一種輪胎動平衡監測系統及其監測方法與流程

2023-12-09 12:15:31 1

本發明涉及車輪動平衡檢測技術領域，尤其涉及一種輪胎動平衡監測系統和方法。

背景技術：

隨著我國汽車行業的飛速發展和汽車技術水平的提高，汽車可行駛速度越來越高，車輪不平衡對汽車安全性能的影響也越來越大。車輪不平衡產生的不平衡力的大小和方向在不斷變化，一是整車有上下跳動的趨勢，引起垂直方向的振動，影響汽車行駛平穩性;二是引起轉向輪橫向擺動，影響汽車操縱穩定性和行駛安全。更嚴重的還會造成輪胎、轉向及傳動系統零部件的衝擊和磨損，縮短使用壽命。因此，汽車使用一段時間後，一定要對車輪進行動平衡檢測。

因輪胎動平衡直接關係到車輛的行駛安全，為了保證廣大人民群眾的生命財產安全，《計量法》特意明確了對輪胎動平衡的測量要求，要求對各汽修企業以及4S在用的車輪動平衡機依法進行校準，由此可見輪胎動平衡對行車安全的重要性。

目前的車輪動平衡檢測主要利用動平衡機檢測，平衡機分為就車式與離車式，但是鑑於其工作原理，均不能在車輛行駛過程中對輪胎動平衡進行檢測。需要車主在使用一段時間後主動到維修點去做檢測，但是檢測費時且需付費，所以很多車主在不更換輪胎的情況下都不會主動去檢測動平衡。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明的目的之一在於提供一種輪胎動平衡監測系統，可實時監測輪胎是否處於動平衡狀態，並在不平衡時發送報警信號，提高車輛的行駛安全，保證生命和財產安全。

為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種輪胎動平衡監測系統，其包括：

監測模塊，安裝於輪胎上，用於檢測車輛行駛中輪胎的振動幅值，並在振動幅值大於設定幅值時，發出輪胎不平衡信號；

接收模塊，所述接收模塊用於接收所述輪胎不平衡信號。

優選地，所述監測模塊包括震動感應器、第二主控單元以及RF發射單元，所述震動感應器採集輪胎的振動信號，第二主控單元接收所述振動信號，並根據振動信號計算振動幅值，在所述振動幅值並在振動幅值大於設定幅值時，第二主控單元通過RF發射單元向接收模塊發送輪胎不平衡信號。

優選地，所述震動感應器為震動開關、X軸加速度傳感器、Z軸加速度傳感器以及三軸加速度傳感器中的任一種或多種。

優選地，所述監測模塊還包括壓力傳感器，所述壓力傳感器用於採集輪胎的胎壓信號，所述第二主控單元接收所述胎壓信號並通過RF發射單元發送至接收模塊。

優選地，所述監測模塊為FXTH87系列TPMS集成傳感器。

優選地，所述接收模塊包括第一主控單元、RF接收單元以及報警單元，所述RF接收單元與RF發射單元相匹配，用於接收所述輪胎不平衡信號並將所述輪胎不平衡信號發送給第一主控單元，所述第一主控單元在收到輪胎不平衡信號後驅動報警單元進行報警。

