Método de medida de las fuerzas y de los momentos que se generan en el contacto neumático/calzada a partir de la combinación de señales de deformación unitaria medidas en diferentes posiciones angulares y radiales de la llanta.

Las posiciones angulares en las que se coloquen los sensores serán las que permita la geometría de la llanta. Mediante la combinación de las señales de deformación se obtienen seis o más señales que son independientes de la posición angular de los sensores de medida respecto al punto de contacto neumático/calzada. En las señales anteriores, se ha eliminado la contribución de la temperatura y de las cargas que generan señales de deformación que no dependen de dicha posición angular de los puntos de medida, tales como las fuerzas centrífugas. A partir de estas señales, las cargas se estiman mediante la resolución de dos sistemas de ecuaciones lineales con tres incógnitas cada uno

Método y sistema de estimación de los esfuerzos generados por el contacto del neumático con la calzada en una llanta instrumentalizada.

Sector de la técnica

La invención se encuadra dentro del sector de la dinámica de vehículos automóviles (turismos, camiones, autobuses y autocares, etc.), y más concretamente, en lo relativo a la medición de las fuerzas y momentos que se generan en el neumático como consecuencia de su interacción con la calzada.

Estado de la técnica

Para estudiar el comportamiento dinámico de un vehículo y determinar sus prestaciones, es necesario el conocimiento de las fuerzas y de los momentos que actúan sobre los neumáticos como consecuencia de su interacción con la calzada. Esto se debe a que todas las fuerzas exteriores que actúan sobre el vehículo, a excepción de las fuerzas gravitacional y aerodinámicas, son aplicadas a través de los neumáticos. Se podría decir que "las fuerzas críticas de control que determinan cómo gira el vehículo, cómo frena y cómo acelera se desarrollan en las cuatro o más huellas de contacto".

En el diseño de vehículos automóviles, se emplean modelos matemáticos que representan la realidad de un modo simplificado. El objetivo de la modelización de neumáticos es encontrar expresiones matemáticas que relacionen los esfuerzos que aparecen en el contacto neumático/calzada con diferentes variables como pueden ser el ángulo de deriva, el ángulo de caída, el índice de deslizamiento, la presión, la velocidad de traslación... Para verificar la calidad de estos modelos matemáticos formulados y comprobar si se ajustan a la realidad es necesaria la experimentación con neumáticos.

Los fabricantes de neumáticos necesitan comparar las fuerzas generadas y transmitidas por diferentes diseños de neumáticos para determinar la mejor construcción para una determinada aplicación.

Además, el diseño y la validación de los componentes de automóviles requieren un conocimiento detallado de las fuerzas y momentos que actúan en el contacto neumático/calzada. Esto permite a los diseñadores de vehículos producir componentes más seguros, fiables, eficientes y duraderos.

El rendimiento de los sistemas de control del vehículo se podría incrementar significativamente si se pudiera obtener una información más detallada en tiempo real de las fuerzas aplicadas en el contacto entre el neumático y la calzada. Por otro lado, la información sobre las fuerzas y los momentos generados en la interfase entre el neumático y la calzada puede ser importante para entender la causa de los accidentes.

En la actualidad, existen diferentes métodos de medición de las fuerzas y momentos que se generan en el contacto neumático/calzada basados en la instrumentación del neumático, de la llanta o de los elementos de la suspensión.

Los métodos basados en la instrumentación de la llanta permiten medir las fuerzas y momentos que se generan en el contacto neumático/calzada con una mayor precisión que los basados en la instrumentación de los elementos de la suspensión, puesto que la primera se encuentra más cerca de la huella de contacto que los segundos. Además, la principal aplicación de los sistemas de medida de las fuerzas y momentos que se generan en el contacto neumático/calzada es la evaluación de las características de la suspensión y de su interacción con el chasis del vehículo. Si se desean medir las fuerzas y momentos con este propósito, la utilización de métodos de medida basados en la instrumentación de los elementos de la suspensión conlleva en cierta medida la modificación de los elementos de los cuales se quiere evaluar sus características. Por otro lado, los métodos basados en la instrumentación del neumático requieren normalmente la colocación de los sensores de medida (acelerómetros, sensores ópticos, ...) embebidos en el interior del mismo. Son por tanto, métodos invasivos en el propio neumático que pueden conllevar problemas en el montaje de la rueda y producir un mayor e irregular desgaste del neumático. Por las razones descritas con anterioridad, en esta invención se propone un método basado en la instrumentación de la llanta y por tanto, la revisión del estado de la técnica se centrará en los métodos de medida de los esfuerzos en el contacto neumático/calzada en los que los sensores se coloquen en la llanta.

