一种汽车轮胎温度在线检测装置
摘要： 轮胎材料性能与温度密切相关，过热会导致轮胎材料性能严重下降，致使轮胎迅速损坏，因此，应当对轮胎温度变化情况进行在线检测，以控制轮胎的生热，保证轮胎使用的安全性和可靠性。通过开展汽车轮胎温度在线检测装置的研究，完成了相应的理论分析和技术设计工作，采用多个DS1820数字温度传感器构成检测阵列，实现了轮胎实时温度变化情况的在线检测，达到数据测量准、信息传送稳、信号偏差小、漏检误检少的设计要求。整个装置具有结构布置小型化、测试元件阵列化、性能检测在线化、隐患预警实时化的特点。
汽车轮胎在周期性载荷作用下，其橡胶和骨架材料的滞后损失以及橡胶与骨架材料之间的摩擦会导致生热，而轮胎所用材料的力学性能和耐疲劳性能与温度密切相关。过高的温度会导致轮胎材料性能严重下降，促使轮胎迅速损坏，目前轮胎所存在的主要质量问题，如“肩空”和“胎圈脱层”等，即是由于这些部位的温度过高造成的。国内外专家和学者正大力研发智能轮胎，控制或降低轮胎的生热以延长轮胎的使用寿命，其中在轮胎温度场高温区域埋设温度传感器以掌握轮胎温升的实时情况，借以指导驾驶员安全行车就是一种重要手段。
轮胎温度在线检测装置方案构思
在能够进行诸如温度、压力和转速检测的各种现代智能轮胎中，都装有相关的传感器，将有关轮胎温度、压力和车速的检测信号输入到电子控制单元(ECU)进行技术处理[1]。
图1：传统测温单元总体设计示意图。
对于轮胎内部温度的在线检测，传统的测温单元可按图1所示的方式进行设计，传感器的检测信号通过CPU控制的多路开关进行传输。该装置虽可完成相应的温度检测，但电路环节较繁多，结构体系较复杂，程序编制较麻烦，调试工作也较困难，因而并不是一种理想的设计方案。在参考国外新型智能轮胎技术的基础上，笔者进行了“汽车轮胎安全性能智能检测和隐患预警系统”的研究，并构建了图2所示的总体框架。
图2：轮胎智能检测和稳患预警系统总体框图。
该系统的具体功能如下：
通过埋设在轮胎内部的温度和气压传感器阵列，在线检测轮胎行驶时的温度和气压波动情况；
通过装置在轮毂上的子机系统对轮胎温度和气压的实时检测结果进行信息融合和智能分析；
通过无线通信方式将分析结果自子机传至装置在驾驶室仪表板上的主机系统；
通过主机系统判断轮胎是否过热、过压或欠压及其具体等级情况，给出轮胎安全性能状况评价，并确定是否发出轮胎过热、过压或欠压报警；
通过与轮胎温度和压力安全使用条件的推荐值[2]作比较，向驾驶员提示在轮胎存在过热、过压或欠压现象时应注意的事项和应采取的措施。
轮胎温度在线检测装置技术设计
笔者采用以复合材料力学理论为基础的轮胎受力有限元分析方法[3]对轮胎温态温度场进行了分析与计算，得到图3所示的轮胎胎体横截面等温线分布图(以上海正泰橡胶厂生产的165SR 15子午线轿车轮胎为例)。
图3：温度场等温线分布图(℃)。
由图3可以看出，H1、H 2和H3各点域是轮胎内部高温区所在位置，这些位置正是引发轮胎“爆胎”等安全事故的隐患源，应在这些点域分别埋设温度传感器并使之构成传感器阵列，以在线检测并实时分析轮胎温度的变化情况[4]。
为了克服图1传统测温方案的不足，笔者根据总体框图设计了以PIC微控制器为核心的子机系统(即图2中的检测分析部分) ，其温度信号检测电路见图4。
图4：测温单元电路设计示意图。
在该检测电路中，检测轮胎实时温度信号的基本元件是DS1820数字温度传感器，其与PIC微控制器的有机结合构成了轮胎温度在线检测装置的核心。由于DS1820 数字温度传感器可将检测到的物理量直接转换为数字量，并送PIC微控制器进行相关的实时处理，因而它可以改变汽车轮胎传统的温度检测方式。
