CN100567036C - 智能可变轮胎附着力机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够使汽车在紧急制动的情况下，通过迅速降低轮胎气压，骤然增大车轮与地面的附着力，特效缩短制动距离的智能车轮机构，极大地增强行车的主动安全性；以及在冰雪、泥泞、砂石等低附着力路面上进行轮胎压力智能调节(泄半压)，显著增大附着力，降低车轮滑动，保持方向稳定，保证加速和制动效能，提高可操纵性和安全性。根据本发明，具有自动泄气降压的装置(泄气电磁阀[1]和电磁线圈[2])；自动充气、恒压的装置(充气活塞阀[3])；制动工况的侦测装置(制动踏板位置、速度传感器)；中央处理单元(电控ECU)；车速监测的装置(车速传感器)。

Description

智能可变轮胎附着力机构

[技术领域]

本发明涉及具有无内胎空气式轮胎的轿车及轻型卡车，能极大地提高车辆的安全性能，缩短制动距离，利于保持方向稳定。

[背景技术]

轮胎的气压与附着系数成非线性关系，胎压越低，轮胎与地面接触面积越大，附着系数就越大，制动效果成几何次增加。同时，轮胎变形量剧增，滚动阻力骤增。实验证明，轮胎气压每降低标准气压的1/4，附着系数增大2～3倍，滚动阻力增大2倍；轮胎气压每降低1/2，附着系数可增大3～4倍，滚动阻力可增大3倍，所以通过降低轮胎气压，就可以极其有效地增强制动效能，缩短制动距离。

轿车行驶的高速，交通事故的频发，安全问题的突出，制动问题的关键，往往零点几米就是生死之别，更不用说车辆的完损，现在汽车上配备的ABS(制动防抱死系统)也是在车轮抱死之后迅速打开，控制车轮在“抱死——打开——抱死——打开”周期性变化过程中，控制车轮滑移率，实现制动效能的提升的，但是，ABS只是在客观因素一定的情况下，改变主观控制方式的，其效能的极限受客观因素(即轮胎与地面附着力)制约，也就是说，有的驾驶经验特别丰富的司机，控制制动的效能甚至比电脑控制的ABS的效能还好，而本发明特效提升的是原本不可突破的客观因素，即轮胎与地面的附着力，所以，这是本系统最本质的特性，对车辆安全和制动效能巨大提升的根本，在本系统突破制动效能客观因素的基础上，再配合原车ABS对主观控制效能的提升，将能够实现最完美的制动和最极限的主动安全。冰雪、泥泞、沼泽、砂石等路面，轮胎附着力较差，加速、制动和转向时，容易打滑、甩尾，发生侧滑，造成方向失控，引发事故。本发明就是根据路面情况、气候状况、制动工况等因素，由电控单元根据内设程序，在智能调节各轮胎压力并恒定的基础功能上(可自动泄气、自动充气、自动停气)，极大地提高汽车行驶的安全性的。

[发明内容]

本发明是鉴于所述事实而提出的，其目的在于：①能够在车辆进行紧急制动时，迅速降低轮胎气压，增大轮胎与地面的附着系数，增大制动力，显著地缩短制动距离；②能够在冰雪、泥泞、沼泽、砂石等恶劣的气候、道路环境状况下，有效地增大轮胎与地面的附着系数，增强车辆的稳定性和安全性。本系统不但对原车ABS(制动防抱死系统)、ASR、TRC(驱动防滑系统)、ESP(电子稳定程序)等的功能无任何影响，而且会配合原系统提高其工作阀值，更加有效地提高和增强原系统的效能。系统在正常路况行驶时与普通车轮性能完全相同，对动力性、经济性丝毫没有任何影响。并且，由于实现了能量转移，可以延长制动器及摩擦材料的寿命，减小制动时，车体部件的冲击。

本发明的目的是这样实现的：一种智能可变轮胎附着力机构，汽车紧急制动时，迅速降低胎压，可显著提高轮胎与地面附着力，特效缩短制动距离，以及汽车在冰雪、泥泞、沼泽、砂石等路面行驶时，智能调节胎压，提高轮胎与地面附着力，其特征在于：

