CN103353402B - 多工况轮胎力学特性测试车及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多工况轮胎力学特性测试车及测试方法，包括4个分别通过转向支架连接在车底盘上的电动轮运动单元，设置在车底盘上的控制台、电池、非接触速度传感器、惯量测试单元，通过调整滑台设置在车底盘上的重块，所述的每个电动轮运动单元包括：轮毂电机、转向伺服电机、车轮转向角传感器、轮胎六分力传感器、装置被测试轮胎的轮胎连接盘和车轮支架；车轮转向角传感器、轮胎六分力传感器、非接触速度传感器、惯量测试单元通过数据线分别与控制台中的中央控制器通讯联接，以实现轮胎转向角和六分力及车辆的纵向加速度、侧向加速度和横摆角速度的测量数据采集。可实现轮胎的驱动、制动、滚动阻力、侧偏、侧偏/纵滑复合等多工况的模拟测试。

Description

多工况轮胎力学特性测试车及测试方法

技术领域

本发明属于轮胎动力学性能测试装置及其测试方法，具体涉及一种分布式电驱动的多工况轮胎力学测试车及测试方法，可为轮胎动力学研究提供多工况测试数据、为轮胎与整车的匹配提供技术支持、为道路摩擦系数检测与评估提供技术手段。

背景技术

轮胎是汽车上重要的部件。整车与地面间的作用力都通过轮胎传递。轮胎力学特性是车辆动力学研究中的基础性环节，轮胎的材料、结构等的复杂性使得轮胎特性的理论研究还很不成熟。为深入了解轮胎的力学特性人们开发了各种轮胎特性测试设备。按设备的使用场地不同可分为两种：室内轮胎实验台，室外轮胎试验拖车。其中室内实验台具有成本低、工况易于实现和控制等优点。但室内实验台的道路模拟很难与真实试验场道路的摩擦系数一致。这方面室外轮胎试验拖车有一定的优势，它可以开到指定试验场地进行实验。但室外拖车也有很多缺点和不足，一般试验拖车的造价都很高，维护和使用成本也较大，拖车的运动姿态也比较难以控制。由以上看出目前的室内、外轮胎试验设备都有其不足之处。

轮毂电机在最近几年受到广泛关注。基于轮毂电机的分布式驱动电动车改变了传统车辆的中央驱动方式，使得车辆的驱动、制动等工况更方便控制。将轮毂电机技术引入轮胎试验设备的开发也将进一步推动轮胎试验技术的进步。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有轮胎测试系统和方法存在的缺陷，提出一种多工况轮胎力学特性测试车及测试方法，基于该测试车，能够实现在指定的载荷、速度、胎压条件下实现轮胎的驱动、制动、滚动阻力、侧偏、侧偏/纵滑复合、转偏、稳态、瞬态等多工况的模拟和测试，同时也可以获得轮胎与路面间的摩擦系数。

本发明多工况轮胎力学特性测试车，包括4个分别通过转向支架连接在测试车底盘上的电动轮运动单元，设置在测试车底盘上的控制台、电池、非接触速度传感器、惯量测试单元(IMU)，通过调整滑台设置在测试车底盘上的重块，所述的每个电动轮运动单元包括：轮毂电机、转向伺服电机、车轮转向角传感器、轮胎六分力传感器、装置被测试轮胎的轮胎连接盘和车轮支架；

所述的车轮支架通过转向伺服电机5铰连在转向支架上，轮毂电机通过轮胎六分力传感器固连在车轮支架上，装置被测试轮胎的轮胎连接盘固连在轮毂电机的转子上，车轮转向角传感器设置在转向伺服电机的自由端上；

所述的轮毂电机和转向伺服电机与控制台中的驱动控制板相联接，以实现轮胎的滚动和转向控制。所述的车轮转向角传感器、轮胎六分力传感器、非接触速度传感器、惯量测试单元(IMU)通过数据线分别与控制台中的中央控制器通讯联接，以实现轮胎转向角和六分力及车辆的纵向加速度、侧向加速度和横摆角速度的测量数据采集。

