汽车轮胎爆胎预警系统的研制.docx
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汽车轮胎爆胎预警系统的研制
编号
本科生毕业设计
汽车轮胎爆胎预警系统的研制
ResearchandDevelopmentofTireBurstEarly-warningSystemforVehicles
2008年6月
摘要
本文是在分析轮胎爆胎的发生机理基础上,根据轮胎压力和温度参数对轮胎工作性能的影响,结合实际应用的具体技术性能要求,设计并研制汽车轮胎爆胎预警系统。
汽车轮胎爆胎预警系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测系统(TPMS,TirePressureMonitoringSystem)产品,是目前汽车适用的一种先进主动式安全装置。
系统以MC68HC908系列微控制器和无线射频收发芯片为核心,按照实际完成的系统功能,分为安装在汽车轮胎内的轮胎模块和安置于驾驶室内的主机模块两大部分。
本文研制的汽车轮胎爆胎预警系统可在一定程度上预防轮胎爆胎的发生,从而提高汽车高速行驶的安全性,具有很高的实际应用价值。
关键字:
轮胎压力爆胎预警无线传输
Abstract
Thispaperisbasedonthemechanismoftireburst.Byanalyzingtirepressureandtemperatureparametersofinfluenceuponthetireperformance,thetireburstearly-warningsystemisdesignedanddevelopedaccordingtothetechnicaldemandforpracticalapplication.thetireburstearly-warningsystem,isanewproductofactivedirectTirePressureMeasurementSystem(TPMS).Itisanadvancedactivesafetyinstrumentappliedinthemodernautomobile.ThecentraltaskofsystemhardcoredesignincludesMC68HC908seriesmicro-controllersandwirelessradiofrequencytransmitter/receivermainly.Accordingtosystemcapabilityachievedpractically,thesystemconsistsoftwoparts.
Thetireburstearly-warningsystemcanpreventtheemergenceoftireburstpartially.Thusitcanimprovethehigh-speedautomobilesecurity.Thesystemdevelopedinthispaperhasveryhighapplicationvalue.
Keyword:
tirepressure;tireburstearly-warning;wirelesstransmission
第一章绪论
1.1课题的提出背景及研究意义
汽车时代的到来,改变的不仅仅是人们的代步方式,更有人们的生活方式乃至整个社会文化。
把现代电子技术的发展成果应用到汽车产品上的汽车电子技术,必将有力地推动安全、环保的汽车时代的到来。
汽车轮胎爆胎预警系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测装置,国际上通常又被叫做轮胎压力监测系统,英文通称TirePressureMonitoringSystem,简称TPMS。
汽车轮胎爆胎预警系统目前用于在汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动监测,对轮胎压力异常和漏气进行报警,以保障行车安全。
轮胎压力监测技术是当前汽车工业领域汽车电子技术发展的热点,符合未来汽车的智能安全及环保节能的发展方向,将成为未来汽车必备的安全驾驶配备之一,具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益[1]。
