Zpûsob bezkontaktniho mëfeni deformace dezénu pneumatik a zarizeni k provâdëni tohoto zpûsobu

Oblast techniky

Vynâlez se tÿkâ speciâlni mefici techniky pro gumârenskÿ prûmysl. Navrzené zarizeni umoznuje bezkontaktnë merit deformace dezénu pneumatik ve statickém i dynamickém rezimu a tim poskytuje cennâ data pro posouzeni a modifikaci jeji konstrukce. Tato diagnostika je bezkontaktni a je provâdëna v on-line rezimu.

Dosavadni stay techniky

Z hlediska soucasnÿch vyrobcû pneumatik je interakce mezi pneumatikou a vozovkou rozhodujici pro urceni dynamického chovani silnicniho vozidla. Tedy kontaktni sily povrchu vozovky a pneumatik jsou klicovÿmi promënnÿmi v konstrukci systémû fizeni trakce, brzdeni a stability vozidel. Tradicnë jsou kontaktni sily povrchu vozovky a pneumatik nepfimo odhadovâny z mefeni dynamiky vozidla (zrychleni podvozku, rychlosti vyboceni, vychyleni zaveseni atd.).

Vznik koncepce tzv. „inteligentni pneumatiky“ (pneumatika se zabudovanymi senzory a schopnosti digitalniho zpracovâni dat) v zâsadë umoznuje pfesnejsi odhad kontaktnich sil mezi vozidlem a povrchem vozovky. Vzhledem k tomu, ze tato technologie neni jestë v soucasné dobë pine rozvinutâ, a tedy i bëznâ, je jeji hlavni problém vÿbër vhodnÿch senzorû pro odhad kontaktni sily mezi vozidlem a povrchem vozovky.

Metody diagnostiky kontaktu pneumatiky s povrchem vozovky jsou v soucasnosti vpfevâzné mire zalozeny na pouziti kontaktnich senzorû. Pouziti optickÿch bezkontaktnich metod je mâlo frekventované nebo je systém jejich aplikace pfilis komplikovany.

Znepatentové literatury je znâm clânek Savaresi, S., M a koi.: Design and testing of an innovative measurement device for tyre-road contact forces, IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY Volume: 16 Issue: 4 (2008) Pages: 769-780, ve kterém je pouzit kodér koi a akcelerometr umistënÿ primo v pneumatice. Mëfeni zrychleni je pak pfenâseno bezdrâtovÿm kanalem. Klicovym inovativnim konceptem tohoto reseni je vyuziti fâzového posunu mezi kodérem kola a impulznimi signâly poskytovanymi senzory

Dalsi clânek z této oblasti pfedstavuje clânek kolektivu Cheli, F a koi.: Design and testing of an innovative measurement device for tyre-road contact forces, MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING Volume: 25 Issue: 6 (2011) Pages: 1956, kdy pracovni princip zarizeni na mefeni kontaktu pneumatika-povrch vozovky je zalozen na mëfeni tri deformaci râfku kola pomoci tenzometrû.

Pozomost této problematice je vénovâna i v clânku autorû Erdogan, G a kol.: Estimation of TireRoad Friction Coefficient Using a Novel Wireless Piezoelectric Tire Sensor, IEEE SENSORS JOURNAL Volume: 11 Issue: 2 (2011) Pages: 267-279, kde se autofi zabÿvaji snimânim kontaktu pneumatika-povrch vozovky pomoci bezdrâtového piezoelektrického senzorû.

Problematika je rovnëz popisovâna prostfednictvim clânku Yi, J.,G. a kol.: A smart tire system fortire/road friction estimation, PROCEEDINGS OF THE ASME DYNAMIC SYSTEMS AND CONTROL CONFERENCE 2008, PTS A AND B (2009) Pages: 847-854, kde je popsân vÿvoj systému snimâni deformace pneumatik, kterÿ mûze poskytnout dûlezité informace pro odhad interakce pneumatika /povrch vozovky se zamefenim na mobilni roboty a vozidla. Senzor na bâzi

- 1 CZ 310096 B6 polyvinyldifluoridu (PVDF) je navrzen a vyroben tak, aby zapadal na vnitfni povrch bëhounu a je urcen pro mëfeni deformace pryzového bëhounu.

