CN116601020A - 用于监测轮胎的状态的方法和*** - Google Patents
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Abstract
用于监测装配在车辆上的轮胎(99)的状态的方法(200)和相关***(100),该方法包括:‑在车辆运动且轮胎(99)旋转的情况下,采集(3、6)代表轮胎(99)的胎冠部(31)的运动的运动信号,其中,该运动信号在时间上对应于轮胎(99)的多个转圈;‑从运动信号中过滤(15、42)运动信号的至少在时间上对应于胎冠部(31)在轮胎(99)的接地印痕区域中的每次经过的部分,以用于获得经过滤的运动信号;‑获得(4、7)经过滤的运动信号的频谱;‑基于该频谱确定(11)轮胎(99)的状态。
Description
技术领域
本发明涉及用于监测轮胎的状态、例如结构完整性状态或胎面磨损状态的方法,以及用于监测轮胎的状态的相关***。
背景技术
典型地,车辆用轮胎在操作期间具有围绕其旋转轴线的基本上环形的结构,并且其具有垂直于旋转轴线的赤道平面,所述赤道平面典型地是(基本上)几何对称的平面(例如,忽略任何微小的不对称,诸如胎面设计和/或侧部上的文字和/或结构不对称或轮廓不对称)。
“内腔”意指在装配时由轮胎的内表面和轮辋的面向轮胎内表面的表面界定的空间。
“胎冠部”意指轮胎的置于胎面带处的部分。
术语“径向”和“轴向”分别参考基本上垂直于轮胎旋转轴线的方向和基本上平行于轮胎旋转轴线的方向使用。
术语“切向”参考基本上垂直于径向方向和轴向方向的方向使用(例如,大体上根据轮胎的滚动方向定向)。
术语侧向、竖直和纵向分别指轴向方向、竖直方向和水平方向。
“接地印痕”意指胎面带的外表面的在所装配的轮胎滚动并经受载荷(例如由于装配在车辆上)期间每时每刻与滚动表面接触的部分。接地印痕典型地具有基本上为零的曲率(或基本上无限的曲率半径),或者在任何情况下,其基本上呈现滚动表面的构型。
“接地印痕区域”意指胎冠部的每个时刻在接地印痕处的部分。
EP2813378、EP3330106、EP3210799和EP2837510中的每一个公开了一种用于估计轮胎磨损状态的***。
发明内容
申请人已经观察到,在EP2813378、EP3330106、EP3210799和EP2837510中公开的用于估计轮胎磨损的方法使用了通过在将轮胎装配到车辆上之前执行的实验测量获得的相关模型,并且其允许通过识别模型的系数来使轮胎的充气压力、轮胎的振动模式的频率和胎面带的厚度数学上相关,其中胎面带的厚度的量代表轮胎的磨损状态。为了识别这些系数,在轮胎上执行测试循环,这涉及对于胎面带的不同预定厚度值应用多个不同的轮胎充气压力值,并且对于胎面带的每对压力和厚度值从在胎面带的压力和厚度的这种受控条件下采集的(加速度测量或速度)信号的频谱中识别轮胎的振动模式的频率。在轮胎的使用期间,这样确定的系数用于根据测量压力和测量频率来计算磨损。
申请人已经观察到,EP2813378、EP3330106、EP3210799和EP2837510没有提供与在其上获得频谱的加速度测量或速度信号的预处理有关的任何细节。
申请人已经验证了轮胎的振动模式的分析允许获得关于轮胎本身的状态、例如其胎面的磨损状态的信息。
根据申请人,当分析轮胎的振动模式时,从未经预处理的且因此基本上如所采集时处理的(加速度测量或速度或位移)信号获得的频谱可以包括代表与轮胎的作为滚动的影响出现的宏观变形相关的应力和变形的信息含量。这种与轮胎的振动模式无关的信息含量可降低轮胎振动模式评估的可靠性和准确性,从而降低与轮胎状态有关的信息的可靠性和准确性。
因此,申请人面临的问题是实现用于监测的方法和***,其允许可靠且精确地评估轮胎的状态。
根据申请人,该问题通过用于监测轮胎的状态的方法和***来解决,其提供了对代表轮胎的胎冠部的运动的运动信号的频率处理,在该频率处理中信号的至少对应于胎冠部在轮胎的接地印痕区域中的每次经过的部分被预先过滤。
根据一个方面,本发明涉及一种用于监测装配在车辆上的轮胎的状态的方法,该方法包括:
-在所述车辆运动且所述轮胎旋转的情况下,采集代表所述轮胎的胎冠部的运动的运动信号,其中,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎的多个转圈;
-从所述运动信号中过滤运动信号的在时间上(至少)对应于所述胎冠部在轮胎的接地印痕区域中的每次经过的部分,以用于获得经过滤的运动信号;
-获得所述经过滤的运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定轮胎的所述状态。
根据另一方面,本发明涉及一种用于监测装配在车辆上的轮胎的状态的***,该***包括:
-运动传感器,其固定在所述轮胎的胎冠部处并被配置用于检测轮胎的所述胎冠部的运动;
-至少一个处理单元,其与所述运动传感器通信并被编程和配置用于执行本发明的上述方法。
申请人已经发现,当相关的胎冠部(即,在其上应用了运动传感器的胎冠部)在接地印痕区域中经过时所采集的运动信号部分表示胎冠部的在滚动期间基本上被约束到滚动表面(例如,道路)并且导致不受地面约束的剩余胎冠部振动的运动部分。根据申请人,在不受任何理论限制的情况下,当其上应用了运动传感器的胎冠部在接地印痕区域中时,其不能根据轮胎自身的振动模式而自由振动。因此,申请人已经认识到,运动信号的对应部分的频率处理将需要在频谱中引入还包含与轮胎的振动模式无关的贡献、例如与滚动期间轮胎在接地印痕区域中所经历的宏观变形有关的贡献的信息。
