CN1860042A - 车辆行驶期间检测轮胎载荷的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在车辆行驶期间检测轮胎载荷的方法和系统。上述车辆是在滚动表面上行驶，所述轮胎包括纵向中心平面，该方法包括步骤：提供上述轮胎载荷对在上述轮胎和上述滚动表面之间接触区域长度的上凹函数Fz＝Fz＝Fz(PLc)；估算基本上在纵向中心平面上的上述长度(PLc)；和求导出与从上述函数估算的上述长度相对应的轮胎载荷。

Description

车辆行驶期间检测轮胎载荷的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于在车辆行驶期间检测安装在车辆上轮胎所受到的垂直载荷的方法和系统。

背景技术

充气压力是在车辆车轮上安装的轮胎上进行的常规测量项目并且成为监控轮胎的标准。轮胎载荷、即承受重量，是一种更困难的测量项目，和压力不一样，而是直接测量轮胎应力。对于具体车轮来说，不但根据其结构和/或材料的物理强度而且根据其在特定额定温度和压力下将要支撑车辆重量的额定范围来选择轮胎。如果车辆以超过设计轮胎的载荷范围对轮胎施加载荷，则轮胎受到过大的应力而报废或者缩短其预期使用寿命。

进一步，必须考虑到轮胎保养，主要是由车辆司机根据负载使轮胎压力保持在接近由车辆制造商和轮胎制造商所规定的额外数值。尽管轮胎业内众所周知，所需压力取决于支撑载荷，但是由于实时载荷是不知道的，因此没有向司机提供与载荷有关的压力信息。因此，倘若载荷与根据制造商计算的载荷不相同，就可能使轮胎不正确地充气。由于所需的压力随载荷而增大，因此留下可选择方案只有计算最大载荷和规定最大压力。然而，这样的最大压力能够：1)引起车辆行驶颠簸得非常厉害：2)减少可以用于制动的轮胎对道路接触面积；3)过早磨损轮胎的中央轮面。因而，为了正确地给轮胎打气，需要轮胎载荷信息。

此外，为了控制开动车辆、操纵车辆和使车辆停下来的传动装置，像例如车辆制动控制系统、牵引控制系统、防锁闸动系统、电子制动系统、转向驾驶控制系统、运行滚动控制系统、车辆稳定性控制系统之类车辆电子控制系统可以应用有关轮胎载荷的信息。

这样的轮胎信息可以在车辆内使用，或者能够遥控地，即在车辆外面使用。随着车辆的远程信息处理能力增强，为了监控车辆可用状态(诊断程序)，为了预报保养状态(预兆)和为了监控在车辆在道路上通过时车辆状态，车辆能够与遥控设备无线通信。这种信息也可能对于推断在历史上事故起因来说是重要的。

美国专利No.5793,285公开了用于当车辆处于运行时通过连续不断测量在组合的车辆车轴(或与车轴刚性连接的车身部分)和道路之间距离来监控车辆上轮胎的方法和设备。根据这种测量测定轮胎挠曲。按照一些作者的观点，所测量的轮胎挠曲相当于一种比较准确的有关轮胎载荷测量。当所检测的轮胎挠曲脱离所希望的预定范围时，发出警告信号。

PCT专利申请No.WO03/016115公开了用于检测在摩托车轮胎上施加的负荷或载荷和/或用于监控轮胎压力的方法，其中在车辆运行期间检测每个轮胎中的压力并且观察各个车轮的运转状态。而且通过比较在给定的驾驶状态期间的运转状态和/或各个车轮的上述运转状态中的变化，通过考虑预置和/或预定变量的预置和/或已知变量的预置来测定载荷分布参数。轮胎压力和载荷分布参数用来测定在轮胎上施加的载荷或负荷和/或压力损耗。在一个实施例中，在使用以用来测定各个轮胎有关动态滚动圆周线状态的系统(偏差检测系统＝DDS)的方式运作的车轮速度数据估算数值为基础的系统测定相当于载荷分布的特征变量同时，以应用压力传感器为基础的测量压力系统(像TPMS＝轮胎压力测量系统之类)用来测定轮胎压力。因此，使用现有系统能够建立满载应用的函数。在另一个实施例中，在相同的车辆速度时或者在接近相同的车辆速度(例如车辆标准速度)时，把前轮转数与后轮转数作比较，估算以后获得载荷分布特征变量，并且在所规定的驾驶情况下在载荷分布特征变量中的数值和/或变量被用作计算满载应用或轮胎载荷和/或压力损耗的均值。

美国专利申请No.2003/0058118公开了一种车辆和用于测定车辆轮胎中载荷引起的挠曲或变形的车辆轮胎监控系统、设备和方法。在这基础上，提供与挠曲有关的，像轮胎载荷、克分子空气含量、车辆总质量和车辆质量分布之类信息。通过用安装在轮胎上，优选的是在其车轮踏面衬垫之类内表面上的加速度计显示轮胎的转动加速度来检测负载轮胎的轮胎挠曲区域或者接触区域。当轮胎转动并且加速度计脱离接触区域时显示高的离心加速度。与此相反，当加速度计接入接触区域并且不转动时显示低的加速度。在显示在高数值和低数值之间加速度转折的一些点上测定确定接触区域界线的一些挠曲点。根据一些挠曲点的检测间所占用时间内测量的轮胎转动速度并且根据轮胎半径，能够测定接触的长度(接触长度)。为了测定轮胎载荷，给出下列公式：

