IT201800009737A1 - Sistema di misurazione dell'aderenza delle ruote di un autoveicolo alla superficie stradale tramite uso di trasduttori di forza inseriti nelle sospensioni per rilevare le forze trasversali trasmesse dalle ruote al veicolo - Google Patents

Description

Descrizione dell’ invenzione industriale avente per titolo

SISTEMA DI MISURAZIONE DELL’ADERENZA DELLE RUOTE DI UN AUTOVEICOLO ALLA SUPERFICIE STRADALE TRAMITE USO DI TRASDUTTORI DI FORZA INSERITI NELLE SOSPENSIONI PER RILEVARE LE FORZE TRASVERSALI TRASMESSE DALLE RUOTE AL VEICOLO

La necessità di monitorare, in tempo reale, la tenuta di strada di un autoveicolo ha una importanza sempre maggiore a nostri giorni, sia per l' aumentata richiesta da parte dei consumatori di dispositivi che incrementano la sicurezza di marcia, sia per una sempre più complessa normativa di scurezza stradale che deve e dovrà rapportarsi con la diffusionedei sistemi di guida autonoma Per tali sistemi èrichiestoun numero di dati sempre più preciso e ampio possibile sulle condizioni dinamiche del veicolo e quindi anche sulle condizioni di aderenza dei pneumatici alla strada

Sono noti ad oggi, sistemi per il monitoraggio delle variabili chiave nella dinamica del veicolo con uso di sensori che acquisiscono informazioni sulla dinamica globale del veicolo e sul rotolamento delle sue ruote. Questi sistemi riconoscono la perdita di aderenza longitudinale dello pneumatico nei casi in cui la ruota si blocca o ha un numero di giri diverso da quello atteso, inoltre tali sistemi riconoscono la perdita di aderenza laterale dello pneumatico nei casi in cui i valori provenienti dai sensori di imbardata e accelerazione laterali del veicolo risultino diversi dai valori attesi, ad esempio durante un sottosterzo nella percorrenza di una curva.

I limiti di tali sistemi, nel rilevare l’aderenza longitudinale e laterale del pneumatico consistono nella incapacità, in alcune condizioni dinamiche, come nella guida in rettilineo a velocità costante, di rilevare la riduzione o perdita di aderenza degli pneumatici prima che un cambiamento delle condizioni dinamiche del vacolo richieda un livello di aderenza superi ore a quel lo disponibile.

Inoltre questi sistemi rilevano una perdita di aderenza principalmente quando il veicolo si trova in una condizione dinamica non stabilizzata come appunto durante una frenata, un sovrasterzo o un sottosterzo, quando cioè a causa della perdita di aderenza vi è la necessita di stabilizzare il veicolo, mentre non discriminano in modo sufficientemente accurato e tempestivo la condizione di riduzione di aderenza che precede la perdita totale di aderenza

Sono altresì noti sistemi peril monitoraggio della aderenza del pneumatico, attraverso sensori inseriti nel medesimo, che monitorano con vari e tecniche la deformazione del batti strada nel punto di contatto con il suolo al fine di ricavarne dati utili adeterminare il grado di aderenza con la superficie stradala Tra gli svantaggi di questo secondo tipo di sistemi vi è sicuramente l aumentato costo dello pneumatico ma anche l'aumentata complessità di ricezione dei dati provenienti dai sensori.

Per ovviare ad alcuni aspetti svantaggio degli atuali sistemi di rilevamento della aderenza, nasce quindi l’esigenza di realizzare un sistema innovativo con lo scopo di misurare vantaggiosamente la riduzione di aderenza tra i normali pneumatici e la superficie stradale, attraverso la rilevazione delle forze di interazione laterale con il suolo che hanno gli pneumatici. Queste forze che si trasmettono tra le ruote e il veicolo in direzione trasversale rispetto allasse longitudinale del veicolo, verranno ri levate vantaggiosamente attraverso sensori inseriti nelle sospensioni del veicolo. Sommario dell’ invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema in grado di rilevare, in un autoveicolo, il grado di aderenza alla superficie stradale, o più precisamente il grado di aderenza residua, di ruote dotate di normali pneumatici, attraverso misurazioni con trasduttori di forza collocati nelle sospensioni dell’ autoveicolo, che rilevano le forze trasversali trasmesse dalle ruote al vicolo. Queste forze che si manifestano come forze di compressione e/o di trazione in alcuni elementi delle sospensoni, sono generate durante la marcia dalla interazione che vi è tra il pneumatico e la superficie stradala

L’ intensità di queste forze dipende dalla capacità del pneumatico, cioè dal suo grado di aderenza, di contrastare le forze di interazione laterale generate durante la marcia del veicolo.

