（精密仪器及机械专业论文）基于胎压监测和自动降压的越野车辆通过性技术研究.pdf

摘要 摘要 越野车辆主要应用于诸如沙漠、滩涂、冰雪等复杂路面。随着我国经济的不断发展， 军民用越野车辆也到了大量的使用。越野车辆的通过性能直接决定着车辆能否适应环 境，完成任务。提高越野车辆通过性的方法有很多，调节轮胎压力是一种灵活有效的办 法。为此人们开发了中央自动充放气系统。通过它可以随时调节胎压，使用方便，有着 自动、快捷的优势。但在实际使用中，真正需要频繁调节胎压以提高通过性的场合并不 多见。其自身的结构复杂、对材料要求高、制造加工难度大、制造及使用成本高等缺点， 限制了它在我国的普及应用。 针对这一情况，本文提出了提高车辆通过性的新方法。该方法的核心思想是使用胎 压监测模块采集胎压数据，通过安装于气门芯上的电磁阀实施自动放气降压。 本文首先对目前国外使用的轮胎自动充放气系统进行了分析，提出了基于胎压监测 和自动降压技术的轮胎压力调节系统思想。根据系统要求，研究了电磁降压阀的结构和 设计方法，提出了先导式电磁降压阀模型。研制了基于f r e e s c a l e 芯片组的轮胎压力监测 模块，并应用c a n 总线技术设计了胎压数据的无线有线传输模型，解决了大型轮式车 辆无线数据发送功率不足问题。应用嵌入式系统，设计了中央监控模块基本硬件，选择 了合适的嵌入式操作系统，开发了相关嵌入式数据库应用程序。 关键字；越野车辆胎压监测自动降压a r m 嵌入式数据库 东南大学_ | 顼l ：学位论文 r e s e a r c ho no f b r o a dv e h i c l e sp a s s i n ga b i l i 够 b a s e d o n t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n ga n da u t od e 日a t i o n a b s t r a c t t ko 昏r o a dv e l l i c l e sa r em a i t l l ya p p l i e d 斯s o n 南c o m p l i c a t e dr o a d ，s u c h 嬲d e s e r t ，p o o l ， i c e - s n o wr o a d a l o n gw i n lt h ec o n t i n u o i l s l yd e v e l o p m e mo f o i l rc o u n 虹y ，o 昏a dve ：1 1 i c l e sa 糟 w i l d l yu s e di nm i l i t a r ) ，粕dp u b l i ca r e a s n e i rp 舔s i n ga b i l 时d i r 鳅l yd e c i d ew h e t l l e rm e v e b j c l e c 0 i l l d c o m p l c t e i 拓m i s s i o n n 龇r e 辩v e r a l 啪y s t o i i f i t h i s a b i l 咄姐dr e g l d a c i i 培m c p r e s s u r eo ft i r e si sac o n v e i l i e mw a y s op e o p l ed e v e l o p e dc e n 删t hi n n a t i o i l ，d e n a t i o n s y s t e i n a l t i l o u g hi tw o f k sw e l l ，t h eg t m c t l i mi sc o m p l i c a t e d ，t l l em m m f a c t l l r i n gt e c h i l o l o g yi s l l i g h l yr 。q 嘴s t 强d “st o oe x p e l l s i v e t k sw e a 王m e 嚣l i m i t c di t su i l i v e r s a lu s ci i lo u rc o m l n y t 1 1 i s p a p e r d or e s e a r c ho n an e w 虹l do ft hd e n a t i o n s y s t c r nb a s e do n t i r e _ p r e s s u r e m o i l i t o r i n g 砒l d 锄l od e n a t i o n t i l i sd e s i g ni s t os c tu sas i m p l es m l c t l l r ew i l l m l e c o s t t l l i sp a p e ri l l 仃o d u c e dc e 咖r a lt i i i l f l a t i o n ，d e n a t i o ns y s t e m 柚da n a l y z e di t sw e a k i l e 龉 a c 删m gt 0t 1 1 i s ，t l l ep a