Датчики в «Интеллектуальных системах» автомобильной шины

3. Иванов Д.А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водо-воздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2008, №2, с. 57-61.

4. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, № 11, с. 50-53.

5. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2011, №4, с. 24-29.

6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-

технологические проблемы сервиса. - СПб., 2012, № 4, с. 33-37.

7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., 2012, №3, с. 12-15.

8. Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру и механические свойства нормализуемых сталей // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2013, № 3, с. 19-22.

9. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - М., 2013, № 11, с. 30-33.

УДК 004.052.3

ДАТЧИКИ В «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ» АВТОМОБИЛЬНОЙ

ШИНЫ

А. В. Бойцев1

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

В работе рассмотрены существующие методы получения информации о состоянии пневматического колеса с помощью различных датчиков. Изложены требования к "интеллектуальным" системам шин.

Ключевые слова: датчик, пневматическое колесо, системы управления, "интеллектуальная" система.

SENSORS IN THE "INTELLIGENT SYSTEMS" OF AUTOMOTIVE TIRES

A.V. Boitsev

Saint Petersburg State Polytechnical University 195251, St. Petersburg, st. Politekhnicheskaya, b. 29

The paper discusses the existing methods of obtaining information on the condition of the pneumatic wheels by different sensors. Sets out the requirements for "intelligent" tire systems.

Keywords: sensor, pneumatic wheel, control systems, intelligent system.

Введение

Современный автомобиль оснащен десятками датчиков для контроля и управления автомобилем: датчики положения, числа оборотов и скорости, акселерометры, датчики давления, усилия, крутящего момента, температуры, расходомеры, оптоэлектронные, концентрации вредных веществ и др.

Историю измерения параметров состояния пневматического колеса можно разделить на три этапа.

Первый - системы контроля давления в шинах. В настоящее время эта технология широко представлена на автомобильном рынке.

Второй этап - мониторинг нескольких параметров шины. Шины могут быть оснащены различными датчиками контроля безопасности дорожного движения:

-контроль давления в шинах - избыточное давление шины может привести к ДТП (особенно при поворотах и торможении);

-контроль температуры в шинах - слишком высокая температура может привести к «взрыву» шины и усиленному ее износу;

-измерение усилий и деформаций в шине; -мониторинг сцепления шины с дорогой.

1 Бойцев Андрей Владимирович - аспирант СПбГПУ, e-mail: a.boitcev@gmail.com

Третий этап - "умная шина", которая имеет возможность изменения структуры или характеристик материала шины при различных дорожных условиях, таких как: жесткость, форма, собственная частота, вплоть до изменения рисунка протектора при изменении дорожных условий. В настоящее время, некоторые "умные материалы" уже доступны, такие как: пьезоэлектрическая керамика, магнитострик-ционные материалы, оптическое волокно и сплавы с памятью и т.д. [1].

Рисунок 1 - Системы контроля давления: а) -

датчик на клапане; б) - датчик давления на ободе диска

Являясь одной из важных подсистем транспортного средства, интеллектуальная система шин повышает безопасность движения. Взаимодействие между транспортным средством и дорогой, реакция шин на состояние дорог и действия водителя - важная информация для управления транспортным средством. Особенно при проектировании антиблокировочной тормозной системы и управлении устойчивостью автомобиля, определении коэффициента трения на поверхности контакта шины с дорогой и состояния дороги [2].

Разработаны различные устройства "интеллектуальной" шины, но большинство из них еще находятся на стадии испытаний и не получили применения на автомобильном рынке.

Известно, что давление в шинах может быть получено прямым или косвенным измере-

нием. Косвенное измерение осуществляется, как правило, с использованием уже существующих датчиков, установленных в автомобиле, например, датчика частоты вращения колеса. Прямое измерение обычно осуществляет датчик на ободе внутри шины или на клапане (рис.1) [3].

1. Датчик поверхностных

акустических волн

Датчик поверхностных акустических волн (ПАВ) разработан более 60 лет назад. Для контроля за состоянием шины используется механическая или акустическаяволны.

Пьезоэлектрические акустические сенсоры создают механические волны с помощью электрического поля (рис.2). Эти волны распространяются через пьезоэлектрическую подложку, а затем трансформируются обратно в электрическое поле. Такой датчик состоит из двух встречно-штыревых преобразователей. Один из них преобразует энергию электрического поля в механическую волну, другой осуществляет обратное преобразование. Для датчика ПАВ входной сигнал преобразуется излучателем в поверхностную акустическую волну. Эта волна регистрируется приемником, который реагирует радиосигналом. Сенсорная система использует чувствительность специальной пьезоэлектрической подложки на деформацию различных материалов внутренних слоев шины при температурных и механических воздействиях. Значение связанного физического параметра могут быть преобразованы и измерены по изменению длины или скорости поверхностной акустической волны соответственно. В ПАВ датчике фильтры могут отсеять помехи среды из сигнала, принимаемого устройством. Это означает, что датчик может быть использован не только для измерения давления воздуха в шинах и температуры, но и многих других механических свойств, таких как деформации шины.