将受电控单元控制的电磁线圈产生的磁场感应控制的数个泄气电磁阀均匀布置在轮辋上；

泄气电磁阀结构是，壳体通过外螺纹旋紧固定在轮辋上，并且壳体头部中心开有气孔并伸入轮胎内，气孔经壳体中的气道通向大气，钢质导磁阀芯装在壳体中心，并可做轴向运动，阀芯头部装有O型密封圈，阀芯末端装有弹簧和弹簧座，弹簧座通过螺扣固定在壳体上，壳体末端装有感应线圈，阀芯受弹簧弹力和感应线圈电磁力共同作用，弹簧弹力向外，将阀芯压紧密封气孔，电磁力向内，克服弹簧弹力将气孔打开，进行泄气；

电磁线圈与泄气电磁阀的间隙通过泄气电磁阀的锁紧螺母可调，并使得当车速大于20km/h时，电磁线圈产生的磁场感应到感应线圈上的电流才可以使泄气电磁阀动作，当车速低于20km/h时，则电磁线圈的磁场不足以使泄气电磁阀动作，以防止非高速紧急制动情况下系统的误动作；

泄气电磁阀带有轮胎压力控制开关机构；轮胎压力控制开关机构串联在感应线圈回路中，胎压正常时为常闭状态，胎压降低到一定值时断开，感应线圈回路开路，泄气电磁阀关闭，停止泄气，以防止过泄压造成对轮胎的非正常损坏。

本发明的目的还可以这样实现：上述智能可变轮胎附着力机构，具有能够在泄气之后，随着汽车行驶，自动开始充气、升压和自动停止充气、恒压的机构。

上述自动充气、升压和自动停气、恒压的机构，具有与泄气电磁阀等量、间隔均匀地布置在轮辋上的充气活塞阀，利用汽车行驶过程中，轮胎的周期性变形，将空气压缩，为轮胎充气。

上述智能可变轮胎附着力机构，具有完成本机构各工作状况的电路和程序控制机构。

上述电路和程序控制机构，具有制动踏板位置和速度传感器机构，用于侦测踩踏板的急缓程度，由电控单元机构判断是否紧急制动，是否需要迅速提高轮胎附着力。

上述电路和程序控制机构，具有逻辑判断和处理的电控单元机构，用于接收各传感器、开关的信号，控制电磁线圈工作。

上述电控单元机构的逻辑关系是：必须当车速大于5km/h，而且或者是紧急制动状态或者是雪地开关打开时，电控单元机构才控制电磁线圈通电产生磁场，磁场作用在随轮辋旋转的泄气电磁阀上，电磁作用实现能量无线传输，电磁阀动作，轮胎泄压。

根据本发明，具有如图1所示的自动泄气降压的装置——执行器(泄气电磁阀[1]和电磁线圈[2])，电磁线圈位于车轮轮辋[4]内侧，固定于车轴或转向节上，不随车轮的旋转而运动，受电控单元ECU控制，泄气电磁阀装于轮辋上，受电磁线圈产生的磁场的作用而动作，泄气电磁阀打开，轮胎[5]泄气降压后，可骤然提高与地面的附着系数，增大制动力；自动充气、恒压的装置(充气活塞阀[3])，也装于车轮轮辋上，通过车轮的转动，当胎压不足时，可自动向胎内充气，胎压正常后，自动停止充气，自动保持轮胎气压的恒定。泄气电磁阀和充气活塞阀等量、间隔、均匀地安装在轮辋上，14″轮辋可安装2+2个，15″、16″轮辋可安装3+3个，17″以上轮辋可安装4+4个；制动侦测装置——传感器(制动踏板位置、速度传感器)，位于制动踏板位置，判断制动的紧急程度；中央处理单元(ECU)；车速监测装置——传感器(车速传感器)。系统电路如图2。

[附图说明]

图1是表示电磁线圈、泄气电磁阀和充气活塞阀均衡安装的轮辋及轮胎的主、侧剖视图。

图2是系统电路图(只画出一套电磁线圈和电磁阀机构，实际中应当是每车轮一套)。

图3是工作原理及磁场分布图。

图4是泄气电磁阀的主剖视结构图。

图5是充气活塞阀的主剖视结构图。

图中：1-泄气电磁阀；2-电磁线圈；3-充气活塞阀；4-轮辋；5-轮胎；101-壳体；102-O型密封圈；103-阀芯；104-弹簧；105-弹簧座；106-感应线圈；107-压力开关；108-锁紧螺母；109-气道；301-活塞；302-单向球阀；303-阀座；304-弹簧；305-O型密封圈；306-筒体；307-锁紧螺母；308-气室；309-弹簧；310-单向球阀；311-弹簧；312-弹簧座；313-空气过滤器；314-顶盖。

