CN116710297A - 用于监测轮胎的状态的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
用于监测装配在车辆上的轮胎(99)的状态的方法(200)和相关系统(100),该方法(200)包括:‑在所述车辆运动且所述轮胎旋转的情况下,采集(3)代表所述轮胎(99)的胎冠部(31)的运动的运动信号,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈;‑获得(4)所述运动信号的频谱;‑基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的状态,其中,所述运动信号代表所述胎冠部(31)的运动的轴向分量。
Description
技术领域
本发明涉及用于监测轮胎的状态、例如结构完整性状态或胎面磨损状态的方法,以及用于监测轮胎的状态的相关系统。
背景技术
典型地,车辆用轮胎在操作期间具有围绕其旋转轴线的基本上环形的结构,并且其具有垂直于旋转轴线的赤道平面,所述赤道平面典型地是(基本上)几何对称的平面(例如,忽略任何微小的不对称,诸如胎面设计和/或侧部上的文字和/或结构不对称或轮廓不对称)。
“内腔”意指在装配时由轮胎的内表面和轮辋的面向轮胎内表面的表面界定的空间。
“胎冠部”意指轮胎的置于胎面带处的部分。
术语“径向”和“轴向”分别参考基本上垂直于轮胎旋转轴线的方向和基本上平行于轮胎旋转轴线的方向使用。
术语“切向”参考基本上垂直于径向方向和轴向方向的方向使用(例如,大体上根据轮胎的滚动方向定向)。
术语“侧向”、“竖直”和“纵向”分别指轴向方向、竖直方向和水平方向。
“接地印痕”意指胎面带的外表面的在所装配的轮胎滚动并经受载荷(例如由于装配在车辆上)期间每时每刻与滚动表面接触的部分。接地印痕典型地具有基本上为零的曲率(或基本上无限的曲率半径),或者在任何情况下,其基本上呈现滚动表面的构型。
“接地印痕区域”意指胎冠部的每个时刻在接地印痕处的部分。
EP2813378、EP3330106、EP3210799和EP2837510中的每一个公开了一种用于估计轮胎磨损状态的系统。
发明内容
申请人已经观察到,在EP2813378、EP2837510、EP3330106和EP3210799中公开的用于估计轮胎磨损的方法使用了通过在将轮胎装配到车辆上之前执行的实验测量获得的相关模型,并且其允许通过识别模型的相关系数来使轮胎的充气压力、轮胎的振动模式的频率和胎面带的厚度数学上相关,其中胎面带的厚度的量代表轮胎的磨损状态。为了识别这些系数,在轮胎上执行测试循环,这涉及对于胎面带的不同预定厚度值应用多个不同的轮胎充气压力值,并且对于胎面带的每对压力和厚度值从在胎面带的压力和厚度的这种受控条件下采集的(加速度测量或速度)信号的频谱中识别轮胎的振动模式的频率。在轮胎的使用期间,这样确定的系数用于根据测量压力和测量频率来计算磨损。
申请人已经观察到,在EP2813378、EP2837510、EP3330106和EP3210799中描述的用于估计轮胎磨损的方法使用加速度测量(或速度)传感器,该传感器优选地安装在装配了该轮胎的车轮的轮毂处,并且适于检测轮胎的加速度(或速度)的竖直和/或纵向分量。通过采集这些物理量,可以获得期望振动模式的频率,该期望振动模式的频率用于实施前述的用于估计轮胎磨损的方法。特别地,从加速度的竖直分量的采集获得竖直振动模式的频率,而从加速度的纵向分量的采集(或者备选地从速度的采集)获得扭转振动模式的频率。
然而,申请人已经注意到,从前述加速度测量或速度信号(即,沿着竖直和纵向分量)获得的频谱包含来自轮胎的相对大量的振动模式的不可忽略的贡献。这使得所获得的频谱不清楚,并且在识别选定振动模式的正确频率方面以及在频谱的单个频率上可见的振动效应重叠的风险方面难以识别通用的单个振动模式的频率。例如,申请人已经观察到,通过采集加速度的竖直分量或纵向分量获得的频谱包含来自轮胎的六个第一振动模式中的至少四个的大量贡献(例如,围绕垂直于轮胎旋转轴线的两个轴线的两个旋转模式和沿着所述两个轴线的两个平移模式)。
“第一振动模式”意指其中带束层基本上不经受变形的轮胎的六个振动模式,即侧向平移、竖直平移、水平平移、围绕轮胎旋转轴线(Y)的扭转、围绕竖直轴线(Z)的扭转和围绕水平轴线(X)的扭转。
因此,申请人面临的问题是获得用于监测轮胎的状态(例如磨损和/或完整性的状态)的可靠且准确的方法和系统。
根据申请人,这个问题通过用于监测轮胎的状态的方法和系统来解决,其基于对代表轮胎的胎冠部的运动的轴向(即侧向)分量的运动信号的频率处理。
根据一个方面,本发明涉及一种用于监测装配在车辆上的轮胎的状态的方法,该方法包括:
-在所述车辆运动且所述轮胎旋转的情况下,采集代表所述轮胎的胎冠部的运动的运动信号,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎的多个转圈;
-获得所述运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定轮胎的所述状态。