轮胎气压超过或低于标准值所导致的直接后果就是轮胎爆胎,它严重影响汽车的行驶安全性。
据交警部门统计,轮胎爆胎、疲劳驾驶和超速行驶是造成高速公路交通事故的三个重要原因,其中轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制性而成为首要因素,在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由轮胎爆胎引发的。
由此可见,在高速行驶过程中,轮胎爆胎是所有驾驶者最为担心和最难预防的,也是突发性交通事故发生的重要原因。
为了提高汽车的行驶安全性和轮胎的使用寿命,在汽车行驶过程中,对轮胎的气压和温度进行实时监测,防止轮胎爆胎已成为安全行驶的一个重要研究课题。
因此,研制和开发轮胎压力和温度状态的监测报警系统已势在必然。
本文的研究意义主要体现在以下几方面:
首先,随着我国汽车工业的发展和人民生活水平的提高,汽车越来越多地进入普通家庭,汽车行驶的安全性也越来越为人们所重视。
潜在的巨大市场需求和系统实现上的技术可行性条件成熟,使得研究轮胎压力和温度监测系统已刻不容缓。
其次,轮胎压力监测对减少轮胎磨损和提高轮胎的使用寿命具有重要实用价值,能够有效预防由轮胎爆胎引起的突发事故,降低人民生命和财产的损失。
同时,轮胎气压监测系统的研究和实施为安全型轮胎和智能型轮胎的研究提供了重要依据。
最后,随着美国出台对汽车轮胎压力监测产品强制性安装的法规,欧洲和日本也处于建议安装阶段,使得这一技术的应用前景极为看好。
良好的应用前景和巨大的市场将有力地推动该技术的推广,并取得巨大的经济效益和社会效益。
1.2当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势
轮胎压力监测系统(TPMS)技术早在上世纪80年代就已提出,但由于当时缺乏有效的技术条件和成熟的市场环境,因而仅停留在设想层面上。
随着近几年来汽车工业和交通事业的发展,汽车的速度越来越快,拥有汽车的家庭越来越多,由轮胎爆胎引发的大量交通安全事故使这一课题成为研究热点。
结合新的无线射频应用技术和集成电路工艺,研制TPMS已经提到日程上来。
1.2.1TPMS的应用现状
在TPMS及相关技术的研究方面,西方汽车工业发达国家在近几年都取得了相应的进展,出现了一批新产品。
早在1996年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的MarkⅡ型车上。
但该系统不能直接测量轮胎压力,并存在容易产生误差的因素,数据的时效性与准确性也存在不足。
2002年,约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统被国际汽车工程(AEl)评为当年20个最有价值的汽车产品之首。
这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。
系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机,然后在后视镜上利用射频技术显示出来。
这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示,有较高的实用性和可行性。
此外,还有一些同类相关产品问世,如西门子VDO汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵(TireGuard)监测装置,英国A.I.R.汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神(TireShield)监测装置;法国米其林集团公司与威柏可(Wabco)公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置,是专供商用车使用的监测装置;德国BEAU公司与美国Lear公司联合推出的轮胎压力实时监测系统,将电子门锁装置与系统集成在一起,是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案。
