張勝凱 ，孫長(zhǎng)勇 ，李鳳芹 ，公 晨 ，閆康義

（山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，幾乎家家戶戶都有了汽車(chē)。在這些汽車(chē)上，輪胎與路面進(jìn)行直接接觸，其與汽車(chē)的懸掛共同保證汽車(chē)的乘坐感和行駛的平順性，輪胎的質(zhì)量決定了汽車(chē)的抓地性、平穩(wěn)性。好的輪胎能讓駕駛者體會(huì)到更好的舒適性，輪胎的質(zhì)量、表面的磨損情況也對(duì)駕駛舒適性起到?jīng)Q定性的作用[1-3]。

目前，我國(guó)與輪胎故障有關(guān)的交通事故非常多，其中輪胎磨損嚴(yán)重導(dǎo)致的交通事故占了很大一部分[4]。輪胎檢測(cè)是一大難題，現(xiàn)有的傳統(tǒng)人工檢測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。雖然國(guó)內(nèi)外相繼推出了各種類型的輪胎檢測(cè)裝置，但是這些檢測(cè)裝置比較單一，形式也大致相同?；诖?，本課題組研發(fā)了一種輪胎智能檢測(cè)裝置。實(shí)踐證明，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，可以很好地完成對(duì)輪胎的檢測(cè)工作，能夠快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以替代人工、測(cè)量尺等，節(jié)省了人力物力，在汽車(chē)駕駛的同時(shí)，也可以檢測(cè)汽車(chē)輪胎問(wèn)題，并保證駕乘人員的安全[5]。該裝置屬于汽車(chē)配件技術(shù)領(lǐng)域，此設(shè)計(jì)可偵測(cè)胎面狀況、胎面溫度（透過(guò)超聲波感應(yīng)偵測(cè)胎面狀況、通過(guò)紅外線溫度傳感器偵測(cè)胎面溫度），并以電子信號(hào)的方式將偵測(cè)到的信息傳送至控制中心，再由控制中心將偵測(cè)到的信息傳送至語(yǔ)音播報(bào)器，語(yǔ)音播報(bào)器發(fā)出警報(bào)，并警示輪胎出現(xiàn)了哪些問(wèn)題，以保證駕乘人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 輪胎智能檢測(cè)裝置元件分析

1）超聲波傳感器。如圖1 所示，超聲波傳感器元件的材料主要有壓電晶體和鎳鐵鋁合金兩大類。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波后，也能將其轉(zhuǎn)變成電能。超聲波傳感器是由壓電晶體組成，可將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振蕩產(chǎn)生超聲波，并在接收超聲波后也可以將其轉(zhuǎn)換成電能的可逆?zhèn)鞲衅?。其具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小等特點(diǎn)，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播[6]。本課題組設(shè)計(jì)的輪胎磨損檢測(cè)裝置主要用于檢測(cè)輪胎的磨損情況，防止輪胎的表面磨損情況過(guò)于嚴(yán)重，導(dǎo)致抓地不牢，引起交通事故。

圖1 超聲波傳感器元件

該裝置中的超聲波傳感器元件發(fā)出超聲波發(fā)射到輪胎表面時(shí)，超聲波會(huì)進(jìn)行反射，如果反射回來(lái)的時(shí)間比完好輪胎反射回來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)，那就說(shuō)明輪胎表面發(fā)生了磨損，當(dāng)反射時(shí)間超出了設(shè)定的最大限度時(shí)間，該元件就會(huì)將收到的信號(hào)傳遞到控制中心，并進(jìn)行報(bào)警，告知駕駛?cè)藛T出現(xiàn)的問(wèn)題在什么位置。每個(gè)小裝置中包含3 個(gè)超聲波傳感器，這3 個(gè)傳感器分別檢測(cè)輪胎外徑的中間表面和輪胎外徑的兩側(cè)，如果1個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)到了問(wèn)題，那么是輪胎發(fā)生了磨損；如果3 個(gè)超聲波傳感器同時(shí)檢測(cè)到了問(wèn)題，那么就是胎壓出現(xiàn)了問(wèn)題，所以該裝置可以同時(shí)進(jìn)行胎壓檢測(cè)。

