汽車輪胎的檢測(cè)裝置的研究

程武+曹波+李懷鵬+王雪東+宋昌霖

摘 要：輪胎的性能嚴(yán)重制約著汽車的安全駕駛，為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪胎的缺陷，依據(jù)超聲波的檢測(cè)原理，本文設(shè)計(jì)了一種汽車輪胎檢測(cè)裝置，利用該檢測(cè)裝置能自動(dòng)分析輪胎的質(zhì)量問題，同時(shí)也能測(cè)出輪胎的漏氣位置。此檢測(cè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能夠廣泛應(yīng)用于汽車4S店，對(duì)汽車的安全性具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CCD攝像頭;超聲波傳感器;自動(dòng)分析;漏氣檢測(cè)裝置

中圖分類號(hào)： TH117 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2017）01-190-2

1 ?概述

在汽車制造業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的推動(dòng)作用下，車胎的使用量在不斷增長，使得汽車輪胎制造業(yè)已逐漸成為我國經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要工業(yè)分支[1]。隨社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，交通日漸發(fā)達(dá)，從而導(dǎo)致交通事件日益增多，當(dāng)中由輪胎故障引發(fā)的各類交通事故占很大的比例，這使得人們更加關(guān)注輪胎的情況：如壓力、溫度、磨損、使用壽命、油耗和環(huán)保等問題。由其突然性和難以控制性使得輪胎爆胎造成高速公路事故的主要起因[2]。輪胎是汽車的重要組成部分，其質(zhì)量對(duì)汽車行駛的安全性能、舒適性和經(jīng)濟(jì)性有著嚴(yán)重的影響[3]。美國汽車工程師協(xié)會(huì)通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)， 車輛中至少有20%～40%的車胎氣壓不滿足規(guī)定的要求[4]。當(dāng)汽車車胎的氣壓過低時(shí)，會(huì)造成輪胎的抓著力增大，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致輪胎與地面之間的摩擦增大，從而使汽車輪胎表面的溫度隨著摩擦加大而快速上升，溫度過高會(huì)使輪胎軟化，支撐汽車的強(qiáng)度也會(huì)隨之降低，若是汽車在公路中行駛速度過高，那就很有可能會(huì)發(fā)生爆胎問題，就算是汽車在公路中很低的速度行駛，也會(huì)埋下較深的安全事故隱患[5]。早些年前，意大利人Francesco Braghin等通過實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車輪胎的磨損進(jìn)行過模型驗(yàn)證和靈敏度分析[6]。輪胎的表面磨損狀況及漏氣與汽車的性能有著密切的關(guān)系，嚴(yán)重制約著汽車的安全行駛，消費(fèi)者需要定期對(duì)輪胎的表面質(zhì)量及漏氣進(jìn)行檢測(cè)，了解輪胎的狀況，但目前還沒有一種汽車輪胎檢測(cè)裝置能快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)輪胎的質(zhì)量問題，為此，需要設(shè)計(jì)一種汽車輪胎檢測(cè)裝置，來全面檢測(cè)輪胎的質(zhì)量及其漏氣位置。

2 ?汽車輪胎檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

圖1為汽車輪胎檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該監(jiān)測(cè)裝置主要由傳動(dòng)、壓力加載系統(tǒng)、夾持定位系統(tǒng)等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、傳動(dòng)帶、帶輪、傳動(dòng)軸組成，夾緊定位系統(tǒng)由兩根軸對(duì)輪胎進(jìn)行定位，氣壓系統(tǒng)提供壓力，對(duì)軸兩端進(jìn)行固定，檢測(cè)盤固定在檢測(cè)臺(tái)兩側(cè)，CCD攝像頭設(shè)置在檢測(cè)盤的中心偏上位置，能夠?qū)喬ミM(jìn)行掃描，掃描后對(duì)輪胎進(jìn)行分析，若輪胎的磨損量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，及時(shí)更換。在檢測(cè)盤圓周上均勻分布著超聲波傳感器，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏氣的具體位置;同時(shí)在輪胎的正下方設(shè)置有超聲波傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎可檢測(cè)其他漏氣部位。

2.2 工作原理

汽車輪胎近似于一個(gè)充滿氣體的大容器。通常這個(gè)容器的內(nèi)部壓強(qiáng)要大于外部空氣的壓強(qiáng)，就會(huì)形成一個(gè)內(nèi)外壓差，因此這個(gè)容器一旦有很小的漏孔，內(nèi)部的強(qiáng)壓氣體就會(huì)從漏孔口沖出產(chǎn)生氣流。當(dāng)漏孔口比很小且雷諾數(shù)較大時(shí)，從內(nèi)部沖出的高壓氣體就會(huì)形成一串湍流。產(chǎn)生的湍流就會(huì)根據(jù)漏孔大小在其附近產(chǎn)生頻率大小不一的聲波。當(dāng)漏孔口的尺寸大于一定范圍時(shí)，人耳就可聽到從漏孔發(fā)出的漏氣聲，若漏孔很小且發(fā)出聲波的頻率高于20kHz時(shí)，就超出了人耳能聽見的范圍而聽不到聲音了。超聲波是高頻率短波長信號(hào)[7]，能夠檢測(cè)到輪胎漏孔很小的位置。

打開檢測(cè)系統(tǒng)，將輪胎垂直放于軸承上方，滑動(dòng)氣壓缸活塞，將輪胎固定，打開電源開關(guān)，并按下超聲波傳感器和CCD控制鍵。超聲波傳感器就會(huì)接收來自輪胎破裂處的氣流，將氣流的大小傳輸入電腦中，經(jīng)過氣流的波形圖來定位破裂處。CCD將輪胎的形狀數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到電腦系統(tǒng)中，經(jīng)過圖像CPU處理，自動(dòng)分析出該輪胎的型號(hào)，然后在電腦系統(tǒng)中找出這種輪胎的標(biāo)準(zhǔn)化的型號(hào)來對(duì)比它們的尺寸大小，以此來判斷出磨損程度及質(zhì)量問題。從而判斷出汽車輪胎是否更換新輪胎，來保證汽車的安全。