载荷＝α×车轮踏面宽度×接触长度×压力+侧壁力

式中“车轮踏面宽度”是车轮外胎面宽度，“车轮踏面宽度×接触长度”是施加压力的面积，“侧壁力”是压扁的轮胎侧壁的有效弹力，而α是接近于1的比例常数。换言之，根据从理想气体定律推导出所公开的在空气克分子、压力、温度和接触长度之间关系式能够测定载荷。

依本申请人看，上面的美国专利No.5,793,285和在上面的PCT专利申请No.WO03/016115中所公开的一些方法，由于他们缺乏直接在轮胎上进行测量的依据，因此不可能给出可靠的轮胎载荷实时测定。因而，它们会遭受平均失真效应之害，特别是在快速变化情况下能够造成重要轮胎载荷数据丢失。

另一方面，在上面的美国专利申请No.2003/0058118中所公开的近似方法完全是理论上的，而且不可能与像轮胎之类复杂的系统相吻合。例如，当承载轮胎和道路之间接触面积完全不同于矩形时，把矩形、车轮踏面宽度×接触长度、认作为所施加压力的面积是一种粗糙的近似。进一步，通常并不高精确度地测定侧壁力数值，因此在轮胎载荷测定中将会包含进一步的近似。

美国-6,538,566描述了用于在使用中进行监控在地上行驶中的车轮轮胎状态的一种过程，轮胎含有车轮踏面，这种过程包括步骤为：在轮胎内接近车轮踏面处设置用于显示径向加速度的小型传感器；监控传感器的测量结果中的变化；检测径向加速度上的减小量，上述减小量与车轮踏面和地面接触的区域相对应；以及测量低径向加速度相位周期和这个周期中的径向加速度低的那一小部分时间间隔，每个周期内的上述一小部分时间间隔与车轮踏面与地面接触的上述区域的长度有关，而由此与轮胎状态有关。

EP-0887211涉及用于车辆的可充空气轮胎，而具体涉及用于通过监控轮胎挠曲来监控轮胎的一种系统。这种系统包括：相对于轮胎操动地安装以在行驶痕迹扫描期间产生与轮胎变形相对应的电脉冲的传感器装置；用于计算上述电脉冲的持续时间与一个轮胎旋转的持续时间的比率的装置；用于向设置在车辆内的估算单元发送上述比率的装置，其中把上述传感器装置按上述电脉冲在上述行驶痕迹扫描的入口区段上产生第一最大值和在离开上述行驶痕迹扫描的区段上产生第二最大值的次序设置在上述轮胎的车轮踏面面积内。

本申请人面临实时测定的问题，也就是在车辆行驶期间和在安全的道路上，安装在车辆上的轮胎所承受的载荷的实时测定问题。

在第一种状况中，本发明涉及用于在上述车辆在滚动表面(rollingsurface)上行驶期间测定在车辆上安装的轮胎上施加的载荷的一种方法，其中，这种轮胎包括一个纵向中心平面，这种方法包括步骤为：提供上述轮胎载荷对在上述轮胎和上述滚动表面之间接触区域长度的关系曲线的上凹函数Fz＝Fz(PLc)；估算基本上在纵向中心平面上的上述长度；和从上述函数推导出与上述估算长度相对应的轮胎载荷(load)。

优选的是，上述函数是至少二个上述长度次数的多项式函数。

上述函数优选为 $\mathrm{Fz}=\frac{-B+\sqrt{B^2-4A(C-\mathrm{PLc})}}{2A},$

其中A、B和C为与上述轮胎的结构有关的拟合系数。用另一种替换方法，上述函数为Fz＝A1·tan(B1·PLc)，其中A1和B1为与上述轮胎的结构有关的拟合系数。

优选的是，估算上述长度的上述步骤包括获得加速度信号的步骤。

优选的是，该方法进一步包括低通过滤上述加速度信号的步骤。

优选的是，获得加速度信号的上述步骤包括获得切向加速度信号，和估算上述长度的步骤包括测量在上述切向加速度信号的最大数值和最小数值之间的间距。

用另一种替换方法，获得加速度信号的上述步骤包括获得径向加速度信号，和估算上述长度的步骤包括测量在上述径向加速度信号的两个最大值之间的间距。

在第二种状况中，本发明涉及控制具有在其上装配至少一个轮胎的车辆的一种方法，这种方法包括：用如以上所陈述的方法估算在上述轮胎上施加的载荷；使上述估算的载荷传递到该车辆中的车辆控制系统；根据上述估算的载荷调整上述车辆控制系统中的至少一个参数。

车辆控制系统可以包括制动控制系统，并且调整至少一个参数的上述步骤可以包括调整在上述轮胎上的制动力。

用另一种替换方法或者用组合方法，车辆控制系统可以包括转向驾驶控制系统，并且调整至少一个参数的上述步骤可以包括允许从转向驾驶指令选择最大的偏转。

用另一种替换方法或者用组合方法，车辆控制系统可以包括悬挂控制系统，并且调整至少一个参数的上述步骤可以包括调整与上述轮胎组合的悬挂弹簧的刚度。

一般来说，车辆包括安装在其右边的至少一个轮胎和安装在其左边的至少一个轮胎。用另一种替换方法或者用与以前实施方式组合方法，车辆控制系统可以包括运行滚动控制系统，并且调整至少一个参数的上述步骤包括补偿在上述左边安装的轮胎和上述右边安装的轮胎之间不均衡的载荷分布。