2）紅外線溫度傳感器。如圖2 所示，紅外溫度傳感器元件是利用輻射熱效應(yīng)，在接收輻射能量后，使探測(cè)器件引起環(huán)境溫度升高，從而使傳感器中某一欄與環(huán)境溫度的特性發(fā)生變化，從而檢測(cè)出紅外溫度傳感器中某一欄、某一特性的變化以及輻射的大小。大多數(shù)情況下都是借助Sebeck 效應(yīng)來(lái)檢測(cè)輻射的大小，當(dāng)器件受到輻射后，還可以借助適當(dāng)?shù)淖兓瘜⑵滢D(zhuǎn)化為電量再進(jìn)行精確的測(cè)量，從而產(chǎn)生一種非電量的物理變化。紅外線是一類人的眼睛看不見(jiàn)的光線，但其實(shí)它也是一類客觀存在的物質(zhì)，就像其他所有的光線一樣。任何物體都會(huì)向周?chē)椛浼t外線，只要它的環(huán)境溫度比熱力學(xué)零度高。紅外線是一種光線，位于可見(jiàn)光中的紅光之外，所以叫紅外線。其波長(zhǎng)范圍大致在頻譜范圍的0.75 μm~100 μm 之間[7]。其特點(diǎn)是精度高、標(biāo)準(zhǔn)TO05 封裝、靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短、成本低、內(nèi)置Ni溫度傳感器、采用薄膜工藝[8-9]。

圖2 紅外線溫度傳感器元件

本課題組研發(fā)的輪胎磨損檢測(cè)裝置主要用于檢測(cè)輪胎表面的溫度，防止輪胎溫度過(guò)高引發(fā)自燃，加劇輪胎磨損。該裝置中的紅外線溫度傳感器可以通過(guò)紅外線對(duì)輪胎表面的溫度進(jìn)行檢測(cè)，如果輪胎表面的溫度沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的溫度上限，則紅外線溫度傳感器不會(huì)將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行傳遞，也就不會(huì)報(bào)警；如果輪胎的表面溫度超過(guò)了設(shè)定的最高溫度上限，那么紅外線溫度傳感器會(huì)將檢測(cè)的電子信號(hào)進(jìn)行傳遞，控制中心就會(huì)操控語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并告知駕駛?cè)藛T什么位置的輪胎出現(xiàn)了問(wèn)題。

2 輪胎智能檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 裝置組成

輪胎智能檢測(cè)裝置由超聲波傳感器、紅外線溫度傳感器、功能開(kāi)關(guān)、控制單元、語(yǔ)音播報(bào)器以及汽車(chē)電源組成，利用超聲波傳感器檢測(cè)輪胎的磨損量，每個(gè)裝置有3 個(gè)超聲波傳感器，用于檢測(cè)輪胎外徑最中間和兩邊；紅外線溫度傳感器用于測(cè)量輪胎表面溫度，全部安裝在輪胎輪罩上方，如圖3 所示。在啟用或關(guān)閉智能系統(tǒng)時(shí)，均采用功能開(kāi)關(guān)，用于警報(bào)的語(yǔ)音播報(bào)器1臺(tái)，提供動(dòng)力的車(chē)載電源1 部。

圖3 智能裝置的位置簡(jiǎn)圖

2.2 技術(shù)方案

在人工調(diào)試好設(shè)備的基礎(chǔ)上，使用紅外線溫度傳感器和超聲波傳感器，通過(guò)檢測(cè)的溫度以及超聲波反射回來(lái)的時(shí)間，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，并以電子信號(hào)的形式傳遞給控制單元，最終控制單元作出反應(yīng)，將檢測(cè)信息傳遞到語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警，并由系統(tǒng)實(shí)時(shí)播報(bào)具體情況。

