+7 9057490766, +7 9055066033
ПАССИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В ШИНАХ И УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ КОЛЕС

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ШИНАХ АВТОМОБИЛЯ

1. Зачем измерять давление воздуха в шине колеса автомобиля?
2. Система косвенного измерения давления
2.1. Достоинства системы косвенного измерения давления
2.2. Недостатки системы косвенного измерения давления
3. Системы прямого измерения давления
3.1.Системы прямого измерения давления с внешними датчиками давления
3.1.1. Достоинства системы прямого измерения давления с внешними датчиками давления
3.1.2. Недостатки системы прямого измерения давления с внешними датчиками давления
3.2. Системы прямого измерения давления с внутренними датчиками давления
3.2.1. Достоинства системы прямого измерения давления с внутренними датчиками давления
3.2.2. Недостатки системы прямого измерения давления с внутренними датчиками давления
4. Система прямого измерения давления по международной заявке pct/ru 2021/000332
«Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес»
5. Сравнение характеристик системы прямого измерения давления с внутренними датчиками и «Пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес»

1. ЗАЧЕМ ИЗМЕРЯТЬ ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА В ШИНЕ КОЛЕСА АВТОМОБИЛЯ?
Проверка давления воздуха в шинах является первоочередной задачей ежедневного обслуживания автомобиля. 
По данным статистики 85% водителей не проверяют давление в шинах. 
На глаз определить разницу давлений в шинах в несколько десятых бар практически невозможно, между тем, установлено, что разница в 0,3 − 0,4 бар для ведущих передних колес, или 0,5 − 0,7 бар для задних колес, является критической: водитель не можете быть уверенными в реакции автомобиля на разгон, торможение или изменения направления движения. 
Недостаточное давление даже в одной шине неизбежно приводит к ухудшению управляемости автомобиля, а это может закончиться не только дополнительными расходами на покупку нового комплекта покрышек или «лишнюю» заправку, но и серьезной аварийной ситуацией с более плачевными и дорогостоящими последствиями.
Каждый год из-за проблем с давлением в шинах в мире гибнет ~ 660 человек и ~ 33 000 получают травмы.
В 2003 году принят закон, обязывающий оснащать системами контроля давления в шинах все автомобили, продаваемые на территории США. 
Подобные законы с 2009 года вводятся на территории Австралии, Японии и Южной Кореи. 
10 марта 2009 года Европейский парламент в Страсбурге официально утвердил предложение об упрощении процедуры сертификации автотранспортных средств в Европе. 
Эта директива также предусматривает обязательное внедрение проверенных технологий, в том числе систем контроля давления в шинах:
«Транспортные средства класса M1/M1G должны оснащаться точной системой контроля давления в шинах, предупреждающей водителя транспортного средства о потерях давлений в шинах, при которых транспортное средство более не отвечает требованиям к оптимальному расходу топлива и безопасности дорожного движения».
Система контроля давления и температуры воздуха в шинах поможет: 
1. Не допустить взрыва шины автомобиля во время движения, в том числе из-за перегрева воздуха в шине;
2. Обеспечить контроль давления и температуры воздуха в шине во время движения;
3. Повысить управляемость автомобиля;
4. По измеренной температуре воздуха обнаружить возможные неполадки в тормозной системе;
5. По измеренной температуре воздуха обеспечить контроль развала – схождения передних колес;
6. Обнаружить перегрев воздуха в шине от воздействия солнечных лучей во время стоянки.
Примерно с 2002 года компании, выпускающие дополнительное электрооборудование к автомобилям, активно подключились к разработкам систем контроля давления в шинах, которые получили название на английском языке – Tire Pressure Monitoring System, и не менее узнаваемую аббревиатуру – TPMS. 
Исследования, проведенные в США, показали, что срок службы автомобильных шин уменьшается при уменьшении давления. 
Шина, при стандартном давлении в 32psi (2,17 атм),  реализует пробег 80 000 миль (128726 км), если давление падает до 29psi (1,97 атм), то – 72000 миль (115848 км), а при 22 psi (1,49 атм) − 56 000 миль (59360 км). 
При отличии давления воздуха в шинах от оптимального давления расход топлива может возрасти на 4 % , кроме того, не реализуется заявленный ресурс шины.
Контроль температуры воздуха в шинах не менее важен, чем контроль давления. Изменение температуры в одном из колес во время движения может быть вызвано неполадками в тормозной системе (перегрев тормозных колодок, дисков/барабанов). Можно сказать, что контроль температуры в шинах − это превентивная мера диагностики ходовой части (например, по различной температуре в колесах можно определить необходимость проведения развала-схождения колес).
Различают два вида систем контроля давления в шинах: 
1. Системы косвенного измерения давления − iTPMS;
2. Системы прямого измерения давления − dTPMS.

