汽车轮胎温度压力检测技术.docx

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汽车轮胎温度压力检测技术

汽车轮胎温度压力检测技术

汽车

摘要

轮胎温度压力检测系统TPMS是最新一代汽车安全产品,是继汽车安全气囊,ABS刹车系统后第三代安全产品。

主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，当车轮不能满足汽车正常工作的条件时TPMS就会发出危险信号提醒驾驶者车轮已不能正常工作，保障行车安全。

目前，TPMS主要分为直接式和间接式两种类型。

间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。

直接式TPMS是利用安装在每一只轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示与监视。

。

恰当的轮胎充气压力是保证汽车安全、平稳行驶的关键因素。

及时准确地对超过或低于轮胎压力标准范围的异常状态进行报警，是减少由轮胎爆胎引发的交通事故的有效途径。

随着高新技术的发展和现代汽车不断趋向高性能化,汽车用的轮胎也从长期的性能时代,开始进入功能化的新时期。

当然，现代汽车的安全配置也在不断得到完善，如安全带、安全气囊、防撞杆等被广泛运用，不过这些都是属于交通事故发生后，才能对人、车起到保护作用的被动安全装置。

然而本文研制的轮胎爆胎预警系统，则不同于上述的装置，它在轮胎一出现危险征兆时就能够及时发现并同时报警，最大限度地将事故消灭在萌芽状态，从而极大地提升了车辆高速行驶的安全性，这一优势在高速公路上表现更为明显。

本文通过对现有的TPMS进行改进，并对TPMS的未来发展做了分析和预测。

关键词：

行车安全，TPMS，无源，无线

Abstract

TPMSTirePressureMonitoringSystemTemperatureisthelatestgenerationofautomotivesafetyproducts,isthesecondairbag,ABSbrakingsystemonthethirdgenerationofsecurityproducts.Mainlyusedinthecardrivingforreal.timeautomaticmonitoringoftirepressure,lowpressureonaflattireandanalarm,whenthewheelscannotsatisfytheconditionsworkingvehicleTPMSwillsenddangersignalstoremindthedriverdoesnotworkthewheelshavebeenToensuredrivingsafety.Atpresent,TPMSconsistsoftwodirect.andindirecttypes.IndirectTPMSsystemthroughthevehicleABSwheelspeedsensorstocomparewheelspeeddifferencebetween,inordertoachievethepurposeofmonitoringtirepressure.DirectTPMSistouseonlythetiresinstalledoneachofthepressuresensortodirectlymeasurethetirepressure,andtodisplaythetirepressureandmonitoring.Inthispaper,toimprovetheexistingTPMS,andthefuturedevelopmentofTPMStodotheanalysisandprediction.Withthehigh-techdevelopmentandthecontinuedtrendofmodernhighperformancecars,automobiletiresusedintheperformanceofthelongtime,begantoenterthefunctionoftheperiod.Ofcourse,securityconfigurationofmoderncarsarealsoconstantlybeenimproved,suchasseatbelts,airbags,anti-collisionequipment,etc.arewidelyused,butthesebelongtotheaccidenthappened,canthepeople,vehiclesplayaprotectiveroleofpassivesafetydevice.However,thisearlywarningsystemdevelopedbythetirepuncture,thedeviceisdifferentfromtheabove,itisadangeroussigninthetirewhentheabilitytodetectandalarmsimultaneously,tomaximizetheaccidentnippedinthebud,therebygreatlyenhancingthespeedofvehiclesdrivingsafety,thisadvantageismoreobviousonthehighway.

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Keywords:

TrafficsafetyTPMSPassive,wireless

第一章前言

1.1汽车轮胎气压检测系统背景

随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，公路和高速公路也日渐得到重视，并开始发展起来。

美国现有公路总里程和高速公路里程最长，已经形成了约6.9万公里的州际高速公路网，公路已成为美国人日常生活必不可少的一部分。

西欧各国和日本，公路网基础好，高速公路也逐步成网,公路运输一直为内陆运输的主力。

作为发展中国家，中国高速公路通车总里程去年跃居世界第二位，目前总里程为２万公里，但因幅员辽阔，高速公路网的平均密度很低,路况相对来说也比较差。

高速公路的速度和便利，改变了人们的时空观念，拉近了地域距离，改善了人们的生活方式。

但是随之而来的高速公路恶性交通事故却令人震惊，已经引起世界各国的强烈关注和重视，并开始讨论或采取相应防范措施。

据2002年美国汽车工程师学会调查，全美平均每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的；而在高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的；此外，每年75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。

