梁可申

（广州市交通高级技工学校，广州市 510540）

汽车轮胎压力与TPMS系统的发展

梁可申

（广州市交通高级技工学校，广州市 510540）

随着汽车进入家庭步伐的加快，人们对汽车的安全性能的要求越来越高，作为提高汽车主动安全性能措施之一的TPMS系统受到人们越来越多的关注。论文根据分析轮胎气压大小对轮胎性能和行驶性能的影响，指出对行驶中的汽车轮胎气压进行监测与报警的必要，论述TPMS系统的原理，并提出引导TPMS系统发展的三点看法。

汽车轮胎压力监测系统（TPMS）；轮胎气压；轮胎参数

一、轮胎参数

随着汽车工业的发展，汽车轮胎正在经历一场新的革命，在技术开发上开始出现了一系列的重大突破，包括有全天候轮胎、全地面轮胎，绿色轮胎，仿生轮胎和智能轮胎等技术脱颖而出。催生这些创新技术的动力是汽车轮胎就像人的双脚，“千里之行，始于足下”，汽车轮胎性能好坏直接影响到汽车的行驶性能。众所周知，目前汽车使用的都是充气轮胎，用以缓和汽车行驶过程中受到的冲击，衰减由此产生的振动，这种轮胎的质量区别不但只在于有无内胎、能否适应各种环境、材料是否环保及制作工艺优劣等，还在于轮胎自身的各种参数；而在轮胎参数当中，轮胎气压是一个非常重要的参数，胎压是否正常，将直接影响到轮胎的性能和行驶安全。

二、轮胎气压和温度的重要性

分析汽车轮胎气压和温度对其性能的影响，可以归纳为以下几点：

1．对动力性的影响。轮胎气压偏低，滚动的轮胎变形增大，轮胎弹性迟滞损失增大，从而加大了滚动阻力偶矩。

2．对平顺性的影响。轮胎气压对汽车振动有非常大的影响，当振动达到一定程度时，将会使乘客感到不舒服和疲劳，或使运输的货物损坏，影响汽车行驶的平顺性。

3．对燃油经济性的影响。轮胎对燃油经济性的影响主要表现在它对滚动阻力的影响上，试验表明，滚动阻力每增加1N，料油耗量每百公里增加0．011，当轮胎气压较标准值降低20%～25%时，汽车油耗将增加10%，所以轮胎气压越低，汽车油耗就越高。

4．对汽车行驶里程的影响。轮胎气压过低或过高，都会影响汽车行驶里程。气压过低，轮胎变形为外张内缩，导致生热增加，加速橡胶老化、疲劳，出现脱层现象等；而气压过高，轮胎接地面积小，磨耗量增大。

5．对安全性的影响。轮胎气压偏高时，帘线过度伸张，胎体弹性降低而使其刚性增大。同时，单位压力增大，汽车行驶时，胎冠受冲击应力就大，因而易产生冠部帘线损伤，一旦受到障碍物冲击，便会产生内裂或爆破。在同样使用条件下，气压偏高的轮胎缓冲性能差，冲击振动大，操作性能差，特别是在坏路面上行驶时，轮胎易产生机械损伤，影响行驶安全；轮胎气压偏低时，在同样承载条件下，胎体变形大，行驶时轮胎温度升高，橡胶老化，轮胎碰到障碍物时由于冲击力大，容易产生帘线层断裂，致使轮胎爆破，同时由于滚动阻力增大，使汽车转向性能亦变差。

6．对轮胎寿命的影响。轮胎气压低于标准值时，变形增大，受力发生变化，易使轮壁帘布层呈环状断裂，胎面磨损不均，胎肩的磨损急剧增大；同时，各部件胶于帘布层，帘布层之间剪切力增大，生热加剧，使胶层与帘布层的物理性能下降，轮胎使用寿命缩短；若胎压长期低于正常气压的80%，在高速行驶时，轮胎会急剧升温而脱层，最后导致爆胎。轮胎气压高于标准值时，因轮胎地面接触的面积减少，单位压力增高，使轮胎的中部磨损增加。统计数据认为：胎压提高25%，轮胎寿命将会降低10%～15%；而降低气压25%，寿命将会下降20%。

