輪胎智能化發(fā)展概述

吳長(zhǎng)輝，李紅衛(wèi)，田 健，陳 虎，趙彥偉

[特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266061]

1 輪胎智能化研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，通訊技術(shù)及人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)、智慧交通、共享汽車等逐漸得以應(yīng)用，對(duì)輪胎的開發(fā)提出了更高要求。尤其是在新能源汽車飛速發(fā)展的帶動(dòng)下，汽車的主動(dòng)安全技術(shù)作為車輛智能化的一部分，已經(jīng)從傳統(tǒng)的加強(qiáng)車身強(qiáng)度進(jìn)一步提升至車輛主動(dòng)預(yù)防。汽車的主動(dòng)安全技術(shù)主要是指通過預(yù)先的防范避免事故發(fā)生的技術(shù)[1]，主要通過主動(dòng)安全系統(tǒng)預(yù)判車輛可能發(fā)生的危險(xiǎn)并通過車輛駕駛系統(tǒng)及動(dòng)作規(guī)避駕駛風(fēng)險(xiǎn)，提升車輛安全性能。作為車輛接地部件，輪胎的智能化對(duì)于車輛的安全性具有十分重要的作用，為了進(jìn)一步探明車輛對(duì)智能化輪胎的需求，從以下2個(gè)方面進(jìn)行調(diào)研和分析。

1.1 車輛主動(dòng)安全技術(shù)需求

一方面隨著芯片、相機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，車輛主動(dòng)安全技術(shù)逐漸成熟，如主動(dòng)剎車、車道保持等，尤其是主動(dòng)剎車技術(shù)對(duì)于行人和駕駛者更為重要，輪胎作為車輛的接地部件，其自身安全直接影響到車輛的主動(dòng)安全技術(shù)，包含輪胎的充氣壓力、溫度、負(fù)荷等。另一方面，在車輛使用過程中，新能源車輛電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩與傳統(tǒng)燃油車輛相比更大，輪胎磨損更為嚴(yán)重且異常磨損的概率更大，輪胎各項(xiàng)性能隨著輪胎磨損嚴(yán)重而下降，可能會(huì)直接導(dǎo)致車輛的主動(dòng)安全技術(shù)失效，包含輪胎的干地制動(dòng)性能、濕地制動(dòng)性能、干地操控性能、濕地操控性能等，輪胎性能下降輕者導(dǎo)致車輛的方向穩(wěn)定性降低、制動(dòng)距離增大等，重者直接威脅駕駛者及乘客的安全。

綜合考慮，對(duì)輪胎磨損狀態(tài)或性能變化進(jìn)行有效監(jiān)控和預(yù)測(cè)對(duì)于車輛的主動(dòng)安全技術(shù)非常重要。

1.2 車輛智能化發(fā)展需求

自動(dòng)駕駛技術(shù)的逐漸成熟和穩(wěn)定對(duì)輪胎提出了新要求，尤其是車輛在不同環(huán)境下自動(dòng)駕駛時(shí)外界感知尤為重要，作為自動(dòng)駕駛技術(shù)中的一部分，通過在輪胎內(nèi)部植入傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎、車輛乃至道路信息的監(jiān)測(cè)[2]，增強(qiáng)車輛路面感知能力。作為車輛的接地部件，輪胎在各種環(huán)境狀態(tài)下的參數(shù)及性能為車輛駕駛系統(tǒng)提供了判斷數(shù)據(jù)。例如，在路況良好且車輛安全行駛的情況下，可以通過調(diào)整輪胎參數(shù)降低輪胎滾動(dòng)阻力，提升車輛續(xù)航能力；在惡劣天氣或者濕滑路面行駛時(shí)，可以通過改變輪胎充氣壓力及溫度參數(shù)增大輪胎的抓地力，從而提升車輛的操控性能。綜上可知，車輛的智能化發(fā)展與輪胎的智能化息息相關(guān)，后者可謂前者的觸覺。

車輛的智能化不斷發(fā)展，作為車輛的驅(qū)動(dòng)部件，輪胎智能化需求越來越高，應(yīng)用場(chǎng)景也越來越豐富。

2 輪胎智能化發(fā)展需求

目前輪胎智能化依據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景可分為電動(dòng)汽車、智慧城市、共享汽車、試驗(yàn)測(cè)試4部分，具體如圖1所示。

圖1 輪胎智能化應(yīng)用場(chǎng)景

從圖1可知，智能輪胎應(yīng)用場(chǎng)景十分廣闊，其包含輪胎的生產(chǎn)、試驗(yàn)、原配輪胎配套測(cè)試、共享汽車維護(hù)、城市智慧交通管理等，下面以自動(dòng)駕駛技術(shù)涉及的輪胎智能化為例進(jìn)行介紹。