2. СИСТЕМА КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Наиболее простой, с точки зрения конструкции, является система косвенного измерения давления, представляющая собой программное расширение блока управления системы ABS. 
Принцип работы данной системы основан на том, что спущенное колесо имеет меньший радиус качения и, соответственно, совершает большее число оборотов по сравнению с числом оборотов колес с нормальным давлением при прямолинейном движении автомобиля.
По сигналам от датчиков угловых скоростей колес система ABS вычисляет средние угловые  скорости вращения всех колес автомобиля на заданном интервале времени и сравнивает их значения между собой. 
При ощутимом отличии средней угловой скорости вращения конкретного колеса от средних угловых скоростей остальных колес, система считает, что в нем давление отличается от допустимого давления.
Существует еще резонансный метод контроля давления воздуха в шине. 
Изменение давления в шине приводит к изменению ее коэффициента упругости, поэтому при движении транспортного средства в каждой шине, под воздействием неровностей дороги, возникают случайные изменения радиуса качения колеса, которые приводят к тому, что измеренная угловая скорость колеса является случайной функцией времени.
Измеряя амплитудно − частотную характеристику случайной функции времени, определяют среднюю угловую скорость качения колеса, что в свою очередь позволяет оценить радиус качения колеса и, таким образом, оценить давление.
Применение двух алгоритмов оценки давления позволяет увеличить вероятность правильного обнаружения изменения давления системой косвенного измерения давления.
В системе предусмотрена адаптация к изменению параметров давления воздуха в шинах в случае их замены или проведения сервисных работ на ходовой части – так называемая калибровка системы. 
После проведения работ система во время движения оценивает и запоминает параметры давления воздуха в шинах колес автомобиля. 
Процесс калибровки постепенно переходит в контроль новых параметров давления воздуха в шинах. 
Важно, чтобы все шины были должным образом накачаны перед процедурой
калибровки, иначе контрольный модуль системы iTPMS откалибрует колеса
неправильно и может не обнаружить потерю давления в шинах. 
Процедуры калибровки существенно отличаются друг от друга и зависят от производителя и года выпуска автомобиля.

2.1. ДОСТОИНСТВА СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Единственным достоинством системы косвенного измерения давления перед системами прямого измерения давления является то, что она не содержит датчиков давления, устройств передачи информации и других устройств, предназначенных для обеспечения работы этих систем, следовательно, ее стоимость определяется только стоимостью дополнительных опций программного обеспечения системы ABS.

2.2. НЕДОСТАТКИ СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Эта система не способна определить изменение давления в шине при следующих ситуациях:
1. Использование на автомобиле шин разных производителей, типов и размеров;
2. Движение автомобиля при слишком малой или избыточно большой скорости;
3. Невыполнение калибровки после замены колес; 
4. Движение на скользкой дороге или по дороге с плохим покрытием;
5. При резком ускорении, торможении и при резких поворотах; 
6. При неравномерном распределении нагрузки по салону автомобиля;
7. При перегрузке автомобиля или при использовании прицепа; 
8. При одинаковом изменении давления воздуха во всех шинах колес.
9. На низкопрофильных шинах система может не заметить, что давление в шине понизилось, а с шинами RunFlat система не способна к работе. 
К недостаткам системы косвенного измерения давления также можно отнести неточность и ее медленное реагирование на изменение давления воздуха в шине.
Можно проехать несколько километров со спущенной шиной, а на мониторе только через какое-то время появится предупреждение о низком давлении. 
В большинстве случаев, для того, чтобы системы ABS определила отличие в скоростях вращений колес, отличие давлений в шинах должно составить 0,55 — 0,95 бар. 
Это зависит от типа, диаметра шин, а так же чувствительности системы ABS. 
Системы с косвенным измерением давления не имеют будущего, т. к. измеряют не давления воздуха в шине, а радиус качения шины, который может изменяться под действием многих причин, не связанных с давлением воздуха.

3. СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Системы прямого измерения давления воздуха в шине автомобиля имеют преимущество перед системами с косвенным измерением давления, т. к. измеряют непосредственно давление воздуха в шине, а не радиус качения шины, который может изменяться не только из-за изменения давления воздуха, но и в силу многих других причин. 
Системы прямого измерения давления выполняются в двух вариантах по способу установки датчиков давления: 
1. Системы с внутренними датчиками давления;
2. Системы с внешними датчиками давления.
Внутренний датчик давления устанавливается на ободе колеса внутри шины. 
Внешний датчик давления устанавливаются вместо колпачка на вентиль шины.

3.1.СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНЕШНИМИ ДАТЧИКАМИ ДАВЛЕНИЯ
В системах прямого измерения давления с внешними датчиками давления датчики давления изготавливаются в виде колпачков, навинчивающихся на вентиль шины (рис. 1).
При установке датчиков давления не нужно посещать автосервис и проводить шиномонтажные работы.