美国及欧洲一些技术先进国家开展轮胎压力监测装置技术的研究很早,而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。
目前,国内轮胎压力监测装置的相关产品虽然推出较多,但据对相关市场的调查了解,都是技术性能不甚完善、可靠性较差的简易系统产品,要么系统工作寿命极短,要么系统在低温或高温环境下失效,要么工作可靠性较差,在这方面的技术成熟产品基本还是空白。
性能可靠、功能完善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理,且价格高昂。
因此,研制性能可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要。
1.2.2当前国内外相关技术的发展趋势
对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在,已成为汽车界关注的热点问题之一。
当今的汽车轮胎压力监测系统在实现方式上可以归类为直接轮胎压力监测装置和间接轮胎压力监测装置[2]。
直接轮胎压力监测装置,要求在每个轮胎内使用压力传感器,并安装无线发射器,用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的主机系统。
间接轮胎压力监测装置,要求使用车辆防抱死制动系统(ABS)来确定轮胎压力变化。
ABS是通过车速传感器来确定车轮是否抱死,从而决定是否启动防抱死系统。
对于在4个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说,此类软件的升级可以用于监测车速的变化,轮胎压力变低也会导致车速发生变化。
当轮胎压力降低时,车辆的重量会使轮胎直径变小,这反过来会导致车速发生变化。
经过正确计算,这种车速变化可用于轮胎压力判别,并触发警报系统来向司机发出警告。
每个系统都有自己的优点。
直接系统可以提供更高级的功能,使用中可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压,很容易确定故障轮胎。
间接系统相对便宜,使用间接系统,已经装备了4轮ABS(每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级。
还有一种复合式轮胎压力监测装置,它兼有每个系统的优点。
复合式系统在两个互相成对角的轮胎内装备直接传感器,并装备一个4轮间接系统。
与全部使用直接系统相比,这种复合式系统可以降低成本,克服间接系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。
但是,它仍然不能提供所有4个轮胎内实际压力的实时数据,只有直接系统才具备这种功能。
很明显,直接传感系统更有效,也更加符合NHTSA的规定。
而间接轮胎压力监测装置更多的只是作为现阶段轮胎压力监测装置未全面普及情况下的一种过渡产品,相信不久就会被淘汰。
所以,直接轮胎压力监测装置才是市场上汽车产品寻求保证轮胎安全性的最终归属。
这也是本文研究中所采用的技术类型。
第二章汽车轮胎爆胎预警系统工作原理
轮胎是汽车行驶系统的重要部件,其性能的优劣,将直接影响汽车的驱动性、通过性、平顺性、稳定性、安全性和舒适性等[3]。
因此,汽车轮胎爆胎预警系统的研制在提高行车安全、延长轮胎寿命等方面都有着重大的现实意义。
本章主要来介绍汽车轮胎爆胎预警系统的工作原理。
2.1轮胎爆胎的预警原理
试验证明,80%的轮胎爆胎是有预兆的,至少在爆胎发生前一小时,轮胎的胎内压力和温度会出现异常,这就为实现轮胎爆胎的预警提供了可行的技术手段[4]。
因此,轮胎爆胎预警系统的研制需要有针对性地了解轮胎的爆胎机理,才能有效准确地实现对轮胎爆胎的预警。
2.1.1轮胎爆胎机理
目前,国内由轮胎故障引起的突发交通事故的直接原因主要是轮胎充气压力的不足或过高。
同时,国内的轮胎爆裂突发交通事故中也存在着其它人为因素影响。
由于技术解决方案是有针对性地解决技术领域内的问题,所以,对汽车高速行驶状态下存在的轮胎结构选用不当、实际行驶速度高于轮胎规定速度、轮胎花纹过度磨耗、胎体意外损伤及违规超载等因素,这里不作讨论范围。
