一種動(dòng)態(tài)調(diào)整汽車胎壓的機(jī)制設(shè)計(jì)

宋嶺林

（呼和浩特市第一中學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特，010030）

0 引言

充氣輪胎是車輛的基礎(chǔ)部件之一，其關(guān)乎車輛的安全性，決定車輛能否正常行駛。而充氣輪胎的胎壓，又直接與輪胎各方面的性能相關(guān)聯(lián)。所以，通過調(diào)整胎壓，車輛便可以獲得更優(yōu)的安全性與操控性[1-2]。但是，在現(xiàn)實(shí)情況中，車輛的胎壓并不能夠一直處于最優(yōu)狀態(tài)，原因如下：第一，由于人們對(duì)輪胎的忽視，胎壓問題常常會(huì)被人們所忽略；第二，環(huán)境溫度以及輪胎自身的溫度都會(huì)對(duì)輪胎的氣壓以及性能產(chǎn)生影響。再者，車輛的驅(qū)動(dòng)形式、實(shí)載、行駛狀態(tài)、路面狀況甚至轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的重心偏移，都會(huì)改變各個(gè)輪胎相對(duì)獨(dú)立的最優(yōu)胎壓值。現(xiàn)有的研究方向主要集中在胎壓監(jiān)測上，以此對(duì)輪胎進(jìn)行延后處理[3-4]，但是胎壓監(jiān)測系統(tǒng)只能幫助了解輪胎胎壓狀態(tài)，無法解決車輛行進(jìn)過程中出現(xiàn)車輛因路況不佳時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。另外，針對(duì)爆胎的危險(xiǎn)，也有學(xué)者提出了設(shè)置安全機(jī)制的方法：胎側(cè)補(bǔ)強(qiáng)型安全輪胎、防輪胎脫圈裝置以及相關(guān)的輪胎氣壓監(jiān)測技術(shù)等[5]，除了監(jiān)測之外，其他的方法也主要針對(duì)爆胎發(fā)生之時(shí)的補(bǔ)救處理，并沒有提及爆胎前的應(yīng)對(duì)方法。可見，現(xiàn)在對(duì)于運(yùn)行中的車輛輪胎胎壓動(dòng)態(tài)調(diào)整的研究較少。

針對(duì)充氣輪胎的氣壓調(diào)整，就國內(nèi)而言，目前調(diào)整胎壓的途徑仍十分有限，一般情況下，大部分人會(huì)選擇到汽修廠或輪胎店調(diào)整胎壓，但這種方法存在一些不足：首先，前往汽修廠或輪胎店調(diào)節(jié)胎壓，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。其次，技師水平的參差不齊，無法對(duì)胎壓做到精確調(diào)整，且不能保證其是否符合特定的車況及用車環(huán)境。在國外，部分半掛車已經(jīng)安裝了PSI 輪胎自動(dòng)充氣系統(tǒng)（Meritor Tire Inflation System）,安裝該系統(tǒng)，駕駛員在車內(nèi)即可對(duì)輪胎進(jìn)行測壓及充放氣等操作，對(duì)輪胎進(jìn)行測壓及充放氣等操作，從而提高車輛的安全性、通過性，以及駕駛員的舒適性。但該系統(tǒng)仍有其局限性，例如：涉及車種十分有限，PSI 系統(tǒng)目前僅應(yīng)用于半掛車等大型汽車及軍用汽車，而在民用領(lǐng)域尤其是轎車方面仍處于空白；在調(diào)節(jié)的靈活性上，其也存在有一定的缺陷，該系統(tǒng)無法針對(duì)各個(gè)車輪胎壓區(qū)分調(diào)節(jié)；由于仍需駕駛員人為操作和啟動(dòng)，該系統(tǒng)在智能化程度上能也并無優(yōu)勢。此外，裝配有PSI 系統(tǒng)的車輛，都配備有外置連接氣門芯的軟質(zhì)充氣導(dǎo)管，該裝置可能會(huì)影響車輪的動(dòng)平衡，而且影響車輛的美觀，存在一定的老化問題。