有利地,所述运动信号代表胎冠部的所述运动的轴向分量。
根据另一方面,本发明涉及一种用于监测装配在车辆上的轮胎的状态的系统,该系统包括:
-运动传感器,其固定在所述轮胎的胎冠部处并被配置用于检测轮胎的所述胎冠部的运动并且生成代表所述运动的运动信号;
-至少一个处理单元,其与所述运动传感器通信并被编程和配置用于:
-采集所述运动信号,其中,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎的多个转圈;
-获得所述运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定轮胎的所述状态。
有利地,所述运动传感器被配置用于检测胎冠部的所述运动的轴向分量,并且所述运动信号代表所述运动的所述轴向分量。
申请人已经验证,代表轮胎的胎冠部的运动的轴向(即侧向)分量的运动信号的频谱比例如该运动的径向分量或切向分量的频谱更清晰且更可靠。在不局限于任何解释性理论的情况下,申请人认为轴向分量的频谱包含轮胎的相对较少的振动模式的大量贡献。这可能例如是由于在垂直于旋转轴线的、即由竖直和水平方向限定的平面中发生的滚动现象的固有性质。例如,关于六个第一振动模式(申请人认为其对于确定轮胎的状态是特别可靠的),申请人认为根据本发明的频谱仅包含侧向平移振动模式、围绕竖直轴线(Z)的旋转振动模式和围绕水平轴线(X)的旋转振动模式的大量贡献,而三个其余的第一振动模式,即围绕垂直于两个轴线、即竖直轴线(Z)和水平轴线(X)的轴线(Y)的旋转模式和沿着所述两个轴线的两个平移模式的贡献基本上可以忽略不计。
以这种方式,根据本发明的用于监测轮胎的状态的方法允许获得对轮胎所处状态的准确且可靠的确定。
申请人还观察到,在通过处理运动信号确定轮胎状态的技术领域中,通常不考虑运动的轴向分量,因为认为在轮胎的正常使用期间该分量不是很受激励并且因此包含低的信息含量。
本发明在一个或多个前述方面中可以具有以下优选特征中的一个或多个。
优选地,所述至少一个处理单元被编程和配置用于执行本发明的方法的实施例中的任何一个实施例。
优选地,所述运动信号是代表由所述轮胎的所述胎冠部、更优选地由轮胎内表面的属于所述轮胎的所述胎冠部的部分所经历的加速度、更优选地线性加速度的轴向(即侧向)分量的加速度测量信号。
在一个实施例中,所述第一信号是代表所述轮胎的所述胎冠部、更优选地轮胎内表面的属于所述轮胎的所述胎冠部的所述部分的线性速度(或位移/变形)的轴向分量的速度(或位移/变形)信号。以这种方式,容易地采集信号以便进行频率处理并且能够容易地用合适的传感器检测。
优选地,所述运动传感器是加速度测量传感器(备选地其是速度或位移/变形传感器),其被配置用于检测由所述轮胎的所述胎冠部、更优选地由轮胎内表面的属于所述轮胎的所述胎冠部的部分所经历的加速度、更优选地线性加速度(或速度或位移/变形)的轴向(即侧向)分量。优选地,所述运动传感器固定在内表面的所述部分处。
申请人认为,加速度测量信号和/或速度(或位移/变形)信号能够容易地采集(例如,由应用于轮胎内表面的合适的传感器)和/或适于进行频率处理。
优选地,所述确定轮胎的所述状态是基于所述频谱的在从20Hz直到200Hz、更优选地直到120Hz的频率范围中的(优选连续的)部分执行的。实际上,申请人认为轮胎的第一振动模式中的至少一些在此频率范围内,其因此对于监测轮胎状态的目的具有高的信息含量。
优选地,所述确定轮胎的所述状态是基于所述频谱、更优选地频谱的所述部分的时间趋势来执行的。以这种方式,可以监测频谱(并且特别是频谱的在20Hz至200Hz之间的部分)随时间的可能变化、申请人认为的与轮胎状态的变化直接相关的变化。
优选地,所述频谱包括多个峰。申请人已经认识到,频谱的峰代表轮胎的相应振动模式或轮胎的振动模式组合。
优选地规定:识别所述多个峰中的所确定的峰并确定所确定的峰的频率。优选地,基于所确定的峰的所述频率的时间上的趋势,执行所述确定轮胎的所述状态。申请人实际上已经认识到,所确定的峰代表轮胎的有利地可以在频谱内容易地识别的选定振动模式。因此,通过监测所确定的峰随时间的频率,可以获得简单、可靠且准确的对轮胎状态的确定。
优选地,所确定的峰的所述频率是轮胎的侧向平移振动模式的模态频率。
优选地,所述识别所述所确定的峰包括:
-在所述频谱中,对所述多个峰中的峰进行排序,将顺序(递增)次序n分配给频谱中的每个峰的频率的递增值;
-在所述频谱中,识别次序n等于一的峰,所述次序n等于一的峰是所述所确定的峰。
-优选地,所述识别所述所确定的峰包括在所述频谱中识别在预定频率范围中的峰,更优选地所述预定频率范围从20Hz(更优选地从25Hz、甚至更优选地从30Hz)直到100Hz(更优选地直到80Hz、甚至更优选地直到75Hz、甚至更优选地直到70Hz、甚至更优选地直到60Hz)。
