CN1946575A - 设有变形传感器的轮胎和轮胎的挠曲的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设有包括两个基本平行的电极(30)的电容传感器(12)的轮胎(10)，所述传感器(12)由轮胎的侧壁携带。传感器的电极(30)基本上位于垂直于轮胎的旋转轴线的平面内并且基本上沿正径向定向。本发明还涉及设有变形传感器的轮胎、用于测定轮胎的挠曲的方法以及变形传感器(12)。

Description

设有变形传感器的轮胎和轮胎的挠曲的测定方法

技术领域

本发明涉及设有电容传感器的轮胎、设有变形传感器的轮胎、变形传感器以及用于测定轮胎的挠曲的方法。

更确切地说，本发明涉及设有包括两个基本平行的电极的电容传感器的轮胎，所述电容传感器由轮胎的侧壁携带。

背景技术

“轮胎的挠曲”指负载下轮胎的竖直变形的幅度。挠曲的测量能够大致了解给定充气压力下轮胎上的负载。目前，轮胎上的负载为一重要的参数，因为超出最大推荐负载可能对轮胎的耐久性产生不利影响。在大轮胎、例如安装在重型车辆或建筑机械上的轮胎的情况下，为该轮胎所设计的最大负载通常用于指示加载极限。

在滚动期间，轮胎承受三个方向的作用力：

—在由车辆所施加的负载作用下的竖直或径向作用力，

—由施加到轮胎上的扭矩、例如由于车辆加速度所产生的沿滚动方向定向的水平作用力，也称作正径向剪切力，以及

—由使轮胎漂移、例如当车辆转弯时所产生的垂直于滚动方向的水平作用力，也称作轴向剪切力。

在轮胎的给定点处，正径向为垂直于轴线且垂直于穿过所述点的半径的方向。

从现有技术、特别是从文献WO 02/057711中可知，设有电容传感器的轮胎是已知的，该电容传感器包括两个径向布置在轮胎的侧壁上的基本平行的电极。这种传感器的电容值作为两个电极之间距离的函数变化。因此，通过将该传感器固定在轮胎的侧壁上，由该传感器提供的信号为轮胎的侧壁的变形的函数。

现有技术的传感器对轮胎所承受的上述三个作用力同样敏感。实际上，由于三个作用力中的每个作用力使得传感器所提供的信号的变化具有相同的量级。

因此，信号取决于每个作用力的基本贡献。于是，当前的方法能够确定轮胎的周向延伸量，为此该轮胎上的作用力及其挠曲的值可被经验地推出，特别是通过神经元网络推出。

这些方法给出了令人满意的结果，但是它们实施起来很复杂。因此，在仅需要测量轮胎的挠曲的应用中，已知方法是不适宜的。

还需要提及专利申请EP 1186853，其保护通过位于轮胎外部的传感器测量侧壁变形的配置。通过该配置可获得两个值：增强轮胎的侧壁的胎体帘线的径向分离以及传感器和侧壁之间的距离。在所述文献中没有提到测量挠曲的应用，并且在其目标中没有给出有关这些外部传感器的位置的确切限制。

发明内容

本发明的目的是通过提供带有电容传感器的轮胎克服这些缺陷，其能够以简单的方式测量轮胎的挠曲。

为此，本发明提供一种设有包括两个基本平行的电极的电容传感器的轮胎，该电容传感器由轮胎的侧壁携带，其特征在于，该传感器的电极基本上位于垂直于轮胎的旋转轴线的平面内且基本上沿正径向定向。

发明人已经发现，首先，由根据本发明的轮胎的电容传感器所提供的信号对由轮胎上的竖直力产生的侧壁变形比由轮胎上的水平力产生的侧壁变形更为敏感。发明人结合由轮胎上的竖直力产生的侧壁变形与其挠曲直接相关的事实得出以下结论，即，对于传感器的给定角位置来说，在由传感器提供的数值范围和由挠曲所采取的数值范围之间存在一一对应关系。

换句话说，根据本发明的轮胎直接地、即不需要计算地提供指示挠曲的信号。

根据本发明的设有电容传感器的轮胎还可以具有以下特征中的一项或多项：

—该传感器的电极为细丝电极；

—该电极为由导电橡胶制成的细丝，并且是柔性可弯曲和拉伸的，从而不会干涉轮胎的机械作用；

—该电极为带状电极；

—该电极为直线状的；

—该电极为基本上与轮胎的旋转轴线同心的圆弧；

—该两个电极嵌入到形成电介质的弹性体本体中，该传感器被构造为便于一个电极相对于另一个电极移动；

—该弹性体本体具有位于该两个电极之间的狭槽；

—该传感器设有连接至固定电位并被设计为限制电磁干扰的柔性导电封套；以及

—该导电封套包括嵌入到弹性体本体中的导电颗粒，这些导电颗粒例如为碳黑或金属颗粒。

在轮胎侧壁上分出三个区：与侧壁的径向最内侧部分相对应的底部区域，其中橡胶非常刚硬；最大弯曲区域，其在轮胎承受负载时承受最多的局部弯曲；以及中间区域。最大弯曲区域靠近轮胎赤道，即轮胎最宽的位置。

