李東錦

摘要：輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS），是在汽車行駛過程中對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以確保行車安全。本文對(duì)現(xiàn)有的TPMS進(jìn)行了研究概述，分析了其工作原理、工作特點(diǎn)，并提出了一些進(jìn)一步研究的建議，為以后的TPMS設(shè)計(jì)、研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：TMPS；行車安全；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；胎壓監(jiān)測(cè)

1.前言

輪胎是汽車的重要安全部件，在汽車行駛過程中，如果輪胎處于大負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間、高氣壓運(yùn)行中的任何一種情況，都可能引起爆胎或輪胎漏氣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起交通事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)報(bào)道，在全國(guó)眾多車輛事故中，因輪胎引發(fā)的事故約占20.8%，高速公路每百公里事故率為普通公路的4倍多，其中70%是由于輪胎爆破而引起的，而在美國(guó)這一比例則達(dá)到80%。因此，汽車在行駛中，實(shí)時(shí)在線、不斷地監(jiān)測(cè)輪胎氣壓是否正常對(duì)保證行駛安全至關(guān)重要。

目前，TPMS主要有兩大類：直接型TPMS和間接型TPMS。直接式（Pressure-Sensor Based TPMS，簡(jiǎn)稱PSB）是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來直接測(cè)量輪胎的氣壓，利用無線發(fā)射器將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到中央接收器模塊上的系統(tǒng)，然后對(duì)各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。當(dāng)輪胎氣壓太低或漏氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。屬于事前主動(dòng)防御性。間接式（Wheel-Speed Based TPMS，簡(jiǎn)稱WSB）是通過汽車ABS（Anti-blocking system）系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)測(cè)胎壓的目的。ABS通過輪速傳感器來確定車輪是否抱死，從而決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)。當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的重量會(huì)使輪胎直徑變小，這就會(huì)導(dǎo)致車速發(fā)生變化，這種變化即可用于觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)來向司機(jī)發(fā)出警告。屬于事后被動(dòng)型。

2.TPMS的分析研究

2.1PSB TMPS的研究

直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)又分為主動(dòng)式（active）和被動(dòng)式（passive）兩種。

主動(dòng)式系統(tǒng)是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個(gè)輪圈上，通過無線射頻的方式將信號(hào)傳送出去，安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)處理，顯示出當(dāng)前的輪胎壓力。主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)比較成熟，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點(diǎn)同樣比較突出，其感應(yīng)模塊需要電池供電，因此存在系統(tǒng)使用壽命的問題。

被動(dòng)式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波（SAW）來設(shè)計(jì)的，這種傳感器通過射頻電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)聲表面波，當(dāng)這個(gè)聲表面波通過壓電襯底材料的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變化，通過檢測(cè)聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標(biāo)準(zhǔn)才有可能實(shí)施。

PSB能提供更高級(jí)的功能，隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際瞬壓，很容易確定故障輪胎。如果傳感器和電源內(nèi)置，需要跟換時(shí)很不方便，現(xiàn)在以一種外置直接式數(shù)字胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例來分析PSB。該系統(tǒng)的胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在輪胎氣嘴上，直接監(jiān)測(cè)胎內(nèi)氣壓，再通過射頻信號(hào)傳送至駕駛室內(nèi)的上位接收機(jī)，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎內(nèi)的瞬壓，當(dāng)輪胎氣壓不正常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，保障行車安全。該系統(tǒng)在通信可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)TPMS后裝市場(chǎng)的空白，有著廣泛的應(yīng)用前景。

胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在輪胎外面的氣嘴上，稱為“外置式”安裝方式，因此節(jié)點(diǎn)的體積小、重量輕、防漏氣和安全防盜是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

具體的胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝過程為：把胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的A部位旋入到輪胎的氣門嘴上，空心柱頂開氣嘴的心軸，氣體溢出，通過空心柱中心孔傳到密封墊上部的氣室中，再由氣室中的壓力傳感器芯片檢測(cè)胎壓；胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的外殼和底蓋密閉，保證傳感器芯片、線路板、電池和天線的防塵防水和節(jié)點(diǎn)模塊的防盜功能。

