CN108819625A

CN108819625A - 基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统及控制方法

Info

Publication number: CN108819625A
Application number: CN201810508636.5A
Authority: CN
Inventors: 臧利国; 孙海波; 孙海燕; 许丽娇
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2018-11-16

Abstract

本发明公开基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统及控制方法,所述系统包括滑转率获取系统和轮胎中央充放气系统，所述滑转率获取系统获取滑转率，并与预设滑转率范围值比较，以此来调节轮胎的充放气；所述轮胎中央充放气系统包括空气供给与存储装置、旋转密封装置、轮胎充/放气阀及相应的管路；所述滑转率获取系统包括信号采集装置和控制与显示装置，越野车辆轮胎中央充放气系统的控制方法主要包括手动控制方法和电子控制方法。本发明可根据操驾驶员意愿选择手动控制或电子控制，同时可根据车辆在实际行驶过程中的路面状况实现对各轮胎充放气操作的适时控制，提高了车辆在不同地形的牵引性和侧向稳定性。

Description

基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统及控制方法

技术领域

本发明涉及基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统及控制方法，属于汽车轮胎中央充放气系统领域。

背景技术

越野车辆轮胎中央充放气系统是一套可以在汽车行驶过程中(或者停止时)能够随时检测和调节轮胎气压的系统。其主要作用是：当汽车通过沙漠、沿海滩涂、沼泽、泥泞地面、松软地面以及冰雪地面时，通过该系统可快速降低轮胎气压，增大轮胎的接地面积，一方面使轮胎的沉陷量和土壤阻力减少；另一方面由于轮胎嵌入土壤中花纹数目的增多，增加土壤的推进力，大幅度地增加牵引力，提高汽车的通过性。当运载汽车的高度受桥洞、涵洞、运载飞机舱门等限制时，在一定范围内，如果降低轮胎气压，使汽车总高度适当降低，便能顺利通过。当汽车轮胎被扎破和被子弹击穿时，如果能实时地给行驶过程中的汽车轮胎充气，可使汽车尽量离开危险地带或到达目的地。当路面环境温度较高而汽车长距离连续行驶时，由于轮胎发热使胎内气压升高，可能会引起轮胎爆裂，如果能实时地给在行驶过程中的汽车轮胎放气，可以避免危险情况的发生。

目前，现存的越野轮胎中央充放气系统存在两种技术状态。一种是简易的手动控制系统，一种是工作模式可供选择的电子控制系统。前者虽然成本较低，但充放气过程只能依靠于驾驶员的经验去判断，故误差较大，且耗费时间较多。后者采用了单片机控制的模式，能实现对胎压的自动调节，虽然弥补了手动控制多方面的不足，但无法根据实时路况，自动调节轮胎气压。如申请号200710168303.4公开了一种模拟化越野汽车轮胎中央充放气控制系统及其方法，通过单片机控制的模式，基于胎压值对轮胎进行充放气操作。申请号为201210006809.6公开了一种基于滑转率调节的轮式月球车驱动控制方法，通过获取滑转率，进而对车辆的驱动方式进行调节，但是这种通过滑转率来调节车辆驱动方式的方法，对车辆的驱动方式要求较严格。故设计一款能够根据实时路况对轮胎胎压进行自动调节的越野轮胎中央充放气系统已成为未来发展的一种趋势。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统及控制方法，以提高越野车辆在特殊环境下行驶时的通过性、稳定性以及安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，包括滑转率获取系统和轮胎中央充放气系统，所述滑转率获取系统获取滑转率，并与预设滑转率范围值比较，以此来调节轮胎的充放气。

进一步的，所述滑转率获取系统包括信号采集装置和控制与显示装置，所述的信号采集装置包括车轮角速度传感器、轮胎压力传感器、车速传感器和车轮载荷传感器；所述的控制与显示装置包括电子控制单元、气动控制单元、仪表显示单元和多功能控制面板，所述多功能控制面板包括充/放气控制按钮、越野模式按钮、公路模式按钮、松软模式按钮。

进一步的，所述轮胎中央充放气系统包括空气供给与存储装置、旋转密封装置、轮胎充/放气阀及相应管路。

进一步的，所述的空气供给与存储装置包括气泵和储气罐，所述的气泵通过管路与储气罐连接。

进一步的，所述的旋转密封装置包括密封板、旋转密封圈、配流轴和缸筒，所述的密封板、旋转密封圈、配流轴和缸筒集成安装在车轮部，并始终与轮胎相通。

进一步的，所述的轮胎充/放气阀包括车轮阀、快速放气阀和安全阀，所述的车轮阀安装在车轮部的管路上，所述车轮阀为充放气复合阀；所述的快速放气阀分别安装在前桥管路、后桥管路上；所述的安全阀安装在储气罐与气动控制单元的管路上。

