专利名称：轮胎磨损分析方法
相关申请的交叉参考该发明是要求2004年10月19日申请的美国专利6804998为优先权的部分连续申请，上述专利6804998是2003年3月18日申请的美国专利6532811的部分连续申请，这两个专利的公开内容在此结合作为参考。
背景技术：
技术领域：
本发明总体上涉及分析轮胎磨损的方法。更具体地，本发明涉及用于确定一组轮胎载荷并且使用该组轮胎载荷来分析轮胎磨损的方法。
2、背景技术汽车和轮胎制造商期望在轮胎上执行磨损测试。在该技术领域已知测试轮胎磨损的不同方法。在一种公知的方法中，测试轮胎放在频繁驾驶的车辆上。在车辆驾驶给定英里数之后检测轮胎。另一种已知测试程序在室内在磨损测试鼓上执行。磨损测试鼓提供旋转表面，其结合轮胎来模拟路表面。该磨损测试鼓提供用于改变在轮胎和旋转表面之间的力的机构。旋转表面的速度也可以改变。用户通过改变这些力和速度可以模拟实际公路驾驶状况。现有技术的问题在于用户不容易确定对于特定车辆使用什么力和速度来模拟公路驾驶状况。
例如，人们会想每日通勤地在特定车辆上用特定轮胎模拟轮胎磨损，这种通勤包括乡村道路、高速和城市道路驾驶状况。一年每日通勤的总体长度会是15000英里。轮胎和道路之间的力通过该通勤经常变化，并且进行室内磨损测试的人期望通过室内测试鼓在测试轮胎上精确模拟这些力。
预测轮胎力的一种方法是将测试车辆装备有车轮力传感器，它们作为车轮的一部分进行安装并且在受控测试轨道上驾驶车辆的同时与车轮/轮胎装备一起旋转。该车辆装备有存储来自传感器的信号的数据获取系统。例如，可以记录前和后径向力、侧向力、驾驶/制动力以及轮胎速度。该测量系统的问题在于该装备难于从测试位置运送到测试位置，设置时间长，并且车辆在装配有传感器时不能在公路上驾驶。从而数据仅仅在模拟公路驾驶状况的测试道路上收集。对于具有给定轮胎的给定车来说，收集力历史的过程是昂贵的并且经常消耗整周的时间。对于不同车和不同轮胎来说必须重复该过程。该技术领域从而期望对于室内磨损测试来说更快和更容易的收集轮胎载荷历史的方法。本技术领域也期望用于收集轮胎载荷历史的方法产生测试机器的更精确的载荷历史。
轮胎设计者面临的另一种问题在于汽车制造商期望得到将车辆装配改变与包括轮胎磨损的轮胎性能相关联的信息。在制造车辆之前可以期望该信息，从而消除在实际车辆上测量轮胎性能的可能性。
发明内容
本发明的一种实施例提供一种研究一组输入力的方法，这些输入力用于分析轮胎磨损，其中该方法包括如下步骤(a)通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征；(b)为目标车辆产生车辆特征模型，该目标车辆具有至少一个轮胎，其中为该目标车辆分析轮胎磨损；以及(c)使用车辆特征模型来计算代表如下力的力数据如果在第一车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力。
本发明也提供一种对轮胎预测轮胎磨损而不在车辆上运行轮胎的方法，其中包括如下步骤(a)通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征；(b)通过使用车辆计算机模型来限定第一车辆特征模型，从而将第一车辆构造作为特征；(c)使用第一车辆特征模型来计算代表如下力的第一力数据如果在第一车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力；(d)使用第一力数据来产生第一组轮胎磨损数据；(e)通过使用车辆计算机模型来限定第二车辆特征模型，从而将第二车辆构造作为特征；(f)使用第二车辆特征模型来计算代表如下力的第二力数据如果在第二车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力；(g)使用第二力数据来产生第二组轮胎磨损数据；以及(h)比较第一和第二组轮胎磨损数据来预测在第一和第二车辆构造之间的差别如何影响轮胎磨损。
