客車(chē)及貨車(chē)輪胎電子控制冷卻系統(tǒng)(組圖)

夏天天氣炎熱或長(zhǎng)時(shí)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(chē)速較快的長(zhǎng)途貨運(yùn)車(chē)和客車(chē)。輪胎爆炸威脅駕駛員、乘客的安全，并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，輪胎行駛快速摩擦生熱和高溫老化產(chǎn)生的氣體造成空氣污染。本課題設(shè)計(jì)一套電子控制冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)信號(hào)由測(cè)試元件采集，經(jīng)電路處理后，由ECU自動(dòng)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(guò)高而快速老化或爆炸。

　　一、輪胎冷卻系統(tǒng)

　　結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪胎冷卻系統(tǒng)是由強(qiáng)制冷器、鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)、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(qiáng)制冷器的工作線路和鼓風(fēng)機(jī)、水泵以及水氣混合器的線路獨(dú)立，如果大氣溫度比較低，鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣可以不需要冷卻，并且強(qiáng)制冷器的冷氣排放量和溫度可以控制。在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，從強(qiáng)制冷器出來(lái)的冷氣（或者大氣的冷氣）與從蓄水箱泵進(jìn)的水在水氣混合器的混合室內(nèi)混合成低溫的水氣混合物，ECU根據(jù)測(cè)試的輪胎溫度值和車(chē)速等信號(hào)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(dá)到降低輪胎溫度的目的；考慮長(zhǎng)途旅行加水困難的因素，可以定時(shí)噴灑或者減量，或用手動(dòng)控制。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)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(jìn)水口，水氣混合室內(nèi)有水霧化器，使氣體與水充分接觸，水氣混合室內(nèi)靠電機(jī)的攪動(dòng)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(jié)構(gòu)可使氣體在常溫常壓下與水能在很短的時(shí)間內(nèi)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(zhì)量，從而減少水量，而且既能使輪胎降溫又不會(huì)造成輪胎太濕而打滑。

　　溫度測(cè)量器件采用非接觸性溫度測(cè)量元件（紅外線檢測(cè)器件），儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求能夠防塵防水。輪胎與地面摩擦力越大、車(chē)速越高，溫度就越高，溫度測(cè)量器件可以直接測(cè)量輪胎的溫度變化。

輪胎冷卻系統(tǒng)

　　二、輪胎冷卻系統(tǒng)的電路原理

輪胎冷卻系統(tǒng)的電路原理

　　如圖2所示，電路系統(tǒng)部分包括開(kāi)關(guān)電源、溫度傳感器、車(chē)速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器及ECU等。開(kāi)關(guān)電源給系統(tǒng)供給穩(wěn)定的電源；溫度傳感器提供信號(hào)給ECU判斷是否控制冷卻系統(tǒng)工作；車(chē)速傳感器提供信號(hào)給ECU，ECU根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和車(chē)的本身參數(shù)（如輪胎的比熱值、車(chē)輛質(zhì)量等）判斷在此車(chē)況下車(chē)輛行駛時(shí)輪胎能達(dá)到的溫度，以及計(jì)算相應(yīng)的熱值；ECU通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器提供的信號(hào)精確控制電流和電壓的大小，自動(dòng)控制制冷器、鼓風(fēng)機(jī)、水泵和水氣混合器電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速；噴頭處壓力和流量傳感器通過(guò)控制混合物的壓力和流量的值來(lái)控制水氣混合物的量，達(dá)到最佳化的噴量。傳感器的電源為經(jīng)過(guò)處理的穩(wěn)定電源，保證電源穩(wěn)定可靠。

　　傳感器采集的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電路的穩(wěn)壓、放大、過(guò)濾等處理，才能接入ECU、然后控制執(zhí)行部件按指令自動(dòng)完成相應(yīng)的處理結(jié)果。電路包括6部分。

　　（1）開(kāi)關(guān)電源電路車(chē)輛電源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源電路處理成器件的穩(wěn)定電源，減小信號(hào)的干擾等不穩(wěn)定因素。

　　（2）傳感器的處理電路傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，電壓信號(hào)有些只有幾十毫伏，電流信號(hào)有些是微安級(jí)，因此信號(hào)需要放大、過(guò)濾等處理；有些傳感器是電阻信號(hào)，需要轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號(hào)，所有的信號(hào)經(jīng)電路處理后，可以與開(kāi)關(guān)電源直接連接。

　　（3）控制電路把經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾等處理的信號(hào)接進(jìn)控制電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算、轉(zhuǎn)化等處理后，接入A/D轉(zhuǎn)換器傳輸入ECU運(yùn)行。

　　（4）負(fù)載部分包括各個(gè)傳感器和測(cè)試元件、噴頭調(diào)節(jié)器、鼓風(fēng)機(jī)、水泵、強(qiáng)制冷器電機(jī)、水氣混合器等部件。

