专利名称：确定轮胎力的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定作用在车辆轮胎上的轮胎力的系统和方法。
背景技术：
近年来，越来越多的车辆装备了计算机辅助车辆控制系统(CAVCS)，例如防抱死制动系统、牵引力控制系统、车辆稳定控制系统、姿态控制系统、悬挂控制系统以及线控转向系统。
在这些控制系统(CAVCS)中，如果能够利用与作用在旋转轮胎上的力大小和方向有关的数据，则控制精度将会得到显著改善。然而，至今为止，还没有办法在运动过程中得到与作用在旋转轮胎上的力有关的数据。因此，在汽车工业中，非常需要一种能够在运动过程中监视作用在车辆轮胎上的力的装置。
因此，本发明的主要目的在于提供一种系统和方法，通过该系统和方法能够很容易在运动过程中确定作用在车辆轮胎上的力。
本发明的另一目的在于提供一种能够持久对抗强烈变形并适于在轮胎上使用的应变传感器。
而且，本发明的又一目的在于提供一种充气轮胎，其装备有能够持久对抗强烈轮胎变形的应变传感器。
发明内容
本发明一方面提供一种用于确定作用在轮胎上的力大小的系统，包括轮胎应变传感器，安装在轮胎上，用于检测安装位置的轮胎应变，并生成代表轮胎应变的数据；传感器定位器，用于对轮胎上的传感器进行定位；
存储器，存储每一个测量点上关于所述轮胎应变和作用在轮胎上的力之间关系的数据；以及处理器，使用从轮胎应变传感器得到的代表轮胎应变的数据以及基于从传感器定位器得到的关于传感器定位的数据而从存储器获得的所述关系的数据来算出所述力的大小。
本发明另一方面是一种用于确定作用在轮胎上的力大小的方法，包括下述步骤从安装在轮胎上的轮胎应变传感器得到关于轮胎应变的数据；对轮胎应变传感器进行定位，以得到关于轮胎应变传感器位置的数据；从先前保存的多个位置上关于轮胎应变和力之间关系的数据获得轮胎应变传感器其定位位置上关于轮胎应变和力之间关系的数据；以及使用所得轮胎应变数据和轮胎应变与力之间关系的数据计算力。
下面接合相应附图对本发明的具体实施方式
进行详细描述，其中图1是轮胎的立体示意图，用来说明作用于轮胎的各种力和用于表示测量位置的坐标系统。
图2和图3分别是充气轮胎的剖视图和所述轮胎的侧视图，用于说明轮胎力和测量位置之间的关系。
图4(a)、4(b)和4(c)分别表示径向应变εs和圆周应变εt与力Fx、Fy、Fz之间的函数关系曲线图。
图5(a)表示切应变与测量位置(绕轮胎转轴的度数)之间的函数关系曲线图。
图5(b)表示零度位置切应变与力Fx之间的函数关系曲线图。
图6是本发明轮胎应变传感器的立体示意图。
图7、8、9表示用于轮胎应变传感器的磁体和传感器元件的排列。
图10是充气轮胎的剖面图，示出了传感器位置以及客车径向轮胎的典型结构。
图11和12的剖面图分别示出了另一传感器位置。
图13是本发明的计算机辅助轮胎控制系统(CAVCS)的示意图。
图14是测量点的说明图。
图15是传感器排列的说明图。
图16、17和18各个示出了本发明的轮胎力确定系统(TFDS)的图表。
图19示出了传感器的排列、测量点的排列以及图18所示实施方式中所用的感应线圈COL。
图20和21分别示出了本发明的轮胎力确定系统(TFDS)的另外实施方式。
具体实施例方式
图1示出了作用在滚动轮胎上的各种力前后方向x上的力(下文称作前后方向力Fx)，横向y上的力(下文称作横向力Fy)，竖直方向z上的力(下文称作竖直力Fz)，以及绕通过所述轮胎中心并分别沿上述三方向的轴x、y、z的力Fyz、Fzx、Fxy。
只要外力和合成轮胎应变或者应力(下文简称为轮胎应变)之间线性相关或者近似线性相关，就有可能通过测得的轮胎应变来确定各种力。
以沿三个直线运动方向的力Fx、Fy、Fz为例来对轮胎应变进行说明。
如图2和图3所示，在轮胎接触地面的圆周中心，相对于充气轮胎1的四个测量位置Pa、Pb、Pc以及Pd(Pa在轮胎赤道，Pb在胎面边缘，Pc在胎侧部，Pd在胎圈部)，对所述轮胎依次施加前后方向力Fx或横向力Fy或竖直力Fz，分别在轮胎的外表面测量径向方向应变εs和圆周方向应变εt。
所述结果如下表1所示。
表1
