SAE-C2009E134轮胎中央充放气系统的充放气规律研究

轮胎中央充放气系统的充放气规律研究
彭永胜　赵玉璠　刘洪泉　徐友春　袁一
军事交通学院
【摘要】　以SX2150K汽车为研究对象,通过实验研究建立了轮胎的放气规律模型,采用 相对放气法”将该模型推广到其它车型㊂通过分析充气管路的流通能力和空气压缩机排气量间的关系研究了轮胎充气规律㊂根据气体流速㊁轮胎容积和充气时间的关系即得到轮胎的充气规律模型㊂
【关键词】　轮胎中央充放气系统　充气规律　放气规律　相对放气法
Study on Inflation and Deflation Law for Central Tire Inflation System
Peng Yongsheng,Zhao Yufan,Liu Hongquan,Xu Youchun,Yuan Yi
Academy of military transportation
Abstract:Aimed at SX2150K,deflation model of its tires was set up by means of experimental research.Relative deflation meth⁃od was adopted to extend the mode to other types of trucks.The inflation law was studied based on the relationship between flow capacity of the inflation pipes and the displacement of the compressor.The inflation model was set up based on the relationship among air flow speed,volume of the tires and corresponding inflation time.
Key words:central tire inflation system　inflation law,deflation law　relative deflation method
引 言
装备轮胎中央充放气系统(Central Tire Inflation system, CTIS)的车辆中,当路面状况改变或者轮胎气压出现异常需要调整时,电子控制装置将依据当前轮胎气压和目标气压(由驾驶员设定)自动对轮胎进行充气或者放气的操作㊂执行该操作时,电子控制装置需要一个非常重要的参数,即轮胎充气(或放气)所需的时间㊂只有当充气(或放气)的时间确定后,电子控制装置才能准确完成充气(或放气)过程㊂经过半个世纪的发展,轮胎中央充放气系统在技术上已经比较成熟㊂但从公开的文献并没有看到关于轮胎充放气规律的研究㊂为此,本文将结合理论分析和实验验证的方法对轮胎的充气规律和放气规律展开研究,建立相应模型,并进行实验验证和分析㊂ 轮胎的充气和放气过程是两个复杂的过程,充㊁放气时间与轮胎气压之间的关系受诸多因素的影响,包括发动机转速㊁空气压缩机排量㊁空气压缩机排气压力和排气温度㊁管路长度㊁管路有效截面积㊁轮胎容积㊁轮胎的变形等等㊂以上参数中有些是不能通过直接计算得到的,如管路的有效截面积和轮胎的变形等㊂而发动机转速㊁空气压缩机排气压力㊁排气温度都不是定值㊂这就使得轮胎充放气规律的研究变得复杂㊂为此,对这些影响参数需要进行简化,并采用理论结合实验的方法研究轮胎的充气规律和放气规律,使得出的轮胎充放气规律模型能够适用于轮胎中央充放气系统的实际应用要求,这正是本文要研究的内容㊂
1　影响充放气规律的因素分析
CTIS的气路模型如图1所示㊂
图1　轮胎中央充放气系统组成示意图
从该模型可知,压缩空气从空气压缩机到达轮胎经过的环节较多,因而影响充放气规律的因素也较多,主要有发动机转速㊁空气压缩机排量㊁空气压缩机排气压力㊁管路有效截面积㊁轮胎容积㊁轮胎变形等㊂以SX2150K汽车作为研
究对象,主要影响因素分析如下:
1.1　空气压缩机的排气量
