Измерения давления в шинах

Введение

 

Интерес к  проблеме контроля давления в шинах  в последнее время значительно  возрос, и произошло это благодаря  тому, что в США вступает в силу требование Национальной администрации  по безопасности на транспорте (NHTSA) об обязательном наличии датчиков давления на всех новых автомобилях 2006 модельного года. Отныне все выпускаемые для  США автомобили должны быть оснащены такими системами (ожидается, что это  повысит стоимость новых автомобилей  всего на 50-70 долларов). А к 2008 году все автомобили Америки, чья масса  менее 4535 килограммов, должны быть оснащены системами мониторинга давления шин.

Напомним, что  это требование было сформулировано NHTSA еще в сентябре 2003 года, но позже  оно несколько раз корректировалось. В результате остановились на том, чтобы  устанавливать автономный контроль давления на каждом колесе и подавать тревожный сигнал в том случае, если оно окажется на 25 % ниже нормы. Однако не все производители шин  согласны с таким решением и требуют  ужесточить эти нормы. Примерно с 2002 года компании, выпускающие дополнительное оборудование к автомобилям, активно  подключились к разработкам системы  контроля давления в шинах, которая с тех пор получила название Tire Pressure Monitoring System и не менее узнаваемую аббревиатуру ТРМ (или TPMS).

Первые серьезные  исследования в отношении эксплуатации автомобилей и дорожных ситуаций, связанных с недостаточным или  избыточным давлением в шинах, американские специалисты проводили еще в  конце 1990-х годов. В результате были опубликованы следующие цифры, отражающиеся на бюджете водителя: падение давления в шине на 20 % от нормы сокращает срок ее служ6ы на 25-30% и увеличивает расход топлива примерно на 3 %.Но настоящий скандал, после которого приступили к подготовке этого проекта, разразился в 2000 году после крупных отзывов компании Ford — тогда из-за резкого снижения давления в шинах Firestone погибло более 270 человек и еще множество получили ранения различной степени тяжести.

Устройства, позволяющие контролировать давление в шинах, не новость в мире колесной техники, однако до последнего времени  они не имели широкого распространения и устанавливались разве что на грузовики, пикапы и тяжелые внедорожники. Однако вышеупомянутое решение NHTSA распространяет данное требование на все модели транспортных средств, что, конечно, подстегнет производителей всего мира на их скорое внедрение.Впрочем, сейчас уже многие производители автомобилей оснащают свои новые модели подобными системами или предлагают их установку за дополнительную плату в качестве опции. Речь уже не идет об автомобилях представительского класса, где такие системы давно используются, или о таких дорогих внедорожниках, как VW Touareg, Porsche Cayenne или BMW X5, где установка систем контроля давления в шинах никого не удивляет.Сегодня дело дошло и до моделей среднего класса. Так, например, и Toyota Corolla 2005 модельного года в комплектации XRS оснащена датчиками давления в шинах, и у нового Renault Megane II система контроля давления выводит информацию на дисплей бортового компьютера. Даже такие недорогие и компактные модели, как Renault Modus, будут оснащаться системами контроля давления в шинах за дополнительную плату.Некоторые производители оснащают свои новые модели и более совершенными системами. Так, например, новый минивэн Honda Odyssey получил шины MIchelin с системой Pax, которая позволяет автомобилю после прокола проехать еще около 200 километров. Пакет Pax включает в себя шину с гибким поддерживающим ободом внутри, колесо и систему контроля давления. В компании Honda, правда, пока не определились, будут ли «неспускаемые» шины входить в стандарт оснащения, либо предлагаться в качестве опции. Конечно, рекорды скорости на проколотом колесе ставить нельзя, но проехать десятки и даже сотни километров до сервисной станции — не проблема.Похожие конструкции предлагают Goodyear, Bridgestone и другие крупные производители. Специалисты полагают, что к 2020 году покрышки, которым не страшны проколы, будут на всех автомобилях, ведь безопасность управления при возросших скоростях передвижения приобретает особое значение.