轮胎的侧壁的中间区域在轮胎承受负载时也弯曲。然而，本发明的发明人发现，由根据本发明的电容传感器所测量的区域的局部变形比在轮胎的侧壁的其他区域处测量的局部变形对水平作用力更不敏感。

因此，有利的是，将电容传感器定位在位于底部区域和最大弯曲区域之间的轮胎侧壁部分上。

本发明还提出一种设有变形传感器的轮胎，其特征在于，该传感器被布置为提供在包含轮胎的轴线的平面内的轮胎侧壁部分的局部弯曲的数值特性。

轮胎侧壁部分的局部弯曲指所述轮胎侧壁部分的曲率变化。与涉及轮胎及其所受到的作用力的总体测量的挠曲相对照，所述局部弯曲为取决于上述侧壁部分的局部测量。

局部弯曲的数值特性指由传感器在给定时刻提供的数值，其与所述轮胎侧壁部分的一个且仅有的一个曲率相对应。因此，在由传感器所提供的瞬时数值范围和所述轮胎侧壁部分采用的曲率范围之间存在一一对应关系。

现在，在所述轮胎侧壁部分采用的曲率范围和轮胎的挠曲采用的数值范围之间也存在一一对应关系。

因此，这两个一一对应关系的存在表明根据本发明的设有变形传感器的轮胎能够以简单且直接的方式获得轮胎的挠曲值。

由于其电极的几何尺寸和定位，位于如上限定的本发明的轮胎的侧壁上的电容传感器满足了布置为提供在包含轮胎的轴线的平面内的轮胎侧壁部分的局部弯曲的数值特性的传感器的定义。

根据本发明的设有变形传感器的轮胎还可以具有以下特征中的一项或多项：

—该传感器位于其传感器提供局部弯曲的数值特性的轮胎侧壁部分上；

—其传感器提供局部弯曲的数值特性的该轮胎侧壁部分位于底部区域和最大弯曲区域之间。

本发明还提出一种变形传感器，其包括两个嵌入到形成电介质的弹性体本体中的基本平行的电极，其特征在于，它被构造为便于一个电极相对于另一个电极移动，从而允许对弯曲具有更佳的灵敏度。

根据本发明的变形传感器还可以具有以下特征中的一项或多项：

—用于便于一个电极相对于另一个电极移动的结构由位于弹性体本体中的两个电极之间的狭槽构成；

—该变形传感器设有连接至固定电位并被设计为限制电磁干扰的柔性导电封套；以及

—该导电封套包括嵌入到弹性体本体中的导电颗粒，这些导电颗粒例如为碳黑或金属颗粒。

本发明还提出一种用于测定轮胎的挠曲的方法，其包括在包含轮胎轴线的平面内测量轮胎侧壁部分的局部弯曲的步骤。

根据本发明的用于测定轮胎的挠曲的方法还可以包括其局部弯曲被测量的所述轮胎侧壁部分位于底部区域和最大弯曲区域之间的特征。

根据特定实施例，根据本发明的用于测定轮胎的挠曲的方法包括测量轮胎的压力的步骤。压力的测量能够使测定挠曲时的精确性提高。

附图说明

在阅读下面描述的基础上可以更好地理解本发明，所述描述仅作为实例并且参照附图给出，其中：

—图1是设有变形传感器的轮胎的示意图；

—图2是空载轮胎的径向剖面示意图；

—图3是负载下轮胎的径向剖面示意图；

—图4是双细丝传感器的透视示意图；

—图5是设有双细丝传感器的轮胎的示意性剖视图；

—图6是设有双细丝传感器的负载下轮胎的示意性剖视图；

—图7是显示了在设有该传感器的轮胎的旋转期间由双细丝传感器提供的信号的曲线图；

—图8是根据另一个实施例的设有变形传感器的轮胎的示意性剖视图。

具体实施方式

图1中显示了由总标号10表示的橡胶轮胎，其设有能够测量挠曲(deflection)的装置。该轮胎为车辆轮胎，但是本发明可以应用于各种类型的轮胎。

轮胎在其正常使用期间将与路面接触的部分被称作胎面。轮胎的挠曲是在承受负载时其竖直变形的幅度。

该挠曲测量装置包括布置在轮胎侧壁上的变形传感器12、接收来自所述变形传感器12的信息的测量盒14、以及可将所述信息传送给连接至处理器装置20的接收器18的旋转收集器16，所述处理器装置20提供作为所接收到的数据的函数的挠曲测量值。

