（载运工具运用工程专业论文）基于扭转刚度的轮胎压力监测方法研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 汽车轮胎气压的高低，直接影响到整车；亍驶的舒适性，安全性以及燃油经济性。爆 胎是引起交通事故的主要原因，保持轮胎气压正常和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关 键。汽车轮胎气压监测系统( t p m s ) 主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行监 测，对轮胎漏气和低气压进行报警，是驾车者、乘车人员生命安全的保障预警系统。 本文首先介绍了轮胎气压监测系统( t p m s ) 的发展历史和现状，分析了直接式和 问接式轮胎气压监测系统结构和工作原理，在对轮速信号进行频谱分析的基础上提出了 一种基于扭转刚度的间接式轮胎气压监测方法。通过对轮胎的动力学分析，建立以轮速 信号为状态输入的轮胎扭转只u 度模型，用状态空间分析法构造状态观澳4 器来估计包含扭 转刚度参数在内的状态变量的变化，采用最小二乘法进行参数辨识得到扭转刚度的估计 值，最后通过轮胎气压和扭转刚度的线性关系计算出轮胎气压的估计值。 通过实验对本方法进行验证。实验结果表明，本方法克服了先前间接式轮胎气压监 测方法的许多缺陷，提高了精度。 关键词：轮胎气压，轮胎模型，t p m s ，扭转刚度，最小阶观测器 山东理 大学硕士学位论文a b s t r a c t i a b s t r a c t t r a 伍ca c c i d e n t sd u et ot i r e se x p l o s i o ni n c r e a s e st o g e t h e rw i t hl e n g t ho fh i g h w a yg r o w t h a n da u t o m o b i l e 印e e d 慨a ，t r a 珏ka c c i d e n t sd r a wm o r ea n d m o 托a c t t e n t i o n a c c o r d i n gt oa r e c e n ts u r v e y , a b o u t7 0 a n dm o r et r a f 6 ca c c i d e n t si nt h eh i g h w a ya r ea 1 u s e db yt i r e s e x p l o s i o n t i r ep r e 洲em o n i t o r i n g 锄m o m t o rt h ec o n d i t i o no f 慨i nt i m et oa v o i dt h e h a p p e no fa c c i d e n t s t h e r e f o r e ，f i r e sp r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mi sb e c o m i n gt h en e wf o c u so f t h ed e v e l o p i n g a u t o m o b i l e - e l e c t r o n t h ep a p e rf i r s ta n a l y z e sf o r m e rm e t h o d so f f i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m , t h e nd e a lw i t h an e wm e t h o do ft i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt o r s i o n a ls t i 血e s s s i n c et i r e p r e s s u r ei sp r o p o r t i o n e dw i t ht o r s i o n a ls t i f f n e s s at i r em a t h e m a t i cm o d a lw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt o r s i o n a ls d 伍l e 鼹t h el e a s ts q u a r eo b s e r v e ri sd e s i g n e dt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r v a r i a t i o n sa n dt h es i m p l el e a s ts q u a r e sm e t h o d 锄e x t r a c tt h ep a r a m e t e rv a r i a t i o n sf r o mt h e e s t i m a t e dd i s t u r b a n c e sw h i c hi n c l u d ep a r a m e t e rd i s m i b a n c c sa n dn o i s ei no b s c l w e r a tl a s t , e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es h o w n t oo o r 丘a i mt h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o d t h i ss y s t e mc a nb er e a l i z e di nl o w e rc o s t , b e c a u s ei tn e e d so n l yr o t a t i o n a ls p e e do fe a c h w h e e l , w h i c hi so b t a i n e df z o ms p e e ds e n s o ri r a , v i a l e df o ra n t i - l o c kb r a k es y s t e m ，a n dh a st h e a b i l i t yt od e t e c ti ne v e r yu n d e ri n f l a t i o ns i t u a t i o ns u c ha sap u u c t u r ea n dn a t u r a ll e a k s k e yw o r d s ：t i r ep r 骼s u r e ，t i r em o d a l , t p m s ，t o r s i o n a ls t i f f a s s ，m i n i m a lo r d e ro b s e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东理工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： 弘坶 m j - f 司：2 。7 年月1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解l 山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 渤蓐 i 时间：2 0 0 7 m 月f 日 时间：未6 。7 年厂月1 日 山东理t 大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，面随之引发的交通事故也在不断增多， 其中由于轮胎的气压异常引起的比例非常高，这就使得人们对行驶中的汽车轮胎气压开 始关注。 汽车轮胎气压监测系统，即t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，简称t p m s ，主要用于 在汽车行驶时实时对轮胎气压迸行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行 车安全，是驾车者、乘车人员生命安全的保障预警系统。t p m s 自问世以来，大多数的 时间里无人问津，直到美国颁布最新公路安全法规，才名正言顺的成为汽车安全技术舞 台的主角。 1 1 课题产生的背景 1 1 1 应用背景 当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手，其中， 轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎 的重要性：当一个人坐到汽车里面，一旦汽车行驶起来，人的生命实际上就全部交给了 汽车轮胎。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有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因i ”。据来自公安交通管理部门最新交通事故数据显 示，2 0 0 5 年1 至1 1 月，中国共发生交通事故3 8 9 6 7 0 起，造成8 0 9 8 9 人死亡，直接财产 损失1 6 8 亿元。在众多的交通事故中，因轮胎爆胎引发的交通事故占2 0 。在高速公路 事故中，爆胎等轮胎发生故障的比例还要高，根据统计，高速公路4 6 的交通事故是由 于轮胎发生故障引起的，其中爆胎一项就占其中总量的7 0 1 2 1 。据国家橡胶轮胎质量监 督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定是防止爆胎的关键，而汽车轮 胎气压监测系统毫无疑问将是理想的监测工具。在汽车上安装轮胎气压监测系统，当轮 胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。 目前中国正在成为全球最大的汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长 的趋势，汽车保有量已突破2 6 0 0 万辆，未来5 年中国将成为仅次于美国的全球第二大汽 车销售国。汽车安全产品将成为市场热点，今后每年的增长速度可达5 0 。其中，仅t p m s 技术产品2 0 0 5 年底的市场容量就将达2 0 万套近7 亿元人民币；2 0 0 6 将达到5 0 万套， 近1 7 亿元。今后几年内t p m s 的需要量与日俱增，面对量大的产品需要降低生产成 山东理丁大学硕十学位论文第一章绪论 i i 本, t p m s 的生产正在转向中国。今后几年内我国必将成为t p m s 的生产大国，相信t p m s 产品在我国的研发和应用有着广阔的前景。 