CN104266849A - 一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆轮胎技术领域，特别是一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，包括牵引装置和拖引装置，其特征在于：在牵引装置中包括牵引车、计算机分析系统，所述计算机分析系统安装在牵引车上，其中，计算机分析系统包括信号放大器、滤波器、A/D转换器、计算机；在拖引装置中包括振动加速度传感器、路面计、待测轮胎、载物板、车桥、配重块，所述载物板与牵引车相连，与车桥连接为一体；所述振动加速度传感器与信号放大器相连；所述路面计与信号放大器相连；所述待测轮胎安装在车桥上；所述配重块固定于载物板几何中心位置处。本发明结构简单，能够快速、准确地对车辆轮胎的阻尼进行分析，有利于提高车辆的行驶平顺性及乘坐舒适性。

Description

一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法

技术领域

本发明涉及车辆轮胎技术领域，特别是一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法。

背景技术

轮胎阻尼对车辆行驶平顺性及乘坐舒适性具有重要影响，准确地获得车辆轮胎的阻尼，是研究车辆振动特性的基础，也是车辆研发人员关注的课题之一。然而，由于车辆轮胎的阻尼系数主要由轮胎材料的阻尼特性和充气压力决定的，其阻尼的分析非常复杂。据所查阅资料可知，尽管国、内外许多专家给出了相关轮胎阻尼分析的试验台，但其实验装置庞大，结构复杂，分析确定过程复杂。因而，先前对于车辆悬架系统的设计，很多国内、外车辆工程方面的专家只好采用简化的物理模型进行分析，即只考虑轮胎刚度，而忽略其阻尼的影响，因此只能对悬架系统进行近似的设计。随着汽车行业的快速发展，目前悬架系统的设计方法，不能满足车辆发展及乘坐舒适性的设计要求。为了提高车辆的行驶平顺性及乘坐舒适性，因此，必须设计一种能够简单、快速、可靠地确定车辆轮胎阻尼的试验装置及分析方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够简单、快速、可靠地确定轮胎阻尼的车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法。本发明的具体技术方案如下：

一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，包括牵引装置和拖引装置，其特征在于：在牵引装置中包括牵引车、计算机分析系统，所述计算机分析系统安装在牵引车上，其中，计算机分析系统包括信号放大器、滤波器、A/D转换器、计算机，所述信号放大器、滤波器、A/D转换器、计算机依次顺序连接；在拖引装置中包括振动加速度传感器、路面计、待测轮胎、载物板、车桥、配重块，所述载物板与牵引车相连，与车桥连接为一体；所述振动加速度传感器与信号放大器相连，安装在待测轮胎所处位置处的载物板上；所述路面计与信号放大器相连，安装在载物板几何中心位置处的下板面上；所述待测轮胎安装在车桥上；所述配重块固定于载物板的几何中心位置处；其中，所述待测轮胎，包括四个，其类型及型号相同；所述配重块用于测试车辆轮胎在不同承载质量下所具有的阻尼。

所述一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法的试验分析方法，其技术方案的具体步骤如下：

(1)将四个待测轮胎安装在车桥上；根据轮胎承载的质量在载物板上加载相应配重块；启动牵引车，使车辆轮胎阻尼试验装置在一定路面工况环境下行驶；

(2)利用所述试验装置中的振动加速度传感器、计算机分析系统，测量并采集得到在某行驶工况下各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加速度信号；利用所述试验装置中的路面计、计算机分析系统，测量并采集得到在相同测试时间段内的路面不平度信号；采集振动加速度信号及路面不平度信号的时间长度为{0,T}＝{[0,t₁]+[t₁,T]}，其中，前一时间段[0,t₁]的振动加速度信号及路面不平度信号用于轮胎阻尼参数的辨识，后一时间段[t₁,T]的振动加速度信号及路面不平度信号用于对阻尼参数辨识结果的仿真验证；

(3)将各待测轮胎的阻尼视为等效线性阻尼，即待辨识的轮胎阻尼C_i，其中，i＝1,2,3,4；利用车辆轮胎的刚度K_t，拖引装置质量的1/4，即m，构建1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型；

