CN1714284A - 使用传感器形变速度信号的轮胎特性测量 - Google Patents

Abstract

一种测量汽车轮的充气轮胎(2)的特性方法，包括以下步骤：沿着与轮胎(2)运动方向x成横向的方向y设置至少一排传感器(10)，轮胎(2)以一定速度沿着上述方向x通过至少一排传感器(10)，检测各个传感器(10)的形变速度，并且每个传感器(10)生成一个与上述形变速度成比例的电信号，从检测到的各个电信号来确定轮胎(2)的至少一个特性，例如轮胎的大小和/或胎痕区域的形状。将电信号进行时间积分能够确定该胎痕区域的压力分布。传感器(10)包含已知具有较高频率响应的压电器件，能够在高速条件下进行检测。

Description

使用传感器形变速度信号的轮胎特性测量

本发明主要涉及一种测量汽车车轮的充气轮胎特性的方法。更具体地说，本发明还涉及一种用于检测汽车车轮的充气轮胎在高速运动状态下的胎痕区域大小以及该胎痕区域上的压力分布的方法。

本说明书和附属权利要求全文中，术语“充气轮胎特性”是指：例如轮胎胎痕区域的尺寸和/或形状，轮胎的胎痕区域上局部施加的压力(或垂直力)分布，轮胎气压，轮胎上的纵向和/或侧向力分布以及滚动阻力。

术语“胎痕区域”是指轮胎和路面之间(或轮胎和模拟路面的设备之间，例如模拟路面的鼓轮的滚动面)的力互相作用产生的区域，即轮胎与路面(或与模拟路面的设备)相接触的区域。

术语“高速”是指大于30公里/小时的速度，优选大于100公里/小时，甚至优选大于200公里/小时。

已知汽车轮胎研究领域中相当一部分的主要目标是把轮胎设计参数最优化，以确保在前述操作条件下有适当的性能。为此要检验和测试轮胎以检测一些特性，可以表示轮胎运转时的性能。

例如通常测量轮胎胎痕区域的大小和/或形状，以及当轮胎转速变化时检测该大小和/或形状的变化。实际上已知设计合理的轮胎具有较宽、长方形或正方形的、且基本上不随着轮胎转速变化而变化的胎痕区域。

同时还通常测量轮胎的胎痕区域上的压力分布，以及在该情况下检测当轮胎转速变化时的压力分布变化。实际上已知的设计合理的轮胎在轮肩和轮胎中心之间具有基本均匀的分布，该分布基本上也不随着轮胎转速变化而变化。

因此如US5,749,984公开了一种轮胎监控方法，其中在轮胎内部适当安放了一个传感器来实现轮胎痕区域的大小测量。在该发明的优选实施例中，传感器是一个压电器件，当轮胎和地面接触时它会产生形变，从而生成一个与形变速度成比例的电信号。传感器在轮胎内部的位置对于生成一个合适的电信号尤其关键。

申请人注意到该系统是一个内置式(invasive)检测系统(也即传感器在轮胎内部)，因此增加了轮胎生产过程中的复杂性，同时需要制造特定的轮胎。申请人还证明了前述专利申请描述的系统不能精确测量轮胎和路面之间的实际接触时间，以及轮胎痕区域的长度。实际上，传感器产生的信号受轮胎与路面接触之前或之后的情况所影响。申请人还注意到该专利没有提供任何关于轮胎胎痕形状和胎痕区域上的压力分布的指示信息。

专利申请EP 0 656 269公开了一种非内置式(non-invasive)系统，用于检测轮胎在几乎静止条件下胎痕区域上的压力分布。该系统直接在路面上使用了多排负荷传感器。该传感器直接测量轮胎胎痕区域之上的垂直力，并产生一个与该垂直力成比例的电信号。申请人注意到前述申请的公开文本中，该系统能够检测出静态时或轮胎转速低于5-6公里/小时的压力分布，但不能允许更高的速度，这是因为负荷传感器的频率响应有限和/或不足。