采用本发明多工况轮胎力学特性测试车进行轮胎力学特性测试时，将测试轮胎通过轮辋连接在轮胎连接盘上。

轮胎在指定工况下滚动时，其受到的六分力由轮胎六分力传感器测得。

通过增减重块的数量可以改变整车的载荷，通过调节滑台可以改变重块在底盘上的位置，从而改变前后轮荷分配。非接触速度传感器在测试车行驶时可以测出车辆的纵向速度和侧向速度。

惯量测试单元在测试车行驶时可以测出车辆的纵向加速度、侧向加速度和横摆角速度，惯量测试单元的数据线与控制台连接，将测试数据传送给控制终端。

本发明的测试系统可用于轮胎的侧偏、纵滑、侧偏纵滑复合、滚动阻力、转偏等特性试验，获得轮胎在各工况下的试验特性曲线。

本发明提出了一种基于本发明测试车实现多工况测试的试验方法。其中试验工况如下:

1、轮胎侧偏特性的测试

a.通过调整滑台选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.让测试车直线行驶(各轮无转向角)至指定速度，给两前轮或两后轮施加确定的相反方向的转向角，此时车辆行驶阻力增加，调整未施加转向角的两个车轮电机电流，使得车辆保持指定的速度，此时测量读出轮胎的侧偏角和六分力；

c.重复步骤b获得各种侧偏角下的轮胎侧偏特性曲线；

2、轮胎纵滑(驱动/制动)特性的测试

a.通过调整滑台选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.让测试车直线行驶(各轮无转向角)至指定速度，给两后轮一个较小的制动力(反拖电机),调节两前轮电机使得车速维持在指定大小,此时测量前轮驱动力和驱动滑移率(驱动轮角速度由轮毂电机内转速传感器获得,车速由测速传感器获得),同时可测得后轮制动力与制动滑移率(与驱动滑移率测试方法相同)；

c.改变后轮制动力的大小直到后轮全滑，重复步骤b可以获得驱动特性曲线和制动特性曲线，改变载荷和速度得到相应工况下的驱动、制动特性实验结果。

3、轮胎滚动阻力特性的测试

a.通过调整滑台选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.由两前轮的电机驱动使测试车达到指定速度，前后车轮均无转向角直线行驶，此时测试两后轮(从动轮)的滚动阻力；

c.改变两前轮的驱动速度重复上面的过程多次，即可得到随速度增加的滚动阻力特性曲线。

4、轮胎转偏特性的测试

a.通过调整滑台选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.让测试车直线行驶(各轮无转向角)至指定速度(初始速度不要太高)，使得两前轮向左转、两后轮向右转，四个轮子的转角使得测试车以O点为原点，以R为半径绕圆周运动，实现轮胎的转偏运动，此时测量轮胎的侧向力和回正力矩；

c.改变转角使测试车处于不同的曲率(1/R)圆周运动，记录相应的侧向力和回正力矩，重复多次即得到轮胎的转偏特性曲线。

5、轮胎驱动侧偏复合特性的测试

a.通过调整滑台选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.使两前轮直线行驶并驱动测试车达到一定的速度，使左后轮左转，右后轮右转相同角度，同时使两后轮也驱动车辆达到指定速度，此时记录两后轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩，并记录轮胎的角速度，结合车速计算轮胎的驱动滑移率；

c.重复多种滑移率和转向角记录相应轮胎力、力矩即可得到轮胎的驱动、侧偏复合特性测试结果。此实验还可以在不同速度、载荷、胎压等条件下完成。

6、轮胎制动侧偏复合特性的测试

a.通过调整滑台选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.使两前轮直线行驶并驱动测试车达到一定的速度，使左后轮左转，右后轮右转相同角度，同时使两后轮制动,并调节两前轮驱动电流使车辆保持指定速度，此时记录两后轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩，并记录轮胎的角速度，结合车速计算轮胎的制动滑移率；

c.重复多种滑移率和转向角记录相应轮胎力、力矩即可得到轮胎的制动、侧偏复合特性测试结果；此实验还可以在不同速度、载荷、胎压等条件下完成。

显而易见，可以根据输入上述六类不同稳态测试方法的基础上获得瞬态测试结果，即输入由稳态改为随时间变化的瞬态输入，连续采集测量轮胎运动状态和力的瞬态变化过程。则可以得到瞬态力学特性测试结果。

