CN104661837B - 中央轮胎充气系统和用于维持充气轮胎的压力的方法 - Google Patents

Abstract

提供电子压力调节器来调节与增压空气源选择性地流体连通的一个或多个充气轮胎中的压力。在一方法中该电子压力调节器可以包括可被用于改变膜片后面压力的比例MEMS阀，该方法提供了一个相对快的响应时间且经过相对大数量的周期可能经历相对小的磨损。

Description

中央轮胎充气系统和用于维持充气轮胎的压力的方法

相关申请

本申请要求2012年9月19日提交的美国临时专利申请号61/703,109的优先权。在此以引证的方式并入其公开内容，如同完整阐述一样。

技术领域

本公开涉及用于恒定地维持在操作中的车辆的轮胎压力的中央轮胎充气系统。更具体地，本公开提供了用于将增压空气供应至车辆拖车的轮胎的压力调节器。

背景技术

车辆的安全和效率是任何车辆操作者的担忧。安全对于车辆的操作者、在车辆中的乘客，以及与车辆共享道路的其他事物而言是重要的。安全的车辆操作也可能降低车辆维修成本和停机时间。效率对于车辆操作者和车辆所有者也是重要的。高效的车辆操作可减少与车辆相关联的操作和维护成本，从而提高操作车辆的业务的利润率。有助于同时兼顾车辆的安全和效率的组件包括轴组件和传动组件。轴组件包括车轮、轮毂、充气轮胎、悬挂组件、制动组件和类似物。传动组件包括车辆发动机以及从发动机传输功率到车辆的驱动轮的组件。

适当的车辆维修是非常重要的，以实现安全、高效的车辆操作。适当的维护包括适当的润滑液的水平、适当的液体更换、适当的轮胎压力，等等。在充气轮胎的情况下，例如，在轮胎内不当的空气压力可导致轮胎发生故障的可能性的增加，这是由于增加的热量和/或增加的或不均匀的胎面磨损。不当的空气压力也可以产生与操作车辆相关联的由于轮胎的寿命降低而增加的成本，从而增加了更换成本，也增加了滚动摩擦，由此减少了车辆的燃油经济性并增加了燃料成本。

因此，关于操作任何车辆的一个重要方面是各种组件的适当维护，以确保适当的车辆性能。在一实体，如卡车公司操作多个不同车辆的情况下，这样的维护尤为重要，以确保与车辆操作相关联的成本不会不必要地增加。然而，在许多情况下，维护检查的量和进行这样的检查所需要的时间，再加上运送和交货期限的压力，导致这样的检查的执行频率少于理想中的频率。另外，维护检查以确认适当的车辆状况的价值，抵消了被适当维护的车辆的一些好处，这是由于与进行这样的检查相关的成本。此外，当车辆在路上时获得合适的维护设施可能是有限的。

各种系统已经被设计，并且许多专利是以实现轮胎压力维持的目标为主题的。这些系统通常被称为中央轮胎充气系统(CTIS)。在重型卡车行业中最常见系统是设计用于拖车的系统。拖车轴通常是空心的通常是具有一通孔的轴端。空心轴提供了一有利的管道以供应空气压力至轮端。该轮端组件包括在轴和车轮之间的润滑区域，通过堵塞在轴端的通孔并覆盖附接到车轮的轮毂盖的轴的端部进一步界定。车轮通过车轮轴承被支撑在轴端上。轴承需要润滑且润滑区域的完整性在维持轮端组件的可操作性和寿命方面是至关重要的。为了提供增压空气到旋转的轮胎中，CTIS通常包括与轴承在相同的一般位置的旋转接头且必然在或邻近于固定轴与车轮之间的润滑区域。

许多轮胎充气系统还提供空气正流动到一个或多个轮胎的指示。这样的指示可以提供通知告知操作者有一个或多个轮胎在泄漏，或者在轮胎充气系统中的泄漏。在任何情况下，这样的泄漏的存在是指示该车辆应被维修以纠正该问题。传统的系统通常依赖于非常简单化的使用压差以关闭机械开关的流量开关。此外，传统的系统需要线束以从指示灯被返回到传感器，从而增加了安装成本。许多这样的系统只将信息带给拖车的鼻子，司机需要注意在其镜子中的灯以得知在系统中存在问题，且仅当流入任何一个车轮而不是一个特定成问题的车轮时进行警告。

