汽车轮胎压力监测系统概述

1 绪论

1.1 课题背景

随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。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[1]。

怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题，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和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统（TPMS）毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统以便在轮胎气压低于规定值发出警报。于是，汽车轮胎压力监测技术应用而生。

1.2 课题的研究意义

1.2.1 轮胎压力与行车安全

轮胎与行车安全息息相关，近年来汽车安全成为全球汽车界的关注热点[2]。汽车轮胎气压过低时行驶有如下危害：气压过低，导致轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产生压缩应力。在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎体脱离、胎里和胎体碾伤。轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增多或移位导致过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散；气压过高，轮胎的负荷能力和气压的增加，轮胎各部位的变形和所受的内应力也相应增加，如果气压过高，迫使胎面中部产生更大的凸变，胎面弧高进一步增大，胎体帘线和胎面胶都处于过度伸张状态，内应力增大，胎面与地面的接触面积减小，单位压强增加，导致行驶面中部的磨损进一步加剧。

1.2.2 轮胎压力与使用寿命

轮胎的使用寿命，在很大程度上和轮胎的使用条件、车辆的技术性能、驾驶员的操作水平以及企业对轮胎的管理工作质量等有直接的关系。标准的气压是轮胎的生命，因此在使用过程中充气压力的过低或过高都会直接缩短他的寿命，甚至引发安全事故隐患。气压是轮胎的重要因素，它左右着轮胎的使用寿命和各种特性，汽车轮胎压力监视系统将可时刻监视轮胎压力状况；保持行驶中车辆每个轮胎压力足够，防止轮胎爆胎以便行车安全；并且还可节省燃油以及延长轮胎寿命。

1.3 国内外的研究现状及发展趋势

1.3.1 国外发展状况

由于国外立法较早，开发生产的汽车轮胎压力监测系统(TPMS)较为成熟[3]。主要生产商有加拿大斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司等。迄今为止，国外己有许多车型装配了TPMS。从2002年以后发布的世界新车资料中可以看到，美国福特公司的林肯大陆、戴姆勒—克莱斯勒公司等知名汽车厂商在多种新车中都预装了TPMS。许多欧洲的汽车厂商也已将TPMS配装于其高档车型，包括宝马公司的Z8，欧宝公司2002年版威达、旁蒂亚克的旗舰产品Bon Neville SE 等。2007年已经到达美国法律强制安装汽车TPMS的时间国外很多普通车型都已安装TPMS。例如：奔驰-CUK、C、E、G、M、SL、SLK、S、系列，宝马-3、5、6、7、X3、X5、Z4、系列，别克-林荫大道、荣御、君越。

例如：MPXY8300是同类中的首款可以在单个封装内提供电容传感器技术、压力传感器、8位S08微控制器(MCU)、射频(RF)发射器和双轴(X和Z轴)加速计的全面集成产品；SP30整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器并内置8位哈佛结构RISC MCU和2D通道的低频(LF)接口，且消耗的电流仅0.4 uA；NPXII集成了硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC处理器以及一个低频唤醒输入级，满足了系统各方面的性能要求[4]。

1.3.2 国内发展状况

由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高昂，一般货运公司不愿意承

担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位[5]。目前中国轮胎压力监测系统市场还处于产品完善和市场起步阶段，整套系统价格还比较高，而且产业化配套的市场也没有大规模启动。根据以上情况本论文设计一款成本低廉，可靠性高的TPMS。

1.3.3 TPMS发展趋势

未来的TPMS模块将向高度集成化、单一化、无线、无源化方向发展。高集成度芯片可以降低功耗，提高系统的可靠性，并且具有良好的经济性。目前己经有了如GENPX2那样的将所需测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块[6]。在未来几年内还会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块(例如GE准备推出的NPX3)。

1.4 轮胎压力监测系统原理及分类

1.4.1 间接式TPMS系统

间接式TPMS不需要另外安装传感器。它主要通过建立轮胎压力与车轮转速或轮胎的周向扭转刚度的关系模型来间接求出轮胎压力。目前主流间接式TPMS是借用ABS中的轮速传感器来获得4个轮胎的转速[7]。当某个轮胎的气压下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大。系统通过比较两条对角线上车轮转速的总和(右前和左后轮速的总和与左前和右后轮速的总和)来判断是否出现气压下降。这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统就会发出错误报警。

目前主流间接式TPMS存在明显的缺陷，这主要表现在：

1) 当前间接式的TPMS系统必须比较处于对角线上的两轮速度之和，不能比较前后两车轮的速度。

2) 当4个轮胎同样胎压不足时或者同一轴上两轮，同一边的两轮同样胎压不足时，系统不能够监测出来，而只能当两轮处于对角线上能监测出来；当速度超过100 km/h