O Que é Sistema de Pneus Inteligentes?

Os smart tires, também conhecidos como pneus inteligentes, são equipados com sensores para monitorar quantidades como pressão de ar, tensão aplicada, temperatura, aceleração, carga da roda, atrito e desgaste da banda de rodagem, e espera-se que melhorem a confiabilidade dos pneus e sistemas de controle de pneus, como sistemas de freios antibloqueio (ABS). A identificação das condições de direção dos pneus é de importância crucial para a segurança, desempenho e estabilidade dos veículos. Portanto, nas últimas décadas, um esforço considerável de pesquisa tem sido focado no desenvolvimento de pneus inteligentes que são capazes de fornecer informações úteis sobre as condições dos pneus e da estrada. Por exemplo, o conceito de pneu inteligente pode ser adotado para estimar forças na interface pneu-estrada, desgaste do pneu, comprimento do remendo de contato, coeficiente de atrito, ângulo de deslizamento e condições da estrada (Figura 1).

Os sistemas de pneus inteligentes são projetados para manter uma forte capacidade de percepção de curto prazo e robustez de longo prazo em cenários de aplicação complexos para aumentar a segurança do carro e dos passageiros. Os sistemas atuais têm uma estrutura comum, conforme mostrado na Figura 2. O sistema contém o módulo sensor, o módulo de transmissão de sinal, o módulo de processamento de sinal e o módulo de fonte de alimentação. Os sensores são instalados nos pneus para coletar dados diretamente mensuráveis ​​dos estados dos pneus, como aceleração, tensão, deformação e temperatura. O módulo de transmissão de sinal transmite os dados coletados para o processador e o módulo de fonte de alimentação fornece energia para todo o sistema. Diferentes métodos de estimativa foram propostos para processar os dados coletados de contato pneu-estrada para reconhecer os parâmetros alvo relacionados às interações pneu-estrada.

Pneus são as únicas partes dos veículos em contato com superfícies de estrada, portanto, o manuseio e o desempenho de frenagem do veículo terrestre são governados pela força e momento aplicados ao veículo, e a maioria deles é gerada entre o pneu e a superfície da estrada. O emprego de pneus inteligentes permite medir e estimar as forças e momentos pneu-estrada empregando os sensores acima mencionados acoplados a ferramentas de estimativa, como modelos analíticos de pneus ou redes neurais.

Sensores são os componentes mais importantes do sistema de pneus inteligentes, pois seu desempenho afeta a precisão e estabilidade da percepção para interação pneu-estrada. Existem dois tipos de sensores divididos em contato e sem contato, conforme mostrado na Figura 3.

Os sensores do tipo contato são instalados na parede interna dos pneus e podem indicar diretamente os estados do pneu. Ao contrário, os sensores do tipo sem contato podem medir os estados do pneu sem contato direto com o pneu, como os sensores ópticos e ultrassônicos.

Uma das primeiras aplicações de pneus inteligentes nas indústrias automotivas consiste no sistema de monitoramento de pressão dos pneus (TPMS) que é um sistema que monitora a pressão do ar dentro dos pneus. Um TPMS relata informações de pressão dos pneus em tempo real ao motorista, usando um medidor, um display de pictograma ou uma simples luz de advertência de baixa pressão. O TPMS pode ser dividido em dois tipos diferentes – direto (dTPMS) e indireto (iTPMS).

Em particular, o TPMS direto (dTPMS) mede diretamente a pressão dos pneus usando sensores de hardware. Em cada roda, mais frequentemente no interior da válvula, há um sensor de pressão acionado por bateria que transfere informações de pressão para uma unidade de controle central que as reporta ao computador de bordo do veículo. Algumas unidades também medem e alertam as temperaturas do pneu. Esses sistemas podem identificar a subinflação para cada pneu individual. Embora os sistemas variem nas opções de transmissão, muitos produtos TPMS podem exibir pressões de pneus individuais em tempo real, esteja o veículo em movimento ou estacionado. Existem muitas soluções diferentes, mas todas elas enfrentam os problemas de exposição a ambientes hostis pois a maioria é alimentada por baterias que limitam sua vida útil. Alguns sensores utilizam um sistema de energia sem fio semelhante ao usado na leitura de etiquetas RFID, que resolve o problema da vida útil limitada da bateria. Isso também aumenta a frequência de transmissão de dados em até 40 Hz e reduz o peso do sensor, o que pode ser importante em aplicações de automobilismo. Se os sensores forem montados na parte externa da roda, como alguns sistemas de reposição, eles estarão sujeitos a danos mecânicos, fluidos agressivos e também a roubo. Quando montados na parte interna do aro, eles não são mais facilmente acessíveis para troca de bateria e o link RF deve superar os efeitos atenuantes do pneu, o que aumenta a necessidade de energia. A Figura 3 mostra duas maneiras funcionais diferentes de detectar pneus inteligentes para obter o TPMS direto.

