輪胎壓力是汽車性能的幕后英雄。當(dāng)充氣到一定壓力時(shí)，輪胎處于設(shè)計(jì)預(yù)期的形狀。當(dāng)氣壓下降時(shí)，輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)需要的能量會(huì)增大。

在日常往來(lái)行駛中，駕駛?cè)藛T很容易忘記維持輪胎壓力。輪胎可能已經(jīng)被刺穿卻完全未被察覺(jué)，所以有一個(gè)可提醒駕駛?cè)藛T充氣的車載傳感器會(huì)非常重要。設(shè)計(jì)這些傳感器需要仔細(xì)考慮所有細(xì)節(jié)，仿真提供了尋找合適設(shè)計(jì)的工具。

輪胎壓力傳感器塑造駕駛體驗(yàn)

輪胎壓力低的一個(gè)后果是燃油消耗增加。此外，在低輪胎壓力下行駛的車輛會(huì)向大氣多排放數(shù)以噸計(jì)的溫室氣體。輪胎壓力低也會(huì)使車輛難以停止， 或使車輛在潮濕地面上打滑。一般要求汽車制造商在車輪上加裝壓力監(jiān)測(cè)傳感器， 在輪胎壓力低于預(yù)期時(shí)反饋給駕駛?cè)藛T;Schrader Electronics 目前是輪胎壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的全球市場(chǎng)領(lǐng)先企業(yè)。

Schrader Electronics 每年制造4500 萬(wàn)個(gè)傳感器，為包括通用汽車、福特和奔馳在內(nèi)的領(lǐng)先汽車公司提供傳感器。為了使傳感器可承受車輛使用期間的各種道路狀況，可靠性和耐用性是關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)必要的功能、幾何和材料時(shí)， 需要考慮到?jīng)_擊、振動(dòng)、壓力、濕度、溫度和各種動(dòng)態(tài)力。Schrader Electronics 機(jī)械設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工程師 Christabel Evans 一直在采用有限元分析(FEA) 和多物理場(chǎng)仿真來(lái)為各種車輛打造成功高效的輪胎傳感器。

通過(guò) FEA 設(shè)計(jì)更好的傳感器

圖 1 所示的高速卡入式輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器是Schrader 經(jīng)常使用的一種產(chǎn)品，它直接安裝在車輪上，用于測(cè)量輪胎壓力 —— 即使車輛在行駛中。當(dāng)輪胎壓力下降太多時(shí)，它會(huì)發(fā)出警告，提醒駕駛?cè)藛T停車并對(duì)輪胎充氣。

圖1 用于監(jiān)測(cè)輪胎壓力和發(fā)送測(cè)量信息的高速卡入式輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器( TPMS ) ( 上) 。

車輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心負(fù)荷對(duì)發(fā)射器殼體產(chǎn)生的應(yīng)用變形，放大10倍(下)。

Schrader Electronics 制造傳感器的歷史已有將近20 年，但 Christabel Evans 和她的同事們希望可以通過(guò)更有效的方法來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試。他們使用FEA 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，并不斷優(yōu)化流程 —— 這使他們可以最大限度地降低實(shí)驗(yàn)成本，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中評(píng)估設(shè)計(jì)性能。Schrader Electronics 發(fā)現(xiàn)如果他們要將現(xiàn)有的一些 FEA 軟件部署到自己的整個(gè)團(tuán)隊(duì)，成本會(huì)非常高。于是他們轉(zhuǎn)為使用 COMSOL Multiphysics的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊和CAD導(dǎo)入模塊。他們?cè)陂_(kāi)始時(shí)進(jìn)行了一系列的測(cè)試，將標(biāo)準(zhǔn)化樣品與仿真進(jìn)行比較，以驗(yàn)證軟件的有效性，并對(duì)結(jié)果建立了信心。

通過(guò)更好的仿真工具提高靈敏度和耐用性

慢慢地， 研究人員將更多的自然參數(shù)納入他們的仿真，從動(dòng)態(tài)負(fù)荷(如離心力)到環(huán)境應(yīng)力(如溫度變化)，再到靜態(tài)因素 ( 如壓力和擠壓負(fù)荷)。高速卡入式 TPMS 包含一個(gè)發(fā)射器，它由一個(gè)裝入箱體的電路組成，以帽螺釘與氣門(mén)桿相連。氣門(mén)桿裝到輪胎鋼圈上，允許空氣通過(guò)。在高速TPMS 上，氣門(mén)幾何包含了一根加強(qiáng)筋，幫助將裝配體保持在鋼圈氣嘴孔中。

圖 1 中，SchraderElectronics測(cè)量了外部力(例如輪胎裝配、沖擊或道路顛簸產(chǎn)生的振動(dòng))作用在殼體上產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。圖 2 顯示了應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)零部件。

圖2 圓環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)測(cè)試仿真表明離心力引起的應(yīng)力集中在螺栓位置。

他們對(duì)該部件進(jìn)行了分析，驗(yàn)證選擇的材料是否能夠承受所需的負(fù)荷。通過(guò)對(duì)幾種模型的分析，Evans 和她的團(tuán)隊(duì)確定了一種最合適的模型，改進(jìn)了他們的設(shè)計(jì)。他們將精力集中于測(cè)試不同的幾何、材料和負(fù)荷情況。

相較于其它類似的仿真軟件，Schrader 的研究人員能夠更快地學(xué)習(xí)COMSOL Multiphysics. 軟件，并且由于靈活的授權(quán)許可類型選擇，在整個(gè)組織中的配置更加容易。Ev a n s說(shuō)：“COMSOL 界面友好，很快就能學(xué)會(huì)—工程師們立刻就能上手。

目前，Schrader 計(jì)劃將他們的大部分精力集中在設(shè)計(jì)和增長(zhǎng)上，部分精力放在故障分析方面，他們希望借助仿真工具來(lái)改進(jìn)他們的以研發(fā)為重心的方法。他們正在努力通過(guò)新設(shè)計(jì)改善駕駛舒適性、環(huán)境影響和道路安全性。