CN1288015C - 通过轮胎胎圈内的应力测量最大抓着力系数 - Google Patents

Abstract

一种确定路上轮胎的接触区内抓着力系数μ的方法，其中空间中多个固定点被选择，这些固定点位于轮胎的至少一个胎圈内沿着圆周的不同方位角处，当轮胎在路面上滚动时，在这些固定点执行对应数量的应力变化的测量，以及处理测量信号以便从中提取所述抓着力系数μ。

Description

通过轮胎胎圈内的应力测量最大抓着力系数

技术领域

本发明涉及在路面车辆在路面上的抓着力的评估。尤其涉及在路面和车轮之间的抓着力特性的确定，其中上述车轮在路面上滚动并装配有诸如充气轮胎或非充气弹性轮胎之类的弹性轮胎。

背景技术

本发明还涉及各种电子辅助设备，这些电子辅助设备例如用于车辆刹车的防抱死控制或驱动车轮的防滑控制、控制车辆轨迹或者其它形式的控制或监控例如轮胎压力。已知这些设备通过计算重新构建在路面上轮胎的抓着力系数(μ)，而不执行抓着力系数的测量或在轮胎与地面接触中产生力的测量。即使这些设备提供了明显的辅助作用和附加的安全性，它们的操作会极大得益于使用测量数值或者从操作过程中在轮胎上执行的实际测量中评估的数值。

发明内容

基于此原因，本发明的目的是提供一种评定车辆更确切说是车辆的车轮或轮胎或弹性轮胎在路面上的抓着力的方法，这些术语在本发明的上下文视为等同的。尤其涉及在路面和车轮之间的抓着力特性的确定，其中上述车轮在路面上滚动并装配有诸如充气轮胎或非充气弹性轮胎之类的弹性轮胎。

因此上述的各种电子辅助设备将会得益于附着条件的“实时”指示，而上述附着条件容易影响车辆的操纵，尤其是当由于驱动力或刹车力或者由于运动方向的改变而使车辆经历加速时更是如此。本发明目的是提供一种有效获得这个的方法。

在下文中，“最大抓着力潜能”指最大切向力(横向或纵向或者两者组合)和车轮受到的法向力之间的比率。在文中，这也由术语“最大抓着力系数”或者字母μ示出。

“全部力”指施加给车轮中心的力Fx、Fy和Fz的三个分量，以及围绕轴Z的自对齐扭矩N。

对于评估最大抓着力潜能，尤其是在滑动条件下，建议轮胎的胎面或者胎面的某些特定适合的部件装配有传感器，这些传感器用于测量或评估局部产生的力。尽管高度期望，然而这些方法具有某些固有的困难。实际上，难于确保在轮胎该区域的传感器的正确操作，尤其是当在轮胎整个寿命中存在胎面磨损时更是如此。而且，由这些传感器提供的上述评估是局部的并且对路面条件敏感。

而且，虽然实际意图是评估车轮的最大抓着力潜能，但这依然保持从测量的局部潜能中来确定。

此处详细描述的本发明不同于这些局部的方法。本发明建议使用由轮胎的全部变形产生的应力的测量，以便获得关于在地面上车轮的最大抓着力潜能的信息。实际上，当轮胎受到约束(constrain)时，在接触区施加的力的施加点依赖于最大抓着力系数和其它的事物，因此只要在路面上车轮的一部分接触区滑动，对切向力的作用在取决于抓着力系数的水平上饱和。轮胎的变形本身对施加点的移动是敏感的。特定地，这些变形在胎圈内产生应力。对施加力敏感的这些应力也对在接触区内力的施加点的移动敏感。

所建议的方法使用在轮胎的特定方位角测量胎圈内的应力，以便允许评估最大抓着力系数。

为了获得μ的良好评估，该方法需要在接触区域存在滑动区，该滑动区通过轮胎的专门设计或者通过施加给轮胎的足够水平的约束而产生。为了即使当存在较少滑动时获得可靠的信息，本发明建议除了最大抓着力潜能外评估使用的潜能百分比。原因在于该数值具有更易于作为绝对值评估的优点，甚至对于小的约束也是如此。

根据本发明用于确定在路面上轮胎的接触区中抓着力系数μ的方法包括如下步骤：

●在空间中选择多个固定点(也就是说在与车辆相联系的参考框架中进行固定的点)，这些固定点位于轮胎的至少一个胎圈中沿着圆周在不同方位角处，

●当轮胎在路面上滚动时在这些固定点执行相应数量的应力变化测量，

●处理测量信号以便从中提取所述抓着力系数μ。

优选地，所述抓着力系数μ至少从5个应力测量中获得，这5个应力测量在轮胎的至少一个胎圈内、在沿着圆周位于不同方位角的空间中5个固定点(也就是说固定在与车辆相联系的参考框架中的点)执行。

