用于测量滚动轮胎的内部温度的系统

技术领域

本发明涉及一种在实际滚动条件下测量轮胎的橡胶配混物内的温度的系统。主要涉及的轮胎安装于用于采矿的土木工程车辆。

例如，这种车辆(自卸车或翻斗车)用于露天矿，以运输从采石场提取的材料，并且负载可以达到350吨以上的质量。轮胎具有相应尺寸，每个轮胎的重量约为5吨。

举例来说，本发明涉及的轮胎根据ETRTO(欧洲轮胎和轮辋技术组织)的标准化名称为59/80R63型，充气压力为650kPa。安装于轮辋并且充气至650kPa的轮胎的外直径可以测量为超过4米。这些车辆上也可以找到49至57英寸的其他直径。

背景技术

定义

按照惯例，在参考系(O，t，y，r)中，中心O与轮胎的中心重合，周向方向(O，t)、轴向方向(O，y)和径向方向(O，r)分别指的是在旋转方向上与轮胎的胎面表面相切的方向、平行于轮胎的旋转轴线的方向以及与轮胎的旋转轴线正交的方向。

径向内侧和径向外侧分别表示距离轮胎的旋转轴线更近和更远。

轴向内侧和轴向外侧分别表示距离轮胎的赤道平面更近和更远，轮胎的赤道平面是穿过轮胎的胎面的中间并且垂直于轮胎的旋转轴线的平面。

弹性体配混物或橡胶配混物理解为通过混合各种成分获得的弹性体材料。弹性体配混物通常包括包含至少一种天然或合成橡胶型的二烯弹性体的弹性体基质、至少一种炭黑型和/或二氧化硅型的增强填料、通常为硫基的交联体系和保护剂。

弹性体配混物可以通过其动态特性进行机械表征，特别是在固化后，例如，动态剪切模量G*＝(G'

弹性体配混物也可以通过静态机械特性进行表征。拉伸测试可以确定弹性应力和断裂特性。除非另有说明，否则按照1988年9月的法国标准NF T 46-002进行。以第二伸长率(即，在调节周期之后)测量10％伸长率(表示为“MA10”)和100％伸长率(“MA100”)下的称为“标称”割线模量(或表观应力，以MPa为单位)的割线模量。所有这些拉伸测量根据法国标准NF T 40-101(1979年12月)在标准温度(23±2℃)和湿度(50±5％相对湿度)条件下进行。还在23℃的温度下测量断裂应力(以MPa为单位)和断裂伸长率(以％为单位)。

通常，轮胎包括旨在通过胎面表面与地面接触的胎面，所述胎面的两个轴向端部通过两个胎侧连接至两个胎圈，两个胎圈在轮胎和旨在安装的轮辋之间提供机械连接。

子午线轮胎进一步包括由径向地位于胎面内侧的胎冠增强件和径向地位于胎冠增强件内侧的胎体增强件组成的增强件。

用于土木工程型的重型车辆的子午线轮胎的胎体增强件通常包括至少一个胎体层，所述胎体层通常包括涂有通过混合获得并且称为涂层配混物的弹性体配混物的金属增强体。胎体层包括将两个胎圈连接在一起的主要部分，并且通常在每个胎圈中在周向增强元件(通常为金属，称为胎圈钢丝)周围从轮胎内侧缠绕至外侧，以形成卷边(retournement)。胎体层的金属增强体基本相互平行，并且与周向方向形成介于85°至95°之间的角度。

用于土木工程型的重型车辆的子午线轮胎的胎冠增强件包括径向地位于胎体增强件的外侧、周向延伸的胎冠层的叠加。每个胎冠层通常包括相互平行的金属增强体，并且涂有称为涂层配混物的橡胶配混物。

在胎冠层中，通常在保护层与工作层之间做出区分，所述保护层构成保护增强件并且径向地位于最外侧，所述工作层构成工作增强件并且径向地介于保护增强件与胎体增强件之间。

包括至少一个保护层的保护增强件基本上保护工作层免受机械或物理化学攻击，这些攻击可能会通过胎面朝向轮胎的内侧径向传播。

GC型轮胎(例如，上述轮胎)的保护增强件通常包括由弹性金属增强体构成的两个径向叠加保护层，所述弹性金属增强体在每层中相互平行并且从一层到下一层交叉，与周向方向形成最少等于10°并且最多等于35°的角度。

