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汽車輪胎在周期性載荷作用下，其橡膠和骨架材料的滯后損失以及橡膠與骨架材料之間的摩擦會導致生熱，而輪胎所用材料的力學性能和耐疲勞性能與溫度密切相關。過高的溫度會導致輪胎材料性能嚴重下降，促使輪胎迅速損壞，目前輪胎所存在的主要質量問題，如“肩空”和“胎圈脫層”等，即是由于這些部位的溫度過高造成的。國內外專家和學者正大力研發智能輪胎，控制或降低輪胎的生熱以延長輪胎的使用壽命，其中在輪胎溫度場高溫區域埋設溫度傳感器以掌握輪胎溫升的實時情況，借以指導駕駛員安全行車就是一種重要手段。 1 輪胎溫度在線檢測裝置方案構思 在能夠進行諸如溫度、壓力和轉速檢測的各種現代智能輪胎中，都裝有相關的傳感器，將有關輪胎溫度、壓力和車速的檢測信號輸入到電子控制單元(ECU)進行技術處理。 圖1：傳統測溫單元總體設計示意圖。 對于輪胎內部溫度的在線檢測，傳統的測溫單元可按圖1所示的方式進行設計，傳感器的檢測信號通過CPU控制的多路開關進行傳輸。該裝置雖可完成相應的溫度檢測，但電路環節較繁多，結構體系較復雜，程序編制較麻煩，調試工作也較困難，因而并不是一種理想的設計方案。在參考國外新型智能輪胎技術的基礎上，筆者進行了“汽車輪胎安全性能智能檢測和隱患預警系統”的研究，并構建了圖2所示的總體框架。 圖2：輪胎智能檢測和穩患預警系統總體框圖。 該系統的具體功能如下： 通過埋設在輪胎內部的溫度和氣壓傳感器陣列，在線檢測輪胎行駛時的溫度和氣壓波動情況； 通過裝置在輪轂上的子機系統對輪胎溫度和氣壓的實時檢測結果進行信息融合和智能分析； 通過無線通信方式將分析結果自子機傳至裝置在駕駛室儀表板上的主機系統； 通過主機系統判斷輪胎是否過熱、過壓或欠壓及其具體等級情況，給出輪胎安全性能狀況評價，并確定是否發出輪胎過熱、過壓或欠壓報警； 通過與輪胎溫度和壓力安全使用條件的推薦值作比較，向駕駛員提示在輪胎存在過熱、過壓或欠壓現象時應注意的事項和應采取的措施。 2 輪胎溫度在線檢測裝置技術設計 筆者采用以復合材料力學理論為基礎的輪胎受力有限元分析方法對輪胎溫態溫度場進行了分析與計算，得到圖3所示的輪胎胎體橫截面等溫線分布圖(以上海正泰橡膠廠生產的165SR 15子午線轎車輪胎為例)。 圖3：溫度場等溫線分布圖(℃)。 由圖3可以看出，H1、H 2和H3各點域是輪胎內部高溫區所在位置，這些位置正是引發輪胎“爆胎”等安全事故的隱患源，應在這些點域分別埋設溫度傳感器并使之構成傳感器陣列，以在線檢測并實時分析輪胎溫度的變化情況。 為了克服圖1傳統測溫方案的不足，筆者根據總體框圖設計了以PIC微控制器為核心的子機系統(即圖2中的檢測分析部分) ，其溫度信號檢測電路見圖4。 圖4：測溫單元電路設計示意圖。 在該檢測電路中，檢測輪胎實時溫度信號的基本元件是DS1820數字溫度傳感器，其與PIC微控制器的有機結合構成了輪胎溫度在線檢測裝置的核心。由于DS1820 數字溫度傳感器可將檢測到的物理量直接轉換為數字量，并送PIC微控制器進行相關的實時處理，因而它可以改變汽車輪胎傳統的溫度檢測方式。 由圖4可知，該系統具有單總線形式的檢測網絡，即所有的溫度傳感器都掛接在PIC微控制器的同一根數據通訊總線上，通過該總線與PIC微控制器進行數據通訊。若在系統初始化時設置好溫度預定值等參數，即可實施對輪胎各高溫點域的全程監控。同時，在相應軟硬件的支持下，還可顯示和存儲輪胎各高溫點域的實時溫度值，當輪胎溫度越限時即可給出相應點域的溫度越限報警信號。 此外，由于DS1820傳感器的單線接口是三態的 ，因而只有與“汽車輪胎安全性能智能檢測和隱患預警系統”主機提供的64位ROM編碼嚴格相符的器件才會響應主機的操作命令，其余不相符的器件均呈高阻等待狀態。于是，PIC微控制器既可巡訪單線總線上的全部器件，也可隨訪任一指定器件，這就為系統按需讀取輪胎的實時溫度信號創造了條件。 為了與子機系統工作特性相匹配，主機系統(即圖2中的控制顯示部分)工作框圖可按圖5設計。 圖5：主機系統工作框圖 由圖5可知，當主機系統啟動后，首先由用戶根據實際行車條件，并結合專家建議，設定輪胎安全工作預定溫度值，然后通過系統附屬鍵盤輸入主機，再經由主機發送信號至LED驅動芯片以顯示其預設溫度。由于輪胎預定安全工作溫度值和行車實際溫度檢測值均通過LED顯示在駕駛室儀表盤上，可使駕駛員對輪胎溫度是否越限有清晰的認識，駕駛員可方便靈活地根據實際情況作出后續處理。 溫度傳感器安裝討論 圖3的H1、H2和H3點域為輪胎在行駛過程中的高溫區域，為在線檢測輪胎溫升情況，本裝置在上述點域各埋設一個DS1820數字溫度傳感器，使之構成測溫陣列。該傳感器性能優良，其商業應用級傳感器測溫范圍為0～70℃，工業應用級傳感器測溫范圍為0～100℃，而汽車專用級傳感器測溫范圍為-55～+ 125℃，完全滿足本裝置測溫工作要求。 此外，DS1820傳感器體積小巧、結構精良，封裝強度可滿足實用需要，其封裝尺寸僅為5mm×5mm ，連接導線的直徑也不超過1mm ，足以在不影響輪胎自身性能的情況下嵌入輪胎本體內表層預制的盲孔(對應于H1、H2和H3點域)中，當外胎與內胎因氣壓緣故而充分貼緊時，該溫度傳感器即可有效檢測行駛狀態下的輪胎生熱情況，并通過子機微控制器對所測溫度信號進行融合處理，再經子機無線信號發射電路傳遞給主機，由主機進行最終處理。 3 本文小結 在研究與開發“汽車輪胎安全性能智能檢測和隱患預警系統”的過程中，筆者以PIC16C73單片機和DS1820數字溫度傳感器作為輪胎實時測溫系統核心器件，組成了汽車輪胎溫度在線檢測裝置。 通過系統仿真實驗與實際測試，證明該裝置在輪胎溫度信號實時檢測方面，不但數據測量準確、信息傳送穩定，而且信號偏差小、漏檢誤檢少，可進行輪胎溫度變化情況的在線檢測和實時分析，能突破輪胎現有技術模式的局限性，實現輪胎的性能檢測在線化、隱患預警實時化，并且該系統還具有結構布置小型化、測試元件陣列化等特點，具有較高的實用價值，可推廣應用于其他學科領域和工程應用領域。 |