本发明的方法基于如下事实的认识：作用在胎面和路面之间的力导致轮胎侧壁的变形，这使得胎圈内大量的和可再现的应力的出现增加。这些应力，如果能够在轮胎旋转中实时地分别测量它们，则能够使得在每个瞬间了解作用在轮胎上力的方向和大小，以及由轮胎施加的自对齐扭矩的信号和大小和路上轮胎的抓着力系数。

根据一具体但有兴趣的方面，本发明建议在圆周方向评估该剪切应力。

附图说明

说明书的其余部分借助于附图更详细地解释本发明，其中：

图1是一轮胎的透视图，在该轮胎上限定了有助于理解本发明的有用惯例；

图2a和2b示出垂直分量Fz对应力σ_rs的作用：

—其中实曲线对应于400daN的垂直载荷，

—其中虚曲线对应于500daN的垂直载荷，以及

—其中点划曲线对应于300daN的垂直载荷；

图3a和3b示出分量Fx对应力σ_rs的作用：

—其中实曲线对应于400daN的垂直载荷和没有力Fx，

—其中虚曲线对应于400daN的垂直载荷和-400daN的力Fx(刹车)，以及

—其中点划曲线对应于400daN的垂直载荷和400daN的力Fx(驱动)；

图4a和4b示出分量Fy对应力σ_rs的作用：

—其中实曲线对应于400daN的垂直载荷并且没有力Fy，

—其中虚曲线对应于400daN的垂直载荷和280daN的力Fy，以及

—其中点划曲线对应于400daN的垂直载荷和-280daN的力Fy；

图5示出了当施加外倾角时轮胎的变形；

图6a和6b示出外倾对剪切应力信号的作用：

—其中实曲线对应于400daN的垂直载荷且没有力Fx和Fy，并且对应于0外倾角，

—其中虚曲线对应于400daN的垂直载荷和2°的外倾角，以及

—其中点划曲线对应于400daN的垂直载荷和4°的外倾角；

图7是用于解释本发明的示意性轮胎的前视图；

图8是用于解释本发明的示意性轮胎的侧视图；

图9显示了在接触区内肋的剪切以及相联系的应力；

图10显示了抓着力系数对力的分布的作用；

图11是从变形测量评估μ的方块图；

图12、13和14显示了能够用作测量剪切应力的传感器的类型，以及其在胎圈内的推荐安装；

图15和16显示了在具有或不具有压力作为输入的情况下能够用作评估μ的神经网络类型体系结构；

图17给出了μ和使用的抓着力潜能的百分比的评估的结果。

具体实施方式

此处所描述的方法依赖于如下事实：在接触区施加到轮胎的每个力导致轮胎侧壁的变形，这在胎圈内引起剪切应力。将会考虑装配在其车轮上的充气轮胎的情况，在轮胎的第一胎圈内在圆周方向测量剪切应力。没有任何力施加到轮胎时，所测量的应力是一常数作为轮胎车轮组件的旋转的角度函数。

当轮胎遭受力时，对于所述力的每个分量观察到下面的作用：

●垂直分量(由Fz表示)在地面上挤压轮胎。通过产生接触区，引起车轮相对于轮胎带的中心的位移。这导致辐射下降(deradialisation)，这引起胎圈内剪切应力的变化。后者在接触区前的一个方向上并在接触区后的另一个方向上被剪切，如图2a和2b所示。

●在滚动方向的水平分量(由Fx表示)导致车轮相对于轮胎带轻微的旋转。这致使在一个或其它方向上基本上均匀的方位角的剪切。附加剪切的方向指示了施加力的驱动或刹车特征。图3a和3b示出了分量Fx的作用。

●在横向的水平分量(由Fy表示)主要导致在两个胎圈之间的不同作用。在由于Fy约束(constrain)的情况下，侧壁中的一个主要经受延伸。辐射下降(deradialisation)持续，并且这导致在胎圈内剪切的不同分布。另一个侧壁经受收缩并且在胎圈内发生相反的作用，如图4a和4b所示。

严格地说，自对准扭矩N(围绕垂直轴力矩)不是在轮胎胎圈和道路之间作用的力。相反，它是分量Fx、Fy和Fz在接触区内施加方式的结果。如果分量是Fx、Fy和Fz的合力的施加点不是接触区的中心，该合力产生被称为自对准扭矩的围绕Oz的力矩。该力矩的存在主要引起接触区围绕Oz旋转。该作用的结果是靠近接触区在第一侧壁上的一个方向和第二侧壁上的另一方向引起剪切。

