CN105891107A - 路面材料摩擦性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面材料摩擦性能测试装置及方法。该装置包括第一测试用轮胎、第二测试用轮胎、承载单元、驱动单元、加载单元、轮胎制动控制与测试单元和数据采集单元。本发明利用轮胎制动控制与测试单元实时控制测试用轮胎的滑移率，能实现对路面材料摩擦性能的准确模拟及测试。

Description

路面材料摩擦性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种路面材料摩擦性能测试装置及方法，尤其是涉及一种道路工程领域的路面材料摩擦性能测试装置及方法。

背景技术

随着中国经济的快速发展，各类汽车保有量急速上升，公路作为不可或缺的物流大通道之一得到了前所未有的发展。一方面，高速公路的持续建设促进运输业的飞速发展，然而另一方面,交通事故的不断出现也引发人们对行车安全的日益关注。交通事故的发生与路面防滑性能密切相关，而轮胎与路面间的摩擦系数对路面防滑性能有着直接的影响。因此，路面防滑能力成为评价路面材料摩擦性能的一项重要评价指标。

现有的路面材料摩擦性能测试装置总体可分为室内和室外两类。室外多为各类摩擦系数测试车在实体路面上进行测试，测试效率高，数据可靠度大，但通常测试成本高，并且受测试方法限制，只能用于对已建成路面材料摩擦性能的“事后评价”。

目前，对于路面材料摩擦性能的前期研究多在实验室中进行，但是室内对路面材料摩擦性能测试也主要依靠摆式摩擦仪，虽然该方法简单易行，然而精度不高，不适用于表面纹理构造粗糙的路面材料摩擦性能测试；并且从测试原理上看，该方法只能模拟轮胎胎面在低速和极低的接触压强下与路面之间的摩擦状态，与实际胎路摩擦耦合工况差距显著，因而不足以用于路面防滑能力的全面评价。

类似地，体积较小的动态摩擦系数测试仪DFT也模拟了胎面橡胶与路面材料在高速但极低接触压强下的摩擦状态；然而，由于粗糙材料摩擦特性与接触压强直接相关，因此，该仪器也同样无法测试胎路摩擦的真实摩擦状态。

在车路耦合系统中，滑移率是表征车轮运动中滑动成分所占比例的重要参数，对轮胎—路面之间的耦合摩擦行为影响显著；然而，目前用于室内轮胎滚动以及滑动行为的测试装置或方法中，在胎路耦合接触类的试验中并未对轮胎滑移率进行实时控制，导致现有对试验结果的评价多建立在未知滑移率的条件下进行，造成试验结果准确性和有效性的降低。

CN102435449A公开了一种复合四连杆轮胎力学特性试验机，主要从轮胎力学的角度进行了轮胎性能的全面测试，但是对于从路面角度研究胎路摩擦问题而言，则同样由于欠缺对滑移率的设定，而使得对路面防滑性能的原因分析难以准确进行。CN101532934A公开了一种主驱动轮式路面材料加速加载测试装置，该装置在充分考虑了轮胎受力的基础上，通过环形整体试件与轮胎的摩擦以获取各级速度下胎路摩擦的实时数据，但同样由于忽略了不同速度下轮胎与路面之间的滑移率的变化测试和控制，因此产生测试数据误差及分析误差，从而降低了试验结果的参考价值。

CN105083292A公开了一种预估未知路面摩擦系数的方法，该方法通过将已知实验轮胎安装在测试实验台上，设定实验已知路面，测量被测轮胎在已知路面上的纵向滑移刚度，测量轮胎在已知路面上运动时的纵向力、垂向力以及滑移率，测量轮胎在预估路面上运动时的纵向力、垂向力以及滑移率，以预估路面的摩擦系数。然而，该方法中虽然提及滑移率，但未述及对轮胎滑移率进行实时控制的问题。CN203720064U公开了一种路面摩擦系数测定仪，并未记载对轮胎滑移率进行实时控制的技术方案。另外，CN105510223A公开了用于使用自校准扭矩估计路面摩擦系数的方法，该方法基于转向数据确定至少一个状态评估值，基于状态评估值确定特征组以包括自校准扭矩(SAT)、滑移角、SAT差异、转向速率和侧向加速度中的至少一个，使用模式分类技术处理在转向操纵期间获得并且与特征组相关的转向数据，以及基于处理来确定表面类型。然而，该方法中也没有记载对轮胎滑移率进行实时控制的技术方案。

