汽車輪胎在周期性載荷作用下，其橡膠和骨架材料的滯后損失以及橡膠與骨架材料之間的摩擦?xí)?dǎo)致生熱，而輪胎所用材料的力學(xué)性能和耐疲勞性能與溫度密切相關(guān)。過高的溫度會導(dǎo)致輪胎材料性能嚴(yán)重下降，促使輪胎迅速損壞，目前輪胎所存在的主要質(zhì)量問題，如“肩空”和“胎圈脫層”等，即是由于這些部位的溫度過高造成的。國內(nèi)外專家和學(xué)者正大力研發(fā)智能輪胎，控制或降低輪胎的生熱以延長輪胎的使用壽命，其中在輪胎溫度場高溫區(qū)域埋設(shè)溫度傳感器以掌握輪胎溫升的實時情況，借以指導(dǎo)駕駛員安全行車就是一種重要手段。
輪胎溫度在線檢測裝置方案構(gòu)思
在能夠進行諸如溫度、壓力和轉(zhuǎn)速檢測的各種現(xiàn)代智能輪胎中，都裝有相關(guān)的傳感器，將有關(guān)輪胎溫度、壓力和車速的檢測信號輸入到電子控制單元(ECU)進行技術(shù)處理[1]。
圖1：傳統(tǒng)測溫單元總體設(shè)計示意圖。
對于輪胎內(nèi)部溫度的在線檢測，傳統(tǒng)的測溫單元可按圖1所示的方式進行設(shè)計，傳感器的檢測信號通過CPU控制的多路開關(guān)進行傳輸。該裝置雖可完成相應(yīng)的溫度檢測，但電路環(huán)節(jié)較繁多，結(jié)構(gòu)體系較復(fù)雜，程序編制較麻煩，調(diào)試工作也較困難，因而并不是一種理想的設(shè)計方案。在參考國外新型智能輪胎技術(shù)的基礎(chǔ)上，筆者進行了“汽車輪胎安全性能智能檢測和隱患預(yù)警系統(tǒng)”的研究，并構(gòu)建了圖2所示的總體框架。
圖2：輪胎智能檢測和穩(wěn)患預(yù)警系統(tǒng)總體框圖。
該系統(tǒng)的具體功能如下：
通過埋設(shè)在輪胎內(nèi)部的溫度和氣壓傳感器陣列，在線檢測輪胎行駛時的溫度和氣壓波動情況；
通過裝置在輪轂上的子機系統(tǒng)對輪胎溫度和氣壓的實時檢測結(jié)果進行信息融合和智能分析；
通過無線通信方式將分析結(jié)果自子機傳至裝置在駕駛室儀表板上的主機系統(tǒng)；
通過主機系統(tǒng)判斷輪胎是否過熱、過壓或欠壓及其具體等級情況，給出輪胎安全性能狀況評價，并確定是否發(fā)出輪胎過熱、過壓或欠壓報警；
通過與輪胎溫度和壓力安全使用條件的推薦值[2]作比較，向駕駛員提示在輪胎存在過熱、過壓或欠壓現(xiàn)象時應(yīng)注意的事項和應(yīng)采取的措施。
輪胎溫度在線檢測裝置技術(shù)設(shè)計
筆者采用以復(fù)合材料力學(xué)理論為基礎(chǔ)的輪胎受力有限元分析方法[3]對輪胎溫態(tài)溫度場進行了分析與計算，得到圖3所示的輪胎胎體橫截面等溫線分布圖(以上海正泰橡膠廠生產(chǎn)的165SR 15子午線轎車輪胎為例)。
圖3：溫度場等溫線分布圖(℃)。
由圖3可以看出，H1、H 2和H3各點域是輪胎內(nèi)部高溫區(qū)所在位置，這些位置正是引發(fā)輪胎“爆胎”等安全事故的隱患源，應(yīng)在這些點域分別埋設(shè)溫度傳感器并使之構(gòu)成傳感器陣列，以在線檢測并實時分析輪胎溫度的變化情況[4]。
為了克服圖1傳統(tǒng)測溫方案的不足，筆者根據(jù)總體框圖設(shè)計了以PIC微控制器為核心的子機系統(tǒng)(即圖2中的檢測分析部分) ，其溫度信號檢測電路見圖4。
圖4：測溫單元電路設(shè)計示意圖。