Os TPMS são instalados quando o veículo é feito ou depois que o veículo é colocado em uso. O objetivo de um TPMS é evitar acidentes de trânsito, economia de combustível ruim e maior desgaste dos pneus devido a pneus com pressão insuficiente por meio do reconhecimento precoce de um estado perigoso dos pneus.

As medições dos estados dos pneus podem ocorrer dentro ou fora do pneu. Os sistemas de sensores que estão localizados em locais fora dos pneus, por exemplo, a suspensão, a roda e o rolamento da roda, são adequados para estimativas de forças e momentos dos pneus; no entanto, eles não podem ser usados ​​para examinar mecanismos fundamentais de interações pneu-estrada, por exemplo, aquaplanagem e resistência ao rolamento. Além disso, os transdutores de força da roda, um tipo de tais sistemas de sensores, já são produtos disponíveis comercialmente e amplamente usados ​​em testes automotivos.

Essas lições se concentram apenas em métodos de detecção dentro do pneu. Os métodos de detecção dentro do pneu existentes podem ser classificados em cinco tipos principais, que são: acelerômetros, sensores ópticos, sensores de deformação, sensores de fluoreto de polivinilideno (PVDF) e outros sensores, conforme mostrado na Figura 5.

Mas Afinal, Como Funcionam?

As forças e momentos entre o pneu e a superfície da estrada desempenham um papel crucial no desempenho funcional do veículo, como passeio, manuseio e frenagem. Essas forças e momentos são gerados na área de contato e são devidos à deflexão do pneu e ao atrito entre a borracha da banda de rodagem e a superfície da estrada. A Figura 5 mostra um exemplo típico de deflexão de um pneu carregado quando o ângulo de deslizamento é aplicado. O ângulo de deslizamento aplicado faz com que o anel da banda de rodagem, que compreende elementos da banda de rodagem e correia, desvie na direção lateral, resultando em uma forma de contato distorcida e distribuição de tensão de contato.

Essa distribuição assimétrica de tensão gera uma força correspondente na direção vertical ao plano da roda (direção +y) neste exemplo descrito. Essa força lateral (Fy) também faz com que a linha da carcaça se desvie na direção lateral em relação ao aro. Da mesma forma, durante a frenagem ou aceleração, uma taxa de deslizamento diferente de zero causa a distribuição de tensão de contato ao longo da direção longitudinal, o que gera a força longitudinal. O remendo de contato se move para frente e para trás em relação à posição não perturbada devido a essa força longitudinal. À medida que a carga da roda aumenta, mais porção do anel da banda de rodagem é endireitada no remendo de contato por meio de deformação por flexão. Além disso, a distância radial entre o aro e o remendo de contato diminui por meio de deformações da parede lateral. Portanto, se pretendemos estimar as forças da roda e o deslizamento no remendo de contato com sensores dentro do pneu, a medição da deformação do anel da banda de rodagem no contato é crucial. Além disso, a medição da deflexão do anel da banda de rodagem fora do contato não deve ser negligenciada. Neste artigo, a deformação local do anel da banda de rodagem no remendo de contato é definida como a ‘deformação de contato’ (dcontato Figura 5), e a deformação geral do anel da banda de rodagem em relação ao aro é definida como deformação global (dglobal ​na Figura 5). As deformações de contato são geralmente identificadas com medições de acelerações e tensões de sensores tradicionais disponíveis no mercado ou sensores recentemente desenvolvidos (geralmente para sensores de tensão) instalados perto do patch de contato. A deformação global é medida diretamente com dispositivos de medição especialmente projetados, como sensores ópticos.

Agora vamos descrever os dois principais tipos de pneus inteligentes baseados em sensores acelerométricos e de tensão.

