胎壓監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用

文/鄧 彪

輪胎氣壓（以下簡稱“胎壓”）作為影響輪胎性能和汽車安全的重要指標(biāo)和參數(shù)，對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和行車安全有著重要影響[1]。輪胎欠壓會使輪胎滾動阻力變大，導(dǎo)致車輛油耗增加，經(jīng)濟(jì)性下降，同時(shí)加劇輪胎磨損，縮短輪胎使用壽命。輪胎若長期欠壓行駛，發(fā)生爆胎風(fēng)險(xiǎn)的概率可能會增加；若過壓行駛，輪胎與地面接觸面積縮小，會加速胎冠磨損。因此，無論是安全性還是經(jīng)濟(jì)性，對胎壓進(jìn)行監(jiān)測很重要。

一、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)分類與工作原理

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)分為兩類：直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)和間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)是基于壓力傳感器和溫度傳感器的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，主要由中央處理器、信號發(fā)生器、信號接收器和傳感器組成。傳感器采集胎壓和輪胎溫度等信息，信號發(fā)生器和信號接收器則通過射頻信號將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至中央處理器，后者對數(shù)據(jù)處理后顯示當(dāng)前的胎壓狀態(tài)，在胎壓異常時(shí)給予報(bào)警提示。間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)不直接測量胎壓或輪胎溫度值，而是通過其他隨著氣壓變化而變化的量，間接地對胎壓狀態(tài)做出判斷。通常情況下，間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)以防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）輪速傳感器信號為基礎(chǔ)，通過一系列算法最終實(shí)現(xiàn)對胎壓狀態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)[2]。

二、國內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用對比分析

1.國外

美國公路交通安全管理局（NHTSA）于2005年4 月發(fā)布《輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)》（FMVSS 138），要求在美國銷售的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過4536 kg 的四輪乘用車和商用車自2007 年9 月起必須安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（UN/WP29）于2010 年8 月發(fā)布《關(guān)于裝有臨時(shí)備用總成、低壓安全輪胎和/或低壓安全系統(tǒng)和/或胎壓監(jiān)測系統(tǒng)車輛核準(zhǔn)的統(tǒng)一規(guī)定》（UN R64），要求所有車軸均裝備單胎的N1類車輛或最大總質(zhì)量不高于3500 kg的M1類車輛需安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

2.國內(nèi)

為了進(jìn)一步提升車輛本質(zhì)安全性能，有效遏制和減少因車輛本質(zhì)安全性能不足導(dǎo)致的道路運(yùn)輸事故，我國相繼發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確要求相關(guān)車型安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。2019 年1 月31 日，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心下發(fā)《關(guān)于調(diào)整〈公告〉產(chǎn)品準(zhǔn)入部分檢驗(yàn)項(xiàng)目的通知》，要求從2019 年3月1 日起將《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》（GB 26149-2017）標(biāo)準(zhǔn)涉及的檢驗(yàn)項(xiàng)目列入《公告》管理，這意味著M1類車輛將強(qiáng)制裝配胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。《城市公共汽電車車輛專用安全設(shè)施技術(shù)要求》（JT/T 1240-2019）規(guī)定，未設(shè)置乘客站立區(qū)的公共汽電車宜安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。《營運(yùn)客車安全技術(shù)條件》（JT/T 1094-2016）規(guī)定，營運(yùn)客車安裝單胎的車輪應(yīng)安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)或胎壓報(bào)警裝置。《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第1 部分：載貨汽車》（JT/T 1178.1-2018）規(guī)定，總質(zhì)量大于或等于12000 kg 且車速大于90 km/h 的載貨貨車使用單胎的車輪應(yīng)安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第2 部分：牽引車輛與掛車》（JT/T 1178.2-2019）規(guī)定，最高車速大于或等于90 km/h 的牽引車輛使用單胎的車輪應(yīng)安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)或具有胎壓監(jiān)測功能的裝置，相關(guān)系統(tǒng)或裝置的性能應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)附錄B 的規(guī)定?！段ｋU(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸營運(yùn)車輛安全技術(shù)條件》（JT/T 1285-2020）規(guī)定，危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸半掛牽引車及總質(zhì)量大于或等于12000 kg 的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車使用單胎的車輪應(yīng)安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)或具有胎壓監(jiān)測功能的裝置，相關(guān)系統(tǒng)或裝置的性能應(yīng)符合JT/T 1178.2-2019 附錄B 的規(guī)定。《營運(yùn)客車類型劃分及等級評定》（JT/T 325-2018）規(guī)定，座位客車使用單胎的車輪應(yīng)安裝胎壓監(jiān)測報(bào)警裝置；中、高級乘用車應(yīng)安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)或胎壓報(bào)警裝置。