V râmci studie Matsuzaki, R. a koi.: Rubber-based strain sensor fabricated using photolithography for intelligent tires SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL Volume: 148 Issue: 1 (2008) Pages (9-13), kde je navrzen novÿ typ senzoru na bâzi kaucuku, kterÿ je vyroben pomoci fotolitografie. Gurnova zâkladna ma stejné mechanické vlastnosti jako povrch pneumatiky: senzor tedy neinterferuje s deformaci pneumatiky a mùze pfesnë monitorovat jeji chovani. Tato studie tedy podrobnë popisuje konstrukci a vÿrobu pryzového senzoru.

Vÿrobci automobilù mohou posoudit strukturu pneumatiky poslouchanim syntetizovaného zvuku, kterÿ by pneumatika vyzafovala, kdyz by se valila na urcitém typu povrchu vozovky, jak je uvedeno ve studii Ishihama, M. a koi.: Tire sound quality evaluation tool using sound synthesis with physical modeling, PROCEEDINGS OF THE ASME INTERNATIONAL MECHANICLA ENGINEERING CONGRESS AND EXPOSITION, VOL 3: DESIGN AND MANUFACTURING (2007) Pages 527-533

Nize uvedenâ studie navrhuje a experimentâlnë zkoumâ novÿ bezdrâtovÿ systém mëfeni napëti vyuzivajici zmënu elektrické kapacity pneumatik vyztuzenÿch ocelovÿm drâtem. V pneumatice je zabudovân malÿ oscilacni obvod CR. Deformace pneumatiky tedy zpùsobuje zmënu kapacity pneumatiky, kterâ zahrnuje ocelovÿ drât a pryz. Tyto zmëny kapacity zase mëni kmitajici kmitoëet oscilaëniho obvodu jsou popsâny v ëlânku Matsuzaki, R.,a koi: .: Wireless strain monitoring of tires using electrical capacitance changes with an oscillating circuit, SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL Volume: 119 Issue: 2 (2005) Pages: 323-331.

V ëlânku autorù Moon, K.,S a koi.: Tire tread deformation sensor and energy harvester development for Smart Tire applications, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2007, Pts 1 and 2 Book Series: PROCEEDINGS OF THE SOCIETY OF PHOTO-OPTICAL INSTRUMENTATION ENGINEERS (SPIE) Volume: 6529 (2007) Pages: U204-U215 je pfedstaven vÿvoj senzoru deformace bëhounu pneumatiky a kombajnu energie pro monitorovâni a kontrolu pneumatik v reâlném ëase. Mikrosenzor na bâzi polyvinyldifluoridu (PVDF) je navrzen a vyroben tak, aby zapadl dovnitf bëhounu pneumatiky a zmëfil deformaci bëhounu.

Vÿsledky testù vozidel a laboratomich experimentû umoznuji detailni pohled na zâkladni tfeci procesy pri brzdëni na suchÿch vozovkâch. Vysoké smykové sily, které se vyskytuji v situaci nouzového brzdëni, vytvâfeji typickÿ obrazec deformace pryzovÿch blokù v potisku pneumatiky, kterÿ vede k vÿraznÿm geometrickÿm zmënâm kontaktni oblasti ve srovnâni s potiskem za podminek volného vâlcovâni ëimz se zabÿvâ ëlânek autorù Kendziorra, N. a koi: On the dynamics oftire/road contact and the relevance for controlled braking, TIRE - CHASSISROADS Book Series: VDI BERICHTE Volume: 1791 (2003) Pages: 71.

Akustickâ mëfeni uvedenâ v dokumentu Donavan, P a kol.: Tire Noise Generation and Propagation over Porous and Nonporous Asphalt Pavements, TRANSPORTATION RESEARCH RECORD Issue: 2233 (2011) Pages: 135 byla provedena na nëkolika asfaltovÿch zkusebnich drahâch v testovaci stopë National Center for Asphalt Technology (NCAT). Vÿsledky mëfeni také ukâzaly, ze jednovrstvé porézni vozovky byly zvlâstë ùëinné pfi snizovâni sily zdroje hluku vozovky pro kmitoëty nad 1250 Hz pro nâvrhy o tloust’ce 18 az 33 mm. Pro silnëjsi dvouvrstvou porézni dlazbu se redukce sily zdroje prodlouzila az na 630 Hz. Bylo také zjistëno, ze porézni vozovky jsou ùëinné pfi snizovâni sily zdroje interakce vozovky s pneumatikami snizovânim nëkterÿch mechanismù hluku pneumatik a snizovânim hladiny akustického vÿkonu zdroje prostfednictvim mistni absorpce zvuku.

