汽車輪胎的檢測裝置的研究

程武+曹波+李懷鵬+王雪東+宋昌霖

摘 要：輪胎的性能嚴重制約著汽車的安全駕駛，為了能及時發現輪胎的缺陷，依據超聲波的檢測原理，本文設計了一種汽車輪胎檢測裝置，利用該檢測裝置能自動分析輪胎的質量問題，同時也能測出輪胎的漏氣位置。此檢測裝置具有結構簡單，成本較低，能夠廣泛應用于汽車4S店，對汽車的安全性具有一定的應用價值。

關鍵詞：CCD攝像頭;超聲波傳感器;自動分析;漏氣檢測裝置

中圖分類號： TH117 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-190-2

1 ?概述

在汽車制造業和交通運輸業的推動作用下，車胎的使用量在不斷增長，使得汽車輪胎制造業已逐漸成為我國經濟的一個重要工業分支[1]。隨社會的進步和技術的發展，交通日漸發達，從而導致交通事件日益增多，當中由輪胎故障引發的各類交通事故占很大的比例，這使得人們更加關注輪胎的情況：如壓力、溫度、磨損、使用壽命、油耗和環保等問題。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，其質量對汽車行駛的安全性能、舒適性和經濟性有著嚴重的影響[3]。美國汽車工程師協會通過調查統計， 車輛中至少有20%～40%的車胎氣壓不滿足規定的要求[4]。當汽車車胎的氣壓過低時，會造成輪胎的抓著力增大，同時會導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，溫度過高會使輪胎軟化，支撐汽車的強度也會隨之降低，若是汽車在公路中行駛速度過高，那就很有可能會發生爆胎問題，就算是汽車在公路中很低的速度行駛，也會埋下較深的安全事故隱患[5]。早些年前，意大利人Francesco Braghin等通過實驗對汽車輪胎的磨損進行過模型驗證和靈敏度分析[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系，嚴重制約著汽車的安全行駛，消費者需要定期對輪胎的表面質量及漏氣進行檢測，了解輪胎的狀況，但目前還沒有一種汽車輪胎檢測裝置能快速準確的監測輪胎的質量問題，為此，需要設計一種汽車輪胎檢測裝置，來全面檢測輪胎的質量及其漏氣位置。

2 ?汽車輪胎檢測裝置結構及工作原理

2.1 檢測裝置結構

圖1為汽車輪胎檢測裝置的結構示意圖，該監測裝置主要由傳動、壓力加載系統、夾持定位系統等組成。傳動系統主要由電機、傳動帶、帶輪、傳動軸組成，夾緊定位系統由兩根軸對輪胎進行定位，氣壓系統提供壓力，對軸兩端進行固定，檢測盤固定在檢測臺兩側，CCD攝像頭設置在檢測盤的中心偏上位置，能夠對輪胎進行掃描，掃描后對輪胎進行分析，若輪胎的磨損量達到標準后，及時更換。在檢測盤圓周上均勻分布著超聲波傳感器，以便及時發現漏氣的具體位置;同時在輪胎的正下方設置有超聲波傳感器，轉動輪胎可檢測其他漏氣部位。

2.2 工作原理

汽車輪胎近似于一個充滿氣體的大容器。通常這個容器的內部壓強要大于外部空氣的壓強，就會形成一個內外壓差，因此這個容器一旦有很小的漏孔，內部的強壓氣體就會從漏孔口沖出產生氣流。當漏孔口比很小且雷諾數較大時，從內部沖出的高壓氣體就會形成一串湍流。產生的湍流就會根據漏孔大小在其附近產生頻率大小不一的聲波。當漏孔口的尺寸大于一定范圍時，人耳就可聽到從漏孔發出的漏氣聲，若漏孔很小且發出聲波的頻率高于20kHz時，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[7]，能夠檢測到輪胎漏孔很小的位置。

打開檢測系統，將輪胎垂直放于軸承上方，滑動氣壓缸活塞，將輪胎固定，打開電源開關，并按下超聲波傳感器和CCD控制鍵。超聲波傳感器就會接收來自輪胎破裂處的氣流，將氣流的大小傳輸入電腦中，經過氣流的波形圖來定位破裂處。CCD將輪胎的形狀數據自動傳送到電腦系統中，經過圖像CPU處理，自動分析出該輪胎的型號，然后在電腦系統中找出這種輪胎的標準化的型號來對比它們的尺寸大小，以此來判斷出磨損程度及質量問題。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 ?汽車輪胎檢測儀的工藝流程

