胎压监测系统标准试验装置研制与应用

2022-11-21文/邓彪

质量与标准化 2022年7期

文/邓彪

轮胎气压（以下简称“胎压”）作为影响轮胎性能和汽车安全的重要指标和参数，对汽车的动力性、经济性和行车安全有着重要影响[1]。轮胎欠压会使轮胎滚动阻力变大，导致车辆油耗增加，经济性下降，同时加剧轮胎磨损，缩短轮胎使用寿命。轮胎若长期欠压行驶，发生爆胎风险的概率可能会增加；若过压行驶，轮胎与地面接触面积缩小，会加速胎冠磨损。因此，无论是安全性还是经济性，对胎压进行监测很重要。

一、胎压监测系统分类与工作原理

胎压监测系统分为两类：直接式胎压监测系统和间接式胎压监测系统。直接式胎压监测系统是基于压力传感器和温度传感器的轮胎压力监测系统，主要由中央处理器、信号发生器、信号接收器和传感器组成。传感器采集胎压和轮胎温度等信息，信号发生器和信号接收器则通过射频信号将传感器数据发送至中央处理器，后者对数据处理后显示当前的胎压状态，在胎压异常时给予报警提示。间接式胎压监测系统不直接测量胎压或轮胎温度值，而是通过其他随着气压变化而变化的量，间接地对胎压状态做出判断。通常情况下，间接式胎压监测系统以防抱死刹车系统（ABS）轮速传感器信号为基础，通过一系列算法最终实现对胎压状态的实时估计[2]。

二、国内外法规标准与应用对比分析

1.国外

美国公路交通安全管理局（NHTSA）于2005年4 月发布《轮胎气压监测系统》（FMVSS 138），要求在美国销售的最大设计总质量不超过4536 kg 的四轮乘用车和商用车自2007 年9 月起必须安装胎压监测系统。联合国世界车辆法规协调论坛（UN/WP29）于2010 年8 月发布《关于装有临时备用总成、低压安全轮胎和/或低压安全系统和/或胎压监测系统车辆核准的统一规定》（UN R64），要求所有车轴均装备单胎的N1类车辆或最大总质量不高于3500 kg的M1类车辆需安装胎压监测系统[3]。

2.国内

为了进一步提升车辆本质安全性能，有效遏制和减少因车辆本质安全性能不足导致的道路运输事故，我国相继发布了相关标准，明确要求相关车型安装胎压监测系统。2019 年1 月31 日，工业和信息化部装备工业发展中心下发《关于调整〈公告〉产品准入部分检验项目的通知》，要求从2019 年3月1 日起将《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》（GB 26149-2017）标准涉及的检验项目列入《公告》管理，这意味着M1类车辆将强制装配胎压监测系统。《城市公共汽电车车辆专用安全设施技术要求》（JT/T 1240-2019）规定，未设置乘客站立区的公共汽电车宜安装胎压监测系统。《营运客车安全技术条件》（JT/T 1094-2016）规定，营运客车安装单胎的车轮应安装胎压监测系统或胎压报警装置。《营运货车安全技术条件第1 部分：载货汽车》（JT/T 1178.1-2018）规定，总质量大于或等于12000 kg 且车速大于90 km/h 的载货货车使用单胎的车轮应安装胎压监测系统。《营运货车安全技术条件第2 部分：牵引车辆与挂车》（JT/T 1178.2-2019）规定，最高车速大于或等于90 km/h 的牵引车辆使用单胎的车轮应安装胎压监测系统或具有胎压监测功能的装置，相关系统或装置的性能应符合标准附录B 的规定。《危险货物道路运输营运车辆安全技术条件》（JT/T 1285-2020）规定，危险货物运输半挂牵引车及总质量大于或等于12000 kg 的危险货物运输货车使用单胎的车轮应安装胎压监测系统或具有胎压监测功能的装置，相关系统或装置的性能应符合JT/T 1178.2-2019 附录B 的规定。《营运客车类型划分及等级评定》（JT/T 325-2018）规定，座位客车使用单胎的车轮应安装胎压监测报警装置；中、高级乘用车应安装胎压监测系统或胎压报警装置。

总体上看，相关标准不仅要求配备胎压监测系统，同时还规定了胎压监测系统的性能要求和测试方法，设计一种可靠、有效的胎压监测系统试验装置是开展胎压监测系统性能测试的前提。

三、胎压监测系统的试验方法

1.UN R64 规定的试验方法

目前，欧洲与发展中国家普遍采用UN 法规，因此有必要研究UN R64 规定的试验方法，即车辆动态行驶之后单胎欠压（刺破）和多胎欠压（扩散）试验：启动试验车辆按标准规定的车速在试验道路上至少行驶20 min；停车5 min 内测量测试轮胎的暖胎胎压（Pwarm）；接着5 min 内将测试轮胎放气至标准要求的测试胎压（Ptest）；车辆点火，查看是否报警和记录报警时间。

2.GB 26149-2017 规定的试验方法

①车辆静止状态下单胎和多胎欠压试验

在车辆静止状态下，测试人员分别在5 min 内调整车辆任意一个和多个胎压至（75%×Prec-7）kPa，记录车辆点火开关转至“ON”状态至胎压报警信号装置点亮的时间。

