CN106225975A - 一种轮胎与路面接触压力的测试装置及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎与路面接触压力的测试装置及测量系统，该测试装置包括压力加载机构、轮胎固定机构和实验路面承载机构；压力加载机构包括施压固定架、施压驱动装置、运动杆以及压块；轮胎固定机构包括轮胎固定架、固定轴；实验路面承载机构设于轮胎固定机构下方，实验路面承载机构包括承载台、可移动的试验路面安装结构，所述试验路面安装结构用于安装有实验路面，所述实验路面与所述轮胎之间设有压力敏感薄膜。该测试装置能够在室内针对不同路面进行轮胎与路面的接触压力的测试，且能真实反映轮胎与路面实际接触压力情况。该测量系统能够获得更准确的接触压力测量结果。

Description

一种轮胎与路面接触压力的测试装置及测量系统

技术领域

本发明涉及道路工程研究技术领域，特别是涉及一种轮胎与路面接触压力的测试装置及测量系统。

背景技术

轮胎接地压力历来都是轮胎制造行业和交通部门所关注的焦点。初期，交通荷载相对较轻，加之轮胎尺寸及材料相对较软等原因，轮胎接地面积呈近似圆形，路面结构力学分析时，为简化计算模型，常常将轮胎接地荷载简化为均布的当量圆形荷载，且被广泛采用。

随着整个社会的进步，无论是轮胎制造行业还是路面结构设计者都注意到，重载交通下，大尺寸轮胎、高轮压(超过0.7MPa)，轮胎花纹的改进甚至于轮胎材料的改善，都导致轮胎接地面积区、压力都明显区别于早期的认识，因此接触界面面积和压力分布的有效检测技术就显得十分关键。

在汽车轮胎制造行业中，通常需要对汽车轮胎进行接地压力分布试验来评价轮胎的使用性能和耐久性能，常用的加载设备有轮胎耐久性转鼓试验机和静态加载试验机，主要通过静态和低速动态加载获得汽车轮胎的下沉量和胎面接触压力分布，该方法局限于测量光滑的接触表面，与真实路面的差别较大。在道路工程研究领域，相关的轮胎接地压力测试设备比较少，通常需要进行载重汽车的现场实地试验，现场试验有着可以反映工程的客观实际情况的优点，但是，现场路面试验的很多缺点也不容忽视：(1)需要封路，影响正常的交通；(2)车辆多，车速快，实验人员人身安全隐患高；(3)难以精确控制试验的工况(如汽车胎压和单轮负荷)；(4)实地测量成本较高。因此有必要开发一种汽车轮胎与真实路面的接触压力的室内测量装置，最大限度地降低工程现场的试验风险和减少不必要的环境因素干扰，提高试验效率和测量精度。

现有的轮胎接地压力测试方法主要有压力板法、压力传感器法、压敏膜法和光吸收法等，目前比较通用也比较成熟的方法是电阻应变式压力传感器法。电阻应变式压力传感器测试法主要为多点测试法，测量精度较低，由于传感器点阵分布，传感器之间存在间隙，使得测试时与轮胎的实际接触面积减少，得到的测量结果会偏大，此外，由于电阻应变式压力传感器不能经受高温高压，而沥青混凝土成型需经过高温高压，因此须在沥青混凝土浇铸之前预留好传感器的位置，待混凝土成型后再将传感器置入，必然会对路面造成破坏，影响路面的真实测量结果。

综上所述，如何提供一种能够精确、真实地测量轮胎与路面的接触压力的测量系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种轮胎与路面接触压力的测试装置及测量系统，该测试装置能够在室内针对不同路面进行轮胎与路面的接触压力的测试，且能真实反映轮胎与路面实际接触压力情况。该测量系统能够获得更准确的接触压力测量结果。

为实现上述目的，本发明提供了一种轮胎与路面接触压力的测试装置，包括压力加载机构、轮胎固定机构和实验路面承载机构；

所述压力加载机构包括施压固定架，连接于所述施压固定架上的施压驱动装置、与所述驱动装置连接且由所述驱动装置驱动的运动杆以及设于所述运动杆底端的压块；

所述轮胎固定机构包括与所述压块底部相连接的轮胎固定架，所述轮胎固定架上设有固定轴，所述固定轴用于安装与所述固定轴同轴的轮胎；

所述实验路面承载机构设于所述轮胎固定机构下方，所述实验路面承载机构包括承载台，所述承载台上表面设有可移动的试验路面安装结构，所述试验路面安装结构用于安装实验路面，所述实验路面上表面设有压力敏感薄膜。