Il di spositivo vantaggi osamente ha lo scopo di misurare proprio l’intensità di tali forze per salire all’ adeenza residua del pneumatico ossia a quel la fase in cui il pneumatico passa da una condizione di adaenza massima, dove nella sua area di contatto con il suolo non vi sono zone di strisciamento, a una di adaenza diminuita ossia quando nella area di contatto con il suolo vi sono zone di strisciamento, fino a rilevane la padita di aderenza ossia quando in tutta l'area di contatto del pneumatico con il suolo vi è strisciamento.

Il principio fisico usato dall'invenzione è ora spiegato:

Il motivo pa il quale si è deciso di utilizzae le forze trasvasali passanti pa le sospensioni quali variabili utile nel calcolo della riduzione di aderenza del pneumatico è dovuto alla relazione nota che vi è tra l' aderenza longitudinale del pneumatico e quella latere. Sono noti studi sulla interazione tra pneumàico e suolo che hanno portato alla determinazione delle cosiddette “ellissi di aderenza”, queste mostrano come un pneumatico, in fase di rotolamento, abbiaa propria disposizione un “capitale di aderenza” da spendere nella forza di interazione longitudinale con il suolo piuttosto che nella forza di interazione laterale e significa che quando impegna parte di questo capitale in una interazione, ne resta di meno per l’altra Questo “capitale di aderenza” d permette quindi di affermare che quando le condizioni di aderenza longitudinale diminuiscono o non sono soddisfatte, diminuiscono o non sono soddisfatte nemmeno quelle di aderenza laterale. Pertanto questi due tipi di aderenza sono i nterdi pendenti .

Per i motivi menzionati fino ad ora, l’invenzione oggetto di questo brevetto considera le forze trasmesse trasversalmente alla sospensione e qui prese in esame, come indicatori carati ai stia con cui realizzare un innovativo sistema di rilevazione della riduzione di aderenza degli pneumatici.

Opportunamente la presente invenzione tiene in considerazione il parametro di orientamento longitudinale delle ruote del veicolo, che sono disposte con assi di convergenza e/o divergenza rispetto all’asse longitudinale del veicolo. Questa carattaistica è il motivo il quale durante il rotolamento delle ruote anche in marcia rettilinea e velocità costante si trasmettono sempre, nelle sospensioni dell’ autoveicolo, forze trasversali rispetto all’asse longitudinale del veicolo. Pertanto vantaggiosamente il sistema oggetto di questa invenzione è in grado di rilevare la perdita di aderenza del le ruote in tutte le condizioni dinamiche in cui si può trovare un autoveicolo in movimento. L’intensità e la variazione di queste forze die sono di compressione e/o di trazione, dipende dalla geometria della sospensione, dall’ orientamento del la ruota, dalla velocità del veicolo, dal gripdei pneumatico, dalle forze di interazione laterale e longitudinale e dalle varie fasi di guida e condizioni dinamiche in cui si trova il veicolo.

Il sistema utilizza trasduttori di forzainseriti nel le sospensioni che convertono le forzi rilevate in segnali elettrici, questi sensori potranno essere realizzati con varie tecnologie note o con la combinazione di queste. A scopo indicativo e non limitativo potranno essere usati sensori piezoelettrici e/o sensori piezoresistivi elo sensori a film sottiledotati di estensimetri eresistori e/o sensori di pressione capacitiva

Le rilevazioni di questi trasduttori di forza vengono acquisite da una centralina elettronica appartenente al si sterna oggetto di questa invenzione.

