1、现代汽车胎压监测技术的应用研究学位论文 本 科 毕 业 论 文现代汽车胎压监测技术的应用研究学生姓名： 施小龙 学 号： 3120140456 专业名称： 机械工程及自动化 指导教师： 王冬良 河海大学远程与继续教育学院2016年4月 中国南京 摘 要文章介绍了现代汽车胎压监视技术的组成、原理、重要性及未来的发展。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。如何排除轮胎故障、防止爆胎，已成为全球关注的首要问题。汽车轮胎爆胎告警系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测装置，国际上通常又被叫做轮胎压力监测系统，英文通称Tire Pressure
2、 Monitoring System，简称TPMS。汽车轮胎爆胎告警系统是目前汽车适用的一种先进主动式安全装置，用于在汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎压力异常和漏气进行报警，以保障行车安全。轮胎压力监测技术是当前汽车工业领域汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车的智能安全及环保节能的发展方向，将成为未来汽车必备的安全驾驶配备之一，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。关键词：现代汽车 胎压 监测技术 目 录第一章 绪论-11.1汽车的基本介绍-11.1.1汽车的发展史简介-11.1.2汽车的构造简介-11.2汽车轮胎的基本知识-11.3爆胎带来的危害及预防方法-2第二章 胎压监测技术的
3、基本介绍-32.1胎压的基本概念-32.2胎压监测技术的背景-32.3什么是胎压监测技术-32.4国内外胎压监测技术的发展状况-4第三章 现代汽车胎压监测技术的应用研究-53.1现代汽车胎压监测技术功能及性能要求-53.1.1功能要求-53.1.2性能要求-53.2胎压监测技术的种类探究-63.2.1直接胎压监测技术-63.2.2间接胎压监测技术-73.3胎压监测技术的作用-73.4 现代汽车胎压监测关键技术的研究-83.4.1结构设计要求-83.4.2胎压监测模块研究-93.4.3中央监视模块研究-93.4.4天线技术研究-93.4.5软件技术研究-103.4.6低功耗技术研究-10第四章
4、浅谈未来胎压监测技术的发展-11第五章 总结-12参考文献-13第一章 绪论1.1汽车的基本介绍下面简单的从汽车发展的历史和汽车的基本结构介绍一下汽车。1.1.1汽车的发展史简介1769年，法国人NJ居纽 (Cugnot)制造了世界上第一辆蒸汽驱动三轮汽车。1879年，德国工程师卡尔本茨(KarlBenz)，首次试验成功一台二冲程试验性发动机。1883年10月，他创立了“本茨公司和莱茵煤气发动机厂”，1885年，他在曼海姆制成了第一辆本茨专利机动车，该车为三轮汽车，采用一台两冲程单缸0.9马力的汽油机，此车具备了现代汽车的一些基本特点，如火花点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬架、后轮驱动前轮
5、转向和制动手把等。1886年的1月29日，德国工程师卡尔本茨为其机动车申请了专利。同年10月，卡尔本茨的三轮机动车获得了德意志专利权（专利号：37435a）。这就是公认的世界上第一辆现代汽车。由于上述原因，人们一般都把1886年作为汽车元年，也有些学者把卡尔本茨制成第一辆三轮汽车之年(1885年)，视为汽车诞生年。1.1.2汽车的构造简介(1)汽车通常由发动机、底盘、车身、电气设备四个部分组成。(2)发动机的作用是使供入其中的燃料燃烧而发出动力。(3)底盘接受发动机的动力，使汽车产生运动，并保证汽车按照驾驶员的操纵正常行驶。(4)车身是驾驶员工作的场所，也是装载乘客和货物的场所。车身应为驾驶员