7．汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大，一般温度不能超过80℃。每升高1℃，轮胎磨损就增加2%；行驶速度增加1倍，轮胎行驶里程就降低50%。一般来说轮胎温度不能超过80℃，当温度达到95℃时，轮胎的情况就非常危险。

三、关于轮胎气压的讨论

由此可见，保持正常轮胎气压（及温度）可以提高汽车行驶性能，延长轮胎使用寿命，降低汽车使用成本。尤其值得注意的是，它还是提高汽车安全性能的关键因素之一。如果说安全气囊是一种实属无奈的被动式安全措施，那保持正常轮胎气压可以说是汽车预设主动安全措施之一。因此，轮胎应该保持适当压力的提法由来己久，几乎与轮胎的历史一样久远，换句话说，轮胎保持适当压力就与油箱保持适量燃油一样重要。

据不久前一篇新闻报道，在全世界范围内行驶的汽车只有大约13%是行驶在轮胎压力理想状态之下。而根据美国汽车行业2001年的统计，美国的车辆中有20%～40%的轮胎充气压力不足（所谓“亚充气状态”）。为此，美国的法规要求自2003年下半年起，所有新组装的汽车都必须装备TPMS。这主要是因为2000年夏季美国发生的一系列交通事故的起因都是由于亚充气的轮胎在行驶过程中从车体分离而导致追尾。在美国TPMS是继安全带、安全气囊后为汽车安全立法强制要求安装的第三个汽车安全产品。新颁布的法令要求使用更先进的直接TPMS，即对每个轮胎中都进行压力监控。直接TPMS不仅有助于预防交通事故，而且每年节约的燃料消耗和汽车维护费用可达17亿美元，因为亚充气轮胎将缩短轮胎的寿命并增加燃料消耗。另外，美国的一些汽车组织（RMA）对1999年汽车事故的研究发现，其中有647次致命事故与胎压有关。另一项研究（ATI）也表明大于85%的轮胎损毁是由于轮胎压力不足或压力渐失造成的。

我国也同样存在轮胎充气压力不合理的问题，且未引起大家的充分重视。在实际应用中，很多人习惯于依据经验判断轮胎充气压力是否合理，乃因充气压力达到70%看起来就像充气压力达到100%一样；而且，即使车辆行驶前做了轮胎气压的测量，行驶中这个参数也是一个因工作环境处于动态变化之中的变量。许多司机只依据经验来判断胎压（一般轿车的胎压为0．21 MPa），使我国约有50%的汽车轮胎在充气压力低于标准压力30%的状态下行驶。实例统计表明：当轮胎压力低于其额定值0．03 MPa时，轮胎的正常使用寿命将会减少25%；当轮胎压力高于其额定值25%时，其寿命也将会减少15%～20%。交通管理部门公布的数据表明：在国内交通事故中，约有30%是因轮胎气压过低导致橡胶过热，或因轮胎气压超高导致轮胎爆破所引起，而在高速公路的交通事故中，这一比例更是高达70%以上。

同时，轮胎气压也事涉能源消耗：《中国民航报汽车周刊》2002年9月份的文章指出，汽车在胎压不足的情况下行驶，每行驶100公里要多耗油0．26升。随着我国汽车工业的迅速发展和我国2003年再次沦为石油进口国这两个事实，汽车耗用国家石油的相对值和量值都呈指数型的上升，国内各大城市都为汽车激增而带来的能源消耗、清洁能源替代问题而忧心，环境保护的压力徒增。

汽车已经是“昔日王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，自然造成非专业司机的激增，交通事故潜在可能性亦越来越大，当中汽车轮胎安全问题排在首位——轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。轮胎是在高速度、高摩擦、高温度、高负荷和接触不同性质路面的动态条件下工作的，可以说其工作环境十分恶劣，一旦作用在其上的负荷超过轮胎的承受极限，就会造成轮胎爆裂，使汽车瞬间丧失操纵性。不妨试想一下，汽车高速行驶中突发爆胎，即使受过专业训练的F1赛车手都无能为力，遑论业余司机？对此，一方面要求提高人们自身的安全意识和汽车用户都希望汽车能更安全、更可靠、性能更高，维护费用更低，另一方面也要求汽车制造商逐步提高汽车自我保护性能，特别是针对性地开发研制轮胎气压实时监测与报警装置，以策安全。

