輪胎壓力是汽車性能的幕后英雄。當充氣到一定壓力時，輪胎處于設(shè)計預期的形狀。當氣壓下降時，輪胎轉(zhuǎn)動需要的能量會增大。

在日常往來行駛中，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，所以有一個可提醒駕駛?cè)藛T充氣的車載傳感器會非常重要。設(shè)計這些傳感器需要仔細考慮所有細節(jié)，仿真提供了尋找合適設(shè)計的工具。

輪胎壓力傳感器塑造駕駛體驗

輪胎壓力低的一個后果是燃油消耗增加。此外，在低輪胎壓力下行駛的車輛會向大氣多排放數(shù)以噸計的溫室氣體。輪胎壓力低也會使車輛難以停止， 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)測傳感器， 在輪胎壓力低于預期時反饋給駕駛?cè)藛T;Schrader Electronics 目前是輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)的全球市場領(lǐng)先企業(yè)。

Schrader Electronics 每年制造4500 萬個傳感器，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)計必要的功能、幾何和材料時， 需要考慮到?jīng)_擊、振動、壓力、濕度、溫度和各種動態(tài)力。Schrader Electronics 機械設(shè)計團隊的工程師 Christabel Evans 一直在采用有限元分析(FEA) 和多物理場仿真來為各種車輛打造成功高效的輪胎傳感器。

通過 FEA 設(shè)計更好的傳感器

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

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

車輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心負荷對發(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更有效的方法來進行產(chǎn)品設(shè)計和測試。他們使用FEA 對設(shè)計進行仿真，并不斷優(yōu)化流程 —— 這使他們可以最大限度地降低實驗成本，在開發(fā)過程中評估設(shè)計性能。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團隊，成本會非常高。于是他們轉(zhuǎn)為使用 COMSOL Multiphysics的結(jié)構(gòu)力學模塊和CAD導入模塊。他們在開始時進行了一系列的測試，將標準化樣品與仿真進行比較，以驗證軟件的有效性，并對結(jié)果建立了信心。

通過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，從動態(tài)負荷(如離心力)到環(huán)境應(yīng)力(如溫度變化)，再到靜態(tài)因素 ( 如壓力和擠壓負荷)。高速卡入式 TPMS 包含一個發(fā)射器，它由一個裝入箱體的電路組成，以帽螺釘與氣門桿相連。氣門桿裝到輪胎鋼圈上，允許空氣通過。在高速TPMS 上，氣門幾何包含了一根加強筋，幫助將裝配體保持在鋼圈氣嘴孔中。

圖 1 中，SchraderElectronics測量了外部力(例如輪胎裝配、沖擊或道路顛簸產(chǎn)生的振動)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)試驗機的一個零部件。

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

他們對該部件進行了分析，驗證選擇的材料是否能夠承受所需的負荷。通過對幾種模型的分析，Evans 和她的團隊確定了一種最合適的模型，改進了他們的設(shè)計。他們將精力集中于測試不同的幾何、材料和負荷情況。

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

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