Os sensores de detecção do tipo contato mais amplamente usados ​​são os acelerômetros, que são muito sensíveis a vibrações excitadas por texturas de estradas e dinâmicas de veículos. As vantagens compactas, robustas e precisas tornam os acelerômetros adequados para serem aplicados na condição de trabalho dos pneus.

O raio do pneu de um pneu carregado é significativamente maior na região sem contato do que na região de contato. A rápida mudança do raio do pneu durante uma rolagem em alta velocidade resulta em dois picos proeminentes de aceleração na entrada e na saída do patch de contato. Isso torna o acelerômetro uma solução atraente para estimar o comprimento do patch de contato (Figura 6).

Três acelerômetros de três eixos são, normalmente, fixados respectivamente ao revestimento interno, à parede lateral e ao poço do aro, conforme mostrado na Figura 7. No entanto, existem algumas deficiências na implementação de sistemas de pneus inteligentes baseados em acelerômetros.

Um eixo do quadro de coordenadas do acelerômetro é alinhado com a linha central circunferencial do pneu e o outro eixo é alinhado com o eixo de rotação de um pneu. Indicadores claros, por exemplo, picos com altas amplitudes, podem ser encontrados dentro do sinal de aceleração no domínio do tempo. Além disso, a ampla largura de banda do acelerômetro (até dezenas de quilohertz) também o torna capaz de capturar o comportamento de vibração dos pneus. No entanto, os acelerômetros são muito sensíveis a perturbações, o que pode levar a grandes quantidades de envolvimento de ruído de dados devido às complexas interações pneu-estrada.

A contaminação de dados tem um impacto negativo no processamento de dados do pneu e na extração de características. Além disso, o erro de alinhamento entre o quadro de coordenadas do acelerômetro e o quadro da roda fixa pode introduzir diafonias na medição de um eixo em relação aos outros.

Os sinais medidos pelos acelerômetros podem indicar apenas informações limitadas sobre o estado de movimento do pneu.

A seguir, são apresentados diferentes tipos de pneus inteligentes baseados em deformação.

Pneu Inteligente Baseado em Extensômetro

Na Figura 8, uma disposição triaxial no revestimento interno do pneu de conjuntos de strain gauges é representada. Simetricamente à linha central da banda de rodagem do pneu, dois strain gauges de roseta retangulares são posicionados. O emprego desse layout de sensor permite obter informações tanto em condições de linha reta quanto em curvas.

Pneu Inteligente Baseado em FGB

O pneu inteligente baseado em FBG emprega nove sensores FBG para a medição da deformação local da carcaça do pneu e um sensor para medir sua temperatura, conforme mostrado à esquerda da Figura 9.

Os sensores de deformação são representados em azul, enquanto o de temperatura é retratado em vermelho. Este conjunto de sensores é aplicado em um pneu 245/40/R18 respeitando o sistema de referência representado à direita da Figura 9. As tensões ao longo da direção circunferencial (eixo x) e transversal (eixo y) são medidas, respectivamente, com cinco e quatro sensores de deformação.

Pneu Inteligente Baseado em Sensor Flexível

As condições de trabalho necessárias do pneu, como a velocidade de rolamento e a carga vertical, estão estritamente conectadas com a variação da curvatura do pneu causada pela ação de flexão. Os sensores resistivos de carbono flexíveis permitem a estimativa da variação da curvatura por meio da variação da resistência elétrica a partir de um valor constante. Quando o sensor está completamente dobrado, o valor máximo da variação da curvatura é exibido. Esses sensores são aplicados à parte interna do pneu, conforme representado na Figura 10c.

A deformação entre a banda de rodagem do pneu e os sensores flexíveis é simultânea ao entrar no remendo de contato, conforme mostrado na Figura 11. A deformação da banda de rodagem do pneu causa um aumento adicional na curvatura do sensor saindo pelo remendo de contato. A curvatura do sensor diminui durante a permanência no remendo de contato. A Figura 12 mostra a variação do raio de curvatura ao longo do tempo no regime de rolamento livre. O sistema sem fio é posicionado em um furo selado no aro. A conexão entre o sistema sem fio e os sensores flexíveis é feita através deste furo.

No lado direito da Figura 12, é possível observar que o raio de curvatura é quase simétrico em relação ao centro do patch de contato quando as forças de frenagem, tração ou direção são nulas. O comprimento do patch de contato pode ser estimado empregando a variação temporal do raio de curvatura do sensor flexível, conforme retratado abaixo.

Referências:

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