總體上看，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不僅要求配備胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)還規(guī)定了胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和測試方法，設(shè)計(jì)一種可靠、有效的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置是開展胎壓監(jiān)測系統(tǒng)性能測試的前提。

三、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)方法

1.UN R64 規(guī)定的試驗(yàn)方法

目前，歐洲與發(fā)展中國家普遍采用UN 法規(guī)，因此有必要研究UN R64 規(guī)定的試驗(yàn)方法，即車輛動態(tài)行駛之后單胎欠壓（刺破）和多胎欠壓（擴(kuò)散）試驗(yàn)：啟動試驗(yàn)車輛按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車速在試驗(yàn)道路上至少行駛20 min；停車5 min 內(nèi)測量測試輪胎的暖胎胎壓（Pwarm）；接著5 min 內(nèi)將測試輪胎放氣至標(biāo)準(zhǔn)要求的測試胎壓（Ptest）；車輛點(diǎn)火，查看是否報(bào)警和記錄報(bào)警時(shí)間。

2.GB 26149-2017 規(guī)定的試驗(yàn)方法

①車輛靜止?fàn)顟B(tài)下單胎和多胎欠壓試驗(yàn)

在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，測試人員分別在5 min 內(nèi)調(diào)整車輛任意一個(gè)和多個(gè)胎壓至（75%×Prec-7）kPa，記錄車輛點(diǎn)火開關(guān)轉(zhuǎn)至“ON”狀態(tài)至胎壓報(bào)警信號裝置點(diǎn)亮的時(shí)間。

② 車輛行駛狀態(tài)下單胎和多胎欠壓試驗(yàn)

在啟動車輛并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車速行駛過程中，測試人員分別在5 min 內(nèi)，調(diào)整車輛任意一個(gè)和多個(gè)輪胎氣壓至（75%×Prec-7）kPa，記錄胎壓達(dá)到（75%×Prec-7）kPa 至胎壓報(bào)警信號裝置點(diǎn)亮的時(shí)間。

3.JT/T 1178.2-2019 附錄B 規(guī)定的試驗(yàn)方法

①車輛靜止?fàn)顟B(tài)下單胎和多胎欠壓、過壓試驗(yàn)

在車輛靜止熄火狀態(tài)下，測試人員分別調(diào)整車輛任意一個(gè)和多個(gè)輪胎氣壓至（75%×Prec-35）kPa和（130%×Prec+35）kPa，記錄車輛點(diǎn)火開關(guān)轉(zhuǎn)至“ON”狀態(tài)至胎壓報(bào)警信號裝置點(diǎn)亮的時(shí)間。

② 車輛動態(tài)行駛之后單胎和多胎欠壓、過壓試驗(yàn)

測試人員啟動試驗(yàn)車輛，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車速在試驗(yàn)道路上行駛20 min。車輛停駛后，按照單個(gè)測試胎壓調(diào)整時(shí)間不超過30 s 的要求，測試人員分別調(diào)整車輛任意一個(gè)和多個(gè)胎壓，分別記錄胎壓達(dá)到（75%×Prec-35）kPa 和（130%×Prec+35）kPa 至胎壓報(bào)警信號裝置點(diǎn)亮的時(shí)間。

UN R64 和JT/T 1178.2-2019 附錄B 要求在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下調(diào)整胎壓，而GB 26149-2017 除了在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，還要求在車輛行駛過程中調(diào)整胎壓?？傮w上看，國內(nèi)乘用車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)難度最大。本研究通過研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，為設(shè)計(jì)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置提供理論依據(jù)。

四、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

1.胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求是：在車輛行駛和靜止?fàn)顟B(tài)下均能調(diào)整胎壓；能實(shí)時(shí)監(jiān)測胎壓，胎壓測試設(shè)備的最大允許誤差為±3 kPa；試驗(yàn)中所有胎壓測試數(shù)據(jù)應(yīng)使用同一胎壓測試設(shè)備測量。

2.胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的現(xiàn)狀

在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，測試人員利用常規(guī)胎壓表就能監(jiān)測和調(diào)整胎壓，完成試驗(yàn)，無需其他試驗(yàn)裝置。而車輛行駛過程中，輪胎是處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，監(jiān)測和調(diào)整胎壓成為了開展試驗(yàn)需解決的關(guān)鍵問題。由于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置是適用于試驗(yàn)測試，不是用于普通消費(fèi)者，需求量小，市場上沒有滿足試驗(yàn)要求的設(shè)備。因此，需要根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的研發(fā)。