可选的，所述施压固定架包括两竖直设置的立柱和一水平设置的横梁，两所述立柱的顶端分别与横梁的两端相连接。

可选的，所述施压驱动装置包括上夹板、下夹板和作动器，所述上夹板设于所述横梁上表面，所述下夹板设于所述横梁下表面且与所述上夹板的位置相对应，所述上夹板与所述下夹板通过若干螺杆和若干螺母固定，所述作动器顶部与所述下夹板相连接。

可选的，所述运动杆为丝杆。

可选的，所述轮胎固定架包括两竖直边框和一设于两所述竖直边框顶端的顶框，每一所述竖直边框底端设有一通孔，两个所述通孔相对设置，所述固定轴的两端分别穿过两个所述通孔并分别通过固定螺母固定；所述轮胎与所述竖直边框之间设有限位垫块，所述限位垫块套设于所述固定轴上。

可选的，所述可移动的试验路面安装结构包括设于所述承载台上表面的多条横槽、多条纵槽、若干个限位螺栓和若干个限位螺母；所述横槽和所述纵槽交错设置，所述横槽和所述纵槽为截面形状相同的滑槽，所述滑槽包括设于底部的宽槽和设于顶部的窄槽，所述宽槽和所述窄槽一体连通；所述限位螺栓的螺帽设于所述宽槽内，所述限位螺栓的螺杆由所述窄槽穿出并与所述限位螺母连接。

本发明的另一目的在于提供一种轮胎与路面接触压力的测量系统，该测量系统利用上述的轮胎与路面接触压力的测试装置进行压力测试，并根据压力测试数据获取测试的压力结果。所述测量系统包括压力加载机构、轮胎固定机构、实验路面承载机构和压力测试机构；

所述压力加载机构包括施压固定架，连接于所述施压固定架上的施压驱动装置、与所述驱动装置连接且由所述驱动装置驱动的运动杆以及设于所述运动杆底端的压块；

所述轮胎固定机构包括与所述压块底部相连接的轮胎固定架，所述轮胎固定架上设有固定轴，所述固定轴用于安装与所述固定轴同轴的轮胎；

所述实验路面承载机构设于所述轮胎固定机构下方，所述实验路面承载机构包括承载台，所述承载台上表面设有可移动的试验路面安装结构，所述试验路面安装结构用于安装实验路面，所述实验路面上表面设有压力敏感薄膜；

所述压力测试机构包括压力扫描仪，所述压力扫描仪包括扫描主机、设于所述扫描主机顶部的机盖，所述扫描主机与所述机盖之间设有扫描区。

可选的，所述压力测试机构还包括校正纸，所述校正纸设于所述扫描区。

可选的，所述扫描主机底部设有若干橡胶垫脚。

可选的，所述机盖上设有把手。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的轮胎与路面接触压力的测试装置，通过压力加载机构中的施压驱动装置驱动运动杆运动，进出带动压块上下运动；由于轮胎固定机构中的轮胎固定架与压块相连接，因此轮胎固定机构也会随压块上下运动，实现了轮胎上下运动；而实验路面承载机构的承载台设有实验路面，实验路面与轮胎之间设有压力敏感薄膜，那么轮胎的上下运动也就实现了轮胎对实验路面的压力加载，并且轮胎与实验路面之间的压力分布和压力大小都直接反应到压力敏感薄膜上。该测试装置可以通过控制施压驱动装置驱动力的大小从而控制轮胎对路面的压力大小，轮胎和实验路面的种类可以根据实际需要选择，因此，该测试装置能够获得更准确、更符合客观实际的轮胎与路面的接触压力数据，为后续数据的分析处理提供的更准确的依据。而且，该测试装置结构简单合理，便于安装和拆分，可操作性强，实验操作安全和省力方便。本发明提供的轮胎与路面接触压力的测量系统通过上述测试装置获取了反映接触压力的压力敏感膜，再通过压力扫描仪扫描压力敏感薄膜上颜色密度，并将颜色密度转换为压力值输出，从而实现轮胎与路面接触压力的量化。本发明采用高精度压力敏感膜作为反映接触压力的试件，使得测量精度更高且不会损坏路面构造，能很好检测出道路表面真实的轮胎接地压力。综上，本发明适合室内实验研究，成本低，数据可靠且实用性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的轮胎与路面接触压力的测试装置的结构示意图；

