CN118475481A - 用于实时轮胎磨损测量的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量轮胎磨损的设备(1)，其包括超声发射器(2)和超声接收器(3)，使得借助于发射器(2)发射超声波穿过轮胎(10)的材料以及接收器(3)接收在滚动表面(SR)上反弹之后的所述波，获得内面(10i)和外面(10e)的滚动表面(SR)之间的距离。超声波的频率在100kHz与500kHz之间。本发明还公开了一种包括所述设备(1)的轮胎，以及一种使用所述设备(1)测量轮胎磨损的方法。
Description
技术领域
本发明属于汽车行业中轮胎状况监测的领域。
本发明的第一个目的是一种被设计用于实时测量轮胎磨损的设备。
本发明的第二个目的是一种上述设备可以执行的用于实时测量轮胎磨损的方法。
背景技术
当前的汽车具有越来越多的传感器，旨在测量相关参数以用于正确操作。由这些传感器提供的信息借助于设置在驾驶室内部的控制接口（例如借助于光指示器或声音警报）向驾驶员示出。因此，驾驶员可以根据由传感器提供的数据采取必要的措施。备选地，传感器的信息可以被发送到远程位置，例如控制车队的控制中心，从而能够更好地管理维护任务。
在这种情况下，TPMS(轮胎压力监测系统)多年前就广为人知。构成TPMS的主要元件是借助于具有通信能力的处理装置而连接的压力传感器和温度传感器。通信装置原则上可以是任何种类的，只要它提供以安全且可靠的方式传输由传感器获得的信息即可。例如，射频或近年来的IoT技术通常用于此目的。这些元件嵌入电子板中，用于构成安装在轮胎内部或车辆轮胎的空气阀处的单个小尺寸部件。由于这种配置，传感器可以实时获得轮胎压力和温度，并将这些信息发送到外部进行分析。例如，关于压力和温度的信息可以被发送到车辆的控制装置，该控制装置然后通过车辆的控制板将数据发送给驾驶员(例如，当压力或温度异常时，指示器可以点亮)。备选地，压力和温度信息可以被发送到远程位置，例如发送到云，用于在远程定位的控制中心中进行分析。
TPMS系统非常有用，因为它们实时提供轮胎中每一个的压力和温度。因此，驾驶员或车辆管理者可以做出必要的决定以保持轮胎处于良好状况。然而，TPMS系统的缺点是它们不测量可能是最重要的轮胎参数：胎面深度。
确实，众所周知，现在许多交通事故都是由于没有适时更换，循环使用磨损轮胎而造成的。当轮胎磨坏时，胎面会损失，抓地力会降低，并且事故概率会显著增加，特别是在恶劣天气状况下。然而，现在监测车辆中轮胎的状况依赖于人，通常是驾驶员，周期性地目视检查轮胎。大多数具有磨坏的轮胎的车辆都是由于驾驶员失察或粗心大意造成的。此外，在每侧具有两个轮胎的重型车辆的特定情况下，几乎不可能正确地检查内侧后轴轮胎。
用于确定车辆轮胎的胎面深度的一些装置是已知的。然而，这些设备执行间接测量，使其信息基于数学算法，或者它们在车辆本身的外部。例如，已知具有设置在地面上的光学激光器的系统，用于在车辆经过它们时确定胎面深度。
总之，在该领域中仍然存在对集成在车辆中并且能够直接和自动地提供关于轮胎胎面状况的信息的设备的需求。
发明内容
归功于一种特别地设计用于实时测量轮胎磨损的设备和方法，本发明解决了上述缺点。为此提供了一种超声发射/接收系统，该超声发射/接收系统被配置为附接到轮胎的内面。此外，以与由常规TPMS提供的轮胎压力和温度信息类似的方式，本发明的设备可以将磨损信息发送到车辆的控制装置或远程位置，以用于轮胎磨损的适当管理。事实上，当本发明的设备还包括压力和温度传感器时，其实际上是一种相对于常规TPMS改进的TPMS。
重要的是要注意，本发明的设备是自主和自动的。也就是说，它在它可编程的意义上是自主的，使得轮胎磨损测量在不需要任何具体命令的情况下进行，并且它在不需要操纵轮胎或传感器以使设备执行测量的意义上是自动的。
接下来，将更详细地公开本发明的设备、包括本发明的设备的轮胎以及借助于本发明的设备用于测量轮胎磨损的方法。
轮胎磨损测量设备