由以上现有技术可知，目前可用于路面防滑性能室内测试的装置无法同时实现基于实际胎路接触工况下轮胎胎压、接地压强、接地压力非均匀分布特征，以及轮胎在高速情况下滑动/滚动、并且在不同滑移率下与路面耦合摩擦接触工况的模拟，因此目前对胎路摩擦的实验分析并不准确。

因此，迫切需要一种路面材料摩擦性能测试装置及方法，在外部荷载、轮胎类型、胎压、轮胎相对运动速度、轮胎的滑移率、路面材料试件的多种可变条件下，能准确而有效地对测试用轮胎与路面之间的摩擦性能进行测试。通过获取上部荷载、摩擦力的实时数据，获取轮胎与路面之间的摩擦系数，实现对路面防滑性能的准确评价，从而弥补现有技术中对于路面材料摩擦性能测试手段的不足。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种路面材料摩擦性能测试装置，该装置可以实时控制测试用轮胎的滑移率，能实现对路面材料摩擦性能的准确模拟及测试。

本发明的另一目的是提供一种路面材料摩擦性能测试方法，利用该路面材料摩擦性能测试方法能够更准确而有效地测试路面材料摩擦性能。

本发明提供一种路面材料摩擦性能测试装置，该装置包括第一测试用轮胎、第二测试用轮胎、承载单元、驱动单元、加载单元、轮胎制动控制与测试单元以及数据采集单元；

承载单元位于驱动单元与第一测试用轮胎、第二测试用轮胎之间，用于承载路面材料试件；驱动单元用于驱动所述承载单元进行运动；加载单元位于第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的上方，用于施加荷载于第一测试用轮胎和第二测试用轮胎；

所述轮胎制动控制与测试单元包括第一制动器、第二制动器、第一转速传感器、第二转速传感器、第三转速传感器、压力传感器、第一拉力传感器和第二拉力传感器；第一制动器安装于第一测试用轮胎上，用于实时控制该第一测试用轮胎的滑移率；第二制动器安装于第二测试用轮胎上，用于实时控制该第二测试用轮胎的滑移率；第一转速传感器安装于第一试用轮胎上，用于测量该第一测试用轮胎的角速度；第二转速传感器安装于第二试用轮胎上，用于测量该第二测试用轮胎的角速度；第三转速传感器安装于承载单元的转轴上，用于测量承载单元的转速；压力传感器安装于加载单元上，用于测量施加给第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的压力；第一拉力传感器用于测量作用于第一测试用轮胎的拉力，第二拉力传感器用于测量作用于第二测试用轮胎的拉力；以及

所述数据采集单元用于对全部传感器的测试数据进行实时采集并且进行记录。

根据本发明所述的装置，优选地，所述驱动单元包括电机、减速器和变频器，电机通过齿轮与减速器进行动力传递，变频器用于改变电机的转速，进而控制所述承载单元的转速。

根据本发明所述的装置，优选地，所述的承载单元包括承载盘和承重板；所述承载盘位于承重板上方；所述承载盘用于承载路面材料试件。

根据本发明所述的装置，优选地，所述加载单元包括加压活塞和加载横杆；所述加压活塞安装于所述加载横杆的上方，所述压力传感器设置在所述加压活塞与所述加载横杆之间。

根据本发明所述的装置，优选地，所述第一测试用轮胎和第二测试用轮胎对称设置在所述加载横杆的下方。

根据本发明所述的装置，优选地，所述的装置满足以下条件之一：

所述第一制动器和第二制动器均为盘式制动器；

所述第一转速传感器、第二转速传感器和第三转速传感器均为霍尔传感器；

所述第一制动器和第二制动器的驱动方式为电磁驱动或液压驱动。

根据本发明所述的装置，优选地，还包括第一拉力传感器固定装置和第二拉力传感器固定装置；所述第一拉力传感器固定装置设置有第一空腔，以使得在第一测试用轮胎运动过程中第一拉力传感器的中心与第一测试用轮胎的中心保持平行；所述第二拉力传感器固定装置设置有第二空腔，以使得在第二测试用轮胎运动过程中第二拉力传感器的中心与第二测试用轮胎的中心保持平行。

