輪胎智能化發展概述

吳長輝，李紅衛，田 健，陳 虎，趙彥偉

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266061]

1 輪胎智能化研究背景

隨著社會的發展，通訊技術及人工智能技術飛速發展，自動駕駛技術、智慧交通、共享汽車等逐漸得以應用，對輪胎的開發提出了更高要求。尤其是在新能源汽車飛速發展的帶動下，汽車的主動安全技術作為車輛智能化的一部分，已經從傳統的加強車身強度進一步提升至車輛主動預防。汽車的主動安全技術主要是指通過預先的防范避免事故發生的技術[1]，主要通過主動安全系統預判車輛可能發生的危險并通過車輛駕駛系統及動作規避駕駛風險，提升車輛安全性能。作為車輛接地部件，輪胎的智能化對于車輛的安全性具有十分重要的作用，為了進一步探明車輛對智能化輪胎的需求，從以下2個方面進行調研和分析。

1.1 車輛主動安全技術需求

一方面隨著芯片、相機技術、互聯網技術的迅速發展，車輛主動安全技術逐漸成熟，如主動剎車、車道保持等，尤其是主動剎車技術對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安全技術，包含輪胎的充氣壓力、溫度、負荷等。另一方面，在車輛使用過程中，新能源車輛電動機驅動扭矩與傳統燃油車輛相比更大，輪胎磨損更為嚴重且異常磨損的概率更大，輪胎各項性能隨著輪胎磨損嚴重而下降，可能會直接導致車輛的主動安全技術失效，包含輪胎的干地制動性能、濕地制動性能、干地操控性能、濕地操控性能等，輪胎性能下降輕者導致車輛的方向穩定性降低、制動距離增大等，重者直接威脅駕駛者及乘客的安全。

綜合考慮，對輪胎磨損狀態或性能變化進行有效監控和預測對于車輛的主動安全技術非常重要。

1.2 車輛智能化發展需求

自動駕駛技術的逐漸成熟和穩定對輪胎提出了新要求，尤其是車輛在不同環境下自動駕駛時外界感知尤為重要，作為自動駕駛技術中的一部分，通過在輪胎內部植入傳感器，可以實現對輪胎、車輛乃至道路信息的監測[2]，增強車輛路面感知能力。作為車輛的接地部件，輪胎在各種環境狀態下的參數及性能為車輛駕駛系統提供了判斷數據。例如，在路況良好且車輛安全行駛的情況下，可以通過調整輪胎參數降低輪胎滾動阻力，提升車輛續航能力；在惡劣天氣或者濕滑路面行駛時，可以通過改變輪胎充氣壓力及溫度參數增大輪胎的抓地力，從而提升車輛的操控性能。綜上可知，車輛的智能化發展與輪胎的智能化息息相關，后者可謂前者的觸覺。

車輛的智能化不斷發展，作為車輛的驅動部件，輪胎智能化需求越來越高，應用場景也越來越豐富。

2 輪胎智能化發展需求

目前輪胎智能化依據不同應用場景可分為電動汽車、智慧城市、共享汽車、試驗測試4部分，具體如圖1所示。

圖1 輪胎智能化應用場景

從圖1可知，智能輪胎應用場景十分廣闊，其包含輪胎的生產、試驗、原配輪胎配套測試、共享汽車維護、城市智慧交通管理等，下面以自動駕駛技術涉及的輪胎智能化為例進行介紹。

2.1 汽車主動安全及駕駛體驗改善

自動駕駛最核心的部分是汽車的主動安全技術，而汽車的主動安全技術最主要的部分是車輛的動作控制，車輛控制的數據基礎建立于對外界環境的感知，作為車輛的接地部件，輪胎的感知不僅包含對路面的感知，也包含對自身參數性能的監控及預測。據調查分析，涉及輪胎主動安全性的主要特征參數包括輪胎磨耗、胎壓、溫度、摩擦系數和壓力分布等。除此之外，自動駕駛技術還涉及車輛駕駛及操控體驗改善，主要涉及輪胎的胎壓調節、溫度調節、摩擦系數估算、輪胎側偏角估算以及其他參數估算等。因此，汽車主動安全及駕駛體驗改善與輪胎參數監控及參數調節密不可分。

2.2 輪胎安全管理

輪胎安全直接關系著駕乘人員安全，一方面，隨著新能源汽車及燃油汽車的發展，車輛的扭矩、質量等更大，續航里程更長，針對輪胎的自身安全管理十分重要，這其中包含輪胎續航里程、磨損狀態、安全氣壓、損壞溫度等，在此環境下，精確預測和判斷輪胎的安全對車輛的安全十分重要。另一方面，隨著共享汽車的應用，汽車安全維護也十分重要，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，輪胎智能化對輪胎的安全管理不可缺少。

2.3 路面狀態預測

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產安全，還對交通管理造成挑戰，此時需要快速避免連環車禍的發生。第一起車禍發生后，智能輪胎對地面狀態產生感知，通過5G通訊技術第一時間通知智慧交通系統，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作，可以達到避免某一路段連續發生交通事故的目的。

