CN101236134B - 量化轮胎最大潜在抓地力的利用程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种量化运行在地面上的轮胎(10)的最大潜在抓地力的利用程度的方法，该方法包括以下步骤：在两个不同的方位角(θ_e，θ_s)，给轮胎(10)的胎面(14)的延伸微分量或与所述延伸微分量(14)相似的胎面剪切力确定至少两个各自的值；以及借助于所述两个被确定的值的函数量化所述的利用程度。

Description

量化轮胎最大潜在抓地力的利用程度的方法

技术领域

本发明涉及一种量化运行在地面上的轮胎的最大潜在抓地力(maximum grip potential)的利用程度的方法以及一种轮胎。

背景技术

在某一特定瞬间，轮胎的潜在抓地力μ被定义为纵向力与横向力的合力与竖直力的合力的比率：

$\mathrm{\μ}=\frac{\sqrt{F_x^2+F_y^2}}{F_z}$

在某一特定瞬间，轮胎在地面上的最大潜在抓地力μ_max还定义为潜在抓地力μ所具有的最大值。该最大潜在抓地力μ_max取决于几个因素，包括地面(或路面)的特征或其磨损状态、地面和轮胎的温度、或实际的天气因素，包括例如地面上水或雪的存在状况。

轮胎的最大潜在抓地力μ_max的利用率P_u由下述公式定义：

$P_u=\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\μ}}_{\max }}\·100$

该利用率P_u对应于实际用到的潜在抓地力相对于最大潜在抓地力的比率。该值在0到100％范围内变化。自然地，该值越接近100％，轮胎失去抓地力的危险就越大。因此，利用率P_u用于量化最大潜在抓地力的利用程度。

实时量化机动车辆各轮胎的最大潜在抓地力的利用程度有利于确定其中一个轮胎是否将要失去与地面的抓地力。关于轮胎抓地力的这一信息可以传输给车辆的驾驶员以便相应地调整驾驶，或是传输给电子设备以控制车辆的道路稳定性。

文件WO03/066400公开了轮胎的最大潜在抓地力μ_max主要取决于下述参数：

施加于轮胎的驱动或制动力；

施加于轮胎的侧向推力；

轮胎承受的载荷；以及

自对准扭矩，即由轮胎所施加的关于垂直轴线的力矩。

这些不同的力参数可通过轮胎所带的传感器进行测量，尤其是利用测量轮胎的壁或摩擦条所承受的力的传感器。

最大潜在抓地力可通过从训练近似函数得到的那些力测量值推导出来，例如，通过训练神经网络的权值。

已知的估算方法实现起来非常复杂并且需要复杂的轮胎校准和实时地紧密监控其参数的变化。因此那样的方法实际实施起来很昂贵。

发明内容

本发明的特定目的是提供一种量化运行在地面上的轮胎的最大潜在抓地力的利用程度的方法，该方法实施起来特别简单。

因此，本发明提供了一种量化运行在地面上的轮胎的最大潜在抓地力的利用程度的方法，该方法包括以下步骤：

分别在两个不同的方位角给轮胎胎面的延伸微分量(differentialextension)或与所述延伸微分量相似的胎面的剪切力确定至少两个值；以及

借助于这两个确定的值的函数量化所述的利用程度。

通过本发明，轮胎的最大潜在抓地力的利用程度以非常简单而快速的方式被量化。用于估算的值通过结合在轮胎胎面中的传统传感器非常容易测量，且利用程度函数使用加法或除法等简单的代数运算。此外，该方法使得可直接获得量化所述利用程度的测量值，无需预先计算轮胎的最大抓地力，因此使得实施所述量化所需的资源大大减少。

量化的结果，例如，可以以0到1范围内的值给出，或是以百分率给出。

本发明的量化方法也可包括一个或多个下述特征。

两个方位角限定出包含与地面接触的胎面接触区的锐角扇形区。轮胎的变形基本是由与地面的接触引起。因此，对接近接触区的方位角来说优先确定用于量化所述利用程度的延伸值或剪切值，以便这些值受到与地面接触的轮胎的影响并因此受到轮胎的抓地情况的影响。

扇形角度约50°。如果远离接触区测量该值(以便不会受到路面状态的影响)，则量化的质量更好，但尽可能地接近接触区(为了使轮胎在地面上的抓地情况的影响最大化)。已经发现中心位于接触区上的约50°的扇形区最适宜满足这两个标准。