本發明的目的之二在於提供一種輪胎動平衡監測方法，可實時監測輪胎是否處於動平衡狀態，並在不平衡時發送報警信號，提高車輛的行駛安全，保證生命和財產安全

一種輪胎動平衡監測方法，其包括以下步驟：

步驟1、檢測車輛行駛過程中的輪胎振動幅值；

步驟2、在振動幅值大於設定幅值時發出輪胎不平衡信號。

優選地，所述步驟1之前還包括以下步驟：

檢測車輛當前車速，如果當前車速大於設定車速，則執行步驟1，否則，結束或等待下一次監測，所述當前車速通過Z軸加速度傳感器採集的數據計算得到：

其中，其中V為車輛速度（m/s），Az為Z軸加速度傳感器採集的加速度值，g為重力加速度，R1為輪胎外圈半徑，R2為Z軸加速度傳感器到輪胎中心位置的距離。

優選地，所述步驟1包括以下步驟：

步驟11、通過加速度傳感器以一定間隔時間t採集n次車輛行駛過程中的加速度值，其中，n * t>T，T=2πR1/V，T為輪胎轉一圈所花的時間；

步驟12、通過統計分析法確定加速度值對應的振動幅值，所述統計分析法為全距法、百分位差法、四分位差法、方差法、標準差法、差異係數法、平均差法中的任一種。

優選地，述加速度傳感器為一個或兩個，當加速度傳感器為兩個時，步驟2中，判斷發出輪胎不平衡信號的方法為以下兩種方式中的任一種：

任意一加速度傳感器檢測得到的振動幅值大於其對應的設定幅值；

兩個加速度傳感器檢測得到的振動幅值均大於其對應的設定幅值。

相比現有技術，本發明的有益效果在於：

1、提供了一種可實時監測輪胎動平衡的系統和方法，能在車輛行駛過程中檢測輪胎的動平衡，一旦發現輪胎的平衡性有問題即可即時報警，用戶可以再去維修點進行專業的測試與平衡調整，能提高車輛的行駛安全，保證廣大人民群眾的生命財產安全；

2、將輪胎動平衡融合到TPMS監測系統中，擴展了TPMS監測模塊的功能，或者直接在現有TPMS監測模塊上進行改進，用垂直和橫向的兩顆加速度傳感器同時對輪胎在垂直或/和橫向的振動進行監測，達到實時監測輪胎動平衡的功能，提高監測模塊的價值，增加用戶體驗。

附圖說明

圖1為本發明輪胎動平衡監測系統的結構框圖；

圖2為監測模塊的安裝示意圖；

圖3為監測模塊的電路原理框圖；

圖4為圖3中第二主控單元的電路原理圖；

圖5為圖3中RF發射單元的電路原理圖；

圖6為圖3中第二電源單元的電路原理圖；

圖7為接收模塊的原理框圖；

圖8為圖7中第一主控單元的電路原理圖；

圖9為圖7中第一電源單元的電路原理圖；

圖10為LCD驅動電路的電路原理圖；

圖11為圖7中報警單元的電路原理圖；

圖12為圖7中RF接收單元的電路原理圖；

圖13為輪胎動平衡監測方法的流程圖。

其中：10、接收模塊；11、第一主控單元；12、第一電源單元；13、顯示單元；14、RF接收單元；15、報警單元；20、監測模塊；21、X軸加速度傳感器；22、Z軸加速度傳感器；23、壓力傳感器；24、第二主控單元；25、RF發射單元；26、第二電源單元；30、輪胎。

具體實施方式

下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發明做進一步描述：

請參照圖1和2所示，一種輪胎動平衡監測系統，其包括：監測模塊20，安裝於輪胎30上，用於檢測車輛行駛中輪胎的振動幅值，並在振動幅值大於設定幅值時，發出輪胎不平衡信號；接收模塊10，所述接收模塊用於接收所述輪胎不平衡信號。監測模塊20根據需要被監測的輪胎數量可以設置為一個或多個。

請參照圖3所示，監測模塊20包括震動感應器、第二主控單元24、RF發射單元25和第二電源單元26，所述震動感應器採集輪胎的振動信號，第二主控單元24接收所述振動信號，並根據振動信號計算振動幅值，在所述振動幅值並在振動幅值大於設定幅值時，第二主控單元通過RF發射單元向接收模塊發送輪胎不平衡信號，第二電源單元26為第二主控單元24和RF發射單元25供電。所述震動感應器為震動開關、X軸加速度傳感器、Z軸加速度傳感器以及三軸加速度傳感器中的任一種或多種，在本發明較佳的實施例中，採用了X軸加速度傳感器21、Z軸加速度傳感器22相結合的方案，同時，該監測模塊20還包括壓力傳感器23（也可以同時包括溫度傳感器），所述壓力傳感器23用於採集輪胎的胎壓信號，所述第二主控單元24接收所述胎壓信號並通過RF發射單元25發送至接收模塊，即將現有的TMPS胎壓監測模塊與震動感應器結合在一起，提高監測模塊的價值和用戶體驗。