在第三种状况中，本发明涉及用于测定在上述车辆在滚动表面上行驶期间在车辆上安装的轮胎上施加的载荷的一种系统，这种系统包括：适用于估算上述轮胎和上述滚动表面之间接触区域长度基本上在纵向中心平面上的测量装置；和适用于传递与从上凹函数Fz＝Fz(PLc)估算的长度对在上述轮胎和上述滚动表面之间接触区长度的关系曲线相符合的轮胎载荷的至少一种数据处理单元。

优选的是，上述函数是至少两个上述长度次数的多项式函数。

上述函数优选为 $\mathrm{Fz}=\frac{-B+\sqrt{B^2-4A(C-\mathrm{PLc})}}{2A},$

其中A、B和C为与上述轮胎结构有关的拟合系数。用另一种替换方法，上述函数为Fz＝A1·tan(B1·PLc)，其中A1和B1为与上述轮胎结构有关的拟合系数。

优选的是，上述测量装置包括产生相应加速度信号的切向或径向加速度计。

优选的是，上述测量装置包括适用于以至少5KHz频率抽取上述信号的采样装置。更优选的是，上述采样装置适用于以至少7KHz频率抽取上述信号。

优选的是，该系统包括与上述数据处理单元组合的至少一个存储器。

优选的是，上述至少一个存储器包括描述轮胎竖向载荷与接触区域长度的关系曲线的预存储特征曲线。一般来说，上述至少一个存储器包括用于上述数据处理单元的预存储指令。

优选的是，设置在上述轮胎的车辆踏面面积区域内的传感器装置中包含上述测量装置。

优选的是，上述传感器装置固定在轮胎的内衬垫上，并且包括在上述传感器和上述内衬垫之间的缓冲元件。

优选的是，上述传感器进一步包含发射装置并且上述发射装置操动地与第一天线连接。

附图说明

通过下面在本说明书中参照附图给出的其实施例详细描述将更好地举例说明本发明的进一步特点和优点，附图中：

-图1表示根据本发明具体实施方式，包含传感器装置的轮胎横截面图；

-图2表示包含在根据本发明一种系统中的固定单元的实施方式简图；

-图3表示包含在根据本发明轮胎中的传感器装置的实施方式简图；

-图4表示一部分在过滤径向加速度信号以后所获得的例证性径向加速度曲线；

-图5表示一部分在过滤切向加速度信号以后所获得的例证性切向加速度曲线；

-图6表示通过内部加速度计与拐角的关系曲线所测量的接触路径长度的载重曲线图；

-图7表示通过外部加速度计与拐角的关系曲线所测量的路径长度的载重曲线图；

-图8表示通过中心加速度计与拐角的关系曲线所测量的路径长度的载重曲线图；

-图9表示通过中心加速度计与轮胎载荷的关系曲线所测量的接触路径长度内插实验数据的直线；

-图10表示内插与图9相同实验数据的不同函数；和

-图11表示通过图9和10所示的插值函数获得的数值与试验数据偏离得怎么样。

具体实施方式

图1表示包括轮胎11和支撑钢圈12的车轮横截面图。图1所示的轮胎11是通常称为“无内胎”类型的，也就是不包含内部轮胎。通过例如配置在上述钢圈12凹槽上的充气阀13能够给这种轮胎充气。在车辆(未表示出)上安装这种轮胎。

轮胎11包含终止于两条轮缘14和14′的胎体16，每条轮缘14和14′沿胎体16的内圆周线边缘形成、用于把轮胎11安装到吻合的支撑钢圈12上。轮缘14、14′包括各个通称为轮缘芯的加固环形芯子15和15′。用至少一层加固层片制作胎体16，加固层片包含在环形剖面内从一条轮缘14轴向延伸到另一条轮缘14′并且具有其与相应轮缘芯子15和15′组合的末端的织物帘布或金属帘布。在通称为径向类型的轮胎中，上述帘布基本上位于含有轮胎转动轴的平面内。通称为V形皮带结构的环形结构17设置在与胎体相对的径向外部位置。一般来说，V形皮带结构17包含一条或更多条互相重叠的掺有金属弹性材料和/或织物帘布的带状物。把弹性材料制作的车轮端面制动带18盘绕在V形皮带结构上并且为了轮胎与地表面滚动接触而用离隙图形压痕。弹性材料制作，各从相应轮缘14和14′外侧边缘向外径向延伸的两个侧壁19和19′也设置在胎体16上的轴向相对的侧面位置。在无内胎轮胎中通常用衬垫111，也就是用一层或更多层不能渗透空气弹性材料层，覆盖胎体18的内表面。根据轮胎11的具体设计，可以设置像例如轮缘垫片之类其他大家都知道的元件。

在余下的描述部分中将详细描述与轮胎11组合的传感器装置3。传感器装置3可以有利地位于轮胎11中的一部分车轮踏面面积上，也就是在轮胎11侧壁之间轴向延伸的轮胎11区域上。传感器装置3基本上是在轮胎中的纵向中心平面E上。

