轮胎中央充放气系统的现状与发展趋势_朱云钟

2011西部汽车产业·学术论坛暨四川省第十届汽车学术年会论文集轮胎中央充放气系统的现状与发展趋势朱云钟解放军78606部队摘要：简单回顾了轮胎中央充放气系统的发展历程，介绍了系统的基本结构和工作原理。从系统的结构型式、操作方式和使用特点等方面对主要国家的轮胎中央充放气系统进行了分析比较。从系统整合、优化设计、密封圈材料、地面模式识别等方面分析了系统的发展趋势。关键词：轮胎、中央充放气、技术、发展趋势0前言轮胎中央充放气系统(CentralTireInflationSystem，CTIS)是在第二次世界大战时为提高军车通过性能而开发的[1,2]。1942年，美国通用汽车公司在DUKW－353水陆两用载货车上首先装备这套系统，使该车不仅能在松软的泥泞地面上行驶，而且能够通过水陆交界的松软沙滩，在很大程度上提高了汽车的通过性能[3,4]，在二战中的北非战场和诺曼底登陆战役中发挥了重大作用。由于该系统能够显著提高军车的通过性能，很快，俄罗斯、德国、法国等国家纷纷开发出自己的轮胎中央充放气系统。为了将压缩气体从相对静止的管路传递到旋转的车轮，上世纪60年代前的中央充放气系统采用了外挂式管路。采用这种结构的汽车在经过丛林等地面时，管路容易被挂坏，可靠性不高。因此，系统随后又改进为内置式管路传输压缩气体，并在半轴与半轴套管或轮毂与桥壳之间加装旋转密封气室，以实现压缩气体从静止管路到旋转车桥之间的传递。到80年代，随着电子技术的发展，轮胎中央充放气系统也实现了电子控制，系统的先进性、操作性得到提高和增强，控制精度更高，充放气效率也更高。此后，轮胎中央充放气系统的功能不断得到完善，装备对象也从昀初的军用车辆拓展到民用车辆，在油田、林业、勘探等特殊地域车辆上得到广泛应用[5,6]，一些飞机上也装备了该系统[7,8]。我国在上世纪60年代的时候曾经仿制了原苏联的轮胎中央充放气系统，但旋转密封气室等关键技术始终得不到解决。我国需要该系统的车辆只能依靠进口，如新疆油田的运输车辆大多都是从德国或日本进口。直到1996年，天津军事交通学院研制成功具有国际先进水平的轮胎中央充放气系统，才使我国真正掌握了该系统的所有关键技术。由军事交通学院研制成功的系统成功突破了密封圈材料和寿命、多功能车轮阀、集成电控气阀组、电子控制技术等多项关键技术，整体上达到国际先进水平，某些关键技术甚至领先德、美等国。此后，二汽、北方车辆研究所等单位也通过不同渠道纷纷掌握了该系统的主要技术。但在密封圈材料与寿命和多功能车轮阀等关键技术方面，均不如天津军事交通学院先进。1CTIS的基本结构和工作原理以天津军事交通学院研制成功的轮胎中央充放气系统为例，系统主要由气源、电控气阀组(各电磁阀和气压调节器)、旋转密封气室、车轮阀、闭锁阀、电子控制装置和控制面板等组成[9]，如图1所示。2011西部汽车产业·学术论坛暨四川省第十届汽车学术年会论文集177其中，气源为系统提供干燥、清洁的压缩空气。电控气阀组在电子控制装置的控制下开启相应电磁阀，实现充、放或测压的功能。车轮阀是一个多功能阀，能在不同气压的控制下将轮胎与主管路连通，实现充气或测压功能；或者将轮胎直接引至大气，实现轮边放气；当控制气压为大气时，车轮阀将轮胎气压封闭，实现保压功能。闭锁阀是一个手动开关，当系统失效时由人工将轮胎与主管路阻断，使轮胎保压。同时闭锁阀上还有气门咀，可通过该气门咀人工为轮胎充气。控制面板提供自动和手动两种操作方式，当电子控制装置失效时仍可以用手动操作模式操作系统，提高系统的可靠性。系统没有工作时，即处于保压状态。此时，气源和主管路之间的气路是截断的，主管路通过电控气阀组中的常开电磁阀接大气。车轮阀则处于关闭状态，将轮胎内的气体与大气和主管路都隔开。这样，旋转密封气室就通过主管路与大气相通而不受压，从而减轻了密封圈的磨损，延长了密封圈的使用寿命。测压时，电控气阀组中的常开电磁阀关闭，充气电磁阀和车轮电磁阀在电子控制装置的控制下开启，使高压气体进入主管路，经旋转密封气室传输至车轮阀，使车轮阀开启，将主管路与轮胎连通，随后充气电磁阀关闭。