智慧輪胎 - 黃敏祥 課長

智慧輪胎 - 黃敏祥 課長

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1. 報告人：黃敏祥 1
2. 2 • 成立日期：1990年10月 • 地 點：彰濱工業區 (鹿港區, 2000年起~) • 員工人數：約430人 • 場址面積：129公頃 (試車場：119 公頃) • 定位：  車輛產業研究發展機構  車輛專業檢測驗證機構  車輛使用及管理技術服務機構 認識ARTC
3. 3 認識ARTC
4. 4 科技研 發創 新的先鋒
5. 5 產 業 輔 導 升 級 的 後 盾
6. 6 認識ARTC 119公頃試車場地
7. 輪胎演進 管制歷程 技術發展 智慧功能研發與應用 7
8. 8 汽車輪胎生產發展的歷史： 前50年主要是解決如何提高輪胎的使用壽命問題。 近年來，著重輪胎行駛性能、安全性能、舒適性能和經濟性能 1493-1496年 1887年
9. 胎面 胎面 提供輪胎牽引力，並且抵抗刺穿、磨損與高熱 提供輪胎牽引力，並且抵抗刺穿、磨損與高熱 胎邊 胎邊 吸收路面的衝擊力道與減緩震動回彈 吸收路面的衝擊力道與減緩震動回彈 胎唇鋼絲 胎唇鋼絲 使輪胎與鋼圈牢固地緊密結合 使輪胎與鋼圈牢固地緊密結合 鋼絲環 帶層 鋼絲環 帶層 防止輪胎遭受外部異物穿刺，並加強胎面的抗壓 力，同時也可以因此提高油耗的表現 防止輪胎遭受外部異物穿刺，並加強胎面的抗壓 力，同時也可以因此提高油耗的表現 覆蓋層 覆蓋層 補強胎面的強度抵抗外物的侵襲，並緩和路面 的沖擊力 補強胎面的強度抵抗外物的侵襲，並緩和路面 的沖擊力 胎體層 胎體層 支撐輪胎結構體的主要骨幹部份，用於承受輪胎 的荷重壓力、胎體內部壓力以及橫向拉力等 支撐輪胎結構體的主要骨幹部份，用於承受輪胎 的荷重壓力、胎體內部壓力以及橫向拉力等 胎邊加強層 胎邊加強層 補強胎邊結構的韌性及強度 補強胎邊結構的韌性及強度 氣密層 氣密層 輪胎的最底層結構，主要目的在於防止胎壓洩漏 輪胎的最底層結構，主要目的在於防止胎壓洩漏 9 輪胎結構組成
10. 應施檢驗： 依據國家標準CNS1431 針對「汽車 用外胎（輪胎）」檢測項目包括：  外胎強度  失壓續跑試驗  高速性能  胎唇部抗脫座力  耐久性  離⼼成⻑性能  尺度測量 輪胎操控與安全 10 材料測試：  硬度試驗  抗拉強度試驗  斷裂伸⻑率  拉應力試驗  磨耗試驗  剝離強度試驗  耐熱試驗  耐臭氧試驗  低溫測試 輪胎測試驗證
11. • 輪胎用量龐大且持續 增加，其行駛耗能已 與工業耗能相當。降 低滾動阻力可改善行 駛耗能，對改善溫室 效應有重大意義。 • 縮短煞車距離可減少 車禍意外的發生，輪 胎濕地抓地性能需加 以確保。 更省油 更省油 更安全 更安全 更耐磨 更耐磨 11
12.  WHO研究報告顯示，噪音會影響身體 健康，包括缺血性心髒病和睡眠障礙， 兒童認知障礙，煩惱與壓力有關的精神 健康風險以及耳鳴  建議白天道路交通噪音應低於53 dB，晚 上更建議要低於45 dB  車輛工業發源地-歐洲，每年因噪音污染 帶來的經濟損失約有100億至300億歐元 節能、噪音、安全 12
13. 聯合國車輛法規協調工作小組(WP.29)2011年公告輪胎型式認證規範 UNECE R117 ，針對輪胎性能(滑行噪音、滾動阻力及濕地抓地力)制定 管制標準與試驗程序。 新產品型式認證管制標準分二階段實施，其中第二階段加嚴滾阻標準， 並對C2、C3類輪胎增加濕抓管理，且給予既有產品2~4年過渡期。 項目 乘用車 (C1) 小貨車(C2) 大客貨車(C3) 第⼀階段 (2012/11起) 滾動阻力(kg/t) 12.0 10.5 8.0 濕地抓地力(G) >1.1 ─ ─ 滑行噪音dB(A) 70-74 72-73 73-75 第二階段 (2016/11起) 滾動阻力(kg/t) 10.5 9.0 6.5 濕地抓地力(G) >1.1 >0.95 >0.8 年份 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 新產 品 既有 產品 噪音、 滾阻、濕抓(C1) 噪音、滾阻(加嚴)、濕抓(加嚴/新增C2/C3) 2014: 滾阻(C1/C2)、濕抓(C1) 2016: 噪音、滾阻(新增C3) 2018: 噪音、滾阻(C1/C2)、濕抓(C2) 2020: 噪音、滾阻(增C3) 、濕抓(增C3) 13