對于車輛的自動駕駛，路面狀態的判斷和預測、車輛的控制等具有很大作用。第一，利用傳感器系統準確監測輪胎和路面狀況，精確評估汽車的行駛狀態并及時預警；第二，智能輪胎系統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，為車輛的主動安全控制系統提供更加可靠的數據，極大地提高了車輛控制系統（例如制動防抱死系統ABS、汽車電子穩定系統ESC、自適應巡航系統ACC、汽車防撞預警系統等）的控制效果，從而使車輛更加智能和安全；第三，通過輪胎的地面預測，可第一時間對車輛進行有效預警并作出安全控制。

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。

米其林競馳Track Connect智能操控系統（如圖2所示）通過在輪胎內部安裝傳感器裝置與車輛或手機連接[3]，實時監測輪胎內部溫度和充氣壓力的變化情況，并可根據天氣情況進行暖胎指導，保證輪胎充分熱身，除此之外還可通過前后輪胎的變化預測車輛是否存在過度轉向或轉向不足等問題。

圖2 米其林競馳Track Connect智能操控系統

倍耐力CyberCar技術（如圖3所示）通過安裝在輪胎內部的傳感器裝置[4]與車輛控制系統進行連接和互通，為車輛和駕駛者提供輪胎類型（夏季輪胎或冬季輪胎）、規定胎壓、載重指數和速度級別以及車輛行駛中輪胎溫度和充氣壓力等信息，并可基于輪胎實際特性和狀態校準駕駛者警示系統。此外，當輪胎達到最佳工作溫度時，駕駛者會收到相關提示，便于其找到輪胎合適的工作窗口，以發揮輪胎的最大優勢。此外，駕駛者還會收到“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

據官方介紹，大陸集團的馬牌智能輪胎（如圖4所示）帶有監控裝置，可提供準確的輪胎充氣壓力和溫度讀數，以防止輪胎損壞和故障，最大限度地減少對輪胎自身的影響，延長輪胎使用壽命。該監控裝置安裝在輪胎內襯層上，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控裝置實現對輪胎參數的實時監控，從而為車輛的駕駛提供合理的輪胎參數、輪胎實際狀態提示和路面狀態預測等，并通過車輛駕駛系統合理地控制輪胎以及車輛的使用，從而根據車輛駕駛環境自適應地使用輪胎，發揮輪胎的最佳性能，延長輪胎的使用壽命，因此輪胎的傳感器裝置設計尤為關鍵。

3.2 輪胎傳感器裝置設計

輪胎傳感器裝置用于監測輪胎特征參數[6]，其設計主要涉及2個方面。一方面，輪胎傳感器裝置要滿足車輛對輪胎參數的監控需求，其包含模塊如圖5所示。另一方面，傳感器裝置對輪胎自身存在影響，主要涉及3個方面：第一，傳感器裝置安裝位置是否對輪胎自身性能造成影響，包含輪胎動平衡、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而威脅輪胎安全；第三，在車輛行駛過程中，應保證輪胎監控數據的準確性，同時防止傳感器裝置由于輪胎的自由滾動而失效或者斷裂。

圖5 輪胎傳感器裝置模塊

3.3 輪胎傳感器功能設計

輪胎傳感器功能設計首先按照智能輪胎功能包含輪胎參數監控，主要涉及車輛主動安全技術，其次包含輪胎地面狀態判斷以及各場景下輪胎自身參數調整，具體如下：（1）輪胎參數監控包含輪胎胎壓實時變化、輪胎壓力分布；（2）輪胎地面狀態判斷，包含地面干燥狀況、濕滑狀態、是否積水或結冰等；（3）各場景下輪胎自身參數調整依據車輛的駕駛場景可分為干燥路面、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節裝置的信息交互，原理如圖6所示，其主要包含輪胎傳感器裝置與車輛ECU的信號傳輸，輪胎傳感器裝置與胎壓調節裝置、溫度調節裝置等的信息傳輸，目的主要是根據車輛不同駕駛場景對輪胎參數進行調整，從而實現不同環境下輪胎性能的改善，滿足車輛對輪胎智能化的需求。

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襯層上，主要需注意兩點：一是輪胎內襯層紋路形狀對傳感器裝置的固定存在影響，應選擇合適的內襯層紋路以避免輪胎安裝位置出現條紋凸起；二是輪胎傳感器裝置自身質量對輪胎動平衡和均勻性等存在影響，應避免安裝在輪胎質量最大點位置，而選擇安裝在質量最小點位置。

綜上所述，輪胎智能化解決方案主要包含以下幾個方面：第一，輪胎傳感器裝置設計主要包含輪胎傳感器裝置的結構設計、傳感器選型、算法設計并考慮傳感器裝置對輪胎的影響；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及其他調節部件協同可實現輪胎的智能化。

4 結語

輪胎智能化是汽車智能化的重要前提，在輪胎內部安裝傳感器，可將輪胎由一個被動部件轉化為主動部件，實現對輪胎狀態的監測。通過輪胎傳感器裝置的設計和安裝，可獲得輪胎智能化解決方案。