Brevet FR2797496A1 — publié le 20010216

La présente invention se rapporte à l'adhérence d'un véhicule sur une chaussée. Elle concerne plus particulièrement la détermination de caractéristiques d'adhérence entre une roue de véhicule, équipée d'un bandage élastique tel qu'un pneumatique en roulage sur le sol, à partir de l'obtention de paramètres physiques dans l'aire de contact entre cette roue et la surface de roulement. Il existe à cet égard un besoin pour obtenir des indications "en temps réel" des conditions d'adhérence susceptibles d'affecter le comportement d'un véhicule, notamment dans le cas où il subit une accélération par effort moteur ou freineur ou par changement de trajectoire. L'invention vise à fournir une méthode et des moyens d'y parvenir de manière efficace. Dans ce qui suit, on entend par "potentiel d'adhérence d'un élément donné" (cet élément pouvant être un pain de gomme, une nervure d'un pneumatique ou le pneumatique complet), l'effort tangentiel maximal que cet élément peut subir au cours de son contact avec le sol, en un lieu donné, pour un effort normal donné appliqué à cet élément. Nous utiliserons parfois l'expression "potentiel de frottement" pour désigner la même caractéristique. Nous appellerons "marge d'adhérence disponible" la différence entre le potentiel d'adhérence d'un élément et l'effort tangentiel effectivement appliqué à cet élément lors de son passage dans l'aire de contact. Nous utiliserons indifféremment les expressions "effort tangentiel" et "contrainte de cisaillement" pour désigner les mêmes grandeurs. De même, les expressions "effort normal" et "contrainte verticale" désigneront les mêmes caractéristiques. Selon un aspect, l'invention a pour objet une méthode de détection d'une caractéristique d'adhérence entre une roue possédant une bande de roulement déformable et un sol de roulement, comprenant les étapes suivantes a) Prévoir au moins un premier élément de contact de la bande de roulement ayant une surface de contact avec le sol positionnée à une distance de l'axe de roue plus faible que celle d'au moins un deuxième élément, l'écart tel qu'en fonctionnement normal les surfaces des deux éléments entrent en contact avec le sol dans l'aire de contact et que, dans au moins une plage de conditions de roulement à surveiller, la surface de contact du premier élément subisse un glissement par rapport au sol au cours de son passage dans l'aire de contact, b) Produire un signal représentatif d'un effort tangentiel dans ladite surface de contact de l'élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact, c) Détecter l'instant où le signal subit une variation caractéristique d'une perte d'adhérence, et d) Produire une indication caractéristique du potentiel d'adhérence en fonction d'au moins une valeur dudit signal liée à l'instant de détection de ladite variation. Selon un autre aspect, une méthode de détection d'une caractéristique d'adhérence entre une roue possédant une bande de roulement élastique comprend les étapes suivantes a) Prévoir au moins un élément de contact de la bande de roulement ayant une surface de contact avec le sol positionnée à une distance de l'axe de roue plus faible que celle d'au moins un deuxième élément, l'écart tel qu'en fonctionnement normal les surfaces des deux éléments entrent en contact avec le sol dans l'aire de contact, b) Produire un signal représentatif d'un effort tangentiel dans une zone de la surface de contact de l'élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact, c) Détecter l'instant où le signal subit une variation caractéristique d'une perte d'adhérence, et d) Produire une indication caractéristique d'une marge d'adhérence disponible à partir d'une fonction de l'intervalle séparant l'instant de détection de ladite variation par rapport à l'instant d'entrée dans l'aire de contact. L'invention a également pour objet des moyens et un système permettant de mettre en oeuvre la méthode précédente. L'invention est illustrée par les figures suivantes - la figure 1 est une coupe radiale d'un pneumatique utilisable avec la méthode selon l'invention, - la figure 2 schématise le fonctionnement d'un pneumatique, - la figure 3 est un tableau diagramme des observations typiques de la méthode de l'invention dans un cas idéalisé, - la figure 4 montre des observations faites par la méthode selon l'invention, - la figure 5 montre d'autres observations faites par la méthode selon l'invention. Le pneumatique comporte, soit une ou plusieurs nervures (1) complètes, soit un ou plusieurs pains de sculpture, dont la circonférence extérieure a un rayon Rs inférieur au rayon Ra de la circonférence des nervures (2) ordinaires ou des pains adjacents (voir fig. 1). Une telle nervure (1) ou un tel pain seront appelés respectivement nervure sacrifiée ou