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上海交通大学硕士学位论文一种智能过充气机控制器的设计姓名：刘健申请学位级别：硕士专业：测试计量技术与仪器指导教师：蔡萍20070201上海交通大学硕士学位论文 摘要 现了对轮胎充放气的自动化。 关键词：充气机，流体运动规律，充放气时间，信号调理，硅压力传感器 上海交通大学硕士学位论文 of is of to In of to of an is is of in is in of as of By is of in as 海交通大学硕士学位论文 of At is of in 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘健 日期：2007年2月27日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 刘健 指导教师签名：蔡萍 日期：2007年2月27日 日期：2007年2月28日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 过充气机控制器研制的意义 保持标准胎压的重要性 轮胎是汽车上非常重要的部件之一，对车辆安全、节能、环保和降低运输成本起着至关重要的作用。而胎压是轮胎的生命，胎压过高过低都会对汽车的燃油效率、行车的安全、轮胎的寿命以及汽车的操作性能造成不良的影响。 1. 轮胎气压高于标准值行驶时有以下危害： 1) 将使轮胎的帘线受到过度伸张，引起帘线拉断，造成轮胎早期爆破； 2) 使车身重量集中在胎面中心上，导致胎面中心快速磨耗； 3) 张力过大，造成胎面脱层及胎面沟底龟裂；轮胎抓地力减小，刹车性能降低； 4) 车辆跳动，舒适性降低，车辆悬挂系统容易损坏。 2. 胎压不足时的危害： 1) 使轮胎的接地面积不均匀，胎面或帘布层脱层、胎面沟槽及胎肩龟裂，帘线断裂，胎肩部位快速磨耗，缩短轮胎的使用寿命； 2) 轿车的行驶速度比较快，轮胎开始处于高频交变状态，胎压不足使变形加大，胎体无法抵御地面的压力扭曲变形，产生高温加速轮胎的磨损最终导致爆胎； 3) 增加滚动阻力、加大油耗，影响车辆的操控，严重时甚至引发交通事故。 因此保持胎压为标准胎压具有十分重要的意义。一般汽车轮胎的最佳工作压力，由汽车厂家或轮胎厂家给出。为了使轮胎保持标准胎压需要经常对轮胎胎压进行测量，故而轮胎充气机得到了广泛应用。 轮胎充气机发展现状 有的轮胎充气机产品 轮胎充气机是用来对汽车轮胎充气的设备，当轮胎胎压不足时，对轮胎补气；上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2胎压太过时，对轮胎放气。目前市面上有多种汽车轮胎充气机，有的不具有自动功能，为手动充气，即人工判读压力表值是否达到所要求气压，以此来控制仪器的充放气动作；也有很多具有自动充放气功能的便携式轮胎充气机充气动作较慢，只适合少量轮胎的充气工作。 及轮胎压力的技术 目前有关轮胎压力技术谈到最多的是“轮胎压力检测系统”度等参数进行监测，对轮胎的漏气和低压进行报警，以保障汽车行驶的安全。由此可见不对胎压进行控制。 涉及胎压控制的技术有“中央充放气系统”S(它是一种能自动控制轮式车辆轮胎气压的自动化装置。其主要功能是在车辆行驶或停车时，驾驶员在驾驶室内通过简单操作就可对车辆轮胎进行充气、放气或测压，以实现对压力的调节，从而提高轮式车辆通过沙漠、泥泞或冰雪等复杂路面的能力。谈宏华在新型轮胎中央充放气系统一文谈到用了下列控制方案：首先将轮胎气压放到最低值，按固定时间对轮胎充气，在每个时间点上延时一段时间，待气压稳定后测出气压值；充气到最高气压值后，按固定时间对轮胎放气，记下每个时间点上的气压值，放气到最低气压后结束【1】。待自学习几次后，将同一时间点的气压值取平均存在要路面选择模式时，根据自学习数据计算充气时间，对轮胎直接充气。谈宏华在轮胎中央充放气系统控制器实验研究【2】一文中给出了路面选择模式时具体充气时间的计算方法。3】中提出的充放气方案类似参考文献【1】中谈到的方法。an 轮胎充放气，即通过控制电磁阀的开闭，一定时间间隔对轮胎充放气；间隔时间到，通过传感器测量胎压，与设定压力比较，相等充放气过程完毕，不相等重复上述过程，直到胎压等于设定压力。 王树栅等在汽车轮胎充气自动化设备的开发研制【4】一文中对系统整体结构设计、组装进行了介绍，未谈及充气控制方案。