通过(在时域中)过滤运动信号的(至少)与接地印痕区域相对应的部分,因此可以获得其中频率信息基本上仅包含与轮胎自身的振动模式有关的贡献的频谱,从而允许获得准确且可靠的频谱分析并因此获得对轮胎状态的可靠且精确的确定。
在不受任何理论限制的情况下,申请人已经认识到从经过滤的运动信号中获得的频谱代表轮胎自身的振动模式,并且特别是已经认识到可以在频谱中区分轮胎的每个振动模式或轮胎的每个振动模式组合。因此,从频谱中可以确定轮胎所处的状态,因为轮胎状态的可能变化导致轮胎的至少一种振动模式(或至少一种振动模式组合)的频率变化,这又被反映在频谱的变化中:这种变化然后可以被识别。轮胎状态的变化可能与例如由于轮胎的损坏或破损造成的例如胎面带的磨损和/或胎体的损坏和/或轮胎的完整性损失有关。
本发明在一个或多个前述方面中可以具有以下优选特征中的一个或多个。
优选地,所述至少一个处理单元被编程和配置用于执行本发明的方法的实施例中的任何一个。
在一个实施例中,对于每一转圈,运动信号的被过滤的部分在时间上对应于轮胎的相对于所述轮胎的旋转轴线形成大于或等于100°、更优选地大于或等于120°和/或小于或等于220°、更优选地小于或等于200°的角度的转圈部分。例如,发生过滤的该转圈部分以接地印痕区域的中心为中心形成180°的角度。以这种方式,该方法更加精确,因为其过滤了运动信号的可能潜在地包含与轮胎的振动模式不直接有关的信息贡献的整个部分。
优选地,对运动信号的所述部分的过滤包括将所述运动信号乘以减小因子。优选地,所述减少因子是窗函数,更优选地是汉宁窗。以这种方式,可以显著减少运动信号的对应于胎冠部在轮胎的接地印痕区域中的每次经过的部分的信息含量。
优选地,所述窗函数具有以所述接地印痕区域的中心为中心的钟形形状。换句话说,当相关的胎冠部处于接地印痕区域的中心处时,窗函数呈现最小值(典型地等于0),远离中心移动则逐渐增大,直到在所选窗的边缘(其也可以与一整个转圈重合)处呈现最大值(典型地等于1)。以这种方式,可以根据相关胎冠部相对于轮胎的接地印痕区域的位置逐渐减小运动信号的该部分的值。
在一个实施例中,对运动信号的所述部分的过滤包括将运动信号的所述部分减少到零值,或者优选地去除运动信号的所述部分。以这种方式,过滤和/或随后的频率分析需要较少的计算资源。
优选地,假如车辆的侧向加速度小于或等于2m/s2,更优选地小于或等于1m/s2,甚至更优选地小于或等于0.5m/s2(绝对值),则执行所述运动信号的采集。换句话说,典型地在车辆(基本上)直线前进期间采集运动信号,例如在转弯期间不发生运动信号的采集。
优选地,假如车辆的纵向加速度小于或等于2m/s2,更优选地小于或等于1m/s2,甚至更优选地小于或等于0.5m/s2(绝对值),则进行所述运动信号的采集。换句话说,运动信号是在车辆的前进速度(基本上)恒定的条件下采集的,例如在车辆的加速或制动阶段期间不发生运动信号的采集。
申请人已经通过实验验证了,在这些条件中的一个或两个下,频率分析的可靠性、准确性和/或精确度得到改善。这可能是由于以下事实:在这些条件中的一个或两个下,可以限制对运动信号的与轮胎的振动模式之外的现象相关联的可能干扰,这种干扰在频谱中引入了与轮胎的振动模式无关的信息贡献。
优选地,该***包括加速度传感器,该加速度传感器更优选地安装到所述车辆上,以用于检测车辆的纵向和/或侧向加速度,该加速度传感器连接到所述至少一个处理单元。以这种方式,当纵向加速度和/或侧向加速度在前述值范围内时,可以检测车辆的纵向和/或侧向加速度以驱动运动信号的采集。
优选地,假如车辆的前进速度大于或等于20km/h、更优选地大于或等于30km/h和/或小于或等于80km/h、更优选地小于或等于70km/h,则执行所述运动信号的采集。申请人已经验证了,在车辆的前进速度的这个范围内,可以获得高质量的用于频率处理的运动信号。
优选地,该***包括速度传感器,该速度传感器更优选地安装到所述车辆上,以用于检测车辆的前进速度,该速度传感器连接到所述至少一个处理单元。以这种方式,当前进速度在前述值范围内时,可以检测车辆的前进速度以驱动运动信号的采集。
优选地,轮胎的所述多个转圈包含大于或等于300、更优选地大于或等于400、甚至更优选地大于或等于500并且优选地小于或等于2000、更优选地小于或等于1500、甚至更优选地小于或等于1000的所述转圈的总数。申请人已经通过实验验证了,该值范围是频谱分析的高可靠性和精确度(取决于所采集信号的时间长度)与存储容量、处理容量、采集时间和/或能量消耗的有关要求之间的良好折衷。
在一个实施例中,所述运动信号包括分别在时间上对应于多个连续时间区间的多个运动信号部分。
优选地,每个连续时间区间与(在时间上)随后的连续时间区间在时间上分开。换句话说,所述运动信号是通过以相对于彼此间隔开的时间区间采集信号部分而获得的。