图2为本发明中承载台的俯视图；

图3为由图1的测试装置获得的压电敏感薄膜的实验结果图；

图4为本发明实施例2提供的轮胎与路面接触压力的测量系统中的压力测试机构的结构示意图；

图5为利用本发明实施例2提供的轮胎与路面接触压力的测量系统将图3数值化后的压力结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种提供一种轮胎与路面接触压力的测试装置及测量系统，该测试装置能够在室内针对不同路面进行轮胎与路面的接触压力的测试，且能真实反映轮胎与路面实际接触压力情况。该测量系统能够获得更准确的接触压力测量结果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：图1为本发明实施例1提供的轮胎与路面接触压力的测试装置的结构示意图；图2为本发明中承载台的俯视图；图3为由图1的测试装置获得的压电敏感薄膜的实验结果图。如图1所示，该轮胎与路面接触压力的测试装置包括压力加载机构、轮胎固定机构和实验路面承载机构。

压力加载机构包括施压固定架11，连接于施压固定架11上的施压驱动装置12、与驱动装置12连接且由驱动装置驱动12的运动杆13以及设于运动杆底端的压块14。

具体的，在本实施例中，施压固定架11可以包括两竖直设置的立柱111和一水平设置的横梁112，两立柱111的顶端分别与横梁112的两端相连接。立柱111和横梁112都为钢材，立柱111和横梁112可以通过螺栓113固定连接，螺栓113为规格为M16×80mm。以保证该施压固定框架牢固、稳定，且承受力强。

施压驱动装置12可以包括15mm厚的上夹板121、15mm厚的下夹板122和作动器123，上夹板121设于横梁112上表面，下夹板122设于横梁112下表面且与上夹板121的位置相对应，上夹板121与下夹板122通过若干规格为M20×400mm螺杆124和若干六角螺母125固定，作动器123顶部与下夹板122相连接。通过上夹板和下夹板将作动器固定于横梁上，使作动器牢固设于横梁。作动器123上方设置送油管口1231，下方设置回油管1232，作动器123通过油压进行压力加载，作动器123内部置有压力传感器；作动器123下方的运动杆13可以为丝杆，丝杆的外径为100mm，丝杆底端与压块14通过内置螺栓连接。丝杆的选用可以通过旋进旋出的方式控制压块运动，使压块上下运动速度更稳定，避免突然增大运动幅度而对压力敏感薄膜施压过大，而造成压力敏感薄膜误显示颜色密度的缺陷，从而提高了压力测试精度。

轮胎固定机构包括与压块14底部相连接的轮胎固定架21，轮胎固定架21上设有固定轴22，固定轴22上设有与固定轴22同轴设置的轮胎23。

具体的，在本实施例中，压块14和轮胎固定架121分别内设对应的螺孔，并通过规格为M12×50mm的螺栓连接固定；轮胎固定架21可以包括两竖直边框211和一设于两竖直边框211顶端的顶框212，边框211的长×宽×厚为800×300×60mm，顶框212的长×宽×厚为600×300×60mm，边框211和顶框212通过焊接连接，每一竖直边框211底端设有一通孔213，两个通孔213相对设置，长度为350mm的固定轴22的两端分别穿过两个通孔213并分别通过规格为M80×64mm固定螺母24固定；轮胎23与竖直边框211之间设有长度为100mm的限位垫块25，限位垫块25套设于固定轴22上。限位垫块的设置能够保证不同类型的轮胎竖直对称轴与丝杆的中心轴在同一直线上，保证施压的位置准确无误，使单轮负荷更符合实际车辆行驶时对路面的压力；同时避免了单轮倾斜而出现的压力分布不符合实际的问题，从而提高了接触压力获取的精度。在实验过程中，需要调整轮胎23、轮胎固定架21、压块14、丝杆13、作动器123、横梁112的竖直中心线重合，以保证施压的位置准确，进而保证测得的接触压力准确。