② 车辆行驶状态下单胎和多胎欠压试验

在启动车辆并按标准规定车速行驶过程中，测试人员分别在5 min 内，调整车辆任意一个和多个轮胎气压至（75%×Prec-7）kPa，记录胎压达到（75%×Prec-7）kPa 至胎压报警信号装置点亮的时间。

3.JT/T 1178.2-2019 附录B 规定的试验方法

①车辆静止状态下单胎和多胎欠压、过压试验

在车辆静止熄火状态下，测试人员分别调整车辆任意一个和多个轮胎气压至（75%×Prec-35）kPa和（130%×Prec+35）kPa，记录车辆点火开关转至“ON”状态至胎压报警信号装置点亮的时间。

② 车辆动态行驶之后单胎和多胎欠压、过压试验

测试人员启动试验车辆，按标准规定车速在试验道路上行驶20 min。车辆停驶后，按照单个测试胎压调整时间不超过30 s 的要求，测试人员分别调整车辆任意一个和多个胎压，分别记录胎压达到（75%×Prec-35）kPa 和（130%×Prec+35）kPa 至胎压报警信号装置点亮的时间。

UN R64 和JT/T 1178.2-2019 附录B 要求在车辆静止状态下调整胎压，而GB 26149-2017 除了在车辆静止状态下，还要求在车辆行驶过程中调整胎压。总体上看，国内乘用车胎压监测系统性能测试试验难度最大。本研究通过研究相关标准中胎压监测系统的试验方法，为设计胎压监测系统试验装置提供理论依据。

四、胎压监测系统试验装置的设计

1.胎压监测系统试验装置的设计要求

胎压监测系统试验装置的设计要求是：在车辆行驶和静止状态下均能调整胎压；能实时监测胎压，胎压测试设备的最大允许误差为±3 kPa；试验中所有胎压测试数据应使用同一胎压测试设备测量。

2.胎压监测系统试验装置的现状

在车辆静止状态下，测试人员利用常规胎压表就能监测和调整胎压，完成试验，无需其他试验装置。而车辆行驶过程中，轮胎是处于高速旋转状态，监测和调整胎压成为了开展试验需解决的关键问题。由于胎压监测系统试验装置是适用于试验测试，不是用于普通消费者，需求量小，市场上没有满足试验要求的设备。因此，需要根据试验要求进行胎压监测系统试验装置的研发。

3.轮胎气压监测系统试验装置的组成与工作原理

本研究设计的胎压监测系统试验装置包括胎压调节、监测系统和固定夹具（见图1）。

图1 胎压监测系统试验装置组成与安装示意图

胎压调节、监测系统由气门嘴接头、L 形快插接头、高速旋转接头、三通接头、压力传感器、电磁阀、充放气接头和数采单元组成。气门嘴接头一端与轮胎气门嘴相连接，根据不同规格的轮胎气门嘴选配不同气门嘴接头，使该装置可广泛适用于乘用车和商用车。气门嘴接头另一端通过气管、L 形快插接头与高速旋转接头实现快插连接，便于快速拆装。高速旋转接头为该装置的关键部件，包括固定端和旋转端，旋转端可高速旋转，固定端相对旋转端可固定不动。高速旋转接头固定端与三通接头的第一端口相连。三通接头的第二端口与压力传感器相连，压力传感器与数采单元相连，数采单元能实时采集并显示轮胎气压。三通接头的第三端口与电磁阀出气口相连，接通电磁阀电源可实现电磁阀的打开和关闭。电磁阀进气口端装配有充放气接头，可连接外部高压气源给轮胎充气，也可作为轮胎的放气口。固定夹具包括圆盘和固定螺栓，高速旋转接头安装于圆盘中心圆孔内。圆盘上加工有径向孔槽，固定螺栓一端通过径向孔槽与圆盘相连，另一端与轮胎螺栓相连，从而将胎压调节、监测系统固定在轮胎上。乘用车和商用车轮胎规格不一样，固定夹具规格也就不一样。

将胎压监测系统试验装置安装在轮胎螺栓上，将压力传感器与数采单元相连，同时将气门嘴接头拧入轮胎气门嘴，通过拆除轮胎气门嘴阀芯增大管路内径可缩短充放气时间。当轮胎转动时，高速旋转接头固定端安装的压力传感器、三通接头、电磁阀可相对于轮胎固定不动，因此，可实现轮胎静止、转动状态动态调整和胎压监测。当需要增加胎压时，测试人员将充放气接头与外部高压气源连接，控制电磁阀通电从而实现整个管路接通，外部气体通过管路进入轮胎，数采单元通过压力传感器实时监测胎压，达到目标胎压后，关闭电磁阀电源，从而切断管路。

如上所述，当需要减少胎压时，测试人员可通过控制电磁阀通电，从而接通管路，轮胎内部气体将通过充放气接头排到大气中，达到目标胎压后，关闭电磁阀电源。在每个轮胎上安装胎压监测系统试验装置可实现多个轮胎同时调整胎压。

五、试验验证

为了验证设计的装置可行性，本研究分别选取一台乘用车，依据GB 26149-2017、UN R64 要求，一台商用车采用本装置，依据JT/T 1178.2-2019 附录B 要求开展胎压监测系统测试，将车轮胎气门嘴阀芯拆除。装置配备的压力传感器最大允许误差为3 kPa，符合标准中压力测试设备的要求。试验结果见表1：