申请人要解决的问题是在高速运动状态下(例如100公里/小时)用非内置式系统以及在轮胎的通常操作状态下检测充气轮胎的一个或多个特性(例如胎痕区域的大小和/或形状以及胎痕区域上的压力分布)，申请人考虑到并已证明要解决该问题需要测量至少一排可变形传感器的形变速度(即轮胎和传感器之间的冲击速度，以及传感器上的压力变化)，并随即通过简单计算和/或测量信号的简单检测或分析，从测量结果中得出所需的轮胎特性(例如胎痕区域的长度或胎痕区域上的压力分布)。

因此，本发明总体上涉及一种测量汽车车轮的充气轮胎特性的方法，包括以下步骤：

—沿着与汽车车轮的充气轮胎的运动方向x成横向的方向y设置至少一排可变形传感器，所述至少一排传感器的延伸长度至少等于所述充气轮胎沿所述方向y上的尺寸；

—所述充气轮胎以一定的速度沿着所述运动方向x经过所述至少一排传感器；

—所述至少一排传感器中的每个传感器产生一个电信号，该电信号与所述传感器接触所述充气轮胎时的形变速度成比例；

—检测所述至少一排传感器中的每个传感器所产生的所述电信号；

—根据检测到的各个电信号确定所述充气轮胎的至少一个特性。

本说明书和附属权利要求全文中，术语“充气轮胎的移动”是指充气轮胎相对于路面或任何模拟路面的设备，例如模拟路面的鼓轮的滚动面之间的任何运动状态。因此需考虑轮胎由滚动和空转或滑动所产生的各种运动。但是考虑到简单性，本文明确是指轮胎的滚动运动。

而且本说明书和附属权利要求全文中，术语“与充气轮胎的运动方向成横向的方向”用于表示相对于轮胎运动方向的角度大于0度的任何方向，因此该方向不是必须垂直于轮胎运动方向，从而能够即使在滑动或车轮外倾的状态下分析轮胎性能。但是考虑到简单性，本文明确是指垂直于轮胎运动方向的方向。

而且本说明书和附属权利要求全文中，术语“充气轮胎特性”用于表示轮胎的特定操作状态的任何数值或参数，例如轮胎胎痕区域的大小和/或形状，胎痕区域上的压力分布，轮胎的气压，作用在轮胎上的纵向和/或侧向力分布，滚动阻力。但是考虑到简单性，本文明确是指轮胎胎痕区域的大小和/或形状，和/或该胎痕区域上的压力分布(垂直力)。但本领域技术人员应能理解本发明的方法也能用于测量上列其他量值。

因此本发明的方法即使在高速运动状态下和通常操作状态下(例如滚动、滑动、空转和车轮外倾状态)也能用非内置式检测系统来观测轮胎性能，也即将传感器设置在轮胎外部。轮胎运动速度最好等于或大于30公里/小时，尤其优选等于或大于100公里/小时，最佳优选等于或大于200公里/小时。

根据本发明，与文献EP 0 656 269中所建议的直接检测作用在负荷传感器上的压力不同，尤其有利的是检测适当的可变形传感器的形变速度，与负荷传感器不同，可变形传感器具有很高的频率响应，从而能够检测轮胎在高速时的性能。同样该传感器位于轮胎外部，使得本发明的方法尤其适合于无需考虑轮胎的类型和模式而进行操作，不需要生产特定的轮胎，也没有将轮胎的生产过程复杂化。

根据本发明，仅仅通过沿着与轮胎运动方向成横向的方向放置一排可变形传感器，并使轮胎通过这些传感器，例如能够有利地确定高速运动状态下胎痕区域的长度、轮胎总长，并画出该胎痕区域的形状。每个传感器一旦接触到轮胎，就生成一个与传感器自身形变速度成比例的电信号。通过分析该电信号，能够确定出传感器所在位置测得的胎痕区域长度。结合从该排传感器中其他传感器获得的类似数据，从而得到胎痕区域的整个形状和大小。

随后将单个可变形传感器检测到的电信号进行简单的时域积分，还能够有利地检测轮胎胎痕区域上的压力分布。因此本发明的检测系统与当前已知非内置式系统不同，例如前述专利申请EP 0 656 269中描述的系统，其中不是用负荷传感器直接测量胎痕区域上的垂直力，而是根据可变形传感器的形变速度测量，通过一个简单的计算操作得到该垂直力。