該設(shè)計(jì)采用可更換電池的方法和外置式的安裝技術(shù)，即使電池電量耗盡或者更換輪胎，節(jié)點(diǎn)模塊也能反復(fù)使用，與同類TPMS產(chǎn)品相比，極大提高了產(chǎn)品的使用壽命，也大大降低了成本。

2.2WSB TPMS的研究

WSB的原理：設(shè)安裝在車輪上的ABS輪速傳感器齒圈齒數(shù)為z，則車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，發(fā)出z個(gè)脈沖信號(hào)。設(shè)車輪滾動(dòng)距離為S，行駛的時(shí)間為T，發(fā)出的脈沖總數(shù)為N，則N稱之為原始脈沖數(shù)，S和T分別稱為一次采樣的里程周期和時(shí)間周期。采集脈沖有固定里程周期和固定時(shí)間周期兩種方式。若采樣采用固定里程周期，則原始脈沖數(shù)N也固定，采樣時(shí)間周期T隨速度的提高而減小；若采用固定時(shí)間周期，則采樣里程和采樣原始脈沖數(shù)都隨速度的提高而增大。

由于輪胎的滾動(dòng)半徑與輪胎的充氣壓力呈線性關(guān)系，因此，4個(gè)車輪在同一個(gè)采樣周期里采集到的原始脈沖數(shù)與輪胎氣壓成反比。采集、分析、比較各個(gè)車輪的脈沖數(shù)，就能間接判斷輪胎氣壓正常與否。

雖然，WSB有其優(yōu)點(diǎn)，安裝簡(jiǎn)單，成本也低，只需對(duì)安裝有ABS的車子進(jìn)行系統(tǒng)軟件升級(jí)，加裝WSB相應(yīng)的軟件就行，但也有許多缺點(diǎn)，準(zhǔn)確度低，報(bào)警后無法顯示具體哪個(gè)輪胎出現(xiàn)問題，由于一些外界條件，比如，輪胎安裝錯(cuò)誤，換了其他直徑的輪胎，輪胎打滑，等，易引起誤讀，在低速、高速或在坑凹不平的路面行駛時(shí)系統(tǒng)不起作用。

2.3小結(jié)

PSB和WSB，各有自己的特點(diǎn)，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看WSB難免會(huì)被淘汰，只不過在PSB成本還很高、技術(shù)還沒完善時(shí)，作為一個(gè)過度產(chǎn)品還是有其存在的意義。PSB是未來發(fā)展的方向，因?yàn)槠錅?zhǔn)確性對(duì)于提供行車安全尤為重要。

3.結(jié)束語

隨著這些年汽車的擁有量越來越高，交通事故也日趨頻繁，汽車的安全問題越來越受到公眾的關(guān)注。其中在汽車行駛過程中，輪胎可能發(fā)生的故障卻是最難以判斷和估計(jì)的。經(jīng)過研究表明，汽車在保持標(biāo)準(zhǔn)的輪胎氣壓和溫度下行駛可以大幅度減少爆胎的發(fā)生，還有如果胎壓不足，會(huì)使能耗增加，由此便帶來了對(duì)于TPMS的研究。

本文對(duì)TPMS兩種典型PSB和WSB系統(tǒng)進(jìn)行了分析和詳解，給出了它們的各自特點(diǎn)，并對(duì)于以后的研究提出了建議。WSB作為過渡產(chǎn)品還是有研究的必要，但PSB是以后的發(fā)展方向。重點(diǎn)應(yīng)放在后者。由于科技的進(jìn)步，對(duì)于人的感受體驗(yàn)也增強(qiáng)，數(shù)字化、集成化也是發(fā)展方向。希望本文能對(duì)以后的TPMS的研究提供有力的幫助。（作者單位：成都理工大學(xué)）

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