1 1 2 法规背景 轮胎气压监控系统研究迅速升温，除了其无可代替的重要性外，美国国会通过的有 关胎压监测规范的法律，无疑为该系统的开发研究注入了一针强心剂【3 1 。除此之外，国 际标准正处于最终草案批准阶段，中国的国家标准也在初始草案阶段。 2 0 0 0 年1 1 月1 日，美国国会通过t r e a d 法案( t r a n s p o r t a t i o nr e c a l le n h a n c e m e n t , a c c o u n t a b i l i t y a n d d o c u m e n t a t i o n 运输召回增强，责任和文件编制) ，要求n i - 1 t s a ( n a t i o n a l m g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s w a t i o n ，美国国家公路交通安全管理局) 创建的f m v s s ( f e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f e t ys t a n d a r d sa n d r e g u l a t i o n s 美国联邦机动车安全标准) 包括 胎压监测规范【4 】。 2 0 0 2 年5 月，n h t s a 创建了美国联邦机动车安全标准f m v s s l 3 8 号，法案中对轮 胎气压监控系统的要求包括以下主要内容： 两种监测选择， 选择1 ：4 个轮胎欠压都超过2 5 ， 选择2 ：任何1 个轮胎欠压超过3 0 ， 选择2 允许间接式系统， 环境警告时间为1 0 分钟内， 单独的报警指示器， 钡4 量速度介于5 0 至1 0 0 公里，j 、时， 从枷3 年1 0 月3 1 日至2 0 0 6 年1 1 月1 日逐步采用。 2 0 0 3 年8 月6 日美国地区法院裁定：标准f m v s s l 3 8 号有瑕疵必须修订，2 0 0 4 年 4 月8 日n h t s a 通过了修订版的最终法规，修改了其中的一些条款，以下是主要内容： 任何轮胎欠压超过2 5 ， 环境警告时间为2 0 分钟内， 警告指示器，具有故障监测报警功能， 测量速度介于5 0 至1 0 0 公里，j 、时， 扶2 0 0 5 年l o 月5 日至2 0 0 7 年8 月3 1 日逐步采用。 从中可以看出，对于t p m s ，只要符合性能要求，不管是直接式，还是间接式系统 都可以应用，对精度却没有很具体要求，没有限定产品使用寿命，没有运动检测要求， 响应在2 0 分钟之内，必须提供故障报警功能，没有要求监测备胎。本文中研究的一种轮 胎气压监测方法，能很好的满足该标准的要求。 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题的研究目的与意义 汽车通过轮胎与路面直接接触，轮胎的气压对汽车的综合性能有着重要的影响。 2 1 轮胎气压对l ! 壅油经济性的影响 汽车轮胎气压直接影响到汽车的滚动阻力系数，轮胎气压降1 氐使汽车滚动阻力系数 变大。滚动阻力系数增大会导致汽车输出功率的增加，进而造成汽车油耗增加阁。美国 汽车工程师协会的研究显示，轮胎气压低于正常值2 0 时汽车燃油将增加4 ，同时其 寿命将缩短5 0 。美国高速公路交通安全协会的统计表明，在美国有5 0 的汽车在轮胎 气压不足的情况下行驶。美国能源部的报告则称，仅在美国由于轮胎气压不合理( 过高或 过低，主要是过低) 所造成的汽油浪费每年约为1 5 9 0 万公升，约合2 0 亿美元i 回。 1 2 2 轮胎气压对轮胎使用寿命的影响 充气气压过高或过低都会使轮胎的使用寿命缩短。当轮胎气压低于标准值行驶时， 其径向变形增大，轮胎两侧将发生过度挠曲，胎侧内壁受压，胎侧外壁受拉，胎体内的 帘线产生较大变形和应力，周期性地压缩变形，会加速帘线的疲劳损坏，同时由于轮胎 触地面积加大，胎肩的磨损急剧增大；实验证明，轮胎内压较标准值降低2 0 ，在常速 下行驶轮胎寿命会下降1 5 以上。而当轮胎气压又高于标准值时，因与地接触的面积减 少，将加速胎冠中部的磨损，胎面和结构层张力也过大，刚性增加，轮胎易爆裂和被刺 破m 。 1 2 3 轮胎气压对车辆安全性的影响 不合理的轮胎气压给安全行驶带来了巨大隐患，据统计，在所有交通事故中，由于 气压不合理所造成的事故约占4 0 。美国汽车协会的研究表明，在1 9 9 2 年全美路边求 助电话中与汽车轮胎有关的几乎占1 1 ，法国米其林公司的研究表明，轮胎气压只有 7 0 k p a 时，8 0 的人表示会继续行驶。而在这种情况下行驶，轮胎会迅速过热，极易产 生严重的交通事故。轮胎充气气压不合理会使轮胎产生不合理的磨耗，气压过高易磨轮 胎中部，使胎体帘线过度伸张而发生断裂，引起“爆胎”；过低则易磨轮胎两侧，使胎 体受碾压，帘布层反复挠曲，引起鼓包脱层，使轮胎过早报废。根据美国f i r e s t o n e 公司 的报告，轮胎气压低于正常值3 0 则轮胎磨耗增加5 0 s j 。而且轮胎气压过低在汽车高 速行驶时易使轮胎变形产生驻波，使轮胎温度迅速升高过热，导致轮胎过早报废或爆破， 3 山东理丁大学硕七学位论文第一章绪论 严重影响汽车行驶安全。对于安全轮胎，由于其本身的结构，从轮胎外形上很难判断轮 胎气压变低，这就给安全行驶带来了更大的隐患。