根据具体实施方式的第一个方面，本发明的方法仅用于确定充气轮胎在高速运动下胎痕区域的大小和/或形状。

根据具体实施方式的第二个方面，本发明的方法仅用于确定充气轮胎在高速运动下胎痕区域上的压力分布。

根据具体实施方式的优选方面，本发明的方法用于确定充气轮胎在高速运动下胎痕区域的大小和/或形状，以及该胎痕区域上的压力分布。通过该方法，也能够在轮胎滚动、空转或滑动状态下确定出速度变化时胎痕区域大小和/或形状以及压力分布的渐变过程。

根据具体实施方式的其他方面，本发明的方法也能确定充气轮胎的其他特性，例如气压、纵向和/或侧向压力分布以及滚动阻力。

根据具体实施方式的优选方面，本发明的方法中的多排传感器基本平行设置，并且与充气轮胎的运动方向x成横向排列，从而在确定轮胎的胎痕区域大小和/或形状以及该胎痕区域上的压力分布时具有较高的分辨率。各排传感器最好交错顺序放置，从而在预设检测区域内提供数量更多的传感器，以获得所期望的分辨率。

本发明的方法中使用的形变传感器最好包含压电器件，如压电电缆段或压电薄膜，或者石英，它们都适用于本发明的目的，即所有这些材料形变时都会产生电荷集中，从而产生电信号(例如电流或电压)。有利的是，压电器件或石英不需要电源，因此简化了本发明的检测系统。

更优选的形变传感器包含压电电缆，直接由轮胎或轮胎所冲击的活塞来挤压。该传感器可以直接放置在路面上(在户外测量的情况下)或模拟路面的鼓轮的滚动面上(在户内测量的情况下)适当的底座内。优选将传感器在此之前与一个支撑板相连接，然后将其安装在路面上或模拟路面的鼓轮上。其能够简化并加速单个传感器的装配、拆卸和调整操作。

本发明的其他特征和优点根据具体实施方式的一些实施例或方法的详细阐述并结合附图而变得更为清楚。附图中：

图1显示了本发明的方法中测量轮胎特性的系统的第一实施例的示意图；

图2显示了本发明的方法中测量轮胎特性的系统的第二实施例的示意图；

图3显示了本发明的方法中使用的传感器支撑板的示意图；

图4(a)和4(b)分别显示了图3的支撑板中传感器的示意剖视图和透视图；

图5示意性地显示了图4(a)和4(b)中的传感器的分解视图；

图6显示了图4(a)和4(b)中传感器产生的电信号作为时间函数的曲线；

图7显示了对于六个线性增加的垂直负荷，图6中的电信号作为采样点函数的曲线；

图8显示了图6中信号基于各个点的n度向量的数值积分(每单位的电压)；

图9显示了对于六个线性增加垂直负荷，一个传感器处的轮胎痕长度；

图10显示了对于八个线性增加的垂直负荷，使用七个传感器获得的轮胎在高速运动条件下的胎痕区域图；

图11显示了图10中的胎痕图与静态条件下获得的胎痕图进行比较；

图12显示了胎痕区域上压力分布的三维图；

图13a显示了右滑测试中胎痕区域大小的渐变；

图13b显示了左滑测试中胎痕区域大小的渐变；

图14a显示了右滑测试中胎痕区域上压力分布图；

图14b显示了左滑测试中胎痕区域上压力分布图；

图15a、15b、15c显示了三个气压增加级别下胎痕区域上压力分布图，图15d显示了胎痕区域的相应形状；

图16a、16b、16c显示了三个垂直负荷增加级别下胎痕区域上压力分布图，图16d显示了胎痕区域的相应形状；

图17a、17b、17c显示了三个轮胎运动速度增加级别下胎痕区域上压力分布图，图17d显示了胎痕区域的相应形状。

图1和图2中根据本发明的方法测量高速运动时车轮的轮胎(2)的特性，用1表示该系统。轮胎2的运动速度最好大于30公里/小时，更优选等于或大于100公里/小时，尤其优选等于或大于200公里/小时。

特别地，系统1为了评估轮胎在通常操作条件下的性能，允许检测轮胎2的一个或多个特性。这些特性例如包括轮胎的胎痕区域的大小和/或形状，胎痕区域上的压力分布，轮胎的气压，轮胎上的纵向和/或侧向力分布，滚动阻力。考虑到简单性，本发明的说明书中仅考虑轮胎的胎痕区域大小和/或形状，以及胎痕区域上的压力(垂直力)分布。

