通过评估滚动半径来估计潜在附着力

摘要

一种用于确定安装车轮上并且在地面上滚动的轮胎的潜在附着力的方法，包括下列步骤：?根据具有可变的和已知的附着力的在路面上的所述轮胎的预定滚动条件的来评估轮胎的滚动半径的变化，为了形成实验数据库，?基于所述实验数据库，通过确定将潜在附着力(μmax)联系到滚动半径(RRt)和车辆参数的函数，来建立潜在附着力(Mpotad)的评估模型，在轮胎滚动时确定滚动半径(RRt)，并且通过应用所述模型(Mpotad)并根据车辆参数来评估所述轮胎的潜在附着力(μmax)。

说明书

技术领域

本发明涉及的领域为用于自动车辆的轮胎。更具体而言，本发明 涉及实时估计车辆到地面的附着条件，以便能够向驾驶员或车上安全 系统警告可能使车辆及其乘员陷于危险之中的滚动条件的改变。

背景技术

目前已经描述了多种用于估计轮胎到地面的附着力的系统。

原先的设备制造商所提供的用于测量潜在附着力的第一系统是基 于ABS式系统和ESP式控制的。这些系统通过计算来构造轮胎到地面 的附着系数，从而间接地，而不是测量接触区域产生的力。

最近，文献EP1076235提出，在给定的雕塑元件进入接触区域 时，使用传感器来测量该雕塑元件受到的切向力，从而确定潜在附着 力。然而，该方法遇到的困难在于，将设置在轮胎胎面的雕塑元件中 的传感器设置并维持在工作条件下(胎面尤其暴露于冲击和各种腐蚀 的情况下)。

文献WO03/066699描述了一种用于确定轮胎的潜在附着力以及可 用的附着余量的方法，其在固定至车辆的参考框架中，测量位于轮胎 侧壁的圆周上的不同方位处的多个固定点的圆周距离的车辆变化。然 而，该方法需要接触区域中存在很大的滑动区，并且该方法只在车辆 已经接近于轮胎开始在地面上滑动的条件时才产生有关信息。可以认 为，这样的警报对于作为驾驶辅助而言太晚了。

发明内容

在轮胎的参考框架中，轴线OX是表示轮胎的圆周方向的轴线， 轴线OY是平行于轮胎的旋转轴线的轴线或横向轴线，轴线OZ是垂直 于轮胎的旋转轴线的轴线或径向轴线。

下文中，附着系数(其以字母μ表示)被定义为，施加到接触区域 的水平上的切向负载与垂直负载之间的比例。

这里，术语负载应广义理解为，包括施加在给定点的负荷、力或 形变，因为可以理解，这些量之间的联系是已知的。

在给定时间的在接触区域的水平上的附着系数从而表示为下列形 式：

其中，σ_x表示在X轴线上的切向负载；

其中，σ_y表示在Y轴线上的切向负载；

并且其中，σ_z表示在Z轴线上的压力负载，其在接触区域的多数 路程中基本上是恒定的。

在接触区域的水平上的潜在附着力μ_max对应于轮胎在接触地面时 能够承受的切向力与垂直力之间比例的最大值。该潜在附着力的改变 受到车辆在其上行驶的地面的性质的影响。潜在附着力μ_max与附着系数 μ_t之间的差构成轮胎的附着余量(μ_max–μ_t)。

本发明基于对轮胎的滚动半径进行的测量和分析。

滚动半径可以定义为，轮胎在一个车轮转数下在地面上行驶的距 离除以2π。

滚动半径的值常规上是在车轮滑动时测量的，由于高驱动扭矩的 效应，每个车轮转数下行驶的距离更小一些，而且滚动半径减小。相 反，当施加刹车扭矩时，车轮减速，并且在极限时可能在车辆继续向 前行驶的同时锁住，从而滚动半径增加。

作为等价形式，滚动半径可以定义为，以m/s计的车辆线速度与 以rad/s计的车轮旋转速度之间的比，或者在给定时间间隔内行驶的地 面距离与在相同时间间隔内车轮绕其轴线的角度变化之间的比。

