客车及货车轮胎电子控制冷却系统(组图)

夏天天气炎热或长时间行驶使轮胎快速升温是引起轮胎爆炸的主要原因。这种情况主要集中在行驶于良好路面，车速较快的长途货运车和客车。轮胎爆炸威胁驾驶员、乘客的安全，并造成重大的经济损失，同时，轮胎行驶快速摩擦生热和高温老化产生的气体造成空气污染。本课题设计一套电子控制冷却系统，系统各个信号由测试元件采集，经电路处理后，由ECU自动控制喷洒低温的水气混合物降低轮胎的温度，避免轮胎由于温度过高而快速老化或爆炸。

　　一、轮胎冷却系统

　　结构如图1所示，轮胎冷却系统是由强制冷器、鼓风电动机、蓄水箱、水泵、水气混合器、水管、喷头、各种传感器以及ECU和轮胎等组成。强制冷器的工作线路和鼓风机、水泵以及水气混合器的线路独立，如果大气温度比较低，鼓风机的进气可以不需要冷却，并且强制冷器的冷气排放量和温度可以控制。在鼓风机的作用下，从强制冷器出来的冷气（或者大气的冷气）与从蓄水箱泵进的水在水气混合器的混合室内混合成低温的水气混合物，ECU根据测试的轮胎温度值和车速等信号控制喷头的流量和压力，给轮胎喷洒适量的低温水气混合物，达到降低轮胎温度的目的；考虑长途旅行加水困难的因素，可以定时喷洒或者减量，或用手动控制。

　　系统结构的机械核心部分是水气混合器，由水泵、水气混合室组成，水泵的出水口连接水气混合室的进水口，水气混合室内有水雾化器，使气体与水充分接触，水气混合室内靠电机的搅动使水气尽可能形成混合物，水气混合室的出水口连接水气混合物输送管。该结构可使气体在常温常压下与水能在很短的时间内混合成浓度很高的水雾，混合物温度降低，喷射到轮胎表面有利于降低轮胎温度，并且可减少冷却物质量，从而减少水量，而且既能使轮胎降温又不会造成轮胎太湿而打滑。

　　温度测量器件采用非接触性温度测量元件（红外线检测器件），仪器结构设计要求能够防尘防水。轮胎与地面摩擦力越大、车速越高，温度就越高，温度测量器件可以直接测量轮胎的温度变化。

轮胎冷却系统

　　二、轮胎冷却系统的电路原理

轮胎冷却系统的电路原理

　　如图2所示，电路系统部分包括开关电源、温度传感器、车速传感器、电流传感器、电压传感器及ECU等。开关电源给系统供给稳定的电源；温度传感器提供信号给ECU判断是否控制冷却系统工作；车速传感器提供信号给ECU，ECU根据经验试验数据和车的本身参数（如轮胎的比热值、车辆质量等）判断在此车况下车辆行驶时轮胎能达到的温度，以及计算相应的热值；ECU通过电流传感器和电压传感器提供的信号精确控制电流和电压的大小，自动控制制冷器、鼓风机、水泵和水气混合器电机的功率和转速；喷头处压力和流量传感器通过控制混合物的压力和流量的值来控制水气混合物的量，达到最佳化的喷量。传感器的电源为经过处理的稳定电源，保证电源稳定可靠。

　　传感器采集的信号需要经过电路的稳压、放大、过滤等处理，才能接入ECU、然后控制执行部件按指令自动完成相应的处理结果。电路包括6部分。

　　（1）开关电源电路车辆电源经过开关电源电路处理成器件的稳定电源，减小信号的干扰等不稳定因素。

　　（2）传感器的处理电路传感器的信号转化为电信号后，电压信号有些只有几十毫伏，电流信号有些是微安级，因此信号需要放大、过滤等处理；有些传感器是电阻信号，需要转化成电压或电流信号，所有的信号经电路处理后，可以与开关电源直接连接。

