Способ и устройство для расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины

Изобретение относится к автомобилестроению. Способ расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины, заключается в регистрации первого углового положения α площади пятна касания, регистрации второго углового положения β контрольной точки Р, по существу совпадающей со ступицей, сравнении первого и второго угловых положений α, β между собой для определения фазового смещения δφ между контрольной точкой Р и площадью пятна касания, определении параметра k, представляющего угловую скорость ω колеса, расчета по меньшей мере одной продольной силы Fx в площади пятна касания как функции фазового смещения βφ и параметра k. Устройство для расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины, установленной на колесе, установленном на ступице транспортного средства, содержит первый датчик, второй датчик и блок обработки, функционально связанный с первым и вторым датчиками. Блок обработки оснащен блоком сравнения для определения фазового смещения δφ между контрольной точкой Р, и площадью пятна касания, и первым вычислительным блоком для расчета продольной силы F_x в площади пятна касания, как функции фазового смещения δφ и параметра k, представляющего угловую скорость со колеса. Достигается достоверность выявления возможных опасных ситуаций, обусловленных характеристиками грунта или слишком высокими скоростями по сравнению с условиями движения транспортного средства. 2 н. и 42 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины.

В частности, изобретение относится к расчету сил, ориентированных в продольном направлении (то есть в направлении, по существу параллельном грунту, по которому движутся шина и колесо, на котором установлена шина) и в вертикальном направлении (то есть в направлении, по существу перпендикулярном грунту).

Изобретение также относится к устройству для расчета указанных сил.

В настоящем контексте зона контакта между шиной и грунтом будет называться как «площадь пятна касания».

В настоящее время имеется необходимость в расчете сил, действующих на шину во время движения последней, в частности в площади пятна касания.

Оценка этих сил действительно представляется критически важной для достоверного выявления возможных опасных ситуаций, обусловленных неоптимальными характеристиками грунта или слишком высокими скоростями по сравнению с условиями движения транспортного средства.

Как упомянуто выше, силы, принимаемые здесь во внимание, представляют собой такие силы, которые действуют в вертикальном или продольном направлении.

Расчет этих сил позволяет оценить трение, возникающее между шиной и грунтом, тем самым позволяя электронной системе, установленной на шине, автоматически воздействовать на движения самого транспортного средства, прежде всего на возникновение внезапных ускорений или торможений, которые в общем являются самыми опасными для водителя, который теряет контроль над транспортным средством.

В патенте США №5913240 описана система для определения продольных сил, генерируемых между шиной и грунтом, включающая в себя, по меньшей мере, одну пару маркеров, смонтированных на шине на разных радиальных расстояниях от ступицы, и по меньшей мере, одну пару детекторов, вмонтированных в ходовую часть транспортного средства так, чтобы регистрировать траекторию маркеров при каждом обороте колеса.

В зависимости от смещения фазы между двумя регистрациями, представляющего деформацию, испытываемую шиной, например, после торможения или ускорения, рассчитывается продольная сила, генерируемая в площади пятна касания.

В патенте США №6904351 описана контрольная система для транспортных средств, в которых продольная сила, оказывающая влияние на шину, рассчитывается в зависимости от: крутящего момента, приложенного к колесу, тормозящего момента, приложенного к колесу, вертикальной силы, момента инерции колеса, скорости вращения колеса и радиуса самого колеса.

Было обнаружено, что системы известного типа, например, такие как кратко описанные выше, являются чрезмерно сложными и поэтому требуют применения высококачественного оборудования и программного обеспечения, чтобы получать надежные результаты измерений.

В частности, система, описанная в патенте США №5913240, выводит оценку продольной силы из определения положения двух точек, которые радиально находятся очень близко друг к другу, то есть расположения двух маркеров, позиционированных на боковине шины; поэтому требуется очень точная регистрация для обеспечения надежности последующего расчета сил.

Кроме того, для системы типа, описанного в патенте США №6904351, требуется большой объем расчетов, с помощью которых определяется продольная сила, вследствие большого числа переменных, от которых зависит интенсивность силы.

Как упомянуто выше, в настоящем контексте термин «площадь пятна касания» подразумевает наружную часть поверхности шины в контакте с грунтом. Более конкретно, площадь пятна касания здесь определяется между первым продольным концом, соответствующим точке, в которой шина приходит в контакт с грунтом, и вторым продольным концом, соответствующим точке, в которой шина отделяется от грунта.

В настоящем описании и последующих пунктах формулы изобретения термин «центральный угол» подразумевает угол, имеющий своей вершиной центр ступицы колеса, которому принадлежит названная шина, и измеряемый в сечении, перпендикулярном оси самой ступицы.

Для настоящего описания и последующих пунктов формулы изобретения термин «средняя точка» площади пятна касания подразумевает среднюю точку продольной величины самой площади пятна касания.

Для настоящего описания и последующих пунктов формулы изобретения термин «фиксированная точка» подразумевает проекцию на грунт перпендикуляра, проходящего через центр ступицы.