本发明进一步提供一种为车辆分析轮胎磨损的方法，其中该方法包括如下步骤(a)通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征；(b)为将要分析轮胎磨损的车辆产生车辆特征模型；(c)使用车辆特征模型来计算代表如下力的力数据如果在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力；(d)使用第一轮胎的力数据来产生第一组轮胎磨损数据；(e)使用第二轮胎的力数据来产生第二组轮胎磨损数据；以及(h)比较第一和第二组轮胎磨损数据来确定第一和第二轮胎中哪一个为作为特征的车辆提供更好的轮胎磨损性能。
图1是双力平台测试设备的示意图。
图2是驾驶测试车辆的磨损测试过程的示意图。
图3是在图2中显示的受测车辆的示意图。
图4是车辆的示意图，其示出前部轮胎的不同转向角度。
具体实施例方式
首先通过将对轮胎进行磨损测试的车辆作为特征来总体上执行本发明的方法。该方法也需要将磨损测试过程作为特征。本发明将过程特征与车辆特征相结合来产生载荷历史，通过使用轮胎磨损模型或通过使用磨损测试轮胎的室内机械磨损测试机器而将该载荷历史用于评测轮胎磨损。该磨损评测结果更精确地预测轮胎的将来磨损特征，这是因为通过在磨损过程上驾驶车辆，从实际力经历中产生输入力。也避免了天气变化的不可控因素。除了方便和精确优点之外，作为特征的测试过程可以使用任意车辆特征(包括反映不同车辆装配的特征)，以便允许不同车辆(以及不同车辆装配)在单个过程中进行测试，而不需要在该过程上驾驶车辆。作为特征的测试过程也可以用于在单个车辆特征上分析一系列不同轮胎，以便对特定车辆特征最大化磨损性能。另外，不同过程可以使用单个车辆特征，以便比较车辆在不同过程上轮胎会如何运行。
1、车辆特征该方法的车辆特征步骤测量在不同驾驶状况下车辆的每个轮胎所经历的力和倾斜角度。车辆特征步骤在目标车辆上执行，该目标车辆的轮胎将会进行磨损测试。例如，如果将要磨损测试的轮胎准备用在特定乘客车上的话，则在车辆特征步骤中应当使用特定的乘客车(理想地)-或类似的车。
对于轮胎将要进行磨损测试的每种类型车辆来说可以重复该车辆特征步骤。在本发明的一种实施例中，使用双力平台测量系统10(图1)可以采集车辆特征数据。本领域中一种已知的系统参照AMTI模型OR6-5-2000。该系统包括地面中的力平台12，其构造成在其上驾驶车辆14。平台间距可调节，以便容纳不同车辆轮距。当车辆14的轮胎16结合力平台12时，三个方向的力(前后(Fx)、侧向(Fy)和垂直(Fz))由传感器18测量并且由诸如计算机之类的合适存储装置20记录。该数据可以直接由计算机20存储或者存储在中间存储装置中并随后存储在计算机20中。传感器18可以由有线或无线传输与存储装置20连通。测量装置可以用于测量车辆14的速度。在本发明另一种实施例中，当轮胎16在平台12上通过时，通过收集的数据可以处理车辆速度。
除了方向力测量之外，传感器22定位于车辆重心，以便跨过力平台12在轮胎16经过的过程中测量加速度(前后、侧向和垂直)。在轮胎16通过力平台12的过程中，合适的车轮倾斜测量装置24也用于测量车轮倾斜角度。一种类型的车轮倾斜角度测量装置在美国专利5561244中揭示。同步收集来自两个载荷平台、加速度的车内测量以及来自车轮倾斜装置的数据。
在车辆14以一定范围的速度(例如，2到20英里每小时)、转动半径26(例如，30英尺到200英尺)和直线驾驶加速/减速状况28(例如，+0.5g到-0.5g)通过平台12的同时，测量方向力、速度、加速度和车轮倾斜角度。这些测试状况范围通常遇到在公路和高速路上在多数日常驾驶状况中所产生的转向水平、拐角加速、制动加速、向前加速和直线均匀运动。