3 ?氣壓系統設計

3.1 工作原理

本文中氣缸的工作是推動導軌滑塊進行往復往返運動，總共給運動分為開始、工作和復位三個階段?？紤]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，通過改變進氣方向，來改變活塞桿的移動方向。當活塞6向左運動下并壓縮空氣時，缸腔內的氣體就會經過柱塞孔8再從缸蓋上的排氣孔9流出。當活塞運動靠近行程左邊的末端時，緩沖柱塞7將活塞右端的柱塞孔8堵死，活塞再持續向左運動，則封在氣壓缸左腔內的殘余氣體受到擠壓，殘余氣體就會緩慢地通過氣孔9再經過節流閥12擠出，被擠壓的氣體所產生的壓力若能與活塞運動所具有的所有能量能夠保持相對平衡，那就么會取得一定的緩沖效果，同時活塞在行程末端就會保持運動平穩，以至于不會產生大的沖擊。此時通過活塞桿5向左伸出來穩固輪胎，以防輪胎在轉動過程中往外傾斜而倒塌。通過調節節流閥12閥口開度的大小，來控制排氣量的多少，進而決定了被壓縮的容積（稱緩沖室）內壓力的大小，從而可調節緩沖效果。檢測結束取下輪胎時，則只需令活塞向相反方向運動，并往氣孔9輸入使空氣被壓縮，從而會推動活塞向右運動。

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1——螺栓;2——緩沖節流針閥;3——前缸蓋;4——缸筒;5——活塞桿;6——活塞;7——緩沖柱塞;8——柱塞孔;9——氣孔;10——端蓋;11——密封圈;12——緩沖節流針閥; 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 ?控制設計

4.1 CCD攝像頭

經過相關參數的確定，此汽車輪胎的檢測裝置采用高像素的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轉變成電荷，并利用模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮處理后，相機內部的閃速存儲器或內置的硬盤卡將這些數字信號保存起來，最終把產生的數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，得到輪胎的形狀。

4.2 超聲波傳感器

檢測輪胎是否漏氣和定位漏氣點是檢測的核心部分，其主要作用是將氣流信號轉換成電信號。根據其功能，選擇DYA-200-01Y系列的氣體流量超聲波傳感器，在1m內200kHz超聲波燃氣表探頭頻率范圍是200kHz±7.5kHz，主要用在超聲波測風速風向儀，超聲波作為氣體流量計，靈敏度的帶載驅動電壓為800Vpp，距離0.3m，回波幅度35mV。工作時的峰值電壓<1000Vpp。

4.3 控制原理

計算機控制部分由計算機、數據采集卡、超聲波傳感器、CCD攝像頭等組成，CCD攝像頭對輪胎的全貌進行掃面，將掃描結果傳送到計算機，與標準型號輪胎對比，檢測出輪胎磨損狀況，超聲波傳感器檢測輪胎的漏氣部位，通過PCI-1782數據采集卡A/D通道將收集過來的結果傳送到計算機并通過分析處理，使用數據采集卡上的輸出口D01、D02來分別輸出電機的方向控制信號和脈沖信號，通過設定脈沖的數目控制電機的轉速，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氣量實現對輪胎壓力的控制。

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圖5 ?系統硬件結構圖

5 ?總結

研制了一種用于檢測汽車輪胎檢測的裝置，利用該試驗裝置能快速準確地檢測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合，極大地提高了檢測的精度與速度，不僅方法簡單，而且快速、準確，可靠性高。該汽車輪胎檢測裝置能夠達到預期的效果。

參 考 文 獻

[1] 談玉坤.我國輪胎行業現狀及發展趨勢[J].橡膠科技市場，2007，5（1）：1-5.

[2] 宋偉.美國汽車安全標準新要求安裝輪胎壓力監測器[J].輕型汽車技術，2002（6）：78-79.

[3] 劉桂飄，羅玉濤.輪胎氣壓對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.