CN1324308A - 检测轮胎跑气行驶状态的方法和系统及为此设计的衬垫、车轮和轮胎 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测机动车轮胎跑气行驶状态的方法,所述轮胎安装在车轮上,该方法包括:检测数值f(α,t),它随车轮的角向位移及时变化;产生测量信号,它随车轮角速度dα(t)/dt而变化;计算测量信号离差的特征数值;当特征数值满足预定比例时,发出警报。

Description

检测轮胎跑气行驶状态的方法和系统及为此设计的衬垫、车轮和轮胎

本发明涉及机动车轮胎的跑气行驶状态的检测方法和系统，以及为有助于这种检测而设计的轮胎、车轮和安全衬垫。

当安装的组件-轮胎和车轮的组件-包括在跑气行驶情况下轮胎胎面的支承装置时，该支承装置在轮胎中空气压力严重损失时能避免轮胎的强迫停顿。这些支承装置可以是设置在安装的组件的车轮轮辋的径向外侧的安全衬垫，或是设置在轮胎侧壁和/或胎圈结构内侧的加强部件。这样的轮胎称为“自支承轮胎”。

轮胎支承在这些支承装置上或多或少伴随着其性能的明显下降，但它们可能未被驾驶员通过机动车的性能和舒适度感觉到。此外，这些支承装置的运行使用寿命是有限的。因此，当轮胎支承在其支承装置时就立即向驾驶员报警是有用的，这样，他就能遵循生产商的指南而行事。

专利申请WO94/03338提出一种轮胎支承在安全衬垫上的检测系统。该系统包括在每一车轮上的一个加速度表，它设置在车轮的悬挂部件中的一个悬挂部件上，测量与中央处理组件相联的垂直加速度。分析是基于是一旦发生支承就检测到由支承在安全衬垫上的轮胎、未悬挂的平衡块和悬吊弹簧构成的系统的谐振模式的出现。此谐振模式是跑气行驶的特征，并位于100赫以上。

但是，对某些例如由弹性材料制成的安全支承，可证实上述分析的灵敏度是不够的。

当安装的组件不包括前述支承装置时，在跑气行驶状态，胎面支承在胎圈和轮辋突缘上。这能导致轮胎的快速损坏，以及胎圈移动进入轮辋安装凹槽中，更不用说降低机动车的性能了。因而只要这样的支承开始发生就马上向驾驶员报警是十分有用的。

下文中，轮胎的“跑气行驶状态”意味着轮胎中的空气压力不再足以保证轮胎能承载轮胎的负载。于是轮胎胎面支承在支承部件上。这些支承部件可以是为此目的(诸如在轮辋周围布置的安全衬垫)或不是为此目的(轮辋突缘等)而设置的。

本发明的目的是提出一种机动车轮胎的跑气行驶状态的检测方法，轮胎安装在一个车轮上，该方法的灵敏度和可靠性得以提高。

根据本发明的检测方法是这样的，即：

-检测数值f(α,t)，数值f(α,t)随车轮的角向位移及时变化；

-从所述数值产生出测量信号，它们随车轮的角速度dα(t)/dt而变化；

-计算测量信号的离差的特征数值；

-当特征数值满足给定比例时，发出警报。

特征数值可以简单地是所述测量信号的标准偏差的值。

优选地，为了计算测量信号的离差的特征数值：

-确定车轮的旋转频率；

-在至少一个集中于所述旋转频率的第一组谐波的一个上的窄频带上计算测量信号的能量；和

-当所述能量满足给定比例时，发出警报。

车轮的旋转频率可以从所述测量信号确定。

申请人在实际中十分惊奇地观察到，车轮的旋转速度的离差的分析在轮胎的跑气行驶状态时、也即当胎面支承在任何支承部件上时显示出显著的改变。此方法的优点是不需要如在以前已知的方法中的诸如加速度表的特定传感器，而是能应用车轮的角向旋转的简单测量数值。这些测量常常已经是可利用的，如在车轮上装备有防抱死装置的机动车的情况下。

此外，当处于跑气行驶状态的轮胎胎面支承在任何支承部件上时，此检测方法十分灵敏和十分可靠，因为申请人观察到，测量信号的能量优先地在集中于车轮转动的不同谐波上的频带中改变。

