在高效室内耐久性试验期间应当施加于轮胎的应力的确定方法

摘要

一种在室内耐久台试验期间应当施加于轮胎的应力的确定方法，该方法包括以下步骤：沿着样本路线驱动车辆（1）；测量车辆沿着样本路线的旅程期间的车辆（1）的纵向速度（V

说明书

技术领域

本发明涉及一种在室内耐久台试验期间应当施加于轮胎的应力的确定 方法。

背景技术

由于台试验具有很低的成本（不必使用真的车辆和驾驶员）且提供了极 其高的可重复性（施加于轮胎的应力以及诸如路面的温度的和特征等边界条 件是已知的且易于调整），因此利用试验台在室内进行了各种试验。试验台 能够对轮胎施加各种应力，但是为了尽可能真实地提供台试验（即，尽可能 地与道路上发生的情况类似）并且使得室内台试验能够比得上公共道路上的 室外试验，有必要精确地知道在道路行驶期间轮胎承受的应力以便在试验台 上再现该应力。为此，使用配备有测量和记录作用于轮胎的力的测量单元的 车辆在公共道路上进行室外试验；在这种类型的室外试验结束时，测量单元 已经记录了作用于轮胎的力的随时间变化的过程（course over time），且将该 随时间变化的过程提供给台致动器，使其能够在室内台试验期间如实地再 现。

为了减少室外试验的整个持续期（计划持续多个小时并且包括数百公 里）并且为了确保室外试验在可重复的条件（明显地，尽可能在对公众开放 的道路上）下执行，在室外试验期间，应当一直以公路法规所允许的最大速 度驱动车辆。然而，无论如何，公共道路上公路法规允许的最大速度相对低 （通常在50km/h和90km/h之间）。结果，试验的总平均速度很低（正常完全 低于以现代试验台所能达到的标称性能），因此如实再现室外试验的室内试 验提供了普通的效率（更确切地说，未充分利用试验台，距离其标称性能水 平有一定距离）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在室内耐久台试验期间应当施加于轮胎的 应力的确定方法，该方法克服上述的缺陷，特别地，该方法实施容易且便宜。

根据本发明，如在所附的权利要求中所述，提供了一种方法以确定在室 内耐久台试验期间应当施加于轮胎的应力。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，该附图示出了非限制性的实施方式，其中：

图1示意性地示出了配备有用于测量必要物理量的测量单元的车辆，该 必要物理量用于随后估计作用于轮胎的力；

图2示意性地示出了图1的车辆行进的样本路线中的一段；

图3示意性地示出了使轮胎经受室内耐久性试验的试验台；并且

图4是示意性地示出了在提高室内台试验的总效率的优化处理期间所执 行的一些数学转换图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1表示配备有四个轮胎2的车辆的整体。

车辆1配备有用于测量必要物理量的测量单元3，该必要物理量用于随后 估计作用于轮胎2上的力。由于测量单元3记录的信息，能够确定在室内耐久 台试验期间应当施加于轮胎的应力（力），从而以高精度模拟在对车辆交通 开放的路上进行的相似的室外耐久性试验。也就是说，正如进一步所阐述的 那样，通过处理测量单元3记录的信息，能够确定在室内的耐久台试验期间 应当施加于轮胎的应力（力）的随时间变化的过程，从而使得轮胎经受在对 交通开放的路上进行的相似的室外耐久性的试验中发生的相同的磨损。

测量单元3包括卫星定位装置4，该卫星定位装置4使用GPS标准实时测 量车辆1的向前运动的纵向速度（longitudinal speed）V_x和车辆1的位置P。车 辆1的位置P由具有三个相互垂直轴的三维参照系的三维坐标X、Y、Z限定； X和Y坐标与纬度和经度相对应且限定了平面，同时Z坐标提供了关于基准平 面（典型地是海平面）的海拔。

另外，测量单元3包括配置于车辆中以捕获车辆1前方道路的相机5（例 如，相机5可以被设置成面对车辆1的挡风玻璃）。

最后，测量单元3包括：能够存储卫星定位装置4和相机5提供的数据的 大容量存储装置6（由硬盘和/或RAM存储器构成）；以及典型地由个人电脑 构成的处理装置7，该处理装置7可以内部集成存储装置6。