A线性，变化大B线性，变化小C非线性，变化小D不相关(absent)在胎面部的位置Pa和Pb，各个应变εs、εt与力Fx、Fy、Fz几乎不相关或者只存在很小的非线性相关。因此，要想通过在位置Pa和Pb的应变来确定力Fx、Fy、Fz非常困难，几乎不可能。
在胎圈部的位置Pd，径向方向的应变εs与横向力Fy和竖直力Fz中的每一个均线性相关，但是应变εs以及εt中的每一个都与前后方向力Fx不相关。因此，几乎不可能通过在位置Pd的应变来获得所有的力Fx、Fy、Fz。
另一方面，在胎侧部的位置Pc，应变εs和εt中至少一个与所述三个直线力Fx、Fy、Fz均线性相关。
因此，为得知滚动轮胎的状态，利用在位置Pc测量到的应变有可能确定三个直线力Fx、Fy、Fz。
图4(a)、4(b)、4(c)分别示出了位置Pc的径向和圆周应变εs和εt与力Fx、Fy、Fz之间的函数关系。如图4(a)所示，虽然所述前后方向力Fx和应变εt表示为线性相关，但其变化太小不能准确确定力。
因此，本发明对用其他参数代替径向以及圆周应变的可能进行了探索，证实了切应变以及切应力(下文简化称作切应变εγ或者应变εγ)适于确定轮胎力。
例如，图5(a)示出了在轮胎施加恒定力Fx的转动过程中轮胎外表面的固定点即上述位置Pc测得的切应变εγ的变化。Fx从0变化至3.5kN得到测量结果。所述应变εγ与Fx线性相关或者近似线性相关，例如如图5(b)所示的零度(六点钟位置)的切应变εγ与Fx的函数曲线。
此外，虽然在这里省略了详细说明，但是也证实切应变εγ与力Fy和Fz中的每一个都相对较大地线性相关或近似线性相关。
与作为测量参数来确定力Fx、Fy、Fz的所述轮胎应变一样力，本实施方式使用侧壁部位置Pc处的切应变εγ来提高精确度。
<应变传感器>
由于在运转过程中轮胎胎侧部3的重复变形变得非常大，因此常规丝状电阻应变片很容易断裂。所以其持久性是一个问题。因此，应变传感器S必须能够持久对抗所述重复的强烈变形，优选能随动于所述变形。
因此，本发明设计了一种新型应变传感器S。
如图6、7、8、9所示，所述应变传感器S由至少一块磁体11、至少一个被设置在位于磁体11的磁通范围内的测磁传感器元件12、以及在它们之间的隔板13所组成。
测磁传感器元件12可以使用如霍尔元件和磁致电阻(magnetoresistance)元件(MR)等半导体测磁传感器元件。考虑到灵敏性和稳定性，更适宜使用霍尔元件。
考虑处理时的精度以及便利性，所述磁体11以及传感器元件12嵌入一弹性材料内成为一整体电子部件并在两者之间留一间隔。因此，此时所述弹性材料填充所述间隔功能相当于上述隔板13。
对于所述应变传感器S来说，随动于胎侧部3的变形发生弹性变形很重要。因此，所述弹性材料13可以使用各种硬度最好不超过附带有应变传感器S的胎侧橡胶的橡胶材料。例如，可以优选使用适于铸造和注射成型的热塑性弹性体(TPE)。
当应变传感器S通过成型或类似手段而成为一体的电子部件时，最好使其表面变得粗糙或者对其进行处理以改善其与所述轮胎橡胶的结合。作为进一步改进，假设在轮胎的硫化过程中将传感器嵌入胎侧部，则胎侧橡胶本身就可以用作上述其内嵌有磁体11以及传感器元件12的弹性材料。
当应变传感器S在应力的作用下变形时，磁体11和测磁传感器元件12之间的相互位置会变化，从而，测磁传感器元件12的磁通量也发生改变。因此，测磁传感器元件12能够生成与磁通量或应变变化相对应的模拟输出。
图7至图9示出了磁体和传感器元件排列的三个实施方式。
图7中，传感器S由一个测磁传感器元件12和一个磁体11组成。传感器元件12和磁体11排列成一条直线，这样使得元件12朝向所述磁体11的N(或者S)极。在本实施方式中，元件12和磁体11相对齐的中心线的方向是最灵敏的方向N。
如果传感器元件12相对于在上述灵敏方向N周围的方向没有方向性，而且磁通密度在方向N周围的方向基本保持恒定，则传感器S作为整体相对于在上述最灵敏方向N周围的方向没有方向性。
然而，如果传感器元件12的灵敏度或者磁通密度具有方向性，则传感器相对于方向N周围的方向有可能具有方向性。此时所述的方向性面向轮胎圆周的方向。
