楊 杰

（西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

1 技術(shù)設(shè)想基礎(chǔ)理論

智能輪胎是一種智能化的輪胎，能夠自動(dòng)收集和傳輸有關(guān)自身及所處環(huán)境的信息，并對(duì)該信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行相關(guān)操作，提高汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性。

當(dāng)汽車在行駛過程中，有一定的速度，輪胎下的動(dòng)水壓力與輪胎的垂直載荷相平衡時(shí)，輪胎脫離地面，處于浮起狀態(tài)的現(xiàn)象為汽車滑水現(xiàn)象，汽車出現(xiàn)這種現(xiàn)象的情況有：剛開始下雨的路面、路面上有積水層[1]。在這兩種情況下，路面上會(huì)形成黏度很高的膏體狀的水膜液，輪胎高速從水膜液里通過時(shí)，由于水膜液的潤(rùn)滑功能，輪胎在滾動(dòng)時(shí)受到水膜液的干擾，而輪胎自身無法排除水膜液的干擾，自然輪胎的附著性能極速歸零，附著力也就很小。路面的積水層包括水膜區(qū)、過渡區(qū)、直接接觸區(qū)。胎面與路面產(chǎn)生附著力便在直接接觸區(qū)，發(fā)生滑水現(xiàn)象的真正原因是過渡區(qū)和直接接觸區(qū)的消失，也就是說此時(shí)的附著力幾乎沒有。綜上所述是附著能力非常小的危險(xiǎn)情況，亦是汽車在行駛過程中會(huì)常遇見較多的情況。在發(fā)生路面有雨水及有積水情況時(shí)，汽車的制動(dòng)性能和轉(zhuǎn)向性能會(huì)極大降低，汽車的行駛安全性能也極大地降低。所以運(yùn)用智能輪胎自動(dòng)地對(duì)輪胎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，避免滑水現(xiàn)象的發(fā)生，提高汽車的行駛安全性能的避免滑水現(xiàn)象的技術(shù)是可能的被需要的。

2 智能輪胎避免滑水現(xiàn)可能性條件

輪胎是汽車的組成中一個(gè)重要的元件，承載來自于車身力并且與地面相接觸，傳遞力和力矩，它對(duì)汽車的動(dòng)力性、安全性、操縱穩(wěn)定性及安全性等性能有非常大的影響。在整個(gè)汽車發(fā)展歷史中，輪胎一直是汽車的整體中一個(gè)相當(dāng)重要的元件。過去輪胎的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還沒有辦法準(zhǔn)確的獲取收集并判斷的，但是隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，輪胎已經(jīng)不再僅僅是一個(gè)被動(dòng)件，而在一些智能元件的幫助下變成一個(gè)能夠自主的元件。隨著傳感器的發(fā)展，其功能越來越強(qiáng)大，運(yùn)用也非常廣泛。

由此設(shè)想，如果將各種對(duì)應(yīng)功能的傳感器安置到輪胎內(nèi)，能否對(duì)輪胎運(yùn)動(dòng)狀及其數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集觀察以及判斷呢?我的答案是能，運(yùn)用胎壓監(jiān)測(cè)儀與速度檢測(cè)儀，時(shí)時(shí)刻刻收集輪胎的加速度狀態(tài)和壓力狀態(tài)。輪胎的接地狀態(tài)與輪胎的加速度狀態(tài)有一定的線性關(guān)系，得出輪胎實(shí)時(shí)接地印痕長(zhǎng)度，輪胎的接地印痕長(zhǎng)度反映了輪胎所受的垂向力，胎壓和輪胎的滾動(dòng)速度的狀態(tài)。因此，通過輪胎的加速度信息預(yù)測(cè)計(jì)算輪胎所受的垂向載荷，這是我的一個(gè)不成熟的想法。如今的智能輪胎技術(shù)可進(jìn)行輪胎的各個(gè)參數(shù)的檢測(cè)，歷程可追溯性記錄技術(shù)檢測(cè)。所謂歷程可追溯性記錄是指在生產(chǎn)的輪胎過程中，將可以實(shí)現(xiàn)信息收集、處理和發(fā)送的功得能FIAD卡裝入輪胎內(nèi),是一種微型芯片，通過它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎各參數(shù)信息的實(shí)時(shí)掌握[2]。因此 RFID卡便可作為這種設(shè)想所需信息的收集裝置。

3 基于智能輪胎避免滑水現(xiàn)象有可能性的條件下設(shè)想相應(yīng)措施去改變輪胎的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在車輪可通過接地印痕的長(zhǎng)度來預(yù)測(cè)車輪的垂向載荷的前提條件下。汽車發(fā)生滑水現(xiàn)象時(shí)的車輪狀態(tài)包括低速滾動(dòng)狀態(tài)和高速滾動(dòng)狀態(tài):低速行駛通過積水路面時(shí)，仍然有著小部分附著力。低速通過時(shí)，因?yàn)樗c灰塵等污物形成的水膜液有粘滯性，輪胎與路面接觸面接會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)。高速通過積水路面時(shí)，高速滾動(dòng)的輪胎下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，它的值與車速的平方成正比關(guān)系。這個(gè)動(dòng)水壓力平衡了輪胎垂直載荷使胎面與地面分離，即是水膜區(qū)增大，過渡區(qū)與直接接觸區(qū)減小。如今較為常用的輪胎包括胎面無溝槽和胎面有溝槽的輪胎，這些常用輪胎路過積水層時(shí)，設(shè)輪胎下的動(dòng)水壓力的升力為Fh，積水層與輪胎接觸面積為A以及水的密度為q，車速ua的關(guān)系式為：Fh=q×ua2×A，因?yàn)閯?dòng)水壓力平衡輪胎的垂直載荷時(shí)出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，所以估算滑水現(xiàn)象的車速為6.34開根號(hào)輪胎的胎壓，公式為：，可以通過車速ua得到此時(shí)的加速度。

