自动充气轮胎工作原理

007 中的邦德拥有自动充气轮胎，悍马汽车和大多数卡车司机也拥有它们，而军方更是有多年的使用历史。 有了自动充气轮胎，车辆可以针对当前的路面状况做出调整，以使性能达到理想状态，并保证安全行驶。 目前，很多汽车都配备了压力监控系统，但在没有外部气源的情况下，驾驶员无法对轮胎进行任何操作。 虽然市场上有多种自动充气轮胎系统，但它们大多只提供给商用和军用领域。 而悍马的 CTIS（中央轮胎充放气系统） 系统则是一个例外。 在本文中，我们将了解一些现有的轮胎充气系统，并预测市场可能会在何时推出适用于普通汽车用户的型号。 根据 AAA（美国汽车协会）网站的调查，在路面行驶的汽车中约有 80%存在着一个或多个轮胎充气不足的问题。汽车的正常行驶（尤其在碰到路面上的坑洞或路缘时）、渗透作用和温度的季节性变化都会导致轮胎泄气。 在冬天，轮胎的千帕值每个月会下降一到两个单位，在夏天则下降得更多。 而且，仅凭目测无法判断它们的充气状况如何。 必须使用轮胎压力测量仪。 充气不足不仅会对轮胎造成损害，而且会增加油耗，影响汽车的行驶方式，并且会带来安全隐患。 如果轮胎充气不足，其胎面磨损会加速。 根据固特异公司的研究，轮胎气压不足率每上升20%，它的寿命里程数就会下降 15%。 与充气状况正常的轮胎相比，充气不足的轮胎会更快地产生过热现象，从而更容易造成轮胎损坏。 下面颜色较淡的区域就是胎面上被过度磨损的部分。 Manny 有关悍马 Swamper 轮胎的网页供图悍马的 CTIS 管路固特异（Goodyear）公司网站供图由于轮胎具有弹性，因此在它们滚动时，底部将变平。 与地面接触的部分一旦与地面脱离，就会反弹并恢复成原来的形状。 这种反弹会形成波浪式运动，并产生一定的摩擦。 当轮胎中的空气较少时，这种波浪式运动起伏就会增大，导致摩擦程度加重，而摩擦会生成热量。 如果生成的热量达到一定程度，轮胎帘布周围的橡胶就会融化，进而造成轮胎损坏。 要了解更多信息，请参考轮胎工作原理。 由于充气不足的轮胎在滚动时会受到额外的阻力，因此汽车发动机必须增加工作负荷才能维持正常行驶。AAA 网站的统计数据显示，当充气不足的胎轮较正常水平降低 13.8 千帕时，燃油效率会下降 10%。 这样，如果驾驶时间超过一年，那么您在购买汽油方面的累计额外支出将达数百美元之多。 压力监控系统目前市场上有多种轮胎压力技术，还有一些技术也即将面市。 根据美国轮胎压力安全法案的规定，在不久的将来，所有车辆都必须配备轮胎压力监控系统。这样，驾驶员便可及时得知轮胎压力的情况。 此类压力监控系统已经问世数十年之久，在某些车型中已成为标准配置。 它们只是单纯地监控汽车上每个轮胎的气压，并在轮胎气压低于某个预先设定的最佳压力值时向驾驶员发出通知。 轮胎充气系统有三个主要用途： 检测：检测特定轮胎的气压是否下降。这意味着系统必须持续或间歇地监控每个轮胎的气压。 通知：通知驾驶员出现的相关问题。 充气：通过充气，使轮胎气压恢复正常。这意味着必须有一个气源和一个只在需要时才开启的止回阀。 虽然市面上的轮胎充气系统在设计上各有不同，但它们也有一些共同的要素。 都使用某种类型的气门嘴隔离各个轮胎，以免在检查或对其充气时，其他轮胎会漏气。 都采用某种方法来检测轮胎压力。 多数情况下，它们使用中央传感器将信息传递到电子控制单元，然后再通知驾驶员。 都有一个气源，通常是车上现有的系统，如制动或气动系统。 但是，当使用现有系统时，它们必须保证不会对这些系统的原有功能造成影响。 为此，会有相应的安全检查措施。首先要保证有足够的气压用于该气源的主要用途，然后才能用来为轮胎充气。 都必须能够将气源中的空气传到轮胎中（通常是通过轴管）。 有些系统采用密封式轮毂轴管，并用软管连接轮毂和轮胎气门嘴，其他系统则让内胎直接穿过轴管，并将轴管作为通气导管。 都必须备有减压孔，用来将空气从轮胎中排出，而不致损坏轮毂或后轴密封件。 现在，让我们来看看市场上各类主要的自动充气轮胎系统是如何利用这些要素来工作的，首先介绍中央轮胎充气系统 (CTIS)。 CTIS 的设计理念是：通过控制每个轮胎中的气压来改善汽车在不同路面上的行驶性能。 例如，降低轮胎中的气压可增大轮胎与地面的接触面积，从而使汽车能更轻松地在较软的地面行驶。 这样还可以降低对路面造成的损害。对施工地点和农田而言，此做法具有重要意义。 