优选把传感器装置固定在轮胎11中的内衬垫111上。固定元件332不但与传感器装置3粘合而且与内衬垫111粘合。适用于固定元件332的材料通常可以包含像例如天然橡胶或者合成橡胶之类柔性橡胶，例如用具有从4到10个碳原子的共轭二烯制造的像聚异戊二烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯泡沫塑料橡胶诸如此类橡胶。在优选的一些实施方式中，固定元件332中包含的材料应该具有缓冲作用，以便通过在轮胎11使用期间使施加到装配表面上的机械应力减至最低程度把所装配的中心传感器装置固定在轮胎内表面上。进一步，缓冲材料通过防止上述应力传递到装置而减小损坏传感器装置3的几率。适合的缓冲材料可以具有大约1～40的Shore A硬度(根据ASTM标准D2240在23℃时测量)和低于大约60的弹性回弹(根据ASTM标准D1054在23℃时测量)。为了与这些缓冲技术要求相符合，可以配上交联二烯弹性材料或者聚氨基甲酸乙酯凝胶材料。为了改进传感器装置3和衬垫111之间的粘合，把进一步的粘结元件，例如双面粘结胶薄膜、放入定位元件332和衬垫111内表面之间和/或固定元件332和传感器装置3之间可能是有利的。一种合适的双面粘结胶薄膜可以是标号3M的Scotch300SL HI Strength。在一些替换实施方式中，可以把传感器装置3插入到轮胎结构内的车轮踏面面积里，例如车轮踏面制动带内或者外部V形皮带条和车轮踏面制动带之间。

在本发明的一种优选实施方式中(未表示出)，在轮胎11里可以配置基本上在纵向中心平面(equatorial plane)上，处于彼此隔开基本上相同角度的圆周位置的几个传感器装置。例如，在轮胎内可以放入彼此环境地隔开基本上为120°角度的三个传感器装置。使用在轮胎内配置在彼此环境地隔开的位置上的几个传感器装置不但能够使进行的测量达到更高准确度和更高可靠性而且能够在整个车轮转动期间更好地监控轮胎载荷。

传感器装置3适用于与轮胎11的外部单元通信。像这样的外部单元在下文中将称之为“固定”单元。固定单元可以放在装配轮胎11的车辆上。

例如，图2表示固定单元2的框图，它包括用于从包含在轮胎11内的传感器装置3接收的装置。优选的是，定位单元2也包括用于向上述传感器装置3发射的装置。接收装置可以包括与下面称之为“固定天线”的第一天线25连接的射频接收机26。优选的是，接收装置也包括电解调器装置27。像例如EPROM之类的存储器28能够存储传感器装置3所接收的数据并且被解调器27解调。在优选的一些实施方式中，存储器28与中央数据处理单元(CPU，在图2中未表示出)组合，以便根据传感器装置3所接收的数据和/或存储器28中所存储的数据进行计算。存储器28也可以存储例如测量车辆不稳定性、或者指令控制系统改变对车辆控制，或者向车辆驾驶员显示告警信号，或者过大载荷的历史运行记录。发射装置优选包括振荡器电路28，振荡器电路28提供用于固定天线25的激励电路。如果固定单元2放在车辆上，则车辆蓄电池能够直接供应为驱动固定单元2而所需要的电能。

图3所表示的示范性框图中的传感器装置3，概括来说包括用于向上述固定单元发送数据的装置31和适用于估算在轮胎11和道路(更概括地说，滚动表面)之间接触区域长度的测量装置32。测量装置可以优选包括径向和/或切向加速度计。像由轮胎的车轮踏面面积支撑的径向和切向加速度(特别是径向加速度)都可以高速地达到500-1000g那样的加速度计应该能够支撑并且正确测量非常高的加速度数值，其中g是重量加速度。在替换实施方式中，测量装置可以包括变形测定器，变形测定器的输出信号给出所监控的车轮踏面面积部分的弯曲程度。为了测量接触路径长度，测量装置32得到代表相当于传感器装置3位置的车轮踏面面积部分受到的变形的信号。为了进行轮胎载荷实时测定，应该获得具有高精确度的信号。为了这样目的，并且考虑到滚动轮胎频繁转动(特别是在高速度时)，测量装置32优选包含采样装置(未表示出)，采样装置为了提供其所抽取的信号能够以至少5KHz的频率，更优选的是以至少7KHz的频率启动径向变形信号读出。在优选的一些实施方式中，测量装置32也可以包含压力传感器和/或温度传感器。然而，压力或温度测量不需要高频率采样。在一些替换实施方式中，可以在传感器装置3的外面配置压力和/或温度传感器，例如它可以放在轮胎气门内。传感器装置3一般也包含在下面称之为“移动天线”的天线37，移动天线37为了向固定单元中的固定天线发送数据而与上述发射装置31连接。能够以例如在包括400和450MHz之间频带中的常规遥控技术射频频率(例如以418MHz或433MHz)从移动天线向固定天线发射。

传感器装置3可以进一步包含与存储装置35组合的数据处理单元(CPU)34。这样的存储装置35可以含有能够存储测量装置32产生有关测量结果信息的可重写存储单元。更进一步，存储装置35也可以含有用于数据处理单元34的预存储指令，预存储指令适用于在发射前预处理来自测量单元32的信号，以便减少从轮胎11中发送的信息量。更详细地说，为了检测橡例如最大值和最小值，能够发送到用于向固定单元发射的发射装置31的座标之类特征点，可以预处理变形信号。这样做的结果是节省发射带宽和为发射所需要的功率。更进一步，可以把过滤装置(未表示出)放入测量单元32和数据处理单元34之间，以便低通过滤变形信号和从由车轮踏面制动带和道路之间交互作用引起的高频噪声中识别有用信号。然而，或者像进一步预处理存储在存储器35的指令那样可以通过包含在测量装置32内的电子线路提供滤波。