Однако нужное давление в шинах — это не только хорошая управляемость и безопасность, но еще и экономия топлива, а также  увеличение срока службы самих покрышек. Причем оптимальное давление не только позволяет избежать преждевременного износа шин, но и дольше сохраняет  элементы подвески в исправном состоянии, Ведь в конструкции любого автомобиля заложены определенные пятна контакта шин с дорогой, способность шины к деформации и прочие параметры, на которые влияет давление. В свою очередь, все эти параметры определяют, насколько точно поведение автомобиля будет отвечать спроектированному, а значит, от них зависят и все расчетные характеристики — начиная от надежности и износоустойчивости узлов и агрегатов и заканчивая безопасностью водителя и пассажиров.Особенно эффективным является применение систем контроля давления в шинах для тяжелых внедорожников, а также при эксплуатации автомобилей в нестандартных условиях (при полной загрузке, движении с очень высокой скоростью и т. д.).

В мае 2005 года компания Michelin, которая является крупнейшим производителем шин, проводила в России акцию «Проверь давление в шинах!», и оказалось, что давление соответствует норме менее чем у 15 % автомобилей, а более чем у половины автомобилей этот показатель является опасным или особо опасным. Для сравнения, в Европе давление в шинах только одного автомобиля из десяти является особо опасным, а еще трех из десяти - потенциально опасным. Так что неправильное давление в шинах является одной из причин дорожных происшествий, а автомобилисты, к сожалению, относятся к этому недостаточно внимательно.

 

Системы визуального контроля

 

Наиболее  простым и дешевым способом постоянного  контроля давления в шинах является, например, установка на колесе вместо штатного колпачка ниппеля специального контрольного устройства. Такие изделия  выпускают многие компании, существуют и отечественные разработки. Так, например, применение колпачков Easy Control позволяет быстро узнать, не упало ли давление в колесе: достаточно просто взглянуть на цвет колпачка. Если он остается зеленым — то давление в норме, станет желтым — необходима более точная проверка, а если покраснеет, то шины необходимо срочно подкачать. Такие колпачки обычно продаются комплектами под разное штатное давление в шинах. Если давление передних и задних колес должно быть разным, то нужны две пары из разных комплектов. Напомним, что в случае полной загрузки автомобиля задние колеса, как правило, следует подкачать, так что колпачки контроля давления в этом случае придется сменить (рис. 1)

 

 

 

                      рис. 1

 

 

Система контроля давления воздуха в шинах с  использованием радиосигнала состоит  из датчиков давления воздуха навинченных  на металлические корпуса вентилей, от которых передается радиосигнал  на приемную систему, передатчиков, устанавливаемых  обычно в арках колес, электронного блока управления. В крыше находится  приемная антенна системы контроля давления. Некоторые производители  вместо передатчиков устанавливают  антенны в арках колес.

 

 

Рис 2. Система контроля давления воздуха в шинах: 1 -  датчик давления воздуха в шине; 2 – электронный блок управления давления воздуха в шинах; 3 – передатчики системы контроля давления воздуха в шинах; 4 – приемная система контроля давления воздуха в шинах

Рис. 3. Датчик давления воздуха в шине:  1 – передающая антенна; 2 – чувствительные элементы датчиков и температуры; 3 – электронные элементы измерения и управления; 4 – элемент питания

 

Датчик давления измеряет текущее (абсолютное) давление в шине.  Чувствительные элементы датчиков давления и температуры, а  также электронные элементы измерения  и управления объединены в общем корпусе.Датчики давления могут быть многократно использованы при замене шин или дисков колес.

Внутри  колеса может устанавливаться чип, в память которого закладываются  все данные о шине – ее тип, размерность, допустимая нагрузка, рекомендуемое  давление, максимальная скорость, дата изготовления.

