輪胎爆胎預警系統硬件設計的可靠性研究

摘要：介紹了輪胎爆胎預警系統的原理、發展及應用，重點分析了在爆胎預警系統硬件設計中的兩個重要環節：一是通過改進電池設計以及LF低頻喚醒技術來延長系統總的工作時間，二是通過檢測端天線的設計來加強數據的傳輸效率。與傳統技術相比，這些改進在系統功能、實物尺寸和運行成本上都有所改善，具有一定的實用價值，為爆胎預警系統的廣泛應用打下一定基礎。
關鍵詞：輪胎爆胎預警系統；硬件設計；系統工作時間；天線設計

據美國汽車工程師學會的調查，美國每年有26萬交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造車的，另外，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。根據我國有關部門的統計，高速公路46％的交通事故是由于輪胎發生故障引起的，其中爆胎一項就占事故總量的70％。同時，隨著我國社會經濟水平和汽車工業的發展，我國的汽車產銷量正逐年提高。根據中國汽車協會的統計，2010年中國汽車產量達到18 264 667輛，同比增加32．44％，而且我國的汽車總量在下個10年還會保持高速增長。因此怎樣減少交通事故，最大限度地減少由于輪胎爆胎而引發的交通事故，尤其是防范由此引發的群死群傷事故，已成為社會各界共同關心的課題。輪胎爆胎監測系統能實時監測各個輪胎的壓力和溫度等數據，對輪胎漏氣、氣壓過高、過低或溫度過高進行報警。其工作可有效減少汽車爆胎事故的發生，是汽車安全行駛的有效保證。

1 系統介紹
目前已經面世的輪胎爆胎預警系統可分為兩大類型：一種是間接式，另一種是直接式。間接式主要通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，從而間接測量輪胎氣壓，因準確性較差，現在已逐步淡出市場。直接式主要利用安裝在每一個輪胎里面的壓力、溫度傳感器來直接測量輪胎氣壓和溫度，然后通過射頻無線通信的方式與裝在駕駛室的控制主機通信，主機顯示各個輪胎相關信息或進行壓力、溫度報警，其工作原理如圖1所示。

目前，大多數的汽車輪胎都取消了內胎，這為輪胎內置感應傳感器的安裝帶來極大的方便，其產品占有應用市場的絕大多數份額，且發展速度較快，但是在直接式輪胎爆胎預警系統發展和應用過程中，由于其所處環境的復雜性決定其需要更加可靠的硬件設計來維持系統的穩定工作，這其中有2個突出的問題嚴重制約輪胎爆胎預警系統的發展，一是如何延長系統總的工作時間，二是如何通過檢測端射頻天線設計來增強數據的有效發射。本文以這兩個突出問題為出發點，在輪胎爆胎預警系統硬件設計上進行改進，從而有效地延長系統工作時間和天線射頻信號發射可靠性。

2 延長系統工作時間
傳統的輪胎氣壓溫度檢測端通常將傳感器、微控制器、射頻天線和電池集中密封在一個電路板上，用鋁制螺桿通過輪胎氣門嘴固定在輪轂上，檢測端電池無法更新，其總工作時間取決于系統功耗大小和電池容量，一旦電池沒電，就必須更換新的檢測端。這種一次性的做法不僅費工而且運行成本較高，給大范圍普及輪胎爆胎預警系統造成很大困難。本文通過設計可更換的輪胎監測端電池結構和采用LF低頻喚醒技術降低功耗兩種方法來有效延長系統工作時間。
2．1 檢測端內置傳感器外置電池設計
文中設計一種應用在輪胎檢測端的內置傳感器外置電池的設計。該設計與傳統方法最大的不同之處在于鋰電池外置并固定在輪胎氣門嘴上，在可靠為測量端提供電源的基礎上能確保電池更換方便，可無限延長檢測端的工作時間，其具體結構如圖2所示。電池的正負極通過特制墊片向傳感器供電且彼此用絕緣橡膠墊隔離。當需要為輪胎充氣時，只需擰下電池倉，即可直接向輪胎充氣。需要強調，由于電池和和傳感器等裝置的安裝，造成輪胎的質量分布不均，在輪胎高速旋轉時，不平衡的離心力作用會引起車體振動，影響汽車的操控性能和安全性能。所以使用之前，必須對4個輪胎做靜平衡、力偶平衡和動平衡等相關測試。同時還應保證電池耗盡時更換同一廠家同一型號的電池，保證輪胎的各項平衡參數。