申请人已经认识到,当采集代表运动(例如加速度)的轴向分量的运动信号、例如加速度测量信号并且获得运动信号的频谱时,频谱中的次序为一的峰表示轮胎的第一侧向平移振动模式,该次序为一的峰通常位于前述频率范围内(并且因此可以根据次序和/或根据频率位置来识别)。申请人认为,这种模式特别有利于用于确定轮胎的状态,因为其能够在频谱中容易识别,这又是因为其位于频谱的如下部分中,在该部分中,轮胎的其他振动模式的贡献基本上不存在并且因此其是频谱的该部分中的唯一明显的峰。申请人实际上已经发现,侧向平移振动模式基本上没有轮胎的其他振动模式的干涉,和/或其基本上不受振动现象之外的因素的影响,但是其(基本上)只受在采集运动信号时轮胎所处状态的影响。因此,侧向平移振动模式的频率变化允许获得轮胎所处状态的对应变化的直接且明确的指示,从而使得对轮胎状态的确定准确且可靠。
优选地,轮胎的所述多个转圈包含大于或等于300、更优选地大于或等于500并且优选小于或等于2000的所述转圈的总数。申请人已经通过实验验证了该值范围是频谱分析的高可靠性和精确度(取决于所采集的信号的时间长度)与存储容量、处理容量、采集时间和/或能量消耗的相关要求之间的良好折衷。
在一个实施例中,所述运动信号包括在时间上对应于多个连续时间区间的多个运动信号部分。
优选地,每个连续时间区间与(在时间上)随后的连续时间区间在时间上分开。换句话说,所述运动信号是通过以相对于彼此间隔开的时间区间采集信号部分而获得的。
申请人已经验证,以这种方式可以获得频谱分析的可靠性和/或准确性的改善,而且可以使该方法与车辆的正常使用兼容。申请人实际上已经认识到,在轮胎使用期间运动信号的采集条件显著影响所获得的频谱的质量(就信息含量而言)并因此也影响随后对轮胎状态的估计。特别地,申请人已经认识到,为了改善该方法的质量、可靠性和精确度,并且为了准确地识别轮胎的不同状态(例如轮胎的不同磨损水平),有利的是通过改变轮胎的激励条件以完全激励轮胎来采集信号。由时间上不接连的不同部分构成并且因此代表车辆前行的时间和空间上间隔开的条件的运动信号的采集使得代表轮胎及其振动模式的不同激励条件的信号部分的采集合理地成为可能,从而使得所得频谱的信息含量更丰富和更完整。此外,该技术允许考虑到该方法的采集条件且与车辆的正常使用(在此期间,条件以不可预测的方式并且与本方法的要求无关地变化)兼容地获得关于(典型地预定的)足够的总转圈数的信号,尽管是在不同的采集中。
典型地,每个信号部分在时间上对应于所述轮胎的至少一个转圈,更优选地对应于轮胎的相应多个转圈。
优选地,假如车辆的侧向加速度小于或等于2m/s2,更优选地小于或等于1m/s2,甚至更优选地小于或等于0.5m/s2(绝对值),则执行所述运动信号的采集。换句话说,典型地在车辆(基本上)直线前进期间采集运动信号,例如在转弯期间不发生运动信号的采集。
优选地,假如车辆的纵向加速度小于或等于2m/s2,更优选地小于或等于1m/s2,甚至更优选地小于或等于0.5m/s2(绝对值),则执行所述运动信号的采集。换句话说,运动信号是在车辆的前进速度(基本上)恒定的条件下采集的,例如在车辆的加速或制动阶段期间不发生运动信号的采集。
申请人已经通过实验验证,在这些条件中的一个或两个下,频率分析的可靠性、准确性和/或精确度得到了改善。这可能是由于以下事实:在这些条件中的一个或两个下,可以限制对运动信号产生的与轮胎振动模式之外的现象联系的可能干扰,而这种干扰在频谱中引入了与轮胎振动模式不相关的信息贡献。
优选地,该系统包括加速度传感器,加速度传感器更优选地安装到所述车辆上,用于检测车辆的纵向和/或侧向加速度,加速度传感器连接到所述至少一个处理单元。以这种方式,当纵向加速度和/或侧向加速度在前述值范围内时,可以检测车辆的纵向和/或侧向加速度以驱动运动信号的采集。
优选地,假如车辆的前进速度大于或等于20km/h,更优选地大于或等于30km/h,和/或小于或等于80km/h,更优选地小于或等于70km/h,则执行所述运动信号的采集。申请人已经验证,在车辆前进速度的这个范围内,可以获得用于频率处理的高质量的运动信号。
优选地,该系统包括速度传感器,速度传感器更优选地安装到所述车辆上,用于检测车辆的前进速度,速度传感器连接到所述至少一个处理单元。以这种方式,当前进速度在前述值范围内时,可以检测车辆的前进速度以驱动运动信号的采集。
优选地,所述采集所述运动信号包括采集代表胎冠部的运动的所述轴向分量的原始信号,并从原始信号中过滤、更优选地从原始信号中去除原始信号的在时间上对应于(至少)所述胎冠部(和/或所述运动传感器)在轮胎的接地印痕区域中的每次经过的部分或降低该部分的值。以这种方式,过滤了运动信号的其中胎冠部基本上被约束到滚动表面并且因此与选定振动模式相关性很差或者根本不相关的部分,从而允许改善信号的质量。
优选地,所述确定轮胎的所述状态包括假如所确定的峰的所述频率在时间上降低,则确定所述轮胎的结构完整性损失状态。
优选地,所述确定轮胎的所述状态包括假如所确定的峰的所述频率在时间上增加,则确定所述轮胎(的胎面带)的磨损状态。