所述的电子控制单元为系统控制中心，通过线路与气动控制单元连接；所述的气动控制单元通过管路与储气筒、快速放气阀和车轮阀连接；所述的仪表显示单元通过线路与电子控制单元连接；所述的车轮角速度传感器、轮胎压力传感器、车速传感器和车轮载荷传感器通过线路与电子控制单元连接。

进一步的，还介绍了一种基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)滑转率获取系统采集数据并将数据上传至电子控制单元，由电子控制单元计算出滑转率；

(2)电子控制单元将计算出的滑转率与预设的滑转率范围值作比较，以此对轮胎进行充放气调节。

进一步的，所述步骤(1)中轮胎充放气调节方式的具体步骤为：

随着车辆向前行进，滑转率获取系统获取车轮角速度传感器、车速传感器、车轮载荷传感器、轮胎压力传感器检测当前的角速度值ω、车速值Va、车载值F _Z、胎压值p，并上传至电子控制单元，由电子控制单元计算出滑转率；

进一步的，所述步骤(1)滑转率通过以下公式计算：

滑转率公式：

式中：ω为车轮角速度，单位为rad/s；r为车轮有效滚动半径，单位为m；Va为车身实际移动的速度，单位为m/s；

若子午线轮胎在微速滚动时的滚动半径为r₀，那么在一定车速V_a下的有效滚动半径r的公式为：

r＝r₀+10^{-(1.97p+1.31)}Va^{(0.735p+1.147)} (公式二)

根据(公式一)、(公式二)得无载荷条件下滑转率公式：

若在一定挠度(mm)下，其有效滚动半径r'公式为：

r'＝0.9544r-0.0812δ-1.0356δ²/r (公式四)

子午线轮胎变形δ与载荷、内压之间关系的经验公式为：

式中F _Z为车轮载荷，单位为N；p为轮胎内压，单位为kPa；δ为变形量单位为mm，计算时单位转换成m；a、b、c、d ₀为常数(a＝0.774，b＝0.00147，c＝431.704，d ₀＝1.899)。

根据(公式一)、(公式四)得在一定挠度下滑转率公式：

子午线轮胎微速滚动时的滚动半径r₀的计算：

方法：实际测试(以车轮转动的圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来换算)

首先，用喷漆在车轮与地面接触处作出成直角的标记，将车轮以微速直线滚动，当车轮上的标记近似于与地面垂直即为一圈，滚动n圈后停止后，在车轮所停止的地面做垂直与车轮标记的标记，通过标尺测量两地面标记处的距离S₁，最后通过滚动半径公式进行计算,一种车型对应一个r₀，故将该值直接编入预定程序参与后续计算即可。

滚动半径的公式：

式中：n为车轮转动的圈数，S₁为在转动n圈时车轮滚动的距离，且在车载荷的情况下对r₀的影响可忽略不计，将(公式二)、(公式五)代入(公式六)最终得到在一定挠度下的滑转率计算公式。

进一步的，电子控制单元通过上述公式进行计算后并与预设范围值K1-K2进行比较，当计算的滑转率在预设范围值内时，电子控制单元不向气动控制单元发布指令，则不进行任何操作，而当计算的滑转率小于K1时，电子控制单元给气动控制单元发布相应的充气指令，则气动控制单元控制相应的车轮阀进行充气操作，当滑移率到达K1-K2时，停止充气；同样，当计算的滑转率大于K2时，电子控制单元给气动控制单元发布相应的放气指令，则气动控制单元控制相应的车轮阀或者快速放气阀进行放气操作，当滑移率到达K1-K2，停止放气操作；车辆未停止，整个系统一直运行，直至车辆停止后，则系统停止工作，K1-K2优选为10％-12％。

假设将K1-K2设定为10％-12％，在进行充气过程中，若计算的滑转率K1值范围在0％-5％内时，则电子控制单元发布快速充气指令给气动控制单元，则气动控制单元加大系统中气体流动量，实现快速充气过程；若计算的滑转率K1值范围在6％-10％内时，则正常速率进行充气。在进行放气过程中，若计算的滑转率K2值范围在12％-30％内时，则系统通过车轮阀正常速率进行放气；若计算的滑转率K2值范围在31％-100％内时，则电子控制单元发布指令给气动控制单元，气动控制单元控制快速放气阀开启，进而进行快速放气。

