爆胎預警系統硬件可靠性設計技術(shù)

據美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )的調查，美國每年有26萬(wàn)交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造車(chē)的，另外，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。根據我國有關(guān)部門(mén)的統計，高速公路46％的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的，其中爆胎一項就占事故總量的70％。同時(shí)，隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟水平和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，我國的汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量正逐年提高。根據中國汽車(chē)協(xié)會(huì )的統計，2010年中國汽車(chē)產(chǎn)量達到18 264 667輛，同比增加32．44％，而且我國的汽車(chē)總量在下個(gè)10年還會(huì )保持高速增長(cháng)。因此怎樣減少交通事故，最大限度地減少由于輪胎爆胎而引發(fā)的交通事故，尤其是防范由此引發(fā)的群死群傷事故，已成為社會(huì )各界共同關(guān)心的課題。輪胎爆胎監測系統能實(shí)時(shí)監測各個(gè)輪胎的壓力和溫度等數據，對輪胎漏氣、氣壓過(guò)高、過(guò)低或溫度過(guò)高進(jìn)行報警。其工作可有效減少汽車(chē)爆胎事故的發(fā)生，是汽車(chē)安全行駛的有效保證。

1 系統介紹

目前已經(jīng)面世的輪胎爆胎預警系統可分為兩大類(lèi)型：一種是間接式，另一種是直接式。間接式主要通過(guò)汽車(chē)ABS系統的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉速差別，從而間接測量輪胎氣壓，因準確性較差，現在已逐步淡出市場(chǎng)。直接式主要利用安裝在每一個(gè)輪胎里面的壓力、溫度傳感器來(lái)直接測量輪胎氣壓和溫度，然后通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)通信的方式與裝在駕駛室的控制主機通信，主機顯示各個(gè)輪胎相關(guān)信息或進(jìn)行壓力、溫度報警，其工作原理如圖1所示。

目前，大多數的汽車(chē)輪胎都取消了內胎，這為輪胎內置感應傳感器的安裝帶來(lái)極大的方便，其產(chǎn)品占有應用市場(chǎng)的絕大多數份額，且發(fā)展速度較快，但是在直接式輪胎爆胎預警系統發(fā)展和應用過(guò)程中，由于其所處環(huán)境的復雜性決定其需要更加可靠的硬件設計來(lái)維持系統的穩定工作，這其中有2個(gè)突出的問(wèn)題嚴重制約輪胎爆胎預警系統的發(fā)展，一是如何延長(cháng)系統總的工作時(shí)間，二是如何通過(guò)檢測端射頻天線(xiàn)設計來(lái)增強數據的有效發(fā)射。本文以這兩個(gè)突出問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，在輪胎爆胎預警系統硬件設計上進(jìn)行改進(jìn)，從而有效地延長(cháng)系統工作時(shí)間和天線(xiàn)射頻信號發(fā)射可靠性。

2 延長(cháng)系統工作時(shí)間

傳統的輪胎氣壓溫度檢測端通常將傳感器、微控制器、射頻天線(xiàn)和電池集中密封在一個(gè)電路板上，用鋁制螺桿通過(guò)輪胎氣門(mén)嘴固定在輪轂上，檢測端電池無(wú)法更新，其總工作時(shí)間取決于系統功耗大小和電池容量，一旦電池沒(méi)電，就必須更換新的檢測端。這種一次性的做法不僅費工而且運行成本較高，給大范圍普及輪胎爆胎預警系統造成很大困難。本文通過(guò)設計可更換的輪胎監測端電池結構和采用LF低頻喚醒技術(shù)降低功耗兩種方法來(lái)有效延長(cháng)系統工作時(shí)間。

2．1 檢測端內置傳感器外置電池設計

文中設計一種應用在輪胎檢測端的內置傳感器外置電池的設計。該設計與傳統方法最大的不同之處在于鋰電池外置并固定在輪胎氣門(mén)嘴上，在可靠為測量端提供電源的基礎上能確保電池更換方便，可無(wú)限延長(cháng)檢測端的工作時(shí)間，其具體結構如圖2所示。電池的正負極通過(guò)特制墊片向傳感器供電且彼此用絕緣橡膠墊隔離。當需要為輪胎充氣時(shí)，只需擰下電池倉，即可直接向輪胎充氣。需要強調，由于電池和和傳感器等裝置的安裝，造成輪胎的質(zhì)量分布不均，在輪胎高速旋轉時(shí)，不平衡的離心力作用會(huì )引起車(chē)體振動(dòng)，影響汽車(chē)的操控性能和安全性能。所以使用之前，必須對4個(gè)輪胎做靜平衡、力偶平衡和動(dòng)平衡等相關(guān)測試。同時(shí)還應保證電池耗盡時(shí)更換同一廠(chǎng)家同一型號的電池，保證輪胎的各項平衡參數。


2．2 LF低頻喚醒裝置

延長(cháng)系統總的工作時(shí)間還可以采取降低輪胎測量端電流消耗的方式。即當汽車(chē)停止時(shí)或低速運行時(shí)，系統不需要知道輪胎的各項參數，可以使輪胎檢測端進(jìn)入休眠狀態(tài)。當系統需要輪胎數據時(shí)，可用LF低頻喚醒裝置喚醒處于休眠狀態(tài)的輪胎檢測端。所謂低頻喚醒技術(shù)由諧振電路發(fā)展而來(lái)，如圖3所示。圖中右邊為L(cháng)C組成的串聯(lián)諧振電路，它的固有諧振頻率為，當其天線(xiàn)L3接收到這個(gè)頻率信號時(shí)便會(huì )使電路發(fā)生諧振而產(chǎn)生感應電壓。由電磁場(chǎng)理論：rλ／2π=c／2πf時(shí)，能收到磁場(chǎng)感應。其中λ為信號波長(cháng)，f為信號頻率，c為光速，r為發(fā)射與接收之間的距離。該LF低頻信號選用125 kHz，根據以上公式其適用距離可達上百米，完全適用于駕駛室與輪胎之間1～2 m的距離。