在给定方位角θ时所确定的延伸微分量或剪切力的值记为Δ(θ)，且所述利用程度借助于如下定义的S值进行量化：

$S=\frac{((\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))-O-P_{\mathrm{slip}}\·(\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))}{(P_{\mathrm{grip}}-P_{\mathrm{slip}})\·(\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))}$

此处，P_grip，P_slip和O是预先确定的常数，θ₁和θ₂是两个不同的方位角值。

该商值与最大潜在抓地力构成的利用程度直接相关。该计算可非常快速地实施，因此可获得非常易于解释的值，其在0到1的范围内变化。

在上述公式中，P_slip＝0。通常P_slip可以被忽略，因此简化计算S的公式。

所述利用程度的量化也是与地面的胎面接触区的长度的函数。

当要确定的值是剪切力值时，胎面的各剪切力值基本上在胎面的赤道面中确定。

延伸微分量对应于基本对称于轮胎赤道面测得的胎面的两个延伸值之间的差异。

测得的延伸量是在相对于轮胎的基本在圆周方向上的延伸值。

胎面的延伸量或剪切力分别通过至少一个延伸或剪切力传感器确定，优选地设置在胎体帘面层和轮胎的内部橡胶之间或在与轮胎内部空气接触的内部橡胶的表面上。

所述利用程度借助于两个被确定值之间的差以及所述两个被确定值的和的函数进行量化。

本发明也提供包括至少两个延伸传感器(extension sensor)的轮胎，其特征在于该延伸传感器由轮胎的胎面所携带且布置成对于给定方位角测量胎面两部分的延伸量。

在现有技术中，轮胎配备有设置在轮胎的各壁中的力传感器。因为传感器要供电，因此必须在相互连接其两壁的轮胎内部具有电线。

通过本发明，该两个传感器布置在胎面上。这可以将两个传感器结合在布置在胎面上的且包括完全一体化的电能供应的单个模块中。

附图说明

阅读下面完全通过例子给出的说明并参考附图，可以更好地理解本发明，其中：

图1是本发明的轮胎的透视图，安装有两个延伸传感器；

图2和3的曲线图示出作为侧向力的函数的Δe+Δs和Δs-Δe各自的变化；

图4和5的曲线图示出Δs-Δe如何作为Δs+Δe的函数变化；

图6和7分别示出对于不同的垂直载荷，Δs+Δe和Δs-Δe如何作为侧向力的函数变化；

图8示出接触区的长度如何作为轮胎变形的函数而变化；

图9和10的曲线图示出参数P和O如何作为接触区长度的函数变化；

图11示出当驱动扭矩施加于轮胎时，Δs+Δe和Δs-Δe的值如何变化；

图12是在额定使用情况下由两个延伸传感器所传递的信号的曲线图；

图13和14分别是承受垂直力的轮胎的示图和由该轮胎的延伸传感器所提供的信号的曲线图；

图15和16分别是承受驱动扭矩的轮胎的示图和由该轮胎的延伸传感器传递的信号的曲线图；

图17和18分别是承受侧向力的轮胎的示图和由该轮胎的延伸传感器传递的信号的曲线图。

具体实施方式

图1示出给定标记的轮胎10，其具有两个壁12和胎面14。胎面14与地面接触的部分被称为接触区16。接触区16在图13中可见，描述如下。

轮胎10具有布置在胎面14上的两个延伸传感器18和20，以便测量基本在轮胎的圆周方向上的两点的胎面的延伸量。

两个延伸传感器18和20以相同的方位角相对于轮胎10设置。如图1所示，两个传感器18和20基本对称于轮胎10的赤道平面布置，例如距离所述平面30毫米(mm)。但是当实施本发明时这一特征是可选择的。

考虑旋转中的轮胎。在某一特定瞬间，两个传感器18和20相对于轮胎的外部参考系的方位角记为θ。方位角θ＝180°对应于传感器18和20在轮胎的旋转轴下垂直通过。

对于给定的方位角θ，延伸微分量Δ(θ)定义如下：

                    Δ(θ)＝ε₁(θ)-ε₂(θ)

值Δ(θ)对应于由两个延伸传感器18和20测得的延伸量ε之间的差。它因此代表在方位角θ处胎面16的平面中的弯曲状态。

在地面上限定出包含胎面14的接触区16的锐角扇形区的两个方位角记为θ_e和θ_s。方位角θ_e选在进入接触区的点且方位角θ_s选在退出接触区的点。举例说明，选择的值为θ_e＝156°和θ_s＝204°，以便扇形区的角度达到50°。