本发明还提供利用上述装置进行路面材料摩擦性能测试的方法，包括以下步骤：

(1)将路面材料试件固定于所述承载单元上，通过驱动单元驱动所述承载单元进行转动，从而使得所述路面材料试件进行转动；

(2)通过加载单元对第一测试用轮胎和第二测试用轮胎施以荷载，以使第一测试用轮胎和第二测试用轮胎均与所述路面材料试件接触，进而使得第一测试用轮胎和第二测试用轮胎运动；

(3)采用第一转速传感器测量第一测试用轮胎的角速度ω_L1，采用第二转速传感器测量第二测试用轮胎的角速度ω_L2，当ω_L1－ω_L2在0～π/36弧度/秒时，将(ω_L1+ω_L2)/2作为测试用轮胎的平均角速度ω_L；采用第三转速传感器测量所述承载单元的转速ω₀，利用如下公式计算滑移率s：

$s=\frac{u-v}{u}=\frac{R\·{\mathrm{\ω}}_0-r\·{\mathrm{\ω}}_L}{R\·{\mathrm{\ω}}_0}=1-\frac{r}{R}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_L}{{\mathrm{\ω}}_0}$

式中，s为测试用轮胎与路面材料试件之间的滑移率，u为路面材料试件与测试用轮胎的接触点的线速度，ν为测试用轮胎的轮缘线速度，r为测试用轮胎的半径；R为测试用轮胎与路面材料试件的接触点的旋转半径，ω₀为测试用轮胎与路面材料试件的接触点的旋转角速度、即承载单元的转速，ω_L为测试用轮胎的平均角速度，下标1和2分别表示第一测试用轮胎和第二测试用轮胎；

(4)采用第一制动器和第二制动器分别控制第一测试用轮胎的角速度ω_L1和第二测试用轮胎的角速度ω_L2，以使得滑移率s控制至期望值s_i；然后采用压力传感器测量第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的压力N_i，采用第一拉力传感器和第二拉力传感器测量第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的摩擦力F_i，根据如下公式获得测试用轮胎与路面材料试件之间的摩擦系数μ_i：

μ_i＝F_i/N_i，其中，i为自然数；

(5)改变滑移率s_i，重复步骤(4)，获得不同滑移率时的摩擦系数μ_i，绘制摩擦系数μ随滑移率s变化的曲线μ＝f(s)。

根据本发明所述的方法，优选地，所述承载单元的转速为3.25～16.6转/秒，所述加载单元施加的荷载为0～90kgf。

根据本发明所述的方法，优选地，所述第一测试用轮胎和第二测试用轮胎均为充气轮胎，其胎压均为2～3kgf/cm²。

采用本发明的路面材料摩擦性能测试装置及方法，可以实时控制轮胎滑移率，能够实现对路面材料摩擦性能的准确模拟及测试。此外，根据本发明优选的实施方案，本发明能够评价可变荷载、速度(轮胎角速度及线速度)、压力等关键因素对路面材料抗滑性能的影响，能够进行全天候连续测试，测试结果较为精确，精度能达到所测受力的万分之三，并且测试结果稳定性好。

附图说明

图1为本发明的路面材料摩擦性能测试装置的结构示意图。

附图标记说明：

11-第一测试用轮胎；12-第二测试用轮胎；2-路面材料试件；3-承载盘；4-承重板；5-电机；6-加压活塞；7-加载横杆；81-第一制动器；82-第二制动器；83-第一转速传感器；84-第二转速传感器；85-第三转速传感器；86-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在本发明中，“滑移率”表示测试用轮胎接触点的线速度u减去车轮轮缘线速度ν所得之差与测试用轮胎接触点的线速度u的比值。

在本发明中，“转速”表示旋转体(本发明中例举了测试用轮胎和承载单元)的旋转速度，可用线速度、角速度或单位时间(分钟、秒等)内的转动圈数进行表征。

在本发明中，“对称设置”表示第一测试用轮胎和第二测试用轮胎相对于加载横杆的中心而言位于该加载横杆的对称两端。

<路面材料摩擦性能测试装置>

本发明中，路面材料摩擦性能测试装置包括第一测试用轮胎、第二测试用轮胎、承载单元、驱动单元、加载单元、轮胎制动控制与测试单元以及数据采集单元。为了模拟真实的车辆行驶状况，本发明的装置还可以包括第三测试用轮胎和/或第四测试用轮胎。