如图1和图2所示，以及本说明书所述，使用本发明方法的系统1能够实现户外测量(图1)和户内测量(图2)。

不考虑测量类型(户外还是户内)，系统1包含多排可变形传感器(图1、2和3中全部标注为10)。图1中特别表示了10排传感器10，而图2和图3中仅表示了两排传感器。多排传感器10与一个四边形支撑板3(图2和3中可见)相连接，以安装在路面上的一个合适的底座4内(在户外测量的情况下，见图1)或模拟路面的鼓轮6的滚动面5上(在户内测量的情况下，见图2)。后一情况中，支撑板3要与鼓轮6上的底座4适当地匹配。

多排传感器全部沿着横向的、在所示例子中为垂直于轮胎2的运动方向x的方向y平行设置，并且沿着方向y的长度至少等于轮胎2沿着上述方向y的长度。如图3所示，支撑板3上多排传感器10沿方向y交错放置。

传感器10尤其是形变传感器，即形变时能集中电荷的器件，且产生一个与形变成比例的电信号。每个传感器10尤其包含一个压电器件，当轮胎2经过传感器时这个压电器件发生形变，并产生一个与形变速度成比例的电信号，即与轮胎2的冲击速度成比例，或者换句话说与传感器10所承受的压力变化成比例。

图1到5所示的实例中，尤其是图4和5，传感器10包括一个主体11，其中有一个纵向通孔12、一个纵向螺纹通孔13和一个横向通孔14。通孔12位于主体11的上部，并具有两个孔段12a和12b，分别在上部和下部，两个孔段的直径不同，孔段12b的直径比孔段12a的直径要大。螺纹孔13位于主体11的下部，与孔12同轴。横向孔14位于通孔12和螺纹孔13之间。

钢制的活塞120可滑动地安装在通孔12内。活塞120尤其包含可滑动地安装在孔12a内的第一活塞部分120a，以及可滑动地安装在孔12b内的直径较大的第二活塞部分120b。

组成传感器10的形变器件的压电电缆140安装在横向孔14内。借助于螺纹孔13内的预负荷螺钉130，使电缆始终保持与活塞120接触。

在主体11中，在孔段12a和孔段12b之间限定了一个环形拱顶110，其适合作为活塞部分120b的接合面。因此环形拱顶110构成了一个机械制动销，防止活塞120通过孔段12a从主体11中脱落。

活塞120的大小如此确定：当活塞部分120b接合到主体11的环形拱顶110时，活塞120的末端部分121略突出于主体11的上表面11a，而较低的活塞部分120b与压电电缆140相接触。当轮胎2通过传感器10时，冲击活塞120的上面的部分120b。由此推动活塞向下滑动，从而压在压电电缆140上，使压电电缆产生形变，并产生一个与形变速度、即所承受的压力变化成比例的电信号。

传感器10的装配首先是把活塞120经由螺纹孔13插入到通孔12中，然后把压电电缆140插入到横向孔14中，最后将预负荷螺丝钉130旋入孔13中，直到活塞120接合到主体11的环形拱顶110，并向压电电缆140施加合适的静态预负荷。

主体11具有一个外螺纹111，适用于将传感器10旋入支撑板3。实际上，主体11由一个空心螺钉构成。

传感器10的另一个实施例中(未示出)，压电电缆140位于螺钉头上形成的沟槽内，该螺钉和支撑板3相连接，或者直接与路面或者模拟路面的鼓轮相连接，因而被轮胎2直接挤压。但是传感器10的结构设置比起上述使用活塞120的实施例较少使用。实际上后一种设置能保证信号失真较少，更大的放大系数以及压电电缆140磨损更少。

按照下面的方法检测轮胎的胎痕区域大小和/或形状。

户外检测系统中(见图1)，装有轮胎2的车辆经过预先装在路面内的传感器10。一旦与轮胎2接触，各个传感器10产生一个与形变速度成比例的电信号。

多个传感器10获得的电信号通过与传感器10适当连接的屏蔽线缆20(并且优选通过放大系统21)传送到数据处理基站22的数据采集卡，后者从信号中提取出所需的信息。用传感器10前方的光电管23沿着轮胎2的运动方向x来测量轮胎2的速度。光电管23产生的信号送到数据处理基站22。

