基于使用环境的TPMS结构工艺改进
0 引言 TPMS（Tire Pressure Monitoring System），即轮胎压力监测系统。其工作原理是：运用射频技术，通过安装在汽车轮辋上的发射模块检测轮胎内的压力和温度状况，将信息通过接收天线传送给接收模块，接哪？橛爰菔皇抑械南允灸？橥ü数据线相连。若轮胎中压力和温度出现异常，系统立即进行报警，同时显示模块显示故障轮胎的位置和相应的气压、温度[1]值 。TPMS系统组成如图 1所示。4 个发射模块固定在汽车轮辋上，接收模块放置于汽车后备箱中，接天线固定在汽车底盘上，显示模块放置于驾驶室中。对TPMS 系统来说，使用环境包括产品安装、拆卸及维护产生的操作环境，同时，使用环境还包含产品的工作环境，如温湿度环境、电磁场环境、运动环境等。 其中，轮胎内部的发射模块本体经常工作在恶劣环境中，如潮湿、盐雾和霉菌会降低灌封胶体的绝缘强度，引起漏电，从而导致产品故障。因此，必须采取防止或减少环境因素对发射模块寿命影响的各种措施，以保证发射模块的工作性能 。但仅仅考虑以上的三防要求还不够。在实际使用过程中，发射模块的安装与拆卸必须予以关注的。无论是安装还是拆卸，扒胎操作对发射模块会造成一定的影响，甚至会将模块彻底损坏。另外，接收天线为了信号的接收效果，安装于汽车底盘上，但同时也恶化了使用环境，这对接收天线的结构设计提出了较高要求。
图 1 TPMS系统组成1 发射天线结构设计及操作工艺改进 发射天线是 TPMS系统发射功率提升的关键。由于发射天线被封闭在轮胎与轮辋之间，因而在设计天线时不仅考虑金属轮辋和轮胎中金属丝网的屏蔽，还要考虑车轮在高速行驶时天线不断变换方向的影响。经过多次试验，弹簧天线是一种比较好的选择，它可以扩大发射[3]和接收的角度，有效地克服静动态盲点 。 如图 2 所示，发射模块通过气门嘴锁紧在汽车轮辋上，发射天线焊接在发射模块中的电路板上，并穿过发射模块壳体，伸出发射模块的外表面。当进行轮胎维护或更换发射模块时，需使用扒胎工具让发射模块外露，再拧松气门嘴，然后将发射模块取出。在让发射模块外露的过程中，若天线结构设计不合理或未按操作规程进行，发射天线极易被损坏。1.1 天线结构设计改进
图 2 发射模块安装示意图为方便说明问题，图例中将弹簧天线的外层橡胶套去除，如图 3 所示。改进前天线座上超出壳体表面 3.5mms在进行扒胎操作时，可能存在以下两种操作环境：（1）扒胎撬沿着轮辋周边相对转动的过程中，撬杆伸入轮胎内部过深，直接碰上天线座，致使天线座挤压壳体，从而使壳体破裂；（2）在扒胎过程中，扒胎铲挤压轮胎边缘，轮胎边缘会沿壳体表面滑至天线座，这样也会使天线座挤压壳体s从而使壳体破裂。 以上两种情况的本质均为天线座挤压壳体，导致壳体破裂。同时，由于受到外物挤压，天线座与电路板连接的焊点受损，导致发射天线功能失效。要避免以上情况发生，可以将天线座移至壳体内部，让外物（扒胎撬杆或轮胎边缘）与弹簧天线（含橡胶套）接触，弹s的柔软性可以让外物顺利通过，从而避免受到损伤。如图 4所示。
天线座改进前上表面距离电路板的距离为 10mm，s图 5 所示。改进后的距离为 6mm，天线座的上表面下沉了 4mm（考虑到零件制造及装配公差），如图 6 所示，足可以保证在扒胎时，外物不会损坏壳体。
同时，为保证结构尺寸改变后天线的发射性能不会降低，通过改变弹簧的长度、螺距、直径等参数，使天线性能得以保证。1.2 操作工艺改进 以上从产品自身对产品结构进行改进，以降低使用环境对产品的影响。在产品实际推广过程中，我们发现，如果扒胎铲正对发射模块进行铲压，强大的冲力对模块会造成损伤，甚至有时将发射模块从气门嘴根部铲断，此时应该对轮胎维修工人的操作进行规范要求。