2.1 汽車主動(dòng)安全及駕駛體驗(yàn)改善

自動(dòng)駕駛最核心的部分是汽車的主動(dòng)安全技術(shù)，而汽車的主動(dòng)安全技術(shù)最主要的部分是車輛的動(dòng)作控制，車輛控制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建立于對(duì)外界環(huán)境的感知，作為車輛的接地部件，輪胎的感知不僅包含對(duì)路面的感知，也包含對(duì)自身參數(shù)性能的監(jiān)控及預(yù)測(cè)。據(jù)調(diào)查分析，涉及輪胎主動(dòng)安全性的主要特征參數(shù)包括輪胎磨耗、胎壓、溫度、摩擦系數(shù)和壓力分布等。除此之外，自動(dòng)駕駛技術(shù)還涉及車輛駕駛及操控體驗(yàn)改善，主要涉及輪胎的胎壓調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、摩擦系數(shù)估算、輪胎側(cè)偏角估算以及其他參數(shù)估算等。因此，汽車主動(dòng)安全及駕駛體驗(yàn)改善與輪胎參數(shù)監(jiān)控及參數(shù)調(diào)節(jié)密不可分。

2.2 輪胎安全管理

輪胎安全直接關(guān)系著駕乘人員安全，一方面，隨著新能源汽車及燃油汽車的發(fā)展，車輛的扭矩、質(zhì)量等更大，續(xù)航里程更長(zhǎng)，針對(duì)輪胎的自身安全管理十分重要，這其中包含輪胎續(xù)航里程、磨損狀態(tài)、安全氣壓、損壞溫度等，在此環(huán)境下，精確預(yù)測(cè)和判斷輪胎的安全對(duì)車輛的安全十分重要。另一方面，隨著共享汽車的應(yīng)用，汽車安全維護(hù)也十分重要，其中就包含輪胎的安全管理，尤其是停放較久的車輛，其輪胎是否能夠滿足出行要求直接影響著車輛駕乘人員的安全。因此，輪胎智能化對(duì)輪胎的安全管理不可缺少。

2.3 路面狀態(tài)預(yù)測(cè)

隨著汽車保有量的飛速提高，由雨雪天氣濕滑路面直接造成的交通事故越來越多，不僅威脅人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，還對(duì)交通管理造成挑戰(zhàn)，此時(shí)需要快速避免連環(huán)車禍的發(fā)生。第一起車禍發(fā)生后，智能輪胎對(duì)地面狀態(tài)產(chǎn)生感知，通過5G通訊技術(shù)第一時(shí)間通知智慧交通系統(tǒng)，智慧交通反饋至后方正在行駛的車輛，督促其采取安全的駕駛動(dòng)作，可以達(dá)到避免某一路段連續(xù)發(fā)生交通事故的目的。

對(duì)于車輛的自動(dòng)駕駛，路面狀態(tài)的判斷和預(yù)測(cè)、車輛的控制等具有很大作用。第一，利用傳感器系統(tǒng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)輪胎和路面狀況，精確評(píng)估汽車的行駛狀態(tài)并及時(shí)預(yù)警；第二，智能輪胎系統(tǒng)可以感知輪胎的六分力及輪胎與路面之間的摩擦接觸情況，為車輛的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)提供更加可靠的數(shù)據(jù)，極大地提高了車輛控制系統(tǒng)（例如制動(dòng)防抱死系統(tǒng)ABS、汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)ACC、汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)等）的控制效果，從而使車輛更加智能和安全；第三，通過輪胎的地面預(yù)測(cè)，可第一時(shí)間對(duì)車輛進(jìn)行有效預(yù)警并作出安全控制。

3 輪胎智能化解決方案

3.1 輪胎智能化解決案例

目前已有的智能化解決方案主要以米其林、倍耐力、馬牌等高端品牌輪胎為主。

米其林競(jìng)馳Track Connect智能操控系統(tǒng)（如圖2所示）通過在輪胎內(nèi)部安裝傳感器裝置與車輛或手機(jī)連接[3]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部溫度和充氣壓力的變化情況，并可根據(jù)天氣情況進(jìn)行暖胎指導(dǎo)，保證輪胎充分熱身，除此之外還可通過前后輪胎的變化預(yù)測(cè)車輛是否存在過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足等問題。

圖2 米其林競(jìng)馳Track Connect智能操控系統(tǒng)

倍耐力CyberCar技術(shù)（如圖3所示）通過安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器裝置[4]與車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行連接和互通，為車輛和駕駛者提供輪胎類型（夏季輪胎或冬季輪胎）、規(guī)定胎壓、載重指數(shù)和速度級(jí)別以及車輛行駛中輪胎溫度和充氣壓力等信息，并可基于輪胎實(shí)際特性和狀態(tài)校準(zhǔn)駕駛者警示系統(tǒng)。此外，當(dāng)輪胎達(dá)到最佳工作溫度時(shí)，駕駛者會(huì)收到相關(guān)提示，便于其找到輪胎合適的工作窗口，以發(fā)揮輪胎的最大優(yōu)勢(shì)。此外，駕駛者還會(huì)收到“為輪胎降溫”的提示，如同與賽車工程師同行。

圖3 倍耐力CyberCar技術(shù)

