ES2238321T3 - Procedimiento y dispositivo para la vigilancia del comportamiento instantaneo de un neumatico durante el funcionamiento de un vehiculo a motor. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para la vigilancia del comportamiento instantaneo de un neumatico durante el funcionamiento de un vehiculo a motor.Info
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Abstract
Procedimiento para monitorizar el comportamiento instantáneo de un neumático (1) durante el funcionamiento de un vehículo a motor, comprendiendo dicho neumático (1) por lo menos una banda de rodadura y una carcasa, estando asociadas tres direcciones espaciales -una longitudinal, una transversal y una vertical- con dicho neumático (1), caracterizado por: a) adquirir y guardar, por lo menos de manera temporal, por lo menos una curva de referencia básica que representa la variación del desplazamiento de por lo menos un punto especificado de dicho neumático en por lo menos una de dichas tres direcciones espaciales, como una función de la posición espacial de dicho punto, en por lo menos una porción de una revolución de dicho neumático (1), b) adquirir de manera continua señales de la posición en el espacio de dicho por lo menos un punto de dicho neumático (1), en por lo menos una porción de una revolución de dicho neumático (1), c) derivar a partir de dichas señales de posición por lo menos unacurva cíclica del desplazamiento operativo actual de dicho por lo menos un punto en dicha por lo menos una de las tres direcciones espaciales especificadas, como una función de la posición espacial de dicho punto, en por lo menos dicha porción de una revolución de dicho neumático (1), d) comparar de manera continua dicha curva de desplazamiento operativo actual con dicha curva de referencia básica de desplazamiento que está guardada, y e) emitir una señal dependiendo de dicha comparación, indicando dicha señal dicho comportamiento instantáneo de dicho neumático (1).
Description
Procedimiento y dispositivo para la vigilancia
del comportamiento instantáneo de un neumático durante el
funcionamiento de un vehículo a motor.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo para monitorizar el comportamiento
instantáneo de un neumático durante el funcionamiento de un vehículo
a motor, tal como se define en los preámbulos de la reivindicación 1
y de la reivindicación 8 respectivamente, tal como se describe en el
documento DE-A-39 37 966.
Un neumático para un vehículo a motor, cuando
rueda sobre una superficie de carretera, está sometido a una carga
vertical y a fuerzas externas longitudinal y transversal que se
generan en las diferentes maniobras, tales como la frenada, la
aceleración, las curvas, etc.
Durante cada maniobra, cualquier punto del
neumático que rueda en un estado fijo y en condiciones transitorias
realiza un movimiento que se puede representar mediante
desplazamientos en las tres direcciones espaciales (coordenadas
cartesianas) para cada ciclo de revolución del neumático. El
movimiento del punto tiene características que son típicas de la
posición de cada punto particular del neumático, de la estructura y
del perfil externo del neumático, de las condiciones de uso
(velocidad, carga y presión), de las condiciones de la superficie
sobre la que rueda el neumático, y de las fuerzas externas a las que
está sometido el neumático en las maniobras de frenada, aceleración,
curvas, etc.
Los inventores han percibido que la variación de
los desplazamientos en el espacio de un punto especificado, situado
sobre el neumático que rueda y sometido a fuerzas específicas, tiene
la misma forma básica (curva básica) para cada revolución del
neumático, mientras varía respecto a la posición y amplitud de los
picos, y/o el inicio y el final de cada pico, y los máximos y/o
mínimos relativos. De una manera similar, la variación de velocidad
en el espacio del punto tiene la misma forma básica para cada
revolución del neumático.
Los inventores han identificado un juego de
curvas de referencia básicas que representan desplazamientos en el
espacio de referencia básicos, y las velocidades relativas para cada
punto especificado del neumático en condiciones de desplazamiento
especificadas. Más particularmente, las curvas de referencia básicas
se adquieren y guardan durante el desplazamiento del vehículo a
motor sobre la carretera o en el transcurso de pruebas estándar o
mediante cálculo. Los inventores han encontrado que estas curvas de
referencia básicas se pueden usar ventajosamente para hacer
comparaciones de varios tipos con curvas operativas cíclicas y para
obtener, a partir de estas comparaciones, información sobre el
comportamiento del neumático cuando rueda, sobre las fuerzas
intercambiadas, sobre la superficie sobre la que está rodando, sobre
las condiciones de uso, sobre las circunstancias de adhesión
(fricción) disponibles en cada momento entre el neumático y la
carretera, etc., en el instante en cuestión. En particular, es
posible determinar la manera en la que el desplazamiento (o
velocidad) del punto referido varía con el tiempo, cuando se mueve
desde una adhesión perfecta a un deslizamiento total del
neumático.
La información adquirida mediante la comparación
se puede usar para ajustar las intervenciones sobre los mecanismos
del vehículo a motor y para monitorizar su comportamiento, por
ejemplo durante la frenada, aceleración, deriva, y similares.
En el caso de la presente descripción y en las
reivindicaciones adjuntas, el significado del término
"continuamente", en relación con las fases de la adquisición de
la señal, la comparación de la señal y similares, también cubre la
adquisición y la comparación realizadas en momentos separados entre
sí mediante breves intervalos, donde la duración de estos intervalos
es suficientemente breve para permitir la representación del
comportamiento del neumático en las condiciones de desplazamiento en
cuestión de una manera significativa. Típicamente, la duración
máxima de este intervalo es igual al tiempo requerido para que un
neumático complete una revolución completa de 360º a la velocidad en
cuestión.