pain sacrifié dans la suite du document. Le brevet US 4.480.671 montre une telle nervure sacrifiée [voir nervure latérale (8)]. L'homme du métier sait que la différence entre Ra et Rs peut s'auto-entretenir au cours de l'usure du pneu en service normal. Un avantage de l'invention est de pouvoir ainsi appréhender la marge d'adhérence disponible jusqu'à usure totale du pneu, grâce à une mesure faite sur une nervure sacrifiée. En fonctionnement normal, la nervure sacrifiée (1) glisse sur le sol alors que la nervure ordinaire (2) ne glisse pas sur le sol. On effectue une mesure du potentiel d'adhérence maximal sur le sol, à tout instant, grâce à la nervure sacrifiée (1). A l'intérieur de chaque nervure sacrifiée, ou de chaque pain sacrifié, un ou plusieurs capteurs (3) permettent de mesurer les déformations ou les contraintes que subit cette nervure ou ce pain au cours du roulage du pneu, dans les directions longitudinale et transversale ; la mesure des contraintes ou des déformations peut également être effectuée dans la direction verticale, ce qui améliore la performance du système. Avec un capteur (3) approprié, on peut obtenir ces mesures pendant toute la durée de vie du pneu. Un dispositif intégré au pneumatique assure le conditionnement des signaux de mesure et leur transmission au milieu environnant le pneu (véhicule, route...). Lors d'un roulage libre (i.e. sans couple moteur ni freineur, F1 représentant le sens de rotation et F2 le sens de déplacement) et en ligne droite du pneumatique sur une chaussée, lorsqu'un point à la surface d'une nervure sacrifiée vient en contact avec la chaussée, une contrainte de cisaillement freineuse 6f se développe à l'interface entre la nervure sacrifiée et la chaussée (fig. 2) ; cette contrainte augmente depuis l'instant du début du contact jusqu'à celui où la contrainte de cisaillement atteint la valeur maximale permise par le potentiel de frottement de la gomme sur le sol. La figure 3 présente le cas théorique d'un potentiel de frottement infini ou très grand : dans ce cas, la contrainte de cisaillement croît, en valeur absolue, jusqu'à l'instant où le point quitte le contact avec la chaussée. Si le potentiel de frottement n'est pas infini, ce qui est le cas dans la réalité, le point en question glisse à la surface de la chaussée dès que la contrainte de cisaillement atteint la valeur maximale permise par le potentiel de frottement, et le signal représentant la contrainte de cisaillement en fonction de la distance parcourue par le centre de la roue (fig. 4) est différent de celui représenté sur la figure 3. La forme du signal, et notamment l'extrémum de celui-ci, sont en relation directe avec le potentiel de frottement. Si ce potentiel évolue, la partie initiale du signal de contrainte représenté en fonction de la distance parcourue (égale à la vitesse multipliée par le temps écoulé depuis l'instant du début de contact entre le point et le sol) change peu ; par contre la partie finale du signal est modifiée en relation avec le niveau du potentiel. Ainsi, l'analyse du signal de la contrainte de cisaillement exercée sur la nervure sacrifiée fournit une information sur le potentiel d'adhérence entre la nervure et la chaussée, qui est lui-même directement corrélé au potentiel d'adhérence du pneumatique sur la chaussée. Si la nervure sacrifiée est de surcroît équipé d'une mesure de la contrainte verticale au même point, il est possible de calculer le coefficient de frottement entre la nervure et le sol en effectuant le rapport entre la contrainte de cisaillement et la contrainte verticale. La contrainte freineuse, qui se développe dans le contact, résulte de la différence des longueurs des circonférences extérieures de la nervure sacrifiée et des nervures adjacentes. Ainsi, en modifiant cette différence de longueurs, on modifie la rapidité de la croissance de la contrainte entre les instants d'entrée en contact et de sortie du contact : plus la différence de longueurs est grande, et plus la contrainte de cisaillement augmente rapidement. Si le pneumatique roule avec un angle de dérive, une contrainte transversale se développe à l'interface entre la nervure sacrifiée et la chaussée. Celle-ci s'ajoute vectoriellement à la contrainte longitudinale. La résultante subit alors la même évolution que celle décrite précédemment, à savoir que son module augmente entre l'instant où s'établit le contact et celui où sa valeur atteint la contrainte maximale permise par le potentiel de frottement, pour autant que la différence entre les longueurs des circonférences de la nervure sacrifiée et des nervures adjacentes ait un niveau suffisant. De même, si un couple moteur ou freineur est exercé sur le pneumatique, une contrainte longitudinale vient s'ajouter ou se retrancher à la contrainte induite par