14.  基於消費者保護、安全、能源與環保等考量，歐盟、韓國、沙烏地阿拉伯、日本、巴 ⻄及泰國等組織/國家，已參照/調和UNECE R117制定強制性法規，並納入商品性能 檢驗管理(註1)。  各國對通過檢驗合格之輪胎產品，另制定『性能分級標示』制度(詳附件)，並透過QR Code使消費者快速、方便取得輪胎產品安全、節能、環保等級，間接促進輪胎製造 商持續改善產品性能及品質。 2019 2020 2016 2015 2009 2011 2012 2013 2014 日本 歐盟 中華⺠國 阿拉伯 韓國 2010 阿拉伯 SASO 滾阻、濕抓C1 滾阻、濕抓、噪音, C1,C2,C3 巴⻄ 中國 巴⻄ INMETRO 泰國 自願性 強制性 強制性 滾阻、濕抓 C1,C2 滾阻、濕抓、噪音 C1,C2,C3 強制性 強制性 滾阻、濕抓 C1 自願性 強制性 自願性 性能檢驗 分級標示 歐盟 UNECE 泰國 TISI 日本 MLIT 韓國 KC 印度ISI (2020.04) 註1：檢驗管理皆以輪胎「花紋」和「代表規格」（Worst Case）作為分類指標 14
15. 15 -滾動阻力
16. 16 滾阻與車速關係 胎壓及路面對輪胎滾 動阻力影響 橡膠遲滯現象  速度增加，來自路面衝擊增加，導 致輪胎變形加速，滾阻變大  滾動阻力會隨著不同胎壓及路面狀 況而有變化  滾動阻力90%為輪胎遲滯現象所引 起，而輪胎轉動所產生之溫升會影 響充氣壓力及橡膠材料特性
17. →導入功能性共聚合膠SNBR部分取代SSBR，藉此改善 磨耗量及發熱量 高發熱 低發熱 改 質 添 加 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 H40 H41 H42 H43 H44 Ts(psi) 0 100 200 300 400 500 600 H40 H41 H42 H43 H44 Eb H40~H44 0 20 40 60 80 100 120 H40 H41 H42 H43 H44 DINAbrasion Index % 中科 建大 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 H40 H41 H42 H43 H44 Tan δ @ 60℃ H40~H44 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 H40 H41 H42 H43 H44 Tan δ @ -25℃ H40~H44 17
18. 18 溫度場是 否收斂? 熱邊界 條件 輪胎有限元素 熱傳導分析 穩態溫度 場分布 是 否 生熱率Q 輪胎有限元素 結構分析 損耗計算分析 應力 應變 橡膠黏彈 特性 橡膠超 彈特性 輪胎幾 何模型 力學邊 界條件 熱性能材 料參數 滾動阻力計算 與分析 穩態溫度場 應力分析結果 輪胎模型
19. 模擬過程中假設 19
20. 遲滯損失可以由應力應變曲線包覆之面積求得，包覆的面積代表⼀ 個加卸載循環過程中能量損耗，即為單位體積損耗之能量。 應力應變曲線 20
21.  各膠料滾動阻力貢獻量計算結果如下圖： 由分析結果胎面膠約占整體滾動阻力70%，其為滾動阻力最 大貢獻者。 時速80km/hr之滾動阻力計算結果 21