(1)压力对轮胎爆胎的影响
气压是轮胎的生命,掌握轮胎的标准充气压力,并按标准充气压力对轮胎充气是非常重要的。
轮胎制造商在设计制造各种规格的轮胎时,已确定了它的最大
负荷和相应的标准充气压力,压力过高和过低都会缩短轮胎的使用寿命。
在汽车高速行驶过程中,轮胎气压低于标准值时,将加大胎侧的弯曲变形,轮胎会急剧升温而脱层,削弱轮胎的强度及承载能力,导致轮胎内壁帘线的松散断裂,最后导致轮胎的漏气或爆胎;轮胎气压高于标准值时,轮胎与路面接触面积减小,轮胎胎面中部区域承受的压力增大,使轮胎磨损加剧,形成花纹底部开裂。
又由于此时轮胎刚度增大,起不到应有的缓冲作用,增大了轮胎与路面间的动载荷,使汽车的平顺性变差,导致汽车操纵性能降低[5]。
从图2-2中可以看出轮胎压力对轮胎性能的影响。
图2-2轮胎压力对轮胎性能的影响
另外,如果汽车前轮左右轮胎的气压不同,其后果是汽车的行驶方向不稳定;如果汽车后轮左右轮胎的气压不同,会使气压高的轮胎负载过重而出现磨损或爆胎。
保持适合的轮胎气压不但可以保证轮胎的工作寿命,减少不必要的燃油消耗,更对汽车的安全行驶起着关键作用。
(2)温度对轮胎爆胎的影响
轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。
轮胎温度的升高除会使橡胶强度降低外,还会导致帘线强力降低。
当轮胎温度从0℃升高到100℃时,对尼龙轮胎来说,帘线强力会降低20%左右,橡胶强度则下降50%左右;轮胎温度高于临界温度(100℃以内是正常温度,100~121℃是临界温度,121℃以上是危险温度)时,橡胶强度和帘线强力降低更多,因此轮胎的温升对其使用寿命的影响很大。
如图2-3所示,是轮胎使用中温度及速度对轮胎性能的影响。
汽车在高速公路上高速行驶时,驾驶员即使没有操作失误,轮胎也会突然爆破。
究其原因,主要是与轮胎温升的影响有关,即轮胎会由于超过正常温度而爆破,而在轮胎爆破以前,其受热破坏的情况通常不易控制和掌握。
当胎内温度超过120℃时,图2-3温度及速度对轮胎性能
轮胎结构层的强度将明显下降;当轮胎温度超过140℃时,轮胎的各组成部分将被破坏,失去承载能力。
由此可见,轮胎温升对轮胎使用寿命长短以及高速行驶状态下的爆胎发生率的影响很大。
(3)其它因素对轮胎爆胎的影响
一般来说,行驶速度越高,振动频率越大,变形恢复越少(大部分变形转变为热能),轮胎温升越高,再加之内压增大,其后果必然是帘布胶的老化加速和帘布的耐疲劳性能降低,轮胎出现早期脱层或爆破现象。
因此,轮胎的使用寿命与行驶速度成反比关系,即行驶速度越高,轮胎的生热越大,温升越高,受到的冲击力也就越大。
车辆装载时,必须按轮胎的额定负荷装载客货。
如果轮胎在超负荷下运行,就会使其变形,胎体的屈挠伸张变大,轮胎的升温速度变快,在高速公路上高速行驶时爆破的可能性就变大。
此外,还有轮胎质量等影响轮胎爆胎的因素。
从以上轮胎爆胎的主要原因分析来看,要想在汽车行驶过程中防范轮胎爆胎的发生,除了加强交通运输规章管理、轮胎选型合理等人为措施以外,最直接有效的办法就是对轮胎的压力和温度状态进行实时监控。
2.1.2轮胎爆胎的预警算法
行车的安全以及高效率的运行要依赖于优良的轮胎性能,而对轮胎性能的实时掌握,必须要对轮胎的工作状态进行监控,根据轮胎状态参数的变化情况及时做出科学准确的判断,以预防危及行车安全的轮胎故障发生。
在轮胎爆胎的诱发因素中,分为不可避免因素和可避免因素两大类情况。
其中,行车环境中变化的气温以及粗糙的路况等因素属于不可避免因素;适合的轮胎气压以及良好的驾驶习惯等因素属于可避免因素[6]。
对于不可避免因素,只能提高重视、加强警惕,将不可预测的偶然性因素造成的损失降到最小。
而本文所讨论的技术问题,只有针对可避免因素中那些采取技术措施可以预防的环节,通过监测可控因素来达到对轮胎爆胎的预警,才是合理有效的技术解决途径。
综合上一小节对轮胎爆胎机理及影响因素的分析,轮胎充气过度会导致抓地力下降,影响到汽车的舒适性、保护功能和轮胎寿命;同时轮胎会对冲击或碰撞较敏感,刹车性能降低。