该处理器装置20例如为计算机。

变形传感器可以布置在侧壁上的任意位置处，其位于轮胎的内侧壁或者外侧壁上。

轮胎10的侧壁可以分成如图2和3中所示的三个区域。

被称作轮胎10的底部区域22的第一区域位于侧壁的最靠内部分处。通常由非常刚硬的橡胶构成的该底部区域包含胎圈钢丝24，所述胎圈钢丝的作用是确保轮胎的机械稳定性。

被称作最大弯曲区域26的第二区域大致位于轮胎的赤道处，即位于轮胎的最宽位置处。当轮胎承受负载时，它是轮胎10的侧壁弯曲最大的区域，如图3所示。

最后，存在被称作中间区域28的第三区域，其位于轮胎的侧壁的最大弯曲区域26和底部区域22之间。该中间区域28具有更柔韧并由此比轮胎10的侧壁的底部区域22承受更大变形的优点，但是不如侧壁的最大弯曲区域26对弯曲和加速度引起的作用力敏感。

因此，有利的是，将变形传感器12布置成用于测量在包含轮胎10的轴线的平面内的中间区域28的局部弯曲。

所使用的变形传感器(随后将对其进行描述)充分小，从而可完全装配在侧壁的中间区域内。

在给定瞬间与路面接触的轮胎的胎面区域被称作接触区。

当轮胎承受竖直载荷时，连接胎面的接触区至轮胎中心的侧壁弯曲。这通常称作“兔子腹部”。该兔子腹部区域为轮胎侧壁弯曲部分。该兔子腹部区域在大约60°的扇形区域上延伸。

当装有变形传感器的轮胎旋转时，位于轮胎的中间区域上的传感器基本上描绘出一竖直圆。特别是，该传感器穿过两个特征点：该圆形路径的顶点和最低点。

当传感器位于其路径的最低点时，即当其位于兔子腹部区域的中部时，弯曲最大。

沿该路径的其余部分，传感器所处的轮胎侧壁部分基本上静止。轮胎侧壁沿大约300°的扇形区域是静止的。

在轮胎旋转期间，轮胎侧壁的局部弯曲值在两个极值之间连续变化。所述值在传感器在进入兔子腹部区域和该区域中部之间移动时增加，并且在兔子腹部区域的中部及其从该区域露出之间移动时降低。

因此，在轮胎10旋转期间由变形传感器12提供的信号s(θ)为以360°为周期的周期信号。该信号表示为图7中轮胎的旋转角θ的函数。

在该周期信号中，特别关注的点是信号值s(θ₀)，其中θ₀为0-360°之间的恒定角，其例如为当传感器处于兔子腹部区域中部时的信号值。该值基本上对应于轮胎侧壁的最大局部弯曲。

如已经解释的那样，发明人发现最大局部弯曲值与轮胎的挠曲直接相关。因此，最大局部弯曲的测量能够获得挠曲值。为了提高挠曲的精确性，有利的是将轮胎的压力考虑进来。

这三个数据之间的关系可以利用神经元网络获得，或者简单地通过根据经验填写的数值表获得。

在正常使用条件下，轮胎不会在完全平坦的路面上滚动，并且最大局部弯曲不总是在传感器位于接触区的中部时获得。因此，该结果可以利用若干旋转角的局部弯曲测量取平均值获得，或者可以使用在一周期内的周期信号的积分值。

所使用的变形传感器12为包括两个平行细丝电极的电容传感器。这被称作双细丝传感器。所述双细丝传感器包括两个嵌入到形成电介质的弹性体本体32中的平行、柔韧的导电细丝30。该传感器起到电容器的作用，其电容作为两个细丝30的分离度的函数变化。当传感器12承受变形时，两个细丝之间的分离度改变，因此，其提供的信号也随之改变。

该导电细丝是柔性可弯曲的，从而不会干涉轮胎的机械作用，并且不会对其耐久性产生任何不利影响。

该双细丝传感器通过屏蔽导线连接到测量盒14，从而使得导线之间的距离变化不会改变由测量盒14所测得的传感器的电容值。

为了提高双细丝传感器对变形的灵敏度，它包括位于两个彼此平行的细丝30之间的弹性体本体中的狭槽34。该狭槽便于一个细丝相对于另一个细丝移动。

传感器12用于测量在包含轮胎10的轴线的平面内的轮胎10的侧壁的局部弯曲。因此，轮胎的传感器12被布置为以这样的方式从轮胎10突出，以使得传感器的细丝30基本上位于垂直于轮胎的轴线的平面内并且基本上沿正径向定向。