在我国，公路通车里程在逐年增加， 而发生在公路上，尤其是高速公路上的交通事故在持续增长，2 0 0 0 年我国高速公路共发 生交通事故1 6 9 1 6 起，其中因汽车爆胎造成的恶性事故又占高速公路交通事故总数的六 成以上。据有关资料表明，我国沪宁高速公路开通半个月，发生近百起交通事故，其中 四分之三是由“爆胎”引起 9 1 。频发的“爆胎”事故使汽车驾驶员对在高速行驶状态下 的轮胎安全性提出质疑。 1 3 国内外研究现状 国外对轮胎气压监测系统的研究起步较早，早在2 0 世纪7 0 年代末欧洲的一些发达国 家就开始对轮胎气压监控系统进行研究。英国in c u s 公司早在1 9 8 1 年就推出了驾驶室设置 接收器和每个车轮均有传感器装置原型。随后，c p k 公司和m a r k e d n g 公司也相继开发 出了自己的产品，其基本结构由传感器、信号发生器和接受器三部分组成，传感器安装 在轮辋上，直接监测轮胎的内压1 1 0 i 。 德国w a b c o 公司和b o s c h 公司在1 9 8 9 年推出了利用h i t s ( 制动防抱死系统) 传感器监测 轮胎气压的新装置。w a b c o 系统由一个3 2 = 通道的控制阀和一个与轮胎气门嘴相接的气缸 组成，当轮胎的气压变化时，气缸活塞使a b s 传感器的信号发生变化，与a b s 共用一个电 子控制单元。b o s c h 公司的汽车轮胎气压监控系统已经开始成批量的装在汽车上。该系统 由装在轮辋上的气压传感器、带有显示器的电子部件和高频收发机三部分组成，监测系 统与a b s 一起工作。 英国s p 公司研制的d w s 系统( 漏气报警系统) ，它可以把轮胎气压降低的信号通知 驾驶员，系统利用a b s 转速传感器测量轮胎的滚动半径，通过计算程序监测轮胎气压。 芬兰诺基亚轮胎公司推出的r 兀智能轮胎基本由微型轻量化传感器和接收装置两部 分构成。r 兀智能轮胎的工作原理是传感器装在轮胎内腔( 固定在轮辋上) ，负责测量轮胎 气压和温度，实时将数据传送到接收装置，并在轮胎充气气压或轮胎温度超过设定值时， 向接收装置发出警报信号；接收装置可以是手机，也可是车载电脑，甚至可以装在汽车维 修中心的独立显示屏上。 还有其它公司也推出了他们的产品。目前为止，英、法、德、日等发达国家已申请 了许多专利。 自从2 0 0 0 年1 1 月美国政府设立汽车工厂和轮胎工厂义务报告汽车缺陷和事故的 t r e a d 法，美国国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 规定n 2 0 0 7 年9 月时，所有新车都要 装备1 1 p m s ，而从2 0 0 3 年1 1 月份起l o 的新车就将开始逐步装备这套系统。因此开发 t p m s 的活动十分活跃，2 0 0 1 年5 月里尔( l e a r ) 公司和法国b e r u 公司达成合作开发新一代 的t p m s 意向，福特公司也将从2 0 0 2 年型的探索者( e x p l o r e r ) 开始将订m s 变为标准装置。 4 山东理1 = 大学硕士学位论文 第一章绪论 此外，通用公司、戴一克公司也在一些高档车上预装了t p m s 。为此，轮胎工厂、轮胎气 门嘴工厂和远距离无线输入系统工厂等各大公司都在计划开发、研制、，生产口m s l l l 】。 在中国，t p m s 研究处于起步阶段，但是早在2 0 0 3 年1 1 月2 4 日颁布的中华人民共 和国国家标准机动车运行安全技术条件( 征求意见稿) 中，也对安装轮胎压力监测装 置作出了说明：“车长大于6 米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1 2 吨的载 货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎压力报警 装置的要求，自本标准发布之日起第2 5 个月开始对新注册车实施嘲”。 现在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的t p m s 系统，上海和重庆及广东等 地有几家公司开始投入生产并销售t p m s ，主要生产商有上海泰好电子科技有限公司、 棋港电子有限公司、佛山市朗杰电子科技有限公司、深圳市瑞电通信电子有限公司等。 市场主要集中在后装市场，不过其价格决定其市场规模很小。而且，t p m s 零组件主要 靠进口，缺乏自主知识产权的产品。大多数厂家只是买来飞思卡尔、英飞凌、通用的零 组件组装起来做成成品，缺乏核心技术。最近，各大高校如清华大学、浙江大学、吉林 大学、北京理工大学、江苏大学、中国科学院自动化研究所、燕山大学、同济大学、东 北大学等单位都有学者对t p m s 相关技术进行理论和技术研究，并申请了许多专利。但 是出于其可靠性、稳定性和灵敏度等方而还达不到实际使用的要求，所以这些专利很少 得到应用。可以说，国内急需采用轮胎气压监控系统( t p m s ) ，但是近几年广泛应用还有 难度，主要是因为国内轮胎企业和汽车企业以及电子产品企业缺乏交流没有建立联合开 发的渠道。此外，国内部分汽车厂对轮胎质量的重要性缺乏认识，轮胎企业缺乏开发新 产品的动力和能力 1 3 - 1 4 1 。 1 4 本文主要研究内容 本文总结了目前存在的各种轮胎气压监测方法的优劣后，提出了一种基于扭转刚度 的间接式轮胎气压监测方法。