基于PVDF传感器的底盘自动修复站

周施威

基于PVDF传感器的底盘自动修复站

周施威

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

设计了一种新设备，旨在检测汽车底盘是否存在裂缝，并自行处理裂缝以确保其安全性能。该设备使用由PVDF制成的传感器作为主要检测设备，并使用由电子系统控制的电焊设备来处理裂纹。当整个工作站都运行时，它将开始工作。在机箱中检测到裂缝时，传感器将生成脉冲信号。通过分析这些信号，将对结构进行全面的安全分析。同时，电子控制系统将开始控制焊接设备，以进行精确的焊接修复处理。该设备集检测、采集和处理功能于一体，可以全面完成底盘的检测和维修工作，提高汽车行驶的安全系数。

PVDF传感器；底盘修复；自动修复站；裂缝

1 项目背景及研究意义

2010—2019年，民用汽车保有量从7 802万辆增长到2.61亿辆。过去9年间，保有量增长将近2亿辆，与2010年比增加了3.4倍。根据近10年的乘用车销量增长，可预测未来的中国汽车市场销量增长率应该在4%～5%，2030年中国汽车保有量经预测可达4.34亿辆。随着车辆的不断增多和汽车诊断维修技术的进一步发展，目前对汽车维修检测技术应该有更高的要求。全球汽车因底盘损坏的报废率大致为3%。三元催化器外壳损伤、油底壳以及变速箱壳体出现裂痕或者悬挂变形等底盘问题会给车辆带来很致命的损伤，所以及时发现并进行处理对延长汽车的行驶寿命是很有必要的。

2 现阶段下的汽车底盘损坏修复

常见的汽车底盘问题有由于驾驶员开车不当在雨天驶过积水路段造成的腐蚀，因路面不平造成的底盘各部件的刮伤或破坏等。一般出现问题后应及时到4S店进行修理，尽快修理损坏的部件，以免底盘损坏部位扩大或遭到腐蚀，进而埋下安全隐患。而当行车到野外或离修车点较远的地方时，无法及时到修理店解决问题，一些经验丰富的驾驶员或许能针对情况做一些应急处理，但对一般人来说难以解决问题。在这种情况下，底盘修复难，修复时间长，对驾驶员和乘客的安全有极大的威胁。鉴于这种情况，设计了基于PVDF的底盘自动修复站，为出现底盘故障的车辆带来及时、便捷的修理服务。

3 设计方案

3.1 整体装置

本设计主要由车辆运送装置、底盘检测装置以及自动电焊装置组成。车辆运送装置将底盘受损车辆运送到工作台，底盘检测装置对底盘进行实时检测和安全新能评估，自动电焊装置则对车辆底盘进行修复。

3.2 车辆运送装置

车辆运送装置主要构成为传送履带，为了实现修复站的自动化，当驾驶员把车辆行驶至规定位置时即可离开，电子控制系统会发出指令，这时传送履带就会将车辆带到工作台进行下一步的检测。运输装置结构如图1所示。

图1 运输装置结构图

3.3 底盘检测装置

底盘检测装置的核心元件是PVDF传感器，其次配有电子控制单元和存储数据库，集底盘检测、修复、数据采集、存储、诊断结果打印于一体，为客户提供一体化、自动化和智能化服务。

PVDF（聚偏二氟乙烯）传感材料是一种新型的高分子聚合物，除具有良好的耐高温、耐氧化、耐化学腐蚀等性能外，还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能。由于其具有短键性质的结构与氢离子稳定牢固结合，不仅有很强的耐磨性和抗冲击性，且在极端环境中也有很高的抗紫外线性能。PVDF晶体以β相压电性能最佳，因而以β相的晶型制作PVDF压电薄膜。