En un primer aspecto, la invención se refiere a
un procedimiento para monitorizar el comportamiento instantáneo de
un neumático durante el funcionamiento de un vehículo a motor,
comprendiendo dicho neumático por lo menos una banda de rodadura y
una carcasa, estando asociadas tres direcciones espaciales -una
longitudinal, una transversal y una vertical- con dicho neumático,
caracterizado por:
a) adquirir y guardar, por lo menos de manera
temporal, por lo menos una curva de referencia básica que representa
la variación del desplazamiento de por lo menos un punto
especificado de dicho neumático en por lo menos una de dichas tres
direcciones espaciales, como una función de la posición espacial de
dicho punto, en por lo menos una porción de una revolución de dicho
neumático,
b) adquirir de manera continua señales de la
posición en el espacio de dicho por lo menos un punto de dicho
neumático, en por lo menos una porción de una revolución de dicho
neumático,
c) derivar a partir de dichas señales de posición
por lo menos una curva cíclica del desplazamiento operativo actual
de dicho por lo menos un punto en dicha por lo menos una de las tres
direcciones espaciales especificadas, como una función de la
posición espacial de dicho punto, en por lo menos dicha porción de
una revolución de dicho neumá-
tico,
tico,
d) comparar de manera continua dicha curva de
desplazamiento operativo actual con dicha curva de referencia básica
de desplazamiento que está guardada, y
e) emitir una señal dependiendo de dicha
comparación, indicando dicha señal dicho comportamiento instantáneo
de dicho neumático.
En una realización, dicha curva de referencia
básica de desplazamiento mencionada en el punto a) anterior se
adquiere durante el desplazamiento del vehículo a motor sobre la
carretera, en el transcurso de una revolución del neumático, y se
guarda de manera temporal, durante un periodo especificado, para
realizar dicha comparación, tal como se indica en el punto d)
anterior, con dicha curva de desplazamiento operativo adquirida en
una revolución posterior de dicho neumático.
Típicamente, dicha curva de referencia básica de
desplazamiento que se guarda es la de la revolución inmediatamente
anterior.
En otra realización, dicha curva de referencia
básica de desplazamiento mencionada en el punto a) anterior se
adquiere en una etapa que precede a la etapa del funcionamiento de
dicho vehículo a motor y se guarda de manera permanente para
realizar dicha comparación, tal como se menciona en el punto d)
anterior, con dicha curva de desplazamiento operativo adquirida en
dicha por lo menos una porción de una revolución de dicho
neumático.
Preferiblemente, una curva de referencia básica
de velocidad de dicho por lo menos un punto en una dirección
espacial se guarda en dicha etapa a), y una curva cíclica de
velocidad operativa de dicho por lo menos un punto en una dirección
espacial se determina en dicha etapa c), obteniéndose dichas curvas
de velocidad, respectivamente, a partir de dicha curva de referencia
básica de desplazamiento y a partir de dicha curva de desplazamiento
operativo mediante una derivada matemática respecto al tiempo,
comparándose dicha curva de referencia básica de velocidad y dicha
curva de velocidad operativa en dicha etapa d).
Ventajosamente, el estado de deformación de dicha
carcasa en la proximidad de dicho de sus puntos en un área de
contacto entre el neumático y la carretera se mide mediante dicha
curva de referencia básica y la curva operativa de desplazamiento o
velocidad, para evaluar la adhesión presente entre el neumático y la
carretera, y la capacidad de dicho neumático para desarrollar
fuerzas tangenciales al contacto con dicha carretera.
Preferiblemente, las señales de las posiciones de
por lo menos dos puntos de dicho neumático se adquieren en dicha
etapa b), y las correspondientes curvas de desplazamiento o
velocidad operativas también se comparan entre sí en dicha etapa d)
para revelar cambios rápidos en el estado de deformación citado
anteriormente o cualquier error de adquisición.
En un segundo aspecto, la invención se refiere a
un dispositivo para monitorizar el comportamiento instantáneo de un
neumático durante el funcionamiento de un vehículo a motor,
comprendiendo dicho neumático por lo menos una banda de rodadura y
una carcasa, estando asociadas tres direcciones espaciales -una
longitudinal, una transversal y una vertical- con dicho neumático,
caracterizado por:
i. medios para adquirir y guardar, por lo menos
de manera temporal, por lo menos una curva de referencia básica que
representa la variación del desplazamiento de por lo menos un punto
especificado de dicho neumático en por lo menos una de dichas tres
direcciones espaciales, como una función de la posición espacial de
dicho punto, en por lo menos una porción de una revolución de dicho
neumático,
ii. por lo menos unos medios de sensor asociados
con dicho por lo menos un punto especificado de dicho neumático,
capaces de emitir, a lo largo de un periodo de tiempo, señales sobre
la posición en el espacio de dicho punto,
iii. medios de recogida capaces de adquirir de
manera continua dichas señales de la posición en el espacio de dicho
por lo menos un punto de dicho neumático, en por lo menos una
porción de una revolución de dicho neumático, y
iv. medios de procesamiento que incorporan un
programa capaz de encontrar a partir de dichas señales de posición
por lo menos una curva cíclica del desplazamiento operativo actual
de dicho por lo menos un punto en dicha por lo menos una de las tres
direcciones espaciales especificadas, como una función de la
posición espacial de dicho punto, en por lo menos dicha porción de
una revolución de dicho neumático,
v. siendo capaces dicho medios de procesamiento
de comparar de manera continua dicha curva de desplazamiento
operativo actual con dicha curva de referencia básica de
desplazamiento que está guardada,
vi. siendo dichos medios de procesamiento capaces
de emitir una señal dependiendo de dicha comparación, indicando
dicha señal dicho comportamiento instantáneo de dicho neumático.
En una realización, dichos medios de
almacenamiento son capaces de adquirir y guardar de manera temporal,
durante un periodo especificado, la curva de referencia básica de
desplazamiento mencionada en el punto i) anterior durante el
funcionamiento del vehículo a motor sobre la carretera, en el
transcurso de una revolución del neumático, y dichos medios de
procesamiento realizan dicha comparación indicada en el punto v)
anterior, entre dicha curva de referencia básica temporal de
desplazamiento y dicha curva de desplazamiento operativo, adquirida
en una revolución posterior de dicho neumático.
En otra realización, dichos medios de
almacenamiento son capaces de adquirir y guardar de manera
permanente dicha curva de referencia básica de desplazamiento
mencionada en el punto i) anterior en una etapa que precede a la
etapa del funcionamiento de dicho vehículo a motor, y dichos medios
de procesamiento realizan dicha comparación mencionada en el punto
v) anterior entre dicha curva de referencia básica guarda de manera
permanente de desplazamiento y dicha curva de desplazamiento
operativo adquirida en dicha por lo menos una porción de una
revolución de dicho neumático.