该检测方法优选地分析在集中于车轮转动的谐波上的至少两个窄频带上的速度能谱的能量的演变，除谐波1之外。

优选地，在检测到在至少两个集中于第一组谐波的一个上的窄频带上的测量信号的能量总和满足给定比例之后，将每一所述频带中测量信号的能量与给定的相应阀值相比较，并且对于至少两个所述频带，当信号的能量高于相应阀值时，发出警报。

补充测试的优点是能限制可能的干扰的影响，诸如那些由于发动机振动产生的干扰。事实上，这样的干扰通常限制到一个单一频带。

分析可以一个车轮接一个车轮地进行，或通过车轮相互比较而进行。一个车轮接一个车轮的比较的优点是可以确认轮胎处于跑气行驶状态。另一方面，多个轮胎之间的比较使检测更为可靠。分析也可采用测量信号，它们随车轮的角向加速度d²α(t)/dt而变化。

为避免虚假警报，优选地还在至少一个第二频带中探索测量信号的能量的演变，在该第二频带中测量信号基本与跑气行使状态无关，并在这些第二频带组中的测量能量超过给定阀值时，不发出警报。

这种第二频带组最好位于车轮旋转频率的多个频率之外。

当机动车速度低于给定阀值时，也不会发出警报。

本发明还涉及机动车轮胎的跑气行驶状态的检测系统，轮胎安装在车轮上，该检测系统包括：

-第一装置，它用于检测数值f(α,t)，数值f(α,t)随车轮的角向位移及时变化；

-第二装置，它用于根据所述数值产生随车轮的角速度dα(t)/dt而变化的测量信号、计算测量信号的离差的特征数值、以及当所述特征数值满足给定比例时，发出警报；

-第三装置，它用于将所述警报传送给机动车驾驶员；和

-第四装置，该第四装置布置在安装的轮胎/车轮组件中，用于在轮胎的跑气行驶状态时产生振动报警信号。

用于产生振动报警信号的装置优选地可以产生至少一条正弦函数，其周期是车轮转动的亚倍数(submultiple)。这种信号可由根据本发明的系统容易地检测到，即使这些装置明显地只产生单一正弦函数，其周期是车轮转动的亚倍数。

这些报警装置可以属于轮胎、属于车轮或属于设置在车轮径向外侧的安全衬垫。

本发明还涉及一种安全衬垫，它用于与前述检测方法相结合，以便提供轮胎的任何跑气行驶状态的可靠检测。

根据本发明的安全衬垫用于径向地安装在所述车轮的轮辋外侧，在其径向外表面包括轴向定向的条。安全衬垫的特征在于，这些条具有侧面，其与胎面法线的倾斜角在纵向随方位角而变化，以便在跑气行驶状态下行驶时产生振动报警信号。这些报警信号在跑气行驶时加强车轮的旋转速度的波动。

优选地，按照方位角而变化的纵向倾斜角是至少一个正弦函数，其周期是衬垫转动的亚倍数。其优点是能特定地在衬垫的车轮转动谐波频率处产生行驶速度的变化，因而可由前述检测方法以极大可靠性容易地检测到。

本发明还涉及一种装备车轮的轮胎，该轮胎包括胎面、两个侧壁和两个胎圈、以及用于在跑气行驶状态下支承胎面的支承部件。此轮胎的特征在于，支承部件包括在跑气行驶状态下产生振动报警信号的装置。

用于产生振动报警信号的装置在轮胎的负载作用下以高于给定阀值的轮胎挠曲度行驶时产生作为方位角函数的半径变化。在轮胎的负载作用下作为方位角函数的半径变化优选地是一个正弦函数，其周期是衬垫的转动的亚倍数。