p e rh 0 1 d so u tan e wd e s i 驴o fa u t ( 卜d e n a t i o nv a i v cs y m 肌n 屺n i m r o d u c el h e 血p r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m 锄du s c1 h ec l l i p so ff r e e s c a l et o tu pt h e p r e s g u r e 蛐c 0 1 1 e c t 0 lt l 硷e m b c d d e ds y s t e mi sl l e dt os e tl l pt l l ec e n t r a lm o i l i t o r i n gs y s 把m ， 诵mw i n c e 勰也co p e 璐t i o ns y s t e i n f i i l a l l y ，t i l i sp a p e fi n l p l e m e 出m cp r e s s 眦枷v i r o 姗髓t 也l 士a ：b a s ；e 砒以p f e s sm o n i t o r i n gs o r w a 托 k e y w o r d s ：o 昏r o a dv e l l i c l e s t p m s a u t o - d e n a t i o na r me m b c d d e dd a t a b a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：冱：燧：l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生銎名：基堕臣l 导师签名： 丝胁：挈_ 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 军心轮式车辆在现代战争有着大鼙的戍用，是保障军队地面机动和后勤运输的重要手段。随着 军事技术的发展，轮式车辆作为优秀的机械化高机动平台，日益与各种武器装备紧密结合，成为广 泛应州的武器平台。通过配备各种任务载荷，可以广泛地执行诸如特种作战、火力支援、反坦克、 防空、前沿侦察，通信保障、核生化侦察、战场救护等任务，进一步提高了部队的整体作战能力。 由于在整个军事行动中，轮式车辆既要刖于保障战役后方，又要能够接近前沿阵地，使用环境 变化多样且较为恶劣，这就对车辆的艳体性能尤其是复杂地形地区的通过性能有着较高的要求。因 此，军_ h l 轮式车辆是否具有良好的越野性能在现代战争中具有举足轻重的作用，直接关系剑部队能 否争取战场主动权，取得战斗胜利。 随着我国经济实力的不断增氏，军事现代化发展成为必然。伴随着军事现代化的发展，军用轮 式下辆得剑广泛的应用。但我国幅员辽阔，地形复杂，存在着大量的特殊地形地貌，如听北沙漠地 区、南方水网稻田地区、森林地区的沼泽以及沿海地区海岸线附近的沙地、潍涂等。上述地区的特 点就是地面条什特殊，无坚硬人工地面，以松散的沙或具有一定枯性和塑性的_ 十壤为主体构成，地 面松软，对车辆的承载能力较差。当轮式车辆在上述地区行驶通过时，比较容易发生诸如车轮下陷、 轮胎打滑等状况，无法止常行驶。除地形影响外，从北到南的气候也丈为迎异：北方冬犬的冰雪环 境，南方夏日的高温天气，这些都对车辆的行驶环境有着不同的影响。以上这些都对军朋轮式车辆 的通过性能产生不利的影响。 同时，在民用方面，随着国家经济建设，对能源、矿产的需求也日益增大，而众多的蕴藏地有 很大部分在特殊地形地区内。例如，截至2 0 0 5 年底，我国石油待探明的石油资源7 0 以上主要分布 在沙漠、黄十塬、山地等等i l j 。资源的勘探、开发同样需要具有高通过性的运输工具。 影响决定轮式车辆通过性的因素众多，如：发动机性能、自身结构的接近角、离去角、最小离 地问隙、驱动方式等。其中，轮胎作为车辆系统中的重要组成部分，是轮式车辆与地面直接接触的 唯一部件，起着承载、驱动、转向等功能。在路面行驶的过程中，轮胎的性能是直接影响剑轮式车 辆的通过性。对车辆通过性产生影响的轮胎参数主要有轮胎尺寸、轮胎结构以及轮胎充气压力。其 中，轮胎的充气压力对影响车辆通过性更具有灵活性和可控性。 冈此，研究对轮胎压力的监测及控制手段，将会对我军轮式车辆装备及民_ h j 越野车辆在复杂路 面上的通过性能的提高产生深远的影响。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 胎压调节系统发展状况 国外很早就意识到了调：竹轮胎充气压力对提高轮式乍辆在复杂路面上通过性能的重要作用。 第二次世界大战的时候，大量轮式车辆作为一种快捷的交通运输1 = 具在欧美国家的军队中广泛 采用。但在战争中，路面状况很差，大颦人工硬质路面遭剑破坏，很多时候，车辆必须通过沙地、 沼泽以及泥泞地区等松软地面，这就出现了犬簧的陷车问题。例如盟军方面在北非沙漠战场以及东 南程的雨林地区，陷车问题尤为突出。这种情况下，旦出现陷车无法行驶时，驾驶员往往采h j 把 轮胎内的气体放掉一些的方式，增人轮胎与地面的接触面积，提高车辆的通过性能。