CN104236929B - 一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，属于轮胎动力学特性试验研究领域。本发明的一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法是用轮胎滚动阻力为零状态时的有效滚动半径控制试验过程的滑移率，实现轮胎纵滑特性的纵向力与滑移率关系曲线通过(0，0)点，利用无纵向力偏移的试验数据建立轮胎经验或半经验纵向力模型时，不必在模型中考虑水平偏移和垂直偏移，减少模型参数进而简化轮胎建模，同时也有利于试验数据的分析研究。

Description

一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法

技术领域

本发明属于轮胎动力学特性试验研究领域，具体涉及一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法。

背景技术

轮胎作为连接汽车与路面的唯一部件，对汽车的操作稳定性和平顺性有着重要的影响。建立简单而又精度高的轮胎模型对整车的动力学研究有着重大的意义，用于整车动力学研究的轮胎模型主要有理论模型、半经验模型和经验模型，目前应用的主流是半经验和经验模型，然而建立轮胎半经验及经验模型所需的数据要通过轮胎的试验才能获得。滚动轮胎胎体橡胶具有粘弹性迟滞现象，接地印迹内处于压缩过程的前部点的地面法向反作用力就会大于处于回弹过程的后部点的地面法向反作用力，这样，地面法向反作用力的分布前后不对称，而使他们的合力F_z相对于法线前移一个距离a，即轮胎滚动时有滚动阻力矩T_f＝F_za阻碍车轮滚动，它随弹性迟滞损失的增大而变大。

由于试验轮胎滚动阻力矩的存在，导致轮胎纵滑特性的纵向力F_x——滑移率S_x关系曲线不过原点，如图1所示，因此，利用这些试验数据建立轮胎模型时会增加模型的参数，同时使轮胎模型的形式更复杂，难以建立简单且高精度的轮胎模型，例如国际车辆动力学领域知名的Magic Formula轮胎模型(简称MF模型)中的纵向力计算公式F_x0＝D_xsin[C_xarctan{B_xk_x-E_x(B_xk_x-arctan(B_xk_x))}]+S_Vx，其中k_x为纵向力组合自变量：k_x＝k+S_Hx，k为纵向滑移率，S_Hx为曲线的水平方向偏移：S_Hx＝(p_Hx1+p_Hx2df_z)λ_Hx，S_Vx为曲线的垂直方向偏移：S_Vx＝F_z(p_Vx1+p_Vx2df_z)λ_Vxλ_μx，p_Hx1、p_Hx2、p_Vx1、p_Vx2就是描述纵向力偏移特性的参数。为了便于试验数据分析以及建立简单且精确的轮胎半经验或经验模型，需要提供一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，使试验得到的轮胎纵滑特性的纵向力F_x——滑移率S_x关系曲线过原点，如图2所示。

发明内容

本发明的目的是提供了一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，该试验法可使轮胎纵滑特性的纵向力F_x——滑移率S_x关系曲线过坐标原点，便于轮胎建模和试验数据的分析。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

为了实现轮胎纵滑特性的纵向力F_x——滑移率S_x关系曲线通过坐标原点，引入“轮胎滚动阻力为零状态”，即试验中在轮心处对轮胎施加一个与轮胎滚动阻力矩大小相等、方向相反的驱动力矩，使轮胎处于接地印迹内滚动阻力为零的状态，该状态有别于在轮心处施加推力使轮胎滚动的轮胎自由滚动状态，轮胎自由滚动状态下接地印迹内有滚动阻力，将轮胎滚动阻力为零状态的滚动命名为轮胎“中性滚动”。

车轮自由滚动时，若车轮的纵向速度为V_x，车轮的滚动速度为ω，则车轮的有效滚动半径为轮胎“中性滚动”时，若车轮的纵向速度为V_x′，车轮的滚动速度为ω′，则轮胎的有效滚动半径为记作轮胎滚动阻力为零状态有效滚动半径，即轮胎滚动阻力为零状态的车轮纵向速度与车轮滚动速度的比值，与轮胎自由滚动状态有效滚动半径R_e不相等。

轮胎的滑移率有两种表现形式：理论滑移率和实用滑移率，理论滑移率为实用滑移率为ω为车轮滚动速度，V_x为车轮的纵向速度，R为轮胎滚动阻力为零状态有效滚动半径或轮胎自由滚动状态有效滚动半径。