При рассмотрении Фиг.2а-2f колесо предполагается вращающимся в направлении против часовой стрелки.

Для настоящего описания и последующих пунктов формулы изобретения термин «угловое положение площади пятна касания» (называемое ради ясности как «первое угловое положение») подразумевает центральный угол, определяемый между радиусом, проходящим через среднюю точку площади пятна касания, и радиусом, проходящим через фиксированную точку. Величина этого угла рассматривается как положительная, когда самая короткая дуга, начинающаяся от радиуса, проходящего через фиксированную точку, и доходящая до радиуса, проходящего через среднюю точку, пробегает при движении в направлении против часовой стрелки.

Для настоящего описания и последующих пунктов формулы изобретения термин «угловое положение контрольной точки» (называемое ради ясности как «второе угловое положение») подразумевает центральный угол, определяемый между радиусом, проходящим через контрольную точку, совмещенную со ступицей колеса, и радиусом, проходящим через названную фиксированную точку.

Величина этого угла рассматривается как положительная, когда самая короткая дуга, начинающаяся от радиуса, проходящего через фиксированную точку и доходящая до радиуса, проходящего через контрольную точку, пробегает при движении в направлении против часовой стрелки.

Для настоящего описания и последующих пунктов формулы изобретения термин «фазовое смещение» подразумевает разность между вторым и первым угловыми положениями. Другими словами, оно обозначает центральный угол, определяемый между радиусом, проходящим через контрольную точку, и радиусом, проходящим через среднюю точку площади пятна касания.

Первый продольный конец площади пятна касания идентифицируется соответствующим угловым положением (ради ясности называемым как «третье угловое положение»), определяемым как центральный угол, составленный радиусом, проходящим через первый продольный конец, и радиусом, проходящим через фиксированную точку.

Величина этого угла рассматривается как положительная, когда самая короткая дуга, начинающаяся от радиуса, проходящего через фиксированную точку, и доходящая до радиуса, проходящего через первый продольный конец, пробегает при движении в направлении по часовой стрелке.

Второй продольный конец площади пятна касания идентифицируется соответствующим угловым положением (ради ясности называемым как «четвертое угловое положение»), определяемым как центральный угол, образованный между радиусом, проходящим через второй продольный конец, и радиусом, проходящим через фиксированную точку.

Величина этого угла рассматривается как положительная, когда самая короткая дуга, начинающаяся от радиуса, проходящего через фиксированную точку, и доходящая до радиуса, проходящего через второй продольный конец, пробегает при движении в направлении против часовой стрелки.

Очевидно, что прежде всего при торможении и разгоне возникает относительное смещение между положением площади пятна касания и ступицей, на которой установлено колесо. Это главным образом обусловливается упругими свойствами шины, которая становится деформированной в результате напряжений, которым она подвергается.

В частности, относительное смещение главным образом вызывается продольной силой, воздействию которой шина подвергается в площади пятна касания.

При этом относительное смещение между ступицей колеса и площадью пятна касания может быть измерено в единицах разности между угловым положением ступицы (то есть угловым положением контрольной точки) и угловым положением площади пятна касания.

Кроме того, продольная сила также зависит от продольной скорости колеса, которая практически представляет собой скорость линейного смещения колеса в направлении, по существу параллельном грунту, и определяется направлением движения самого колеса.

Поскольку продольная скорость колеса и его угловая скорость по существу пропорциональны друг другу, в расчете на радиус R шины, эта зависимость может быть также выражена как функция угловой скорости колеса.

Наконец, между фазовым смещением, продольной шириной площади пятна касания, продольной скоростью (угловой скоростью) колеса и продольной силой, действующей на шину, может быть определена функциональная зависимость, определяющая продольную силу.

В частности, первый аспект настоящего изобретения относится к способу расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины, установленной на колесе, которое установлено на ступице транспортного средства, когда шина движется в продольном направлении, по существу параллельном грунту, при этом способ включает:

регистрацию первого углового положения площади пятна касания;

регистрацию второго углового положения контрольной точки, по существу совпадающей со ступицей;

определение фазового смещения между контрольной точкой и площадью пятна касания;

определение параметра, представляющего угловую скорость колеса;

расчет, по меньшей мере, одной продольной силы в площади пятна касания как функции, по меньшей мере, фазового смещения и параметра.

Для получения еще более точной оценки продольной силы в расчет также может быть принята продольная ширина площади пятна касания.

В предпочтительном варианте осуществления также выполняется расчет вертикальной силы в площади пятна касания как функции, по меньшей мере, продольной ширины самой площади пятна касания и параметра.

Предпочтительно, расчет вертикальной силы проводится также как функции фазового смещения.