因此，当其上定位有传感器12的轮胎侧壁部分静止时，如图5所示，该双细丝传感器也静止并且两个细丝30相隔一定距离。当其上定位有传感器的轮胎侧壁部分承受负载时，如图6所示，其变形使双细丝传感器12的两个细丝更为靠近。然后可以发现，位于双细丝传感器12的弹性体本体32中的狭槽34更窄。

因此，在轮胎10旋转期间，双细丝传感器12在弯曲位置和静止位置之间周期性地改变。

此外，该变形传感器还可以设有连接至固定电位的柔性导电封套36，以便减弱电磁干扰。特别是，导电颗粒可以嵌入到轮胎橡胶中，以形成该导电封套。这些颗粒例如可以为碳黑或金属颗粒。

根据图8所示的变型，双细丝传感器12被布置为以这样的方式从轮胎10的侧壁突出，以使得该传感器的细丝30基本上位于包含轮胎的轴线的平面内并且基本上沿径向定向。为了使双细丝传感器仅对包含轮胎的轴线的平面内的轮胎侧壁弯曲敏感，细丝必须突出是必不可少的。因此，当轮胎侧壁弯曲时，传感器被拉伸并且两个细丝移动得更为靠近。因为传感器从轮胎突出，轮胎橡胶中的剪切力对两个细丝之间的距离没有影响，并且因此传感器主要对弯曲敏感。

当然，例如由于制造公差产生的双细丝传感器的细丝的任何微小形状及定向偏差都是可以接受的。

最后需要指出的是，本发明不局限于上述实施例。

实际上，传感器可以与轮胎所携带的电子电路相关联，所述电子电路可以执行机载处理。通过该电子电路，传感器可以自动运行，从而使得不再需要具有旋转收集器、接收盒和处理器装置。该电子电路包括例如用于存储测量值的装置和用于将所存储的测量值传送给车辆的计算机的装置。

Claims (17)

1.一种设有包括两个基本平行的电极(30)的电容传感器(12)的轮胎(10)，该电容传感器位于该轮胎的侧壁上，其特征在于，该传感器的电极(30)基本上位于垂直于该轮胎的旋转轴线的平面内且基本上沿正径向定向。

2.根据权利要求1所述的轮胎(10)，其特征在于，该传感器的电极为细丝电极。

3.根据权利要求2所述的轮胎(10)，其特征在于，该电极为由导电橡胶制成的细丝。

4.根据权利要求1所述的轮胎(10)，其特征在于，该电极为带状电极。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的轮胎(10)，其特征在于，该电极为直线状的。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的轮胎(10)，其特征在于，该电极为基本上与该轮胎的旋转轴线同心的圆弧。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的轮胎(10)，其特征在于，该两个电极被嵌入到一弹性体本体中，该弹性体本体被构造为便于一个电极相对于另一个电极移动。

8.根据权利要求7所述的轮胎(10)，其特征在于，该弹性体本体包括位于该两个电极之间的狭槽。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的轮胎(10)，其特征在于，该传感器设有连接至固定电位并被设计为限制电磁干扰的柔性导电封套。

10.根据权利要求9所述的轮胎(10)，其特征在于，该导电封套包括嵌入到该弹性体本体中的导电颗粒，这些导电颗粒例如为碳黑或金属颗粒。

11.根据权利要求1-10中任意一项所述的轮胎(10)，其特征在于，该传感器(12)位于在底部区域(22)和最大弯曲区域(26)之间的轮胎侧壁部分上。

12.一种变形传感器(12)，其包括两个嵌入到形成电介质的弹性体本体中的基本平行的电极(30)，其特征在于，该变形传感器被构造为便于一个电极相对于另一个电极移动，而且设有连接至固定电位并被设计为限制电磁干扰的柔性导电封套(36)。

13.根据权利要求12所述的变形传感器(12)，其特征在于，该导电封套(36)包括嵌入到该弹性体本体中的导电颗粒，这些导电颗粒例如为碳黑或金属颗粒。

14.根据权利要求12所述的变形传感器(12)，其特征在于，该弹性体本体具有位于该两个电极之间的狭槽。

15.一种用于测定轮胎(10)的挠曲的方法，其特征在于，对包含该轮胎的轴线的平面内的该轮胎的侧壁部分(28)的局部弯曲进行测量。

16.根据权利要求15所述的用于测定轮胎(10)的挠曲的方法，其特征在于，其局部弯曲被测量的该轮胎的侧壁部分(28)位于底部区域(22)和最大弯曲区域(26)之间。

17.根据权利要求15或16所述的用于测定轮胎(10)的挠曲的方法，其特征在于，还对该轮胎的压力进行测量。

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