所述的一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，包括以下步骤：

a)将符合测试要求规格、胎压的被测试轮胎安装在轮胎力学特性试验台上；

b)调整轮胎力学特性试验台的侧倾角定位机构，使轮胎侧倾角达到试验要求的侧倾角γ，锁止侧倾角定位机构，保持轮胎侧倾角不变；

c)调整轮胎力学特性试验台的侧偏角定位机构，使轮胎侧偏角达到试验要求的侧偏角α，锁止侧偏角定位机构，保持轮胎侧偏角不变；

d)启动模拟路面运动系统，在轮胎完成预热滚动后调整轮胎力学特性试验台的垂直加载机构，使轮胎垂直载荷达到试验要求的垂直载荷，并保持后续试验过程垂直载荷恒定；

e)调整模拟路面运动系统使其达到试验要求的速度V_xb，并保持后续试验过程速度V_xb不变，不施加驱动或制动力矩，轮胎处于自由滚动状态；

f)记录轮胎自由滚动状态时的纵向力(即为滚动阻力)F_rr值，并利用试验台的驱动制动系统在轮心处对轮胎施加一个较小的驱动力矩M_y-drive，以保证轮胎的纵向力为零，此时轮胎处于“中性滚动”状态；

g)测量此时轮胎的角速度ω，并采用计算公式求得轮胎“中性滚动”状态时的有效滚动半径R_e0；

h)依据理论滑移率计算公式或实用滑移率计算公式通过试验台的驱动制动系统控制轮胎的角速度ω，使轮胎滑移率达到试验要求的滑移率，保持轮胎的角速度ω不变；

i)采集记录试验数据，所述的试验数据包括侧倾角、侧偏角、垂直载荷、纵向力、侧向力、回正力矩及翻倾力矩；

j)重复步骤h-i，直至所有试验要求滑移率的测试完成；

k)停止驱动制动系统，使轮胎再次处于自由滚动状态，调整垂直加载机构使轮胎达到下一个试验要求的垂直载荷，并保持后续试验过程垂直载荷恒定；

l)重复步骤e-k，直至所有试验要求垂直载荷的测试完成；

m)解锁侧偏角定位机构，调整该机构使轮胎达到下一个试验要求的侧偏角，再次锁止侧偏角定位机构，保持轮胎侧偏角不变；

n)重复步骤d-m，直至所有试验要求侧偏角的测试完成；

o)解锁侧倾角定位机构，调整该机构使轮胎达到下一个试验要求的侧倾角，再次锁止侧倾角定位机构，保持轮胎侧倾角不变；

p)重复步骤c-o，直至所有试验要求侧倾角的测试完成；

q)将上述每个工况下采集的纵向力作为纵坐标、滑移率作为横坐标，画出通过(0,0)的纵向力--滑移率曲线，即得到消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验结果。

本发明具有以下优点和技术效果：

本发明用轮胎滚动阻力为零状态时的有效滚动半径控制试验过程的滑移率，实现轮胎纵滑特性的纵向力与滑移率关系曲线通过(0，0)点，利用无纵向力偏移的试验数据便于建立简单精确的轮胎经验和半经验模型；同时该试验方法有利于试验数据的分析研究；本发明提出的试验方法形式简单、易于理解应用，适用于各种室内轮胎试验台，如转鼓式轮胎试验台、平板式轮胎试验台及平带式轮胎试验台等。

附图说明

图1是本发明有纵向力偏移的轮胎纵滑特性试验数据：轮胎纵滑特性的纵向力Fx与基于轮胎自由滚动状态有效滚动半径计算出的滑移率S_x关系曲线；

图2是本发明无纵向力偏移的轮胎纵滑特性试验数据：轮胎纵滑特性的纵向力F_x′与基于轮胎滚动阻力为零状态有效滚动半径计算出的滑移率S_x′关系曲线；

图3是本发明一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

图1是轮胎自由滚动状态下的纵向力F_x——滑移率S_x关系曲线示意图，轮胎自由滚动时，由于滚动阻力矩的存在，导致纵向力F_x——滑移率S_x曲线不过原点，此时轮胎的有效滚动半径为其中V_x为车轮的纵向速度，ω为车轮的滚动速度，如图1中的B点。

图2是轮胎“中性滚动”状态下的纵向力F_x′——滑移率S_x′关系曲线示意图，车轮“中性滚动”时，轮胎的滚动阻力为零状态有效滚动半径为其中V_x′、ω′分别为轮胎滚动阻力为零状态的纵向速度和滚动速度，如图2中的O点。

轮胎的滑移率有两种表现形式：理论滑移率和实用滑移率，理论滑移率为实用滑移率为ω为车轮滚动速度，V_x为车轮的纵向速度，R为轮胎滚动阻力为零状态有效滚动半径或轮胎自由滚动状态有效滚动半径。