通常，磁体11中心线附近的磁通密度几乎是恒定的。因此，如果传感器元件12相对磁体11进行微小的平行位移或者倾斜，由于传感器元件的磁通密度变化非常小则灵敏度有变低的趋势。为提高灵敏度，可以将传感器元件12设置在偏离磁体11中心线的位置来避开磁通量几乎恒定的区域。
图8示出了这样一种实施方式，其中，传感器S由一个磁体11以及偏离该磁体11中心线(N)放置的多个(例如两个)测磁传感器元件12所组成。在本实施方式中，两个传感器元件12和一个磁体11设置在同一平面内，所述两个传感器元件12一边一个设置在中心线(N)的两侧并相对中心线(N)对称，同时，传感器元件12倾向于朝向一极N(或者S)。在本实施方式中，由一个所述元件12应变导致的磁通量变化与另一个元件12相反。
因此，两元件12模拟输出之差用作传感器S的输出。
从而，所述输出电平变成一个元件的两倍并且由于偏移排列而进一步增大，即，灵敏度相对在上述平面内的应变有效增加。而且，上述平面内灵敏度提高的结果还使垂直平面内的灵敏度相对降低。于是，所述传感器S整体上具有的方向性环绕着最灵敏方向N。
此外，图9示出另一实施方式，其中，在一个平面内排列有一个测磁传感器元件12和多个(例如两个)磁体11。传感器元件12被配置在两个磁体11相互对称放置的对称轴上。所述两个磁体11的NS极位置反向。传感器元件12垂直朝向所述对称轴。同样地，在本实施方式中，上述平面内的灵敏度增加而垂直平面内的灵敏度相对降低。这样一来，所述传感器S整体上具有方向性。
<传感器定位>
如上所述，应变传感器S具有最灵敏方向N。
为感应胎侧部3其轮胎应变ε的切应变分量(εγ)，应变传感器S的定位应使得最灵敏方向N相对轮胎径向方向倾斜一定角度(β)，范围为10至80度，优选为20至70度，还优选为30至60度，更优选为40至50度。
而且，当传感器S绕最灵敏方向N的轴向示出了特殊的方向时，传感器S的定位也必须使得对圆周方向的切(应变)的灵敏度最大。
<传感器区域>
如图10所示，上述位置Pc必须在一个沿圆周延伸的环形区域Y内，所述区域从轮胎剖面高度H的中心M开始向内外径向延伸至某一径向距离L，其中，所述径向距离L最多为轮胎剖面高度H的25％，优选小于20％，更优选小于15％。
在该区域Y内设置有为其设置应变传感器S的测量点MP(以下称为传感器区域Y)。
<测量点>
测量点MP的数量(m)必须等于或者大于要测的力的数量(n)。
在该实施方式中，所述力为沿着三个直线运动方向x、y、z的Fx、Fy、Fz。因此，在围绕轮胎旋转轴的不同圆周位置上配置有三个或者更多的测量点MP。
对于测量点MP的圆周位置来说，考虑到测量之后要进行数据处理，因此，测量点MP最好关于通过轮胎旋转轴的直线(例如，z轴或者其竖直轴)对称排列，或者等角度地围绕轮胎旋转轴对称排列。
对于测量点MP的径向位置来说，通常都置于中心在轮胎旋转轴上的圆周周边。换句话说，他们被置于距轮胎旋转轴相同径向距离的位置。当然，这并不意味着排除将测量点MP配置在不同径向位置的情况。例如，有可能是用于力Fx、Fy、Fz的规则排列的测量点MP和一用于其他力或参数的不规则排列的传感器的这样一种组合。
传感器S例如被置于中心M和从此处径向向内15％那里之间的径向位置。
<充气轮胎>
此外，所述轮胎1是一种充气轮胎，包括胎面部2；一对轴向间隔的胎圈部4，其中每一个都具有胎圈芯5；一对在胎面边缘和胎圈部之间延伸的胎侧部3；在胎圈部4之间延伸的胎体6以及带7，被配置在胎面部2内胎体6的径向外层。
在本实施方式中，轮胎1是用于客车的子午线轮胎。
所述胎体6包括至少一帘布(cords)层6A，所述帘布相对轮胎赤道以90至70度的角度径向排列，同时，在通过胎面部2的胎圈部4和胎侧部3之间延伸，然后，在各个胎圈部4内、从轮胎的内部向外部围绕胎圈芯5卷起，从而在其之间形成一对卷起部6b和一个主部6a。
在各个胎圈部内胎体层6A的主部6a和卷起部6b之间设置有由硬橡胶制成的胎圈三角胶(apex)，从胎圈芯的径向外侧径向向外延伸，向着其径向外端逐渐变细来加固胎圈部。
所述带包括一个缓冲层(breaker)7以及一个可选的在所述缓冲层径向外侧上的带子9。