统计表明：

交通意外增加的主要原因是高速行驶中因轮胎故障引起的爆胎。

另据统计，在中国，46%的高速公路交通事故是由于轮胎故障引起的，这其中仅爆胎一项就占事故总量的70%。

在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是杀伤力最大也是最难预防的事故隐患，是突发性交通事故发生的重要原因。

如何解决轮胎故障、怎样防止爆胎，已成为全球关注的首要问题，如图1.1。

图1.1中国高速公路事故统计

1.2轮胎爆胎因素分析

轮胎压力监测系统（TirePressureMonitorSystem，TPMS）的定义：

通过采用无线射频通信的胎压传感单元和胎压监测单元，实现了对轮胎压力的实时监控。

正因为如此，TPMS汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统（ABS）一起被大众认可并受到应有的重视。

TPMS（轮胎压力监测系统）的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。

车辆因轮胎爆裂而发生交通事的故案例屡见不鲜，造成爆胎的原因很多，高温导致橡胶老化、胎面磨损强烈，胎压过高或过低，路面锐物扎破车胎等，所以车主应特别留意车胎状况，尽可能预防爆胎事件的发生[1]。

此外，夏季行驶产生的高温加速了轮胎橡胶磨损老化，钢丝层强度逐渐下降，此时应及时更换轮胎，否则雨天车辆方向盘和制动系统容易失效，酿成交通事故。

一般轮胎花纹沟内有凸起标记，轮胎磨损到距离该标记1.6mm，就在提示车主该换胎了。

产生这种的内因是：

慢撒气、胎温高；外因是：

超载、超速、用旧胎；如图1.2。

图1.2汽车轮胎爆胎因素分析

爆胎是指轮胎因质量问题、外力作用、气压标准等问题而引起的轮胎爆裂。

它是一种复杂的轮胎破坏现象。

爆胎事故危险大，车毁人亡概率高，一般有以下两方面的原因：

1.2.1轮胎缺气行驶

轮胎缺气行驶轮胎缺气行驶是爆胎的主要因素，当轮胎压低于标准胎压时，就意味着车胎缺气，在这种状况下行驶时，随着胎压的下降，轮胎与地面的摩擦成倍增加，胎温急剧升高，轮胎变软，强度急剧下降。

这时，如果车辆高速行驶，就可能导致爆胎。

如果车辆低速行驶，也会伤胎，而且潜伏期长，隐蔽性大，更有危害性，为以后高速行车时埋下爆胎隐患。

特别是无内胎轮胎，如子午线轮胎的帘布层外围加有一层钢丝，这种结构的轮胎强度高，散热条件好，适应高速行驶。

但它也有一个极大的弱点，最怕缺气行驶。

当轮胎缺气行驶时，除了轮胎与地面摩擦生热外，胎体内的钢丝与轮胎之间也会摩擦生热，过热状态会加速钢丝与橡胶的老化、变形，甚至内部断裂以至断层，致使轮胎强度遭到破坏，以致产生爆胎。

1.2.2轮胎的温度变化

轮胎的温度升高轮胎变形是轮胎温度升高的原因，而高速公路上轮胎的快速变形使温度的升高率提高，导致轮胎材料的机械性能下降而造成爆胎事故。

轮胎的温度升高也可引起高速公路上爆胎，因为轮胎材料的机械性能下降。

由于轮胎在工作中快速反复变形，材料内部因摩擦生热，同时，外胎与内胎之间、轮胎与轮辐以及轮胎与路面之间也因摩擦生热，使轮胎骤热升温。

一般而言，轮胎内部的温度与轮胎的负荷和速度成正比，速度越高，负荷越大，温度升高越快。

此外，轮胎温度与外胎的厚度有关，外胎越厚，轮胎的热量难以散发，温度上升越快；还与外界温度和轮胎气压有关，环境温度越高，温度上升越快，轮胎气压过低，轮胎径向变形大，滚动阻力增大，温度随之升高。

轮胎温度的升高还容易造成轮胎气压随之升高，使帘线所受的应力加大，更容易使高速行驶的轮胎产生爆胎。

（1）严格按标准气压充气轮胎充气压力是决定轮胎使用寿命和工作好坏的主要因素。

气压过低时，胎体变形增大，造成增加，并过度生热升温，加速橡胶老化和帘线疲劳，导致帘线折断、松散和帘布脱层；应力轮胎气压过高时，帘线过度拉伸，轮胎刚性增加，动载荷增大，易产生胎冠爆破[2]。