户内检测系统中(见图2)，传感器10安装在模拟路面的鼓轮6的滚动面5上。轮胎2装在动力确定杆30的轴心上，并与鼓轮6相接触，同时控制垂直负荷、滑动和外倾。轮胎2(以预设的速度)的滚动使得轮胎2与传感器10相接触，从而产生电信号。在这种情况下，多个传感器10获得的电信号也通过与传感器10适当连接的屏蔽线缆20进行传送，并通过旋转采集器20a连接到数据处理基站22的数据采集卡，后者从信号中提取出所需的信息。同样在这种情况下，最好首先用放大系统21将信号放大。

如图6所示，每个传感器10产生的电信号的趋势是在传感器和轮胎第一次接触的区域内从零快速达到最大幅值(MAX)，在一段过渡阶段之后，在传感器和轮胎之间接触结束的区域内达到最小幅值(MIN)。这两个特征点之间的空间距离与传感器10所在位置处测量的胎痕长度成比例。已知轮胎2的运动速度，可以很容易地计算出该长度。

胎痕区域的整个形状和大小可以通过结合胎痕上不同位置处的其他传感器10获得的类似数据来得到。因为每个传感器10发出的信号都与其形变速度成比例，因此与该传感器上的压力变化成比例，将信号进行时间积分得到轮胎2的胎痕区域上的压力分布指数。然后和其他传感器的积分结果一起确定轮胎2的整个胎痕区域上的压力分布。

实例

申请人进行了一系列实验来检测轮胎的胎痕区域的大小和形状，胎痕区域上的压力分布以及当轮胎的气压、运动速度和垂直负荷变化时这些特征的渐变过程。进行了类似的实验来测量轮胎在左滑和右滑条件下的特征。

使用了图2中所述类型的户内检测系统。图3到5中所述的类型中，七个传感器在模拟路面的鼓轮的滚动面上排成一排。需监控的轮胎安装在动力确定杆上并与鼓轮相接触。初始轮胎的转速是30公里/小时。轮胎和模拟路面的鼓轮之间接触区域上的垂直负荷最初是3000牛顿。

每个传感器获得的信号作为时间函数的曲线如图6所示。沿着X轴显示时间，单位是秒，y轴显示电信号，单位是伏特。测量信号的最大幅值点和最小幅值点之间的空间距离，并将该距离乘以轮胎转速来确定各个传感器上胎痕长度。结合该排中其他传感器的类似数据能获得胎痕的整个形状和大小。

将各个传感器产生的信号做积分，能获得胎痕上的压力分布指数。结合其他传感器的类似数据，确定出一个三维压力图。

对于轮胎的不同速度级别以及对于轮胎上不同的垂直负荷重复上述操作过程。得到了下列图表和/或映像图。

图7的图表显示对于六个线性增加的负荷(Q)，单位是牛顿，一个传感器产生的信号(V)作为采样点数量的函数(给定采样频率，能构造一个次数矩阵，且已知轮胎的运动速度可以重建空间向量)。图8的图形表示了图7中的信号基于采样点的向量数目进行数值积分的结果(伏特每单位)。

图9的图表显示了对于六个线性增加的负荷(Q)，单位是牛顿，一个传感器上测得的胎痕长度(a)，单位是米。可以看出当垂直负荷增加时胎痕长度是如何增加的。

图10的图表显示了考虑该排传感器中所有的传感器以及对于八个增加的垂直负荷时胎痕区域的映像图。沿着X轴表示了各个传感器在一排传感器(胎痕区域宽度)中的位置(b)(单位是米)，以及沿着Y轴表示了各个传感器处的胎痕区域长度(单位是米)，其中可变参数是垂直负荷，单位是牛顿(N)。该图基本上表示了轮胎对于八个不同负荷的胎痕区域的形状和大小(长度(a)和宽度(b))。可以看出当垂直负荷增加时胎痕区域是如何增加的。