6、提供方便的操作条件，以及为乘客提供舒适安全的环境或保证货物完好无损。(5)电气设备由电源组、发动机起动系和点火系、汽车照明和信号装置等组成。1.1. 1.2汽车轮胎的基本知识这里讲解的是目前最常用的无内胎轮胎，即通常所谓的真空胎为对象。轮胎的结构分为三部分：胎体、帘布、外胎面；胎体较柔软，外胎面刚性较大，中间的帘线起到加强胎体强度和定型的作用，多加以金属丝提高轮胎的弹力性能。轿车轮胎大致分为子午线轮胎和斜线轮胎。斜线轮胎的帘线按斜线交叉排列，故而得名。胎体构成了轮胎的基本骨架，从外胎面到胎侧的柔软度是一致的。子午线轮胎的帘布层相当于轮胎的基本骨架，其排列方向与轮胎子午断面一致，由于行驶时轮胎要
7、承受较大的切向作用力，为保证帘线的稳固，在其外部又有若干层由高强度、不易拉伸的材料制成的带束层(又称箍紧层)，其帘线方向与子午断面呈较大的交角(70-75度)，材料多选用玻璃纤维、聚酰胺纤维或钢丝等高强度材料，既起到固定帘线的作用，同时利用束带来提高胎面的刚性。轮胎侧面的刚性小于胎面的刚性，所以在转弯时轮胎侧面因受地面横向力作用发生变形，从而保证了外胎面的触地面积基本保持不变。子午线轮胎与普通斜线胎相比，弹性大，耐磨性好，滚动阻力小，附着性能好，缓冲性能好，承载能力大，不易刺穿；缺点是胎侧易裂口，由于侧向变形大，导致汽车侧向稳定性稍差，制造技术要求高，成本高。下图1-1说明了子午线轮胎与斜线轮
8、胎在轮胎承受横向力时的变形区别；下图1-2说明了子午线轮胎与斜线轮胎在轮胎结构上的区别。 图1-1两种轮胎承受横向力时的变形 图1-2两种轮胎的结构1. 1.1. 1.2. 1.3爆胎带来的危害及预防方法汽车爆胎,危害极大,尤其在重载和高速行驶条件下,会产生恶性交通事故。前轮爆胎：车辆会立即跑偏或严重飘摆。后轮爆胎：车轮失去转向力，车子会出现“转向过度”，也就是俗称的“摆尾”或“甩尾”，严重时汽车会在弯中打转。如果试图反向打转向盘来挽救转向过度，很可能徒劳无功。因为爆胎后，轮胎已失去抓地力，汽车也已失去控制，反打转向盘顶多是减缓汽车“甩尾”程度、增加平衡而已。据统计,在各种爆胎原因中,轮胎气压
9、过高占20%,轮胎气压不足占57%,其他占23%。因此,防止轮胎气压异常行驶是减少爆胎产生的重要手段之一。第二章 胎压监测技术的基本介绍2.1胎压的基本概念如果说发动机是汽车的“心脏”，那么轮胎胎压则是汽车的“血压”。其实人们都知道，血压偏高或偏低，会影响人体健康。胎压也一样，不正常的胎压，对汽车也有诸多影响。胎压太高，会导致轮胎抓地力下降以及非正常磨损，而胎压太低，就可能会出现爆胎等不安全情况。汽车的厂家对于车辆轮胎的压力值都有一个胎压参考值,因为车重分布不同、轮胎使用规格不同，前胎、后胎、空载、满载的胎压推荐值都会有所不同。此外，有一点不可忽视的是车厂胎压推荐值指的是“冷却胎压”，即停车后
10、至少三小时后或轮胎行驶不超过2公里。在热胎时测量胎压，将测得的胎压数值减去大约0.3bar(=4psi)就是轮胎冷却充气压力。1. 2. 2.1. 2.2胎压监测技术的背景轮胎压力监测技术实现了在汽车行驶过程中对轮胎胎压的实时监测，对轮胎漏气等胎压不足症状进行报警，防止交通事故的发生，提高了汽车行车安全性，胎压监测技术是目前飞速发展的汽车主动安全技术之一。 美国是全球最早立法将TPMS列为标准配置的国家，2003年11月，美国公路交通安全管理局（NTHTSA）制定了新版汽车安全技术法规，要求2007年9月以后，所有在美国销售的最大设计总质量不超过4536kg的四轮乘用车和商用车都必须安装轮胎气
11、压监测系统。2012年11月欧盟也将通过新法案，硬性规定新汽车平台加装TPMS。目前中国TPMS整体市场容量较小，普及率较低，尚处于起步阶段。2.3什么是胎压监测技术胎压监测技术是一种能对汽车轮胎气压、温度进行自动检测，并对轮胎异常情况进行报警的预警系统。这种技术可分为间接式和直接式两种。间接式是通过汽车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。直接式利用安装在每一轮胎里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接收器上。2.4国内外胎压监测技术的发展状况胎压监测技术的研究在发达国家开展的较早，加上强制法规的推广，已经得到了普遍的认可和较大