车辆出厂时对胎压都有严格的规定，并将胎压标准印在加油盖口。

因此，车主们在使用中必须严格按使用说明书规定的前后轮标准气压进行充气，保持标准胎压。

哪怕有一次缺气行驶，也会给轮胎的构造、强度造成损坏，就容易产生爆胎。

（2）胎温过高时将车停在阴凉处降温经试验证实，80％的爆胎是有预兆的，至少在爆胎前1小时，轮胎的温度会出现异常。

夏季车轮胎内的气压会随着温度的升高而升高，很容易产生爆胎事故。

因此，出车前应适当降低车胎气压。

若行车中胎温过高，要及时将车停于阴凉处休息降温。

若行车中出现轮胎温度过高，绝不能采用泼冷水的办法降温，如果在轮胎温度很高时泼凉水降温，势必造成轮胎内部结构由于骤冷而变化，导致轮胎体内部各层帘布之间的变形不一，使轮胎早期损坏，甚至帘布剥离。

如果出现轮胎气压过高，也不要采用放气的方法降压，否则轮胎的气压还会继续上升，最后导致轮胎爆裂。

外因：

超载超速用旧胎为什么夏季在高速公路上易发生爆胎呢？

这是因为在高速公路上行驶时，不少驾驶员习惯于超速行驶，且常常在车上装有较重的物品，致使爱车严重超载。

再加上有的车主平时用磨损过度的轮胎，这些外因一旦遇到轮胎缺气，或夏季因气候炎热而导致轮胎气温升高，这时，这些原因纠结在一起，爆胎便成为高速公路上的“杀手”了。

1.３防止轮胎爆胎方法

（1）掌握轮胎的充气标准

轮胎气压应符合轮胎充气标准，高于或低于充气标准，都将缩短轮胎的使用寿命。

（2）掌握轮胎的负荷

轮胎的负荷是根据轮胎的结构、帘线的层数、帘线材料以及标准气压等因素确定的，它是决定汽车最大装载质量的主要依据。

严禁超载，并在装载时使左右轮胎负荷均匀。

（3）严格控制轮胎的使用温度

车辆行驶时，必须严格按照规定速度行驶，严禁超速行驶；长时间、长距离行驶要做到合理停驶休息，防止胎温过高。

（4）提高驾驶技术

   如车辆平稳起步，尽量避免紧急制动；注意行车路面选择，行驶中要注意观察，对高速公路上的抛洒物、坑涧、公路与桥梁结合处的坎要合理避让，避免形成对轮胎的冲击；掌握行车速度等。

（5）保持汽车底盘良好的技术状况

汽车底盘技术状况不良时，会使轮胎磨损大大增加。

如转向轮前束及外倾过小时，胎面内缘磨损严重；前束及外倾过大时，胎面外缘磨损严重。

另外，当车轮的不平衡度过大，横拉杆球头松旷及主销间隙过大时，常造成转向轮振动，除会降低零件的使用寿命外，也增大了轮胎的磨损。

因此，必须保持汽车底盘良好的技术状况。

（6）轮胎的维护

1）重视胎侧保护

目前广泛采用的子午线轮胎，胎侧是其最为薄弱的部分。

因此整条轮胎，只有胎壁上没有钢丝，所以使用中必须十分小心。

汽车轮胎紧贴行道石停放、冲击路沿驶上人行道都是比较常见的现象，造成胎壁帘子布断纱，这时内部的空气就会在断纱处顶起形成鼓包，这而种情况都会给轮胎留下爆胎的隐患。

2）警惕化学物质和油污的腐蚀

化学物质和油污对轮胎的腐蚀性是相当强的，容易使轮胎早期老化，产生胎面龟裂现象，影响轮胎强度和使用寿命。

做到给轮胎勤“洗澡”。

3）定期做好轮胎换位和轮胎平衡，保持轮胎磨损均匀，延长使用寿命。

（7）注意胎纹航察，预防机械伤胎。

在轮胎通常维护的同时，不要忘记观察胎纹磨损状况。

经常观察胎纹状况，能使我们对有伤痕的轮胎、磨损至极限的轮胎做到及时修理、更换，防患于未然。

（8）使用汽车主动安全技术可以极大的提高轮胎的安全性。

第二章TPMS的系统概述

2.1TPMS的介绍

2.1.1TPMS的概念

轮胎压力监测系统（TirePressureMonitorSystem，TPMS），主要用于汽车行驶时适时的对轮胎气压进行自动检测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压防爆胎进行预警，确保行车安全的一种装置。