图11的示图把图10的映像图与相同垂直负荷下静态条件时(V＝0)获得的映像图作比较。

图12的示图表示了胎痕区域上压力分布的三维映像图。水平轴显示了一排传感器(胎痕区域宽度)的位置(b)以及各个传感器处的胎痕区域长度(a)。纵轴表示了图7中的信号基于采样点的向量数目(伏特每单位)进行数值积分的结果。需要注意外倾角较小的结果是：右侧具有大部分压力分布。

图13a和13b的示图表示了右滑和左滑测试时，分别对于不同的侧滑角，单位是弧度，胎痕大小(长度(a)和宽度(b))的渐变过程。另一方面，图14a和14b的示图表示了2级右滑和左滑测试时，胎痕区域上的压力分布映像图。胎痕的镜像表现很清楚。

图15a、15b、15c表示了对于三个气压递增级别下(用帕斯卡(Pa)来表示)轮胎区域上的压力分布映像图，且图15d表示了胎痕区域的相应形状。可以看出垂直负荷恒定时，随着气压增加，胎痕区域如何减小。

图16a、16b、16c表示了对于三个垂直负荷递增级别下(用牛顿(N)来表示)轮胎区域上的压力分布映像图，且图16d表示了胎痕区域的相应形状。可以看出垂直负荷恒定时，随着垂直负荷增加，胎痕区域如何增加。

图17a、17b、17c表示了对于三个运动速度递增级别下(V1、V2、V3，分别是50、100、150公里/小时)轮胎区域上的压力分布映像图，且图17d表示了胎痕区域的相应形状。

前述说明参照了本发明的系统和/或方法的优选实施例以及一些改进。但本领域技术人员应理解其他修正或进一步改进并没有偏离本发明的保护范围。例如除了压电电缆，还可以使用压电薄膜或石英器件，或者总的来说，可采用任何在形变时能产生电荷集中并由此产生电信号的材料。而且传感器产生的电信号的最大幅值和最小幅值间的距离可被用来计算胎痕区域的长度。但是用该信号时域积分的零点，或者信号的其他两个参考点也可用来计算该长度。假定选择特征点的标准对于一排传感器中的所有传感器都相同，在任何情况下对于特定的传感器都能获得与胎痕长度相关的量值。而且信号从传感器10传送到数据处理基站22可以通过射频发射器来实现。

Claims (9)

1.测量汽车车轮的充气轮胎的特性的方法，包括以下步骤：

—沿着与汽车车轮的充气轮胎(2)的运动方向x成横向的方向y放置至少一排可变形传感器(10)，所述至少一排传感器(10)的延伸长度至少等于所述充气轮胎(2)沿所述方向y的尺寸；

—使所述充气轮胎(2)以一定的速度沿着所述运动方向x经过所述至少一排传感器(10)；

—所述至少一排传感器(10)中的每个传感器(10)产生一个电信号，该信号与所述传感器(10)和所述充气轮胎(2)接触时的形变速度成比例；

—检测所述至少一排传感器(10)中的每个传感器(10)所产生的所述电信号；

—根据检测到的各个电信号确定所述充气轮胎(2)的至少一个特性。

2.如权利要求1中所述的方法，其中所述充气轮胎(2)的所述至少一个特性是所述充气轮胎(2)沿着所述运动方向x的胎痕区域的大小。

3.如权利要求1或2中所述的方法，其中所述充气轮胎(2)的所述至少一个特性是所述胎痕区域的形状。

4.如前述任一权利要求中所述的方法，其中所述至少一个特性是作用在所述充气轮胎(2)的胎痕区域上的压力分布。

5.如前述任一权利要求中所述的方法，包括将多排传感器(10)都基本平行设置、并与所述充气轮胎(2)的所述运动方向x成横向排列的步骤。

6.如前述任一权利要求中所述的方法，其中所述充气轮胎(2)的所述运动速度大于或等于30公里/小时。

7.如前述任一权利要求中所述的方法，其中所述至少一排传感器(10)安装在模拟路面的鼓轮(6)上的底座内。

8.如权利要求1到6中任一所述的方法，其中所述至少一排传感器(10)安装在路面上的底座(4)内。

9.如前述任一权利要求中所述的方法，其特征在于所述至少一排传感器(10)与一个支撑板(3)相连接。

Images