由图4可知，该系统具有单总线形式的检测网络，即所有的温度传感器都挂接在PIC微控制器的同一根数据通讯总线上，通过该总线与PIC微控制器进行数据通讯。若在系统初始化时设置好温度预定值等参数，即可实施对轮胎各高温点域的全程监控。同时，在相应软硬件的支持下，还可显示和存储轮胎各高温点域的实时温度值，当轮胎温度越限时即可给出相应点域的温度越限报警信号。
此外，由于DS1820传感器的单线接口是三态的[5] ，因而只有与“汽车轮胎安全性能智能检测和隐患预警系统”主机提供的64位ROM编码严格相符的器件才会响应主机的操作命令，其余不相符的器件均呈高阻等待状态。于是，PIC微控制器既可巡访单线总线上的全部器件，也可随访任一指定器件，这就为系统按需读取轮胎的实时温度信号创造了条件。
为了与子机系统工作特性相匹配，主机系统(即图2中的控制显示部分)工作框图可按图5设计。
图5：主机系统工作框图。
由图5可知，当主机系统启动后，首先由用户根据实际行车条件，并结合专家建议，设定轮胎安全工作预定温度值，然后通过系统附属键盘输入主机，再经由主机发送信号至LED驱动芯片以显示其预设温度。由于轮胎预定安全工作温度值和行车实际温度检测值均通过LED显示在驾驶室仪表盘上，可使驾驶员对轮胎温度是否越限有清晰的认识，驾驶员可方便灵活地根据实际情况作出后续处理。
温度传感器安装讨论图3的H1、H2和H3点域为轮胎在行驶过程中的高温区域，为在线检测轮胎温升情况，本装置在上述点域各埋设一个DS1820数字温度传感器，使之构成测温阵列。该传感器性能优良，其商业应用级传感器测温范围为0～70℃，工业应用级传感器测温范围为0～100℃，而汽车专用级传感器测温范围为-55～+ 125℃，完全满足本装置测温工作要求。
此外，DS1820传感器体积小巧、结构精良，封装强度可满足实用需要，其封装尺寸仅为5mm×5mm ，连接导线的直径也不超过1mm ，足以在不影响轮胎自身性能的情况下嵌入轮胎本体内表层预制的盲孔(对应于H1、H2和H3点域)中，当外胎与内胎因气压缘故而充分贴紧时，该温度传感器即可有效检测行驶状态下的轮胎生热情况，并通过子机微控制器对所测温度信号进行融合处理，再经子机无线信号发射电路传递给主机，由主机进行最终处理。
本文小结
在研究与开发“汽车轮胎安全性能智能检测和隐患预警系统”的过程中，笔者以PIC16C73单片机和DS1820数字温度传感器作为轮胎实时测温系统核心器件，组成了汽车轮胎温度在线检测装置。
通过系统仿真实验与实际测试，证明该装置在轮胎温度信号实时检测方面，不但数据测量准确、信息传送稳定，而且信号偏差小、漏检误检少，可进行轮胎温度变化情况的在线检测和实时分析，能突破轮胎现有技术模式的局限性，实现轮胎的性能检测在线化、隐患预警实时化，并且该系统还具有结构布置小型化、测试元件阵列化等特点，具有较高的实用价值，可推广应用于其他学科领域和工程应用领域。
参考文献:
[ 1 ] 克林恩乔克. 汽车系统. 张士齐译. 北京: 机械工业出版社，2002
[ 2 ] 崔胜民，王登祥. 汽车轮胎行驶性能与测试. 北京:机械工业出版社，1998
[ 3 ] 陈振艺. 轮胎稳态温度场的计算. 轮胎工业，1997(17) : 273～ 277
[ 4 ] 杜瑞先，荣善华，吴汉明. 新型数字温度传感器DS1820 组成的多点温度采集系统研究. 计算机应用研究，1998 (6) : 94～ 97
[ 5 ] 沙占友，唱春来，范志广. 由DS1820组成的单线数字温度计原理与应用. 电测与仪表，1999(2): 35～38