赵继昌在谈轮胎自动充气机的研制【5】一文中谈到了用于车轮组装线上的充气机的整体设计方案，也未谈及控制方案。 总体来说，涉及对轮胎充放气控制方案的文章不多见。本设计采用了类似海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3为了提高充气效率及满足大批量轮胎充气的需要，又有别于面对过充气机系统进行介绍。 过充气机控制器系统概述 本文设计的过充气机控制器是针对大批量轮胎充放气使用而设计，适合轮胎厂、汽车维修站等地点使用。该控制器有自主学习、过充气、放气及测量胎压等基本功能。自主学习功能，能记忆不同型号轮胎的胎压曲线、充放气时间，为后续轮胎的充放气使用。所谓过充气即对轮胎充气，使胎压大于标准气压，过充气的目的：使轮胎张力均匀、使轮圈紧紧压在轮辋上，检查轮胎是否漏气。 过充气机控制器系统结构 过充气机控制器结构示意图如图1为气源的空气压缩机通过电磁阀1与汽车轮胎相连，用于实现对轮胎的充气；电磁阀2用于对轮胎的放气。微控制器控制电磁阀1、2的开闭。 气源电磁阀1（进气）压力传感器电磁阀2（放气）汽车轮胎微控制器图1过充气机控制器气路结构示意图 of 过充气机控制器的工作原理 由流体力学的知识知，当流体运动时由于动压的存在，此时测量的胎压值不准确。因此胎压的测量要在电磁阀关闭，即充放气的动作停止时进行。因为电磁阀的关闭会花费较多的时间，不利于大批量轮胎的充放气工作。通过理论探讨发现当气源、充气管路选定后，对汽车轮胎充放气时的胎压变化曲线是确定的。因此只需记录此胎压随时间变化的曲线，待以后对同种型号的轮胎充气时，将胎压初值与记忆的胎压曲线上各点的胎压值比较，获得充放气的时间，对轮胎直接充放气。这样节省了电磁阀关闭的时间，提高了生产效率。 基于以上考虑，过充气机控制器具有学习功能充放气工作模式及直接充放气工上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4作模式。两种工作模式皆由充气、放气两个过程组成，即首先对轮胎充气到过充值，然后放气到最终压力值（最终压力值一般为轮胎厂给出的胎压标准值）。 在学习工作模式中，需要对电磁阀进行多次短时充、停和放、停的切换操作，保证准确充气或放气到设定值。在电磁阀失电，即停止充放气时进行胎压测量并记录轮胎压力及由胎压初值充放气到此胎压值的时间，即记录胎压随时间变化的曲线。根据电磁阀的工作能力，尽量将充、停和放、停的时间间隔取较小值，以准确记录胎压变化曲线。 直接充气模式中，设定两个压力阈值过充压力阈值、最终压力阈值。进行直接充气前，测量胎压，查询记忆的胎压曲线，确定由胎压初值充气到过充压力阈值需要的时间接对轮胎充气压到达过充压力阈值后转为慢充，间隔地进行短时充气、压力测量，直到胎压达到过充值；之后对轮胎直接放气压到达最终压力阈值后转为慢放，间隔地进行短时放气、压力测量，直到胎压达到过充值。即直接充气模式由快充、慢充、快放及慢放四个过程组成。 课题研究的内容和目的 论文通过分析充放气过程中流体的运动规律，结合实际需要，确定了对轮胎充、放气的方案。为了实现过充气机控制器的功能，本文对控制器系统进行了软、硬件设计。 轮胎过充气机控制器是为大批量轮胎充气工作而设计。根据生产需要，减少了充放气的时间，实现轮胎充放气过程的自动化，提高充气效率和压力控制精度；对型号为165 70R 9充气到4公斤的时间不超过45秒，压力控制精度优于1%。 论文内容编排 论文的主要内容编排如下： 第一章 绪论。讲述了过充气机控制器研究的内容和意义 第二章 气路系统分析。本章探讨了流体在收缩管中运动的规律，通过流量及上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5时间的计算公式讨论了影响充放气快慢的因素，确定了系统充放气模型，给出了管路元件选择的依据。 第三章 充气方案设计。通过分析各种模型的充放气计算公式，确定了过充气机控制器系统充放气方案，并选择了气动元件进行了实际计算，理论证明了充放气方案的可行性。 第四章 系统软硬件设计。介绍了系统的硬件组成部分、设计思路，给出了部分功能模块的程序流程图。 第五章 实验数据及分析。通过实验表明本系统设计满足要求。 