Рис. 1. Система прямого измерения давления с внешними датчиками давления

3.1.1. ДОСТОИНСТВА СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНЕШНИМИ ДАТЧИКАМИ ДАВЛЕНИЯ
1. Датчик давления легко устанавливается на вентиль шины;
2. Можно самостоятельно переставить систему с одного автомобиля на другой автомобиль или с одного комплекта колес на другой комплект колес;
3. Внешний датчик давления работает от элемента питания, который можно заменить, в отличие от элемента питания во внутреннем датчике давления.
3.1.2. НЕДОСТАТКИ СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНЕШНИМИ ДАТЧИКАМИ ДАВЛЕНИЯ
1. Большинство внешних датчиков давления быстро выходят из строя, так как постоянно подвергаются воздействию воды, противогололедных реагентов, кроме того, их воруют подростки.
2. При установке на вентиль шины датчик давления нажимает на золотник, и внутренняя полость датчика давления сообщается с внутренней полостью шины.
В случае неисправности такой датчик сам может создать угрозу безопасности движения, пропуская воздух из шины, т. к. датчик давит на золотник и запирает воздух в шине не золотником, а своим корпусом.
3. При больших скоростях движения автомобиля датчик давления может отгибать вентиль от нормального положения и вызывать этим пропускание воздуха через отверстие в ободе колеса.
4. Если в датчике давления  использованы материалы, непредназначенные для работы в жестких условиях (низкая ударная прочность, несоответствующие коэффициенты температурного расширения и т. п.), это может привести к потере герметичности корпуса датчика давления и к утечке воздуха из шины;
5. Особое внимание стоит уделить металлам резьбового соединения датчика с вентилем. 
Если эти металлы разные, то они могут образовывать  электрохимическую пару, и при протекании электрохимических реакций датчик давления прикипает к вентилю: при необходимости снятия его придется срезать, а не скручивать.
6. Часто внешние датчики давления подвергаются разрушающему воздействию камней, летящих из под колес автомобилей.

3.2. СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНУТРЕННИМИ ДАТЧИКАМИ ДАВЛЕНИЯ
Система с внутренними датчиками давления содержит на каждом колесе внутри шины датчик давления и в салоне автомобиля блок управления и дисплей (рис.2).
  
Рис. 2. Колесо с установленным внутренним датчиком давления
Датчик давления представляет собой сложное устройство, объединяющее электронные блоки управления, измерения давления и температуры, аккумулятор, генератор электромагнитных волн и передающую антенну (рис. 3). 
Рис. 3. Внутренний датчик давления 
Все это крепится на штатный вентиль шины, который используется как передающая антенна.
С целью увеличения срока работы источника электропитания датчика давления, информация от датчика через передающую антенну передается радиоимпульсами на антенну блока управления с периодичностью, как правило, одна минута. 
Источник электропитания поддерживает работоспособность датчика давления в течение 3– 5 лет. 
Блок управления принимает информацию от датчиков и сравнивает полученные данные о давлении в шине с контрольными параметрами давления. 
Настройка системы прямого измерения давления осуществляется при движении автомобиля.
Датчики давления воздуха кодируются и, при установке на автомобиль, в блоке управления устанавливается соответствие между кодом датчика давления и номером конкретного колеса – осуществляется «прописка» датчиков давления.
Некоторые датчики давления можно «прописать» практически любым программным обеспечением, а другие, только специальным программным обеспечением. 
При замене шин, колес с шинами или перестановке комплекта колес, для настройки системы владельцы автомобилей вынуждены посещать автосервис, проводить шиномонтажные работы и «прописывать» датчики давления.
Проблемы с «пропиской» датчиков давления возникают, когда они подобраны неправильно. 
Такое встречается, если приобретены неоригинальные датчики давления, которые по описанию подходят к данной модели автомобиля. 
Некоторые системы работают только с оригинальным программным обеспечением, которое должно быть установлено и в датчиках давления.
Поэтому не следует самостоятельно покупать датчики давления. 
Лучше приобрести датчики давления в автосервисе, где их тут же установят и «пропишут».
На практике процесс выглядит следующим образом: механик подносит к каждому из колес специальное устройство, которое считывает сигналы с датчиков давления и запоминает их (рис. 4).


Рис. 4. «Прописка» датчиков давления
Затем это устройство подключают к блоку управления системы и «прописывают» новый набор датчиков. 
Процедура сравнительно простая, занимает всего несколько минут, но для этого необходимо посетить автосервис и заплатить деньги.
Есть еще очень важное предостережение при обслуживании колес с датчиками системы dTPMS: при проколе колеса ни в коем случае нельзя использовать аэрозоль − герметик для его ремонта.
Герметик может нарушить нормальную работу датчика давления, исказив показания, или совсем вывести его из строя.

3.2.1. ДОСТОИНСТВА СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНУТРЕННИМИ ДАТЧИКАМИ ДАВЛЕНИЯ
Основным преимуществом системы прямого измерения давления с внутренними датчиками давления перед системой прямого измерения давления с внешними датчиками давления является то, что датчик давления установлен внутри шины и не подвергается внешним неблагоприятным воздействиям, например, воздействию противогололедных реагентов, ударам камней и т. д., кроме того, внутренние датчики давления невозможно легко украсть.

3.2.2. НЕДОСТАТКИ СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНУТРЕННИМИ ДАТЧИКАМИ ДАВЛЕНИЯ
К недостаткам можно отнести:
1. Высокую цену: цена качественной системы начинается от 250 долларов.
2. Установка датчиков давления выполняется при проведении шиномонтажных работ, при этом необходимо напоминать персоналу автосервиса об осторожности при работе с колесом, на котором установлен внутренний датчик, во избежание повреждения его монтажным инструментом.
3. Срок службы элементов электропитания в датчиках давления в среднем составляет пять − семь лет, а т. к. датчик давления выполняется неразборным, то в случае отказа элемента электропитания нужно менять датчик давления на новый.
4. После перемены расположения колес (например, при перестановке колес для равномерного износа шин) требуется заново «прописать» датчики давления в память управляющего блока.
Иногда эту операцию можно произвести только у официального дилера. 
5. Нельзя использовать пенный заполнитель для экстренного ремонта колеса (датчик давления после этого придется менять).