另外，压力调节在许多轮胎充气系统中被提供。传统的压力调节系统通常依赖于机械控制调节或电磁阀控制调节。机械弹簧控制调节器的温度循环重复性差，并且也经历变形或橡胶的随时间变化，这可能对输出产生不利的影响。另外，这种阀的输出仅基于线性弹簧关系而打开。一些系统可以使用通过复杂的一组电磁提升阀控制的电子调节器。这种系统具有允许用于非线性输出响应的优点，但通常具有缓慢响应和随着时间推移的磨损。这种系统传统上不具有任何无线输出能力或无线控制性能。此外，这样的系统传统上不具有在控制回路中的流量传感器，以允许附加的非线性输出控制方法。

轮胎压力监视系统可用来检测、报告和选择性地记录一个或多个轮胎的当前状态及压力的历史。一例子是由德克萨斯州的朗维尤的Stemco LP提供的系统。本公开的各个方面提供了将监视系统集成到维护系统的能力。

概述

用于集成监视系统和压力维持系统的方法、系统和装置被描述。本公开的方面提供电子压力调节器系统，其允许类似于电子调节器的非线性输出响应。在一些实施方式中，在一方法中固态的微机电系统(MEMS)比例阀可以被用于改变膜片后的压力，该方法提供了相对快的响应时间和可以在相对大数量的周期经历相对小的磨损。单个比例阀可以取代传统系统的传统双提升电磁阀，且控制具有单个硅片的电子元件可以提供监视和控制。

附图说明

图1所示是关于具有牵引车和拖车的重型卡车的示例性实施方式的应用。

图2示出了充气系统的框图。

图3示出了一实施方式的调节器控制器的框图。

图4示出了根据一实施方式的压力调节器。

具体实施方式

此处描述提供实施方式，但无意限制本发明的范围、适用性或构造。相反，下文的描述将使本领域普通技术人员根据其所已知的来实施本发明的实施方式。可对元件的功能和排布进行各种改变。

因此，各种实施方式可适当的省略、取代或添加各种步骤或组件。例如，应理解的是，可以和描述的顺序不同的顺序来实施方法，且可添加、省略或组合各种步骤。此外，相对于某些实施方式描述的方面和元件，可与各种其它实施方式结合。还应理解，下述的系统、方法、装置和软件可以单独地或集体地作为是更大系统的组件，其中之前可进行其它步骤，或者改变它们的应用。

本公开的系统，根据各种实施方式，提供了用于中央轮胎充气系统的压力调节器。该压力调节器是数字温度补偿的MEMS比例阀先导的压力调节器，其可以一种在中央轮胎充气系统内向轮端提供增强的压力调节的方式进行操作。在一些方面中，电子压力调节器系统被提供，以允许非线性输出响应。在一些实施方式中，在一提供了相对快的响应时间和可以在相对大数量的周期经历相对小的磨损的方法中，固态的MEMS比例阀可以被用于改变膜片后的压力。单个比例阀可以取代传统系统的传统双提升电磁阀，且具有单个的硅芯片的控制电子元件可以提供监视和控制。

参考图1，关于具有牵引车24和拖车28的重型卡车20的一示例性实施方式的应用被描述。如图1所示的拖车28，作为重载拖车且这样的拖车典型地包括两个轴32，每一个轴具有位于每一侧的双轮36。如对于本领域的技术人员将是显而易见的，拖车28可以是单轴拖车，且轴可以具有单轮而非双轮。拖车28包括压力系统，其操作以维持轮胎44在预设的压力范围内。在本实施例中，每组双轮36包括轮端40，即在每组双轮36上与各充气轮胎44互连，且与增压空气源互连以通过轮端40给轮胎44提供增压空气。一个示例性的具有压力调节器的增压空气源将对关于图2-4的实施方式进行更详细地描述。拖车28可以包括各种传感器，举几个来说，如监视轮胎压力的传感器、监视在轮毂内的润滑剂的传感器、监视车辆行驶距离的车轮转数计、重量传感器、资产或车辆识别传感器以及制动流体传感器。此外，应当理解的是，本文描述的装置、系统和方法也适用于除重型卡车之外的应用，例如乘客车辆、铁路车辆、船舶、飞机和任何其它应用，其中在车辆的一部分内气流或流体需要被监视。

