轮胎监测的制作方法

1.本发明涉及用于对充气轮胎的状况进行监测的装置和对充气轮胎的磨损进行监测的方法。特别地，但非排他地，本发明涉及飞行器轮胎监测。


背景技术：

2.充气轮胎通常由在轮胎的整个寿命期间磨损的橡胶基化合物形成。在使用期间与地面接触的轮胎的周向延伸部分是轮胎胎面(并且可以可替选地被称为轮胎轨道)并且通常包括允许水从轮胎下方排出的凹槽。最小胎面厚度可以出于安全目的而进行限定，并且可以基于例如在凹槽中测量的径向方向上的胎面的深度来进行测量。例如，在汽车应用中，轮胎最初可以具有8mm的胎面深度，并且要求具有1.6mm的最小胎面深度。胎面磨损率是可变的，但可以例如预期提供至少20,000英里的使用寿命。在飞行器应用中，轮胎可以例如具有13mm的初始胎面深度和1mm的最小深度要求，并且轮胎可以持续100至200次着陆。
3.在汽车和飞行器两者应用中，将理解，必须定期监测轮胎磨损。这通常是手动过程，需要用户或维护人员操作以目视检查以及/或者物理地测量轮胎胎面的深度。这样的检查应当以规则的间隔执行，但即便如此，由于很多因素对轮胎磨损率有影响，因此可能难以预测何时可能需要更换。
4.因此，希望提供用于对轮胎磨损进行监测的系统和方法。特别地，提供可以监测轮胎磨损而不需要例如将任何仪器嵌入轮胎胎体中的系统和方法将是有利的。


技术实现要素：

5.本发明的第一方面提供了一种用于对充气轮胎的状况进行监测的装置，该装置包括：至少一个压力传感器，用于测量轮胎内的内部压力；至少一个速度传感器，用于测量轮胎的转动速度；以及控制器，被配置成从压力传感器和速度传感器接收数据并且输出与轮胎的状况相关的指示；控制器通过以下操作来确定所输出的指示：在轮胎的使用期间相对于时间来跟踪内部压力；识别在第一参考时间与第二参考时间之间的时间间隔中的内部轮胎压力的至少一个变化，参考时间与速度传感器指示轮胎的不同转动速度的点相对应；以及监测作为轮胎的转动速度的函数的压力变化，以提供轮胎状况例如轮胎胎面状况的指示。
6.发明人已经认识到，在操作期间可以检测到轮胎压力的变化或波动，其又可以与轮胎的质量直接相关。在正常使用中(并且不包括例如穿孔或其他轮胎故障)，随着轮胎胎面磨损，轮胎质量的主要变化可以预期为质量的逐渐减少。此外，由于胎面的质量在轮胎的最外圆周处，因此当轮胎旋转时，胎面的质量的变化可能对向心力具有特别显著的影响。因此(并且不限于任何特别的理论)，发明人认为一些检测到的内部压力变化可能与转动的轮胎上的动态负载相关。特别地，检测到的轮胎内的压力可能受到轮胎的转动惯量的影响，其中，轮胎以高速膨胀并且导致压力的下降。因此，轮胎中的压力可以用作轮胎质量的间接指示。因此，通过监测作为轮胎转动速度的函数的压力变化，可以间接地监测轮胎磨损。
7.可以将第一参考时间或第二参考时间(限定时间间隔的边界)中的一个参考时间选择成与当速度传感器指示轮胎静止时的时间对应。因此，间隔的一个点处的压力可以是静止轮胎压力。可以将第一参考时间和第二参考时间中的另一参考时间选择成与局部最大转动速度对应。换言之，当限定时间间隔时，控制器可以寻找其中轮胎速度传感器指示相对高的转动加速或减速的间隔。因此，可以将第一参考时间和第二参考时间选择成与转动速度的相对短持续时间但是相对高幅度的变化对应。这样的时间间隔的选择可以使轮胎上的动态负载的差异最大化，并且因此使轮胎状况对检测到的压力的影响的敏感性最大化。
8.在一些实施方式中，可以预先确定针对间隔的最大持续时间。因此，控制器可以选择轮胎静止处的第一参考时间，并且通过找到轮胎在预先确定的最大持续时间内(在该静止参考时间之前或之后)具有最大转动速度的时间点来寻找第二点。在其他示例中，可以基于转动速度大于预先确定的阈值将参考时间选择为局部最大转动速度。例如，在汽车轮胎的情况下，参考时间可以对应于当轮胎转动速度超过标称巡航速度(例如大于60mph)的时间点。在飞行器轮胎的情况下，可以基于轮胎转动速度处于或接近起飞时的预期速度来选择参考时间。
9.可以将第一参考时间与第二参考时间之间的时间间隔选择成界定(bound)轮胎压力的急剧波动。例如，当在轮胎的使用期间相对于时间来跟踪内部压力时，控制器可以设法识别这样的波动，并且然后可以查找相应的轮胎转动速度以确定时间间隔是否具有相应的转动速度的变化。
