ES2222776A1 - System for measuring distribution of normal pressure and geometry of contact in tire contacting with taxiway, has lamina fitted between tire and crystal plate, and electrical motor guiding linear tread to frame fluorescent support - Google Patents
System for measuring distribution of normal pressure and geometry of contact in tire contacting with taxiway, has lamina fitted between tire and crystal plate, and electrical motor guiding linear tread to frame fluorescent supportInfo
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Abstract
Description
Sistema medidor de la distribución de presiones normales y de la geometría del contacto en la huella de contacto de neumáticos con su pista de rodadura.Pressure distribution measuring system normal and contact geometry in the contact footprint of tires with their raceway.
La presente invención se refiere a un sistema medidor de la distribución de presiones normales y de la geometría del contacto en la huella de neumáticos con su pista de rodadura.The present invention relates to a system gauge of normal pressure distribution and geometry of the contact on the tire track with its track rolling
El sistema permite la obtención de la distribución de presiones normales y de la geometría del contacto en la huella de un neumático con su pista de rodadura bajo diferentes niveles de carga, distintos ángulos de caída y diferentes presiones de inflado del neumático El sistema permite adquirir imágenes de la huella del contacto mediante una cámara de vídeo. El procesado de cada imagen mediante un software de diseño propio permite determinar la presión en el contacto representativa de cada uno de los pixels de la imagen. Parte fundamental es la adecuada calibración del sistema, necesaria para establecer la relación entre el nivel de gris de la imagen y la presión actuante.The system allows obtaining the distribution of normal pressures and contact geometry on the track of a tire with its raceway under different load levels, different angles of fall and different tire inflation pressures The system allows to acquire Contact fingerprint images using a video camera. He processing of each image through its own design software allows to determine the pressure in the representative contact of each One of the pixels of the image. Fundamental part is adequate system calibration, necessary to establish the relationship between the gray level of the image and the acting pressure.
Existe un interés creciente en los campos del diseño de neumáticos y la dinámica de vehículos por obtener datos precisos de las huellas de los distintos neumáticos con su pista de rodadura y las correspondientes distribuciones de presión de contacto en diversas condiciones de maniobra. Estos datos sirven para la determinación de la vida en servicio de un neumático y para comprobar la bondad de ajuste de las simplificaciones utilizadas en los distintos modelos matemáticos al uso y, en su caso, buscar otros modelos que conduzcan a una mejor aproximación.There is a growing interest in the fields of tire design and vehicle dynamics for obtaining data precise of the tracks of the different tires with its track of rolling and the corresponding pressure distributions of contact in various maneuver conditions. These data serve for the determination of the service life of a tire and for check the goodness of fit of the simplifications used in the different mathematical models to use and, where appropriate, search other models that lead to a better approach.
Las técnicas más empleadas en este sentido están basadas en dos tecnologías claramente diferenciadas:The most commonly used techniques in this regard are based on two clearly differentiated technologies:
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- Sistemas basados en un vástago instrumentalizado con galgas de presión piezorresistivas o piezoeléctricas.Systems based on an instrumentalized stem with piezoresistive pressure gauges or piezoelectric.
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- Sensores basados en fenómenos ópticos.Sensors based on optical phenomena
Existe gran cantidad de estudios basados en el primero de los puntos anteriores. En todos ellos se obtiene el valor de la presión en un reducido número de puntos discretos de la zona de contacto, extrapolando en algunos casos para obtener un mapa aproximado de presiones. Para ello se utilizan galgas de presión que permiten obtener la presión normal en puntos discretos de la huella mediante un barrido de la misma. También se han utilizado sensores triaxiales con los que se obtienen, además de las presiones normales, las tangenciales y longitudinales, igualmente en puntos discretos.There are many studies based on the First of the previous points. In all of them you get the pressure value in a small number of discrete points of the contact area, extrapolating in some cases to obtain a map Approximate pressures. Pressure gauges are used for this that allow to obtain the normal pressure in discrete points of the footprint by sweeping it. Have also been used triaxial sensors with which they are obtained, in addition to the pressures normal, tangential and longitudinal, also in points discreet
Las limitaciones de este tipo de tecnología se refieren en primer lugar al alto coste de los sensores, unido al hecho de que para obtener un mapa representativo se necesitan un gran número de sensores. En segundo lugar, sólo se obtienen las presiones en puntos discretos de la huella, siendo necesario recurrir a métodos matemáticos para estimar que sucede entre los puntos de medición. Por ello su aplicación se encuentre limitada a neumáticos de dibujo muy simplificado y mediciones con un número reducido de puntos de la huella.The limitations of this type of technology are They refer firstly to the high cost of the sensors, together with the fact that to obtain a representative map you need a large number of sensors Second, only the pressures at discrete points of the footprint, being necessary resort to mathematical methods to estimate what happens between Measuring points. Therefore, its application is limited to Very simplified drawing tires and measurements with a number reduced points of the footprint.
El método desarrollado en la presente invención se encuadraría dentro de la segunda tecnología explicada anteriormente, es decir la de los sensores basados en fenómenos ópticos, utilizando como principio físico el fenómeno de la frustración de la reflexión interna total de la luz. Mediante esta invención se resuelve la falta de continuidad en la medición de presiones en la huella de contacto del neumático. Se consigue una alta resolución y, gracias al método de adquisición de las imágenes y la calibración, que cada pixel de una imagen represente el nivel de presión normal en ese punto con una gran precisión.The method developed in the present invention would be framed within the second technology explained Previously, that is to say the phenomenon-based sensors opticians, using the phenomenon of Frustration of the total internal reflection of light. Through this invention resolves the lack of continuity in the measurement of pressures on the tire's footprint. You get one high resolution and, thanks to the image acquisition method and calibration, that each pixel of an image represents the level of normal pressure at that point with great precision.
