8. fejezet - Guminyomás detektáló rendszerek

Az elgondolás alapját az képezi, hogy a kerekeket közvetlen módon, egy nyomásérzékelő szenzor beépítésével figyelik meg. Ezek a műszerek ma már egy beépített jeladóval rendelkeznek, amely egy külső vevő modulnak sugároz. Ez a készülék végzi el a jelfeldolgozást és képes pontosan azonosítani minden egyes, a kerekekből érkező, jelet. Ez azt jelenti, hogy akár a csomagtartóban levő pótkereket is képes monitorozni a rendszer. Vagyis megvalósíthatóvá válik a nyomásértékek állandó figyelése, és ha ezek közül akármelyik a gyártó által előírt határértékeken kívül található, arról a vezető azonnal értesül.

A szenzor rögzíthető a kerékfelni belső felületére akképpen, hogy egy fémszíjat körbefuttatva rögzítik az érzékeny szerkezetet, vagy a kerék szeleptű végére csatlakoztatják. Ez utóbbi esetben a szeleptűt antennaként használva sugározhatóak a jelek a fogadó modul számára.

E beépített érzékelők működési folyamata könnyen ábrázolható egy állapotátmeneti gráffal, amely általános képet ad a közvetlen nyomásmérő rendszerek alapjairól.

A közvetlen nyomásfigyelési módszer előnyeihez tartozik a pontos és megbízható mérés, illetve az eredmények gyors továbbítása, feldolgozása és megjelenítése. Valamint az is, hogy ezek az eszközök később is beszerezhetőek és beépíthetőek. Így azon gépjárművek keréknyomása is mérhető, amelyeknek ez a rendszer nem szériafelszereltsége.

Azonban a rendszernek hátrányai is vannak. Elsőként a szenzorok áramellátási nehézségeit kell megemlíteni. A legelterjedtebb megoldás a beépített gombelem használata, amely képes hosszú évekig ellátni a mérőegységeket a szükséges energiával. Az elem kicserélésére viszont nincs lehetőség, mivel ezek, az érzékelő áramkörrel egyetemben, a fröccsöntött burok belsejében találhatóak, elzárva a külső környezettől. Ezt a megfontolás azért használják, hogy az érzékeny elektronikai egység a kerék belsejében ne szenvedhessen károsodást, illetve minimálisra csökkentsék az alkatrészek elmozdulási lehetőségét, amely hibás mérési eredményekhez vezethet.

Újabb árnyoldal az is, hogy a szenzorok nem minden gumiabronccsal képesek a zavartalan működésre. Ugyanis a sugárzott rádióhullámok tompítása érdekében a műszerek tokozásába egy Faraday-hálót is szükséges beépíteni, így azok csak a közvetlen környezetükbe képesek sugározni. Így használatuk elsősorban a gyártó által meghatározott abroncstípusokra terjed ki, amelyek sikeresen teljesítették a jelerősség mérő teszteket.

A magas fémtartalmú burok, amelyet a felni és az abroncs képez, oly mértékű árnyékoló hatást fejthet ki, amelynek eredményeként a szenzor képtelen lesz adatokat küldeni a jelfeldolgozó egységnek.

Mindezekből kifolyólag azok az autók, amelyekbe a direkt TPM rendszereket szériafelszereltségként építik bele, a tulajdonosaik csak a gyártóhoz fordulhatnak szervizelésre.

Ekkor jelentkezik az újabb hátulütő. Ugyanis az NHTSA adatai szerint az Egyesült Államokban évente körülbelül 16 millió 4500 kilogrammnál kisebb tömegű személyautót gyártanak, amelyek mindegyikének 2007-től rendelkeznie kell nyomásmonitorozó rendszerrel. Így az autógyáraknak minden évben több millió idejét kiszolgált gombelem, elektronikai áramkör, illetve más egyéb veszélyes hulladéknak minősülő alkatrész szakszerű tárolásáról, elszállításáról és megsemmisítéséről kell gondoskodnia, amelyek természetesen többletköltségként számolhatók el. Mindezt oly módon, hogy azt a vásárló a lehető legkevésbé érezze meg a vételi árban, illetve a szervizköltségekben.