如下所述，运行在地面上的轮胎被认为承受两种不同类型的压力：

第一种类型的压力对应于正常运行在提供理想抓地力的地面上的压力。这一压力被称为“抓地力”；以及

第二种类型的压力对应于运行在具有某些特征的地面上的压力，选择这些特征以使产生的力对应所述抓地力的限制。这一压力被称为“滑动力”。

这两种压力对应于极端情况并且实际所承受的压力通常处于两者之间。

特别地，使用下述值Δ_e＝Δ(θ_e)，Δ_s＝Δ(θ_s)，Δ_e+Δ_s和Δ_s-Δ_e，它们作为在三种情况下施加到轮胎10上的力的函数而变化。

第一种情况：轮胎仅承受侧向力Fy和不变的垂直载荷

图2示出在给定载荷下Δ_e+Δ_s作为侧向推力Fy的函数所得的值。在这些图中，实心菱形对应于抓地力，空心正方形对应于滑动力。从图中可以看出独立于压力的类型，在Δ_e+Δ_s和侧向推力Fy的值之间具有简单的仿射型关系(affine type relationship)。

图3示出在给定载荷下Δ_s-Δ_e作为侧向推力Fy的函数所得的值。可以看到对于抓地力和滑动力，两者间存在仿射型关系，但这一关系的梯度取决于压力的类型。

通过综合图2和3中给出的结果，可以形成图4，其示出取决于压力类型的Δ_s-Δ_e和Δ_e+Δ_s之间的关系。可以看出，对于给定类型的压力，这两组值通过比例系数联系起来。这由绘制在图4中的两条直线表示。

在实际压力下，表示数对(Δ_e+Δ_s，Δ_s-Δ_e)的点位于图4中所示的对应于两种极端压力的两直线之间的区域。值S如此定义：

当对应于当前数对的点位于表示滑动力的直线上时S＝0；且

当对应于当前数对的点位于表示抓地力的直线上时S＝1。

S可如下记作：

$S=\frac{({\mathrm{\Δ}}_s-{\mathrm{\Δ}}_e)-{({\mathrm{\Δ}}_s-{\mathrm{\Δ}}_e)}_{\mathrm{slip}}}{{({\mathrm{\Δ}}_s-{\mathrm{\Δ}}_e)}_{\mathrm{grip}}-{({\mathrm{\Δ}}_s-{\mathrm{\Δ}}_e)}_{\mathrm{slip}}}$

在两直线的原点使用符号O作为纵坐标值，P_grip表示对应于抓地力的直线的斜率，P_slip表示对应于滑动力的直线的斜率，S的表示变为：

$S=\frac{({\mathrm{\Δ}}_s-{\mathrm{\Δ}}_e)-O-P_{\mathrm{slip}}\·({\mathrm{\Δ}}_s+{\mathrm{\Δ}}_e)}{(P_{\mathrm{grip}}-P_{\mathrm{slip}})\·({\mathrm{\Δ}}_s+{\mathrm{\Δ}}_e)}$

在简化版本中斜率P_slip被忽略，得到以下表达式：

$S=\frac{({\mathrm{\Δ}}_s-{\mathrm{\Δ}}_e)-O}{P_{\mathrm{grip}}\·({\mathrm{\Δ}}_e+{\mathrm{\Δ}}_s)}$

因此，计算S并将其与值0和1相比较可以确定轮胎上的压力是接近于理想抓地力还是接近于滑动力，并确定有多接近。通过计算值S，可以量化运行在地面上的轮胎的最大潜在抓地力的利用程度。

总之，计算值S包括在两个不同的方位角值θ_e和θ_s处为胎面的延伸微分量确定至少两个值Δ_e和Δ_s，还包括计算S的值以便量化最大潜在抓地力被利用的程度。

第二种情况：轮胎也承受变化载荷

上述推理假设轮胎仅承受给定的垂直载荷和给定的侧向推力。

实际上，由轮胎承受的载荷不断变化。因此在计算S所用的方法中必须考虑轮胎承受的载荷的变化以改善模型。

图6和7示出改变轮胎承受的载荷对值Δ_e+Δ_s和Δ_s-Δ_e的影响。载荷变化和因此产生的变形对Δ_e+Δ_s和侧向推力之间的关系没有明显影响(图6)。相反，图7示出载荷对Δ_s-Δ_e和侧向推力之间的关系产生了影响。

为了在Δ_s-Δ_e和Δ_e+Δ_s相关的仿射关系中引入作为轮胎变形的函数的修正，定义一标准使得可以估算接触区的长度。该值可用于用参数表示斜率P_grip和在原点O的纵坐标。