Пьезоэлектрическая подложка Рисунок 2 - Схема датчика ПАВ

Датчик ПАВ также может быть установлен непосредственно на элементы протектора шины и использоваться для измерения

сцепления с дорогой, что может дать ценную информацию для оптимизации контроля скольжения и стабильности транспортного средства, даже более точную, чем ABS [4]. ПАВ датчики небольшие, надежные, недорогие и могут выдерживать экстремальные условия.

2. Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик может быть установлен на основании обода колеса внутри шины, и он может оценить вертикальную нагрузку и деформацию шины, и даже температуру и параметры контакта с дорогой путем измерения изменяющегося расстояния до противоположной внутренней стенки шины

[5].

Рисунок 3 - Эффективный радиус й ш по сравнению с радиусом шины Rg и загруженной высотой

Rh.

Эффективный радиус Я и, определяется путем измерения угловой скорости ш и скорости V. При движении машины часть окружности шины становится плоской в область контакта с дорогой. Эффективный радиус й ш также является функцией нагрузки на шину. Угол (р называется углом плоскости контакта.

Эта технология может дать предупреждающий сигнал водителю или автоматически привести автомобиль в безопасное состояние, когда измеряемый эффективный радиус шины отклонится от заданных пороговых значений.

3. Оптический датчик

Был проведен ряд исследований по измерению прогибов каркаса шин для оценки состояния транспортного средства с помощью оптического датчика (рис. 5). Короткие световые импульсы излучаются лазерным диодом. Эти световые импульсы через линзу попадают в приемник, закрепленный на ободе колеса, где они обрабатываются для определения расстояния до объекта. Измеряя изменение относительного положения светодиода относительно светочувствительного PSD датчика, система оптического датчика шины может определить характеристики поведения пневматического колеса. Оптический датчик не подходит для повседневного использования в автомобильном колесе, но он может быть использован для детального изучения поведения шин в исследовательских центрах. Необходимость тарировки датчика при изменении давления - одна из причин того, что оптический датчик не внедрен в массовое производство. [6, 7].

,-OSod колеса

Рисунок 4 - Ультразвуковой датчик

Рисунок 5 - Оптический датчик для измерения деформации протектора

4. Пьезоэлектрический датчик

Пьезоэлектрический датчик имеет различные варианты использования. Пьезоэлектрический полимер и поливинилиденфторид (ПВДФ) могут быть интегрированы в шину и эффективно измерять напряжения в ней. Но пьезокерамический полимер не подходит для измерений из-за его хрупких характеристик. Датчик на основе ПВДФ был разработан для установки во внутреннюю поверхность протек-

тора шины для измерения деформации [8]. Боковое отклонение протектора колеса и прогиб боковины были измерены ПВДФ датчиком экспериментально [9]. Пьезоэлектрический датчик, используемый для измерения деформаций протектора и боковины шины, представлены на рис. 6 [10].

Эластичный пьезоэлектрический элемент, изготовленный из ПВДФ, закреплен на внутренней оболочке шины. При деформировании протектора шины, механическая энергия деформации передается на чувствительный элемент из ПВДФ, в котором возникает разность потенциалов, соответствующая приложенному усилию к протектору. Полученное напряжение по проводам, закрепленным на консольной балке, передается в основной датчик, установленный на ободе колеса, в котором полученный сигнал обрабатывается.

ванные кольца емкости для измерения давления в шинах (рис.7)[11].

Рисунок 7 - Емкостный датчик

Более доступное применение емкостного датчика для измерения деформации шины. Ряд исследователей использовали саму шину в качестве датчика путем использования стального корда шины в качестве проводящих элек-тродов[12,13,14]. Небольшой колебательный контур был встроен в шину, чтобы контролировать изменение емкости шины, содержащей стальную проволоку и резину.

Емкостно-резистивный датчик также используется для контроля деформаций [15]. Он может быть заложен в протектор шины и использоваться для измерения изменения сопротивления, вызванного изменением расстояния между стальной проволокой, за счет деформации шины.

6. Другие датчики

Существуют и другие датчики, разработанные для "интеллектуальной" системы шин. Магнитометрические датчики для контроля аналоговых выходных сигналов, соответствующих изменению магнитного поля или деформации, представлены на рисунке 8 .