10.监测作为转动速度的函数的压力变化可以包括获得相对于轮胎的转动速度的压力的变化率。例如，可以确定每单位转动速度的压力变化。这可以实现转动速度相关的压力变化的比较或趋势监测(并且可以例如确保可以在不需要转动速度相同的情况下进行比较)。可以理解，执行比较或趋势监测可以简化实施方式的实现，因为轮胎状况趋势可以从作为转动速度的函数的压力变化的变化中识别，而无需将检测到的变化与实际轮胎质量或胎面厚度相关联。例如，控制器可以在每次特别事件发生时(在飞行器的情况下，这可能是起飞，而在汽车的情况下，这可能是每次车辆停止时)确定作为转动速度的函数的压力变化。然后可以随着时间比较变化以识别趋势并向操作员提供例如轮胎磨损率的估计或轮胎磨损可能大于预期的警告。因此，控制系统可以通过以下操作来监测作为转动速度的函数的压力变化：将多个单独时间间隔中的压力变化进行比较以识别作为轮胎的转动速度的函数的压力变化的趋势。
11.当充气轮胎为飞行器轮胎时，时间间隔可以是在飞行器起飞之后。发明人已经发现，在该时间段内发现了可重复检测的压力波动。可以理解，在起飞时飞行器轮胎以最大速度转动并且当重量离开飞行器起落架时变得无载。在起飞之后和收回起落架之前，标准做法是施加预收回制动以使机轮停止转动(出于安全原因，通常收回正在旋转的机轮是不理想的)。因此，在起飞后飞行器机轮经历相对快的减速。在本发明的实施方式中，第一参考时间是在飞行器起飞之后当机轮为无载的并且自由转动时。这是局部最大机轮转动速度。第二参考时间可以是当机轮已经经受了预收回制动时(并且例如已经完全停止转动)。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种飞行器，其包括根据本文中所描述的实施方式的用于对充气轮胎的状况进行监测的装置。
13.本发明的另一方面包括一种对充气轮胎的磨损进行监测的方法，该方法包括：
14.提供压力传感器以测量轮胎内的内部压力；
15.提供速度传感器以测量轮胎的转动速度；
16.在轮胎的使用期间相对于时间来监测内部压力；
17.速度传感器指示转动速度的变化的时间间隔上识别内部轮胎压力的至少一个变化；以及
18.监测作为转动速度的函数的压力变化，以提供轮胎状况的指示。
19.在一些实施方式中，监测作为转动速度的函数的压力变化可以包括识别在多个时间间隔上的函数的趋势。
20.轮胎可以是飞行器轮胎并且时间间隔可以在飞行器起飞与机轮收回之间。
21.该方法还可以包括将数据传输至联网的健康监测系统。联网的健康监测系统可以监测多个交通工具，并且因此，监测或趋势监测可以包括具有可比较的充气轮胎的多个交通工具的比较。这样的累积数据可以通过对大数据集的计算分析来实现另外的趋势识别。
22.在本发明的另一方面，提供了一种用于对包括充气轮胎的飞行器机轮进行健康监测的装置，该装置包括：内部轮胎压力传感器；用于测量机轮的转动速度的转速计；以及处理器，包括：输入端，用于从压力传感器和转速计接收数据；输出端，用于发送与轮胎状况相关的通知；以及包括指令的机器可读介质，所述指令可由处理器执行以进行以下操作：当转动速度处于或接近最大值时，识别在飞行器起飞之后的最小轮胎压力；当转动速度指示机轮已经停止转动时，识别在所述最小值之后的静止轮胎压力；以及获得作为转动速度的函数的最小轮胎压力与静止轮胎压力之间的压力差；以及将在多个起飞周期上的作为转动速度的函数的压力差进行比较，以提供轮胎的健康监测。
23.虽然上面已经描述了本发明，但是本发明扩展至上文阐述的或者下面的描述或附图中阐述的特征的任何创造性的组合。
附图说明
24.现在将参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施方式，在附图中：
25.图1a和图1b示出了可以结合本发明的实施方式的商用飞行器的示意图；
26.图2示出了根据实施方式的飞行器起落架和轮胎监测装置；
27.图3示出了针对代表性飞行器飞行周期的轮胎压力随着时间变化的示例图；