2.3 具體實(shí)施方式

以汽車(chē)一個(gè)輪胎為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖4 所示。

圖4 智能裝置的控制電路簡(jiǎn)圖

1）在最開(kāi)始使用時(shí)，建議是新胎，同時(shí)讓輪胎的胎壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（這樣可以保障錄入的信息是標(biāo)準(zhǔn)的，而且錄入的信息是原始的初始量，控制單元就可以將檢測(cè)到的數(shù)值與初始量數(shù)值進(jìn)行比較，方便檢測(cè)出現(xiàn)了什么問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)的數(shù)值可以設(shè)置檢測(cè)的最大限度，防止出現(xiàn)意外），然后打開(kāi)功能開(kāi)關(guān)，讓該裝置的3 個(gè)超聲波傳感器發(fā)射信號(hào)，將檢測(cè)到的信號(hào)作為初始信號(hào)，以便之后檢測(cè)時(shí)可以進(jìn)行比較，檢測(cè)問(wèn)題。

2）在駕駛?cè)藛T駕駛汽車(chē)的過(guò)程中，駕駛?cè)藛T通過(guò)控制開(kāi)關(guān)可以選擇是否打開(kāi)該裝置，或者將該裝置一直處于打開(kāi)狀態(tài)，只要打開(kāi)汽車(chē)電源電池，該裝置就可自行啟動(dòng)對(duì)輪胎的檢測(cè)。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，該裝置中的3 個(gè)超聲波傳感器分別向輪胎兩側(cè)和上方發(fā)射超聲波，這3 個(gè)超聲波傳感器在接收超聲波時(shí)，對(duì)接收到的時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行分析，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳遞給控制單元；控制單元在接收到信號(hào)后進(jìn)行分析，如果反射回來(lái)的時(shí)間比最初的時(shí)間長(zhǎng)，則控制單元會(huì)控制語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警。一般兩個(gè)前輪輪胎表面內(nèi)側(cè)磨損較大，若超聲波傳感器3探測(cè)到前輪輪胎表面內(nèi)側(cè)磨損超出控制單元設(shè)定參數(shù)，控制單元控制語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警“右前/左前輪胎內(nèi)側(cè)磨損超標(biāo)”，則需要進(jìn)行輪胎對(duì)調(diào)；控制單元控制語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警“右前/右后/左前/左后輪胎磨損超標(biāo)或氣壓不足”，如因氣壓不足或輪胎表面整體磨損超標(biāo)，造成3 個(gè)超聲波傳感器信號(hào)變化較大，則需要檢查更換。若超聲波感應(yīng)器2 因氣壓壓力過(guò)大而偵測(cè)到輪胎表面中間位置反射超聲波回來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)短變化信號(hào)低于控制單元設(shè)定參數(shù)，則控制單元控制語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警“右前/右后/左前/左后胎壓過(guò)大異?！?；控制單元判斷輪胎磨損不均、質(zhì)量有問(wèn)題或車(chē)輪變形引起的車(chē)輛行駛顛振，若3 個(gè)超聲波傳感器將超聲波發(fā)射到輪胎表面檢測(cè)的兩側(cè)與中間3 個(gè)位置上的反射時(shí)間信號(hào)大小變化超過(guò)控制單元設(shè)定的參數(shù)，則控制單元對(duì)“右前/右后/左前/左后輪胎運(yùn)動(dòng)不平衡”進(jìn)行報(bào)警，并需要進(jìn)行輪胎檢查或做輪胎動(dòng)平衡。這樣可以在不影響原來(lái)汽車(chē)輪胎運(yùn)行的情況下，有效保證汽車(chē)的行駛安全。同時(shí)，該裝置可以根據(jù)紅外線溫度傳感器檢測(cè)輪胎在行駛過(guò)程的溫度信號(hào)，并傳遞給控制單元，如果判斷溫度異常，控制單元語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警“右前/右后/左前/左后輪胎溫度異?！?。

