專利名稱：監(jiān)控車輛輪胎和車輪裝置中輪胎充氣壓力的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛速度和車輛輪胎轉(zhuǎn)速之間的復雜關(guān)系，并涉及利用這種關(guān)系來滿足目前對改進的車速表、對改進的里程表、對車輛操作期間測定和顯示輪胎充氣壓力和/或如果輪胎在操作期間危險地充氣不足就警告駕車人的需要。
背景技術(shù)：
測量和顯示車輛速度與測量和顯示所行駛的距離的功能，目前是用人所共知的車速表和里程表裝置來完成的。當前這些裝置有各種缺點。例如，里程表通常包括一系列鼓形表盤，它們合適地裝置在一起并用一根柔性傳動索傳動，轉(zhuǎn)過來也就是，用一對連接在車輛傳動系上的齒輪傳動或用一個車輪傳動。操作以下列事實為基礎(chǔ)，就是車輪標稱地測定一個特定的可測定的所行駛的每英里的轉(zhuǎn)數(shù)，而裝到傳動輪上的傳動系也測定一個可測定的所行駛的每英里的轉(zhuǎn)數(shù)。里程表主要對車輪轉(zhuǎn)動進行計數(shù)，隨后利用齒輪比將車輪轉(zhuǎn)動數(shù)轉(zhuǎn)化為所行駛的距離。
從下述事實產(chǎn)生一種固有的誤差，就是用于將里程表傳動索連接到車輛傳動系的齒輪必須具有整數(shù)的齒輪數(shù)目。也就是，齒輪不能有分數(shù)值的齒，而且為實用起見，至少這些齒輪之一上的齒輪數(shù)通常是小的。因此，只能利用有限的相當小數(shù)目的比例，而很少可能將齒輪比剛巧匹配到里程表的要求。在當前實際情況下，高達正負百分之四的匹配誤差被認為是可以接受的。從下列事實產(chǎn)生進一步的不精確性，就是輪胎尺寸、構(gòu)造、材料、老化、充氣壓力、溫度、轉(zhuǎn)動速度、磨損、載重和輪胎對道路的相互作用的正常變化使輪胎行駛每英里產(chǎn)生的實際轉(zhuǎn)動數(shù)從標稱值發(fā)生變化。人們需要增大精確度和減少機械復雜性。
當前使用的最普通類型的車速表使用一個轉(zhuǎn)動磁體，它像里程表一樣受同一柔性傳動索的傳動，而它在用鋁之類導電材料制成的杯形部件中轉(zhuǎn)動。磁體的轉(zhuǎn)動在導電材料中產(chǎn)生渦流，該渦流與磁體的轉(zhuǎn)動磁場相作用，使這個與磁體同軸地可以轉(zhuǎn)動地安裝的杯形部件力圖像磁體一樣地沿同一方向轉(zhuǎn)動。但是，杯形部件的轉(zhuǎn)動受彈簧的抵抗，使得該部件處于一個平衡位置，在該位置處彈簧的力受渦流與磁體轉(zhuǎn)動磁場的反作用力的平衡。因為彈簧的變化率近似地是線性的，而渦流反作用力近似地正比于磁體的轉(zhuǎn)速，它轉(zhuǎn)過來又近似地正比于車速，所以杯形部件測得的離其中線位置的轉(zhuǎn)動角近似地正比于車速。一個連接在杯形部件上并隨其轉(zhuǎn)動的指針指向排列在表盤上的數(shù)字，以指示該車速。
因為車速表像里程表一樣受同一傳動索傳動，所以它受到同樣的誤差。但是，通過在表盤上適當?shù)匕仓脭?shù)字，可以補償齒輪比失配的影響和不同速度下輪胎每英里轉(zhuǎn)數(shù)的變化。從里程表遺留的其它誤差沒有受到補償，而車速表有三個它自己的另外的誤差來源。第一，車速表彈簧和渦流反應力與磁體轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系兩者是稍許可變的和非線性的，使得它不適用于在寬廣的速度范圍內(nèi)獲得一種精確的速度顯示。第二，該機構(gòu)受到磁滯現(xiàn)象和反沖作用。第三，該裝置的輸出受溫度變化的影響。由于渦流和彈簧機構(gòu)的基本不精確性而產(chǎn)生的每小時三至四英里的誤差與由于溫度變化而產(chǎn)生的每小時二至三英里的誤差被認為是可以接受的。另一種不太普通的類型的車速表使用一個小型發(fā)電機和一個相關(guān)的表頭來代替渦流、彈簧和指針裝置，但這種類型的車速表受到像較普通類型的車速表一樣的誤差來源。因此需要一種更精確和較不復雜的車速表。
在輕型車輛上廣泛使用的任何現(xiàn)有裝置現(xiàn)在不能完成在車輛操作期間測量和顯示輪胎充氣壓力的功能和在危險的輪胎充氣不足的情況下警告駕車人的功能。對這些目的已經(jīng)研究了若干方案，但是，至今，所有方案都比較復雜和費錢，結(jié)果，它們的用途被限制在特定領(lǐng)域如某些軍事車輛中。沒有一種方案被證明是足夠經(jīng)濟而可靠到能廣泛地用于客車和輕型貨車的。但是，由于兩個主要理由，這些輕型車輛確實需要這樣一種系統(tǒng)。首先，一位駕車人不察覺輪胎充氣不足而繼續(xù)在這種狀態(tài)下駕駛汽車是經(jīng)常發(fā)生的。這可能損傷或毀壞輪胎，或者更嚴重的是由于輪胎危險地充氣不足而使車輛的操縱特性發(fā)生變化因而產(chǎn)生事故。
其次，為了節(jié)省費用、空間和重量，許多汽車制造商希望從他們的輕型車輛(即客車和輕型貨車)中取消備用輪胎。為了達到這個目的，若干家輪胎制造商已經(jīng)開發(fā)了所謂跑氣行駛輪胎，這種輪胎當完全跑氣時可以以有限速度行駛一定有限時間，例如以每小時50英里的速度行駛50英里。在理論上，裝有此種輪胎的車輛的駕車人將不會由于充氣不足或跑了氣的輪胎而一愁莫展，并將能夠繼續(xù)行駛一段合理的距離，以便到達檢修站進行修理。因此，這樣一種車輛將不需要備用輪胎。但是，這在實際上是行不通的，因為當他的車輛上的輪胎損失壓力或跑氣時，駕車人常常不察覺這種變化。因此，他繼續(xù)駕駛，而結(jié)果可能比帶一個正常輪胎甚至更壞。不僅是輪胎損傷或毀壞，而且駕車人及其乘客由于沒有備用輪胎而可能對輪胎的最終完全失效一愁莫展。由于這個原因，許多汽車工程師得出結(jié)論，輕型車輛即使是那些裝有跑氣行駛輪胎的輕型車輛免帶備用輪胎的關(guān)鍵在于監(jiān)控輪胎壓力并在壓力降低到危險程度時向駕車人發(fā)出信號。