申请人已经验证了以这种方式可以获得频谱分析的可靠性和/或准确性的改善,而且可以使该方法与车辆的正常使用兼容。申请人实际上已经认识到,在轮胎使用期间运动信号的采集条件显著影响所获得的频谱的质量(就信息含量而言)并因此也影响随后对轮胎状态的估计。特别地,申请人已经认识到,为了改善该方法的质量、可靠性和精确度,并且为了准确地识别轮胎的不同状态(例如轮胎的不同磨损水平),有利的是通过改变轮胎的激励条件以完全激励轮胎来采集信号。由时间上不接连的不同部分构成并且因此代表车辆前行的时间和空间上间隔开的条件的运动信号的采集使得代表轮胎及其振动模式的不同激励条件的信号部分的采集合理地成为可能,从而使得所得频谱的信息含量更丰富和更完整。此外,该技术允许考虑到该方法的采集条件且与车辆的正常使用(在此期间,条件以不可预测的方式并且与本方法的要求无关地变化)兼容地获得关于(典型地预定的)足够的总转圈数的信号,尽管是在不同的采集中。
在一个备选实施例中,所述运动信号包括在时间上对应于连续时间区间的一个且仅一个运动信号部分。以这种方式,在可能的情况下,在短时间内采集运动信号,以便加速对所获得信号进行的处理。
典型地,每个运动信号部分在时间上对应于所述轮胎的至少一个转圈,更优选地对应于相应的多个转圈。
优选地规定:将车辆的前进速度分类为多个速度子区间、更优选地彼此不相交(即,甚至不部分重叠)的多个速度子区间。优选地,所述多个包括至少三个速度子区间和/或不超过十二个速度子区间,更优选地不超过十个速度子区间。
优选地,每个速度子区间具有大于或等于4km/h、更优选地大于或等于6km/h和/或小于或等于20km/h、更优选地小于或等于15km/h的宽度。以这种方式,轮胎在两个不同的子区间中的激励条件彼此显著不同。
优选地,所述运动信号包括多组所述运动信号部分。优选地,各组信号部分在每个组总体上所对应的轮胎转圈方面基本上彼此均同。
优选地,假如车辆的前进速度被包括在相应的速度子区间中,则采集每个组的所述运动信号部分。以这种方式,可以监测在特定速度子区间和/或每个速度子区间中和因此在轮胎的特定激励条件下采集的转圈数。
在一个实施例中,至少一组(优选每组)运动信号部分包括一个且仅一个连续运动信号部分。
优选地,每组信号部分在时间上对应于大于或等于10、更优选地大于或等于20并且小于或等于180、更优选地小于或等于150的转圈数。以这种方式,各组运动信号部分具有足够的总时间长度,以便能够将重要的信息含量赋予频谱,同时维持该组运动信号部分在持续时间内受到限制,以便不给存储容量和处理容量和/或能量消耗的要求造成过多负担。
优选地,所述确定轮胎的所述状态是基于所述频谱的时间趋势、更优选地是基于在从20Hz到200Hz、更优选地到120Hz的频率范围内的频谱的(优选连续的)部分的时间趋势来执行的。以这种方式,可以监测与频谱并且特别是频谱的在20Hz至200Hz之间包括的部分随时间的变化直接相关的轮胎状态的可能变化,申请人认为频谱的该部分是具有较高信息含量的部分,因为轮胎的第一振动模式中的至少一些在此频率范围内。
优选地,所述频谱包括多个峰。申请人已经认识到,频谱的多个峰代表轮胎的振动模式,并且特别是每个峰代表轮胎的特定振动模式或轮胎的特定振动模式组合。
优选地规定:识别所述多个峰中的所确定的峰并确定所确定的峰的频率。优选地,基于所述所确定的峰的所述频率、更优选地基于所确定的峰的所述频率的时间趋势,执行所述确定轮胎的所述状态。申请人实际上已经认识到,所确定的峰代表轮胎的有利地可以在频谱内容易地识别的选定振动模式(或相同振动模式组合)。因此,通过监测所确定的峰随时间的频率,可以获得对轮胎状态的简单、可靠且准确的确定。
优选地,所确定的峰的所述频率是轮胎的振动模式(或振动模式组合)的模态频率,更优选地在振动模式的以下组中选择:侧向平移、竖直平移、水平平移、围绕轮胎旋转轴线(Y)的扭转、围绕竖直轴线(Z)的扭转和围绕水平轴线(X)的扭转。申请人实际上已经认识到,轮胎的前述六个第一振动模式由相应的模态频率表征,该模态频率典型地在频谱的特定频率范围内。因此,代表六个第一振动模式的峰可从频谱中容易地识别,使得可以由随时间对这些峰的频率的监测或者换句话说由这种峰的频率随时间的变化来评估轮胎状态的可能变化。
优选地,所述运动信号是加速度测量信号(备选地其是速度信号或位移/变形信号),其代表由所述轮胎的所述胎冠部、更优选地由轮胎内表面的属于所述轮胎的所述胎冠部的部分所经历的加速度、更优选地线性加速度(或速度或位移/变形)的至少一个分量。以这种方式,由安装在轮胎的受保护部分(诸如其内腔)中的传感器采集允许给出频谱中的振动模式的可识别表示(即,由峰表示)的信号。
优选地,加速度的所述至少一个分量在以下组中选择:轴向分量、径向分量和切向分量。以这种方式,轮胎的第一振动模式被有效地检测到。
优选地,所述运动传感器是加速度测量传感器(备选地是速度传感器或位移/变形传感器),其被构造用于检测由所述轮胎的所述胎冠部、更优选地由轮胎内表面的属于所述轮胎的所述胎冠部的部分所经历的加速度、更优选地线性加速度(或速度或位移/变形)的至少一个分量(至多三个分量)。优选地,所述运动传感器固定在内表面的所述部分处。
优选地,所述识别所述所确定的峰包括:
-在所述频谱中,对所述多个峰中的峰进行排序,将顺序(递增)次序n分配给频谱中的每个峰的频率的递增值;
-在所述频谱中,识别次序为n的峰,所述次序为n的峰是所述所确定的峰。
以这种方式,简单地选择代表轮胎的振动模式(或振动模式组合)的峰。