第六章 全文总结与展望 上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 6 6第二章 气路系统分析 过充气机控制器的设计要求能在较短的时间内对轮胎充放气，下面通过分析充放气过程中流体运动的规律，确定影响充放气快慢的因素。首先对过充气机系统充放气过程进行分析。 系统充放气过程分析 实际的气动管路一般由多种气动元件组成，为简化计算，在气动技术中常将各种阀和管件组成的管道抽象成一个等效的收缩管或节流孔来计算。过充气机系统的充气管路是压缩机的储气罐通过减压阀、一段气管、充气电磁阀到轮胎，放气管路由轮胎、放气电磁阀和一段气管组成。可将充放气过程看作大容积容器通过收缩管充气或放气的模型，如图2假设大容器内气体流速为0，容器内总压力为0p，温度为0T；气体从大容器通过收缩管出流，喷管出口面积为2A，喷管出口处压力为2p，口外外界压力为口流速为2u。下面讨论收缩管内流体运动的规律。 容器管道0图2过收缩管的流动 收缩管内流体的流动 管路横截面积与流体流速有以下关系【6】： 上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 7 7()2 (2式中，位为2m；位为 为马赫数；位当1M 时为超声速流动。由(2可知，1M 时，若要使流速增大，则即喷管为扩张管。也就是说若要使流速由亚声速流变为声速流，管径要先收缩；若再由声速流变为超声速流，管径要再扩张，即先收缩后扩张，可使流速由亚声速流提高到超声速流。在收缩管内，由于受管子几何条件的制约，流速最大只能为声速。 理想状况下流速、流量公式 理想气体流过收缩管时，认为管内为一元等熵流动，如图2管出口处的流速： 12200211 = (2理想气体流过喷管处的质量流量： 21220200 0211p+ = (2式中，气体的性质决定；0p，0T，2()20，12021=+，此时通过收缩管质量流量达最大值，记为 12( 1)02021=+(2对空气， , 287N m (kg k )R =，则： 上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 8 * (2由流速、流量公式可以看出，当气体的性质一定时，流速只是20p 量是游的压力比20p 气动元件选定后，量的大小只随20p 20p 体声速流动，流量达到最大值；流体力学中定义压力比对流速、流量的影响 1. 临界压力、临界压力比 当某一截面的流速到达当地声速c（临界速度）时，该截面的压力为临界压力界压力与喷管初压的比，称为临界压力比b，即0即元件内达到声速时，元件下游管道静压力与上游管道内静压力之比。 对一元等熵流动，一般气动元件， 】。 2. 外界压力缩管出口处压力1) p时，2 bp p=，流量1 sp ，先声速放气，待2bp 后为亚声速放气。容器内压力随时间的变化为先线性后为非线性。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 10 实际情况的流量公式 气动技术中常用流通能力Cv(流通系数Kv(m3/h)、声速流导C( Ls )、有效截面积S(示气动元件的流通特性。有效截面积的定义：若被测气动元件与收缩管或节流孔在相同压差条件下通过的气体流量相等时，将收缩管或节流孔的截面积面给出实际情况下的流量公式以便分析影响流量大小的因素。 1. 已知元件的声速流导】 1) 当21p (221p kg s； )3 ，标准状态下空气的密度； 1对压力），2对压力），1； 2) 当211 p 时： 22111=(22. 已知壅塞流态下有效截面积S（临界压力比2( 1)1121=+21 (2上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 11 1122111=211 (2影响充放气快慢的因素 在充放气过程中，胎压上升到过充值所需的气体质量及轮胎放出的气体质量是一定的，为了提高充放气速度，只要提高流量即可。由(2(2量公式可知，影响流量的因素有：管路中气动元件的流量特性，临界压力比b。是决定流体运动状态的重要因素。由前面讨论可知，流体在收缩管内流动，流速最大为声速，此时流量达到最大值并保持稳定；因此为了提高充放气的速度，在充放气过程中，尽量使流体保持声速流动。 由流量公式可知，气动元件的流量特性参数越大、道上游的压力越大，流速越接近声速，流量越大。 过充气机系统气动元件的选择 由上面讨论可以看出，管路中表示气动元件流通能力的参数值越大，流体的流量越大。