Pfispëvek autorù Kindt, P., a kol: Measurement and analysis of rolling tire vibrations, OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING Volume: 47 Issue: 3-4 Special Issue: SI (2009) Pages: 443

-2CZ 310096 B6

453, se zabÿvâ mëfenim a analÿzou vibraci pneumatik v dûsledku excitaci nârazu povrchu vozovky, jako jsou napfiklad dlâzdëné silnice, kfizovatky mezi betonovymi povrchy vozovek, zelezniëni pfejezdy. Vibrace povrchu pneumatiky v dûsledku buzeni vozovky zpûsobuji hlukové zâfeni ve frekvenënim pâsmu obvykle pod 500 Hz. Mëfeni vibraci pneumatik laserovÿm dopplerovskÿm vibrometrem je provâdëno online.

Clânek autorû Horvath, P a koi.: Measurement of deformation by means of correlation of speckle fields, EXPERIMENTAL MECHANICS Volume: 46 Issue: 6(2006) Pages: 713-723, pak obsahuje popis bezkontaktniho mëfeni deformace objektu pomoci korelace speckle poli. Tato optickâ metoda pouzivâ statistické vlastnosti vzorû skvm pro detekci slozek malého deformaëniho tenzoru elementami oblasti povrchu zkoumaného objektu.

Z patentové literatury je pak znâmo feseni pûvodnë evropského patentu, kterÿ je validovân pro CR jako PV 2007-18961 s nâzvem Zafizeni a zpûsob k detekci tvaru pneumatiky tÿkajici se mëfeni profilu pneumatik, mëfi jejich vnëjsi profil a neumoznuje mëfeni deformace pneumatiky vznikajici stykem pneumatiky s vozovkou. Toto feseni tedy umoznuje mëfit rozmëry rotujici pneumatiky ve tfech smërech ale bez kontaktu se skuteënou vozovkou.

Dalsim fesenim obsazenÿm v patentové literatufe je IP 2007010405A Method and device for measuring of dynamic landing shape of tire , zde je monitor pneumatik umistën v podbëhu kola a nakonfigurovân tak, aby promital paprsek (paprsky laseru) na pneumatiku, mëfil odraz paprsku (paprskû). Procesory jsou nakonfigurované tak, aby na zâkladë odrazû vytvofily dvourozmëmÿ (2D) profil pneumatiky, porovnaly hloubky vytvofeného profilu s hloubkami pfedpjatého profilu a na zâkladë srovnâni posoudily opotfebeni pneumatiky. Procesory jsou nastaveny tak, aby urcovaly jizdni vÿsku vozidla na zâkladë odrazû. Procesory jsou rovnëz nastaveny tak, aby mohly srovnat shodu s pfednastavenÿm profilem pfed provedenim srovnâni a dâle umi urcit shodu porovnânim sifky (sifek) zabudovaného profilu se sifkou (sifkami) pfedpjatého profilû. lednâ se o laboratomi zafizeni, které obsahuje zafizeni pro emitovâni paprskû na dezén pneumatiky, disponuje databâzi pfednastavenÿch vzorû pneumatik. Zafizeni neni urëeno pro mëfeni zmën dezénu pneumatik pfi kontaktu s vozovkou.

Vÿse uvedenâ zafizeni a metody spadaji svou oblasti do interferenënich metod, jednâ se o laboratomi zafizeni a tato zafizeni vyzaduji vëtsinou aplikaci dotykovÿch senzorù, coz mûze bÿt z hlediska praktického vyuziti urëitou nevÿhodou. Mëfeni je obvykle provâdëno prostfednictvim sklenëné desky, na kterou je umistëna pneumatika, kterâ je postupnë zatëzovâna. Nevÿhodou takovéhoto typu mëfeni je, ze se jednâ pouze o simulaci, nikoliv o reâlnâ mëfeni. Dalsi nevÿhodou je pouzitÿ materiâl podlozky, kterÿm v tëchto pfipadech bÿvâ sklo, a to mâ zcela jiné vlastnosti nez reâlnÿ povrch vozovky.

