应的使用状况下执行的车轮旋转的圈数的装置。实际上，已经发现轮胎的机械疲劳与机械转数、它们的幅度以及它们发生的温度有关。通常，温度升高会对材料的强度产生负面影响。这就是为什么这里建议通过计算每个温度等级的圈数(车轮转数)或每个温度等级所经历的时间来估计使用严重程度。一些化学劣化过程还涉及在高温下所经历的时间。这就是为什么每个温度等级所经历的时间也被计算在内。

在特定的实施方案中，该方法还包括测量环境温度的步骤。在示例性实施方案中，该步骤由例如安装在制动计算机中的环境温度传感器来实现。有利地，考虑该环境温度以用于耗散生热的功率的评估或用于任何其它热平衡的计算。

在可以与前一个实施方案组合的另一个实施方案中，该方法包括测量内部温度的步骤。在根据本发明的系统中，该测量例如通过温度计轮胎压力监测系统(Tyre PressureMonitoring System，TPMS)类型的装置来执行。

在有利的实施方案中，根据本发明的方法包括测量轮胎所安装的轮辋温度的步骤。有利地，该步骤由温度传感器实现，该温度传感器用于感测轮胎所安装的轮辋温度。

在有利的实施方案中，根据本发明的方法包括在检测到新轮胎的安装时将记录重置为零的步骤。

如前所述，本发明旨在不仅提供评估使用状况的严重程度的装置，而且还提供将该信息转换为用户可以分析的数据。

从而，在有利的实施方案中，根据本发明的系统包括用于根据记录的信息构建每个温度等级的时间和圈数的直方图的装置以及用于在诊断工具中显示该直方图的装置。

根据记录的信息，还可以提出车队管理者可用的若干应用，例如，轮胎老化警报，使管理者可以知道是时候更换车辆的轮胎。当记录的信息显示轮胎使用的异常严重程度时，也可以设想用于驾驶员的警报，并且该警报独立于轮胎的磨损状态。

在另一个实施方案中，使用arrhénienne动力学或相关方法来估计轮胎橡胶中存在的保护性物质的消耗和/或构成轮胎材料的老化，从而估计轮胎劣化。

在另一个示例中，制动计算机将记录的信息发送至车辆的远程信息处理系统或移动终端，该传输通过CAN总线或通过射频执行。

在另一个示例中，所描述的计算由计算机执行，该计算机可以访问负载和速度数据流，并且如果合适的话，还可以通过CAN总线访问温度数据，这可能是利用远程信息处理计算机的情况。

附图说明

本发明的其它目的和优点将从由以下附图示出的优选但非限制性实施方案的下述描述中清楚地显现，在附图中：

·图1示出了轮胎截面，

·图2示出了轮胎中的等温线的示例，

·图3示出了轮胎内的热交换的示意图，

·图4示出了在一段滚动区间内的轮胎内部温度的趋势。

具体实施方式

图1示出了重型卡车轮胎的子午线截面及其组件的简化结构。图2示出了位于肩部的温度极值周围的等温线的嵌入。截面CC穿过极值区域。沿着这条线，周向和子午方向上的温度梯度非常弱，并且热通量基本上与线C-C共线。图3示意性地示出了类似于图1的轮胎内的热交换。因此，图1和图3中使用的附图标记表示相同的元件。

呈现了该区域的简化热操作，减化为一个维度，例如堆叠的材料层，每种材料的特征在于(a)它们的热特性(导电率、体积热容量)和(b)根据负载、速度、局部当前温度和轮胎制动的耗散的体积源的估计函数。该函数通过实际测量或基于综合数字模拟来建立。

通常，橡胶混合物的导热率具有0.25至0.30W/(K.m)的值，其密度接近1100kg/m³，其质量热容量约为1470J/Kg/K。

可以将该函数表示为单个函数P(z,v)(其取决于轮胎负载z及其速度v)，因数Q(其取决于局部温度)以及每种材料的常系数K_i的乘积：P_i(z，v，Ｔ)＝K_i·P(z，v，)·Q(T)。

通常，在60℃以10m/s(36km/h)的速度滚动的轮胎的源P在胎面具有2.5E+4W/m3的值，即每圈的耗散为7500J/m3。该源随温度降低，随负载和速度增加。

图1表示轮胎的一个示例，该示例是非限制性的，其原因在于本发明可以应用于在组件的数量和性质方面具有不同结构的轮胎。

轮胎的最外层是胎面BR，胎面BR与安装有根据本发明系统的车辆周围的环境空气A直接接触。这里指出，在本发明的情况中，该环境空气的温度例如由安装在车辆上的传感器测量，并且在确定轮胎的内部温度时可以考虑。

胎面通常附接至底层SC，确保与胎冠帘布层的结合。底层通常具有与胎面不同的成分。该底层安装至胎冠帘布层NS上，胎冠帘布层NS包括例如织物或金属的增强元件。这些胎冠帘布层NS终止于胎冠足部PS，位于胎体帘布层上方，胎体帘布层位于内部气体体积G的内衬GI上，内衬GI与内部气体G直接接触。从而，在轮胎的结构内从胎面块BR至内部气体产生温度梯度。

内部气体，也称为膨胀气体，限制在轮胎和车轮之间。因此，在该气体G和车轮R之间进行热交换，车轮R本身与周围空气A进行热交换。

现在描述在具有类似于图1结构的轮胎中，通过制动计算机实现的根据本发明的方法。

解决原理如下：在每个有限时间间隔dt，例如1秒，制动计算机更新每个轮胎的平均负载和每个轮胎的速度。它计算每个材料区域的热源，以及壁的交换系数。如前所述，环境温度可能是可用的。