Tale centralina ricava il dato di aderenza degli pneumatici attraverso l’elaborazione delle rilevazioni dei sensori di forza, sopra menzionati, congiuntamente alle altre informazioni dinamiche del veicolo. Tali informazioni possono essere opportunamente ottenute attraverso propri sensori facilmente desumibili dallo stato della tecnica, o in maniera più vantaggiosa, e quindi preferita, attraverso i sistemi di controllo attivo già presenti, comeABS ed ESP. Gli algoritmi di tale centralina sono basati su una logica di confronto tra un modello di riferimento ideale della dinamica del veicolo con aderenza ottimale e il modello reale rilevato dai sensori. A parità di tutte le condizioni dinamiche del veicolo, in presenza di una diminuzione della intensità della forza trasmessa trasversalmente alla sospensione rispetto a quella attesa, la centralina calcola la proporzionale diminuzione di aderenza dello pneumatico alla strada e procede ad inviare i dati elaborati sia al conducente sia agli altri sistemi di bordo in modo che entrambi siano informati sulla aderenza alla superficie stradale di ogni ruota monitorata

Il sistema tiene in considerazione sempre i dati provenienti da una ruota rispetto la ruota opposta delle stesso assale pertanto il sistema è sempre applicato su vicoli dotati di assali con almeno due ruota

Per calcolare la riduzione di aderenza degli pneumatici del l’autoveicolo ala strada il sistema opportunamente ricevere ed elabora i seguenti dati: velocità del veicolo, accelerazioni e decelerazioni sui vari piani e assi, angolo sterzo, pedale freno, coppia motore e forze trasversali di compressione e/o di trazione scaricate nelle sospensioni. Come accennato, per il suo funzionamento il sistema deve essere prima tarato sui valori registrati in condizioni di aderenza ottimale, una volta ottenute le misure di riferimento, che potremmo chiamare “dati attesi ideali”, la centralina grazie ad un algoritmo confronterà i valori reali provenienti dai trasduttori di forza con i valori del modello ideale In caso di un discostamento da dati attesi ideali, la centralina calcolerà la graduale riduzione di aderenza delle ruote monitorate rispetto alla superficie stradale. Maggiore sarà il di scostamento, maggiore sarà la riduzione di aderenza del pneumatico monitorato, fino alla perdi tatotale di aderenza Vantaggiosamente i dati di aderenza di ogni ruota monitorata vengono inviati al guidatore tramite un indicatore, e nel caso il livello di aderenza sia pericolosamente basso o vi sia mancanza di aderenza ad un dispositivo collegato alo sterzo che produrrà del le vibrazioni di alerta

I d di aderenza di ogni ruota vengono in oltre inviai vantaggiosamente à dispositivi di controllo di stabilità, anti bloccaggio freni e anti slittamento e, se presenti, sstemi di guida autonoma e semi autonoma

In oltre i dati di riduzione di aderenza potranno essere vantaggiosamente inviati in caso di vicoli dotati di superfic aerodinamiche mobili, ale centraine che le controllano.

Il presente sistema necessita per il suo funzionamento di conoscere le condizioni dinamiche in cui il vicolo si trova queste informazioni ameno in parte possono essere ottenute ricevendo un flusso di dati direttamente dalla centralina di controllo di stabilità del veicolo come quella del noto sistema ESP, essendo uno degli scopi del sistema oggetto dell’ invenzione quello di inviare i dati da lui elaborati ai sistemi di sicurezza attiva e quindi anche alla centralina ESP risulta evidente che tra i due sistemi vi è un continuo scambio di dati sia in entrata che in usata

Pertanto, nella presente invenzione, non si esclude di poter integrare vantaggiosamente in una unica centralina sia la centralina elettronica del sistema oggetto di questa invenzione sia la centralina elettronica di un sistema di controllo di stabilità del veicolo, come a titolo di esempio la centrai ina del sistema ESP.

Un altro aspetto della presente invenzione è quello di prevedere l’uso di un numero opportunamente variabile di sensori di forza collocati tra le ruote e il telaio del veicolo, precisamente nelle sospensioni, da un minimo di un sensore per ogni sospensione, ossia per ogni ruota che si vuole monitorare, fino ad un numero convenientemente maggiore, la variabile di questo numero dipende dalla geometria delle sospensioni.

Altro aspetto della presente invenzione riguarda il posizionamento dei suddetti sensori di forza che possono essere installati a monte della sospensione, ossia in uno o più punti in cui la sospensione si collega con il veicolo e/o a valle della sospensione, vale a dire in uno o più punti in cui la sospensione si collega e termina con il porta mozzo, da ne deriva che i sensori di forza possono essere opportunamente inseriti in uno o più giunti e/o boccole e/o ancoraggi e/o telaio ausiliario della sospensione.