Ezen nehézségek kiküszöbölése végett kapott szárnyra a tápegység nélküli szenzorok fejlesztése, amelyek egyik képviselője a VisiTyreTM-ként ismert megoldás. Működéséről annyi ismeretes, hogy az elektromágneses indukció törvényire alapozott. Használatukkal kiküszöbölhetőek az imént felsorolt problémák, ami környezetvédelmi szempontból is számottevő sikerként könyvelhető el.

Az indirekt nyomásfigyelés elsősorban költséghatékonysági megfontolásból alakult ki, ugyanis a már beépített alkatrészek és szenzorok mérési tulajdonságait felhasználva szintén megoldható a keréknyomás monitorozása. Így nincs szükség további alkatrészek beépítésére, mert a méréseket hosszabb élettartamú eszközök végzik el, amelyek biztonsági funkcionalitásuk következtében mindig csak megbízható és pontos eredményeket szolgáltathatnak. Ebből fakadóan az indirekt rendszerek igen nagy ütemben jelennek meg az egyes gyártóknál. Ilyen típusú rendszer a DDS mozaiknevű nyomásfigyelő rendszer is.

Az ötlet egy egyszerű fizikailag megfigyelhető és mérhető tulajdonságból, a keréksebességből alakult ki. Ugyanis a nyomásvesztést szenvedett keréknek kisebb az átmérője a többihez viszonyítva. Ebből fakadóan egységnyi idő alatt nagyobb utat kell megtennie, mint a normál nyomásértékű kerekeknek, hogy a jármű tartani tudja a motor által meghajtott tengelysebességet.

A méréseket ebben az esetben kerékfordulatszám mérő szenzorok végzik, amelyek elsősorban a menetstabilizáló rendszerek alapját képezik. Az eredmények kiértékeléséhez természetesen olyan szoftveres támogatásra van szükség, amely képes a nyers beérkező adatokból precízen értelmezhető kimeneteket generálni, ezáltal biztosítva a zavartalan működést.

Ebben az esetben az autó sebességétől függő referencia intervallum számított értékeihez történik a viszonyítás, azonban a keréktípusok, és az útviszonyok különbözősége és más egyéb külső behatások miatt ezek az értékek minden jármű esetében egyediek. Így szükséges némi idő, hogy ezek az értékek elérhetővé váljanak. Ezt nevezik tanulási folyamatnak, ami után már lehetővé válik a detektálás.

A rendszer 30%-os vagy annál magasabb nyomásvesztést tud jelezni 15 és 250 km/h között az újszerű állapotban levő gumiabroncsok esetében. Az említett tanulási idő a fejlesztés során meghatározott sebességintervallumokban, ideális körülmények között átlagosan négy perc, amely a fejlett mintavételezési eljárásnak köszönhető. A detektálási idő pedig a tanult értékek birtokában fél és három perc között mozog, a nyomásvesztés mértékétől függően.

Hátrány azonban, hogy bizonyos körülmények között a DDS nem végez mintavételezést, mert az hamis detektáláshoz vezetne, amely nem megengedhető. Valamint a kopott kerekek megváltozott menetdinamikai tulajdonságai miatt nem érhető el a kielégítő mértékű nyomásvesztés detektálás. A legfőbb hiányosság viszont az, hogy csupán egyetlen kerék sebességeltérését képes jelezni, amely további fejlesztési feladat elé állítja a mérnököket.

Mindemellett külső tényezők is befolyásolják az eredmények pontosságát. A következő ábra e zavaróhatásokat mutatja, illetve azt, hogy hány százalékos változást képesek előidézni a forgó kerék sebességében, illetve kerületében.

Valamint a rendszer működését nagymértékben befolyásolja a kerék mérete, mivel a 17”-os körátmérő esetén egy nagyobb mértékű nyomásvesztés már jelentősebb sebességkülönbséget okoz, amely kívül eshet a DDS detektálási sávján.