实际的气动管路是由若干气动元件组成，当略估算，合成有效截面积按下式计算： 22111(2式中，充气机系统充气管路及放气管路主要由电磁阀和气管组成，因此管路的有效面积主要由电磁阀的有效截面积和气管的有效截面积决定。 1. 影响电磁阀、气管流量特性的参数 厂家在电磁阀的说明中一般会给出有效截面积S、声速流导C、流通能力种参数的关系式【6】： (2以Ls 。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 12 K= (2b= (2位位m3/h；由(22： (22. 电磁阀、气管的选择 过充气机控制器气路系统用到了两个电磁阀，分别用来控制轮胎的充放气动作。基于电磁阀动作频繁、需要较高流量两个考虑因素，选择流通参数大、动作频率较高的先导式二位二通常闭电磁阀。 气管一般采用尼龙管或聚氨酯管，气管的管径一般有40磁阀配管的长径比越大，压力损失越大，】，因此在选择气管时尽量选用内径大，长度尽量短的气管。 3. 压缩机的选择 在过充气机系统中，气源由空气压缩机提供，气源的稳定与否对过充气机正常工作有至关重要的影响。由上面讨论可知，气源的压力流越可能处于声速流动状态，气流越平稳，因此应选择工作压力较大的压缩机对轮胎充放气。空气压缩机的输出压力pc cp +(2式中Pa；Pa；p为气动系统的总压力损失，般情况下， 。 4. 储气罐的选择储气罐作为空气压缩机的后配置，主要作用为消除压力脉动。按下列两个公式确定储气罐的容积，最终气罐容积的选择应是按(2(2算出的最大容积。 a) 当空气压缩机的吸入流量按气动系统的平均耗气量选定，气动系统在最大耗气量下工作时： ( ) (2上海交通大学硕士学位论文 第二章 气路系统分析 13 13式中，位L；(对压力)，位s。 b) 当空气压缩机或外部管网突然停止供气(如停电)，仅靠气罐中贮存的压缩空气维持气动系统工作一定时间： ()p(2式中，位L；1Pa；(维持气动系统正常工作的时间，单位s。 一般情况下，入(2，得55。 本章总结 本章通过分析充放气过程中流体运动的规律，建立了过充气机系统的充放气模型；通过气体流速、流量公式探讨了影响充放气快慢的因素。过充气机系统可等效成大容积容器通过收缩管的充放气模型，为了提高充气的速度，尽量使流体处于音速充气状态，此时流量最大，充气时间也就越短。影响流量大小的因素有表示管路元件流通能力的参数(v、声速流导C、有效截面积S)、临界压力比b、管路上下游的压力比。通过分析影响充放气快慢的因素，给出了过充气机控制器系统气动元件选择的依据。本章为过充气机控制器的实现提供了理论基础。 上海交通大学硕士学位论文 第三章 充气方案设计 14 14第三章 充气方案设计 预备知识 为了简化分析，将对轮胎充放气的过程看成定容积容器充放气过程，即假设轮胎体积在充放气前后不变。绝热充气、等温充气、绝热放气和等温放气的充放气时间公式给出如下【6】： 1. 绝热充气 压力为度为过流量特性参数为回路），向初始压力为1p、温度为1T（假设1 、容积为V (容器内充气。充气完毕后，容器内的压力为2p，温度为2T。2212111+(3若气源的温度有： 2121( 1)sT (31) 当2 sp ，声速充气，充气至2T=(32) 当21sp 时，亚声速充气，充气至2()pb T = (32. 等温充气 上海交通大学硕士学位论文 第三章 充气方案设计 15 15充气过程中，容器内的温度不变，即21= 1) 当2 sp ，声速充气，由1=(32) 当21sp 时，亚声速充气，由1()pb = (33. 绝热放气 容积为始压力为1p、初始温度为1T，通过流量特性参数为回路），向压力为1) 当2bp 声速放气，由1 = (32) 当21bp 时，亚声速放气，由1()()1- 1 2Tp p = + (34. 等温放气 放气过程中若容器内为等温变化过程，即21： 1) 当2bp 声速放气，由1n =(32) 当21bp 时，亚声速放气，由1上海交通大学硕士学位论文 第三章 充气方案设计 16 16(a) =(3(b) = (3(c) 个充气过程为亚声速充气。 ， =；当2 cp p时为声速充气，当2 cp p时为亚声速充气。 