值∑(θ)定义如下：

                      ∑(θ)＝ε₁(θ)+ε₂(θ)

值∑(θ)表示胎面的曲率半径。当曲率半径增加时，来自两个延伸传感器的信号都增加相同的值。因此，在车轮旋转期间，值∑(θ)表示分别对应于传感器进入和退出接触区的两个特征点θ_e和θ_s。表示接触区长度特征的标准定义如下：L_ca＝θ_s-θ_e。在这种情况下，该标准用度而不是用米表示。

图8示出接触区长度作为在不同载荷下获得的轮胎变形的函数如何变化。接触区长度明显与变形成比例。

图9和10示出P_grip和O作为如上定义的L_ac的函数如何变化。这两幅图示出可以将P_grip和O与L_ac简单地联系起来，例如以仿射方式。则P_grip和O定义如下：

                      P_grip＝a_pL_ca+b_p

                      O＝a_oL_ca+b_o

自然地，接触区的长度可用非延伸传感器提供的数据进行测量。

第三种情况：轮胎也承受驱动或制动扭矩

当在车辆上使用时，轮胎也用于传递驱动或制动扭矩。在此情况下，它也承受能与上述操作相互作用的变形。如下面图15和16所示，驱动或制动扭矩的效果引起进入和退出接触区之间的差异。

图11示出值Δ_e+Δ_s和Δ_s-Δ_e如何变化，首先没有驱动扭矩(空心标记)，然后具有约45米-十牛顿(m.daN)数量级的驱动扭矩(实心标记)。可以看出模型对驱动或制动扭矩产生的效果呈现非常低的敏感性。因此，为了考虑驱动扭矩的影响，如上所述的模型无需更改。

因此有关本发明方法的上述说明显示以特别令人满意的方式确定S值从而量化轮胎的最大潜在抓地力的利用程度。所述确定考虑了应用于轮胎的各种力，尤其是侧向推力，垂直载荷，以及驱动和制动扭矩。此外，S的值作为轮胎充气压力和轮胎外倾角(camber angle)的函数也有些许变化。

应该发现上述说明依赖于通过胎面所带的两个延伸传感器确定延伸微分量。然而，为了确定胎面中的剪切力使用设置在轮胎赤道面上的单个剪切传感器不会超出本发明的范围。轮胎赤道面中的剪切力在延伸微分量Δ(θ)中是相同的。因此，计算S值的公式在要确定的是剪切力的情况下也保持有效，因为足以用剪切力传感器测得的剪切力值代替延伸微分量Δ(θ)。

由延伸传感器传递的信号的例子

为了进行阐述，以下说明示出当承受各种力时轮胎如何变形。也示出该各种变形对由轮胎胎面上携带的两个延伸传感器所传递的信号的影响。

考虑图1中所示的轮胎，其具有分别设置在离轮胎的赤道面+30mm和-30mm处的两个延伸传感器18和20。当传感器测到延伸时，信号值增加，且当它们测到收缩时，信号值减小。

图12示出当轮胎承受542十牛顿(daN)的垂直载荷时，在车轮的一次旋转过程中(例如在旋转360°期间)由两个传感器产生的信号。由第一传感器传递的信号由点和连续实线表示，而由第二传感器传递的信号由菱形和虚线表示。

可以看出，由两个传感器传递的信号基本相同。这两个信号仅在构成轮胎的材料的各向异性效果中才呈现不同。

可以看出，在方位角180°的附近，由传感器传递的信号增加。这是由于传感器进入轮胎与地面的接触区。当胎面与地面接触时，它变形且其曲率半径增加。实际上，因为轮胎面变平其曲率半径趋向无穷大。曲率半径的这一增加将导致胎面伸展并因此使延伸传感器伸展。

接触区变平在显示两个轮胎的图13中示出，一个(灰色)不承受任何垂直载荷，另一个(黑色)承受垂直载荷。胎面的变形产生了长度为L_ca的接触区(16)。

施加于轮胎的垂直力越大，轮胎变得越扁平且接触区的长度越大。

图14示出变形变化对测量信号外观的影响。变形变化通过改变垂直载荷获得。图14示出对于三个给定的载荷值，在轮胎旋转期间由传感器传递的信号如何变化：连续曲线对应于326daN的载荷，虚线对应于542daN的载荷，点划线对应于758daN的载荷。