[具体实施方式]

本发明装置工作过程共由三大部分组成

第一部分：紧急泄气、降压制动系统

如图3所示的泄气电磁阀[1]，与固定在车轴上的电磁线圈[2]保持微小间隙地随车轮转动，8个磁极呈圆周均匀分布，相邻磁极间线圈绕线方向相反，形成如图所示的磁场分布，泄气电磁阀随车轮的转动切割磁力线。

泄气电磁阀结构如图4，壳体[101]通过外螺纹旋紧固定在轮辋[4]上，并且壳体头部中心开有气孔并伸入轮胎[5]内，气孔经壳体中的气道[109]通向大气，钢质导磁阀芯[103]装在壳体中心，并可做轴向运动，阀芯头部装有O型密封圈[102]，阀芯末端装有弹簧[104]和弹簧座[105]，弹簧座通过螺扣固定在壳体上，壳体末端装有感应线圈[106]，阀芯受弹簧弹力和感应线圈电磁力共同作用，弹簧弹力向外，将阀芯压紧密封气孔，电磁力向内，克服弹簧弹力将气孔打开，进行泄气。电磁线圈与泄气电磁阀的间隙通过泄气电磁阀的锁紧螺母[108]可调，并使得当车速大于20km/h时，电磁线圈产生的磁场感应到感应线圈上的电流才可以使泄气电磁阀动作，当车速低于20km/h时，则电磁线圈的磁场不足以使泄气电磁阀动作，以防止非高速紧急制动情况下系统的误动作。泄气电磁阀壳体头部装有压力开关[107]，压力开关与胎内相通，受胎压控制，胎压正常时常闭，胎压低于一定值时断开。压力开关串联在泄气电磁阀感应线圈的回路中，压力开关闭合时，感应线圈回路闭合有感应电流，铁芯可动作，压力开关断开时，感应线圈回路开路，铁芯仅受弹力不动作。另外，车轮的转速越大，阀芯受离心力越大，需要更大的电磁力才能将阀芯打开进行泄气，由于车轮的转速大，电磁线圈的磁场的变化率也越大，泄气电磁阀感应线圈的互感电流也越大，所以，打开阀芯的磁力也越大，反之亦然，因此，可以保证该器件不受转速快慢的影响而稳定工作。

实现过程：车辆正常行驶时，轮胎气压正常，压力开关触点闭合，泄气电磁阀线圈回路闭合，电控单元ECU的BAS端子通过安装在制动踏板上的制动位置、速度传感器检测信号电压的变化速率，当车辆紧急制动时，BAS端子的信号电压瞬间(0.3s之内)由0～0.8v增大到4.0～5v，电控单元ECU根据程序判断是紧急制动，即控制EXP端子接地，继电器动作，电磁线圈通电工作。当车速大于20km/h时，电磁线圈产生的磁场感应到感应线圈上的电流使泄气电磁阀打开，轮胎内气压迅速泄放，当胎压泄到一定值时，压力开关断开，感应线圈开路，阀芯受弹簧弹力而将气道关闭，停止泄气，或者当即使胎压没有降到一定值，压力开关仍然在闭合状态，而是车速低于了20km/h时，也会因磁力不足，使泄气电磁阀受弹簧弹力而关闭，停止泄气。如果在紧急制动的过程中，放开了制动踏板，即取消制动，则BAS端子的信号电压又恢复到了0～0.8v左右，电控单元ECU判断是停止制动了，即控制EXP端子高电位，继电器复位释放，电磁线圈停止工作，车辆正常行驶，轮胎自动充气到正常胎压。

第二部分：自动充气、恒压行驶系统

如图5所示的充气活塞阀，活塞[301]中心轴向开有气道，经侧气道通入轮胎[5]内，轴向气道内装有单向球阀[302]、阀座[303]及弹簧[304]，活塞底部为半球圆面，有利于轮胎滚动时的受力，活塞与筒体[306]之间有O型密封圈[305]，筒体通过螺纹固定在轮辋[4]上，由锁止螺母[307]锁紧并可调，中间形成气室[308]，内装弹簧[309]，气室上部开有进气通道，通道口装有单向球阀[310]、弹簧[311]及弹簧座[312]，簧座由螺扣固定在筒体上，通道顶端是空气过滤器[313]及顶盖[314]。

