一种车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的方法及系统与流程

本发明属于车辆检测技术领域，具体涉及一种车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的方法及系统。

背景技术：

轮胎运行时的载荷和气压直接影响轮胎的使用寿命和安全性，气压过高、载荷过大，可能会导致轮胎爆胎，进而造成财产损失，甚至人员伤亡；气压过低则会导致轮胎油耗上升、磨耗性能下降，进而影响经济性。结合充气轮胎的固有特性，合理的气压、载荷组合能够明显提高轮胎使用的安全性和经济性，故对于消费者的轮胎选用及轮胎厂家对轮胎规格型号的推荐来说，真实、可靠的轮胎使用气压和载荷至关重要。对于轮胎的充气压力目前监测手段非常成熟、方便，比如定期使用气压表检测轮胎气压、装配轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)后的轮胎可以实时监测轮胎的充气压力等。

对于轮胎实时载荷（垂向载荷）的测量或检测技术手段目前主要有以下几种：

加速度法：专利公开号为CN1860042A，专利名称为车辆行驶期间检测轮胎载荷的方法和系统，该专利中提及采用在轮胎内腔特定位置放置加速度计的方法来测量轮胎的接地长度，再根据轮胎力学和结构数据映射轮胎垂直载荷。该方法的关键在于获得准确的轮胎接地长度和接地长度与垂直载荷之间的相关性。轮胎的接地长度取决于车辆运行的速度、轮胎的负荷、轮胎的气压即轮胎运行时的温度上升所致的气压上升、轮胎与界面（地面）的接触状况、轮胎的磨损情况等，若不能够妥善、系统地修正以上因素带来的影响，对于轮胎垂直载荷的检测误差将是难以忽略的。综上所述，该专利所涉及的轮胎垂直载荷检测方法难以量产用于实际车辆，尤其是使用条件相对恶劣的卡客车。专利公开号为CN103786533B，专利名称为一种汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统，该专利对轮胎下沉量的获取是通过加速度法间接获取的，受车辆的振动特性和道路的平整度影响大；对于载荷的估算也没有考虑车轮高速滚动情况下离心力的影响，即轮胎运行速度的影响，这两点影响因素极大地降低了该方法对轮胎动态载荷的估算精度。此外，该专利所述的ABS轮速传感器目前在国内大部分卡客车上都未配备，因此改方法的适用性不强。

胎侧变形测量法（即图像法）：在轮胎胎侧进行激光打点，通过轮胎加载前后胎侧图像的变化来获取胎侧变形信息，并通过标定映射出轮胎的负荷信息，该方法具备理论上的可行性，但是相机的安装和固定体积庞大、安装复杂、价格昂贵，且镜头易受环境污染，使用局限性大，不太适合室外长期测试用。

采用光学法测量轮胎内腔径向位移：在轮胎胎面腔体侧布置LED光源，在对应径向轮辋处布置棱镜和位置敏感探测器，通过测量光源空间移动的变化，标定出轮胎的负荷信息。该方法的关键在于需要定制的轮辋。

现有技术的缺点主要为：

1. 测量精度低，均未考虑速度、轮胎温升所致的轮胎尺寸和气压的变化；特别说明，速度对轮胎下沉量影响显著，进而会影响对轮胎实时负荷的估算精度，参见图1；

2.硬件要求高、成本昂贵、可行性差，要么需要定制轮辋、要么需要特殊的光学采集硬件；

3. 适用性差，对使用条件要求高，不能适应较恶劣环境下的轮胎动态负荷测量。

技术实现要素：

为解决上述缺陷，本发明的目的旨在开发一套可量产的、适用性强的、高精度的轮胎垂向载荷实时测量系统。

本发明采用如下技术方案：

一种车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的方法，用于实现所述方法的系统包括用于测定车辆运行速度v的GPS车速测试部件、用于测定轮胎实时气压Pre的轮胎压力监测系统、用于测定位移传感器安装基准面相对于地面的实时距离L的位移传感器和用于实时收集v、Pre和L并进行处理获得轮胎的实时载荷Load的控制器， GPS车速测试部件、轮胎压力监测系统和位移传感器分别与控制器信号连接，所述方法包括以下步骤：

