未來的輪胎信息系統(tǒng)ITS

　2007 年9月，美國(guó)規(guī)定所有載重量小于4.5噸的新汽車必須安裝胎壓監(jiān)控系統(tǒng)。歐洲目前正在討論這項(xiàng)措施，按照歐盟委員會(huì)的意見，從2012年起，所有新車型都必須配備輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。作為TPMS(胎壓監(jiān)控系統(tǒng))全球領(lǐng)先廠商之一，大陸集團(tuán)正在開發(fā)無電池解決方案。ITS(輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng))采用壓電技術(shù)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，從而取代電池供電。此外，由于輪胎中集成電子器件，ITS還可以支持大量安全和舒適性新功能。

　　簡(jiǎn)介

　　早在20世紀(jì)90年代，歐洲便首度開發(fā)出用于檢測(cè)和監(jiān)控胎壓的系統(tǒng)。其最初的目的是提高舒適度，因?yàn)檩喬p震特性配合底盤調(diào)節(jié)最終將對(duì)汽車抓地能力和整體舒適性產(chǎn)生決定性作用。為此，必須解決輪胎和汽車兩大行業(yè)之間的利益沖突。輪胎廠商主張盡可能提高胎壓以保證安全并減少磨損。而汽車廠商則堅(jiān)持適度胎壓，從而獲取更高的駕乘舒適性。

　　2000年，美國(guó)因胎壓不當(dāng)造成的一系列事故引起公眾高度關(guān)注。針對(duì)這一情況，2005年9月，美國(guó)立法機(jī)構(gòu)規(guī)定所有新的轎車和輕卡必須安裝胎壓監(jiān)控系統(tǒng)。除安全外，保持正常胎壓還有助于減少二氧化碳排放，因?yàn)樘翰蛔銜?huì)加大滾動(dòng)阻力，增加油耗。據(jù)估算。胎壓低于 0.5巴時(shí)，油耗將增加2％～3％。法國(guó)公路安全機(jī)構(gòu)S e curit e Routi e re2005年的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，如果每輛汽車胎壓正常，僅法國(guó)便可以每年減少二氧化碳排放量160萬噸。此外，汽車在胎壓不足的情況下行駛會(huì)造成輪胎提前更換。

　　目前，采取有效方法減少二氧化碳排放以利于環(huán)保的討論，使胎壓監(jiān)控系統(tǒng)再次成為熱點(diǎn)。所有采用低壓安全胎的汽車已被強(qiáng)制安裝這類系統(tǒng)，其他大量車型可以選裝。胎壓監(jiān)控系統(tǒng)分為間接式和直接式兩種類型，下面對(duì)這兩種系統(tǒng)分別加以說明。

　　間接檢測(cè)系統(tǒng)

　　這是最為經(jīng)濟(jì)高效的一種胎壓監(jiān)控系統(tǒng)，可利用ABS車輪傳感器發(fā)射的信號(hào)間接檢測(cè)胎壓。系統(tǒng)測(cè)量各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，計(jì)算每個(gè)輪胎的滾動(dòng)周長(zhǎng)。胎壓低會(huì)造成滾動(dòng)半徑減小。輪速加快的情況下，通過對(duì)四個(gè)車輪的比較可以檢測(cè)可能存在的胎壓下降情況。

　　直接檢測(cè)系統(tǒng)

　　目前，已有21家汽車制造商采用大陸集團(tuán)的直接胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(上圖)。胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)測(cè)量胎內(nèi)實(shí)際壓力。此外，系統(tǒng)還可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)輪胎是否胎壓下降。這些系統(tǒng)可放置在輪轂內(nèi)部的深槽中，或作為輪胎氣門的獨(dú)立單元。

　　上述兩種系統(tǒng)由電池和電子器件組成，測(cè)量輪胎內(nèi)部壓力，并將輪胎的檢測(cè)值傳送至車載電子系統(tǒng)進(jìn)行檢查和分析。必要時(shí)，通知駕駛員胎壓存在的問題。

　　為避免輪轂與胎內(nèi)空氣之間的熱率差造成誤報(bào)警，大陸集團(tuán)結(jié)合這種相移因素的考慮，在運(yùn)算中引入了專用修正系數(shù)。

　　電池為這種胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)提供了最大空間。電池大而且相當(dāng)重，因?yàn)橐ＷC五到十年的使用壽命，體積不可能做得很小。目前似乎不可能指望電池技術(shù)有所發(fā)展，在這方面已沒有改進(jìn)余地。如果電池電量用光，不得不更換整個(gè)胎壓監(jiān)測(cè)電子單元。出于穩(wěn)定性考慮，胎壓電子單元采用永久塑封。為避免使用壽命受限，大陸集團(tuán)正在積極開發(fā)滿足未來需求的壓電技術(shù)。

　　ITS：采用壓電技術(shù)的輪胎信息系統(tǒng)