3）該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了輪胎檢測(cè)工作，不影響車(chē)內(nèi)任何設(shè)備的使用，在節(jié)省人力物力的同時(shí)，大大保證了人們駕車(chē)出行的安全。

4）該輪胎智能檢測(cè)裝置不僅可以在汽車(chē)熄火、停止不動(dòng)的情況下使用，也可以在汽車(chē)行駛狀態(tài)下使用，大大節(jié)省了人力物力。

3 創(chuàng)新特色

1）設(shè)計(jì)紅外線傳感器和溫度傳感器連接裝置，可以快速地傳播信號(hào)，完成對(duì)輪胎的智能檢測(cè)。

2）設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)裝置，能夠自行檢測(cè)輪胎磨損情況，保障裝置的獨(dú)立自主。

3）該設(shè)計(jì)不影響原來(lái)汽車(chē)輪胎的運(yùn)行，可以有效保證汽車(chē)的行駛安全。

4）傳統(tǒng)的輪胎檢測(cè)需要人力物力，甚至檢測(cè)一個(gè)輪胎要將其拆解下來(lái)仔細(xì)研究。而本設(shè)計(jì)可以大幅度地減少人力物力，它不僅不需要拆解，而且當(dāng)本裝置檢測(cè)出哪個(gè)輪胎出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以及時(shí)用語(yǔ)音播報(bào)，比傳統(tǒng)的檢測(cè)省時(shí)省力。

5）本設(shè)計(jì)可以在汽車(chē)行駛過(guò)程中提醒駕駛員車(chē)輪的問(wèn)題狀況，讓駕駛員提前做好準(zhǔn)備。

4 使用情況及反饋

該裝置的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的使用效果，通過(guò)程序的編寫(xiě)對(duì)裝置的操作信息進(jìn)行錄入，根據(jù)模型可以準(zhǔn)確地測(cè)量輪胎的磨損情況以及輪胎表面的溫度。該裝置操作起來(lái)十分簡(jiǎn)單，體積也小巧，可以完美地安裝在輪罩上方，同時(shí)汽車(chē)輪胎不會(huì)碰到該裝置，也不影響汽車(chē)的正常行駛[10]。

根據(jù)其他人實(shí)驗(yàn)的反饋結(jié)果，本裝置的受認(rèn)可程度很高，該裝置的元件成本均不高，完全可以低成本制作，方便很多普通家庭使用。該模型裝置在運(yùn)行時(shí)，可以很好地檢測(cè)到輪胎的運(yùn)行情況，當(dāng)輪胎的表面出現(xiàn)磨損時(shí)，3個(gè)超聲波傳感器可以準(zhǔn)確地告知什么位置的輪胎表面出現(xiàn)了情況，模型附加了顯示屏，顯示屏中的數(shù)值十分清晰。紅外線溫度傳感器可以檢測(cè)輪胎表面的溫度，當(dāng)輪胎表面溫度過(guò)高時(shí)，紅外線溫度傳感器會(huì)將檢測(cè)到的電子信號(hào)傳遞到控制單元，控制單元對(duì)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)異常，控制單元會(huì)及時(shí)轉(zhuǎn)換信號(hào)控制語(yǔ)音播報(bào)器進(jìn)行報(bào)警。該裝置體驗(yàn)感好，預(yù)期的效果基本都能達(dá)到，可以很好地滿足人們的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在汽車(chē)行駛的過(guò)程中，胎壓、輪胎溫度、路面狀況都是導(dǎo)致輪胎磨損問(wèn)題的因素，輪胎磨損嚴(yán)重，容易導(dǎo)致交通事故發(fā)生。本課題組設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置可以有效地檢測(cè)輪胎問(wèn)題，避免因輪胎問(wèn)題導(dǎo)致的交通事故，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，此裝置可以很好地保障駕乘人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，發(fā)展前景十分廣闊。