12、范围的应用。日本、美国、德国、法国、英国在近几年都取得了相应的进展，出现了一批新产品。早在1996年丰田就有一种系统应用于当时生产的MarklI型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，容易产生误差，数据的时效性与准确性也存在不足。约翰逊公司的胎压实时监测系统被国际汽车工程(AEl)评为2002年度20个最有价值的汽车产品之首。这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类
13、相关产品问世如西门子VDO汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵(Tire Guard)监测装置，英国AIR汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神(Tire shield)监测装置；法国米其林集团公司与威柏可(Wabco)公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置。从最近发布的世界新车资料中得知，许多美国及欧洲的汽车厂商已将直接式胎压监测系统配装于中高档车之中。而在国内，轮胎压力监测技术的发展还很滞后。在市场方面。由予目前国家没有强制性规定必须安装胎压监测系统，而载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装胎压监测系统费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用。而家
14、用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，胎压监测系统都处于尴尬的地位。在技术方面，国内轮胎压力监测系统的相关产品推出较多，但都是属于零售安装的简易系统，这方面的技术成熟产品还很少、性能可靠、功能完善、技术成熟的都是代理国外大公司的品牌产品。胎压监测系统零部件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品。然而，由于胎压监测系统的相关产品正成为新的汽车电子技术热点，巨大的市场容量，良好的发展前景，使国内在产品的研发和市场的推广上仍然保持着极大的热情和投入。第三章 现代汽车胎压监测技术的应用研究3.1现代汽车胎压监测技术
15、功能及性能要求经过上述对汽车、轮胎以及胎压监测技术的基本介绍，我们对汽车胎压监测技术有了初步的认识。下面我们着重讲解一下现代汽车胎压监测技术的功能及性能要求。1. 2. 2.1. 3.1.1功能要求欠压报警、故障报警和开机自检三个功能是胎压监测技术的核心功能，气压异常轮胎定位、胎压数值显示是胎压监测技术的附加功能。(1)欠压报警要求：当轮胎被异物扎刺、轮辋被撞击变形、胎压日常维护时充气不足以及长时间自然发生的慢漏气等都可能造成轮胎欠压，此时胎压监测系统需要提供报警信号。(2)故障报警要求：胎压监测作为一个汽车电子产品，应跟其它电子产品一样具有“故障报警”功能，在系统发生故障时提醒驾驶员。(3)
16、开机检查要求：与 ABS、ESC 等类似，胎压监测系统开机检查应包括信号装置检查与相关传感器检查。(4)气压异常轮胎定位要求：双向直接式、单向直接式和间接式胎压监测系统都能实现对发生欠压轮胎的定位。(5)胎压数值显示要求：与“气压异常轮胎定位”功能类似，“胎压数值显示”只是为驾驶者提供具体胎压数值的辅助功能，在车辆具有欠压报警功能的情况下，增加该功能对改善安全、节能并无实质性作用。(6)信号装置要求：光学报警信号是必须的，同时，可根据需要采用文字或声学辅助报警方式。3.1.2性能要求(1)对胎压异常时其报警性能要求：胎压监测系统需要在车辆单个胎压异常或多个胎压同时异常时在规定的时间内做出报警反
17、应，根据市场调研的情况分析国内行业标准规定其反应时间应在10分钟以内。报警灯点亮后到胎压恢复正常前，胎压异常报警信号装置不应熄灭；胎压恢复正常后，胎压异常报警信号装置应熄灭。胎压异常时报警性能测试方法如下图3-1所示：图3-1 胎压异常报警测试流程图(2)对故障报警的主要性能要求有：胎压监测装置本身发生故障时，应在 10 分钟内点亮故障报警信号装置；故障灯点亮后到故障排除恢复前，胎压监测装置故障报警信号装置不应熄灭；故障排除并恢复后，胎压监测装置故障报警信号装置应熄灭。 1. 2. 3. 3.1. 3.2胎压监测技术种类探究综合上述对胎压监测技术的讲解，我们已对胎压监测技术有了一定的认知，胎压
