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1. CN105939873 - Tyre apparatus

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轮胎装置


本公开通常涉及一种用于重型车辆(HDV)的轮胎装置。更具体地,本公开涉及一种轮可安装的轮胎,该轮胎包括内腔,该内腔独立于外部的可接合地面的轮胎主体是可充气的。还公开了包含该轮胎装置的车轮和包含该车轮的主动轮胎压力控制系统。
发明背景
车辆制造厂商不断地在研究和开发中投入精力,目的在于改进道路车辆的燃料效率。在道路货运(haulage)工业中这是特别重要的,在道路货运工业中燃料代表了HGV运行成本的相当大的比率。除了发动机的固有效率外,燃料效率取决于许多不同的因素。例如,诸如驾驶室顶导流板、气坝、侧裙等的空气动力学造型特征(styling feature)帮助减少空气阻力,并随之改进总体的燃料效率。
车辆的燃料效率的另一关键方面来自它的轮胎的滚动阻力,如在图1中示例的。不同的轮胎特性可以不同程度地影响它们的滚动阻力,例如胎面厚度、轮胎宽度、聚合物组成、轮胎温度和轮胎压力。这些中,只有轮胎压力在任一给定时间处于车辆驾驶员的直接控制下。
采用所谓的“自充气”轮胎的轮胎充气系统是已知的。这样的系统允许调节每个轮胎内的空气压力,以与外部条件相匹配,由此改进在不同道路表面类型上的性能和/或轮胎胎面寿命和/或机动性。
例如,德纳商业车辆动力传动技术(Dana Commercial Vehicle DrivelineTechnologies)的轮胎压力控制系统(TPCS)向驾驶员提供了六个预定压力设置,该六个预定压力设置可以根据地面地形和车辆负载来选择。可替代的解决方案是Nexter力学(Mechanics)的中央轮胎充气系统(Central Tire Inflation System)(CTIS)。它根据车辆速度、车辆负载(三种离散级别)和地形类型(四种类型)提供了轮胎压力的自动调节。系统享有军事背景并且是高成本的选择,其只提供了有限数量的预设压力调节。
本公开的目的在于克服或至少改善与现有技术相关的一个或多个缺点。
发明概述
根据本公开的第一方面,提供了一种轮胎装置,包括:
轮胎主体,其用于附接至轮辋,以界定第一可充气容积;
内腔,其界定位于轮胎主体的第一可充气容积内的第二可充气容积;
第一流体连通路径,其在第一可充气容积和第二可充气容积之间;
第二流体连通路径,其在第一可充气容积和大气之间;
第一阀,其用于打开和关闭第一流体连通路径;和
第二阀,其用于打开和关闭第二流体连通路径;
其中第二可充气容积的材料结构的拉伸强度和承压能力(pressure-containing capacity)大于轮胎第一可充气容积的材料结构的拉伸强度和承压能力;并且其中轮胎主体的第一可充气容积内的第一流体压力可通过以下优化:
(i)打开第一阀,以便允许压力从第二可充气容积传递至轮胎主体内;和/或
(ii)打开第二阀,以便允许压力从轮胎主体排出至大气。
在一个非限制的实施方案中,鉴于它的较大的拉伸强度,内腔的第二可充气容积能被增压至至少十倍于轮胎主体的第一可充气容积的压力。例如,第一可充气容积能被充气至临近7巴(700kPa)的压力,同时第二可充气容积可被充气至临近70巴(7000kPa)的压力。
内腔可由例如的芳香族聚酰胺(芳族聚酰胺)纤维构成。的物理性质使它成为用于内腔的特别合适的材料选择。特别地,在压力下膨胀很小,并且具有至少比天然橡胶大至少两个数量级的拉伸强度。
内腔(第二可充气容积)可具有最大容积,该内腔是可膨胀的以填充轮胎主体的总容积(第一可充气容积)的至少50%。特定范围的第一可充气容积/第二可充气容积比率可在如下面描述的不同的车辆类型的轮胎装置中找到特定的应用。
轮胎主体可包括可接合地面的胎面部分和从胎面部分的两侧延伸的一对侧壁部分。每个侧壁部分在其远离胎面部分的端部处可终结在胎缘部分中。胎缘部分与轮辋可接合。一旦安装在轮辋上,环形的第一可充气容积分别界定在轮胎主体的侧壁和胎面的内表面,与轮辋的在胎缘部分之间延伸的内表面之间。一旦被充气,内腔可与轮辋形成过盈配合。
根据本公开的第二方面,提供了一种车轮,其包括轮辋和根据第一方面的轮胎装置,该轮胎装置安装在轮辋上。