3.輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的組成與工作原理

本研究設(shè)計(jì)的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置包括胎壓調(diào)節(jié)、監(jiān)測系統(tǒng)和固定夾具（見圖1）。

圖1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置組成與安裝示意圖

胎壓調(diào)節(jié)、監(jiān)測系統(tǒng)由氣門嘴接頭、L 形快插接頭、高速旋轉(zhuǎn)接頭、三通接頭、壓力傳感器、電磁閥、充放氣接頭和數(shù)采單元組成。氣門嘴接頭一端與輪胎氣門嘴相連接，根據(jù)不同規(guī)格的輪胎氣門嘴選配不同氣門嘴接頭，使該裝置可廣泛適用于乘用車和商用車。氣門嘴接頭另一端通過氣管、L 形快插接頭與高速旋轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)快插連接，便于快速拆裝。高速旋轉(zhuǎn)接頭為該裝置的關(guān)鍵部件，包括固定端和旋轉(zhuǎn)端，旋轉(zhuǎn)端可高速旋轉(zhuǎn)，固定端相對旋轉(zhuǎn)端可固定不動。高速旋轉(zhuǎn)接頭固定端與三通接頭的第一端口相連。三通接頭的第二端口與壓力傳感器相連，壓力傳感器與數(shù)采單元相連，數(shù)采單元能實(shí)時(shí)采集并顯示輪胎氣壓。三通接頭的第三端口與電磁閥出氣口相連，接通電磁閥電源可實(shí)現(xiàn)電磁閥的打開和關(guān)閉。電磁閥進(jìn)氣口端裝配有充放氣接頭，可連接外部高壓氣源給輪胎充氣，也可作為輪胎的放氣口。固定夾具包括圓盤和固定螺栓，高速旋轉(zhuǎn)接頭安裝于圓盤中心圓孔內(nèi)。圓盤上加工有徑向孔槽，固定螺栓一端通過徑向孔槽與圓盤相連，另一端與輪胎螺栓相連，從而將胎壓調(diào)節(jié)、監(jiān)測系統(tǒng)固定在輪胎上。乘用車和商用車輪胎規(guī)格不一樣，固定夾具規(guī)格也就不一樣。

將胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置安裝在輪胎螺栓上，將壓力傳感器與數(shù)采單元相連，同時(shí)將氣門嘴接頭擰入輪胎氣門嘴，通過拆除輪胎氣門嘴閥芯增大管路內(nèi)徑可縮短充放氣時(shí)間。當(dāng)輪胎轉(zhuǎn)動時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)接頭固定端安裝的壓力傳感器、三通接頭、電磁閥可相對于輪胎固定不動，因此，可實(shí)現(xiàn)輪胎靜止、轉(zhuǎn)動狀態(tài)動態(tài)調(diào)整和胎壓監(jiān)測。當(dāng)需要增加胎壓時(shí)，測試人員將充放氣接頭與外部高壓氣源連接，控制電磁閥通電從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)管路接通，外部氣體通過管路進(jìn)入輪胎，數(shù)采單元通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測胎壓，達(dá)到目標(biāo)胎壓后，關(guān)閉電磁閥電源，從而切斷管路。

如上所述，當(dāng)需要減少胎壓時(shí)，測試人員可通過控制電磁閥通電，從而接通管路，輪胎內(nèi)部氣體將通過充放氣接頭排到大氣中，達(dá)到目標(biāo)胎壓后，關(guān)閉電磁閥電源。在每個(gè)輪胎上安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)多個(gè)輪胎同時(shí)調(diào)整胎壓。

五、試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的裝置可行性，本研究分別選取一臺乘用車，依據(jù)GB 26149-2017、UN R64 要求，一臺商用車采用本裝置，依據(jù)JT/T 1178.2-2019 附錄B 要求開展胎壓監(jiān)測系統(tǒng)測試，將車輪胎氣門嘴閥芯拆除。裝置配備的壓力傳感器最大允許誤差為3 kPa，符合標(biāo)準(zhǔn)中壓力測試設(shè)備的要求。試驗(yàn)結(jié)果見表1：

表1 試驗(yàn)車輛輪胎調(diào)壓時(shí)間

從結(jié)果來看，試驗(yàn)車輛輪胎調(diào)壓時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)要求的調(diào)壓時(shí)間，說明本研究設(shè)計(jì)的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)要求。由于本裝置是通過人為控制電磁閥調(diào)壓，因此存在自動化程度低、人為誤差等問題。

六、結(jié) 語

本研究設(shè)計(jì)的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)裝置通過試驗(yàn)證明可應(yīng)用于開展輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能測試。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于操作、適用范圍廣，后續(xù)還需對裝置進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高自動化程度和可靠性。