申请人实际上已经认识到,至少对于带束层没有经受变形的轮胎的六个第一振动模式(其中存在侧向平移振动模式),模态频率(f)的平方与模态刚度(k)成正比并且与模态质量或者惯性矩(m)成反比,这三个量由数学公式联系起来。申请人已经观察到,对于轮胎,模态刚度和模态质量可以被认为是相互独立的量,特别是因为模态刚度基本上由胎体的刚度确定,而模态质量基本上由弹性体化合物的质量确定(并且特别是主要由胎面带和部分侧壁的质量确定),并且这些量在轮胎的操作寿命期间基本上保持恒定或者至多减小(假如轮胎的操作参数保持恒定):例如,在轮胎的使用期间,胎体刚度的显著增加或者弹性体化合物质量的增加典型地是不可能的。因此,在其中例如发生胎面质量减少的轮胎磨损的情况下,相对于未磨损的(即新的)轮胎的模态质量,将存在轮胎的模态质量的减少,由此引起模态频率的增加。相反,在其中胎体刚度减少的结构完整性损失的情况下,相对于轮胎处于基准状态(参看下文)时的模态刚度,将发生轮胎的模态刚度的减少,由此引起模态频率的减少。
在一个实施例中,所述运动信号仅代表胎冠部的所述运动的所述轴向分量,并且规定仅基于所述频谱来确定所述磨损状态。换句话说,磨损仅通过考虑胎冠部的运动的侧向分量来确定,而不考虑轴向或切向分量。申请人实际上已经验证,以这种方式,尽管该方法的简单性,但结果是足够可靠的。
在一个实施例中(作为前述实施例的备选方案),规定:
-采集代表胎冠部的所述运动的径向和/或切向分量的另一运动信号,
-获得所述另一运动信号的另一频谱;
-基于所述另一频谱,验证基于所述频谱确定的所述磨损状态。
优选地规定:对所述另一运动信号执行对所述运动信号执行的上述操作中的一个或多个。
换句话说,径向和/或切向分量被用作仅基于侧向分量确定的磨损状态的控制变量。
优选地,确定所述轮胎的磨损状态通过以下方式执行:
-确定处于基准状态的轮胎的基准模态质量;
-确定处于所述基准状态的轮胎的基准模态刚度;
-根据所述基准模态质量、所述基准模态刚度、所确定的峰的所述频率并且根据所述轮胎的几何或物理参数(例如,轮胎部件的几何半径、胎面宽度等)来确定所述轮胎的胎面的厚度。
优选地,所述基准模态质量大于或等于所述轮胎的总质量的60%,更优选地大于或等于该总质量的65%,和/或小于或等于该总质量的85%,更优选地小于或等于该总质量的82%。
优选地,所述基准状态是未损坏且未磨损的轮胎的状态(即,除了如下所解释的最小里程之外,轮胎基本上是新的)。以这种方式,基准状态表示轮胎的可接受状态。
优选地规定:假如所述车辆自从装配处于新状态的轮胎时开始已经行驶了预定距离,则确定所述基准状态。例如,所述距离大于或等于300km,更优选地大于或等于500km,并且更优选地小于或等于1000km。以这种方式,可以允许轮胎松弛,这释放了在生产过程期间(特别是在硫化步骤期间)积累的张力,但轮胎没有显著磨损。因此,去除了轮胎操作寿命的初始过渡阶段(例如,在最初的数百千米内),在该初始过渡阶段中,轮胎仍然具有不反映其然后在其操作寿命的剩余部分内将呈现的配置的配置(除非结构失效)。
优选地,所述确定轮胎的所述基准模态刚度根据轮胎的所述基准模态质量和在所述轮胎处于基准状态下确定的所确定的峰的所述频率来执行。以这种方式,可以获得基准模态刚度的值,根据申请人,该值是在轮胎的相同操作条件下从轮胎已经呈现基准状态开始时典型地在轮胎的整个操作寿命期间(对于轮胎的相同操作条件和轮胎的相同完整性)保持基本上恒定的值。
优选地,在所述轮胎的一个或多个操作参数的相应当前值下执行所述采集所述运动信号,并且所述方法包括检测所述一个或多个操作参数的所述相应当前值。
优选地,所述轮胎的所述一个或多个操作参数在以下组中选择:压力、前进速度、温度和竖直载荷。
以这种方式,控制可能影响轮胎胎体刚度的操作参数,从而控制模态频率。
优选地,在所述轮胎的压力的当前值下执行所述采集所述运动信号,并且所述方法包括检测压力的所述当前值。特别地,申请人已经通过实验验证压力是主要影响轮胎的侧向平移模式的模态频率的参数。
优选地,该系统包括压力传感器,该压力传感器更优选地安装到所述轮胎上,用于检测轮胎的压力,该压力传感器连接到所述至少一个处理单元。
在一个实施例中,该系统包括用于检测轮胎的内部温度的温度传感器,该温度传感器连接到所述至少一个处理单元。
以这种方式,可以准确地测量轮胎的操作参数的值并控制轮胎的操作参数随时间的潜在变化,该潜在变化可能会限制该方法的可靠性。
优选地,所述基于所述频谱确定轮胎的所述状态根据轮胎的所述一个或多个操作参数来执行,更优选地根据至少所述压力来执行。
优选地,所述采集运动信号、获得所述频谱以及基于所述频谱、更优选地基于所确定的峰的所述频率来确定轮胎的所述状态是在所述轮胎处于所述基准状态的第一操作阶段中执行的,并且典型地以迭代的方式在所述第一操作阶段之后的第二操作阶段中执行。以这种方式,通过比较在第一操作阶段和第二操作阶段中获得的频谱(优选所确定的峰的频率),可以评估完全地在轮胎装配在车辆上的情况下以及在车辆正常使用期间轮胎状态的变化。申请人实际上已经观察到,在第一操作阶段中获得的频谱代表轮胎处于基准状态下的轮胎的振动模式,这有利地可以与基本上新的轮胎的状态一致,而在第二操作阶段中获得的频谱代表轮胎处于可能不同于基准状态的当前状态下的轮胎的振动模式。根据该观察,申请人已经认识到,可以通过比较在第一操作阶段和第二操作阶段中获得的频谱并评估两个频谱之间的任何偏差来确定轮胎的状态,从而实施用于在轮胎装配在车辆上的情况下监测轮胎的状态的整个方法(即,没有预先校准)并限制高估或低估轮胎所处的状态、例如磨损或结构完整性状态的可能性。