由于系统采用了轮边放气的方式,空气压缩机的排气量对轮胎的放气速度和放气时间没有影响,但它会直接影响轮胎的充气速度和充气时间,特别是当对多个轮胎进行充气时㊂SX2150K 车用空气压缩机的额定排量Q r =190L /min(发动机转速n =1050r /min 时)㊂当发动机转速改变时,空气压
缩机的实际排气量应为
Q =
Q r ㊃n 1050
(1)
1.2　空气压缩机的排气压力
空气压缩机的排气压力会影响到轮胎的充气速度,从而
影响轮胎的充气时间㊂SX2150K 车的空气压缩机工作压力较高,为0.8MPa,最大可达0.98MPa㊂这对提高轮胎的充气速度,缩短充气时间是非常有利的㊂
1.3　发动机转速
发动机的转速大小会影响空气压缩机的排气量,从而影响轮胎的充气速度和充气时间㊂在车辆行驶的过程中,
发动机转速是一个随机变化的值㊂由式(1)可知,空气压缩机的排气量也将是一个随机变化的值㊂这样在计算轮胎充㊁放气的时间时就会出现困难㊂为此假定发动机的转速为一定值,取之为发动机中等负荷附近的某一点,n =2100r /min㊂这样,相应的空气压缩机排气量也将是一个定值,为380L /min㊂
1.4　轮胎的容积和变形
容积的大小直接影响轮胎充气和放气所需的时间㊂在自由状态下(即轮胎不承载时的状态),轮胎的变形量随气压的变化很小,可以忽略㊂轮胎自由状态时的容积V 0可以用
下式近似计算:
V 0≈
1
4π(2.54B -2h )2㊃π㊃2.54㊃(d +B )1000
(2)
式中　B 轮胎宽度;
h 轮胎壁厚;d 轮辋直径㊂
SX2150K 汽车的轮胎型号是13⁃20,即B =13inch,d =
20inch,轮胎壁厚h ≈15mm,因此可求得轮胎的容积约
为186L㊂
在承载状态下,当轮胎气压较高时,轮胎变形量很小,可以认为其容积与自由状态时相等㊂但当轮胎气压很低(低于0.1MPa)且承载时,轮胎的变形量较大㊂对于轮胎这样的一个弹性体,它的变形量是难以计算的㊂因此在建立轮胎的充放气规律模型时首先忽略轮胎的变形量,然后采用实验的方法予以修正㊂
1.5　管路的有效截面积
管路的有效截面积表征了管路的流通能力,它把一段管路的流通能力表示为相同条件下节流孔板的流动,使研究复
杂管路的问题大为简化㊂通过有效截面积这个参数,从空气压缩机到轮胎之间的管路就可以简化为一个节流孔板㊂由此可见,管路的有效截面积与管路的长度和管路的名义截面积有关㊂理论上,管路的有效截面积可以通过查表或利用实验公式进行计算,但在实际应用中,由于管路变形㊁弯曲㊁堵塞等原因,很难得到正确的管路有效截面积㊂研究时针对SX2150K 汽车采用了实验与截面流量法结合的方法研究轮胎
的充放气规律㊂
2　轮胎的放气规律
SX2150K 汽车CTIS 采用了轮边直接放气的方式,轮胎
的放气速度与控制管路长短无关,而只与车轮阀结构㊁气门芯内径及气门芯至车轮阀放气孔之间的管路有效截面积有关㊂故多胎放气规律与单胎放气规律相同,研究时只需考虑一个轮胎㊂
2.1　实验研究
实验时,先将轮胎气压充至0.45MPa,然后开启放气阀
给轮胎放气,使轮胎气压由0.45MPa 放至0.04MPa,放气过程中每隔150ms 读取一次轮胎气压,共测得1600个数据点㊂对实验数据进行平滑㊁滤波等处理后作二次采样,方法为:取气压范围为0.44MPa 到0.05MPa,步长为0.01,每一个气压点所对应的时间则取其时间段中点处的时间值㊂这样一共得到40个数据点㊂由这些数据点绘制出的放气时间 气压关系曲线如图2所示㊂
采用最小二乘法对数据进行拟合,得到放气时间与轮胎
气压之间的基本关系式为
t 0=-4821.5P 3+6409.1P 2-3430.5P +680.88
(3)
对汽车承载㊁放气管路的形状和长度㊁放气时轮胎内气
体温度变化等参数进行修正后,得到放气规律公式为t =kψ(P )t 0
(4)
式中　k 温度修正系数,k =1.03;ψ(P ) 对其他影响因素的修正系数㊂
ψ(P )计算方法如下
ψ(P )=1.5053P 3-1.3295P 2-0.0017P +0.5076
式(4)即是SX2150K 车的轮胎放气规律方程㊂
为使研究的放气规律能够适用于其他车型的CTIS,采
用下述 相对放气法”对其加以推广㊂以SX2150K 车的轮胎为基准轮胎,其放气规律也作为基准规律㊂设其轮胎容积