本发明的测试用轮胎可以为充气轮胎。其胎压可以为2～3kgf/cm²，优选为2.3～2.6kgf/cm²，更优选为2.5±0.1kgf/cm²。本发明的测试用轮胎的实例包括但不限于青岛金良专用车辆有限公司生产的充气轮胎(直径150mm、轮宽30mm、外胎花纹为块状、最大负荷100kg、最大气压30PSI)。在本发明中，通过加载单元对第一测试用轮胎和第二测试用轮胎施以荷载，以使第一测试用轮胎和第二测试用轮胎均与所述路面材料试件接触，进而使得第一测试用轮胎和第二测试用轮胎运动。因此，根据本发明的一个具体实施方式，第一测试用轮胎、第二测试用轮胎不另设驱动单元。

本发明的承载单元位于驱动单元与第一测试用轮胎、第二测试用轮胎之间，用于承载路面材料试件。根据本发明的一个具体实施方式，所述的承载单元包括承载盘和承重板；所述承载盘位于承重板上方；所述承载盘用于承载路面材料试件。在承载盘和承重板之间设置有轴承，以保证承载盘转动时承重板保持静止状态。作为优选，承载盘上设置试件固定单元，以使得将路面材料试件固定在承载盘上。本发明的试件固定单元可以采用本领域已知的那些，例如螺栓固定，这里不再赘述。

本发明的路面材料试件亦称为车辙板试件，利用车辙板成型仪对沥青混合料(包括沥青、集料、矿粉和纤维等物质)进行成型加工而得，一般经拌合、压实等工序，测试时其取样大小一般为300×300×50mm。

本发明的驱动单元用于驱动所述承载单元进行运动。本发明的驱动单元可以包括电机、减速器和变频器，电机通过齿轮与减速器进行动力传递，变频器用于改变电机的转速，进而控制所述承载单元的转速。如果电机本身为变频电机，也可省去变频器。减速器的减速比可根据所传递的动力、速度要求而适当设定。在本发明中，所述电机可以安装于承重板下方，固定于一块竖向钢板上。所述电机通过位于承重板下方的齿轮与减速器、变频器传动，并将动力传至承载盘。本发明的变频器可以采用上海亚泰仪表有限公司生产YTA通用变频器。根据本发明的一个具体实施方式，电机初始转速可以为24转/秒，通过减速比为2：1的减速机将其将至12转/秒，然后再通过变频器改变实际旋转速度。

本发明的加载单元位于第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的上方，用于施加荷载于第一测试用轮胎和第二测试用轮胎。本发明的加载单元包括加压活塞和加载横杆；所述加压活塞安装于所述加载横杆的上方，所述加压活塞与所述加载横杆之间设置有压力传感器。根据本发明的一个优选实施方式，所述第一测试用轮胎和第二测试用轮胎对称设置在所述加载横杆的下方。在本发明中，加载单元还可以包括由液压动力机构和液压反馈机构组成的闭环电液伺服控制系统，其能够实现对荷载压力的精确控制。本发明通过变换外部液压、轮胎胎压，并结合轮胎-路面实际接触面积的测量，最终可以实现测试用轮胎的接地压强的调控，例如控制在0.03～1.2MPa。

本发明的轮胎制动控制与测试单元包括第一制动器、第二制动器、第一转速传感器、第二转速传感器、第三转速传感器、压力传感器、第一拉力传感器和第二拉力传感器。在测试用轮胎数量增加的情况下，本发明的轮胎制动控制与测试单元还可以包括另设的制动器、另设的转速传感器。

本发明的第一制动器安装于第一测试用轮胎上，用于实时控制该第一测试用轮胎的滑移率；第二制动器安装于第二测试用轮胎上，用于实时控制该第二测试用轮胎的滑移率。本发明的第一制动器和第二制动器并没有特别限制。所述第一制动器和第二制动器均为鼓式制动器或盘式制动器，优选为盘式制动器。所述第一制动器和第二制动器的驱动方式可以为电磁驱动或液压驱动，优选为电磁驱动。