该方法是在对运动轮胎进行动力学分析的基础上，建立以 轮速信号为输入量的轮胎扭转刚度模型，利用该数学模型，用状态空间分析法的状态观 测器来估计包括系统参数在内的状态变量的变化并用最d , - - 乘法来进行参数辨识，得到 轮胎气压的估计值。最后对本方法进行实验研究，验证了本方法的可行性。 本文的主要内容： ( 1 ) 介绍了课题的背景，目的和意义，以前国内外的研究状况。分析目前存在的各 种t p m s 的优劣，并在此基础上提出本文所研究方法的基本原理。 ( 2 ) 分析轮胎的模型并合理简化，根据动力学理论建立基于扭转刚度的轮胎模型， 对该模型所涉及参数进行分析。 ( 3 ) 介绍了现代控制理论中的状态观测器理论，重点分析了最小观测器的设计方法， 针对所建轮胎模型的状态方程，运用最小阶观测器重构状态变量中不可量测的状态变量， 5 山东理1 二大学硕卜学位论文第一章绪论 由于观测中存在扰动噪声，最后用最小二乘辨识求得扭转刚度变化的估计值。 ( 4 ) 对本文提出的基于扭转刚度的轮胎气压监测方法进行试验验证，根据扭转刚 度的变化得出胎压的变化。对估计结果进行分析，验证本方法的正确性。 6 山东理工大学硕七学位论文 第二章轮胎气压监拧系统原理 第二章轮胎气压监控系统原理 目前t p m s 的实现方式主要有直接式t p m s 、间接式t p m s 和混合式t p m s 三种。 直接式t p m s 在每个轮胎内都设有胎压传感器，这些传感器通过射频( r f ) 将轮胎气压信 息传送到中央接收器里。间接式t p m s 没有气压传感器，需要依靠汽车其他系统的传感 器，例如a b s ( a n t i - b l o c k i n g s y s t e m ) 轮速传感器来侦测轮胎转速的不同，并通过不同的算 法来估算出胎压的变化。 2 1 直接式t p m s l 轮胎模块 i j 图2 - - 1 直接式t p m s 结构框图 直接式t p m s 按照轮胎模块是否有电源分为两种形式，一种采取的是有源无线的方 式，轮胎气压监测系统的构成一般包括轮胎模块和一个中央接收器模块。如图2 1 所示 州，轮胎模块由气压传感器、温度传感器、控制模块( m c 叻、发射器和天线、以及电池 构成，主要完成轮胎气压、温度等信号的测量并以无线l 咂射频方式发送出去。中央接 收器模块显示屏、操作面板、控制模块、接收器和天线以及与车辆的接口电路组成。它 主要负责接收由轮胎模块发出的射频信号，并进行处理，最后通过在驾驶员面前的显示 仪表上的液晶屏显示轮胎气压、湿度等状态，并当轮胎内部状态异常时产生报警信号。 目前已安装或选配该直接式t p m s 的车型一般都是中高档汽车，如表2 - 1 所示【4 l 。 7 山东理t 大学硕 学位论文第二章轮胎气压监控系统原理 表2 - 1 已安装直接式仲m s 的车型 品牌车型 奥迪( a u 宝马( b m w ) 奔驰( s e n z ) 法拉利啪哟 保时捷( p o r s c h e ) a s , a 6 , r s 6 7 系列，5 系列，3 系列 e - c l a s s a m g , c - l s - o a s s , a c a o s 5 7 5 m a r a n e l l o , e n z o _ f 1 3 7 , m o d e n a c a y e n n e , b o x s t e r 另一种直接式t p m s 采用的是无线无源设计，采用安装在轮胎里的声表面波s a w 转发器来代替传统的轮胎模块i 切，用一个中央收发器慨m r a l 缸龃溉i v 砷代替了一般直接 式t p m s 中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中 的s a w 转发器( 仃a n s p d 哪接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发 射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需 要电池。声表面波压力传感器的工作模式基础上可分为延迟线型和谐振型两类，属于 电磁反向散射耦合。声表面波传感器的工作频率通常为数m h z ，甚至高达1 2 g h z 。典 型的工作频率有：4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 5 g h z 。由于其本身具有高频率信号输出和低 功耗等特点，非常适合于遥测信号的传感和传感器无源化的实现，且作用距离大于l m ， 典型作用距离为3 l o m 。 2 2 间接式t p m s 间接式t p m s 实际上应用的是虚拟传感技术，虚拟传感是一种信号处理技术，由各 个信号之间存在的函数关系，通过解析计算方式获得所需要的信号，并将其应用到相应。 的管理，计算等方面，去参与系统工作，与硬件量测值构成所需要的余度匹配重数，达 到相应的可靠等级水平或者参加系统的故障检测和诊断。虚拟传感技术的研究是以现代 控制理论，现代估计理论，参数辨识，信号检测技术，神经网络、模糊控制技术、可靠 性技术等多学科的交叉运用和综合运用的基础的，是跨学科的综合研究f 栩。 间接式t p m s 系统本身并没有直接监测轮胎气压的传感装置，目前应用最多的是基 于a b s 轮速传感器的问接式t p m s ，通过a 船轮速传感器获取轮速信号，利用该信号 和受轮胎气压影响的轮胎的参数之间的函数关系，进行解析计算获得轮胎气压的估计值。 