Preferiblemente, dichos medios de procesamiento
son capaces de guardar una curva de referencia básica de velocidad
de dicho por lo menos un punto en una dirección espacial y son
capaces de determinar una curva cíclica de velocidad operativa de
dicho por lo menos un punto en una dirección espacial, obteniéndose
dichas curvas de velocidad, respectivamente, a partir de dicha curva
de referencia básica de desplazamiento y a partir de dicha curva de
desplazamiento operativo mediante una derivada matemática respecto
al tiempo, siendo dichos medios de procesamiento capaces de comparar
dicha curva de referencia básica de velocidad con dicha curva de
velocidad operativa.
Ventajosamente, dichos medios de procesamiento
miden el estado de deformación de dicha carcasa en la proximidad de
dicho de sus puntos en un área de contacto entre el neumático y la
carretera, mediante dicha curva de referencia básica y la curva
operativa de desplazamiento o velocidad, para evaluar la adhesión
presente entre el neumático y la carretera, y la capacidad de dicho
neumático para desarrollar fuerzas tangenciales al contacto con
dicha carretera.
Preferiblemente, por lo menos dos medios de
sensor están asociados con por lo menos dos puntos de dicho
neumático y emiten por lo menos dos señales de la posición de dichos
por lo menos dos puntos, y dichos medios de procesamiento determinan
mediante dichas señales por lo menos dos curvas de desplazamiento o
velocidad operativas, y se comparan entre sí para revelar cambios
rápidos en el estado de deformación citado anteriormente o cualquier
error de adquisición.
Los inventores han observado que, para los
propósitos de la presente invención, los puntos más significativos
del neumático son:
- puntos en el flanco de la carcasa, indicados
aquí como puntos sobre el nivel del flanco de la carcasa;
- puntos situados sobre la superficie externa de
la banda de rodadura del neumático, indicados aquí como puntos al
nivel de la banda de rodadura;
- puntos situados sobre el revestimiento interno
de la carcasa, indicados aquí como puntos al nivel de
revestimiento;
- punto intermedios en el interior de la
estructura de la carcasa (por ejemplo puntos entre la banda de
rodadura y el revestimiento de la carcasa).
Preferiblemente, el punto se especifica de manera
que está situado sobre el plano ecuatorial del neumático (centro o
corona), o sobre los laterales del neumático.
Las cantidades físicas típicas medidas por el
procedimiento y el dispositivo según la invención son:
- desplazamiento longitudinal del punto
(dirección X);
- desplazamiento transversal (lateral) del punto
(dirección Y);
- desplazamiento vertical (dirección Z);
- velocidad longitudinal del punto (dirección
X);
- velocidad transversal (lateral) del punto
(dirección Y);
- velocidad vertical (dirección Z).
La variación de los desplazamientos o velocidades
del punto a lo largo del tiempo se pueden usar para encontrar, de un
momento al otro, la situación operativa actual (instantánea) del
neumático, por ejemplo el estado de la tensión instantánea del
neumático y la adhesión disponible entre el neumático y la
carretera.
Una de las características distintivas del
procedimiento y el dispositivo según la invención se apoya en el
hecho de que las señales se originan directamente desde el
neumático, que actúa como sensor, y no están mediadas mediante otros
elementos mecánicos, tales como una llanta o cubo de la rueda sobre
la que está instalada el neumático. Esto proporciona la ventaja de
evitar los tiempos de retraso y la interferencia potencial típica de
los dispositivos convencionales para evitar el bloqueo en la frenada
(antiderrape o ABS) y de dispositivos convencionales para evitar el
deslizamiento en aceleración (antideslizamiento).
Otra característica distintiva del procedimiento
y el dispositivo según la invención reside en el hecho de que hacen
posible monitorizar el comportamiento del neumático en frenada,
aceleración y curvas (deriva), respecto a la monitorización de la
variación con el tiempo del estado de la deformación longitudinal y
lateral de los puntos de la carcasa del neumático en la huella.
Esta capacidad para monitorizar el comportamiento
del vehículo a motor en las curvas, mediante la determinación del
comportamiento del neumático en la condición de deriva, es uno de
los aspectos sobresalientes de la presente invención. Esto es
porque, en la medida que son conscientes los inventores, ninguno de
los procedimientos y los dispositivos conocidos tiene esta
importante característica.
En el transcurso de la presente descripción y de
las reivindicaciones, el término "curva básica", también
indicada como "curva cíclica", indica una curva que representa
la variación del desplazamiento o de la velocidad de un punto de un
neumático es una dirección espacial especificada como una función de
la posición espacial del punto, en una revolución del neumático o en
una porción de una revolución, en las condiciones bajo
consideración.