請參照圖7所示，接收模塊10包括第一主控單元11、RF接收單元14、顯示單元13、報警單元15和第一電源單元12，所述RF接收單元14與RF發射單元25相匹配，用於接收所述輪胎不平衡信號並將所述輪胎不平衡信號發送給第一主控單元11，所述第一主控單元11在收到輪胎不平衡信號後驅動報警單元15進行報警。顯示單元13用於實時顯示輪胎的胎壓信號，第一電源單元12為第一主控單元11、RF接收單元14和顯示單元13供電。接收模塊也可以將預警信號通過手機、原車儀表或其他設備顯示或報警。

這裡需要說明的是：

1、第二主控單元24可以只接收振動信號，然後將振動信號發送給第一主控單元11，第一主控單元11對振動信號進行計算處理後得到振動幅值，在振動幅值大於設定幅值時，通知報警單元15報警，通過顯示單元13實時顯示振動幅值；

2、第二主控單元24可以是接收振動信號並對振動信號進行計算處理後得到振動幅值，然後將振動幅值發送給第一主控單元11，第一主控單元11對振動幅值進行判斷，在振動幅值大於設定幅值時，通知報警單元15報警，也可以通過顯示單元13實時顯示振動幅值。

為了公開充分，在本發明較佳的實施例中，公開了監測模塊20和接收模塊10的具體電路，但是並不意味著本發明監測模塊20和接收模塊10隻能通過該公開的具體電路實現，任何滿足上述原理的電路均在本發明的保護範圍內。

監測模塊20整體採用飛思卡爾FXTH87系列TPMS集成傳感器，當然也可以採用其他SOC的晶片方案、或者採用分立元件的方案來實現同樣的功能。該飛思卡爾FXTH87系列TPMS集成傳感器在第二主控單元24（圖4所示的晶片U1及其外圍電路）的基礎上集成有溫度傳感器、壓力傳感器、X軸加速度傳感器以及Z軸加速度傳感器（未示出，這些傳感器集成在晶片U1的內部），同時，將RF發射單元25（圖5所示）也集成在該第二主控單元24（RF發射單元25的輸出端連接於晶片U1的第11埠）上。

RF發射單元25主要包括偏置電路、第一濾波電路、隔直電路和發射天線，其中，隔直電路包括電容C11和電容C14，第一濾波電路為由電感L3、電容C12和電容C13組成的π型濾波電路，偏置電路包括電阻R1和由電感L2和電容C10組成的第二濾波電路組成，晶片U1的第11埠依次通過電容C11、電感L3、電容C14連接到發射天線，電容C12和電容C13的一端分別連接於電感L3的兩端，二者的另一端均接地，第二電源單元26的輸出端通過電阻R1和電感L2後連接於晶片U1的第11埠和電容C11之間，電容C10一端接地，另一端連接於電阻R1和電感L2之間。

請參照圖6所示，第二電源單元26主要由電池B100經過電容C17、電容C2和電容C3組成的多級濾波電路構成，產生電源電壓，由於飛思卡爾FXTH87系列TPMS集成傳感器最高供電電壓是3.6V，則該電源電壓一般控制在3.6V以下，例如可以通過兩節乾電池串聯形成3.0V的電源，電池B100和電容C17、電容C2和電容C3並聯關係。

第一主控單元11主要由晶片U4及其外圍電路組成，請參照圖8所示，晶片U4可以採用一般單片機，例如STM8L052C8T6等。第一電源單元12如圖9所示，主要由第一濾波電路、穩壓電路U19和第二濾波電路組成，其中，車載電源經過開關S4（撥動開關）連接到穩壓電路U19（例如三態穩壓電路），然後經穩壓電路U19輸出電源信號VCC為顯示單元13、第一主控單元11和RF接收單元14供電。第一濾波電路由並聯的電容C32和電容C18組成，二者並聯後的一端連接於開關S4和穩壓電路U19的輸入端之間，另一端接地；而第二濾波電路由並聯的電解電容C20和電容C19組成，二者並聯後的一端連接於穩壓電路U19的輸出端，另一端接地。

顯示單元13由LCD、LCD驅動電路以及背光電路組成，其中，LCD驅動電路連接於第一主控單元11和LCD之間，LCD驅動電路如圖10所示，其主要有晶片U28及其外圍電路組成，晶片U28通過串行數據線和時鐘線與晶片U4連接，然後晶片U28通過數據線連接於LCD上，背光電路直接與晶片U4的使能端相連，通過晶片U4對背光電路進行控制。

