汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置的製作方法

2023-04-27 17:08:31

專利名稱：汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，尤指一種由環狀壓力氣囊、位移傳感器、信號處理器、胎壓顯示器及連通管所組成的胎壓監測裝置，該裝置可用於汽車在靜止狀態和行駛狀態中，均能監測輪胎的胎壓狀況。
背景技術：
開車時駕駛人有時會感覺到既使猛踩油門，車子也是加速遲緩、操控費力，而誤以為是引擎失常；然而，其實是胎壓不足，輪胎變形、阻力增大所致，但是當胎壓過大時，加速雖然靈敏、跑起來輕快，然而遇路面不佳時，卻抖動厲害、座感頗為不適；再者，若四輪胎壓不均，導致輪徑不一時，在高速行駛中，則容易產生蛇行及方向盤掌控不易的情形，進而也容易導致擦撞或對撞的危險狀況，且胎壓不足或過高狀況下，重載高速行駛很容易發生爆胎失控，很多事故大都與胎壓不當有直接密切的關係，因此胎壓的問題直接涉及行車的安全。
然而，一般傳統檢查車胎胎壓的方法，大都採用靜態胎壓計，即採用車輛停止時連接輪胎的氣嘴進行檢測，卻無法在車輛行進中進行監測，因此必須養成日常行車前檢查胎壓的習慣，否則一旦忘記檢查，胎壓失常未覺，很容易導致事故的發生；由此，便有從事此行業者於汽車輪胎內或其氣嘴上裝設一壓力傳感器及無線電發射器，如臺灣審定公告第323600號專利案，即利用射頻載波方式將壓力傳感器所感測的壓力信號傳送出去，而在車室內則設有一無線電接收器及顯示器，無線電接收器於接收到發射器所發射的信號後，即經相關係信號處理單元解調處理，再由顯示器顯示胎壓狀況。然而，此類無線電方式的胎壓警示器皆有如下困擾問題
一、胎壓感測單元及發射信號的裝置都裝設於輪胎內或氣嘴上，皆須靠電池電力才能運作，但電池電力有限，又需長時持續作業，造成電池壽命短，更換電池頻繁又不可預期，因此疑慮甚多。
二、輪胎於行駛時內部溫度很高，對於電池及相關電路裝置的穩定性、可靠性及壽命都極為不利，萬一電池失效又未察覺，則形同未設胎壓警示裝置狀態，更增加了危險狀況。
三、另有業者設計僅在胎壓過低或過高時發射警告信號，因此在胎壓正常時不發射射頻信號，則其情況形同電池或發射器失效一樣，故警示裝置正常與否並無法研判。
四、以無線電方式發射胎壓信號，則各輪胎必須編碼或賦予特定的載波頻道，以便區分、不相干擾，但卻增加警示器電路的複雜性與生產成本。
五、既使在最省電狀況下使用，其電池更換周期仍然不逾5～6個月，其費用不低且作業也較為麻煩。
六、輪胎原本就是高速運轉、承負重載與衝擊的動態零件，在輪胎上局部位置增加胎壓的警示裝置，安裝固定本就不易，何況又使質量分布嚴重不均，動態平衡更為不易，導致輪胎運轉時強烈振動，有加速輪胎惡化與爆胎的危險性。
七、此外，爆胎或更換輪胎時容易影響或損壞感測與發射裝置，且感測與發射裝置的維修及校正亦非常不便。
由此，要如何設法解決上述已有技術的缺陷與不便，即為相關業者所亟欲研究改進的方向。

發明內容
本發明的主要目的乃在於提供一種汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置。該裝置是通過環狀壓力氣囊的固定面固定於汽車輪胎的鋼圈內側，並與輪胎同步運轉，且位移傳感器以非接觸方式監測環狀壓力氣囊隔膜的位置，並產生對應的胎壓信號，胎壓信號經過信號處理器，即傳送至駕駛座前的胎壓顯示器顯示，因此各輪胎的胎壓狀況即一目了然的獲取。


圖1為本發明的方塊示意圖。
圖2為本發明的環狀壓力氣囊與位移傳感器安裝位置示意圖。
圖3為本發明的環狀壓力氣囊的結構示意圖。
圖3A為本發明的環狀壓力氣囊的結構示意圖。
圖4為本發明全車裝配時的方塊示意圖。
圖5為本發明的全車輪胎胎壓監測裝置安裝位置示意圖。
圖6A為本發明胎壓與隔膜位置的關係對應圖。
圖6B為本發明胎壓與間隙的關係對應圖。
圖6C為本發明胎壓與「已調信號」電壓的關係對應圖。