　　至少在部分車型中，典型機(jī)械和液壓系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)電子化，如制動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在這方面，輪胎是唯一尚未觸及的大型汽車組件。而未來的ITS將在一定程度上使輪胎具備“智能”，而且系統(tǒng)可與整個(gè)車載電子架構(gòu)集成。大陸集團(tuán)計(jì)劃于2010年實(shí)現(xiàn)ITS量產(chǎn)，目前正在與著名汽車制造商探討合作意向。

　　ITS初步功能設(shè)計(jì)主要以大陸集團(tuán)成熟的TPMS架構(gòu)為基礎(chǔ)，用壓電轉(zhuǎn)換器取代電池。理論上，壓電轉(zhuǎn)換器的功能與眾所周知的壓電噴油器相似。輪胎中，壓電器件將機(jī)械運(yùn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為電能。

　　壓電轉(zhuǎn)換器由涂有壓電陶瓷的彈簧鋼組成。輪胎滾動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷暴露于張力或壓力之下。這兩種情況造成的變形會(huì)產(chǎn)生一定電壓。這種電壓經(jīng)整流后輸入電容。電容用來配置電子器件，而不是專門用于特性電源。硅片器件的工作需要一定量的電壓，電容可以滿足這種需求。隨后。壓力和輪胎數(shù)據(jù)通過TPMS系統(tǒng)常用方法傳送給汽車車身的接收器，供車載電子系統(tǒng)進(jìn)行分析。

　　這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在理論上車輪電子器件的功能沒有任何限制。同時(shí)，采用壓電技術(shù)的壓力計(jì)體積和重量大大低于電池供電的系統(tǒng)。

　　目前，最好的電池供電系統(tǒng)重量約為30克，而采用壓電轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)重量遠(yuǎn)低于這一數(shù)字。由于這種技術(shù)目前仍處于初級(jí)階段，還有很大發(fā)展空間，因此今后體積有望進(jìn)一步減小。

體積減小的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：首先，減少了必須旋轉(zhuǎn)的笨重體積，提高了輕捷性；其次，減少了壓力元件所需的配平重量。從物理學(xué)原理看，整個(gè)車輪電子器件的重量應(yīng)低于10克，而要保證使用壽命。電池本身重量即達(dá)到5克，難以滿足這一重量目標(biāo)；另一方面，壓電轉(zhuǎn)換器的重量有望進(jìn)一步減輕——這只不過是進(jìn)一步創(chuàng)新的問題。

　　大陸集團(tuán)認(rèn)為，理論上，ITS最好直接放置于輪胎內(nèi)。這樣做的主要好處是：

　　·更加準(zhǔn)確快速地測(cè)量溫度，不會(huì)受到輪轂的負(fù)面影響；

　　·拆裝輪胎時(shí)不會(huì)損壞模塊；

　　·不會(huì)因氣門漏氣造成壓力下降(氣門使用壽命比電池短)；

　　·輪胎檢測(cè)的接觸面長(zhǎng)，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

　　如果仍在輪轂處進(jìn)行壓力檢測(cè)，采用壓電轉(zhuǎn)換器也同樣有效。即使這種情況下位置相對(duì)固定，壓電器件仍然可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為足夠的電能，將數(shù)據(jù)傳送給車載電子系統(tǒng)。

　　除電池外，壓電轉(zhuǎn)換器還可以取代另一個(gè)組件，即“停車開關(guān)”。這種開關(guān)在汽車行駛時(shí)進(jìn)行記錄，并將運(yùn)動(dòng)報(bào)告給車輪電子系統(tǒng)。停車時(shí)，開關(guān)關(guān)閉電子系統(tǒng)，檢查常規(guī)車距，確定是否需要重新移動(dòng)車輛。這個(gè)功能目前顯著延長(zhǎng)了電池的使用壽命。壓電轉(zhuǎn)換器只在汽車行駛時(shí)產(chǎn)生電壓，因此不需要“停車開關(guān)”。

　　ITS網(wǎng)絡(luò)

　　由于處于輪胎內(nèi)壁中央位置，ITS可以獲得大量信息，而不僅僅是胎壓。舉例來說，作為“功能網(wǎng)絡(luò)”概念的組成部分，已計(jì)劃利用ITS數(shù)據(jù)控制汽車動(dòng)力。

　　除壓力傳感器外，ITS單元還含有兩個(gè)分別用于檢測(cè)溫度和加速度的傳感器。這些傳感器的信息可用來更加準(zhǔn)確地確定胎壓，例如，通過考慮不同溫度條件進(jìn)一步減少誤報(bào)警。這樣有利于壓縮報(bào)警閾值范圍，進(jìn)而降低油耗。

　　此外，傳感器的數(shù)據(jù)還可以用來計(jì)算輪胎承載力。輪胎廠商的數(shù)據(jù)，如輪胎型號(hào)等，可保存在電子系統(tǒng)中。同時(shí)，還可以確定輪胎狀況和行駛里程。