本發(fā)明的一個目的是提供一種經(jīng)濟而可靠的系統(tǒng)、方法和設備，用于當輪胎在車輛上運行時測量充氣輪胎的充氣壓力并用于將這些壓力顯示給駕車人。本發(fā)明的另一個目的是提供一種測量和顯示車速用的改進的裝置。本發(fā)明的第三個目的是提供一種測量和顯示車輛行駛距離用的改進的裝置。本發(fā)明的第四個目的是提供一種經(jīng)濟而可靠的警報機構(gòu)，用于當車輛輪胎壓力一旦降到預定的閾值以下時向駕車人發(fā)出警告。本發(fā)明的第五個目的是提供一種系統(tǒng)、方法和設備，用于在操作期間監(jiān)控輪胎充氣壓力，并用于一旦輪胎壓力降到預定的閾值以下時發(fā)出一個警報信號，在發(fā)出警報信號后該系統(tǒng)繼續(xù)其監(jiān)控功能，而如果此種繼續(xù)監(jiān)控表明壓力實際上并沒有降到閾值以下，那么就取消警報信號并恢復正常操作。本發(fā)明的第六個目的是提供一種上述系統(tǒng)、方法和設備，它們能夠根據(jù)特定車輛的特性和預定的用途，或者在使用前，或者后來在其使用壽命期間，或者兩種情況均可以受到校準。本發(fā)明的第七個目的是提供一種如上所述的裝置，它可以使用已經(jīng)在許多車輛上存在的某些系統(tǒng)或子系統(tǒng)。
附圖簡述從下述結(jié)合附圖的詳細說明可以明顯清楚本發(fā)明的其它目的，附圖中

圖1是通過充氣輪胎和車輪裝置的截面圖，表示一個正常的充氣輪胎；圖2是通過同一個輪胎和車輪裝置的截面圖，但表示該輪胎處在充氣不足狀態(tài)下；圖3是例示本發(fā)明原理的一般化的部分框圖4是一種車輛的部分截面的示意側(cè)視圖，這種車輛有一個直讀的地面速度與距離測量裝置和一個導航裝置；圖5是一種包括本發(fā)明部件的車輛的運行裝置的示意的部分平面圖；此圖同時包括一個圖3中一般示圖的特定改型；圖6是沿圖5中箭頭6方向觀看的示圖，表示一個車速傳感器的部件；圖7和圖8是可以用作圖3和圖5中所示顯示系統(tǒng)的替代裝置的顯示系統(tǒng)的示意圖。
優(yōu)選實施例的詳述圖1表示一個輪胎和車輪裝置1，該裝置包括一個安裝在車輪3上的充氣輪胎2。輪胎被充氣到其正常壓力，它在接觸面5處接觸車道或地面4。當該裝置沿路面4滾動時，它圍繞其中心線6轉(zhuǎn)動而其滾動半徑為R，也即從中心線6到接觸面5的有效中心的垂直距離。因此，不考慮滑動，在轉(zhuǎn)動一周期間，輪胎和車輪裝置及安裝于其上的車輛行駛一個等于2π(R)的距離，假定行駛的距離和半徑R用同一單位如英寸、英尺或米測量的話。
圖2表示輪胎和車輪裝置1A，除了輪胎2A充氣不足外，該裝置與圖1的裝置相同。因為充氣不足的輪胎2A在其與地面4A的接觸5A處的變形大于正常充氣輪胎2(圖1)在其與地面4的接觸5處的變形，所以充氣不足輪胎2A的滾動半徑R1(中心線6A到接觸面5A有效中心的垂直距離)小于正常充氣輪胎2的滾動半徑R。同樣，不考慮滑動，對于輪胎2A的每轉(zhuǎn)動一周，安裝于其上的車輛將行駛一個等于2π(R1)的距離。因為R1小于R，所以充氣不足輪胎2A每轉(zhuǎn)動一周的距離正比地小于正常充氣輪胎2的每轉(zhuǎn)動一周距離。
圖1和圖2僅僅例示在動態(tài)條件下測定滾動半徑或其反函數(shù)(每英里的轉(zhuǎn)動次數(shù))時涉及的復雜性但并未顯示其全部復雜性。但是，它們例示這樣一個事實，就是，一般說來，當輪胎的充氣不足壓力低于其正常值時，其滾動半徑及因而其每轉(zhuǎn)動一周的行駛距離也減小。因此，在任何給定的車速下，充氣不足的輪胎必須轉(zhuǎn)動得比它正常充氣狀態(tài)下更快。由此可見，可以設計一種裝置來測量一組特定情況下的輪胎轉(zhuǎn)動速度并對該速度與那些情況下的參考速度值或正常速度值進行比較，在該裝置的壓力范圍和精度限度內(nèi)，這種比較將能夠推斷輪胎的充氣壓力。
在設計這樣一種裝置時，必須考慮一些附加因素。例如，如上面在里程表精度的討論中所述，已知除了充氣壓力以外還有其它因素影響輪胎滾動半徑和每英里轉(zhuǎn)數(shù)。其次，充氣壓力和滾動半徑或每英里轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系不是線性的，通常必須用經(jīng)驗確定。但是，在有用的壓力范圍內(nèi)，在輪胎充氣壓力與滾動半徑和每英里轉(zhuǎn)數(shù)之間確實存在量化關(guān)系，可以在該關(guān)系的基礎(chǔ)上得到監(jiān)控輪胎壓力、車速和/或行駛距離用的實用系統(tǒng)、方法和設備。以下討論描述的本發(fā)明是以下述基本規(guī)律和常規(guī)為基礎(chǔ)的在正常使用中，圖1和圖2中例示的輪胎和車輪裝置作為一個單元轉(zhuǎn)動，而輪胎的轉(zhuǎn)速與其相應的車輪的轉(zhuǎn)速相同，并且為了討論和計算，兩者的轉(zhuǎn)速是可以互換的。同樣，對于行駛的每一英里或公里，輪胎的轉(zhuǎn)數(shù)與安裝輪胎的車輪的轉(zhuǎn)數(shù)是相同的。事實上，輪胎的滾動半經(jīng)在操作條件下不易測得，但是其反函數(shù)即每英里或每公里中輪胎的轉(zhuǎn)數(shù)卻容易精確地測得。為此，在本文的討論和計算中，常使用輪胎的每英里轉(zhuǎn)數(shù)來代替其滾動半徑值。