现在将描述用于确定室内耐久台试验期间应当施加于轮胎的应力（力） 从而以高精度模拟在对车辆交通开放的道路上进行的相似的室外耐久性试 验的方法。

配备有测量单元3的车辆1用于进行期望在室内模拟的室外试验，且因此 沿着在对车辆交通开放的道路上进行室外试验的样本路线行驶。

预先即在启动道路试验之前确定车辆1的质量M；根据一个可能的实施 方式，考虑到因燃料消耗（根据由电子发动机控制单元提供信息容易地估计） 导致的降低，而使得车辆1的质量M能够不断地更新（即降低）。

在车辆1行驶时，卫星定位装置4实时地且以相对高的采样频率（典型地， 至少几赫兹）提供由坐标X、Y、Z集合构成的车辆1的沿着样本路线的位置P 和车辆1的向前运动的纵向速度V_x；该数据以通常等于卫星定位装置4的采样 频率且与卫星定位装置4的采样频率同步的存储频率循环地存储于存储装置 6中。

另外，当车辆1行驶时，相机5实时提供车辆1前方道路的图像；这些图 像的至少一部分以通常等于卫星定位装置4的采样频率且与卫星定位装置4 的采样频率同步的存储频率循环存储于存储装置6中（采用该方法，每个存 储的图像与图像被拍摄时的车辆1的对应的位置P相关联）。

一旦室外试验结束（更确切地，一旦沿着样本路线的旅程完成），由测 量单元3在沿着样本路线前进时存储的信息被处理，以确定在室内的耐久台 试验期间应当施加于轮胎的应力（力），从而以高精度模拟室外耐久性试验。

根据优选的实施方式，移动平均滤波器被应用于由卫星定位装置4提供 的测量数据（特别地被应用于车辆1的向前运动的纵向速度V_x的测量），以消 除任何高频噪声（非常令人困扰，尤其是对时间求导）。

利用车辆1的向前运动的纵向速度V_x数据，处理装置7通过确定车辆1的 向前运动的纵向速度V_x的变化率（第一时间导数）来计算车辆1的纵向加速 度A_x。

另外，利用存储在存储装置6中的车辆1的位置P数据，处理装置7确定车 辆1在由两维坐标X、Y（与纬度和经度对应）限定的平面中的轨迹T；换句 话说，车辆1的轨迹T通过车辆1在由X、Y坐标限定的平面中的位置P的演化 给出。接着，处理装置7通过简单的几何计算来计算车辆1的轨迹T的曲率半 径（R），然后基于向前运动（如前面描述那样校正）的纵向速度V_x和轨迹T 的曲率半径（R），通过如下方程式描述的简单的数学运算来计算车辆1的横 向加速度（lateral acceleration）A_y：

A_y=V_x2/R

处理装置7通过将车辆1的质量M和车辆1的纵向加速度A_x相乘计算作用 于车辆1上的纵向惯性力FI_x，并且通过将车辆1的质量M和车辆1的纵向加速 度A_x相乘计算作用于车辆1上的横向惯性力FI_y，如下述方程式所述：

FI_x=M*A_x

FI_y=M*A_y

根据优选实施方式，处理装置7基于第三坐标Z确定车辆1的海拔，基于 车辆1的海拔的演化通过简单的几何计算来确定车辆1行进的道路的坡度，最 终，基于车辆1行进的道路的坡度通过简单的几何计算确定作用于车辆1上的 重力FG。换句话说，通过将作用于车辆1上的整个重力（等于质量M乘以重 力加速度G）与车辆1行进的道路的坡度角度的正弦值相乘计算作用于车辆1 上的重力FG。

根据优选的实施方式，处理装置7还确定作用于车辆1上的作为车辆1的 向前运动的纵向速度V_x的函数的气动力FA；气动力FA可通过使用具有试验 确定参数的理论确定的方程式来计算，或者可以利用试验确定的表（典型地 利用表的各点之间的插值）来计算。

最终，处理装置7通过代数叠加（algebraically adding）（即考虑正负号） 纵向惯性力FI_x（具有与减速或加速对应的正负号）、重力FG（具有与下降或 上升对应的正负符号）和气动力FA（总是具有负号），如下述方程式所述：