圖6D為本發明胎壓與「反已調信號」電壓的關係對應圖。
圖中符號說明11 環狀壓力氣囊110底盤14胎壓顯示器111固定面 141 胎壓上下限設定裝置112傳感面 142 聲響警報器113內牆15連通管114外牆151 通氣口115氣室16隔膜116底面17汽車電池
12 位移傳感器 18穩壓器13 信號處理器 19電源開關20 輪胎21 鋼圈22氣嘴31 軸座具體實施方式
為能對本發明的目的、技術特徵、該裝置的構造及其功效有進一步的認識與了解，茲配合附圖與實施例，詳細說明如下。
請參閱圖1、圖2及圖3所示，該裝置由一中空的環狀壓力氣囊11(Pressure Cell)、一位移傳感器12(Displacement Sensor)、一信號處理器13(Signal Processor)、一胎壓顯示器14(Pressure Display)及一連通管15(Link tube)所組成，其中如圖2、圖3所示，該環狀壓力氣囊11的固定面111與輪胎20的鋼圈21同軸固裝並可同步運轉，再者，上述環狀壓力氣囊11遠離固定面111的另側則設有傳感面112，且於傳感面112上設有不鏽鋼製成的波浪狀隔膜16(Diaphragm)，且通過連通管15與輪胎20的氣嘴22(Air Inlet)或特設的通口相連接，使環狀壓力氣囊11內氣體與輪胎20內氣體相通，達到二者的氣壓相等，進而隔膜16可隨輪胎20的胎壓的變化，而產生對應的軸向位移，當壓力大時，隔膜16則朝a方向移動，壓力小時則朝b方向移(如圖2放大圖所示)，因此只要監測其位置，即可獲知相對應的輪胎20壓力(如圖6A所示)；再者，位移傳感器12(Displacement Sensor)固定於輪胎20的軸座31上(如圖2所示)，並與環狀壓力氣囊11的隔膜16(Diaphragm)保持一微小間隙，當胎壓(Pressure)增大時，間隙則減小；反之，當胎壓降低時，間隙則相對的增大，其為反變關係(如圖6B所示)，且上述位移傳感器12為一非接觸渦電流感應式傳感器，且因渦流效應對於金屬的接近十分敏感。因此當該間隙隨胎壓變化而改變時，位移傳感器12由信號處理器13提供的激勵電壓，也因渦流效應產生振幅調製(Amplitude Modulation)現象，其調製後的信號(ModulatedSignal)則稱為「已調信號」(Vsig)；故當間隙增大時，渦流效應減弱，「已調信號」(Vsig)也增大；反之，間隙減小時，渦流效應增強，「已調信號」(Vsig)也減小，可見「已調信號」(Vsig)與間隙(Gap)成正比關係，而環狀壓力氣囊11的內部壓力(Pressure)與「已調信號」(Vsig)則為線性的反比關係(如圖6C所示)；另外，上述信號處理器13內設有一反相器(Inverter)，可通過反相器(Inverter)而得到一「反已調信號」(Vsig)，反已調信號則與壓力(P)成正比關係(如圖6D所示)，因此胎壓愈大信號愈大，胎壓愈小信號也相對愈小；再者，信號經信號處理器13加以解調(Demodulating)、濾波(Filtering)、放大(Amplifying)、比值(Scaling)處理後，輸至胎壓顯示器14，而胎壓顯示器14為可裝設於駕駛座前的儀錶板上(如圖1所示)，以模擬或數字方式將胎壓顯示出來，所以只要打開汽車電池17的電源開關19，即使汽車電池17的電源先於穩壓器18予以穩定電壓，再分別供應位移傳感器12、信號處理器13及胎壓顯示器14。
通過上述構件的組成，當汽車輪胎20的胎壓發生變化時，隔膜16將因胎壓的變化而產生對應的軸向位移，使位移傳感器12感測到此位移的距離，而將位移的訊號傳送至信號處理器13，經由信號處理器13的處理後，傳輸至胎壓顯示器14，顯示輪胎20的胎壓變化狀況，可通過胎壓顯示器14，實時獲得輪胎20的胎壓狀況，由此而給駕駛者提供是否行車的數據，以達成安全行駛汽車的目的。
再者，在胎壓顯示器14可進一步依序連接有胎壓上下限設定裝置141及聲響警報器142，以警報聲增加警示效果。