最后，本发明还涉及安装轮胎的车轮，其特征在于，它包括用于产生轮胎跑气行驶状态的振动报警信号的装置。

这些装置可以是作为方位角函数的其突缘中至少一个突缘的径向高度的变化。此变化可通过增加额外部件而获得，此额外部件至少部分地覆盖突缘的径向端部。

与前所述，作为方位角函数的径向高度的变化是至少一个正弦函数，其周期是衬垫转动的亚倍数。

现在将借助附图非限定性地说明几个实施例：

图1表示安装的组件的轴向截面图，此组件装备有安全衬垫；

图2a和2b示意地表示根据本发明的安全衬垫第一实施例的侧视图；

图3表示图2b中衬垫的轴向条的纵向倾斜角随方位角变化的轨迹；

图4表示外径变化的第二衬垫的子午截面示意图；

图5表示径向刚性变化的第三衬垫的子午截面示意图；

图6表示具有径向刚性和外径变化组合的第四衬垫的子午截面示意图；

图7示意地表示根据本发明的检测系统；

图8表示根据本发明的检测方法的总示意图；

图9表示在一般道路上充气状态和跑气状态下的测量信号的随频率变化的两个能谱；

图10表示根据本发明的轮胎的轴向半截面图；

图11表示轮胎加强件的径向高度作为方位角函数的轨迹；

图12表示根据本发明的车轮的轴向截面图；

图13表示图9中车轮的内侧视图；以及

图14表示图12和13中车轮的内突缘的径向高度作为方位角函数的轨迹。

图1表示装备有环形安全衬垫13的车轮轮辋10，安全衬垫13倚靠在轮辋10的支承面11上。该车轮轮辋10的具体几何形状特别地描述在法国专利申请No.2,713,558中。它具有不同直径的两个胎圈座，并且特别改装以易于放置安全衬垫13。此组件在轮胎12中的压力显著下降时仍可行使。在这种行驶情况下，变形轮胎的内侧在衬垫的外表面上摩擦，产生热量，这限制了有效作用半径；因此，重要的是，轮胎一支承在其衬垫13上就应尽快通知驾驶员。

为此，采用安全衬垫作为衬垫是有益的，这种安全衬垫安装有用于产生车轮转动的谐波振动报警信号(即轮胎的转动频率的谐波振动报警信号)的装置。

图2所示的衬垫由软弹性材料制成。它包括大体为环形的基部14，它由大致成0°沿纵向定向的帘布层(未示出)加强；大致为环形的顶部15，在其径向外壁(图2b)上具有轴向条19；以及锚定壁16。壁16之间有凹入部分17，它们能完全或部分地轴向跨越衬垫13。基部可包括支座18，用于放置在紧邻轮胎胎圈的外侧。

轴向定向的条19具有侧面191，如图3所示，其与胎面法线的倾斜角沿纵向随方位角而变化。此倾斜角遵循衬垫转动二次正弦轨迹的亚倍数而明显变化。当在衬垫上跑气行驶时，支承轮胎的条将被压扁，使幅值具有轻微的纵向位移，而这些条的倾斜角具有方向变化。该位移将通过衬垫与轮胎内表面之间的附着传递至轮胎，导致安装的组件、因此也就是车轮出现瞬间转速波动。在这种情况下，这些波动优选地集中在车轮转速能谱的谐波2上。因此，这种衬垫是一个在跑气行驶时用于产生车轮转速改变的装置的实例，车轮上装备着这种衬垫。

使衬垫的径向刚性随方位角或其半径而改变，也可获得相同的结果。

图4表示衬垫20的外径在三个值R1、R2和R3之间变化的示意图，且R1＞R2＞R3，而半径在极大值与极小值之间逐渐变化。外径R1的两个区域相互相差180°，半径R2的两个区域也相互相差180°；半径R3的4个极小值中的每一个均处于两个极大值R1与R2之间。在跑气行驶时，这导致半径随α的变化具有两种基本谐波，第一个是频率2，因为有半径R1的前两个极大值，而第二个是频率4，因为存在半径R1和R2的4个极大值以及半径R3的4个极小值。在此实例中，R1-R3的差等于5mm，而R2-R1的差等于3mm。

图5表示径向刚性在三个值K1、K2和K3之间变化的衬垫30的示意图，且K1＞K2＞K3，而刚性在极大值与极小值之间逐渐变化。如前所述，刚性K1的两个区域相互相差180°，刚性K2的两个区域也相互相差180°；刚性K3的4个极小值中的每一个均处于两个极大值K1与K2之间。在跑气行驶时，这导致刚性随α的变化具有两种基本谐波，第一个是频率2，因为有刚性K1的前两个极大值，第二个是频率4，因为存在刚性K1和K2的4个极大值，以及刚性K3的4个极小值。