В соответствии со вторым аспектом, изобретение относится к устройству для расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины, установленной на колесе, которое установлено на ступице транспортного средства, когда шина движется в продольном направлении, по существу параллельном грунту, при этом устройство содержит:

первый датчик для регистрации первого углового положения площади пятна касания;

второй датчик для регистрации второго углового положения контрольной точки, по существу совмещенной со ступицей;

блок обработки, функционально связанный с первым и вторым датчиками, и оснащенный:

блоком сравнения для определения фазового смещения между контрольной точкой и площадью пятна касания;

первым вычислительным блоком для расчета, по меньшей мере, одной продольной силы в площади пятна касания как функции, по меньшей мере, фазового смещения и параметра, представляющего угловую скорость колеса.

Блок обработки может дополнительно включать в себя второй вычислительный блок для определения продольной ширины площади пятна касания.

Предпочтительно, первый вычислительный блок функционально связан со вторым вычислительным блоком для расчета продольной силы так же, как функции продольной ширины.

В предпочтительном варианте осуществления блок обработки дополнительно включает в себя третий вычислительный блок для расчета вертикальной силы в площади пятна касания как функции, по меньшей мере, продольной ширины и параметра.

Предпочтительно третий вычислительный блок функционально связан с блоком сравнения для расчета вертикальной силы так же, как функции фазового смещения.

Дополнительные признаки и преимущества станут более очевидными из подробного описания предпочтительного, но не исключительного варианта осуществления способа расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины, а также устройства для расчета названных сил, в соответствии с настоящим изобретением.

Это описание приведено ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, приведенные в качестве неограничивающего примера. На чертежах:

Фиг.1 - частичный вид в перспективе шины, к которой применим способ согласно настоящему изобретению;

Фиг.2а-2f - схематические виды сбоку колеса, на котором установлена шина, показанная на Фиг.1, и разъясняющие параметры, используемые в способе согласно изобретению;

Фиг.3а-3b - блок-схемы двух вариантов осуществления устройства, связанного с шиной, показанной на Фиг.1;

Фиг.4 - сигнал, генерированный датчиком, связанным с шиной, показанной на Фиг.1;

Фиг.5а и 5b - блок-схемы, представляющие операцию оценки соотношений между параметрами, зарегистрированными при практической реализации способа согласно изобретению, и рассчитываемыми силами.

На чертежах шина, использованная для осуществления способа согласно изобретению, была в общем обозначена ссылочной позицией 1.

Шина 1 установлена на колесе 2, в свою очередь установленном на ступице 3; причем с помощью ступицы 3 колесо 2 связано с транспортным средством (не показано) для обеспечения его движения.

Во время движения транспортного средства шина 1, катящаяся по грунту, подвергается перемещению в продольном направлении, по существу параллельном самому грунту.

Способ согласно изобретению в первую очередь включает регистрацию первого углового положения α площади 5 пятна касания (см. Фиг.2а, 2d).

Следует отметить, что фиксированная точка, относительно которой оцениваются различные угловые положения, на прилагаемых чертежах обозначается как «А»:

Как упомянуто выше, площадь 5 пятна касания определяется частью наружной поверхности шины 1 в контакте с грунтом 4.

Затем проводится регистрация второго углового положения β контрольной точки Р, по существу совпадающей со ступицей 3.

Как будет очевидно впоследствии, путем сравнения между первым и вторым угловыми положениями α, β можно определить силы, возникающие между площадью 5 пятна касания и грунтом 4.

Предпочтительно, регистрация первого углового положения α включает регистрацию третьего углового положения α1 площади 5 пятна касания, причем третье угловое положение α1 определяет первый продольный конец 5а самой площади 5 пятна касания. В частности, первый продольный конец 5а может представлять собой точку, в которой наружная поверхность шины 1 контактирует с грунтом 4.

Предпочтительно, регистрация первого углового положения α далее включает регистрацию четвертого углового положения α2 площади 5 пятна касания, причем четвертое угловое положение определяет второй продольный конец 5b самой площади 5 пятна касания. В частности, второй продольный конец 5b может представлять собой точку, в которой наружная поверхность шины 1 отделяется от грунта.

Поэтому первое угловое положение α может быть определено как функция третьего и/или четвертого угловых положений α1, α2. В частности, первое угловое положение α может находиться между третьим и четвертым угловыми положениями α1, α2.

В предпочтительном варианте осуществления первое угловое положение α представляет собой среднее угловое положение между третьим и четвертым угловыми положениями α1, α2; другими словами, разность между первым угловым положением α и третьим угловым положением α1 предпочтительно по существу такая же, как разность между четвертым угловым положением α2 и первым угловым положением α.

Преимущественно регистрация третьего углового положения α1 проводится путем регистрации соответствующего первого пика Р1, генерированного первым датчиком 10, встроенном в шину 1. Этот первый датчик 10 при первом продольном конце 5а площади 5 пятна касания генерирует первый пик Р1 (например, импульс тока), обусловленный резким скачком напряжений, каким подвергается шина 1.