优选地,在所述第二操作阶段中,规定:使用在所述第一操作阶段中获得的所述频谱的所确定的峰的所述频率与在所述第一操作阶段和第二操作阶段中检测的轮胎压力的至少一个相应值之间的预定数学函数来确定基准频率。以这种方式,该方法可特别简单地实施且可靠,因为可以至少考虑到轮胎的压力执行对轮胎的状态的确定。特别地,申请人已经验证,所确定的峰的频率至少根据压力(可选地也根据其他操作参数)而变化的趋势可以通过物理/数学模型(其可以应用于各种类别的轮胎)一劳永逸地确定。如果轮胎的状态没有发生变化,则所确定的峰的频率的这种变化趋势至少根据压力而变化,然后可以用于计算所确定的峰的频率在第二操作阶段期间应该呈现的期望值。
在一个实施例中,所述预定数学函数由以下公式表达:
其中,f(p)是所述基准频率,p是在第二操作阶段中检测到的压力的当前值;f0是在第一操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率,p0是在第一操作阶段中检测到的压力值,并且αp是例如数学常数。该数学函数至少考虑了压力,该压力是极大地影响刚度并因此影响模态频率的操作参数。
优选地,确定所述轮胎的所述磨损状态包括计算轮胎的模态质量减少。优选地,所述模态质量减少通过所述基准频率与在第二操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的所述频率之间的二次比来计算。备选地,所述模态质量减少通过所述基准模态质量与所述轮胎的根据所述基准模态质量和所确定的峰的所述相应频率计算的当前模态质量之间的差来计算。以这种方式,简单地获得轮胎所经历的磨损程度的定性或定量估计。
优选地,所述计算胎面的厚度根据轮胎的所述当前模态质量以及根据轮胎的几何或物理参数来执行,所述几何或物理参数例如是化合物的密度、胎面带的宽度和初始厚度。以这种方式,胎面带的厚度的计算被简化,以用于量化轮胎所经历的磨损程度。
附图说明
图1示出了轮胎的一部段的示意性透视和局部视图,该部段包括运动传感器,该运动传感器属于(图中示意性示出的)根据本发明的用于监测的系统;
图2示出了根据本发明一个实施例的用于监测轮胎的状态的方法的流程图;
图3示意性地示出了应用本发明的方法分别对于轮胎的胎面带的四个不同磨损值获得的频谱的示例。
具体实施方式
本发明的特征和优点将通过下面参考附图对本发明的一些实施例的详细描述来进一步阐明,这些实施例以非限制性示例的方式展现。
在图1中用附图标记100示意性地示出了根据本发明的用于监测轮胎99的状态的系统。系统100包括运动传感器70、例如三轴加速度测量传感器,其固定到轮胎99的内表面33的属于轮胎的胎冠部31(即,轮胎的在胎面带32处的部分)的部分30。优选地,加速度测量传感器70安装在轮胎99的正中面(由虚线35指示)处。所有图均未按比例示出,仅用于说明目的。
加速度测量传感器70有利地被放置成使得其三个轴线分别与轴线X(沿着纵向方向)、Y(沿着轴向方向)和Z(沿着径向方向)对准,并且其被配置成单独地检测轮胎的内表面33的部分30所经历的线性加速度的切向分量(沿着X轴线定向)、轴向分量(沿着Y轴线定向)和径向分量(沿着Z轴线定向)。为了本发明的目的,加速度测量传感器检测轴向分量(Y)就足够了,例如单轴传感器。
用于监测的系统100包括处理单元80,该处理单元例如通过(例如无线)通信线路A与加速度测量传感器70通信,以接收代表所检测到的线性加速度的轴向分量(Y)的加速度测量信号。
本发明设想了处理单元的任何布置和逻辑和/或物理分区,该处理单元可以例如是单个物理和/或逻辑单元或由若干不同的且协作的物理和/或逻辑单元组成,这些单元可以全部或部分地放置在加速度测量传感器中、轮胎中、轮辋中、装配有轮胎99的车辆(未示出)上、和/或与装配有轮胎99的车辆相连的远程站中。
示例性地,处理单元80示例性地通过通信线路R(有线或无线地)连接到显示设备73、例如车辆的车载计算机的屏幕,以用于传输轮胎状态的监测结果。
示例性地,用于监测的系统100还包括压力传感器71,该压力传感器示例性地容纳在阀内或轮胎99的内表面上(例如靠近传感器70),并且被配置成检测轮胎99的压力(即,输入轮胎内腔的轮胎充气压力)。压力传感器71示例性地通过(例如无线)通信线路P与处理单元80通信以用于传输测量的压力值。
示例性地,用于监测的系统100包括速度传感器72,该速度传感器示例性地安装在车辆上,并且被配置成检测车辆的(并且因此轮胎99的)前进速度。速度传感器72示例性地通过通信线路V(有线或无线地)与处理单元80通信以用于传输测量的前进速度值。
示例性地,用于监测的系统100还包括加速度传感器74,其示例性地安装到车辆上(例如,形成车辆惯性平台的部分),并被构造用于检测车辆的纵向和/或侧向加速度(并因此检测轮胎99的纵向和/或侧向加速度)。加速度传感器74示例性地通过通信线路E(有线或无线地)与处理单元80通信以用于传输测量的纵向和/或侧向加速度值。