la différence des longueurs des circonférences des nervures. Par exemple, dans le cas d'un couple freineur, le signal de contrainte croît plus rapidement, en fonction de la distance parcourue, que dans le cas où la roue fonctionne à couple nul (fig. S). Ainsi, à partir d'une analyse appropriée du signal de contrainte représenté en fonction de la distance parcourue, égale au produit de la vitesse par le temps écoulé depuis l'entrée en contact avec le sol du point où la mesure est effectuée, il est possible de retirer deux informations : une information représentative du potentiel d'adhérence entre le pneumatique et la chaussée, et une information relative au niveau de sollicitation (motrice, freineuse ou transversale) exercée sur le pneumatique et permettant de connaître la marge d'adhérence disponible du pneumatique. Il est possible d'utiliser de la même manière des mesures des déformations longitudinale et transversale de la nervure à la place des mesures de contraintes. Simplement, au cas où l'on désirerait calculer le coefficient de frottement, un étalonnage préalable entre les valeurs de déformations et de contraintes doit être réalisé et pris en compte dans le calcul. Tout ce qui vient d'être décrit pour une nervure sacrifiée peut être appliqué au cas d'un pain sacrifié. Le potentiel d'adhérence du pneumatique sur la chaussée conditionne directement le niveau maximal des efforts de guidage, de freinage et de motricité qui peuvent être transmis au véhicule. Il est un élément déterminant de la mobilité et de la tenue de route des véhicules. Des études statistiques menées dans plusieurs pays montrent qu'il existe une relation indéniable entre ce potentiel d'adhérence et le risque d'accidents sur chaussée mouillée : plus le niveau du potentiel d'adhérence sur chaussée mouillée est faible et plus le risque d'accident est élevé. La sécurité des usagers dépend donc étroitement du potentiel d'adhérence. Un enjeu important pour la sécurité est de pouvoir évaluer le niveau du potentiel d'adhérence du pneumatique le plus tôt possible avant d'atteindre la limite d'adhérence, car la possibilité d'éviter un accident en cas d'une adhérence insuffisante sera d'autant plus grande que les actions pour adapter les conditions de roulage du véhicule seront réalisées tôt. Le principe de conception du pneumatique présenté ici représente un intérêt important de ce point de vue. En effet, il permet d'évaluer le niveau du potentiel d'adhérence même lorsque le pneumatique est en roulage libre, ce qui revient à dire qu'il est possible de déterminer ce potentiel dans toutes les conditions de roulage du véhicule, depuis la situation de roulage en ligne droite à vitesse constante jusqu'aux situations de freinage et d'accélération maximaux, ou de virages pris à la limite d'adhérence. Le potentiel d'adhérence disponible peut ainsi être évalué en permanence. A partir des mêmes mesures, il est également possible de connaître la part du potentiel d'adhérence effectivement utilisée. Le tableau suivant synthétise un ensemble d'applications permises par la connaissance de ces informations. A partir de la seule connaissance du potentiel d'adhérence disponible, ou d'une information directement corrélée au potentiel d'adhérence, il est possible # d'informer le conducteur du véhicule # lorsque des variations du niveau d'adhérence surviennent : par exemple, si le potentiel diminue, au delà d'un certain niveau de variation, une alerte peut être délivrée au conducteur sous une forme sonore ou visuelle pour l'inciter à adapter sa conduite et à accroître sa vigilance ; => sur le niveau relatif d'adhérence dont il dispose à un instant donné en comparaison à une base statistique des niveaux d'adhérence rencontrés l'information prélevée en continu, lorsque le véhicule roule, peut alimenter une base de données implantée dans un système informatique lié au véhicule ou extérieur au véhicule (base de données centralisée avec laquelle le véhicule communiquerait) ; de plus, cette information peut être comparée à la population statistique déjà stockée dans la base de données pour déterminer à quel percentile de la population elle correspond ; ce résultat peut être converti en une information simple délivrée au conducteur (par exemple par l'indication d'un niveau conventionnel qualifiant l'adhérence disponible : fort, moyen, faible, très faible) ; # d'agir sur le véhicule => en adaptant la stratégie de pilotage de systèmes du véhicule tels que les sytèmes d'antiblocage de roues, d'antipatinage et de contrôle actif de trajectoire : ces systèmes pourraient disposer de stratégies différentes selon le niveau d'adhérence et prédéfinies par construction ; en fonction du niveau instantané d'adhérence, la stratégie de pilotage la plus adaptée pourrait être mise en oeuvre ; => en