輪胎在每英里作業(yè)中的轉(zhuǎn)數(shù)以可以預測的方式與許多因素有關(guān)(輪胎尺寸、類型、構(gòu)造、所用材料、冷充氣壓力、每個輪胎載重、車速、周圍溫度等)，而這些關(guān)系的影響可以使用易于得到的設備精確地測得，并制成圖線或性能圖。從這些圖線或性能圖，在制圖的數(shù)據(jù)和關(guān)系的精度限度內(nèi)，如果其它制圖變量如輪胎尺寸、構(gòu)造、材料、冷充氣壓力、每個輪胎載重、車速和周圍溫度都知道，就可以確定未知變量如瞬時輪胎壓力的值。
圖3是一種壓力傳感和顯示系統(tǒng)的部分框圖，該系統(tǒng)適于安裝在車輛中。接線7-10是電路，每根接線從一個與車輛的四個車輪之一聯(lián)接的輪速傳感單元(圖6)載帶一個車輪轉(zhuǎn)速信號到計算機11。接線12是電路，該電路從車速表、從例如圖4所示的直讀速度測量系統(tǒng)或從合適的測量車速的其它裝置載帶一個車速信號到計算機11。一個電子溫度傳感裝置13由電路14連接到計算機11。一個車速表顯示單元15由電路17連接到計算機11。一個里程表顯示單元16也由電路17連接到計算機11。輪胎壓力顯示單元18～21(例如數(shù)字顯示或LCD單元)分別由電路22～25連接到計算機11。音響警報裝置26由電路27連接到計算機11。長存式存儲器28由電路29連接到計算機11。接口裝置30由電路31連接到計算機11和存儲器28。計算機編程裝置32由電路33連接到計算機11。
計算機11有用于激活輸出裝置15、16、18～21和26的放大器。計算機11或另一臺與其聯(lián)接的計算機也適合于從連接到電路7～10和12的傳感器接受、轉(zhuǎn)換和使用不同類型的信號(數(shù)字、模擬等)。同時，雖然圖示用于四個車輪速度傳感器的四個電路7～10，但根據(jù)待監(jiān)控的車輪數(shù)目可以有更多的或更少的此種電路和相關(guān)傳感器。另外，根據(jù)系統(tǒng)適用的用途，圖3中所示的一些部件可以任選或省去。例如，當系統(tǒng)僅用于低的輪胎壓力警報時，車速表15、里程表16、存儲器28、接口30、編程裝置32和電路12、14、17、29、31和33可以任選或省去。數(shù)字電壓指示器18～21可以用圖5、7、8中所示的可供選擇的模擬、二元或數(shù)字指示器替代，而模擬車速顯示器15可以用圖5中所示的數(shù)字車速顯示器替代。
長存式存儲器28包括一個數(shù)據(jù)庫，后者主要是如上所述的性能圖、表格或圖線，表示在不同車速。周圍溫度、冷輪胎充氣壓力和其它操作條件下輪胎充氣壓力和每英里輪胎轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系。因為這些關(guān)系受輪胎本身的許多特性如所用彈性體的化合狀況、輪胎尺寸，縱橫尺寸比、結(jié)構(gòu)類型(簾布層數(shù)目、偏壓簾布層、束帶的、徑向簾布層、跑氣行駛等)的影響，所以準備好替換存儲器28或?qū)ζ渲匦戮幊?。另外，對許多不同類型的輪胎的數(shù)據(jù)組輸入存儲器28并準備例如通過編程裝置32和電路33指令計算機以使用合適的數(shù)據(jù)分組。在實際中，可以使用這些方法的組合。
在操作中，監(jiān)控和顯示過程由計算機11控制。該過程按周期操作，每個周期由一個從計算機的計時電路來的信號起動。由于周期開始信號，計算機11通過電路12閱讀從車速測量機構(gòu)來的車速信號，按所需單位計算車速，通過電路17在車速表15上顯示車速，然后，以該速度和從前一個最新周期以來的時間為基礎(chǔ)，同樣通過電路17計算從最近的最新周期以來行駛的距離并更新里程表顯示值16。計算機同時通過電路14閱讀從傳感器13來的周圍溫度信號并以所需單位計算周圍溫度。計算機11閱讀在電路7～10之一例如電路7上的車輪轉(zhuǎn)速信號(該電路載帶由車輪傳感單元之一例如與左前輪連接的車輪傳感單元傳遞的信號)，并以所需單位計算該車輪的速度。利用車速值、周圍溫度值和測得的輪速值，計算機在存儲器28中查找對應于這些值的輪胎充氣壓力的數(shù)據(jù)。計算機按照需要進行內(nèi)插運算或操作計算，并在與前左輪相聯(lián)的讀出器如指示器18上顯示最終的輪胎壓力。當收到下一個周期開始信號時，計算機重復該過程，但代之以另一個車輪的輪速信號例如從電路8來的信號，而顯示在對應于該車輪的讀出器如指示器19上的結(jié)果。計算機這樣繼續(xù)下去，依次計算和顯示每個輪胎的壓力，直到所有輪胎都完成，然后返回第一個輪胎并繼續(xù)重復該過程。可以理解，每個計算機周期是相當短的，因此顯示單元15、16和18～21有足夠的余輝，從而避免計算機各最新周期之間不希望有的脈動或波動。
也可以認識到，輪速的某些瞬息變化，如碰到坑洼、輪子在堅硬路面上彈跳、單獨一個輪子打滑或輪子鎖住狀態(tài)、轉(zhuǎn)彎、劇烈加速或剎車等所引起的，可以使計算機顯示錯誤的充氣值。為了避免這一問題，送到顯示單元的信號由若干已知方法中的任何一種予以平滑，例如舍棄顯著不同于緊前面數(shù)值的值，限制能使顯示值從一個周期變至另一周期的量，使顯示值成為對許多計算周期測得的平均值。但是，為了精度和響應時間的原因，有時希望限制平滑或濾掉的顯示信號的量，即使此種限制可能形成傳給駕車人的偶然的虛假的低壓力警報。為了檢測虛假警報，在警報傳出后該系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控輪速，如果后續(xù)的值可以接受，那么取消該警報信號并繼續(xù)正常操作。