仔细观察可以发现，在自由滚动条件下，即在没有刹车或驱动扭 矩的条件下，如果潜在附着力变化，滚动半径也变化。

实际上，在接触区域的胎面与地面之间的局部的微小滑动意味着， 车轮必须转动得比最大附着条件稍快，才能维持车辆的恒定速度。

则发现，相对于最大附着条件，如果轮胎在地面上的潜在附着力 减小，则滚动半径减小，就如同需要施加额外的驱动扭矩。

本发明目的在于根据对滚动半径的变化的直接观察的方式，开发 这种观察到并且确定潜在附着力。这些变化虽然幅度很小，然而是可 以检测的，而且精度足以确定轮胎的附着系数。如同稍后将变得清楚 的，这还使得必须在与车辆相关的很小的误差余量参数下进行控制， 并且还与滚动半径的测量互相影响。

根据本发明的用于确定安装在行驶在地面上的车辆的车轮上的轮 胎的潜在附着力的方法，包括下列步骤：

-根据被评估的具有可变的和已知的附着力的在路面上的所述 轮胎的预定滚动条件来评估轮胎的滚动半径，以构造实验数据库，

-基于所述实验数据库，通过确定将潜在附着力联系到滚动半 径和车辆参数的函数，来建立潜在附着力的评估模型，

-在轮胎滚动时确定滚动半径，并且通过应用所述模型并根据 车辆参数来评估所述轮胎的潜在附着力。

确定潜在附着力因此涉及，基于在特定于给定轮胎的已知滚动条 件下获得的实验数据来构造模型，以及在车辆的常规滚动条件下应用 该模型。

还可见，对于快速的变化，有影响的参数的数量相对较少。根据 本发明的方法的使用还由下述事实得到促进：通过装在多数现代车辆 中的监控和驱动辅助装置，这些参数目前具有足够的精度，从而能够 在所需的精度下确定潜在附着力。

根据本发明的方法还可以包括下列特征的单独或组合应用：

-滚动半径是通过评估车辆相对于地面的移动速度与车轮绕其 轴线旋转的速度之间的比来评估的。

-滚动半径是通过对在特定的平均时段内获取的滚动半径的测 量值进行平均而确定的。

-所述平均时段在1与10秒之间，优选地包括在2.5与3.5秒 之间。

-滚动半径是通过使用车载GPS系统来评估车辆相对于地面的 移动速度并且使用在每个车轮转数中产生多个脉冲的编码器来评估车 轮的旋转速度而确定的。

-滚动半径是由所述编码器产生的每一个脉冲确定。

-潜在附着力的评估模型在滚动半径低于预定阈值时应用。

-潜在附着力(μ_max)的评估模型(M_potad)的形式为：

μ_max=a₁e^(RRt)+a₂Ze^(RRt)+a₃Pe^(RRt)+a₄Z+a₅P+a₆PZ+a₇

其中，RRt表示滚动半径，Z表示施加在车轮上的负载，P表示轮 胎压力值，a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇是常数。

-轮胎压力值由下列表达式给出：

$P=P_{TPMS}+a_8{V}_{sol}^2$

其中，P_TPMS表示装在轮胎内的传感器给出的压力值，V_sol表示车 辆相对于地面的移动速度，a₈是常数。

-施加到车轮的自由负载是通过执行下列步骤来评估的，在执 行这些步骤时，车辆没有转向并且没有进行任何横向或纵向加速，车 轮上施加的是零驱动/制动扭矩，并且车轮处于自由滚动条件之下：

o检测车辆在干燥地面上滚动，

o评估滚动半径的值，以及

o使用模型，寻找能够使得潜在附着力等于1的自由负载值。

-平均自由负载是在行驶于干燥地面上的过程中确定的。

-潜在附着力是使用基于对滚动半径的测量、轮胎压力值以及 已知的自由负载或平均自由负载的评估模型确定的。

-潜在附着力是使用基于对滚动半径的测量、轮胎压力值以及 等于施加到车轮的瞬时负载的负载的评估模型确定的，所述瞬时负载 是使用基于给定时刻的车辆数据来限定车辆动态的函数来计算出的， 所述给定时刻的车辆数据包括：