　　（5）電源插頭共有19個(gè)接口，可以給開(kāi)關(guān)電源和其他負(fù)載供電。

　　（6）執(zhí)行部件主要是各個(gè)觸發(fā)器，根據(jù)ECU提供的脈沖等信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，使電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

　　在汽車(chē)行駛中，如果輪胎快速升溫，測(cè)試器件測(cè)得的信號(hào)經(jīng)過(guò)電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理后，進(jìn)入ECU，ECU對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行處理，隨后ECU傳輸控制信號(hào)，控制執(zhí)行部件自動(dòng)做出相應(yīng)的指令，決定系統(tǒng)是否需要啟動(dòng)強(qiáng)制冷器，是否需要啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、電泵、水氣混合器以及調(diào)整噴頭壓力及流量大小等操作。

　　本冷卻系統(tǒng)在駐車(chē)熄火時(shí)，可以用手動(dòng)功能工作。停車(chē)后需要對(duì)輪胎降溫時(shí)，由汽車(chē)電池供電，為操作方便，在儀表盤(pán)處設(shè)計(jì)輪胎溫度值顯示器，根據(jù)儀表盤(pán)顯示的輪胎溫度值，調(diào)節(jié)制冷器的功率，調(diào)節(jié)相應(yīng)的ROM中事先存貯的鼓風(fēng)機(jī)、水泵和水氣混合器的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)獨(dú)立的工作系統(tǒng)，噴頭會(huì)給輪胎噴射低溫混合物。

　　三、輪胎冷卻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　輪胎的比熱容與輪胎的溫度有關(guān)，隨著溫度升高，輪胎比熱容增大，比熱容與溫度的關(guān)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(nèi)式（1）中的c0、b的值。

常用輪胎橡膠材料在-20～90℃范圍內(nèi)式（1）中的c0、b的值

　　系統(tǒng)的啟動(dòng)與調(diào)速的執(zhí)行指令，是根據(jù)傳感器采集的水氣混合物的傳熱關(guān)系、輪胎與低溫混合物的傳熱關(guān)系信號(hào)決定的。在水氣混合器里，水氣混合物的傳熱關(guān)系為：

在水氣混合器里，水氣混合物的傳熱關(guān)系

　　水的比熱容cp水取4.2×103J/（kg·℃），進(jìn)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(yīng)的儀器件測(cè)得，在這里測(cè)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(cè)得比熱容的信號(hào)傳給ECU處理。根據(jù)式（2）確定水、氣的量，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)氣流比較大時(shí)，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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采集該車(chē)輪胎的自然老化溫度、在使用期內(nèi)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(yàn)標(biāo)定。非接觸性傳感器（紅外線溫度檢測(cè)元件）將車(chē)速、電壓、電流、壓力和流量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，由電路進(jìn)行放大整形、過(guò)濾等處理后輸出電信號(hào)值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于數(shù)字處理的二進(jìn)制代碼給ECU。ECU根據(jù)物體傳熱關(guān)系，計(jì)算輪胎降溫所需的低溫混合物量，由噴頭調(diào)節(jié)壓力和流量來(lái)控制混合物的量。

輪胎冷卻系統(tǒng)工作的程序

　　輪胎冷卻系統(tǒng)工作的程序如圖3所示，溫度傳感器和車(chē)速傳感器的信號(hào)處理后傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成ECU能處理的信號(hào)，ECU做出判斷是否需要啟動(dòng)強(qiáng)制冷系統(tǒng)給鼓風(fēng)機(jī)供冷氣（如大氣溫度足夠低，可以從大氣中取氣）。當(dāng)需要啟動(dòng)輪胎冷卻系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)氣溫和壓力、水溫、輪胎溫度等信號(hào)計(jì)算出需要的混合物量，啟動(dòng)水泵和鼓風(fēng)機(jī)以及水氣混合器，并且通過(guò)電壓、電流傳感器的信號(hào)精確調(diào)節(jié)相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制進(jìn)入工作系統(tǒng)的相應(yīng)的空氣和水量。ECU根據(jù)需要的混合物量，自動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭出口的壓力和流量，控制精確噴灑量。當(dāng)輪胎溫度下降時(shí)，停止強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的工作，這樣可以減少系統(tǒng)的功耗，使蓄水箱攜帶的有限水量得到充分利用。

　　四、總結(jié)

　　輪胎電子控制冷卻系統(tǒng)是一種利用車(chē)上原有的ECU硬件和計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，可在行車(chē)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析判定，對(duì)構(gòu)成危險(xiǎn)的輪胎溫度和影響輪胎溫度工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，控制車(chē)輛自動(dòng)噴灑質(zhì)量輕的低溫混合物，直到輪胎溫度達(dá)到安全范圍。它給輪胎提供一個(gè)安全的工作溫度，降低了駕車(chē)爆胎造成的危險(xiǎn)以及延長(zhǎng)了輪胎的使用期。