实验路面承载机构设于轮胎固定机构正下方，实验路面承载机构包括承载台31，承载台31上表面设有可移动的试验路面安装结构32，试验路面安装结构32上安装有实验路面(图1中未示出)，实验路面与轮胎23之间设有长×宽为270×270mm压力敏感薄膜(图1中未示出)。

具体的，图2所示，在本实施例中，可移动的试验路面安装结构32可以包括设于长×宽×高为800×800×800mm的承载台31上表面的多条横槽321、多条纵槽322、若干个规格为M12×100mm限位螺栓323和若干个限位螺母324；横槽321和纵槽322交错设置，横槽321和纵槽322为截面形状相同的滑槽(如图1所示)，滑槽包括设于底部的宽槽325和设于顶部的窄槽326，宽槽325和窄槽326一体连通；限位螺栓323的螺帽设于宽槽325内，限位螺栓323的螺杆由窄槽326穿出并与限位螺母324连接。在实验中，根据实验路面的大小可以通过旋松限位螺母，使限位螺栓在横槽或纵槽中移动，利用限位螺栓能够限定出实验路面的固定区域，将实验路面放置在该区域并通过旋紧限位螺母324的方式加紧实验路面的边缘，以达到可以根据实验路面的类型进行实验的目的。并且该固定区域还能防止实验路面在实验过程中移位，进而提高实验数据获取的准确性。

通过上述测试装置获得的压力敏感薄膜的实验结果如图3所示，本实施例中采用的压力敏感薄膜为双层结构，一层涂有微囊生色物质，另一层涂有显色物质，压力的水平通过色彩变化的密度显示出来，为了保证接触应力的准确，薄膜受压时间至少2min。本实施例中，压力敏感薄膜总厚度为0.18mm，放置在轮胎和实验路面之间不会改变轮胎的接触特性，受试验环境和测量因素的影响小，测量精度达到0.016mm²。本实施例中，压力敏感薄膜的原理如下：

接触界面的压力分布可定义为一个二维函数f(x，y)，其中x和y是空间接触点坐标(以压力敏感薄膜测量精度为单点间隔)，在任何一对空间坐标(x，y)上的幅值f为该点的接触应力值，则有：

$f(x,y)=\left[\begin{array}{ccc}f(0,0)& ...& f(0,N)\\ ...& ...& ...\\ f(M,0)& ...& f(M,N)\end{array}\right].$

根据该原理，本发明还提供了一种轮胎与路面接触压力的测量系统，参见实施例2。

实施例2：如图1和2所示，图2为本发明实施例2中的压力测试机构的结构示意图。该轮胎与路面接触压力的测量系统是利用实施例1的轮胎与路面接触压力的测试装置进行压力测试，并根据压力测试数据获取测试的压力结果。与实施例1不同是是，该轮胎与路面接触压力的测量系统还包括压力测试机构，该压力测试机构包括压力扫描仪41，压力扫描仪41包括扫描主机411、设于扫描主机411的顶部的机盖412，机盖412上设有把手415，扫描主机411与机盖412之间设有扫描区413。

具体的，在本实施例中，该压力测试机构还可以包括校正纸42，校正纸42设于扫描区413。扫描主机411的底部设有若干橡胶垫脚414。

利用本发明进行实验的流程如下：

1)选择合适的汽车轮胎23，装配到固定轴22上，选择合适宽度的限位垫块调整好轮胎23的中心位置，将轮胎固定架21上的通孔套在固定轴的两端，通过拧紧固定螺母24将轮胎23固定在轮胎固定架21上；

2)将组装好轮胎的轮胎固定架21通过螺栓固定在压块14上；

3)将不同实验路面放置在承载台31正中间，通过限位螺母324与限位螺栓323夹紧实验路面，将压力敏感薄膜放置实验路面的上表面；

4)开启压力加载机构，使轮胎23与实验路面接触获得接触压力；

5)静载放置2min，卸荷，提升轮胎23，取出压力敏感薄膜，在干燥无紫外线环境中放置4h；

6)待压力敏感薄膜上的化学物质充分反应稳定后，使用压力扫描仪把薄膜上的颜色密度转换为压力值并输出，如图5所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种轮胎与路面接触压力的测试装置，其特征在于，包括压力加载机构、轮胎固定机构和实验路面承载机构；