o应用到车轮上的自由负载或平均负载，和/或

o驱动或制动扭矩，和/或

o偏角，和/或

o横向和纵向加速度，和/或

o倾角。

-负载是根据对位于车辆的底盘上的点与位于车轮的支架上的 点之间的距离的测量以及连接所述支架与所述底盘的悬挂的刚度而评 估的。

-确定安装在非转向轮和非驱动轮上的轮胎的潜在附着力。

附图说明

在阅读所附附图之后，可以更好地理解本发明，附图是通过乘客 客车示例的方式给出的，这些示例并非是限制性的，在这些附图中：

图1表示的是展示滚动半径根据潜在附着力的变化而改变的实验 方案。

图2表示的是类似于前一个实验方案的处于不同的速度、负载和 压力条件下的实验方案。

图3表示的是对于不同的负载和压力的滚动半径根据潜在附着力 而变化。

图4表示的是根据测量到的半径值计算出的潜在附着力值作为给 定的实际的潜在附着力的方式的分布。

图5表示的是误差余量根据滚动半径的变化。

图6表示的是在可变附着条件下行驶时所计算的预测出的潜在附 着力的变化。

具体实施方式

图1显示了本发明所依赖的现象，在车辆以恒定速度在直线上行 驶时，通过该现象，能够想象出测量非驱动且非转向的车轮相继地在0 与T₁之间的潮湿地面上行驶、T₁与T₂之间的干燥地面上行驶以及在 T₂之后再次的潮湿地面上行驶时的滚动半径。

可见，滚动半径RRt在从在潮湿地面上行驶转变到在干燥地面上 行驶时增加了0.5mm，并且在从在干燥地面上行驶转变到在潮湿地面 上行驶时减小了相同的量。

图2再现了该对于不同速度、实际负载条件和充气压力的实验方 案。仍然可见，滚动半径在从在干燥地面(以叉号表示)转变到在潮 湿地面(以圆圈表示)时以及相反情况下发生了变化。

所述方法则包括，根据具有最大影响(例如速度、负载、轮胎充 气压力、刹车或驱动扭矩或在轮胎具有偏角或倾角时在轮胎上施加的 横向力)的车辆参数的方程，建立滚动半径与潜在附着力之间的关系，

能够改变滚动半径并从而确定潜在附着力的一阶车辆参数是负载 和轮胎压力。与刹车扭矩或驱动扭矩有关的纵向力以及与轮胎开始偏 移或倾角有关的横向力仅在计算负载时有所涉及。因此，认为纵向力 和横向力几乎为零(没有对车辆进行特定操控的情况)，能够评估轮胎 的潜在附着力，从而能够知道车辆在特定速度下刹车或转向时可用的 附着水平。

为此，更感兴趣的是非驱动且非转向的车轮，例如，前轮驱动式 车辆的后轮。因此将在滚动时测量滚动半径前，验证未激活的刹车以 及转向车轮角等于零。该信息在装备有驾驶辅助系统(例如电子稳定 程序(ESP))的现代车辆上一般随时是可用的。

根据一个优选实施方案，在车辆的诊断插槽中插入了盒子；该盒 子可用包含GPS系统并且也能够获取车辆的驾驶辅助系统的信号，尤 其是电子轨迹修正器或ESP的信号。

图3显示了根据展示的不同的偏置值，根据用于不同负载和压力 条件的潜在附着力值μ_max，滚动半径RRt的变化，不同的偏置值分别有 30mm、18mm和15mm的偏置。这里，偏置等于已充气的轮胎在自由 状态下的半径与负载下的轮胎的半径之间的差。

