Система контроля давления в шинах

Из-за влияния давления в шинах на безопасность дорожного движения и эффективность, системы контроля давления начали применяться в Европе в 1980-х как опция для автомобилей премиум-класса. Первая серийная модель с TPM — Porsche 959 (1986), использовавшая систему с полыми спицами от PSK. В 1996 году Renault применила Michelin PAX system^[5] на модели Scenic, а в 1999 году PSA Peugeot Citroën сделала TPM стандартом для Peugeot 607. В 2000 году Renault Laguna II стала первым массовым автомобилем среднего класса в мире, на котором TPM присутствовала в базе.

В США TPM появилась в 1991 году на Chevrolet Corvette в сочетании с шинами Goodyear Run-flat; система контролировала давление в каждом колесе и предупреждала о его отклонениях.

Скандал с шинами Firestone в конце 1990-х (более 100 жертв из-за опрокидываний, вызванных отделением протектора) привёл к принятию в США акта TREAD Act, который обязал оснащать все автомобили массой до 4,5 тонн TPMS для предупреждения о низком давлении^[6].

С 1 сентября 2007 года все легковые автомобили, выпускаемые в США, должны оснащаться TPMS (процесс был поэтапным: с октября 2005 — 20 %, с сентября 2007—100 % моделей). В странах ЕС требование стало обязательным с 1 ноября 2012 года для новых моделей и с 1 ноября 2014 — для всех новых автомобилей. Для лёгких грузовиков (до 3,5 т в Европе) установка необязательна, но если TPMS есть, она должна соответствовать регламенту.

В Южной Корее министерство транспорта 13 июля 2010 года заявило о требовании TPMS для легковых автомобилей и транспортных средств с полной массой до 3,5 т: для новых моделей с 1 января 2013 года, для остальных — с 30 июня 2014 года^[7]. Аналогичные требования введены в ряде стран: Японии, России, Индонезии, Турции, Филиппинах, Израиле, Малайзии.

После принятия TREAD Act на рынке появились многочисленные решения TPMS с радиомодулями на колёсах.

Внедрение шин с поддержкой хода на спущенной шине (Run-flat) и аварийных запасных колёс потребовало как минимум базовой TPMS: водитель зачастую не замечает, что шина спущена, поэтому появились системы предупреждения run-flat — первые поколения iTPMS, использующие анализ радиуса качения. Такие системы определяют недодув по снижению радиуса, обычно ограничивая максимальную скорость и пробег (80 км/ч и 80 км). Современные iTPMS могут контролировать все колёса за счёт спектрального анализа; это позволило им соответствовать законодательству.

Косвенные TPMS (iTPMS) не используют «физические» датчики давления: они вычисляют давление посредством обработки сигналов существующих датчиков, например, датчиков скорости колёс, акселерометров, данных трансмиссии. Первое поколение строится на разности радиусов качения (недокачанная шина — чуть меньший радиус и большая угловая скорость). Второе поколение анализирует спектр вибраций каждого колеса программно.

Иногда косвенные системы имеют фирменные названия, например, Ford DDS или Honda DWS^[8][9].

iTPMS не измеряют абсолютное давление, а работают с относительными значениями и требуют ручного сброса (кнопкой или через меню) после корректировки давления в шинах^[10]. После сброса система проходит обучающий этап (20-60 минут), в ходе которого собирает опорные данные. Отсутствие дополнительных аппаратных средств, простота установки и эксплуатации являются преимуществом таких систем^[11]. Однако пользователь должен сбрасывать системы при каждом сервисе или ремонте шин, что не всегда удобно^[12].

С ноября 2014 года в ЕС многие модели VW Group, Honda, Volvo, Opel, Ford, Mazda, PSA, FIAT, Renault используют iTPMS, одобренные по регламенту ООН R64. Доля таких систем быстро растет.

Некоторые эксперты считают iTPMS менее точными: температурные колебания окружающей среды вызывают изменения давления, сравнимые с порогом срабатывания системы.

Прямая TPMS (dTPMS) использует аппаратные датчики давления — обычно на внутренней стороне вентиля — передающие данные на бортовой компьютер. Некоторые модели измеряют также температуру. Данные отображаются в реальном времени, есть возможность контроля каждого колеса по отдельности. Большинство dTPMS питаются от батареи, что ограничивает срок службы. Существуют реализации с беспроводной подзарядкой по принципу RFID, что увеличивает частоту передачи данных (до 40 Гц) и снижает массу датчика (актуально в автоспорте). Внешние датчики уязвимы для механических повреждений и кражи; внутренние требуют снятия шины для замены батарейки.

Структурно датчик dTPMS включает:

• датчик давления;
• аналого-цифровой преобразователь;
• микроконтроллер;
• системный контроллер;
• генератор;
• радиопередатчик;
• приёмник НЧ-сигнала;
• стабилизатор напряжения (управление батарейкой).

На большинстве автомобилей датчики размещаются на внутренней стороне диска; батарея неремонтопригодна. Для экономии энергии передача данных при парковке часто отключается. Для правильной работы штатной dTPMS необходима идентификация датчиков (игнорируются чужие сигналы и сигналы с других авто).