(4)根据步骤(3)中所构建的1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型，利用计算机中的Matlab/Simulink仿真软件，建立车辆轮胎系统的仿真模型，以在前一时间段[0,t₁]所测得的路面不平度信号作为输入信号，对各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加权加速度均方根值进行仿真，其中，在不同频率下的加权值为

$w_k\left(f_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.5& f_i\∈\left[\mathrm{0.5,2}\right]\mathrm{Hz}\\ f_i/4& f_i\∈(\mathrm{2,4}]\mathrm{Hz}\\ 1& f_i\∈(\mathrm{4,12.5}]\mathrm{Hz}\\ 12.5/f_i& f_i\∈(\mathrm{125,80}]\mathrm{Hz}\end{array}\right.;$

(5)以车辆轮胎阻尼C_i作为优化辨识变量，利用在前一时间段[0,t₁]仿真所得到的各待测轮胎所处位置处的载物板的垂向振动加权加速度均方根值其中i＝1,2,3,4，与试验所测得的各待测轮胎所处位置处的载物板的垂向振动加权加速度均方根值其中i＝1,2,3,4，建立车辆轮胎阻尼参数辨识的目标函数(J_i)_min，其中i＝1,2,3,4，即

${\left(J_i\right)}_{\min }={\left({\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{i\_}\mathrm{sim}}{-\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{i\_}\mathrm{test}}\right)}^2;$

(6)根据步骤(5)中所建立的车辆轮胎阻尼参数辨识的目标函数，利用优化算法求参数辨识目标函数的最小值，此时所对应的优化变量即为辨识所得到的四个待测轮胎的阻尼，即C_i；(7)根据步骤(6)中辨识所得到的四个待测轮胎的阻尼C_i，确定单个车辆轮胎的阻尼C_t，即

$C_t=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i;$

(8)根据步骤(7)中所确定的车辆轮胎的阻尼C_t，以在后一时间段[t₁,T]内所测得的路面不平度信号作为输入信号，对各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加权加速度值进行仿真计算，并与在该时间段内所测得的各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加权加速度值进行比较，从而对车辆轮胎阻尼参数的辨识结果进行验证。

本发明比现有技术具有的优点在于：

1.本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，能够简单、快速、准确地对车辆轮胎的阻尼进行分析，具有较高的测试效率；

2.本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，可以对不同类型的车辆轮胎进行阻尼特性分析，结果准确可靠；

3.本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，性能稳定，待测轮胎装拆方便，具有广泛的应用推广价值；

4.本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，操作方便，具有较高的经济效益和社会效益；

5.本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，为车辆悬架系统的设计提供了更为精确的物理设计模型，有效提高了车辆的行驶平顺性及乘坐舒适性。