En el mercado, existen diferentes diseños de llantas dinamométricas que permiten medir las fuerzas y momentos que se generan en el contacto neumático/calzada. Normalmente, estas llantas están formadas por un elemento sensor que reemplaza al disco de la llanta original del vehículo. El elemento sensor es el componente de la llanta dinamométrica encargado de medir las tres fuerzas y los tres momentos que se generan en el contacto neumático/calzada, a partir de las medidas de deformación tomadas por un número determinado de galgas extensométricas o de sensores piezoeléctricos colocados sobre el mismo. El elemento sensor es un componente estándar, que se debe poder utilizar en diferentes vehículos con independencia de cómo fuera la llanta original de éstos. Para poder adaptarse al tamaño del neumático del vehículo y al patrón de tornillos de la rueda, las llantas dinamométricas están formadas por una "llanta modificada" y un "adaptador al cubo" entre los cuales se coloca el elemento sensor estándar. Una vez que la llanta modificada y el adaptador al cubo se unen al elemento sensor, la llanta dinamométrica puede manejarse como una llanta normal.

Para medir las fuerzas y momentos que se generan en el contacto neumático/calzada, se sustituyen las llantas originales del vehículo por las llantas dinamométricas descritas con anterioridad, las cuales pueden tener diferentes propiedades que las llantas originales, es decir, pueden tener diferentes masas, inercias, rigideces... y por tanto, pueden alterar su comportamiento dinámico.

En cambio, la presente invención permite la medida de las fuerzas y momentos que aparecen en el contacto neumático/calzada sin necesidad de cambiar la llanta original del vehículo. A diferencia de las llantas dinamométricas mencionadas, en la que las galgas extensométricas o sensores piezoeléctricos se colocan en un elemento aparte que reemplaza al disco de la rueda, en esta invención, es la llanta original la que constituye el elemento sobre el cual se emplazan las galgas extensométricas. De este modo, no tienen lugar las desventajas descritas con anterioridad y por tanto, no se altera el comportamiento dinámico del vehículo.

Por esta razón, requiere una mención especial la llanta instrumentada objeto de la solicitud de patente US 2009/0125251 A1. Esta llanta permite la medición de las fuerzas en el cubo de la rueda mediante la colocación de sensores de deformación (por ejemplo, galgas extensométricas) en la llanta original del vehículo. La llanta se instrumenta con al menos tantas galgas extensométricas como fuerzas se quieran determinar. Las fuerzas se obtienen a partir de las componentes de deformación detectadas por las galgas extensométricas aplicando una matriz de correlación característica de la llanta instrumentada. La matriz de correlación apropiada entre las fuerzas y las deformaciones se obtiene por medio de ensayos experimentales.

Sin embargo, la llanta instrumentada de la solicitud de patente anterior sólo permite la medición de las fuerzas y no de los momentos. Por otro lado, dado un vector de cargas aplicadas en la rueda, las componentes de deformación toman valores diferentes cuando varía la posición angular de los puntos en los que se encuentran emplazados los sensores con respecto a la línea de aplicación de las cargas, es decir, cuando gira la rueda. Por esta razón, la matriz de correlación relaciona el vector de fuerzas que se quieren determinar con el vector de componentes de deformación medidas cuando los sensores se encuentran en una posición angular específica. De hecho, en el ejemplo que se incluye en dicha solicitud de patente, se obtienen los coeficientes de la matriz de correlación para obtener las fuerzas a partir de las componentes de deformación medidas cuando el radio en el que está colocada cada galga extensométrica se encuentra en el área de contacto neumático/calzada.