Подобным образом регистрация четвертого углового положения α2 проводится путем регистрации соответствующего второго пика Р2, генерированного названным первым датчиком 10, предпочтительно на втором конце 5b площади 5 пятна касания.

Как показано в Фиг.4, выходной сигнал первого датчика 10 имеет приблизительно постоянный профиль в пределах каждого оборота, проделанного шиной 1, за исключением двух пиков Р1 и Р2: эти пики генерируются вследствие резких пульсирующих напряжений, которым подвергается шина 1 на первом и втором продольных концах 5а, 5b площади 5 пятна касания.

Более подробно, задний фронт принимается как начало отсчета первого пика Р1, тогда как передний фронт принимается как начало отсчета для второго пика Р2. К переднему и заднему фронту применим алгоритм нулевого уровня для определения момента, в который шина 1 соответственно приходит в контакт с грунтом 4 (тем самым определяя третье угловое положение α1) и отделяется от него (тем самым определяя четвертое угловое положение α2).

Благодаря применению алгоритма количество информации, необходимой для идентификации продольных концов 5а, 5b площади 5 пятна касания, сводится к минимуму, так что связь между датчиком 10 и электронными элементами, смонтированными на борту транспортного средства, сделана менее сложной. Фактически только передача сведений о положении двух точек (или соответственных моментах времени), идентифицирующих концы 5а, 5b площади 5 пятна касания, является более быстрой и «более легкой», чем передача всего сигнала, генерированного первым датчиком 10.

Предпочтительно первый датчик 10 представляет собой, например, акселерометр пьезоэлектрического типа, предназначенный для измерения ускорения, которому шина 1 подвергалась в радиальном направлении; в качестве примера, может быть использован акселерометр ENDEVCO^® 7264B. Альтернативно, первый датчик 10 может представлять собой датчик акустического или оптического типа, или тензометрический датчик.

Как схематически показано в Фиг.1, первый датчик 10 может быть установлен на внутренней поверхности шины 1, в частности, в экваториальной плоскости Е таковой. Соединение между первым датчиком 10 и внутренней поверхностью шины 1 может быть обеспечено, например, путем приклеивания.

Способ согласно изобретению, как упомянуто выше, включает регистрацию второго углового положения β контрольной точки Р, находящейся на ступице 3. Это второе угловое положение β предпочтительно определяется как функция позиционного сигнала, генерируемого вторым датчиком 11, установленным на ступице 3 колеса 2.

В предпочтительном варианте осуществления второй датчик 11 представляет собой измерительный преобразователь вращательного движения. Преимущественно второй датчик 11 может включать в себя индуктивный кодер угла поворота, работающий на основе эффекта Холла, измеряющий скорость вращения колеса 2; в частности, второй датчик может выдавать синусоидальный сигнал, по существу пропорциональный угловой скорости ω колеса 2.

Предпочтительно, на транспортном средстве используется четыре кодера, каждый из которых связан с соответственным колесом как часть ABS-системы (системы антиблокировки тормозов). Каждый кодер выдает синусоидальный сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения соответствующего колеса.

Если будет использован кодер, то обработка данных предпочтительно выполняется, чтобы получить угловое положение контрольной точки Р как функции угловой скорости колеса 2, например, путем оценки углового положения ступицы 3 колеса 2, с помощью техники обработки сигнала, приложимой для регистрируемого кодером синусоидального сигнала.

После того, как идентифицированы первое и второе угловые положения α, β, проводится сравнение между ними для определения фазового смещения δϕ между контрольной точкой Р и площадью пятна касания 5 (см. Фиг.2d-2f).

Фазовое смещение δϕ, как иллюстрировано выше, определяется разностью между вторым угловым положением β контрольной точки Р и первым угловым положением α площади 5 пятна касания.

Практически путем расчета фазового смещения δϕ, то есть относительного смещения между точкой, расположенной на колесе 2, и точкой, находящейся на шине 1, деформация в продольном направлении, испытываемая шиной 1, определяется количественно согласно усилиям, возникающим в площади 5 пятна касания.

На Фиг.2f показан конкретный случай, в котором фазовое смещение δϕ определяется, когда угол, составляющий второе угловое положение β, по существу равен нулю, то есть, когда контрольная точка Р позиционирована на перпендикуляре к грунту, проходящем через центр ступицы 3. В этом случае оказывается, что, при принятии вышеописанных формулировок, в соответствии с Фиг.2а-2f, справедливо следующее отношение:

δϕ=-α

Это означает, что, за исключением знака, фазовое смещение δϕ и угол, определяющий первое угловое положение α, по существу равны.

Дальнейшая стадия, предусматриваемая способом согласно изобретению, заключается в определении параметра k, показателя угловой скорости ω колеса 2.

Параметр k, как сказано, может представлять собой, например, угловую скорость ω колеса 2; в этом случае параметр k может быть рассчитан, исходя либо из второго углового положения β, регистрируемого в данный момент, либо исходя из регистрации продольной скорости v колеса 2, с помощью третьего датчика 12, в частности, например, оптического типа.