所有的实验测量出的数据随后能够确定模型M_potad，该模型与潜在 附着力μ_max和滚动半径与负载和压力的函数联系起来。这些测量在包括 有30km/h到110km/h之间的速度下有效。

所获得的模型M_potad的一般形式为：

μ_max=a₁e^(RRt)+a₂Ze^(RRt)+a₃Pe^(RRt)+a₄Z+a₅P+a₆PZ+a₇

其中，Z表示轮胎所支撑的负载，P表示轮胎压力值，值 a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,表示实验确定的系数。

可见，潜在附着力影响滚动半径，滚动半径随着潜力减小而增加。

潜在附着力的确定精度取决于滚动半径值的测量精度，还取决于 对施加到车轮的压力和负载的值以及轮胎压力值的精确获知。更具体 而言，滚动半径在几十毫米的范围内变化，这就需要以受控的误差余 量来评估该值。

滚动半径通过下述方式简单地确定：建立车辆相对于地面的移动 速度(V_sol)与车轮绕其轴线的旋转速度(Ω)之间的比。

RRt＝V_sol/Ω

地面速度V_sol从通过GPS导航系统收集的数据获得，其精度例如 为0.1km/h。

车轮绕其轴线的旋转速度(Ω)可以使用防抱死制动系统(ABS) 所用的车轮编码器来确定，该车轮编码器一般产生每车轮转数196次 的脉冲。

通过将在预定的平均时段中测量的滚动半径进行取平均，能够增 加滚动半径的计算精度。3秒的平均时段可以获得可接受的误差余量。 然而，必要的是，将该平均时段限制为大约十秒，以不会恶化形成潜 在附着力的信息所需的时间，以及用以防备滚动条件快速变化的后果。

然后，滚动半径根据来自车轮编码器的每个脉冲计算。因此，对 于在90km/h的速度下的3秒的平均时段，滚动半径被评估了7350次， 就滚动半径的确定而言的精度约为具有95％的置信度的+/-0.15mm。

或者，可以测量在给定时间内行驶的距离(d)，并且测量车轮在 相同时间间隔内的角度变化(a)。滚动半径通过建立这两个值之间的 比而获得：RRt＝d/a。

负载和压力数据包括在特定旅程中一般不会变化很大的车辆参数。 旅程指的是，车辆在两次停车之间的移动，或者车辆在发动机两次停 机之间的移动。

轮胎压力通过获取源自装配在轮胎里的压力传感器(TPMS)的数 据来获得。可以获得具有95％的置信度的约0.1巴的精度。

为考虑到某些离心效应，可以根据速度来按照下列方式修正压力：

$P=P_{TPMS}+a_8{V}_{sol}^2$

其中，P_TPMS代表装配在轮胎里的压力传感器测量到的压力，V_sol代表车辆相对于地面的速度，a₈是实验确定的系数。

负载Z可以由多种方式确定。

第一种方式，也是直接方式，为测量在车辆的底盘上的固定点与 车轮支架上的一个点之间的距离变化。考虑连接车轮支架与底盘的悬 挂的刚度，由此推出负载。然而，该方法受到道路表面的不规则性所 导致的瞬时变化的影响，并且需要对所获取的数据进行过滤。

另一个方法包括，使用附着预测模型M_potad来预测在特定条件下的 附着力，其作出关于潜在附着力值的假设，并且基于在上述条件下行 驶时测量到的滚动半径和压力来求得出该值的负载值Z_libre。

当车辆行驶在干燥地面上且潜在附着力一般等于或大于1时，该 假设是易于验证的。该条件可以例如使用滚动的轮胎所产生的噪声的 声学检测器来满足，或者使用关于挡风玻璃雨刷器的激活或停用的信 息来满足。

然后，例如通过观测刹车或加速器踏板来检测车轮有无受制于制 动或驱动扭矩，以及车轮有无转向并且有无进行横向或纵向的加速， 这可以例如通过放在车辆中的加速计来验证，或通过观测转向角来验 证；车轮处于自由滚动条件下。滚动半径和轮胎压力则在上述条件下 测量。然后，通过应用用来确定潜在附着力的模型M_potad，寻找使得潜 在附着力等于1的负载Z_libre。