但这种方法需 要f 车逐个轮胎进行放气，并且放气姑难以掌握。放少了不够，放多了乍辆更加无法行驶。为此， 美国研制了外挂式的轮胎中央充放气系统c t i d s ( c e n 仃a l1 1 mi n n a t i o n d c n 越i o ns y s t e m ) h 。 东南人学顾l 学位论文 c t i d s 系统是一种能自动控制轮式乍辆轮胎气压的自动装置。驾驶员只需在驾驶室内通过简单 的操作，即可以在午辆行驶过程中。对乍辆轮胎进行测压、充气放气操作，实现了对轮胎压力的自 动调仉提高了车辆在通过沙漠、泥泞或冰雪等复杂路面的通过能力。 1 9 4 2 年，美国通川汽车公司就首先在其生产的载重昔2 5 吨的d u k w 一3 5 3 型6 6 水陆两用载 货车上安装了c t i ，d s 系统，从而使该型车不仅能够通过水陆交界的松软沙滩，而且能通过松软的泥 泞地，人幅度的提高了汽车的通过性。c t i ，d s 系统在北非战场和诺曼底登陆战役中发挥了重大作用。 二次人战结束后，前苏联租川美国的d u k w 硝乍开发秋明油田，由此得剑了这项技术。并于 1 9 5 3 年和1 9 5 8 年先后在b a v 4 8 5 j 型车和b t r 1 5 2 型车上装_ h j 了c t l d s 系统。经过多年不断的发 展，剑1 9 7 0 年，苏联除2 种不适合安装汽车轮胎中央充放气系统的军车外( 一种是吉普，因车身较 小不易安装；另一种是坦克运输车，冈使圳的是高压轮胎) ，其余军车均装有该系统，并应用剑林业、 油田、勘探等大量吣h | 车上，其至还装川在了小型e 机上。 1 9 7 0 年，美军的对外科学技术中心组织对苏联的z i l 15 7 型印进行了越野试验，发现朱装有 c ”，d s 系统的z i l 一1 5 7 型车在松软的泥泞地里发生严重陷车，无法行驶，而装有c t l ，d s 系统的同 类型车不但能够通过，而且能把被陷的车从泥潭中拖出。由此，c t i d s 系统再度受剑了美国军方及 军车生产厂家的重视，在军车上火鼙装备。目前，汽车轮胎中央充放气系统已成为美军主要军车的 基本配置。 德国奔驰公司在2 0 世纪7 0 年代掌握了此项技术。8 0 年代初，配备在其奔弛3 2 3 6 、奔弛4 0 5 0 型号上。法国l 曲i n a l 公司于2 0t 日= 纪8 0 年代也掌握了该技术，并最早将此技术应h j 剑了轮式装甲车 上。目前，c t i d s 系统也已成为德、法等国主要军车的基本配置，民车上的运用也在逐渐增加闭。 我国从5 0 年代就已经认识到轮胎中央充放气系统的重要性及积极意义，也曾经引进、消化过国 外的轮胎中央充放气系统。2 0 世纪6 0 年代，我国第一汽车制造厂仿制前苏联z l l 1 5 7 型午上的 c t i ，d s 系统，安装在c a 3 0 型越野车上，但效果不够理想，后来停止了装用；2 0 世纪7 0 8 0 年代， 我国一些生产军车的汽车厂也曾研制过轮胎中央充放气系统，但均来获得成功：军事交通学院从2 0 世纪8 0 年代末开始研制汽车轮胎中央充放气系统，1 9 9 6 年第一台样机装车并试验成功，之后又成 功地研制了安装在s x 2 1 5 0 、s x 2 1 9 0 及一些大犁军用特种汽车上的轮胎中央充放气系统；东风汽车 集团引进了德国奔驰公司的轮胎中央充放气系统例1 4 j i ”。 1 2 2 轮胎压力监测系统发展状况 日益繁忙的公路交通，为现代社会创造了大量的财富，但同时也带来了众多交通事故，造成了 大量的人员伤亡和巨大的财产损失。在众多事故类型中，冈汽车轮胎发生爆胎引发的事故是驾驶者 最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原冈。根据美国汽车t 程师学会的调布， 美国每年有2 6 万交通事故是由于轮胎气压低或渗 猫造成的另外，每年7 5 的轮胎故障是由于轮胎 渗漏或充气不足引起的。由于每年造成的经济损失巨大，如何保持标准的车胎气压行驶，及时发 现车胎漏气，规避爆胎的风险成为人们关注的焦点。为减少冈轮胎导致的交通事故的发生，美国政 府也要求汽车制造商加速发展轮胎压力监测系统，这就是t p m s 系统。 t p m s 即汽车轮胎压力监测系统币r ep r s u m o i l 的r i n gs y s t e l t l 的缩写。它主要用于在汽车行驶 过程中，实时的对轮胎气压以及内部温度进行自动监测，对轮胎当胎压或温度发生异常，如漏气、 压力不足时进行报警提示驾驶者，以保障行车安全。 t p m s 系统的发展主要经历了两种类型：一种是w h c e l s p e e d b a s e d t p m s ( w s b t p m s ) ，或称 为间接式t p m s ；另一种是p r e s s u r e s s o r b e d t p m s ( p s b t p m s ) ，或称为直接式t p m s 叫。 间接式t p m s 基于车轮转速测餐技术。大多数车辆上都安装有a b s 防抱死制动系统。a b s 系 统在每个轮胎上都安装有一个独立的轮速传感器h j 以检测轮胎转动速度。