现在参考图2，由框图示出的充气系统被描述。在本实施方式中，增压空气供应46通过压力调节器48提供增压空气到轮端40。增压空气供应46可以是任何合适的增压空气的供应，例增压空气的罐贮存和/或与车辆相关联的空气压缩机。调节器控制器50控制压力调节器48的操作。在一些实施方式中，压力调节器48是数字温度补偿的MEMS比例阀先导的压力调节器。根据一些实施方式，调节器控制器50可控制压力调节器48的控制操作，以提供非线性输出响应。

现在参考图3，由框图示出的实施方式的调节器控制器50被描述。控制器50可包括传感器54，其可被用于检测压力和/或温度，用于控制压力调节器48。压力调节器48可以被耦合到为每个轮端提供压缩的空气的轮胎压力充气系统。处理器58可以提供控制信号到压力调节器48来控制压力调节器48的输出。在一些实施方式中，存储器62包括与压力调节器48和/或传感器54相关联的校准信息。压力调节器48接下来将相对于图4被进一步详细描述。处理器58与存储器62互连，存储器62可以包括用于处理器58的操作指令和与调节器48相关的信息，如传感器的高/低输出限值、与传感器校准相关的信息，以及唯一的标识66。处理器58，根据图3的实施方式，也与射频(RF)电路70互连，其通过天线74发送和接收RF信号。应该理解的是，其它类型的通信可以被用于与控制器50通信。电源78提供电力给控制器50的各个组件。在一个实施方式中，电源78可以是电池，其被包括在容纳压力调节器48和控制器50的外壳内。电源78还可以包括可更换的电源和/或可再充电的电源。

现在参考图4，根据一个实施方式的压力调节器100被描述。压力调节器100包括具有入口128、出口124和机械调节室104的壳体101。在操作以对充气轮胎增压的过程中，空气(或其它气体)从空气供应46通过入口128流入机械调节室104并通过出口124流到充气轮胎。但是，在正常操作过程中，该入口通过弹簧加载的密封件108与机械调节室104隔离；该弹簧加载的密封件108具有一个凹口，以密封橡胶垫圈，例如O形环。在压力调节器100用于控制增压空气的流动的方式被提供如下。在入口128的增压空气通过管200向上通到比例MEMS阀112，MEMS阀112可以是夹管阀或类似物。MEMS阀112引导100％的增压空气到管202并进入顶室204(有时被称为控制室)，至管206的增压空气的100％排放至大气，或处于0和1之间的某个比例以引导部分增压空气至顶室204或大气。换句话说，MEMS阀112控制在入口压力和环境压力间的开口，以在顶部膜片116的背面创建受控制的压力。该顶部膜片，在本示例性实施方式中，是具有第一表面区域208的波纹模片。支架210可操作地将顶部膜片116连接至底部膜片120，它也是具有第二表面区域209的波纹模片。该第一表面区域208一般比第二表面区域209大。在顶室204中的压力提供对顶部膜片116的作用力，它通过支架210被转换到第二膜片120。相反地，在机械调节室104的出口压力提供了对底部膜片120的作用力，其与作用于顶部膜片116的作用力相反。

弹簧加载的密封件108包括弹簧130和具有杆134的柱塞132。该弹簧130提供对柱塞132作用力，通过杆134被转换到波纹膜片，且与由机械调节室104所提供的压力对底部膜片120作用力相配合。当在机械调节室104内的空气压力下降到低于第一预定阈值时，作用于顶部膜片116的作用力克服作用在底部膜片上的作用力，并打开弹簧加载的密封件108，以允许流体从调节器的入口128流向调节器的出口124。在操作过程中，当输出压力上升时，在机械调节室104中的压力增加了在较低的膜片120上的作用力，直到它与顶部膜片116上的作用力抵消，使得所述弹簧加载的橡胶密封件108在第二预定的阈值处关闭，其应当对应于所需的出口压力。如果出口压力变得太高，在机械调节室104中的较低的膜片120上的压力克服了在顶部膜片116后的控制压力，引起较低的膜片120抬离弹簧加载的密封件108，并允许通过较低的膜片120的中心进入控制116和较低的120膜片的中间腔中的泄露路径。该腔通风通到大气的环境压力。当足够的压力被排空，在上方室内的控制压力变得大于出口较低室压力，且系统重新密封通风孔。出口压力和流量通过控制器被不断地监视，使得在控制室内的压力可以被监视。由于机械联动装置随着温度的变化，该系统能自动补偿控制压力以改变响应。该系统可以经由无线接口进行控制，如关于图3的描述，或者它可以报告其性能。