本发明的第一方面涉及一种用于实时测量轮胎磨损的设备。如上文所提到的，轮胎包括内面和外面，并且进而，外面包括由相对于轮胎的滚动表面而凹陷的多个凹槽形成的胎面。现在，本发明的设备是有利的，因为它包括超声发射器和超声接收器，并且它被配置为用于在超声发射器的发射端和超声接收器的接收端面向滚动表面的没有凹部的部分的位置处附接到轮胎的内面。因此，通过借助于发射器发射超声波穿过构成轮胎的材料并且借助于接收器接收在滚动表面上反弹之后的所述波，获得了在内面与外面的滚动表面之间的距离。虽然此距离不直接等同于胎面深度，但仅通过从所获得的距离减去凹槽底部与轮胎内面之间的距离就可以以直接且简单的方式而获得胎面深度。
这种配置是有利的，因为它允许以自动方式获得轮胎磨损，并且从而当胎面过度磨损时可以警告驾驶员或负责车辆状况的人。
原则上，超声波可以具有任何频率，只要它可以适当地从内面穿过轮胎材料到外面即可。特别地，用于基于频率为几千兆赫，例如在2MHz与3MHz之间的超声发射来测量橡胶厚度的设备是已知的。然而，本申请的发明人通过实验发现，由于轮胎具有防止超声波穿过的增强金属网的事实，这些频率不适合于测量轮胎厚度。确实，在上述频率下，超声波不能穿过金属网，而是碰到金属网反弹。为了解决这个问题，本申请的发明人发现超声频率需要低得多，在100kHz与500kHz之间，最好的结果发生在200kHz与300kHz之间。因此，根据本发明的特别优选的实施例，超声发射器和接收器分别被配置用于发射和接收频率在100kHz与500kHz之间、更优选地在200kHz与300kHz之间的超声波。
如上文所提到的，这种配置是有利的，因为它允许本发明的设备在具有增强金属网的轮胎中采用。
发射器和接收器可以具有许多不同的配置，尽管根据本发明的特别优选的实施例，超声发射器的发射端和超声接收器的接收端定位在设备到轮胎的附接面处。设备的附接面是本发明的设备籍以附接至轮胎的附接面，并且其形状可适于轮胎的内曲率。此外，附接面可以包括诸如化学粘合剂或类似物的附接装置。因此，当本发明的设备附接到轮胎的内面时，发射器和接收器的相应发射端和接收端与轮胎的所述内面直接接触，使得由发射器发射的超声波直接进入轮胎材料中。
这种配置的优点在于测量结果更精确，因为避免了超声波穿过空气-轮胎材料界面的需要。
另一方面，发射器和接收器可以定位于设备中的任何位置，只要由发射器发送的信号可以被接收器正确地接收即可。然而，根据本发明的特别优选的实施例，超声发射器和超声接收器彼此相邻。
这种配置的优点在于，测量的精度得到提高，并且它还允许获得特别紧凑的设备。
优选地，本发明的设备还包括压力传感器和温度传感器。这些传感器可以是任何类型并且可以定位在设备中的任何位置，只要它们获得轮胎内部的温度和压力即可。例如，可以采用与常规TPMS中使用的压力和温度传感器类似的压力和温度传感器。
这种配置的优点在于获得了与轮胎状况相关的完整信息，包括压力、温度和磨损程度。仅此信息就足以确定何时需要维护或更换轮胎。
根据又一优选实施例，本发明的设备还包括通信装置。通信装置可以是任何类型的，只要关于轮胎磨损的信息以及如果需要的话，关于轮胎内部的温度和压力的信息可以被传输到车辆的控制装置或远程位置即可。仅作为示例，通信装置可以基于IoT技术，包括蓝牙、Wifi、Zigbee、NFC、UMTS、GPRS、GSM、3G、4G、5G通信技术或用于建立上述通信的任何其他合适的技术。
具有上文公开的设备的轮胎
本发明还涉及一种具有上述段落中公开的设备的轮胎，其中所述设备借助于其附接面在面向滚动表面的没有凹槽的部分的位置处附接至轮胎的内面。这种类型的轮胎将准备好安装在车辆中并用作智能轮胎。
用于测量轮胎磨损的方法
本发明还公开了一种使用如前面段落中公开的设备实时测量轮胎磨损的方法。显然，在执行该方法之前，该设备需要在面向滚动表面的没有凹槽的部分的位置处附接到轮胎的内面。该方法包括以下步骤：
1. 借助于超声发射器发射超声波穿过轮胎材料。发射方向大致垂直于轮胎的内面，使得波穿过轮胎材料行进的距离最小化，并且同时使必要的计算更简单。