F_x=FI_x+FG+FA

反而，作用于车辆1上的整个横向力F_y被假定等于横向惯性力FI_y，即不 考虑非横向惯性力FI_y的贡献。

在轮胎2之间分配作用于车辆1上的整个力F_x和F_y，即基于车辆1的几何特 征（例如车辆1的质量的分布）和车辆1的悬架类型对每个轮胎2确定作用于 车辆1上的整个力F_x和F_y的局部配额。

在上述运算的最后，已经计算出纵向速度V_x的时间演化、纵向力F_x的时 间演化和横向力F_y的时间演化；这些时间演化可以直接用于引导试验台的致 动器，从而以高精度模拟室外耐久性试验。

根据本发明，纵向速度V_x的时间演化、纵向力F_x的时间演化和横向力F_y的时间演化经受优化处理，以便提高室内台试验的总效率，同时维持关于室 外耐久性试验的高模拟精度。

优化处理将纵向速度V_x和力F_x、F_y从时域t（即时间t的函数）转换到空 域s（即空间s的函数），因此得到纵向速度V_x和力F_x、F_y。由于纵向速度V_x是已知的，空间s和时间之间存在的关系（即ds=dv·dt）被直接地确定，所 以这种转换是简单且迅速的：

$s\left(T\right)=\underset{0}{\overset{T}{\int }}{V}_x\left(t\right)·\mathrm{dt}$

换句话说，由纵向速度V_x（t）和力F_x（t）、F_y（t）得到纵向速度V_x（s） 和力F_x（s）、F_y（s）。

一旦纵向速度V_x和力F_x、F_y从时域t转换到空域s（即从V_x（t）、F_x（t）、 F_y（t）转换到V_x（s）、F_x（s）、F_y（s）之后），纵向速度V_x使用放大因子k （大于1）放大，且空间_s使用明显大于放大因子k的放大因子k²（大于1）放 大。

换句话说，通过相应的放大因子k、k²来放大（增大）纵向速度V_x和空 间s两者，并且空间s比纵向速度V_x放大的倍数大。通常，放大因子k在1.2至 2.5之间并且放大倍数k²在1.44至6.25之间（分别与1.2²和2.5²对应）。在空域s 中放大的（放大因子为k）纵向速度V_x和力F_x、F_y相对于放大的（放大因子为 k²）空间s被重新采样。

一旦相对于放大的空间s对放大的纵向速度V_x和力F_x、F_y进行了重新采 样，将重新采样的纵向速度V_x和重新采样的力F_x、F_y从空域s（即空间s的函 数）重新转换到时域t（即时间t的函数）。因为试验台的致动器必须根据时间 被引导，所以这种随后的用于返回时域t的转换是必要的。重要的是要注意， 如前描述，空间s和时间t之间的关系直接利用纵向速度V_x提供，这种进一步 的转换是简单且迅速的。

综述，进行如下操作：

1.V_x(t)，F_x(t)，F_y(t)=＞V_x(s)，F_x(s)，F_y(s)

2.V_x(s)，F_x(s)，F_y(s)=＞V_x(s·k²)·k，F_x(s·k²)，F_y(s·k²)

3.V_x(s·k²)·k，F_x(s·k²)，F_y(s·k²)=＞V_x(t)，F_x(t)，F_y(t)

根据更一般的实施方式，一旦纵向速度V_x和力F_x、F_y从时域t转换到空域 s，纵向速度V_x通过使用放大因子k_v（大于1）放大，并且空间s通过使用大于 放大因子k_v但是不必是放大因子k_s的平方的放大因子k_s（大于1）放大。换句 话说，纵向速度V_x和空间s两者分别通过相应的放大因子k_v和k_s放大（增大）， 且空间s比纵向速度V_x放大的倍数大（任何时候，放大因子k_s大于或等于放大 因子k_v的平方）。根据可能的实施方式，放大因子k_s取决于放大因子k_v，且特 别地，放大因子k_s是放大因子k_v的n（n大于或等于2）次方（即k_s=k_vⁿ）；根据 其它的实施方式，只要满足条件k_s>k_v²，两个放大因子k_v和k_s之间可以存在不 同的数学关系，或两个放大因子k_v和k_s之间可以不存在任何数学关系。

图4示意性地示出了在优化处理期间执行的一些数学转换：左侧的两幅 图示出了纵向速度V_x和纵向力F_x作为空间s的函数（即在空域中）的演化， 而右侧的两幅图示出了纵向速度V_x和纵向力F_x作为时间t的函数（即在时域 中）的演化。