实现过程：本过程利用轮胎在行驶过程中，自由半径和滚动半径之间周期性变化的特性，实现自动充气。在紧急制动结束或者雪地、泥泞等恶劣路况结束后，轮胎处于半压状态，需要本阀自动充气恢复到正常胎压。①“压缩——充气”：轮胎由自由半径到滚动半径，活塞支撑球面受地面压力作用，活塞克服弹簧力上移，气室容积减少，气体被压缩，压力增大，上部单向球阀[310]关闭，当气室空气压力与胎压之差克服了球阀弹簧[304]的弹力时，单向球阀[302]被推开，压缩空气经由活塞中心的气道进入内胎，气室压力降低，当气室压力与胎压之差不足以克服弹簧力时，球阀关闭。②“吸气”：轮胎转过一定角度，由滚动半径增大到自由半径，活塞支撑球面离开地面，活塞在气室内的弹簧[309]的作用下向外运动，气室增大，气室内空气压力下降，下部单向球阀[302]关闭，上部单向球阀[310]在气室真空和外部大气压力的作用下克服弹簧弹力被推开，外部空气经由空滤及筒体的气道进入气室，气室内真空度降低，上部球阀关闭。③当轮胎继续转过一定角度，活塞再次转到与地面接触点时，重复①“压缩——充气”的过程，由此3个充气活塞阀周期性地将轮胎气压逐渐恢复到正常值，同时轮胎的自由半径和滚动半径的差也逐渐减小。④当轮胎气压达到正常值之后，轮胎的自由半径和滚动半径的差即轮胎的变形量与活塞球面和胎内面的间隙(安装时可调整)相等，随着轮胎的转动，活塞球面不再接触胎面，活塞也停止与筒体之间的往复运动，停止充气，气压就维持恒定。

注：此阀已有雷同专利，但本发明与其它均有极其本质、极其关键的区别：其它均属于闭门造车的，理论上可行，但是实际构造上不可行，无法安装。由于其它的胎内部分大，需要从轮辋的外侧安装，即要先装阀，后装胎，这是不可行的，因为有了阀之后，尤其是一圈n个之后，就不可能装胎了，因为现在汽车基本都是无内胎，靠胎内圈与轮辋的边缘密封，靠轮胎弹力和空气压力过盈配合，要装胎，必然会损坏充气阀的。而本发明是由轮辋内向胎内安装，通过锁止螺母紧固并可调，可以不拆轮胎安装充气阀，所以是可行的，而且，筒体伸入胎内一定长度，起活塞导向和定位的作用，保证轮胎运转过程中的正常工作。

第三部分：特殊保气、半压雪地系统

在遇到长距离或长时间的冰雪路面、泥泞、沼泽、砂石等特殊气候、道路状况时，很多司机一般采取人工放气的办法，把轮胎气压降低到1/2～2/3左右，以适当提高冰雪路面上轮胎与地面的附着系数，提高行驶稳定性和安全性，待冰雪气候和路面结束后，再人工充气到正常胎压，不仅操作烦琐，而且容易造成轮胎气压不均，而且很不方便，人工放气和充气都需要到专门维修店。本发明的半压雪地系统则不需要人工操作、不需要到专门的修理店，由电控单元根据程序智能完成了上述过程。

实现过程：在驾驶者将“雪地开关”闭合之后，SNOW端子接地，若车速v≥5km/h，电控单元ECU根据车速信号控制EXP端子接地，继电器动作，电磁线圈通电工作，此时若车速v≥20km/h，则泄气电磁阀受电磁场作用打开，轮胎迅速泄压至一定值，压力开关开路，泄气电磁阀停止泄气，同时，充气活塞阀不停地工作，给轮胎充气，当轮胎气压升高到一定值时，压力开关重新闭合，泄气电磁阀又重新动作，开始泄气，同时，充气活塞阀也在工作，进行充气；当轮胎压力再降低到一定值时，压力开关断开，又停止泄气……如此反复循环，轮胎气压能够始终处在一定的压力(半压，即压力开关的动作压力)状态，可以有效地增大冰雪、泥泞路面上轮胎与地面之间的附着系数。当车辆行驶速度v＜5km/h时，或特殊路况结束，驾驶者将“雪地开关”断开后，ECU控制EXP端子高电位，继电器释放，泄气电磁阀停止工作，充气活塞阀随着车轮的行驶，将轮胎气压充气到正常值，车辆正常行驶。