示例性地,处理单元80被编程和配置成执行下面描述的操作。
图2示出了根据本发明的用于监测轮胎99的状态的方法200的示例的操作的流程图,该方法可以由上述用于监测的系统100来实施。
优选地,将轮胎99装配1在车辆上并且充气20至期望的压力,该期望的压力示例性地等于轮胎的操作压力,例如等于200kPa。
示例性地,方法200包括确定2(例如在装配轮胎时输入处理单元中的)轮胎的基准模态质量。通常,基准模态质量取决于所选轮胎类型的参数,并且对于标准轮胎,其值等于轮胎99的总质量的大约75%,对于胎圈区域比胎面区域厚的轮胎,其值等于轮胎的总质量的大约70%,对于胎圈区域比胎面区域薄的轮胎,其值等于轮胎的总质量的大约80%。
随后,在例如当车辆从新轮胎条件行驶了大约500km时开始的第一操作阶段中,在轮胎99处于基准状态(在该示例中是松弛的轮胎的状态,即,其已经释放了由于生产过程、例如硫化导致的内应力,但是仍然处于完好的结构完整性和胎面未磨损的状态)的情况下,方法200包括以下操作。
示例性地规定:在第一操作阶段中,检测40轮胎99的压力值,并采集3加速度测量信号,该加速度测量信号仅代表内表面33的部分30在检测到的压力值下所经历的线性加速度的轴向分量。
示例性地,假如车辆的纵向和/或侧向加速度小于或等于0.5m/s2,则执行采集3加速度测量信号。
示例性地,假如车辆的前进速度在20km/h与70km/h之间(包括极限值),则执行采集3加速度测量信号。
示例性地,首先采集原始信号,例如由传感器生成的连续信号(示例性地包括轮胎的多个转圈、例如数百个转圈)。
示例性地,原始加速度测量信号包括多个加速度测量信号部分,每个信号部分在时间上对应于连续时间区间(示例性地对应于轮胎的至少一个整转圈、典型地对应于数十个整转圈),其中每个时间区间与随后的时间区间在时间上分开。
示例性地规定:对原始加速度测量信号执行一系列预先加工和/或过滤操作15,以便去除任何干扰。特别是规定:从原始加速度测量信号中过滤信号的在时间上对应于胎冠部31在轮胎99的接地印痕区域中每次经过的部分,例如通过汉宁窗减小其值。
因此获得加速度测量信号,将对该加速度测量信号执行以下操作。
通过频率分析,获得4加速度测量信号的频谱,该频谱示例性地包括多个峰。例如,通过对采集的加速度测量信号计算快速傅立叶变换(FFT)16或者通过对采集的加速度测量信号执行PSD(功率谱密度)运算来获得该频谱。
规定:识别5多个峰中的所确定的峰并确定所确定的峰的频率(即,所确定的峰出现处的频率)。
示例性地识别5频谱中的所确定的峰包括:
-识别17多个峰中的每个峰,例如通过识别频谱内具有正二阶导数的拐点(或者通过识别频谱内具有零一阶导数和正二阶导数的点);
-通过将顺序(例如递增)次序n分配给每个峰出现处的频率的递增值来对峰排序18;
-选择19次序为一的峰,其例如位于30-80Hz的频率范围内。
在一个实施例中,识别5所确定的峰包括识别基本上完全落在频率范围30-80Hz内的唯一峰。
例如,在图3中,曲线300表示在对于未磨损的轮胎且在基准状态下获得的频谱的30Hz与120Hz之间包括的部分(即,具有较高信息含量的频谱部分),其中次序为一的峰(用附图标记401指示)和次序为二的峰(用附图标记402指示)以及相应的频率至少部分可见。
示例性地,处理单元80被配置用于存储在车辆的第一操作阶段中确定的所确定的峰的频率。
随后,示例性地例如在行驶1000km之后开始的第二操作阶段中,方法200包括(以迭代方式,例如在每行驶50km之后)执行以下操作:
i)检测41轮胎99在第二操作阶段中的压力的当前值;
ii)采集6加速度测量信号,该加速度测量信号代表在第二操作阶段中在压力值下内表面33的部分30所经历的加速度的侧向分量。在第二操作阶段中的加速度测量信号的采集考虑与在第一操作阶段中的加速度测量信号的采集相同的条件,并且在第二操作阶段中的加速度测量信号如上文对于在第一操作阶段中的加速度测量信号所解释的那样构建;
iii)从在第二操作阶段中采集的原始加速度测量信号中过滤42信号的包括接地印痕区域的部分,如上文对于在第一操作阶段中的加速度测量信号示例性地解释的那样;
iv)在过滤42之后,获得7加速度测量信号的频谱,该频谱示例性地包括相应的多个峰。例如,甚至在第二操作阶段中获得的频谱也是通过对加速度测量信号应用快速傅立叶变换(FFT)或PSD运算而获得的;
v)识别8与在第一操作阶段中获得的频谱的多个峰中的所确定的峰相对应的在第二操作阶段中获得的频谱的多个峰中的所确定的峰。换句话说,在第二操作阶段中识别的所确定的峰也是在第二操作阶段中获得的频谱中的次序为一的峰,并且其在频率范围30-80Hz内;
vi)确定9在第二操作阶段中获得的频谱中识别的所确定的峰的频率。
参考图3,曲线301、302和303表示在对于轮胎99的三个不同磨损值(分别为2mm、4mm和6mm的磨损)在第二操作阶段中获得的三个不同示例性频谱的30Hz与120Hz之间包括的部分。对于这些曲线中的每一个,次序为一的峰(在30Hz至80Hz的频率范围内)和(至少部分地)次序为二的峰(在80Hz以上)以及相应的频率是可见的。
