保持胎压动态平衡的轮胎降温装置及其方法

摘要

本发明提供了一种保持胎压动态平衡的轮胎降温装置及其方法，可用于降低轮胎温度，其包括充气泵、输气钢管、球型旋转通气轴、轮毂支座、充气嘴、轮胎放气控制阀和充气泵通电阀。轮胎放气控制阀内设有温度传感器模块和蓝牙模块，当温度传感器监测到轮胎内气体温度超过设定阈值时，蓝牙模块向汽车ECU和充气泵通电阀发送启动汽车空调系统和充气泵的信息，充气泵将空调蒸发器周围的低温空气输送至轮胎内。与此同时，轮胎放气控制阀开启，将轮胎内高温空气泄出。通过选择充气泵的电机转速和轮胎放气控制阀出气口的截面积成一定比例，使进入到轮胎内的低温空气和从轮胎内泄出的高温空气的空气量相同，在保持胎压动态平衡的前提下，达到轮胎降温的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车轮胎降温装置，尤其涉及一种在进行胎压监测试验时，控制轮胎内气体温度变量，保持胎压动态平衡的轮胎降温装置及其方法。

背景技术

在产乘用车通常需要安装胎压监测传感器，各大车企和汽车零配件厂商不断加大对胎压监测系统的研发力度。由于成本低的优点，基于轮胎滚动半径和频谱法的间接式胎压监测系统的研发备受各大车企和汽车零配件厂商的青睐。在间接式胎压监测系统研发的过程中，发现：由胎压传感器测得的轮胎实际胎压会受到轮胎内气体温度的影响。在炎热的夏季，试验车辆在马路上高速行驶一段时间，轮胎内的气体温度会显著升高，进而使胎压传感器测得的轮胎胎压亦显著升高。当需要采集固定胎压的数据，例如胎压为2.3bar时轮胎的数据时，往往需要根据经验将车辆启动前的胎压调整为2.25bar，并驾驶汽车行驶一段时间，进行“热胎”，待轮胎内温度相对稳定时，才开始轮胎数据的采集。而试验车辆行驶时间过长后，往往还需要停车一段时间，使轮胎内的温度和气压下降到稳定值后再继续行驶，这显然会极大地耗费试验时间，增加试验人员的工作强度，而且根据经验预调的胎压在“热胎”后也并不精确，有很大的随机性。

本发明就是为了实现轮胎内的气体温度保持在一定阈值之内，排除进行胎压监测试验时轮胎胎压受到温度过分升高的影响而提出的。

发明内容

不同于其他通过向轮胎表面喷水降温和热传导降温的轮胎降温方式，本发明通过充气泵向轮胎内直接充入低温空气的方法，使轮胎即使在高温天气行驶了一段时间后也能保持轮胎内的气体温度在一定阈值内，排除了在进行胎压监测试验时由于轮胎内气体温度的持续升高对胎压监测试验过程的干扰。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种保持胎压动态平衡的轮胎降温装置，其包括冷气收集广口罩、输气软管、充气泵、三弯形输气钢管、球型旋转通气轴、一弯形输气钢管、轮毂支座、充气嘴、轮胎放气控制阀和充气泵通电阀，所述冷气收集广口罩固定于空调蒸发器右侧，其进气口朝向空调蒸发器，其出气口通过输气软管与充气泵的进气口端相连通，充气泵与充气泵通电阀通过电线相连，充气泵通电阀与车载电源通过电线相连接；所述充气泵固定于汽车后备箱，其出气口端通过输气软管与三弯形输气钢管的进气口端相连通，三弯形输气钢管固定于汽车内轮罩上，其出气口端与球型旋转通气轴的进气口端相连通，球型旋转通气轴的出气口端与一弯形输气钢管的进气口端相连通；所述球型旋转通气轴包括球型外壳、球体和密封垫；球体球心处设有贯穿的气孔，球型外壳与球体之间设有密封垫；所述一弯形输气钢管通过轮毂支座固定于轮胎的轮毂上，轮毂支座的中心轴线、一弯形输气钢管的进气口端的中心轴线、球型旋转通气轴的中心轴线和轮胎的中心轴线重合，一弯形输气钢管的出气口端通过输气软管与充气嘴的进气口端相连通；所述轮胎放气控制阀包括控制阀外壳、弹簧、推杆、活塞、活塞腔、电磁线圈、永久磁铁、电池、密封圈和控制阀电路系统，控制阀外壳的侧壁上设置有外壳泄压口，控制阀外壳的两个端面分别设置有控制阀出气口、控制阀进气口，活塞腔内置活塞和推杆，推杆的两端分别连接电磁线圈和弹簧，弹簧固定于控制阀外壳的右侧内壁上，永久磁铁固定于控制阀外壳的左侧内壁上，电池置于活塞腔与控制阀外壳的下侧内壁之间，为电磁线圈和控制阀电路系统供电；所述控制阀电路系统固定于控制阀进气口上，控制阀电路系统内设置有电源模块、控制模块、温度传感器模块、蓝牙模块和继电器模块，控制阀电路系统上设置的温度传感器模块用来监测轮胎内的气体温度，蓝牙模块用于向汽车ECU和充气泵通电阀传输信息，继电器模块用于控制电磁线圈的通断电，控制模块用于温度判定，控制蓝牙模块发送信息，控制继电器模块的通断，电源模块为其余模块供电；该装置利用充气泵将汽车空调蒸发器处的低温空气输送至轮胎内，同时利用轮胎放气控制阀从轮胎内泄出等量的高温空气，以保证轮胎胎压动态平衡和降低轮胎内空气温度。

