楊 瑞，張海龍

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

汽車輪胎在高速滾動(dòng)時(shí)，其應(yīng)力、應(yīng)變及輪胎材料的粘彈性滯后特性，會(huì)使輪胎生熱而溫度升高，導(dǎo)致輪胎材料的強(qiáng)度、粘合力等使用參數(shù)大幅下降，極易發(fā)生汽車爆胎，這就給行車帶來了很大的安全隱患。同時(shí)輪胎溫度過高對(duì)車輛的行駛性能也有不良影響，如操縱穩(wěn)定性變差、耐磨性降低等。為此提出輪胎生熱、爆裂機(jī)理、紅外測(cè)溫原理，完成輪胎紅外測(cè)溫防爆預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，幫助駕駛員合理使用輪胎，實(shí)現(xiàn)輪胎防爆預(yù)警功能，避免因此而造成人員和財(cái)產(chǎn)損失，為車輛安全行駛，避免重大交通安全事故具有很大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義［1］。

1 輪胎生熱、爆裂機(jī)理

輪胎生熱及溫升是由于受到周期性應(yīng)力的作用，橡膠及橡膠基復(fù)合材料的粘彈性滯后特性，引起能量的損失［2］。損失的能量一部分轉(zhuǎn)化為熱量使輪胎溫度升高，高速行駛下輪胎最高溫度可達(dá)100℃以上，甚至可以達(dá)到輪胎的使用的臨界溫度125℃［3］。高速滾動(dòng)輪胎破壞性試驗(yàn)表明，輪胎胎冠鼓包時(shí)的溫度達(dá)到了99.8℃，輪胎的內(nèi)部橡膠呈融乳狀。這種高的溫度對(duì)輪胎是有負(fù)面作用的，溫度過高會(huì)使輪胎橡膠材料的彈性模量、斷裂強(qiáng)度和粘合力等參數(shù)降低，這樣會(huì)使輪胎材料內(nèi)部開始產(chǎn)生裂紋，裂紋再進(jìn)一步吸收能量進(jìn)行擴(kuò)展［4］，同時(shí)，高溫下輪胎內(nèi)氣體壓力增加，使裂紋繼續(xù)擴(kuò)大，最后引起輪胎的脫層和爆裂。

綜上所述，輪胎爆裂的主要原因是輪胎在運(yùn)行過程中內(nèi)部溫升過高，同時(shí)造成輪胎內(nèi)氣壓過高等綜合作用引起的。

2 紅外測(cè)溫原理

非絕對(duì)零度的物體都會(huì)向他的周圍輻射熱量。這是因?yàn)槲矬w的帶電粒子受到溫度激發(fā)后將熱能以電磁波的方式輻射到外界。電磁波的強(qiáng)度與物體的溫度相關(guān)，溫度越高，所發(fā)出的電磁波能量越大，由于物體內(nèi)帶電粒子運(yùn)動(dòng)頻率存在差異，這樣形成的電磁波的波普隨之不相同［5］。

普朗克黑體輻射定律是紅外測(cè)溫法的理論根據(jù)，普朗克黑體輻射定律可以定量確定不同溫度的黑體在各個(gè)波長(zhǎng)下的電磁輻射能量的大?。?］。各種物質(zhì)產(chǎn)生熱輻射能力的高低與溫度和其波長(zhǎng)λ有關(guān)。某一波段λ1—λ2的紅外輻射線實(shí)際就是紅外輻射測(cè)溫所接受的紅外輻射線，在這一波段內(nèi)輻射能力可用普朗克公式積分求?。?］。

在實(shí)際的紅外測(cè)溫測(cè)對(duì)象，基本上都不是黑體。此外，對(duì)象在到達(dá)檢測(cè)器的過程中發(fā)出的輻射能量，也會(huì)由于各種因素而造成損失［7］。溫度測(cè)量設(shè)備，測(cè)得的溫度不是物體表面的真實(shí)溫度，其與真實(shí)溫度T之間有一定誤差。目前紅外測(cè)溫儀測(cè)得真實(shí)溫度，仍然有很多困難，所測(cè)得溫度主要是亮溫度和色溫度［8－9］。

3 輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)研制的基本思路為:一是通過紅外探測(cè)器測(cè)得輪胎表面某點(diǎn)溫度。然后根據(jù)輪胎表面溫度與內(nèi)部溫度的關(guān)系，來進(jìn)行計(jì)算、分析和判斷，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能;二是通過壓力傳感器測(cè)出輪胎內(nèi)部氣壓，然后根據(jù)輪胎內(nèi)部最高溫度與胎內(nèi)氣壓的關(guān)系，計(jì)算出輪胎內(nèi)部最高溫度值，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警。由此可知輪胎內(nèi)部的最高溫度很難直接測(cè)出，而輪胎表面的溫度變化很容易使用紅外測(cè)溫儀測(cè)出。因此，可根據(jù)輪胎表面溫度和最高溫度的關(guān)系，運(yùn)用預(yù)測(cè)模型，建立輪胎表面溫度與輪胎參數(shù)的關(guān)系式。然后利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與顯示技術(shù)，告訴駕駛員輪胎的實(shí)時(shí)熱狀況，實(shí)現(xiàn)輪胎防爆預(yù)警功能。