在其中所述运动信号代表所述运动的轴向(即侧向)分量的一个实施例中,优选地,所述次序n等于一。
-优选地,所述识别所述所确定的峰包括:在所述频谱中,识别在预定频率范围内、更优选地从20Hz(更优选地从25Hz、甚至更优选地从30Hz)直到100Hz(更优选地直到80Hz、甚至更优选地直到60Hz)内的峰。
申请人已经认识到,当采集代表运动(例如加速度)的轴向分量的运动(例如加速度测量)信号并且获得信号的频谱时,频谱中的次序为一的峰表示轮胎的第一侧向平移振动模式,该次序为一的峰通常位于前述频率范围内(并且因此可以根据次序和/或根据频率位置来识别)。申请人认为,这种模式特别有利于用于确定轮胎的状态,因为其可在频谱中容易地识别,这又是因为其位于频谱的如下部分中,在该部分中,轮胎的其他振动模式的贡献基本上不存在并且因此其是频谱的该部分中的唯一明显的峰。申请人已经发现,侧向平移振动模式基本上没有轮胎的其他振动模式的干涉,和/或其基本上不受振动现象之外的因素的影响,但是其(基本上)只受在采集运动信号时轮胎所处状态的影响。因此,侧向平移振动模式的频率变化允许获得轮胎所处状态的对应变化的直接且明确的指示,从而使得对轮胎状态的确定准确且可靠。
优选地,所述确定轮胎的所述状态包括:假如所确定的峰的所述频率在时间上降低,则确定所述轮胎的结构完整性损失状态。
优选地,所述确定轮胎的所述状态包括:假如所确定的峰的所述频率在时间上增加,则确定所述轮胎(的胎面带)的磨损状态。
申请人实际上已经认识到,至少对于带束层没有经受变形的轮胎的六个第一振动模式,模态频率(f)的平方与模态刚度(k)成正比并且与模态质量或者惯性矩(m)成反比,这三个量由数学公式联系起来。申请人已经观察到,对于轮胎,模态刚度和模态质量可以被认为是相互独立的量,因为模态刚度基本上由胎体的刚度确定,而模态质量基本上由弹性体化合物的质量确定(并且特别是主要由胎面带和部分侧壁的质量确定),并且这些量在轮胎的操作寿命期间基本上保持恒定或者至多减小(假如轮胎的操作参数保持恒定):例如,在轮胎的使用期间,胎体刚度的显著增加或者弹性体化合物质量的增加典型地是不可能的。因此,在其中例如发生胎面质量减少的轮胎磨损的情况下,相对于未磨损的轮胎的模态质量,将存在轮胎的模态质量的减少,由此引起模态频率的增加。相反,在其中胎体刚度减少的结构完整性损失的情况下,相对于轮胎基本上未受损时的模态刚度,将发生轮胎的模态刚度的减少,由此引起模态频率的减少。
优选地,所述轮胎的磨损状态的确定通过以下方式执行:
-确定轮胎在基准状态下的基准模态质量;
-确定轮胎在所述基准状态下的基准模态刚度;
-根据所述基准模态质量、所述基准模态刚度、所确定的峰的所述频率以及根据所述轮胎的物理和几何参数(例如,轮胎部件的几何半径、胎面宽度等),确定所述轮胎的胎面的厚度。
优选地,所述基准模态质量大于或等于所述轮胎为新轮胎时的总质量的60%,更优选地大于或等于该总质量的65%,和/或小于或等于该总质量的85%,更优选地小于或等于该总质量的82%。
优选地,所述基准状态是未损坏且未磨损的轮胎的状态(即,除了如下所解释的有限里程之外,轮胎基本上是新的)。以这种方式,基准状态表示轮胎的可接受状态。
优选地规定:假如所述车辆自从装配有处于新状态的轮胎时已经行驶了预定距离,则确定所述基准状态。例如,所述距离大于或等于300km,更优选地大于或等于500km,并且更优选地小于或等于1000km。以这种方式,可以允许轮胎的松弛,这释放了在生产过程期间(特别是在硫化步骤期间)积累的张力,但轮胎没有显著磨损。因此,去除了轮胎操作寿命的初始过渡阶段(例如,在最初的数百千米内),在该初始过渡阶段中,轮胎仍然具有不反映其然后在其操作寿命的剩余部分内将呈现的配置的配置(除非结构失效)。
优选地,所述确定轮胎的所述基准模态刚度根据轮胎的所述基准模态质量和在所述轮胎处于基准状态下确定的所确定的峰的所述频率来执行。以这种方式,可以获得基准模态刚度的值,根据申请人,该值是从轮胎已经呈现基准状态开始时典型地在轮胎的整个操作寿命期间(假定轮胎的操作条件相同且轮胎的完整性相同)保持基本上恒定的值。
优选地,在所述轮胎的一个或多个操作参数的相应当前值下执行所述采集所述运动信号,并且所述方法包括检测所述一个或多个操作参数的所述相应当前值。
优选地,所述轮胎的所述一个或多个操作参数在以下组中选择:压力、前进速度、温度和竖直载荷。
以这种方式,控制可能影响轮胎胎体刚度的操作参数,从而控制模态频率。
优选地,该***包括压力传感器,该压力传感器更优选地安装到所述轮胎上,以用于检测轮胎的压力,该压力传感器连接到所述至少一个处理单元。
在一个实施例中,该***包括用于检测轮胎的内部温度的温度传感器,该温度传感器连接到所述至少一个处理单元。
以这种方式,可以准确地测量轮胎的操作参数的值并控制轮胎的操作参数随时间的潜在变化,而该变化可能会限制该方法的可靠性。
优选地,所述基于所述频谱确定轮胎的所述状态根据所述一个或多个操作参数来执行,更优选地至少根据所述压力来执行。