当某一个轮胎的气压不足 时，车辆自身重鼍会使得轮胎直径相应减小，该车轮的转速也相应产生变化。当汽车行驶时，间接 式t p m s 对各轮速传感器采集的车轮转速信号进行分析，通过精确计算比较车轮间的转速差别，达 到监视胎压的目的。若轮速差异超过一定范围，则触发报警，提醒驾驶者。间接式t p m s 直接使用 现有硬件设备，只需对软件进行相应的升级，即可实现对轮胎压力的监测，有着较为明显的价格优 势。但缺点也很明显：不能精确地确定故障轮胎；无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过 1 0 0 公里，j 、时的情况进行判断；系统校准极其复杂。尤其当山现同一车轴的2 个轮胎都出现压力降 低的情况时，由于相对轮速变化仍在设定范围内，致使系统无法正常发出预警。 2 第一章绪论 直接式t p m s 基于压力传感测量技术。在每一个轮胎内都安装有一个以锂离子电池为电源的压 力传感器模块，直接测鼙胎压，并通过射频方式发射剑安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示 备轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗旃i i 时，系统就会 自动报警。直接式t p m s 由于在每一个轮胎内部安装传感器，可以实时直接测定各轮胎压力和内部 温度。一旦出现异常情况，根据备轮胎内传感器编号，直接式t p m s 可以方便快速地确定故障轮胎， 发出准确的预警信息。 美国运输部( u sd e p a n n l e l l to f t r 卸s p o n a t i 伽，d o t ) 和国家高速公路安全管理局( n t h t s a ) 根据国会的要求，联合对两种t p m s 系统进行了评估，共有4 个间接式t p m s 系统和6 个直接式t p m s 系统参与了评估。评估报告认为直接式t p m s 提供了更为精确的轮胎压力监视，从功能和性能上均 优于间接式t p m s 。所以，直接式t p m s 系统已经成为主流f 8 i 【“l i 。 t p m s 技术产生后得到了广泛的应州。在美国，t p m s 成为强制执行标准。国会于2 0 0 0 年通过 了加强运输设备收同、责任确定和文件记录( t r e a d 一一1 h n s p o 删j o nr e c a l le n h c c m a c c o u n t a b 1 戗dd 0 c e n t a t i o n a c t ) 法案。其中之一的要求就是剑2 0 0 7 年，所有在美国销售的汽 车都必须安装轮胎压力监测系统。随后美国高速公路安全管理局( n a t i o n a ih i g i l 、y1 m f f i cs a f c t y a d m i n i s t 哪i o n ，n 1 w r s a ) 根据法案要求，制定了要求机动车辆安装t p m s 的新联邦机动车辆安全标 准，对t p m s 从安装实施，产品功能结构到性能指标都做了具体规定，并于2 0 0 5 年4 月8 号晟后颁 布生效。法令要求从2 0 0 5 年l o 月5 号开始新出厂的重鼍在1 万磅以下的机动车辆，即载客小轿车 和轻弛车( 轴上有双轮的除外) 要按进度分期逐步配备t p m s 。从2 0 0 5 年l o 月5 号剑2 0 0 6 年8 月3 l 号，2 0 新下线的车必须配备t p m s ，从2 0 0 6 年9 月l 号剑2 0 0 7 年8 月3 l 号要剑达7 0 ，2 0 0 8 年 9 月l 号前要保证1 0 0 全部安装。 在欧洲，t p m s 虽然不是强制执行标准。但许多汽车厂商也将t p m s 配装于自己的车型之中， 作为销售卖点。例如德国宝马z 8 ，奔驰s 级轿车，法国雪铁龙c 5 ，英国阿斯顿马汀的超级跑车 、q u j s h 、c o n c o r d el i m 沁d 客车等【l l 】。 随着国内汽车的日益普及，汽车越来越多地进入普通家庭，汽车保有量增大，交通事故数量也 呈上升趋势，t p m s 因其提供的安全保障，臼益成为驾驶者考虑配备的安全装置。我国政府有关部 门也上e 在考虑制定相关的法案，强制t p m s 的应用，以减少因轮胎问题导致的事故的发生，保障行 车安全。 1 3 本文主要研究工作 中央充放气系统固然拥有自动、方便、快捷的优势，但也存在着结构复杂、对材料要求高、制 造加_ t 难度大、制造及使用成本高昂等缺点。虽然中央充放气系统可以随时调1 ，胎压，但真j e 需要 通过调符胎压提高通过性的场合并不多见，而无论胎压是否需要调整，c t i d s 的核心一旋转密封 部件始终处于工作状态，这对密封材料提出了极高的要求。以低胎压通过坏路后，车辆仍然能行驶 一段距离。根据这些特点，本文提出了提高车辆通过性的新方法。该方法的核心思想是通过安装于 气门芯上的电磁阀实施白动放气降压。为此需进行以下研究工作： 1 研究气门芯电磁放气阀的结构、设计方法； 2 研究胎压检测模块，为电磁放气阀的控制提供依据； 3 研究中央监控模块，为驾乘人员降压操作提供人机界面； 4 研究胎压环境数据库软件，为驾乘人员降压操作提供决策依据。 