Рис. 4. Шина с установленным чипом:  1 – вентиль; 2 – обод колеса; 3 – чип; 4 – шина

Контроль  давления в шинах осуществляется постоянно как при движении автомобиля, так и при остановке. При открывании двери водителя или включении  замка зажигания начинается процесс  инициализации системы. При этом блок управления с небольшой разницей по времени присваивает каждому  передатчику системы контроля давления в шинах и приемной антенне  специальный адрес. По окончании  инициализации каждый передатчик последовательно  друг за другом получает сообщение  от блока управления. Затем передатчик с присвоенным ему адресом  однократно посылает радиосигнал частотой 125 кГц. Этот радиосигнал из-за его  малого радиуса распространения  может принять только соответствующий  датчик системы контроля давления в  шинах. Датчик по команде сигнала  передает текущие измеренные значения давления и температуры. Антенна  принимает этот сигнал и по LIN-шине передает его на блок управления. После  этого связь прекращается до момента  начала движения автомобиля. Температурный  сигнал используется для введения поправки к величине давления, связанной с изменениями температуры воздуха в шине, а также в качестве диагностируемого параметра. Температурная поправка производится блоком управления системой контроля давления в шинах. При этом измеренные значения давления приводятся к температуре 20 °C.

Для определения  движения датчики системы контроля давления в шинах снабжены центробежными  датчиками для распознавания  вращения колес. При начале движения привязка датчиков к положению колес  проходит в течение 2 минут. При достижении скорости 20 км/ч и выше каждый датчик автоматически и без сигнала  от соответствующего передатчика передает измеренные им значения. Посланный  радиосигнал содержит информацию о  соответствующем датчике. Благодаря  этому блок управления может различать  отдельные датчики и их местоположение в автомобиле. В нормальном режиме эксплуатации каждый передатчик посылает сигнал каждые 30 сек.Если датчик распознает быстрое изменение давления (>0,2 кгс/см2), то он автоматически переключается в режим учащенного измерения и передачи данных и передает текущие измеренные значения каждую секунду.

Управление  системой осуществляется через мультимедийный интерфейс и отображается на специальном  дисплее информационной системы  водителя. Система может распознавать следующие состояния давления воздуха в шинах: медленное падение давления, о чем этом водителю заблаговременно сообщается о необходимости подкачки шины; резкое падение давления, о чем водителю сообщается при движении автомобиля; чрезмерное падение давления при стоянке, о чем водителю сообщается сразу после включения зажигания. Если в шинах изменялось давление, например в случае подкачки, или в случае перестановки колес, необходимо вводить параметры номинального давления.

 

 

 Рис. 5. Индикация показателей давления воздуха и температуры в шинах

 

Если давление в шинах снижается более чем  на 0,5 кгс/см2  (бар) на дисплее загорается информация, подсвечиваемая красным светом. При снижении давления на 0,3 кгс/см2, информация подсвечивается желтым светом.Информация о снижении давления может оповещаться контрольной лампой в комбинации приборов и однократным акустическим сигналом при каждом включении зажигания.

Принцип работы  системы контроля давления воздуха в шинах по определению изменения радиуса колес состоит в следующем - если из шины выходит воздух, участок пути, проходимый шиной за один оборот, становится меньше. Из-за этого для прохождения определенного расстояния шине с уменьшенным давлением придется совершить большее число оборотов по сравнению с шиной с нормальным давлением. Число оборотов регистрируется датчиком и оценивается блоком управления системы курсовой устойчивости ESP. Благодаря этому блок управления распознает уменьшение давления в шине. Недостатком такой системы является то, что  при определенных режимах движения, например, при быстром прохождении поворотов, движении по плохой дороге, начале движения и торможении оценка измеряемых величин давления является неточной.

 

 

 

 

 

Рис. 6. Изменения радиуса колеса при изменении давления воздуха в шине: R1 – радиус колеса при нормальном давлении воздуха в шине;  R2 – радиус колеса при пониженном давлении

 

 

Системы контроля от производителей шин

 

Отдельно  стоит остановиться на системах контроля и мониторинга давления в шинах, которые выпускаются самими производителями  или их дочерними подразделениями.