TPMS также доступна в виде комплектов для последующей установки (aftermarket). Они существуют для шин велосипедов, прицепов, легковых и коммерческих автомобилей^[4].

В коммерческих парках TPMS часто интегрируются с системами цифровизации автопарка. Датчики каждого колеса передают информацию о давлении и температуре на блок GPS/ГЛОНАСС^[13]. Данные передаются на систему управления автопарком, где руководитель может дистанционно контролировать состояние шин^[14].

Датчики TPMS первого поколения, совмещённые с вентилем, подвержены коррозии^[15][16]. Металлические колпачки закисают на вентиле из-за гальванической коррозии, что приводит к поломке вентиля при попытке открутить колпачок и необходимости замены датчика. Аналогичная проблема возникает при установке латунных вставок вместо никелированных.

Существует дискуссия о совместимости послепродажных герметиков для шин с внутренними датчиками dTPMS. Некоторые производители герметиков заявляют об их безопасности^[17], другие предупреждают, что герметик может временно выводить датчик из строя, требуя последующей очистки специалистом^[18][19][20]. Использование герметиков может стать причиной аннулирования гарантии на датчик TPMS^[17].

Динамика шины тесно связана с её давлением; важнейшие характеристики (тормозной путь, управляемость) напрямую зависят от давления, заданного производителем автомобиля. Недостаточное давление может привести к перегреву, разрушению каркаса, внезапному разрушению шины. Кроме того, расход топлива и износ шин сильно возрастают при недокачке — шины теряют воздух не только из-за прокола, но и естественным образом; даже новая шина может терять до 10 % давления в год.

К основным преимуществам TPMS относят:

• Экономия топлива: по данным GITI, снижение давления на 10 % в каждой шине ведёт к падению экономичности на 1 %. По оценке Департамента транспорта США, ежегодно неправильное давление приводит к потере около 2 млрд галлонов топлива.
• Продление срока службы шин: недокаченная шина — основная причина их разрушения, слоения, перегрева; даже кратковременная езда на такой шине уменьшает её стойкость к восстановлению.
• Повышение безопасности: недокачка — причина разделения протектора, аварий, более 40 тысяч ДТП и 650 смертей в год (США).
• Экологическая эффективность: в США недокачанные шины «выбрасывают» более 26 млн тонн CO₂ ежегодно.

Согласно французской Sécurité Routière, 9 % дорожных происшествий с летальным исходом связаны с недокачанными шинами; по данным немецкой DEKRA, 41 % аварий с травмами связаны с неисправностями шин.

В Евросоюзе подсчитано, что среднее понижение давления на 40 кПа увеличивает расход на 2 % и сокращает срок службы шин на 25 %; всему миру это обходится в десятки миллионов литров напрасно израсходованного топлива и сотни миллионов преждевременно утилизированных шин.

Полевое исследование, опубликованное на сайте комиссии ООН по безопасности транспорта (GRRF) в 2018 году^[21], охватило 1470 автомобилей в трёх странах ЕС (с dTPMS, iTPMS и без TPMS). Было показано, что наличие TPMS заметно снижает число опасных случаев, связанных с экстремальными отклонениями давления. При этом по эффективности dTPMS и iTPMS не различаются; сброс настроек системы не снижает безопасность.

Поскольку каждый датчик dTPMS передаёт уникальный идентификатор, автомобили потенциально могут отслеживаться с помощью дорожных сенсоров^[22]. Решением стало бы шифрование радиосигнала, однако таких требований в американском законодательстве не предусмотрено.

Требования NHTSA распространяются только на транспорт массой до 4,5 тонн^[23]. Для грузовиков классов 7-8 (>11,8 т), которые критичны для системы управления автопарком, стандартные системы TPMS малоприменимы, требуются специализированные решения.

Министерство транспорта США проводило исследования для поиска рабочих систем для этой ниши^[24][25]. SAE публикует рекомендации для техники, так как регламенты в этом сегменте задерживаются^[26].

Первой страной, где TPMS стала обязательной, были США. В начале 2000-х ряд аварий, вызванных недостаточным давлением, привёл к принятию Федерального стандарта безопасности № 138 (FMVSS 138), обязывавшего оснащать новой TPMS все автомобили с сентября 2007 года (поэтапно с 2005)^[27].

Стандарт обязывает устанавливать TPMS на все легковые автомобили, пассажирские многоцелевые машины, небольшие грузовики и автобусы полной массой до 4,54 т (кроме авто с двойными колёсами на оси). Система обязана дать предупреждение при падении давления в одной или нескольких шинах на 25 % и более ниже рекомендованного^[28].

В Южной Корее TPMS обязательна для всех авто массой менее 3,5 т, продаваемых после 2013 года; с 2015 года — для всех без исключения. В 2011 году Hyundai Mobis разработала энергоэффективный датчик для TPMS, впервые применённый на модели Veloster; его батарея на 30 % компактнее, что снизило массу датчика на 10 %^[29].