也可以認識到，標稱的或冷的輪胎充氣壓力變化可能影響輪胎速度、車輛速度和充氣壓力之間的在使用中產(chǎn)生的關(guān)系。為了增大精度，不論何時冷充氣壓力發(fā)生變化，冷輪胎充氣壓力都可以通過編程裝置32和電路33輸入到計算機中。這使得計算機在進行壓力測定時在存儲器28中查找合適于該冷壓力的數(shù)據(jù)分組。當然，除了車速、周圍溫度和冷輪胎壓力以外，其它輸入(例如每個車輪的載重)可以進一步改進作為本發(fā)明基礎(chǔ)的相互關(guān)系的精度，而本發(fā)明不限于這些已經(jīng)列舉的環(huán)境輸入信號。
圖3中例示的系統(tǒng)可以沒有對電路12的外部車速或距離信號輸入，因為(a)車輛的單個車輪的轉(zhuǎn)動速度是通過電路7～10而輸入計算機11的，(b)計算機11可以在存儲器28中存取一個每英里車輪轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)庫，(c)計算機結(jié)合一個精確的鐘。利用從這些來源得到的信息，計算機可以計算車速和行駛的距離兩者。這樣一個車速表和這樣一個里程表與現(xiàn)有的機械或電氣機械單元裝置相比提供精度、成本和耐用性方面的優(yōu)點。成本和耐用性優(yōu)點的產(chǎn)生原因是，由于采用了在現(xiàn)有計算機11上運行的簡單算法控制下的簡單電子顯示器15、16和電路17，消除了傳動齒輪、傳動索、里程表反向機構(gòu)和車速表渦流與彈簧機構(gòu)。與常規(guī)單元裝置相比，建議的車速表和里程表的精度優(yōu)點來源于三個與常規(guī)單元裝置的固有差異首先，在本發(fā)明的系統(tǒng)中不存在常規(guī)機械驅(qū)動車速表和里程表的齒輪比失配誤差；其次，在公開的本系統(tǒng)中不存在常規(guī)車速表中由溫度變化、磁滯、齒隙和渦流與彈簧變量產(chǎn)生的誤差；第三，公開的本系統(tǒng)的輸入值是以經(jīng)驗的每英里車輪轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，它比常規(guī)里程表和車速表的設計中使用的一般值更精確。此外，提出的本系統(tǒng)能夠容易地聯(lián)用一種運算方法，該運算方法確定哪一個或哪一些輪速信號最能代表真實的車速，并將其計算以這些最佳值為基礎(chǔ)。例如，計算機可以被編程為省略極端值(這些極端值如可能由于車輪打滑、車輪鎖住或輪胎充氣不足而產(chǎn)生)，或者它可以被編程為省略任何錯誤的或迅速變化的值，等等。
除了上述優(yōu)點外，更精確的里程表和車速表提供新的車輛特點的可能性。例如，已經(jīng)進行試驗以獲得“計算法位置判斷”的車輛導航和定位系統(tǒng)，僅僅利用從車輛本身得到的行進距離、方向等值作為輸入信號。這樣一種系統(tǒng)將比由固定廣播站(例如在空間中的衛(wèi)星上)發(fā)射的信號的三角法確定車輛位置的系統(tǒng)更簡單，但這種自給式系統(tǒng)要求比常規(guī)里程表單元裝置能夠提供的更為精確的距離測量。
圖4表示一種裝有已知類型的自給式定位和導航系統(tǒng)用的直讀式速度和距離測量裝置。雷達收發(fā)機35發(fā)射波束35A，該波束以角度A射擊道路或地面36。波束35A被散射，部分波束反射而返回收發(fā)機35。由于眾所周知的多普勒效應，該波束的反射部分的頻率與發(fā)射波束有一明顯差別。收發(fā)機35收集該頻率數(shù)據(jù)并將其通過電路37送到計算機38，計算機從頻率差計算車輛的瞬時速度和從上一次最新周期以來行駛的距離。此信息通過電路39送到車速表顯示器40和里程表顯示器41。計算機38同時通過電路45從羅盤44閱讀方向數(shù)據(jù)，而且利用該數(shù)據(jù)加上計算機剛計算出的距離值來計算對應于從上一計算周期以來車輛增量運動的矢量。然后計算機將該增量矢量加到從導航計算器上次重新設定以來計算機已經(jīng)計算的所有先前的增量矢量的總和上，并確定車輛相對于該重新設定時間時的車輛位置的目前位置。然后計算機通過電路43將該位置信息送到導航顯示單元42。以這種方式，顯示器42連續(xù)更新，以便當車輛行駛其行程時顯示車輛的當前位置。這種雷達系統(tǒng)目前太復雜和昂貴，因而不能廣泛使用。圖3和圖5中例示的建議的本系統(tǒng)，提供一種測量距離用的更簡單更廉價的替代裝置。
圖5是裝有圖3所示系統(tǒng)的改型的車輛的部分示意圖。車輛46用發(fā)動機47為動力源，后者驅(qū)動一個傳動/最終驅(qū)動單元48、軸49、50與輪胎和車輪裝置51、52。輪胎和車輪裝置53、54不受驅(qū)動。輪胎和車輪裝置51～54與圖1中示出的相似。齒環(huán)55～58固定在每個相應的車輪裝置51～54上，并與其一體地和同軸地轉(zhuǎn)動。傳感單元59～62以已知方式與每個相應的齒環(huán)55～58可以操作地聯(lián)接，以便傳感與其聯(lián)接的車輪裝置的轉(zhuǎn)動速度。每個傳感器59～62利用電路63～66之一連接到計算機67上。車速表顯示單元68和里程表顯示單元69通過電路70連接到計算機67上。低壓力警告燈75～78分別通過電路71～74連接到計算機67上。音響警報裝置79通過電路80連接到計算機67上。編程裝置81和接口裝置83分別通過電路82和84連接到計算機67上。當需要時計算機67具有放大器，以便驅(qū)動指示器68、69、75～78和音響裝置79。
