تطوير ومحاكاة نموذج رياضي جديد لنظام إطار ذكي من أجل الصيانة التنبؤية

إطارات أذكى لقيادة أكثر أمانًا ونظافة

تمتلئ السيارات الحديثة بأجهزة الكمبيوتر، ومع ذلك لا تزال أربع رقع مطاطية بحجم كف اليد التي تُبقيها على الطريق إلى حد كبير دون رؤية. تستكشف هذه الدراسة كيفية تحويل الإطارات العادية إلى شريك "ذكي" يشعر تمامًا بكيفية تشوهه على الطريق ويترجم تلك المعلومات إلى تحذيرات مبكرة حول التآكل والالتصاق والسلامة — وهو أمر بالغ الأهمية للسيارات الكهربائية الثقيلة والمركبات الذاتية القيادة التي تضغط على الإطارات بشدة أكبر من أي وقت مضى.

لماذا يهم سلوك الإطار

عندما تتحرك السيارة، تحكم التفاعلات بين الإطار والطريق كل شيء من مسافة الكبح إلى ثبات المنعطفات. تعتمد هذه التفاعلات على كيفية انثناء الإطار وتمده وضغطه أثناء دورانه. تكثف المركبات الكهربائية والمستقلة هذه المتطلبات: تضيف حزم البطاريات وزنًا، وتوفر المحركات عزم دوران فوريًا، وتقوم الكوابح المتجددة بسحب السطح المطاطي مرارًا وتكرارًا. يمكن أن تزيد هذه العوامل من تآكل الإطارات بنسبة 20–30% مقارنة بالسيارات التقليدية، مما يرفع التكاليف واستهلاك الطاقة ومخاطر فقدان الالتصاق المفاجئ. لإدارة كل هذا، يحتاج المهندسون إلى نماذج يمكنها التنبؤ بشكل موثوق بكيفية تصرف الإطار في الزمن الحقيقي، وليس فقط في اختبارات المخبر المضبوطة.

من تحذيرات الضغط إلى إطارات ذكية حقيقية

معظم السائقين مألوفون بمصابيح تحذير ضغط الإطارات، لكن تلك التقنية لا تتجاوز الأساسيات. تستعرض الورقة جيلًا جديدًا من أجهزة الاستشعار المدمجة — مقيِّسات تسارع صغيرة، مقاييس إجهاد، أفلام بيزوإلكتريك، وسادات مطاطية موصلة، أجهزة موجات صوتية، وألياف بصرية — تُوضع داخل الإطار أو بالقرب منه. تشعر أجهزة الإتصال المثبتة على البطانة الداخلية مباشرة بالتشوه والاهتزاز أثناء دوران الإطار؛ أما أجهزة الاستشعار غير التلامسية، كالكاميرات والمجسات فوق الصوتية، فتراقب الإطار عن بُعد. معًا، يمكن لهذه الأجهزة استشعار الحمولة والانزلاق وحجم رقعة الاحتكاك وخشونة الطريق وحتى مستوى الاحتكاك. التحدي الرئيسي هو تحويل الإشارات الخام من هذه الحساسات إلى كميات فيزيائية واضحة مثل القوى والعزوم التي يمكن لأنظمة التحكم بالمركبة استخدامها فورًا.

طريقة جديدة لنمذجة ما يشعر به الإطار

يقترح المؤلفون نموذجًا رياضيًا يعامل مداس الإطار كحلقة دائرية مرنة مدعومة بنوابض ومخمدات تمثل الجوانب والهيكل المنفوخ. يربط إطار العمل هذا بين كيفية انثناء الإطار وتمده في مستوياته والقوى التي ينقلها إلى الطريق. باستخدام معادلات متقدمة لكنها قابلة للحل تحليليًا، يوفر النموذج تعبيرات بصيغ مغلقة لإزاحة المداس والانفعال المحيطي الذي ستقيسه الحساسات المدمجة. من خلال افتراض نمط ضغط واقعي في رقعة الاحتكاك وأخذ الانزلاق والاحتكاك في الحسبان، يمكن للنموذج تقدير كيفية تداخل الحمولة الرأسية أو التسارع أو الكبح والسرعة لتشكيل نمط الانفعال حول الإطار.

ما تكشفه المحاكاة عن التآكل والحمولة

بوجود النموذج، يجري الباحثون محاكاة ليروا ما إذا كان يعيد سلوك الإطارات البديهي. يبيِّنون أن أكبر انفعال يحدث بالقرب من مركز رقعة الاحتكاك، وأن زيادة عدد الأنماط الرياضية يصقل منحنى الانفعال المتوقع دون تغيير ميزاته الرئيسية. عندما تُقاد الإطارات بمستويات مختلفة من الانزلاق، يصبح نمط الانفعال غير متماثل، مما يعكس كيفية تصرف الإطارات الحقيقية أثناء التسارع أو الكبح. يلتقط النموذج أيضًا كيف أن الأحمال الرأسية الأعلى لا تغير فقط حجم رقعة الاحتكاك بل تميل نمط التشوه، وهو ما يرتبط مباشرة بمقاومة التدحرج وفقدان الطاقة. والأهم من ذلك، بأن تغيير السماكة الفعالة لهياكل الإطار لمحاكاة التآكل يكشف عن تغير مميز في إشارة الانفعال عند الحافة الخلفية لرقعة الاحتكاك — بصمة محتملة مدمجة لدرجة تآكل الإطار.

نحو إطارات تبلغ عن حالتها وتتحمّى بنفسها

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أنه من الممكن التنبؤ، بحسابات خفيفة نسبيًا، بكيف سينحني الإطار الذكي ويتعرض للانفعال تحت ظروف القيادة الحقيقية، وكيف تتطور تلك الإشارات مع تآكل الإطار. يمنح ذلك مصنعي السيارات ومشغلي الأساطيل اختصارًا قائمًا على الفيزياء لتحويل قراءات الحساسات إلى تقديرات للالتصاق والحمولة والعمر المتبقي، مما يمهد الطريق للصيانة التنبؤية التي تحدد استبدال الإطارات قبل حدوث المشاكل. بالاقتران مع الحساسات المدمجة وتحسينات التعلم الآلي المستقبلية، يمكن أن تساعد مثل هذه النماذج السيارات على تعديل الكبح والتحكم في الثبات واستهلاك الطاقة بهدوء في الخلفية — مما يجعل القيادة اليومية أكثر أمانًا وكفاءة واستدامة.

الاستشهاد: Hijry, H., Mohsen, S., Albalawi, O. et al. Development and simulation of a novel mathematical model for an intelligent tire system toward predictive maintenance. Sci Rep 16, 7982 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38625-1

الكلمات المفتاحية: إطارات ذكية, تآكل الإطار, سلامة المركبة, الصيانة التنبؤية, أجهزة استشعار مدمجة