En el proceso de creación de la invención se ha desarrollado la instrumentación y la metodología de ensayo para la medida de la distribución de presiones normales y de la geometría de contacto en la huella rueda-suelo. Para ello se ha construido un banco de ensayos basado en el fenómeno óptico de refracción interna total frustrada. Se ha seleccionado el material de entrefase más adecuado para la realización de los ensayos sobre el banco, atendiendo fundamentalmente a consideraciones ópticas y mecánicas. Por último se ha desarrollado el controlador del banco y el sistema informático necesario para la obtención rápida y automática de ese mapa de presiones, permitiendo operaciones de registro, análisis, visualización y manipulación de los datos obtenidos por el sistema de adquisición de imágenes.In the process of creating the invention, developed the instrumentation and test methodology for the measurement of normal pressure distribution and geometry of contact in the wheel-ground footprint. To do this has built a test bench based on the optical phenomenon of Total internal refraction frustrated. The material has been selected of suitable interphase for the realization of the tests on the bank, paying attention primarily to optical considerations and mechanical Finally, the bank controller has been developed and the computer system necessary for fast obtaining and automatic of that pressure map, allowing operations of recording, analysis, visualization and manipulation of data obtained by the image acquisition system.
El banco de ensayo de neumáticos desarrollado permite obtener el mapa de presiones normales en la huella de contacto para neumáticos comerciales estándar con carga vertical máxima de 800 Kg, en condiciones estáticas y de rodadura a baja velocidades con ángulos de caída variables. Para ello, el banco está dotado de un sistema de medida basado en el fenómeno óptico de la reflexión interna total frustrada e incorpora técnicas avanzadas de digitalización y tratamiento de imágenes, obteniéndose al mismo tiempo la forma y tamaño real de la zona de contacto, y el mapa continuo de presiones en la huella con asociación total al dibujo del neumático. La correcta calibración del sistema es fundamental para la fiabilidad y repetibilidad de las medidas cuantitativas que se obtienen.The tire test bench developed allows to obtain the map of normal pressures in the footprint of contact for standard commercial tires with vertical load maximum of 800 Kg, in static and low rolling conditions speeds with variable angles of fall. To do this, the bank It is equipped with a measuring system based on the optical phenomenon of Total internal reflection frustrated and incorporates advanced techniques of digitalization and image processing, obtaining it Time the actual shape and size of the contact area, and the map Continuous pressure on the footprint with full association to the drawing of the tire The correct system calibration is essential for the reliability and repeatability of quantitative measures that are obtained
La instrumentación, basada en el fenómeno óptico de la reflexión interna total frustrada, consta de un cristal resistente, capaz de soportar las tensiones elevadas que aparecerán en la huella, montado sobre un bastidor de perfiles de acero. Una luz blanca es emitida lateralmente, de tal forma que se refleje totalmente de forma interna en el cristal. Se utiliza además una entrefase, constituida por un material plástico o polimérico de textura y rigidez adecuadas al rango de presiones que se pretende medir. El neumático se coloca sobre la entrefase, estando ésta apoyada sobre el cristal. Al aplicar a través de la rueda una presión sobre la entrefase, se rompe la reflexión interna total en los puntos donde, debido a la textura del material, aparece contacto con el cristal.The instrumentation, based on the optical phenomenon of frustrated total internal reflection, it consists of a crystal resistant, able to withstand the high tensions that will appear on the track, mounted on a frame of steel profiles. A white light is emitted laterally, so that it is reflected totally internally in the glass. It also uses a interphase, consisting of a plastic or polymeric material of texture and stiffness appropriate to the range of pressures that are intended to size. The tire is placed on the interphase, this being resting on the glass. When applying through the wheel a pressure on the interphase, the total internal reflection is broken in the points where, due to the texture of the material, appears contact with the crystal.
Observando el cristal desde el lado opuesto de la entrefase, se aprecia una imagen de puntos en los que el brillo es proporcional a la presión aplicada. Una cámara de vídeo recoge la imagen que se forma en el cristal. Esa imagen se pasa a una tarjeta digitalizadora que la archiva en un disco duro de ordenador con formato especial de vídeo. Posteriormente es transformada en un mapa de bits en escala de grises en el que cada uno de los 255 niveles de gris está relacionado con una intensidad de brillo y por tanto con un nivel de presión. De esta manera mediante procesado de la imagen se determina la distribución de presiones que se produce en la huella y la forma exacta de la misma. La rigidez de la entrefase es la que determina el nivel de brillo obtenido en los puntos de contacto. Por tanto, si ésta se elige de forma conveniente, se pueden obtener con el máximo detalle mapas de presiones continuos asociados a huellas de neumáticos.Looking at the glass from the opposite side of the in between, you can see an image of points where the brightness is proportional to the pressure applied. A video camera collects the Image that forms on the glass. That image is passed to a card digitizer that files it on a computer hard drive with special video format It is subsequently transformed into a grayscale bitmap in which each of the 255 gray levels is related to a brightness intensity and by both with a pressure level. In this way by processing the image determines the distribution of pressures that occurs in the footprint and the exact form of it. The rigidity of the interphase is what determines the level of brightness obtained in the contact points. Therefore, if it is chosen so convenient, maps of continuous pressures associated with tire tracks.