四、汽车轮胎压力监测系统

TPMS是汽车轮胎压力监测系统“TirePressure MonitoringSystem”的英文缩写形式，是一种采用无线传输技术，利用固定于汽车轮胎内的微型传感装置采集汽车轮胎压力和温度的数据，并将数据无线传送到驾驶室内的主机中，以数字化的形式实时显示汽车轮胎压力和温度的相关数据，并在轮胎出现危险征兆时（预防爆胎）进行报警的汽车主动安全系统。它的主要功能是在汽车行驶时实时的对轮胎气压和温度进行自动监测，系统对轮胎过高、过低、漏气和气温过高都会进行自动报警，从而达到预防爆胎、降低油耗的目的。

目前装置于车辆上的胎压监测系统分为两种，一种使用ABS传感器的间接监测系统，另一种为使用设置在轮胎上的无线接口传感器的直接监测系统。

1．间接式轮胎压力监测系统

间接式轮胎压力监测系统透过汽车制动防抱死系统（ABS）上的速度传感器来判定各条轮胎的胎压。车辆行驶，当其中一条轮胎的胎压较低时车辆的重量会使该轮胎直径缩小，车轮之间的转动次数自然会有差别，经过计算后将触动警报系统，向驾驶者提出警告。

显而易见，间接式轮胎压力监测系统的优点是与ABS系统共享传感器和感测信号，不必添加额外的硬件装置，所以只需调整车内计算机的软件便可获得胎压异常的警示信息，因此开发时间较短和成本较低。

但其缺点也是很明显：

（1）间接式轮胎压力监测系统是通过收集比较各车轮转速的方式来判定轮胎的胎压是否过低，因此，使用间接式轮胎压力监测系统的前提是车辆必须具有ABS系统；

（2）除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主要原因，如行驶于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高，或者是当车辆高速转弯时车胎的抓地力已经无法克服过弯时的离心力，外侧轮胎与内侧轮胎的转动次数便有明显差异，这些情况便会出现错误警告信息。

（3）当四条轮胎的胎压同时下降，系统便失去判定的准则，警告信息自然就不会出现。（4）无法对同轴或对两个以上轮胎同时缺气的状态显示；车速超过100㎞／h时失效。（5）间接式轮胎压力监测系统受到最多争议的就是监测功能仅在车辆行驶中才能发挥作用，因此对备胎或当车辆停驶时，便无法判断。

2．直接式轮胎压力监测系统（TPMS）

直接式轮胎压力监测系统与间接式轮胎压力监测系统最大不同是在每一个轮胎（包括备胎）中安装压力传感器来直接测量轮胎气压（和温度），由此而使间接式轮胎压力监测系统的缺点迎刃而解。

TPMS系统由两个部分组成：安装在汽车轮胎上的远程轮胎压力感测模块（TPM）和安装在汽车驾驶台上的中央监视器（LCD／LED显示器）。其原理是：直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的感测模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波（RF）发射出去。一辆轿车或面包车TPMS系统有4个或5个（包括备用胎）感测模块，一辆卡车有8～36个感测模块。中央监视器接收感测模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。

五、汽车轮胎压力监视系统的发展引导

国外早在2002年就已开发出了早期的TPMS产品，通过近几年的技术发展，TPMS产品也经历了一个自我完善自我发展的阶段。目前国内TPMS产品生产企业逐步增多，甚至在2007年就有企业向美国出口。但市场上的产品品种、型式、技术水平和质量参差不齐，鱼龙混杂，有许多高技术含量和高品质的产品，也有采用较为落后技术方案的产品（如只是使用简单的LED灯进行胎压高低压报警）。因此有必要对TPMS产品的发展进行引导：

1．TPMS产品是一种事涉社会多方的安全产品，所以有必要制定TPMS国家标准来规范和引导TPMS产业的良性发展。考虑该产品是一种较新的技术，先从鼓励先进技术的应用为目的，制定推荐性国家标准，待技术和产品进一步成熟后，可考虑制定为强制性国家标准的步伐。在这方面，我们可以参考美国公路交通安全管理局（NTHTSA）、国际标准化组织（ISO）、美国汽车工程师学会、欧洲的GRRF、日本的汽车标准化组织（JASO）等汽车发达国家或地区制定的各种TPMS标准。