MEMS比例调节阀，例如阀100，可以提供各种优点。这样的MEMS比例阀用作机械调节器的导向阀，没有电磁阀，从而提供固态操作以导致相对于电子电磁阀的显著的寿命改进。根据各种实施例的MEMS阀，由于减少了部件数量，所以提供了一种较便宜的电子调节器。这种阀也可以提供在广泛的温度范围内和进口压力范围内的可控制的压力。在一些实施方式中，阀可在反馈环路中与流量计集成，以提供非线性响应。该阀可具有电子控制的设定点，并且可以是通过RF、有线或其他类型的无线通信进行编程和通信。

在一些实施方式中，流量信息可被提供。在这样的实施方式中，阀可被用于创建具有入口端口和出口端口且在该入口和出口端口具有压力传感器的文氏管。可以采用在该入口和出口端口的压力读数，然后使用表和插值算法，控制器可以计算流过文氏管的空气的流动。控制器然后可以，例如，通过无线直接序列扩频广播流动值无线连接至拖车的鼻子或进入车辆的驾驶室。

应指出，上文所述的方法、系统和装置只用作示例。因此，必须强调各种实施方式可适当的省略、取代或添加各种步骤或组件。例如，在替代实施方式中，应理解可以和描述的顺序不同的顺序来实施方法，且可添加、省略或组合各种步骤。此外，相对于某些实施方式描述的特征，可与各种其它实施方式结合。本发明的不同方面和元件可以类似的方式结合。此外，应强调技术是不断发展的，因为许多元件只是本质上示例的，且不应理解为限制本发明的范围。

在以下的描述中，为了更好地理解本申请而提出了许多具体细节。但是，本领域普通技术人员可以理解，即使没有这些具体细节也可以实施实施方式。例如，众所周知的电路、过程、算法、结构和技术已剔除了不必要的细节，以避免模糊实施方式。

此外，应当注意，这些实施方式可以被描述为被描绘成流程图或框图的过程。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，操作的次序可以被重新安排。一过程可以具有未包括在图中的额外步骤。

虽然已经描述了一些实施方式，但是本领域技术人员能够认识到，可以在不背离本发明精神的前提下进行各种修改、替代结构和等价方式。例如，上述元件可以只是更大系统的组件，其中可先发生其它规定，或者改变本发明的应用。此外，设想，在上述元件之前、之中或之后进行多个步骤。因此，以上描述不应看作对本发明范围的限制。

Claims (18)

1.一种用于车辆拖车的中央轮胎充气系统，包括：

安装在车辆拖车上的增压气源；

安装在车辆拖车上的多个轮胎，其由所述增压气源进行增压；

压力调节器与所述增压气源和每个所述多个充气轮胎气动地耦合，所述压力调节器包括：

调节室，其具有与所述增压气源耦合的入口以及与一个或多个所述多个充气轮胎耦合的出口；

耦合至所述增压空气源的比例微机电(MEM)阀，以使得控制室与所述增压空气源流体连通，其中所述比例微机电(MEM)阀包括夹管阀；以及

耦合至所述压力调节器的控制器，且所述控制器被配置为控制所述比例微机电(MEM)阀以控制所述控制室与所述增压空气源之间的所述流体连通，

其中，所述入口通过在所述入口和所述调节室之间的常闭阀与所述调节室隔离，且所述比例微机电(MEM)阀控制在所述控制室与所述增压空气源之间的所述流体连通以在所述控制室内创建受控制的压力，以及

其中增加的输出压力增加所述调节室内的压力以允许所述常闭阀在第一预定出口压力关闭。

2.根据权利要求1所述的中央轮胎充气系统，所述常闭阀包括弹簧加载的阀。

3.根据权利要求1所述的中央轮胎充气系统，其中所述常闭阀在低于所述第一预定出口压力的第二预定出口压力下打开。

4.根据权利要求1所述的中央轮胎充气系统，其中所述比例微机电(MEM)阀控制所述控制室、所述增压气源和环境之间的流体连通，以使得至所述控制室的空气流与至大气的空气流之比在0到1之间。