鉴于它较好的结构质量,内腔可在轮胎主体中发生突然的压力故障时提供行驶爆胎(run-flat)保护。
根据本公开的第三方面,提供了一种主动轮胎压力控制系统,其用于控制具有根据第二方面的一个或多个车轮的车辆的滚动阻力,该主动轮胎压力控制系统包括:
车辆安装的控制系统,其用于产生压力传递输出信号;和
控制系统可接收的至少一个输入信号,其基于一个或多个外部参数;
其中该控制系统通过软件工具算法地处理输入信号,以确定每个车轮内的轮胎主体的最佳充气压力,并且发送恰当的压力传递输出信号以打开相应的第一阀和/或第二阀,直至每个轮胎主体内达到最佳的充气压力。
当车轮运动时充气设备可以是可运行的,因此提供与外部参数相匹配的轮胎压力的动态的、实时优化。外部参数可包括以下中的一个或多个:车辆速度、车辆负载、车辆配置、地面表面参数、轮胎参数、GPS信息、有关当前天气状态的GSM信息和关于每个车轮的时间特性(temporalcharacteristics),例如自从上一次换轮胎的时间(和由此预测的轮胎磨损)和/或历史空气泄漏率。
本公开的其他特征和方面从下面的描述和附图中将是明显的。
附图简述
图1是车轮的示意画法,其例示了滚动阻力、负载和行进方向之间的关系;
图2a是曲线图,示出了被滚动阻力占据的铰链式HGV级别的道路功率需求与车辆速度的函数的典型比率;
图2b是曲线图,示出了燃料消耗的变化与轮胎压力的函数;
图2c是图表,示出了燃料消耗的变化与道路表面类型的函数;
图2d是曲线图,示出了轮胎空气压力损失与时间的函数;
图3是根据本公开的车轮装置的示意性横断面的显示,该车轮装置形成本公开的控制系统的部分;以及
图4是流程图,列出了通过算法和控制系统执行的基本处理操作步骤。
详细描述
图2a说明了滚动阻力对具有32,000kg的总重量和320kW的最大额定功率的参考HGV车辆所经历的整体功率损失的显著贡献(在55mph下约38%)。图2b说明了轮胎充气压力可以对燃料效率的影响,并且特别是在参考HGV车辆上的不同位置处的轮胎处于充气或过度充气下轮胎充气压力可以影响它的总体燃料效率的程度。图2c示出了各种不同类型的道路表面可以如何影响燃料效率。图2d说明了HGV车辆轮胎中典型的空气损失随着时间之间的线性关系。
图3是本公开的连接至车辆(没有示出)的轮辋12的轮胎装置10的横断面的示意画法。轮胎装置包括轮胎主体14,该轮胎主体具有胎面部分14a、两个侧壁部分14b和两个胎缘部分14c。胎缘部分14c与轮辋12接合,使得第一可充气容积16被界定在轮胎主体14的内表面和轮辋12的在两个胎缘部分14c之间的内表面之间。界定第二可充气容积20的内腔18位于第一可充气容积16内。第一流体连通路径设置在第一可充气容积16和第二可充气容积20之间。第二流体连通路径设置在第一可充气容积16和大气之间。第一阀22位于第一流体连通路径内,用于控制从第二可充气容积20至第一可充气容积16的压力传递,该第二可充气容积被加压到相对较高的压力。第二阀24被设置用于控制从第一可充气容积16至大气的压力传递。第一阀22和第二阀24各自通过阀控制器30控制,该阀控制器接收来自车辆上的轮胎压力控制系统26的压力传递输出信号,如下面进一步描述的。压力传递输出信号可经由无线链路28被接收。
内腔18的材料结构被选择,使得它的拉伸强度大于轮胎主体14的材料结构的拉伸强度,并且因此它的承压能力大于轮胎主体14的材料结构的承压能力。在一个实施方案中,内腔18可由例如的芳香族聚酰胺(芳纶)纤维加工而成。应理解,的拉伸强度显著高于车辆轮胎中发现的橡胶化合物的拉伸强度。用于内腔18的可替代的材料可包括铝-硼硅酸盐玻璃(E-玻璃)、铝硅酸盐玻璃(S-玻璃)、碳纤维、等。内腔18的较高的拉伸强度材料意味着,它能被充气至比周围的轮胎主体14相对较高的压力,通常大一个数量级。的进一步的优势在于,内腔18可在轮胎主体14发生灾难性失效时提供行驶爆胎保护。
本公开的轮胎装置可形成定制轮胎/轮辋系统的部分。可替代地,本公开的轮胎装置可改装成现有的车辆轮胎/轮辋。例如,在一个非限制的实例中,第二孔口可形成在轮辋12中,另外的阀22从内腔18延伸穿过该孔口。在一个可替代的非限制的实例中,形成在轮辋12中的现有的单个孔口可容纳同心地布置的第一阀22和第二阀24,第一阀22和第二阀24分别与内腔18和轮胎主体14连通。