Inoltre è prevista opportunamente la possibilità opzionale, per aumentare ulteriormente la precisione del sistema, di inserire su ogni assale sterzante una coppia di sensori di forza nei giunti che collegano i tiranti dello sterzo con il porta mozzo, co da rilevare le forze di interazione laterale non passanti per il centro della ruota che sono anch’esse indice indiretto della aderenza del pneumatico con la superfice stradale Tale aggiunta, quando prevista, non modifica il principio di funzionamento sul quale il sistema è basato, ma necessita di una specifica programmazione della centralina in cui i dati provenienti da questi sensori devono essere elaborati tenendo conto che le loro rilevazioni sono soggette ad interferenze causate dalle rotazioni dello sterzo.

Il sistema oggetto di questa invenzione può essere vantaggiosamente configurato per monitorare l’aderenza di un solo assale del autoveicolo, o può essere configurato per monitorare più assali fino a monitorare tutti gli assali questa variazione dipende dà numero di assai che si vogliono monitorare per avere una informazione più completa sul grado di aderenza alla strada d veicolo. Questo permette sistema di essere convenientemente adattabile. Per ottenere le migliori prestazioni di questo sistema, su una tipica autovettura a due ass e quatro ruote, la configurazione otti e prevede il monitoraggio di entrambi gli ass e quindi tutte e quattro le ruote de autoveicolo.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un sistema di misurazione della diminuzione di aderenza degli pneumatici di un’autoveicolo, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta un prospetto schematico del sistema di invenzione oggetto del brevetto per la misurazione della diminuzione di aderenza degli pneumatici in un autoveicolo dotato di 4 ruote e due assali ;

la Fig. 2 rappresenta una vista schematica frontale di una sospensione MacPherson con braccio oscillante inferiore appartenente all’autoveicolo in cui è visibile schematicamente il posizionamento del sensore piezoresistivo utilizzato in questa realizzazione preferita di esempio;

la Fig. 3 rappresenta una vista schematica dall’alto di una sospensione MacPherson con braccio oscillante inferiore appartenente all’autoveicolo nella quale per praticità non è visibile la parte superiore dà porta mozzo e de ammortizzatore ad esso collegato per rendere meglio visibile il posizionamento sensore piezoresistivo all’interno del porta mozzo nel punto di collegamento con la testina del braccio oscillante;

Descrizionein dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’ invenzione Con riferimento alle unite figure è rappresentata in modo schematico (Figura 1) una visione generale di insieme del sisterna oggetto di questo brevetto di misurazione della aderenza degli pneumatici in una sua applicazione preferita su di un autoveicolo, in questa realizzazione il sistema è opportunamente applicato a tutte e quattro le ruote del veicolo per un totale di quattro sensori 2 per un veicolo con quattro ruote 7.

Il sistema qui applicato ad una sospensione con geometria MacPherson (Figura 2-3) e braccio oscillante 3, è costituito da sensori 2 inseriti nel giunto 11 di collegamento del porta mozzo 12 con il perno sferico 13 del braca o oscillante 3.

La centralina elettronica 1 riceve tramite i cablaggi 10 le informazioni misurate dai sensori piezoresistivi 2 delle forze trasversali presenti tra le ruote 7 e i bracci oscillanti 3 attraverso il collegamento tra il giunto 11 del porta mozzo 12 e il perno sferico 13 del braccio oscillante 3. La centralina 1 riceve inoltre informazioni sul comportamento dinamico del veicolo: accelerazioni, decelerazioni, rotazione sugli assi, inclinazioni sugli assi, tramite i sistemi attivi 5 di controllo dinamico del veicolo e cioè ABS, ESP, e TCS e, di altre informazioni 4 di funzionamento del veicolo e cioè coppia motore, pedale freno, velocità, angolo sterzo. La centralina 1 elabora tutte le informazioni e le confronta con il modello di dati attesi ideali per identificare la riduzione di aderenza di ogni ruota 7 e invia questi dati ad uno strumento 8 disponibile all’ utente e in caso di perdita di aderenza ad una unità vibrante 6 posta nello sterzo, invia in oltre i dati di aderenza alle altre centraline 5 di ABS, ESP TCS, instaurando con queste centraline un flusso di dati in entrata e uscita, in modo che le centraline 5 possano adattare il loro intervento nei sistemi che esse controllano. Se presenti nel veicolo, vengono inviate informazioni anche a sistemi 9 di guida autonoma e/o semi autonoma assistita Per ruota 7 si intende in questa descrizione l’insieme costituito almeno dal cerchio e dallo pneumatico.