4. СИСТЕМА ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ ЗАЯВКЕ PCT/RU 2021/000332
«ПАССИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В ШИНАХ И УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ КОЛЕС»
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автомобилестроении, тракторостроении.
При эксплуатации транспортного средства необходимо контролировать давления воздуха в шинах, чтобы избежать как повышенного, так и пониженного давления. Низкое давление воздуха в шине вызывает повышенный прогиб шины, тем самым увеличивая ее износ и температуру, влияющую на прочность шины, а также увеличение расхода топлива. При превышении давления воздуха в шине выше необходимого давления, уменьшается площадь контакта между шиной и дорогой, что приводит к быстрому истиранию середины шины. При движении транспортного средства с неисправной тормозной системой, например, при заклинивании тормозных колодок, нагревается воздух в шине, следовательно, измерение температуры воздуха позволяет контролировать исправность тормозной системы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для обеспечения безопасного вождения автомобиля, обусловленного давлением воздуха в шине, были разработаны различные типы устройств контроля давлений в шинах. В настоящее время используются два принципиально различных устройства контроля давлений в шинах: устройство контроля давлений и температур воздуха в шинах с прямыми измерениями давлений и температур; устройство контроля изменения давления воздуха в одной шине с косвенной оценкой изменения давления.
Устройства контроля давлений и температур воздуха в шинах с прямыми измерениями, различаются по месту установки сенсорных блоков с датчиками давления и температуры: устройство контроля с внутренними сенсорными блоками, устанавливаемыми на внешней поверхности обода колеса внутри шины; устройство контроля с внешними сенсорными блоками, устанавливаемыми на вентилях шин. Все сенсорные блоки используют закодированные радиочастотные каналы для передачи значений давления и температуры воздуха в шине на монитор, размещенный в салоне транспортного средства, и содержат источник электропитания датчиков давления, температуры и радиопередатчика.
В устройствах контроля давления с косвенной оценкой изменения давления воздуха в одной шине это изменение определяется оценкой различий угловых скоростей вращения всех колес. В автомобиле с системой ABS угловая скорость вращения каждого колеса определяется с помощью уже имеющихся датчиков. Разница в угловых скоростях вращений колес возникает, когда радиус качения соответствующей шины изменяется из-за изменения давления воздуха в шине. Угловая скорость вращения колеса, на котором установлена эта шина, увеличивается при уменьшении давления и уменьшается при увеличении давления по сравнению с угловыми скоростями вращения трех других колес транспортного средства, в шинах которых давление соответствует норме. 
Недостатками систем контроля давления с косвенным контролем изменения давления воздуха в шине являются: измерение не давления в шине, а его изменения по сравнению с давлениями в шинах на других колесах; сравнительно длительные периоды времени обнаружения (~ 10 минут) изменения давления; обнаружение только значительного изменения давления воздуха в шине; ошибки, вызываемые изменениями радиусов качений шин в зависимости от неравномерности загрузки транспортного средства; неработоспособность при одинаковом изменении давлений во всех шинах транспортного средства. Недостатками систем контроля с прямыми измерениями по сравнению с системами контроля с косвенными измерениями являются: высокая стоимость; меньшая надежность, связанная со сложностью радиотехнических устройств; сложность в обслуживании системы при эксплуатации; ограниченный срок службы источников электропитания; различные проблемы, обусловленные использованием электромагнитного излучения для связи монитора с сенсорными блоками. 
Одним из направлений в решении проблемы создания простых устройств с прямыми измерениями давлений и температур в шинах, является разработка устройств не содержащих, установленных на ободе колеса сложных радиотехнических устройств, требующих для своей работы электропитания: радиопередатчиков, датчиков давления и температуры и др. 
Такие устройства имеют много преимуществ, например: простота конструкции; высокая надежность; низкая цена; увеличенный срок службы; простота технического обслуживания; индукционная передача информации о давлении и температуре с колеса, следовательно, устранение проблем, связанных с использованием электромагнитных волн. 
Одно из возможных решений указанной проблемы, реализовано в устройстве для контроля за давлением в шине автомобиля (Патент РФ № 2009898, B60C23/04, 1992 г). На внутренней поверхности обода колеса расположена первичная круглая катушка индуктивности, связанная проводами  через отверстие в ободе колеса в электрический контур с электрическим датчиком давления, расположенным на внешней поверхности обода колеса внутри шины, изменяющим сопротивление в электрическом контуре при изменении давления воздуха в шине. Вблизи обода колеса расположен узел приема сигнала, состоящий из цилиндрического постоянного магнита, расположенного одним торцом на кронштейне, и вторичной круглой катушки индуктивности, размещенной на другом торце постоянного магнита, обращенного к ободу колеса. Первичная катушка индуктивности генерирует, при ее перемещении вблизи узла приема сигнала, при воздействии на нее магнитного поля цилиндрического постоянного магнита узла приема сигнала, индукционный ток, сила которого зависит от электрического сопротивления контура, т. е. от давления воздуха в шине. Индукционный ток генерирует собственное магнитное поле первичной катушки индуктивности, зависящее от давления воздуха. При воздействии переменного собственного магнитного поля первичной катушки индуктивности на вторичную катушку индуктивности узла приема сигнала во вторичной катушке наводится переменная ЭДС, зависящая от давления воздуха в шине. Переменная ЭДС является электрическим сигналом, передаваемым по проводам на сигнальное устройство, расположенное у водителя. Электрический датчик давления, выполненный в виде мембранного ключа, размыкает электрический контур при снижении давления в шине ниже порогового значения. Сила индукционного тока становится равной нулю. Электрический сигнал не поступает на сигнальное устройство, которое оповещает водителя о снижение давления ниже порогового значения световым и звуковым сигналами. 