針對(duì)以上問題，本文提出一種針對(duì)于家用乘用車，可區(qū)分調(diào)節(jié)各輪胎壓的一種動(dòng)態(tài)調(diào)整汽車胎壓的機(jī)制設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可依靠車輛傳感器分析路面信息，判斷路面狀況，自動(dòng)調(diào)整胎壓。還可根據(jù)車輛驅(qū)動(dòng)形式，不同車輪的壓力數(shù)據(jù)，區(qū)分調(diào)整各輪胎壓，使輪胎與懸架系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、空氣動(dòng)力系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等配合工作，從而提升車輛安全性、機(jī)動(dòng)性及車輛的駕駛樂趣。

1 整體方案

本文提出的一種動(dòng)態(tài)調(diào)整汽車胎壓的機(jī)制設(shè)計(jì)方案主要包括了中央調(diào)控系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)和放氣系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。該機(jī)制主要是由汽車專用微機(jī)控制器“行車電腦”ECU（Electronic Control Unit）電子控制單元來控制，并完成車輛行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)調(diào)控[6-7]。

充氣系統(tǒng)包括安裝在輪拱內(nèi)側(cè)的高功率小型氣泵、空心密封式半軸和特殊設(shè)計(jì)的中空聯(lián)通式輪轂。放氣系統(tǒng)由各輪轂安裝的電控蝶閥式氣門芯組成。中央調(diào)控系統(tǒng)集成在車輛ECU 中，同時(shí)連接充氣系統(tǒng)與放氣系統(tǒng)。該機(jī)制通過對(duì)車輛自身動(dòng)態(tài)狀況（輪胎溫度及其與地面的附著力、車輛驅(qū)動(dòng)形式、質(zhì)量前后分配比、各車輪所承載的質(zhì)量、各懸掛的壓縮或拉伸程度等）以及行駛條件（行駛路況、環(huán)境溫度等）的分析，對(duì)胎壓進(jìn)行整體或單獨(dú)的調(diào)節(jié)。

圖1 動(dòng)態(tài)調(diào)整汽車胎壓機(jī)制設(shè)計(jì)原理圖

該動(dòng)態(tài)機(jī)制可有效降低車輛在冰雪等惡劣路況下發(fā)生事故的幾率，增強(qiáng)汽車的全地形適應(yīng)能力，顯著提升車輛的性能。從而保障駕駛員及車內(nèi)乘客的人生財(cái)產(chǎn)安全，提升駕駛員的駕駛樂趣。

2 中央調(diào)控系統(tǒng)

中央調(diào)控系統(tǒng)位于車輛行車電腦（ECU）的特定區(qū)域。該系統(tǒng)可對(duì)外部傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前所處的環(huán)境及路況條件，從而下達(dá)充氣或放氣的指令，對(duì)胎壓實(shí)施一致（可區(qū)分前、后輪）的、大幅度的調(diào)整。系統(tǒng)還可通過行車電腦（ECU）實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛者的操控動(dòng)作，監(jiān)測汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在行駛中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、區(qū)分輪胎化的胎壓微調(diào)。

環(huán)境溫度會(huì)明顯改變充氣輪胎的氣壓，且輪胎的主要成分為橡膠，其在不同溫度下的硬度、彈性及摩擦系數(shù)等參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變。在不同路況下（如沙地、砂石路面、柏油路面等），車輛的適宜胎壓也會(huì)改變。當(dāng)氣溫或路況改變時(shí)，中央調(diào)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)工作，并根據(jù)車載監(jiān)測設(shè)備（溫度儀、路況傳感器等）所給數(shù)據(jù)，計(jì)算輪胎的適宜胎壓。

在車輛行駛過程中，車輛因加速或剎車產(chǎn)生的重心變化、驅(qū)動(dòng)輪輸出扭矩改變、輪胎承載質(zhì)量改變、懸架壓縮或拉伸程度變化等也會(huì)影響各輪胎獨(dú)立的適宜胎壓。因此，中央調(diào)控系統(tǒng)可通過行車電腦（ECU）實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛者的操控動(dòng)作（轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和油門等），還可通過陀螺儀、加速度計(jì)、傳感器、微電腦矩陣等精密儀器以及胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）、車載診斷系統(tǒng)（OBD）、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）等車輛信息系統(tǒng)監(jiān)測汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，持續(xù)向充氣及放氣系統(tǒng)發(fā)出指令，對(duì)行駛中的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、區(qū)分輪胎化的胎壓微調(diào)，同時(shí)適配其他系統(tǒng)（動(dòng)力系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等）的工作。