图6表示有外径变化与径向刚性变化的组合的衬垫40的示意图。每一特征具有两个极大值(分别为R1、K2)和两个极小值(分别为R2、K1)，并相互角向偏移90°。径向刚性的极大值相当集中，足以在衬垫40的组件上产生由4个极大值支承所获得的一种压扁的半径变化。

因此，此衬垫也产生集中在谐波2和4的谐波激励，但是具有作为速度函数的加权变化的优点。申请人在实际中观察到，刚性径向变化在低速时更易察觉，而外径变化在高速时更易察觉。

图7表示装备有根据本发明的跑气行驶状态的检测系统的机动车。机动车包括4个装备有轮胎的车轮1a、1b、1c和1d。每一安装的组件(轮胎和车轮)包括用于在轮胎跑气行驶时产生振动报警信号的装置，例如图2至6所示的安全衬垫中的一个。靠近每一轮胎设置有相关车轮的角向位移的传感器2a、2b、2c和2d。每一传感器如已熟知的那样分别与缺口圆盘21a、21b、21c和21d相连。缺口圆盘21a、21b、21c和21d由与相应车轮同轴地装配的磁性圆盘制成。传感器2a、2b、2c和2d靠近缺口圆盘21a、21b、21c和21d设置，其间的距离使传感器附近的缺口圆盘的旋转产生随缺口圆盘的角向位移而变化的信号。此信号的平均频率给出车轮的角向旋转速度。每一传感器21a、21b、21c和21d的变化信号输入中央组件3。中央组件3包括分析这些信号的信号分析器。分析结果传送至显示器4，以便在检测到轮胎的跑气滚动状态时通知机动车驾驶员。

当机动车装备有车轮防抱死装置时，前述传感器2和中央组件3可以是防抱死装置的传感器和中央组件。在这些条件下，根据本发明的方法的所有步骤可由包括在防抱死装置计算机中的特定软件加以确保。设置合适的显示器4是可行的。

图8表示根据本发明的检测方法的总示意图。根据传感器2a、2b、2c和2d的测量值f(α,t)，中央组件3对每一车轮进行如下的操作：

-计算对应车轮的角向旋转速度的dα(t)/dt；

-通过已知方式，例如采用傅立叶变换，进行dα(t)/dt的谐波分析，以便获得dα(v)/dv(见图9)；

-对应谐波1的频率，确定车轮的角向旋转速度V₀；

-确定在不包括车轮转动的谐波的频带中，例如在谐波5与6之间的速度dα(v)/dv的能谱的能量E_S01；

-确定集中在谐波2至4上、在宽度数量级为2至10HZ的两条窄频带中速度dα(v)/dv的能谱的能量，即能量E_v2和E_v4，并把它们相加以获得∑E_vi；

-将V₀与阀值A相比较，如果V₀大于A，则继续测量循环；

-如果V₀低于A，将E_S01与阀值B相比较，如果E_S01高于B，则继续测量循环；

-如果E_S01低于B，将∑E_vi与阀值C相比较；以及

-如果∑E_vi高于C，发出警报，否则，则继续循环。

对每一被分析的谐波，一个适当编程的微处理器通过对从背景噪声中引出的峰值进行积分，以计算谐波的能量，背景噪声是从包围所分析的窄频带的频带确定的。

值∑E_vi是机动车速度及与道路不平整度相连系的速度能谱的能量水平的函数，因而最好能应用阀值C的若干个值作为机动车速度及E_S01值的函数。

当车轮的旋转速度、因此也就是机动车的速度小于大约为20至30km/h的给定阀值时，采用V₀的第一次测试不发出任何警报。

当能量E_S01高于阀值B时，也即当道路的不平整度十分大，从而很可能显著地干扰测量时，第二次测试也抑制住警报。

这两次测试能十分明显地限制虚假警报的次数。

由于一个或多个峰值总是可能受到其它源的干扰，例如受到发动机振动的干扰，因而通过检测所分析的谐波中至少有两个具有相当的能量演变以完成整体能量分析是有用的。此附加步骤显著地提高了检测的可靠性。

图9表示在正常充气压力下行驶(白色曲线)和支承在安全衬垫上在跑气行驶状态下(黑色曲线)时车轮的速度能谱的实例。车辆是标致(Peugeot)405，以70km/h的速度行驶在标准路径上。假定在跑气行驶的状态下，轮胎12支承在标准安全衬垫的径向外壁上，标准安全衬垫不包括布置在车轮轮辋周围用于产生报警信号的装置。这样的衬垫描述在专利申请EP0796747中。