在本发明另一种实施例中，目标车辆特征在于具有计算机模型。例如，车辆计算机模型从Ann Arbor Michigan的机械动力公司(Mechanical Dynamics Corporation)可获得、商标为ADAMS，以及从机械评测公司(Mechanical Simulation Corp.)可获得、商标为CarSim。该计算机模型允许一组基本的测试操作来评测车辆。这些基本的操作包括城市拐角、直线驾驶、车道变化和加速/减速操作。为目标车辆-或类似车辆-运行操作评测，并且记录加速度、力和车轮倾斜角度。车辆特征步骤的计算机模型的使用允许轮胎制造商在用到车辆之前开始磨损测试。计算机模型也允许为单个目标车辆产生不同车辆模型，其中不同车辆模型对应于不同车辆装配。例如，不同车辆装配可以包括同轴性、前端角度(toe angle)、外倾角等等的变化。从而本发明允许用户确定不同的车辆装配如何产生轮胎磨损。
2、过程特征本发明的方法的另一种步骤在于将磨损测试过程作为特征。磨损测试过程可以是任何关心的测试过程，其中轮胎制造商或汽车制造商关心收集轮胎磨损测试信息。例如，该磨损测试过程可以是目标驾驶员的通常通勤。在图2中，通勤磨损过程30包括在驾驶员住处32的起始位置和在驾驶员工作地方34的最终位置。该测试过程也可以是通常由出租车驾驶员使用的城市驾驶过程。磨损测试过程也可以是其中对每部分过程来说给出驾驶员特定速度的路线。当驾驶员以预定速度跟随这种类型的过程时，由车辆经历的加速相对不受驾驶员影响，从而允许该加速数据使用于宽范围的车辆，而不必考虑用于收集数据的车辆。由于受控的速度，在乘客车中的驾驶员将不明显产生与轻卡驾驶员不同的数据。本发明的方法可用的磨损测试过程的类型是基本上不受限制的。
测试过程30特征在于在车辆38中安装测量装置36，在过程30上驾驶该车辆时，上述测量装置36测量车辆重心的前后、侧向和垂直加速度。一种优点在于测试车辆38不必相同于前述的测试车辆14。另一种测量组织40记录测量的速度。装置40可以不接触路面，以便确定速度。可替换地，装置40测量车辆38的转向角度而不是车辆速度。在本发明一种实施例中，三个加速计42、43和44用于测量前后加速度、垂直加速度和侧向加速度。当在测试过程30上驾驶车辆38时，诸如个人计算机之类的合适数据存储装置46可以与测量装置40、42和44相连通，以便以规则间距记录测试数据。在一种实施例中，在整个磨损测试过程30每行进一米就记录数据。通过在距离而不是时间的基础上收集数据，因为当车辆在灯或停止信号处停止时该系统不收集数据，因此生成驾驶资料更容易。因为轮胎磨损主要是行进距离而不是时间的函数，因此基于行进距离收集数据也是合乎逻辑的。在本发明的一种实施例中，一种非接触、基于多普勒雷达的速度传感器(一种实例可从高级数据获取公司(Advanced Data AcquisitionCorp.)获得)靠近重心安装在车下。该传感器产生比例于速度的信号并且产生用于步测数据获取的信号。该信号可以用于在固定距离处(例如一米)触发数据获取，而不必考虑车辆的速度。
相对现有技术方法该步骤的一种优点在于需要收集该数据的装备可以放在车辆内部，允许车辆保持“街道合法”并且在公路上驾驶。过去，该装备在车辆外部。本发明也防止严酷天气毁坏数据收集步骤。另一种优点在于装置40、42和44是紧凑的并且容易装运。测量装置也可以快速安装在测试车辆上。
存储在磨损测试过程30收集的数据并且产生能够应用于不同车辆的精确测试过程。每个拐角操作、每个制动和加速事件、每座山和城镇在该精确测试过程中实时捕捉和再现。用户可以驾驶多个测试过程，以便产生根据需要可以应用于车辆的一群测试过程。
3、模型研究在用户将车辆作为特征之后，用户研究了将前后力(Fx)、侧向力(Fy)、垂直力(Fz)和倾斜角度(IA)与在磨损测试过程中测量的前后加速度(Ax)、侧向加速度(Ay)、垂直加速度(Az)和速度(Vx)(或者转向角度)相关联的等式(当不使用上述车辆模型时)。力、倾斜角度和速度需要用于室内磨损测试机器。在上面讨论的过程特征步骤中测量速度。从而，等式必须将力和倾斜角度与在上述过程特征步骤中收集的数据相关联。等式也必须能够用于有效产生需要编程室内磨损机器的驾驶资料。
等式为下面普通的函数形式{Fz，Fy，Fx，IA}＝[K]{1，Ay，Ay2，Ax，Ax2，Az，C，C2，Vx2}其中