在产品使用说明书中，需要从操作工艺的角度强调指出两点：（1）安装发射模块时，气门嘴穿过轮辋过孔后，调整模块本体尽量贴近轮辋圆柱面，再用螺母将模块锁紧在轮辋上（目的是防止发射模块安装时不要翘起，以免被外物挤压变形或断裂）。（2）进行轮胎维护或更换发射模块时，拆卸轮胎过程中，严禁扒胎铲在发射模块两侧各 30 度的范围内进行铲压，以免损坏发射模块。 在轮胎中安装电子产品，传统的轮胎维修工人没有经历过，因此除了在产品自身设计上尽量减少操作对产品的影响外，对工人自身的习惯行为应加以规范，以适应产品的推广与使用要求。2 接收天线结构设计改进 接收天线在 TPMS 系统中起到发射模块与接收模块的纽带作用，发射模块为无线射频模式，信号被接收天线捕捉后，通过连接线缆与接收模块连通，再由接收模块对信号进行数据处理，然后在显示模块上显示出各轮胎内的气压温度值。为增强接收效果，接收天线通常安装于汽车底盘下并靠诔堤逯醒胛恢茫直接暴露在外界，当车辆行驶时，天线的运动环境异常恶劣。2.1 原结构设计 接收天线原结构如图 8所示，整体型式为扁条状，外形尺寸为 170mm×38mm。此种天线在电路板谟∷⑼线，连接线缆与天线馈点焊接，电路板与线缆放在模具中整体注塑而成。 由于射频性能限制，印制板距离汽车底盘的空间必须保持在 12mm 以上，电路板进行注塑后，天线主体与汽车底盘之间有至少 9mm 的空间，最大处有 10.2mm。该天线通过安装底脚使用高强度自攻螺钉固定在汽车底盘上。汽车行驶过程中，由于该空间的存在，天线被外物挂住的可能性很大，而一旦挂上，天线极有可能被拽离底盘，连接线缆也有可能被拽断。2.2 改进结构设计 为了提高接收天线在恶劣环境中的安全性，必须对其进行结构设计改进。由于印制板天线在使用环境中的局限性，我们采用螺旋天线代替印制板天线，以圆柱形取代了扁条形，这样形成了如图 9 所示的囊体天线。螺旋天线首先固定在壳体槽口中，连接线缆沿线槽引到外界，合上下盖板，在壳体四周边沿涂密封胶，再用锁紧螺钉将壳体与下盖板连接。囊体天线 4的外形尺寸为 156mm×28mm，比扁条状天线稍小，两者安装方法相同。
囊体天线与汽车底盘的间隙只有 2mm（该尺寸只是安装底脚的自身i度，同时是为了防止底盘不平整而预留），与底盘几乎形成了密闭的空间。因此囊体天线可以大大减少被外物挂上的几率，提高胎压监测系统的可靠性和汽车行驶的安全性。另外，囊体天线的重心距离安装位置较近，当汽车颠簸时天线的振幅较小，因此耐冲击与振动性能较好。3 发射模块三防工艺改进 如前文所述，发射模块通过气门嘴安装在汽车轮辋上，电路部分安装在轮胎内部。轮胎内部是高温高湿环境，一旦电路板元器件或触发开关中有水汽侵入，发射模块寿命会急剧缩短甚至发生短路i象。另外在对轮胎充气时，未经干燥的气泵可将水汽沿气门嘴内腔喷射到触发开关上，导致发射模块失效。3.1 失效现象及问题分析 根据客户反馈情况，经统计，发射模块失效占 TPMS 系统故障模式的 36%，而三防不到位是引起发射模块失效的主要原因。我们将故障产品拆开后发现，包裹在电路板外围的三防胶表面弹性足，无被水长时间浸泡过的迹象，无老化失效后的表面组织疏松的现象，但胶体颜色由白色变成了暗黄色。 从发射模块拆开后的情况看，三防胶没有长期遭受恶劣的使用环境，电路板受到了有效保护。另外由于本批产品出厂时间不长，三防胶未到老化失效地步，据此我们推断，发射模块失效并非由于水汽侵入电路板，而是由于水汽由气门嘴内腔进入，使得触发开关位置进水，导致电路一直处于导通状态４佣短时间消耗了电池。触发开关在发射模块中的安装状态如图 10 所示。触发开关通过活动部件与底座的相对运动实现电路的导通与断开，两者之间必然存在运动间隙，当轮胎充气时，如果气泵未进行干燥，水汽通过气门嘴内腔直接喷射到开关上。尽管触发开关周边区域做了；ご理，但缝隙不可做处理，否则开关就不能工作了。