由于驾驶员可以直接控制每个轮胎的空气压力，车辆的可操控性就大大提高了。 CTIS 的另一项功能是在轮胎出现缓慢漏气或被戳破时维持其内部的气压。 在出现此类情况时，系统将根据驾驶员事先设置的特定气压，自动控制充气过程。 CTIS 的制造商主要有两家： 美国的德纳公司（Dana Corporation）和法国的 Syegon（地面工业武器集团公司（GIAT）的一个部门）。 德纳公司推出的 CTIS 有两种型号：军用 CTIS（由 PSI 开发）和用于商业重型机械的轮胎压力控制系统（TPCS）。CTIS：内部结构下面是整个系统的示意图： 自动充气轮胎与跑气保用轮胎承载汽车和卡车重量的不是轮胎本身，而是轮胎内部的空气。 跑气保用轮胎具有坚硬的侧壁，可在汽车的一个或多个轮胎没气时继续支撑汽车的重量。 这样，即使轮胎被扎破变瘪，您也可以将汽车开到目的地。 跑气保用轮胎由防热帘线层和橡胶层交错组成，并通常用承重材料制成的月牙状楔形加强侧壁，以防在轮胎无气压时造成侧壁褶曲。 与跑气保用轮胎不同，自动充气轮胎旨在将轮胎的压力始终维持在适当的水平。 自动充气系统的意义主要在于减慢泄漏速度、优化性能和保证安全，而不是在轮胎没气的情况下让车辆继续行驶。早期的 CTIS早在 1984 年，通用公司（GM）就在 CUCV 开拓者和皮卡车型上使用了 CTIS。CUCV 是商用多用途载货汽车（Commercial Utility Cargo Vehicle）的缩写，美军从20 世纪 80 世纪中期就一直使用这种卡车。 它们实际上是在标准大小的雪佛兰 Blazers 和皮卡车型的基础上配备了一些特殊的军用设备。车轮气门嘴在车轮的顶端。 如果是双轮并装，气门嘴一般只与外车轮连接，以使两轮胎间的气压平衡。 车轮气门嘴的一个作用是在轮胎未被使用时，将其与整个系统隔离，以减轻密封件承受的压力，从而延长其使用寿命。 通过车轮气门嘴还可以按照需要对轮胎进行充气和放气。 位于乘客座位后的电子控制单元（ECU）是该系统的核心。 它能处理驾驶员的指令，监控系统内的所有信号，并控制系统每隔 10 分钟对轮胎压力进行一次检查，以确保将压力维持在预先设定的水平。ECU 将指令传送到气动控制单元，后者直接控制车轮气门嘴和通风系统。 气动控制单元还含有一个传感器，用于将轮胎压力的读数传输给 ECU。 驾驶员可以通过操作员控制面板选择与当前路况匹配的轮胎压力模式。 这个面板安装在仪表板上，可显示当前的轮胎压力、选择的模式和系统状态。 当驾驶员选择某个轮胎设置时，信号将由控制面板传输到电子控制单元，然后到达气动控制单元，最后到达车轮气门嘴。 当车辆加速行驶时（例如在高速公路上时），为防止轮胎损坏，轮胎的压力将升高。CTIS中含有一个速度传感器，它可以将车速信息传送给电子控制单元。 如果车辆继续加速行驶一段时间，系统会自动对轮胎充气，以使气压与速度相适应。 这类系统使用为制动系统提供空气的同一压缩机作为气源。 压力开关可以确保制动系统优先使用空气，它能防止贮气罐在刹车制动充足气之前就向 CTIS 供应空气。 更详细的介绍下面是 CTIS 在汽车行驶时的工作情况： 电子控制单元指示气动控制单元检查当前的压力，并根据驾驶员选定的压力对轮胎进行充气或放气。 如果系统确定需要对轮胎充气，它会首先检查制动系统保留的压力是否处于适当的水平；如果是，它会向车轮气门嘴施加轻微的气压，以便开始充气。 如果轮胎充气过足，系统会在车轮气门嘴形成少量的负压。 当气动控制单元发现已经达到合适的气压时，气门嘴就会关闭。 悍马汽车的自动充气轮胎系统：轮部结构从上图中您可以看到充、放气时空气从进入轮胎开始的流动路线。 管道系统从车辆的空气压缩机伸出，并在穿过轮毂后到达轮胎的阀门。 依靠“快速拆卸”设计，可将轮胎与CTIS 系统断开，以便对其进行拆卸和维护。 （此图还显示了悍马汽车的跑气保用功能，借助这一功能，轮胎在没气的情况下也能继续支撑车辆。） 德纳公司的轮胎维护系统是一套用于牵引挂车的“智能”系统，它可以监控轮胎气压并根据需要对轮胎进行充气，以保持正确的压力水平。 它使用挂车刹车供气罐中的空气对轮胎进行充气。 该系统主要包括三个部件： 轮胎软管系统。它提供对轮胎充气时使用的气体通路，它带有止回阀，这样在系统不检查轮胎或对轮胎进行充气时，空气管和密封件不会承受压力。 这样可以减轻密封件的磨损。 旋转接头。它由气封、油封和轴承组成，用于将空气软管从非旋转轴连接到旋转毂盖。 