5.根据权利要求1所述的中央轮胎充气系统，其中所述控制室部分地由第一膜片形成，且所述调节室部分地由第二膜片形成，且进一步包括：

在所述第一膜片和所述第二膜片之间的腔，

在所述腔内的支架，其可操作地耦合所述第一膜片和所述第二膜片，以及

维持所述腔处于大气压的通风孔。

6.根据权利要求5所述的中央轮胎充气系统，其中所述常闭阀进一步包括：

弹簧；以及

具有杆的柱塞，其中所述杆可操作地耦合至第二膜片，以使得至少一部分所述弹簧的作用力通过所述杆被转换到所述第二膜片。

7.根据权利要求5所述的中央轮胎充气系统，其中所述第一膜片具有第一表面区域且所述第二膜片具有小于所述第一表面区域的第二表面区域。

8.一种用在车辆上的中央轮胎充气系统，其中所述车辆包括增压气源和安装至所述车辆且可选择性放置的充气轮胎以通过压力调节器与所述增压气源流体连通，所述压力调节器包括：

被配置为被增压至控制压力的控制室；

调节室；

被配置为与所述增压气源流体连通的入口；以及

被配置为与多个充气轮胎中的至少一个以及调节室流体连通的出口，以使得所述调节室被增压至出口压力；

微机电阀，所述微机电阀放置所述控制室、大气或其组合与所述入口流体连通，其中至所述控制室的气流与总气流之比在0和1之间以调节在所述控制室内的所述控制压力；

具有通风孔的腔，被配置为与所述大气流体连通；以及

在所述入口和所述调节室之间插入的流量阀且可操作地被选择性地打开或关闭，

其中所述控制室是可操作地耦合至所述流量阀，以使得当所述出口压力小于或等于第一预定出口压力时打开所述流量阀，以及

其中所述通风口被放置以当所述出口压力大于或等于第二预定出口压力时与所述调节室流体连通。

9.根据权利要求8所述的中央轮胎充气系统，其中所述控制室包括第一膜片且所述调节室包括第二膜片，所述第一膜片和所述第二膜片通过支架被可操作地耦合。

10.根据权利要求9所述的中央轮胎充气系统，其中当所述出口压力小于或等于第一预定出口压力时，所述第一膜片移动所述第二膜片，且所述第二膜片打开所述流量阀。

11.根据权利要求10所述的中央轮胎充气系统，其中当所述出口压力大于或等于第二预定出口压力时，所述第二膜片移动所述第一膜片且关闭所述流量阀。

12.根据权利要求8所述的中央轮胎充气系统，其中所述微机电阀基于来自控制器的控制信号改变至所述控制室的气流与总气流之比，以维持在所述控制室内的控制压力。

13.根据权利要求9所述的中央轮胎充气系统，其中所述支架位于腔内，所述腔位于所述控制室和所述调节室之间，其中所述腔包含通向大气的端口。

14.根据权利要求11所述的中央轮胎充气系统，其中所述流量阀包括弹簧和柱塞且所述柱塞邻接所述第二膜片，以使得所述第二膜片的运动引起所述柱塞与所述弹簧一起移动或与所述弹簧相反运动以关闭或打开所述流量阀。

15.根据权利要求9所述的中央轮胎充气系统，其中所述第一膜片具有第一表面区域且所示第二膜片具有小于所述第一表面区域的第二表面区域。

16.根据权利要求12所述的中央轮胎充气系统，其中所述控制器无线耦合至所述微机电阀。

17.一种维持在车辆上至少一个充气轮胎的压力的方法，包括：

提供增压气体的源至压力调节器，其中所述压力调节器包括控制室、调节室和流量阀；

提供与所述增压气体的源、所述控制室和大气流体连通的比例微机电(MEM)阀；

通过采用所述比例微机电(MEM)阀控制来自所述源的所述增压气体至所述控制室和大气两者的流量，以使得所述增压气体从所述源到所述控制室的流量在0％和100％之间以及所述增压气体的流量的剩余部分被排至所述大气；

放置所述压力调节器的所述调节室与至少一个充气轮胎流体连通；

当在所述调节室内的压力低于在所述控制室内的压力时，打开所述流量阀以指示所述至少一个充气轮胎需要充气；以及

当在所述调节室内的压力高于指示所述至少一个充气轮胎需要充气的压力时，关闭所述流量阀。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：当在所述调节室内的压力在最大压力或高于最大压力时对所述调节室通风。