所述缓冲层7置于胎体的冠部并延伸布满几乎整个胎面宽度，而且，还包括至少两个交叉层，一个径向内层7A和一个径向外层7B，其每一个都是由彼此平行的、相对轮胎赤道以10至35度角度放置的帘布所构成，从而使得在一层上的帘布与在另一层上的帘布交叉。
带子9置于缓冲层7的径向外侧，由相对所述轮胎的圆周方向为零度角或者低于五度角的至少一个帘布缠绕(wound)组成。
<传感器安装位置>
另一方面，考虑到对所述轮胎应变的灵敏度，应变传感器S最好置于如图10所示胎侧位置3的外层表面上或其内部。此外，如图11所示，应变传感器S可以置于胎侧3的内部，例如，包括胎体6的加固帘布层的轴向外侧上。而且，还可以如图12所示，将传感器S置于胎侧部3的内层表面。任何情况下，最好在轮胎硫化过程之前利用粘合剂将应变传感器S放置在胎侧部3的外层或者内层表面或者内部，然后，在硫化过程中被化学粘结以及/或者机械粘结。
<轮胎力确定系统>
下面，对本发明的轮胎力确定系统TFDS进行解释说明。
图13是本发明的计算机辅助车辆控制系统CAVCS的示意图。该CAVCS包括安装在四个轮胎中每一个的轮胎力确定系统TFDS，作为一主单元，其还至少包括防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)、车辆稳定性控制系统(VSCS)、姿态控制系统(ACS)、悬挂控制系统(SCS)、线控转向系统(SBWS)及其他类似系统中之一。
轮胎力确定系统TFDS包括一个或者多个置于轮胎上的轮胎应变传感器S；一个数据处理器DPU，基于由所述传感器S所得关于轮胎应变的数据算出轮胎力F；以及一个轮胎传感器控制器TSC，用于接收代表轮胎应变的传感器S的输出，并按顺序向CAVCS的主单元输出或者传送有关轮胎应变的数据。
轮胎传感器控制器TSC包括一个放大器AMP和一个传送器TR。
对于放大器AMP来说，传感器S的模拟输出通�：苄�。因此，设置有一个线性放大器。如果传感器输出是非线性的，则可以使用一个非线性的或者均衡放大器来代替。如果有必要，在所述放大器AMP内还可以含有一个模拟数字转换器ADC。下述实施方式中包含ADC。
数据处理器DPU包括接收器RE、处理器CPU、存储器MEM以及I/O部件。
下述实施方式中，在每个轮胎上的轮胎力确定系统TFDS都被描述成其每个TFDS都包含有一个处理器CPU、一个存储器MEM以及类似器件。但是，这仅仅是出于简单考虑。例如，有可能将TFDS的一个处理器CPU和一个存储器MEM分配给所有的轮胎。而且，也有可能使用所述CAVCS主单元的处理器CPU，例如，ABS、VSCS以及类似系统。
<确定力的方法>
首先，对一种确定力的方法进行说明。该方法作为电脑程序而被存储在存储器内，通过处理器CPU来运行。
在上述区域Y内，由力F而引起的轮胎应变ε被近似表示成力F的一个线性函数ε＝f(F)。
例如，由前后方向力Fx而引起的轮胎应变εx被近似表示成力Fx的线性函数εx＝f(Fx)，由横向力Fy而引起的轮胎应变εy被近似表示成力Fy的线性函数εy＝f(Fy)，由竖直力Fz而引起的轮胎应变εz被近似表示成力Fz的线性函数εz＝f(Fz)。
因此，由三个直线力Fx、Fy、Fz的合力F引起的轮胎应变ε可由应变εx、εy、εz之和给出，表示如下ε＝εx+εy+εz＝f(Fx)+f(Fy)+f(Fz)于是，在不同测量点MPi得到的轮胎应变ε的值ti(i＝1至3)为t1＝A1×Fx+B1×Fy+C1×Fzt2＝A2×Fx+B2×Fy+C2×Fzt3＝A3×Fx+B3×Fy+C3×Fz其中，Ai、Bi、Ci(i＝1至3)是在测量点MPi(i＝1至3)的系数。
于是，通过对这些联立方程进行求解可以得到未知变量Fx、Fy、Fz的值。
所述联立方程通过下述行列式来表示|t1| |A1 B1 C1| |Fx||t2|＝|A2 B2 C2| |Fy|
|t3| |A3 B3 C3| |Fz|因此，通过计算下列行列式|Fx| |A1 B1 C1|-1|t1||Fy|＝|A2 B2 C2||t2||Fz| |A3 B3 C3||t3|便可以很容易得出Fx、Fy、Fz。
<通式>