El fenómeno de la frustración de la reflexión interna total de la luz establece que cuando la luz viaja en un medio y se aproxima a la interfase con otro medio que tiene diferente índice de refracción, siendo ópticamente menos denso que el primero, para que la luz salga de éste, el ángulo de incidencia deberá ser menor que uno crítico \gamma_{c}. Para un ángulo de incidencia superior al crítico, la luz queda atrapada dentro del medio más denso, y se reflejará de forma indefinida dentro del mismo. Si a continuación se coloca un tercer medio de mayor densidad óptica (una delgada lámina de plástico) en contacto con el cristal, el ángulo crítico de esta nueva interfase \gamma_{c}' es mayor que \gamma_{c}, por lo que la luz que se reflejaba internamente con un ángulo y entre \gamma_{c} y \gamma_{c}' ahora puede salir, frustrándose la reflexión interna total. Así, en los puntos de contacto plástico-cristal se produce un punto brillante que puede ser observado desde el lado opuesto del cristal.The phenomenon of reflection frustration total internal light states that when light travels in a medium and approaches the interface with another medium that has different index of refraction, being optically less dense than the first, so that the light comes out of it, the angle of incidence it must be less than a critical one \ gamma_ {c}. For an angle of higher than critical incidence, the light is trapped inside the denser medium, and will be reflected indefinitely within the same. If you then place a third medium of greater optical density (a thin plastic sheet) in contact with the crystal, the critical angle of this new interface \ gamma_ {c} 'is greater than \ gamma_ {c}, so the light that was reflected internally with an angle and between γ_ {c} and γ_ {c} ' Now you can leave, frustrating the total internal reflection. So in plastic-glass contact points are produced a bright spot that can be observed from the opposite side of the crystal.
Al presionar sobre la parte superior del plástico, éste se verá forzado a entrar en un contacto más íntimo con el cristal, y el tamaño de ese contacto dependerá a su vez de la presión aplicada. A medida que la presión aumente, mayor será la deformación del plástico y mayor será la zona de contacto, así como mayor será el número de zonas donde ese contacto sigue apareciendo, por lo que existirán más lugares donde la frustración de la reflexión interna se producirá.By pressing on the top of the plastic, this one will be forced into a more intimate contact with the crystal, and the size of that contact will in turn depend on the pressure applied As the pressure increases, the greater the plastic deformation and greater will be the contact area, as well as the greater the number of areas where that contact continues to appear, so there will be more places where the frustration of the Internal reflection will occur.
De esta forma, cuando se observe desde debajo del cristal podrá comprobarse como el brillo se hace cada vez mayor con el aumento de la presión. Este proceso continua hasta que se alcanza la saturación del material de entrefase dada por un nivel de gris equivalente al color blanco.In this way, when viewed from below the glass can be checked as the brightness is growing with The increase in pressure. This process continues until it reaches the saturation of the interphase material given by a level of Gray equivalent to white.
La presente invención pretende contribuir a solventar las lagunas existentes en los métodos de determinación de presiones desarrollando la instrumentación necesaria para registrar la evolución de las tensiones normales y tangenciales en el contacto rueda-suelo en diversas maniobras con distintos parámetros operativos (velocidad, aceleración, carga vertical, adherencia, ángulo de caída y presión de inflado). Se obtendrá un mapa continuo de presiones normales en la huella en maniobras de bajas exigencias dinámicas, concretamente de velocidades y aceleraciones reducidas. Esto permitirá analizar la influencia del dibujo en la configuración de la distribución de tensiones normales, de cara a estudios de desgaste, evacuación de agua, distribución de adherencia...The present invention aims to contribute to to solve the existing gaps in the methods of determining pressures developing the necessary instrumentation to record the evolution of normal and tangential contact voltages wheel-ground in various maneuvers with different operational parameters (speed, acceleration, vertical load, adhesion, drop angle and inflation pressure). You will get a continuous map of normal pressures on the footprint in maneuvers of low dynamic demands, specifically of speeds and reduced accelerations This will allow to analyze the influence of drawing in the normal voltage distribution configuration, for studies of wear, water evacuation, distribution of adherence...
\bullet Figura 1Figure 1
\bullet Figura 2Figure 2
\bullet Figura 3Figure 3
Brazo en el cual está instalado el buje universal y mediante el que se transmite el ángulo de caída y deriva a la rueda.Arm on which the universal bushing is installed and by which the angle of fall is transmitted and drifts to the wheel.
\bullet Figura 4Figure 4
Estructura sobre la que se monta el brazo, la cual está ubicada en uno de los laterales de la mesa de apoyo.Structure on which the arm is mounted, the which is located on one of the sides of the support table.
\bullet Figura 5Figure 5
Esquema del sistema de medida de presiones normales donde se pueden ver los reflectores, fluorescentes, cristales de apoyo, plástico y cámara.Diagram of the pressure measurement system normal where you can see the reflectors, fluorescent, support crystals, plastic and camera.
\bullet Figura 6Figure 6
Piezas de calibración según las dos formas descritas anteriormente.Calibration parts according to the two forms described above.
\bullet Figuras 7Figures 7
Marco soporte dónde están instalados el cristal que sirve también de pista de rodadura, los reflectores, los fluorescentes y el plástico interfase.Support frame where the glass is installed which also serves as a raceway, reflectors, Fluorescent and plastic interface.
\bullet Figuras 8Figures 8
Estructura sobre la que soportan el resto de los componentes de la invención, está dotada de ruedas para facilitar su movilidad. En ella se pueden observar el husillo de bolas y las guias de rodadura lineal, que permiten el desplazamiento longitudinal del marco soporte.Structure on which they support the rest of the components of the invention, is provided with wheels to facilitate your mobility In it you can see the ball screw and the linear rolling guides, which allow displacement longitudinal support frame.