Per riduzione di aderenza di una ruota 7 si intende in questa descrizione la condizione in cui il pneumatico mantiene un contatto con il piano stradale almeno in parte senza strisciamento e quindi mantiene un certo grado di aderenza longitudinale e laterale. Per perdita di aderenza di una ruota 7 si intende in questa descrizione, la condizione in cui il pneumatico in tutta l’area di contatto con il piano stradale è in condizione di strisciamento o di galleggiamento se in condizione di aquaplaning e quindi in una condizione di perdita di aderenza, sia longitudinale che laterale.

Tutti i componenti del sistema descritto sono disponibili e/o realizzabili con tecnologie note allo stato della tecnica, la centralina 1 e il sensore piezoresistivo 2, utilizzano tecnologie di fabbricazione micro elettroniche totalmente note a stato della tecnica Gli algoritmi di calcolo con i quali la centralina è programmata sono anch’essi implementabili con strumenti noti di programmazione.

Claims (9)

1. Rivendicazioni 1. Sistema di misurazione dell’aderenza delle ruote di un veicolo alla superficie stradale comprendente un numero variabile di trasduttori di forza inseriti nelle sospensioni del veicolo atti a rilevare la trasmissione di forze, in esse passanti e generate dalla interazione delle ruote con la superficie stradale.
2. 2. Sistema conforme alla rivendicazione precedente, che ha come sua caratteristica distintiva quella di usare le forze trasversali, che si generano dalla interazione laterale e longitudinale delle ruote con la superficie stradale durante il loro rotolamento e che sono trasmesse al veicolo, come informazione fondamentale per risalire al grado di aderenza delle ruote.
3. 3. Sistema conforme alla rivendicazione precedente, dotato di trasduttori di forza, inseriti in uno o più punti delle sospensioni dell’autoveicolo, atti a rilevare le forze trasversali trasmesse dalle ruote al telaio o scocca del veicolo tramite le sospensioni.
4. 4. Sistema conforme alle rivendicazioni precedenti, dotato di una centralina elettronica che riceve le rilevazioni dei trasduttori di forza e i dati sulla dinamica del veicolo per ricavarne il grado di aderenza di ogni ruota monitorata, invia quindi tale dato, sia ad un dispositivo indicatore dell’aderenza disponibile per l’utente del veicolo, sia ai sistemi di controllo attivo della guida e della dinamica del veicolo, compresi i sistemi di sicurezza attiva e guida autonoma o semi autonoma, se questi ultimi sono presenti.
5. 5. Sistema conforme a tutte le rivendicazioni precedenti, in cui la medesima centralina elettronica acquisisce i dati relativi alla dinamica e funzionamento del veicolo da propri sensori o più preferibilmente dagli altri sistemi di controllo attivo presenti nel veicolo.
6. 6. Sistema conforme a tutte rivendicazioni precedenti, in cui la medesima centralina elettronica elabora i dati ricevuti usando algoritmi basati su una logica di messa in confronto, tra un modello di rilevazioni ideali corrispondenti alla massima aderenza del veicolo con la strada e il modello reale corrispondente ai dati ricevuti, per ricavare il grado di aderenza alla strada di ogni ruota monitorata.
7. 7. Sistema conforme a tutte le rivendicazioni precedenti, in cui la medesima centralina può essere integrata in altre centraline di sistemi di controllo attivo della guida e della dinamica del veicolo.
8. 8. Sistema conforme a tutte le rivendicazioni precedenti, in cui una unità vibrante avvisa, con vibrazioni di intensità crescente trasmesse allo sterzo, il guidatore sulla riduzione del grado di aderenza di una o più ruote.
9. 9. Sistema conforme almeno alle rivendicazioni da 1 a 7, in cui i dati sulla aderenza rilevata sono inviati, se presente nel veicolo, ad un sistema di superfici aerodinamiche mobili atte a regolare la deportanza aerodinamica del veicolo stesso.