由于主管路与轮胎已经连通，经过一段时间后主管路和轮胎内的气压达到平衡，此时主管路中的气压与轮胎气压相等。电子控制单元就可以通过传感器测量轮胎的气压了。充气时，常开电磁阀关闭，充气电磁阀和车轮电磁阀开启，气源气体进入主管路，经旋转密封气室传输到车轮阀。车轮阀在高压信号的控制下将主管路与轮胎连通，实现对轮胎充气。放气时，常开电磁阀关闭，放气电磁阀开启，气源气体通过调压阀产生低压并进入主管路，经旋转密封气室传输到车轮阀。车轮阀在低压信号的控制下将轮胎与大气连通，实现放气。2CTIS的现状当前，轮胎中央充放气系统已经发展为不同结构、不同操作方式的多样化系统。世界上研制和生产CTIS的厂家也很多，主要有美国DANA公司和CM公司、法国地面工业武器集团(GIAT)下属的Syegon公司、德国奔驰公司、俄罗斯URAL和KAMAZ等汽车制造厂等。我国则有军事交通学院、北方车辆研究所等单位研制和生产CTIS。其中军事交通学院主要为军用重型越野车辆和民用特种车辆配备该系统，北方车辆研究所主要为军用轮式装甲车配备该系统。根据轮边结构不同，目前各种轮式车辆所装备的轮胎中央充放气系统可分为两类，一类是有车轮阀系统，一类是无车轮阀系统。有车轮阀系统是指在轮边安装了一个随车轮一起旋转(a)有车(b)无车图2CTIS的轮边结构2011西部汽车产业·学术论坛暨四川省第十届汽车学术年会论文集178的多功能阀，即车轮阀，如图2(a)所示。采用这种结构时，由于车轮阀在保压时能够将轮胎内的气体与主管路隔开，主管路则通过常开电磁阀与大气相通，因此旋转密封气室此时不受压，旋转密封气室的使用寿命较长，轮胎内的气体也不会通过旋转密封气室泄漏，轮胎保压性能好。同时因为轮胎内的气体与主管路之间是由车轮阀自动断开的，因此闭锁阀可以保持开启状态，系统工作时无需驾驶员下车打开闭锁阀，操作简便。但车轮阀具有一定重量，如果不安装在车轮中心，会破坏车轮的动平衡。总的来说，这种结构具有性能先进、操作简便的优势，美国和法国的系统采用了这种结构。我国由军事交通学院研制成功的系统也采用这种结构。无车轮阀系统在轮边没有车轮阀，只有闭锁阀，轮边结构简单。闭锁阀尺寸可以做得很小，重量也很轻，因此这种系统对原车的动平衡和结构没有太大影响。但放气时轮胎气体必须通过主管路与大气相通，放气管路长，阻尼大，放气速度慢。目前，德国和俄罗斯系统采用了这种结构的系统。但二者在操作上有所区别。俄罗斯的系统强调可靠性，对旋转密封气室的密封性能要求不高。不使用系统时，操作人员必须下车将闭锁阀关闭，以防止轮胎气压通过旋转密封气室泄漏。对我国进口的装有CTIS的俄罗斯车辆的测试表明，如果不关闭闭锁阀，轮胎气压将在12小时内泄漏1/3以上。德国奔驰公司的系统则不要求关闭闭锁阀，因此其旋转密封气室始终受压。由于密封性能较好，轮胎气体的泄漏速度大约是2psi(约14kPa)，比俄罗斯系统要低很多。即使这样，长期受压的旋转密封气室也会造成使用寿命缩短、长期停放时轮胎气压泄漏等问题。比较而言，俄罗斯系统虽然操作不便，但可靠性高，对旋转密封气室的密封性能要求不高，使用寿命长。德国奔驰系统的旋转密封装置可靠性和使用寿命稍低，但操作方便，而且可以实现轮胎气压的实时监测和显示(如Unimog系列车型)。根据放气口位置不同，系统又可分为轮边放气和主管路放气两种。所谓轮边放气就是将轮胎气压通过轮边的车轮阀直接通向大气。由于放气管路短，阻尼小，因此这种结构的系统放气速度快。主管路放气系统则是将轮胎气压引回到主管路中的放气阀再通向大气。由于放气管路长，阻尼大，因此这种结构的系统放气速度慢。根据操作方式不同，轮胎中央充放气系统还可分为手动控制系统和电子控制系统两种。手动控制的系统通过开关或按钮控制电磁阀，实现充气、放气和测压等功能。由于没有电子控制单元，手动系统具有较高的可靠性，多用在军用车辆上。对于强调可靠性的俄罗斯，其轮胎中央充放气系统全部采用手动控制的方式，依靠系统设计的思想将该系统与车辆进行整合。