圖6是沿圖5中箭頭6方向觀看的視圖，表示齒環(huán)58及其相應傳感器62的配置。齒環(huán)和傳感器在每個其它車輪上的設置是相似的。這些齒環(huán)和傳感器為已知類型，在某些車輛上，它們可以是一個現(xiàn)有的防抱死制動器系統(tǒng)所用的同樣的齒環(huán)和傳感器。同樣，在圖5中，在某些車輛上，計算機67和電路63～66可以共用該防抱死制動器系統(tǒng)。圖7和圖8表示可以在圖3和圖5所示系統(tǒng)之一中使用的替代的顯示器。圖7分別表示模擬指示器85～88及相關(guān)電路89～92，它們可以替代圖3中的指示器18～21及電路22～25或圖5中的指示器75～78及電路71～74。圖8表示一元化的顯示器93及相關(guān)電路94，它們也可以替代圖3中的顯示器18～21及電路22～25或圖5中的顯示器75～78及電路71～74。
圖5中所示系統(tǒng)的復雜性比圖3中所示系統(tǒng)的復雜性要小。它并不顯示真實的輪胎壓力，但它監(jiān)控輪胎壓力，如果壓力降到預定的閾值以下，它接通一個燈來指示哪個輪胎的壓力是低，同時使音響警報器發(fā)出音響(蜂音器、笛音器、鐘聲器的聲音，模擬的嗓音信號等)來警告駕車人注意該問題。此外，該系統(tǒng)比現(xiàn)有車速表和里程表更精確地計算和顯示車輛速度和行駛距離。在圖5的僅僅用作輪胎低壓力警報系統(tǒng)的簡單實施例中，車輛46裝有輪胎和車輪裝置51～54，它們尺寸相同和結(jié)構(gòu)類型相同，因此，當合適地和相等地充氣時，對于實用目的來說，它們的滾動半徑將是相等的，也就是在由其制造容差、負載偏差等產(chǎn)生的限度以內(nèi)是相等的。因為它們的滾動半徑是相等的，所以車輛行駛每公里時所有輪胎的轉(zhuǎn)數(shù)是相同的，相反，在任何給定的車速下，所有輪胎和車輪將具有非常接近相等的轉(zhuǎn)速。不考慮瞬時狀態(tài)(車輪彈跳、車輪打滑、制動器鎖住、不均勻的牽引條件等)，存在的輪速小差別是由于驅(qū)動輪和從動輪之間的不同輪胎接觸面動力學、正常的輪胎制造容差和變化、載重和速度變化、老化、磨損等等。對于在良好條件下制造的輪胎和正常條件下的操作，這些條件在一段時間內(nèi)的累積影響是小的，例如一個車輪速度的變化為車輛其它車輪平均速度的4％。但是，如果輪胎51～54之一喪失壓力，那么其滾動半徑將會減小，而其相對于其它輪胎的轉(zhuǎn)動速度將會相應增大。如果壓力損失大，例如60％，那么滾動半徑的減小和相對轉(zhuǎn)動速度的增大也會是大的，例如6％。這一變化顯著地大于上述正常變化，可以被設定為觸發(fā)輪胎低壓力警報用的閾值。
在這一實施例中，計算機67以已知方式和定時間隔(如每秒30次)分別閱讀從每個與車輪51～54聯(lián)接的傳感器59～62來的輪速信息，計算三個車輪(如52～54)的平均轉(zhuǎn)動速度，并對該平均值與第四個車輪或目標車輪51的轉(zhuǎn)動速度進行比較。如果車輪51的速度小于計算平均值的106％，那么沒有輸出信號；但是如果車輪51的速度至少為車輪52～54的計算平均值的106％，那么計算機確定輪胎51為危險的低壓力并發(fā)送信號而接通與車輪51相聯(lián)的警報燈75，并使裝置79發(fā)出音響警報。在下一個定時間隔時，重復該過程，但監(jiān)控另一個目標車輪如車輪52的速度，并與相應的平均值如車輪51、53、54的平均值相比較。對下一個目標輪以及再下一個重復該過程，直到已經(jīng)比較了所有車輪。然后重新從第一個目標輪開始該周期并繼續(xù)重復，只要車輛處在運行中。
應當注意到，在進行這種輪速比較時，目標車輪的速度可以與除了其它三個車輪的平均速度之外的值相比較。事實上，引入其它值有好處。例如，在雙輪驅(qū)動車輛上，驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪的輪胎具有不同的輪胎接觸面動力學特性和稍許不同的轉(zhuǎn)動速度，其它因素相等。在此種車輛中，對目標車輪速度與同一軸上的對置車輪的速度進行比較(例如對車輪51的速度與車輪52的速度進行比較)，可以消除這些差別并能夠進行更有識別能力的測定。同時，當車輛拐彎時，外輪(離車輛道路曲率中心更遠的車輪)行駛較多路程并比內(nèi)輪轉(zhuǎn)動更快。對受監(jiān)控車輪速度與車輛同一側(cè)上另一車輛的速度進行比較(例如對車輪51的速度與車輪53的速度進行比較)，可以減少這些差別。實際上，在對每種類型的車輛和每種類型的使用設計最佳的低壓力警報運算方法的過程中，將會把這些因素和其它因素結(jié)合在一起。如上所述，計算機67向信號裝置75～78和79的輸出受到平整或濾波，以便減少由于瞬時狀態(tài)而產(chǎn)生的虛假警報數(shù)目，而在觸發(fā)一次低壓力警報后，計算機繼續(xù)監(jiān)控目標車輪。如果該警報被證明是虛假的，那么計算機就取消該警報并恢復正常操作。在圖5的這個簡單實施例中，不需要車速表68、里程表69、編程裝置81、接口83和電路70、82和84。
