一種動態調整汽車胎壓的機制設計

宋嶺林

（呼和浩特市第一中學，內蒙古呼和浩特，010030）

0 引言

充氣輪胎是車輛的基礎部件之一，其關乎車輛的安全性，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聯。所以，通過調整胎壓，車輛便可以獲得更優的安全性與操控性[1-2]。但是，在現實情況中，車輛的胎壓并不能夠一直處于最優狀態，原因如下：第一，由于人們對輪胎的忽視，胎壓問題常常會被人們所忽略；第二，環境溫度以及輪胎自身的溫度都會對輪胎的氣壓以及性能產生影響。再者，車輛的驅動形式、實載、行駛狀態、路面狀況甚至轉向時產生的重心偏移，都會改變各個輪胎相對獨立的最優胎壓值。現有的研究方向主要集中在胎壓監測上，以此對輪胎進行延后處理[3-4]，但是胎壓監測系統只能幫助了解輪胎胎壓狀態，無法解決車輛行進過程中出現車輛因路況不佳時出現的不穩定狀況。另外，針對爆胎的危險，也有學者提出了設置安全機制的方法：胎側補強型安全輪胎、防輪胎脫圈裝置以及相關的輪胎氣壓監測技術等[5]，除了監測之外，其他的方法也主要針對爆胎發生之時的補救處理，并沒有提及爆胎前的應對方法。可見，現在對于運行中的車輛輪胎胎壓動態調整的研究較少。

針對充氣輪胎的氣壓調整，就國內而言，目前調整胎壓的途徑仍十分有限，一般情況下，大部分人會選擇到汽修廠或輪胎店調整胎壓，但這種方法存在一些不足：首先，前往汽修廠或輪胎店調節胎壓，會花費大量的時間。其次，技師水平的參差不齊，無法對胎壓做到精確調整，且不能保證其是否符合特定的車況及用車環境。在國外，部分半掛車已經安裝了PSI 輪胎自動充氣系統（Meritor Tire Inflation System）,安裝該系統，駕駛員在車內即可對輪胎進行測壓及充放氣等操作，對輪胎進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。但該系統仍有其局限性，例如：涉及車種十分有限，PSI 系統目前僅應用于半掛車等大型汽車及軍用汽車，而在民用領域尤其是轎車方面仍處于空白；在調節的靈活性上，其也存在有一定的缺陷，該系統無法針對各個車輪胎壓區分調節；由于仍需駕駛員人為操作和啟動，該系統在智能化程度上能也并無優勢。此外，裝配有PSI 系統的車輛，都配備有外置連接氣門芯的軟質充氣導管，該裝置可能會影響車輪的動平衡，而且影響車輛的美觀，存在一定的老化問題。

針對以上問題，本文提出一種針對于家用乘用車，可區分調節各輪胎壓的一種動態調整汽車胎壓的機制設計。該系統可依靠車輛傳感器分析路面信息，判斷路面狀況，自動調整胎壓。還可根據車輛驅動形式，不同車輪的壓力數據，區分調整各輪胎壓，使輪胎與懸架系統、動力系統、空氣動力系統、剎車系統等配合工作，從而提升車輛安全性、機動性及車輛的駕駛樂趣。

1 整體方案

本文提出的一種動態調整汽車胎壓的機制設計方案主要包括了中央調控系統、充氣系統和放氣系統等組成，如圖1 所示。該機制主要是由汽車專用微機控制器“行車電腦”ECU（Electronic Control Unit）電子控制單元來控制，并完成車輛行進中的動態調控[6-7]。

充氣系統包括安裝在輪拱內側的高功率小型氣泵、空心密封式半軸和特殊設計的中空聯通式輪轂。放氣系統由各輪轂安裝的電控蝶閥式氣門芯組成。中央調控系統集成在車輛ECU 中，同時連接充氣系統與放氣系統。該機制通過對車輛自身動態狀況（輪胎溫度及其與地面的附著力、車輛驅動形式、質量前后分配比、各車輪所承載的質量、各懸掛的壓縮或拉伸程度等）以及行駛條件（行駛路況、環境溫度等）的分析，對胎壓進行整體或單獨的調節。

圖1 動態調整汽車胎壓機制設計原理圖

該動態機制可有效降低車輛在冰雪等惡劣路況下發生事故的幾率，增強汽車的全地形適應能力，顯著提升車輛的性能。從而保障駕駛員及車內乘客的人生財產安全，提升駕駛員的駕駛樂趣。

