一种动态调整汽车胎压的机制设计

宋岭林

（呼和浩特市第一中学，内蒙古呼和浩特，010030）

0 引言

充气轮胎是车辆的基础部件之一，其关乎车辆的安全性，决定车辆能否正常行驶。而充气轮胎的胎压，又直接与轮胎各方面的性能相关联。所以，通过调整胎压，车辆便可以获得更优的安全性与操控性[1-2]。但是，在现实情况中，车辆的胎压并不能够一直处于最优状态，原因如下：第一，由于人们对轮胎的忽视，胎压问题常常会被人们所忽略；第二，环境温度以及轮胎自身的温度都会对轮胎的气压以及性能产生影响。再者，车辆的驱动形式、实载、行驶状态、路面状况甚至转向时产生的重心偏移，都会改变各个轮胎相对独立的最优胎压值。现有的研究方向主要集中在胎压监测上，以此对轮胎进行延后处理[3-4]，但是胎压监测系统只能帮助了解轮胎胎压状态，无法解决车辆行进过程中出现车辆因路况不佳时出现的不稳定状况。另外，针对爆胎的危险，也有学者提出了设置安全机制的方法：胎侧补强型安全轮胎、防轮胎脱圈装置以及相关的轮胎气压监测技术等[5]，除了监测之外，其他的方法也主要针对爆胎发生之时的补救处理，并没有提及爆胎前的应对方法。可见，现在对于运行中的车辆轮胎胎压动态调整的研究较少。

针对充气轮胎的气压调整，就国内而言，目前调整胎压的途径仍十分有限，一般情况下，大部分人会选择到汽修厂或轮胎店调整胎压，但这种方法存在一些不足：首先，前往汽修厂或轮胎店调节胎压，会花费大量的时间。其次，技师水平的参差不齐，无法对胎压做到精确调整，且不能保证其是否符合特定的车况及用车环境。在国外，部分半挂车已经安装了PSI 轮胎自动充气系统（Meritor Tire Inflation System）,安装该系统，驾驶员在车内即可对轮胎进行测压及充放气等操作，对轮胎进行测压及充放气等操作，从而提高车辆的安全性、通过性，以及驾驶员的舒适性。但该系统仍有其局限性，例如：涉及车种十分有限，PSI 系统目前仅应用于半挂车等大型汽车及军用汽车，而在民用领域尤其是轿车方面仍处于空白；在调节的灵活性上，其也存在有一定的缺陷，该系统无法针对各个车轮胎压区分调节；由于仍需驾驶员人为操作和启动，该系统在智能化程度上能也并无优势。此外，装配有PSI 系统的车辆，都配备有外置连接气门芯的软质充气导管，该装置可能会影响车轮的动平衡，而且影响车辆的美观，存在一定的老化问题。

针对以上问题，本文提出一种针对于家用乘用车，可区分调节各轮胎压的一种动态调整汽车胎压的机制设计。该系统可依靠车辆传感器分析路面信息，判断路面状况，自动调整胎压。还可根据车辆驱动形式，不同车轮的压力数据，区分调整各轮胎压，使轮胎与悬架系统、动力系统、空气动力系统、刹车系统等配合工作，从而提升车辆安全性、机动性及车辆的驾驶乐趣。

1 整体方案

本文提出的一种动态调整汽车胎压的机制设计方案主要包括了中央调控系统、充气系统和放气系统等组成，如图1 所示。该机制主要是由汽车专用微机控制器“行车电脑”ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元来控制，并完成车辆行进中的动态调控[6-7]。

充气系统包括安装在轮拱内侧的高功率小型气泵、空心密封式半轴和特殊设计的中空联通式轮毂。放气系统由各轮毂安装的电控蝶阀式气门芯组成。中央调控系统集成在车辆ECU 中，同时连接充气系统与放气系统。该机制通过对车辆自身动态状况（轮胎温度及其与地面的附着力、车辆驱动形式、质量前后分配比、各车轮所承载的质量、各悬挂的压缩或拉伸程度等）以及行驶条件（行驶路况、环境温度等）的分析，对胎压进行整体或单独的调节。

图1 动态调整汽车胎压机制设计原理图

该动态机制可有效降低车辆在冰雪等恶劣路况下发生事故的几率，增强汽车的全地形适应能力，显著提升车辆的性能。从而保障驾驶员及车内乘客的人生财产安全，提升驾驶员的驾驶乐趣。