Рисунок 6 Пьезоэлектрический датчик для измерения прогиба боковин шин [10]

5. Емкостный сенсор

Емкостной датчик широко используется при изучении поведения шин путем измерения изменения емкости. Был проведен ряд исследований, в которых использовались сегментиро-

Рисунок 8 - Магнитометрические датчики

В протектор шины устанавливается излучатель магнитного поля, а на обод колеса закрепляется датчик чувствительный к измене-

нию магнитного поля. Магнитный датчик может измерять продольные деформации, радиальные и деформации сдвига на поверхности шины. Затем эти данные деформации коррелируют с усилиями шины.

Трехосный микроэлектромеханический акселерометр, предлагаемый для измерения ускорения внутри протектора шины. Анализ методом конечных элементов и эксперимент показывает свою целесообразность и возможность применения данного датчика.

Рисунок 9 - Системы контроля давления

Помимо перечисленных датчиков, есть акустический датчик, датчик оптических струн и т.д..

Заключение

"Интеллектуальная" система шин должна иметь следующие характеристики:

-простой и эффективный способ измерения;

-надежность и точность сбора информации;

-беспроводную передачу сигнала, малый размер оборудования;

-возможность быть интегрированной в шины/систему колес или модульный принцип установки в различные типы шин;

-долговечность и способность продолжать работу в течение всего срока службы автомобиля;

-совместимость с функционированием других систем автомобиля.

Литература

1. Zhuang, J., Modern Vehicle Tyre Technology. 2001: Press of Beijing University of Technology.

2. Morinaga, H., Wakao, Y., Hanatsuka, Y., and Koba-yakawa, A., The Possibility of Intelligent Tire (Tech-

nology of Contact Area Information Sensing), in FISITA. 2006.

3. APOLLO Project Report "Intelligent Tyre Systems -State of the Art and Potential Technologies Deliverable D7".

4. Cyllik, A., Strothjohann, T., and Scholl, G., The

5. Mbgori, V., Magori, V.R., and Seitz, N., On-Line Determination of Tyre Deformation, a Novel Sensor Principle, in IEEE Ultrasonics Symposium 1998.

6. Tuononen, A., Optical Position Detection to Measure Tyre Carcass Deflections and Implementation for Vehicle State Estimation, in Department of Engineering Design and Production. 2009, Helsinki University of Technology: Helsinki.

7. Tuononen, A.J., Optical Position Detection to Measure Tyre Carcass Deflections. Vehicle System Dynamics, 2008. 46.

8. Yi, J., A Piezo-Sensor-Based "Smart Tire" System for Mobile Robots and Vehicles IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2008. 13: p. 95-103.

9. Erdogan, G., Alexander, L., and Rajamani, R., A Novel Wireless Piezoelectric Tire Sensor for the Estimation of Slip Angle. Measurement Science and Technology, 2010. 21: p. 1-10.

10. Erdogan, G., New Sensors and Estimation Systems for the Measurement of Tire-Road Friction Coefficient and Tire Slip Variables. 2009, The University of Minnesota.

11. Cullen, J.D., Arvanitis, N., Lucas, J., and Al-Shamma'a, A.I., In-field Trials of A Tyre Pressure Monitoring System based on Segmented Capacitance Rings. Measurement, 2002. 32: p. 181-192.

12. Todoroki, A., Miyatani, S., and Shimamura, Y., Wireless Strain Monitoring using Electrical Capacitance Change of Tire: Part I-with Oscillating Circuit.

Smart Materials and Structures, 2003. 12: p. 403-409.

13. Todoroki, A., Miyatani, S., and Shimamura, Y., Wireless Strain Monitoring

using Electrical Capacitance Change of Tyre:Part II-Passive. Smart Materials and Structures, 2003. 12: p. 410-416.

14. Matsuzaki, R., Todoroki, A., Passive Wireless Strain Monitoring of Tyres using Capacitance and Tuning Frequency Changes. Smart Materials and Structures,2005. 14: p. 561-568.

15. Sergio, M., et al., On A Road Tire Deformation Measurement System using A Capacitive-Resistive Sensor. Smart Materials and Structures, 2006. 15: p. 1700-1706.

16. Miyoshi, A., Tsurita, T., and Kunii, M., System and Method for Determining Tyre Force, in Patent Application Publication. 2005: United States.

17. Braghin, F., et al., Measurement of Contact Forces and Patch Features by Means of Accelerometers Fixed Inside the Tire to Improve Future Car Active Control. Vehicle System Dynamics, 2006. 44,Supplement: p. 3 -13.