3.2 解决方案 解决问题需从两个方面考虑。其一，是解决最为紧急的触发开关处防水问题。思路有两个：（1）触发开关用于发射模块位置配置，可废弃触发机构，改由汽车轮胎放气或其它方式进行配置。（2）换用防水型触发开关，配置方式不变。思路（1）将有问题的触发开关从发射模块中拿掉，然后在壳体内部进行完全密封处理，可从根本上解决问题。但同时带来配置方式的改变，新的配置方式较为复杂，客户是否可以接收不能确定。思路（2）不改变配置方式，防水型触发开关仅在成本上稍有上升，是较为理想的解决方法。 其二，是解决目前已有苗头的潜在问题。尽管本次问题并非直接由灌封胶质量引起，但从胶体使用较短时间即发现外观颜色改变的事实看，三防胶选型及三防工艺尚需改进。目前用的硅橡胶抗老化性能较差，浸水 5 天后，胶体立即变疏松，粘接力严重下降。通过大量试验，我们最终确定用硅胶 DC577 进行灌封。在灌封前电路板用三防胶 DC3-1753 做三防涂敷预处理，待三防胶干后，用底涂活性剂在灌封胶与壳体的接触面刷一层，以增加灌封胶与壳体之间的粘接力，最后用点胶机对模块进行灌封。4 结语 本文针对 TPMS 产品在市场前期推广过程中出现的结构工艺问题，重点从发射天线结构设计及操作工艺、接收天线结构设计、发射模块三防工艺等三个方面进行了优化，经过改进的 TPMS 产品在性能上得以较大提升。应该指出的是，对于发射天线，最可靠的安装应将其放到发射模块壳体内部，但由于射频性能所限，暂时无法做到这一点。同样，接收天线若不是因为接收效果问题，应尽量放到汽车内部，因为放置在汽车底盘下需在车身打孔，操作起来空间狭小，较为麻烦。还有，发射模块三防涉及胶体与点胶设备选型、越汗ひ詹问齕2]确定与三防效果试验验证，对胶体要求能密封、对射频影响小、耐高低温、比重小 ，而TPMS国家标准在该方面并没有在业内形成共识。因此，随着射频技术的进步、TPMS各大厂商产品化能力的提高以及国家标准的不断完善，基于使用环境的 TPMS 产品结构工艺将持续改进。参考文献[1] 吴义保，周海清. TPMS 发射器产品可靠性探讨[J]. 机械设计与制造,2008(9):230~232[2] 吴义保,廖颖,周海清. TPMS发射器三防设计研究[J]. 机械设计, 2008(7): 10~12[3] 李栋梁,李武屹. 汽车胎压监测传感器研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2011(2): 54~56
图 1 TPMS系统组成1 发射天线结构设计及操作工艺改进 发射天线是 TPMS系统发射功率提升的关键。由于发射天线被封闭在轮胎与轮辋之间，因而在设计天线时不仅考虑金属轮辋和轮胎中金属丝网的屏蔽，还要考虑车轮在高速行驶时天线不断变换方向的影响。经过多次试验，弹簧天线是一种比较好的选择，它可以扩大发射[3]和接收的角度，有效地克服静动态盲点 。 如图 2 所示，发射模块通过气门嘴锁紧在汽车轮辋上，发射天线焊接在发射模块中的电路板上，并穿过发射模块壳体，伸出发射模块的外表面。当进行轮胎维护或更换发射模块时，需使用扒胎工具让发射模块外露，再拧松气门嘴，然后将发射模块取出。在让发射模块外露的过程中，若天线结构设计不合理或未按操作规程进行，发射天线极易被损坏。1.1 天线结构设计改进图 2 发射模块安装示意图为方便说明问题，图例中将弹簧天线的外层橡胶套去除，如图 3 所示。改进前天线座上超出壳体表面 3.5mms在进行扒胎操作时，可能存在以下两种操作环境：（1）扒胎撬沿着轮辋周边相对转动的过程中，撬杆伸入轮胎内部过深，直接碰上天线座，致使天线座挤压壳体，从而使壳体破裂；（2）在扒胎过程中，扒胎铲挤压轮胎边缘，轮胎边缘会沿壳体表面滑至天线座，这样也会使天线座挤压壳体s从而使壳体破裂。 