22.  計算結果與實測結果進行比較： 藉由穩態溫度場分析結果，調校不同溫度的材料參數，以最接 近真實的輪胎工況進行滾動阻力分析，進而提升滾動阻力計算 之精度。 滾動阻力計算值與實測值比較圖 輪胎規格 205/55R16 充氣壓力 (kPa) 210 荷重 (N) 4825 速度(km/hr) 80 迭代次數 滾動阻力實 測值(N) 滾動阻力計 算值(N) 誤差(%) 初始 60.61 71.31 17.65 迭代1 60.61 60.89 0.47 迭代2 60.61 62.94 3.84 迭代3 60.61 62.68 3.42 迭代4 60.61 62.71 3.47 22
23. • 車輛行駛於濕滑之積水 路面上，水流體之動壓 力造成輪胎發生水滑現 象(Hydroplaning) • 輪胎濕抓地力之優劣為 影響行車時的安全性與 穩定性 水滑現象 濕地抓地力(G)=測試胎/標準胎的最大煞車性能比值 23
24. 輪胎充氣壓載示意圖 1. 第一階段之充氣與壓載 2. 第二階段加入空氣及水層 3. 固定路面6向自由度 4. 固定輪框Y, RX, RY, RZ向自由度 5. 固定水層下方Z向自由度 6. 給予輪胎向前之初速度 7. 給定摩擦係數為0.8 0 90 / V km h  空氣及水層設定 24
25. 光頭胎 非等距四直溝胎-(I) 非等距四直溝胎-(II) 最大接觸壓力：1.03MPa 最大位移量：23.14mm 最大接觸壓力：1.15MPa 最大位移量：23.31mm 最大接觸壓力：1.04MPa 最大位移量：23.24mm 25 25
27. 花紋形式 pbfc最大值 改善率% 排序 光頭胎 0.70020 0 7 非等距四直溝胎-(I) 0.74613 6.6 5 非等距四直溝胎-(II) 0.71625 2.6 6 非貫通型四直溝混合花紋胎 0.74685 6.7 4 貫通型四直溝混合花紋胎 0.77643 16 2 三直溝胎 0.74692 6.7 3 貫通型三直溝混合花紋胎 0.86761 24 1 pbfc= brake vertical F F 27
28. 三種花紋胎之正向接觸力歷時圖比較，可快速 判斷何種花紋設計之濕抓地力較佳 水滑速度越高表示抓地力越好 水滑速度：105km/hr 水滑速度：101km/hr 水滑速度：104km/hr 28
30. 輪胎噪音產生機制 發生頻率範圍 簡圖 衝擊作用 ≦1000Hz 空氣壓縮 ＞1000Hz 滑動 尖銳的聲音 黏滯振動 800~1200Hz 喇叭效應 1000～10000Hz 2000Hz最明顯 風管作用 赫姆赫茲共鳴器 ＞ 1700Hz 骨架振動 ≦300Hz 內部聲學共鳴 ≦500Hz 30
31. 量測方法： CNS 9480 –麥克風水平距輪胎胎面中⼼線50cm、高25cm，麥 克風指向輪胎與滾輪接觸面 JASO C606–麥克風水平距輪胎胎面中⼼線100cm、高25cm， 麥克水平指向輪胎中⼼ 0.5m Run up測試及量測3.75m位置之噪音量 輪胎單體噪音測試 31
32. 有溝槽之胎紋，在 800~1200Hz之間， 其噪音值有明顯增 加現象 32
33. 2 5 . 0 0 6 4 0 0 . 0 0 H z 1 0 . 0 0 8 0 . 0 0 dB(A) Pa F K R 3 0 F t y p e 1 0 F t y p e 1 2 F t y p e 1 6 F t y p e 2 0 F t y p e 2 1 F t y p e 2 9 腔體共鳴音 胎塊階次頻率 0.00 500.00 Hz Poi nt6 (C H6) 0.00 5.00 s Ti m e 0.00 60.00 dB Pa 230.62 AutoPow er Poi nt6 W F 51 [0-5 s] 200~250Hz之間 33