El hecho de que las señales de deformación medidas en la llanta o en el neumático varíen con la posición angular de los sensores respecto a la línea de aplicación de las cargas es uno de los inconvenientes que se pueden encontrar a la hora de diseñar un sistema de medida de las fuerzas y momentos que aparecen...

1. Método de estimación de los esfuerzos generados por el contacto del neumático con la calzada que comprende los pasos de:

- obtener la señal de deformación en una pluralidad de puntos de medida de la llanta que monta el neumático mediante una pluralidad de sensores de esfuerzo;

- procesar las señales de deformación como señales de fuerzas y señales de momentos generadas en el punto de medida;

caracterizado por que los puntos de medidas están distribuidos siguiendo al menos tres circunferencias de medida concéntricas respecto del centro de la llanta, con al menos cinco puntos de medida distribuidos de forma equidistante para cada circunferencia de medida;

y por que el paso de procesar las señales comprende combinar las señales de deformación de los sensores agrupados en una misma circunferencia para desacoplar la señal resultante de la posición angular de los sensores.

2. Método según reivindicación 1, donde las señales de deformación se descomponen en tres ejes perpendiculares, siendo el eje X el de la dirección de movimiento, el eje Z el de la dirección perpendicular a la superficie de contacto y el eje Y el de la dirección perpendicular a la superficie de la llanta.

3. Método según reivindicación 2, donde las señales de deformación se combinan de forma que la componentes simétricas según la dirección X del momento, M_X, y según las direcciones Y y Z de las fuerzas F_Y, F_Z, no dependen sustancialmente de las componentes antisimétricas según la dirección X de la fuerza F_X, y según las direcciones Y, Z de los momentos M_Y, M_Z.

4. Método según reivindicación 3, donde las señales de deformación combinadas comprenden una primera señal resultante, E_iS, que depende de las componentes de simétricas de la circunferencia de medida (i) con información del primer armónico.

5. Método según reivindicación 4, donde la primera señal resultante, E_iS, se calcula para al menos tres circunferencias de medida.

6. Método según reivindicación 3, donde las señales combinadas comprenden una segunda señal resultante, E_iA, que depende de las componentes de antisimétricas de la circunferencia de medida (i) con información del primer armónico.

7. Método según reivindicación 6, donde la segunda señal resultante, E_iA, se calcula para al menos dos circunferencias de medida.

8. Método según reivindicación 3, donde las señales combinadas comprenden una tercera señal resultante, E'_iA, que depende de las componentes de antisimétricas de la circunferencia de medida (i) con información del segundo armónico.

9. Método según reivindicación 8, donde la señal resultante, E'_iA, se calcula en al menos una circunferencia de medida.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además un paso para modelizar la llanta y el neumático para obtener una matriz de coeficientes relacionados con la amplitud de los armónicos de las funciones de influencia, donde las funciones de influencia representan la deformación unitaria generada en dicho punto cuando el esfuerzo en consideración tiene valor unidad y el resto tienen valor nulo.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los sensores de esfuerzo se colocan en la dirección radial.

12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los sensores de esfuerzo son galgas extensométricas.

13. Sistema de estimación de los esfuerzos generados por el contacto del neumático con la calzada que comprende:

- una pluralidad de sensores de esfuerzo instalados en la llanta que monta dicho neumático, estando dichos sensores configurados para obtener la señal de deformación en una pluralidad de puntos de medida,

- medios de procesamiento de las señales de deformación como señales de fuerzas y señales de momentos generadas en cada punto de medida,

caracterizado por que los sensores de esfuerzo están distribuidos siguiendo unos puntos de medidas a lo largo de al menos tres circunferencias de medida concéntricas respecto del centro de la llanta y con al menos cinco puntos de medida distribuidos de forma equidistante para cada circunferencia de medida;

y por que los medios de procesamiento de las señales están configurados para combinar las señales de deformación de los sensores agrupados en una misma circunferencia de forma que la señal resultante no depende de la posición angular de los sensores.

14. Sistema según la reivindicación 13, caracterizado por que comprende la llanta donde se instala la pluralidad de sensores.

15. Sistema según las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado por que los sensores de esfuerzo se colocan en la dirección radial.

16. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, donde los sensores de esfuerzo son galgas extensométricas.