\bullet Figura 9Figure 9
Husillo encargado de transformar el movimiento de rotación del motor en movimiento lineal.Spindle responsible for transforming the movement of motor rotation in linear motion.
\bullet Figura 10 y 11Figure 10 and 11
Principio de funcionamiento de las piezas de calibración.Working principle of the parts of calibration.
En el proceso de creación de la presente invención se ha desarrollado la instrumentación y la metodología de ensayo para la medida de la distribución de presiones normales y de la geometría de contacto en la huella rueda-suelo. Para ello se ha construido un banco de ensayos según figura 1 basado en el fenómeno óptico de refracción interna total frustrada (este fenómeno se muestra en la figura 2). Se ha seleccionado el material de entrefase más adecuado para la realización de los ensayos sobre el banco, atendiendo fundamentalmente a consideraciones ópticas y mecánicas. Por último se ha desarrollado el controlador del banco y el sistema informático necesario para la obtención rápida y automática de ese mapa de presiones, permitiendo operaciones de registro, análisis, visualización y manipulación de los datos obtenidos por el sistema de adquisición de imágenes.In the process of creating this invention has been developed the instrumentation and methodology of test for measuring the distribution of normal pressures and of the contact geometry in the wheel-ground footprint. For this, a test bench has been built according to figure 1 based on the optical phenomenon of total internal refraction frustrated (This phenomenon is shown in Figure 2). The interphase material more suitable for the realization of essays about the bank, fundamentally attending optical and mechanical considerations. Finally it has developed the bank controller and the computer system necessary for the fast and automatic obtaining of that pressure map, allowing recording, analysis, visualization and manipulation operations of the data obtained by the image acquisition system.
A continuación se describen detalladamente, como un modo de realización preferida de la invención, los elementos del banco de ensayos desarrollado para el sistema medidor de presiones de neumáticos objeto de la presente invención y los pasos a seguir para su utilización, tanto el procedimiento de calibración del sistema de medidas como el procedimiento de medición.They are described in detail below, as a preferred embodiment of the invention, the elements of the test bench developed for the pressure measuring system of tires object of the present invention and the steps to follow for use, both the calibration procedure of the measurement system as the measurement procedure.
El banco de ensayos desarrollado consta fundamentalmente de:The test bench developed consists of fundamentally of:
- 1.one.
- Un sistema de carga y control de los parámetros de funcionamiento del neumático. La carga se realiza mediante pistón neumático (9), los ángulos de caída y deriva se mantienen constantes durante cada medición gracias al brazo (8). A system for loading and controlling the operating parameters of the tire. The load is made by pneumatic piston (9), the drop and drift angles are kept constant during each measurement thanks to the arm (8).
- 2.2.
- Un sistema de medida de presiones normales basado en el método óptico de la frustración de la reflexión interna total.A normal pressure measurement system based on the optical method of the frustration of total internal reflection.
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- 3.3.
- Un sistema de calibración del sistema de medida de presiones normales que permita llevar a cabo una correcta correlación entre nivel de gris y la presión en cada punto de la imagen digitalizada. A calibration system of the normal pressure measurement system that allows a correct correlation between gray level and pressure at each point of the scanned image.
- 4.Four.
- Un marco soporte (5), sobre el que se apoyará parte del sistema de medida de presiones normales.A support frame (5), on which part of the normal pressure measurement system will rest.
- 5.5.
- Sistema tractor encargado de transmitir el movimiento al marco soporte (5). Tractor system responsible for transmitting the movement to the support frame (5).
- 6.6.
- Una estructura rígida o mesa de apoyo (1) que soporta todos los componentes anteriores.A rigid structure or support table (1) that supports all the previous components.
A continuación se describirá de forma más detallada cada uno de los componentes del banco de ensayos:Next it will be described more Detailed each of the components of the test bench:
Este sistema permite realizar la carga del neumático de forma controlada, pudiendo introducirse infinidad de valores de fuerza sobre el neumático. El control de la fuerza aplicada sobre el neumático permite realizar fácilmente el proceso de carga-descarga, de forma totalmente fiable.This system allows to load the tire in a controlled way, being able to introduce infinity of force values on the tire. Force control applied on the tire allows to easily carry out the process loading-unloading, completely reliable.
El sistema de carga y control está formado por los siguientes componentes:The loading and control system consists of The following components:
- 1.1 Compresor1.1 Compressor
- 1.2 Filtro antihumedad1.2 Filter anti humidity
- 1.3 Multiplicador de presión1.3 Multiplier of Pressure
- 1.4 Válvula solenoide1.4 Solenoid Valve
- 1.5 Válvula solenoide doble1.5 Solenoid Valve double
- 1.6 Regulador de presión1.6 Regulator Pressure
- 1.7 Cilindro-pistón (9)1.7 Piston Cylinder (9)
- 1.8 Brazo (8)1.8 Arm (8)
- 1.9 Buje universal1.9 Universal bushing
- 1.10 Estructura soporte (7)1.10 Support structure (7)
- 1.11 Tarjeta de salidalentrada analógico-digital1.11 Heated output card analog-digital
- 1.12 Ordenador1.12 Computer
- 1.13 Fuentes de alimentación1.13 Sources of feeding
- 1.14 Tubos de conexión.1.14 Tubes Connection.