附图说明

图1是本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法的试验装置结构示意图；

图2是本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法的计算机分析系统的结构图；

图3是本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法的轮胎阻尼的分析辨识流程图；

图4是试验测得的待测轮胎3所处位置处的载物板9的垂直振动加速度信号；

图5是试验测得的待测轮胎5所处位置处的载物板9的垂直振动加速度信号；

图6是试验测得的待测轮胎11所处位置处的载物板9的垂直振动加速度信号；

图7是试验测得的待测轮胎13所处位置处的载物板9的垂直振动加速度信号；

图8是试验测得的路面不平度信号；

图9是1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型；

图10是车辆轮胎系统的Simulink仿真模型。

具体实施方式

1、牵引车；2、计算机分析系统；3、待测轮胎；4、振动加速度传感器；5、待测轮胎；6、振动加速度传感器；7、配重块；8、路面计；9、载物板；10、振动加速度传感器；11、待测轮胎；12、车桥；13、待测轮胎；14、车桥；15、振动加速度传感器；16、信号放大器；17、滤波器；18、A/D转换器；19、计算机。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，包括牵引装置和拖引装置，其特征在于：在牵引装置中包括牵引车1、计算机分析系统2，计算机分析系统2安装在牵引车1上，其中，计算机分析系统2包括信号放大器16、滤波器17、A/D转换器18、计算机19，如图2所示，所述信号放大器16、滤波器17、A/D转换器18、计算机19依次顺序连接；在拖引装置中包括待测轮胎3、振动加速度传感器4、待测轮胎5、振动加速度传感器6、配重块7、路面计8、载物板9、振动加速度传感器10、待测轮胎11、车桥12、待测轮胎13、车桥14、振动加速度传感器15，载物板9与牵引车1相连，与车桥12，车桥14连接为一体；振动加速度传感器4与信号放大器16相连，安装在待测轮胎3所处位置处的载物板9上；振动加速度传感器6与信号放大器16相连，安装在待测轮胎5所处位置处的载物板9上；振动加速度传感器10与信号放大器16相连，安装在待测轮胎11所处位置处的载物板9上；振动加速度传感器15与信号放大器16相连，安装在待测轮胎13所处位置处的载物板9上；路面计8与信号放大器16相连，安装在载物板9的几何中心位置处的下板面上；待测轮胎3及待测轮胎13安装在车桥14上；待测轮胎5及待测轮胎11安装在车桥12上；配重块7固定于载物板9的几何中心位置处；其中，所述振动加速度传感器4、6、10、15，用于测量垂直振动加速度信号；所述路面计8，用于测量路面不平度信号；所述待测轮胎3、5、11、13的类型及型号相同；所述计算机分析系统2用于分析处理测量得到的垂直振动加速度信号和路面不平度信号，辨识待测轮胎3、5、11、13所具有的阻尼；所述配重块7用于测试车辆轮胎在不同承载质量下所具有的阻尼。

实施例：某车辆轮胎，其充气压力为110kPa，刚度为260000N/m，单轮承载质量为440kg。采用以上试验装置对该车辆轮胎的阻尼进行试验分析。

本发明所述一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法的试验分析方法，其中，轮胎阻尼的分析辨识流程图如图3所示，其技术方案的具体步骤如下：

(1)将待测轮胎3及待测轮胎13安装在车桥14上；待测轮胎5及待测轮胎11安装在车桥12上；根据轮胎承载的质量在载物板9上加载相应配重块7；启动牵引车1，使车辆轮胎阻尼试验装置在一定路面工况环境下行驶；

(2)利用所述试验装置中的振动加速度传感器4、6、10、15，计算机分析系统2，测量并采集得到该车辆轮胎阻尼试验装置在高速公路以70km/h速度行驶时待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂直振动加速度信号，分别如图4、图5、图6、图7所示；利用所述试验装置中的路面计8，计算机分析系统2，测量并采集得到在相同测试时间段内的路面不平度信号，如图8所示；采集振动加速度信号及路面不平度信号的时间长度为{0,120s}＝{[0,60s]+[60s,120s]}，其中，前一时间段[0,60s]的振动加速度信号及路面不平度信号用于轮胎阻尼参数的辨识，后一时间段[60s,120s]的振动加速度信号及路面不平度信号用于对阻尼参数辨识结果的仿真验证；

(3)将待测轮胎3、5、11、13的阻尼视为等效线性阻尼，即待辨识的轮胎阻尼C₃，C₅，C₁₁，C₁₃；利用车辆轮胎的刚度K_t＝260000N/m，拖引装置质量的1/4，即m＝440kg，构建1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型，如图9所示；

(4)根据步骤(3)中所构建的1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型，利用计算机19中的Matlab/Simulink仿真软件，建立车辆轮胎系统的仿真模型，如图10所示，以在前一时间段[0,t₁]所测得的路面不平度信号作为输入信号，对待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂直振动加权加速度均方根值进行仿真，其中，在不同频率下的加权值为

$w_k\left(f_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.5& f_i\∈\left[\mathrm{0.5,2}\right]\mathrm{Hz}\\ f_i/4& f_i\∈(\mathrm{2,4}]\mathrm{Hz}\\ 1& f_i\∈(\mathrm{4,12.5}]\mathrm{Hz}\\ 12.5/f_i& f_i\∈(\mathrm{125,80}]\mathrm{Hz}\end{array}\right.;$

(5)以车辆轮胎阻尼C₃，C₅，C₁₁，C₁₃作为优化辨识变量，利用在前一时间段[0,60s]仿真所得到的待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂向振动加权加速度均方根值 与试验所测得的待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂向振动加权加速度均方根值 ${\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{3\_}\mathrm{test}}2.88m/s^2,{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{5\_}\mathrm{test}}=2.90{m/s}^2,{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{11\_}\mathrm{test}}={2.89m/s}^2,$ ${\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{13\_}\mathrm{test}}{=2.92m/s}^2,$ 建立车辆轮胎阻尼参数辨识的目标函数(J₁)_min，(J₂)_min，(J₃)_min，(J₄)_min，即