进一步的，当车辆未向前行进时，若驾驶员触及控制面板上的充/放气控制按钮后，整个系统进入手动控制轮胎充放气模式，随着车辆的向前移动，轮胎压力传感器检测当前轮胎压力信号，并上传电子控制单元，电子控制单元将该信号转换成数值在仪表显示单元上显示，驾驶员根据当前路面状况，作出判断，选择是进行充气操作还是进行放气操作，则通过按压操作控制面板上的充/放气控制按钮实现管路中相应轮胎充/放气阀的动作，进而实现控制功能；当在车辆行驶过程中，手动控制被不小心误触关闭后，如未进行任何操作，默认启动自适应调节。

当车辆未向前行进时，若驾驶员触及控制面板上的公路模式、越野模式、松软模式三种按钮中的任意一种则进入相应的控制程序。

当触及公路模式、越野模式、松软模式三种任意一种公路路况工作模式时，随着车辆的向前移动，轮胎压力传感器检测当前的胎压信号，并上传至电子控制单元，电子控制单元则将传感器所上传的胎压值与系统中默认最适宜的胎压值进行比较，当前的胎压值高于适宜胎压值时，则电子控制单元发出指令，气动控制单元接受指令后，控制相应的快速放气阀，从而进行放气操作，当前的胎压值低于适宜胎压值时，控制相应的车轮阀，从而进行充气操作；同样，运行于另外两种模式下同样如此；当在车辆行驶过程中，且当选择一种模式后，按钮却被误触关闭后，如未进行任何操作，默认启动自适应调节。

当车辆未向前行进时，若驾驶员既未选择手动控制且又未选中任何一种公路路况工作模式的情况下，则系统进入自适应调节模式。

上述提及的自适应调节模式即是电子控制单元先获取车轮角速度传感器、车速传感器、车轮载荷传感器、轮胎压力传感器检测的当前的角速度值ω、车速值Va、车载值F _Z、胎压值p，计算出滑转率后与滑转率范围值进行比较后对轮胎充放气进行调节的工作模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)利用滑转率为控制信号，实现车辆可根据实时路面状况，自动调节轮胎压力，提高车辆的行驶稳定性、安全性、通过性；

2)利用车轮角速度传感器、车速传感器、车轮载荷传感器、胎压传感器等，实现角速度值、车速值、车载值、胎压值的测量，可以确保整个过程数值测量的连续性；

3)利用按钮误触碰功能，实现车辆在整个行驶过程中基本都在控制内，提高了车辆行驶的安全性。

附图说明

图1为本发明基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统结构示意简图；

图2为本发明具体实施例的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统工作流程图；

图3为本发明具体实施例的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统工作流程图。

图中：1、气动控制单元；2、电子控制单元；3、车轮角速度传感器；4、车轮阀；5、轮胎压力传感器；6、轮胎；7、旋转密封装置；8、仪表显示单元；9、快速放气阀；10、车速传感器；11、车轮载荷传感器；12、储气罐；13、气泵；14、安全阀；15、多功能控制面板

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，包括空气供给与存储装置、控制与显示装置、信号采集装置、旋转密封装置、轮胎充/放气阀及相应的管路；所述的空气供给与存储装置包括气泵13和储气罐12；所述的控制与显示装置包括电子控制单元2、气动控制单元1、仪表显示单元8和多功能控制面板15，所述多功能控制面板15包括充/放气控制按钮、越野模式按钮、公路模式按钮、松软模式按钮；所述的信号采集装置包括车轮角速度传感器3、轮胎压力传感器5、车速传感器10和车轮载荷传感器11；所述的旋转密封装置7包括密封板、旋转密封圈、配流轴和缸筒；所述的轮胎充/放气阀包括车轮阀4、快速放气阀9和安全阀14；所述的气泵13通过管路与储气罐12连接；所述的电子控制单元2为系统控制中心，通过线路与气动控制单元1连接；所述的气动控制单元1通过管路与储气筒12、快速放气阀9和车轮阀4连接；所述的仪表显示单元8通过线路与电子控制单元2连接；所述的车轮角速度传感器3、轮胎压力传感器5、车速传感器10和车轮载荷传感器11通过线路与电子控制单元2连接；所述的密封板、旋转密封圈、配流轴和缸筒集成安装在车轮部，并始终与轮胎6相通；所述的车轮阀4安装在车轮部的管路上；所述的快速放气阀9分别安装在前桥管路、后桥管路上；所述的安全阀14安装在储气罐12与气动控制单元1的管路上。