1 4 论文的组织结构 本论文共分七章，各章节的安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景、国内外相关领域的发展现状、选题的依据和研究意义， 并介绍了论文结构和各章仃内容。 第二章分析了轮胎压力对轮式车辆通过性的影响，介绍了传统c t l d s ，l ：对其缺点进行了分析， 提出了轮胎臼动降压系统的设计思路及方法。 3 东南人学硕i ：学位论文 第三章研究了胎压监测系统( t p m s ) 的组成，应用f r e e s c a l e 公司的芯片技术实现了胎压的远 程监测。 第四章设计了基丁：s 3 c 2 4 l o a 嵌入式微处理器的相关电路，构建中央数据显示，处理子系统的基 本框架，并通过分析比较，选择了微软公司的w i n c e n e t 嵌入式操作系统作为系统软件部分的运行 平台。 第五章采用s q ls e r v 目c e 嵌入式数据库，利用e m b e d d e dv i s m ic + + 4 0 设计了胎压环境关系 数据库，存储与胎压相关的午辆璎号、路面状况及天气状况数据；论述了利用胎压环境关系数据库 数据进行轮胎自动调整的软件实现。 第大章对论文进行了回顾总结，对将米可能采取的技术及本系统的扩展应用进行了展望。 4 第二章轮胎自动降托技术 第二章轮胎自动降压技术 2 1 轮胎压力与车辆通过性 2 1 1 车辆通过性 车辆的通过性，有时也可以称为越野性，指的是乍辆能在一定载重龟下，以足够高的平均车速 通过各种坏路及无路地带和克服各种障碍的能力。坏路及无路地带，是指松软十壤、沙漠、雪地、 沼泽等松软地面以及坎坷不平地段：各种障碍，包括陡坡、侧坡、台阶、壕沟等【l q i l “。 通过能力强的车辆，可以轻松翻越坡度较人的坡道，可以放心的驶入一定深度的河流，也可以 高速的形式在崎岖不平的山路上。甚至在遇剑崎岖地面，例如沟渠、土堆等障碍物时，具有良好通 过性的车辆也能通过。这些情况都是军用车辆在实际情况中将会遇到的。 影响乍辆通过性能的冈素有很多，如轮胎数、轮胎花纹、驱动型式、车架形式、驱动桥型式、 轴数、整下的外形尺寸( 包括整午的长、宽、高、接近角、离去角、轴距、轮距、最小离地间隙等) 、 比功率以及一些部件的安装位置等。这些参数都能对下辆的爬坡度、涉水深度、车速、越壕沟能力、 越垂直障碍能力、最小转弯半径、纵向和横向通过半径、倾斜角等产生影响1 1 3 拼l 。 从下辆结构方面来看，发动机输出功率、车辆外形尺寸、车辆整体布局等都对通过性产生影响。 其中，轮胎是非常重要的一个因素。这是因为轮胎是汽车车辆系统中的重要组成部分。它是轮式车 辆与路面直接接触的唯一部件，是车辆与地面之间的传力元件，起着承载、驱动、转向，制动等作 用。在给定路面行驶的过程中，轮胎性能的优劣直接影响剑车辆的动力性、转向操纵性、制动性、 越野性等，是影响车辆通过性的最直接、最主要的因素。 对车辆通过性产生影响的轮胎参数有充气压力、轮胎尺寸( 主要是断面宽度和轮胎外径) 、胎体 结构( 主要包括斜交胎和子午胎) 1 14 j i i ”。其中，轮胎的充气压力可人工调节，在实际使用中，对提 高车辆通过性更具有灵活性和可控性。 2 1 2 胎压对车辆通过性的影响 对于胎压对轮式车辆通过性的影响，可以从两个方面来考量。 l 、牵引系数 牵引系数反映了车辆牵引、加速或爬坡能力，其表达式为1 1 月： n p， z c = = 二- = 二+ t a 咀一厂 ( 2 1 ) p 式中：7 为牵引系数；d p 为挂钩牵引力，k n ；形为车辆重量，l d q ；c 为土壤内聚力，k p a ； p 为接地比压，k p a ；妒为土壤内摩擦角，( 。) ；，为滚动阻力系数。 轮胎的接地比压又包括充气压力及胎壁刚度两部分组成，可表示为i l 圳q ： p = 口。只+ 见 ( 2 - 2 ) 式中：p 为接地比压，k p a ；口为充气压力影响系数；p 为充气压力，k p a ；以为胎壁刚度，k p a 。 由式( 2 一1 ) ( 2 2 ) 可知，在路面及轮胎给定的情况下，减小充气压力，能有效减小接地比压， 从而增人车辆的牵引系数，提高车辆的驱动能力。 2 、轮胎附着力 轮胎附着力是指地面对车轮的最人切向反力，它直接作h j 于轮胎上【。车辆在行使过程中，受 到来自于空气、地面脖擦以及坡度影响等阻力，只有当附着力火于等于外阻力，车辆才能止常行驶。 5 东南人学颂i ：学位论文 附着力士要受轮胎自身和附着系数的影响。 附着系数则是指在给定路况f ，车轮与路面之间的展人摩擦系数i 驯。轮胎与地面接触面积的大 小直接影响剑其人小。 车辆在行使过程中，轮胎受到来自车身的载荷被压缩变形。此时，轮胎本身和轮胎内的压缩空 气都承受变形。由于轮胎主要由橡胶制造，轮胎充气压力的大小就直接影响剑车轮的变形科度。车 轮变形科度的大小则决定着车轮与路面的接触面积。变形程度高则接触面积犬，反之则接触面积小。 当乍辆需要行驶在复杂路面，诸如荒地、农田、滩涂或泥泞路面上时，若以普通轮胎压力通过， 车轮由于与地面的接触面积效小，附着系数小，轮胎午轮滑转率增加。