El brazo (8) es la estructura encargada de transmitir la fuerza proveniente del cilindro-pistón (9) al neumático. A su vez sirve de soporte para el buje universal y el neumático. Gracias a su diseño se consigue transmitir al neumático los ángulos de caída y deriva, como se puede ver en la figura 3. El conjunto formado por la estructura soporte (7), el brazo (8) y cilindro-pistón (9) puede verse en la figura 4.The arm (8) is the structure responsible for transmit the force coming from piston cylinder (9) to the tire. In turn it serves as Universal bushing and tire support. Thanks to its design the drop and drift angles are transmitted to the tire, as can be seen in figure 3. The set formed by the support structure (7), arm (8) and piston cylinder (9) can be seen in figure 4.
El sistema de medida de presiones normales consta de:The normal pressure measurement system consists of from:
- 2.1 Placa de cristal (6)2.1 Crystal plate (6)
- 2.2 Tubos estándar de luz blanca fluorescente (10)2.2 Standard light tubes fluorescent white (10)
- 2.3 Reflectores (11)2.3 Reflectors (11)
- 2.4 Una lámina polimérica (12)2.4 A polymer sheet (12)
- 2.5 Una cámara CCD monocroma.2.5 A CCD camera monochrome.
- 2.6 Una tarjeta digitalizadora2.6 A card digitizer
- 2.7 Software de diseño propio2.7 Design software own
Una placa de cristal (6) 1250x590 mm^{2} que hace las veces de pista de rodadura, la cual está iluminada por sus dos bordes paralelos a la dirección del movimiento de forma que la luz se refleja internamente en condiciones de reflexión total. El cristal debe soportar una carga de diseño de 800 kg, por lo que se ha utilizado un cristal de seguridad de 24 mm, cuyas propiedades ópticas van a influir directamente en la calibración del sistema.A glass plate (6) 1250x590 mm2 that acts as a raceway, which is illuminated by its two edges parallel to the direction of movement so that the Light is reflected internally in conditions of total reflection. He glass must withstand a design load of 800 kg, so it has used a 24 mm safety glass, whose properties optics will directly influence the calibration of the system.
La iluminación se realiza mediante dos tubos estándar de luz blanca fluorescente (10).The lighting is done by two tubes standard white fluorescent light (10).
Para asegurar que entre el máximo de luz al cristal (6), se disponen dos reflectores (11) apantallando a los tubos (10), fabricados en acero inoxidable, con el interior pulido para facilitar la reflexión de la luz y con la curvatura apropiada para dirigirla hacia el cristal (6), según puede verse en la figura 5.To ensure that the maximum light enters the glass (6), two reflectors (11) are provided shielding the tubes (10), made of stainless steel, with polished interior to facilitate the reflection of the light and with the appropriate curvature to direct it towards the glass (6), as can be seen in the figure 5.
Una lámina polimérica (12) que se sitúa sobre el cristal (6) y sobre la que se apoyará el neumático. Al ejercer una presión sobre ésta, en cada punto de contacto con el cristal (6) se rompe la reflexión interna total de la luz atrapada en él produciéndose un punto brillante. De esta forma, para la totalidad de la huella neumático-pista se obtiene una imagen brillante. Como la cantidad de luz refractada en cada punto de contacto depende de la presión aplicada en el punto y de la textura del plástico utilizado, según ha sido descrito por BETTS AND DUCKWORTH(1978), con una calibración adecuada se obtiene una relación brillo-presión. El material, espesor y textura mas adecuados para la lámina polimérica (12) utilizada dependerán del rango de presiones de trabajo en cada caso.A polymeric sheet (12) that is placed on the glass (6) and on which the tire will rest. When exercising a pressure on it, at each point of contact with the glass (6) breaks the total internal reflection of the light trapped in it producing a bright spot. In this way, for the whole an image of the tire track is obtained sparkly. As the amount of light refracted at each point of contact depends on the pressure applied at the point and on the texture of the plastic used, as described by BETTS AND DUCKWORTH (1978), with a proper calibration you get a brightness-pressure ratio. The material, thickness and texture most suitable for the polymer sheet (12) used They will depend on the range of working pressures in each case.
Una cámara CCD monocroma de enfoque manual que recoge la imagen brillante obtenida.A manual focus monochrome CCD camera that collect the bright image obtained.
Una tarjeta digitalizadora de resolución 752x576 pixels con la que se recoge la señal analógica procedente de la cámara y se transforma en un mapa de bits.A digitizing card of resolution 752x576 pixels with which the analog signal from the camera and transforms into a bitmap.
Un software de diseño propio, el MapPres, que mediante tratamiento de las imágenes obtenidas permite realizar tanto la calibración como la obtención de los mapas de presiones. Programado en Delphi, es un software intuitivo que permite trabajar en entorno Windows y con el que se van a poder obtener todos los valores asociados a la huella (área, tamaño, valores puntuales de presión, centro de presiones,...), así como diferentes representaciones bidimensionales y tridimensionales, mapas isobáricos y perfiles longitudinales.A software of its own design, the MapPres , which, by treating the images obtained, allows both calibration and pressure maps to be obtained. Programmed in Delphi, it is an intuitive software that allows you to work in a Windows environment and with which you will be able to obtain all the values associated with the footprint (area, size, specific pressure values, pressure center, ...), as well as different two-dimensional and three-dimensional representations, isobaric maps and longitudinal profiles.