本实施例中以轮胎型号为235/60R17，试验工况为：胎压为250KPa，侧倾角γ＝0°及3°，侧偏角α＝0°及4°，滑移率为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、15％、20％，垂直载荷为3000N、4000N和5000N，试验速度为10km/h，对所述的一种消除轮胎偏移的纵滑试验方法进行详细说明，具体试验操作步骤如下：

a)将型号为235/60R17，充气胎压为250KP的轮胎安装在轮胎力学特性试验台(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室开发的JLU-Ⅲ平板式轮胎力学特性试验台)上；

b)调整轮胎力学特性试验台的侧倾角定位机构，使轮胎侧倾角γ＝0°，如实测侧倾角为γ＝0.001224°，锁止侧倾角定位机构，保持轮胎侧倾角不变；

c)调整轮胎力学特性试验台的侧偏角定位机构，使轮胎侧偏角α＝0°，如实测侧倾角为α＝0.000164°，锁止侧偏角定位机构，保持轮胎侧偏角不变；

d)启动模拟路面运动系统，在轮胎完成预热滚动后调整轮胎力学特性试验台的垂直加载机构，使轮胎垂直载荷达到试验要求的垂直载荷，如F_z＝2000N,并保持后续试验过程垂直载荷恒定；

e)调整模拟路面运动系统使其达到试验要求的速度V_xb＝10km/h，并保持后续试验过程速度V_xb不变，不施加驱动或制动力矩，轮胎处于自由滚动状态；

f)记录轮胎自由滚动状态时的纵向力(即为滚动阻力)F_rr值，如F_rr＝25.5624N，并利用试验台的驱动制动系统在轮心处对轮胎施加一个较小的驱动力矩M_y-drive，如M_y-drive＝7.412N·m以保证轮胎的纵向力为零，此时轮胎处于“中性滚动”状态；

g)测量此时轮胎的角速度ω，如ω＝8.1150rad/s并采用计算公式求得轮胎“中性滚动”状态时的有效滚动半径R_e0＝0.3423m；

h)依据理论滑移率计算公式或实用滑移率计算公式通过试验台的驱动制动系统控制轮胎的角速度ω，使轮胎滑移率达到试验要求的滑移率，如1％的滑移率需要ω＝8.21rad/s，保持轮胎的角速度ω不变；

i)采集记录试验数据，所述的试验数据包括侧倾角、侧偏角、垂直载荷、纵向力、侧向力、回正力矩及翻倾力矩；如上述工况测试得到的侧倾角γ＝0.001224°，侧偏角α＝0.000164°，垂直载荷F_z＝2000.256N，纵向力F_x＝24.357N，侧向力F_y＝4.236N、回正力矩M_z＝0.08512N·m及翻倾力矩M_y＝19.564N·m

j)重复步骤h-i，直至所有试验要求滑移率的测试完成；

k)停止驱动制动系统，使轮胎再次处于自由滚动状态，调整垂直加载机构使轮胎达到下一个试验要求的垂直载荷，如F_z＝3000N，并保持后续试验过程垂直载荷恒定；

l)重复步骤e-k，直至所有试验要求垂直载荷的测试完成；

m)解锁侧偏角定位机构，调整该机构使轮胎达到下一个试验要求的侧偏角，如α＝4°，再次锁止侧偏角定位机构，保持轮胎侧偏角不变；

n)重复步骤d-m，直至所有试验要求侧偏角的测试完成；

o)解锁侧倾角定位机构，调整该机构使轮胎达到下一个试验要求的侧倾角，如γ＝3°，再次锁止侧倾角定位机构，保持轮胎侧倾角不变；

p)重复步骤c-o，直至所有试验要求侧倾角的测试完成；

q)将上述每个工况下采集的纵向力作为纵坐标、滑移率作为横坐标，画出通过(0,0)的纵向力--滑移率曲线，即得到消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验结果。

通过上述试验方法可得到基于“中性滚动”状态有效滚动半径计算出的滑移率与纵向力试验数据，使纵向力—滑移率曲线通过(0,0)点。然而，对于轮胎纵滑试验中基于轮胎自由滚动状态有效滚动半径计算出的滑移率也可转化为基于“中性滚动”状态有效滚动半径计算出的滑移率，进而实现轮胎纵滑特性的纵向力与滑移率关系曲线通过(0，0)点。具体处理方法步骤如下：

a)针对轮胎纵滑试验中基于轮胎自由滚动状态有效滚动半径计算出的滑移率与纵向力的试验数据，若试验数据的滑移率为实用滑移率，则将实用滑移率κ代入公式将实用滑移率κ转化为理论滑移率S_x；

b)取小滑移线性区的试验数据，采用线性拟合，辨识得到纵向力为零时的理论滑移率S_x0及理论滑移率为零时的纵向力F_rr；

c)将S_x0代入公式得当滑移率S_x0时F_x＝0，此时轮胎为“中性滚动”，故V_x是车轮的纵向速度，可从试验中直接测得；

d)将代入轮胎滚动阻力为零状态有效滚动半径中得R_e0＝(1-S_x0)R_e；

e)将R_e0带入到纵向滑移中，得 由此得到的纵向力与理论滑移率S_x′关系曲线通过(0，0)点，如图3所示；

f)将S_x′代入由此得到的纵向力与实用滑移率κ′关系曲线通过(0，0)点。

Claims (2)