34. 基因演算胎紋最佳化 獨創3D流場胎紋設計最佳化 →藉由流場分析得到溝槽壓力 時間變化，再以此為邊界條 件帶入聲學分析，可準確預 知輪胎花紋噪音 流場噪音及胎紋最佳化技術 →由⼀維排列推展⾄2維圖像 排列，噪音預估準確度提升 34
35. 消音塊設計 最佳接地壓力分布 1.胎面膠特性決定滾動阻力大小，花紋設計對 其影響有限。 2.直溝排列/溝槽寬度、深度決定輪胎大部分排 水性能與溼抓地力，橫向溝槽雖可增加部分 抓地/操控性能，但亦使輪胎噪音加大 3.胎紋噪音多為泵氣效應，最佳化排列有助於 降低其峰值。通常以不影響噪音又能增加排 水/操控性能，多半會增加其細溝槽設計 封閉的胎肩設計，可減少聲 波向外輻射 花紋塊角度變化，接觸更 柔緩減少產生撞擊噪音 多節距花 紋設計 35
37. 四、智能輪胎發展概念 輪胎對路面摩擦力為影響行車動態安全之關鍵參數，現行的安全控制系統皆 間接(如車速、輪速…)評估該特性，輪胎訊息的取得，有機會促使ADAS功 能更趨成熟，同時增進ITS發展。  近二十所發展的主動安全/舒適設計皆使用傳感器擷取車身動態或影像訊 息而開發，但2000年以前，引發所有動態行為的源頭「輪胎/路面摩擦力」 卻未被探討。  歐盟2001-2005委託芬蘭技術研究中心(VTT Technical Research Centre of Finland Ltd)所執行的研究報告中，首次嘗試結合傳感器及訊號處理並 形成系統，以監測車輛行駛中輪胎/路面資訊，期望能改善道路交通安全。 安全 舒適 節能 軸 向 TCS/ABS Soft-Stop 系統… 煞車 回充 側 向 ESP/ 煞車 補償系統.. 轉向設計.. - 垂 直 TPMS… 主動式懸 吊… - APOLLO Consortium, "Intelligent Tyre for Accident-free Traffic," Technical Research Centre of Finland (VTT)," APOLLO Deliverable D22/23 for Project IST-2001-34372, 2005. 輪胎動態 車身動態 主動式系統開發 37
38. 凡透過感測器蒐集輪胎訊號(如胎壓/溫度/振動/磁感應...)， 並經演算法處理後，經雲端或後台提供應用或服務之系統皆 可稱為智能輪胎。 四、智能輪胎發展概念 38
39. 利用接線方式將輪胎內部sensor振動 資訊輸出，並由電腦進行分析處理 四、智能輪胎發展概念 39
40. 1.傳感器技術  加速規/應變規皆需接線，僅研究無法 量產 2.無線傳輸問題  現有TPMS無線傳輸，無法供應大量 輪胎振動特性訊號 3.電源問題  電池怕無法長時間供應，需進一步優 化設計或發展免電池或無線充電 四、智能輪胎發展概念 40
41.  國際智能輪胎發展概況 米其林(法) Michelin 普利司通(日) Bridgestone 固特異(美) Goodyear 馬牌(德) Continental 橫濱輪胎(日) YOKOHAMA 智慧功能 擷取胎壓、 溫度、磨耗 及生產資訊 開發後台系統， 可監測胎壓、 路況及磨耗 擷取胎壓、溫 度及磨耗 擷取胎壓、溫 度及乘載重量 擷取胎壓、溫 度及側滑 充電及傳 輸設計 X 自發電及無線 傳輸 X X X 感測器 RFID MEMS加速規 MEMS加速規 壓電傳感器 G sensor 1. 資料來源：各輪胎廠網站 41 整體發展仍在 1.數據蒐集/特性分析 2.訊號傳輸及供電設計 3.資訊及系統整合 讓輪胎/路面資料能更即時、 快速提供車輛控制或介入駕駛 四、智能輪胎發展概念
42. 智慧模組開發 42 四、智能輪胎發展概念
43. 四、智能輪胎發展概念 數據蒐集/特性分析 判別乾溼路面 輪胎實際荷載預估 輪胎轉向特性 43
44. 四、智能輪胎發展概念 訊號傳輸及供電設計 利用離⼼力自發電，配合無線傳輸，發電量小且固定不易 利用TPMS電源，但訊號輸出間隔較⻑，無線傳輸穩定 44
