輪胎智能監測系統ITS

簡(jiǎn)介

早在20世紀90年代，歐洲便首度開(kāi)發(fā)出用于檢測和監控胎壓的系統。其最初的目的是提高舒適度，因為輪胎減震特性配合底盤(pán)調節最終將對汽車(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(chǎng)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(chǎng)商則堅持適度胎壓，從而獲取更高的駕乘舒適性。

2000年，美國因胎壓不當造成的一系列事故引起公眾高度關(guān)注。針對這一情況，2005年9月，美國立法機構規定所有新的轎車(chē)和輕卡必須安裝胎壓監控系統。除安全外，保持正常胎壓還有助于減少二氧化碳排放，因為胎壓不足會(huì )加大滾動(dòng)阻力，增加油耗。據估算。胎壓低于 0.5巴時(shí)，油耗將增加2％～3％。法國公路安全機構S e curit e Routi e re2005年的一項調查結果顯示，如果每輛汽車(chē)胎壓正常，僅法國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，使胎壓監控系統再次成為熱點(diǎn)。所有采用低壓安全胎的汽車(chē)已被強制安裝這類(lèi)系統，其他大量車(chē)型可以選裝。胎壓監控系統分為間接式和直接式兩種類(lèi)型，下面對這兩種系統分別加以說(shuō)明。

間接檢測系統

這是最為經(jīng)濟高效的一種胎壓監控系統，可利用ABS車(chē)輪傳感器發(fā)射的信號間接檢測胎壓。系統測量各個(gè)車(chē)輪的轉速，計算每個(gè)輪胎的滾動(dòng)周長(cháng)。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)對四個(gè)車(chē)輪的比較可以檢測可能存在的胎壓下降情況。

直接檢測系統

目前，已有21家汽車(chē)制造商采用大陸集團的直接胎壓監控系統(上圖)。胎壓監控系統(TPMS)測量胎內實(shí)際壓力。此外，系統還可同時(shí)檢測多個(gè)輪胎是否胎壓下降。這些系統可放置在輪轂內部的深槽中，或作為輪胎氣門(mén)的獨立單元。

上述兩種系統由電池和電子器件組成，測量輪胎內部壓力，并將輪胎的檢測值傳送至車(chē)載電子系統進(jìn)行檢查和分析。必要時(shí)，通知駕駛員胎壓存在的問(wèn)題。

為避免輪轂與胎內空氣之間的熱率差造成誤報警，大陸集團結合這種相移因素的考慮，在運算中引入了專(zhuān)用修正系數。

電池為這種胎壓監控系統的改進(jìn)提供了最大空間。電池大而且相當重，因為要保證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)胎壓監測電子單元。出于穩定性考慮，胎壓電子單元采用永久塑封。為避免使用壽命受限，大陸集團正在積極開(kāi)發(fā)滿(mǎn)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

至少在部分車(chē)型中，典型機械和液壓系統已實(shí)現電子化，如制動(dòng)系統和轉向系統。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”，而且系統可與整個(gè)車(chē)載電子架構集成。大陸集團計劃于2010年實(shí)現ITS量產(chǎn)，目前正在與著(zhù)名汽車(chē)制造商探討合作意向。

ITS初步功能設計主要以大陸集團成熟的TPMS架構為基礎，用壓電轉換器取代電池。理論上，壓電轉換器的功能與眾所周知的壓電噴油器相似。輪胎中，壓電器件將機械運動(dòng)力轉換為電能。

壓電轉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(mǎn)足這種需求。隨后。壓力和輪胎數據通過(guò)TPMS系統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)的壓力計體積和重量大大低于電池供電的系統。

目前，最好的電池供電系統重量約為30克，而采用壓電轉換器的系統重量遠低于這一數字。由于這種技術(shù)目前仍處于初級階段，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低于10克，而要保證使用壽命。電池本身重量即達到5克，難以滿(mǎn)足這一重量目標；另一方面，壓電轉換器的重量有望進(jìn)一步減輕——這只不過(guò)是進(jìn)一步創(chuàng )新的問(wèn)題。

大陸集團認為，理論上，ITS最好直接放置于輪胎內。這樣做的主要好處是：

·更加準確快速地測量溫度，不會(huì )受到輪轂的負面影響；

·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)；

·輪胎檢測的接觸面長(cháng)，結果更加準確。

如果仍在輪轂處進(jìn)行壓力檢測，采用壓電轉換器也同樣有效。即使這種情況下位置相對固定，壓電器件仍然可以將動(dòng)能轉換為足夠的電能，將數據傳送給車(chē)載電子系統。

除電池外，壓電轉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，并將運動(dòng)報告給車(chē)輪電子系統。停車(chē)時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉電子系統，檢查常規車(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(zhù)延長(cháng)了電池的使用壽命。壓電轉換器只在汽車(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，已計劃利用ITS數據控制汽車(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)一步減少誤報警。這樣有利于壓縮報警閾值范圍，進(jìn)而降低油耗。

此外，傳感器的數據還可以用來(lái)計算輪胎承載力。輪胎廠(chǎng)商的數據，如輪胎型號等，可保存在電子系統中。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據呢?當輪胎接觸面出現和消失時(shí)，可以檢測加速度。加速度數據結合胎壓可用來(lái)計算輪胎周長(cháng)。利用這種信息以及接觸面長(cháng)度可計算