优选地，所述球型外壳包括进气半球外壳和出气半球外壳，进气半球外壳和出气半球外壳能相对转动，所述球型旋转通气轴内置四个密封垫，以防止气体进入球型旋转通气轴外壳与球体之间的间隙，使气体只能经过球体的气孔流通。

优选地，所述球型旋转通气轴的出气半球外壳、一弯形输气钢管和轮毂支座能随轮胎的转动进行同步转动；控制阀出气口作为活塞腔的出气口，控制阀进气口作为活塞腔的进气口，活塞能在活塞腔中进行左右移动，控制阀进气口插进轮胎内并固定，密封圈置于控制阀进气口和轮胎之间，起固定和密封的作用。

优选地，所述充气嘴的出气口端卡接在轮胎气门嘴上，充气嘴为单向流通充气嘴，气体只能从充气嘴进气口端向充气嘴出气口端流通，轮胎放气控制阀需从轮辋打孔插入轮胎内。

优选地，所述充气泵的电机转速大小和控制阀出气口的截面积满足一定的比例关系，通过充气泵通电阀控制充气泵通电开启的时间，同时控制阀电路系统控制控制阀出气口的开关，以使轮胎内进气量与泄气量相同。

优选地，当温度传感器模块测得的轮胎内气体温度大于设定的轮胎内气体温度阈值时，蓝牙模块向汽车ECU和充气泵通电阀发送开启空调系统和充气泵的信息；当温度传感器模块测得的轮胎内气体温度小于或等于设定的轮胎内气体温度阈值时，蓝牙模块向汽车ECU和充气泵通电阀发送关闭空调系统和充气泵的信息。

优选地，所述轮胎内气体温度阈值设定为20℃。

优选地，所述充气泵的转速r与控制阀出气口的截面积A应满足如下比例关系：

A/r＝k；

k为比例系数，且k可以表示为：

k＝(C×ρ

式中：C为充气泵气缸容积、ρ

本发明的第二方面提供一种基于前述保持胎压动态平衡的轮胎降温装置的使用方法，其包括如下步骤：

S1、通过控制阀电路系统设定温度阈值，当轮胎内的气体温度大于设定的温度阈值时，控制模块控制蓝牙模块将控制汽车空调系统开启和控制充气泵开启的信息分别发送给汽车ECU和充气泵通电阀，汽车ECU开启汽车空调制冷系统，充气泵通电阀开启充气泵；

S2、充气泵将空调蒸发器周围的低温空气通过冷气收集广口罩和输气软管吸入，并将吸入的低温空气依次通过输气软管、三弯形输气钢管、球型旋转通气轴、一弯形输气钢管、输气软管和充气嘴输送进轮胎内；

S3、在控制阀电路系统上的蓝牙模块向汽车ECU发送信息的同时，控制模块控制继电器模块闭合，电磁线圈通电产生磁场，电磁线圈在永久磁铁磁力的吸引作用下向左移动，电磁线圈依靠推杆带动活塞向左移动，控制阀进气口通向活塞腔的端口被打开，轮胎内的高温气体通过控制阀进气口，活塞腔和控制阀出气口泄出；