2.1.2TPMS的功用

图2.1TPMS的功能图

2.2TPMS种类及工作原理

TPMS有很多种类，绝大多数是美国的汽车公司研发而成，经过世界上众多汽车专家论证以后，现在绝大多数用的只两种，即主动式TPMS和间接式TPMS。

2.2.1间接TPMS的系统组成：

该系统由以下几个部件组成：

①4个车轮转速传感器；②车身控制模块；③复位开关；④轮胎压力过低报警灯；⑤数据诊断接头；⑥线束和连接器。

如图2.3

图2.3间接式轮胎报警系统

2.2.2间接式TPMS的作原理

间接式轮胎报警系统实际上是依靠计算轮胎滚动半径来对气压进行监测。

现在的间接式TPMS是与ABS一起使用的。

ABS的车轮转速传感器测量每个车轮的转速。

当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。

当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。

当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。

监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎太高或不足，从而点亮LOWTIRE报警灯。

图2.2间接式TPMS的工作原理图

2.2.4直接TPMS的系统组成

这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。

当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。

属于事前主动防御性。

如图2.5

图2.5直接TPMS的系统组成

2.2.3直接TPMS的工作原理

轮胎的轮毂上安装一个内置传感器，传感器中包括感应气压的电桥式电子气压感应装置，它将气压信号转换为电信号，通过无线发射装置将信号发射出来。

TPMS通过在每一个轮胎上安装高灵敏度的传感器，在行车或静止的状态下，实时监视轮胎的压力、温度等数据，并通过无线方式发射到接收器，在显示器上显示各种数据变化或以蜂鸣等形式，提醒驾车者。

并在轮胎漏气和压力变化超过安全门限（该门限值可通过显示器设定）时进行报警，以保障行车安全。

直接TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂亚电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到中央接收器，经过进行分析，将结果传送至安装在车内的显示器上。

监视器随时显示各轮胎气压、温度，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。

由于直接式TPMS可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于压状态时，它们就会检测出这种状态。

当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到，直接式TPMS也可检测到较小的压降。

如图2.4。

图2.4直接式TPMS的工作原理图

第三章目前常用TPMS的特点及局限性

3.1直接式TPMS的特点及局限性

3.1.1直接式TPMS的特点

直接式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。

监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，统就会自动报警[3]。

它的优点是主要体现在以下方面：

（1）在组件选择上，直接式TPMS主要有压力传感器、温度传感器、电压传感器、加速计、微控器、RF电路、天线、LF接口、振荡器和电池。

（2）在功耗管理方面，直接式TPMS选择的是低功耗组件并使用具有集成功能的组件。

（3）在制作成本方面，这个由接收器模块和四个轮胎模块组成的系统要在商业上获得成功，系统成本起着很重要的作用。

好的解决方案使用拥有集成功能的组件以实现组件数量、运行功耗和PCB尺寸的减少，最终实现降低系统成本。

3.1.2直接式TPMS的局限性

制作成本较高，安装维护需要专业人员。

直接系统可以提供更高级的功能，随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障。

直接式TPMS在胎压温度传感器上的维修与维护上较为困难，而且在市场上的普及率很低，一旦不能正常工作，只能与生产厂家联系，不能有效及时解决自己的困难。

再者它的兼容性较差，一旦与ABS等同时工作时，也会出现信号方面的干扰，反而不利于自己工作。

3.2间接式TPMS的特点及局限性

3.2.1间接式TPMS的特点

成本低，只需加装一个分析软件即可，如果使用间接系统，已经装备了4轮ABS（每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。