电源33能够给传感器装置供以能量。电源33可以包含蓄电池。然而，对于实时测量轮胎载荷来说，测量装置32(特别是高频采样装置)，数据处理单元34和发射装置31可能需要耗费很大的电功率，因此当与轮胎整个使用期限比起来，蓄电池寿命或许太短。因而，在优选的一些实施方式中，电源33包含自发电装置，通过使上述自发电装置受到机械力的作用(例如，离心力，或者衬垫变形，或者由于在不平坦道路上行驶引起的活动)而使自发电装置产生电力。作为一个实施例，在作这样用途的自发电装置中可以使用压电材料。自发电装置也包含一种电能储存电路(未表示出)，它一般包含电阻器和电容器。作为一个进一步的替换实施例，可以由固定单元通过适合与移动天线31连接的接收装置(未表示出)来给传感器装置3供以电能。

优选的是，用于分配电功率36的一种装置根据其技术要求把电源33提供的电功率恰当地分配给上述数据处理单元34，上述存储装置35，上述用于发射的装置31和上述测量装置32。

必须注意到，并不一定把测量装置，向固定单元发射部分和控制电子电路包在单封装式传感器装置里。例如，可以把控制电子电路和向固定单元发射部分封装成固定到轮胎或车轮的其他部分上(例如，钢圈或侧壁)的分立装置，通过与设置在轮胎中车轮踏面面积部分的测量装置有线或无线(例如光或通过射频连接来组合分立装置。更进一步，应该注意到，能够用任何一种适合于这种用途的装置或方法来测量路径长度，并不一定使用加速度计传感器装置来测量路径长度。已详细描述的加速度计排列只不过是许多可能排列中的一种排列。

图4通过实施例表示包含固定在轮胎内衬垫上径向加速度计的传感器装置在抽取并且过滤相应的加速度信号以后所获得的一部分典型的径向加速度曲线。应当注意到，在经过下面的接触路径时，由加速度计显示的径向离心加速度数值第一次突然增大，然后下降，直到基本上为零，而然后第二次突然增大。在其他位置上由加速度计显示的径向加速度具有与滚动轮胎转动速度有关的平均值：速度越快所显示的加速度越高。

图4的曲线表示在相当于传感装置位置的车轮踏面面积部分开始和终止其通过下面的接触路径时，上述车轮踏面面积部分受到剧烈的径向变形(与曲线所示的峰值相对应)，而在其他位置上上述车轮踏面面积部分实际上没有经受变形(与接触路径外侧的基本上恒定的加速度数值相对应)。径向加速度信号的两个最大值之间的距离表示出接触路径长度PL。

图5通过实施例表示包含固定在轮胎内衬垫上切向加速度计的传感器装置在抽取并且过滤相应的加速度信号以后所获得的一部分切向加速度曲线。用纵座标记录切向加速度。应当注意到，在通过下面的接触路径时，由加速度计显示的切向加速度数值第一次突然增大，然后下降到负数值，而然后第二次突然增大。在其他位置上如果在恒定速度时轮胎滚动，则由加速度计显示的切向加速度具有基本上为零的平均值。图5的曲线表示在相当于加速度计位置的车轮踏面面积部分开始和终止其通过下面的接触路径时，上述车轮踏面面积部分受到剧烈的切向变形(与曲线所示的最大值和最小值相对应)而在其他位置上上述车轮踏面面积部分实际上没有经受变形(与接触路径外侧基本上为零的切向加速度数值相对应)。

因而，径向加速度信号的最大值之间或者切向加速度信号的最大值和最小值之间的距离表示出接触路径长度PL。更详细地说，用下列公式通过径向或者切向加速度信号能够方便地计算PL：

PL＝ω_i·r_r·npi·1/fs

公式中：

fs：加速度信号的采样频率；

r_r：轮胎的自由滚动半径；

npi：在径向加速度信号两个最大值中间或者在切向加速度信号的最大值和最小值中间测量点的数目；和

ω_i：轮胎瞬时转动速度。

用

能够从径向加速度信号计算轮胎的瞬时转动角速度，式中a_i是在进入与滚动表面接触的面积(即，使用在图4所示峰值外侧的一部分径向加速度信号)之前或之后计算的平均径向加速度。

在使用许多以不同的圆周上位置放入轮胎内的传感器装置的一种优选实施方式中，放在接触路径外边的第一传感器装置能够用来以与第二传感器装置通过下面的接触路径相同的时间间隔实时测量平均径向加速度数值a_i(并且获得轮胎的瞬时转动速度)。在传感器装置内能够提供采样控制电子线路以便触发所需要的测量。用于以上所述的分析加速度计产生信号所需要的算法也能够存储在传感器装置存储器内，以便组合的数据处理单元使用。