由此分析可得出結(jié)論：可通過在輪胎內(nèi)安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和加速度傳感器，收集胎壓和加速度這兩個(gè)信息之后經(jīng)過微型芯片處理系統(tǒng)可得出相應(yīng)的校準(zhǔn)后的滑水現(xiàn)象時(shí)的加速度的信息，通過校準(zhǔn)后的加速度信息預(yù)測(cè)車輪的印痕長(zhǎng)度而得到相應(yīng)的車輪垂向的載荷力，由于滑水現(xiàn)象時(shí)載荷力與積水層產(chǎn)生的升力相等?？稍谳喬?nèi)安裝微型芯片轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將該載荷力轉(zhuǎn)換為(以微分方程拉式變換后得到)脈沖信號(hào)，再將這個(gè)脈沖輸入信號(hào)經(jīng)過一個(gè)反饋系統(tǒng)輸出給電壓傳感應(yīng)器，在車輪內(nèi)部接入電極片產(chǎn)生相應(yīng)的電壓電流，運(yùn)用電生磁的原理，以及磁極的同性相斥原理，胎內(nèi)安裝相應(yīng)的磁極，通過兩磁極產(chǎn)生與積水層產(chǎn)生的升力大小相等方向相反的磁作用力。兩力相互抵消，積水層的升動(dòng)力被抵消后，汽車車輪可高速通過積水層的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)滑水現(xiàn)象。

3.1 基于控制論的基礎(chǔ)上設(shè)想避免滑水現(xiàn)象的施行措施系統(tǒng)

確定以胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出的實(shí)時(shí)胎壓及車速傳感器實(shí)時(shí)收集的車速和加速度信息作為輸入，以最終產(chǎn)生的磁作用力為輸出，反饋部分的信息為汽車垂向載荷力的大小，比較部分為微型數(shù)據(jù)處理芯片，執(zhí)行部分為微型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片及電磁感應(yīng)線路和裝于輪胎內(nèi)部邊緣的磁極[3]，形成一個(gè)典型的機(jī)械反饋系統(tǒng)。因?yàn)檐囁偌疤菏遣粩嘧兓?，它反?yīng)著車輪垂向載荷的變化情況，本身具有相應(yīng)的調(diào)節(jié)反饋?zhàn)饔谩？紤]傳感器在進(jìn)入積水層時(shí)的信息收集處理及系統(tǒng)反應(yīng)的時(shí)間，安裝一個(gè)路面平整度和一個(gè)濕度檢測(cè)儀在車的前懸或軸中心，將該部分收集的信息集中到反饋系統(tǒng)的信息處理芯片上，并參與系統(tǒng)的對(duì)輪胎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判別，以此來保證磁力與積水層升力相抵消的這個(gè)動(dòng)作準(zhǔn)時(shí)發(fā)生,且不影響汽車在正常路面的行駛。

4 符合該技術(shù)的輪胎材料的結(jié)構(gòu)

如今輪胎材料的主要材質(zhì)是橡膠。輪胎材料分為天然橡膠和合成橡膠為。天然橡膠的性能比合成橡膠的優(yōu)越，但是其成本高。為了使避免滑水現(xiàn)象技術(shù)普遍化，選用合成橡膠作為該技術(shù)的輪胎材料結(jié)構(gòu)。在制造輪胎的過程中，使用化學(xué)添加劑促使輪胎的功能性更強(qiáng)。碳黑可以提高橡膠的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。早期的汽車輪胎是內(nèi)外胎結(jié)構(gòu)，內(nèi)胎是橡膠制成，外胎由橡膠及多層簾子布制成。子午線輪胎是無內(nèi)胎的輪胎[4]。選用合成纖維材質(zhì)的鋼絲子午線輪胎，因?yàn)樾枰谳喬?nèi)設(shè)置相應(yīng)的磁極和傳感器所以需要輪胎的材質(zhì)更為輕便，強(qiáng)度高，且具有一定的吸引電流的能力，碳離子的活性高對(duì)避免滑水現(xiàn)象系統(tǒng)有一定的輔助作用。因?yàn)樵谔?nèi)布置的傳感器增多，故而對(duì)輪胎的空間設(shè)置需要在滿足規(guī)定要求上盡可能的大，便于電氣設(shè)備,制動(dòng)器，傳感器的協(xié)調(diào)布置。

5 結(jié)論

綜合所述，伴隨著汽車零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、輪胎制造工業(yè)的發(fā)展，本文設(shè)想的通過傳感器收集汽車在行駛時(shí)車輪不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過該方式獲得汽車在發(fā)生滑水現(xiàn)象時(shí)的車輪的狀態(tài)及其滾動(dòng)的速度，依據(jù)相關(guān)的理論計(jì)算公式換算出在發(fā)生滑水現(xiàn)象時(shí)的受力狀態(tài)，再通過力平衡的原理抵消掉使汽車產(chǎn)生滑水現(xiàn)象的力，提出以機(jī)械控制為基礎(chǔ)建立微電子控制反饋系統(tǒng)來改變輪胎的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高輪胎的自動(dòng)化與智能獨(dú)立化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)是有可能實(shí)現(xiàn)的。智能輪胎避免滑水現(xiàn)象的技術(shù)是有可能的，且在強(qiáng)大的傳感器的助力下輪胎必然在許多方面是越來越智能與安全。