示例性地规定:例如在已经检测到第二操作阶段中的压力的当前值之后,示例性地通过以下数学公式,根据在第一操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率以及在第一操作阶段和第二操作阶段中检测到的压力值确定10基准频率:
其中,f(p)是基准频率;f0是在第一操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率,p和p0是分别在第二操作阶段和第一操作阶段中检测到的压力值,并且αp是预定的数学常数,例如等于0.74。
随后,方法200包括基于基准频率(或者在一个备选实施例中的第一频率)与在第二操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率之间的比较来确定11轮胎99的状态,以用于示例性地确定轮胎99的完整性损失状态和/或磨损状态。
示例性地,假如所确定的峰的频率增加,即在第二操作阶段中获得的所确定的峰的频率大于基准频率,则确定轮胎99的磨损状态。
示例性地,假如所确定的峰的频率降低,即在第二操作阶段中获得的所确定的峰的频率小于基准频率,则确定轮胎的完整性损失状态。
示例性地还可以计算模态质量百分比减少(与磨损现象相关),例如通过以下公式计算:
其中,Δm%是模态质量百分比减少,f0是基准频率,并且f是在第二操作阶段中获得的所确定的峰的频率。备选地,还可以计算轮胎99的当前模态质量,即由于磨损现象导致的轮胎的残余模态质量,示例性地通过如下公式计算:
其中,m是当前模态质量,并且m0是基准模态质量(例如,在车辆上装配轮胎时采集)。
由当前模态质量m或由模态质量减少Δm%的值,然后可以根据轮胎的物理和几何参数、例如化合物的密度、胎面带的初始宽度和初始厚度导出由于磨损而引起的胎面厚度损失。
示例性地还可以计算模态刚度百分比减少(与结构完整性损失现象相关),例如通过以下公式计算:
其中,Δk%是模态刚度百分比减少。
Claims (15)
1.一种用于监测装配在车辆上的轮胎(99)的状态的方法(200),所述方法(200)包括:
-在所述车辆运动且所述轮胎旋转的情况下,采集(3)代表所述轮胎(99)的胎冠部(31)的运动的运动信号,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈;
-获得(4)所述运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的所述状态,
其中,所述运动信号代表所述胎冠部(31)的所述运动的轴向分量。
2.根据权利要求1所述的方法(200),其中,所述运动信号是代表由所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)所经历的线性加速度的轴向分量的加速度测量信号,并且其中,所述轮胎(99)的所述多个转圈包含大于或等于300且小于或等于2000的所述转圈的总数。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述确定(11)所述轮胎(99)的所述状态是基于所述频谱的在从20Hz到120Hz的频率范围内的部分的时间趋势来执行的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述频谱包括多个峰,其中,所述方法(200)包括识别(5)所述多个峰中的所确定的峰并确定所述所确定的峰的频率,并且其中,所述所确定的峰的所述频率是所述轮胎(99)的侧向平移振动模式的模态频率。
5.根据权利要求4所述的方法(200),其中,所述识别(5)所述所确定的峰包括:
-在所述频谱中,对所述多个峰中的峰进行排序(18),将顺序次序n分配给所述频谱中的每个峰的频率的递增值;
-在所述频谱中,识别(19)次序n等于一的峰,所述次序n等于一的峰是所述所确定的峰,
或者
其中,所述识别(5)所述所确定的峰包括在所述频谱中识别在从20Hz到100Hz的预定频率范围内的峰。
6.根据权利要求4或5所述的方法(200),其中,所述确定(11)所述轮胎(99)的所述状态包括:
-假如所述所确定的峰的所述频率在时间上降低,则确定所述轮胎(99)的结构完整性损失状态,
或者
-假如所述所确定的峰的所述频率在时间上增加,则确定所述轮胎(99)的磨损状态。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,假如出现以下条件中的一个或多个,则执行所述采集所述运动信号:
-所述车辆的侧向加速度小于或等于2m/s2;
-所述车辆的纵向加速度小于或等于2m/s2;