2. 借助于超声接收器接收在滚动表面上反弹之后的所述超声波。
3. 基于超声波的飞行时间和超声波穿过轮胎材料的传输速度来确定内面与外面的滚动表面之间的距离。所述距离的确定借助于本领域公知的计算来进行。
根据上述，此方法的结果不是直接用于确定车辆中轮胎磨损的最常用参数，即胎面深度。然而，胎面深度可以以几种方式从由本设备提供的信息获得。例如，可以简单地通过从初始胎面深度减去磨损(例如，通过从特定时刻的实际深度减去轮胎的初始深度而获得)来获得当前胎面深度。备选地，可以使用上文公开类型的两个设备，其中一个设备定位于内面上面向滚动表面的没有凹槽的部分的位置处，而另一个设备定位于内面上面向凹槽底部的位置处。胎面深度直接是由两个设备获得的距离之间的差。
在任何情况下，本发明的设备可以周期性地执行该方法以实时确定轮胎状况。此外，实时获得该信息允许根据与驾驶风格或天气相关的其他因素来分析轮胎的磨损速度，以获得允许驾驶员延长车辆使用寿命的模式。
根据本发明的一个特别优选的实施例，超声波的频率在100kHz与500kHz之间，更优选地在200kHz与300kHz之间。如之前所提到的，此频率范围确保波穿过金属网，诸如许多轮胎中作为增强件而包括的金属网。
最后，根据又一优选实施例，超声波大致垂直于轮胎的内面而发射。这种配置使波行进的距离最小化，并允许获得更准确的结果。
用于设备初始校准的程序
由于用于制造轮胎的结构和材料是可变的，因此对于每种轮胎型号，声音以不同的速度传播。因此，有必要测量将要安装该设备的轮胎中的声音传播速度。此外，为了使本发明的设备在任何给定时间确定胎面的深度，必须知道构成所述胎面的凹槽的初始深度，从其减去由本发明的设备获得的磨损以实时获得凹槽的深度作为最终结果。
鉴于所有这些，用于设备的初始校准的方法包括测量这两个变量：声音传播速度和胎面的初始深度。此后，该方法包括将两者传输到轮胎磨损测量系统，轮胎磨损测量系统针对其所安装到的特定轮胎型号对轮胎磨损测量系统进行校准。
存在多种方式来获得这两个变量，但根据本发明的特定实施例，声音传播速度优选地通过在轮胎的外面与轮胎的内面之间连接声音速度传感器来测量。另一方面，初始胎面深度优选地使用测径器来测量，测径器用于测量构成轮胎胎面的凹槽深度。
对每种轮胎型号执行这些步骤，从而生成数据库，用于以精确的方式针对其中将要安装本发明的设备的轮胎型号调整本发明的设备。此数据库可以与app 相关联，其中安装人员可以容易且快速地获得针对每种轮胎型号的数据。
附图说明
图1示出了根据本发明的示例性设备的主要组件的示意图。
图2示出了附接到轮胎内面的根据本发明的一种示例性设备。
图3示出了固定到轮胎内面的根据本发明的另一种示例性设备。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的设备(1)的示意图。如所示的，设备(1)包括处理装置(8)，其连接到超声发射器/接收器(2、3)、压力传感器(4)、温度传感器(5)、通信装置(6)和电池(7)。
处理装置(8)可以是任何种类，只要它可以以本文公开的方式适当地控制其余元件。例如，处理装置可以是微控制器、微处理器、SoC(片上系统)、ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)或具有合适数量的输入/输出端口和足够计算能力的任何其他类似组件。
在此示例中，发射器/接收器(2、3)被示出为单个元件，因为在距离测量领域中，集成用于使用本文中公开的方法测量距离的两个元件的组件是已知的。然而，发射器/接收器(2、3)可以以不同的方式实施，特别是借助于适当定位的两个单独的元件。特别地，发射器(2)的发射端和接收器(3)的接收端在被配置为附接到轮胎(10)的内面(10i)的设备(1)的面上齐平定位，如图2中所示。
压力传感器(4)和温度传感器(5)可以类似于已知TPMS中常规采用的那些。它们的功能是提供对轮胎内部的压力和温度的测量。