S4、向轮胎内冲入低温空气，将高温空气从轮胎内泄出，通过低温空气和高温空气在轮胎内的置换，降低轮胎内气体的温度；

S5、通过选择充气泵工作时的电机转速和控制阀出气口的截面积满足一定的比例关系，使进入轮胎内的低温空气和从轮胎内泄出的高温空气的空气量相同，使轮胎的胎压维持动态平衡；

S6、当控制阀电路系统内的温度传感器模块监测到轮胎内的气体温度低于设定阈值时，控制阀电路系统内的蓝牙模块将关闭汽车空调系统和充气泵的信息分别发送给汽车ECU和充气泵通电阀，汽车ECU控制车载空调系统关闭，充气泵通电阀控制充气泵关闭；

S7、在控制阀电路系统上的蓝牙模块向汽车ECU发送信息的同时，控制模块控制继电器模块断开，电磁线圈断电，磁场消失，弹簧的弹性恢复力拉动推杆，活塞和电磁线圈向右移动，控制阀进气口通向活塞腔的端口被关闭，轮胎内的空气不再泄出；

S8、当轮胎内气体温度再次升高并达到设定的温度阈值时，重复上述充放气步骤，如此，通过轮胎内低温空气和高温空气的等量更换，在维持胎压动态平衡的前提下，达到轮胎降温的目的。

采用以上技术方案，能够达到如下有益效果：

(1)本发明立足于进行胎压监测试验时控制轮胎内气体温度变化影响因素的现实要求，通过收集汽车空调蒸发器周围的低温空气，利用充气泵的动力，将低温空气通过轮胎气门嘴输送到轮胎内，同时轮胎放气控制阀打开，通过选择充气泵的电机转速与控制阀出气口的截面积满足一定的比例关系，使轮胎内充气量和放气量相同，在保证轮胎内胎压维持动态平衡的前提下，通过低温空气置换出轮胎内的高温空气，达到轮胎降温的目的；

(2)本发明设计的球型旋转通气轴的进气口端和出气口端能相对转动，即使轮胎在高速旋转过程中亦能使低温空气顺利通入轮胎内；

(3)本发明利用汽车自带的空调散热器周围的低温空气作为降温源，无需外置降温源装置，成本低。

附图说明

图1是本发明的装置结构图；

图2是本发明的球型旋转通气轴结构图；

图3是本发明的轮胎放气控制阀结构图；

图4是本发明的系统控制策略图；

图5是本发明保持胎压动态平衡的仿真模型图；

图6是本发明保持胎压动态平衡的仿真结果图；

图7是本发明控制阀电路系统原理图；

图8是本发明充气泵通电阀内电路系统原理图。

附图标记：

1、汽车空调蒸发器；2、冷气收集广口罩；3、输气软管；4、充气泵；5、输气软管；6、汽车内轮罩；7、三弯形输气钢管；8、球型旋转通气轴；9、一弯形输气钢管；10、轮毂支座；11、输气软管；12、充气嘴；13、轮胎放气控制阀，14、轮胎；15、充气泵通电阀16、进气半球外壳；17、球体；18、出气半球外壳；19、密封垫；20、控制阀外壳；21、外壳泄压口；22、控制阀出气口；23、弹簧；24、推杆；25、活塞；26、活塞腔；27、电磁线圈；28、永久磁铁；29、电池；30、密封圈；31、控制阀进气口；32、控制阀电路系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件能以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，显示的是本发明的整体结构，包括冷气收集广口罩2、输气软管3、充气泵4、输气软管5、三弯形输气钢管7、球型旋转通气轴8、一弯形输气钢管9、轮毂支座10、输气软管11、充气嘴12、轮胎放气控制阀13和充气泵通电阀15。汽车空调蒸发器1、汽车内轮罩6和轮胎14为一般汽车标准配置，不包含在本发明中，因描述完整性需要，特地在图中标出。其中，冷气收集广口罩2固定于空调蒸发器右侧，冷气收集广口罩2的进气口大，朝向空调蒸发器1。冷气收集广口罩2的出气口小，通过输气软管3与充气泵4的进气口端相连通。