本发明具有以下突出的技术效果：

1)本发明的测试系统及方法在同一套测试车上通过各轮胎驱动、制动、转向的灵活组合实现多工况高效测试，提高设备的利用率，减少试验的准备时间和实施时间。

2)本发明提出的测试车可以在直线运动中完成侧偏特性测试和侧偏-纵滑测试，极大减小了侧偏实验对场地尺寸的要求，降低了实验成本。

3)本发明提出的测试车及测试方法可广泛适用于各种轮胎，包括乘用车、商用车、工程车、摩托车等车辆轮胎和飞机轮胎，只须根据被测轮胎的使用要求选取适当的载荷重块、恰当的传感器量程及电机的功率。

4)本发明提出的测试车中轮毂电机的定子与轮胎六分力传感器连接，在轮胎滚动中六分力传感器不动，因此可避免采用滑环等复杂结构的六分力传感器，极大地减少了六分力传感器成本，也避免了由于六分力传感器参与轮胎转动引起的轮胎运动惯量的增加。

附图说明

图1是本发明多工况轮胎力学特性测试车的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明多工况轮胎力学特性测试车的电器原理示意图；

图4是本发明多工况轮胎力学特性测试车的另一结构示意图；

图5是侧偏实验方法示意图；

图6是纵滑(驱动/制动)实验方法示意图；

图7是滚动阻力特性实验方法示意图；

图8是转偏特性实验方法示意图；

图9是驱动、侧偏复合特性实验方法示意图；

图10是制动、侧偏复合特性实验方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出的实例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1至3，一种多工况轮胎力学特性测试车，包括4个分别通过转向支架11连接在测试车底盘2上的电动轮运动单元，设置在测试车底盘2上的控制台1、电池12、非接触速度传感器14、惯量测试单元(IMU)15，通过调整滑台13设置在测试车底盘2上的重块9，所述的每个电动轮运动单元包括：轮毂电机3、转向伺服电机5、车轮转向角传感器6、轮胎六分力传感器7、装置被测试轮胎4的轮胎连接盘8和车轮支架10；

所述的车轮支架10通过转向伺服电机5铰连在转向支架11上，轮毂电机3通过轮胎六分力传感器7固连在车轮支架10上，装置被测试轮胎4的轮胎连接盘8固连在轮毂电机3的转子上，车轮转向角传感器6设置在转向伺服电机5的自由端上；

所述的轮毂电机3和转向伺服电机5与控制台1中的驱动控制板相联接，以实现轮胎的滚动和转向控制。所述的车轮转向角传感器6、轮胎六分力传感器7、非接触速度传感器14、惯量测试单元(IMU)15通过数据线分别与控制台1中的中央控制器通讯联接，以实现轮胎转向角和六分力及车辆的纵向加速度、侧向加速度和横摆角速度的测量数据采集。

轮胎在指定工况下滚动时，其受到的六分力由轮胎六分力传感器测得。

重块9连接固定于调整滑台13上，通过增减重块的数量可以改变整车的载荷，通过调节滑台13可以改变重块在测试车底盘2上的位置，从而改变前后轮荷分配。调整滑台13连接固定在测试车底盘2上。

非接触速度传感器14与测试车底盘2连接固定，在测试车行驶时可以测出车辆的纵向速度和侧向速度。

惯量测试单元15与测试车底盘2连接固定，在测试车行驶时可以测出车辆的纵向加速度、侧向加速度和横摆角速度，惯量测试单元15的数据线与控制台连接，将测试数据传送给控制终端。