Se describirán ahora características y ventajas
de la invención con referencia a una realización representada en las
figuras adjuntas, en las que:
La figura 1 muestra esquemáticamente, en vista
desde arriba, un neumático que rueda teniendo transductores de
posición en ciertos puntos;
La figura 2 muestra las trayectorias
circunferenciales de dos puntos del neumático de la figura 1 y el
vector de velocidad de uno de estos puntos;
La figura 3 es un diagrama de bloques de un
dispositivo para monitorizar el comportamiento instantáneo del
neumático de la figura 1, hecho según la invención;
La figura 4 muestra esquemáticamente un modelo
del neumático de la figura 1, que se puede usar para describir el
fenómeno de deslizamiento;
La figura 5 es una curva cíclica de la velocidad
vertical de un punto al nivel del revestimiento sobre la corona del
neumático de la figura 1, en condiciones de rodadura libre
(neutra);
La figura 6 muestra una curva cíclica de la
velocidad longitudinal de un punto al nivel de la banda de rodadura
sobre la corona del neumático de la figura 1, en condiciones de
rodadura libre (neutra);
La figura 7 muestra curvas cíclicas de la
velocidad vertical de un punto al nivel de revestimiento sobre la
corona del neumático de la figura 1, en condiciones de rodadura
libre (neutra) y frenada, con detalle sobre el área de contacto
entre el neumático y la carretera;
La figura 8 muestra curvas cíclicas de la
velocidad longitudinal de un punto al nivel de la banda de rodadura
sobre la corona del neumático de la figura 1, en condiciones de
rodadura libre (neutra) y frenada, con detalle sobre el área de
contacto entre el neumático y la carretera;
La figura 9 muestra curvas cíclicas de la
velocidad vertical de un punto al nivel de revestimiento sobre la
corona del neumático de la figura 1, en condiciones de frenada sobre
superficies de carretera que tienen diferentes coeficientes de
fricción, con detalle sobre el área de contacto entre el neumático y
la carretera;
La figura 10 muestra curvas cíclicas de la
velocidad vertical de un punto al nivel de revestimiento sobre la
corona del neumático de la figura 1, en condiciones de frenada con
diferentes condiciones de carga vertical, con detalle sobre el área
de contacto entre el neumático y la carretera;
La figura 11 muestra curvas cíclicas de la
velocidad vertical de un punto al nivel del revestimiento sobre el
lateral del neumático de la figura 1, en condiciones de rodadura
libre y frenada, con detalle sobre el área de contacto entre el
neumático y la carretera.
En la figura 1, la referencia numérica 1 indica
un neumático para un vehículo a motor que tiene un eje longitudinal
X (dirección de avance), un eje transversal Y (eje de rotación del
neumático) y un eje vertical Z. La dirección de rotación del
neumático 1 se indica mediante la flecha 11 (figura 2). Un sensor 3
o un sensor 4, o ambos, están montados en el neumático 1. Los
sensores 3 y 4 están asociados con puntos del neumático situados al
nivel de la banda de rodadura, al nivel del flanco de la carcasa, o
al nivel del revestimiento, o con puntos intermedios. El sensor 3
está asociado con un punto situado sobre la corona, situado sobre un
plano ecuatorial 13, mientras que el sensor 4 está asociado con un
punto situado sobre el lateral, situado sobre un plano 14 que está
separado lateralmente del plano ecuatorial y es paralelo al mimo.
Durante la rodadura del neumático, el punto del neumático con el que
el sensor 3, o el sensor 4, está asociado está desplazado a lo largo
de una trayectoria que generalmente comprende desplazamientos en las
tres direcciones del espacio. Los sensores 3 y 4 emiten señales
indicando su posición respecto a una referencia especificada, o
señales de desplazamiento, o señales de velocidad, o señales de
aceleración. Los sensores 3 y 4 son, por ejemplo, del tipo para
transmisión de la señal a lo largo de una distancia, tales como
infrarrojos, ultrasónicos, y sensores similares. Otros sensores,
montados en otros puntos especificados del neumático 1, en el nivel
de la banda de rodadura, la carcasa o el revestimiento, o en un
nivel intermedio, sobre la corona o lateral, no están
representados.
La figura 2 muestra el vector V de la velocidad
tangencial de un punto del neumático durante su rodadura y los
vectores V_{long} y V_{vert} de sus componentes longitudinal y
vertical respectivamente. Las distancias máximas L de un punto al
nivel de la banda de rodadura sobre la corona desde un plano
vertical que pasa a través del eje de rotación del neumático también
se muestran. La longitud l del área de la huella del neumático en la
zona de contacto con una superficie de la carretera 5 también se
muestra.
La figura 3 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo para monitorizar el comportamiento instantáneo del
neumático de la figura 1. Se muestran los sensores 3 y 4, un
colector 6 asociado con los sensores y un controlador 7 conectado al
colector 6. El controlador 7 comprende, por ejemplo, un
microprocesador programado que tiene un elemento de almacenamiento
volátil 7a, un elemento de almacenamiento permanente 7b y medios de
procesamiento 7c. Los sensores 3 y 4, y cualquier otro sensor, están
montados, tal como se ha indicado anteriormente, en puntos
especificados del neumático, mientras que el colector 6 y el
controlador 7 están montados sobre el vehículo a motor. El colector
6 es, por ejemplo, un colector ultrasónico o un fotodiodo, o del
tipo piezoeléctrico, o similar.
Las curvas de referencia básicas especificadas
(cíclicas) de las cantidades físicas especificadas, tales como el
desplazamiento o la velocidad, relacionadas con los movimientos de
los puntos del neumático en los que los sensores 3 y 4 y cualquier
otro sensor están situados, se almacenan en el elemento de
almacenamiento volátil 7a o en el elemento de almacenamiento
permanente 7b del controlador 7, de una manera temporal o permanente
respectivamente, tal como se representará posteriormente. Por
ejemplo, las curvas de referencia básicas, curvas temporales
(variables), o constantes, que representan, respectivamente, la
variación cíclica, en una revolución del neumático, de las
siguientes cantidades físicas: la velocidad vertical V_{vert}, la
velocidad longitudinal V_{long}, y la velocidad transversal
(lateral) V_{ltrasv} de uno o más puntos del neumático en función
de su posición circunferencial, se almacenan en el almacén 7a o 7b.
El colector 6 recibe las señales de posición emitidas por los
sensores 3 y 4 y las envía al controlador 7, que está programado
para procesarlas. En el controlador 7 se obtiene una curva cíclica
del desplazamiento operativo actual del punto en la dirección
vertical, longitudinal o transversal en una revolución del neumático
a partir de las sucesivas señales de la posición del punto en
cuestión, en función de la posición espacial del punto. La curva
cíclica del desplazamiento operativo vertical, longitudinal o
transversal se compara en el controlador 7 con la curva de
referencia básica del desplazamiento vertical, longitudinal o
transversal que está almacenado, y la información sobre el estado de
la tensión instantánea del neumático y/o sobre la adhesión
instantánea entre el neumático y la carretera se obtiene a partir de
la comparación.
