輪胎磨損及花紋深度測(cè)量方法探析

龐連紅 張亞菊

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 前言

輪胎是汽車(chē)行駛系統(tǒng)的主要零部件，與地面直接接觸，關(guān)系到行駛安全性、平順性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。為了保證車(chē)輛行駛過(guò)程中有足夠的驅(qū)動(dòng)力和摩擦力，在輪胎上設(shè)計(jì)有花紋，用來(lái)提高輪胎與地面之間的摩擦系數(shù)，增大驅(qū)動(dòng)力，減少輪胎打滑。另外，花紋還有利于輪胎的散熱。但是，當(dāng)汽車(chē)行駛一定里程后，輪胎花紋深度會(huì)因磨損變淺，如果花紋深度過(guò)淺，將會(huì)降低輪胎的抓地力及輪胎貯水、排水能力，行駛過(guò)程中會(huì)使駕乘人員感覺(jué)車(chē)子方向偏離或輪胎打滑(即水滑現(xiàn)象)，對(duì)行車(chē)的安全性帶來(lái)極大隱患[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年大約有46%的高速公路交通事故由輪胎故障導(dǎo)致，其中25%是由輪胎花紋深度過(guò)淺且低于安全極限值導(dǎo)致。輪胎的磨損已經(jīng)成為交通事故發(fā)生的重要原因之一，嚴(yán)重影響了汽車(chē)的行駛安全性和穩(wěn)定性。所以，輪胎也需要與發(fā)動(dòng)機(jī)一樣定期進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)和檢修，以保證輪胎在其使用過(guò)程中的安全性與舒適性。

1 輪胎花紋磨損

車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力均來(lái)自于輪胎花紋與路面產(chǎn)生的摩擦力，其磨損程度直接影響汽車(chē)行駛的安全性和穩(wěn)定性。車(chē)輛在行駛過(guò)程中，輪胎除了正常均勻磨損外，還會(huì)受到不同程度的異常磨損，比如汽車(chē)的載質(zhì)量、輪胎壓力、輪胎動(dòng)平衡及駕駛習(xí)慣等，都會(huì)造成輪胎不同程度的異常磨損[2]。

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，輪胎與地面接觸，隨著行駛里程增加，輪胎磨損不斷加劇。輪胎磨損通常有3個(gè)階段：走合期輕微磨損—穩(wěn)定磨損—?jiǎng)×壹铀倌p。

1.1 磨損走合期

新輪胎的表面粗糙，剛使用時(shí)與地面的實(shí)際接觸點(diǎn)較少，接觸面積較小，在相同載荷情況下，接觸點(diǎn)的附著力、摩擦力較大，因此新輪胎的磨損率較高。隨著運(yùn)行輪胎表面部分磨損，其表面粗糙度降低，輪胎逐漸變得光滑，輪胎與地面的實(shí)際接觸面積增加，單位接觸點(diǎn)的數(shù)量也隨之增加，磨損率降低，輪胎進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。

1.2 磨損穩(wěn)定期

此階段是輪胎的正常工作階段。經(jīng)過(guò)前一階段的磨合，輪胎與地面接觸面積和單位接觸點(diǎn)數(shù)量適中，摩擦表面逐漸硬化，微觀幾何形狀發(fā)生變化，磨損進(jìn)入緩慢穩(wěn)定時(shí)期，磨損率基本保持不變，磨損量和時(shí)間成正比。

1.3 磨損加速期

輪胎經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間磨損后，輪胎摩擦副表面的花紋間隙和形狀發(fā)生了變化，行駛時(shí)輪胎溫度升高，同時(shí)輪胎表層的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)地降低，其磨損率也隨之急劇增大。在這個(gè)階段，車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲。隨著使用時(shí)間的增加，輪胎的摩擦副接觸面溫度迅速上升，最終輪胎劇烈磨損，摩擦副接觸面作用完全失效。輪胎劇烈磨損情況通常可分為以下幾種情況。

1.3.1 輪胎胎肩磨損

輪胎胎肩的早期磨損，主要是輪胎充氣量不足或車(chē)輛長(zhǎng)期超負(fù)荷行駛，造成輪胎與地面的摩擦接觸面積過(guò)大引發(fā)。試驗(yàn)表明，輪胎的充氣氣壓高于或低于額定值的20%，其磨損加大，導(dǎo)致輪胎的使用壽命減少20%～25%。

