淺談智能輪胎避免滑水現(xiàn)象技術(shù)

楊 杰

（西安航空學院 車輛工程學院，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，能夠自動收集和傳輸有關(guān)自身及所處環(huán)境的信息，并對該信息進行標準判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進行相關(guān)操作，提高汽車的安全性、經(jīng)濟性、舒適性。

當汽車在行駛過程中，有一定的速度，輪胎下的動水壓力與輪胎的垂直載荷相平衡時，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，由于水膜液的潤滑功能，輪胎在滾動時受到水膜液的干擾，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，也就是說此時的附著力幾乎沒有。綜上所述是附著能力非常小的危險情況，亦是汽車在行駛過程中會常遇見較多的情況。在發(fā)生路面有雨水及有積水情況時，汽車的制動性能和轉(zhuǎn)向性能會極大降低，汽車的行駛安全性能也極大地降低。所以運用智能輪胎自動地對輪胎運動狀態(tài)實時調(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，它對汽車的動力性、安全性、操縱穩(wěn)定性及安全性等性能有非常大的影響。在整個汽車發(fā)展歷史中，輪胎一直是汽車的整體中一個相當重要的元件。過去輪胎的運動狀態(tài)還沒有辦法準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)不再僅僅是一個被動件，而在一些智能元件的幫助下變成一個能夠自主的元件。隨著傳感器的發(fā)展，其功能越來越強大，運用也非常廣泛。

由此設(shè)想，如果將各種對應功能的傳感器安置到輪胎內(nèi)，能否對輪胎運動狀及其數(shù)據(jù)的實時收集觀察以及判斷呢?我的答案是能，運用胎壓監(jiān)測儀與速度檢測儀，時時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，得出輪胎實時接地印痕長度，輪胎的接地印痕長度反映了輪胎所受的垂向力，胎壓和輪胎的滾動速度的狀態(tài)。因此，通過輪胎的加速度信息預測計算輪胎所受的垂向載荷，這是我的一個不成熟的想法。如今的智能輪胎技術(shù)可進行輪胎的各個參數(shù)的檢測，歷程可追溯性記錄技術(shù)檢測。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，通過它可以實現(xiàn)對輪胎各參數(shù)信息的實時掌握[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)想相應措施去改變輪胎的運動狀態(tài)

在車輪可通過接地印痕的長度來預測車輪的垂向載荷的前提條件下。汽車發(fā)生滑水現(xiàn)象時的車輪狀態(tài)包括低速滾動狀態(tài)和高速滾動狀態(tài):低速行駛通過積水路面時，仍然有著小部分附著力。低速通過時，因為水與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出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)滾動。高速通過積水路面時，高速滾動的輪胎下會產(chǎn)生動水壓力，它的值與車速的平方成正比關(guān)系。這個動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，設(shè)輪胎下的動水壓力的升力為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，因為動水壓力平衡輪胎的垂直載荷時出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，所以估算滑水現(xiàn)象的車速為6.34開根號輪胎的胎壓，公式為：，可以通過車速ua得到此時的加速度。

由此分析可得出結(jié)論：可通過在輪胎內(nèi)安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)和加速度傳感器，收集胎壓和加速度這兩個信息之后經(jīng)過微型芯片處理系統(tǒng)可得出相應的校準后的滑水現(xiàn)象時的加速度的信息，通過校準后的加速度信息預測車輪的印痕長度而得到相應的車輪垂向的載荷力，由于滑水現(xiàn)象時載荷力與積水層產(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，再將這個脈沖輸入信號經(jīng)過一個反饋系統(tǒng)輸出給電壓傳感應器，在車輪內(nèi)部接入電極片產(chǎn)生相應的電壓電流，運用電生磁的原理，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，積水層的升動力被抵消后，汽車車輪可高速通過積水層的時候不會出現(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)測系統(tǒng)監(jiān)測出的實時胎壓及車速傳感器實時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)換芯片及電磁感應線路和裝于輪胎內(nèi)部邊緣的磁極[3]，形成一個典型的機械反饋系統(tǒng)。因為車速及胎壓是不斷變化的，它反應著車輪垂向載荷的變化情況，本身具有相應的調(diào)節(jié)反饋作用?？紤]傳感器在進入積水層時的信息收集處理及系統(tǒng)反應的時間，安裝一個路面平整度和一個濕度檢測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)的對輪胎運動狀態(tài)的判別，以此來保證磁力與積水層升力相抵消的這個動作準時發(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，使用化學添加劑促使輪胎的功能性更強。碳黑可以提高橡膠的硬度、強度和耐磨性。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，因為需要在輪胎內(nèi)設(shè)置相應的磁極和傳感器所以需要輪胎的材質(zhì)更為輕便，強度高，且具有一定的吸引電流的能力，碳離子的活性高對避免滑水現(xiàn)象系統(tǒng)有一定的輔助作用。因為在胎內(nèi)布置的傳感器增多，故而對輪胎的空間設(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車輪不同的運動狀態(tài)，并通過該方式獲得汽車在發(fā)生滑水現(xiàn)象時的車輪的狀態(tài)及其滾動的速度，依據(jù)相關(guān)的理論計算公式換算出在發(fā)生滑水現(xiàn)象時的受力狀態(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)來改變輪胎的運動狀態(tài)，提高輪胎的自動化與智能獨立化的相關(guān)標準的技術(shù)是有可能實現(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。