通常，如上所述，只要所述相关基本为线性，则测量点MPi(i＝1至m)的轮胎应变、所要测的力Fj(j＝1至n)以及在测量点MPi的力Fj的系数Kij可以如下公式化t1＝k11×F1+K12×F2+K13×F3---K1n×Fnt2＝k21×F1+K22×F2+K23×F3---K2n×Fnt3＝k31×F1+K32×F2+K33×F3---K3n×Fntn＝kn1×F1+Kn2×Fn+Kn3×F3---Knn×Fntm＝km1×F1+Km2×Fn+Km3×F3---Kmn×Fn于是，力F1、F2---Fn可以从下述行列式中而被确定。
|F1| |K11 K12 K13---K1n|-1|t1||F2| |K21 K22 K23---K2n| |t2||F3|＝|K31 K32 K33---K3n| |t3|| | |Kn1 Kn2 Kn3---Knn| |tn||Fn| |Km1 Km2 Km3---Kmn| |tm|<测量点>
如图1所示，上述测量点MP是坐标系中的固定点，其中，所述坐标系固定于轮胎赤道平面不随轮胎旋转而转动。因此，当轮胎应变由固定安装在轮胎1上的传感器S所测量时，因为当轮胎转动时传感器绕着所述轮胎的旋转轴运动，所以有必要对传感器S进行定位。
通常，充气轮胎的下半部变形要大于上半部。因此，优选地将测量点设置在下半部而不是上半部。
当要测的力是Fx、Fy、Fz时，所述测量点MP最好是图14的阴影矩形所示的三个固定点点MP
，位于与地面接触部的中心(0deg.)；以及两个对称点MP[90]和MP[270]，位于离开中心(0deg.)90度的角度α(90和270deg.)的位置。除了90度，所述角度α还可以是其它值。然而，如果传感器S同一时间测量轮胎应变的测量点MP过于接近，则力之间的分辨会变得困难。因此，如图14所示，围绕轮胎转动轴的相邻测量点之间的角α至少为30度，优选至少为约60度(下半部)但是最多为120度(上半部)。
另一方面，根据要测的力数量有可能超过三个测量点，例如，有可能是如图14中由矩形(黑色矩形和白色矩形)表示的的八个测量点。此时上述对于角α的限制不再适用。
上述逆矩阵或者系数Ai、Bi、Ci(通常为Kij)根据测量点MP而变化。因此，为了计算所述力Fx、Fy、Fz，有必要提前取得并存储系数或数据。
<八个传感器排列>
当轮胎转动时，有必要对转动轮胎上的传感器位置进行定位，并当传感器到达所述测量点时在几乎相同时刻读取所述传感器的输出。
图15示出了轮胎1上的传感器排列的一实施方式，其中，八个传感器S绕轮胎旋转轴等角度设置。该传感器排列可与图14所示的上述三个测量点MP
、MP[90]、MP[270]结合。
<TFDS的实施方式>
首先，解释说明的是一种为这样的情形而设计的系统测量点MP是固定点、传感器S的数量多于测量点MP的数量(m)。当然，力Fj的数量(n)不能多于数量(m)。
图16以及17分别示出结合了八个传感器排列和三个测量点排列的用于确定所述直线力Fx、Fy、Fz的系统。
首先，通过测量确定上述在每个测量点MP
、MP[90]、MP[270]的系数Ai、Bi、Ci(i＝1至3)，然后，与系数Ai、Bi、Ci有关的数据例如可由所述逆矩阵使用的形式保存在存储器MEM内。
代表轮胎应变的传感器S的输出通过放大器AMP而被传递，并通过传送器TR编码/调制并发送。
该传送信号由接收器RE接收并被解码/解调，并向处理器CPU输出。
对于该传送数据来说，有可能发送(1)所有传感器S的数据，或者选择性地发送(2)位于测量点MP的被选传感器S的数据。在第一种情况(1)下，如图16所示，通过接收侧的选择器SW从所有数据中选择出与测量点有关的数据。
在后一种情况(2)下，如图17所示，通过传送侧的选择器SW从所有数据中选择出与测量点有关的数据。
假设选择器SW选择模拟数据，则该选择器SW可以是半导体交换器的总成。假设选择数据信号，则该选择器SW可以是一套逻辑电路或者已编程IC。
无论何种情况，选择器SW都会根据与至少一个传感器S的位置有关的数据而只选择并输出与相应测量点MP有关的数据，作为上述代表轮胎应变ε的值ti(t＝1于3)。
与至少一个传感器S的位置有关的数据由传感器定位器SL提供并作为传感器定位数据。该传感器定位器SL输出传感器定位数据，由该数据可确定传感器S的位置。