Nokian Tyres представила систему RoadSnoop которая была анонсирована еще в 2001-2002 годах, но вышла на рынок только весной 2003 года. Эта система отличается от вышеописанных тем, что ее легкие датчики (25 граммов) крепятся металлическими хомутами па колесные диски (с внутренней стороны, которая будет закрыта бескамерной шиной) — это позволяет легко менять резину и практически не влияет на балансировку колес. Каждый датчик содержит не подлежащий замене элемент питания (гарантированная продолжительность работы — около 150 тысяч километров). Работает система при температурах от -40 до +125 градусов Цельсия. Диапазон измеряемого давления — от 100 до 450 kPa (1—4,5 атмосферы). Чувствительность измеряемого давления: +/- 12 kРа (0,12 бар). В целях экономии энергии система работает и передает данные только в движении (включается при скорости около 20 Км/ч).Небольшое приемное устройство питается от батареек, весит всего 40 граммов и постоянно находится в режиме ожидания. После начала движения приемное устройство ловит сигнал от какого-нибудь датчика и переходит в рабочий режим. После потери сигнала от всех датчиков (после остановки автомобиля) устройство переходит в ждущий режим. В инструкции рекомендуется устанавливать его, например, на солнцезащитный козырек.Планируются также начать выпуск варианта устройства, питающегося от бортовой сети автомобиля, с более мощной приемной антенной. Дополнительным его преимуществом является то, что датчики устанавливаются скрытно, не привлекают к себе внимания и не требуют вмешательства при последующем монтаже резины (т. е. менять поврежденные шины можно будет в любом шиномонтаже, не опасаясь повреждения датчиков). Из возможных проблем можно отметить только необходимость предупреждения специалистов при замене резины — иначе датчики по неосторожности могут повредить.

 

Pirelli предлагает свой взгляд на контроль давления в колесах. Целая серия устройств вышла на рынок под общим названием X-Pressure и представляет собой датчики определенного типа, закрепляемые на колесных дисках и в колпачках вентилей. Датчики в режиме реального времени реагируют на падение давления.

Существуют  четыре модификации системы, обеспечивающие передачу информации разными способами:

- X-Pressure Optic — цветной сигнализатор на колпачке вентиля (белый — норма, красный — опасность);

- X-Pressure Acoustic — сигнал передается через установленную на автомобиле электронyю систему управления;

- X-Pressure AcousticBlue — сигнал передается через порт Bluetooth мобильного телефона;

- Х-Pressurc Monitor — сигнал подастся через установленную на автомобиле систему InfoMobility.

 

Устройство  новинки легко разбивается на три составляющие: датчики давления, управляющий модуль и панель индикаторов. Датчики закрепляются на поверхности колесных дисков во внутренней полости шины посредством хомутов, длина которых рассчитана на диски диаметром 13-21 дюйм. Разумеется, после такой процедуры требуется балансировка колес, так как масса датчика — 40 граммов (отметим, что обычно такие датчики имеют меньшую массу). Конечно, датчик находится на относительно небольшом расстоянии от оси вращения колеса, что делает его влияние на баланс незначительным, но все же для минимизации усилий при балансировке Pirelli рекомендует заранее определить самую легкую зону колеса и совместить ее с положением датчика при установке.В случае электронной системы управления каждый датчик имеет свой уникальный код, что позволяет предотвратить перекрестное считывание сигналов при нахождении в непосредственной близости нескольких автомобилей, оборудованных подобными системами. Управляющий модуль обрабатывает полученную информацию в соответствии с заложенной в него программой и в случае необходимости информирует владельца посредством индикационной панели (или подачей сигнала на мобильный телефон).За исключением цветного сигнализатора, которым оснащена первая из перечисленных систем, все остальные генерируют световые и звуковые сигналы, позволяющие определить колесо, шина которого не в порядке. Причем характер сигнала зависит от того, насколько сильно изменилось давление в одной из шин.

Таким образом, X-Pressure позволяет без особого труда постоянно контролировать давление в шинах. Интервал между считываниями показаний с датчиков составляет несколько секунд, а это значит, что неожиданный прокол это устройство обнаружит быстрее, чем даже вы успеете его почувствовать. Pirelli обещает очень длительный срок службы батарей датчиков (не менее пяти лет при годовом пробеге не более 50 000 километров), что, естественно, значительно меньше, чем срок службы шин (а для многих и самого автомобиля). Кстати, возможно, именно из-за такого длительного срока автономной работы датчики X-Pressure имеют относительно большую массу.