必须注意，为了估算接触路径长度可以使用其他的方法或公式。

为了说明本发明的基本原理，将在下面描述本申请人使用一种“PireliP6195/65R15”轮胎进行测试的结果。更详细地说，本申请人为了弄清楚在车辆进行演习期间接触路径长度测量究竟会受到怎样影响就在轮胎的不同拐弯状态下进行了大量的测量。在第一序列测试中，本申请人测量了“内部”接触路径长度，也就是用放在离轮胎纵向中心平面一段距离，比较接近车辆的一部分车轮踏面面积中的切向加速计(内部加速度计)测量的接触路径长度的不同数值。用不同的拐角，不同的轮胎载荷和以额定充气压力估算内部接触路径长度PLi。更进一步，对每一轮胎载荷设定许多折转角(-2°、-1°、0°、+1°、+2°)。图6表示在40km/h恒定速度时在下列轮胎载荷数值：曲线61对应于2000N轮胎载荷；曲线62对应于3500N轮胎载荷；曲线63对应于5000N轮胎载荷和曲线64对应于6500N轮胎载荷的情况下通过内部加速度计(纵座标)对用于不同轮胎载荷的拐角(横座标)测量路径长度的载重曲线所得到的曲线图。对于第一轮胎载荷用不同线条表示对应于不同折转角(+2°、+1°、0°、-1°和-2°)的曲线。虽然能够观察到由内部加速度计测量的接触长度PLi主要取决于轮胎载荷但是也取决于折转角和取决于轮胎的拐弯状态。

因而，很难能够从简单的内部接触路径长度PLi测量得出轮胎载荷。

在第二序列测试中，本申请人测量了“外部”接触路径长度PLe，也就是用放在离轮胎纵向中心平面一段距离，离车辆更远的一部分车轮踏面面积中的切向加速度计(外部加速度计)测量的接触路径长度。用不同的拐角，不同的轮胎载荷和以额定充气压力估算外部接触长度PLe。对每一轮胎载荷设定许多折转角(-2°、-1°、0°、+1°、+2°)。图7表示在40km/h恒定速度时在与以上所述相同的轮胎载荷情况下通过外部加速度计(纵座标)对用于不同轮胎载荷的拐角(横座标)测量路径长度的载重曲线所得到的曲线图。曲线71对应于2000N轮胎载荷；曲线72对应于3500N轮胎载荷；曲线73对应于5000N轮胎载荷和曲线74对应于6500N轮胎载荷。对于每一轮胎载荷用不同线条表示与不同折转角(+2°、+1°、0°、-1°、-2°)相对应的曲线。由于在图7中能够观察到获得与图6所示的结果类似的结果，因此很难能够从简单的外部路径长度PLe测量得出轮胎载荷。

在第三序列测试中，本申请人测量了“中心”接触路径长度PLc，也就是用放在轮胎纵向中心平面上的切向加速度计(中心加速度计)测量的接触路径长度。用不同拐角，不同轮胎载荷和以额定充气压力来估算中心接触长度PLc。更进一步，对每一轮胎载荷设定许多折转角(-2°、-1°、0°、+1 °、+2°)。图8表示在40km/h恒定速度时在与以上所述相同的轮胎载荷：曲线81对应于2000N轮胎载荷；曲线82对应于3500N轮胎载荷：曲线83对应于5000N轮胎载荷和曲线84对应于6500N轮胎载荷的情况下通过中心加速度计(纵座标)对用于不同轮胎载荷的拐角(横座标)测量中心路径长度的载重曲线所得到的曲线图。对于每一轮胎载荷用不同线条表示对应于不同折转角(+2°、+1°、0°、-1°和-2°)的曲线。意想不到的是，如所能够观察到的那样，在轮胎纵向中心平面上测量的中心接触路径长度PLc基本上不随折转角而定。更进一步，更是意想不到的是，中心接触路径长度PLc对折转角的依赖是可忽略不计的。换句话说，在轮胎中心测量的路径长度只随轮胎载荷变化而变化。进一步的考虑是关于“路径长度/轮胎载荷”比例关系的非比例性。实际上，在与2000N有关的曲线和与3500N有关的曲线之间的间距大于在3500N和5000N之间的间距。

本申请人绘制成试验获得的接触长度平均值对每一轮胎载荷的曲线图。图9表示在接触路径长度对轮胎载荷的曲线中所获得的一些测试点以及拟合直线：如所能够观察到的那样，直线和数据吻合得并不非常好。相反，本申请人发现在根据中心接触路径长度估算轮胎载荷中拟合直线会引起很大的误差。

另一方面，图10表示单调下凹函数和在中心接触长度对轮胎载荷曲线图中的试验数据吻合得很完美。换言之，为了使轮胎载荷估算误差降低到最小程度，必须用单调上凹函数，根据在轮胎纵向中心平面上测量的接触路径长度来计算轮胎载荷。本申请人发现这种测量结果能够应用于任何种类车辆，例如小汽车轮胎，卡车轮胎、SUV轮胎等等。上凹拟合函数的精确数字形式Fz＝Fz(PLc)可以随轮胎的内部结构和/或几何结构而定。然而，以上已说明为计算而将要应用的函数的总趋向。对于感兴趣的接触路径长度、也就是在用于小汽车轮胎的60mm～200mm，用于卡车轮胎的150mm～450mm，用于SUV轮胎的100mm～270mm的范围内的接触路径长度的典型数值来说，将证明“上凹”总趋向是正确的。

例如，本申请申人发现具有二次方的多项式拟合函数能够使PLc和Fz联系起来，例如下列公式：

PLc＝A·Fz²+B·Fz+C    (1)