轮胎的模型不同，算法也不同。这里使用a b s 轮速传感器作为胎压监测的虚拟传感器， 用该轮速信号为输入，通过不同的方法建立轮速和胎压的联系，达到间接监测胎压的目 的i l 睨1 1 。表2 2 为目前已安装间接t f m s 的车型【4 1 。 已安装的基于轮速传感器的间接式t p m s 大多采用轮速比较式监测方法，该方法采 用车轮轮速传感器测量每个车轮的转速，如图2 - 2 所示，当一个轮胎的气压减小时，由 8 山东理工大学硕十学位论文第二章轮胎气压监控系统原理 表2 - 2 目前已安装间接t p 惦的车型 品牌车型 雪佛兰( c k v m l 哟 凯迪拉克( c a d d i a c ) 别克( b 疵岫 庞迪克( p o n t i a c ) 西耶那fs i e n n a ) 花冠( c o r o u a ) 佳美s o l a r a ( c a m r ys o a r a ) c o r v e t t e , i m p a l al s ，i m p a l as e d a n s e v i l l es 1 s l e s a b r e , p a r k a v e n u eu l 咄r 喇 b o n n e v i l l e , g r a n d a m g t , g r a n d p d x c e , l ex l e , x e e 限量级 塔 s e , s es p o r t , s l e 于滚动半径减小，车轮的旋转速度就相应地加快，系统通过比较两条对角线上车轮转速 的乘积( 右前和左后轮速的乘积与左前和右后轮速的乘积) 来判断是否出现气压下降【9 1 。 图2 - 2 气压与滚动半径的关系 图2 - 2 中，表示轮胎半径，将右前和左后轮速的乘积与左前和右后轮速的乘积定 义为比率叩。这个比率可用下列等式来表达： 町。些巡堕她 n 】_ 职n 】_ 札。，艘( 2 - 1 ) 式中，口k 、n k 、n ，麒和n ，皿分别为汽车的左前、右后、右前，左后轮的角速度， r 履、，皿、嘞和，艘分别为汽车左前、右后t 右前，左后轮胎的滚动半径。 如果比率珂偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态， 然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。该系统外加组件数量少，只需在 原有的系统上增加报警程序和报警提示装置，系统成本很低。但是，轮速比较式t p m s 存在着很大的局限性：第一，指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，当同一 车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。 第三，如果所有四个轮胎同时处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不 足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。该监测胎压方法实现的关键在于进行算法 的改进和参数的精确获得，以便提高精度。 9 山东理丁大学硕士学位论文第二章轮胎气压监控系统原理 2 3 壹接式与间接式的比较 无论是间接式t p m s 还是基于轮胎气压传感器的直接式t p m s ，其目的都是给驾乘 人员提供一个安全的驾驶环境。对于基于气压传感器的监控系统，由于有一套独立的硬 件处理系统，其优点是响应速度快，实时处理程度明显比间接监控系统强许多。但是由 于气压传感器和无线传输等硬件设备的制造工艺要求较高，其成本也远高于其它系统。 而且，嵌入轮胎的传感器属于一次性敏感元件，安装时需要特别的小心不能碰撞，否则 就有可能降低其感应能力甚至不能工作。这就需要电子器件厂商同轮胎制造厂商之间相 互配合，才能使这一系统能够正常准确地工作；而且其超高频传输信号( 以m h z 为单位) 对周围其它设施是否带来危害目前还不得而知。例如：在对高频信号比较敏感的地区( 加 油站，医院等) 使用是否安全。此外其气压传感器的制造技术国内还不易掌握，因此我国 车辆上要想安装此系统只能通过进口，成本也相应增加l 墙】。目前带电池t p m s 模块已经 可以使轮胎基本适应恶劣条- 4 4 ：了，但是由于要使用电池，直接式佃m s 仍然无法彻底解 决以下几个问题：体积过大、重量过大、监测密度无法做到实时监控、无法保证稳定性 与可靠性阎。 基于声表面波的直接式t p m s ，其声表面波传感器具有非接触、快速、无电源、成 本低等优点。缺点是不管是延迟线式或者是谐振式，测量的精度都不高，而且反射回信号 的强度很小，抗干扰能力不强。考虑到地面及其它的环境对谐振频率的影响，还需就围 绕着周围环境对谐振频率的影响展开研究，而由于环境的异常复杂性，使得该问题的解 决遇到了很大困难，并且由于声表面波传感器的回波信号是一个瞬态波形，随着激励频 率偏离谐振频率，响应的最大幅值和信号的总能量都在减小，对系统的采集信号还需要 进一步的研究分析。 基于车轮速度的间接式监控系统的优点是本身几乎不需要任何硬件设备，只要车上 安装了a b s 设备，通过将气压监控软件存储到a b s 的e ( = u 中就可以实现对轮胎气压的 监控工作。