充气泵4固定于汽车后备箱，充气泵的出气口端通过输气软管5与三弯形输气钢管7的进气口端相连通。充气泵4与充气泵通电阀15通过电线相连接，充气泵通电阀15与车载电源通过电线相连接。三弯形输气钢管7固定于汽车内轮罩6上，三弯形输气钢管7的出气口端与球型旋转通气轴8的进气口端相连通。

球型旋转通气轴8的结构如图2所示，球型旋转通气轴8包括进气半球外壳16、球体17、出气半球外壳18和密封垫19。进气半球外壳16和出气半球外壳18为非固定连接，能相对转动，进气半球外壳16和出气半球外壳18组成球型旋转通气轴的整个外壳；球体17有一条经过球心的气孔贯通球体，气体能经气孔流通；密封垫19置于球型旋转通气轴外壳与球体17之间，用于防止气体进入球型旋转通气轴外壳与球体17之间的间隙，使气体只能经过球体17的气孔流通；球型旋转通气轴的出气口端与一弯形输气钢管9的进气口端相连通。

一弯形输气钢管9由轮毂支座10固定于轮胎14的轮毂上，轮毂支座10的中心轴线，一弯形输气钢管的进气口端的中心轴线，球型旋转通气轴8的中心轴线和轮胎14的中心轴线在同一条直线上，故球型旋转通气轴8的出气半球外壳18，一弯形输气钢管9和轮毂支座10能随轮胎14的转动进行同步转动；一弯形输气钢管的出气口端通过输气软管11与充气嘴12的进气口端相连通。

充气嘴12的出气口端卡接在轮胎气门嘴上，充气嘴12为单向流通充气嘴，气体只能从充气嘴进气口端向充气嘴出气口端流通。

轮胎放气控制阀13需从轮辋打孔插入轮胎14内，轮胎放气控制阀的结构如图3所示，包括控制阀外壳20、弹簧23、推杆24、活塞25、活塞腔26、电磁线圈27、永久磁铁28、电池29、密封圈30和控制阀电路系统32；控制阀外壳20起保护和固定组件的作用，控制阀外壳20上设置有外壳泄压口21，使控制阀外壳20与活塞腔26间的空气能够自由进出，减少活塞运动时由于压缩空气产生的阻力；控制阀外壳20上端面设置有控制阀出气口22，下端面设置有控制阀进气口31，控制阀出气口22同时也是活塞腔26的出气口，控制阀进气口31同时也是活塞腔26的进气口；活塞腔26内置活塞25和推杆24，推杆左侧连接电磁线圈27，推杆右侧连接弹簧23，弹簧23固定于控制阀外壳20的右侧内壁上；活塞25能在活塞腔26中进行左右移动；永久磁铁28固定于控制阀外壳20的左侧内壁上，电池29置于活塞腔26与控制阀外壳20的下侧内壁之间，为电磁线圈27和控制阀电路系统32供电；控制阀进气口31插进轮胎内并固定，密封圈30置于控制阀进气口31和轮胎14之间，起固定和密封的作用。

控制阀电路系统32固定于控制阀进气口31上，控制阀电路系统32是一个微型电路板，电路板上设置有电源模块，控制模块，温度传感器模块，蓝牙模块和继电器模块；控制阀电路系统32上设置的温度传感器模块用以监测轮胎内的气体温度，蓝牙模块用于向汽车ECU和充气泵通电阀15传输信息，继电器模块用于控制电磁线圈27的通断电，控制模块用于温度判定，控制蓝牙模块和继电器模块。

下面结合本发明的装置结构图，说明本发明的运行过程：

S1、控制阀电路系统32的控制模块内包含有设定的温度阈值信息，当控制阀电路系统32内的温度传感器模块监测到轮胎内的气体温度大于设定的温度阈值时，控制模块控制蓝牙模块将控制汽车空调系统开启和控制充气泵开启的信息分别发送给汽车ECU和充气泵通电阀15，汽车ECU开启汽车空调制冷系统，充气泵通电阀15开启充气泵4；

S2、充气泵4将空调蒸发器1周围的低温空气通过冷气收集广口罩2和输气软管3吸入，并将吸入的低温空气依次通过输气软管5，三弯形输气钢管7，球型旋转通气轴8，一弯形输气钢管9，输气软管11和充气嘴12输送进轮胎14内；