Действующая модель устройства для контроля за давлением в шине автомобиля была представлена на выставке BRUSSELS EUREKA ‘96 и была удостоена диплома и бронзовой медали.
Опытный образец устройства для контроля за давлением в шине автомобиля был испытан в 1999 г. в АО «Москвич» г. Москва. 
Испытания подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований физических основ измерительной системы с индукционной передачей сигнала с перемещающегося объекта на неподвижный измерительный узел, которые были использованы при разработке устройства для контроля за давлением в шине автомобиля. 
В частности, были получены теоретически и подтверждены экспериментально математические модели электрических сигналов и напряжений.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемое изобретение «Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес»  содержит, установленные на ободе колеса или на шине, конструктивные детали, генерирующие магнитные поля, сенсоры давления и температуры, генерирующие при вращении колеса во внешнем магнитном поле, собственные магнитные поля, зависящие, соответственно, от давления и температуры. Вблизи обода колеса или шины установлен генератор сигналов, генерирующий внешнее магнитное поле, и генерирующий, при воздействии на него собственного магнитного поля сенсора давления (температуры), электрический сигнал, зависящий от давления (температуры), и генерирующий, при вращении колеса, электрические напряжения, при воздействии на него магнитных полей конструктивных деталей. При осуществлении беспроводной передачи информации, вблизи генератора сигналов установлен, связанный с ним в электрическую цепь, пассивный беспроводной узел передачи информации с программным обеспечением обработки электрических сигналов и напряжений для определения информации о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса, электропитание которого осуществляется электрическими сигналами и напряжениями. В салоне транспортного средства установлен беспроводной узел отображения информации, полученной от пассивного беспроводного узла передачи информации. При осуществлении проводной передачи информации в салоне транспортного средства установлен, связанный в электрическую цепь с генератором сигналов пассивный проводной узел отображения информации с программным обеспечением обработки электрических сигналов и напряжений для определения информации о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса, электропитание которого осуществляется электрическими сигналами и напряжениями.
Целями заявляемого изобретения являются: 
1. Измерения угловых скоростей и угловых ускорений колес транспортного средства; 
2. Сохранение целостности обода колеса, выполненного из материала с магнитной
проницаемостью много большей единицы, например, стали, при размещении сенсоров давления и сенсоров температуры внутри шины; 
3. Передача информации с пассивного беспроводного узла передачи информации на беспроводной узел отображения информации без использования электромагнитных волн. 
Первая цель достигается использованием программного обеспечения обработки электрических сигналов и электрических напряжений, установленного на соответствующем узле пассивного измерителя.
 Например, по измеренному интервалу времени Δt между временами регистраций электрических сигналов от сенсора давления и сенсора температуры, установленных на ободе колеса радиусом r, на известном расстоянии S друг от друга, измеренном по дуге обода, оценивается средняя на этом интервале времени угловая скорость
Аналогично, средняя угловая скорость оценивается по любым другим измеренным интервалам времени между временами регистраций электрических сигналов и электрических напряжений.
Оценка мгновенной угловой скорости  основана на использовании известных зависимостей параметров электрического напряжения от угловой скорости колеса: 
A=ƒ(ω)
амплитуды электрического напряжения, 
длительности электрического напряжения, формы электрического напряжения, полученными теоретически и подтвержденными экспериментально.
Например, мгновенная угловая скорость оценивается по измеренному значению амплитуды  по формуле 
(A↓изм),
где  ƒ-1(  – функция, обратная функции ƒ(ω), и по измеренному значению  по формуле 
где – функция, обратная функции  .
Среднее угловое ускорение  на интервале времени ΔТ оценивается по результатам оценок угловых скоростей: ωн в начале интервала времени, и ωк − в конце интервала времени по формуле
Знание угловой скорости вращения колеса необходимо для работы алгоритмов обнаружения, оценки параметров электрических сигналов, и, следовательно, для оценки давления и температуры.
При необходимости информация об угловой скорости колеса может передаваться на другие системы транспортного средства, для работы которых необходимо знание угловых скоростей колес, например, систем ABS, ESP.
Известно, что пластина, изготовленная из магнитного материала с большой магнитной проницаемостью, экранирует магнитное поле, т. е., если постоянный магнит находится перед пластиной, то за пластиной магнитное поле равно нулю. 
Такая ситуация возникает при размещении сенсора давления (температуры) внутри шины на внешней поверхности стального обода колеса, и размещении генератора сигналов, создающего внешнее магнитное поле, вблизи внутренней поверхности обода. 