当施加合成了分量Fx、Fy和Fz的约束时，观察在圆周方向对剪切应力的前述作用的叠加。所建议方法的一个优点是它允许所施加约束的每个分量的影响相分离，以便使得能够评估这些分量中的每一个。

在外倾角施加给轮胎的情况中，两个侧壁的性能以及两个胎圈的性能是不同的。比如说，就像一个侧壁比另一个载有更多载荷所发生的每件事。图5通过比较不具有外倾和具有外倾γ的情况下在接触区内轮胎部分的横截面示出了这种行为。这也导致接触区轻微的侧向位移，其引起在Y方向上的推力。图6a和6b示出在两个胎圈内的圆周剪切应力的变化。在过载的胎圈(点A)，所述变化类似于载荷增加的变化。在另一胎圈(点B)，看到与被支撑的载荷减小相一致的变化。信号中的这种变化对应于接触区围绕轴Ox的接触区旋转。

方位角θ将限定为这样一种角度：在该角度处分析胎圈内的剪切应力。从接触区的中心相反侧上获取方位角的起点。接触区的中心因此具有方位角180°。

轮胎的表观刚性源自它的气动行为(从它的充气压力)和从它的结构刚性(它的体系结构的刚性)。所测量的剪切应力信号自身也包含气动分量和结构分量。例如，充气到2巴并沿着Z载有400daN的轮胎的剪切信号不同于由处在2.5巴并载有500daN的相同的轮胎所传送的信号。该差别对应于结构影响，并且会使得它能够评估轮胎的充气压力。

在充气压力变化的情况下，联系所施加力和剪切信号的关系在数量上改变，但是它们的特征没有变化。为了简化起见，该方法从而可以首先在假定为常量的充气压力的情况中解释。同样，假定处在外倾是常量和零的情况下，以便使得解释更清楚，并且仅仅叙述关于该参数的最有意味的情况。

本发明基于下面的观察：考虑设置有单个连续的肋的简化轮胎。图7和8表示这种轮胎。在接触区域，肋遭受将它挤压向地面的垂直应力。在地面上轮胎压痕中，这经常称为压平。如果轮胎没有滑移，当轮胎旋转时，那么由参考点形成的直线位于一平面内，该平面包含有当所述点处在接触压痕内时所限定的所述直线，上述参考点在肋上获得以使得它们在接触压痕内与地面对齐。如果当滚动时滑移角施加给轮胎，当所述参考点距离地面上的接触压痕足够远时，包含所述参考点的平面与在接触压痕内与地面对齐的参考点形成等于滑动角度的角度。图9中的实线示出从上部看没有滑移的肋，并且虚线示出具有施加滑移的肋。在接触区内越多挤压，肋就越多受剪切并且施加的侧向应力就越大。如果滑移角是足够的，在接触区内存在点G₁，其中该侧向应力对垂直应力的比率变得比最大抓着力潜能μ₁更大，并且肋开始滑动。该位置在图9中由点和划线表示。

由轮胎产生的侧向力Fy₁等于在接触区内侧向应力的积分。

如果轮胎在最大抓着力潜能μ2低于μ1的表面上行驶，必须增加滑移角使得轮胎产生相同的推力Fy。然后滑动区域在更靠近接触区入口的点G₂开始。图10对两个位置进行比较。

在这两个构造之间，侧向力是相同的(在曲线下相同区域)但是施加力Fy的点已经移动。最大抓着力潜能降低越多，也就是说抓着力系数下降越多，施加侧向力的点朝向接触区入口移动的越多。

一种结果是，对于相同的侧向力Fy，自对齐扭矩N具有不同的值。在所述两个位置之间，对与Fy相联系的应力的作用是相同的，但是由于施加力的点的移动因此与N相联系的作用不同。这些在胎圈内的应力差将会被利用以评估最大抓着力系数。

一方面在轮胎胎圈内的应力，另一方面施加给轮胎的全部力和最大抓着力系数之间已经正好建立关系。然而，为了具有可获得的用于在约束整个范围内评估抓着力系数的尽可能多的信息，直接从在轮胎胎圈内执行的应力测量中评估μ，而没有评估力的中间步骤，其中μ随后意欲从上述力中评估出来(图11)。