在图16的实施方式中，所述选择器SW被设置在接收侧(车体侧)，例如，可以使用与车轴连接的旋转编码器。
在图17的情况中，也可以使用上述旋转编码器。而且，如图18以及图19所示，也可以使用一种新方法，在非测量点例如在图14的点MP[180]处放置与振荡器OSL相连的感应线圈COL，其中，所述振荡器OSL产生特定频率fs(例如几百赫兹)。因此，当传感器S其中之一接近感应线圈COL时，该传感器S输出包括频率为fs的交流信号在内的模拟信号，不过其他的传感器不会这样。于是，可以很容易确定所有传感器S的位置。对频率fs进行调谐并与每个所述传感器模拟信号线相连的带通滤波器BP在放大器AMP内与其结合，所述带通滤波器的输出作为上述与至少一个传感器S的位置有关的数据提供给选择器SW。
处理器CPU通过使用与轮胎应变ti、系数Ai、Bi、Ci等有关数据计算力，并将这些数据向CAVCS的主单元输出。
至于传感器S的数量，当要测的力是沿着三个直线运动方向上的三个力时，确定这些力至少需要三个传感器力。不过若考虑到准确性，则最少使用四个传感器S，优选最少六个，更优选最少八个。
如果要要测的力为三个力Fx、Fy、Fz再加上三个围绕所述直线运动方向的轴x、y、z的旋转力Fyz、Fzx、Fxy，则至少需要六个传感器S来确定这六个力，为了准确地确定力，最好使用八个或者更多的传感器S。
在上述实施方式中，传感器S的数量多于要测的力数量，由选择器SW根据传感器定位数据(SL)对来自传感器的输出数据进行选择以减少到所述力数量。
在图20以及图21的实施方式中，省略了其一功能用于对所述测量点传感器进行选择的选择器SW。
在图20中，传感器S的数量等于测量点的数量。在本实施方式中，将图15中所示的八个传感器排列和图14中所示的八个测量点排列进行了组合。
在这种情况下，类似于以前的实施方式，每一个测量点MP
、MP[45]、MP[90]、MP[135]、MP[180]、MP[225]、MP[270]或MP[315]的系数(A0-A8，B0-B8，C0-C8)也被保存在存储器MEM内，然后，处理器CPU根据来自于传感器S1-S8的关于轮胎应变的数据t1-t8、从传感器定位器SL输出的传感器定位数据以及上述系数算出力Fx、Fy、Fz。
<TFDS的又一实施方式>
在上述实施方式中，所述测量点为固定点。由于同时测量其轮胎应变，因此这些测量点被认为是一组。
因此，能够得到被算出的力的间隔基本上是由传感器S的数量所决定的。如果传感器的数量减少，则因为间隔变长而很难在高速转动中及时得到所需的速据。相反，在低速转动中，用于算出力的时间周期不可能变长。当等角度放置八个传感器时，每隔45度角可得到被算出的力。尽管可以通过减少传感器S的数量来缩短间隔，但是传感器S的减少并不优选。因此，该数量最多为16个，最少四个优选八个。
下述内容是通过不减少传感器的数量而缩短间隔的方法。
该间隔可以通过减少测量点MP的数量来缩短，当轮胎转动时使用不同组的测量点。换句话说，当轮胎转动时，传感器测量轮胎应变的测量点发生改变。
图21示出一种为测量点MP数量(m)多于传感器S数量的情形设计的系统。
在该实施方式中，所述要测的力为Fx、Fy、Fz，等角度设置八个传感器S1-S8。
测量点的数量非常多，例如为360个。换句话说，绕着转动轴的每一度配置测量点。
所有传感器S1-S8的输出数据t1-t8通过放大器AMP、传送器TR、接收器RE等而被传送到处理器CPU。
传感器定位器SL输出可以确定传感器S位置的数据。例如，选择器SW是一个连接车轴的旋转编码器。根据传感器定位器SL的输出数据，处理器CPU从存储器中读取与被定位测量点的系数有关的数据，然后，所述CPU使用这些数据来算出力Fx、Fy、Fz。
因此，在本实施方式中，能获得轮胎每旋转一度的力。
不过，在本实施方式中，因为360个测量点MP
-MP[359]中的每一个都需要八个系数K(1-360)(1-8)，所以系数Kij的记录数据变得非常巨大。因此，优选如下述方法减少记录数据的大小。