优选地,所述采集所述运动信号、过滤运动信号的所述部分、获得所述频谱以及基于所述频谱、更优选地基于所确定的峰的所述频率来确定轮胎的所述状态在所述轮胎处于所述基准状态的车辆的第一操作阶段中执行,并且典型地以迭代的方式在所述第一操作阶段之后的车辆的第二操作阶段中执行。以这种方式,通过比较在第一操作阶段和第二操作阶段中获得的频谱(优选所确定的峰的频率),可以评估完全地在轮胎装配在车辆上的情况下以及在车辆正常使用期间轮胎状态的变化。申请人实际上已经观察到,在第一操作阶段中获得的频谱代表轮胎处于基准状态下的轮胎的振动模式,这有利地可以与基本上新的轮胎的状态一致,而在第二操作阶段中获得的频谱代表轮胎处于可能不同于基准状态的当前状态下的轮胎的振动模式。根据该观察,申请人已经认识到,可以通过比较在第一操作阶段和第二操作阶段中获得的频谱并评估两个频谱之间的任何变化来确定轮胎的状态,从而实施用于在轮胎装配在车辆上的情况下监测轮胎的状态的整个方法(即,没有预先校准)并限制高估或低估轮胎所处的状态、例如磨损或结构完整性状态的可能性。
优选地,确定所述轮胎的所述磨损状态包括计算轮胎的模态质量减少。
优选地,所述模态质量减少通过基准频率与在第二操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的所述频率之间的二次比来计算。优选地,所述基准频率根据在所述第一操作阶段中获得的所述频谱的所确定的峰的所述频率和分别在所述第一操作阶段和第二操作阶段中检测到的所述轮胎的至少一个压力值来计算。备选地,所述模态质量减少通过所述基准模态质量与所述轮胎的根据所述基准模态质量和所确定的峰的所述相应频率计算的当前模态质量之间的差来计算。以这种方式,简单地获得轮胎所经历的磨损程度的定性或定量估计。
优选地,所述计算胎面的厚度根据轮胎的所述当前模态质量以及根据轮胎的物理和几何参数来执行,所述物理和几何参数例如是化合物的密度、胎面带的宽度和初始厚度。以这种方式,胎面带厚度的计算被简化,以用于量化轮胎所经历的磨损程度。
附图说明
图1示出了轮胎的一部段的示意性透视和局部视图,该部段包括运动传感器,该运动传感器属于在图中示意性示出的根据本发明的用于监测的***;
图2示出了根据本发明一个实施例的用于监测轮胎的状态的方法的流程图;
图3示意性地示出了应用本发明的方法分别对于轮胎的胎面带的四个不同磨损值获得的频谱的示例;
图4示意性地示出了对运动信号执行的过滤操作的示例。
具体实施方式
本发明的特征和优点将通过下面参考附图对本发明的一些实施例的详细描述来进一步阐明,这些实施例以非限制性示例的方式展现。
在图1中用附图标记100示意性地示出了根据本发明的用于监测轮胎99的状态的***。***100包括运动传感器70,其示例性地为三轴加速度测量传感器,其固定到轮胎99的内表面33的属于轮胎的胎冠部31(即,轮胎的在胎面带32处的部分)的部分30。优选地,加速度测量传感器70安装在轮胎99的正中面(由虚线35指示)处。所有图均未按比例示出,仅用于说明目的。
加速度测量传感器70有利地被放置成使得其三个轴线分别与轴线X(沿着纵向方向)、Y(沿着轴向方向)和Z(沿着径向方向)对准,并且其被构造成单独地检测轮胎的内表面33的部分30所经历的线性加速度的切向分量(沿着X轴线定向)、轴向分量(沿着Y轴线定向)和径向分量(沿着Z轴线定向)。
用于监测的***100包括处理单元80,该处理单元例如通过(例如无线)通信线路A与加速度测量传感器70通信,以接收代表所检测到的线性加速度的三个分量的加速度测量信号。
本发明设想了处理单元的任何布置和逻辑和/或物理分区,该处理单元可以例如是单个物理和/或逻辑单元或由若干不同的且协作的物理和/或逻辑单元组成,这些单元可以全部或部分地放置在加速度测量传感器中、轮胎中、轮辋中、装配有轮胎99的车辆(未示出)上、和/或与装配有轮胎99的车辆相连的远程站中。
示例性地,处理单元80示例性地通过通信线路R(有线或无线地)连接到显示设备73、例如车辆的车载计算机的屏幕,以用于传输轮胎状态的监测结果。
示例性地,用于监测的***100还包括压力传感器71,该压力传感器示例性地容纳在阀内或轮胎99的内表面上(例如靠近传感器70),并且被构造成检测轮胎99的压力(即,输入轮胎内腔的轮胎充气压力)。压力传感器71示例性地通过(例如无线)通信线路P与处理单元80通信以用于传输测量的压力值。
示例性地,用于监测的***100包括速度传感器72,该速度传感器示例性地安装在车辆上,并且被构造成检测车辆的(并且因此轮胎99的)前进速度。速度传感器72示例性地通过通信线路V(有线或无线地)与处理单元80通信以用于传输测量的前进速度值。
示例性地,用于监测的***100还包括加速度传感器74,其示例性地安装到车辆上(例如,形成车辆惯性平台的部分),并被构造用于检测车辆的纵向和/或侧向加速度(并因此检测轮胎99的纵向和/或侧向加速度)。加速度传感器74示例性地通过通信线路E(有线或无线地)与处理单元80通信以用于传输测量的纵向和/或侧向加速度值。
示例性地,处理单元80被编程和配置成执行下面描述的操作。
图2示出了根据本发明的用于监测轮胎99的状态的方法200的示例的操作的流程图,该方法可以由上述用于监测的***100来实施。
优选地,将轮胎99装配1在车辆上并且充气20至期望的压力,该期望的压力示例性地等于轮胎的操作压力,例如等于200kPa。