${\left(J_3\right)}_{\min }={\left({\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{3\_}\mathrm{sim}}{-\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{3\_}\mathrm{test}}\right)}^2;$

${\left(J_5\right)}_{\min }={\left({\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{5\_}\mathrm{sim}}{-\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{5\_}\mathrm{test}}\right)}^2;$

${\left(J_{11}\right)}_{\min }={\left({\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{11\_}\mathrm{sim}}{-\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{11\_}\mathrm{test}}\right)}^2;$

${\left(J_{13}\right)}_{\min }={\left({\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{13\_}\mathrm{sim}}{-\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{13\_}\mathrm{test}}\right)}^2;$

(6)根据步骤(5)中所建立的车辆轮胎阻尼参数辨识的目标函数，利用优化算法求参数辨识目标函数的最小值，此时所对应的优化变量即为辨识所得到的待测轮胎3、5、11、13的阻尼，即C₃＝2500.03N.s/m，C₅＝2501.12N.s/m，C₁₁＝2500.59N.s/m，C₁₃＝2501.02N.s/m；

(7)根据步骤(6)中辨识所得到的待测轮胎3、5、11、13的阻尼C₃＝2500.03N.s/m，C₅＝2501.12N.s/m，C₁₁＝2500.59N.s/m，C₁₃＝2501.02N.s/m，确定单个车辆轮胎的阻尼C_t，即

$C_t=\frac{C_3+C_5+C_{11}{C}_{13}}{4}2500.69N.s/m;$

(8)根据步骤(7)中所确定的车辆轮胎的阻尼C_t＝2500.69N.s/m，以在后一时间段[60s,120s]内所测得的路面不平度信号作为输入信号，对待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂直振动加权加速度值进行仿真计算，并与在该时间段内所测得的待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂直振动加权加速度值进行比较，从而对车辆轮胎阻尼参数的辨识结果进行验证，其中，在后一时间段[60s,120s]内的待测轮胎3、5、11、13所处位置处的载物板9的垂直振动加权加速度的仿真值分别为 ${\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{3\_}\mathrm{sim}}2.89m/s^2,{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{5\_}\mathrm{sim}}=2.92{m/s}^2,$ ${\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{11\_}\mathrm{sim}}2.88m/s^2,{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{13\_}\mathrm{sim}}=2.93{m/s}^2,$ 试验测试值分别为 ${\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{3\_}\mathrm{test}}=2.87{m/s}^2,$ ${\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{5\_}\mathrm{test}}2.91m/s^2,{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{11\_}\mathrm{test}}=2.86{m/s}^2,{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{13\_}\mathrm{test}}={2.92m/s}^2,$ 相对偏差分别为0.697％、0.344％、0.699％、0.342％，表明所建立的车辆轮胎阻尼的分析方法是正确的。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动、修饰或等效。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明实质对以上技术方案所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，包括牵引装置和拖引装置，其特征在于：在牵引装置中包括牵引车(1)、计算机分析系统(2)，所述计算机分析系统(2)安装在牵引车(1)上，其中，计算机分析系统(2)包括信号放大器(16)、滤波器(17)、A/D转换器(18)、计算机(19)，所述信号放大器(16)、滤波器(17)、A/D转换器(18)、计算机(19)依次顺序连接；在拖引装置中包括待测轮胎(3)(5)(11)(13)、振动加速度传感器(4)(6)(10)(15)、配重块(7)、路面计(8)、载物板(9)、车桥(12)(14)，所述载物板(9)与牵引车(1)相连，与车桥(12)，车桥(14)连接为一体；所述振动加速度传感器(4)与信号放大器(16)相连，安装在待测轮胎(3)所处位置处的载物板(9)上；所述振动加速度传感器(6)与信号放大器(16)相连，安装在待测轮胎(5)所处位置处的载物板(9)上；所述振动加速度传感器(10)与信号放大器(16)相连，安装在待测轮胎(11)所处位置处的载物板(9)上；所述振动加速度传感器(15)与信号放大器(16)相连，安装在待测轮胎(13)所处位置处的载物板(9)上；所述路面计(8)与信号放大器(16)相连，安装在载物板(9)的几何中心位置处的下板面上；所述待测轮胎(3)及待测轮胎(13)安装在车桥(14)上；所述待测轮胎(5)及待测轮胎(11)安装在车桥(12)上；所述配重块(7)固定于载物板(9)的几何中心位置处；其中，所述待测轮胎(3)(5)(11)(13)的类型及型号相同。