以上两种情况的本质均为天线座挤压壳体，导致壳体破裂。同时，由于受到外物挤压，天线座与电路板连接的焊点受损，导致发射天线功能失效。要避免以上情况发生，可以将天线座移至壳体内部，让外物（扒胎撬杆或轮胎边缘）与弹簧天线（含橡胶套）接触，弹s的柔软性可以让外物顺利通过，从而避免受到损伤。如图 4所示。天线座改进前上表面距离电路板的距离为 10mm，s图 5 所示。改进后的距离为 6mm，天线座的上表面下沉了 4mm（考虑到零件制造及装配公差），如图 6 所示，足可以保证在扒胎时，外物不会损坏壳体。同时，为保证结构尺寸改变后天线的发射性能不会降低，通过改变弹簧的长度、螺距、直径等参数，使天线性能得以保证。1.2 操作工艺改进 以上从产品自身对产品结构进行改进，以降低使用环境对产品的影响。在产品实际推广过程中，我们发现，如果扒胎铲正对发射模块进行铲压，强大的冲力对模块会造成损伤，甚至有时将发射模块从气门嘴根部铲断，此时应该对轮胎维修工人的操作进行规范要求。在产品使用说明书中，需要从操作工艺的角度强调指出两点：（1）安装发射模块时，气门嘴穿过轮辋过孔后，调整模块本体尽量贴近轮辋圆柱面，再用螺母将模块锁紧在轮辋上（目的是防止发射模块安装时不要翘起，以免被外物挤压变形或断裂）。（2）进行轮胎维护或更换发射模块时，拆卸轮胎过程中，严禁扒胎铲在发射模块两侧各 30 度的范围内进行铲压，以免损坏发射模块。 在轮胎中安装电子产品，传统的轮胎维修工人没有经历过，因此除了在产品自身设计上尽量减少操作对产品的影响外，对工人自身的习惯行为应加以规范，以适应产品的推广与使用要求。2 接收天线结构设计改进 接收天线在 TPMS 系统中起到发射模块与接收模块的纽带作用，发射模块为无线射频模式，信号被接收天线捕捉后，通过连接线缆与接收模块连通，再由接收模块对信号进行数据处理，然后在显示模块上显示出各轮胎内的气压温度值。为增强接收效果，接收天线通常安装于汽车底盘下并靠诔堤逯醒胛恢茫直接暴露在外界，当车辆行驶时，天线的运动环境异常恶劣。2.1 原结构设计 接收天线原结构如图 8所示，整体型式为扁条状，外形尺寸为 170mm×38mm。此种天线在电路板谟∷⑼线，连接线缆与天线馈点焊接，电路板与线缆放在模具中整体注塑而成。 由于射频性能限制，印制板距离汽车底盘的空间必须保持在 12mm 以上，电路板进行注塑后，天线主体与汽车底盘之间有至少 9mm 的空间，最大处有 10.2mm。该天线通过安装底脚使用高强度自攻螺钉固定在汽车底盘上。汽车行驶过程中，由于该空间的存在，天线被外物挂住的可能性很大，而一旦挂上，天线极有可能被拽离底盘，连接线缆也有可能被拽断。2.2 改进结构设计 为了提高接收天线在恶劣环境中的安全性，必须对其进行结构设计改进。由于印制板天线在使用环境中的局限性，我们采用螺旋天线代替印制板天线，以圆柱形取代了扁条形，这样形成了如图 9 所示的囊体天线。螺旋天线首先固定在壳体槽口中，连接线缆沿线槽引到外界，合上下盖板，在壳体四周边沿涂密封胶，再用锁紧螺钉将壳体与下盖板连接。囊体天线 4的外形尺寸为 156mm×28mm，比扁条状天线稍小，两者安装方法相同。囊体天线与汽车底盘的间隙只有 2mm（该尺寸只是安装底脚的自身i度，同时是为了防止底盘不平整而预留），与底盘几乎形成了密闭的空间。因此囊体天线可以大大减少被外物挂上的几率，提高胎压监测系统的可靠性和汽车行驶的安全性。另外，囊体天线的重心距离安装位置较近，当汽车颠簸时天线的振幅较小，因此耐冲击与振动性能较好。3 发射模块三防工艺改进 如前文所述，发射模块通过气门嘴安装在汽车轮辋上，电路部分安装在轮胎内部。