示例性地,方法200包括确定2(例如在装配轮胎时输入处理单元中的)轮胎的基准模态质量。通常,基准模态质量取决于所选轮胎类型的参数,并且典型地,对于标准轮胎,其值等于轮胎99的总质量的大约75%,对于胎圈区域比胎面区域厚的轮胎,其值等于轮胎的总质量的大约70%,对于胎圈区域比胎面区域薄的轮胎,其值等于轮胎的总质量的大约80%。
随后,在示例性地当车辆从新轮胎条件行驶了大约500km时开始的第一操作阶段中,在轮胎99处于基准状态(在该示例中是松弛的轮胎的状态,即,其已经释放了由于生产过程、例如硫化导致的内应力,但是仍然处于完好的结构完整性和胎面未磨损的状态)的情况下,方法200包括以下操作。
示例性地规定:在第一操作阶段中,检测40轮胎99的压力值,并采集3加速度测量信号,该加速度测量信号仅代表内表面33的部分30在检测到的压力值下所经历的线性加速度的轴向分量。
示例性地,假如车辆的纵向和/或侧向加速度小于或等于0.5m/s2,则执行采集3加速度测量信号。
示例性地,假如车辆的前进速度在20km/h与70km/h之间(包括极限值),则执行采集3加速度测量信号。
示例性地,加速度测量信号在时间上对应于轮胎99的500个转圈。
示例性地规定:将车辆的前进速度分类51为多个速度子区间,例如彼此不相交的五个速度子区间。在该示例中,五个子区间分别为:从20km/h到30km/h、从30km/h到40km/h、从40km/h到50km/h、从50km/h到60km/h以及从60km/h到70km/h。
示例性地,加速度测量信号包括对应于相应的多个连续时间区间的多个加速度测量信号部分,所述多个连续时间区间中的每个连续时间区间示例性地与随后的时间区间在时间上间隔开。
示例性地,加速度测量信号包括五组加速度测量信号部分,其中,假如车辆的前进速度被包括在相应的速度子区间中,则采集每个组的信号部分。
示例性地,就每个组总体上所对应的轮胎99的转圈而言,这些组基本上彼此均同,并且因此每个组总体上对应于轮胎99的大约100个转圈。
属于每个组的信号部分的数量可以根据轮胎99所处的实际条件而变化,并且在本示例中,从最少只有一个部分(如果在单次采集中采集了所有需要的转圈的话)直到最多一百个信号部分。
示例性地,每个组平均包括大约10个信号部分(在不同的时间瞬时取得),并且每个信号部分在时间上对应于轮胎99的平均10个转圈。
示例性地,一旦已经采集了加速度测量信号,就从加速度测量信号中过滤15加速度测量信号的在时间上对应于胎冠部31在轮胎99的接地印痕区域中的每次经过的部分。
示例性地,过滤15信号的该部分包括:对于轮胎的每个整个转圈,将所述运动信号乘以54窗函数,其示例性地为汉宁窗,其示例性地在相关胎冠部31处于接地印痕区域的中心处时呈现最小值并且在相关胎冠部31处于距接地印痕区域的中心180°处时呈现最大值(典型地等于1)。图4示例性地示出了对应于轮胎的一整个转圈的原始加速度测量信号501以及在乘以汉宁窗之后的对应信号502。在该图中可以看到,当胎冠部31在接地印痕区域(由虚线示意性地界定)内时,信号的绝对值如何通过前述乘法运算而大大减小。
备选地,可以示例性地去除加速度测量信号的前述部分(例如对应于180°的旋转)。
在过滤15之后,通过频率分析,规定:获得4经过滤的加速度测量信号的频谱,该频谱示例性地包括多个峰。例如,通过对经过滤的加速度测量信号计算快速傅立叶变换(FFT)16或者通过对经过滤的加速度测量信号执行PSD(功率谱密度)运算来获得该频谱。
示例性地规定:识别5多个峰中的所确定的峰并确定所确定的峰的频率(即,所确定的峰出现处的频率)。
示例性地识别5频谱中的所确定的峰包括:
-识别17多个峰中的每个峰,例如通过识别频谱内具有正二阶导数的拐点(或者通过识别频谱内具有零一阶导数和正二阶导数的点);
-通过将顺序(例如递增)次序n分配给每个峰出现处的频率的递增值来对峰排序18;
-选择19次序为一的峰,其例如位于30-80Hz的频率范围内。
例如,在图3中,曲线300表示在对于未磨损的轮胎获得的频谱的30Hz与120Hz之间包括的部分(考虑对于本示例具有较高信息含量的频谱部分),其中次序为一的峰(用附图标记401指示)和次序为二的峰(用附图标记402指示)以及相应的频率至少部分可见。
示例性地,处理单元80被配置用于存储在车辆的第一操作阶段中确定的所确定的峰的频率。
随后,示例性地在例如行驶1000km之后开始的第二操作阶段中,方法200包括(例如在每行驶50km之后)迭代地执行以下操作:
i)检测41轮胎99在第二操作阶段中的压力的当前值;
ii)采集6加速度测量信号,该加速度测量信号代表在第二操作阶段中在压力的当前值下内表面33的部分30所经历的加速度的侧向分量。在第二操作阶段中的加速度测量信号的采集考虑与在第一操作阶段中的加速度测量信号的采集相同的条件,并且在第二操作阶段中的加速度测量信号如上文所解释的那样构建,即,其在时间上对应于相同的转圈数(示例性地为500)并且由相同数量的信号部分组(示例性地为5个)组成,每个组包括相同的转圈数(示例性地等于100);
iii)如上面示例性地解释的那样,过滤42加速度测量信号的包括接地印痕区域的部分;
iv)获得7经过滤的加速度测量信号在第二操作阶段中的频谱,该频谱示例性地包括相应的多个峰。例如,甚至在第二操作阶段中获得的频谱也是通过对经过滤的加速度测量信号执行快速傅立叶变换(FFT)或PSD运算而获得的;