3 充氣及放氣系統(tǒng)

充氣系統(tǒng)包括安裝在輪拱內(nèi)側(cè)的小型高功率氣泵、中空密封式半軸、與半軸相連通的中空式輪轂（中通式輪輻、聯(lián)通式輪輞），中空密封式半軸及中空式輪轂設(shè)計(jì)如圖2 所示（藍(lán)色陰影部分為中通式輪輻、聯(lián)通式輪輞、中空密封式半軸）。放氣系統(tǒng)由輪轂安裝的電控蝶閥式氣門芯組成，如圖3 所示。充放氣系統(tǒng)在車輛通電時(shí)便可啟動(dòng)，并與中央調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)連接，隨即進(jìn)入工作狀態(tài)。

充氣系統(tǒng)的工作原理是：在車輛靜止情況下，中央調(diào)控系統(tǒng)下達(dá)大幅度升高胎壓的指令或駕駛員人為控制胎壓時(shí)，車載氣泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)輪胎進(jìn)行正常速度的充氣，此時(shí)充氣系統(tǒng)的能耗較低；在車輛行駛過程中，氣泵將以高功率模式工作，根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)對(duì)輪胎進(jìn)行快速微量的充氣，此時(shí)系統(tǒng)充氣的效率將大幅提高，在調(diào)控機(jī)構(gòu)下達(dá)指令即刻完成充氣。由于此時(shí)充氣特點(diǎn)為高效、微量，所以并不會(huì)造成能源浪費(fèi)和設(shè)備過度磨損等問題。

圖2 聯(lián)通式輪轂剖面圖

圖3 電控氣門芯

放氣系統(tǒng)的工作原理是：在車輛靜止情況下，中央調(diào)控機(jī)構(gòu)下達(dá)大幅放氣的指令或駕駛員人為降低胎壓時(shí)，電控氣門芯的蝶閥會(huì)以較小的開度放氣，降低排氣速度以避免高壓氣體大量快速釋放而造成的安全隱患；在車輛行駛過程中，為提高放氣機(jī)構(gòu)的效率且保障行駛安全，電控氣門芯蝶閥會(huì)以較大開度瞬間啟閉，從而在極短的時(shí)間微量放氣。

充氣和放氣系統(tǒng)可配合工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的胎壓調(diào)整，其隱藏式的通氣機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡潔、不影響車輛美觀、日后維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)。中空的輪轂軸管及輪轂還有助于減輕車輛的簧下質(zhì)量，提升操控性能。

4 結(jié)論

本文提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整汽車胎壓的機(jī)制，主要以中央控制系統(tǒng)（集成在車輛ECU，可根據(jù)各傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算每只輪胎的最佳氣壓）、充氣系統(tǒng)（安裝在輪拱內(nèi)側(cè)的小型高功率氣泵、中空密封式半軸和特殊設(shè)計(jì)的中空式輪轂）、放氣系統(tǒng)(電控蝶閥式氣門芯)的結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)核心。該機(jī)制可對(duì)每只輪胎的氣壓進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)，可有效提高車輛的安全性、舒適性、機(jī)動(dòng)性、操控性。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單，不會(huì)明顯影響整車質(zhì)量以及車輛的簧下質(zhì)量，實(shí)踐可行性高，日后維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)濟(jì)方便。

此外，該機(jī)制設(shè)計(jì)在后續(xù)的研發(fā)中還可設(shè)計(jì)與主動(dòng)空氣動(dòng)力系統(tǒng)（可調(diào)式尾翼、空氣剎車）、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、四輪線控制動(dòng)系統(tǒng)（4-wheel break-by-wire system）、差速系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作的體系，有助于提升車輛性能。