El sistema de calibración permite aplicar a una pequeña área de la entrefase un nivel de presión conocido, realizado esta operación de forma repetida y gracias al procesamiento de las señales obtenidas se consigue relacionar la presión aplicada con un nivel de medio de gris, pudiendo cuantificarse también la dispersión de la medida. Está compuesto por:The calibration system allows to apply to a small area of the interphase a known pressure level, performed this operation repeatedly and thanks to processing of the signals obtained is related to the pressure applied with a medium gray level, being able to also measure the dispersion of the measure. It's made up of by:
- 3.1 Piezas de calibración3.1 Pieces of calibration
- 3.2 Tubos de conexión3.2 Connection tubes
Son dos piezas cuya apariencia se muestran en la figura 6. La presión se aplica introduciendo en las piezas aire a presión conocida y controlada mediante el regulador. De esta forma se consigue un distribución de presión constante en toda la zona de calibración. La primera de las dos piezas permite aplicar la presión en una pequeña área circular. El nivel medio de gris en la zona se corresponde con la presión aplicada. La segunda de las piezas permite estudiar la variación del nivel de gris en una dirección para una presión aplicada constante con el objetivo de introducir correcciones direccionales a la medida.They are two pieces whose appearance is shown in the Figure 6. The pressure is applied by introducing air into the known pressure and controlled by the regulator. Thus a constant pressure distribution is achieved throughout the area of calibration. The first of the two pieces allows to apply the pressure in a small circular area. The average gray level in the zone corresponds to the applied pressure. The second of pieces allows to study the variation of the gray level in a direction for a constant applied pressure with the aim of introduce custom directional corrections.
Es un marco de hierro (5) sobre el que se apoyarán los reflectores (11), los tubos fluorescentes (10) y la pista de rodadura según se observa en las figuras 5 y 6, formada por un cristal (6) de alta resistencia descrito en el apartado 2. Está dotado de movimiento lineal a baja velocidad mediante un husillo de bolas (3) de precisión movido por un motor de corriente continua (2). Su forma permite la perfecta colocación de los tubos fluorescentes (10), y ha sido calculado para que su deformación sea despreciable con el fin de preservar la integridad del cristal (6). Será la parte móvil del conjunto.It is an iron frame (5) on which they will support the reflectors (11), the fluorescent tubes (10) and the raceway as seen in figures 5 and 6, formed by a high strength glass (6) described in section 2. It is equipped with linear movement at low speed by means of a spindle Precision balls (3) moved by a DC motor (2). Its shape allows the perfect placement of the tubes fluorescent (10), and has been calculated so that its deformation is negligible in order to preserve the integrity of the crystal (6). It will be the moving part of the set.
Encargado de transmitir un desplazamiento controlado al marco soporte (5), siendo necesario para realizar ensayos a baja velocidad y aceleración. Está compuesto por:Responsible for transmitting a shift controlled to the support frame (5), being necessary to perform low speed and acceleration tests. It is composed of:
- 5.1 Guías de rodadura lineal (4)5.1 Linear raceways (4)
- 5.2 Rodamientos lineales (13)5.2 Linear bearings (13)
- 5.3 Husillo de bolas (3)5.3 Ball screw (3)
- 5.4 Motor eléctrico (2)5.4 Electric motor (2)
- 5.5 Autómata programable5.5 Automata programmable
Serán instaladas sobre la mesa de apoyo (1) para permitir el desplazamiento horizontal del marco soporte según la figura 7.They will be installed on the support table (1) to allow horizontal displacement of the support frame according to the figure 7.
Serán instalados en el marco soporte (5) para permitir su desplazamiento a lo largo de las guías (4).They will be installed in the support frame (5) to allow its movement along the guides (4).
Encargado de transmitir el movimiento del motor (2) y transformar todas las magnitudes de rotación en magnitudes lineales según las figuras 8 y 9. El carro del husillo irá acoplado al marco soporte (5), haciendo que éste se desplace sobre las guías (4).Responsible for transmitting engine movement (2) and transform all rotation quantities into quantities linear according to figures 8 and 9. The spindle carriage will be coupled to the support frame (5), causing it to move over the guides (4).
Suministrará el par necesario para que se pueda mover todo el sistema. Este par se transmitirá al marco soporte (5) en forma de fuerza longitudinal gracias al husillo de bolas (3). Su montaje se puede ver en la figura 8.It will supply the necessary torque so that it can be Move the whole system. This pair will be transmitted to the support frame (5) in the form of longitudinal force thanks to the ball screw (3). its assembly can be seen in figure 8.
Un autómata programable será el encargado de gestionar la operación del motor (2), siendo programadas las operaciones correspondientes a los ensayos a realizar.A programmable automaton will be in charge of manage the engine operation (2), being programmed the operations corresponding to the tests to be performed.
Es el elemento estructural que sirve de soporte a todo el conjunto. Sobre ella se colocarán todos los demás componentes. Esta dotada de ruedas con freno (14) con el objeto de permitir el movimiento lateral de la estructura en determinados ensayos, así como la de facilitar el transporte de toda la estructura.It is the structural element that supports The whole set. On it all others will be placed components. It is equipped with wheels with brake (14) in order to allow lateral movement of the structure in certain trials, as well as to facilitate the transport of all the structure.
Mediante la calibración del sistema obtenemos la relación nivel de brillo-presión aplicada, necesaria para poder obtener datos cuantitativos de la presión existente en un punto. Esta calibración se compone de aspectos relativos a la distorsión en la imagen introducida por la curvatura de la lente de la cámara, la absorción de luz en el cristal, el nivel de brillo de referencia y el comportamiento del polímero elegido como entrefase en cuanto a sensibilidad, saturación e histéresis. Podemos agruparlos en:By calibrating the system we obtain the applied level of brightness-pressure level, necessary to obtain quantitative pressure data existing at one point. This calibration is made up of aspects relative to the distortion in the image introduced by the curvature of the camera lens, the light absorption in the glass, the reference brightness level and polymer behavior chosen as an interface in terms of sensitivity, saturation and hysteresis. We can group them into:
a) Calibración de la cámara. Con este módulo se podrá obtener una relación directa entre "pixels" y milímetros, de tal forma que sea posible realizar operaciones de medida directa sobre la huella, ya sean distancias o áreas. De igual forma, se prevé la corrección de la distorsión introducida por la lente sobre la imagen.a) Camera calibration. With this module you can get a direct relationship between "pixels" and millimeters, so that it is possible to perform direct measurement operations on the footprint, whether distances or areas. Similarly, the correction of the distortion introduced by the lens on the image is provided.