包括至少两个工作层的工作增强件具有环绕轮胎并且赋予其刚度和道路保持的功能。该工作增强件吸收机械充气应力和机械应力，所述机械充气应力由轮胎充气压力产生并且由胎体增强件传递，所述机械应力由滚动引起，当轮胎在地面上滚动时产生并且由胎面传递。该工作增强件还旨在承受氧化、冲击和穿刺，这尤其归功于其内在设计和保护增强件的设计。

工作增强件通常包括两个径向叠加的工作层，所述工作层由不可伸展的金属增强体构成，所述金属增强体在每层中相互平行并且从一层到下一层交叉，与周向方向形成最多等于60°、优选地最少等于15°并且最多等于45°的角度。这里，不可伸展的金属增强体理解为意指特征在于如下伸长率的金属增强体：在等于断裂力的10％的拉伸力下，伸长率最多等于0.2％。

为了减少传递至工作增强件的机械充气应力，已知的做法是径向地在胎体增强件的外侧设置套箍(frettage)增强件。套箍增强件的功能是至少部分地吸收机械充气应力，通过使胎冠增强件变硬来提高胎冠增强件的耐久性。套箍增强件可以径向定位在工作增强件的内侧、工作增强件的两个工作层之间，或者径向定位在工作增强件的外侧。

套箍增强件通常包括两个径向叠加的套箍层，所述套箍层由金属增强体构成，所述金属增强体在每层中相互平行并且从一层到下一层交叉，与周向方向形成最多等于10°的角度。

采矿包括从地壳提取矿石，即，含有有用矿物或金属的岩石，其比例足够高以证明开采合理。

采矿中的运输步骤对其经济可行性至关重要。车辆(自卸车或翻斗车)通常不停地运行，以便通过移动最大体积的碎石进行矿物加工操作来获得最大的生产率。

车队的轮胎的管理包括利用预测性维护方法监测充气压力、温度和磨损，以预测与轮胎相关的故障，从而避免车辆停车，以使使用时间最大化。

因此，采矿业的客户的期望之一是开采的生产率，这不应受到产品缺陷的影响，因此轮胎的使用时间应尽可能长。有必要避免车辆的停车，因此需要开发预防性维护以控制轮胎的使用。

实时监测轮胎温度是管理车队的重要步骤。温度与轮胎的耐久性和使用寿命直接相关。

值得注意的是，文献US5731754A、US2017282657A1、US10836223B1、WO2004016454A1和US2005057346A1提出了用于获取轮胎的配混物内的温度的测量值的解决方案。

文献FR3060463提出了用于估计安装于车辆的轮胎的使用状况的严重程度(sévérité)的方法。该方法的一个步骤涉及评估配混物内的温度，但该评估基于在某些情况下实施起来可能很复杂的数学模型。

申请WO2008046766A1公开了一种用于指示轮胎老化程度的方法，其中，至少在轮胎上的一个点局部地测量温度。这种方法需要直接在轮胎中安装温度传感器，这可能会产生额外的成本。

仍然需要在轮胎滚动时以简单且非破坏性的方式获取轮胎的橡胶配混物内的温度。为了实时测量温度，必须能够定位对热最敏感的轮胎的区域。为此，需要考虑滚动条件，例如，地面的性质，是否是石质、泥泞或沥青的，轮胎的内部结构或矿山的地形。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于上述条件测量橡胶配混物内的温度的系统。

本发明所提出的解决方案包括一种用于在轮胎滚动时测量轮胎的橡胶混合物内的温度的系统，其包括装配有微处理器、无线电传输装置、温度测量探测器、电源装置的至少一个传感器，使得：

-传感器插入源自制造过程的轮胎的区域中，所述区域是基于预定义的选择标准识别的；

-所述传感器嵌入源自制造过程的轮胎的橡胶配混物内形成的密封的立体空间中；

-所述系统包括用于在轮胎滚动时将传感器保持在固定位置的装置。

土木工程轮胎包括旨在与地面接触的胎面。地面的性质根据使用条件(有时是泥泞的、石质的或沥青的)而变化。为了适应各种土壤类型，胎面具有切口，特别是横向或周向切口，以定义旨在于无论地面的性质如何，都提供足够的抓地力以传递车辆的扭矩的橡胶配混物的块体。胎面的橡胶配混物的块体还具有沟槽，以形成柔性增强的沟槽叶片，从而促进例如在雪地上的抓地力。