3.1 輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)基本工作原理

將4個(gè) (或8個(gè))紅外測(cè)溫傳感器安裝到車輛擋泥板下，對(duì)輪胎進(jìn)行溫度采集，采集信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)處理，報(bào)警裝置與單片機(jī)相連引入駕駛室內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度顯示，并通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)采用8個(gè)傳感器時(shí)，即每個(gè)輪子兩個(gè)，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同一輪胎的不同位置，能通過同一輪胎不同部位溫度的顯示，為駕駛員提供輪胎定位參數(shù)等更多信息。

3.2 輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該裝置根據(jù)單片機(jī)原理、擴(kuò)展芯片、A/D轉(zhuǎn)換器芯片、液晶顯示屏與單片機(jī)接口技術(shù)、各芯片和液晶顯示屏與單片機(jī)的通訊協(xié)議等理論知識(shí)為依據(jù)，設(shè)計(jì)完整的系統(tǒng)原理圖。根據(jù)系統(tǒng)原理圖，將硬件系統(tǒng)焊接成PCB板。其中紅外傳感器選擇的是臺(tái)灣貝克萊斯IR816A紅外線測(cè)溫探頭，用于檢測(cè)輪胎溫度，測(cè)溫范圍是0～500℃，精度±2%，視場(chǎng)D∶S為10∶1;A/D轉(zhuǎn)換器采用的是AD0804芯片，該芯片可以把測(cè)得的輪胎溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理，該芯片為20引腳集成芯片，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是100μs，輸入電壓為0～5v;擴(kuò)展芯片選擇的是8 255A，該芯片屬于Intel系列8位并行接口芯片，通用性強(qiáng)、使用靈活，可用程序設(shè)置和改變芯片的工作方式，是一種典型的可編程并行接口芯片，40個(gè)引腳，雙列直插式;該裝置采用的是AT89C52單片機(jī)，他是一種低電壓、高性能COMS8位單片機(jī)，存儲(chǔ)器8k的只讀程序存儲(chǔ)器和256為的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (ROM);裝置采用的液晶顯示模塊式128×64點(diǎn)陣顯示屏，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中漢字 (16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符 (8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of the tire explosion early warning system

3.3 輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)主程序

為保證該系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)功能選擇C語(yǔ)言設(shè)計(jì)編寫固件程序，下載后進(jìn)行調(diào)試，實(shí)驗(yàn)板在單片機(jī)控制下能單獨(dú)工作后，在和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，這是運(yùn)用USB接口來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的相互通信。圖2為系統(tǒng)主程序圖。

圖2 輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)主程序圖Fig.2 The main program of the tire explosion-proof warning system

4 結(jié)論

本文通過對(duì)“輪胎防爆預(yù)警系統(tǒng)”的研究，設(shè)計(jì)出一套通用的基于紅外測(cè)溫技術(shù)輪胎動(dòng)態(tài)溫度檢測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎表面溫度分布情況，保證駕駛員對(duì)輪胎的合理使用，防止因超速駕駛、超載而造成的財(cái)產(chǎn)、人員損失。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為防止汽車爆胎提供了一條有效途徑。

［1］萬(wàn)鵬繼，江 楠.高速公路上輪胎溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代橡膠技術(shù)，2008，34(5):5 －9.

［2］柯順魁.輪胎膠料的熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)及其在輪胎溫度場(chǎng)有限元分析系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.青島:青島科技大學(xué)，2007.

［3］趙子亮，王慶年，李 杰，等.基于滾動(dòng)狀態(tài)輪胎溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)熱分析中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(5):30 －34.

［4］劉天臣，王海靈，許傳民，等.地面高速輪胎復(fù)合材料生熱專家系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.輪胎工業(yè)，1999，19(2):67 －72.

［5］施明恒，薛宗榮.熱工實(shí)驗(yàn)的原理和技術(shù)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1992.

［6］蔡璐璐.雙波長(zhǎng)光纖輻射溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用技術(shù)的研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)碩士，2004.

［7］王慶年，趙子亮，李幼德，等.紅外測(cè)溫技術(shù)在滾動(dòng)輪胎表面溫度場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用［J］.輪胎工業(yè)，2001，21(12):733 －738.

［8］楊 瑞，孫成啟.汽車行駛平順性的模擬與仿真［J］.森林工程，2010，26(2):62 －67.

［9］馬連湘，柯順魁，何 燕，等.輪胎穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)有限元分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.橡膠工業(yè)，2006，54(12):746 －749.