基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统的控制方法，根据驾驶员的意愿，可实现对中央充放气系统手动控制或电子控制，同时可根据车辆在实际行驶过程中的路面状况实现对各轮胎充放气操作的适时控制。如图2及图3所示，具体包括以下步骤：

1)当打开汽车点火开关后，车辆启动，则中央充放气系统处于准备工作状态；

2)当车辆未向前行进时，若驾驶员触及控制面板上的充/放气控制按钮后，整个系统进入手动控制轮胎充放气模式，随着车辆的向前移动，轮胎压力传感器5检测当前轮胎压力信号，并上传电子控制单元2，电子控制单元2将该信号转换成数值在仪表显示单元8上显示，驾驶员根据当前路面状况，作出判断，选择是进行充气操作还是进行放气操作，则通过按压操作控制面板上的充/放气按钮实现管路中相应轮胎充/放气阀的动作，进而实现控制功能；当在车辆行驶过程中，手动控制被不小心误触关闭后，如未进行任何操作，默认启动自适应调节。

3)当车辆未向前行进时，若驾驶员触及控制面板上的公路模式、越野模式、松软模式三种按键中的任意一种则进入相应的控制程序；例如：当触及公路模式、越野模式、松软模式三种任意一种公路路况工作模式，随着车辆的向前移动，轮胎压传感器5检测当前的胎压信号，并上传至电子控制单元2，电子控制单元2则将轮胎压力传感器5所上传的胎压值与系统中默认最适宜的胎压值进行比较，当前的胎压值高于适宜胎压值时，则电子控制单元2发出指令，气动控制单元1接受指令后，控制相应的快速放气阀9，从而进行放气操作，当前的胎压值低于适宜胎压值时，控制相应的车轮阀4，从而进行充气操作；同样，运行于另外两种模式下同样如此；当在车辆行驶过程中，且当选择一种模式后，按钮却被误触关闭后，如未进行任何操作，默认启动自适应调节。

4)当车辆未向前行进时，若驾驶员既未选择手动控制且又未选中任何一种公路路况工作模式的情况下，则系统进入自适应调节模式，随着车辆向前行进，车轮角速度传感器3、车速传感器10、车轮载荷传感器11、轮胎压力传感器5检测当前的角速度值、车速值、车载值、胎压值，并上传至电子控制单元2，电子控制单元2根据各传感器所上传的信号通过预编程序进行计算与比较，具体计算公式如下：

滑转率公式：

r＝r₀+10^{-(1.97p+1.31)}Va^{(0.735p+1.147)} (公式二)

根据(公式一)、(公式二)得无载荷条件下滑转率公式：

若在一定挠度(mm)下，其有效滚动半径r'公式为：

r'＝0.9544r-0.0812δ-1.0356δ²/r (公式四)

子午线轮胎变形δ与载荷、内压之间关系的经验公式为：

式中F _Z为车轮载荷，单位为N；p为轮胎内压，单位为kPa；δ为变形量单位为mm；a、b、c、d₀为常数(a＝0.774，b＝0.00147，c＝431.704，d₀＝1.899)；

根据(公式一)、(公式四)得在一定挠度下滑转率公式：

将(公式二)、(公式五)代入(公式六)最终得到在一定挠度下的滑转率计算公式。

当计算的滑转率在最适合的范围内(10％-12％)时，电子控制单元2不向气动控制单元1发布指令，则不进行任何操作，而当计算的滑转率小于10％时，电子控制单元2给气动控制单元1发布相应的充气指令，则气动控制单元1控制相应的车轮阀4进行充气操作，当滑移率到达10％-12％时，停止充气；同样，当计算的滑转率大于12％时，电子控制单元2给气动控制单元1发布相应的放气指令，则气动控制单元1控制相应的快速放气阀9进行放气操作，当滑移率到达10％-12％，停止放气操作；具体的，在进行充气过程中，若计算的滑转率K1值范围在0％-5％内时，则电子控制单元2发布快速充气指令给气动控制单元1，则气动控制单元1加大系统中气体流动量，实现快速充气过程；若计算的滑转率K1值范围在6％-10％内时，则正常速率进行充气。在进行放气过程中，若计算的滑转率K2值范围在12％-30％内时，则系统通过车轮阀4正常速率进行放气；若计算的滑转率K2值范围在31％-100％内时，则电子控制单元2发布指令给气动控制单元1，气动控制单元1控制快速放气阀9开启，进而进行快速放气。车辆未停止，整个系统一直运行，直至车辆停止后，则系统停止工作。