同时，由于单位面积接地比 压大，导致午轮沉l 轱增大，使得乍辆无法前行进，甚至陷入地面。此时，适当降低轮胎充气压力， 加大轮胎与地面的接触面积，一方面提高附着系数减少单位面积接地压力，减小轮胎沉陷；另一方 面提高附着系数，增人轮胎对地面的附着力，增强车辆在复杂路面上的通过性。 由以上两方砸可知，调节轮胎的压力能够有效提高轮式车辆的越野能力和使用效能。 表2 1 给出了一汽c a 3 0 越野车在松软路面上的试验结果： 表2 1c a 一3 0 越野车试验结果 轮胎气压挂钩牵引力牵引力增加率滚动阻力阻力减少率 地面类聚 m p ak nk n o 2 51 8 0l l o 海滩细沙 o 1 52 0 91 93 8 56 5 o 1 02 7 05 0 2 2 58 0 o 3 51 3 01 3 0 雪层 o 1 51 4 01 1 56 05 3 0 0 7 5 2 0 05 4 05 06 l 0 3 5 不能通过 硬稻田 0 0 7 5 可以通过 由上表清楚的看到，当c a 3 0 越野车在海滩细纱上，轮胎气压由o 2 5 m p a 降低到0 1 0 m p a 时， 挂钩牵引力增加了5 0 ，而滚动阻力则减少了8 0 ；在雪层条件下，轮胎气压由o 3 5 m p a 降低到o 0 7 5 m p a 时，挂钩牵引力增加了5 4 ，而滚动阻力则减少了6 l 在硬稻田内，轮胎气压由o 3 5 m p a 下 降到0 0 7 5 m p a 时，车辆才能顺利通过稻田。 表2 2 给出了某轮式战车轮胎气压与接地面积和接地压力的试验结果 表2 2 某轮式战车轮胎接地面积、接地压力随轮胎气压降低的变化情况 l 轮胎气压接地面积增加率接地压力 减乏率iik p ac m 。k p a i5 1 0 08 4 3 24 0 0 4 一l 1 9 6 01 1 9 4 64 1 72 7 5 63 1 2 试验结果表明，随着轮胎气压下降，接地面积增大，接地压力减小。当轮胎气压由5 1 0 k p a 下降 到1 9 6 k p a 时，接地面积增加了4 1 7 ，姐弟压力减少了3 1 2 。表2 3 则给出了该车在无聚性干细 沙海滩和湿软河滩地两种软路面上的试验结果： 表2 3 某轮式战车乍轮下陷深度及挂钩牵引力随轮胎气压的变化情况 车轮f 降深度 挂钩牵引力 轮胎气压 k n k p a 前乍轮 后! 轮 海滩干细沙湿软河滩地 海滩干细沙湿软河滩地海滩干细沙湿软河滩地 5 1 0 o2 1 02 2 03 1 02 7 05 2 32 1 ，8 7 1 9 6 22 0 02 1 03 0 02 6 51 3 0 84 1 4 7 9 8 11 5 01 0 01 8 01 6 52 4 1 64 3 2 0 6 第一二章轮胎自动降胍技术 从上表可看出，在松软的路面上，随着轮胎充气压力的降低，车轮下陷深度减小，挂钩牵引力 明显增人。在干细沙构成的海滩上，当轮胎气压由5 1 0 k p a 下降剑9 8 1 k p a 时，前下轮f 陷深度减小 了6 0 m ，后乍轮f 陷深度减小了1 3 0 m ，而牵引力几乎增加了4 倍。还看出，轮胎气压降低剑1 9 6 k p a 以下时该战车才能在海滩上通行”“。 除了车轮滚动式与地面作用对车辆通过性的影响外，实际使埘中，轮胎压力的改变还有其他一 些方面的优势。例如当车辆行驶途中需要通过涵洞或隧道时，若车身总体高度略高丁二允许通过的范 嗣可采取降低轮胎胎压，从而减小车轴离地距离，降低车身高度，在通过后重新充气。这样灵活 处理，避免了如卸载乍载货物之类的麻烦。 2 2c t l d s 系统分析 c t i d s 系统实现了轮式车辆在需要通过一些如沼泽、滩涂、泥泞及冰雪等路面时，驾驶员可以 在驾驶室内通过简单操作，在车辆行驶过科中( 或停车时) ，对车辆轮胎测压，然后对轮胎进行充气 或放气操作。通过对轮胎压力的调节从而提高轮式车辆在上述复杂路面的通过能力。 2 2 1c t i d s 结构分析 各个国家发展的c t i ，d s 系统结构上略有不同。但采用的基本上都是内置式气管路配以轮胎旋转 密封装置的结构。 以电子控制的四轴轮式越野车的c t i ，d s 系统为例，其基本结构大体由气源、操纵控制装置、旋 转密封装置、车轮充放气阀以及相关气管路等组成。系统组成与布置示意幽见图2 1 。 1 ) 气源：主要包括空压机、储气罐、过滤器等。它的作用是为整个系统提供清洁、干燥的压缩 空气。系统对压缩空气的清洁度和湿度要求较高。若供给的气体清沾度不够，有可能造成系统管路 堵塞，而湿度过大则会导致轮胎内出现冷凝水。 2 ) 操纵控制装置：由电子控制单元( e d u ) 、编程控制面板、电磁阀、传感器、电源等部分组 成。电子控制单元是系统的中枢部分，由它负责对轮胎压力进行检测，还负责对系统的整体运行进 行监控。在电磁阀中，高压阀、低压阀和常开阀为公用阀门。高压阀的作i j 是接通或断开高压气体， 与车轮阀配合完成对轮胎充气或测压的：f 作。低压阀的作_ h j 则是接通或断开减压阀的气源，与之相 配合输出地压气。减压阀的作用是对气源提供的压缩空气进行降压，以输出的低压气压控制车轮阀 对轮胎放气。传感器则为电子控制单元提供轮胎的压力数据及车速数据。 