2 中央調控系統

中央調控系統位于車輛行車電腦（ECU）的特定區域。該系統可對外部傳感器的數據進行分析，判斷當前所處的環境及路況條件，從而下達充氣或放氣的指令，對胎壓實施一致（可區分前、后輪）的、大幅度的調整。系統還可通過行車電腦（ECU）實時監控駕駛者的操控動作，監測汽車運動狀態，在行駛中進行動態的、區分輪胎化的胎壓微調。

環境溫度會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、彈性及摩擦系數等參數都會發生改變。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改變。當氣溫或路況改變時，中央調控系統會自動工作，并根據車載監測設備（溫度儀、路況傳感器等）所給數據，計算輪胎的適宜胎壓。

在車輛行駛過程中，車輛因加速或剎車產生的重心變化、驅動輪輸出扭矩改變、輪胎承載質量改變、懸架壓縮或拉伸程度變化等也會影響各輪胎獨立的適宜胎壓。因此，中央調控系統可通過行車電腦（ECU）實時監控駕駛者的操控動作（轉向、制動和油門等），還可通過陀螺儀、加速度計、傳感器、微電腦矩陣等精密儀器以及胎壓監測系統（TPMS）、車載診斷系統（OBD）、發動機管理系統（EMS）等車輛信息系統監測汽車運動狀態，持續向充氣及放氣系統發出指令，對行駛中的車輛進行動態的、區分輪胎化的胎壓微調，同時適配其他系統（動力系統、剎車系統、懸架系統等）的工作。

3 充氣及放氣系統

充氣系統包括安裝在輪拱內側的小型高功率氣泵、中空密封式半軸、與半軸相連通的中空式輪轂（中通式輪輻、聯通式輪輞），中空密封式半軸及中空式輪轂設計如圖2 所示（藍色陰影部分為中通式輪輻、聯通式輪輞、中空密封式半軸）。放氣系統由輪轂安裝的電控蝶閥式氣門芯組成，如圖3 所示。充放氣系統在車輛通電時便可啟動，并與中央調控系統自動連接，隨即進入工作狀態。

充氣系統的工作原理是：在車輛靜止情況下，中央調控系統下達大幅度升高胎壓的指令或駕駛員人為控制胎壓時，車載氣泵會自動啟動，對輪胎進行正常速度的充氣，此時充氣系統的能耗較低；在車輛行駛過程中，氣泵將以高功率模式工作，根據車輛的行駛狀態對輪胎進行快速微量的充氣，此時系統充氣的效率將大幅提高，在調控機構下達指令即刻完成充氣。由于此時充氣特點為高效、微量，所以并不會造成能源浪費和設備過度磨損等問題。

圖2 聯通式輪轂剖面圖

圖3 電控氣門芯

放氣系統的工作原理是：在車輛靜止情況下，中央調控機構下達大幅放氣的指令或駕駛員人為降低胎壓時，電控氣門芯的蝶閥會以較小的開度放氣，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，為提高放氣機構的效率且保障行駛安全，電控氣門芯蝶閥會以較大開度瞬間啟閉，從而在極短的時間微量放氣。

充氣和放氣系統可配合工作，實現對輪胎進行動態實時的胎壓調整，其隱藏式的通氣機構具有結構簡潔、不影響車輛美觀、日后維護便利等優點。中空的輪轂軸管及輪轂還有助于減輕車輛的簧下質量，提升操控性能。

4 結論

本文提出了一種動態調整汽車胎壓的機制，主要以中央控制系統（集成在車輛ECU，可根據各傳感器數據，計算每只輪胎的最佳氣壓）、充氣系統（安裝在輪拱內側的小型高功率氣泵、中空密封式半軸和特殊設計的中空式輪轂）、放氣系統(電控蝶閥式氣門芯)的結構為設計核心。該機制可對每只輪胎的氣壓進行單獨調節，靈活性高，適應性強，可有效提高車輛的安全性、舒適性、機動性、操控性。設計的結構簡單，不會明顯影響整車質量以及車輛的簧下質量，實踐可行性高，日后維護保養經濟方便。

此外，該機制設計在后續的研發中還可設計與主動空氣動力系統（可調式尾翼、空氣剎車）、后輪轉向系統、四輪線控制動系統（4-wheel break-by-wire system）、差速系統等協調工作的體系，有助于提升車輛性能。