离散瞬态热的方程在dt的持续时间内积分，这提供了标准截面中温度的估计：

未知数是在时间t和深度z处的温度T(z,t)，根据截面的外表面(z＝0)和膨胀气体T_G(t)在时间t处的温度进行计算。环境空气侧的流量限制条件是Φa＝H_a(T(0,t)-T_a)。与截面CC对齐的外壁处的交换系数H_a取决于车辆的速度v和T_a。在速度为80 km/h的情况下，它通常为50 W/m²/K。并且在内部气体侧Φ_G＝H_G(T(z_G,t)-T_G)。如果可以的话，内部气体的温度T_G来自TPMS传感器，否则通过下文描述的方法来估计。

在环境温度或默认值下建立初始温度。

在恒温T_G下考虑质量m_G的内部气体G。它与限定内部容积的所有壁进行热交换

其中，H_i是内壁与内部气体之间的交换系数，C_v是体积热容量，S_G是截面，T*是内壁的有效温度，定义为环境温度T_A和截面CC内壁的温度T(z_G)的加权平均值。

T^*＝[βT(z_G)+(1-β)T_A]

通常β＝0.12。

根据传统的有限元方法，截面CC在由节点限定的片段中离散化。

然后可以通过使用如下明确的欧拉解决方案来解析该方程，通过保持相当小的dt以使该方案稳定(Δt<<(Δz/a)^0.5，其中Δz是最小间隔并且a是相应的扩散系数)：

有利地，如果嵌入式计算机具有足够的内存和性能，则其它已知方案也能够确保对于较大间隔dt的改进的稳定性(Crank-Nicolson，Adams-Moulton，Gear，Newmark)。在厚度间隔不相等的情况下，拉普拉斯算子ΔT根据具有适当形式的函数的有限元方法估计，例如“cap”函数。

然后可以建立对于滚动区间的温度图，如图4所示。底部曲线示出了对于学习的一段滚动区间的车辆速度。顶部的图示出了对于这个相同的滚动区间的轮胎的内部温度。两条曲线共有的横坐标表示时间。轮胎的温度根据深度表示，该深度相对于胎面表面计算。

在该示例中，在该曲线上观察到，在1650s之后，车辆的速度为零，并且轮胎冷却。轮胎的热点位于深度大约11mm处，这意味着位于该点的材料将是对于该区间最容易老化的材料。

在每个间隔dt中，找到的温度曲线用于更新两个直方图：(a)在温度等级中经历的时间和(b)在温度等级中的车轮旋转圈数。

通过执行加权

来使用直方图(b)：其中n_i是等级的大小，N_i是温度等级T_i的特征常数。分数

被确定。

根据Arrhenius定律来使用直方图(a)。通常，老化速率

中的T是以°K表示的温度，E是通常介于40至80kJ/mol之间的活化能，R是理想气体常数，A是常数。分数

由于轮胎较热时的滚动阻力较低，该系统还可以提供与轮胎的能量效率相关的分数S₃。该分数由直方图(b)构成，通过循环加权耗散d_i，耗散d_i是根据等级i出现频率的温度T_i的函数：S₃＝∑_id_in_i/∑_in_i。该分数对于表征主要是瞬态的用途特别有用。

嵌入式计算机使直方图保持最新。分数的计算可以在诊断软件或诊断服务器中远程进行。

有利地，轮胎模型向嵌入式或远程系统应用指定参数而不是通用参数。

Claims (8)

1.一种用于估计安装在车辆上的轮胎的使用状况的严重程度的方法，所述方法包括以下步骤：

测量车辆速度、车辆负载和局部当前环境温度的步骤，

根据所执行的测量基于以下公式来评估轮胎的内部耗散生热的功率的步骤，

，

其中，z：轮胎负载，v：速度，T：局部当前环境温度，K_i：每种材料的常系数，P_i：轮胎的内部耗散生热的功率，P(z,v)：取决于轮胎负载z和速度v，Q(T)：取决于局部当前环境温度，

根据该功率基于以下公式来确定轮胎内部温度T(z’,t)的步骤，

，

其中，t：时间，z’：深度，λ：导热率，ρ：密度，C：恒压下的质量热容量，

记录所执行的车轮旋转的圈数和/或在与给定温度区间相对应的使用状况下所经历的时间的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，包括测量轮胎所安装在的轮辋的温度的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，包括在检测到安装新轮胎时执行的将记录重置为零的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括用于根据所记录的内容来确定需要对轮胎进行维护或检查的装置。

5.一种用于估计安装在道路车辆上的轮胎的使用状况的严重程度的系统，所述系统包括制动计算机，所述制动计算机包括：

用于测量车辆速度、车辆负载和局部当前环境温度的装置，

用于根据所执行的测量基于以下公式来评估轮胎的内部耗散生热的功率的装置，

，

其中，z：轮胎负载，v：速度，T：局部当前环境温度，K_i：每种材料的常系数，P_i：轮胎的内部耗散生热的功率，P(z,v)：取决于轮胎负载z和速度v，Q(T)：取决于局部当前环境温度，

用于根据该功率基于以下公式来确定轮胎内部温度T(z’,t)的装置，

，

其中，t：时间，z’：深度，λ：导热率，ρ：密度，C：恒压下的质量热容量，

该系统还包括用于记录所执行的车轮旋转的圈数和/或在与给定温度区间相对应的使用状况下所经历的时间的装置。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括安装在制动计算机中的环境温度传感器。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的系统，还包括用于检测轮胎所安装在的轮辋的温度的温度传感器。

8.根据权利要求5所述的系统，包括用于警告车辆用户需要对轮胎进行维护或检查的装置。

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