通信装置(6)可以是任何类型，只要它允许在使用中附接到轮胎(10)内部的设备(1)与车辆控制装置或诸如用于车队的控制中心的远程位置之间通信即可。因此，通信装置(6)基于适合于每种应用的技术，包括例如IoT技术、蓝牙、Wifi、Zigbee、NFC、UMTS、GPRS、GSM、3G、4G、5G和其他技术。注意，根据所采用的处理装置(8)的类型，通信装置(6)可以集成在处理装置(8)本身中。在这种情况下，这两个元件是集成在单个组件中还是它们构成单独的组件是不相关的。
电池(7)可以是任何类型，只要它可以在设备(1)的整个使用寿命期间为其提供足够的能量即可。
图2示出了固定到轮胎(10)的内面(10i)的本发明的设备(1)。如所示的，本发明的设备(1)具有附接面，发射器(2)和接收器(3)的相应发射端和接收端定位于附接面。也就是说，两个端部在大致平坦的面上齐平，该大致平坦的面被配置为例如借助于粘合剂或类似物附接到轮胎(10)的内面(10i)。自然地，为了防止超声波受到粘合剂的影响，附接面具有发射/接收部分以及附接部分(图中未示出)，其中发射器(2)和接收器(3)的发射端和接收端定位在发射/接收部分，附接部分不同于上文公开的部分，在该不同部分设置用于将设备(1)附接到轮胎(10)的粘合剂。
发射器(2)大致垂直于轮胎(10)的内面(10i)发送超声波，并且该波穿过构成轮胎(10)的材料，碰到由滚动表面(SR)构成的与空气的界面反弹并且又返回到定位于发射器(2)旁边的接收器(3)。设备(1)确定超声波的飞行时间，并且知道超声波在构成轮胎的材料内的传输速度，可以以已知的方式容易地确定行进的距离。轮胎(10)的当前厚度(G)，即内面(10i)与外面(10e)的滚动表面(SR)之间的距离，是超声波所行进的距离的一半。
一旦已知当前厚度(G)，就有不同的方法来获得构成轮胎(10)的外面上(10e)上的胎面的凹槽(S)的深度(PS)。例如，如果轮胎(10)初始厚度(G0)是已知的，可以通过减法(G0) – (G)来在任何时间确定轮胎(10)的磨损。初始厚度(G0)可以例如通过在轮胎(10)首次使用之前或就在轮胎(10)首次使用的时刻进行轮胎(10)厚度的第一次测量来获得。因此，在任何给定时刻的凹槽深度(PS)是凹槽的初始深度(PS0)(对于每种轮胎型号而言是已知的)，减去由本发明的设备(1)计算的磨损。即：
PS=PS0-[(G0)-(G)]
备选地，也可以使用与本文中公开的设备类似的两个设备(1)。第一设备(1)将被安装在图2中所示的位置处，并且它将允许在任何给定时刻获得当前厚度(G)。第二设备(1)将安装在内面(10i)上面向凹槽(S)的位置中。因此，所发送的超声波将在凹槽的底部上反弹，从而提供内面(10i)与凹槽的底部之间的距离(S)(此距离在本文中被称为FS)。根据这种配置，在任何给定时刻的当前凹槽深度(PS)将通过从总厚度(G)减去所述距离(FS)来获得：
PS=G-FS
在任何情况下，很容易看出，本发明的设备(1)提供了信息，可以通过简单计算从该信息获得轮胎磨损。
图3示出了根据本发明示例性设备(1)的另一示意性表示。在此图中，没有表示压力传感器和温度传感器。然而，应当理解，图3的设备被集成到具有三个不同传感器的TPMS中：厚度、温度和压力。这些传感器将封装在同一个覆盖物内，但它们将使用分立的控制系统。
为了使用该设备，必须知道针对此特定轮胎型号的声音传播速度和凹槽的初始深度。安装人员首先在他/她可以通过app访问的列表中搜索该轮胎型号。在对应于该特定轮胎型号的数据可用的情况下，他/她将其引入本发明的设备中，从而准备好使用。否则，安装人员必须测量这两个变量。为了测量声音传播速度，使用连接在轮胎的外面与内面之间的声音速度传感器(100)，而为了测量构成轮胎胎面的凹槽的初始深度，使用测径器。一旦获得数据，安装者就将它们引入到本发明的设备中，并且他/她还将它们存储在app列表中，使得它们在将来可用。