S3、在控制阀电路系统32上的蓝牙模块向汽车ECU和充气泵通电阀15发送信息的同时，控制模块控制继电器模块闭合，电磁线圈27通电产生磁场，电磁线圈27在永久磁铁28磁力的吸引作用下向左移动，电磁线圈27依靠推杆24带动活塞25向左移动，控制阀进气口31通向活塞腔26的端口被打开，轮胎14内的高温气体通过控制阀进气口31，活塞腔26和控制阀出气口22泄出；

S4、向轮胎14内冲入低温空气，将高温空气从轮胎14内泄出，通过低温空气和高温空气在轮胎14内的置换达到降低轮胎内气体温度的目的；

S5、通过选择充气泵4电机转速的大小与控制阀出气口22截面积的大小成一定的比例关系，使进入轮胎内的低温空气和从轮胎内泄出的高温空气的空气量相同，最终使轮胎的胎压维持在一种动态平衡的状态。

S6、当控制阀电路系统32内的温度传感器模块监测到轮胎内的气体温度低于或等于设定阈值时，控制阀电路系统32内的蓝牙模块将关闭汽车空调系统和充气泵4的信息分别发送给汽车ECU和充气泵通电阀15，汽车ECU控制车载空调系统关闭，充气泵通电阀15控制充气泵4关闭；

S7、在控制阀电路系统32上的蓝牙模块向汽车ECU发送信息的同时，控制模块控制继电器模块断开，电磁线圈27断电，磁场消失，弹簧23的弹性恢复力拉动推杆24，活塞25和电磁线圈27向右移动，控制阀进气口31通向活塞腔26的端口被关闭，轮胎14内的空气不再泄出；

S8、当轮胎内气体温度再次升高并达到设定的温度阈值时，重复上述充放气步骤，如此，通过轮胎内低温空气和高温空气的等量更换，在维持胎压动态平衡的前提下，达到轮胎降温的目的，排除进行胎压监测试验时，轮胎内温度持续升高因素的干扰。

下面结合系统控制策略图4，对本发明中提及的通过选择充气泵电机转速的大小与控制阀出气口成一定的比例关系实现胎压动态平衡的可行性进行介绍：

由充气泵输送至轮胎内的低温空气量和从轮胎内泄出的高温空气量以气体质量为衡量标准；

从轮胎泄出的气体质量m

式中：Q为气体体积流量、t

气体体积流量Q＝v×A；

式中：v为泄出气体平均流速、A为通道截面积；

故而，有m

充气泵冲入轮胎的气体质量m

式中：C为充气泵气缸容积、r为充气泵电机转速、t

控制轮胎内气体进入和泄出的气体质量相同，即，使m

即：v×A×t

式中：泄出气体平均流速v由轮胎内气体与大气的压差决定，在轮胎泄气的短时间内，压差变化很小，故泄出气体平均流速v为固定值；

在轮胎放气控制阀打开的同时，蓝牙模块向汽车ECU发送开启充气泵的控制信息，控制充气泵及时开启，信息传输的延时为毫秒级，能忽略，故轮胎放气控制阀打开时间t

轮胎内的气体密度ρ

充气泵气缸容积C在生产制造时便已确定，为固定值；

ρ

所以，A/r＝(C×ρ

等式右侧皆为固定值，记为k；

所以，有A/r＝k；

当放气控制阀放气口的截面积与充气泵电机转速满足一定的比例关系时，能实现m

为证明本发明维持胎压动态平衡的可行性，利用上述推导过程，搭建Matlab/Simulink模型，进行仿真，模型如图5所示。

仿真结果如图6所示，横坐标代表模拟充气时间，纵坐标代表进入轮胎内的空气量与从轮胎内泄出的空气量的差，可知从轮胎泄出的气体与充气泵冲入轮胎的气体量在极小的范围内浮动，可证明此时胎压保持动态平衡。

如图7所示，本发明提供控制阀电路系统32的电路原理图，包括电源模块、控制模块、温度传感器模块、蓝牙模块和继电器模块。

如图8所示，本发明提供充气泵通电阀15的电路原理图，包括电源模块、控制模块、蓝牙模块和继电器模块。

本发明应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明能有而各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。