輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ITS

簡(jiǎn)介
早在20世紀(jì)90年代，歐洲便首度開(kāi)發(fā)出用于檢測(cè)和監(jiān)控胎壓的系統(tǒng)。其最初的目的是提高舒適度，因?yàn)?strong>輪胎減震特性配合底盤(pán)調(diào)節(jié)最終將對(duì)汽車(chē)抓地能力和整體舒適性產(chǎn)生決定性作用。為此，必須解決輪胎和汽車(chē)兩大行業(yè)之間的利益沖突。輪胎廠商主張盡可能提高胎壓以保證安全并減少磨損。而汽車(chē)廠商則堅(jiān)持適度胎壓，從而獲取更高的駕乘舒適性。
2000年，美國(guó)因胎壓不當(dāng)造成的一系列事故引起公眾高度關(guān)注。針對(duì)這一情況，2005年9月，美國(guó)立法機(jī)構(gòu)規(guī)定所有新的轎車(chē)和輕卡必須安裝胎壓監(jiān)控系統(tǒng)。除安全外，保持正常胎壓還有助于減少二氧化碳排放，因?yàn)樘翰蛔銜?huì)加大滾動(dòng)阻力，增加油耗。據(jù)估算。胎壓低于0.5巴時(shí)，油耗將增加2％～3％。法國(guó)公路安全機(jī)構(gòu)S e curit e Routi ere2005年的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，如果每輛汽車(chē)胎壓正常，僅法國(guó)便可以每年減少二氧化碳排放量160萬(wàn)噸。此外，汽車(chē)在胎壓不足的情況下行駛會(huì)造成輪胎提前更換。
目前，采取有效方法減少二氧化碳排放以利于環(huán)保的討論，使胎壓監(jiān)控系統(tǒng)再次成為熱點(diǎn)。所有采用低壓安全胎的汽車(chē)已被強(qiáng)制安裝這類(lèi)系統(tǒng)，其他大量車(chē)型可以選裝。胎壓監(jiān)控系統(tǒng)分為間接式和直接式兩種類(lèi)型，下面對(duì)這兩種系統(tǒng)分別加以說(shuō)明。
間接檢測(cè)系統(tǒng)
這是最為經(jīng)濟(jì)高效的一種胎壓監(jiān)控系統(tǒng)，可利用ABS車(chē)輪傳感器發(fā)射的信號(hào)間接檢測(cè)胎壓。系統(tǒng)測(cè)量各個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，計(jì)算每個(gè)輪胎的滾動(dòng)周長(zhǎng)。胎壓低會(huì)造成滾動(dòng)半徑減小。輪速加快的情況下，通過(guò)對(duì)四個(gè)車(chē)輪的比較可以檢測(cè)可能存在的胎壓下降情況。
直接檢測(cè)系統(tǒng)


目前，已有21家汽車(chē)制造商采用大陸集團(tuán)的直接胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(上圖)。胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)測(cè)量胎內(nèi)實(shí)際壓力。此外，系統(tǒng)還可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)輪胎是否胎壓下降。這些系統(tǒng)可放置在輪轂內(nèi)部的深槽中，或作為輪胎氣門(mén)的獨(dú)立單元。
上述兩種系統(tǒng)由電池和電子器件組成，測(cè)量輪胎內(nèi)部壓力，并將輪胎的檢測(cè)值傳送至車(chē)載電子系統(tǒng)進(jìn)行檢查和分析。必要時(shí)，通知駕駛員胎壓存在的問(wèn)題。
為避免輪轂與胎內(nèi)空氣之間的熱率差造成誤報(bào)警，大陸集團(tuán)結(jié)合這種相移因素的考慮，在運(yùn)算中引入了專(zhuān)用修正系數(shù)。
電池為這種胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)提供了最大空間。電池大而且相當(dāng)重，因?yàn)橐ＷC五到十年的使用壽命，體積不可能做得很小。目前似乎不可能指望電池技術(shù)有所發(fā)展，在這方面已沒(méi)有改進(jìn)余地。如果電池電量用光，不得不更換整個(gè)胎壓監(jiān)測(cè)電子單元。出于穩(wěn)定性考慮，胎壓電子單元采用永久塑封。為避免使用壽命受限，大陸集團(tuán)正在積極開(kāi)發(fā)滿足未來(lái)需求的壓電技術(shù)。
ITS：采用壓電技術(shù)的輪胎信息系統(tǒng)