Fz，Fy，Fx，IA＝轮胎载荷和倾斜角度K＝车辆反应系数1＝对齐效果和静态载荷Ay，Ay2，Ax，Ax2，Az＝惯性分布C，C2＝转向运动Vx2＝空气动力这些等式将力和倾斜角度与车辆加速度、向前的速度和过程曲率相关联。前部位置转向角度改变的测量需要在特征步骤中测量，以便计算阿克曼效应，该效应即使在缺少侧向加速度的情况下也明显有助于侧向力。图4示出为什么车辆转向系统和车辆几何形状相对于路面改变轮胎角度。角度A不同于角度B，并且前部轮胎基于曲率半径经历不同的力。道路曲率可以用于计数这些力。然而，在过程特征步骤中将不得不测量道路曲率。如果不测量，通过等式C＝Ay/Vx2，使用侧向加速度和速度可以计算曲率。
系数矩阵K为车轮力和倾斜角度动力限定车辆特征。这些等式适合于表示由静态载荷、悬架特征、惯性导致的载荷转移所引起的效果、转向几何效果，以及由于载荷转移和倾斜角度反应所引起的空气动力分布。已经研究了这些等式用于一般不超过0.5g的有限的加速度水平。该水平足够表示通常的磨损过程和消费者驾驶状况。
单独的一组矩阵系数K需要用于每个车轮位置。在多数情况下，在左和右侧车轮位置之间的对称是可接受的近似。用于计算矩阵系数的一种方法使用最小的正方形回归，以便将模型等式与测量或计算模拟的数据相配合。
如果室内磨损测试机器(在下一部分讲述)需要轴扭矩(My)替代Fx作为输入值的话，需要一种附加的修改。在该情况下，通过在考虑下对于轮胎从单独的力和扭矩测试机器确定My和Fx之间的经验线性关系，并且该关系用于从Fx到My转换。
4、室内机械磨损测试一旦已知关于加速度和速度的等式，用户可以编程室内机械磨损测试机器(例如MTS模型860RoadWheel Tread Wear Test System)，来模拟室外磨损测试过程。用户选择作为特征的磨损测试过程并且计算力，这些力相关于车辆的时间。这些力输入室内机械磨损测试机器并且选择若干英里用于测试。室内机械磨损测试机器抵靠鼓旋转轮胎并且产生由用户输入的力。该磨损测试机器连续地重复磨损测试过程，就像在磨损测试过程中以选择数量的英里驱动轮胎。例如，用户可以在15000英里在通勤过程测试轮胎。
在本发明另一种实施例中，通过使用诸如有限元件分析之类的分析技术可以预测轮胎磨损。使用有限元件分析的示范性计算机模型以商标Abaqus出售，并且可以用于执行轮胎磨损评估，而不在室内磨损测试机器上运行轮胎。评测轮胎磨损的其他方法在美国专利5710718和6083268中揭示。与评测轮胎磨损的方法相结合，使用具有下面解释的磨损过程数据的车辆模型，允许用户对于不同车辆装配的改变或者对于具有单个车辆装配的不同轮胎来精确分析轮胎磨损。结果允许车辆和轮胎设计者协作来提供更好的轮胎和满足期望的车辆装配的车辆匹配，同时不过度牺牲轮胎磨损。
本发明的一种示范性用途允许用户分析车辆装配在轮胎磨损上的效果。在该应用中，用户至少产生表示第一和第二车辆装配的第一和第二车辆模型。两个模型随后用于计算表示力的力数据，如果在磨损测试过程中驾驶车辆的话，将由车辆的至少一个轮胎经历这些力。两组力数据然后用于预测或分析轮胎磨损-或者通过运行磨损测试机器或者通过使用预测轮胎磨损的技术。用户然后可以比较轮胎磨损结果，以便确定车辆装配如何改变有效的轮胎磨损。
本发明的另一种示范性用途允许分析对于给定车辆装配来说不同轮胎构造如何磨损。在该应用中，用户生成车辆模型并且计算力数据，这些力数据表示如果在磨损测试过程驾驶车辆的话，由车辆的至少一个轮胎所经历的力。用户然后使用至少两个不同轮胎的力数据，以便产生多组轮胎磨损数据。用户可以随后比较第一和第二组轮胎磨损数据，以便确定对于作为特征的车辆来说第一和第二轮胎中哪一个提供更好的轮胎磨损性能。
本发明的方法允许使用室内测试装备对轮胎进行有效和精确地磨损测试。该方法允许室内测试装备有效模拟行进在具体室外道路磨损过程的特定车辆的每个轮胎位置。该方法允许作为特征的车辆在任意作为特征的磨损测试过程上进行测试，并且允许单个磨损测试过程用于任意作为特征的车辆。
在前面的描述中，特定词语已经用于简短、清楚和理解的目的。没有不必要的限定暗示超出现有技术的需求，因为这些词语用于描述的目的并且意欲宽泛地解释。