白色曲线(在正常充气压力下行驶)表示集中于谐波1上的显著的极大值。这解释了在车轮振动能谱的分析中为什么最好排除那个谐波。

黑色曲线(跑气行驶)表示从谐波2开始的每一谐波具有大体上更高的能量水平。这很好地说明了为了检测轮胎的跑气行驶状态而分析谐波2和4的有效性。

根据本发明的检测方法在轮胎支承在不产生振动报警信号的安全衬垫上时已经是有效的。但是，此方法特别适合检测在包括这种报警装置的衬垫上的支承，更显著的是适合检测在包括产生车轮转动的谐波信号的装置的衬垫上的支承。

本发明还涉及装备有装置60的轮胎50，该装置60在挠曲度高于给定阀值下行驶时产生振动报警信号。

轮胎50包括胎冠51、侧壁52和胎圈53。侧壁52和胎圈53装备有衬垫54、55、56，它们使轮胎能在零充气压力下行驶时支承其负载。

衬垫54包括位于胎圈和侧壁中的加强件60，其径向高度如图11所示按方位角的谐波函数进行改变。此加强件60在挠曲度高于给定阀值下行驶时导致在轮胎负载作用下半径的变化，以及出现由前述系统和方法可检测的车轮转动的多重谐波信号。加强件60能设置在轮胎的两侧或只在一侧。在后一种情况下，最好是在内侧，以便在转弯时不降低轮胎的性能。其优点还在于不会在高速下转弯时发出不合时宜的警报。

图12和13表示车轮70，它具有圆盘71和轮辋72，轮辋72装备有用于在跑气行驶时产生振动报警信号的装置。

轮辋72包括内侧突缘73。内侧突缘73的径向高度根据图14表示的规律随其方位角变化。此变化涉及不到周边的一半。

轮辋突缘的径向高度的变化也可通过固定一个互补的零件而获得。

因此，当车轮70装备有在负载作用下或具有充气压力的普通轮胎，以致轮胎承受的挠曲显著高于常规应用状态下的挠曲时，内侧突缘的高度的径向变化将导致振动报警信号的出现。这些信号可由前述的系统或方法加以检测。

当在轮胎、因此也就是在轮胎挠曲的正常负载和充气压力状态下行驶时，图12和13的轮辋突缘的改变仅导致胎圈在内侧箍圈上的支承状态的最小改变。

与前述一样，重要的是将突缘的径向高度变化布置在内侧突缘上，以便不干扰轮胎转弯时的性能，并有利于直线行驶时的检测。

Claims (27)

1、一种机动车轮胎的跑气行驶状态的检测方法，所述轮胎安装在车轮上，其特征在于：

-检测数值f(α,t)，数值f(α,t)随车轮的角向位移及时变化；

-从所述数值产生出测量信号，它们随车轮的角速度dα(t)/dt而变化；

-计算测量信号的离差的特征数值；

-当特征数值满足给定比例时，发出警报。

2、如权利要求1的检测方法，其特征在于，所述特征数值是所述测量信号的标准偏差的值。

3、如权利要求1的检测方法，其特征在于，为了计算测量信号的离差的特征数值：

一确定车轮的旋转频率；

一在至少一个集中于所述旋转频率的第一组谐波的一个上的窄频带上计算测量信号的能量；和

-当所述能量满足给定比例时，发出警报。

4、如权利要求3的检测方法，其特征在于，车轮的旋转频率根据所述测量信号确定。

5、如权利要求3或4的检测方法，其特征在于，在至少两个窄频带上计算所述测量信号的能量，每一频带集中于所述车轮的旋转频率的第一组谐波的一个上，除第一谐波外。

6、如权利要求3至5之一的检测方法，其特征在于，在检测到在至少两个集中于第一组谐波的一个上的窄频带上的测量信号的能量总和满足给定比例之后，将每一所述频带中测量信号的能量与给定的相应阀值相比较，并且对于至少两个所述频带，当信号的能量高于所述相应阀值时，发出警报。