Фактически достаточным является применение следующего отношения:

ω=v/R

где R представляет собой радиус шины 1, для получения угловой скорости ω, исходя из продольной скорости v.

Альтернативно, параметр k может представлять собой продольную скорость v колеса 2; в этой ситуации параметр k может быть получен из прямой регистрации (например, с помощью третьего датчика 12), или он может быть рассчитан, исходя из второго углового положения β, регистрируемого в данный момент (то есть угловой скорости ω) с использованием вышеприведенного отношения.

При известных фазовом смещении δϕ и параметре k первый расчет продольной силы F_x может быть проведен на площади 5 пятна касания как функции по меньшей мере фазового смещения δϕ и параметра k. Другими словами, продольная сила F_x может быть рассчитана как функция фазового смещения δϕ и угловой скорости ω (или продольной скорости v) колеса 2.

Фиг.5а показывает диаграмму, представляющую режим определения функционального соотношения между продольной силой F_x, фазовым смещением δϕ и параметром k. Диаграмма также обозначает третий параметр (продольную ширину Δϕ площади 5 пятна касания), описываемый далее; в любом случае для первой оценки продольной силы F_x возможно рассмотрение только фазового смещения δϕ и параметра k.

Функция f, которая точно связывает продольную силу F_x с фазовым смещением δϕ и параметром k, зависит от серии параметров, в общем включенных в вектор θ.

Методика основывается на минимизации оценки погрешности e(t), определяемой следующим отношением:

e(t)=F_x(t)-F_x*(t)

где F_x*(t) представляет собой текущую оценку продольной силы F_x(t).

Во время этой стадии настройки системы мгновенные значения продольной силы F_x(t) должны быть выведены экспериментально, чтобы отобразить оценочную функцию F_x*(t) и использовать ее для расчетов, проводимых впоследствии.

Блок, касающийся стадии оптимизации, может содержать любой аппроксимирующий алгоритм, использующий любой тип нелинейной параметрической функции, например, такой как нейронные сети, многочлены, сплайны и т.д.

В любой момент блок оптимизации выдает оценку параметров θ, корректирующую параметры функции f(θ), чтобы сократить оценочную функцию для каждой итерации.

Предпочтительно, функция f(θ) определяется так, что функция F_x*(t) проявляется как монотонная функция и, в частности, возрастающая монотонная функция в отношении фазового смещения δϕ.

Как упомянуто выше, дальнейший параметр, который может быть принят во внимание, представляет собой продольную ширину Δϕ площади 5 пятна касания.

Фактически способ согласно изобретению может охватывать расчет этой продольной ширины Δϕ, предпочтительно как функции третьего и четвертого угловых положений α1, α2. Практически различие между третьим и четвертым угловыми положениями α1, α2 проводится так, чтобы получить продольную ширину Δϕ.

Таким образом, продольная сила F_x может быть рассчитана также как функция продольной ширины Δϕ.

Конкретное функциональное отношение между F_x и Δϕ предпочтительно определяется соответственно вышеописанной диаграмме, показанной на Фиг.5а.

В предпочтительном варианте осуществления способ согласно изобретению дополнительно включает расчет вертикальной силы F_z на площади 5 пятна касания как функции продольной ширины Δϕ параметра k. Предпочтительно, вертикальная сила F_z также рассчитывается как функция фазового смещения δϕ.

Функциональное отношение между величинами F_z, Δϕ, k, δϕ может быть определено согласно диаграмме с Фиг.5b: функция g, связывающая F_z c продольной шириной Δϕ, с параметром k и предпочтительно с фазовым смещением δϕ, зависит от серии параметров, в общем включенных в вектор θ.

Методика основывается на минимизации оценочной погрешности e(t), определяемой следующим отношением:

e(t)=F_z(t)-F_z*(t)

где F_z*(t) представляет собой текущую оценку продольной силы F_z(t).

Во время этой настройки системы мгновенные значения вертикальной силы F_z(t) должны быть выведены экспериментально, чтобы отобразить оценочную функцию F_z*(t) и использовать ее для расчетов, проводимых впоследствии.

Блок, касающийся оптимизации, может содержать любой аппроксимирующий алгоритм, использующий любой тип нелинейной параметрической функции, например, такой как нейронные сети, многочлены, сплайны и т.д.

В любой момент блок оптимизации выдает оценку параметров θ, корректирующую параметры функции g(θ), чтобы сократить оценочную функцию для каждой итерации.

Предпочтительно, функция g(θ) определяется так, что функция F_z*(t) проявляется как монотонная функция, и, в частности, возрастающая монотонная функция в отношении продольной ширины Δϕ.

Преимущественно способ согласно изобретению может включать самокалибрование для определения возможного начального фазового смещения между ступицей 3 и шиной 1.

