客車及貨車輪胎電子控制冷卻系統(組圖)

夏天天氣炎熱或長時間行駛使輪胎快速升溫是引起輪胎爆炸的主要原因。這種情況主要集中在行駛于良好路面，車速較快的長途貨運車和客車。輪胎爆炸威脅駕駛員、乘客的安全，并造成重大的經濟損失，同時，輪胎行駛快速摩擦生熱和高溫老化產生的氣體造成空氣污染。本課題設計一套電子控制冷卻系統，系統各個信號由測試元件采集，經電路處理后，由ECU自動控制噴灑低溫的水氣混合物降低輪胎的溫度，避免輪胎由于溫度過高而快速老化或爆炸。

　　一、輪胎冷卻系統

　　結構如圖1所示，輪胎冷卻系統是由強制冷器、鼓風電動機、蓄水箱、水泵、水氣混合器、水管、噴頭、各種傳感器以及ECU和輪胎等組成。強制冷器的工作線路和鼓風機、水泵以及水氣混合器的線路獨立，如果大氣溫度比較低，鼓風機的進氣可以不需要冷卻，并且強制冷器的冷氣排放量和溫度可以控制。在鼓風機的作用下，從強制冷器出來的冷氣（或者大氣的冷氣）與從蓄水箱泵進的水在水氣混合器的混合室內混合成低溫的水氣混合物，ECU根據測試的輪胎溫度值和車速等信號控制噴頭的流量和壓力，給輪胎噴灑適量的低溫水氣混合物，達到降低輪胎溫度的目的；考慮長途旅行加水困難的因素，可以定時噴灑或者減量，或用手動控制。

　　系統結構的機械核心部分是水氣混合器，由水泵、水氣混合室組成，水泵的出水口連接水氣混合室的進水口，水氣混合室內有水霧化器，使氣體與水充分接觸，水氣混合室內靠電機的攪動使水氣盡可能形成混合物，水氣混合室的出水口連接水氣混合物輸送管。該結構可使氣體在常溫常壓下與水能在很短的時間內混合成濃度很高的水霧，混合物溫度降低，噴射到輪胎表面有利于降低輪胎溫度，并且可減少冷卻物質量，從而減少水量，而且既能使輪胎降溫又不會造成輪胎太濕而打滑。

　　溫度測量器件采用非接觸性溫度測量元件（紅外線檢測器件），儀器結構設計要求能夠防塵防水。輪胎與地面摩擦力越大、車速越高，溫度就越高，溫度測量器件可以直接測量輪胎的溫度變化。

輪胎冷卻系統

　　二、輪胎冷卻系統的電路原理

輪胎冷卻系統的電路原理

　　如圖2所示，電路系統部分包括開關電源、溫度傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器及ECU等。開關電源給系統供給穩定的電源；溫度傳感器提供信號給ECU判斷是否控制冷卻系統工作；車速傳感器提供信號給ECU，ECU根據經驗試驗數據和車的本身參數（如輪胎的比熱值、車輛質量等）判斷在此車況下車輛行駛時輪胎能達到的溫度，以及計算相應的熱值；ECU通過電流傳感器和電壓傳感器提供的信號精確控制電流和電壓的大小，自動控制制冷器、鼓風機、水泵和水氣混合器電機的功率和轉速；噴頭處壓力和流量傳感器通過控制混合物的壓力和流量的值來控制水氣混合物的量，達到最佳化的噴量。傳感器的電源為經過處理的穩定電源，保證電源穩定可靠。

　　傳感器采集的信號需要經過電路的穩壓、放大、過濾等處理，才能接入ECU、然后控制執行部件按指令自動完成相應的處理結果。電路包括6部分。

　　（1）開關電源電路車輛電源經過開關電源電路處理成器件的穩定電源，減小信號的干擾等不穩定因素。

　　（2）傳感器的處理電路傳感器的信號轉化為電信號后，電壓信號有些只有幾十毫伏，電流信號有些是微安級，因此信號需要放大、過濾等處理；有些傳感器是電阻信號，需要轉化成電壓或電流信號，所有的信號經電路處理后，可以與開關電源直接連接。