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b) Calibración del material de interfase (12). Con esta opción se podrán obtener las diferentes correlaciones entre los niveles de gris de cada punto de la imagen y los valores de presión asociados, para diferentes materiales utilizados como interfase del sensor. Se incluye además una base de datos donde almacenar todos los materiales ensayados y sus parámetros característicos.b) Interface material calibration (12). With this option you can obtain the different correlations between the gray levels of each point of the image and the associated pressure values, for different materials used as the sensor interface. It also includes a database to store all the materials tested and their characteristic parameters.
Este procedimiento es necesario tanto para corregir el efecto de distorsión por la aberración de las lentes que introduce la cámara como para obtener una relación entre cada "pixel" de la imagen y su correspondiente equivalencia en milímetros.This procedure is necessary for both correct the distortion effect by aberration of the lenses that introduces the camera as to obtain a relationship between each "pixel" of the image and its corresponding equivalence in millimeters
Para la calibración de la cámara se ajusta el zoom de la misma de tal forma que la huella de máximo tamaño que se vaya a tomar quede perfectamente enmarcada dentro de los límites de la imagen. A continuación se utiliza una rejilla patrón de forma que toda la huella también quede dentro de la misma. La rejilla está compuesta por celdas de dimensiones conocidas.For camera calibration, the zoom it in such a way that the maximum size footprint that will be perfectly framed within the limits of the picture. A pattern grid is then used so that The whole footprint is also inside it. The grid is composed of cells of known dimensions.
A continuación se toma con la cámara, ya en la posición definitiva, una imagen de la rejilla perfectamente colocada sobre el cristal (6). Esta imagen es posteriormente procesada por ordenador para corregir la distorsión introducida por la curvatura de la lente y obtener la relación pixel-milímetros buscada.It is then taken with the camera, already in the definitive position, a grid image perfectly placed on the glass (6). This image is later computer processed to correct the distortion introduced by the curvature of the lens and get the ratio pixel-millimeters sought.
Mediante el proceso de calibración del material es posible obtener una relación directa entre los valores de nivel de gris de la imagen y los de presión. El resultado de este proceso es una serie de correlaciones y gráficas que determinan completamente el comportamiento del material.Through the material calibration process it is possible to obtain a direct relationship between the level values Image gray and pressure. The result of this process it is a series of correlations and graphs that determine completely the behavior of the material.
Como se puede observar en las figuras 10 y 11, las piezas de calibración presentan una cavidad en su interior, la cual le va a permitir la entrada de aire a presión desde el compresor. Este aire, una vez llegado a la cámara, ejercerá igual presión sobre todas las paredes de la misma. Al estar la pieza apoyada sobre el plástico (12) a calibrar, éste junto al cristal (6) se convierten en la última de las paredes de la cavidad, por lo que sobre este conjunto también se aplicará la presión introducida por el compresor. De esta forma, se asegura la existencia de una presión uniforme sobre la zona de calibración. Esta cavidad quedará herméticamente cerrada con un anillo tórico de goma tal y como se muestra en la figura 11.As can be seen in figures 10 and 11, the calibration pieces have a cavity inside, the which will allow the entry of pressurized air from the compressor. This air, once reached the chamber, will exercise the same pressure on all the walls of it. When the piece is supported on the plastic (12) to be calibrated, this next to the glass (6) become the last of the walls of the cavity, so that the pressure introduced will also be applied to this set by the compressor. In this way, the existence of a uniform pressure on the calibration zone. This cavity will remain Hermetically sealed with a rubber O-ring as it is shown in figure 11.
El rayo de luz que se muestra en la figura 11 verá frustrada su reflexión interna, así como todos los rayos que inciden dentro de la región circular proyectada en la figura. La imagen brillante que se obtiene será recogida por la cámara de vídeo, la cual permitirá digitalizar la imagen. El resultado tendrá la forma que también se adelantaba en la figura anterior, una imagen oscura con un anillo brillante confinando la región donde se va a aplicar la presión de calibración, cuyo brillo se verá incrementado de forma gradual a medida que la presión introducida en la cámara aumente.The ray of light shown in Figure 11 you will see your inner reflection frustrated, as well as all the rays that they affect the circular region projected in the figure. The Bright image you get will be collected by the camera video, which will allow digitizing the image. The result will have the form that was also advanced in the previous figure, a dark image with a bright ring confining the region where it you will apply the calibration pressure, whose brightness will be seen gradually increased as the pressure introduced on the camera increase.
Realizando aumentos de presión de forma progresiva y comenzando desde el valor nulo se obtienen una serie de imágenes características de cada uno de los valores de presión alcanzado. Para cada imagen, se aproxima dentro de la región de interés una distribución gaussiana con todos los niveles de gris presentes dentro de la misma, de tal forma que el nivel de gris medio de esta distribución es el que se toma como valor asociado a la presión aplicada para esa imagen. De esta forma se obtiene finalmente la calibración del material, ajustando los valores obtenidos a un polinomio de grado adecuado.Performing form pressure increases progressive and starting from the null value you get a series of characteristic images of each of the pressure values reached. For each image, it is approximated within the region of interest a Gaussian distribution with all gray levels present within it, so that the level of gray The middle of this distribution is the one that is taken as a value associated with the pressure applied to that image. This way you get finally the calibration of the material, adjusting the values obtained to a polynomial of suitable grade.