如上所述，这些轮胎的内部结构具有多个胎冠层。每个胎冠层包括涂有橡胶配混物的增强体。众所周知，温度在这些胎冠层的端部达到较高的水平，因为这些位置的应变严重。

例如，传感器插入区域的选择标准可以是选择胎面的橡胶配混物的块体或者胎冠层的端部。可以根据诸如地面的性质，是否是石质、泥泞或沥青的、轮胎的内部结构或矿山的地形的滚动条件定义附加标准。

就本发明而言，源自制造过程的轮胎意指本发明涉及已经制造的轮胎，并且传感器的插入不会干扰轮胎制造过程。传感器可以在轮胎安装于车辆的车轴之前或之后插入。

传感器嵌入在密封的立体空间中意指已经为此创建了位置然后在插入传感器之后密封填充。

本发明的特征之一是直接获取所选橡胶配混物内的温度。设置有无线电传输装置的传感器未连接至外部，这使得可以在轮胎滚动时测量轮胎的温度而无需使车辆停车。这种测量方式不会影响采矿的生产率，因为车辆不用停下来进行温度测量。

对于每个传感器，无线电传输装置包括有源发射器，所述有源发射器包括存储数据的电子芯片和用于在给定频带内工作的天线。有源发射器定期将传感器的标识符和温度值发送至位于车辆中的接收器。传感器的微处理器在两次传输之间的时间间隔内对温度进行平均。与微处理器一样，发射器消耗由电池提供的能量。

传输装置是单向的，并且以低能耗运行，这主要是由于无线电传输。这种传输装置的设计使得传感器尽可能小并且使成本最小化。尽管土木工程车辆的轮胎滚动的环境非常苛刻，但其仍具有良好的耐用性和耐久性。

本发明的另一特征在于，保持装置使得可以将传感器保持在固定位置而不移动，并且不会与周围环境振动，从而获得质量令人满意的测量结果。这些保持装置具有各种性质，例如，在粘合剂的情况下是化学的，或者在符合装置的组件的尺寸的夹紧装置的情况下是机械的。

利用传感器获得的测量结果与诸如利用热电偶的常规温度评估结果进行比较，并且确认了利用本发明获得的数值的质量和精度两者。

优选地，在传感器的外表面与空腔的橡胶配混物之间铺设冷硫化粘合剂层。

冷硫化粘合剂理解为意指引起化学反应的粘合剂，包括在未加工的弹性体中加入硫化剂(通常为硫)，以在分子链之间形成桥接。这种操作尤其使材料的塑性降低，但弹性增强。

发明人已经观察到，在本发明的上下文中使用这种粘合剂使得可以在传感器和空腔的橡胶配混物之间具有高质量的胶合。

粘合剂的一个优选示例是由蒂普拓普(Tiptop)生产并以粘合剂名称“蓝色胶水(blue cement)”出售的粘合剂。

从实用角度来看，对轮胎的外表面进行穿孔，以进入所选区域以及传感器的所需安装位置。例如，传感器可以在轮胎的径向厚度最大处定位在胎冠保护层的端部。在对制成的空腔进行清洁之后，利用“蓝色胶水”型的粘合剂将传感器胶合至空腔的底部和侧壁。为此，将厚度至少为两毫米的粘合剂应用至传感器的整个外表面。对于使用的粘合剂的类型，粘合剂的凝固时间至少为二十四小时以进行使用。

粘合剂层有利地用作润滑剂，以使传感器能够更容易放入轮胎的橡胶配混物层中。

这是因为，一旦空腔在轮胎的所需位置被挖空，就必须能够在那里放入传感器，以使其与侧壁形成夹紧配合。为了使这种放入更容易，粘合剂选择为提供粘合和润滑功能两者。

有利地，根据本发明，传感器具有至少一部分用于将传感器保持在固定位置的固定装置。因此，传感器的外表面可以形成凹槽，以促进传感器固定在测量温度的轮胎的橡胶配混物中。这是因为凹槽限定了传感器的外表面的不规则性，使其更容易固定在橡胶配混物中。

在一个实施方案中，传感器占据这样的圆柱形立体空间：其圆柱体的长度小于或等于在轮胎的赤道平面内测量的胎面的径向厚度。有利地，在一个变体实施方案中，传感器占据这样的圆柱形立体空间：其圆柱体的长度小于或等于60mm，并且其中，圆柱体的直径小于或等于25mm。