其安装方式相对简单方便，成本也相应降低。但是由于此系统是通过间接方 法测定轮胎气压，其测试结果与轮胎的结构、状态参数相关，所以当轮胎气压正常但因 更换新轮胎，或轮胎长期使用后造成磨损不均等原因可能会导致误报警网。 2 4 基于扭转刚度的轮胎气压监测方法的提出 值得注意的是，美国新颁布的法规在技术上对直接和间接系统的态度保持中立。也 就是说不论是直接式t p m s ，还是间接式t p m s ，只要符合性能要求，都可以应用【2 1 j 。 本文提出一种间接式轮胎气压监测方法，该方法在建立轮胎扭转刚度模型的基础上，通 过对汽车轮胎动力学分析，建立轮速与模型中的参数扭转刚度的关系。首先对轮速 l o 山东理t 大学硕t 学位论文 第二章轮胎气压腑控系统原理 信号进行频谱分析，得到轮速信号和轮胎气压变化之间的规律，鉴于轮速信号的时变性， 利用轮速信号来直接计算胎压的变化非常困难，而轮胎的扭转刚度值和轮胎气压具有线 性关系，并且在轮胎的旋转方向上，可以直接建立轮速信号和轮胎扭转刚度的微分方程， 使得利用轮速信号来估计扭转刚度的变化，进而利用扭转刚度的变化估算胎压成为可能。 2 4 1 轮速信号的频谱分析 数据分析处理最常用的方法是波形分析和频谱分析，波形分析一般指的是对波形在 时间域里进行分析，即对各种物理量的动态信号的幅值对时间为坐标的函数x - ，o ) 在 时间域t 内进行分析，通常的测试记录都是一维的记录。总是一个数轴代表时间，而另 一个数轴代表某种物理量的幅值，它代表了动态信号的大小，幅值对时间的分布，起始 时间和持续时间，时间滞后，相位滞后，以及波形的畸变等。一般是用通常的测量标度， 以简单而迅速的直观方式进行的，频谱分析是对动态信号在频域内进行分析，分析的结 果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函 数。频谱分析中可得到幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等等刚。频谱分析过程较 为复杂，它是以傅里叶级数和傅里叶积分为基础的。频谱特性是动态信号的基本特征之 一，一般的动态信号都不是单纯的正弦波形，按照傅里叶分析法，动态信号可以分解为 许多谐波分量，而每一个 皆波分量可由其振幅和相位来表征，各次谐波可以按其频率高 低依次排列起来成为谱状，按照这样排列的各次谐波的总体称为频谱。动态信号中所含 的各次谐波振幅值的全体称为幅度( 振幅) 谱，它表征动态信号的幅值随频率的分布情 况：各次谐波相位值的全体称为相位谱，它表征相位移随频率的变化情况；而表达各次谐 波能量( 功率) 的全体称为能量谱( 功率) 谱。频谱图形中的离散谱是与周期性( 或准 周期) 信号相对应的，连续谱是与非周期性信号相对应的 2 5 1 2 6 1 。 本方案中采集的轮速信号来自于a b s 轮速传感器，a b s 轮速传感器及其产生的轮 速信号的原理如图2 3 所示，当齿圈的齿顶对着传感器的极轴时，磁力线增多，当齿槽对 着传感器极轴时，磁力线就少，由齿顶变齿槽或者由齿槽变齿顶时磁通变化最大，产生 的电动势最大，这样经过一个齿顶和一个齿槽就产生一个正弦波 2 7 1 。 图2 - 3 轮速传感器和轮速信号 1 l 山东理t 大学硕上学位论文 第二章轮胎气压监控系统原理 在众多的数学变换中，快速傅里叶变换( h t ) 是频谱分析中的一个重要手段，被 广泛应用于信号的分析和处理中。利用快速傅立叶变换将时域信号础) 变换为频域信号 x ( ，) ，可以从另一个角度来了解信号的特征。使用奥地利d e w e t r o n 公司的数据采集系 统的软件d e w e s o f t6 0p r o ，可以直接实现对所采集的轮速信号的快速傅里叶变换。维持 汽车的三个轮胎气压不变，在6 0 k m b 等速行使的条件下，改变第四个轮胎气压，所得 的轮速信号频谱曲线如图2 4 所示。 j 公除奈滁烈瓜| a 捻於臻烈瓜i k f 暑 1 子 1 1 - 1 1 1 烈堇 轮速信号的波形采样信号 a 胎压为正常胎压的6 0 时轮速信号的频谱曲线 上 胎压为正常胎压的时轮速信号的频谱曲线 山东理工大学硕士学位论文 第二章轮胎气压监控系统原理 量| 曼罾量量目量曼e 罾詈| 詈曼阜置i 置詈曼- 人 正常胎压时轮速信号的频谱曲线 胎压为正常胎压的1 2 0 时轮速信号的频谱曲线 图2 - 4 轮速信号的频谱分析 从轮胎的轮速信号的频谱曲线可以看出，当胎压下降时，轮胎的滚动半径变小，轮 胎的轮速峰值振动频率则随之增大，当胎压下降2 0 时，轮胎的轮速峰值频率增大了大 约5 。事实上，汽车轮胎在做旋转运动过程中，轮胎的弹性会使轮胎绕其轴线做圆周 方向的扭转振动，由于轮胎、悬架系统的耦合振动频率段与汽车的纵向加速度的频率段 部分重合，从而引起轮速信号频率的变化。如果能够监测到轮速信号的频率变化，那么 轮胎气压的变化也就可以监测出来。 2 4 2 轮胎的扭转刚度 轮胎刚度参数是轮胎振动力学分析中重要的结构参数。轮胎刚度种类繁多，如分布 刚度与集中刚度，线刚度( 单位位移变形而产生的力) 与角刚度( 单位角度变形而产生的 力) ，侧向剐度、纵向刚度与垂直刚度，侧偏刚度与回正刚度，胎面刚度与胎体刚度，平 移刚度、弯曲刚度与扭转刚度【篮l 等等。其中扭转刚度又有两种：一个是轮胎绕垂直轴扭 转的弹性，即轮胎在左右转向方向的扭转弹性；一种是轮胎绕旋转轴的弹性。