En una variante, una curva cíclica de la
velocidad vertical V_{vert}, la velocidad longitudinal V_{long},
o la velocidad transversal V_{ltrasv} del punto en cuestión en
funcionamiento se determina a partir de la curva cíclica de
desplazamiento, mediante un derivado matemático respecto al tiempo,
en función de la posición espacial del punto. En este caso, la
comparación se realiza en el controlador 7 entre la curva cíclica de
la velocidad operativa y la curva de referencia básica de la
velocidad que está guardada.
También se procesan en el controlador 7 pares o
tripletes especificados de señales de posición espacial emitidas por
dos o más sensores asociados con dos o más puntos especificados del
neumático. Se encuentran dos o más curvas de desplazamiento
operativo o dos o más curvas de velocidad operativa de los dos o más
puntos a partir de estas señales, y se comparan entre sí para
revelar cambios rápidos del estado de deformación del neumático o
cualquier error de adquisición (en este último caso, se ha de
monitorizar por lo menos un tercer punto).
La información obtenida a partir de la
comparación entre las curvas de referencia básicas y las curvas
operativas cíclicas se puede usar posteriormente para ajustar las
acciones de control de los mecanismos del vehículo a motor, por
ejemplo la regulación del sistema de freno, del sistema de
suministro de aire y combustible del motor, de la suspensión activa,
y similar.
Las curvas de referencia básicas temporales se
adquieren durante el desplazamiento del vehículo a motor sobre la
carretera, en el transcurso de cada revolución del neumático. Las
curvas de referencia básicas se almacenan de manera temporal para
realizar la comparación con las curvas operativas cíclicas actuales,
adquiridas en una revolución sucesiva de dicho neumático. Por
ejemplo, la curva operativa cíclica adquirida en la revolución final
del neumático se compara con una curva de referencia básica
adquirida en la penúltima revolución del neumático o en la i-ésima
revolución anterior.
En particular, es posible comprobar, mediante la
monitorización de la variación con el tiempo del estado de la
deformación longitudinal y lateral (curva cíclica del desplazamiento
o velocidad longitudinal y lateral) de uno o más puntos de la
carcasa del neumático en el área de la huella, si el neumático está
o no en condiciones de deslizamiento durante la frenada, aceleración
o en las curvas (deriva).
Se consideró un modelo del neumático, mostrado
esquemáticamente en la figura 4: este se puede usar para describir
el fenómeno de deslizamiento en la dirección longitudinal (frenada y
aceleración) y en la dirección lateral (deriva).
Cuando está relacionada la dinámica del
neumático, se examinan las siguientes características:
- Rigidez a la torsión estructural del neumático
C_{b\theta};
- Rigidez radial estructural del neumático
C_{b};
- Rigidez estructural de la banda de rodadura
C_{cx};
- Resistencia al deslizamiento longitudinal
C_{k};
- Rigidez longitudinal de la banda de rodadura
por unidad de longitud C_{px};
- Velocidad de deslizamiento respecto a la llanta
V_{sx};
- Velocidad de deslizamiento en la zona de
contacto V_{c,sx};
- Velocidad de avance respecto al contacto
V_{cr};
- Radio de rodadura efectivo r_{e}';
- Longitud media del área de la huella a.
En el caso de deslizamiento en ausencia de
derrapaje, la relación de la resistencia al deslizamiento respecto a
la longitud media del área de la huella es igual a la rigidez
longitudinal de la banda de rodadura:
C_{k}/a =
C_{cx}
=2aC_{px}
A su vez, la fuerza de contacto con el suelo
longitudinal F depende del estado de deformación de la carcasa y de
una rigidez equivalente relacionada con la rigidez de torsión
C_{b\theta} y la rigidez radial C_{b} (muelles en serie).
1/C_{eq}
=1/C_{b} +
r_{e}{}^{2}/C_{b\theta}
F=C_{eq}\int\limits_{0}^{2a}V_{c,sx}dt
De esta manera, midiendo el estado de deformación
en la carcasa, y si se conocen las rigideces estructurales de
torsión y radial, se puede determinar la fuerza de contacto con el
suelo. En el caso de deslizamiento puro, en ausencia de derrape, la
velocidad de deslizamiento es constante en frenada y aceleración, y
por lo tanto su entero es una función lineal a lo largo del área de
contacto. En consecuencia, el estado de deformación en la dirección
longitudinal es del tipo triangular; en otras palabras, la
deformación es cero en la entrada al área de contacto y aumenta
gradualmente a un valor máximo a la salida del área de contacto.
En el caso de deriva (en curvas), se encuentra el
mismo resultado, considerando el deslizamiento o deriva lateral (en
lugar del deslizamiento longitudinal), la resistencia al
deslizamiento lateral o la resistencia a la deriva, la rigidez
lateral de la banda de rodadura, las rigideces estructurales
laterales de la carcasa y los flancos, y la longitud de relajación
(en lugar de la longitud media del área de la huella). El término
"longitud de relajación" indica la distancia recorrida por el
neumático antes de que la fuerza lateral (deriva) alcance su valor
operativo normal correspondiente al ángulo de deriva que se ha
ajustado.
Cuando se derrapa, la relación entre la
resistencia al deslizamiento C_{k} y la longitud media del área de
la huella ya no es igual a la rigidez longitudinal de la banda de
rodadura C_{cx'}, sino que es menor que esta última y disminuye al
aumentar el derrape.
En particular, la resistencia al deslizamiento
C_{k} es igual a la derivada de la fuerza respecto al
deslizamiento, calculada para el valor de deslizamiento aplicable al
neumático:
C_{k} = \delta
F/\delta\xi_{cx}
donde
\xi_{cx} = \pm
V_{c,sx}/V_{cr'}
El fenómeno de derrape se produce cuando el
neumático está en las condiciones límite de adhesión, en otras
palabras, cuando la fuerza longitudinal es igual a la fuerza
vertical multiplicada por el coeficiente de fricción. En particular,
en condiciones de frenada, aceleración y deriva, la falta de
adhesión se manifiesta en aquellos puntos del área de la huella
(contacto) donde la fuerza local es máxima y donde la deformación
también es máxima.