v)识别8与在第一操作阶段中获得的频谱的多个峰中的所确定的峰相对应的在第二操作阶段中获得的频谱的多个峰中的所确定的峰。在该示例中,在第二操作阶段中识别的所确定的峰也是在第二操作阶段中获得的频谱中的次序为一的峰,并且其在频率范围30-80Hz内;
vi)确定9在第二操作阶段中获得的频谱中识别的所确定的峰的频率。
参考图3,曲线301、302和303表示在对于轮胎99的三个不同磨损值(分别为2mm、4mm和6mm的磨损)在第二操作阶段中获得的三个不同示例性频谱的30Hz与120Hz之间包括的部分。对于这些曲线中的每一个,次序为一的峰(在30Hz至80Hz的频率范围内)和(至少部分地)次序为二的峰(在80Hz以上)以及相应的频率是可见的。
示例性地规定:例如在已经检测到第二操作阶段中的压力的当前值之后,示例性地通过以下数学公式,根据在第一操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率以及在第一操作阶段和第二操作阶段中检测到的压力值确定10基准频率:
其中,f(p)是基准频率;f0是在第一操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率,p和p0是分别在第二操作阶段和第一操作阶段中检测到的压力值,并且αp是预定的数学常数,例如等于0.74。
随后,方法200包括基于基准频率(或者在一个备选实施例中的第一频率)与在第二操作阶段中获得的频谱的所确定的峰的频率之间的比较来确定11轮胎99的状态,以用于示例性地确定轮胎99的完整性损失状态和/或磨损状态。
示例性地,假如所确定的峰的频率增加,即在第二操作阶段中获得的所确定的峰的频率大于基准频率,则确定轮胎99的磨损状态。
示例性地,假如所确定的峰的频率降低,即在第二操作阶段中获得的所确定的峰的频率小于基准频率,则确定轮胎的完整性损失状态。
示例性地还可以计算模态质量百分比减少(与磨损现象相关),例如通过以下公式计算:
其中,Δm%是模态质量百分比减少,f0是基准频率,并且f是在第二操作阶段中获得的所确定的峰的频率。备选地,还可以计算轮胎99的当前模态质量,即由于磨损现象导致的轮胎的残余模态质量,示例性地通过如下公式计算:
其中,m是当前模态质量,并且m0是基准模态质量(例如,在车辆上装配轮胎时采集)。
由当前模态质量m或由模态质量减少Δm%的值,然后可以根据轮胎的物理和几何参数、例如化合物的密度、胎面带的初始宽度和初始厚度导出由于磨损而引起的胎面厚度损失。
Claims (13)
1.一种用于监测装配在车辆上的轮胎(99)的状态的方法(200),所述方法包括:
-在所述车辆运动且所述轮胎(99)旋转的情况下,采集(3、6)代表所述轮胎(99)的胎冠部(31)的运动的运动信号,其中,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈;
-从所述运动信号中过滤(15、42)所述运动信号的至少在时间上对应于所述胎冠部(31)在所述轮胎(99)的接地印痕区域中的每次经过的部分,以用于获得经过滤的运动信号;
-获得(4、7)所述经过滤的运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的所述状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述过滤(15,42)所述运动信号的所述部分包括将所述运动信号乘以窗函数,其中,所述窗函数具有以所述接地印痕区域的中心为中心的钟形形状。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述轮胎(99)的所述多个转圈包括大于或等于300和/或小于或等于2000的所述转圈的总数,并且其中,假如出现以下条件中的一个或多个,则执行采集(3、6)所述运动信号:
-所述车辆的侧向加速度小于或等于2m/s2;
-所述车辆的纵向加速度小于或等于2m/s2;
-所述车辆的前进速度大于或等于20km/h和/或小于或等于80km/h。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述运动信号包括分别在时间上对应于多个连续时间区间的多个运动信号部分,其中,每个连续时间区间与在时间上随后的连续时间区间在时间上分开,并且其中,每个运动信号部分在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈。
5.根据权利要求4所述的方法,包括将所述车辆的前进速度分类为彼此不相交的多个速度子区间,并且其中,每个速度子区间具有大于或等于4km/h和/或小于或等于20km/h的宽度,