　　那么，如何生成其他輪胎數(shù)據(jù)呢?當(dāng)輪胎接觸面出現(xiàn)和消失時(shí)，可以檢測(cè)加速度。加速度數(shù)據(jù)結(jié)合胎壓可用來計(jì)算輪胎周長(zhǎng)。利用這種信息以及接觸面長(zhǎng)度可計(jì)算輪胎受力。這個(gè)力是車輪負(fù)載的測(cè)量值，在考慮四個(gè)車輪的情況下表明汽車負(fù)載狀況。同時(shí)，這種信息還可用來生成函數(shù)，針對(duì)負(fù)載狀況和車輛重心精確地調(diào)整輪胎目標(biāo)壓力，從而節(jié)省油耗。

　　目前不是所有胎壓檢測(cè)系統(tǒng)都能確定正確的目標(biāo)壓力。這意味著，滿載車輛有可能在輪胎氣壓僅支持部分負(fù)載的情況下繼續(xù)行駛。而未生成必要的報(bào)警。ITS消除了這一問題。車輛重心信息可用來提高各種安全功能，如防滾翻。這種功能還有助于保證輕卡和重卡的安全行駛，例如，行駛過程中負(fù)載偏移。

　　以載重1.6噸的中型車為例，每個(gè)車輪應(yīng)承載大約400千克的重量。利用壓電系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓，現(xiàn)在可以確定每個(gè)車輪承載的重量是否的確為400千克，或者是否出現(xiàn)這樣的情況，例如，由于重物集中在行里箱中，造成后輪受力過大。在這種情況下，電子系統(tǒng)會(huì)提示駕駛員調(diào)整胎壓，以防止輪胎損壞并避免額外油耗。

　　自動(dòng)變速箱也可以根據(jù)負(fù)載和動(dòng)力載荷狀況進(jìn)行控制，例如當(dāng)車輛動(dòng)力和負(fù)載達(dá)到極限時(shí)。ITS可向變速箱控制單元提供相應(yīng)信息，控制單元根據(jù)信息將最佳車速命令傳送給自動(dòng)變速箱。

　　這種車輛負(fù)載信息還可以用來調(diào)整車輛的軸向力和徑向力。這是因?yàn)檩喬?shù)不可能保持恒定。溫度、負(fù)載、使用年限和狀態(tài)等可測(cè)量輪胎條件，可集成到車輛動(dòng)力控制系統(tǒng)中，或用于啟動(dòng)安全系統(tǒng)。

　　ITS可提供關(guān)于車輪接觸的行駛路面摩擦力是否不同的信息，從而更好地調(diào)整ABS系統(tǒng)。理論上，ITS提供的所有安全功能完全可以用于商用車，例如，需要格外注意危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛的安全。

　　事實(shí)上，傳感器與輪胎從生產(chǎn)開始便直接建立了相互間的關(guān)系。這也意味著，ITS傳感器系統(tǒng)可以保存輪胎的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，如速度級(jí)別和胎面特性等。這樣，車輛可以自動(dòng)提醒駕駛員，例如，當(dāng)其超過冬季輪胎允許的最高行駛速度時(shí)會(huì)自動(dòng)提醒駕駛員。而且ITS可根據(jù)行駛里程提示磨損情況，并建議何時(shí)更換輪胎。

　　這種系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有利于低壓安全胎。一方面，輪胎漏氣時(shí)，系統(tǒng)可迅速通知駕駛員；而當(dāng)胎壓的確明顯下降時(shí)，電子系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)控剩余里程，并在接近允許行駛的最大剩余里程時(shí)提醒駕駛員。

　　同時(shí)，這一系統(tǒng)在未來還可實(shí)現(xiàn)車輛間通信。例如，配置輪胎信息系統(tǒng)的輪胎可收集抓地力強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)，將路面附著情況通知其他車輛，從而減少事故，特別是存在冰雪危險(xiǎn)的情況下。
在更遠(yuǎn)的未來，可利用這種機(jī)械性非常敏感的傳感器確定摩擦系數(shù)。最終，在確定額定壓力時(shí)，利用徑向力與軸向力之比決定磨擦系數(shù)。當(dāng)壓力施加在路面時(shí)，橡膠會(huì)變形。輪胎內(nèi)部的壓電轉(zhuǎn)換器可以檢測(cè)到這種運(yùn)動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

　　總結(jié)與展望

　　監(jiān)控胎壓的間接與直接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在一個(gè)基本差別，由于采用電池作為能源，間接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命一般為10年左右。

　　大陸集團(tuán)目前正在開發(fā)壓電轉(zhuǎn)換器作為電源，取代傳統(tǒng)電池。汽車制造商不需要進(jìn)行很大改動(dòng)，因?yàn)椴捎眠@種可與車載系統(tǒng)集成的器件，其余系統(tǒng)架構(gòu)仍保持原樣。未來，這種電子單元將安裝在輪胎中。而不再像以前的器件那樣裝在輪轂中或氣門上。壓電轉(zhuǎn)換器提供信號(hào)還意味著，輪胎信息系統(tǒng)將為底盤調(diào)整和車輛動(dòng)力控制的改善提供新的機(jī)遇。