據(jù)官方介紹，大陸集團(tuán)的馬牌智能輪胎（如圖4所示）帶有監(jiān)控裝置，可提供準(zhǔn)確的輪胎充氣壓力和溫度讀數(shù)，以防止輪胎損壞和故障，最大限度地減少對(duì)輪胎自身的影響，延長(zhǎng)輪胎使用壽命。該監(jiān)控裝置安裝在輪胎內(nèi)襯層上，避免了氣門嘴損壞和空氣泄漏[5]。

圖4 馬牌智能輪胎

綜上所述，輪胎的智能化解決方案的主要方式是通過安裝輪胎監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而為車輛的駕駛提供合理的輪胎參數(shù)、輪胎實(shí)際狀態(tài)提示和路面狀態(tài)預(yù)測(cè)等，并通過車輛駕駛系統(tǒng)合理地控制輪胎以及車輛的使用，從而根據(jù)車輛駕駛環(huán)境自適應(yīng)地使用輪胎，發(fā)揮輪胎的最佳性能，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，因此輪胎的傳感器裝置設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

3.2 輪胎傳感器裝置設(shè)計(jì)

輪胎傳感器裝置用于監(jiān)測(cè)輪胎特征參數(shù)[6]，其設(shè)計(jì)主要涉及2個(gè)方面。一方面，輪胎傳感器裝置要滿足車輛對(duì)輪胎參數(shù)的監(jiān)控需求，其包含模塊如圖5所示。另一方面，傳感器裝置對(duì)輪胎自身存在影響，主要涉及3個(gè)方面：第一，傳感器裝置安裝位置是否對(duì)輪胎自身性能造成影響，包含輪胎動(dòng)平衡、均勻性等性能；第二，由于車輛行駛過程中，輪胎傳感器安裝位置接觸面的變形與傳感器裝置不一致，容易造成輪胎疲勞損害進(jìn)而威脅輪胎安全；第三，在車輛行駛過程中，應(yīng)保證輪胎監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)防止傳感器裝置由于輪胎的自由滾動(dòng)而失效或者斷裂。

圖5 輪胎傳感器裝置模塊

3.3 輪胎傳感器功能設(shè)計(jì)

輪胎傳感器功能設(shè)計(jì)首先按照智能輪胎功能包含輪胎參數(shù)監(jiān)控，主要涉及車輛主動(dòng)安全技術(shù)，其次包含輪胎地面狀態(tài)判斷以及各場(chǎng)景下輪胎自身參數(shù)調(diào)整，具體如下：（1）輪胎參數(shù)監(jiān)控包含輪胎胎壓實(shí)時(shí)變化、輪胎壓力分布；（2）輪胎地面狀態(tài)判斷，包含地面干燥狀況、濕滑狀態(tài)、是否積水或結(jié)冰等；（3）各場(chǎng)景下輪胎自身參數(shù)調(diào)整依據(jù)車輛的駕駛場(chǎng)景可分為干燥路面、濕滑路面、積水路面、雨雪路面、冰雪路面等。最后是輪胎傳感器裝置與車輛及輪胎調(diào)節(jié)裝置的信息交互，原理如圖6所示，其主要包含輪胎傳感器裝置與車輛ECU的信號(hào)傳輸，輪胎傳感器裝置與胎壓調(diào)節(jié)裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置等的信息傳輸，目的主要是根據(jù)車輛不同駕駛場(chǎng)景對(duì)輪胎參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下輪胎性能的改善，滿足車輛對(duì)輪胎智能化的需求。

圖6 輪胎傳感器裝置傳輸示意

3.4 輪胎傳感器裝置安裝

由于傳感器裝置直接安裝在輪胎內(nèi)襯層上，主要需注意兩點(diǎn)：一是輪胎內(nèi)襯層紋路形狀對(duì)傳感器裝置的固定存在影響，應(yīng)選擇合適的內(nèi)襯層紋路以避免輪胎安裝位置出現(xiàn)條紋凸起；二是輪胎傳感器裝置自身質(zhì)量對(duì)輪胎動(dòng)平衡和均勻性等存在影響，應(yīng)避免安裝在輪胎質(zhì)量最大點(diǎn)位置，而選擇安裝在質(zhì)量最小點(diǎn)位置。

綜上所述，輪胎智能化解決方案主要包含以下幾個(gè)方面：第一，輪胎傳感器裝置設(shè)計(jì)主要包含輪胎傳感器裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器選型、算法設(shè)計(jì)并考慮傳感器裝置對(duì)輪胎的影響；第二，輪胎傳感器裝置的安裝位置。通過安裝輪胎傳感器裝置，并與車輛ECU及其他調(diào)節(jié)部件協(xié)同可實(shí)現(xiàn)輪胎的智能化。

4 結(jié)語

輪胎智能化是汽車智能化的重要前提，在輪胎內(nèi)部安裝傳感器，可將輪胎由一個(gè)被動(dòng)部件轉(zhuǎn)化為主動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。通過輪胎傳感器裝置的設(shè)計(jì)和安裝，可獲得輪胎智能化解決方案。