　　（3）控制電路把經過放大、過濾等處理的信號接進控制電路，對信號進行簡單計算、轉化等處理后，接入A/D轉換器傳輸入ECU運行。

　　（4）負載部分包括各個傳感器和測試元件、噴頭調節器、鼓風機、水泵、強制冷器電機、水氣混合器等部件。

　　（5）電源插頭共有19個接口，可以給開關電源和其他負載供電。

　　（6）執行部件主要是各個觸發器，根據ECU提供的脈沖等信號發出相應的電信號，使電路實現相應的功能。

　　在汽車行駛中，如果輪胎快速升溫，測試器件測得的信號經過電路對電信號進行處理后，進入ECU，ECU對采集的電信號進行處理，隨后ECU傳輸控制信號，控制執行部件自動做出相應的指令，決定系統是否需要啟動強制冷器，是否需要啟動鼓風機、電泵、水氣混合器以及調整噴頭壓力及流量大小等操作。

　　本冷卻系統在駐車熄火時，可以用手動功能工作。停車后需要對輪胎降溫時，由汽車電池供電，為操作方便，在儀表盤處設計輪胎溫度值顯示器，根據儀表盤顯示的輪胎溫度值，調節制冷器的功率，調節相應的ROM中事先存貯的鼓風機、水泵和水氣混合器的數據，啟動獨立的工作系統，噴頭會給輪胎噴射低溫混合物。

　　三、輪胎冷卻系統的軟件設計

　　輪胎的比熱容與輪胎的溫度有關，隨著溫度升高，輪胎比熱容增大，比熱容與溫度的關系為：

　　c=c0+bT（1）

　　表1列出了這幾種常用輪胎橡膠材料，在-20～90℃范圍內式（1）中的c0、b的值。

常用輪胎橡膠材料在-20～90℃范圍內式（1）中的c0、b的值

　　系統的啟動與調速的執行指令，是根據傳感器采集的水氣混合物的傳熱關系、輪胎與低溫混合物的傳熱關系信號決定的。在水氣混合器里，水氣混合物的傳熱關系為：

在水氣混合器里，水氣混合物的傳熱關系

　　水的比熱容cp水取4.2×103J/（kg·℃），進入水氣混合器后，混合物中加入適量的冷卻劑。氣體的比熱容cp氣由相應的儀器件測得，在這里測得的是空氣的摩爾比熱容，空氣的比熱容隨著溫度和壓力的改變而改變。測得比熱容的信號傳給ECU處理。根據式（2）確定水、氣的量，當鼓風機氣流比較大時，空氣量多且氣壓大，水氣混合物濃度高，混合物冷卻速度快。

　　系統軟件設計時，采集該車輪胎的自然老化溫度、在使用期內安全老化溫度T1、安全行駛不爆炸的工作溫度T2、輪胎的比熱容、混合物的密度及比熱容等信息，然后試驗標定。非接觸性傳感器（紅外線溫度檢測元件）將車速、電壓、電流、壓力和流量的信號轉換成電信號后，由電路進行放大整形、過濾等處理后輸出電信號值，經A/D轉換器把模擬信號轉換成適合于數字處理的二進制代碼給ECU。ECU根據物體傳熱關系，計算輪胎降溫所需的低溫混合物量，由噴頭調節壓力和流量來控制混合物的量。

輪胎冷卻系統工作的程序

　　輪胎冷卻系統工作的程序如圖3所示，溫度傳感器和車速傳感器的信號處理后傳輸給A/D轉換器轉換成ECU能處理的信號，ECU做出判斷是否需要啟動強制冷系統給鼓風機供冷氣（如大氣溫度足夠低，可以從大氣中取氣）。當需要啟動輪胎冷卻系統時，通過氣溫和壓力、水溫、輪胎溫度等信號計算出需要的混合物量，啟動水泵和鼓風機以及水氣混合器，并且通過電壓、電流傳感器的信號精確調節相應電動機的轉速來控制進入工作系統的相應的空氣和水量。ECU根據需要的混合物量，自動調節噴頭出口的壓力和流量，控制精確噴灑量。當輪胎溫度下降時，停止強制冷卻系統的工作，這樣可以減少系統的功耗，使蓄水箱攜帶的有限水量得到充分利用。

　　四、總結

　　輪胎電子控制冷卻系統是一種利用車上原有的ECU硬件和計算機軟件平臺設計的控制系統，可在行車中實時監測分析判定，對構成危險的輪胎溫度和影響輪胎溫度工況進行預測，控制車輛自動噴灑質量輕的低溫混合物，直到輪胎溫度達到安全范圍。它給輪胎提供一個安全的工作溫度，降低了駕車爆胎造成的危險以及延長了輪胎的使用期。