为了更好的理解优化处理，以下给出了简单的数值示例。假设车辆以 40km/h沿着10km长的直线路线驱动并且驾驶员交替地驾驶到右侧和左侧 （基本上，近似直线轨迹地曲折或呈z字形）100次（因此，每100m或每9秒 交替一次），对每个轮胎2施加等于10,000Nkm的磨损能量和1,000N （10,000Nkm/10km）的磨损能量密度；在这些条件下：

●试验的持续时间为15分钟（10km/40km/h）；.

●效率为0.66km/min（10km/15min）;

●每个轮胎2接收的总磨损能量为10,000Nkm；

●磨损能量密度为1,000N。

如果速度由等于1.5的放大因子k_v放大，且空间由等于2.25（即1.5²）的 放大因子k_s放大，那么：

●驾驶员必须每225m（100·2.25）或每13.5秒交替地向右和向左驾驶；

●总长度变为22.5km；

●试验的持续时间变为22.5分钟（22.5km/60km/h）;

●效率变为1km/min（22.5km/22.5min）;

●每个轮胎2接收的总磨损能量变为22,500Nkm（1,000N·22.5km）；

●磨损能量密度依然保持为1,000N。

比较该两种情况，明显发现，即使由于由每9秒改变方向变为必须每13.5 秒改变方向而对驾驶员施加小的压力水平（更确切地说，对试验台的致动 器），第二种情况也更有效（1km/min对0.66km/min）。

上述优化处理使得试验效率显著地提高；特别地，用于估测试验效率的 主要量是平均速度（即空间和时间之间的平均比值），该平均速度被与放大 因子k_v相等的量增大。

另外，上述优化处理在快速性（rapidity）上具有有益效果，施加于试验 中的轮胎的应力以该快速性变化（为了避免超出试验台的极限，并因此使得 试验不能进行，重要的是使施加于试验中的轮胎的应力变化的快速性不能过 高）。

用于估测施加于试验中的轮胎的应力变化的快速性的一个量是“速度变 化率（speed rate）”，且该速度变化率等于纵向加速度（即，纵向速度V_x的第 一时间导数）；该速度变化率改变与放大因子k_v的平方（k_v²）和放大因子k_s之间的比值相等的值（即当k_s=k_vⁿ时改变k_v^2-n的值，因此当k_s=k_v²时改变等于1 的值）。用于估测施加于试验中轮胎的应力的速度的另一量为“输入率（input rate）”，该输入率等于力F_x、F_y的第一时间导数；该输入率改变与放大因子k_v和放大因子k_s之间的比值相等的值（即当k_s=k_vⁿ时等于k_v^1-n的值，因此当k_s=k_v²时等于k_v^-1的值）。

上述优化处理基于如下假设（只要纵向速度V_x不过大，已充分证明有效 性）：轮胎磨损取决于轮胎所转的转数，而与轮胎的转速无关（更确切的说， 几乎无关）。实际上，速度对磨损具有小的影响，但是已观察到在第一近似 中，由于速度的改变导致的磨损效果可以忽略（至少只要纵向速度V_x不过 大）。

上述的用于确定在室内的耐久性的台试验期间应当施加于轮胎的应力 的方法具有许多优点。

首先，由于计划使用相对便宜、易于安装且不需任何预调整的单个测量 仪器（卫星定位装置4），上述的方法实施简单且成本低。

由于卫星定位装置4具有低噪声水平、提供了高的精度且不受时间漂移 （由于元件老化或者热效应导致的）的影响，而不像加速计那样，卫星定位 装置4不具有在实施的测量中物理地敏感元件，因此上述方法非常精确且最 重要的是，完全不受时间漂移的影响。

卫星定位装置4完全不受车辆1的主体的运动的影响，因此由卫星定位装 置4提供的测量不受悬架上的车辆1的主体的运动的影响。

由于卫星定位装置4提供的关于车辆1的海拔的信息，还能够基于车辆1 行进的路的坡度以高精度地确定作用于车辆1上的重力FG。

最后，由于上述优化处理，能够显著地提高室内台试验的效率，而不对 试验中的轮胎施加应力的快速性起负面影响。