另外，車(chē)輛的減振器或軸承等部件受損嚴(yán)重，也會(huì)導(dǎo)致與地面接觸的輪胎胎肩出現(xiàn)凸?fàn)罨虿ɡ藸钅p。

1.3.2 輪胎胎冠磨損

充氣量過(guò)大、胎壓過(guò)高是輪胎胎冠出現(xiàn)早期磨損的主要原因。適宜的充氣壓力，可降低輪胎的滾動(dòng)阻力，提高車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性。如果輪胎胎壓過(guò)高，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，輪胎的減振性能會(huì)受影響。在輪胎變形量過(guò)大的情況下，與地面接觸面積變小，導(dǎo)致只有胎冠部分與地面接觸，形成早期磨損，輪胎使用壽命縮短。

1.3.3 輪胎內(nèi)側(cè)磨損

漏電保護(hù)器按極數(shù)分類(lèi)，有單極2線 雙極2線3極3線 3極4線和4極4線等多種形式，其在低壓配電線路中的接線如圖1所示：RCD1—單極2線，RCD2—雙極2線，RCD3—3極3線，RCD4—3極4線，RCD5—4極4線，QF—斷路器，YR—漏電脫扣器.

有些車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)變形，如一些舊車(chē)，整個(gè)車(chē)身凹陷，兩個(gè)輪胎的對(duì)稱性會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致輪胎明顯變形。此時(shí)，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，輪胎外層邊緣則呈毛刺狀。

1.3.4 輪胎內(nèi)層磨損

當(dāng)輪胎與堅(jiān)硬物體接觸，如在崎嶇不平的路面上，左右摩擦副接觸面積減小，單位面積接觸壓力增大，接觸點(diǎn)在重壓下造成輪胎內(nèi)層的磨損。此時(shí)，輪胎內(nèi)層極易破損。

1.3.5 表面均勻磨損

均勻磨損是輪胎磨損的正常現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)輪胎花紋磨平或者達(dá)到磨損標(biāo)識(shí)處，必須更換輪胎。

輪胎的磨損過(guò)程復(fù)雜，磨損形式多樣。除了前面提到的磨損因素外，路況(包括路面的紋理、溫度、環(huán)境等)、輪胎載荷、輪胎結(jié)構(gòu)等也是影響輪胎磨損的重要因素。

2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)工具和方法

子午線輪胎花紋深度在《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》(GB 7258—2017)標(biāo)準(zhǔn)中有如下規(guī)定：轎車(chē)用輪胎花紋深度應(yīng)大于1.6 mm，其磨損極限為1.6 mm；貨車(chē)、客車(chē)用輪胎花紋磨損極限為2.0 mm。《機(jī)動(dòng)車(chē)安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》(GB 38900—2020)在輪胎的檢驗(yàn)方法上也作了如下規(guī)定：目視檢查輪胎規(guī)格或型號(hào)，目測(cè)胎壓和輪胎花紋深度，不正常時(shí)則使用輪胎氣壓表、輪胎花紋深度尺等工具測(cè)量相關(guān)參數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)明確了測(cè)量工具為花紋深度尺，但未明確測(cè)量方法和依據(jù)的相應(yīng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》(GB/T 521—2012)中對(duì)于測(cè)量工具進(jìn)行了規(guī)定：使用游標(biāo)卡尺或輪胎花紋深度尺測(cè)量花紋深度時(shí)，應(yīng)避免觸碰輪胎表面磨損極限標(biāo)識(shí)或其他字符圖案標(biāo)記。測(cè)量工具必須垂直于花紋溝槽底部。

3 輪胎磨損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，輪胎花紋磨損檢測(cè)技術(shù)方法主要分為接觸式和非接觸式，都是通過(guò)獲得輪胎各點(diǎn)的花紋深度信息，進(jìn)行綜合研究并評(píng)估分析，進(jìn)而得知輪胎磨損的具體情況。

3.1 接觸式檢測(cè)

接觸式檢測(cè)又叫機(jī)械檢測(cè)，利用金屬探針對(duì)輪胎花紋深度進(jìn)行測(cè)量。這種檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，深受車(chē)主和汽車(chē)修理廠的青睞。但其最大的缺點(diǎn)是僅適于抽樣檢測(cè)，且人為因素也會(huì)影響檢測(cè)的精度和效率。

常見(jiàn)的輪胎花紋溝槽深度尺有直讀式和數(shù)顯式兩種，外觀如圖1所示，測(cè)量范圍為0～100 mm。

圖1 輪胎花紋溝槽深度尺分類(lèi)及外觀

隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)市場(chǎng)出現(xiàn)了結(jié)合輪胎花紋深度尺、基于物聯(lián)網(wǎng)的輪胎花紋深度智能檢測(cè)系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)采用了深度尺探針和通信芯片相融合的技術(shù)：芯片內(nèi)嵌入深度尺，利用深度尺探針對(duì)輪胎進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳回芯片進(jìn)行處理，并顯示在觸摸屏上。同時(shí)，此系統(tǒng)能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和運(yùn)算評(píng)估，并通過(guò)移動(dòng)端發(fā)送給客戶[4]，最終實(shí)現(xiàn)為用戶及時(shí)提供輪胎保養(yǎng)的建議，增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)感。