充气不足可能会导致油耗增大、轮胎过热、车辆操控不良,安全性能下降;引起胎体疲劳导致轮胎工作不佳或者无法修复及翻新,形成爆胎的隐患。
如发现轮胎压力低于标准气压20%,即使临时补气,也只是紧急情况下不得已的缓冲之计,无法从根本上解决问题。
必须尽快到就近的轮胎店将轮胎拆下来,由专业人员进行检查,否则可能会导致严重伤亡事故。
以传感器技术和现代电子技术来实现上述监测预警功能,可以将轮胎爆胎的预警算法细分为以下几种情况。
(1)充气压力不足或过高:
也就是根据事先确定好的标准轮胎压力为门限阈值,对实测轮胎压力值进行判别,超出最大压力值或低于最小压力值就视为轮胎状态异常。
(2)漏气导致压力持续下降:
在轮胎温度比较稳定情况下,一定时间间隔内,轮胎压力连续下降且幅度较大,即使未达到
(1)中异常条件,也视为轮胎状态异常。
(3)轮胎温度急剧升高:
在一定时间间隔内,轮胎温度上升幅度较大,即使未达到
(1)中异常条件,也视为轮胎状态异常。
对以上预警算法的具体实现,如标准轮胎压力值的确定、一定时间间隔的长短、压力和温度较大幅度变化的幅值等,都需要针对具体车型和轮胎型号进行具体分析与试验,才能最终得到准确可靠的预警算法。
2.2轮胎爆胎预警门限的温度补偿
对于轮胎标准压力的门限阈值确定,必须要求科学准确。
没有准确适合的门限阈值,系统的监测性能就会严重失效。
所以,研究预警门限的时效性和准确性是十分必要的。
为了得到科学准确的门限阈值,需要对影响压力门限阈值变化的原因进行分析,这里主要就是环境温度对轮胎压力的影响。
我国的轮胎国家标准中,规定了轮胎使用的标准气压和负荷。
必须按国家标准气压和负荷使用轮胎,这是保证轮胎使用寿命和汽车安全行驶的必要条件。
而轮胎规定的充气压力是按环境温度为18℃时计算出来的,一般对轮胎气压的检查也都是在轮胎冷却状态下进行的,而不是在热胎下调整气压。
这是因为空气遇热膨胀,气压自然会升高。
如果轮胎充气正确,这种热是在控制范围内的,但是充气不足往往会导致更多的热量。
试验证明,当环境温度处于0~24℃时,充气压力无需作任何修正;但当环境温度高于24℃或低于0℃时,轮胎压力就会随环境温度发生一定量的变化,基础充气压力则需作一定修正[7]。
环境温度高于24℃时,其对轮胎压力的影响程度如表2-1所示。
当环境温度为-1℃~-40℃时,从0℃开始,每降低1℃,其基础气压则相应增加0.025Pa。
表2-1不同环境温度下轮胎压力增长率试验数据表
环境温度(℃)
胎压增长率(%)
25~29
4
30~34
6
35~39
8
40~45
10
由以上分析可知,必须要根据工作轮胎的温度来对压力门限阈值进行必要的校正,也就是温度补偿,才能在不同的温度环境下得到准确的预警门限。
传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。
所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对压力传感器进行补偿,这种方式虽然简单,但很难实现宽范围的压力传感器和温度传感器的特性匹配。
因此本文不建议采用硬件补偿方式对预警门限进行温度补偿[8]。
软件补偿方式是通过对实测的温度特性曲线拟合进行算法补偿,这种方式是以一定的特性曲线作为基础,对不同的工作环境和不同的轮胎温度特性,用算法处理和查表修正得到不同的温度补偿效果。
本文正是采用这一方法对压力门限阈值进行温度补偿的。
设轮胎压力门限阈值上下限分别为Pmax和Pmin,实时测得轮胎的压力数据为Pr,测得的温度数据为Tr;在温度为Tr时,轮胎需要进行温度补偿的校正压力值为ΔPr,则温度补偿后的压力上下门限为Pmax+ΔPr和Pmin+ΔPr。
若系统不提供温度补偿,具体的预警判断如下:
当Pr≥Pmax或Pr≤Pmin时,但Pmin+ΔPr<Pr<Pmax+ΔPr,系统报警则造成虚警;当Pmin<Pr<Pmax时,但Pr≥Pmax+ΔPr或Pr≤Pmin+ΔPr,系统不报警则造成漏报。
一般说来,因温度条件改变造成轮胎压力变化引起的相应报警门限改变,多是因超出未补偿的压力阈值上限而增加系统虚警概率;因低于实际压力阈值下限,却仍高于未补偿的压力阈值下限而增加系统漏报概率。