Los inventores han observado que, cuando se
produce el derrape, el estado de las deformaciones de la carcasa y
parcialmente de tipo triangular, y por lo tanto es cero en la
entrada al área de la huella, máxima en el área de la huella, y a
continuación cae a un valor correspondiente a aquel en el cual la
fuerza longitudinal local es igual al producto del coeficiente de
fricción y la fuerza vertical local, y esto continúa hasta que se
alcanza la salida del área de la huella. La fuerza longitudinal, a
su vez, ya no tiene una variación lineal con la deformación, sino
que aumenta en menos que una manera lineal hasta que alcanza un
valor máximo igual al producto del coeficiente de fricción y la
carga vertical que actúa sobre la rueda, y a continuación empieza a
disminuir o permanece en su valor máximo hasta que la rueda se
bloquea. Esta área entre el valor del deslizamiento en el que se
alcanza el valor máximo de la fuerza longitudinal y el valor máximo
del deslizamiento (en otras palabras 1) se llama el área de
"inestabilidad".
Los inventores han encontrado que es posible,
midiendo directamente el estado de deformación de la carcasa,
identificar y señalar la condición en la que ha entrado el neumático
durante su desplazamiento en la carretera, y, en particular, evaluar
la adhesión disponible entre el neumático y la carretera y estimar
la capacidad del neumático a desarrollar fuerzas de tracción
tangenciales al contactar con la carretera.
Esto requiere las siguientes etapas:
- medición de la deformación longitudinal y
lateral de la carcasa en la proximidad de uno de sus puntos durante
su desplazamiento a través del área de la huella;
- medición de la variación del estado de
deformación con el tiempo, para verificar el tipo del estado de
deformación, en otras palabras, si es triangular o compuesta (es
decir, que consiste en una parte triangular seguida por una rápida
disminución de la deformación debido a la falta de adhesión (área de
inestabilidad)).
Los inventores han observado que midiendo el
desplazamiento longitudinal y lateral y las correspondientes
velocidades de un punto de la carcasa, durante su recorrido a través
del área de contacto, es posible verificar si el neumático está
siendo sometido a frenada, aceleración o curvas, y si está o no en
el área de inestabilidad. En esta área, la deformación cambia desde
un estado triangular a un estado compuesto, con el punto de máxima
deformación desplazado hacia el centro del área de la huella. Desde
este momento en adelante, cuando el neumático entra en el área de
inestabilidad, el cambio es muy rápido.
El estado de la deformación longitudinal está
correlacionado con el deslizamiento y el estado de la deformación
lateral está correlacionada con el valor del ángulo de deriva: en la
ley de la deformación triangular, el ángulo en el que la deformación
aumenta consiste en el deslizamiento para la dinámica longitudinal y
el ángulo de deriva para la dinámica lateral.
El procedimiento según la invención se basa en el
uso de la medición del desplazamiento/velocidad de un punto de la
carcasa. Esta medición se usa para medir directamente la variación a
lo largo del tiempo del estado de deformación (cambio del tipo del
estado de deformación) y la correspondiente variación de velocidad
(del estado de deformación) que es un índice del área de
inestabilidad del neumático.
Tal como se ha indicado anteriormente, las curvas
de referencia básica que se guardan de manera permanente están
determinadas de manera experimental, en condiciones estándar, en una
etapa anterior al desplazamiento del vehículo a motor sobre la
carretera.
Por ejemplo, se miden y registran algunas curvas
de referencia básica sobre un vehículo a motor que se desplaza sobre
una pista de prueba, a varias velocidades, sobre una carretera seca
recta, con una persona a bordo, en condiciones de adhesión
máxima.
Otras curvas de referencia básica se miden y se
registran sobre un vehículo a motor que se desplaza, a varias
velocidades, sobre una carretera seca recta, con una persona a
bordo, durante un periodo de frenada de 5 segundos con el pedal de
freno medio presionado.
A su vez, las curvas de referencia básica
guardadas de manera temporal en el elemento de almacenamiento
volátil se adquieren durante el desplazamiento del vehículo a motor
sobre la carretera, en el transcurso de una revolución del
neumático, para compararse con las curvas operativas cíclicas
actuales adquiridas en una revolución posterior del neumático. En la
práctica, la referencia es la revolución del neumático que precede
al que está bajo observación.
Se dan a continuación algunos ejemplos de curvas
cíclicas particularmente significativas, que se pueden usar con el
procedimiento y el dispositivo según la invención.
La figura 5 muestra una curva cíclica de la
velocidad vertical V_{vert} de un punto del neumático situado al
nivel del revestimiento sobre la corona, en el centro, sobre el
plano ecuatorial. La curva representa la variación de la velocidad
con la variación de la posición longitudinal del punto (distancia
del punto desde un plano vertical que pasa a través del eje de
rotación del neumático), durante una rotación completa del
neumático, en una situación de rodadura libre, a una ve-
locidad de 30 km/hr, con una carga vertical de 250 kg, sobre una superficie que tiene un coeficiente de fricción de 0,8.
locidad de 30 km/hr, con una carga vertical de 250 kg, sobre una superficie que tiene un coeficiente de fricción de 0,8.
La figura 6 muestra una curva cíclica de la
velocidad longitudinal V_{long} del punto del neumático situado al
nivel de la banda de rodadura sobre la corona (sensor 3). La curva
se determina como una función de la posición longitudinal del punto,
durante una rotación completa del neumático, en una situación de
rodadura libre a una velocidad de 30 km/hr, con una carga vertical
de 250 kg, sobre una superficie que tiene un coeficiente de fricción
de 0,8.
La figura 7 muestra en detalle las curvas
cíclicas a y b de la velocidad vertical V_{vert} del punto del
neumático situado al nivel del revestimiento sobre la corona en una
situación de rodadura libre (curva a) a una velocidad de 30 km/hr, y
frenada (curva b). Las curvas están limitadas a las posiciones
longitudinales del punto en el área de la huella y se determinan con
una carga vertical de 250 kg, sobre una superficie que tiene un
coeficiente de fricción de 0,8.