В этом случае для обеспечения работы сенсора давления (температуры), часть сенсора, генерирующую собственное магнитное поле, нужно размещать на внутренней поверхности обода, а часть сенсора, определяющую зависимость собственного магнитного поля от давления (температуры), размещать внутри шины на внешней поверхности обода. Электрическое соединение частей сенсора осуществляется через отверстие в ободе колеса.
Вторая цель достигается тем, что в случае использования стального обода колеса сенсор давления (температуры) размещается внутри шины не на ободе колеса, а на самой шине, например, одним из возможных вариантов является размещение сенсора давления (температуры) на боковине шины, как показано на фиг. 4, позиция 14. 
Материал, из которого сделана боковина шины, является немагнитным, следовательно, внешнее магнитное поле генератора сигналов, размещенного вблизи шины, присутствует внутри шины и собственное магнитное поле сенсора создает электрический сигнал в генераторе сигналов. 
В случае использования колеса, с ободом, изготовленным из немагнитного материала с малой магнитной проницаемостью, экранирование внешнего магнитного поля не происходит и сенсор давления (температуры) может устанавливаться внутри шины на внешней поверхности обода колеса.
Третья цель достигается тем, что беспроводной узел передачи информации содержит генератор и излучатель звуковых волн, и передача информации осуществляется кодированными звуковыми сигналами. 
Пассивный измеритель является работоспособным только во время движения транспортного средства при превышении установленной минимальной скорости. 
Проведенные исследования показали, что при соответствующем выборе параметров генератора сигналов, сенсоров давления и температуры, минимальная скорость работоспособности заявляемого измерителя составит ~ 2 – 4 км/час.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена схема расположения составных частей устройства по патенту № 2009898, поясняющая принцип его работы, на которой использованы следующие обозначения: 
1. Первичная круглая катушка индуктивности диаметром 16 мм, толщиной − 2 мм, массой − 2 гр.;
2. Электрический датчик давления, выполненный в виде мембранного ключа диаметром 30 мм, массой − 6 гр.; 
3. Узел приема сигнала, содержащий цилиндрический постоянный магнит и вторичную круглую катушку индуктивности; 
4. Цилиндрический постоянный магнит диаметром 16 мм, высотой 6 мм, массой 33 гр.; 
5. Вторичная катушка индуктивности, аналогичная первичной катушке индуктивности; 
6. Сигнальное устройство; 
7.Обод колеса; 
8. Шина; 
9. Кронштейн; 
10. Защита тормозного барабана; 
11. Провод; 
12. Тормозной барабан; 
13. Схема размещения узлов устройства на колесе. 
На фиг. 2 представлены фотографии диплома и медали выставки BRUSSELS EUREKA ’96. 
На фиг. 3 представлены:
А − титульный лист протокола испытаний в АО «Москвич» г. Москва;
В − выписка из протокола испытаний. 
На фиг. 4 приведена одна из возможных схем размещения узлов пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес, на которой использованы следующие обозначения: 
14. Сенсор давления (температуры); 
15. Конструктивная деталь; 
16. Генератор сигналов; 
17. Электрический провод, соединяющий генератор сигналов с беспроводным узлом передачи информации; 
18. Беспроводной узел передачи информации.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес, рассмотренный в данном частном примере, который не является ограничением для осуществления изобретения,  работает следующим образом.
При вращении колеса 7 сенсор давления (температуры) 14 перемещается во внешнем магнитном поле генератора сигналов 16. 
В сенсоре давления (температуры), изготовленного, предпочтительнее, в виде электрического контура из катушки индуктивности и резистора давления (температуры), генерируется индукционный ток, параметры которого определяются сопротивлением резистора давления (температуры). Индукционный ток создает собственное магнитное поле сенсора давления (температуры), которое генерирует в катушке индуктивности генератора сигналов, образованного, предпочтительнее, постоянным магнитом и катушкой индуктивности, ЭДС индукции, которая является электрическим сигналом с параметрами, зависящими от давления (температуры) воздуха. 
Также в генераторе сигналов генерируется, при вращении колеса, электрическое напряжение, зависящее от  угловой скорости колеса, при воздействии магнитного поля конструктивной детали 15, предпочтительнее, постоянного магнита. 
Электрические сигналы и электрическое напряжение генератора сигналов поступают по проводам на проводной узел отображения информации, установленный в салоне транспортного средства. 
Его программное обеспечение определяет соответствующую информацию о давлении, температуре, угловой скорости, угловом ускорении колеса. 
Соответствующая информация о давлении и температуре отображается звуковыми и световыми сигналами. 
При необходимости, проводной узел отображения информации передает номер колеса, значение угловой скорости колеса на другие системы транспортного средства, например, ABS, ESP. 
При выполнении проводного узла отображения информации активным, он содержит источник электрической энергии или питается от электросети транспортного средства. 
При выполнении проводного узла отображения информации пассивным, его электропитание осуществляется электрическими сигналами и напряжениями генератора сигналов. 
Для беспроводной передачи информации на беспроводной узел отображения информации, генератор сигналов соединяется электрическими проводами 17 с установленным рядом с ним беспроводным узлом передачи информации 18, снабженным программным обеспечением обработки электрических сигналов и электрических напряжений для определения соответствующей информации о параметрах воздуха и угловой скорости колеса. 
Передача соответствующей информации на беспроводной узел отображения информации, может осуществляться, например, по кодированному звуковому каналу, с использованием звуковых волн.
При выполнении беспроводного узла передачи информации пассивным, его электропитание осуществляется электрическими сигналами и напряжениями генератора сигналов.