Si la imagen se obtuviese en total oscuridad, el nivel de brillo para presión nula en todos los puntos sería nulo. En otras condiciones de iluminación este valor de brillo será diferente. Por ello para cada medición es necesario establecer el nivel de brillo correspondiente a presión nula antes de utilizar la curva de calibración del material.If the image were obtained in total darkness, the Brightness level for zero pressure at all points would be zero. In other lighting conditions this brightness value will be different. Therefore, for each measurement it is necessary to establish the brightness level corresponding to zero pressure before using the material calibration curve.
Para la obtención de los niveles de presión en la huella de contacto de un neumático se procederá según los siguientes pasos:To obtain the pressure levels in the Contact footprint of a tire shall be followed according to Next steps:
- 1. Montaje del neumático.1. Assembly of tire.
- 2. Selección del nivel de carga.2. Selection of the level of load.
- 3. Obtención de la imagen con la cámara.3. Obtaining the image with the camera.
- 4. Digitalización de la imagen.4. Digitization of the image.
- 5. Procesado de la imagen.5. Processing of the image.
En esta operación se monta el neumático objeto de estudio en el buje universal instalado en el brazo (8). Una vez fijado de forma conveniente se ajustan los ángulos de caída y deriva deseados.In this operation the tire object of study in the universal bushing installed in the arm (8). One time conveniently set fall angles are adjusted and desired drift.
Mediante el control sobre el regulador de presión podemos fijar el nivel de presión dentro del cilindro (9) y por tanto de la fuerza ejercida sobre el neumático.By control over the pressure regulator we can set the pressure level inside the cylinder (9) and by both of the force exerted on the tire.
Con el neumático sometido a carga se obtiene la imagen con la cámara analógica de la parte inferior de la placa de cristal (6).With the tire under load you get the image with the analog camera from the bottom of the board crystal (6).
La imagen obtenida de la cámara analógica se convierte a formato digital gracias a la tarjeta digitalizadora de imágenes, realizándose posteriormente su almacenamiento en el ordenadorThe image obtained from the analog camera is converts to digital format thanks to the digitizer card of images, subsequently being stored in the computer
A partir de los resultados obtenidos en la calibración del material empleado, que habrá sido realizada previamente, se obtiene una imagen real de la huella del neumático en la que el mapa de presiones se asocia directamente a la geometría del contacto en cada instante, mediante el software de diseño propio MapPres '98. Además, gracias a su potente módulo de representación tanto bidimensional como tridimensional se pueden obtener en dos y tres dimensiones, curvas isobáricas, perfiles longitudinales a lo largo de una dirección, y se podrá además obtener información dinámica de cada punto de la huella ya sean valores de presión o valores de distancias y áreas de contacto. Será posible también aplicar diversas técnicas de tratamiento de imágenes (aplicación de máscaras, etc.) para resaltar detalles de la huella de especial interés.From the results obtained in the calibration of the material used, which will have been previously performed, a real image of the tire's footprint is obtained in which the pressure map is directly associated with the contact geometry at each moment, by means of the MapPres '98 own design software. In addition, thanks to its powerful two-dimensional and three-dimensional representation module, isobaric curves, longitudinal profiles along one direction can be obtained in two and three dimensions, and dynamic information can also be obtained from each point of the footprint, whether values of pressure or values of distances and contact areas. It will also be possible to apply various image processing techniques (application of masks, etc.) to highlight details of the footprint of special interest.
El interés por obtener la huella del neumático y su distribución de presiones se debe principalmente a dos motivos. Por un lado, se trata de ajustar la distribución de presiones mediante funciones matemáticas que puedan ser utilizadas como entrada en modelos de simulación dinámica de vehículos o modelos de comportamiento de neumáticos, encaminados a predecir el desgaste en distintas condiciones de funcionamiento. Por otra parte, la determinación de todos los parámetros de la huella, tales como el área de contacto, tamaño, mapa de presiones, comportamiento de los canales de evacuación, etc. resulta de gran ayuda en la optimización del diseño de un neumático en cada aplicación.The interest in obtaining the tire's footprint and Its pressure distribution is mainly due to two reasons. On the one hand, it is about adjusting the pressure distribution through mathematical functions that can be used as entry into dynamic vehicle simulation models or models of tire behavior, aimed at predicting wear on Different operating conditions. Moreover, the determination of all footprint parameters, such as the contact area, size, pressure map, behavior of evacuation channels, etc. It is very helpful in optimization of the design of a tire in each application.
Claims (9)
- --
- compresorcompressor
- --
- filtro antihumedadfilter anti humidity
- --
- multiplicador de presiónmultiplier of Pressure
- --
- válvula solenoidevalve solenoid
- --
- válvula solenoide doblesolenoid valve double
- --
- regulador de presiónregulator Pressure
- --
- cilindro-pistón (9)piston cylinder (9)
- --
- brazo (8)arm (8)
- --
- buje universalbushing universal
- --
- estructura soporte (7)support structure (7)
- --
- tarjeta de salida/entrada analógico-digitalcard of analog-digital output / input
- --
- ordenadorcomputer
- --
- fuentes de alimentaciónsources of feeding
- --
- tubos de conexión.tubes of Connection.
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| CN110018138B (en) * | 2017-12-07 | 2021-10-22 | 东洋橡胶工业株式会社 | Ground plane observation method |
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