3.2 非接觸式檢測(cè)

非接觸式檢測(cè)不需要與輪胎表面直接接觸，檢測(cè)方式更加靈活，主要分為2 類(lèi)：視覺(jué)檢測(cè)和傳感器檢測(cè)。由于非接觸式檢測(cè)存在測(cè)量速度慢、精度低、效率低等缺點(diǎn)，因此該檢測(cè)方式并未得到廣泛應(yīng)用。隨著光電和圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，非接觸式檢測(cè)技術(shù)也在不斷突破創(chuàng)新。

4 輪胎磨損檢查技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 激光檢測(cè)法

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光三角法在輪胎花紋深度測(cè)量方面得到了很好的應(yīng)用，測(cè)量輪胎花紋深度值的準(zhǔn)確性更高，穩(wěn)定性更好。但激光三角法同時(shí)也存在一些精度問(wèn)題，如輪胎材料吸收光線，影響光的反射；檢測(cè)環(huán)境的光亮度會(huì)影響提取激光圖像；相機(jī)接收反射光時(shí)產(chǎn)生誤差也會(huì)影響精度。此外，輪胎磨損檢測(cè)的精度與磨損是否規(guī)則有密切關(guān)系，當(dāng)磨損不規(guī)則時(shí)，光線照射下會(huì)產(chǎn)生陰影，進(jìn)而出現(xiàn)測(cè)量誤差。

輪胎磨損激光檢測(cè)通常有點(diǎn)激光和線激光兩種測(cè)量方式。線激光測(cè)量效率高，但對(duì)磨損的粗糙曲面測(cè)量時(shí)，容易出現(xiàn)斷線的情況，導(dǎo)致中心線難以提取；點(diǎn)激光測(cè)量提取中心線較容易，但檢測(cè)效率較低[5]。使用激光檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選用。

4.2 輪胎內(nèi)置傳感器檢測(cè)方法

隨著車(chē)輛與人們的生產(chǎn)生活越來(lái)越密不可分，在輪胎磨損實(shí)際檢測(cè)中，殘留的灰塵、石子、水漬等雜物會(huì)影響輪胎胎面圖像的采集效果，進(jìn)而干擾檢測(cè)精度。此外，輪胎的轉(zhuǎn)速也是影響檢測(cè)精度的因素之一。在實(shí)際行車(chē)過(guò)程中，輪胎轉(zhuǎn)速越高，相機(jī)采集胎面圖像形成的拖影就越大。同時(shí)，相機(jī)在不同光照條件下，采集的胎面圖像清晰度不同，也會(huì)影響檢測(cè)精度[6]。

針對(duì)上述情況，提出了將傳感器植入輪胎內(nèi)部的研究方案。目前，傳感器內(nèi)置方案存在2個(gè)難點(diǎn)有待解決：①植入傳感器本身的效果。傳感器植入輪胎的位置不同，檢測(cè)的精度會(huì)存在差異，如何找到最佳點(diǎn)，尚需進(jìn)行研究論證。同時(shí)，還要考慮到植入的傳感器，能否經(jīng)受住在輪胎制造過(guò)程中的高溫高壓，保持完好性能不受損壞。②將植入傳感器對(duì)輪胎質(zhì)量的影響降到最低。傳感器芯片的植入，會(huì)改變輪胎的原有構(gòu)造，如果結(jié)合不好，隨著壓力、應(yīng)力的變化，會(huì)使輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)脫離，最終會(huì)導(dǎo)致輪胎報(bào)廢。

5 結(jié)語(yǔ)

定期檢查輪胎花紋深度及保養(yǎng)維護(hù)，可以減少不必要磨損，降低事故發(fā)生概率，提高行駛的安全系數(shù)。另外，也要定期檢查輪胎氣壓及車(chē)輪定位參數(shù)是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，同時(shí)杜絕超載，可延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。

現(xiàn)階段，輪胎花紋深度的檢測(cè)仍然是以深度尺為主，智能化技術(shù)在輪胎胎面磨損檢測(cè)領(lǐng)域的研究較少。隨著科技的發(fā)展，為提高用戶的行車(chē)安全，將無(wú)線傳輸技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用相結(jié)合，可以將輪胎的監(jiān)測(cè)、報(bào)警、預(yù)警和反饋等機(jī)制進(jìn)行聯(lián)合，形成高效的現(xiàn)代化輪胎檢測(cè)應(yīng)用體系。