本发明电控单元内部程序设置的车速控制装置，即当工作在“雪地”模式时，电磁线圈动作受车速的控制，只有当车辆在行驶状态，且v≥5km/h，方才控制电磁线圈通电工作，当车辆处在较长时间的停止状态，没有车速时，即使“雪地”开关处在闭合状态，电磁线圈也不工作，以防电磁线圈做无用功，既浪费车辆电能，又因没有能量转化，导致电磁线圈发热过量，甚至烧毁。

Claims (7)

1、一种智能可变轮胎附着力机构，汽车紧急制动时，迅速降低胎压，可显著提高轮胎与地面附着力，特效缩短制动距离，以及汽车在冰雪、泥泞、沼泽、砂石等路面行驶时，智能调节胎压，提高轮胎与地面附着力，其特征在于：

将受电控单元控制的电磁线圈产生的磁场感应控制的数个泄气电磁阀均匀布置在轮辋上；

泄气电磁阀结构是，壳体[101]通过外螺纹旋紧固定在轮辋[4]上，并且壳体头部中心开有气孔并伸入轮胎[5]内，气孔经壳体中的气道[109]通向大气，钢质导磁阀芯[103]装在壳体中心，并可做轴向运动，阀芯头部装有O型密封圈[102]，阀芯末端装有弹簧[104]和弹簧座[105]，弹簧座通过螺扣固定在壳体上，壳体末端装有感应线圈[106]，阀芯受弹簧弹力和感应线圈电磁力共同作用，弹簧弹力向外，将阀芯压紧密封气孔，电磁力向内，克服弹簧弹力将气孔打开，进行泄气；

电磁线圈与泄气电磁阀的间隙通过泄气电磁阀的锁紧螺母[108]可调，并使得当车速大于20km/h时，电磁线圈产生的磁场感应到感应线圈上的电流才可以使泄气电磁阀动作，当车速低于20km/h时，则电磁线圈的磁场不足以使泄气电磁阀动作，以防止非高速紧急制动情况下系统的误动作；

泄气电磁阀带有轮胎压力控制开关机构；轮胎压力控制开关机构串联在感应线圈回路中，胎压正常时为常闭状态，胎压降低到一定值时断开，感应线圈回路开路，泄气电磁阀关闭，停止泄气，以防止过泄压造成对轮胎的非正常损坏。

2、根据权利要求1所述的智能可变轮胎附着力机构，其特征在于：上述智能可变轮胎附着力机构，具有能够在泄气之后，随着汽车行驶，自动开始充气、升压和自动停止充气、恒压的机构。

3、根据权利要求2所述的智能可变轮胎附着力机构，其特征在于：上述自动开始充气、升压和自动停止充气、恒压的机构，具有与泄气电磁阀等量、间隔均匀地布置在轮辋上的充气活塞阀，利用汽车行驶过程中，轮胎的周期性变形，将空气压缩，为轮胎充气。

4、根据权利要求1所述的智能可变轮胎附着力机构，其特征在于：上述智能可变轮胎附着力机构，具有完成本机构各工作状况的电路和程序控制机构。

5、根据权利要求4所述的智能可变轮胎附着力机构，其特征在于：上述电路和程序控制机构，具有制动踏板位置和速度传感器机构，用于侦测踩踏板的急缓程度，由电控单元机构判断是否紧急制动，是否需要迅速提高轮胎附着力。

6、根据权利要求4所述的智能可变轮胎附着力机构，其特征在于：上述电路和程序控制机构，具有逻辑判断和处理的电控单元机构，用于接收各传感器、开关的信号，控制电磁线圈工作。

7、根据权利要求6所述的智能可变轮胎附着力机构，其特征在于：上述电控单元机构的逻辑关系是：必须当车速大于5km/h，而且或者是紧急制动状态或者是雪地开关打开时，电控单元机构才控制电磁线圈通电产生磁场，磁场作用在随轮辋旋转的泄气电磁阀上，电磁作用实现能量无线传输，泄气电磁阀动作，轮胎泄压。

Images