所述压力加载机构包括施压固定架，连接于所述施压固定架上的施压驱动装置、与所述驱动装置连接且由所述驱动装置驱动的运动杆以及设于所述运动杆底端的压块；

所述轮胎固定机构包括与所述压块底部相连接的轮胎固定架，所述轮胎固定架上设有固定轴，所述固定轴用于安装与所述固定轴同轴的轮胎；

所述实验路面承载机构设于所述轮胎固定机构下方，所述实验路面承载机构包括承载台，所述承载台上表面设有可移动的试验路面安装结构，所述试验路面安装结构用于安装实验路面，所述实验路面上表面设有压力敏感薄膜。

2.根据权利要求1所述的轮胎与路面接触压力的测试装置，其特征在于，所述施压固定架包括两竖直设置的立柱和一水平设置的横梁，两所述立柱的顶端分别与横梁的两端相连接。

3.根据权利要求2所述的轮胎与路面接触压力的测试装置，其特征在于，所述施压驱动装置包括上夹板、下夹板和作动器，所述上夹板设于所述横梁上表面，所述下夹板设于所述横梁下表面且与所述上夹板的位置相对应，所述上夹板与所述下夹板通过若干螺杆和若干螺母固定，所述作动器顶部与所述下夹板相连接。

4.根据权利要求1或3所述的轮胎与路面接触压力的测试装置，其特征在于，所述运动杆为丝杆。

5.根据权利要求1所述的轮胎与路面接触压力的测试装置，其特征在于，所述轮胎固定架包括两竖直边框和一设于两所述竖直边框顶端的顶框，每一所述竖直边框底端设有一通孔，两个所述通孔相对设置，所述固定轴的两端分别穿过两个所述通孔并分别通过固定螺母固定；所述轮胎与所述竖直边框之间设有限位垫块，所述限位垫块套设于所述固定轴上。

6.根据权利要求1所述的轮胎与路面接触压力的测试装置，其特征在于，所述可移动的试验路面安装结构包括设于所述承载台上表面的多条横槽、多条纵槽、若干个限位螺栓和若干个限位螺母；所述横槽和所述纵槽交错设置，所述横槽和所述纵槽为截面形状相同的滑槽，所述滑槽包括设于底部的宽槽和设于顶部的窄槽，所述宽槽和所述窄槽一体连通；所述限位螺栓的螺帽设于所述宽槽内，所述限位螺栓的螺杆由所述窄槽穿出并与所述限位螺母连接。

7.一种轮胎与路面接触压力的测量系统，其特征在于，包括压力加载机构、轮胎固定机构、实验路面承载机构和压力测试机构；

所述压力加载机构包括施压固定架，连接于所述施压固定架上的施压驱动装置、与所述驱动装置连接且由所述驱动装置驱动的运动杆以及设于所述运动杆底端的压块；

所述轮胎固定机构包括与所述压块底部相连接的轮胎固定架，所述轮胎固定架上设有固定轴，所述固定轴用于安装与所述固定轴同轴的轮胎；

所述实验路面承载机构设于所述轮胎固定机构下方，所述实验路面承载机构包括承载台，所述承载台上表面设有可移动的试验路面安装结构，所述试验路面安装结构用于安装实验路面，所述实验路面上表面设有压力敏感薄膜；

所述压力测试机构包括压力扫描仪，所述压力扫描仪包括扫描主机、设于所述扫描主机顶部的机盖，所述扫描主机与所述机盖之间设有扫描区。

8.根据权利要求1所述的轮胎与路面接触压力的测量系统，其特征在于，所述压力测试机构还包括校正纸，所述校正纸设于所述扫描区。

9.根据权利要求1所述的轮胎与路面接触压力的测量系统，其特征在于，所述扫描主机底部设有若干橡胶垫脚。

10.根据权利要求1所述的轮胎与路面接触压力的测量系统，其特征在于，所述机盖上设有把手。