Фактически вследствие непрерывных напряжений, которым подвергаются шина 1 и колесо 2, скорее всего происходит последовательное смещение шины 1 на колесе 2 так, что угловое положение контрольной точки Р и угловое положение площади 5 пятна касания, то есть второе и первое угловые положения β, α, соответственно, проявляются совместно вне фазы, даже когда важные вертикальная или продольная силы не генерируются в площади 5 пятна касания (например, когда транспортное средство не движется).

Поэтому весьма полезно проверять существование этого возможного начального фазового смещения при приведении в действие системы регистрации и измерения, чтобы провести расчет продольной F_x и вертикальной F_z сил независимо от самого начального фазового смещения, и тем самым в зависимости только от динамических переменных величин.

Фиг.2b схематически показывает действие вертикальной силы F_z на продольную ширину Δϕ; причем при повышении интенсивности F_z происходит соответственное увеличение продольной ширины Δϕ.

Подобным образом, Фиг.2с показывает действие продольной силы F_x на фазовое смещение δϕ (для лучшего понимания одновременно приведена ссылка на Фиг.2е); при увеличении продольной силы F_x имеет место соответственное возрастание фазового смещения δϕ.

Фиг.3а-3b показывают блок-схемы двух вариантов осуществления устройства 20, с помощью которого способ согласно изобретению может быть реализован на практике.

Устройство 20 включает в себя первый датчик 10 для регистрации первого углового положения α площади 5 пятна касания, второй датчик 11 для регистрации второго углового положения β контрольной точки Р, находящейся на ступице 3, и предпочтительно операционный элемент 12, 12а для определения параметра k.

Как указано выше, первый датчик 10 предпочтительно устанавливается на внутренней поверхности шины 1, в частности, в экваториальной плоскости Е шины 1.

Предпочтительно, второй датчик 11 устанавливается на ступице 3 колеса 2, на котором размещена шина 1.

В предпочтительном варианте параметр k может представлять собой угловую скорость ω колеса 2; причем в этом случае операционный элемент может включать в себя вычислительный контур 12а (см. Фиг.3а), функционально связанный со вторым датчиком 11 для расчета угловой скорости ω как функции последующей регистрации второго углового положения β.

Альтернативно, операционный элемент может включать в себя третий датчик 12, например, оптического типа, для регистрации продольной скорости v колеса 2; причем исходя из этой продольной скорости v, угловая скорость ω может быть определена с помощью вспомогательного вычислительного блока 12b (см. Фиг.3b).

В еще одном предпочтительном варианте осуществления параметр k может представлять собой продольную скорость v колеса 2. Для определения этой продольной скорости v операционный элемент может включать в себя вычислительный контур 12а (см. Фиг.3а), функционально связанный со вторым датчиком 11, который рассчитывает продольную скорость v как функцию регистраций второго углового положения β.

Альтернативно, продольная скорость v может быть непосредственно измерена с помощью третьего датчика 12 (см. Фиг.3b).

Устройство 20 дополнительно включает в себя блок 13 обработки, функционально связанный с первым и вторым датчиками, 10 и 11, и предпочтительно с операционным элементом 12, 12а.

Блок обработки 13 оснащен блоком 14 сравнения для сопоставления первого углового положения α и второго углового положения β между собой, чтобы получить фазовое смещение δϕ между контрольной точкой Р и площадью 5 пятна касания.

Блок 13 обработки дополнительно включает в себя первый вычислительный блок 15 для расчета продольной силы F_x как функции, по меньшей мере, фазового смещения δϕ и продольной скорости v.

Предпочтительно, блок 13 обработки включает в себя вспомогательный контур 16 для определения первого углового положения α; в частности, вспомогательный контур 16 функционально связан с первым датчиком 10 для получения третьего и четвертого угловых положений α1, α2, определяемых продольными концами 5а, 5b площади 5 пятна касания.

Вспомогательный контур 16 поэтому рассчитывает первое угловое положение α как функцию третьего и/или четвертого угловых положений α1, α2.

Как упомянуто выше, первое угловое положение α может находиться между третьим и четвертым угловыми положениями α1, α2, и более конкретно, может определять среднее положение между третьим и четвертым угловыми положениями α1, α2.

Предпочтительно, блок 13 обработки также включает в себя второй вычислительный блок 17, функционально связанный с первым датчиком 10 для определения продольной ширины Δϕ площади 5 пятна касания, в частности, как функции третьего и четвертого угловых положений α1, α2; более конкретно, продольная ширина Δϕ площади 5 пятна касания определяется проведением различения между третьим и четвертым угловыми положениями α1, α2.

Второй вычислительный блок 17 также функционально связан с первым вычислительным блоком 15, так что продольная сила F_x может быть рассчитана так же, как функция продольной ширины Δϕ.

Предпочтительно, блок 13 обработки включает в себя третий вычислительный блок 18 для расчета вертикальной силы F_z на площади 5 пятна касания как функции, по меньшей мере, продольной ширины Δϕ и продольной скорости v.

