基于電磁兼容試驗(yàn)的直接式TPMS環(huán)境艙

王曉迪/上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心技術(shù)有限公司

0 引言

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）是機(jī)動(dòng)車?yán)^安全氣囊和防抱死系統(tǒng)之后的又一重要安全系統(tǒng)，其主要功能是在機(jī)動(dòng)車靜止和行駛時(shí)對(duì)輪胎壓力和胎內(nèi)溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)過壓、欠壓和溫度異常等情況，即自動(dòng)報(bào)警提醒駕乘人員，用以輔助駕駛安全，大大降低交通事故的發(fā)生率[1]。TPMS按照運(yùn)行模式分為間接式和直接式。所謂間接式TPMS是依靠輪速傳感器監(jiān)測(cè)4個(gè)輪胎的輪速差，起到出現(xiàn)異常情況的提醒作用[2]，無法提供真實(shí)的輪胎壓力值和胎內(nèi)溫度值是其最大的弊端。而直接式TPMS是在車胎內(nèi)布置帶信號(hào)發(fā)射功能的高靈敏度微型無線傳感裝置，根據(jù)車輛狀態(tài)自動(dòng)切換睡眠和喚醒模式，可以自動(dòng)傳輸實(shí)時(shí)的輪胎壓力值和胎內(nèi)溫度值[3]。

在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，開展電磁兼容檢測(cè)時(shí)，如果實(shí)驗(yàn)室沒有配備專用的設(shè)備，無論輻射發(fā)射還是輻射抗擾度測(cè)試，TPMS胎壓傳感器只能在大氣壓環(huán)境內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，壓力不變，監(jiān)控值恒定。這種情況可能會(huì)對(duì)某些電磁兼容特性造成錯(cuò)誤的判斷，影響測(cè)試結(jié)果。

壓力環(huán)境艙測(cè)試裝置的建立將有助于完善直接式TPMS在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)模擬各種可能的胎壓工況，從而有能力為直接式TPMS在相關(guān)國家強(qiáng)制認(rèn)證如GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》[4][5]、企業(yè)研發(fā)、新標(biāo)準(zhǔn)的制定與驗(yàn)證等方面提供能力保障。

2005年起，歐美日等發(fā)達(dá)國家開始實(shí)施胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)法規(guī)，而大部分發(fā)展中國家則于2015起陸續(xù)實(shí)施，我國于2017年發(fā)布了GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》，并且明確新車型于2019年1月1日起強(qiáng)制裝配胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。因此，研發(fā)一種胎壓可調(diào)控且適應(yīng)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室電波暗室特殊電氣環(huán)境和屏蔽效能要求的裝置，將有助于國家開展強(qiáng)制認(rèn)證。

1 壓力環(huán)境艙測(cè)試裝置

本項(xiàng)目為直接式TPMS研發(fā)一套分隔式壓力環(huán)境艙測(cè)試裝置（以下簡稱裝置），該裝置的運(yùn)行和控制完全符合在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)使用的相關(guān)技術(shù)要求，不額外引入不確定性的傳導(dǎo)和輻射干擾，尤其能夠在遭遇強(qiáng)電磁干擾的情況下保持正常工作。該裝置主要由4個(gè)獨(dú)立可調(diào)壓力的環(huán)境艙和1套控制臺(tái)組成。

1.1 機(jī)械部分

裝置的主要構(gòu)成為底板、腔體基體、旋轉(zhuǎn)體、氣動(dòng)電機(jī)、氣門、腔體加蓋。

該裝置由非金屬材料制成，腔體基體用于固定電機(jī)和旋轉(zhuǎn)體，4個(gè)可調(diào)氣壓大小的獨(dú)立腔體，每個(gè)腔體中都有一個(gè)旋轉(zhuǎn)體（內(nèi)置軸承）來模擬機(jī)動(dòng)車輪胎旋轉(zhuǎn)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體上有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)槽口，固定胎壓傳感器。對(duì)于無法擰開的氣門，利用其6 mm槽，卡入旋轉(zhuǎn)體的槽內(nèi)進(jìn)行安裝。每個(gè)腔體對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)（出）氣孔，接上氣管后連接氣泵及控制系統(tǒng)，分別用來調(diào)節(jié)腔體內(nèi)氣壓值以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的氣動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

考慮到裝置的總質(zhì)量和使用的便捷性，對(duì)裝置腔體的基體進(jìn)行切割，使4個(gè)腔體能夠分離，單獨(dú)使用。單個(gè)壓力環(huán)境艙的構(gòu)造如圖1所示，腔體加蓋為特殊PC材料制成，防爆防撞擊。圖2為4個(gè)腔體加蓋后的實(shí)物圖。

圖1 壓力環(huán)境艙構(gòu)造

圖2 壓力環(huán)境艙加蓋后

1.2 氣動(dòng)和電氣部分

裝置的氣源同時(shí)為氣動(dòng)電機(jī)和壓力環(huán)境艙服務(wù)，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來模擬機(jī)動(dòng)車輪胎旋轉(zhuǎn)，提供激活胎壓傳感器所需的加速度，而給壓力環(huán)境艙提供可變化的氣壓值。圖3為該裝置的整體氣動(dòng)原理圖，除了氣源、氣動(dòng)電機(jī)、壓力環(huán)境艙以外，還用到各類調(diào)壓閥、開關(guān)閥、電磁閥、液壓閥以及為了安全的防爆閥等。