优选地，圆柱体的长度小于或等于45mm。这样的长度使空腔受损(例如，弯曲)的风险最小化。

还优选地，圆柱体的直径小于或等于17mm。

在该实施方案中，有利地，利用装配有钻头的钻机将空腔挖空。空腔的长度和直径定义为相对于轮胎的尺寸足够低的值，以能够在取出传感器后重复使用轮胎而无需进行重大维修。

该实施方案的特别的、非常有利的情况对应于以下情况：圆柱形几何形状的传感器容纳在橡胶配混物内的圆柱形空腔中，所述橡胶配混物的所述圆柱形空腔的直径小于或等于传感器的直径。

当传感器和空腔具有相同的直径时，通过自然夹紧将传感器放入空腔中。

当靠近胎冠层测量温度时，空腔的深度明显大于传感器的长度。这是因为这里所讨论的轮胎的胎面的径向厚度远大于传感器的长度。结果，在传感器固定至空腔的底部和侧壁之后，仍然存在指向轮胎的外部的空立体空间，需要对该空立体空间进行填充以保护传感器。优选地，包含传感器的空腔由与包含传感器的橡胶配混物相同的橡胶配混物制成的阻塞物封闭。

由于轮胎的旋转，封闭在橡胶配混物中的传感器会定期承受机械和热应力负载。传感器将其构成组件(例如，热电偶、微处理器、无线电发射器和电池)一起组合在电子电路板上。为了更好地保持该电子电路板的完整性，有利地，所述电子电路板涂有封装树脂。

优选地，封装树脂以环氧树脂为基础，以更好地确保对电子电路板的保护。为了额外的机械保护，传感器更优选地由柔性材料模制而成，所述柔性材料的动态剪切刚度模量小于或等于测量温度的配混物的动态剪切刚度模量的四分之一。这样，包含传感器的橡胶配混物的一部分所承受的应变将主要影响这种保护性柔性材料层。

如上所述，当轮胎在滚动状态下使用时，具有无线电传输装置的传感器可以远程操作。在本发明的一个变体实施方案中，传感器的激活包括断开连接传感器两个电极的导线。传感器的激活使得温度测量操作开始，并且温度值和传感器标识符的传输开始并重复。

在本发明的一个实施方案变体中，轮胎包含识别标签。

根据该变体实施方案，传感器装配有用于测量和发送轮胎的物理参数的有源电子模块，并且所述传感器具有：

i.用于测量轮胎的温度以外的其他物理参数的装置；

ii.用于读取轮胎的识别标签的装置；

iii.数据传输模块，其用于将从传感器接收的包括轮胎的识别的物理数据传输至远程接收器。

在该实施方案中，传感器装配有多种物理参数测量装置，例如，压电测量装置或者压力检测器。轮胎和传感器分别具有被动识别标签。根据该实施方案，有利地，规定轮胎的被动识别标签可以是传感器的独立RFID标签。

本发明的该实施方案使得可以管理轮胎的监测，其包括随时可靠地知道轮胎的位置，即轮胎的位置以及用于测量相关物理参数的传感器的位置。

附图说明

通过阅读以下仅通过非限制性示例的方式并参考附图(图1-A、图1-B、图2、图3-A和图3-B)给出的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1-A和图1-B描述了本发明所提出的温度测量系统的传感器的示意图。

图2是轮胎的子午线平面(y，r)，也就是说，通过围绕与轮胎相关的圆柱参考系(O，t，y，r)的轴线(O，y)旋转该子午线平面，产生三维的轮胎的生成平面。

图3-A和图3-B描述了利用本发明的装置关于测试轮胎尺寸获得的温度测量结果的曲线。

具体实施方式

图1-A示出了具有圆柱形的几何形状、长度为LC、直径为PHI的传感器10，以及长度为LF的激活线12。在图1-B中，可以看到传感器10的立体图。传感器10旨在插入图2的轮胎20中。图1-A的附图标记A示出了凹槽，所述凹槽是在传感器最长方向上的一系列的凹进部和凸出部，所述凹槽旨在使传感器更容易地固定在轮胎20的橡胶配混物中。

轮胎20安装于装配有用于与所述传感器进行通信的装置的车辆。

位于车辆中的读取装置将数据存储在能够由远程服务器访问的数据库中。传感器10包括电子电路板，所述电子电路板具有连接诸如温度测量探测器、微处理器、无线电发射器、转发器和电池的组件的电路。