28.图4示出了起飞阶段轮胎压力相对于时间变化的细节的示例；以及
29.图5示出了本发明的实施方式的方法。
具体实施方式
30.图1示出了商用飞行器1，在这种情况下是申请人的a320系列的示例。该飞行器设置有前起落架10和一对主起落架20，前起落架10携带具有充气轮胎的一对双轮，每个主起落架20具有带有充气轮胎的另外一对双轮。可以理解，机轮和起落架的特别配置将取决于飞行器配置并且不是限制性的。例如，主起落架还可以包括多组双轮(如图2的示例中所示出)，并且这样的布置在大型飞行器上是常见的。如上面所提到的，轮胎在使用中磨损，并且必须以规则的间隔进行监测和更换。这会产生运营成本，并且如果轮胎在不适合操作员的时间或地点处需要更换，则可能是不方便的。因此，提供具有轮胎监测系统的飞行器将是有
利的，该轮胎监测系统可以提供对轮胎磨损的持续和可选地实时监测，使得飞行器操作员可以更好地安排或预测轮胎更换需求。
31.图2示出了根据实施方式的飞行器主起落架20和轮胎监测装置的更详细的示意图。起落架携带有机轮，每个机轮都具有充气轮胎30。在轮胎30的外圆周处是轮胎的胎面32，轮胎具有在径向方向上测量的胎面深度“d”。每个机轮30可以设置有转动速度传感器42。速度传感器42例如可以是转速计。用于转速计的一种已知且可靠的布置是提供内置在机轮的轴中的电动发电机布置。通过监测发电机的输出，可以确定机轮转动速度。可以理解，这样的转速计可以被设置在飞行器机轮上以用于一般的机轮地面速度感测。每个机轮还设置有轮胎压力传感器44以用于检测相关联的轮胎30的内部压力。压力传感器44可以专用于实施方式的轮胎监测装置或者可以是轮胎压力监测系统的一部分(该轮胎压力监测系统也用于检测轮胎穿孔)。
32.该装置还包括与轮胎压力传感器44和转速计42通信的控制器40。将理解，虽然该附图仅示出了连接至单个机轮的传感器44和转速计42的控制器40，但这仅仅是为了清楚起见，并且同一控制器40可以监测多个机轮上的轮胎30。
33.轮胎监测装置的控制器40可以连接至飞行器控制系统50。这可以例如使得控制器40能够跟踪飞行器飞行事件(例如起飞、起落架收回)并且还可以使得轮胎监测装置能够向飞行器系统(例如为飞行器机组人员)提供通知。将理解，在一些实施方式中，控制器40可以集成到其他飞行器系统例如控制系统50中，而不改变装置的基本操作。
34.轮胎监测装置的控制器40还可以与健康监测系统70通信。健康监测系统70可以例如是联网的或基于云的系统。健康监测系统70可以连接至多个系统和飞行器并且可以例如用于机队管理和/或预测性维护。到健康监测系统70的连接可以是无线连接并且可以使得能够从控制器40发送实时数据或状态馈送。根据监测装置和健康监测系统70的特别配置，可以理解，跨网络交换的数据可以是来自压力传感器42和转速计44的原始数据，或者可以是来自控制器40的轮胎监测的输出。在原始数据被传输至健康监测系统的情况下，可以理解，轮胎监测装置的控制器40可以是集中式联网控制器(例如集成到健康监测系统中)。
35.图3中示出了针对示例飞行器飞行周期的轮胎压力随时间变化的图。在初始滑行和起飞阶段期间，可以看到轮胎压力逐渐增加(轮胎正在支承飞行器的负载并且将在运动时发热)。由于飞行器的加速，针对起飞滑跑的最后阶段压力的增加变得更陡。在飞行的巡航阶段期间，轮胎压力逐渐下降(机轮不在使用中，并且经受低环境温度和压力的影响)。在着陆时，轮胎经受几乎阶跃的压力的变化，因为它们承受了飞行器的重量并且经历制动。在该一般模式中，发明人现在已经识别出在起飞之后立即发生的小但可测量的局部压力波动。这种变化可以在图3中清楚地看到(但为了清楚起见可能有些夸大)，并且在紧接在起飞之后的约60秒之内。发明人已经能够在针对各种飞行和飞行器的压力图中识别出这种相同的波动。
36.局部压力波动的细节在图4中示出。如所预期的那样，轮胎压力在起飞滑跑期间处于峰值410。当机轮离开地面时，它们以相对高的转动速度自由旋转，并且控制器40可以检测到短暂压力下降到局部最小值420。
37.出于安全的原因，至少主起落架20的机轮在起落架收回之前被制动。这被称为“预收回”制动，并且通常由起落架收回命令自动触发。由于不期望延迟起落架收回，因此预收