如此配置的TPMS在其整个寿命期连续监测轮胎的胎面的压力、温度和深度。此外，压力和温度传感器每小时测量一次压力和温度，并将它们发送到车辆的控制装置。关于轮胎磨损的测量，此测量应在轮胎冷的情况下进行，即在车辆已经停放了预定的时间间隔后。因此，与压力和温度测量并行，TPMS还具有加速度传感器，加速度传感器提供车辆加速度。如果检测到车辆停放，TPMS将等待10分钟，并再次测量加速度。再过10分钟后，进行第三次相同的测量。如果在连续三次进行该测量之后，车辆仍处于停车状态，并且自上次测量以来另外已经过去了24小时，则TPMS将向轮胎磨损测量设备发送命令以进行测量并且将所述测量的结果发送到车辆的控制装置。
Claims (10)
1.一种用于实时轮胎磨损测量的设备(1)，用于包括内面(10i)和外面(10e)的轮胎(10)，所述外面(10e)包括由相对于滚动表面(SR)凹陷的多个凹槽(S)形成的胎面，
所述设备(1)包括超声发射器(2)和超声接收器(3)，
所述设备(1)被配置用于附接到所述轮胎(10)的所述内面(10i)，使得借助于所述发射器(2)发射超声波穿过所述轮胎(10)的材料以及由所述接收器(3)接收在所述滚动表面(SR)上反弹之后的所述超声波，而获得距离，
其特征在于，所述超声发射器(2)和超声接收器(3)分别被配置用于发射和接收频率在100kHz与500kHz之间的超声波。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述超声发射器(2)和超声接收器(3)分别被配置用于发射和接收频率在200kHz与300kHz之间的超声波。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述超声发射器(2)的发射端和所述超声接收器(3)的接收端定位在所述设备到所述轮胎(10)的附接面处。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述超声发射器(2)和所述超声接收器(3)彼此相邻。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，还包括压力传感器(4)和温度传感器(5)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，还包括通信装置(6)。
7.一种轮胎系统(10)，其特征在于包括根据权利要求1至6中任一项所述的设备(1)，其中所述设备(1)在所述超声发射器(2)的发射端和所述超声接收器(3)的接收端面向所述滚动表面(SR)的没有凹槽(S)的部分的位置处通过其附接面附接到所述轮胎(10)的内面(10i)，使得借助于由所述发射器(2)发射超声波穿过所述轮胎(10)的材料以及由所述接收器(3)接收在所述轮胎(10)的滚动表面(SR)上反弹之后的所述超声波，获得所述内面(10i)与所述外面(10e)的滚动表面(SR)之间的距离。
8.一种借助于根据权利要求1至6中任一项所述的设备(1)进行实时轮胎磨损测量的方法，其中，所述设备(1)在面向所述滚动表面(SR)的没有凹槽(S)的部分的位置处附接到所述轮胎(10)的内面(10i)，所述方法包括以下步骤：
-借助于所述超声波发射器(2)发射超声波穿过所述轮胎(10)的材料；
-借助于所述超声接收器(3)接收在所述滚动表面(SR)上反弹之后的所述超声波；以及
-根据所述超声波的飞行时间和所述超声波穿过所述轮胎(10)的材料的传输速度确定所述内面(10i)与所述外面(10e)的滚动表面(SR)之间的距离，
其特征在于，所述超声波的频率在100kHz与500kHz之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述超声波具有在200kHz与300kHz之间的频率。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，所述超声波大致垂直于所述轮胎(10)的内面(10i)而发射。
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