在圖5的較復雜的實施例中，系統(tǒng)的精度、識別能力和靈活性通過使其對實際操作條件進行校準而得以提高。校準補償了輪胎制造容差和變化的影響、驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪之間速度差異的影響、由于冷充氣壓力、輪胎尺寸、結(jié)構(gòu)類型等的差異而產(chǎn)生的輪胎速度差異的影響。為了實現(xiàn)這種校準，將實際使用的輪胎安裝在車輛上(它們不再需要類型和尺寸全同)，每個輪胎充氣到它所要的冷充氣壓力(輪胎現(xiàn)在可以有不同的冷充氣壓力)，車輛被充分地驅(qū)動以便將輪胎加溫到正常操作溫度。然后，當車輛以正常方式在正常道路上驅(qū)動時，計算機67通過編程裝置81和電路82受到指令而執(zhí)行校準程序，該校準程序存儲在計算機的存儲器中或編程裝置中。然后，對于一個規(guī)定的時期(如兩英里)，計算機以頻繁的間隔(例如每秒10次)分別通過齒環(huán)55～58、傳感器59～62和電路63～66監(jiān)控和記錄每個車輪51～54的速度。
在監(jiān)控和記錄時期結(jié)束時，計算機計算每個車輪的平均速度和一個參考值如四個輪子的平均速度。然后計算機為每個車輪計算一個校準因子，該校準因子當其乘以目標車輪的平均速度時產(chǎn)生一個等于參考值的值。然后這些校準因子存儲在計算機的長存式存儲器內(nèi)，每個參考適當?shù)能囕?。這完成了校準周期，而計算機65返回其正常方式。但是現(xiàn)在，當進行上述輪速比較以確定是否應當觸發(fā)一個低壓力警報時，計算機首先使每個測得的輪速值乘以其相應的校準因子。這從比較中消除了若干變量，并使得能夠為觸發(fā)低壓力警報選擇一個較小的閾值，例如偏離參考值的3％輪速變化。應當注意到，計算機67能夠完成這些校準測量和計算而不中斷其正常監(jiān)控程序。計算機67也可以被編程而不考慮那些似乎由于瞬時狀態(tài)或異常狀態(tài)而產(chǎn)生的成問題的輪速值。
當需要要求更高的用途時，該校準技術(shù)適用于更復雜的程序。例如，可以在一個受控制的行程上沿相對的方向進行兩個校準運算。運算可以在不同的規(guī)定速度、周圍溫度、車輪載重等條件下進行。這些更復雜的校正程序可以形成性能表或圖線的形式，它們可以存入計算機67中的長存式存儲器，非常像在圖3所示系統(tǒng)中將性能數(shù)據(jù)存入分開的長存式存儲器28中。在任何情況下，作好準備不僅當車輛制造時要運算校準程序，而且當在其使用壽命期間需要時也運算校準程序，例如當一個或多個輪胎被替換時，當存儲的補償值從計算機存儲器中丟失時，或者當輪胎或車輛操作條件中的變化證明重新校準是正確的時候。
在圖5的設計來僅僅完成車速表功能的另一個簡單實驗例中，車輛上每種尺寸和類型的輪胎的每英里轉(zhuǎn)數(shù)的特性是在標準狀態(tài)下用標準方法通常由輪胎制造商測定的，這些數(shù)值利用編程裝置81和電路82輸入計算機67的長存式存儲器中。應當注意到，這些數(shù)值并不是通過測試安裝在車輛上的特定輪胎來得到的，而是通過測試同一尺寸和類型的其它代表性輪胎來得到的。因此，它們是一般性數(shù)值。在測定車速的過程中，計算機67以頻繁的定時間隔(例如每秒20次)分別通過齒輪55～58、傳感器59～62和電路63～66收到速度或車輪51～54的信號，并且以其對相應車輪的每英里轉(zhuǎn)數(shù)的存儲值為基礎(chǔ)，計算以每個車輪的速度為基礎(chǔ)的車速值。然后計算機對這些單個的車速值取平均值并通過電路70將該平均值送到車速表指示器68。為了在計算這些平均值時獲得更精確的輸出值，可以對計算機編程，使其略去似乎無效的瞬時輪速值，例如那些比其它輪速值變化更快的輪速值，那些與其它輪速值顯著不同的輪速值，從一個正發(fā)出低充氣壓力警報的車輪得到的輪速值等等。同時，如上所述，對從計算機67到指示器68的輸出速度信號稍許進行平整或濾波，以便在顯示速度中避免過快的變化。
對所有車輪的速度進行傳感和平均對于某些類型的車輛(例如全部車輪驅(qū)動的車輛)的車速計算是有利的。但是，車速計算可以以任何車輪或任何車輪組合的速度為基礎(chǔ)。例如，對于具有兩個驅(qū)動輪和兩個非驅(qū)動輪的普通型車輛，僅僅傳感和利用非驅(qū)動輪的速度值是有利的。這由于兩個主要事實。第一，驅(qū)動輪的輪胎接觸面動力學特性受加速度力和發(fā)動機制動力的影響，因此比非驅(qū)動輪更復雜。這些加速度和發(fā)動機制動的動力學特性引起驅(qū)動輪胎的有效滾動半徑和實際瞬時每英里轉(zhuǎn)動數(shù)數(shù)值的變化。沒有受到這些力的非驅(qū)動輪胎具有較一致的每英里轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)值。第二，今天最常用的前輪驅(qū)動汽車和輕型貨車在通常條件下在其驅(qū)動輪上載帶約60％的重量而在其非驅(qū)動輪上僅載帶約40％的重量，這意味著，對于相等容量的輪胎，驅(qū)動輪胎載帶的單位重量約比非驅(qū)動輪胎重50％。這種單位載重的差別在輪胎的充氣壓力對滾動半徑的關(guān)系中是明顯的。非驅(qū)動輪胎的滾動半徑及由此的每英里轉(zhuǎn)數(shù)受充氣壓力的無意或有意變化的影響較小。因此，當用作車速計算的基礎(chǔ)時，從典型前輪驅(qū)動汽車和輕型貨車的非驅(qū)動輪來的車速信號具有一致和精確的優(yōu)點。