实施例2

本发明多工况轮胎力学特性测试车，还可按图4所示方式构成：

一种多工况轮胎力学特性测试车，包括4个分别通过转向支架11连接在测试车底盘2上的电动轮运动单元，设置在测试车底盘2上的控制台1、电池12、非接触速度传感器14、惯量测试单元(IMU)15，通过调整滑台13设置在测试车底盘2上的重块9，所述的每个电动轮运动单元包括：轮毂电机3、转向伺服电机5、车轮转向角传感器6、轮胎六分力传感器7、装置测试轮胎4的轮胎连接盘8和车轮支架10；

所述的车轮支架10通过轮胎六分力传感器7及转向伺服电机5铰连在转向支架11上(即车轮支架10与轮胎六分力传感器7刚性连接，轮胎六分力传感器7通过转向伺服电机5铰连在转向支架11上)，轮毂电机3固连在车轮支架10上，装置测试轮胎4的轮胎连接盘8固连在轮毂电机3的转子上，车轮转向角传感器6设置在转向伺服电机5的自由端上；

所述的轮毂电机3和转向伺服电机5与控制台1中的驱动控制板相联接，所述的车轮转向角传感器6、轮胎六分力传感器7、非接触速度传感器14、惯量测试单元(IMU)15通过数据线分别与控制台1中的中央控制器通讯联接。

由此可见，本发明的测试系统可用于轮胎的侧偏、纵滑、侧偏纵滑复合、滚动阻力、转偏等特性试验，获得轮胎在各工况下的试验特性曲线。

1)侧偏试验

如图5所示，在试验中首先给测试车放置额定的载荷于底盘上，通过调整滑台改变重块位置，使得两前轮和两后轮分别受到指定载荷一和载荷二作用。让测试车直线行驶(各轮无转向角)至指定速度，给两前轮或两后轮施加确定的相反方向的转向角，此时车辆行驶阻力增加，调整未施加转向角的两个车轮电机电流，使得车辆保持指定的速度，此时测量读出轮胎的侧偏角和六分力。增加转向角至某值，重复以上步骤，从而获得多个侧偏角下的轮胎侧向力变化。由此获得测试轮胎的稳态侧偏力学特性曲线。

应用与稳态侧偏试验类似的操作，当测试车直线行驶达到指定速度时，给两前轮/或两后轮施加瞬态输入(如角正弦或角阶跃等)，同时连续记录轮胎转向角和轮胎六分力信号在瞬态过程的变化。这样就获得了轮胎瞬态(非稳态)侧偏力学特性试验结果。

2)驱动/制动试验

如图6所示，在试验中首先给测试车放置额定的载荷于底盘上，通过调整滑台改变重块位置，使得两前轮和两后轮分别受到指定载荷一和载荷二作用。让测试车直线行驶(各轮无转向角)至指定速度，给两后轮一个较小的制动力(反拖电机),调节两前轮电机使得车速维持在指定大小,此时测量前轮驱动力和驱动滑移率(驱动轮角速度由轮毂电机内转速传感器获得,车速由测速传感器获得),同时可测得后轮制动力与制动滑移率(与驱动滑移率测试方法相同)。改变后轮制动力的大小直到后轮全滑，可以获得驱动特性曲线和制动特性曲线，改变载荷和速度得到相应工况下的驱动、制动特性实验结果。

3)滚动阻力试验

如图7所示，在试验中首先给测试车放置额定的载荷于底盘上。由两前轮的电机驱动使测试车达到指定速度，前后车轮均无转向角直线行驶，此时测试两后轮(从动轮)的滚动阻力。改变两前轮的驱动速度重复上面的过程多次，即可得到随速度增加的滚动阻力特性曲线。

4)转偏试验

如图8所示，在试验中首先给测试车放置额定的载荷于底盘上，通过调整滑台改变重块位置，使得两前轮和两后轮分别受到指定载荷一和载荷二作用。让测试车直线行驶(各轮无转向角)至指定速度(初始速度不要太高)，使得两前轮向左转、两后轮向右转，四个轮子的转角使得测试车以O点为原点，以R为半径绕圆周运动，实现轮胎的转偏运动。此时测量轮胎的侧向力和回正力矩。改变转角使测试车处于不同的曲率(1/R)圆周运动，记录相应的侧向力和回正力矩，重复多次即得到轮胎的转偏特性曲线。