3 ) 旋转密封装置：它是c t i d s 的关键部件，主要由密封罔、隔套和捎圈组成。它的作用是解 决车桥与午轮之间压力气体的传送问题。有了旋转密封装置后，压力气体才可以从气源经过管路剑 达旋转密封装置，再从旋转车轮上的管路引出，与车轮内气体相通，从而解决了从相对于车身静止 的车桥剑旋转的车轮之间的压力气体传送问题。 旋转密封装置中最重要的是旋转密封罔。它安装于相对旋转的车桥与车轮之间。 4 ) 车轮阀：系统对轮胎的充放气、测压和保压等操作均需通过该阀完成。它安装在车轮上，随 车轮一起转动。车轮阀的结构和性能决定了c t l d s 系统的充放气速度的快慢，影响系统对轮胎保压 的可靠性。 7 东南人学顾l 学位论文 旋转帝封装置 及 车轮搠 图2 1 四轴轮式越野车( m d s 系统结构示意图1 2 1 】 1 常开嘲 2 高j i t 嘲 3 碱j k 阔 4 低眶阀 一一过滤器 一储z c 罐 一空压机 气路 控 5 j 线 c t i ，d s 系统的状态主要有保压状态、充气状态及放气状态，各状态时系统的工作流程主要为： l 、 正常下作状态时，系统处于保压状态。高压阀和低压阀均关闭，气源于主管路之间截断， 车轮阀也处于关闭状态。这样就将轮胎内的气体与大气和管路实现了隔离，保证了轮胎 内压力正常。 2 、 当需要对目标轮胎进行充气时：低压阀、常开阀和其他控制阀均关闭，高压阀和待充气 轮胎的控制阀打开，气源内的高压气体进入主管路，通过车轴的控制阀的和旋转密封装 置输送至轮胎的车轮阀处。车轮阀接受剑高压信号后打开，实现对轮胎的充气。 3 、 当需要对目标轮胎进行放气时，高压阀、常开阀和其他控制阀均关闭；低压阀和待充气 轮胎的控制阀打开；气源的高压气体通过减压阀减压后进入主管路，通过车轴的控制阀 和旋转密封装置输至轮胎的车轮阀；车轮阀接受剑低压信号号后打开，将轮胎内气体捧 向大气，实现减压。 充气和放气完毕后，车轮阀关闭，常开阀打开，管路中残留的高压气体摊向大气，保证气管路 不受压。 8 第二章轮胎自动降压技术 2 2 2c t i d s 的缺点 c t i ，d s 系统对于调节轮胎压力方便而快捷，在西方发达国家已经广泛应_ i j 在军事及民用领域， 成为许多轮式越野车辆的标准装备。但也存在着以f 几个缺点： 】、结构复杂 现有的c t i ，d s 系统采h = i 气管路整车体化结构，即气管路通过车桥轴管内部的轴管与轮胎 旋转密封装置连通，整体结构复杂，组件较多。各轮胎虽然都配备一套旋转密封装置和车轮阔， 但都拌载在同一个气路系统上。当一个轮胎的气管路支路阀门出现漏气问题时，就有可能导致 系统无法正常_ t 作，一直停留在反复充气过程中，最终冈过度工作而瘫痪。为防j e 这种情况的 发生，很多型号的系统都配有各_ h j 麻急手段。例如德国奔驰公司在其某些c t i d s 型号上就附加 有白j 锁阀。若某个轮胎的车轮阀剑该轮胎的电磁阀之间的管路( 包括车轮阀) 损坏时，可以锁 闭闭锁阀，从而防i l 出现系统无法止常充气的状况。但这需要驾驶员下车完成，并且阀门使朋 的越多，整体结构愈加复杂，出现隐患的儿率越高。 2 、材料要求高，制造加i ：难度大 c t i d s 系统的核心组件是旋转密封装置。该装置需要在高速旋转的情况下，在高气压工况 下t 作。旋转密封装置中最重要的是旋转密封罔，安装于相对旋转的乍桥与车轮之间。旋转密 封圈在旋转过程中与车轮是无油摩擦，会由于摩擦而产生高温，需要密封圈有较好的密封性、 耐磨性、抗高温性。在进入温度差异较人的环境一r 作时，还存在着密封圈本身由于材料热胀冷 缩导致密封性f 降的问题，因此密封罔还必须具有良好的高、低温适应能力。由于c t 肛s 系统 采朋气路通过车桥轴管内部的方式，需要制造高强度的中空车轴。这些都对材料和机械加工能 力提出了极高的要求。 3 、成本较高 成本包括制造成本和使用成本。c t 加s 系统各精细组件设计、制造价格较高。若在车辆设 计之初即安装，抬升了车辆的采购价格。若是在后期改装，则需要重新设计地盘，更换车轴及 轮胎，费用高昂。在实际使用中，当车辆使用在人工硬质路面上，c t i d s 使用的机会较小。此 时，c t i d s 系统就增加了车辆的自身重量，加大了车辆轮胎的磨损和燃料的消耗。同时，不论 行驶还是停驶状态，系统中的旋转密封装置始终受压，增加了因c t l d s 系统发生问题而导致车 辆停驶的概率。 以上这些缺点，使得c 兀d s 对于我国军费有限，既有轮式车辆保有量大，整体制造业技术水平 有限的现实情况是不利的。这也是我国虽然引进、消化过国外的c t l 府s 系统，虽然成功，但仅少量 配备，未能皆及装备的主要原因。 2 3 基于胎压监测和自动降压的胎压调节系统 为了解决以上c t i d s 系统的同有缺点，本文提出了一种调整胎压的新方法，该方法的核心思想 是通过安装于气门芯上的微型电磁阀实施自动放气降压。 2 3 1 系统设计思想 在轮式车辆实际使用中，绝大部分时候并不需要频繁地对轮胎进行充放气。只有在通过沙漠、 沿海滩涂、沼泽、泥泞地等松软地面及冰雪路面时，才需要通过降低轮胎气压，增大轮胎的接地面 积的手段，提高车辆的通过性。