其气封可防止漏气，而油封可阻止污物。 转毂还有一个排气口，用于释放毂盖中的压力。 歧管。歧管中含有压力保护阀，其作用是，当制动系统的气压低于 550 千帕时，禁止轮胎自动充气系统使用压缩空气。 歧管还包含一个用于保持气体清洁的进气滤清器、一个测定轮胎压力的压力传感器和一个控制进入轮胎的气流的螺线管。 与 CTIS 类似，此系统也有一个控制整个系统的电子控制单元。 此电子控制单元可以检查并确保系统正常工作。此外，当轮胎气压比正常压力低 10%时，它还可以通过挂车上的报警灯（可通过后视镜看到）通知驾驶员并执行系统诊断。 系统执行初始压力检查，并向需要加气的轮胎充气。 每个轮胎软管中的止回阀可确保在对一个轮胎充气时，不会造成其他轮胎的压力降低。 完成初始压力检查后，系统将减压，以释放密封件上的压力。 系统将每隔 10 分钟对管道进行一次加压并重新检查压力。 系统通过空气管中的一系列气脉测定轮胎压力。 如果一段时间后管道未达到目标压力，系统将开始对轮胎进行充气，直到达到正确的压力水平为止。 AIRGO 系统AIRGO 系统是一种持续监控系统，它使用一系列止回阀来检测气压的降低情况。 与其他一些系统不同，AIRGO 并不使用来自车辆制动系统的气体。 在系统的任意位置出现气体泄漏时（1）系统会从车辆的气动系统（未显示）吸入气体（2）并通过车辆的轴管将其送出（3）（如果对轴管进行了加压，则通过轴管本身，否则通过导管），随后气体通过毂盖组（4）进入需要充气的轮胎。 挂车尾部有报警灯，可通过驾驶员的后视镜看到。当系统对某个轮胎充气后，报警灯将亮起。 由于此系统是持续监控系统，密封件会受到很大磨损，因此 AIRGO 采用石墨和表面硬化钢密封件，而不非橡胶密封件。 Meritor 轮胎充气系统（MTIS）MTIS 适于在牵引挂车上使用。 它使用挂车上的压缩气体对低于相应气压水平的轮胎进行充气。 气体从现有挂车气体补给系统进入控制箱，然后进入每个轴管。 空气管穿过轴管将气体送到轴端的旋转通用接头，进而将气体送到每个轮胎。 如果气压显著降低，系统会通过指示灯通知驾驶员。 整个系统由轮端总成和控制模块组成。 轮端总成轮端总成包括一根带止回阀的挠性软管。 止回阀仅允许气体进入轮胎，而不允许流出，从而可确保在对一个轮胎进行充气时，其他轮胎的气压不会降低。 轮端总成轮端总成还在轴内加入了一个定子（非旋转部件）和一个连接到毂盖的通流三通管。 通流三通管采用动态密封机制，既允许转动，又可防止高压气体从轴管进入轮毂时出现压力损失。高压气体通过一根管子从定子送到三通管。 毂盖总成中带有排气口，以确保轮端内的压力不会过高。 单向气顶可阻止灰尘和水等污物进入轮端。 对于带空心轴的轴管，该系统采用压力塞将受压的轴内部与轮端隔开，以此来保护定子。 控制系统系统控制模块带有截止阀和滤清器，前者可防止气体进入该系统，后者则可阻止水分和污物。 泄气阀可释放系统压力，以便进行维护工作。 与使用自带气体供给装置的其他系统类似，此系统带有压力保护阀，可确保在气体供给压力低于 550 千帕时不吸入气体。 控制系统通过系统压力调整节轮，可对整个系统的气压进行调整。 当大量气体充入轮胎（说明轮胎可能已经穿孔）时，气流感应开关将激活指示灯，以通知驾驶员。 其他系统PressureGuard：PressureGuard 系统将气体从挂车的气体供给系统经轴管送到转毂，然后送到轮胎的阀门中。（有关更多信息，请参考 PressureGuard。） TIREMAAX：TIREMAAX 系统使用挂车的气体供给系统来维持轮胎气压水平。当系统检测到轮胎压力较低时，它会向操作人员发出信号，并将气体从挂车气罐送到需要充气的轮胎。（有关更多信息，请参考 Henrickson TIREMAAX。） 自动充气轮胎的未来米其林正在和其他几家公司一起开发名为轮胎智能压力管理（Tire Intelligent Pressure Management，简称 TIPM）的主动压力管理系统，此系统计划于 2005 年投入使用。此系统配备有压缩机，可在车辆行驶过程中自动调整每个轮胎的气压，以补偿泄漏和慢泄漏穿孔带来的影响。 驾驶员能够根据所需的驾驶模式来调整气压：舒适模式、运动模式、全地形模式或障碍地形模式。 目前，至少还有另外两种面向消费者的系统正处于早期开发阶段：EnTire 系统和 Cycloid AirPump