 

5. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВНУТРЕННИМИ ДАТЧИКАМИ И «ПАССИВНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В ШИНАХ И УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ КОЛЕС»

Сравниваемые характеристики
Система прямого измерения давления с внутренними датчиками
Пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес
1
Что устанавливается на колесе?
Датчик давления
Масса ~ 50 гр
 


 
Стоимость ~ 2000 руб.
Сенсор давления

1 – медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;

2 − резистивный датчик давления диаметром ~ 15 мм, массой ~ 7 гр., цена ~ 120 руб.

              1                        2
 
 

 
Сенсор температуры

1 – медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;

2 – термистор диаметром  ~ 11 мм, массой ~ 1 гр., цена ~ 30 руб.

            1                      2

 
2
Что устанавливается на грязезащитном щитке тормоза?
 
 
 
 
 
 
 
При проводном соединении генератора сигнала с узлом отображения информации на грязезащитном щитке тормоза устанавливается только генератор сигналов
 
 
Цена ~ 30 − 50 руб
При беспроводной передаче данных о давлении и температуре на узел отображения информации дополнительно к генератору сигналов на грязезащитном щитке тормоза устанавливается беспроводной узел передачи информации, например, пьезоизлучатель с генератором

 
Цена ~ 600 руб.
3
Наличие на колесе или на шине радиоэлектронной аппаратуры, механических частей
Да
Нет
4
Необходимость размещения источника электропитания на колесе
Да
Датчик давления содержит элемент электропитания
Нет
Для работы сенсоров давления и температуры, а также генератора сигналов, не нужен источник электропитания
5
Использование звуковых волн / проводной связи для передачи информации о параметрах воздуха в шине на устройство отображения информации
Нет
Да
6
Возможность измерения угловой скорости / углового ускорения колеса
Нет
Да
7
Возможность построения систем ABS, ESP без использования устройства измерения угловых скоростей вращения колес системы ABS
Нет
Да
8
Возможность повреждения внутреннего датчика давления и температуры при проведении шиномонтажных работ
Да
Нет
9
Возможность использования в бескамерной шине 
Нет
Да
10
Размеры и массы элементов системы, устанавливаемых на колесе
Сложная конструкция, большой размер и большая масса датчика давления по сравнению с размером и массой сенсоров давления и температуры пассивного измерителя.
Простая конструкция, небольшие размеры и массы сенсоров давления и температуры
11
Стоимость системы при изготовлении
Высокая
Низкая
12
Стоимость системы при эксплуатации
Высокая
Низкая
13
Частота обновления информации
Частота обновления определяется характеристиками источника электропитания и составляет
~ 0,02 Гц
Непрерывно
14
Необходимость «прописки» датчиков давления при проведении шиномонтажных работ
Да
Нет
15
Надежность системы
В связи со сложностью конструкции датчика давления надежность системы ниже, чем надежность у пассивного измерителя
Высокая − «поставил и забыл» 

По сравнению с известными устройствами контроля давлений и температур воздуха в шинах с прямыми измерениями, пассивный измеритель имеет преимущества, например:
1. Пассивный измеритель не нуждается в источниках электропитания, размещаемых на колесе;
2. На колесе отсутствуют радиопередатчики, датчики давления и температуры, подвижные механические части; 
3. Индуктивная передача электрических сигналов и напряжений с колеса на генератор сигналов, установленный на грязезащитном щитке тормоза вблизи колеса, исключает использование электромагнитных волн для этой цели и, следовательно, устраняются все проблемы, связанные с использованием электромагнитных волн;
4. Простая конструкция, небольшие размеры, массы сенсора давления (температуры), низкая стоимость; 
5. Возможность использования пассивного измерителя на колесах с камерными и бескамерными шинами; 
6. Возможность измерения угловых скоростей колес пассивным измерителем может привести к отказу от использования на транспортном средстве других устройств измерения угловых скоростей, например, системы ABS, состоящей из зубчатого ротора и датчика угловой скорости колеса (рис. 5), что приведет к снижению цены на систему ABS,  к повышению ее надежности
   