-所述车辆的前进速度大于或等于20km/h且小于或等于80km/h。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述采集(3、6)所述运动信号包括采集代表所述胎冠部(31)的所述运动的所述轴向分量的原始信号,并且从所述原始信号中过滤(15、42)所述原始信号的在时间上至少对应于所述胎冠部(31)在所述轮胎(99)的接地印痕区域中的每次经过的部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述运动信号包括分别在时间上对应于多个连续时间区间的多个运动信号部分,其中,每个连续时间区间与在时间上随后的连续时间区间在时间上分开,并且其中,每个信号部分在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述采集(3、6)所述运动信号是在所述轮胎(99)的压力的当前值下执行的,并且所述方法(200)包括检测压力的所述当前值,并且其中,所述基于所述频谱确定(11)所述轮胎的所述状态是至少根据所述压力来执行的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),包括识别(5)所述频谱的多个峰中的所确定的峰并确定所述所确定的峰的频率,其中,确定所述轮胎(99)的所述状态包括通过以下方式确定所述轮胎(99)的磨损状态:
-确定(2)所述轮胎(99)在基准状态下的基准模态质量,所述基准模态质量大于或等于所述轮胎(99)的总质量的60%和/或小于或等于所述总质量的85%;
-根据所述轮胎的所述基准模态质量并根据所述轮胎在所述基准状态下确定的所述所确定的峰的所述频率,确定所述轮胎在所述基准状态下的基准模态刚度;
-根据所述基准模态质量、所述基准模态刚度、所述所确定的峰的所述频率以及根据所述轮胎的几何和/或物理参数,确定所述轮胎的胎面的厚度,
其中,所述基准状态是未损坏且未磨损的轮胎的状态,并且其中,所述方法(200)包括:假如所述车辆自从装配处于新状态的所述轮胎(99)时开始已经行驶了大于或等于300km且小于或等于1000km的距离,则确定所述基准状态。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述采集(3、6)运动信号、获得(4、7)所述频谱以及基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的所述状态是在所述轮胎(99)处于基准状态的第一操作阶段中以及在所述第一操作阶段之后的第二操作阶段中执行的,其中,所述基准状态是未损坏且未磨损的轮胎的状态。
13.根据权利要求12所述的方法(200),包括在所述第二操作阶段中,使用由以下公式表达的预定数学函数来确定(10)基准频率:
其中,f(p)是所述基准频率,p是在所述第二操作阶段中检测到的所述轮胎(99)的压力值;f0是在所述第一操作阶段中获得的所述频谱的所确定的峰的频率,p0是在所述第一操作阶段中检测到的所述压力值,并且αp是数学常数,并且其中,确定所述轮胎的磨损状态包括通过所述基准频率与在所述第二操作阶段中获得的所述频谱的所述所确定的峰的所述频率之间的二次比来计算所述轮胎的模态质量减少。
14.一种用于监测装配在车辆上的轮胎(99)的状态的系统(100),所述系统(100)包括:
-运动传感器(70),所述运动传感器固定在所述轮胎(99)的胎冠部(31)处并被配置用于检测所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)的运动并生成代表所述运动的运动信号;
-至少一个处理单元(80),所述至少一个处理单元与所述运动传感器(70)通信并被编程和配置用于:
-采集(3)所述运动信号,其中,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈;
-获得(4)所述运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的所述状态,
其中,所述运动传感器(70)被配置用于检测所述胎冠部的所述运动的轴向分量,并且所述运动信号代表所述运动的所述轴向分量。
15.根据权利要求书14的系统(100),其中,所述运动传感器(70)是被配置用于检测所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)所经历的线性加速度的轴向分量的加速度测量传感器,其中,所述运动传感器(70)固定在内表面(33)的一部分(30)处,其中,所述系统(100)包括:
-压力传感器(71),所述压力传感器安装到所述轮胎(99)上以用于检测所述轮胎(99)的压力,所述压力传感器(71)连接到所述至少一个处理单元(80);
-加速度传感器(74),所述加速度传感器安装到所述车辆上以用于检测所述车辆的纵向和/或侧向加速度,所述加速度传感器(74)连接到所述至少一个处理单元(80),
并且其中,所述至少一个处理单元(80)被编程和配置用于执行根据权利要求2至13中的一项或多项所述的用于监测装配在车辆上的轮胎的状态的方法。
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