本发明的第一转速传感器安装于第一试用轮胎上，用于测量该第一测试用轮胎的角速度；第二转速传感器安装于第二试用轮胎上，用于测量该第二测试用轮胎的角速度；第三转速传感器安装于承载单元的转轴上，用于测量承载单元的转速。作为优选，本发明的所述第一转速传感器、第二转速传感器和第三转速传感器均为霍尔传感器。

本发明的压力传感器安装于加载单元上，用于测量施加给第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的压力；第一拉力传感器用于测量作用于第一测试用轮胎的拉力，第二拉力传感器用于测量作用于第二测试用轮胎的拉力。在本发明中，压力传感器、第一拉力传感器和第二拉力传感器的种类并没有特别的限定，可以采用本领域常规的那些。例如，第一拉力传感器和第二拉力传感器可以采用量程200kg、精度0.03％F·S的CFBLSM型拉力传感器。

本发明的装置还包括第一拉力传感器固定装置和第二拉力传感器固定装置。所述第一拉力传感器固定装置设置有第一空腔，以使得在第一测试用轮胎运动过程中第一拉力传感器的中心与第一测试用轮胎的中心保持平行；所述第二拉力传感器固定装置设置有第二空腔，以使得在第二测试用轮胎运动过程中第二拉力传感器的中心与第二测试用轮胎的中心保持平行。当测试用轮胎采用充气轮胎时，当其承受荷载后轮胎会发生形变，轮胎中心高度会随之降低；每次试验结束后，两侧测试用轮胎会产生细微位移。为了保证拉力传感器(包括第一和第二拉力传感器)中心始终处与测试用轮胎中心平行，可以在拉力传感器一侧固定板上凿出高度约30mm的竖向槽，而在另一侧固定板上凿出宽度约为20mm的横向槽，从而使拉力传感器整体可在竖向及横向两个方向上具有一定的自由度。

本发明的数据采集单元用于对全部传感器的测试数据进行实时采集并且进行记录。全部传感器包括但不限于第一转速传感器、第二转速传感器、第三转速传感器、压力传感器、第一拉力传感器和第二拉力传感器。

<路面材料摩擦性能测试方法>

本发明还提供利用上述装置进行路面材料摩擦性能测试的方法。本发明的步骤(1)为：将路面材料试件固定于承载单元上，通过驱动单元驱动承载单元进行转动，从而使得路面材料试件进行转动。将路面材料试件固定于承载单元上的固定方式并没有特别限制，可以采用本领域常用的那些。驱动单元及其驱动方式如前所述，这里不再赘述。

本发明的步骤(2)为：通过加载单元对第一测试用轮胎和第二测试用轮胎施以荷载，以使第一测试用轮胎和第二测试用轮胎均与路面材料试件接触，进而使得第一测试用轮胎和第二测试用轮胎运动。因此，本发明的第一测试用轮胎、第二测试用轮胎可以不另设驱动单元。

本发明的步骤(3)为：采用第一转速传感器测量第一测试用轮胎的角速度ω_L1，采用第二转速传感器测量第二测试用轮胎的角速度ω_L2，当ω_L1－ω_L2为0～π/36弧度/秒时，将(ω_L1+ω_L2)/2作为测试用轮胎的平均角速度ω_L；采用第三转速传感器测量承载单元的转速ω₀，利用如下公式计算滑移率s：

$s=\frac{u-v}{u}=\frac{R\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0-r\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_L}{R\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0}=1-\frac{r}{R}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&omega;}}_L}{{\mathrm{\&omega;}}_0}$

式中，s为测试用轮胎与路面材料试件之间的滑移率，u为路面材料试件与测试用轮胎的接触点的线速度(用以模拟车辆行进速度)，ν为测试用轮胎的轮缘线速度，r为测试用轮胎的半径；R为测试用轮胎与路面材料试件的接触点的旋转半径，ω₀为测试用轮胎与路面材料试件的接触点的旋转角速度、即承载单元的转速，ω_L为测试用轮胎的平均角速度，下标1和2分别表示第一测试用轮胎和第二测试用轮胎。

由上式可知，在r、R固定的情况下，测出ω_L和ω₀，就可以得出滑移率s。在u(即ω₀)给定的情况下，通过制动器来控制ω_L就可以将使测试用车轮处于期望的滑移状态(s)。