45. 四、智能輪胎發展概念 資訊及系統整合  匯入ADAS系統或車 用EUC，配合ABS及 TCS，讓行更加安全 發展智慧城市 45
46. 四、智能輪胎發展概念 輪胎 智能管理 輪胎 資訊蒐集 車隊運輸 管理 政策 管理應用 (節能與安全) 結合電子量測，蒐集輪胎ID 壓力、溫度、滾阻、胎紋深 度、載重、行駛里程等資訊 結合大數據分析，進行輪胎 維護管理(運輸成本、胎壓 管理等)與預測分析(爆胎、 胎體變形、偏磨耗等) CO2 排放總量管理 (歐盟2023年將蒐集載重、 行駛里程納入加權平均計算) 解析度＜ 100 kg，精度: ±5%@90%總重 強制安裝車載載重計 運輸節能/安全管理  車輛運輸效率分析  車輛超載管理  輪胎翻修/仿冒管理  節能輪胎優惠過路費  輪胎滾阻/濕抓掃描 46
47. 到2022年，全球汽車智能輪胎市場預計將增⻑⾄ 30,323.26百萬美元，且增幅速度逐年提升 歐洲，中東和非洲地區(EMEA Countries List)佔整 體市場50％ GLOBAL AUTOMOTIVE INTELLIGENT TIRES MARKET 2018-2022 四、智能輪胎發展概念 47
48. 國際大廠投入心力研發即推出智能輪胎技術與產品 市場發展部分已由技術創新逐漸⾛向銷售市場成⻑期 四、智能輪胎發展概念 48
49. 四、智能輪胎發展概念 49
50. 簡報完畢、敬請指教 50 50
51. 嵌入被動式超高頻(UHF)射頻識別標籤(RFID)到胎側，進行輪胎管 理。可用來自動識別每個輪胎狀況，不僅可以輕鬆獲得輪胎壓力和 溫度數據，還可以提供從搖籃到墳墓的可追溯性。 Communicating Tyres = TPMS + RFID 五、附件(各輪胎廠技術現況) 51
52. 普利司通智慧輪胎感測技術 CAIS ( Contact Area Information Sensing ) 輪胎胎壁內建一具有溫度、加速 度、壓力與變形等感測器及微型 發電機！藉由sensor輸出之輪胎 運轉振動資料，即時判別道路情 況，辨識出乾燥、半濕地、濕地、 結霜、空心雪地、實心雪地和結 冰等七種路況，以及輪胎溫度、 壓力、磨損等狀況。 五、附件(各輪胎廠技術現況) 52
53.  放氣檢測系統 DDS (Deflation Detection System)，可以分 析ABS轉速器提供的數據，由輪胎轉速的改變估算胎壓減少， 系統本身沒有感測器。  胎紋偵測應用新/舊輪胎的壓電信號比較，來估計輪廓深度。 D D S 胎 紋 偵 測 五、附件(各輪胎廠技術現況) 53
54. 登陸普 新型橡膠嵌入輪胎內部，帶有無電池微晶片。它將有關輪胎壓 力、溫度和輪胎識別詳細資訊發送到車輛的計算機。 類似的概念也能在國際知名大廠牌-Dunlop中看見概念性產品 的發表 五、附件(各輪胎廠技術現況) 54
55.  倍耐力  利用輪胎自身轉動釋放的能量的系統自供電(能量清理)， 這也使其環保，環境影響低，因為它不需要電池  網路輪胎，可跟車輛ECU溝通 五、附件(各輪胎廠技術現況) 55
56. 固特異 自動充氣輪胎技術 Air Maintenance Technology (AMT)。空氣維護 技術系統使用內部壓力調節器來確定輪胎何時低。當壓力下降時， 調節器打開以允許空氣進入泵送管。管子圍繞輪胎的圓周作為輪胎 卷，它擠壓管，有效地迫使空氣通過入口進入輪胎。一旦輪胎適當 地充氣，調節器關閉泵送管，且車子繼續行進不必依賴外部壓縮機。 五、附件(各輪胎廠技術現況) 56
57. 建大輪胎 五、附件(各輪胎廠技術現況) 磨耗 偵測模組 TPMS 感測器 接收端 電源及振動訊號 磨耗及里程訊號 胎壓、溫度磨 耗、里程顯示 智慧平台 無線載台 顯示面板 原始訊號 濾波 計算輪速與里 程 完成開發具磨耗／里程／ 胎壓／胎溫監測的多功能 智慧模組 57