A DDS továbbfejlesztett változata az úgynevezett eDDS. A szó eleji „e” jelentése az „enhanced” megnevezést jelöli, vagyis egy kiterjesztett DDS rendszerről van szó, amelynek fő erőssége az imént említett standard változattal szemben, hogy már három kerék nyomásának változását képes érzékelni, és egy kerék nyomásvesztése esetén képes meghatározni annak pontos helyét is.

E fejlődés oka, hogy a tanulási folyamatot tovább finomították. A standard DDS ugyanis egyetlen számítási algoritmus eredményei szerint jelezte a nyomásvesztést, míg a másik két kalkuláció csupán azt a sávot, illetve tűréshatárt számította ki, amely alapján eldönthető, hogy defektet szenvedett-e a kerék vagy sem. A javított eljárás titka, hogy a detektáláshoz mindhárom számítás eredményei felhasználásra kerülnek.

Ez az egyszerű lépés sokat növelt a rendszer hatékonyságán, viszont még mindig nem érhető el vele a négy kerékre kiterjedő detektálás lehetősége, amelyet a direkt rendszerek már képesek nyújtani.

Ahhoz, hogy az indirekt rendszer felvehesse a versenyt, és méltó alternatívaként szolgáljon a közvetlen mérési módszerű elgondolásokkal szemben, egy újabb ötlet kidolgozása és beépítése vált szükségessé. Így született meg a DDS+, amely az eDDS és TOM ötvözéséből alakult ki.

A TOM alapjául a kerekek egyedi sajátfrekvenciája szolgál, amely függ a nyomástól. A keréksebességek időbeli jelalakjának Fourier-transzformálásával meghatározható egy frekvenciaspektrum. A releváns csúcsokra görbét illesztve pedig a kapott frekvenciafüggvény már összevethetővé válik a referenciával, és az értékek közötti eltérések egy további hasznos bemeneti információként szolgálnak a feldolgozó elektronika számára.

Ez a fajta megfigyelés bonyolultabb számításokat és fejlettebb szoftveres és hardveres támogatást igényel, mint az előző változatok. Azonban lehetővé teszik bármely futó kerék monitorozását, és képessé teszik a rendszert, hogy mind a négy kerék egyidejű nyomásvesztését detektálni lehessen.

A TOM működési tartománya 40 km/h-tól 120 km/h-ig terjed, mivel nagyobb sebesség esetén a csúcsok már nem meghatározhatóak a megnövekedett zaj mértéke miatt. Azonban a DDS nyomásfigyelési eljárások kiterjedését szemléltető ábrán látható, hogy ez a sáv elegendő mértékű ahhoz, hogy a leggyakrabban mindennapi közlekedésben előforduló városi, illetve városon kívüli legnagyobb megengedett haladási sebességek esetén mind a négy kerék nyomásértéke folyamatos vizsgálat alatt állhasson.

Azon berendezések javarésze, amelyek az indirekt rendszer alapjait képezik, mára már nagyszámban fordulnak elő az eladásra szánt személygépkocsikban. Ezeknek sorát érdemes az ABS-szel kezdeni, amely közismerten a gépkocsik hosszdinamikáját befolyásoló blokkolásgátló. Ezzel alapozták meg a napjainkban összetetté vált rendszerek megalkotását, melyek biztonságosabbá teszik a közlekedést.

E rendszer keretein belül jelentek meg először azok az alapegységek, amelyek az indirekt gumiabroncsnyomás-monitorozást lehetővé teszik. Úgymint a kerékfordulatszám szenzorok, valamint az elektronikai és hidraulikai egység (továbbiakban: HECU (Hydraulic and Electronic Control Unit)). Hogy ez utóbbi modul működésébe beleláthassunk, érdemes áttekinteni az ABS működési elvének levezetését:

A szabályozással megvalósuló fékezés menete egyszerűen levezethető. A nyomás alapképletét figyelembe véve, amely az erő és a felület hányadosa, vagyis

és kiindulva a fékhatást kiváltó pedál lenyomásából, a féknyomás a következőképpen határozható meg:

ahol$$F_p$$ a fékpedálra ható erő, $$i_p$$ a fékpedál elmozdulása, $$i_m$$ a fékmembrán elmozdulása, $$A_{sz}$$a nyomásszelep felülete és $${\eta }_{mech}$$ a mechanikai hatásfok.

