自动充气轮胎工作原理

作者：Lee Obringer

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Manny 有关悍马Swamper轮胎的网页供图
悍马的CTIS管路

007中的邦德拥有自动充气轮胎，悍马汽车和大多数卡车司机也拥有它们，而军方更是有多年的使用历史。有了自动充气轮胎，车辆可以针对当前的路面状况做出调整，以使性能达到理想状态，并保证安全行驶。

目前，很多汽车都配备了压力监控系统，但在没有外部气源的情况下，驾驶员无法对轮胎进行任何操作。虽然市场上有多种自动充气轮胎系统，但它们大多只提供给商用和军用领域。而悍马的CTIS（中央轮胎充放气系统）系统则是一个例外。

在本文中，我们将了解一些现有的轮胎充气系统，并预测市场可能会在何时推出适用于普通汽车用户的型号。

固特异（Goodyear）公司网站供图

根据AAA（美国汽车协会）网站的调查，在路面行驶的汽车中约有80%存在着一个或多个轮胎充气不足的问题。汽车的正常行驶（尤其在碰到路面上的坑洞或路缘时）、渗透作用和温度的季节性变化都会导致轮胎泄气。在冬天，轮胎的千帕值每个月会下降一到两个单位，在夏天则下降得更多。而且，仅凭目测无法判断它们的充气状况如何。必须使用轮胎压力测量仪。充气不足不仅会对轮胎造成损害，而且会增加油耗，影响汽车的行驶方式，并且会带来安全隐患。

如果轮胎充气不足，其胎面磨损会加速。根据固特异公司的研究，轮胎气压不足率每上升20%，它的寿命里程数就会下降15%。与充气状况正常的轮胎相比，充气不足的轮胎会更快地产生过热现象，从而更容易造成轮胎损坏。下面颜色较淡的区域就是胎面上被过度磨损的部分。

由于轮胎具有弹性，因此在它们滚动时，底部将变平。与地面接触的部分一旦与地面脱离，就会反弹并恢复成原来的形状。这种反弹会形成波浪式运动，并产生一定的摩擦。当轮胎中的空气较少时，这种波浪式运动起伏就会增大，导致摩擦程度加重，而摩擦会生成热量。如果生成的热量达到一定程度，轮胎帘布周围的橡胶就会融化，进而造成轮胎损坏。要了解更多信息，请参考轮胎工作原理。

由于充气不足的轮胎在滚动时会受到额外的阻力，因此汽车发动机必须增加工作负荷才能维持正常行驶。AAA网站的统计数据显示，当充气不足的胎轮较正常水平降低13.8千帕时，燃油效率会下降10%。这样，如果驾驶时间超过一年，那么您在购买汽油方面的累计额外支出将达数百美元之多。

压力监控系统目前市场上有多种轮胎压力技术，还有一些技术也即将面市。根据美国轮胎压力安全法案的规定，在不久的将来，所有车辆都必须配备轮胎压力监控系统。这样，驾驶员便可及时得知轮胎压力的情况。

此类压力监控系统已经问世数十年之久，在某些车型中已成为标准配置。它们只是单纯地监控汽车上每个轮胎的气压，并在轮胎气压低于某个预先设定的最佳压力值时向驾驶员发出通知。

轮胎充气系统有三个主要用途：

检测：检测特定轮胎的气压是否下降。这意味着系统必须持续或间歇地监控每个轮胎的气压。
通知：通知驾驶员出现的相关问题。
充气：通过充气，使轮胎气压恢复正常。这意味着必须有一个气源和一个只在需要时才开启的止回阀。

自动充气轮胎
与跑气保用轮胎承载汽车和卡车重量的不是轮胎本身，而是轮胎内部的空气。跑气保用轮胎具有坚硬的侧壁，可在汽车的一个或多个轮胎没气时继续支撑汽车的重量。这样，即使轮胎被扎破变瘪，您也可以将汽车开到目的地。跑气保用轮胎由防热帘线层和橡胶层交错组成，并通常用承重材料制成的月牙状楔形加强侧壁，以防在轮胎无气压时造成侧壁褶曲。

与跑气保用轮胎不同，自动充气轮胎旨在将轮胎的压力始终维持在适当的水平。自动充气系统的意义主要在于减慢泄漏速度、优化性能和保证安全，而不是在轮胎没气的情况下让车辆继续行驶。