式中A、B和C是拟合系数。这样的拟合系数取决于轮胎结构并可以通过轮胎特征记录来获得。在特征记录中，不同的竖向载荷可以应用于轮胎，并且能够在纵向中心平面上测量在上述轮胎和上述滚动表面之间接触区域的长度。为了获得轮胎载荷能够使式(1)变换成：

$\mathrm{Fz}=\frac{-B+\sqrt{B^2-4A(C-\mathrm{PLc})}}{2A}---\left(1^{\′}\right)$

按照另一实施例，可以采用正切函数来拟合测试数据：

Fz＝A1·tan(B1·PLc)    (2)

式中A1和B1是拟合系数。无论用什么方法，熟练的技术人员都会找到描述轮胎载荷Fz和中心接触路径长度PLc之间关系，符合以上所公开的总趋势的其他合适的函数。能够适用的典型函数可以是具有至少二次数的多项式函数。

在图11中，绘制真实轮胎载荷和用拟合函数(1′)计算的轮胎载荷之间百分差对轮胎载荷的曲线(曲线111)；如所能够观察到那样，可以获得低于1％的差值。在同一曲线图中，绘制真实轮胎载荷和通过拟合直线计算的轮胎载荷之间百分差的曲线(曲线112)。凭直觉，用直线拟合试验数据可以产生相对于真实轮胎载荷数值最高可达大约5％的差值。在轮胎载荷估算中像这样的误差是令人不能接受的，特别是在轮胎承受高载荷时(例如在拐弯演习期间的外轮胎)。

因而，在车辆行驶期间，在接近轮胎纵向中心平面处测量想要知道相应竖向载荷的轮胎的接触长度。所以按照中心接触路径长度函数容易计算作用在轮胎上相应的竖向载荷实时数据。

用于计算轮胎载荷的上述函数和/或拟合系数能够存储在固定单元2的存储器或者传感器装置3的存储器内，以便组合的数据处理单元使用。

本申请人确信拟合系数至少在车辆和轮胎制造商规定的额外数值左右的范围内并不一定非常显著地随轮胎压力不同而不同。在任何情况下，为了使轮胎特征记录更完整和更周密，能够以不同的压力数值进行与在本说明书中对等于或者非常接近额定值的压力所描述的测试一样的测试，以便得出与上述压力数值有关的相应拟合系数组。

在车辆上安装的轮胎上起作用的实时测定载荷是能够向车辆控制系统传递，以便控制车辆状态的重要参数，特别是在转折的状况下。车辆控制系统可以包括制动控制装置(例如防锁闸动单元)和/或转向驾驶控制装置，和/或悬挂控制装置和/或发动机控制装置和/或发射控制装置。

例如，车辆制动控制装置可以根据在轮胎上的载荷来调节对每个轮胎的制动力。

按照另一个实施例，每个轮胎上的载荷可以用来测定车辆稳定性包络线和用来从转向驾驶命令选择所允许的最大偏转。这样的信息可以应用到转向驾驶控制系统(Electrically Assisted Steering Systems)以限制偏转速度。

按照另一实施例，车辆悬挂控制系统可以根据在轮胎上载荷对每个轮胎调节悬挂弹簧的刚度。更进一步，用运行滚动控制系统可以补偿在左边安装的轮胎和右边安装的轮胎之间所显示的不均衡载荷分布，这在目前是用所显示的横向加速度来增大移动平衡器杆的液压以便在拐弯时使车辆摆脱倾斜。

车辆的状态可以预示车辆性能下降而司机应该限制他的驾驶动作。车辆控制系统本身就能够起作用，例如为了限制最大车辆速度而保持稳定性并且不超过轮胎技术要求或者为了限制转向驾驶偏转速度而防止发生翻车。驾驶员可以留意现时车辆控制系统待机状态和车辆控制系统以它的名义为按照在显示装置上所需要的那样稳住车辆所采取的操作状态(减小最大可达到的速度，转向驾驶速度，发动机功率)。在同一显示装置上它可以显示是否它应该采取进一步的自己单独操作(改变质量分布，限制驾驶动作和速度)。显示装置可以包括例如设置在车辆仪表板上的目视单元和可听单元。

就这样说明和描述了达到所有在这以前试图达到的目的和优点的一种新型系统和一种方法。然而，涉及本发明的许多变更、变换、变异以及应用和用途，对于研究过公开其具体实施方式的说明书和附图的熟练技术人员来说，将是显而易见的。仅受下面描述的权利书限制的本发明将覆盖被认为没有脱离本发明范围的所有这些变更。变换、变异以及应用和用途。

Claims (38)

1.用于测定在车辆在滚动表面上行驶期间在安装在车辆上的轮胎上施加的载荷的一种方法，所述轮胎包括纵向中心平面，该方法包括步骤为：

—提供上述轮胎载荷对在上述轮胎和上述滚动表面之间接触区域长度的上凹函数Fz＝Fz＝Fz(PLc)；

—估算基本上在纵向中心平面上的上述长度(PLc)；和

—求导出与从上述函数估算的上述长度相对应的轮胎载荷。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于上述函数是至少二个上述长度次数的多项式函数。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于上述函数是 $\mathrm{Fz}=\frac{-B+\sqrt{B^2-4A(-C-P\mathrm{Lc})}}{2A},$ 式中A、B和C是与上述轮胎结构有关的拟合系数。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于上述函数是Fz＝A1·tan(B1·PLc)，式中A1和B1是与上述轮胎结构有关的拟合系数。