5)驱动/侧偏复合

在试验中首先给测试车放置额定的载荷于底盘上，通过调整滑台改变重块位置，使得两前轮和两后轮分别受到指定载荷一和载荷二作用。如图9所示，使两前轮直线行驶并驱动测试车达到一定的速度，使左后轮左转，右后轮右转相同角度，同时使两后轮也驱动车辆达到指定速度，此时记录两后轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩，并记录轮胎的角速度，结合车速计算轮胎的驱动滑移率，重复多种滑移率和转向角记录相应轮胎力、力矩即可得到轮胎的驱动、侧偏复合特性测试结果。此实验还可以在不同速度、载荷、胎压等条件下完成。

6)制动侧偏复合

在试验中首先给测试车放置额定的载荷于底盘上，通过调整滑台改变重块位置，使得两前轮和两后轮分别受到指定载荷一和载荷二作用。如图10所示，使两前轮直线行驶并驱动测试车达到一定的速度，使左后轮左转，右后轮右转相同角度，同时使两后轮由电机制动，调节两前轮使车辆达到指定速度，此时记录两后轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩，并记录轮胎的角速度，结合车速计算轮胎的驱动滑移率，重复多种滑移率和转向角记录相应轮胎力、力矩即可得到轮胎的制动、侧偏复合特性测试结果。此实验还可以在不同速度、载荷、胎压等条件下完成。

以上介绍了应用本发明提出的测试车获取轮胎的六种稳态力学特性的实验方法。依据同样的道理可由测试车实现以上六种工况下的瞬态试验，只要输入是随时间变化的(由实验人员指定)，连续测量记录轮胎运动状态和力的变化就可得到相应轮胎力学特性的瞬态实验结果。

Claims (8)

1.一种多工况轮胎力学特性测试车，包括4个分别通过转向支架(11)连接在测试车底盘(2)上的电动轮运动单元，设置在测试车底盘(2)上的控制台(1)、电池(12)、非接触速度传感器(14)、惯量测试单元IMU(15)，通过调整滑台(13)设置在测试车底盘(2)上的重块(9)，所述的每个电动轮运动单元包括：轮毂电机(3)、转向伺服电机(5)、车轮转向角传感器(6)、轮胎六分力传感器(7)、装置测试轮胎(4)的轮胎连接盘(8)和车轮支架(10)，其特征在于：

所述的车轮支架(10)通过转向伺服电机(5)铰连在转向支架(11)上，轮毂电机(3)通过轮胎六分力传感器(7)固连在车轮支架(10)上，装置测试轮胎(4)的轮胎连接盘(8)固连在轮毂电机(3)的转子上，车轮转向角传感器(6)设置在转向伺服电机(5)的自由端上；

所述的轮毂电机(3)和转向伺服电机(5)与控制台(1)中的驱动控制板相联接，所述的车轮转向角传感器(6)、轮胎六分力传感器(7)、非接触速度传感器(14)、惯量测试单元IMU(15)通过数据线分别与控制台(1)中的中央控制器通讯联接。

2.一种多工况轮胎力学特性测试车，包括4个分别通过转向支架(11)连接在测试车底盘(2)上的电动轮运动单元，设置在测试车底盘(2)上的控制台(1)、电池(12)、非接触速度传感器(14)、惯量测试单元IMU(15)，通过调整滑台(13)设置在测试车底盘(2)上的重块(9)，所述的每个电动轮运动单元包括：轮毂电机(3)、转向伺服电机(5)、车轮转向角传感器(6)、轮胎六分力传感器(7)、装置测试轮胎(4)的轮胎连接盘(8)和车轮支架(10)，其特征在于：

所述的车轮支架(10)通过轮胎六分力传感器(7)及转向伺服电机(5)铰连在转向支架(11)上，轮毂电机(3)固连在车轮支架(10)上，装置测试轮胎(4)的轮胎连接盘(8)固连在轮毂电机(3)的转子上，车轮转向角传感器(6)设置在转向伺服电机(5)的自由端上；