在使用中,本公开的轮胎装置可被用作主动轮胎压力控制系统26的部分,该主动轮胎压力控制系统26位于车辆上,用于控制它的轮的滚动阻力。控制系统26接收关于一个或多个外部参数的一个或多个输入信号,该外部参数可包括(但不限于):车辆速度、车辆负载、车辆配置、地面表面参数、轮胎参数、GPS信息、有关当前天气状态的GSM信息和关于每个车轮的时间特性,例如自从上一次换轮胎的时间(和由此预测的轮胎磨损)和/或历史空气泄漏率。许多其他外部参数可通过控制系统被接收,其他外部参数中的一些在图4中被标示。
控制系统26通过软件工具算法地处理输入信号,以确定每个轮胎主体14的第一可充气容积16的最佳充气压力。压力传递输出信号通过控制系统26产生并且例如经由无线链路28发送至与每个车轮相关联的阀控制器30。阀控制器30打开第一阀22或第二阀24,以便根据从控制系统26接收的压力传递输出信号使每个轮的轮胎主体14充气或放气。
例如,诸如车辆负载的改变的外部参数(见图4)可通过车辆上和/或轮内的恰当的传感器被探测。车辆负载信号作为输入信号被控制系统26接收。输入信号的算法处理计算每个轮胎主体14的每个第一可充气容积16的最佳充气压力,该最佳充气压力可大于或小于现有的充气压力。压力传递输出信号通过控制系统26发送至与每个轮相关联的阀控制器30,以基于计算的最佳充气压力使它的轮胎主体14的第一可充气容积16充气或放气。
如果,例如,车辆负载发生正变化,那么算法可计算需要增加的前部轮胎主体14和/或后部轮胎主体14内的充气压力。当充气压力所需的增加可以通过直接地向轮胎主体14的第一可充气容积16充气获得时,阀控制器30改为打开第一阀22以允许使第一可充气容积16和第二可充气容积20之间的压力差开始均衡,即从第二可充气容积20经由第一连通路径至第一可充气容积16的压力传递发生。
有利地,不论轮胎主体中所经历的正常的空气损失,仅通过来自内腔18的第二可充气容积的充气压力的受控的传递,最佳充气压力可以被保持在轮胎主体14的第一可充气容积16内。因此包含本公开的轮胎装置的车轮可以自主地保持在正确的充气压力下持续一定的时间段,不需要经由它的阀24对轮胎主体14的第一可充气容积16直接地充气。车轮可保持自主的时间长度依据包括但不限于下列的因素:(i)它的初始充气压力;(ii)内腔18的初始充气压力和因此内腔18的容积;(iii)任何慢泄气的存在;以及(iv)围绕阀22、24任何失效的密封的存在。
包含本公开的轮胎装置的车轮的自主时间段可以通过控制第一可充气容积及第二可充气容积之间的容积和压力比率来提高。
例如,当内腔18的第二可充气容积20增加时,它的流体压力能力也被提高。另外,当内腔18的容积增加时,轮胎主体内第一可充气容积16随之减小。当第一可充气容积16减小,为了引起其内部的给定的压力变化,更少量的来自内腔18的压力传递是必要的。相反地,当第一可充气容积16增加时,为了引起其内部的相同的压力变化,更大量的来自内腔18的压力传递是必要的。因此,通过增加内腔18(第二可充气容积20)和轮胎主体14(第一可充气容积16)之间的相对容积比率,车轮可自主地保持在正确的充气压力下的时间段增加。例如,采取极限状态,在预计仅微量的轮胎壁挠曲量的车轮中,第一可充气容积16可以非常小(即它的容积将趋近于零)。然而,在实践中,依据轮胎应用,容积比率将通常落在50%至80%的范围内(即在1:1和4:1之间)。据估计,具有低的轮胎壁挠曲量的HDV的容积比率可落在此范围的较高的端部,例如65%至80%(1.86:1至4:1);反之,具有较高的轮胎壁挠曲量的农用(Ag)车辆的容积比率可落在此范围的较低的端部,例如50%至65%(1:1至1.86:1)。
相似地,当内腔18的第二可充气容积20的最大充气压力增加时,它的传递压力至第一可充气容积的能力也提高。因此,增加内腔18(第二可充气容积20)和轮胎主体14(第一可充气容积16)之间的相对最大压力比率,是增加车轮可自主地保持在正确的充气压力下的时间段的另一种方式。例如,当内腔由构造时,HDV的压力比率可以是10:1(即70巴:7巴);反之,Ag车辆的压力比率可以是临近20:1或更多(例如70巴:3.3巴)。对于具有较高的轮胎壁挠曲量的Ag车辆,应理解,较高的压力比率将补偿所需的较低的容积比率,其结果是,Ag车轮可保持自主的总体时间段可能最终比得上HDV可保持自主的总体时间段。
虽然本公开的优选实施方案已在文中被描述,可以包含改进或变型,而不离开下文权利要求的范围。