18、监测技术，目前市场上最常见的是直接式胎压监测技术和间接式胎压监测技术，下面我们着重对两种胎压监测技术进行分析。2.2. 2.3. 3.2.1直接胎压监测技术直接式胎压监测技术，便是在汽车轮胎上直接加入压力传感器和传输器，车上则有一支接收器接收信号，如果任何一个轮胎胎压低于驾驶员手册上推荐的冷胎胎压25%时，便会警示驾驶人。直接式胎压监测系统在每一只轮胎中装了压力传感器，所以其警示信号会比较精确，而且如果轮胎被扎破，胎压快速降低时，直接式胎压监测系统也能提供立即的警示。除了失效时的警示之外，车胎缓慢的气压流失还不到警示限时，许多直接式胎压监测系统也能透过行车计算机，直接让驾驶人从驾驶座上检视目前
19、四只轮胎胎压数字。3.2.2间接胎压监测技术非直接式胎压监测技术是用汽车ABS刹车系统上的速度传感器来比较四只轮胎的转动次数，如果其中一只轮胎胎压较低，这只轮胎的转动次数会和其它轮胎不同。如此采用ABS系统同样的传感器和感测信号，只要车内计算机在软件上作调整，便可以在行车计算机建立新功能，警告驾驶人一只轮胎和其它三只相比胎压较低的信息。然而非直接式胎压监测系统有几项严重的缺点：首先，非直接式胎压监测系统不会告诉驾驶人哪一只轮胎胎压不足，秋天冬天气温下降时，也不会警告驾驶人如果四只轮胎的胎压同时在下降。此外，非直接式胎压监测系统在比较四只轮胎转动次数的不同，然而轮胎转动次数不同除了胎压不足外，还
20、有其它许多可能的原因，像是当车子行驶过弯路时，外侧轮转动次数会大于内侧轮转动次数，或者轮胎在沙地或冰雪路面打滑，特定轮胎旋转数会特别高。根据使用者的经验显示，非直接式胎压监测系统经常发出错误的警告信息，这种错误警告信息发生次数一多，就像放羊的孩子一样让驾驶人自动忽略了非直接式胎压监测系统传来的警告信息，系统反而完全没有用了。3.3胎压监测技术的作用有数据表明，由爆胎引起的车祸在恶性交通事故中所占的比例非常高，而所有会造成爆胎的因素中胎压不足当为首要原因。当胎压过高时，会减小轮胎与地面的接触面积，而此时轮胎所承受的压力相对提高，轮胎的抓地力会受到影响。另外，当车辆经过沟坎或颠簸路面时，轮胎内没有
21、足够空间吸收震动，除了影响行驶的稳定性和乘坐舒适性外，还会造成对悬挂系统的冲击力度加大，由此也会带来危害。同时，在高温时爆胎的隐患也会相应的增加。有资料显示在轮胎气压不足时行驶，当车轮气压比正常值下降10%，轮胎寿命就减少15%当轮胎内的气压过低时，就会增大轮胎与地面的接触面积，从而增大摩擦阻力，当轮胎气压低于标准气压值30%，油耗将上升10%。轮胎内气压过足时，就会导致轮胎本身减震效果减低，从而增加车辆减震系统的负担，长期使用对发动机底盘及悬挂系统都将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，还容易造成刹车跑偏，从而增加悬挂系统的磨损。有了胎压监测技术，我们就可以随时让轮胎都保持在规定的压力、温度
22、范围内工作，从而减少车胎的损毁，延长轮胎使用寿命，确保行车安全。3.4现代汽车胎压监测关键技术的研究胎压监测系统主要由两个部分组成:安装在汽车轮胎里的轮胎压力检测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视模块。轮胎压力检测模块直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力、温度和电压,将测量得到的信号调制后通过RF发射出去,一个胎压监测系统有4个或5个轮胎压力检测模块。中央监视模块接收到胎压检测模块发送的信号,将接收的轮胎压力、温度和电压数据显示在屏幕上,供驾驶者参考。如果轮胎的压力、温度或者电压出现异常,中央监视模块根据异常情况,发出不同的报警信号,提醒驾驶者采取必要的措施;同时驾驶者可以根据实际情况设定温度、压