Рис.5. Ротор (а)  и датчик угловой скорости колеса (б) системы ABS
Можно выделить три, часто встречающиеся, причины неисправностей системы ABS, связанных с измерениями угловых скоростей колес системой ABS:
- имеются обрывы в проводе датчика угловой скорости;
- колесный датчик угловой скорости находится рядом с вращающимися ступицами и полуосями, так что грязь, вода, рассол противогололедных реагентов могут привести, из-за окисления контактов или замыкания электропроводов колесных датчиков на массу, к нарушениям в работе датчиков;
- механические повреждение сепараторов ступичных подшипников, износ (наличие люфта) подшипника ступицы, повреждения зубчатого ротора, вызывающие изменения зазора между зубчатым ротором и датчиком, приводящие к неправильному измерению угловой скорости колеса.
Зазор между зубчатым ротором и датчиком угловой скорости чрезвычайно важен для правильной работы системы ABS (от него зависит амплитуда импульсов электрического напряжения датчика).
Грязь, которая может накопиться между зубьями ротора, также может стать причиной неправильного измерения угловой скорости колеса.
При использовании на автомобиле пассивного измерителя, указанные выше проблемы, не возникают, т. к. на автомобиль не устанавливаются зубчатые роторы и датчики угловых скоростей.
7. Возможность использования проводной связи генератора сигналов с узлом отображения информации, устраняющей многие проблемы, возникающие при осуществлении беспроводной связи; 
8. Возможность использования звуковых волн для беспроводной передачи информации с генератора сигналов на узел отображения информации, устраняющая многие проблемы, возникающие при использовании электромагнитных волн для этой цели; 
9. Низкая стоимость пассивного измерителя, особенно для автопоездов, имеющих много колес;
10. Отсутствие необходимости в «прописке» сенсоров давления (температуры) после проведения шиномонтажных работ, т. к. сигналы в блок отображения информации передает генератор сигналов, установленный на грязезащитном щитке тормоза, а не на колесе;
11. Возможность использования без «прописки» произвольного количества комплектов колес с установленными на них сенсорами давления (температуры).

6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ВЫГОДЫ

Предварительная оценка экономической выгоды, при продвижении на рынок пассивного измерителя, проведена с использованием усредненных розничных цен на составные части пассивного измерителя, взятых из различных сайтов, размещенных в интернете, по состоянию на май 2023 г.
Цена пассивного измерителя нуждается в обосновании при проведении проектных работ по разработке рабочей документации на изделие.
Примерная розничная цена покупных изделий для производства сенсора давления:
1. Медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;
2. Резистивный датчик давления диаметром ~ 15 мм, массой ~ 7 гр., цена ~ 120 руб.
Итого цена сенсора давления составит ~ 125 руб.
 
Примерная розничная цена покупных изделий для производства сенсора температуры:
1. Медная шайба 8,0х15,0х1,0 мм, массой 0,2 гр., цена ~ 5 руб;
2. Термистор диаметром  ~ 11 мм, массой ~ 1 гр., цена ~ 30 руб.
Итого цена сенсора давления составит ~ 35 руб.

Генератор сигналов состоит из кронштейна, на котором устанавливается постоянный магнит, а на постоянном магните устанавливается катушка индуктивности.
Можно использовать ферритовый цилиндрический постоянный магнит диаметром ~16 мм, высотой ~6 мм; ценой ~10 руб.
Можно использовать неодимовый цилиндрический постоянный магнит диаметром ~10 мм, высотой ~4 мм; ценой ~50 руб.
Катушку индуктивности лучше изготавливать собственными силами, цена катушки индуктивности составит ~60 руб
Цена кронштейна из стали составит ~20 руб.
Итого цена генератора сигналов составит ~ 90 – 130 руб.
 
При беспроводной передаче данных о давлении и температуре воздуха в шине дополнительно к генератору сигналов устанавливается беспроводной узел передачи информации, например, пьезоизлучатель.
Беспроводной узел передачи информации и блок отображения информации для пассивного измерителя лучше изготавливать своими силами.
Ориентировочно, в качестве цены беспроводного узла передачи информации примем розничную цену пьезоизлучателя ~ 600 руб.
Также в качестве цены узла отображения информации примем розничную цену пьезоизлучателя ~ 600 руб.
 
На четырехколесный автомобиль цена пассивного измерителя составит4000 руб.
 
Цена TPMS меняется от ~3000 руб. до ~30000 руб., в зависимости от производителя системы контроля.
 
С учетом многих других преимуществ пассивной системы перед системой TPMS можно считать, что установка на автомобиль пассивной системы является предпочтительнее установки системы TPMS.
 
Прибыль производителя может ставить 1000 руб. на один произведенный и проданный комплект пассивной системы.
 
В предположении, что пассивный измеритель параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес будет выдавать измеренные значения угловых скоростей в систему ABS, отпадет необходимость использования зубчатого ротора и датчика угловой скорости колеса системы ABS.
Усредненная цена зубчатого ротора составляет ~ 1500 руб., а датчика угловой скорости колеса ~ 1000 руб.
Следовательно, цена системы ABS снизится на 2500 руб.
Прибыль производителя за счет упрощения системы ABS может ставить 1000 руб. на один произведенный и проданный комплект пассивной системы.
Суммарная прибыль производителя на один проданный комплект пассивной системы может составить 2000 руб.
 
При организации производства пассивного измерителя параметров воздуха в шинах и угловых скоростей колес такие составные части изделия, как медные шайбы, резистивные датчики давления, терморезисторы, постоянные магниты лучше закупать оптом по цене в два − три раза меньшей розничной цены.
Производство генератора сигналов (ожидаемая стоимость ~ 50 руб.), пьезоизлучателя (ожидаемая стоимость ~ 400 руб.) и блока отображения информации (ожидаемая стоимость  ~ 400 руб.) можно наладить собственными силами.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУЗА В ШИНАХ АВТОМОБИЛЯ

 

главная ¤ фасадные термопанели ¤ справочник

ЭнЭфДом.  +7 9057490766; +7 9055066033  Москва, п. Некрасовский, ул. Заводская д.1

© Компания ЭнЭфДом 2012