2.3 工藝流程

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圖2 ?汽車輪胎檢測(cè)儀的工藝流程

3 ?氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

本文中氣缸的工作是推動(dòng)導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行往復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，總共給運(yùn)動(dòng)分為開始、工作和復(fù)位三個(gè)階段。考慮到滑塊，為安全考慮擬定氣缸總受力為G=500N。

本氣壓缸為壓縮空氣使活塞移動(dòng)，通過改變進(jìn)氣方向，來改變活塞桿的移動(dòng)方向。當(dāng)活塞6向左運(yùn)動(dòng)下并壓縮空氣時(shí)，缸腔內(nèi)的氣體就會(huì)經(jīng)過柱塞孔8再從缸蓋上的排氣孔9流出。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)靠近行程左邊的末端時(shí)，緩沖柱塞7將活塞右端的柱塞孔8堵死，活塞再持續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，則封在氣壓缸左腔內(nèi)的殘余氣體受到擠壓，殘余氣體就會(huì)緩慢地通過氣孔9再經(jīng)過節(jié)流閥12擠出，被擠壓的氣體所產(chǎn)生的壓力若能與活塞運(yùn)動(dòng)所具有的所有能量能夠保持相對(duì)平衡，那就么會(huì)取得一定的緩沖效果，同時(shí)活塞在行程末端就會(huì)保持運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，以至于不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊。此時(shí)通過活塞桿5向左伸出來穩(wěn)固輪胎，以防輪胎在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中往外傾斜而倒塌。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥12閥口開度的大小，來控制排氣量的多少，進(jìn)而決定了被壓縮的容積（稱緩沖室）內(nèi)壓力的大小，從而可調(diào)節(jié)緩沖效果。檢測(cè)結(jié)束取下輪胎時(shí)，則只需令活塞向相反方向運(yùn)動(dòng)，并往氣孔9輸入使空氣被壓縮，從而會(huì)推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)。

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1——螺栓;2——緩沖節(jié)流針閥;3——前缸蓋;4——缸筒;5——活塞桿;6——活塞;7——緩沖柱塞;8——柱塞孔;9——?dú)饪?10——端蓋;11——密封圈;12——緩沖節(jié)流針閥; 13——后缸蓋

圖3 ?普通型氣缸

3.2 工藝流程

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圖4 ?氣壓缸的工藝流程

4 ?控制設(shè)計(jì)

4.1 CCD攝像頭

經(jīng)過相關(guān)參數(shù)的確定，此汽車輪胎的檢測(cè)裝置采用高像素的CCD攝像頭。此攝像頭被稱為電荷耦合器件圖像傳感器CCD，能夠把接收到的光線信號(hào)轉(zhuǎn)變成電荷，并利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮處理后，相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置的硬盤卡將這些數(shù)字信號(hào)保存起來，最終把產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，得到輪胎的形狀。

4.2 超聲波傳感器

檢測(cè)輪胎是否漏氣和定位漏氣點(diǎn)是檢測(cè)的核心部分，其主要作用是將氣流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)其功能，選擇DYA-200-01Y系列的氣體流量超聲波傳感器，在1m內(nèi)200kHz超聲波燃?xì)獗硖筋^頻率范圍是200kHz±7.5kHz，主要用在超聲波測(cè)風(fēng)速風(fēng)向儀，超聲波作為氣體流量計(jì)，靈敏度的帶載驅(qū)動(dòng)電壓為800Vpp，距離0.3m，回波幅度35mV。工作時(shí)的峰值電壓<1000Vpp。

4.3 控制原理

計(jì)算機(jī)控制部分由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、超聲波傳感器、CCD攝像頭等組成，CCD攝像頭對(duì)輪胎的全貌進(jìn)行掃面，將掃描結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)輪胎對(duì)比，檢測(cè)出輪胎磨損狀況，超聲波傳感器檢測(cè)輪胎的漏氣部位，通過PCI-1782數(shù)據(jù)采集卡A/D通道將收集過來的結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)并通過分析處理，使用數(shù)據(jù)采集卡上的輸出口D01、D02來分別輸出電機(jī)的方向控制信號(hào)和脈沖信號(hào)，通過設(shè)定脈沖的數(shù)目控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，D/A1通道控制輸出電壓，連接到氣壓站的溢流閥上用于控制進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎壓力的控制。

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圖5 ?系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

5 ?總結(jié)

研制了一種用于檢測(cè)汽車輪胎檢測(cè)的裝置，利用該試驗(yàn)裝置能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)輪胎的漏氣位置并告警。利用CCD攝像頭與超聲波傳感器相結(jié)合，極大地提高了檢測(cè)的精度與速度，不僅方法簡單，而且快速、準(zhǔn)確，可靠性高。該汽車輪胎檢測(cè)裝置能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 談?dòng)窭?我國輪胎行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].橡膠科技市場(chǎng)，2007，5（1）：1-5.

[2] 宋偉.美國汽車安全標(biāo)準(zhǔn)新要求安裝輪胎壓力監(jiān)測(cè)器[J].輕型汽車技術(shù)，2002（6）：78-79.

[3] 劉桂飄，羅玉濤.輪胎氣壓對(duì)汽車性能影響的研究[J].廣東公安科技，2003（1）：58-61.

[4] Bulbeck S.RFID and MEMS for tyre pressure monitoring systems.Smart ?Labels ?Analyst，2002，10（21）：22-23.