圖3 裝置氣動(dòng)原理

圖4為控制臺(tái)的實(shí)物以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，氣源進(jìn)入控制臺(tái)后分兩路，分別用來調(diào)節(jié)艙腔體氣壓和驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，控制臺(tái)右邊上三排為4個(gè)獨(dú)立壓力環(huán)境艙的開關(guān)、壓力值顯示和調(diào)壓閥，最后一排為4個(gè)氣動(dòng)電機(jī)的調(diào)壓閥和開關(guān)。使用時(shí)均先調(diào)節(jié)好氣壓值再打開對(duì)應(yīng)開關(guān)。

圖4 控制臺(tái)實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5為該裝置的電氣原理，其中的無紙記錄儀為220 V供電，該記錄儀集測(cè)量、顯示、處理、運(yùn)算、報(bào)警、記錄等多功能為一體，具有18路模擬量信號(hào)輸入通道、4路繼電器報(bào)警輸出、150 mA配電輸出、1路RS-485通信接口，并擁有1個(gè)USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存接口。所用的壓力傳感器由24 V直流供電，壓力為0～5 bar（1 MPa=10 bar），該胎壓值范圍能夠支持市場(chǎng)上絕大部分的乘用車[7]。

圖5 壓力環(huán)境艙電氣原理

2 試驗(yàn)驗(yàn)證比對(duì)

選取某廠家典型直接式TPMS進(jìn)行ECE R10標(biāo)準(zhǔn)的輻射發(fā)射（RE）測(cè)試比對(duì)試驗(yàn)，以30～200 MHz水平極化輻射窄帶騷擾為例。第一種情況為不使用該裝置，第二種情況為使用該裝置，其他條件均相同，以此驗(yàn)證該裝置的使用是否會(huì)產(chǎn)生額外的輻射騷擾，影響實(shí)驗(yàn)室本底，進(jìn)而影響后續(xù)試驗(yàn)的開展。

1）第一種情況，不使用該裝置，30～200 MHz水平極化輻射帶騷擾性的掃描過程見圖6、終測(cè)值見表1。

圖6 30～200 MHz水平極化輻射窄帶騷擾特性掃描過程（不使用該裝置）

表1 30～200 MHz水平極化輻射窄帶騷擾特性終測(cè)值（不使用該裝置）

2）第二種情況，使用該裝置，20～200 MHz水平極化輻射帶騷擾性的掃描過程見圖7、終測(cè)值見表2。

圖7 30～200 MHz水平極化輻射窄帶騷擾特性掃描過程（使用該裝置）

表2 30～200 MHz水平極化輻射窄帶騷擾特性終測(cè)值（使用該裝置）

經(jīng)過兩種情況下輻射騷擾RE測(cè)試結(jié)果的比對(duì)可以看出，由于該裝置使用了非金屬材料和氣動(dòng)電機(jī)，沒有產(chǎn)生輻射騷擾的源頭，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各個(gè)頻段內(nèi)取點(diǎn)，進(jìn)行終測(cè)，得到的平均值差值均在1 dBμV/m以內(nèi)。證明該裝置的使用不會(huì)對(duì)測(cè)試的本底產(chǎn)生影響，該裝置符合電磁兼容測(cè)試的環(huán)境要求。

3 討論

在氣壓達(dá)到設(shè)計(jì)上限并且留出一定安全余量的情況下，考慮到結(jié)構(gòu)安全性，環(huán)境艙材料選擇了不易破裂且適合電磁兼容試驗(yàn)的非金屬材料整體加工成型，并且盡可能用大圓角設(shè)計(jì)工藝，包括螺栓孔邊緣，以減少應(yīng)力集中點(diǎn)。

為不影響試驗(yàn)結(jié)果，采用氣動(dòng)電機(jī)替代電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)胎壓傳感器旋轉(zhuǎn)，由于激活各個(gè)不同廠家生產(chǎn)的胎壓傳感器所需的加速度值有差異，氣動(dòng)電機(jī)的加速度值指標(biāo)，選取了較為普遍的6～10 g。

目前，一些非氣門嘴式的直接式TPMS胎壓傳感器已經(jīng)問世，其中有些為直接捆綁固定在輪轂上，這對(duì)于測(cè)試裝置如何固定新式的胎壓傳感器提出了挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)可脫卸且適配各種傳感器尺寸和式樣的新裝置，抑或是尋找可靠高效的膠水，將其粘在輪轂上，這對(duì)裝置的工藝和安全性提出了較高要求。

另外，目前商用車、特種車輛等輪胎的推薦胎壓值較高[8]，本裝置的上限為5 bar，難以滿足測(cè)試要求，高胎壓值的壓力變化艙也是今后的研究方向。

4 結(jié)語

在滿足GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》中電磁兼容相關(guān)特殊試驗(yàn)環(huán)境要求的情況下，研制出一套用于直接式TPMS的分隔式壓力環(huán)境艙。該裝置將有助于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程精細(xì)化，能夠在測(cè)試過程中對(duì)胎壓傳感器進(jìn)行自動(dòng)喚醒激活，對(duì)胎壓值進(jìn)行精確控制，且該裝置能夠滿足電磁兼容性的特殊要求。

在滿足各類強(qiáng)檢任務(wù)的同時(shí)也可為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)的制修訂評(píng)估、方法驗(yàn)證等方面提供更好的條件保障。