从这些信号可以看出，相应于接触区的长度随着变形的增加而增加。也可以看出，进入和退出接触区的信号的值随着变形的增加而减小，这意味著曲率半径更小。

图15和16示出驱动扭矩对轮胎和由延伸传感器传递的信号的影响。

在图15中，可以看出，当轮胎承受驱动扭矩时，胎面与地面的接触区向前移动。

这一移动也可以从图16的曲线图中推导出来，图16示出当轮胎又承受产生150daN纵向力的驱动扭矩时由传感器传递的信号如何变化。从该图可以看出，驱动扭矩的存在产生了如下影响：

进入接触区时测得的延伸量的减少和退出接触区时测得的延伸量的增加。这是由于进入接触区时曲率半径减小且退出接触区时曲率半径增加，如图15中所示；以及

相应于接触区的区域中前进方向上的微小移动(例如向更小的方位角)，这对应于纵向偏移。

现在考虑轮胎承受侧向力的情况。为此，图17示出轮胎胎面的迹线，当不承受任何侧向力时(左手侧图)和当承受侧向力时(右手侧图)。胎面与地面的接触区在迹线上示出。

当轮胎承受侧向力时，接触区向侧面偏移，因此使得在与地面接触的胎面的平面中弯曲。此外，由于剪切应力不是均匀地分布在整个接触区上，轮胎胎面位于退出接触区处的部分比位于进入处的部分承受更大的剪切力。这产生关于垂直轴线的扭矩，该扭矩对应于自对准扭矩。这一扭矩趋于使得接触区绕垂直轴线旋转，这一旋转引起进入和退出接触区时胎面平面中的弯曲产生差异，从图7中可以看出。

这些变形对传感器传递的信号的影响可从图11中清楚地看到，其中假设轮胎承受300daN的侧向推力。信号可分析如下：

侧向推力施加到相对于接触区的中心向接触区的后部设置的点处，以便由两个传感器传递的信号不同，尤其在接触区内；

由两个传感器中的一个传递的信号呈现比另一个传感器传递的信号更大的振幅，这是延伸量存在差异和轮胎胎面的平面内的弯曲的表现；以及最后

进入(156°)和退出(204°)接触区时两个信号值之间的差不同，这意味着进入和退出接触区之间的弯曲存在差异。参看图17所示，弯曲差异来源于自对准扭矩所产生的接触区的旋转。

如上所述图12至18特别示出由于两个延伸传感器在轮胎胎面中放置的方式，可以确切地知道轮胎所承受的变形。这一变形是由于施加到轮胎上的力，该力本身与轮胎的抓地性能相关。因此这可以显示为什么本发明的方法通过测量胎面的变形，在量化运行在地面上的轮胎的最大潜在抓地力被利用的程度方面是有效的。

Claims (9)

1.一种量化运行在地面上的轮胎(10)的最大潜在抓地力的利用程度的方法，该方法的特征在于以下步骤：

分别在两个不同的方位角(θ_e，θ_s)给轮胎(10)的胎面(14)的延伸微分量或与所述延伸微分量(14)相似的胎面剪切力确定至少两个值；以及

借助于这两个被确定的值的函数量化所述的利用程度；

其中给定方位角θ时确定的延伸微分量或剪切力的值记为Δ(θ)，且借助于如下所定义的值S来量化所述利用程度：

$S=\frac{(\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))-O-P_{\mathrm{slip}}\·(\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))}{(P_{\mathrm{grip}}-P_{\mathrm{slip}})\·(\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))}$

其中，P_grip，P_slip和O是预先确定的常数，θ₁和θ₂是两个不同的方位角值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该两个方位角(θ_e，θ_s)限定出包含胎面(14)与地面的接触区(16)的锐角扇形区。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述扇形角约为50°。

4.根据权利要求3所述的方法，其中P_slip＝0。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述利用程度的量化也是胎面(14)与地面的接触区(16)的长度(L_ca)的函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中当被确定的值是剪切力值时，胎面(14)的各剪切力值基本在胎面的赤道面中确定。

7.根据权利要求1所述的方法，其中延伸微分量对应于基本对称于轮胎赤道面测量的胎面(14)的两个延伸量(ε₁，ε₂)之间的差异。

8.根据权利要求7所述的方法，其中测得的延伸量(ε₁，ε₂)是在相对于轮胎的基本在圆周方向上的延伸值。

9.根据权利要求1所述的方法，其中胎面的延伸量或剪切力分别通过至少一个延伸或剪切力传感器(18，20)确定，所述传感器(18，20)设置在胎体帘面层和轮胎的内部橡胶之间或在与轮胎内部空气接触的内部橡胶的表面上。

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