至少在部分車(chē)型中，典型機(jī)械和液壓系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)電子化，如制動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在這方面，輪胎是唯一尚未觸及的大型汽車(chē)組件。而未來(lái)的ITS將在一定程度上使輪胎具備“智能”，而且系統(tǒng)可與整個(gè)車(chē)載電子架構(gòu)集成。大陸集團(tuán)計(jì)劃于2010年實(shí)現(xiàn)ITS量產(chǎn)，目前正在與著名汽車(chē)制造商探討合作意向。
ITS初步功能設(shè)計(jì)主要以大陸集團(tuán)成熟的TPMS架構(gòu)為基礎(chǔ)，用壓電轉(zhuǎn)換器取代電池。理論上，壓電轉(zhuǎn)換器的功能與眾所周知的壓電噴油器相似。輪胎中，壓電器件將機(jī)械運(yùn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為電能。
壓電轉(zhuǎn)換器由涂有壓電陶瓷的彈簧鋼組成。輪胎滾動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷暴露于張力或壓力之下。這兩種情況造成的變形會(huì)產(chǎn)生一定電壓。這種電壓經(jīng)整流后輸入電容。電容用來(lái)配置電子器件，而不是專(zhuān)門(mén)用于特性電源。硅片器件的工作需要一定量的電壓，電容可以滿足這種需求。隨后。壓力和輪胎數(shù)據(jù)通過(guò)TPMS系統(tǒng)常用方法傳送給汽車(chē)車(chē)身的接收器，供車(chē)載電子系統(tǒng)進(jìn)行分析。
這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在理論上車(chē)輪電子器件的功能沒(méi)有任何限制。同時(shí)，采用壓電技術(shù)的壓力計(jì)體積和重量大大低于電池供電的系統(tǒng)。
目前，最好的電池供電系統(tǒng)重量約為30克，而采用壓電轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)重量遠(yuǎn)低于這一數(shù)字。由于這種技術(shù)目前仍處于初級(jí)階段，還有很大發(fā)展空間，因此今后體積有望進(jìn)一步減小。
體積減小的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：首先，減少了必須旋轉(zhuǎn)的笨重體積，提高了輕捷性；其次，減少了壓力元件所需的配平重量。從物理學(xué)原理看，整個(gè)車(chē)輪電子器件的重量應(yīng)低于10克，而要保證使用壽命。電池本身重量即達(dá)到5克，難以滿足這一重量目標(biāo)；另一方面，壓電轉(zhuǎn)換器的重量有望進(jìn)一步減輕——這只不過(guò)是進(jìn)一步創(chuàng)新的問(wèn)題。
大陸集團(tuán)認(rèn)為，理論上，ITS最好直接放置于輪胎內(nèi)。這樣做的主要好處是：
·更加準(zhǔn)確快速地測(cè)量溫度，不會(huì)受到輪轂的負(fù)面影響；
·拆裝輪胎時(shí)不會(huì)損壞模塊；
·不會(huì)因氣門(mén)漏氣造成壓力下降(氣門(mén)使用壽命比電池短)；
·輪胎檢測(cè)的接觸面長(zhǎng)，結(jié)果更加準(zhǔn)確。
如果仍在輪轂處進(jìn)行壓力檢測(cè)，采用壓電轉(zhuǎn)換器也同樣有效。即使這種情況下位置相對(duì)固定，壓電器件仍然可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為足夠的電能，將數(shù)據(jù)傳送給車(chē)載電子系統(tǒng)。
除電池外，壓電轉(zhuǎn)換器還可以取代另一個(gè)組件，即“停車(chē)開(kāi)關(guān)”。這種開(kāi)關(guān)在汽車(chē)行駛時(shí)進(jìn)行記錄，并將運(yùn)動(dòng)報(bào)告給車(chē)輪電子系統(tǒng)。停車(chē)時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉電子系統(tǒng)，檢查常規(guī)車(chē)距，確定是否需要重新移動(dòng)車(chē)輛。這個(gè)功能目前顯著延長(zhǎng)了電池的使用壽命。壓電轉(zhuǎn)換器只在汽車(chē)行駛時(shí)產(chǎn)生電壓，因此不需要“停車(chē)開(kāi)關(guān)”。
ITS網(wǎng)絡(luò)
由于處于輪胎內(nèi)壁中央位置，ITS可以獲得大量信息，而不僅僅是胎壓。舉例來(lái)說(shuō)，作為“功能網(wǎng)絡(luò)”概念的組成部分，已計(jì)劃利用ITS數(shù)據(jù)控制汽車(chē)動(dòng)力。