而且，本发明的描述和说明是示例性的并且本发明不限定于所示出或描述的确切细节。
权利要求
1.一种为轮胎预测轮胎磨损而不在车辆上运行轮胎的方法；该方法包括如下步骤(a)通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征；(b)通过使用车辆计算机模型来限定第一车辆特征模型，从而将第一车辆构造作为特征；(c)使用第一车辆特征模型来计算代表如下力的第一力数据如果在第一车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力；(d)使用第一力数据来产生第一组轮胎磨损数据；(e)通过使用车辆计算机模型来限定第二车辆特征模型，从而将第二车辆构造作为特征；(f)使用第二车辆特征模型来计算代表如下力的第二力数据如果在第二车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力；(g)使用第二力数据来产生第二组轮胎磨损数据；以及(h)比较第一和第二组轮胎磨损数据来预测在第一和第二车辆构造之间的差别如何影响轮胎磨损。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将力数据输入轮胎模型以便预测第一和第二组轮胎磨损数据的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤将力数据输入磨损测试机器，并且通过使用该力数据由该磨损测试机器执行室内磨损测试，以便获得第一和第二组轮胎磨损数据。
4.一种为车辆分析轮胎磨损的方法；该方法包括如下步骤(a)通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征；(b)为将要分析轮胎磨损的车辆产生车辆特征模型；(c)使用车辆特征模型来计算代表如下力的力数据如果在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力；(d)使用第一轮胎的力数据来产生第一组轮胎磨损数据；(e)使用第二轮胎的力数据来产生第二组轮胎磨损数据；以及(h)比较第一和第二组轮胎磨损数据来确定第一和第二轮胎中哪一个为作为特征的车辆提供更好的轮胎磨损性能。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括将力数据输入轮胎模型以便预测第一和第二组轮胎磨损数据的步骤。
6.如权利要求4所述的方法，进一步包括如下步骤通过使用力数据由室内磨损测试机器执行测试，以便获得第一和第二组轮胎磨损数据。
7.一种产生一组输入力的方法，这些输入力用于分析轮胎磨损；该方法包括如下步骤(a)通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征；(b)为目标车辆产生车辆特征模型，该目标车辆具有至少一个轮胎，其中为该目标车辆分析轮胎磨损；以及(c)使用车辆特征模型来计算代表如下力的力数据如果在第一车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力。
全文摘要
一种研究一组输入力的方法，这些输入力用于分析轮胎磨损，该方法包括如下步骤通过在磨损过程驾驶车辆并且测量与该车辆所经历的多个力相关的数据，从而将磨损过程作为特征。为具有至少一个轮胎的目标车辆研究车辆特征模型。该车辆特征模型用来计算代表如下力的力数据如果在第一车辆构造中、在作为特征的磨损测试过程驾驶作为特征的车辆的话，将会由作为特征车辆的至少一个轮胎所经历的力。通过使用计算机预测技术或者在轮胎上运行室内磨损测试，然后将该力数据用于分析轮胎磨损。
文档编号G01N3/56GK101044386SQ200580035574
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月12日 优先权日2004年10月18日
发明者J·特纳, D·斯托纳克, J·厄尔默, E·克努特 申请人:普利斯通凡世通北美轮胎有限公司