为V 0,管路最小截面积为S 0;待求轮胎的容积为V ,管路最小截面积为S ,引入相对放气系数λ,λ与轮胎容积㊁管路最小截面积有关
λ=
2.54B -2h
2.54B 0-2h ()
2
㊃B 0+D 0B +D ㊃d 20d
2
(5)
式中　B ㊁h ㊁D ㊁d 分别为待求轮胎的宽度㊁壁厚㊁轮辋直径和管路中最小截面处的有效直径㊂
从而得到推广后的轮胎放气规律的数学模型为
t =kλψ(P )t 0
(6)
2.2　验证
为验证式(6)的正确性,将其气门芯内径由3.2mm 增大
为6mm㊂这样,放气管路中的最小截面处将是车轮阀的排
图2　轮胎放气时间 气压关系曲线气孔,其直径约为5.7mm㊂由5式可知此时相对放气系数
λ=0.315㊂将λ代入式(6)计算出各气压段所需的放气时
间,按此时间对全车所有轮胎同时放气,结果如表1所示㊂
表1　轮胎放气规律结果验证
放气次数
轮胎气压(MPa)
前左前右中左中右后左后右0.410.410.430.420.420.43
10.060.150.150.060.10.06 20.060.130.140.060.080.06 30.060.090.090.060.080.06 40.060.080.080.060.080.06
实验中设定放气目标为0.07MPa(允许有±0.01MPa的误差)㊂表中第一列数据为根据实测的各胎气压确定的放气区间,区间上限气压的选取原则为取所有轮胎实测气压中最低的值㊂
从实验结果可以看出,有三个轮胎只需一次就可以放气至目标气压,一个轮胎经两次放气后达到目标气压,另外两个经四次放气达到目标气压,多次实验结果也得到相同结果㊂之所以出现三个轮胎的放气时间比按推广后放气规律计算出的放气时间长,可能的原因有以下几个方面:
1)加工原因㊂车轮阀在加工时存在误差,导致其放气口的截面积小于要求的尺寸㊂
2)装配原因㊂装配时密封垫堵住管路,使放气管路的最小截面积减小㊂
3)堵塞㊂在管路或阀体的放气口处存在铁屑或其它杂物,堵住了放气管路㊂
4)由于管路变形或气门芯变形导致放气管路的有效截面积变小㊂经过调整或更换车轮阀后问题得到解决㊂
因此,从实验结果分析,推广后的轮胎放气规律是正确有效的㊂
3　轮胎的充气规律
SX2150K汽车的空气压缩机排气压力可达0.8MPa以上,而该车轮胎的额定气压为0.32MPa(最高4.5MPa),小于临界压力㊂设空气压缩机排气口的有效截面积为S1,轮胎的充气管路有效截面积为S2,共对有N个轮胎进行充气,则S1与NS2之间的可能关系如图3所示㊂
图3　空气压缩机排气口与充气管路有效截面积的关系
a)S1>NS2　b)S1=NS2　c)S1<NS2
设单个轮胎充气管路的最小等效直径为d min,由气体流量公式可知这段管路的流通能力为
q=vS=
v㊃14πd2min
1000(7)式中　v 气体的流速㊂
从式(7)可以看出,单胎充气管路的流通能力也就是单胎的充气速度㊂因此,轮胎的充气时间可以用轮胎容积与充气速度求得㊂因空气的最大流速为声速a,SX2150K汽车充气管路的最小直径处是气门芯的内径,即d min=3.2mm,代入后得到单胎充气管路的最大充气速度为q max=164L/min㊂假定发动机工作在中等负荷,取发动机转速n=2100r/min,相应的空气压缩机排量为Q=380L/min㊂
可见对SX2150K车而言,空气压缩机的排气量与单胎充气管路流通能力的关系为
2q max<Q<3q max(8) 式(8)表明,当只有一个或两个轮胎充气时,S1与NS2满足图3a所示的关系,此时由于空气压缩机排气压力与轮胎气压间的压差小于临界压力,因此将以声速向轮胎充气,且充气速度恒定㊂当给三个或三个以上的轮胎充气时,空气压缩机的供气能力不足,充气压力降低,充气速度变慢,充气时间延长㊂
在图3b中,设S1=NS2时的轮胎数为m,定义m为临界轮胎数㊂当S1<NS2时,充气管路就相当于一个缓冲容器,这个缓冲容器内的气体压力和流速都低于空气压缩机排气口的压力和流速,此时轮胎的充气过程虽然仍呈线性,但单胎
充气速度已不再是最大流通速度,而只有空气压缩机排量的
1/N ㊂
因此,以临界轮胎数m 为界,单胎的充气速度可以分段表示如下
v =πad 2