（1）GPS车速测试部件测定车辆运行实时速度v；

（2）轮胎压力监测系统测定轮胎实时气压Pre；

（3）位移传感器测定位移传感器安装基准面相对于地面的实时距离L；

（4）控制器实时收集v、Pre和L并利用下述公式（1）-（3）进行计算获得轮胎的实时载荷Load；

其中，轮胎的实时载荷Load由式（1）获得：

Load=f(Pre,Def,v) （1）

式中，f为台架实验标定的轮胎的实时载荷Load与轮胎实时气压Pre、轮胎实时下沉量Def及车辆运行速度v之间的映射关系；

轮胎实时下沉量Def由式（2）获得：

Def=R-H1-L （2）

式中，R为轮胎的实时充气半径，H1为位移传感器安装基准面与轮胎中心的水平轮轴基准面高度差，L为位移传感器安装基准面相对于地面的实时距离；

轮胎的实时充气半径R由式（3）获得：

R=R1+δ(Pre) （3）

式（3）中，R1为轮胎初始半径，δ为轮胎的实时充气半径R随轮胎实时气压Pre的变化量。

其中，位移传感器安装在车辆悬架上， GPS车速测试部件安装在驾驶员座位正上方的车顶上面，和轮胎压力监测系统安装在轮胎气门嘴的位置。

其中，所述控制器采用NI cRIO 9030型号控制器。

一种车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的系统，包括用于测定车辆运行速度v的GPS车速测试部件、用于测定轮胎实时气压Pre的轮胎压力监测系统、用于测定位移传感器安装基准面相对于地面的实时距离L的位移传感器和用于实时收集v、Pre和L并进行处理获得轮胎的实时载荷Load的控制器， GPS车速测试部件、轮胎压力监测系统和位移传感器分别与控制器双向信号连接。

本发明具有如下有益效果：

1.采用位移传感器，在每根车轴两端承载车架的板簧下方距离胎侧10~20cm范围内安装位移传感器，通过测量传感器安装平面对地距离的变化，并综合气压和环境温度对轮胎尺寸的影响，进而计算出运行车辆上轮胎的实时的下沉量，下沉量计算简单且数据准确度高。

2.实时测量出车辆运行的速度、轮胎的气压，进而修正室内标定的实时载荷模型，得到精确的垂向实时载荷信息，载荷数值精度高。

3.硬件要求和成本低，可以广泛用于不同类型的车辆。

4.适用性好，对使用条件要求不高，能适应较恶劣环境下的轮胎动态负荷测量。

附图说明

图1为本发明的下沉量随速度变化的关系曲线。

图2为本发明的轮胎动态下沉量测量示意图。

图3为本发明中轮胎充气半径相对于标准气压下充气半径的变化量随气压变化的关系曲线。

具体实施方式

本发明所涉及的车辆行驶期间轮胎动态垂直载荷检测系统主要有两个部分组成：其一为车辆行驶期间车辆及轮胎相关技术参数的测量，其二为轮胎动态垂向载荷模型，该模型所涉及的技术参数为车辆运行实时速度、轮胎实时气压、位移传感器的对地距离。

参见图2，车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的系统包括用于测定车辆运行速度v的GPS车速测试部件和用于测定轮胎实时气压Pre的轮胎压力监测系统、用于测定位移传感器安装基准面相对于地面的实时距离L的位移传感器和用于实时收集v、Pre和L并进行处理获得轮胎的实时载荷Load的服务器，位移传感器安装在车架的板簧下方，靠近轮胎胎侧10~20cm范围内，防止环境温度、路面坡度等因素的对测试精度的影响，GPS车速测试部件、轮胎压力监测系统和位移传感器分别与服务器连接，

轮胎的实时载荷Load由式（1）获得：

Load=f(Pre,Def,v) （1）

式中，f为台架实验标定的轮胎的实时载荷Load与轮胎实时气压Pre、轮胎实时下沉量Def及车辆运行速度v之间的映射关系；

轮胎实时下沉量Def由式（2）获得：

Def=R-H1-L （2）

式中，R为轮胎的实时充气半径，H1为位移传感器安装基准面与轮胎中心的水平轮轴基准面高度差，L为位移传感器安装基准面相对于地面的实时距离；

轮胎的实时充气半径R由式（3）获得：

R=R1+δ(Pre) （3）

R1为轮胎的初始半径，即在室温下充标准气压后稳定时的半径，δ为轮胎的实时充气半径R随轮胎实时气压Pre的变化量，轮胎运行时因温度上升及环境温度变化所致的轮胎内腔压力变化，进而引起的轮胎充气半径的变化，这个变化量δ(Pre)，是内腔充气压力的函数，本发明是通过室内静态试验标定建立起的关系函数，相关曲线示例如图3所示（备注：对于不同轮胎该曲线有所不同，受轮胎规格、类型和层级影响），轮胎压力监测在系统安装调试时，需根据安装轮胎的实际情况输入标准气压，后续只需将测得气压与该标准气压比较，即得到气压变化量。将获得的δ(Pre)、R1、H1、L、Pre、v带入公式即可获得轮胎实时载荷Load。

值得注意的是，环境温度变化最终影响的也是轮胎内腔的气压，故本发明中直接标定气压对轮胎半径的影响即δ(Pre)。