例如，在轮胎上半部的轮胎应变相对于力Fx、Fy、Fz来说并是不那么重要。因此，可以只在轮胎下半部设置测量点。于是，数量和大小减小到一半。这样，因为在下半部仍然有四个传感器S，所以还是有可能进行每旋转一度的精确分析。
<线性插值(linear interpolation)>
另外，不改变所述间隔(在本实施方式中为每一度)，所述记录数据大小还可以通过下述方法减少。可以不考虑测量点的区域是否是下半部，即不管是部分还是整体，都可以使用该方法。不改变测量点(例如每一度)，但是被保存的系数K减少到例如每两度或者更多度，而漏掉的测量点系数通过例如下述的线性插值生成。
假设k[θ1]是在漏掉的测量点位置MP[θ1]的系数，k[θk]是被存储的相邻测量点位置MP[θk]的系数，k[θm]是被存储的另一个相邻测量点位置MP[θk]的系数，θ是角度，例如，基于地面接触部的中心为零(θk＜θ1＜θm)，如下来确定k[θ1]k[θ1]＝k[θk]×(θm-θ1)/(θm-θk)+k[θm]×(θ1-θk)/(θm-θk)因此，数据可以被减少到50％至大约20％。
<获得系数的方法>
至于系数，通过下述的轮胎装载测试来确定每一个测量点的系数。所述轮胎被装配在轮圈上并且膨胀到正常或者标准压力。依次施加一个特定轮胎力如Fx、Fy、Fz并改变其大小，其中，使用传感器S实际测量轮胎应变，通过对传感器输出的分析确定所述系数。更明确说，通过进行回归分析，将力(Fx、Fy、Fz)作为自变量且传感器输出(t1至t3)作为因变量，通过回归系数而可以得到系数(A1-A3，B1-B3，C1-C3)。所述系数被保存在存储器MEM内。
<直流电源功率>
对于轮胎侧设置的传感器S、放大器AMP、传送器TR等的电力来说，可以使用无线功率传输系统的结合，例如利用电磁感应、电磁波或者其他类似方式，出于维护或者维护方便的考虑，优选电蓄电池。不过，如果所需总功率很大，可以通过使用如滑环(slip-ring)单元的电导体之间物理接触的功率传送单元来供给电力。在这种情况下，为了将来自于车轮(轮胎)的传感器数据传送到车体，可以使用相同的物理接触式电力传送单元。更具体地说，传送器TR产生由传感器数据调制的载波，然后将所述载波叠加于直流电源功率。所述调制载波从直流电源功率中分离并通过接收器RE解调成传感器数据。
<轮胎传感器控制器的安装位置>
使用粘合剂、支架等将轮胎传感器控制器TSC固定安装在如图10以及图12所示的轮胎1上或者如图11所示的轮圈17上。考虑到轮胎性能以及特性，所述控制器TSC最好精确安装在轮圈上，或者在硫化轮胎的内部表面接近胎圈部4的底部位置。但是也可以安装在其他部分，只要该部分与轮胎以及车轮一起旋转。任何情况下，尤其是图10及11的情况，应变传感器S和轮胎传感器控制器TSC之间的导线16最好在轮胎硫化过程前就嵌入轮胎橡胶内。
权利要求
1.一种用于确定作用在轮胎上的力大小的系统，包括轮胎应变传感器，安装在轮胎上，用于检测安装位置的轮胎应变，并生成代表轮胎应变的数据；传感器定位器，用于对在轮胎上的传感器进行定位；存储器，存储每一个测量点上有关所述轮胎应变和作用在轮胎上的力之间关系的数据；以及处理器，使用从轮胎应变传感器得到的代表轮胎应变的数据以及基于从传感器定位器得到的关于传感器定位的数据而从存储器获得的所述关系的数据来算出所述力的大小。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述轮胎应变传感器置于所述力及产生的轮胎应变基本线性相关的位置。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述安装位置位于轮胎的胎侧部内。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述轮胎传感器置于圆周上不同的位置，并且所述传感器的数量最少为三个。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述应变传感器的数量最少为六个。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述力各为沿三个直线运动方向中的力，并且使用从轮胎应变传感器得到的代表轮胎应变的数据以及从存储器获得的基于由传感器定位器所得与传感器定位有关数据的所述关系数据，所述处理器算出每个力的大小。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述应变传感器具有方向性，其安装应使所述方向性相对轮胎的径向方向倾斜。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述应变传感器包括至少一个磁体和至少一个嵌在弹性材料内的测磁传感器。