回制动的持续时间相对短。因此，机轮和轮胎经历相对快速的减速。当轮胎已经被制动至停止时，发现轮胎压力部分地恢复至第二峰值压力430。由于轮胎自起飞以来已经为无载的并且正在冷却，因此该压力小于峰值410。
38.发明人已经认识到，在机轮转动时测量的最小压力420与在轮胎已经停止时的随后的最大值430之间的差值是轮胎的转动速度与轮胎的质量的函数。因为可以根据转速计42测量转动速度，所以控制器40可以量化每单位转动速度的压力的变化。这去除了速度变量，使得该函数可以被视为轮胎的质量的直接指示。轮胎的质量的变化主要是轮胎磨损的结果，并且因此(经由压力变化)跟踪质量的变化可以用作监测轮胎磨损的间接手段。
39.可以理解，为了实施本发明，控制器40通常不需要设法计算或获得轮胎30的质量。相反，控制器可以设法监测作为在每次起飞时检测到的轮胎转动速度的函数的压力变化(即每单位转动速度的变化)的一般趋势或变化。例如，控制器40可以访问至针对特定飞行器和轮胎配置的历史数据以进行比较。控制器40可以另外地或可替选地设置有预先确定的阈值，该预先确定的阈值已经被识别为与某些轮胎磨损状态(例如，部分磨损、需要更换等)相对应。这样的预先确定的阈值可以经验性地或理论地进行限定，或者可以使用算法从大型压力配置文件数据集中获得。
40.图5中以流程图的形式示出了本发明的实施方式的方法。该方法的第一步包括在框510中监测飞行器轮胎内的内部压力以及在框520中监测轮胎(或者通常其相关联的机轮)的转动速度。可以理解，本发明的实施方式的优点是这些监测步骤可能已经出于其他目的在飞行器上执行，并且因此，本发明可以在不需要另外的专用设备或传感器的情况下实现。
41.可以相对于时间对所获取的速度和压力数据进行跟踪，并且因此易于关联。在框530中，控制器设法在所获取的数据内识别与机轮转动速度的相关变化相对应的测量的压力变化。在飞行器的情况下，控制器可以被预先配置成识别在起飞与起落架收回之间发生的这样的变化。在汽车应用中，控制器可以被配置成在所获取的数据中动态地搜索合适的变化，例如在合适的时间间隔内发生的变化。
42.一旦识别出压力和转动速度的合适变化，在框540中，方法包括确定作为转动速度的函数的压力变化，例如量化每rpm的δp。
43.在框550中，例如在多个使用周期上监测作为转动速度的函数的压力变化。这种监测通常将包括重复初始方法步骤(例如，每个飞行周期重复一次或者针对汽车应用以设定时间间隔重复)。然后可以使用作为转动速度的函数的压力变化的趋势来识别轮胎的磨损。在轮胎的寿命期间，随着胎面磨损且轮胎质量减少(以及轮胎的质量分布改变)，预期趋势将示出逐渐变化。当超过阈值时，可以向操作员提供警报或通知，趋势数据表明的超过阈值对应于轮胎需要检查或更换。还将理解，当监测趋势时，意外偏差也可以被识别并且可以被标记，以便操作员可以执行另外的检查或维护，这可以具有预防性的益处。
44.应当注意，除非另有明确说明，否则如本文中使用的术语“或”被解释为意指“和/或”。
45.尽管上面已经参考优选实施方式描述了本发明，但是应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。例如，虽然上面的示例涉及飞行器，但将理解，本发明的基本原理也可以适用于其中希望监测轮胎磨损的其他交通
工具。
46.例如，虽然上面的示例使用起飞期间的压力下降来跟踪轮胎磨损，但是通过跟踪压力变化以及识别与机轮转动速度相关的压力波动来使本发明适用于其他交通工具将是优化的问题。在一些实施方式中，监测系统的控制器可以例如在正常使用期间动态地识别速度变化何时已经发生并且具有可以用于轮胎状况监测的相关压力波动。本领域技术人员还可以理解，在设法将本公开内容的原理应用于其他交通工具时，例如可以使用历史数据来识别与针对飞行器所发现的起飞情况等效的条件，以便针对特定交通工具或交通工具类型中的轮胎监测提供合适的参数。还可以注意到，虽然使用静止轮胎作为针对飞行器的压力点之一特别地方便(由于预收回制动)，但针对汽车应用，可能需要替代地使用低速度条件(例如低于10mph)。