23、力、电压的报警上下限。2.4. 3.4.1结构设计要求轮胎压力传感器安装在轮胎内部，由气门嘴、壳体和防尘帽组成。汽车的行驶速度最高可达250KM/H，而且轮胎内部环境复杂且异常恶劣，长期处于高压、高温、温度交变、油污、颠簸震动等环境中，温度高低变化容易使壳体脆化并使机械强度降低，高湿情况下也会使壳体膨胀，强度降低并产生腐蚀等化学反应，轮胎行驶在各种路面上，颠簸震动频率幅度各不相同，这些情况都可能导致零部件松脱。这就要求系统结构设计考虑以下几点：系统总重量要轻（小于40g）、耐速旋转加速度性能高、结构断裂强度高、密封性能搞（IP6防护等级）、结构和气门嘴材料选择耐高温耐腐蚀材料、气门嘴和轮毂接合
24、处有防松动设计。3.4.2胎压监测模块研究胎压检测模块被嵌入安装在轮毂上，胎压监测模块是胎压监测系统最核心的组成部分,也是胎压监测系统稳定运行的关键。胎压监测模块由传感器模块、微控制单元、射频模块、天线和锂亚电池五部分组成。传感器模块内部集成了气压传感器、温度传感器和接口电路, 能承受的最大气压为1400Mpa。传感器由两部分电路组成,第一部是压力和温度传感器；第二部分是具有数字输入和模拟输出的混合电路。3.4.3中央监视模块研究中央监视模块主要负责接收压力检测模块发送过来的数据,对其进行分析、处理,并根据具体情况启动相应报警。从功能上中央监视模块包括射频接收、数据处理、显示报警和人机接口几部
25、分。显示报警主要由液晶显示屏和声光器件构成。微处理器将接收到的数据进行处理,在液晶显示器上显示压力、温度的数值以及一些状态信息,必要时使报警器动作发出报警声音。此外,通过设定按钮,可以切换显示状态,设定报警参数。3.4.4天线技术研究胎压监测系统中天线是一个十分复杂的系统,因为胎压监测模块安装于轮胎内部,轮胎的轮毂、胎面、子午胎的钢丝层都会影响天线的工作状况。轮毂、钢丝层对天线的方向图、极化形式、增益都有影响。天线是决定直接式胎压监测系统性能的关键之一。在设计中,采用了法向螺旋天线,螺旋线能大大减少电磁波沿螺旋线轴向传播的相速,作为一级近似,电磁波沿螺旋线轴向传播的相速和电磁波在自由空间的相速
26、之比等于螺旋线的螺距和每匝周长之比。另一方面,螺旋线增加了感抗,在轴线方向上天线的长度远小于普通谐振单极天线或偶极子天线。同时它具有小尺寸、有助于提高天线效率和改善天线极化等特性,减少了因收发天线极化失配而产生的接收盲点。3.4.5软件技术研究胎压监测技术的软件设计主要是设置胎压监测模块对轮胎气压、温度及检测模块电压进行测量,然后将数据处理后生成完整的数据帧通过微处理器发送给胎压监测中央监视模块,接收到数据帧后,经过校验正确再送液晶显示,并与报警阈值比较判断是否需要报警。程序模块包括胎压检测模块和中央监视模块两大部分,胎压检测模块程序平时处于空闲模式,传感器每隔3秒发出一个唤醒脉冲,唤醒脉冲连
27、接到微处理器的键盘中断输入管脚,把微处理器从停止模式中唤醒。被唤醒后它测量压力值,如果这个值与上次测量的数值不同,则存储到随机储存中,否则计数器加1然后回到停止模式。经过10 次唤醒后(约30秒) , 胎压监测模块把数据发射到接收模块。中央监视模块是基于单片机开发的监测系统,输入为三个按键,分别是轮胎切换按钮、模式按钮和设置按钮,通过这三个按钮可以完成一切功能操作。输出为液晶显示器,显示参数信息和设定功能提示符号。上电复位后,程序分别对单片机进行初始化,初始化成功后进入功能处理模块,否则显示出错代码。3.4.6低功耗技术研究胎压监测模块是嵌入到轮胎中,更换电池是不现实的,低功耗设计是延长胎压监
28、测模块使用寿命的关键,低功耗设计从硬件和软件两方面着手。硬件设计部分,要选择低功耗组件,使用具有集成功能的组件来减少组件数量。当汽车处于停车状态时, TPM模块停止运行,取消发送以节省电量;当汽车运行时,由中央监视模块唤醒。第四章 浅谈未来胎压监测技术的发展胎压监测产品是一种安全产品，所以有必要制定胎压监测国家标准来规范和引导胎压监测产业的良性发展。考虑该产品是一种较新的技术，先从鼓励先进技术的应用为目的，制定推荐性国家标准，待技术和产品进一步成熟后，可考虑制定为强制性国家标准。在这方面，我们可以参考美国公路交通安全管理局、国际标准化组织、美国汽车工程师学会、欧洲的、日本的汽车标准化组织等汽车发达国家或地区制定的各种胎压监测标准。参考的目的在于制定胎压监测国家标准时要适用于我国的国情，既要规范市场的管理，又要引导产品的技术发展。胎压监测产品有四大核心技术：1)无线信号传输的稳定性和可靠性(特别是高速行使时的信号传输)；2)传感器的使用寿命(免维护使用)；3)报警提