电子控制的CTIS由一个电子控制单元实现系统的所有功能。工作时，操作人员只需通过按键从预设的几种路面模式(气压)中选择一种，有的还设有载重选择，电子控制单元即自动控制相应电磁阀测量各轮胎的当前气压，并将当前气压与所选路面对应的目标气压作比较，计算出充气或放气所需的时间，然后控制相应电磁阀对各轮胎进行充气或放气的操作。采用电子控制的CTIS自动化程度高，轮胎气压控制准确，操作简便，在西方国家的民用车辆上得到广泛应用。自上世纪80年代起，法国、美国的CTIS就已经采用电子控制的方式，德国奔驰公司的部分系统也采用了电子控制的方式。我国军事交通学院研制的系统也于上世纪90年代未实现了电子控制。3发展趋势如今，汽车电子技术、传感器技术、新结构、新材料等正不断更新和发展。轮胎中央充放气系统集机械、电子、材料、传感器等各种技术于一体，也在不断发展中。3.1系统整合对汽车各种电子系统进行整合是汽车电子技术发展的必然趋势。如今，一些厂家已经将发动机电子控制系统与传动系统控制系统进行整合，拟用一个主电子控制单元控制全车系统。随着车载网络技术的发展，这种整合也更加灵活。对于采用电子控制方式的轮胎中央充放气系统，可以采用网络的方式将系统整合到全车电子控制系统中去。在全车电子控制系统中为CTIS设置软件和硬件接口，CTIS的电子控制单元也设置相应接口，这样就可以通过全车电子控制系统操作CTIS了。目前，国内已经有研究单位和厂家开始进行该项工作。除此之外，将近几年新发明的轮胎气压监测系统(TirePressureMonitoringSystem，TPMS)与CTIS整2011西部汽车产业·学术论坛暨四川省第十届汽车学术年会论文集179合也是发展趋势之一。当前的轮胎中中央充放气系统在测量轮胎气压时，必须由操作人员通过控制面板上的按钮或开关操纵系统来实现，因此对轮胎气压的监测不是实时的。TPMS的特点将传感器和发射单元置于轮胎内，因此可以实时测量轮胎气压和温度，并通过无线的方式将测量结果发射出来。借助这一技术优势，将TPMS与CTIS结合，将使CTIS具有实时测压能力，可以使CTIS的自动化水平进一步提高。3.2系统优化设计系统优化是轮胎中央充放气系统现实而紧迫的工作，主要包括结构优化和控制策略优化等方面。结构优化主要是对旋转密封气室和轮边结构进行改进设计。对旋转密封气室，一方面要尽可能将其位置放置在半轴与半轴套管或桥壳之间，减小密封圈唇口的线速度，延长其使用寿命。另一方面要设计体积更小、拆装更灵活的旋转密封气室，以适应门式桥等新型结构。对于轮边结构，主要对车轮阀进行改进设计，减小体积，减轻重量，使其能适应轻型车辆的结构要求。CTIS的控制策略即轮胎充放气规律，是电子控制装置控制充放气过程的主要依据。经过半个世纪的发展，轮胎中央充放气系统在技术上已经比较成熟。但从公开的文献并没有看到关于轮胎充放气规律的研究。由于充放气过程受轮胎容积、空压机排量、发动机转速等诸多因素的影响，对这些影响因素和充、放气过程展开研究，获得昀优的控制策略，是提高CTIS控制效率和准确度的重要途径。控制策略的研究既可以通过理论分析结合实验研究的方式[10]，也可以借助越野系统交互仿真(ORSIS)等专业分析工具进行[11]。3.3密封圈材料CTIS中的密封圈有气封和油封两种，作用是在旋转密封气室中隔离润滑油，密封压缩气体，是轮胎中央充放气系统的关键部件之一。由于工作环境和条件特殊，要求密封圈具有良好的耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。为满足这些要求，其唇口材料多采用聚四氟乙烯。当前，德国奔驰公司生产的密封圈在耐磨、耐高温、耐腐蚀等方面都具有较好的性能，为日本五十铃汽车所采用。在我国，由天津军事交通学院研制成功的密封圈也达到世界先进水平。经台架试验30000km后，密封圈性能和结构仍然良好。但拆解测量表明，材料为40Cr的试验轴在15000km后被密封圈磨出0.4~0