min 4000,N ≤m
Q r n n r N ,N >ìî
í
ïïïïm (9)
式中　a 声速,a =340m /s;
d min 从电磁阀组到轮胎之间管路的最小等效直径(mm);
Q r 空气压缩机的额定排量(L /min);
n 发动机的实际转速(r /min);
n r 空气压缩机额定排量时的发动机转速(r /min);N 需要充气的轮胎的数量;m 临界轮胎数㊂
对SX2150K 汽车,单胎的充气速度为
v =164,N ≤2
380
N
,N {
>2(10)
设轮胎当前压力为P t ,目标气压为P d ,大气压力为P 0,
轮胎的容积为V 0,并假定轮胎不发生变形㊂将充气前和充
气后的轮胎内气体体积均转换成大气状态下的体积,并设其分别为V t 和V d ㊂那么单个轮胎需要充入的气体体积(大气
状态)为
ΔV =V d -V t =
V 0(P d -P t )
P 0
所需充气时间为
t =ΔV v =
4000V 0(P d -P t )πad 2P 0
,N ≤m
V 0n r N (P d -P t )
Q r nP 0,N >ìî
íïïïïm (11)
式(11)即为轮胎的充气规律数学模型㊂
为验证充气模型的正确性,分别对单胎和全轮进行了充
气实验,各实验3次,实验充气压力范围为0.07MPa 到0.39MPa㊂表2和表3分别是单胎和全轮充气实验结果㊂
由实验结果可以看出,无论单胎还者全桥,由充气规律数学模型计算的充气时间与实际充气时间基本吻合㊂对于单胎,两者之间的最大误差约为6%(≤10s);对全桥,两者之间的最大误差约为5.1%(≤29s),而且误差的趋势具有
一致性㊂造成误差的原因可能有以下几个方面:
1)充气管路的最小等效直径不准确㊂ 2)发动机转速控制不准确,从而造成空气压缩机的排
气量并非准确地是380L /min㊂
3)计算出的轮胎容积只是一个近似值㊂
4)环境温度㊁压缩气体温度及轮胎温度的影响㊂
表2　单胎充气实验结果
序 号
充气范围/MPa
实测充气时间/s 理论充气时间/s 10.07~0.3920821820.07~0.392052183
0.07~0.39
206
218
表3　全轮充气实验结果
序 号
充气范围/MPa
实测充气时间/s 理论充气时间/s 10.07~0.3958756420.07~0.395725643
0.07~0.39
593
564
4　结论
通过对影响充放气规律的主要因素的分析,确立了研究
轮胎充放气规律的实验和理论分析前提㊂主要条件有:发动机转速为中等负荷时的2100r /min,相应的空气压缩机排气量约为380L /min;空气压缩机排气压力与轮胎额定气压之间的压差超过临界压力;轮胎容积为186L;充气管路的最小等效直径3.2mm;放气管路的最小等效直径5.7mm 等㊂ 在上述条件下以实验的方式得出轮胎的放气规律,并提
出 相对轮胎放气法”加以推广,使该规律可以应用到别的车型㊂验证表明,该放气规律模型是准确㊁有效的㊂
在研究轮胎充气规律时,从充气管路的流通能力和空气压缩机排气量间的关系入手展开分析,得出轮胎的充气速度可以临界轮胎数为界为两段表达式进行表示㊂根据流速㊁容积和充气时间的关系即得到轮胎的充气规律模型㊂实验验证表明,实测充气时间与由该模型计算得到的充气时间基本一致㊂
大量装车结果也表明,论文研究的轮胎充放气规律模型及其推广是正确的㊂
参考文献
[1]　徐友春,彭永胜,戴书泉等.中国农业机械学会
2006年学术年会[C].北京:机械工业出版社,
2006:663~666.
[2]　徐友春,赵玉璠,彭永胜.汽车轮胎调压系统的单片机控制研究[J].浙江大学学报,1998(3).
[3]　彭永胜,徐友春,赵玉璠.揭开轮胎中央充放气系统的神秘面纱[J].汽车运用,1998(3):38~39.[4]　庄继德.汽车轮胎学[M].北京:北京理工大学出版
社,1996.
[5]　金英子,朱祖超.气动系统充放气过程中气体状态多变指数的简化与确定[J].机械工程学报,2005(6).[6]　郑洪生.气压传动及控制[M].北京:机械工业出版社,1988.
[7]　上海工业大学流控研究室.气动技术基础[M].北
京:机械工业出版社,1982.。