9.如权利要求1或者8所述的系统，其中，所述应变传感器具有最灵敏方向，并且最灵敏方向相对轮胎径向方向倾斜10度至80度之间的一个角度。
10.一种用于确定作用在轮胎上的力大小的方法，包括下述步骤从安装在轮胎上的轮胎应变传感器得到轮胎应变数据；对轮胎应变传感器进行定位，以得到轮胎应变传感器位置的数据；由先前保存的多个位置的有关轮胎应变和力之间关系的数据，得到轮胎应变传感器定位位置处有关轮胎应变和力之间关系的数据，以及使用得到的轮胎应变数据和得到的关于轮胎应变与力之间关系的数据计算力。
11.如权利要求10所述的方法，其中，沿轮胎圆周放置至少三个轮胎应变传感器，并且在得到轮胎应变数据的过程中，从三个传感器中的每一个或者所述至少三个轮胎应变传感器中的多个得到所述数据；在确定轮胎应变传感器位置的过程中，得到所述三个传感器中每一个或者所述轮胎应变传感器中多个的位置数据；在得到关于轮胎应变和力之间关系的数据的过程中，得到所述三个传感器中每一个或者所述轮胎应变传感器中多个的关系；在计算所述力的过程中，使用得到的轮胎应变数据和得到的所述关系数据算出至少三个力。
12.一种充气轮胎，包括胎面部，一对胎侧部，一对胎圈部，以及至少一个应变传感器，其中，所述至少一个应变传感器置于一个所述胎侧部的内部，每一个所述应变传感器都包括一块磁体和一个测磁传感器元件组成，所述磁体和测磁传感器元件嵌在一弹性材料内应使所述测磁传感器元件置于磁体的磁通范围内，其几何排列在轮胎应变下会改变，从而生成有关轮胎应变的数据。
13.如权利要求12所述的充气轮胎，其中，所述至少一个传感器是所述的绕所述轮胎转轴圆周放置的至少三个传感器。
14.如权利要求12或者13所述的充气轮胎，其中，所述应变传感器包括一块磁体和一个测磁传感器元件。
15.如权利要求12或者13所述的充气轮胎，其中，所述应变传感器包括一块磁体和多个测磁传感器元件。
16.如权利要求12或者13所述的充气轮胎，其中，所述应变传感器包括多块磁体和一个测磁传感器元件。
17.如权利要求12至16的任意一项所述的充气轮胎，其中，所述应变传感器具有最灵敏方向，并且最灵敏方向相对所述轮胎径向方向倾斜10度到80度之间的一角度。
18.一种轮胎应变传感器，包括至少一块磁体和至少一个测磁传感器元件，嵌在弹性材料内应使所述测磁传感器元件置于磁体的磁通范围内，并且其几何排列在轮胎应变下会改变，从而生成有关轮胎应变的数据。
19.如权利要求18所述的轮胎应变传感器，其中，所述测磁传感器元件是霍尔元件。
全文摘要
一种用于确定轮胎上力大小的系统和方法及适用于该系统及方法的传感器和轮胎。该系统包括安装于轮胎用于检测安装位置处应变并生成代表轮胎应变的数据的轮胎应变传感器；对轮胎上传感器进行定位的传感器定位器；存储器，存储每个测量点处轮胎应变和力之间关系的数据；以及处理器，由轮胎应变传感器得到的代表轮胎应变的数据以及从存储器获得的有关所述关系的数据计算每个力的大小。该方法包括从轮胎应变传感器得到应变数据；对轮胎应变传感器进行定位以得到其位置数据；从先前保存的多个位置处轮胎应变和力之间关系的数据得到该传感器位置处轮胎应变和力之间关系的数据；以及使用所得轮胎应变数据及轮胎应变与力之间关系的数据计算力。
文档编号G01L5/16GK1619271SQ200410080978
公开日2005年5月25日 申请日期2004年10月26日 优先权日2003年10月27日
发明者三好明宏, 钓田民男 申请人:住友橡胶工业株式会社, 住友电气工业株式会社
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