在本發明中，請參閱圖2、圖4及圖5所示，該裝置的環狀壓力氣囊11及連通管15分別安裝於汽車的四個輪胎20上，而信號處理器13隱藏於儀錶板下的機箱內，胎壓顯示器14則安裝於儀錶板上駕駛員容易看見的位置(如儀錶板的一側邊上)，令使用者坐上駕駛座就可以看見胎壓顯示器14所顯示各輪胎的胎壓的變化狀況。
在本發明中，復請參閱圖1所示，該裝置尚包括一穩壓器18，該穩壓器18設於胎壓顯示器14與汽車電池17之間，令其分別與胎壓顯示器14、汽車電池17相連接，且其並與汽車的電源開關19相接，當使用者激活電源開關19為閉路狀態(ON)時，可使汽車電池17的電源先於穩壓器18予以穩定電壓，再供應位移傳感器12、信號處理器13、胎壓顯示器14。本發明所採用的位移傳感器12、信號處理器13、胎壓顯示器14可以採用現有的技術，因此不再詳細闡述其具體結構。
復請參閱圖2、圖3所示，該隔膜16依據胎壓的變化量，而產生相對應的軸向位移，當胎壓趨大時，該隔膜16將向外凸出，當胎壓減少時，該隔膜16則向內縮，該位移傳感器12依據該隔膜16的位移產生相對應的位移感測訊號。
再者，上述的環狀壓力氣囊11與汽車輪胎20的輪圈21內緣可為一體成型所製成或為分離式設計所構成。如第3圖所示，其中該環狀壓力氣囊11由圓環狀的固定面111與固定面111平行的圓環狀傳感面112及一組同心支撐固定面111與傳感面112的管形內牆113、外牆114所組成，且內牆113、外牆114的邊緣與固定面111及傳感面112密接形成氣室115，且外牆114設有一通氣口151，可藉由連通管15與輪胎20之氣嘴22或特定之通口211相通。
另如第3A圖所示，該環狀壓力氣囊11之內外牆113、114及與固定底盤110接著之底面116亦可由較厚之不鏽鋼片一體衝壓成型，成為一具有剛性結構體之框架，而傳感面112之隔膜16則為具靭性之不鏽鋼薄片、在軸向方向衝壓成具彈性之同心波浪狀，其邊緣則與框架之內外牆113、114的端緣密切焊合，形成一環狀連通氣室115。
本發明的位移傳感器12在環狀壓力氣囊11動態高速旋轉情況下，可監測對應於胎壓的隔膜16位置，並將其轉換為對應的胎壓信號。其中該位移傳感器12為一非接觸渦電流感應式傳感器，而環狀壓力氣囊11為一壓力轉換位移的線性轉換器。另外，環狀壓力氣囊11可為耐久的材料(如不鏽鋼)製作，不受風吹與雨淋日曬或常態振動衝擊所損，且其質量分布十分均勻，能與輪胎20動態平衡校正一次完成。
本發明的環狀壓力氣囊的容氣體積設計如下Vair＝(Ro2-Ri2)×π×Ld，且Ro、Ri為環狀壓力氣囊內牆與外牆的半徑，並當氣囊內壓力變化時，其變異可略而不計，Ld為氣囊的軸向長度，因此其容積變化成為一維的線性關係ΔVair＝A×ΔLd，或ΔLd＝A-1×ΔVair，式中A＝(Ro2-Ri2)×π，為環狀壓力氣囊的圓環徑向截面積，亦為常數值。
本發明的環狀壓力氣囊的隔膜位置G、對於環狀壓力氣囊內部的壓力P於軸向具有敏感的線性應變特性，即P＝k1×G，k1＝P/G，k1為環狀壓力氣囊的轉換數或傳輸比，且位移傳感器的輸出會隨隔膜位置G的遠近、產生一對應的已調信號，Vsig，即G＝k2×Vsig，k2＝G/Vsig，K2為位移傳感器的轉換數或傳輸比，進而可導知胎壓P＝k1×k2×Vsig＝k×Vsig，k＝k1×k2＝P/Vsig＝P×Vsig-1，k為胎壓監測裝置的統傳輸比或傳換數。
本發明具有下列諸多優點
一、上述環狀壓力氣囊可由傳感面的隔膜將胎壓轉換為對應位置的線性關係，故只要以非接觸式位移傳感器，監測隔膜的位置就可導知胎壓狀況，即使輪胎上不需要裝設任何耗電的電路或感測組件。
二、環狀壓力氣囊以轉軸為中心，所以其質量分布均勻且十分對稱，故可輕易與輪胎的動態平衡一起校正解決，完全不具動態不平衡的困擾，且其為不鏽鋼或耐久性的材料製作，又受輪圈保護，無日曬雨淋或撞擊所損之虞，幾乎不需保養。
三、本發明各輪胎皆各有專屬的胎壓監測裝置，與專屬的有線信號輸送線，既簡便又可避免信號幹擾的缺陷。