根據(jù)圖5的車速表與普通的車速表相比具有精確的優(yōu)點，如上述圖3的討論中所說明的。同時如上所述，通過合適地選擇待監(jiān)控的一個或多個車輪，通過識別從這些車輪來的有效和無效信號等等，可以提高所建議的車速表的精度。在圖5的一種較精巧的實施例中，通過校準在實際車輛操作條件下并帶有安裝在車輛上的真實使用輪胎的系統(tǒng)，可以進一步提高車速表的精度。車速表校準類似于先前敘述的低壓力警報系統(tǒng)校準程序，它同樣地補償冷充氣壓力、輪胎尺寸、輪胎類型、制造變化等的差異的影響。但是，在車速表校準期間，車輛的速度由一個獨立的主車速表測量，例如一個雷達速度測量裝置，或更普通的，由一個第五輪車速表一里程表裝置。在校準期間，該主車速表的輸出通過輔助接口83和電路84輸入到計算機67。然后，每個輪胎充氣到其希望的壓力，所有輪胎升溫到正常操作溫度，在各種速度下(從校準速度范圍的最小值到最大值)在典型道路上驅(qū)動車輛。以頻繁的時間間隔，計算機從每個為車速表輸入選定的車輪閱讀轉(zhuǎn)速信號并通過接口83和電路84從主車速表閱讀當時的速度信號。
然后計算機67為每個這樣的車輪計算一個經(jīng)驗的每英里轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)值，當用于與觀測的輪速值計算車速時，上述經(jīng)驗的每英里轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)值產(chǎn)生一個等于由主車速表測定的當時車速值的值。計算機與當時車速值一起記錄每個這樣計算的每英里轉(zhuǎn)數(shù)值并繼續(xù)這種程序許多個周期，例如五英里。然后計算機按照這些記錄值所從屬的速度將它們分成組，每個組跨越一個選定的速度范圍，例如每小時五英里(即一個組可以覆蓋每小時6至10英里的范圍，下一個組覆蓋每小時11至15英里的范圍等等)。然后計算機對每個車輪的每個速度范圍的經(jīng)驗的每英里轉(zhuǎn)數(shù)值進行平均，將這些平均值及其相應的速度范圍存儲在其長存式存儲器中，并消去早先存在其中的值(如果有的話)。這就完成了校準過程，隨后的速度計算就以這些經(jīng)驗的每英里轉(zhuǎn)數(shù)值為基礎(chǔ)，它們比早先敘述的一般值更精確。
如以前一樣，計算機能夠執(zhí)行這些校準程序而不中斷其正常的監(jiān)控功能，并在記錄數(shù)據(jù)時舍去有問題的值。這個速度校準過程可以通過對整個校準的速度范圍計算一個平均的每英里轉(zhuǎn)數(shù)值而簡化。相反，它可以擴大到包括不同周圍溫度、冷充氣壓力、輪胎載重等條件下的多重校準周期，從而提供一個每英里轉(zhuǎn)數(shù)特性的更完全的數(shù)據(jù)庫或性能圖。當使用更精巧的校準程序時，計算機裝有足夠的長存式存儲器來包括較大的數(shù)據(jù)庫。計算機同時裝有輸入裝置來接受必要的環(huán)境輸入信息。例如，冷充氣壓力值通過編程裝置81和電路82輸入，而周圍溫度和每個車輪載重的信號利用接口83和電路84輸入。當制造車輛以及在車輛使用壽命期間無論何時需要時都可以執(zhí)行車速表校準程序。但是，對于在野外校準，在主車速表不能使用的情況下，可以更換程序，以便使用一個秒表和測量過程作為主速度測量裝置。
圖5系統(tǒng)的里程表功能以類似于車速表功能的方式獲得，主要差別在于由計算機用來計算行駛距離的運算程序以車速、每英里車輪轉(zhuǎn)數(shù)和測量周期之間的時間為基礎(chǔ)。里程表校準也不同于車速表校準，在于計算經(jīng)驗的距離值而不是經(jīng)驗的速度值。另外，如果一個根據(jù)圖5的系統(tǒng)被安排來提供車速表和里程表讀出值兩者，那么計算機被簡單地編程來完成它在對車速表顯示的定時間隔處計算的速度信號的數(shù)學時間積分，累加這些積分值(它們代表行駛的距離)，并利用這些累加的距離值來更新規(guī)律間隔處的里程表讀出值。
為簡明起見，已經(jīng)分別敘述了本發(fā)明的各種功能。但是，在實際中，這些功能中的任何一項或全部可以結(jié)合在一個單獨的系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種獲取有關(guān)具有多個輪胎和車輪裝置(51、52、53、54)的車輛的操作信息并將該信息向所述車輛的駕車人發(fā)出指示的方法，所述方法包括下列步驟(a)監(jiān)控所述車輛上每個操作的輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性；(b)將所述步驟(a)中監(jiān)控的至少一個輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性與參考值進行比較；(c)獲取作為所述轉(zhuǎn)動特性和所述參考值之間差異的函數(shù)的所述信息；以及(d)將所述信息向所述車輛的駕車人發(fā)出指示；其特征在于，所述參考值包括所述車輛速度的測量值并同時包括一個使每個輪胎和車輪裝置的輪胎充氣壓力與該輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性和車速形成關(guān)系的表格，并在于，比較所述轉(zhuǎn)動特性的所述步驟包括存取作為在其中制表的數(shù)據(jù)的函數(shù)的所述表格。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述表格是作為車速的因子與所述輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性的聯(lián)合函數(shù)而存取的，而且其中該輪胎和車輪裝置的充氣壓力包括所獲取和指示的信息。