特别地，能够使用在胎圈内的圆周剪切应力的测量，以便评估最大抓着力系数。

在轮胎一侧或两侧上在胎圈1内测量剪切应力可以以任何方式执行，使用在轮胎外部的设备或者轮胎内部的设备。此处将以实例的方式描述一个或多个传感器3的使用，所述传感器3放置在轮胎中胎体的锚定区2内并因此由轮胎携带一起旋转，用于执行胎圈1内的圆周剪切应力的测量。

结合在轮胎内并局部测量胎圈或多个胎圈的圆周剪切应力的该传感器或这些传感器3可以采用任何物理测量原理。例如可以包括装配有应力计表31的测试体30，应力计表31例如为电阻计表。测试体的变形引起结合在它的表面的应力计表31的电阻变化(图12、13和14)。经由惠斯通电桥，放置在测试体30每侧的两个计表31然后提供与剪切应力强烈相联系的信号。如果传感器3是有源的，它可以使用无线电源通过车辆或者通过安装在车轮上或轮胎内的电池或者通过任何其它装置供电。能够通过无线电或其它装置传送信息到车辆。传感器3本身必须能够持续传送信息，或者具有相对于车轮旋转周期足够快的刷新频率。

使用结合在轮胎内的传感器3的这种方法具有如下优点：由于传感器3当由轮胎一起携带时在车轮旋转期间探测所有的方位角，使得能够在一侧或同时在两侧以及在轮胎的所有方位角了解胎圈内的剪切应力。

增加所述方法精确度或耐用性的一种替换方式是使用多维检测替换一维检测。例如并且在不意味着任何限制的情况下，圆周剪切应力和横向剪切应力都可以使用，优选但并不意味着任何限制该两个数值通过相同的两维传感器在相同位置同时测量。

这两个应力的使用使得能够提供一种构造，在该构造内单个胎圈装配有传感器(多个传感器)，它在性能方面与同时装配有两个胎圈的构造一样耐用并且一样精确。

在这种情况下，转换函数(transfer function)的输出在不同方位角构成一个或其它或不同类型应力的测量的种类。除去该不同之外，完全相同的程序用于确定转换函数。该方法能够证实为很有益，因为在制造最终产品方面，即使传感器自身制造更加昂贵，但可以特别简单和低廉地装配仅仅单个胎圈。

为了适当地拾取在圆周剪切应力中的变化，必须在适当选择的方位角处执行检测。具体并且以非限定实例的方式可以指出下面的情况：

●在两个侧壁在三个方位角测量。一个方位角在接触区的入口处选择(例如在方位角100°和150°之间)，一个测量在180°处(接触区中心)并且一个测量在接触区的出口，在对称于在入口处使用的方位角处。这给出圆周剪切应力的总共六个数值，从中能够评估最大抓着力系数。

●在单个侧壁在七个方位角处测量。前三个位于接触区入口处，第四个在接触区中心在180°处，并且最后三个相对于接触区中心对称于前三个。

为了在许多方位角处的剪切应力测量和最大抓着力系数之间建立转换函数，例如能够使用用作近似者(approximator)的神经网络，其为具有隐藏层的感知器类型。图15示意性地示出这种类型的神经网络。当然可以使用允许近似的这种类型的任何其它数学函数。

用于测量轮胎压力的许多系统现在是可用的，并且使得能够在驱动的同时测量轮胎压力。如果这种系统是可用的，如图16所示，压力可以用作转换函数的额外输入。当然，在转换函数的输入处可以引入其它数值以便改进性能(例如并且不意味着任何限制，外倾、车辆速度……)。

在当神经网络用作形成转换函数的情况下，采取用于构建功能的程序如下：

第一步骤在于编辑包含在选定方位角处剪切应力的数值(或任何代表性的数值)并包含数值μ的数据库，其中剪切应力的数值代表转换函数的输入。或者在测量机器的帮助下(优点是能够使用独立的力Fx、Fy和Fz以及在良好控制的方法中改变抓着力系数来约束轮胎)或者在车辆上通过使用例如测力车轮(用于测量力)以及通过在不同地表面上驱动能够构建这种数据库。

在该系统的未来使用是发生在可变外倾和/或压力的条件下的情况下，重要的是在该步骤中所使用的数据库约束代表使用的未来条件的外倾角和压力。

在第二步骤中，包括在数据库的帮助下发现转换函数，μ是转换函数的输出。在使用神经网络的情况下，这是练习阶段。

第三步骤在于检查获得的转换函数在整个所需的范围内正确工作，也就是说检查它是可归纳的。

在所有的情况中，用于评估最大抓着力系数的建议方法需要轮胎由力Fx和Fy或者两者的组合来约束。事实上，绝对必要在接触区存在滑动区域，以便应用所提供的方法。这种方法确保抓着力极限的评估能够在它到达之前获得。当轮胎被约束的很少时，然而所述评估是不精确的或错误的(在接触区内缺少滑动)。由于此原因，建议被使用的百分比抓着力潜能，其以如下方式限定：