当传感器在插入橡胶配混物之前被激活时，激活线12在与传感器接触的一端被切断。

在图2中，轮胎20具有胎面201，所述胎面201由轮胎的径向最外侧的包括黑点的立体部分表示。胎冠增强件210由径向向外叠加的工作增强件211、保护增强件212和套箍增强件213构成。每个增强件包括由涂有橡胶配混物的增强体构成的两层。最后，在该示例中，胎冠增强件包括六个径向叠加的胎冠层，每个胎冠层由涂有橡胶配混物的增强体构成。胎冠增强件210的径向内侧是胎体增强件220，所述胎体增强件220包括由主股线(brin aller)217构成的至少一个胎体层，所述主股线217从胎圈的内侧至外侧轴向地环绕胎圈钢丝218，并且通过卷边股线216(brin retou)径向向外延伸。胎体层的增强体与周向方向形成大约90°的角度。

这种结构优化了轮胎的耐久性以承受所需的负载，但缺点是对温度敏感，这会催化轮胎开裂和损坏现象，特别是在胎冠层的端部。

仍然在图2中，从轮胎的外圆周定向到橡胶配混物中的胎冠层的端部的空腔205和胎面中心的空腔206被挖空以容纳各个温度测量传感器10。本发明还适用于位于径向内侧的空腔207。可以使钻孔方向与径向方向形成的角度Alpha和空腔的深度HC可视化。对于空腔205和206，钻孔方向平行于径向方向，因此角度Alpha为零。在该示例中，每个传感器10具有45mm的长度和17mm的直径，从而相对于轮胎的尺寸占据相对较小的立体空间。这是因为，在测量结束时，必须能够在不损坏轮胎的情况下取出每个传感器。

本发明已在由ETRTO(欧洲轮胎和轮辋技术组织)标准指定的尺寸为59/80R63的轮胎上实施，所述轮胎安装于翻斗车类型的车辆。测试轮胎充气至650kPa。

翻斗车的前车轴上已装配有上述轮胎。前车轴上的负载为63吨。

传感器定位成在空腔205中测量靠近胎肩处的胎冠层的温度，并且在空腔206中测量轮胎中心的温度。通过考虑到轮胎的使用(特别是正在开采的矿山)的数字模拟，这些区域识别为对温度最敏感的区域。测试进行了超过10天。

传感器包括装配有温度测量探测器和无线电发射器的电子电路板，其可以通过位于车辆中的读取器进行询问。温度探测器、无线电发射器和读取器是市售的传统参考器件。从传感器到车辆的数据传输周期为五分钟。

在图3-A中，可以看到由热电偶测量的温度(曲线C2，其为虚线)与通过本发明的装置测量的温度(曲线C1，其为实线)之间的比较。该结果是通过向本发明的轮胎添加热电偶以在相同的应力负载条件下在适当的机器上进行比较测试而获得的。

图3-B示出了两条曲线B1和B2，所述两条曲线B1和B2再现了轮胎滚动时深度至少为45mm处的胎冠层的端部的温度变化(曲线B1，其为实线)和胎面中心的温度变化(曲线B2，其为虚线)。在图3-B中，横轴表示滚动的日期，纵轴表示温度。

本发明的优点在于可以容易且自动地获取橡胶配混物的温度水平，而不像传统方法(例如，使用热电偶)那样会对采矿的生产率具有负面影响。这是因为在本发明所提出的温度测量方法中，车辆没有停止，并且人为干预有限。

本发明的测量装置给出的结果符合利用传统装置(例如，热电偶)获得的结果。这些结果支持测量装置、插入所述测量装置的方法、用于将传感器保持在固定位置的装置以及用于发送测量的温度值的装置。

应用本发明的结果的第一示例是根据平均温度水平实时调整轮胎的使用条件。可以安装警报装置，以在温度达到过高水平时通知驾驶员，并且向驾驶员指示其必须对驾驶进行调整以保护轮胎。

利用测量结果的第二示例是确定内部充气空气的温度，例如，基于图表或数值模型，从而计算轮胎滚动时充气压力的变化。例如，通过这种方式，可以管理磨损与耐久性之间的性能折衷。

本发明的原理可以延伸至这里描述的轮胎以外的其他类型的轮胎，特别是重型轮胎，更一般地，延伸至胎面的径向厚度足以实施本发明的轮胎。