其中,所述运动信号包括多组所述运动信号部分,其中,假如所述车辆的所述前进速度被包括在相应的速度子区间中,则采集每个组的所述运动信号部分,并且其中,就每个组总体上所对应的轮胎转圈而言,各组信号部分基本上彼此均同。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述运动信号是代表所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)所经历的线性加速度的至少一个分量的加速度测量信号,并且其中,加速度的所述至少一个分量选自以下组:轴向分量、径向分量和切向分量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述频谱包括多个峰,其中,所述方法(200)包括识别(5、8)所述多个峰中的所确定的峰并确定(9)所述所确定的峰的频率,其中,所述确定(11)所述轮胎(99)的所述状态是基于所述所确定的峰的所述频率的时间趋势进行的,并且其中,所述确定(11)所述轮胎(99)的所述状态包括:
-假如所述所确定的峰的所述频率在时间上降低,则确定所述轮胎(99)的结构完整性损失状态,
-假如所述所确定的峰的所述频率在时间上增加,则确定所述轮胎(99)的胎面的磨损状态。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述所确定的峰的所述频率是所述轮胎(99)的振动模式的模态频率,所述振动模式选自第一振动模式的以下组:侧向平移、竖直平移、水平平移、围绕所述轮胎的旋转轴线(Y)的扭转、围绕竖直轴线(Z)的扭转以及围绕水平轴线(X)的扭转。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其中,所述识别(5、8)所述所确定的峰包括:
-在所述频谱中,对所述多个峰中的峰进行排序,将顺序次序n分配给所述频谱中的每个峰的频率的递增值;
-在所述频谱中,识别次序为n的峰,所述次序为n的峰是所述所确定的峰,
或者
在所述频谱中,识别在从20Hz到100Hz的预定频率范围内的峰。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,确定(11)所述轮胎(99)的所述状态包括通过以下方式确定所述轮胎(99)的磨损状态:
-确定所述轮胎(99)在基准状态下的基准模态质量,其中,所述基准模态质量大于或等于所述轮胎(99)为新轮胎时的总质量的60%和/或小于或等于所述总质量的85%;
-根据所述轮胎(99)的所述基准模态质量并且根据所述轮胎(99)在所述基准状态下确定的所确定的峰的所述频率,确定所述轮胎(99)在所述基准状态下的基准模态刚度;
-根据所述基准模态质量、所述基准模态刚度、所述所确定的峰的所述频率以及根据所述轮胎(99)的物理和几何参数,确定所述轮胎(99)的胎面的厚度,
其中,所述基准状态是未损坏且未磨损的轮胎(99)的状态,并且其中,所述方法(200)包括假如所述车辆自从装配有处于新状态的轮胎(99)时已经行驶了大于或等于300km且小于或等于1000km的距离,则确定所述基准状态。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200),其中,所述采集(3、6)所述运动信号、过滤(15,42)所述运动信号的所述部分、获得(4,7)所述频谱以及基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的所述状态是在所述轮胎处于基准状态的所述车辆的第一操作阶段中和在所述第一操作阶段之后的所述车辆的第二操作阶段中执行的。
12.一种用于监测装配在车辆上的轮胎(99)的状态的***(100),所述***包括:
-运动传感器(70),所述运动传感器固定在所述轮胎(99)的胎冠部(31)处并被配置用于检测所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)的运动;
-至少一个处理单元(80),所述至少一个处理单元与所述运动传感器(70)通信并被编程和配置用于:
-在所述车辆运动且所述轮胎旋转的情况下,采集(3,6)代表所述轮胎(99)的胎冠部(31)的运动的运动信号,其中,所述运动信号在时间上对应于所述轮胎(99)的多个转圈;
-从所述运动信号中过滤(15、42)所述运动信号的至少在时间上对应于所述胎冠部(31)在所述轮胎(99)的接地印痕区域中的每次经过的部分,以用于获得经过滤的运动信号;
-获得(4)所述经过滤的运动信号的频谱;
-基于所述频谱确定(11)所述轮胎(99)的所述状态。
13.根据权利要求12所述的***(100),其中,所述运动传感器(70)是加速度测量传感器,所述加速度测量传感器被构造用于检测所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)所经历的线性加速度的分量,其中,所述运动传感器(70)固定在所述轮胎(99)的内表面(33)的属于所述轮胎(99)的所述胎冠部(31)的部分(30)处,其中,所述***(100)包括:
-速度传感器(72),所述速度传感器安装到所述车辆上,以用于检测所述车辆的前进速度,所述速度传感器(72)连接到所述至少一个处理单元(80);
-加速度传感器(74),所述加速度传感器安装到所述车辆上,以用于检测所述车辆的纵向和/或侧向加速度,所述加速度传感器(74)连接到所述至少一个处理单元(80),
并且其中,所述至少一个处理单元(80)被编程和配置用于执行根据权利要求2至11中的一项或多项所述的用于监测的方法。
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