В предпочтительном варианте осуществления третий вычислительный блок 18 функционально связан также с блоком 14 сравнения, для расчета вертикальной силы F_z так же, как функции фазового смещения δϕ.

Блок 13 обработки дополнительно может включать в себя блок 19 самокалибрования, функционально связанный с первым и вторым датчиками 10, 11, для определения возможного начального фазового смещения между площадью 5 пятна касания и контрольной точкой Р.

Следует отметить, что блок 13 обработки был подразделен на блоки и функциональные контуры только для описания его операционных функций более ясным образом; практическое исполнение самого блока 13 обработки может оставить названное подразделение без внимания и быть определено согласно применяемой технологии. Например, весь блок 13 обработки в целом может быть изготовлен как единый контур, установленный на борту транспортного средства и предназначенный для коммуникации с различными датчиками при исполнении вышеописанных операций; в частности, коммуникация с первым датчиком 10 может быть выполнена с привлечением беспроводной технологии, путем размещения батарейного блока питания и передающего устройства на ободе колеса 2 для проводного соединения с первым датчиком 10 и беспроводной связи с устройствами на борту.

В качестве примера, сигналы могут передаваться с частотами в диапазоне от 5 до 15 кГц; например, разрешение может составлять 16 бит.

1. Способ расчета сил, действующих на площадь пятна касания шины (1), установленной на колесе (2), которое установлено на ступице (3) транспортного средства, когда шина (1) движется в продольном направлении, по существу параллельном грунту (4), при этом способ включает:
регистрацию первого углового положения (α) площади (5) пятна касания,
регистрацию второго углового положения (β) контрольной точки (Р), по существу совпадающей со ступицей (3),
определение фазового смещения (δφ) между контрольной точкой (Р) и площадью (5) пятна касания,
определение параметра (k), представляющего угловую скорость (ω) колеса
(2), расчет, по меньшей мере, одной продольной силы (F_x) в площади (5) пятна касания как функции, по меньшей мере, фазового смещения (δφ) и параметра (k).

2. Способ по п.1, при котором регистрация первого углового положения (α) включает:
регистрацию третьего углового положения (α1) площади (5) пятна касания, определяющего первый продольный конец (5а) площади (5) пятна касания, регистрацию четвертого углового положения (α2) площади (5) пятна касания, определяющего второй продольный конец (5b) площади (5) пятна касания, противоположный первому продольному концу (5а), определение первого углового положения (α) как функции третьего углового положения (α1) и/или четвертого углового положения (α2).

3. Способ по п.2, при котором первое угловое положение (α) заключено между третьим и четвертым угловыми положениями (α1, α2).

4. Способ по п.2 или 3, в котором регистрация третьего углового положения (α1) включает регистрацию первого пика (Р1), генерированного первым датчиком (10), установленным в шине (1).

5. Способ по п.2 или 3, при котором регистрация четвертого углового положения (α2) включает регистрацию второго пика (Р2), генерированного первым датчиком (10).

6. Способ по п.5, при котором третье или четвертое угловое положение (α1, α2) определяют с помощью алгоритма нулевого уровня, применяемого для переднего или заднего фронта первого или второго пика (Р1, Р2).

7. Способ по п.5, при котором первый датчик (10) представляет собой акселерометр.

8. Способ по п.1, при котором второе угловое положение (β) определяют как функцию позиционного сигнала, генерируемого вторым датчиком (11), установленным на ступице (3) колеса (2).

9. Способ по п.2, дополнительно включающий регистрацию продольной ширины (Δφ) площади (5) пятна касания.

10. Способ по п.9, при котором продольная ширина (Δφ) рассчитывается как функция третьего и четвертого угловых положений (α1, α2).

11. Способ по п.9, при котором продольная сила (F_x) также рассчитывается как функция продольной ширины (Δφ).

12. Способ по п.9, дополнительно включающий расчет вертикальной силы (F_z) в площади (5) пятна касания как функции, по меньшей мере, продольной ширины (Δφ) и параметра (k).

13. Способ по п.12, при котором вертикальная сила (F_z) также рассчитывается как функция фазового смещения (δφ).

14. Способ по п.1, дополнительно включающий самокалибрование для определения начального фазового смещения между первым угловым положением (α) площади (5) пятна касания и вторым угловым положением (β) контрольной точки (Р).

15. Способ по п.1, при котором параметр (k) представляет собой продольную скорость (v) колеса (2).

16. Способ по п.15, при котором определение параметра (k) включает измерение продольной скорости (v).

17. Способ по п.15, при котором определение параметра (k) включает регистрацию угловой скорости (ω) колеса (2) и расчет продольной скорости (v) как функции угловой скорости (ω).

18. Способ по п.1, при котором параметр (k) представляет собой угловую скорость (ω) колеса (2).

19. Способ по п.18, при котором определение параметра (k) включает измерение угловой скорости (ω).

20. Способ по п.18, при котором определение параметра (k) включает регистрацию продольной скорости (v) колеса (2) и расчет угловой скорости (ω) как функции продольной скорости (v).