permettant la détermination des commandes optimales à appliquer à un organe du véhicule : des simulations numériques en temps réel peuvent maintenant être réalisées dans les véhicules ; connaissant le niveau d'adhérence, il est possible de rechercher la commande à appliquer à un organe (frein par exemple) pour que la réponse soit optimale ; il est aussi possible de prédire par simulation quelle sera la réponse du véhicule aux commandes exercées par le conducteur et de corriger en conséquence ses commandes ou de l'assister dans le cas où les commandes apparaîtraient inadaptées ; # d'informer les autres usagers de la route et les organismes chargés de la gestion du réseau routier, en communiquant ces informations à des bases centrales de données ; les moyens actuels de communication et de localisation des mobiles (système GPS par exemple) permettent d'associer à chaque information sur le potentiel d'adhérence fournie par un véhicule la localisation précise de la portion routière correspondante et de transmettre ces informations à un système centralisé ; partant de ces informations, il est possible d'informer les autres usagers de la route, et leurs véhicules, du niveau disponible en un point donné avant même qu'ils n'aient atteint ce point, ce qui permet d'anticiper encore plus les actions correctives éventuellement nécessaires au niveau des commandes des véhicules ; de fournir aux gestionnaires du réseau routier des informations statistiques précises et en temps réel sur le niveau d'adhérence, rendant ainsi inutiles les opérations régulières de mesure de l'adhérence réalisées dans certains pays pour surveiller leur réseau routier. Si cette information sur le potentiel d'adhérence disponible est complétée de l'information sur le niveau d'adhérence effectivement utilisé, il est possible en plus # d'informer le conducteur sur le taux d'utilisation de ce potentiel disponible et de l'alerter à l'approche de la limite d'adhérence ; # de réguler des systèmes du véhicule (systèmes antiblocage de roues ou antipatinage, par exemple) directement à partir de la différence entre le potentiel disponible et le potentiel utilisé ; # de fournir aux personnes en charge de la gestion du réseau routier des informations statistiques permettant de détecter les points du réseau où la limite d'adhérence est le plus souvent approchée et où le risque d'accident peut être important de ce fait, avant même que ce risque ne se soit exprimé au travers des statistiques d'accidents. On peut par exemple procéder à une mesure comme expliqué par le brevet DE 3937966 A1. Par exemple, un élément magnétique peut être incorporé dans un pain ou une nervure sacrifiée, à un endroit tel que cet élément subisse un déplacement relatif par rapport à des capteurs à effet Hall placés dans le pneumatique lorsque ledit pain ou nervure sacrifiée est soumis à un effort tangentiel ou à un effort normal. Les capteurs à effet Hall sont disposés de façon à mesurer le déplacement de l'élément magnétique au minimum sous l'effet d'un effort tangentiel appliqué à la surface du pain ou de la nervure sacrifiée, voire à mesurer en plus son déplacement, de façon distincte, sous l'effet d'un effort normal appliqué à ce pain ou cette nervure sacrifiée. En variante, on pourrait aussi effectuer une mesure comme enseigné par le brevet US 5 864 056 ou US 5 502 433. Les signaux ainsi mesurés sont envoyés à une unité de calcul qui détermine le potentiel d'adhérence et la marge d'adhérence disponible selon la méthode décrite dans le paragraphe 2. Ces informations calculées sont adressées elles-mêmes, par exemple à un dispositif permettant d'informer le conducteur, ou bien sont envoyées, par exemple par voie hertzienne, à un système extérieur au véhicule, permettant de centraliser les informations relatives au potentiel d'adhérence du sol et destiné à informer tous les usagers de la route, ou bien encore sont utilisées pour réguler des systèmes ou des organes du véhicule sur lequel le pneumatique est monté. REVENDICATIONS 1 - Méthode de détection d'une caractéristique d'adhérence entre une roue possédant une bande de roulement déformable et un sol de roulement, comprenant les étapes suivantes a) Prévoir au moins un premier élément de contact (1) de la bande de roulement ayant une surface de contact avec le sol positionnée à une distance de l'axe de roue plus faible que celle d'au moins un deuxième élément (2), l'écart tel qu'en fonctionnement normal les surfaces des deux éléments entrent en contact avec le sol dans l'aire de contact et que, dans au moins une plage de conditions de roulement à surveiller, la surface de contact du premier élément subisse un glissement par rapport au sol au cours de son passage dans l'aire de contact. b) Produire un signal représentatif d'un effort tangentiel dans ladite surface de contact de l'élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact c) Détecter l'instant où le signal subit une variation caractéristique d'une perte d'adhérence, et d) Produire une indication caractéristique du potentiel d'adhérence en fonction d'au moins une valeur dudit signal liée à l'instant de détection de ladite variation. 