2.根据权利要求1所述的一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，其特征在于：所述配重块(7)用于测试车辆轮胎在不同承载质量下所具有的阻尼。

3.根据权利要求1所述的一种车辆轮胎阻尼试验装置及分析方法，其试验分析方法技术方案的具体步骤如下：

(1)将四个待测轮胎安装在车桥上；根据轮胎承载的质量在载物板上加载相应配重块；启动牵引车，使车辆轮胎阻尼试验装置在一定路面工况环境下行驶；

(2)利用所述试验装置中的振动加速度传感器、计算机分析系统，测量并采集得到在某行驶工况下各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加速度信号；利用所述试验装置中的路面计、计算机分析系统，测量并采集得到在相同测试时间段内的路面不平度信号；采集振动加速度信号及路面不平度信号的时间长度为{0,T}＝{[0,t₁]+[t₁,T]}，其中，前一时间段[0,t₁]的振动加速度信号及路面不平度信号用于轮胎阻尼参数的辨识，后一时间段[t₁,T]的振动加速度信号及路面不平度信号用于对阻尼参数辨识结果的仿真验证；

(3)将各待测轮胎的阻尼视为等效线性阻尼，即待辨识的轮胎阻尼C_i，其中，i＝1,2,3,4；利用车辆轮胎的刚度K_t，拖引装置质量的1/4，即m，构建1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型；

(4)根据步骤(3)中所构建的1/4车辆轮胎系统的单质量垂向振动模型，利用计算机中的Matlab/Simulink仿真软件，建立车辆轮胎系统的仿真模型，以在前一时间段[0,t₁]所测得的路面不平度信号作为输入信号，对各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加权加速度均方根值进行仿真，其中，在不同频率下的加权值为

$w_k\left(f_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.5& f_i\∈\left[\mathrm{0.5,2}\right]\mathrm{Hz}\\ f_i/4& f_i\∈(\mathrm{2,4}]\mathrm{Hz}\\ 1& f_i\∈(\mathrm{4,12.5}]\mathrm{Hz}\\ 12.5/f_i& f_i\∈\left(\mathrm{12.5,80}\right]\mathrm{Hz}\end{array}\right.;$

(5)以车辆轮胎阻尼C_i作为优化辨识变量，利用在前一时间段[0,t₁]仿真所得到的各待测轮胎所处位置处的载物板的垂向振动加权加速度均方根值其中i＝1,2,3,4，与试验所测得的各待测轮胎所处位置处的载物板的垂向振动加权加速度均方根值其中i＝1,2,3,4，建立车辆轮胎阻尼参数辨识的目标函数(J_i)min，其中i＝1,2,3,4，即

${\left(J_i\right)}_{\min }={({\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{i\_}\mathrm{sim}}-{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{..}{z}}_{i\_}\mathrm{test}})}^2;$

(6)根据步骤(5)中所建立的车辆轮胎阻尼参数辨识的目标函数，利用优化算法求参数辨识目标函数的最小值，此时所对应的优化变量即为辨识所得到的四个待测轮胎的阻尼，即C_i；

(7)根据步骤(6)中辨识所得到的四个待测轮胎的阻尼C_i，确定单个车辆轮胎的阻尼C_t，即

$C_t=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i;$

(8)根据步骤(7)中所确定的车辆轮胎的阻尼C_t，以在后一时间段[t₁,T]内所测得的路面不平度信号作为输入信号，对各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加权加速度值进行仿真计算，并与在该时间段内所测得的各待测轮胎所处位置处的载物板的垂直振动加权加速度值进行比较，从而对车辆轮胎阻尼参数的辨识结果进行验证。