7、如权利要求3至6之一的方法，该方法还包括：将所述轮胎的车轮的测量信号的能量或能量组与机动车另一些轮胎中的至少一只轮胎的测量信号的能量或能量组进行比较，当比较结果满足给定比例时，发出警报。

8、如权利要求3至7之一的检测方法，其特征在于，测量信号是演变的，它们随车轮的角向加速度d²α(t)/dt而变化。

9、如权利要求3至8之一的检测方法，其特征在于，所述窄频带或窄频带组的宽度小于或等于10赫。

10、如权利要求3至9之一的检测方法，其特征在于，在至少一个第二频带上进一步计算所述测量信号的能量，其中测量信号基本与所述轮胎的跑气行驶状态无关，当所述第二频带组上的测量能量超过给定的阀值时，不发出警报。

11、如权利要求10的检测方法，其特征在于，所述第二频带组位于所述车轮的旋转频率的多个频率之外。

12、如权利要求1至11之一的检测方法，其特征在于，当所述机动车的速度低于给定阀值时，不发出警报。

13、如权利要求1至12之一的检测方法，其特征在于，在跑气行驶状态的轮胎位置被确认并传送给机动车驾驶员。

14、如权利要求1至13之一的检测方法，其特征在于，当机动车包括车轮防抱死装置时，测量信号从所述车轮防抱死装置的传感器获得。

15、一种机动车轮胎的跑气行驶状态的检测系统，所述轮胎安装在车轮上，该检测系统包括：

-第一装置，它用于检测数值f(α,t)，数值f(α,t)随车轮的角向位移及时变化；

-第二装置，它用于根据所述数值产生随车轮的角速度dα(t)/dt而变化的测量信号、计算测量信号的离差的特征数值、以及当所述特征数值满足给定比例时，发出警报；

-第三装置，它用于将所述警报传送给机动车驾驶员；和

-第四装置，该第四装置布置在安装的轮胎/车轮组件中，用于在轮胎的跑气行驶状态时产生振动报警信号。

16、如权利要求15的系统，其特征在于，所述用于产生振动报警信号的装置产生至少一条正弦函数，其周期是车轮转动的亚倍数。

17、如权利要求16的系统，其特征在于，所述用于产生振动报警信号的装置明显地只产生一条正弦函数，其周期是车轮转动的亚倍数。

18、如权利要求15至17之一的系统，其特征在于，当机动车装备有车轮防抱死装置时，第一和第二装置由所述车轮防抱死装置的传感器和计算机构成。

19、一种安全衬垫，用于径向地安装在车轮轮辋的外侧，所述安全衬垫在其径向外表面包括轴向定向的条，其特征在于，所述条具有侧面，其与胎面法线的倾斜角沿纵向作为方位角的函数而变化。

20、如权利要求19的系统，其特征在于，作为方位角的函数的条的纵向倾斜角是至少一个正弦函数，其周期是衬垫转动的亚倍数。

21、一种装备车轮的轮胎，所述轮胎包括胎面、两个侧壁和两个胎圈、以及用于在跑气行驶状态下支承胎面的支承部件，其特征在于，所述支承部件包括用于在所述轮胎的跑气行驶状态时产生旋转速度变化的装置。

22、如权利要求21的系统，其特征在于，所述用于产生车轮旋转速度变化的装置在所述轮胎的负载作用下以高于给定阀值的轮胎挠曲度行驶时产生作为方位角函数的半径变化。

23、如权利要求22的系统，其特征在于，在所述轮胎的负载作用下作为方位角函数的半径变化是至少一个正弦函数，其周期是衬垫转动的亚倍数。

24、一种用于安装轮胎的车轮，其特征在于，它包括用于在所述轮胎的跑气行驶状态下产生所述车轮的旋转速度变化的装置。

25、如权利要求24的车轮，其特征在于，所述车轮其突缘中至少一个突缘的径向高度的变化是方位角的函数。

26、如权利要求25的车轮，其特征在于，作为方位角函数的突缘中至少一个突缘的径向高度的所述变化是通过增加额外部件获得的，额外部件至少部分覆盖所述突缘的径向端部。

27、如权利要求25或26的车轮，其特征在于，作为方位角函数的突缘中至少一个突缘的径向高度的所述变化是至少一个正弦函数，其周期是衬垫转动的亚倍数。

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