5.根据权利要求1-4中的任一权利要求的方法，其特征在于上述估算上述长度(PLc)步骤包括获得加速度信号的步骤。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于进一步包括低通过滤上述加速度信号步骤。

7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于上述获得加速度信号步骤包括获得切向加速度信号。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于估算上述长度步骤包括包括测量，在上述切向加速度信号的最大数值和最小数值之间的间距。

9.根据权利要求5或6的方法，其特征在于上述获得加速度信号步骤包括获得径向加速度信号。

10.根据权利要求7的方法，其特征在于估算上述长度步骤包括测量在上述加速度信号的两个最大值之间的间距。

11.控制安装有至少一个轮胎的车辆的一种方法，包括：

—用根据前面权利要求中任一权利要求的方法估算施加在上述轮胎上的载荷；

—把上述所估算的载荷传递到车辆的车辆控制系统；

—根据上述所估算的载荷调节在上述车辆控制系统中的至少一个参数。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于上述车辆控制系统包括制动控制系统，并且在于上述调节至少一个参数步骤包括调节在上述轮胎上的制动力。

13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于上述车辆控制系统包括转向驾驶控制系统，并且在于上述调节至少一个参数步骤包括从转向驾驶命令选择所允许的最大偏转。

14.根据权利要求11到13中的任何一个权利要求的方法，其特征在于上述车辆控制系统包括悬挂控制系统，并且在于上述调节至少一个参数步骤包括调节与上述轮胎组合的悬挂弹簧的刚度。

15.根据权利要求11到14中的任何一个权利要求的方法，其特征在于上述车辆包括在其右边安装的至少一个轮胎和在其左边安装的至少一个轮胎，并且在于上述调节至少一个参数步骤包括补偿在左边所安装的轮胎和右边安装的轮胎之间的不均衡分布。

16.用于测定在车辆在滚动表面上行驶期间施加在车辆上安装的轮胎上的载荷的一种系统，该系统包括：

—适用于估算上述轮胎和上述滚动表面之间基本上在纵向中心平面上的接触区域长度(PLc)的测量装置；和

—适用于求导出与从上述轮胎载荷的上凹函数Fz＝Fz(PLc)估算的上述长度对应的轮胎载荷对上述轮胎和上述滚动表面之间接触区长度的关系曲线的至少一个数据处理单元。

17.根据权利要求15的系统，其特征在于上述函数是至少二个上述长度次数的多项式函数。

18.根据权利要求15的系统，其特征在于上述函数是 $\mathrm{Fz}=\frac{-B+\sqrt{B^2-4A(C-\mathrm{PLc})}}{2A},$ 式中A、B和C是与上述轮胎结构有关的拟合系数。

19.根据权利要求15的系统，其特征在于上述函数是Fz＝A1·tan(B1·PLc)，式中A1和B1是与上述轮胎结构有关的拟合系数。

20.根据权利要求16-19的系统，其特征在于上述测量装置包括产生相应加速度信号的切向或径向加速度计。

21.根据权利要求20的系统，其特征在于上述测量装置包括适用于以至少5KHz频率抽取上述信号的采样装置。

22.根据权利要求21的系统，其特征在于上述采样装置适用于以至少7KHz频率抽取上述信号。

23.根据权利要求16到22中的任何一个权利要求的系统，其特征在于该系统包括至少一个与上述数据处理单元组合的存储器。

24.根据权利要求23的系统，其特征在于上述至少一个存储器包括描述竖向轮胎载荷对接触区域长度的关系曲线的预存储特征函数。

25.根据权利要求23到24中的任何一个权利要求的系统，其特征在于上述至少一个存储器包括用于上述数据处理单元的预存储指令。

26.根据权利要求16到25中的任何一个权利要求的系统，其特征在于在放在上述轮胎的车轮踏面面积区域中的传感器装置内包含上述测量装置。

27.根据权利要求26的系统，其特征在于上述传感器固定在轮胎中的内衬垫上。

28.根据权利要求27的系统，其特征在于该系统包括上述传感器和上述内衬垫之间的缓冲元件。

29.根据权利要求25到28中的任何一个权利要求的系统，其特征在于上述传感器装置进一步包含发射装置。

30.根据权利要求29的系统，其特征在于上述发射装置优选的是与第一天线连接。

31.根据权利要求20到30中的任何一个权利要求的系统，其特征在于该系统进一步包括适用于低通过滤上述信号的过滤装置。

32.根据权利要求26到31中的任何一个权利要求的系统，其特征在于上述传感器进一步包括电源。

33.根据权利要求32的系统，其特征在于上述电源包括蓄电池。

34.根据权利要求32的系统，其特征在于上述电源包括适用于在上述车辆行驶期间通过上述传感器受到的机械力而产生电力的自发电装置。

35.根据权利要求34的系统，其特征在于上述自发电装置包括压电元件。

36.根据权利要求34或35的系统，其特征在于上述自发电装置包括电储存电路

37.根据权利要求36的系统，其特征在于上述电储存电路包括电阻器和电容器。

38.根据权利要求18到37的系统，其特征在于上述数据处理单元包含在上述传感器装置内。

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