A kerékre ható fékerő kiszámításánál szerepet játszik még a fékpofák felülete ($$A_{fp}$$), a fékezés hatásfoka ($${\eta }_{fék}$$), a kerékagy és a gumiabroncs sugara ($$r_{ka}$$ , $$r_{ga}$$), valamint egy belső függvény ($$C^{*}$$). Tehát

ahol$$C^{*}$$a külső környezeti hatások, mint például hőmérséklet, nyomás és sebesség, valamint a kerékfordulatszám érzékelők által szolgáltatott mérési eredmények függvénye.

A HECU az imént levezetett számítási eredmények birtokában a hidraulikus pumpa motor működtetésével képes hatást gyakorolni a fékezési folyamatra, és így beavatkozni a balesetveszélyes szituációkban..

Az ABS mellett az autó keresztirányú stabilitásának növeléséhez egy újabb menetdinamikai szabályozó rendszer, az ESP nyújt segítséget.

A HECU fejlesztett szoftverének és az újabb érzékelők beépítésének köszönhetően további kritikus menetállapotok válnak felismerhetővé és a veszélyhelyzetekben megkezdődik a jármű stabilitásának visszaállítása, amely a gépkocsi megfelelő kerekeinek lefékezésével, illetve a motor nyomatékának csökkentésével automatikusan, a vezető beavatkozása nélkül valósulnak meg. Ennek köszönhetően az indirekt keréknyomás figyelő rendszereknek monitorozási algoritmusa már kiterjedhet többek között a kanyargós útviszonyokra is.

Felépítését tekintve a HECU (11. ábra) két fő összetevőből áll, amelyek egyike a HCU. Ezt tekinthető a végrehajtóegységnek, mivel a rajta keresztül folyó fékfolyadék szabályozásával képes a járművet olyan menetstabilizáló algoritmusok kivitelezésére késztetni, amelyeket a másik fő alkotórészbe, az ECU-ba programoztak.

Szoftverfejlesztési szempontból az ECU a lényeges elem, amelynek működési alapjai az érzékeny szenzorok jelei valamint a vezérlő algoritmusok, melyek segítségével előállíthatóak a különböző kimenetek, illetve elemezhetőek a bemenetek. Tartalmazza a vezérlőszoftvert, amely a fejlesztés, implementálás és tesztelés tárgyát képezi. Az adattárolást belső RAM, EEPROM memória használatával oldották meg. Előbbi az átmeneti, míg utóbbi a jármű leállításakor mentésre kerülő adatok elhelyezésére szolgál. A vezérlőszoftvert flash memóriában tárolják. Méreteik járműtípusonként változó lehet, és nagymértékben függenek attól, hogy az adott autó milyen beépített funkciókkal rendelkezik és mik az ezekhez kapcsolódó igények.

Ez az egység tartalmazza azt a feldolgozó és végrehajtást kezdeményező szoftvert, így a keréknyomás figyelőt is, amely a számítási eredmények kiértékelése után szabályozza a beavatkozást, vagy jelzést küld a vezetőnek a fennálló veszélyhelyzetről.

A korábban említett kerékfordulatszám érzékelőkről is érdemes bővebben szólni, hiszen szigorú kitételeknek kell megfelelniük, amelyek mindegyike kritikus fontosságú és fontos feladatot látnak el, hogy megvalósulhasson az indirekt nyomásmonitorozás. A legfontosabb feltételek a következők:

A felsorolt elvárásoknak kielégítésére többféle, különböző működési elvű érzékelőt fejlesztettek ki, amelyekből két fő csoport alakult ki: passzív és aktív. A passzív szenzorok külön tápegységet nem igényelnek, míg az aktív változatok működéséhez elengedhetetlenül fontosak, mivel ezek már bonyolultabb elektronikai egységeket is tartalmaznak.