车辆在干燥路面上行驶时，该测量可以按需尽可能的进行多次， 以获得具有良好置信度的进行计算的平均自由负载Z_libremoy。

该方法能够以具有+/-50daN的精度和95％的置信度来确定车轮所 受的负载。该自由负载值或平均自由负载值(其在相同的旅程中变化 很小)随后被存储，以便作为接下来的计算的基础，在车辆在该旅程 中遇到在潮湿或滑的地面上的滚动条件的情况下尤其如此。在验证了 施加到车轮的制动或驱动扭矩为零、且车辆没有进行转向而且没有进 行横向和/或纵向加速之后，取负载Z的值等于自由负载Z_libre或平均自 由负载Z_libremoy(该值无需调用额外的计算而直接可用)，应用用于确定 潜在附着力的模型M_adpot。

作为补充方式，还可以基于自由负载Z_libre或平均自由负载Z_libremoy来确定考虑到了施加在车轮上的横向和纵向负载的瞬时负载值Z_inst。然 后，需要获取可以在车辆CAN总线上得到的额外可用信息，例如横向 或纵向加速度、驱动或制动扭矩、转向车轮角度或驱动角度以及倾角， 并且应用特定于车辆的动态模型，该动态模型能够计算施加到车轮的 瞬时负载Z_inst。

上述的插入车辆的诊断插槽的盒子可以周期性地方便地访问这些 信息。

这些本领域技术人员熟知的模型并不是本发明的一部分，但是可 以基于下述出版物而产生，例如：T.D.GILLESPIE的“Fundamentalsof vehicledynamics”(1992)、T.HALCONRUY的“Lesliaisonsausol” (1995)、基于PACEJKA所提出的模型，提交本申请的公司的BAYLE， FORISSIER和LAFON的“Anewtyremodelforvehicledynamics simulations”。

然后，使用模型M_potad来确定表示轮胎的瞬时滚动条件的潜在附着 力μ_max。

在所述的测量精度下，评估潜在附着力的精度为具有95％的置信 度大约+/-0.2。

图4能够认识到，计算出的潜在附着力μ_maxcalc的评估根据实际潜 在附着力μ_maxreel的分散。

可见，该分散对于较大的潜在附着力μ_max更大，换言之，在车辆在 远离使车辆处于危险中的条件下行驶时。同样，精度对于较小的μ_max值增加，这使得在车辆移动在更滑的土地上时能够获得最精确的信息。

图5以相同的方式显示了使用模型预测的潜在附着力值的精度根 据滚动半径的变化。该误差随滚动半径和潜在附着力增加。最大的误 差对应于偏移最小的情况，即，压力大和/或负载小的情况。这在实际 情况中很少见。

同样，为提高检测可靠性，可以证实是必须的是，将模型的应用 限制到滚动半径小于特定阈值的配置，使得调节误差一般小于例如0.3。 在如图5所示的情况中，模型的使用因此应当限制到小于306.5mm的 滚动半径。

图6显示了在15分钟的旅程中行驶于附着系数可变的地面上时记 录的滚动半径μ_max值。在记录开始时，地面提供了高附着力(μ_max＝1)； 在两分钟后，附着条件和滚动半径显著降低(μ_max＝0.2)。

从而，所提出的方法能够获得可靠的关于潜在附着力的变化的信 息(该方法考虑到了直接影响该参数的现象)，该信息对于车辆的安全 性的常识是重要的。

本发明的各实施方案提供了本说明书的基础，各个实施方案因此 并不限制本发明，而是如同已经示出的，可以在获得所描述和意图保 护的技术效果的情况下以不同的方式实施。

本发明的方法是针对客车轮胎示出的，但是其也可以应用到任何 类型的轮胎，尤其是农用车辆、重型货车、两轮车辆以及工程车辆。