[发明专利]一种自供能式胎路监测一体化的智能轮胎系统

权利要求书

1.一种自供能式胎路监测一体化的智能轮胎系统，其特征是包括：胎路信息监测子系统和能量自供给子系统；

所述胎路信息监测子系统由胎部发送端和室内接收端组成；

所述胎部发送端由传感器模块以及无线发射模块组成；

所述室内接收端由智能算法模块、显示模块以及无线接收模块组成；

所述传感器模块用于实时采集车轮的转速、温度、压力、加速度，并传递给无线发射模块；其中，所述传感器模块中的加速度传感器是设置在汽车悬架系统上；

所述无线发射模块将所接收到的原始监测值传递给所述无线接收模块；

所述无线接收模块将所述原始监测值传输给所述智能算法模块；

所述智能算法模块利用多因子寿命预测算法对所接收的原始监测值进行计算，得到轮胎寿命；同时，根据所述原始监测值，利用路面谱估计的方法对路面等级进行评定；

所述显示模块用于在室内接收端实时显示传感器模块所采集的原始监测值以及智能算法模块计算出的轮胎寿命和不平度等级；

所述智能算法模块中的不平度等级是按如下步骤获得：

步骤1、将所述汽车悬架系统简化为两个自由度的振动系统；

步骤2、利用式(1)得到所述振动系统的数学模型：

MK₂g⁽⁴⁾(t)+XK₂g⁽³⁾(t)+K₁K₂g″(t)＝(mM+XM)a⁽³⁾(t)+(MK₁+MK₂+Xm)a″(t)+(XK₂+mK₁)a′(t)+K₁K₂a(t) (1)

式(1)中，M为悬架即车身的质量；m为非悬架即车轮的质量；K₁为车身的刚度；X为阻尼器的阻尼系数；K₂为轮胎刚度；a(t)表示加速度传感器在t时刻所采集的加速度值，a⁽³⁾(t)表示a(t)的3阶导数；a″(t)表示a(t)的2阶导数；a′(t)表示a(t)的1阶导数；g(t)表示t时刻路面不平度；g⁽⁴⁾(t)表示g(t)的4阶导数；g⁽³⁾(t)表示g(t)的3阶导数；g″(t)表示g(t)的2阶导数；

步骤3、利用式(2)建立路面的位移功率谱密度G_d(n)：

式(2)中：n为空间频率即单位空间中所包含的路面波形的波长个数；G_d(n₀)为在空间频率为n₀时的路面位移功率谱密度，即路面不平度系数，n₀为参考空间频率，ω为拟合位移功率谱密度的频率指数；

步骤4、根据路面不平度系数G_d(n₀)对路面进行等级评定；

所述能量自供给子系统由温差发电模块、太阳能发电模块和WI-FI能量传输模块组成；

所述温差发电模块通过在汽车轮胎上设置的温差发电片给所述胎部发送端供能；

所述太阳能发电模块通过在室内设置太阳能发电板来收集电能从而给所述室内接收端供电；

所述WI-FI能量传输模块分别与所述温差发电模块和太阳能发电模块相连，用于实现所述温差发电模块和太阳能发电模块之间的能量互补。

2.根据权利要求1所述的一种自供能式胎路监测一体化的智能轮胎系统，其特征是，所述智能算法模块中的轮胎寿命是按如下步骤得到：

步骤1、利用式(3)将原始监测值中车轮的转速n_r转化为车速v_c：

v_c＝2×π×n_r (3)

步骤2、利用有限元分析对车速v_c进行处理，获得轮胎的应变能密度范围Δε，从而对车速v_c和应变能密度范围Δε进行拟合，得到Δε-v_c拟合曲线所对应的方程：Δε＝Av_c²+Bv_c+C；其中，A、B、C表示所拟合二次函数的三个系数；

步骤3、对轮胎试件进行拉伸和疲劳特性测试，得到应变能密度范围Δε与裂纹起始寿命N_f的Δε-N_f拟合曲线所对应的橡胶化合物疲劳估算方程，即N_f＝D×(Δε)^-δ；其中，D表示所拟合指数函数的倍数系数，δ表示指数函数系数；

步骤4、利用式(4)计算车轮失效的行驶距离D_f：

D_f＝N_f×2×π×R_c (4)

式(4)中，R_c是轮胎的动态滚动半径；

步骤5、根据车轮的温度T，利用式(5)得到温度修正系数β_T：

式(5)中，T_m表示峰值温度，a₁、b₁表示温度T大于T_m时的线性近似系数，a₂、b₂表示温度T小于T_m时的线性近似系数；

步骤6、根据车轮的压力P的范围，利用式(6)得到胎压修正系数β_P：

式(6)中，c₁、c₂、c₃...c_n分别表示胎压修正系数β_P1、β_P2、β_P3...β_Pn的取值，m₁、m₂、m₃...m_n表示胎压P的不同取值范围的端点值；

步骤7、利用式(7)建立多因子车轮寿命的估计方程：

D′_f＝β_Tβ_P×D×(Av_c²+Bv_c+C)^-δ×2×π×R_c (7)

式(7)中，D′_f表示多因子下的车轮失效的行驶距离。