報警單元15可以採用聲/光報警，在本發明較佳的實施例中，採用蜂鳴器實現聲音報警，請參照圖11所示，其主要由作為開關管的三極體Q8和蜂鳴器B1組成，其中，三極體Q8的基極連接於晶片U4的報警控制輸出端（第20埠），三極體Q8的集電極通過蜂鳴器B1連接於一外接電源（可以是5V車載電源），三極體Q8的發射極接地，當有輪胎不平衡信號被晶片U4接收時，晶片U4的報警控制輸出端輸出高電平，三極體Q8導通，蜂鳴器B1報警。

RF接收單元14主要由RF接收晶片U3、其外圍電路以及濾波電路、放大電路和接收天線組成，其中，接收天線採用螺旋天線，接收天線接收發射天線處傳送的信號後經過濾波（包括隔直）、放大、濾波（包括隔直）後發送給RF接收晶片U3，由RF接收晶片U3連接至晶片U4的串行外設接口。

請參照圖13所示，上述輪胎動平衡監測系統實現監測輪胎動平衡的方法包括以下步驟：

步驟1、通過Z軸加速度傳感器實時採集輪胎在Z軸（垂直方向，如圖2所示，即輪胎的徑向）的加速度值Az，由於Z軸方向是車輪離心力方向，所以可以利用Z軸加速度值計算車輛的當前速度V：

其中，其中V為車輛速度（m/s），Az為Z軸加速度傳感器採集的加速度值，g為重力加速度，R1為輪胎外圈半徑，R2為Z軸加速度傳感器到輪胎中心位置的距離；

步驟2、因車輪在低速行駛時輪胎振動不明顯，且檢測需要消耗監測模塊的電量，因此需要設定一個車速的閾值Vm（為設定車速值），僅當車速V≥Vm時才開始檢測，因此，在當前車速小於閾值Vm時，等待下一次檢測信號的到來（從步驟1開始重新檢測），在當前車速不小於閾值Vm時，執行步驟3；

步驟3、計算Z軸振動幅值，其方法是：

利用Z軸加速度傳感器監測輪胎在垂直方向的振動，當輪胎在垂直方向抖動時會影響Z軸加速度值的大小，考慮到Z軸的加速度值會隨著車速增大而增大，且Z軸加速度傳感器在輪胎旋轉過程中還有一個方向帶來的±1g，通過對應的算法將Z軸加速度值變化轉化為垂直方向的振動等級。

具體是：依照檢測間隔t來測量n個Z軸加速度值，Z1，Z2，Z3……Zn，然後利用統計分析方法計算出n個值的差異程度，以確定輪胎在Z軸的振動幅度:ΔZ。具體統計分析方法可以是全距、百分位差、四分位差、方差、標準差、差異係數、平均差等。

需要說明的是：

選擇n與t時需要滿足以下條件：

1)n * t>T，因至少需要測量輪胎轉動一圈的振動；

為保證能測量到輪胎轉到每個角度的振動，一般選取12*t<T，T:輪胎轉一圈所花的時間，公式：T=2πR1/V。

步驟4、通過X軸加速度傳感器實時採集輪胎在X軸（橫向，如圖2所示，即輪胎的軸向）的加速度值，並計算X軸振動幅值。

利用X軸加速度傳感器監測輪胎在橫向的振動，當輪胎在橫向方向抖動時會在X軸正負兩個方向出現加速度值，X軸的加速度值變化轉化為橫向振動等級。

具體方法是：依照檢測間隔t來測量n個X軸加速度值，X1，X2，X3……Xn，然後利用統計分析方法計算出n個值的差異程度，以確定輪胎在X軸的振動幅度：ΔX。具體計算方法可以利用全距、百分位差、四分位差、方差、標準差、差異係數、平均差等方法。

步驟5、平衡度判斷，判斷方法為以下任一種：

1、當ΔX≥Xerr（X軸的不平衡閾值）時；

2、當ΔZ≥Zerr（Z軸的不平衡閾值）時；

3、當ΔX≥Xerr（X軸的不平衡閾值）且ΔZ≥Zerr（Z軸的不平衡閾值）時。

對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。