　　（3）控制电路把经过放大、过滤等处理的信号接进控制电路，对信号进行简单计算、转化等处理后，接入A/D转换器传输入ECU运行。

　　（4）负载部分包括各个传感器和测试元件、喷头调节器、鼓风机、水泵、强制冷器电机、水气混合器等部件。

　　（5）电源插头共有19个接口，可以给开关电源和其他负载供电。

　　（6）执行部件主要是各个触发器，根据ECU提供的脉冲等信号发出相应的电信号，使电路实现相应的功能。

　　在汽车行驶中，如果轮胎快速升温，测试器件测得的信号经过电路对电信号进行处理后，进入ECU，ECU对采集的电信号进行处理，随后ECU传输控制信号，控制执行部件自动做出相应的指令，决定系统是否需要启动强制冷器，是否需要启动鼓风机、电泵、水气混合器以及调整喷头压力及流量大小等操作。

　　本冷却系统在驻车熄火时，可以用手动功能工作。停车后需要对轮胎降温时，由汽车电池供电，为操作方便，在仪表盘处设计轮胎温度值显示器，根据仪表盘显示的轮胎温度值，调节制冷器的功率，调节相应的ROM中事先存贮的鼓风机、水泵和水气混合器的数据，启动独立的工作系统，喷头会给轮胎喷射低温混合物。

　　三、轮胎冷却系统的软件设计

　　轮胎的比热容与轮胎的温度有关，随着温度升高，轮胎比热容增大，比热容与温度的关系为：

　　c=c0+bT（1）

　　表1列出了这几种常用轮胎橡胶材料，在-20～90℃范围内式（1）中的c0、b的值。

常用轮胎橡胶材料在-20～90℃范围内式（1）中的c0、b的值

　　系统的启动与调速的执行指令，是根据传感器采集的水气混合物的传热关系、轮胎与低温混合物的传热关系信号决定的。在水气混合器里，水气混合物的传热关系为：

在水气混合器里，水气混合物的传热关系

　　水的比热容cp水取4.2×103J/（kg·℃），进入水气混合器后，混合物中加入适量的冷却剂。气体的比热容cp气由相应的仪器件测得，在这里测得的是空气的摩尔比热容，空气的比热容随着温度和压力的改变而改变。测得比热容的信号传给ECU处理。根据式（2）确定水、气的量，当鼓风机气流比较大时，空气量多且气压大，水气混合物浓度高，混合物冷却速度快。

　　系统软件设计时，采集该车轮胎的自然老化温度、在使用期内安全老化温度T1、安全行驶不爆炸的工作温度T2、轮胎的比热容、混合物的密度及比热容等信息，然后试验标定。非接触性传感器（红外线温度检测元件）将车速、电压、电流、压力和流量的信号转换成电信号后，由电路进行放大整形、过滤等处理后输出电信号值，经A/D转换器把模拟信号转换成适合于数字处理的二进制代码给ECU。ECU根据物体传热关系，计算轮胎降温所需的低温混合物量，由喷头调节压力和流量来控制混合物的量。

轮胎冷却系统工作的程序

　　轮胎冷却系统工作的程序如图3所示，温度传感器和车速传感器的信号处理后传输给A/D转换器转换成ECU能处理的信号，ECU做出判断是否需要启动强制冷系统给鼓风机供冷气（如大气温度足够低，可以从大气中取气）。当需要启动轮胎冷却系统时，通过气温和压力、水温、轮胎温度等信号计算出需要的混合物量，启动水泵和鼓风机以及水气混合器，并且通过电压、电流传感器的信号精确调节相应电动机的转速来控制进入工作系统的相应的空气和水量。ECU根据需要的混合物量，自动调节喷头出口的压力和流量，控制精确喷洒量。当轮胎温度下降时，停止强制冷却系统的工作，这样可以减少系统的功耗，使蓄水箱携带的有限水量得到充分利用。

　　四、总结

　　轮胎电子控制冷却系统是一种利用车上原有的ECU硬件和计算机软件平台设计的控制系统，可在行车中实时监测分析判定，对构成危险的轮胎温度和影响轮胎温度工况进行预测，控制车辆自动喷洒质量轻的低温混合物，直到轮胎温度达到安全范围。它给轮胎提供一个安全的工作温度，降低了驾车爆胎造成的危险以及延长了轮胎的使用期。