$P_U=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{used}}}{\mathrm{\μ}}=\frac{\sqrt{F_x^2+F_y^2}}{\mathrm{\μ}{F}_z}$

此处推荐的方法在于从剪切应力测量中直接确定百分比p_u。对于确定μ，可以采取在下面段落中解释的程序。

第一步骤在于编辑包含在选定方位角处剪切应力的数值(或任何代表性数值)并包含用于一组约束的p_u(转换函数的输出)的数据库，其中剪切应力的数值代表转换函数的输入。或者在测量机器的帮助下(优点是能够通过独立的力Fx、Fy和Fz以及改变抓着力系数来约束轮胎)或者在车辆上通过使用例如测力车轮(用于测量力)以及通过在不同地表面上驱动能够构建这种数据库。

在第二步骤中包括在数据库的帮助下发现转换函数，p_u是转换函数的输出。在使用神经网络的情况下，这是练习阶段。

第三步骤在于检查获得的转换函数在整个所需的范围内正确工作，也就是说检查它是可归纳的。

推荐的百分比具有更易于作为绝对数值正确评估的益处，不管施加给轮胎的约束的绝对数值，即使它是小的。例如使用神经网络，通过将所提供的方法用于评估μ，它被直接获得。图17提供了重新构建最大抓着力系数和所使用的百分比电位的实例。驱动或刹车扭矩(与Fx相联系的滑移角)和横向力(与Fy相联系的滑动角)作为时间以及车辆在其上驱动的地面的函数而改变。施加载荷Fz。当轮胎的约束较小时(Fx和Fy同时都小)，处在4s左右，评估最大抓着力系数的质量下降。对于它的部分来说，所使用的百分比电位的评估保持十分正确。

在装载在车辆的系统的使用范围内(诸如ESP或ABS之类的系统)，有益于使得在整个使用范围内限定的数量可用。例如，可以想到使用所使用的百分比抓着力潜能(p_u)以便限定ABS或ESP系统的控制机构。

Claims (11)

1.一种确定路上轮胎的接触区内抓着力系数μ的方法，其中在空间中选择多个固定点，这些固定点位于轮胎的至少一个胎圈内沿着圆周的不同方位角处，当轮胎在路面上滚动时，在这些固定点执行相应数量的应力变化的测量，并且处理测量信号以便从测量信号提取所述抓着力系数μ。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抓着力系数μ从剪切应力变化的至少5个测量中获得，这5个应力测量在轮胎的至少一个胎圈内、在空间5个沿着圆周位于不同方位角的固定点处执行。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过集成在轮胎胎圈内的至少一个传感器来执行剪切应力的测量，对所述传感器传送的信号进行处理以便在对应于所述固定点的多个方位角获得它的值。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过与要被观察的方位角数量一样多的传感器来执行剪切应力的测量，传感器位于轮胎外部并布置在固定空间中。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在两个侧壁的每一个上在三个方位角执行测量，上述三个方位角分别为：在接触区入口处选择的方位角、在180°和在接触区出口处选择的方位角，后一个方位角对称于在入口所使用的方位角。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在单个侧壁上在七个方位角处执行测量，前三个方位角位于接触区的入口处，第四个位于接触区中心180°处，最后三个相对于接触区的中心对称于前三个方位角。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过如下步骤在测量和最大抓着力系数之间建立转换函数：

编辑数据库，该数据库包含在所选择的方位角处的剪切应力值以及μ的相关数值、所有经验获得的数值，

在该数据库的帮助下发现转换函数，μ是转换函数的输出。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使用具有用作近似者的隐藏层的感知器类型的神经网络。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过测量插入胎圈内的测试体的弯曲来评估剪切应力。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在应力计表的帮助下通过测量测试体的弯曲来评估剪切应力。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过采用下述程序来确定由 $P_U=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{used}}}{\mathrm{\μ}}=\frac{\sqrt{F_x^2+F_y^2}}{\mathrm{\μ}\·F_z}$ 所限定的使用的百分比抓着力潜能：

对于一组轮胎的约束，编辑包含在所选择的方位角处的剪切应力值的数据库，

在该数据库的帮助下寻找转换函数，p_μ是转换函数的输出，剪切应力的数值是转换函数的输入，

检查获得的转换函数在整个所需的约束范围内正确工作。

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