由于PVDF压电薄膜具有较大的压电常数、良好的材料柔韧性、密度低、阻抗低和频率响应宽的优点，因此可以与微电子技术结合起来制成多功能的传感元件。本设计中的PVDF压电传感器使用了4层PVDF，厚度为28 μm。通过剪切和丙酮腐蚀形成传感器表面的电极形状，以确保传感器具有一定程度的非金属边缘。为了达到较好的控制效果需主动控制梁的振动，所以按一定的顺序将四片PVDF压电薄膜片粘到梁上，将测得的数据转换为结构的声强，作为误差信号。车辆行驶时，它会向设备提供能量输出。当部件开始破裂和膨胀时，PVDF压电传感器会产生脉冲信号。通过分析这些信号，可以对结构进行全面的安全评估。但PVDF压电薄膜厚度较小，抗剪切能力差，表面涂抹的电极容易损坏，易受外部电子干扰影响，为解决此问题，在PVDF传感器外围设置了保护层，能避免电极破损，并且能够防止外界的噪声干扰，使传感器的性能得到极大提升。

3.4 自动电焊装置

自动电焊装置采用电子系统控制垂直气电焊的方式进行电焊维修处理，由底盘检测装置检测并向电子控制系统发出信号后，电子控制系统向自动电焊系统传达焊接指令。该装置主要由机头、铝合金导轨、循环水冷装置、CO2保护装置和送丝机构组成，采用直径为1.6 mm的药芯焊丝。为保持熔池稳定以及形成良好焊缝，分别在焊缝的前、后加装水冷铜滑块和带有梯形凹槽的衬垫，强迫一次性成型。垂直气电焊装置实物如图2所示。

图2 垂直气电焊装置实物图

4 工作原理及效益分析

4.1 工作原理

安装在汽车底盘上的PVDF传感器会监测到汽车底盘上各个零件从开始产生裂纹直至断裂的整个过程，当底盘上有壳体损坏或损坏部位不断增大时，PVDF压电传感器会产生脉冲信号并将此脉冲信号发射给电子控制系统，电子控制系统通过分析这些信号以及结合数据库里的数据进行分析，对汽车底盘进行全面的检测和安全性能评估。当需要修理底盘时，电子控制系统会及时地向驾驶员发送信息，并会向驾驶员提示最近的自动修复站。驾驶员收到通知后驱车开往临近修复站，当车辆停在既定的位置时，驾驶员离开车辆，车辆运送装置将车辆运送至工作台，电子控制系统确认无误后下达指令驱动电焊系统运转工作，精确的控制电焊系统在特定的地点进行焊接工作。底盘修复完成后，车辆运送装置会将车辆送出修复站，中控台会将修复结果和安全评估打印出来。

4.2 效益分析

本设计可及时地对底盘出现的问题进行检测并通知驾驶员修复，预防底盘在行驶过程中出现致命问题带来的伤害，保护人身安全以及减少财产的损失，对野外情况和突发状况也有一定的处理能力。

底盘检测装置中采用的PVDF压电薄膜有优异的性能和广阔的发展前景，而且本设计针对PVDF传感器厚度小、易受干扰等缺点加装了保护层，使PVDF材料的高弹性、高灵敏度、轻便等优点得到了发挥，提高了传感器的性能。

采用垂直气电焊的电焊装置优点颇多：焊接熔敷率高，采用直径为1.6 mm的药芯焊丝在焊接电流380 A时，焊接熔敷率可达到200 g/min；焊接速度快，是手工电弧焊的10 倍，是MIG焊接速度的6倍；焊接过程稳定，焊缝成形美观且质量好；焊接适用于侧倾斜45°～90°的立对接接头。

5 创新点及应用前景

此装置的创新点：①该装置简单实用，以底盘的检测修复保护为切入点，将其设计成修复站的形式方便车主进行检修，及时地为驾驶员提供汽车行驶中的底盘安全有关信息，也解决了野外修车困难的问题，从根源上减少车辆损耗带来的资源浪费问题，促进资源综合利用和环境保护；②具有一体化、自动化、智能化、高精度、低成本等特点，可及时地检测修复损坏的底盘。

应用前景：可广泛运用于修车不便、路况不好的地段以及提前预警修复车辆底盘的磨损，防止发动机油底壳裂纹、变速箱壳体裂纹或者悬挂系统变形等致命问题的发生，保护人身安全的同时，减少财产的损失。也可利用在社区停车场周围，与社区自助式洗车装置可以搭配使用，在洗车的同时检测修复底盘问题，防范安全问题。

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U463

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.062

2095－6835（2020）12－0140－02

〔编辑：严丽琴〕