参考的目的在于制定TPMS国家标准时要适用于我国的国情，既要规范市场的管理，又要引导产品的技术发展。国外的标准中有不少是需要我们先消化后改进的，比如“使用寿命期为6年或者行驶10万㎞”这个国外的标准成为我国的标准要求能否普遍实现？因为我国的电子元件的质量与国外同类产品有不少的差距是不争的事实；有些则要考虑与我国已经实行的标准有否冲突，如对TPMS系统发射频率的要求，已经涉及到我国既有空间频谱资源的占用问题等。

2．TPMS产品有4大核心（瓶颈）技术：（1）无线信号传输的稳定性和可靠性（特别是高速行使时的信号传输）；（2）传感器的使用寿命（免维护使用）；（3）报警提示的准确性（无误报警、错报警）；（4）传感器的耐压性。这4点都集中于在高温（100℃）、低温（－40℃）、水汽（低温冷凝水结冰）、旋转加速度（可达2000g）、振动冲击等工作条件下TPMS产品的传感器的稳定性问题，再加上在高速行驶的车辆上无线电接收效率下降的特性，从“等寿命设计原理”看，传感器的设计生产是瓶颈中的瓶颈。显然，传感器的微型化（减少离心力）和无电池化（使用微型超大容量电容）是一个方向，不过，从我国目前车用的压力和温度传感器的设计水平来看，从这个方向突破，还有很大的努力空间。

3．目前TPMS产品功能的最高水平也只是“报警”，能否突破这点，把报警升级为“处理”？其中一个思路是：能否象R级奔驰的预防性安全系统PRE－SAFE一样，能够在事故发生前片刻内（几毫秒）被激活并自动做出响应，最大程度地降低对车内乘客的伤害？我认为，以目前软件设计的水平，名副其实的汽车“主动安全”并不是那么遥不可及，至少可以在主动安全和被动安全之间建立一座桥梁。一个设想是把TPMS系统的中央监视器与汽车制动辅助系统以及ESP电控车辆稳定行驶系统进行网络（CAN）连接，其报警数据通过自设的“正常”、“危险”、“非常危险”等级差模式定位，经过自带ECU的运算，识别出可能导致事故危险的发生（如轮胎爆胎或突然泄气），在这种危急情况下，中央监视器将在几毫秒内做出反应，发出汽车减速或停车的指令；同时，在CAN标准的条件下，SRS系统打开，保护驾驶人员和乘客的安全。

六、讨论

人们普遍对汽车轮胎气压对轮胎性能和行驶性能的影响认识不深甚至熟视无睹，是本文写作的动机；写作中，随着对TPMS系统的认识不断深化，从而产生了把TPMS产品定位为主动安全和被动安全之间的一座桥梁的想法，应该不是异想天开，看看各种概念汽车的登场以及汽车各种眼花缭乱的电控系统的诞生，可知笔者的想法不虚，遑论文中的预防性安全系统PRE－SAFE早已配置在R级奔驰上了。

［1］吴恒．无线胎压检测系统的设计与研究［J］．武汉理工大学，2009，（04）．

［2］范勇．单向通信汽车轮胎压力监测系统设计及实现技术研究［D］．重庆大学，2007．

［3］包晓明．汽车轮胎压力监测系统［D］．西安理工大学，2005．

［4］刘桂飘，罗玉涛．轮胎气压对汽车性能影响的研究［J］．广东公安科技，2003，（01）．

Abs tra c t：As more and more people have private cars，there is an increasingly high demand for their safety performance．TPMS，as a measure to improve cars＇active safety performance is attracting much more attention．The paper analyses the influence of tire pressure on tire and travel performance，indicates the necessity of monitoring cars＇tire pressure in moving and giving an alarm，discusses the principles of TPMS and proposes a couple of ideas on TPMS＇development．

Key words：tire pressure monitoring system；tire pressure；tire parameters

On the Development of Tire Pressure and TPMS

LIANG Ke－shen

（Guangzhou Transportation Senior Secondary Technical Training School，Guangzhou 510540 China）

U463．341

A

1673－582X（2011）03－0064－05

2010－10－20

梁可申（1977－），女，广东顺德人，广州市交通高级技工学校讲师，主要从事汽车新技术及其运用方面工作。