所述的轮毂电机(3)和转向伺服电机(5)与控制台(1)中的驱动控制板相联接，所述的车轮转向角传感器(6)、轮胎六分力传感器(7)、非接触速度传感器(14)、惯量测试单元IMU(15)通过数据线分别与控制台(1)中的中央控制器通讯联接。

3.一种基于权利要求1或2所述的多工况轮胎力学特性测试车，测试轮胎侧偏特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过调整滑台(13)选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.让测试车直线行驶至指定速度，给两前轮或两后轮施加确定的相反方向的转向角，此时车辆行驶阻力增加，调整未施加转向角的两个车轮电机电流，使得车辆保持指定的速度，此时测量读出轮胎的侧偏角和六分力；

c.重复步骤b获得各种侧偏角下的轮胎侧偏特性曲线；此实验还可以在不同速度、胎压等条件下完成。

4.一种基于权利要求1或2所述的多工况轮胎力学特性测试车，测试轮胎纵滑特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过调整滑台(13)选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.让测试车直线行驶至指定速度，给两后轮一个较小的制动力,调节两前轮电机使得车速维持在指定大小,此时测量前轮驱动力和驱动滑移率，驱动轮角速度由轮毂电机内转速传感器获得,车速由测速传感器获得,同时可测得后轮制动力与制动滑移率；

c.改变后轮制动力的大小直到后轮全滑，重复步骤b可以获得驱动特性曲线和制动特性曲线，改变载荷和速度得到相应工况下的驱动、制动特性实验结果；此实验还可以在不同速度、胎压等条件下完成。

5.一种基于权利要求1或2所述的多工况轮胎力学特性测试车，测试轮胎滚动阻力特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过调整滑台(13)选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.由两前轮的电机驱动使测试车达到指定速度，前后车轮均无转向角直线行驶，此时测试两后轮的滚动阻力；

c.改变两前轮的驱动速度重复上面的过程多次，即可得到随速度增加的滚动阻力特性曲线；此实验还可以在不同速度、胎压等条件下完成。

6.一种基于权利要求1或2所述的多工况轮胎力学特性测试车，测试轮胎转偏特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过调整滑台(13)选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.让测试车直线行驶至指定速度，使得两前轮向左转、两后轮向右转，四个轮子的转角使得测试车以O点为原点，以R为半径绕圆周运动，实现轮胎的转偏运动；此时测量轮胎的侧向力和回正力矩；

c.改变转角使测试车处于不同的曲率圆周运动，记录相应的侧向力和回正力矩，重复多次即得到轮胎的转偏特性曲线；此实验还可以在不同速度、胎压等条件下完成。

7.一种基于权利要求1或2所述的多工况轮胎力学特性测试车，测试轮胎驱动侧偏复合特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过调整滑台(13)选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.使两前轮直线行驶并驱动测试车达到一定的速度，使左后轮左转，右后轮右转相同角度，同时使两后轮也驱动车辆达到指定速度，此时记录两后轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩，并记录轮胎的角速度，结合车速计算轮胎的驱动滑移率；

c.重复多种滑移率和转向角记录相应轮胎力、力矩即可得到轮胎的驱动、侧偏复合特性测试结果；此实验还可以在不同速度、载荷、胎压等条件下完成。

8.一种基于权利要求1或2所述的多工况轮胎力学特性测试车，测试轮胎制动侧偏复合特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过调整滑台(13)选择垂直载荷，使前后轮处于不同的指定载荷；

b.使两前轮直线行驶并驱动测试车达到一定的速度，使左后轮左转，右后轮右转相同角度，同时使两后轮制动,并调节两前轮的驱动电流使车辆保持指定速度，此时记录两后轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩，并记录轮胎的角速度，结合车速计算轮胎的制动滑移率；

c.重复多种滑移率和转向角记录相应轮胎力、力矩即可得到轮胎的制动、侧偏复合特性测试结果；此实验还可以在不同速度、载荷、胎压等条件下完成。