四、位移傳感器(Dislacement sensor)為非接觸型(Contactless)除感應式(Inductive type)外，亦可依使用者的需求而可有電容式(Capacitive type)或磁感式(Magnetic type)等可供選擇。
綜上所述，本發明上述汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置於使用時，確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異的發明，符合發明專利的申請要件，依法提出申請。
權利要求
1.一種汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，包括有環狀壓力氣囊、位移傳感器、信號處理器、胎壓顯示器及連通管所組成，其特徵在於該環狀壓力氣囊的一側邊固定於汽車輪胎的輪圈內緣，且相對輪圈的另側則設有具隔膜的傳感面，而傳感面的隔膜為可隨輪胎的胎壓變化而產生軸向位移；該位移傳感器定位於環狀壓力傳感器於隔膜對應的軸座上，並可供檢測隔膜的軸向位移及產生對應的已調信號；該信號處理器連接於位移傳感器的下遊位置，且可提供激勵信號給位移傳感器，並可將位移傳感器的已調信號進行解調、濾波、放大及比值處理為對應的胎壓值；該胎壓顯示器連接於信號處理器的下遊位置，並可供顯示信號處理器的胎壓值；該連通管連通於輪胎與環狀壓力氣囊間，並使輪胎與環狀壓力氣囊的內部壓力相等。
2.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該環狀壓力氣囊為設有一通氣口，且通氣口為可供連通管套設定位。
3.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該環狀壓力氣囊為可隨輪胎同步轉動。
4.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該環狀壓力氣囊由圓環狀的固定面與固定面平行的圓環狀傳感面及一組同心支撐固定面與傳感面的管形內外牆所組成，且內外牆的邊緣與固定面及傳感面密接形成氣囊，外牆並設有一通氣口。
5.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該環狀壓力氣囊可由隔膜、框架及一圓環形固定底盤組成，且框架為較厚的不鏽鋼一體衝壓成型並具不易變形的剛性結構體，而隔膜則為具韌性的不鏽鋼薄片且在軸向方向衝壓成具彈性的同心波浪狀，而邊緣則與框架的內外牆緣密接結合，形成一環狀連通氣室。
6.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該位移傳感器在環狀壓力氣囊動態高速旋轉情況下，可監測對應於胎壓的隔膜位置，並將其轉換為對應的胎壓信號。
7.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該環狀壓力氣囊為一壓力轉換位移的線性轉換器。
8.如權利要求1所述的汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，其中該位移傳感器為一非接觸渦電流感應式傳感器。
全文摘要
本發明為一種汽車輪胎的胎壓監測方法與裝置，該裝置由環狀壓力氣囊、位移傳感器、信號處理器、胎壓顯示器及連通管所組成。其中環狀壓力氣囊的固定面固定於汽車輪胎的鋼圈內側，並與輪胎同步運轉。且環狀壓力氣囊的外緣由連通管與輪胎的氣嘴或特設的通口接通，因此兩者內部壓力相等；再者，環狀壓力氣囊的隔膜既能阻絕氣體外洩，又能隨壓力調整位置；另外，上述位移傳感器為以非接觸方式監測環狀壓力氣囊隔膜的位置，並產生對應的胎壓信號，胎壓信號經由信號處理器處理後，傳送至駕駛座前的胎壓顯示器，因此各輪胎的胎壓狀況可一目了然的獲取。
文檔編號B60C23/02GK1607108SQ20031010069
公開日2005年4月20日 申請日期2003年10月14日 優先權日2003年10月14日
發明者蔡青松 申請人:蔡青松