Podstata vynâlezu

Nize popsanÿ vynâlez lze rozdëlit do dvou ëâsti - prvni - pfedstavujici zpûsob mëfeni a vyhodnoceni, kterÿ se zabÿvâ mëfenim deformace pneumatiky zevnitf a druhé, coz je zafizeni, jehoz souëâsti jsou ëârovÿ laser, snimaci kamera snimajici ëârovou stopu laseru a dva snimaëe, které stanovuji ûhlové natoëeni a rychlost otâëeni kompletniho kola. Stopa ëârového laseru je vlnoplochou, tedy plochou konstantni fâze kopirujici zevnitf deformaci dezénu, kterÿ je v kontaktu s podlozkou, v nasem pfipadë, vozovkou. Zafizeni je schopné pfenâset namëfenâ data do vyhodnocovaciho zafizeni bezdrâtovë a nâslednë na jejich zâkladë vyhodnotit reâlnou deformaci dezénu. Zafizeni nevyzaduje pfitomnost kontaktnich senzorù umistënÿch pfimo na plâsti pneumatiky a mëfi s pfesnosti na desetiny milimetru.

Zafizeni sestâvâ z fidici jednotky, kterâ je bezdrâtovë propojena se snimaci kamerou a s ëârovÿm laserem a zâroven synchronizuje expozici kazdého snimku, zapinâni laseru a fidi pfenos namëfenÿch dat ze snimaci kamery. Bezdrâtovë propojeni je realizovâno technologiemi jako je

-3 CZ 310096 B6 napfiklad Wi-fi, Bluetooth, GSM apod. Ridici jednotka je vybavena baterii. K ridici jednotce jsou dale napojeny snimac polohy a snimac otâcek, pricemz ridici jednotka tyto snimace soucasnë napaji. Oba snimace jsou umisteny na naprave vozidla, na vnejsi strane kola. Snimaci kamera je dale bezdrâtovë propojena se zaznamovou a vyhodnocovaci jednotkou. Snimaci kamera a cârovÿ laser jsou pak napâjeny prostfednictvim extern! baterie. Snimaci kamera a cârovÿ laser jsou rozebiratelnë, avsak pevnë pfichyceny z vnitfni strany k disku pneumatiky a to tak, aby emitovanÿ paprsek ëârového laseru byl kolmo k vnitfnimu povrchu pneumatiky a zâroven tak, aby snimaci kamera mohla zaznamenat prostfednictvim svého snimaciho ùhlu jeho svëtelnou stopu. Snimaci kamera je vybavena pamet’ovou kartou, USB konektorem a vysilacem pro bezdrâtové pfipojeni z vÿse uvedené skupiny napf. Wi-fi.

Zpûsob mëfeni deformace dezénu pneumatiky, tedy spoëivâ v tom, ze snimaci kamera svou optikou snimâ svëtelnou stopu, kterou na vnitfnim povrchu pneumatiky zanechâvâ cârovÿ laser.

Laserovÿ paprsek je promitân v kolmé rovinë k pneumatice, pfiëemz tato rovina prochâzi stfedem otâëeni pneumatiky, a to vëetnë jejiho râfku.

Snimaci kamera je tedy umistëna v mistë posunutém o takovÿ ùhel tak, aby byl snimân celÿ laserovÿ paprsek promitanÿ ëârovÿm laserem na vnitfni povrch pneumatiky. Expozice snimaci kamery je fizena prostfednictvim fidici jednotky, kterou pfedstavuje mikrokontroler umistënÿ vnë pneumatiky, na vnëjsi strana kola).

Pfi kalibraci snimaci kamery, v zâvislosti na konkrétnich podminkâch mëfeni, tedy na pouzité optice kamery, rozmëru râfku a pneumatiky, které urëuji mista pro montâz laseru a kamery, je dosazeno jednoznaëného pfevodu jednotlivÿch obrazovÿch bodû snimace kamery, kterÿ je jeji pfirozenou soucâsti, na soufadnice v prostoru roviny vyzafovaného laserového paprsku.