3.2.2间接式TPMS的局限性

（1）监测的精准度不够，只是一个估测的结果，只有当轮胎气压严重不足时才能侦测出来。

（2）当系统报警轮胎气压不足时，无法显示具体哪个轮胎出现问题，得将四个轮胎逐一检测才能确定。

（3）平时无法显示轮胎的气压值，只有在报警时，才有警示符号的出现。

且无法对高压及高温做到监测。

（4）车辆在静止的状态下，和在低速行驶时，或在坑凹不平的路面行驶时系统不起作用。

（5）当四个轮胎同时气压不足时，例如当发生季节温度变化时，系统无法告知。

（6）换上备胎时容易引起误报，因为备胎没有磨损，直径比其他轮胎大。

（7）换雪地轮胎时，容易引起误报，因为雪地轮胎比普通轮胎的直径大。

（8）在以较快的速度转弯时，容易引起误报，因为外侧轮胎的转速大于内侧轮胎。

（9）在某些天气或路面状况下，轮胎可能打滑，引起几个轮胎的转速不同，也容易引起误报。

3.3直接式TPMS与间接式TPMS的综合对比

为了更好的区分直接式TPMS与间接式TPMS的优缺点，得出如下表，如表3.1

表3.1直接式与间接式TPMS的各项对比表

区别

间接式

直接式

能否检测出动个轮胎的低压情况

不能

能

故障检出率

不高（＜35％）

高，可精确测量胎压绝对值

检测时间

长（运行一段时见后）

可实时监测

对车速超过100公里每小时的情况进行准确判断

不能

能

能否测出胎温

不能

能实时监测出胎温绝对值

综上所述，直接式TPMS虽然较间接式TPMS有较多优势，但是其仍然需要锂电池作为电源，并且在兼容性方面较差。

所以一种新型的汽车主动安全技术可以解决以上问题，它就是无线无源化的TPMS。

第四章无线无源化的TPMS

4.1影响TPMS的环境与因素

（1）离心加速度。

轮胎在高速运动上产生高离心加速度，假设一普通轮胎，胎的半径是0.5m，轮辋半径是0.3m，由于TPMS是装在轮辋上，所以半径以0.3m计。

假设汽车以时速200km/h行驶时，离心加速度可达368g，对内部电子元件焊接、封装都有极高要求。

而轮胎在高速行驶时要求动平衡，这对胎内模块的重量又提出了要求。

TPMS胎内模块是越轻越好，而电子部分一般而言5g左右，带电池TPMS的电池一般是8～10g。

（2）重量与轮胎的动平衡。

TPMS胎内模块安装在轮辋上，本身是轮胎的一部分，也同时影响轮胎的质量分布，如果TPMS过重，在轮胎相对位置放置的平衡块也会很重，甚至可能找不到合适的平衡块，所以TPMS是越轻越好。

目前市场上的TPMS产品一般都在30.50g之间。

（3）高温。

汽车在持续刹车时，比如下山，刹车片温度可达400℃左右。

在不断的加温过程中，轮辋面可达17℃左右，而胎内空气温度也在120℃左右。

一般电池在高温下由于内部液体气化，会使电池变形或爆裂。

所以目前TPMS选用高能锂—亚硫酰氯电池，可耐125℃高温。

（4）电池寿命与容量。

带电池TPMS模块在目前成本条件下，除要求电池使用5～7年外，还要求体积小，重量轻，即在保证容量的条件下尽量选择体积小、重量轻的电池。

目前趋势是选用2450锂电池，重约8g但是必须限制检测和发射的次数，以保证模块可以使用5～7年。

但这样就无法做到实时监控[4]。

4.2TPMS无线无源化发展的必要条件

（1）轮胎内模块有发电装置，将轮胎运动的机械能转化为电能，此为压电发电方案。

（2）从轮胎外通过电磁场传人能量，驱动轮胎内模块工作，发射压力信息，此为磁场电磁耦合。

（3）轮胎外发射电磁波，碰到轮胎内模块内置器件后反射，同时携带回压力信息，此为声表面波无源无线传感器方案。

4.3压电发电设计方案

（1）发电原理

压电陶瓷产生电能的工作原理是正反压电效应，压电陶瓷在应力作用下通过压电效应可产生数量可观的电荷，在工作物质上建立起很高的电势，可输出不小的静电能，构成了一个压电电源。

（2）发电方案设计

TPMS之所以可以采用发电方案，是因为轮胎在不断的转动和直线运动中有存在动能的可能。

但是，车轮在转动时产生离心力，虽然十分大，但是并不能用来发电。

由于离心力的方向是沿半径向外，在这个方向上，TPMS模块是固定的，处于力的平衡状态，而动能产生的条件是W=FL，所以要形成发电方案必须有两个条件：

存在力，在力的方向上有位移。

在汽车轮胎的转动过程中，和地面接触的部分由于汽车的重量而产生形变，脱离接触后轮胎又恢复到形变前的状