3.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述表格是作為車速和所述輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性的函數(shù)而存取的，其中獲取和指示關(guān)于該輪胎和車輪裝置充氣不足的信息。
4.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述表格是作為所述輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性的函數(shù)而存取的，其中車速組成所獲取和指示的信息。
5.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述表格是作為所述輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性的函數(shù)而存取的，其中獲取和指示有關(guān)車輛所行駛的距離的信息。
6.如任一上述權(quán)利要求中所述的方法，其特征在于，所述參考值不僅包括車速的測量值，而且包括輪胎尺寸、輪胎類型、車輪載重、周圍溫度和冷輪胎充氣壓力這些其它操作條件中至少一種的測量值，其中這些其它操作條件受到監(jiān)控，而且其中使這些其它操作條件與輪胎充氣壓力和車速形成關(guān)系的數(shù)據(jù)被包括在所述表格中并在獲取所述信息的過程中被存取。
7.如任一上述權(quán)利要求1至6中所述的方法，其特征在于，所述參考值的速度分量被定義為一個選定參考值組的函數(shù)，該參考值組包括在步驟(a)中監(jiān)控的所述車輛的其它輪胎和車輪裝置中至少一個的轉(zhuǎn)動特性，所述參考值組是根據(jù)下述判據(jù)選定的，這些判據(jù)從其中排除掉任何車輪的其轉(zhuǎn)動特性代表預定一組不合格操作條件中至少一個的轉(zhuǎn)動特性。
8.如權(quán)利要求7中所述的方法，其特征在于，所述一組不合格條件包括下列條件中的至少一個輪胎彈跳，車輪打滑，車輪鎖住，道路上遇到碰撞，道路上遇到坑洼，在充氣不足條件下操作輪胎和車輪裝置，大于第一閾值的車輛加速度，除了當車輛加速度超過第二閾值時其特性在步驟(b)中比較的輪軸外的輪軸上的車輪操作，超過第三閾值的車輛減速度，除了當車輛減速度超過第四閾值時其特性在步驟(b)中比較的輪軸外的輪軸上的車輛操作，拐彎、以及當車輛拐彎時其特性在步驟(b)中被比較的車輪側(cè)對面的車輛側(cè)面上的車輪操作。
9.如任一上述權(quán)利要求1至6中所述的方法，其特征在于，所述參考值的速度分量是由一個速度測量裝置(35)提供的，該裝置從與所述車輛的車輪無關(guān)的輸入測定車速。
10.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于，所述獨立的裝置(35)是一個雷達速度測量裝置。
11.如任一上述權(quán)利要求1至6中所述的方法，其特征在于，所述指示所述信息的步驟(c)包括下列步驟(c1)在一個校準操作方式中獲取使在所述步驟(a)中監(jiān)控的輪胎和車輪裝置的轉(zhuǎn)動特性與該輪胎的充氣壓力和車速形成關(guān)系的數(shù)據(jù)，然后(c2)指示作為先前包含在所述表格中的數(shù)據(jù)和在所述校準操作方式中獲取的數(shù)據(jù)的聯(lián)合函數(shù)的所述信息。
12.如任一上述權(quán)利要求1至6中所述的方法，其特征在于，所述表格不僅包括一組用于可以安裝在所述車輛上的第一組輪胎和車輪裝置的值，而且包括至少另外一組用于可以安裝于其上的替代的輪胎和車輪裝置的值，而且其中該組適用于實際安裝在所述車輛上的輪胎和車輪裝置的值當進行步驟(b)中所述的比較時被存取。
13.如任一上述權(quán)利要求1至6中所述的方法，其特征在于，所述監(jiān)控所述轉(zhuǎn)動特性的步驟(a)是用輪速傳感機構(gòu)(55至62)進行的，其中所述表格包括一個可由計算機機構(gòu)(67)存取的數(shù)據(jù)庫，而且其中包括存儲器機構(gòu)和鐘機構(gòu)的計算機機構(gòu)是與該傳感機構(gòu)和該數(shù)據(jù)庫操作地聯(lián)接的，以輔助完成這些存取、比較和指示的步驟。
14.一種用于根據(jù)任一上述權(quán)利要求1至6中所述的方法來獲取和指示有關(guān)車輛操作的信息的系統(tǒng)。
全文摘要
一種具有帶充氣輪胎的道路車輪(51、52、53、54)的車輛上使用的系統(tǒng)、方法和設備,它們包括產(chǎn)生作為所述車輪轉(zhuǎn)速測量值的信號的傳感器(55至62)、安排提供給駕車人信息的指示器(68,69,75～79、85～88、93),以及與傳感器和指示器操作聯(lián)結(jié)的計算機(67)。計算機被安排在車輛操作期間監(jiān)控車速傳感器,并完成下列功能中的至少一種:測定代表輪胎充氣壓力的值并當此值降到預定值以下時向駕車人發(fā)出信號;測定代表輪胎充氣的值并使該值向駕車人發(fā)出信號,計算代表車速的值和使此值向駕車人發(fā)出信號,以及計算代表車輛行駛距離的值并將該距離向駕車人發(fā)出信號。
文檔編號B60C23/02GK1177319SQ96192309
公開日1998年3月25日 申請日期1996年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月6日
發(fā)明者埃弗里特H·夏普 申請人:埃弗里特H·夏普