1.一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，其特征在于，用轮胎滚动阻力为零状态时的有效滚动半径控制试验过程的滑移率，实现轮胎纵滑特性的纵向力与滑移率关系曲线通过(0，0)点，利用无纵向力偏移的试验数据建立轮胎经验或半经验纵向力模型时，不必在模型中考虑水平偏移和垂直偏移，减少模型参数进而简化轮胎建模，同时也有利于试验数据的分析研究；其中，所述“轮胎滚动阻力为零状态”是指试验中在轮心处对轮胎施加一个与轮胎滚动阻力矩大小相等方向相反的驱动力矩，使轮胎处于接地印迹内滚动阻力为零的状态，该状态有别于在轮心处施加推力使轮胎滚动的轮胎自由滚动状态，轮胎自由滚动状态下接地印迹内有滚动阻力，将轮胎滚动阻力为零状态的滚动命名为轮胎“中性滚动”，测量此时轮胎的角速度ω，并采用计算公式求得轮胎“中性滚动”状态时的有效滚动半径R_e0,其中V_xb为轮胎的运动速度，α为轮胎侧偏角；依据理论滑移率计算公式或实用滑移率计算公式通过试验台的驱动制动系统控制轮胎的角速度ω，使轮胎滑移率达到试验要求的滑移率，保持轮胎的角速度ω不变即可。

2.根据权利要求1所述的一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

a)将符合测试要求规格、胎压的被测试轮胎安装在轮胎力学特性试验台上；

b)调整轮胎力学特性试验台的侧倾角定位机构，使轮胎侧倾角达到试验要求的侧倾角，锁止侧倾角定位机构，保持轮胎侧倾角不变；

c)调整轮胎力学特性试验台的侧偏角定位机构，使轮胎侧偏角达到试验要求的侧偏角α，锁止侧偏角定位机构，保持轮胎侧偏角不变；

d)启动模拟路面运动系统，在轮胎完成预热滚动后调整轮胎力学特性试验台的垂直加载机构，使轮胎垂直载荷达到试验要求的垂直载荷，并保持后续试验过程垂直载荷恒定；

e)调整模拟路面运动系统使其达到试验要求的速度V_xb，并保持后续试验过程速度V_xb不变，不施加驱动或制动力矩，轮胎处于自由滚动状态；

f)记录轮胎自由滚动状态时的纵向力，即为滚动阻力F_rr值，并利用试验台的驱动制动系统在轮心处对轮胎施加一个较小的驱动力矩M_y-drive，以保证轮胎的纵向力为零，此时轮胎处于“中性滚动”状态；

g)测量此时轮胎的角速度ω，并采用计算公式求得轮胎“中性滚动”状态时的有效滚动半径R_e0；

h)依据理论滑移率计算公式或实用滑移率计算公式通过试验台的驱动制动系统控制轮胎的角速度ω，使轮胎滑移率达到试验要求的滑移率，保持轮胎的角速度ω不变；

i)采集记录试验数据，所述的试验数据包括侧倾角、侧偏角、垂直载荷、纵向力、侧向力、回正力矩及翻倾力矩；

j)重复步骤h-i，直至所有试验要求滑移率的测试完成；

k)停止驱动制动系统，使轮胎再次处于自由滚动状态，调整垂直加载机构使轮胎达到下一个试验要求的垂直载荷，并保持后续试验过程垂直载荷恒定；

l)重复步骤e-k，直至所有试验要求垂直载荷的测试完成；

m)解锁侧偏角定位机构，调整该机构使轮胎达到下一个试验要求的侧偏角，再次锁止侧偏角定位机构，保持轮胎侧偏角不变；

n)重复步骤d-m，直至所有试验要求侧偏角的测试完成；

o)解锁侧倾角定位机构，调整该机构使轮胎达到下一个试验要求的侧倾角，再次锁止侧倾角定位机构，保持轮胎侧倾角不变；

p)重复步骤c-o，直至所有试验要求侧倾角的测试完成；

q)将上述每个工况下采集的纵向力作为纵坐标、滑移率作为横坐标，画出通过(0,0)的纵向力--滑移率曲线，即得到消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验结果。