上海交通大学硕士学位论文 第三章 充气方案设计 21 210 3 6 9 12 s)-T b=设为绝热充气和等温充气时的胎压曲线图 -T b=据(3(3，使用，如图3，如图3胎内气体来不及与外界进行热量交换，按绝热充气处理时的胎压变化曲线；0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 s)-T b=设为绝热充气和等温充气时的胎压曲线图 -T b=，s，当作等温充气需要的时上海交通大学硕士学位论文 第三章 充气方案设计 22 s。，由图(3(3以看出：见将充气过程当作绝热充气模型时计算的时间与当作等温模型计算所用的时间有所差别，可见将充气过程当作何种模型处理对充气时间计算有很大影响。 放气时间的分析计算 ，大气压力1，临界压力放气过程中胎压2 cp p时，声速放气；胎压2 cp p对轮胎放气到序流程图如图455？页地址？否是是是是是是否否否否否开始子程序返回图4海交通大学硕士学位论文 第四章 系统软硬件设计 39 39调启动子程序写页地址?写入单元地址?调启动子程序写入读命令控制字应答标志位?调读字节子程序调非应答子程序调停止子程序是否是否是否开始子程序返回图4本章总结 本章介绍了过充气机控制器系统的软硬件设计。硬件设计部分中，传感器电路部分分析了恒流源供电的优点，介绍了传感器芯片大调理电路中，给出了放大倍数的计算公式，盘显示电路中，介绍了硬件去抖电路和显示驱动芯片后介绍了继电器电路的设计。软件设计部分给出了键盘处理程序、学习功能子程序、直接充气子程序及上海交通大学硕士学位论文 第五章 实验数据及分析 40 40第五章 实验数据及分析 由第二章讨论可知，当气动系统管路确定后，流体的流量只和管路两端的压力比有关。对轮胎充气过程来说，气源压力不变，胎压不断升高；胎压小于临界压力时，音速充气，气体流量达到最大值并保持恒定；当胎压大于临界压力时，亚音速充气，流量随胎压的变化而变化。对轮胎放气过程来说，轮胎向外界放气，胎压不断降低，外界气压保持不变；当胎压大于临界压力时，音速放气，流量保持恒定；当胎压小于临界压力时，亚音速放气，流量随胎压的变化而变化。为了保持流量恒定，最好选用工作压力较大的压缩机，使充气过程中，胎压一直保持在临界压力以下，这样可以减少充气时间。 第三章提出的充气方案中，设想：当气源、电磁阀、气管选定后，充放气过程中胎压随时间的变化曲线一定。下面通过实验对以上结论进行验证。 小型轿车轮胎充气实验数据 采用储气罐容积为50L、排气量为221 大工作压力为8型号为165 70R 91. ，。每隔2s、3s、5隔1隔5章中所有胎压变化曲线均使用软件据实验数据绘制的胎压变化曲线如图51、12四条曲线所示。 2. ，时，每隔2s、3s、5压变化曲线如图52、22四条曲线所示。隔1隔5上海交通大学硕士学位论文 第五章 实验数据及分析 41 410 s)使用压缩机1对小型轿车轮胎充放气过程中胎压变化曲线1 0 20 40 60 80 s)使用压缩机1对小型轿车轮胎充放气过程中胎压变化曲线2 3. ，充气到25，再放气到22时，每隔2s、3s、5压变化曲线如图53、隔14. 将图5552、1曲线与上海交通大学硕士学位论文 第五章 实验数据及分析 42 420 20 40 60 80 100 120 s)使用压缩机1对小型轿车轮胎充放气过程中胎压变化曲线3 0 s)同一坐标系内2、1、3 in 0 s)2 12s 1 上海交通大学硕士学位论文 第五章 实验数据及分析 43 小型轿车轮胎充气实验分析 采取不同的充停、放停时间，图51、12，图52、3、53的胎压初值相同，过充值不同，51、同的胎压初值。此验证了当气路系统确定后，胎压从某一压力值到另一压力值所需的充放气时间是确定的，即胎压变化是一确定曲线的假设。 图50s，1s；要的时间可由11实验数据可知，际的充气时间为29s。因为实验进行的次数有限，故而有所偏差。因此实际进行胎压曲线确定时，要进行多次实验，每一时间点的胎压值取多次测量的平均值。 从图(5(5以看出，充气过程中胎压变化曲线近似为一条直线，在充气曲线顶部有所弯曲，放气过程中为曲线。因此可以得出：充气过程先为声速充气，后为亚音速充气；整个放气过程几乎为亚音速放气。 从以上分析可以得出：充放气过程的胎压变化曲线是确定的，只要记录了此曲线，就可以通过查询方式得知同型号轮胎充放气所需的时间。 使用储气筒容积较小的压缩机2对轮胎充气的实验数据及分析 使用储气筒容积为12L，m 小型轿车轮胎充放气。放气到4气时每隔1s、3s、4s、6s、9止充气3s，测
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