Pozice kola je vyhodnocovâna obëma snimaci, a to snimaëem polohy a snimaëem otâcek. Mezi vyslânim povelu k expozici a vlastni expozici existuje ëasovÿ interval (zpozdëni), kterÿ je dân pouzitÿm softwarevÿm a hardwarevÿm vybavenim kamery. Z namëfené rychlosti otâceni kola mëfené snimacem otâcek a z ëasového intervalu, kdy se pneumatika nachâzela v mëfici pozici (pozice pro spustëni laseru, viz obr. 2) je zjistën cas zaëâtku expozice snimaci kamery (pozice pro spustëni kamery viz obr. 2). Tedy v dobë, kdy je pneumatika natoëena do ideâlni pozice pro mëfeni, probihâ jiz zâznam obrazù. Vnitfni prostor pneumatiky je v této fâzi mëfeni zcela bez osvëtleni nâsledkem ëehoz ëip snimaci kamery nezaznamenâvâ zâdnÿ obraz. V okamziku, kdy snimaë polohy vyhodnoti, ze poloha pneumatiky pro snimâni je ideâlni, tj. poloha, kdy je pneumatika natoëena tak, aby emitor laserového paprsku smëfoval kolmo k vozovce (pozice pro spustëni laseru viz obr. 2), je na pfesnë definovanou dobu, kterâ je odvislâ od citlivosti snimaëe kamery, spustën emitor ëârového laseru, jehoz laserovÿ paprsek promitne na vnitfni stënu pneumatiky svëtelnou stopu. V tomto okamziku, je tedy emitor paprsku ëârového laseru vkolmici k vozovce a na pneumatice dochâzi k projevùm deformace spojené sjejim odvalovânim po povrchu, tedy vozovce. Nâslednë jsou nasnimané kfivky softwarovë vyhodnoceny a prostfednictvim ëasovÿch znaëek jsou jednoznaënë ztotoznëny s polohou pneumatiky, jak je znâzomëno na obr. 4.

Snimaci kameru s jeji optikou a ëârovÿ laser Ize také zapouzdfit do jednoho celku, coz velmi vhodné pro manipulaci zejména u pneumatik mensich rozmërû.

Vÿhodou vynâlezu je, ze nevyzaduje aplikaci dotykovÿch senzorû, je tedy bezkontaktni, plnë automatické amâ relativnë vysokou pfesnost (rozliseni 1 mm ±0,2 mm). Rovnëz je vÿhodné, ze zanzeni je mozné aplikovat na sirokou skâlu typû pneumatiky napfiklad zâvodni motocykly, motocyklové trojkolky, zâvodni automobily, bëzné automobily az po nâkladni vozidla.

-4CZ 310096 B6

Objasneni vÿkresù

Na obr. 1 se nachazi schéma zarizeni. Na obr. 2 je schematicky zobrazen zpùsob mereni s jednotlivÿmi pozicemi. Obr. 3 pak predstavuje laserovou stopu na vnitrni strane pneumatiky a obr. 4 pak graf vyhodnoceni mereni.

Priklady uskutecneni vynalezu

Priklad 1

Zarizeni sestâvâ z ridici jednotky 1, ktera je bezdratove propojena se snimaci kamerou 3 a s carovÿm laserem 2 a zaroven synchronizuje expozici kazdého snimku snimaci kamery 3, spousti carovÿ laser 2 a ridi prenos namerenÿch dat ze snimaci kamery 3. Bezdratové propojeni je realizovano prostrednictvim Wi-fi. Ridici jednotka 1 je vybavena baterii. K ridici jednotce 1 jsou dale napojeny snimac 4 polohy a snimac 5 otacek, pricemz ridici jednotka 1 tyto snimace 4,5 soucasne napaji. Oba snimace 4, 5 jsou umisteny na naprave osobniho vozidla, na vnejsi strane kola. Snimaci kamera 3 je dale bezdratove propojena se zaznamovou a vyhodnocovaci jednotkou 6. Snimaci kamera 3 a carovÿ laser 2 jsou napajeny prostrednictvim externi baterie. Snimaci kamera 3 a carovÿ laser 2 jsou rozebiratelne, avsak pevne prichyceny z vnitrni strany k disku pneumatiky prostrednictvim drzackù a paskù a to tak, aby emitovanÿ laserovÿ paprsek 10 carového laseru 2 byl kolmo k vnitrnimu povrchu pneumatiky a zaroven tak, aby snimaci kamera 3 mohla zaznamenat prostrednictvim svého snimaciho ùhlu jeho svetelnou stopu na vnitrnim povrchu pneumatiky. Laserovÿ paprsek 10 je tak promitan v kolmé rovine k pneumatice, pricemz tato rovina prochazi stredem otaceni pneumatiky, a to vcetne jejiho rafku. Snimaci kamera 3 je vybavena pamet’ovou kartou, USB konektorem a vysilacem pro bezdratové pripojeni Wi-fi.