为了保证滑移率s的准确性，当ω_L1－ω_L2为0～π/36弧度/秒、优选为0～π/72弧度/秒、更优选为0～π/180弧度/秒时，才开始测试，并将(ω_L1+ω_L2)/2作为测试用轮胎的平均角速度ω_L。

本发明的步骤(4)为：采用第一制动器和第二制动器分别控制第一测试用轮胎的角速度ω_L1和第二测试用轮胎的角速度ω_L2，以使得滑移率s控制至期望值s_i；然后采用压力传感器测量第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的压力N_i，采用第一拉力传感器和第二拉力传感器测量第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的摩擦力F_i，根据如下公式获得测试用轮胎与路面材料试件之间的摩擦系数μ_i：

μ_i＝F_i/N_i，其中，i为自然数。

如果采用第一拉力传感器测量的第一测试用轮胎摩擦力F_i1与采用第二拉力传感器测量的第二测试用轮胎的摩擦力F_i2差别较大，则说明两个测试用轮胎未处于对称位置或安装有两个测试用轮胎的加载横杆未保持水平，应及时修正。将(F_i1+F_i2)/2作为第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的摩擦力F_i。由于拉力传感器误差与量程相关，本发明优选采用20N量程的传感器。

本发明的步骤(5)为：改变滑移率s_i，重复步骤(4)，获得不同滑移率时的摩擦系数μ_i，绘制摩擦系数μ随滑移率s变化的曲线μ＝f(s)。上述曲线给出了不同滑移率时的摩擦系数，更加接近真实路况下的轮胎与路面的动态摩擦行为，且实现了路面材料在已知给定滑移率下的测试，因此对路面抗滑性能的评价也更为准确。

为了保证装置运行的稳定性和测试精确度，承载单元的转速可以控制在3.25～16.6转/秒，优选为5～10转/秒；加载单元施加的荷载可以控制在0～90kgf；测试用轮胎的胎压控制在2～3kgf/cm²。

实施例1

图1为本发明的路面材料摩擦性能测试装置的结构示意图。如图1所示，本发明的路面材料摩擦性能测试装置包括第一测试用轮胎11、第二测试用轮胎12、承载单元、驱动单元、加载单元、轮胎制动控制与测试单元以及数据采集单元。

本发明的承载单元位于驱动单元与第一测试用轮胎11、第二测试用轮胎12之间，用于承载路面材料试件2。其中，承载单元包括承载盘3和承重板4，承载盘3位于承重板4上方，路面材料试件2固定在承载盘3上。

本发明的驱动单元用于驱动承载单元进行运动，其包括电机5、减速器和变频器(图中未示出)。电机5通过齿轮(图中未示出)与减速器进行动力传递，变频器用于改变电机5的转速，进而控制承载单元以及路面材料试件2的转速。电机5为普通电机、即不带变频器的电机，其初始转速选为24转/秒，减速器的减速比为2:1。

本发明的加载单元位于第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12的上方，用于施加荷载于第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12。加载单元包括加压活塞6和加载横杆7，加压活塞6安装于加载横杆7的上方，压力传感器86设置在加压活塞6与加载横杆7之间。

本发明的轮胎制动控制与测试单元包括第一制动器81、第二制动器82、第一转速传感器83、第二转速传感器84、第三转速传感器85、压力传感器86、第一拉力传感器和第二拉力传感器(图中未示出)。第一制动器81安装于第一测试用轮胎11上，用于实时控制第一测试用轮胎11的滑移率；第二制动器82安装于第二测试用轮胎12上，用于实时控制第二测试用轮胎12的滑移率；第一转速传感器83安装于第一试用轮胎11上，用于测量第一测试用轮胎11的角速度；第二转速传感器84安装于第二试用轮胎12上，用于测量第二测试用轮胎12的角速度；第三转速传感器85安装于承载单元的转轴上，用于测量承载单元的转速；压力传感器86安装于加载单元上，用于测量施加给第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12的压力；第一拉力传感器用于测量作用于第一测试用轮胎11的摩擦力，第二拉力传感器用于测量作用于第二测试用轮胎12的摩擦力。