La figura 8 muestra en detalle las curvas
cíclicas c y d de la velocidad longitudinal (V_{long}) del punto
del neumático situado al nivel de la banda de rodadura sobre la
corona en una situación de rodadura libre (curva c) a una velocidad
de 30 km/hr, y frenada (curva d). Las curvas están limitadas a las
posiciones longitudinales del punto en el área de la huella y se
determinan con una carga vertical de 250 kg, sobre una superficie
que tiene un coeficiente de fricción de 0,8.
Los valores de las cantidades examinadas, o más
bien la secuencia de los valores en cada ciclo, se modifican cuando
el neumático empieza a derrapar y, en consecuencia, su rendimiento
de adhesión empieza a disminuir. Realizando la comparación entre la
curva actual y la anterior, y así comparando de manera instantánea
la curva de referencia "normal" obtenida en condiciones de
adhesión óptima con la obtenida en condiciones de derrape, es
posible determinar, en tiempo real, que el neumático ha empezado a
funcionar menos que de manera óptima. Esto hace posible ajustar las
acciones de corrección necesarias mediante el control de la acción
de frenado del mecanismo de frenado del vehículo a motor.
La figura 9 muestra las curvas cíclicas e y f de
la velocidad vertical (V_{vert}) del punto del neumático situado
al nivel del revestimiento en la corona, en una situación de frenada
y en diferentes condiciones de fricción de la carretera,
particularmente sobre superficies que tienen un coeficiente de
fricción de 0,4 (curva e) y 1,2 (curva f). Las curvas está limitadas
a las posiciones longitudinales del punto en el área de la huella y
se determinan con una carga vertical 350 kg.
La variación de la carga vertical también provoca
modificaciones de las curvas cíclicas. Esto queda claro a partir de
la figura 10, que muestra curvas cíclicas, g y h, de la velocidad
vertical (V_{vert}) del punto del neumático situado al nivel del
revestimiento en la corona, en una situación de frenada, sobre una
superficie que tiene un coeficiente de fricción de 0,8. Las curvas
están limitadas a las posiciones longitudinales del punto en el área
de la huella y se determinan con cargas verticales de,
respectivamente, 250 kg (curva g) y 350 kg (curva h).
La figura 11 muestra curvas cíclicas, i y l, de
la velocidad vertical (V_{vert}) del punto del neumático situado
al nivel del revestimiento en el lateral, en una situación de
rodadura libre (curva i) a la velocidad de 30 km/h, y en una
situación de frenada (curva l).
Se ha encontrado que la medición de una cantidad
(velocidad) en uno o más puntos del neumático (seguido por el
análisis de la variación de las diferencias entre dos o más
mediciones a lo largo del tiempo) proporciona un juego de datos que
se puede usar para establecer el comportamiento instantáneo del
neumático, o, de una manera más precisa, la variación instantánea
del comportamiento del neumático.
La descripción anterior muestra que el
procedimiento y el dispositivo según la invención hace posible
conocer el comportamiento de un neumático mediante el análisis de
los datos obtenidos desde cualquier punto del neumático durante su
rodadura. El análisis de estos datos indica el estado de tensión en
el que funciona el neumático durante el desplazamiento del vehículo
a motor sobre la carretera.
Claims (14)
1. Procedimiento para monitorizar el
comportamiento instantáneo de un neumático (1) durante el
funcionamiento de un vehículo a motor, comprendiendo dicho neumático
(1) por lo menos una banda de rodadura y una carcasa, estando
asociadas tres direcciones espaciales -una longitudinal, una
transversal y una vertical- con dicho neumático (1),
caracterizado por:
a) adquirir y guardar, por lo menos de manera
temporal, por lo menos una curva de referencia básica que representa
la variación del desplazamiento de por lo menos un punto
especificado de dicho neumático en por lo menos una de dichas tres
direcciones espaciales, como una función de la posición espacial de
dicho punto, en por lo menos una porción de una revolución de dicho
neumático (1),
b) adquirir de manera continua señales de la
posición en el espacio de dicho por lo menos un punto de dicho
neumático (1), en por lo menos una porción de una revolución de
dicho neumático (1),
c) derivar a partir de dichas señales de posición
por lo menos una curva cíclica del desplazamiento operativo actual
de dicho por lo menos un punto en dicha por lo menos una de las tres
direcciones espaciales especificadas, como una función de la
posición espacial de dicho punto, en por lo menos dicha porción de
una revolución de dicho neumático (1),
d) comparar de manera continua dicha curva de
desplazamiento operativo actual con dicha curva de referencia básica
de desplazamiento que está guardada, y
e) emitir una señal dependiendo de dicha
comparación, indicando dicha señal dicho comportamiento instantáneo
de dicho neumático (1).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicha curva de referencia
básica de desplazamiento mencionada en el punto a) anterior se
adquiere durante el desplazamiento del vehículo a motor sobre la
carretera, en el transcurso de una revolución del neumático, y se
guarda de manera temporal, durante un periodo especificado, para
realizar dicha comparación, tal como se indica en el punto d)
anterior, con dicha curva de desplazamiento operativo adquirida en
una revolución posterior de dicho neumático (1).
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que dicha curva de referencia
básica de desplazamiento que se guarda es la de la revolución
inmediatamente anterior.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicha curva de referencia
básica de desplazamiento mencionada en el punto a) anterior se
adquiere en una etapa que precede a la etapa del funcionamiento de
dicho vehículo a motor y se guarda de manera permanente para
realizar dicha comparación, tal como se menciona en el punto d)
anterior, con dicha curva de desplazamiento operativo adquirida en
dicha por lo menos una porción de una revolución de dicho
neumático.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que una curva de referencia
básica de velocidad de dicho por lo menos un punto en una dirección
espacial se guarda en dicha etapa a), y una curva cíclica de
velocidad operativa de dicho por lo menos un punto en una dirección
espacial se determina en dicha etapa c), obteniéndose dichas curvas
de velocidad, respectivamente, a partir de dicha curva de referencia
básica de desplazamiento y a partir de dicha curva de desplazamiento
operativo mediante una derivada matemática respecto al tiempo,
comparándose dicha curva de referencia básica de velocidad y dicha
curva de velocidad operativa en dicha etapa
d).
d).
6. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y
5, caracterizado por el hecho de que el estado de deformación
de dicha carcasa en la proximidad de dicho de sus puntos en un área
de contacto entre el neumático y la carretera se mide mediante dicha
curva de referencia básica y la curva operativa de desplazamiento o
velocidad, para evaluar la adhesión presente entre el neumático y la
carretera, y la capacidad de dicho neumático para desarrollar
fuerzas tangenciales al contacto con dicha carretera.
7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y
5, caracterizado por el hecho de que las señales de las
posiciones de por lo menos dos puntos de dicho neumático se
adquieren en dicha etapa b), y las correspondientes curvas de
desplazamiento o velocidad operativas también se comparan entre sí
en dicha etapa d) para revelar cambios rápidos en el estado de
deformación citado anteriormente o cualquier error de
adquisición.
8. Dispositivo para monitorizar el comportamiento
instantáneo de un neumático (1) durante el funcionamiento de un
vehículo a motor, comprendiendo dicho neumático (1) por lo menos una
banda de rodadura y una carcasa, estando asociadas tres direcciones
espaciales -una longitudinal, una transversal y una vertical- con
dicho neumático (1), caracterizado por:
i. medios para adquirir y guardar (7a; 7b), por
lo menos de manera temporal, por lo menos una curva de referencia
básica que representa la variación del desplazamiento de por lo
menos un punto especificado de dicho neumático en por lo menos una
de dichas tres direcciones espaciales, como una función de la
posición espacial de dicho punto, en por lo menos una porción de una
revolución de dicho neumático (1),
ii. por lo menos unos medios de sensor (3; 4)
asociados con dicho por lo menos un punto especificado de dicho
neumático (1), capaces de emitir, a lo largo de un periodo de
tiempo, señales sobre la posición en el espacio de dicho punto,
iii. medios de recogida (6) capaces de adquirir
de manera continua dichas señales de la posición en el espacio de
dicho por lo menos un punto de dicho neumático (1), en por lo menos
una porción de una revolución de dicho neumático (1), y
iv. medios de procesamiento (7c) que incorporan
un programa capaz de encontrar a partir de dichas señales de
posición por lo menos una curva cíclica del desplazamiento operativo
actual de dicho por lo menos un punto en dicha por lo menos una de
las tres direcciones espaciales especificadas, como una función de
la posición espacial de dicho punto, en por lo menos dicha porción
de una revolución de dicho neumático (1),
v. siendo capaces dicho medios de procesamiento
(7c) de comparar de manera continua dicha curva de desplazamiento
operativo actual con dicha curva de referencia básica de
desplazamiento que está guardada,
vi. siendo dichos medios de procesamiento (7c)
capaces de emitir una señal dependiendo de dicha comparación,
indicando dicha señal dicho comportamiento instantáneo de dicho
neumático (1).
9. Dispositivo según la reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que dichos medios de
almacenamiento (7a) son capaces de adquirir y guardar de manera
temporal, durante un periodo especificado, la curva de referencia
básica de desplazamiento mencionada en el punto i) anterior durante
el funcionamiento del vehículo a motor sobre la carretera, en el
transcurso de una revolución del neumático, y dichos medios de
procesamiento realizan dicha comparación indicada en el punto v)
anterior, entre dicha curva de referencia básica temporal de
desplazamiento y dicha curva de desplazamiento operativo, adquirida
en una revolución posterior de dicho neumático (1).
10. Dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado por el hecho de que dicha curva de referencia
básica de desplazamiento es la de la revolución inmediatamente
anterior.
11. Dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado por el hecho de que dichos medios de
almacenamiento (7b) son capaces de adquirir y guardar de manera
permanente dicha curva de referencia básica de desplazamiento
mencionada en el punto i) anterior en una etapa que precede a la
etapa del funcionamiento de dicho vehículo a motor, y dichos medios
de procesamiento realizan dicha comparación mencionada en el punto
v) anterior entre dicha curva de referencia básica guarda de manera
permanente de desplazamiento y dicha curva de desplazamiento
operativo adquirida en dicha por lo menos una porción de una
revolución de dicho neumático.
12. Dispositivo según la reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que dichos medios de
procesamiento (7c) son capaces de guardar una curva de referencia
básica de velocidad de dicho por lo menos un punto en una dirección
espacial y son capaces de determinar una curva cíclica de velocidad
operativa de dicho por lo menos un punto en una dirección espacial,
obteniéndose dichas curvas de velocidad, respectivamente, a partir
de dicha curva de referencia básica de desplazamiento y a partir de
dicha curva de desplazamiento operativo mediante una derivada
matemática respecto al tiempo, siendo dichos medios de procesamiento
capaces de comparar dicha curva de referencia básica de velocidad
con dicha curva de velocidad operativa.
13. Dispositivo según las reivindicaciones 8 y
12, caracterizado por el hecho de que dichos medios de
procesamiento (7c) miden el estado de deformación de dicha carcasa
en la proximidad de dicho de sus puntos en un área de contacto entre
el neumático y la carretera, mediante dicha curva de referencia
básica y la curva operativa de desplazamiento o velocidad, para
evaluar la adhesión presente entre el neumático y la carretera, y la
capacidad de dicho neumático para desarrollar fuerzas tangenciales
al contacto con dicha carretera.
14. Dispositivo según las reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que por lo menos dos medios de
sensor (3, 4) están asociados con por lo menos dos puntos de dicho
neumático y emiten por lo menos dos señales de la posición de dichos
por lo menos dos puntos, y dichos medios de procesamiento (7b)
determinan mediante dichas señales por lo menos dos curvas de
desplazamiento o velocidad operativas, y se comparan entre sí para
revelar cambios rápidos en el estado de deformación citado
anteriormente o cualquier error de adquisición.
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