21. Способ по п.1, при котором контрольная точка (Р) позиционирована на перпендикуляре к грунту, проходящем через центр ступицы (3).

22. Устройство для расчета сил, действующих на площадь (5) пятна касания шины (1), установленной на колесе (2), которое установлено на ступице (3) транспортного средства, когда шина (1) движется в продольном направлении, по существу параллельном грунту (4), при этом устройство (20) содержит:
первый датчик (10) для регистрации первого углового положения (α) площади (5) пятна касания, второй датчик (11) для регистрации второго углового положения (β) контрольной точки (Р), по существу совпадающей со ступицей (3), и блок (13) обработки, функционально связанный с первым и вторым датчиками (10, 11) и оснащенный блоком (14) сравнения для определения фазового смещения (δφ) между контрольной точкой (Р) и площадью (5) пятна касания, и первым вычислительным блоком (15) для расчета, по меньшей мере, одной продольной силы (F_x) в площади (5) пятна касания как функции, по меньшей мере, фазового смещения (δφ) и параметра (k), представляющего угловую скорость (ω) колеса (2).

23. Устройство по п.22, в котором блок (13) обработки включает в себя вспомогательный контур (16), функционально связанный с первым датчиком (10) для получения от него третьего углового положения (α1) площади (5) пятна касания, определяющего первый продольный конец (5а) площади (5) пятна касания, а также четвертого углового положения (α2) площади (5) пятна касания, определяющего второй продольный конец (5b) площади (5) пятна касания, противоположный первому продольному концу (5а), причем вспомогательный контур (16) предназначен для определения первого углового положения (α) как функции третьего и/или четвертого угловых положений (α1, α2).

24. Устройство по п.23, в котором первое угловое положение (α) заключено между третьим и/или четвертым угловыми положениями (α1, α2).

25. Устройство по п.23 или 24, в котором третье угловое положение (α1) определяется первым пиком (Р1), регистрируемым первым датчиком (10).

26. Устройство по п.25, в котором четвертое угловое положение (α2) определяется вторым пиком (Р2), регистрируемым первым датчиком (10).

27. Устройство по п.26, в котором третье или четвертое угловое положение (α1, α2) определяется с помощью алгоритма нулевого уровня, применимого к переднему или заднему фронту первого или второго пика (Р1, Р2).

28. Устройство по п.22, в котором первый датчик (10) установлен в шине (1).

29. Устройство по п.28, в котором первый датчик (10) расположен в экваториальной плоскости (Е) шины (1).

30. Устройство по п.22, в котором первый датчик (10) представляет собой акселерометр.

31. Устройство по п.22, в котором второй датчик (11) установлен на ступице (3) колеса (2).

32. Устройство по п.31, в котором второй датчик (11) представляет собой измерительный преобразователь вращательного движения.

33. Устройство по п.22, в котором блок (13) обработки дополнительно включает в себя второй вычислительный блок (17) для определения продольной ширины (Δφ) площади (5) пятна касания.

34. Устройство по п.33, в котором второй вычислительный блок (17) функционально связан с первым датчиком (10) для определения продольной ширины (Δφ) как функции третьего и четвертого угловых положений (α1, α2).

35. Устройство по п.33, в котором первый вычислительный блок (15) функционально связан со вторым вычислительным блоком (17) для расчета продольной силы (F_x) также как функции продольной ширины (Δφ).

36. Устройство по п.33, в котором блок (13) обработки дополнительно включает в себя третий вычислительный блок (18) для расчета вертикальной силы (F_z) в площади (5) пятна касания как функции, по меньшей мере, продольной ширины (Δφ) и параметра (k).

37. Устройство по п.36, в котором третий вычислительный блок (18) функционально связан с блоком (14) сравнения для расчета вертикальной силы (F_z) также как функции фазового смещения (δφ).

38. Устройство по п.22, в котором блок (13) обработки дополнительно включает в себя блок (19) самокалибрования, функционально связанный с первым и вторым датчиками (10, 11) для определения начального фазового смещения между первым угловым положением (α) площади (5) пятна касания и вторым угловым положением (β) контрольной точки (Р).

39. Устройство по п.22, включающее в себя операционный элемент (12, 12а) для определения параметра (k).

40. Устройство по п.39, в котором операционный элемент включает в себя вычислительный контур (12а), функционально связанный со вторым датчиком (11) для расчета параметра (k) как функции второго углового положения (β), регистрируемого в данный момент.

41. Устройство по п.39, в котором операционный элемент включает в себя третий датчик (12) для регистрации параметра (k).

42. Устройство по п.22, в котором параметр (k) представляет собой угловую скорость (ω) колеса (2).

43. Устройство по п.22, в котором параметр (k) представляет собой продольную скорость (v) как функцию угловой скорости (ω) колеса (2).

44. Устройство по п.39, в котором операционный элемент (12, 12а) функционально связан с блоком (13) обработки.