除壓力傳感器外，ITS單元還含有兩個(gè)分別用于檢測(cè)溫度和加速度的傳感器。這些傳感器的信息可用來(lái)更加準(zhǔn)確地確定胎壓，例如，通過(guò)考慮不同溫度條件進(jìn)一步減少誤報(bào)警。這樣有利于壓縮報(bào)警閾值范圍，進(jìn)而降低油耗。
此外，傳感器的數(shù)據(jù)還可以用來(lái)計(jì)算輪胎承載力。輪胎廠商的數(shù)據(jù)，如輪胎型號(hào)等，可保存在電子系統(tǒng)中。同時(shí)，還可以確定輪胎狀況和行駛里程。
那么，如何生成其他輪胎數(shù)據(jù)呢?當(dāng)輪胎接觸面出現(xiàn)和消失時(shí)，可以檢測(cè)加速度。加速度數(shù)據(jù)結(jié)合胎壓可用來(lái)計(jì)算輪胎周長(zhǎng)。利用這種信息以及接觸面長(zhǎng)度可計(jì)算輪胎受力。這個(gè)力是車(chē)輪負(fù)載的測(cè)量值，在考慮四個(gè)車(chē)輪的情況下表明汽車(chē)負(fù)載狀況。同時(shí)，這種信息還可用來(lái)生成函數(shù)，針對(duì)負(fù)載狀況和車(chē)輛重心精確地調(diào)整輪胎目標(biāo)壓力，從而節(jié)省油耗。[!--empirenews.page--]
目前不是所有胎壓檢測(cè)系統(tǒng)都能確定正確的目標(biāo)壓力。這意味著，滿載車(chē)輛有可能在輪胎氣壓僅支持部分負(fù)載的情況下繼續(xù)行駛。而未生成必要的報(bào)警。ITS消除了這一問(wèn)題。車(chē)輛重心信息可用來(lái)提高各種安全功能，如防滾翻。這種功能還有助于保證輕卡和重卡的安全行駛，例如，行駛過(guò)程中負(fù)載偏移。
以載重1.6噸的中型車(chē)為例，每個(gè)車(chē)輪應(yīng)承載大約400千克的重量。利用壓電系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓，現(xiàn)在可以確定每個(gè)車(chē)輪承載的重量是否的確為400千克，或者是否出現(xiàn)這樣的情況，例如，由于重物集中在行里箱中，造成后輪受力過(guò)大。在這種情況下，電子系統(tǒng)會(huì)提示駕駛員調(diào)整胎壓，以防止輪胎損壞并避免額外油耗。
自動(dòng)變速箱也可以根據(jù)負(fù)載和動(dòng)力載荷狀況進(jìn)行控制，例如當(dāng)車(chē)輛動(dòng)力和負(fù)載達(dá)到極限時(shí)。ITS可向變速箱控制單元提供相應(yīng)信息，控制單元根據(jù)信息將最佳車(chē)速命令傳送給自動(dòng)變速箱。
這種車(chē)輛負(fù)載信息還可以用來(lái)調(diào)整車(chē)輛的軸向力和徑向力。這是因?yàn)檩喬?shù)不可能保持恒定。溫度、負(fù)載、使用年限和狀態(tài)等可測(cè)量輪胎條件，可集成到車(chē)輛動(dòng)力控制系統(tǒng)中，或用于啟動(dòng)安全系統(tǒng)。
ITS可提供關(guān)于車(chē)輪接觸的行駛路面摩擦力是否不同的信息，從而更好地調(diào)整ABS系統(tǒng)。理論上，ITS提供的所有安全功能完全可以用于商用車(chē)，例如，需要格外注意危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)輛的安全。
事實(shí)上，傳感器與輪胎從生產(chǎn)開(kāi)始便直接建立了相互間的關(guān)系。這也意味著，ITS傳感器系統(tǒng)可以保存輪胎的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，如速度級(jí)別和胎面特性等。這樣，車(chē)輛可以自動(dòng)提醒駕駛員，例如，當(dāng)其超過(guò)冬季輪胎允許的最高行駛速度時(shí)會(huì)自動(dòng)提醒駕駛員。而且ITS可根據(jù)行駛里程提示磨損情況，并建議何時(shí)更換輪胎。
這種系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有利于低壓安全胎。一方面，輪胎漏氣時(shí)，系統(tǒng)可迅速通知駕駛員；而當(dāng)胎壓的確明顯下降時(shí)，電子系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)控剩余里程，并在接近允許行駛的最大剩余里程時(shí)提醒駕駛員。
同時(shí)，這一系統(tǒng)在未來(lái)還可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間通信。例如，配置輪胎信息系統(tǒng)的輪胎可收集抓地力強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)，將路面附著情況通知其他車(chē)輛，從而減少事故，特別是存在冰雪危險(xiǎn)的情況下。