此外，本发明的装置还包括数据采集单元(图中未示出)，用于对全部传感器的测试数据进行实时采集并且进行记录。

本实施例中，为了能实时控制测试用轮胎的滑移率，第一制动器81和第二制动器82选用盘式制动器，其驱动方式选用电磁驱动。另外，为了能测出测试用轮胎、承载盘的旋转速度，第一转速传感器83、第二转速传感器84、第三转速传感器85均选用霍尔传感器。第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12均为充气轮胎，其胎压为2.5±0.1kgf/cm²。路面材料试件2的尺寸为300×300×50mm。

实施例2

除了将实施例1中的第一制动器81和第二制动器82由盘式制动器替换为鼓式制动器之外，其余部件和参数与实施例1相同。

实施例3

除了将实施例1中的电机5替换为变频电机并省去变频器之外，其余部件和参数与实施例1相同。

实施例4

除了将实施例1中的制动器驱动方式由电磁驱动替换为液压驱动之外，其余部件和参数与实施例1相同。

实施例5

本发明的路面材料摩擦性能测试方法包括以下步骤：

(1)将路面材料试件2(尺寸为300×300×50mm)通过螺栓固定于承载单元的承载盘3上，启动驱动单元的电机5，通过承重板4下方的齿轮与减速器进行动力传递，变频器用于改变电机5的转速，进而控制承载单元以及路面材料试件2的转速。电机5的初始转速选为24转/秒，减速器的减速比为2:1。

(2)加载单元的加压活塞6施加载荷，并通过加载横杆7施加至第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12(二者的胎压为2.5±0.1kgf/cm²)，以使它们均与路面材料试件2接触，进而使得第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12运动；

(3)采用第一转速传感器83测量第一测试用轮胎11的角速度ω_L1，采用第二转速传感器84测量第二测试用轮胎12的角速度ω_L2，当ω_L1－ω_L2小于π/72弧度/秒时，将(ω_L1+ω_L2)/2作为测试用轮胎的平均角速度ω_L；采用第三转速传感器85测量承载单元的转速ω₀。利用如下公式计算滑移率s：

$s=\frac{u-v}{u}=\frac{R\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0-r\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_L}{R\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0}=1-\frac{r}{R}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&omega;}}_L}{{\mathrm{\&omega;}}_0}$

(4)采用第一制动器81和第二制动器82控制第一测试用轮胎11的角速度ω_L1和第二测试用轮胎12的角速度ω_L2，以使得滑移率s控制至期望值s_i；然后采用压力传感器86测量第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12的压力N_i。采用第一拉力传感器(图中未示出)测量第一测试用轮胎摩擦力F_i1；采用第二拉力传感器(图中未示出)测量第二测试用轮胎的摩擦力F_i2。当二者差别较大时调整第一测试用轮胎11和第二测试用轮胎12的对称位置以及水平位置。将(F_i1+F_i2)/2作为第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的摩擦力F_i。

根据如下公式获得测试用轮胎与路面材料试件2之间的摩擦系数μ_i：

μ_i＝F_i/N_i，其中，i为自然数，(i＝1，2，3，4，5，6……)。

(5)改变滑移率s_i，重复步骤(4)，获得不同滑移率时的摩擦系数μ_i，绘制摩擦系数μ随滑移率s变化的曲线μ＝f(s)。

在上述步骤中，承载单元的转速为3.25～16.6转/秒，加载单元施加的荷载为0～90kgf。

实施例6～8

除了采用实施例2～4的装置之外，其余部件和参数与实施例5相同。

在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种路面材料摩擦性能测试装置，其特征在于，该装置包括第一测试用轮胎、第二测试用轮胎、承载单元、驱动单元、加载单元、轮胎制动控制与测试单元以及数据采集单元；

承载单元位于驱动单元与第一测试用轮胎、第二测试用轮胎之间，用于承载路面材料试件；驱动单元用于驱动所述承载单元进行运动；加载单元位于第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的上方，用于施加荷载于第一测试用轮胎和第二测试用轮胎；

所述轮胎制动控制与测试单元包括第一制动器、第二制动器、第一转速传感器、第二转速传感器、第三转速传感器、压力传感器、第一拉力传感器和第二拉力传感器；第一制动器安装于第一测试用轮胎上，用于实时控制该第一测试用轮胎的滑移率；第二制动器安装于第二测试用轮胎上，用于实时控制该第二测试用轮胎的滑移率；第一转速传感器安装于第一试用轮胎上，用于测量该第一测试用轮胎的角速度；第二转速传感器安装于第二试用轮胎上，用于测量该第二测试用轮胎的角速度；第三转速传感器安装于承载单元的转轴上，用于测量承载单元的转速；压力传感器安装于加载单元上，用于测量施加给第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的压力；第一拉力传感器用于测量作用于第一测试用轮胎的拉力，第二拉力传感器用于测量作用于第二测试用轮胎的拉力；以及