其中轮胎 绕旋转轴的扭转刚度与在旋转方向上的扭转振动相对应，因此本文所用的扭转刚度是指 的轮胎绕旋转轴扭转的弹性例。 山东理t 大学硕七学位论文第二章轮胎气压髓控系统原理 趴 、 - y ； z 图2 - 5 轮胎绕旋转轴的扭转变形图2 _ 6 轮胎的扭转弹簧常数k ， 如图2 - 5 所示，固定轮辋，使带束转一微小角度以的扭矩r 为： ti n s2 at3kx8s(2-2) 式( 2 - 2 ) 中r 为扭矩， k 为轮胎的胎体的切向弹簧常数， r 为轮胎半径。 则轮胎绕旋转轴的扭转刚度k 为： 下 k 一l i r a2ar七。(2-3) 虬 关于切向弹簧常数k ，的计算可参考日本学者赤坂、山崎等提出的方法嘲。此方法基 于图2 - 6 所示的轮胎模型。此模型具有弹簧支承弹性圆环的结构，弹簧相当于轮胎胎体， 这里不做进一步探讨，其值可以通过经验公式来计算： 七一0 0 6 4 2 6 p + 0 2 9 6 9 ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中，p 为轮胎气压。 2 4 3 轮胎气压对轮胎扭转刚度的影响 扭转刚度是表征轮胎扭转振动特性的一个参数，由式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 可以得出轮 胎气压和扭转刚度的关系： k 力矿3 f 0 0 6 4 2 6 p + o 2 9 6 9 ) ( 2 - 5 ) 1 4 山东理t 大学硕十学位论文 第二章轮胎气压髓控系统原理 = 之 量 一 蜒 兹 嚣 鞲 l 矽 搦 多 r = la k ll p f ook 椭i l 口，如w hr 1 4o v 口2 0 k n g hl ll 如1 0 01 5 02 2 ，0 转胎篷力( u ，l ， 图2 _ 7 扭转刚度和轮胎气压的关系 轮胎的扭转刚度可以通过敲击试验来测定，轮胎扭转刚度和轮胎气压的关系如图2 7 所示刚p ”，图中可以看出，轮胎的扭转刚度跟胎压的变化是呈明显的线性关系。更为重 要的是，当车速超过2 0 k m b 时，轮胎的扭转刚度值不随车速的变化而改变。这为用估 计扭转刚度的变化来揭示轮胎气压的变化提供了理论基础。 2 4 4 基于扭转刚度的胎压监测方法的提出 通过以上的分析可知，只要我们能够监测到轮胎的扭转刚度变化就可以得到轮胎气 压的变化，而轮胎的扭转刚度作为轮胎的一个参数，本文采用的是通过构造状态观测器 的算法得出。基于状态估计的算法是建立在系统模型的基础上的，因此建立包含有轮胎 扭转刚度的轮胎模型并进行合理简化是本方案的第一步工作。 2 5 本章小结 本章首先介绍了现存的几种轮胎气压监测方式的基本原理，并比较它们各自存在的 优点和不足，在对轮速信号进行频谱分析的基础上提出了基于扭转刚度的轮胎气压监测 系统的基本原理：利用轮速信号来估计扭转刚度的变化，并利用扭转刚度和轮胎气压的 线性关系来计算出轮胎的变化。 山东理t 大学硕 学位论文第三章轮胎模型的建寺和参数分析 第三章轮胎模型的建立及参数分析 汽车轮胎是一种重要的橡胶构件，橡胶以及橡胶复合材料，往往都是粘弹性材料。 运用弹簧能很好地描述理想弹性体力学行为，而阻尼器则能很好地描述理想粘性流体力 学行为。因此，作为典型的粘弹性材料，轮胎的模型便可以通过弹簧和阻尼的各种组合 来得到描述【3 2 】。本章就是通过对轮胎的振动分析和简化，建立基于扭转刚度的轮胎模型。 3 1 汽车轮胎结构 汽车的轮胎由车轮和轮胎胎体两部分组成。车轮与轮胎是汽车行驶系中重要部件， 其功用是：支撑整车的质量；缓和由路面传递的冲击力；通过轮胎同路面间存在的附着 力来产生驱动力和制动力；产生平衡汽车转向行驶时的离心力的侧抗力，在保证汽车正 常转向行驶的同时，通过轮胎产生回正力矩，使车轮保持直线行驶的方向；承担越障提 高通过性的作用吲。 车轮是介于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转组件，它由轮毂、轮辋以及这两元件间 的连接部分( 轮辐) 所组成。按照连接部分的构造，车轮可分为两种主要形式：辐板式和 辐条式。目前在轿车和货车上广泛采用辐板式车轮，钢丝辐条式在少数赛车和豪华轿车 上使用，铸造辐条式车轮用于装载质量较大的重型汽车上。在本文中研究的对象采用辐 板式车轮。由于车轮的制造材料为钢或铝合金，其刚度相对轮胎刚度大得多，故在轮胎 建模中将其视为刚性体p 卅。 轮胎按用途主要分为载货汽车轮胎、轿车轮胎、工程机械轮胎、工业轮胎、农业轮 胎等；按轮胎的结构特点可分为斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎：按有无内胎又 可分为有内胎与无内胎两种。目前轿车轮胎多数已经实现了无内胎化和子午线化。本文 的研究对象即是最常见的轿车轮胎。 3 2 轮胎模型概述 车辆( 指装有充气轮胎的路面车辆) 是通过唯一部件轮胎与路面发生力作用的。 除空气作用力外，车辆的其他所有外力几乎都是路面反作用于轮胎。但是，由于轮胎在 行驶过程中的受力非常复杂( 根据路面性质、车速、垂直载荷、摩擦产生的温度以及轮胎 的形式等因素的变化而不同) ，因此轮胎模型的建立一直是国内外学者研究讨论的重点和 难点。 山东理工大学硕士学位论文第三章轮胎模型的建立和参数分析 发展至今，轮胎动力学的研究从稳态到非稳态，从线性到非线性，模型已经相当丰 富，轮胎动力学模型分为理论模