通常车辆在路面上行驶时车轮都会承受一定的动态载荷，故在承受载荷条件下：传感器测量的角速度值ω、车速值Va、胎压值p、车载值Fz，如下表，其中，轮胎在微速滚动时的滚动半径r₀值为0.463m，将各数值带入以上公式中，最终计算出在一定挠度下的滑转率S为6.1％，此时，电子控制单元2给气动控制单元1发布相应的充气指令，则气动控制单元1控制相应的车轮阀4进行充气操作，系统以正常速率进行充气。

上述提及的自适应调节模式即是电子控制单元2先获取车轮角速度传感器3、车速传感器10、车轮载荷传感器11、轮胎压力传感器5检测的当前的角速度值ω、车速值Va、车载值F _Z、胎压值p，计算出滑转率后与滑转率范围值进行比较后对轮胎充放气进行调节的工作模式。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，其特征在于，包括滑转率获取系统和轮胎中央充放气系统，所述滑转率获取系统获取滑转率，并与预设滑转率范围值比较，以此来调节轮胎的充放气。

2.根据权利要求1所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，其特征在于，所述滑转率获取系统包括信号采集装置和控制与显示装置，所述的信号采集装置包括车轮角速度传感器、轮胎压力传感器、车速传感器和车轮载荷传感器；所述的控制与显示装置包括电子控制单元、气动控制单元、仪表显示单元和多功能控制面板，所述多功能控制面板包括充/放气控制按钮、越野模式按钮、公路模式按钮、松软模式按钮。

3.根据权利要求1所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，其特征在于，所述轮胎中央充放气系统包括空气供给与存储装置、旋转密封装置、轮胎充/放气阀及相应管路。

4.根据权利要求3所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，其特征在于，所述的空气供给与存储装置包括气泵和储气罐。

5.根据权利要求3所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，其特征在于，所述的旋转密封装置包括密封板、旋转密封圈、配流轴和缸筒，所述的密封板、旋转密封圈、配流轴和缸筒集成安装在车轮部，并始终与轮胎相通。

6.根据权利要求3所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统，其特征在于，所述的轮胎充/放气阀包括车轮阀、快速放气阀和安全阀。

7.基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)电子控制单元将计算出的滑转率与预设的滑转率范围值作比较，以此来对轮胎进行充放气调节。

8.根据权利要求7所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤为：

随着车辆向前行进，滑转率获取系统获取车轮角速度传感器、车速传感器、车轮载荷传感器、轮胎压力传感器依次检测的当前角速度值ω、车速值Va、车载值F_Z、胎压值p，并上传至电子控制单元，由电子控制单元计算出滑转率。

9.根据权利要求8所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统的控制方法，其特征在于，通过以下公式计算滑转率：

滑转率公式：

r＝r₀+10^{-(1.97p+1.31)}Va^{(0.735p+1.147)} (公式二)

根据(公式一)、(公式二)得无载荷条件下滑转率公式：

若在一定挠度(mm)下，其有效滚动半径r'公式为：

r'＝0.9544r-0.0812δ-1.0356δ²/r (公式四)

子午线轮胎变形δ与载荷、内压之间关系的经验公式为：

式中F_Z为车轮载荷，单位为N；p为轮胎内压，单位为kPa；δ为变形量，单位为mm；其中a、b、c、d₀为常数，a＝0.774，b＝0.00147，c＝431.704，d₀＝1.899；

根据(公式一)、(公式四)得在一定挠度下滑转率公式：

10.根据权利要求7所述的基于滑转率控制的越野车轮胎中央充放气系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：

电子控制单元根据各传感器所上传的信号进行计算并与预设范围值K1-K2进行比较，当计算的滑转率在最适合的范围值内时，电子控制单元不向气动控制单元发布指令，则不进行任何操作，而当计算的滑转率小于K1时，电子控制单元给气动控制单元发布相应的充气指令，则气动控制单元控制相应的车轮阀进行充气操作，当滑移率到达K1-K2时，停止充气；同样，当计算的滑转率大于K2时，电子控制单元给气动控制单元发布相应的放气指令，则气动控制单元控制相应的快速放气阀进行放气操作，当滑移率到达K1-K2，停止放气操作；车辆未停止，整个系统一直运行，直至车辆停止后，则系统停止工作。