所述数据采集单元用于对全部传感器的测试数据进行实时采集并且进行记录。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的承载单元包括承载盘和承重板；所述承载盘位于承重板上方；所述承载盘用于承载路面材料试件。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述驱动单元包括电机、减速器和变频器，电机通过齿轮与减速器进行动力传递，变频器用于改变电机的转速，进而控制所述承载单元的转速。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述加载单元包括加压活塞和加载横杆；所述加压活塞安装于所述加载横杆的上方，所述压力传感器设置在所述加压活塞与所述加载横杆之间。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一测试用轮胎和第二测试用轮胎对称设置在所述加载横杆的下方。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置满足以下条件之一：

所述第一制动器和第二制动器均为盘式制动器；

所述第一转速传感器、第二转速传感器和第三转速传感器均为霍尔传感器；

所述第一制动器和第二制动器的驱动方式为电磁驱动或液压驱动。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括第一拉力传感器固定装置和第二拉力传感器固定装置；所述第一拉力传感器固定装置设置有第一空腔，以使得在第一测试用轮胎运动过程中第一拉力传感器的中心与第一测试用轮胎的中心保持平行；所述第二拉力传感器固定装置设置有第二空腔，以使得在第二测试用轮胎运动过程中第二拉力传感器的中心与第二测试用轮胎的中心保持平行。

8.利用权利要求1～7任一项所述的装置进行路面材料摩擦性能测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将路面材料试件固定于所述承载单元上，通过驱动单元驱动所述承载单元进行转动，从而使得所述路面材料试件进行转动；

(2)通过加载单元对第一测试用轮胎和第二测试用轮胎施以荷载，以使第一测试用轮胎和第二测试用轮胎均与所述路面材料试件接触，进而使得第一测试用轮胎和第二测试用轮胎运动；

(3)采用第一转速传感器测量第一测试用轮胎的角速度ω_L1，采用第二转速传感器测量第二测试用轮胎的角速度ω_L2，当ω_L1－ω_L2在0～π/36弧度/秒时，将(ω_L1+ω_L2)/2作为测试用轮胎的平均角速度ω_L；采用第三转速传感器测量所述承载单元的转速ω₀，利用如下公式计算滑移率s：

$s=\frac{u-v}{u}=\frac{R\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0-r\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_L}{R\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0}=1-\frac{r}{R}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&omega;}}_L}{{\mathrm{\&omega;}}_0}$

式中，s为测试用轮胎与路面材料试件之间的滑移率，u为路面材料试件与测试用轮胎的接触点的线速度，ν为测试用轮胎的轮缘线速度，r为测试用轮胎的半径；R为测试用轮胎与路面材料试件的接触点的旋转半径，ω₀为测试用轮胎与路面材料试件的接触点的旋转角速度、即承载单元的转速，ω_L为测试用轮胎的平均角速度，下标1和2分别表示第一测试用轮胎和第二测试用轮胎；

(4)采用第一制动器和第二制动器分别控制第一测试用轮胎的角速度ω_L1和第二测试用轮胎的角速度ω_L2，以使得滑移率s控制至期望值s_i；然后采用压力传感器测量第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的压力N_i，采用第一拉力传感器和第二拉力传感器分别测量第一测试用轮胎和第二测试用轮胎的摩擦力F_i，根据如下公式获得测试用轮胎与路面材料试件之间的摩擦系数μ_i：

μ_i＝F_i/N_i，其中，i为自然数；

(5)改变滑移率s_i，重复步骤(4)，获得不同滑移率时的摩擦系数μ_i，绘制摩擦系数μ随滑移率s变化的曲线μ＝f(s)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述承载单元的转速为3.25～16.6转/秒，所述加载单元施加的荷载为0～90kgf。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述第一测试用轮胎和第二测试用轮胎均为充气轮胎，其胎压均为2～3kgf/cm²。