Snimaci kamera 3 je tak umistena v miste posunutém o ùhel, kterÿ umoznuje snimani celé stopy laserového paprsku 10 promitaného carovÿm laserem 2 na vnitrni povrch pneumatiky. Expozice snimaci kamery 3 je rizena prostrednictvim ridici jednotky 1.

Pred samotnÿm merenim je snimaci kamera 3 kalibrovana. Pri kalibraci snimaci kamery 3, v zavislosti na konkrétnich podminkach mereni, je dosazeno jednoznacného prevodu jednotlivÿch obrazovÿch bodù snimace snimaci kamery 3 na souradnice v prostoru roviny vyzarovaného laserového paprsku 10.

Pozice kola je vyhodnocovana obema snimaci a to snimacem 4 polohy a snimacem 5 otacek. Z namerené rychlosti otaceni kola merené snimacem otacek 4 a z casového intervalu, kdy se pneumatika nachazi v merici pozici, kterou predstavuje pozice 8 pro spusteni carového laseru 2 je zjisten cas pocatku expozice snimaci kamery 3. Tedy v dobe, kdy je pneumatika natocena do idealni pozice pro mereni, probiha jiz zaznam obrazu, kterÿ byl spusten v pozici 9 pro spusteni snimaci kamery 3. Vnitrni prostor pneumatiky je v této fazi mereni zcela bez osvetleni nasledkem cehoz cip snimaci kamery nezaznamenâvâ zadnÿ obraz.

V okamziku, kdy snimac polohy 4 vyhodnoti polohu pneumatiky pro snimani jako idealni tj. poloha, kdy je pneumatika natocena tak, aby emitor laserového paprsku 10 smeroval kolmo k vozovce 11, je na dobu, ktera je odvisla od citlivosti snimace snimaci kamery 3, spusten emitor carového laseru 2 a jeho laserovÿ paprsek 10 promita na vnitrni stenu pneumatiky svetelnou stopu, pricemz na pneumatice dochazi k projevùm deformace spojené s jejim odvalovanim po povrchu, tedy vozovce 11. Nasledne jsou nasnimané svetelné stopy laserového paprsku 10 v podobe krivky softwarove vyhodnoceny a prostrednictvim casovÿch znacek jsou jednoznacne ztotozneny s polohou pneumatiky, jak je znazorneno na obr. 4.

- 5 CZ 310096 B6

Priklad 2

Priklad 2 se od prikladu 1 odlisuje tim, ze je zarizeni pouzito pro mereni na pneumatikach nakladniho vozidla. V tomto pripade je bezdrâtovÿ prenos prostrednictvim Bluetooth technologie.

Priklad 3

Pnklad 3 se od prikladu 1 odlisuje tim, ze carovÿ laser 2, snimaci kamera 3 a jeji optika 12 jsou zapouzdreny do plastového pouzdra. Mereni je provedeno na pneumatikach zavodniho motocyklu.

Priklad 4

Priklad 4 se od prikladu 2 odlisuje tim, ze carovÿ laser 2, snimaci kamera 3 a jeji optika 12 jsou zapouzdreny do plastového pouzdra, které je nasledne aplikovano na pneumatiky zavodniho automobilu typu Formule 1.

Prûmyslova vyuzitelnost

Zarizeni je urceno pro specializovana mereni pro vÿrobce pneumatik (gumarenskÿ prûmysl) a umoznuje tak posuzovat a nasledne modifikovat konstrukce pneumatik.