虽然市面上的轮胎充气系统在设计上各有不同，但它们也有一些共同的要素。

都使用某种类型的气门嘴隔离各个轮胎，以免在检查或对其充气时，其他轮胎会漏气。
都采用某种方法来检测轮胎压力。多数情况下，它们使用中央传感器将信息传递到电子控制单元，然后再通知驾驶员。
都有一个气源，通常是车上现有的系统，如制动或气动系统。但是，当使用现有系统时，它们必须保证不会对这些系统的原有功能造成影响。为此，会有相应的安全检查措施。首先要保证有足够的气压用于该气源的主要用途，然后才能用来为轮胎充气。
都必须能够将气源中的空气传到轮胎中（通常是通过轴管）。有些系统采用密封式轮毂轴管，并用软管连接轮毂和轮胎气门嘴，其他系统则让内胎直接穿过轴管，并将轴管作为通气导管。
都必须备有减压孔，用来将空气从轮胎中排出，而不致损坏轮毂或后轴密封件。

现在，让我们来看看市场上各类主要的自动充气轮胎系统是如何利用这些要素来工作的，首先介绍中央轮胎充气系统 (CTIS)。

早期的CTIS早在1984 年，通用公司（GM）就在CUCV开拓者和皮卡车型上使用了CTIS。CUCV是商用多用途载货汽车（Commercial Utility Cargo Vehicle）的缩写，美军从20世纪80世纪中期就一直使用这种卡车。它们实际上是在标准大小的雪佛兰Blazers和皮卡车型的基础上配备了一些特殊的军用设备。

CTIS的设计理念是：通过控制每个轮胎中的气压来改善汽车在不同路面上的行驶性能。例如，降低轮胎中的气压可增大轮胎与地面的接触面积，从而使汽车能更轻松地在较软的地面行驶。这样还可以降低对路面造成的损害。对施工地点和农田而言，此做法具有重要意义。由于驾驶员可以直接控制每个轮胎的空气压力，车辆的可操控性就大大提高了。

CTIS的另一项功能是在轮胎出现缓慢漏气或被戳破时维持其内部的气压。在出现此类情况时，系统将根据驾驶员事先设置的特定气压，自动控制充气过程。

CTIS的制造商主要有两家：美国的德纳公司（Dana Corporation）和法国的 Syegon（地面工业武器集团公司（GIAT）的一个部门）。德纳公司推出的CTIS有两种型号：军用CTIS（由PSI开发）和用于商业重型机械的轮胎压力控制系统（TPCS）。

CTIS：内部结构
下面是整个系统的示意图：

车轮气门嘴在车轮的顶端。如果是双轮并装，气门嘴一般只与外车轮连接，以使两轮胎间的气压平衡。车轮气门嘴的一个作用是在轮胎未被使用时，将其与整个系统隔离，以减轻密封件承受的压力，从而延长其使用寿命。通过车轮气门嘴还可以按照需要对轮胎进行充气和放气。

位于乘客座位后的电子控制单元（ECU）是该系统的核心。它能处理驾驶员的指令，监控系统内的所有信号，并控制系统每隔10分钟对轮胎压力进行一次检查，以确保将压力维持在预先设定的水平。ECU将指令传送到气动控制单元，后者直接控制车轮气门嘴和通风系统。气动控制单元还含有一个传感器，用于将轮胎压力的读数传输给ECU。

驾驶员可以通过操作员控制面板选择与当前路况匹配的轮胎压力模式。这个面板安装在仪表板上，可显示当前的轮胎压力、选择的模式和系统状态。当驾驶员选择某个轮胎设置时，信号将由控制面板传输到电子控制单元，然后到达气动控制单元，最后到达车轮气门嘴。

当车辆加速行驶时（例如在高速公路上时），为防止轮胎损坏，轮胎的压力将升高。CTIS中含有一个速度传感器，它可以将车速信息传送给电子控制单元。如果车辆继续加速行驶一段时间，系统会自动对轮胎充气，以使气压与速度相适应。

这类系统使用为制动系统提供空气的同一压缩机作为气源。压力开关可以确保制动系统优先使用空气，它能防止贮气罐在刹车制动充足气之前就向CTIS供应空气。

更详细的介绍
下面是CTIS在汽车行驶时的工作情况：电子控制单元指示气动控制单元检查当前的压力，并根据驾驶员选定的压力对轮胎进行充气或放气。如果系统确定需要对轮胎充气，它会首先检查制动系统保留的压力是否处于适当的水平；如果是，它会向车轮气门嘴施加轻微的气压，以便开始充气。如果轮胎充气过足，系统会在车轮气门嘴形成少量的负压。当气动控制单元发现已经达到合适的气压时，气门嘴就会关闭。