2 - Méthode de détection d'une caractéristique d'adhérence entre une roue possédant une bande de roulement élastique et une surface de roulement, comprenant les étapes suivantes a) Prévoir au moins un premier élément de contact (1) de la bande de roulement ayant une surface de contact avec le sol positionnée à une distance de l'axe de roue plus faible que celle d'au moins un deuxième élément (2), l'écart tel qu'en fonctionnement normal les surfaces des deux éléments entrent en contact avec le sol dans l'aire de contact b) Produire un signal représentatif d'un effort tangentiel dans une zone de la surface de contact de l'élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact c) Détecter l'instant où le signal subit une variation caractéristique d'une perte d'adhérence, et d) Produire une indication caractéristique d'une marge d'adhérence disponible à partir d'une fonction de l'intervalle séparant l'instant de détection de ladite variation par rapport à l'instant d'entrée dans l'aire de contact. 3 - Méthode selon la revendication 2 caractérisée en ce que ladite indication caractéristique de marge d'adhérence est fonction du taux de variation du signal avant l'instant de détection de ladite variation. 4 - Méthode de détection d'une caractéristique d'adhérence entre une roue équipée d'un bandage élastique possédant une bande de roulement et une surface de roulement, comprenant les étapes suivantes a) Prévoir au moins un premier élément de contact (1) de la bande de roulement ayant une surface de contact avec le sol positionnée à une distance de l'axe de roue plus faible que celle d'au moins un deuxième élément (2), l'écart tel qu'en fonctionnement normal les surfaces des deux éléments entrent en contact avec le sol dans l'aire de contact b) Produire un signal représentatif d'un effort tangentiel dans une zone de la surface de contact de l'élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact c) Détecter l'instant où le signal subit une variation caractéristique d'une perte d'adhérence d) Produire un deuxième signal représentatif d'un effort normal à la surface de contact dudit élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact, et e) Produire une indication du potentiel d'adhérence en fonction d'au moins une valeur du signal d'effort tangentiel liée à l'instant de détection de ladite variation et d'une valeur du deuxième signal. S - Méthode selon la revendication 4 caractérisée en ce que ladite indication du potentiel d'adhérence est fonction du rapport du signal d'effort tangentiel et du deuxième signal. 6 - Méthode de détection d'une caractéristique d'adhérence entre une roue équipée d'un bandage élastique possédant une bande de roulement et une surface de roulement, comprenant les étapes suivantes a) Prévoir au moins un premier élément de contact (1) de la bande de roulement ayant une surface de contact avec le sol positionnée à une distance de l'axe de roue plus faible que celle d'au moins un deuxième élément (2), l'écart tel qu'en fonctionnement normal les surfaces des deux éléments entrent en contact avec le sol dans l'aire de contact b) Produire un signal représentatif d'un effort tangentiel dans une zone de la surface de contact de l'élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact c) Produire un deuxième signal représentatif d'un effort normal à la surface de contact dudit élément le plus proche de l'axe au cours de son passage dans l'aire de contact, et d) Détecter l'instant où une fonction prédéterminée du signal d'effort tangentiel et du deuxième signal subit une variation caractéristique d'une perte d'adhérence e) Déterminer une indication du potentiel d'adhérence à partir d'au moins une valeur de ladite fonction liée à l'instant de détection de ladite variation 7 - Méthode selon la revendication 6 caractérisée en ce que ladite fonction prédéterminée dépend du rapport du signal d'effort tangentiel et du deuxième signal. 8 - Méthode selon l'une des revendications 4 à 7 caractérisée en outre en ce qu'on produit une indication caractéristique d'une marge d'adhérence disponible à partir d'une fonction de l'intervalle séparant l'instant de détection de ladite variation et l'instant d'entrée dans l'aire de contact. 9 - Méthode selon la revendication 7 caractérisée en ce que cette indication caractéristique de marge d'adhérence est fonction du taux de variation du signal d'effort tangentiel avant l'instant de détection de ladite variation.