汽车轮胎的检测装置的研究

程武+曹波+李怀鹏+王雪东+宋昌霖

摘 要：轮胎的性能严重制约着汽车的安全驾驶，为了能及时发现轮胎的缺陷，依据超声波的检测原理，本文设计了一种汽车轮胎检测装置，利用该检测装置能自动分析轮胎的质量问题，同时也能测出轮胎的漏气位置。此检测装置具有结构简单，成本较低，能够广泛应用于汽车4S店，对汽车的安全性具有一定的应用价值。

关键词：CCD摄像头;超声波传感器;自动分析;漏气检测装置

中图分类号： TH117             文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2017）01-190-2

1  概述

在汽车制造业和交通运输业的推动作用下，车胎的使用量在不断增长，使得汽车轮胎制造业已逐渐成为我国经济的一个重要工业分支[1]。随社会的进步和技术的发展，交通日渐发达，从而导致交通事件日益增多，当中由轮胎故障引发的各类交通事故占很大的比例，这使得人们更加关注轮胎的情况：如压力、温度、磨损、使用寿命、油耗和环保等问题。由其突然性和难以控制性使得轮胎爆胎造成高速公路事故的主要起因[2]。轮胎是汽车的重要组成部分，其质量对汽车行驶的安全性能、舒适性和经济性有着严重的影响[3]。美国汽车工程师协会通过调查统计， 车辆中至少有20%～40%的车胎气压不满足规定的要求[4]。当汽车车胎的气压过低时，会造成轮胎的抓着力增大，同时会导致轮胎与地面之间的摩擦增大，从而使汽车轮胎表面的温度随着摩擦加大而快速上升，温度过高会使轮胎软化，支撑汽车的强度也会随之降低，若是汽车在公路中行驶速度过高，那就很有可能会发生爆胎问题，就算是汽车在公路中很低的速度行驶，也会埋下较深的安全事故隐患[5]。早些年前，意大利人Francesco Braghin等通过实验对汽车轮胎的磨损进行过模型验证和灵敏度分析[6]。轮胎的表面磨损状况及漏气与汽车的性能有着密切的关系，严重制约着汽车的安全行驶，消费者需要定期对轮胎的表面质量及漏气进行检测，了解轮胎的状况，但目前还没有一种汽车轮胎检测装置能快速准确的监测轮胎的质量问题，为此，需要设计一种汽车轮胎检测装置，来全面检测轮胎的质量及其漏气位置。

2  汽车轮胎检测装置结构及工作原理

2.1 检测装置结构

图1为汽车轮胎检测装置的结构示意图，该监测装置主要由传动、压力加载系统、夹持定位系统等组成。传动系统主要由电机、传动带、带轮、传动轴组成，夹紧定位系统由两根轴对轮胎进行定位，气压系统提供压力，对轴两端进行固定，检测盘固定在检测台两侧，CCD摄像头设置在检测盘的中心偏上位置，能够对轮胎进行扫描，扫描后对轮胎进行分析，若轮胎的磨损量达到标准后，及时更换。在检测盘圆周上均匀分布着超声波传感器，以便及时发现漏气的具体位置;同时在轮胎的正下方设置有超声波传感器，转动轮胎可检测其他漏气部位。

2.2 工作原理

汽车轮胎近似于一个充满气体的大容器。通常这个容器的内部压强要大于外部空气的压强，就会形成一个内外压差，因此这个容器一旦有很小的漏孔，内部的强压气体就会从漏孔口冲出产生气流。当漏孔口比很小且雷诺数较大时，从内部冲出的高压气体就会形成一串湍流。产生的湍流就会根据漏孔大小在其附近产生频率大小不一的声波。当漏孔口的尺寸大于一定范围时，人耳就可听到从漏孔发出的漏气声，若漏孔很小且发出声波的频率高于20kHz时，就超出了人耳能听见的范围而听不到声音了。超声波是高频率短波长信号[7]，能够检测到轮胎漏孔很小的位置。

打开检测系统，将轮胎垂直放于轴承上方，滑动气压缸活塞，将轮胎固定，打开电源开关，并按下超声波传感器和CCD控制键。超声波传感器就会接收来自轮胎破裂处的气流，将气流的大小传输入电脑中，经过气流的波形图来定位破裂处。CCD将轮胎的形状数据自动传送到电脑系统中，经过图像CPU处理，自动分析出该轮胎的型号，然后在电脑系统中找出这种轮胎的标准化的型号来对比它们的尺寸大小，以此来判断出磨损程度及质量问题。从而判断出汽车轮胎是否更换新轮胎，来保证汽车的安全。