2 中央调控系统

中央调控系统位于车辆行车电脑（ECU）的特定区域。该系统可对外部传感器的数据进行分析，判断当前所处的环境及路况条件，从而下达充气或放气的指令，对胎压实施一致（可区分前、后轮）的、大幅度的调整。系统还可通过行车电脑（ECU）实时监控驾驶者的操控动作，监测汽车运动状态，在行驶中进行动态的、区分轮胎化的胎压微调。

环境温度会明显改变充气轮胎的气压，且轮胎的主要成分为橡胶，其在不同温度下的硬度、弹性及摩擦系数等参数都会发生改变。在不同路况下（如沙地、砂石路面、柏油路面等），车辆的适宜胎压也会改变。当气温或路况改变时，中央调控系统会自动工作，并根据车载监测设备（温度仪、路况传感器等）所给数据，计算轮胎的适宜胎压。

在车辆行驶过程中，车辆因加速或刹车产生的重心变化、驱动轮输出扭矩改变、轮胎承载质量改变、悬架压缩或拉伸程度变化等也会影响各轮胎独立的适宜胎压。因此，中央调控系统可通过行车电脑（ECU）实时监控驾驶者的操控动作（转向、制动和油门等），还可通过陀螺仪、加速度计、传感器、微电脑矩阵等精密仪器以及胎压监测系统（TPMS）、车载诊断系统（OBD）、发动机管理系统（EMS）等车辆信息系统监测汽车运动状态，持续向充气及放气系统发出指令，对行驶中的车辆进行动态的、区分轮胎化的胎压微调，同时适配其他系统（动力系统、刹车系统、悬架系统等）的工作。

3 充气及放气系统

充气系统包括安装在轮拱内侧的小型高功率气泵、中空密封式半轴、与半轴相连通的中空式轮毂（中通式轮辐、联通式轮辋），中空密封式半轴及中空式轮毂设计如图2 所示（蓝色阴影部分为中通式轮辐、联通式轮辋、中空密封式半轴）。放气系统由轮毂安装的电控蝶阀式气门芯组成，如图3 所示。充放气系统在车辆通电时便可启动，并与中央调控系统自动连接，随即进入工作状态。

充气系统的工作原理是：在车辆静止情况下，中央调控系统下达大幅度升高胎压的指令或驾驶员人为控制胎压时，车载气泵会自动启动，对轮胎进行正常速度的充气，此时充气系统的能耗较低；在车辆行驶过程中，气泵将以高功率模式工作，根据车辆的行驶状态对轮胎进行快速微量的充气，此时系统充气的效率将大幅提高，在调控机构下达指令即刻完成充气。由于此时充气特点为高效、微量，所以并不会造成能源浪费和设备过度磨损等问题。

图2 联通式轮毂剖面图

图3 电控气门芯

放气系统的工作原理是：在车辆静止情况下，中央调控机构下达大幅放气的指令或驾驶员人为降低胎压时，电控气门芯的蝶阀会以较小的开度放气，降低排气速度以避免高压气体大量快速释放而造成的安全隐患；在车辆行驶过程中，为提高放气机构的效率且保障行驶安全，电控气门芯蝶阀会以较大开度瞬间启闭，从而在极短的时间微量放气。

充气和放气系统可配合工作，实现对轮胎进行动态实时的胎压调整，其隐藏式的通气机构具有结构简洁、不影响车辆美观、日后维护便利等优点。中空的轮毂轴管及轮毂还有助于减轻车辆的簧下质量，提升操控性能。

4 结论

本文提出了一种动态调整汽车胎压的机制，主要以中央控制系统（集成在车辆ECU，可根据各传感器数据，计算每只轮胎的最佳气压）、充气系统（安装在轮拱内侧的小型高功率气泵、中空密封式半轴和特殊设计的中空式轮毂）、放气系统(电控蝶阀式气门芯)的结构为设计核心。该机制可对每只轮胎的气压进行单独调节，灵活性高，适应性强，可有效提高车辆的安全性、舒适性、机动性、操控性。设计的结构简单，不会明显影响整车质量以及车辆的簧下质量，实践可行性高，日后维护保养经济方便。

此外，该机制设计在后续的研发中还可设计与主动空气动力系统（可调式尾翼、空气刹车）、后轮转向系统、四轮线控制动系统（4-wheel break-by-wire system）、差速系统等协调工作的体系，有助于提升车辆性能。