在該檢測電路中，檢測輪胎實時溫度信號的基本元件是DS1820數(shù)字溫度傳感器，其與PIC微控制器的有機結(jié)合構(gòu)成了輪胎溫度在線檢測裝置的核心。由于DS1820 數(shù)字溫度傳感器可將檢測到的物理量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并送PIC微控制器進行相關(guān)的實時處理，因而它可以改變汽車輪胎傳統(tǒng)的溫度檢測方式。
由圖4可知，該系統(tǒng)具有單總線形式的檢測網(wǎng)絡(luò)，即所有的溫度傳感器都掛接在PIC微控制器的同一根數(shù)據(jù)通訊總線上，通過該總線與PIC微控制器進行數(shù)據(jù)通訊。若在系統(tǒng)初始化時設(shè)置好溫度預(yù)定值等參數(shù)，即可實施對輪胎各高溫點域的全程監(jiān)控。同時，在相應(yīng)軟硬件的支持下，還可顯示和存儲輪胎各高溫點域的實時溫度值，當(dāng)輪胎溫度越限時即可給出相應(yīng)點域的溫度越限報警信號。
此外，由于DS1820傳感器的單線接口是三態(tài)的[5] ，因而只有與“汽車輪胎安全性能智能檢測和隱患預(yù)警系統(tǒng)”主機提供的64位ROM編碼嚴(yán)格相符的器件才會響應(yīng)主機的操作命令，其余不相符的器件均呈高阻等待狀態(tài)。于是，PIC微控制器既可巡訪單線總線上的全部器件，也可隨訪任一指定器件，這就為系統(tǒng)按需讀取輪胎的實時溫度信號創(chuàng)造了條件。
為了與子機系統(tǒng)工作特性相匹配，主機系統(tǒng)(即圖2中的控制顯示部分)工作框圖可按圖5設(shè)計。
圖5：主機系統(tǒng)工作框圖。
由圖5可知，當(dāng)主機系統(tǒng)啟動后，首先由用戶根據(jù)實際行車條件，并結(jié)合專家建議，設(shè)定輪胎安全工作預(yù)定溫度值，然后通過系統(tǒng)附屬鍵盤輸入主機，再經(jīng)由主機發(fā)送信號至LED驅(qū)動芯片以顯示其預(yù)設(shè)溫度。由于輪胎預(yù)定安全工作溫度值和行車實際溫度檢測值均通過LED顯示在駕駛室儀表盤上，可使駕駛員對輪胎溫度是否越限有清晰的認(rèn)識，駕駛員可方便靈活地根據(jù)實際情況作出后續(xù)處理。
溫度傳感器安裝討論圖3的H1、H2和H3點域為輪胎在行駛過程中的高溫區(qū)域，為在線檢測輪胎溫升情況，本裝置在上述點域各埋設(shè)一個DS1820數(shù)字溫度傳感器，使之構(gòu)成測溫陣列。該傳感器性能優(yōu)良，其商業(yè)應(yīng)用級傳感器測溫范圍為0～70℃，工業(yè)應(yīng)用級傳感器測溫范圍為0～100℃，而汽車專用級傳感器測溫范圍為-55～+ 125℃，完全滿足本裝置測溫工作要求。
此外，DS1820傳感器體積小巧、結(jié)構(gòu)精良，封裝強度可滿足實用需要，其封裝尺寸僅為5mm×5mm ，連接導(dǎo)線的直徑也不超過1mm ，足以在不影響輪胎自身性能的情況下嵌入輪胎本體內(nèi)表層預(yù)制的盲孔(對應(yīng)于H1、H2和H3點域)中，當(dāng)外胎與內(nèi)胎因氣壓緣故而充分貼緊時，該溫度傳感器即可有效檢測行駛狀態(tài)下的輪胎生熱情況，并通過子機微控制器對所測溫度信號進行融合處理，再經(jīng)子機無線信號發(fā)射電路傳遞給主機，由主機進行最終處理。
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