2.3 工艺流程

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图2  汽车轮胎检测仪的工艺流程

3  气压系统设计

3.1 工作原理

本文中气缸的工作是推动导轨滑块进行往复往返运动，总共给运动分为开始、工作和复位三个阶段。考虑到滑块，为安全考虑拟定气缸总受力为G=500N。

本气压缸为压缩空气使活塞移动，通过改变进气方向，来改变活塞杆的移动方向。当活塞6向左运动下并压缩空气时，缸腔内的气体就会经过柱塞孔8再从缸盖上的排气孔9流出。当活塞运动靠近行程左边的末端时，缓冲柱塞7将活塞右端的柱塞孔8堵死，活塞再持续向左运动，则封在气压缸左腔内的残余气体受到挤压，残余气体就会缓慢地通过气孔9再经过节流阀12挤出，被挤压的气体所产生的压力若能与活塞运动所具有的所有能量能够保持相对平衡，那就么会取得一定的缓冲效果，同时活塞在行程末端就会保持运动平稳，以至于不会产生大的冲击。此时通过活塞杆5向左伸出来稳固轮胎，以防轮胎在转动过程中往外倾斜而倒塌。通过调节节流阀12阀口开度的大小，来控制排气量的多少，进而决定了被压缩的容积（称缓冲室）内压力的大小，从而可调节缓冲效果。检测结束取下轮胎时，则只需令活塞向相反方向运动，并往气孔9输入使空气被压缩，从而会推动活塞向右运动。

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1——螺栓;2——缓冲节流针阀;3——前缸盖;4——缸筒;5——活塞杆;6——活塞;7——缓冲柱塞;8——柱塞孔;9——气孔;10——端盖;11——密封圈;12——缓冲节流针阀; 13——后缸盖

图3  普通型气缸

3.2 工艺流程

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图4  气压缸的工艺流程

4  控制设计

4.1 CCD摄像头

经过相关参数的确定，此汽车轮胎的检测装置采用高像素的CCD摄像头。此摄像头被称为电荷耦合器件图像传感器CCD，能够把接收到的光线信号转变成电荷，并利用模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩处理后，相机内部的闪速存储器或内置的硬盘卡将这些数字信号保存起来，最终把产生的数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，得到轮胎的形状。

4.2 超声波传感器

检测轮胎是否漏气和定位漏气点是检测的核心部分，其主要作用是将气流信号转换成电信号。根据其功能，选择DYA-200-01Y系列的气体流量超声波传感器，在1m内200kHz超声波燃气表探头频率范围是200kHz±7.5kHz，主要用在超声波测风速风向仪，超声波作为气体流量计，灵敏度的带载驱动电压为800Vpp，距离0.3m，回波幅度35mV。工作时的峰值电压<1000Vpp。

4.3 控制原理

计算机控制部分由计算机、数据采集卡、超声波传感器、CCD摄像头等组成，CCD摄像头对轮胎的全貌进行扫面，将扫描结果传送到计算机，与标准型号轮胎对比，检测出轮胎磨损状况，超声波传感器检测轮胎的漏气部位，通过PCI-1782数据采集卡A/D通道将收集过来的结果传送到计算机并通过分析处理，使用数据采集卡上的输出口D01、D02来分别输出电机的方向控制信号和脉冲信号，通过设定脉冲的数目控制电机的转速，D/A1通道控制输出电压，连接到气压站的溢流阀上用于控制进气量实现对轮胎压力的控制。

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图5  系统硬件结构图

5  总结

研制了一种用于检测汽车轮胎检测的装置，利用该试验装置能快速准确地检测轮胎的漏气位置并告警。利用CCD摄像头与超声波传感器相结合，极大地提高了检测的精度与速度，不仅方法简单，而且快速、准确，可靠性高。该汽车轮胎检测装置能够达到预期的效果。

参 考 文 献

[1] 谈玉坤.我国轮胎行业现状及发展趋势[J].橡胶科技市场，2007，5（1）：1-5.

[2] 宋伟.美国汽车安全标准新要求安装轮胎压力监测器[J].轻型汽车技术，2002（6）：78-79.

[3] 刘桂飘，罗玉涛.轮胎气压对汽车性能影响的研究[J].广东公安科技，2003（1）：58-61.

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