轮胎磨损及花纹深度测量方法探析

庞连红 张亚菊

(南京信息职业技术学院，江苏 南京 210000)

0 前言

轮胎是汽车行驶系统的主要零部件，与地面直接接触，关系到行驶安全性、平顺性、舒适性和经济性。为了保证车辆行驶过程中有足够的驱动力和摩擦力，在轮胎上设计有花纹，用来提高轮胎与地面之间的摩擦系数，增大驱动力，减少轮胎打滑。另外，花纹还有利于轮胎的散热。但是，当汽车行驶一定里程后，轮胎花纹深度会因磨损变浅，如果花纹深度过浅，将会降低轮胎的抓地力及轮胎贮水、排水能力，行驶过程中会使驾乘人员感觉车子方向偏离或轮胎打滑(即水滑现象)，对行车的安全性带来极大隐患[1]。

据统计，中国每年大约有46%的高速公路交通事故由轮胎故障导致，其中25%是由轮胎花纹深度过浅且低于安全极限值导致。轮胎的磨损已经成为交通事故发生的重要原因之一，严重影响了汽车的行驶安全性和稳定性。所以，轮胎也需要与发动机一样定期进行维护、保养和检修，以保证轮胎在其使用过程中的安全性与舒适性。

1 轮胎花纹磨损

车辆的驱动力和制动力均来自于轮胎花纹与路面产生的摩擦力，其磨损程度直接影响汽车行驶的安全性和稳定性。车辆在行驶过程中，轮胎除了正常均匀磨损外，还会受到不同程度的异常磨损，比如汽车的载质量、轮胎压力、轮胎动平衡及驾驶习惯等，都会造成轮胎不同程度的异常磨损[2]。

车辆在行驶过程中，轮胎与地面接触，随着行驶里程增加，轮胎磨损不断加剧。轮胎磨损通常有3个阶段：走合期轻微磨损—稳定磨损—剧烈加速磨损。

1.1 磨损走合期

新轮胎的表面粗糙，刚使用时与地面的实际接触点较少，接触面积较小，在相同载荷情况下，接触点的附着力、摩擦力较大，因此新轮胎的磨损率较高。随着运行轮胎表面部分磨损，其表面粗糙度降低，轮胎逐渐变得光滑，轮胎与地面的实际接触面积增加，单位接触点的数量也随之增加，磨损率降低，轮胎进入稳定磨损阶段。

1.2 磨损稳定期

此阶段是轮胎的正常工作阶段。经过前一阶段的磨合，轮胎与地面接触面积和单位接触点数量适中，摩擦表面逐渐硬化，微观几何形状发生变化，磨损进入缓慢稳定时期，磨损率基本保持不变，磨损量和时间成正比。

1.3 磨损加速期

轮胎经过长时间磨损后，轮胎摩擦副表面的花纹间隙和形状发生了变化，行驶时轮胎温度升高，同时轮胎表层的疲劳强度也相应地降低，其磨损率也随之急剧增大。在这个阶段，车辆会产生异常振动和噪声。随着使用时间的增加，轮胎的摩擦副接触面温度迅速上升，最终轮胎剧烈磨损，摩擦副接触面作用完全失效。轮胎剧烈磨损情况通常可分为以下几种情况。

1.3.1 轮胎胎肩磨损

轮胎胎肩的早期磨损，主要是轮胎充气量不足或车辆长期超负荷行驶，造成轮胎与地面的摩擦接触面积过大引发。试验表明，轮胎的充气气压高于或低于额定值的20%，其磨损加大，导致轮胎的使用寿命减少20%～25%。

另外，车辆的减振器或轴承等部件受损严重，也会导致与地面接触的轮胎胎肩出现凸状或波浪状磨损。

1.3.2 轮胎胎冠磨损

充气量过大、胎压过高是轮胎胎冠出现早期磨损的主要原因。适宜的充气压力，可降低轮胎的滚动阻力，提高车辆燃油经济性。如果轮胎胎压过高，超过标准值，轮胎的减振性能会受影响。在轮胎变形量过大的情况下，与地面接触面积变小，导致只有胎冠部分与地面接触，形成早期磨损，轮胎使用寿命缩短。

1.3.3 轮胎内侧磨损

漏电保护器按极数分类，有单极2线 双极2线3极3线 3极4线和4极4线等多种形式，其在低压配电线路中的接线如图1所示：RCD1—单极2线，RCD2—双极2线，RCD3—3极3线，RCD4—3极4线，RCD5—4极4线，QF—断路器，YR—漏电脱扣器.