当通过这些地区，行驶同人一r 硬质路面需要对轮胎充气时，可以通 过寻找停车机会，采取人：【下车快速充气的方式。故系统只需实现车辆行进过程中的轮胎自动减压 即可，这样就可以降低系统结构的复杂性，降低系统的整体成本，同时避免了对现有车辆的改造。 9 东南人学硕l 学位论文 2 3 2 系统总体结构 块。 如幽2 - 2 所示，整个系统土要包括三大部分：胎压数据采集模块、中央监控模块和胎压控制模 篥篓耋囊阁中央监控模块 笃胎压控制模块 图2 2 系统结构框图 胎压数据采集模块：胎压数据采集模块能够实时的监测轮胎内部压力，用射频一c a n 总线 的方式与中央监控模块实现数据传输。模块采集剑的压力的数据是系统调节胎压的依据。 中央监控模块：基于a r m 嵌入式硬件系统和w i n c e 嵌入式操作系统平台。中央监控模块 接收胎压数据并显示、存储。同时通过运行在模块上的人机界面，做出相应的反馈提供给 驾驶者。当需要对轮胎压力进行减压时，通过a n 射频的传递方式控制微型轮胎控制模 块f ：作。 胎压控制模块：直接安装在车轮上。接收来自于中央监控模块发送的指令，通过电磁降压 阀的工作，实现对轮胎压力的减低。电磁降压阀是胎压控制模块的核心。 2 4 轮胎自动降压阀设计 本系统为解决传统的胎压自动充放气系统结构复杂，气路需要经过车桥内管线的缺点，设计一 种微犁控制模块实现胎压的调整。该模块包括电磁降压阀、驱动电路及无线接收电路三部分。其主 要特点可直接安装在气门芯处，采用电池供电，通过无线方式接收外界指令，实现阀门的开闭。这 就要求整个模块体积小、质量轻、结构简单、易于安装。 2 4 1 电磁阀简介 流体 图2 3 电磁阀结构简图 1 0 第二章轮胎自动降骶技术 在白动化测控系统中，电磁f 固作为重要的执行元件，有着十分广泛的应用。其特点是动作迅速、 结构简单、操作简便，主要h j 于自动截断、接通或切换流体流向。随着技术的不断提高，电磁阀朝 着轻质化、小型化的方向发展。目前人们正对基于不同原理的微型阀门进行研究。传统机械结构的 微小螺线管类阀门是目前阀门研究的一个方向。一些美国的阀j 制造商，诸如m o o g 公司、m a m t c a 公司等，已经开发出或上e 在开发这类阀门，迄今为l l 已经达剑了高度的微型化。部分已经获得了应用成 果，如如英国s u m y 大学研制的s n a p 2 1 纳型卫星，采埘了p o i y n e x a r e o s p a c e 研制的质量仅有3 5 9 的微型隔离阀；美国宁航局圳于火星生命探测的海盗号飞行器，采h j 了m 衄公司研制的质垃7 1 9 、 功耗2 5 w 的小型舣稳态电磁阔j 。 电磁阀结构和外形多种多样，但原理都是依靠供电线罔产生的屯磁力驱动活动铁芯使阀门启闭。 电磁阀主要由阀芯和衔铁组成，阀芯义包括环形铁芯、线圈币i 复位弹簧，幽2 3 为电磁阀结构简图。 在朱接通电流时，衔铁在复位弹簧作_ ；j 下，堵住小孔，防i l 流体外泄。电磁阀处于关闭状态； 当向电磁阀线圈施加控制电流后，阀芯产生电磁力，衔铁受电磁吸力作用，克服弹簧压力向阀芯运 动，打开小孔，流体流出。 目前，电磁阀主要包括直动式电磁阀和先导式电磁阀两人类。 2 4 2 微型降压阀设计 2 4 2 1 设计及工作原理 微型降压阀设计安装在气门芯处。由于气门芯处可利用空间小，且车轮在行使过程中，做高速 旋转运动，这对阀体的体积和重量有较高的要求。为此采用先导式电磁阀的工作原理，利用压差设 计微型降压阀，其结构如图2 - 4 所示。 卸压孔 捧气孔 图2 4 降压阀结构示意图 在常态时，降压阀为常闭阀。电磁阀的铁芯a 在复位弹簧作h j 下，封闭先导孔；气室b 与大气 通过卸压孔相通；活塞c 在复位弹簧作用下封闭放气孔d 。整个轮胎处于保压状态。 当需要降压时，电磁阀通电。铁芯a 受剑电磁力吸引上升，打开与轮胎内部相连的先导孔，同 时封闭项部的卸压孔，轮胎内高压气体经先导孔进入气室b 。由于活塞c 的横截面积远较放气孔d 处火，而两端压强相等，在压力差作_ 【 j 下，复位弹簧被压缩，连杆e 则向_ 卜运动，打开轮胎放气孔 东南人学顾i ：学位论文 的气隙，放出轮胎内的气体。气体经排气孔排至人气，轮胎内气体压力随之下降。 当压力调整剑位后，电磁阀断电，铁芯a 在复何弹簧作川下向f 运动，封堵先导孔，同时打开 上部的卸压孔。气室b 内高压气体经卸压孔排出，压力随之下降。活塞c 在复位弹簧作用下向上运 动，连杆e 随之封堵放气孔，停止排气。轮胎恢复保压状态。 2 4 2 2 相关参数方程推导 假设本降压阀适应的轮胎压力范嗣晟小为p l ，最大为见。其降压工作主要包括4 个部分： 1 ) 常态封闭过程 此时，降压阀为常闭阀。依靠电磁阀的复位弹簧作用力封闭先导孔。应当有： l e ( 4 1 ) 其中l 为屯磁阀复位弹簧的预紧力；c 为轮胎内气体在铁芯断面上的作用力。由于先导孔横 截面积小，可由力学公式近似得到： 只= 础 ( 4 - 2 ) 式中，p 为当前轮胎内部气体压力，且p f ；2 ( 4 7 ) 其中，p 为当前车胎内压力，且p a ；4 为活塞横截面积；e 2 为活塞复位弹簧预紧力。 4 ) 停j 降压过程 降压剑目标值，电磁阀停止：r =