因此,若对系统爆胎预警门限进行温度补偿,既要确定准确的温度补偿校正值,也要确定合理的标准压力门限阈值,才能在执行温度补偿的基础上进一步提高系统预警的准确率。
这需要针对具体型号轮胎进行具体的试验分析。
2.3汽车轮胎爆胎预警系统方案设计
本文采用主动直接式轮胎压力监测技术,针对汽车轮胎爆胎预警系统的实际应用情况,确定轮胎爆胎预警系统由轮胎模块和主机模块两部分构成的系统研制方案。
系统设计方案框图如图2-5所示。
图2-5汽车轮胎爆胎预警系统组成
轮胎模块以MEMS压力温度集成传感器和MC68HC908系列微控制器为核心,实现轮胎压力和温度的检测,以及测量数据的初步处理,微控制器通过超高频(UHF)发射器将采集的数据进行无线传输。
主机模块由UHF接收器和MC68HC908系列微控制器构成,完成信号的接收、解调、处理、显示和报警。
可连续监测轮胎气压,当检测到轮胎状态异常时,立即发送编码信号到主机模块接收器,主机模块微控制器对报警信息进行确认,随后向驾驶员发出声光警报提示轮胎出现状况,继续行驶会使轮胎损害或产生危险。
系统可设置每个轮胎所需标准压力门限阈值,主机模块提供不同工作状况下的温度补偿功能。
由于系统的轮胎模块和主机模块间是通过无线射频方式进行数据通信,因此,必须确定符合系统应用要求的无线通信模式。
本文的无线射频通信方案是数据以9600bps的速率发送,采用FSK调制的曼彻斯特编码。
移频键控(FSK)是数字通信中经常使用的一种调制方式。
FSK方法简单,易于实现,可以异步传输,抗噪声和抗衰落性能也较强。
缺点是占用频带较宽,频带利用不够经济。
因此,FSK主要应用于低、中速数据传输[9][10]。
曼彻斯特(Manchester)编码是常用的数字信号编码之一。
在曼彻斯特编码中,用电压跳变的相位不同来区分1和0。
因此,这种编码也称为相位编码。
由于跳变都发生在每一个码元的中间,接收端可以方便地利用它作为位同步时钟。
本文研制的系统需要传送的数据量很少,仅是必要的轮胎ID识别码、压力和温度数据及一些状态信息,且对报警反应时间的要求不是非常高,加之需要保证数据传输的可靠性和到达率,因此,选用上述无线射频通信模式是比较合适的。
系统核心器件采用的是Motorola微控制器。
Motorola一直是世界上最大的单片机厂商之一,其单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低、抗干扰能力强,更适合应用于工控领域及恶劣的工作环境,且价格合理。
考虑轮胎模块微控制器MC68HC908RF2内置的UHF发射器,则主机模块接收器选择与其对应的UHF接收器MC33594。
轮胎模块传感器采用MEMS传感器MPXY8020A,该器件不但功耗低,带有数字接口,还同时集成了压力与温度两个传感模块,十分适合本文所研制系统的技术要求。
对于进一步的系统方案设计情况,本文将在今后两章中,按硬件设计和软件设计加以详细介绍。
第三章汽车轮胎爆胎预警系统的硬件设计
本文所研制的汽车轮胎爆胎预警系统主要由系统硬件和监控软件两部分组成。
本章将详细介绍系统的硬件设计工作,及硬件设计过程中需要注意的问题。
3.1系统硬件设计
汽车轮胎爆胎预警系统的硬件电路按系统功能划分,可分为轮胎模块和主机模块两大部分。
其中,轮胎模块整体安装在轮胎内,主要完成轮胎压力和温度数据的采集、数据的初步处理以及信息的无线传输功能。
主机模块安置于汽车驾驶室内,主要完成信息的无线接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。
系统硬件功能框图如图3-1所示。
图3-1系统硬件功能模块框图
在系统的工作运行中,轮胎模块始终处于封闭环境中,驾驶室内的系统主机要依靠无线方式来完成数据信息的传输,才能将轮胎的状态信息实时地提供给驾驶员。
因此,轮胎模块与主机模块之间的无线通信是实现系统功能的关键。
3.2轮胎模块设计
在不断高速旋转的轮胎内部这样的封闭工作环境中,要求轮胎模块体积尽量小、重量尽量轻。
为此,应设计出PCB面积较小的轮胎模块电路。
图3-2是系统的轮胎模块功能原理框图。
图3-2轮胎模块功能原理框图
根据轮胎模块的系统
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