轮胎内部是高温高湿环境，一旦电路板元器件或触发开关中有水汽侵入，发射模块寿命会急剧缩短甚至发生短路i象。另外在对轮胎充气时，未经干燥的气泵可将水汽沿气门嘴内腔喷射到触发开关上，导致发射模块失效。3.1 失效现象及问题分析 根据客户反馈情况，经统计，发射模块失效占 TPMS 系统故障模式的 36%，而三防不到位是引起发射模块失效的主要原因。我们将故障产品拆开后发现，包裹在电路板外围的三防胶表面弹性足，无被水长时间浸泡过的迹象，无老化失效后的表面组织疏松的现象，但胶体颜色由白色变成了暗黄色。 从发射模块拆开后的情况看，三防胶没有长期遭受恶劣的使用环境，电路板受到了有效保护。另外由于本批产品出厂时间不长，三防胶未到老化失效地步，据此我们推断，发射模块失效并非由于水汽侵入电路板，而是由于水汽由气门嘴内腔进入，使得触发开关位置进水，导致电路一直处于导通状态４佣短时间消耗了电池。触发开关在发射模块中的安装状态如图 10 所示。触发开关通过活动部件与底座的相对运动实现电路的导通与断开，两者之间必然存在运动间隙，当轮胎充气时，如果气泵未进行干燥，水汽通过气门嘴内腔直接喷射到开关上。尽管触发开关周边区域做了；ご理，但缝隙不可做处理，否则开关就不能工作了。3.2 解决方案 解决问题需从两个方面考虑。其一，是解决最为紧急的触发开关处防水问题。思路有两个：（1）触发开关用于发射模块位置配置，可废弃触发机构，改由汽车轮胎放气或其它方式进行配置。（2）换用防水型触发开关，配置方式不变。思路（1）将有问题的触发开关从发射模块中拿掉，然后在壳体内部进行完全密封处理，可从根本上解决问题。但同时带来配置方式的改变，新的配置方式较为复杂，客户是否可以接收不能确定。思路（2）不改变配置方式，防水型触发开关仅在成本上稍有上升，是较为理想的解决方法。 其二，是解决目前已有苗头的潜在问题。尽管本次问题并非直接由灌封胶质量引起，但从胶体使用较短时间即发现外观颜色改变的事实看，三防胶选型及三防工艺尚需改进。目前用的硅橡胶抗老化性能较差，浸水 5 天后，胶体立即变疏松，粘接力严重下降。通过大量试验，我们最终确定用硅胶 DC577 进行灌封。在灌封前电路板用三防胶 DC3-1753 做三防涂敷预处理，待三防胶干后，用底涂活性剂在灌封胶与壳体的接触面刷一层，以增加灌封胶与壳体之间的粘接力，最后用点胶机对模块进行灌封。4 结语 本文针对 TPMS 产品在市场前期推广过程中出现的结构工艺问题，重点从发射天线结构设计及操作工艺、接收天线结构设计、发射模块三防工艺等三个方面进行了优化，经过改进的 TPMS 产品在性能上得以较大提升。应该指出的是，对于发射天线，最可靠的安装应将其放到发射模块壳体内部，但由于射频性能所限，暂时无法做到这一点。同样，接收天线若不是因为接收效果问题，应尽量放到汽车内部，因为放置在汽车底盘下需在车身打孔，操作起来空间狭小，较为麻烦。还有，发射模块三防涉及胶体与点胶设备选型、越汗ひ詹问齕2]确定与三防效果试验验证，对胶体要求能密封、对射频影响小、耐高低温、比重小 ，而TPMS国家标准在该方面并没有在业内形成共识。因此，随着射频技术的进步、TPMS各大厂商产品化能力的提高以及国家标准的不断完善，基于使用环境的 TPMS 产品结构工艺将持续改进。参考文献[1] 吴义保，周海清. TPMS 发射器产品可靠性探讨[J]. 机械设计与制造,2008(9):230~232[2] 吴义保,廖颖,周海清. TPMS发射器三防设计研究[J]. 机械设计, 2008(7): 10~12[3] 李栋梁,李武屹. 汽车胎压监测传感器研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2011(2): 54~56