有些车辆的悬挂系统变形，如一些旧车，整个车身凹陷，两个轮胎的对称性会出现问题，导致轮胎明显变形。此时，内侧出现严重磨损，轮胎外层边缘则呈毛刺状。

1.3.4 轮胎内层磨损

当轮胎与坚硬物体接触，如在崎岖不平的路面上，左右摩擦副接触面积减小，单位面积接触压力增大，接触点在重压下造成轮胎内层的磨损。此时，轮胎内层极易破损。

1.3.5 表面均匀磨损

均匀磨损是轮胎磨损的正常现象，一旦发现轮胎花纹磨平或者达到磨损标识处，必须更换轮胎。

轮胎的磨损过程复杂，磨损形式多样。除了前面提到的磨损因素外，路况(包括路面的纹理、温度、环境等)、轮胎载荷、轮胎结构等也是影响轮胎磨损的重要因素。

2 现行标准规定的检测工具和方法

子午线轮胎花纹深度在《机动车运行安全技术条件》(GB 7258—2017)标准中有如下规定：轿车用轮胎花纹深度应大于1.6 mm，其磨损极限为1.6 mm；货车、客车用轮胎花纹磨损极限为2.0 mm。《机动车安全技术检验项目和方法》(GB 38900—2020)在轮胎的检验方法上也作了如下规定：目视检查轮胎规格或型号，目测胎压和轮胎花纹深度，不正常时则使用轮胎气压表、轮胎花纹深度尺等工具测量相关参数。该标准明确了测量工具为花纹深度尺，但未明确测量方法和依据的相应测量标准。《轮胎外缘尺寸测量方法》(GB/T 521—2012)中对于测量工具进行了规定：使用游标卡尺或轮胎花纹深度尺测量花纹深度时，应避免触碰轮胎表面磨损极限标识或其他字符图案标记。测量工具必须垂直于花纹沟槽底部。

3 轮胎磨损检测技术现状

目前，轮胎花纹磨损检测技术方法主要分为接触式和非接触式，都是通过获得轮胎各点的花纹深度信息，进行综合研究并评估分析，进而得知轮胎磨损的具体情况。

3.1 接触式检测

接触式检测又叫机械检测，利用金属探针对轮胎花纹深度进行测量。这种检测方法操作简单、价格便宜，深受车主和汽车修理厂的青睐。但其最大的缺点是仅适于抽样检测，且人为因素也会影响检测的精度和效率。

常见的轮胎花纹沟槽深度尺有直读式和数显式两种，外观如图1所示，测量范围为0～100 mm。

图1 轮胎花纹沟槽深度尺分类及外观

随着技术的发展，近年来市场出现了结合轮胎花纹深度尺、基于物联网的轮胎花纹深度智能检测系统[3]。该系统采用了深度尺探针和通信芯片相融合的技术：芯片内嵌入深度尺，利用深度尺探针对轮胎进行监测，数据传回芯片进行处理，并显示在触摸屏上。同时，此系统能够自动、实时对监测到的数据进行分析处理和运算评估，并通过移动端发送给客户[4]，最终实现为用户及时提供轮胎保养的建议，增强了用户的体验感。

3.2 非接触式检测

非接触式检测不需要与轮胎表面直接接触，检测方式更加灵活，主要分为2 类：视觉检测和传感器检测。由于非接触式检测存在测量速度慢、精度低、效率低等缺点，因此该检测方式并未得到广泛应用。随着光电和图像处理等技术的发展，非接触式检测技术也在不断突破创新。

4 轮胎磨损检查技术的发展趋势

4.1 激光检测法

随着光电技术的发展，激光三角法在轮胎花纹深度测量方面得到了很好的应用，测量轮胎花纹深度值的准确性更高，稳定性更好。但激光三角法同时也存在一些精度问题，如轮胎材料吸收光线，影响光的反射；检测环境的光亮度会影响提取激光图像；相机接收反射光时产生误差也会影响精度。此外，轮胎磨损检测的精度与磨损是否规则有密切关系，当磨损不规则时，光线照射下会产生阴影，进而出现测量误差。

轮胎磨损激光检测通常有点激光和线激光两种测量方式。线激光测量效率高，但对磨损的粗糙曲面测量时，容易出现断线的情况，导致中心线难以提取；点激光测量提取中心线较容易，但检测效率较低[5]。使用激光检测时，可根据实际情况选用。

4.2 轮胎内置传感器检测方法

随着车辆与人们的生产生活越来越密不可分，在轮胎磨损实际检测中，残留的灰尘、石子、水渍等杂物会影响轮胎胎面图像的采集效果，进而干扰检测精度。此外，轮胎的转速也是影响检测精度的因素之一。在实际行车过程中，轮胎转速越高，相机采集胎面图像形成的拖影就越大。同时，相机在不同光照条件下，采集的胎面图像清晰度不同，也会影响检测精度[6]。

针对上述情况，提出了将传感器植入轮胎内部的研究方案。目前，传感器内置方案存在2个难点有待解决：①植入传感器本身的效果。传感器植入轮胎的位置不同，检测的精度会存在差异，如何找到最佳点，尚需进行研究论证。同时，还要考虑到植入的传感器，能否经受住在轮胎制造过程中的高温高压，保持完好性能不受损坏。②将植入传感器对轮胎质量的影响降到最低。传感器芯片的植入，会改变轮胎的原有构造，如果结合不好，随着压力、应力的变化，会使轮胎内部结构脱离，最终会导致轮胎报废。

5 结语

定期检查轮胎花纹深度及保养维护，可以减少不必要磨损，降低事故发生概率，提高行驶的安全系数。另外，也要定期检查轮胎气压及车轮定位参数是否在标准范围之内，同时杜绝超载，可延长轮胎的使用寿命。

现阶段，轮胎花纹深度的检测仍然是以深度尺为主，智能化技术在轮胎胎面磨损检测领域的研究较少。随着科技的发展，为提高用户的行车安全，将无线传输技术和大数据应用相结合，可以将轮胎的监测、报警、预警和反馈等机制进行联合，形成高效的现代化轮胎检测应用体系。