CN110160810B - 室内多种工况下轮胎滚阻测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述室内多种工况下轮胎滚阻测试方法，提出基于多路复杂工况下实施滚阻测试的新方法，即基于轮胎六分力检测装备、在转鼓实验机上实现复杂工况下轮胎滚动阻力的实验与测试，从而建立出新的滚阻测试公式与方法，为轮胎滚动阻力的系统研究提供有力的技术支撑。在轮胎处于侧偏、侧倾稳态运动时，滚动阻力F_R采用能量损失进行表征，表达式如下所示。

Description

室内多种工况下轮胎滚阻测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于模拟多种路面转鼓装置进行轮胎滚阻测试的装置及其方法，属于橡胶机械与工业自动化领域。

背景技术

目前应用于航空、道路交通等领域的橡胶轮胎，在其出厂投入使用之前均需进行多种项目检测与实验，诸如磨耗、滚阻与湿滑性能等实验项目。轮胎具有黏弹性、大变形、非线性等特征，材料性能与应变、温度、频率、老化时间又非常相关，产品性能受到外在因素、使用条件(如负荷、速度、气压、车型、轮位等)的差异影响较为直接、明显，按照通常装车路试的检测方法，实验周期较长、成本高、且多个实验条件无法同时实现而难以实现详细、系统的数据跟踪，实验结果难以反映真实的性能参数指标。

汽车油耗的20％以上来自于轮胎的滚动阻力，由于橡胶的黏弹性导致其主要制品轮胎在滚动过程中一部分机械能转化为热能，造成能量损失。单位距离的能量损失定义为轮胎的滚动阻力，滚动阻力对于车辆的燃油经济性具有重要的影响。轮胎滚动阻力的研究受到轮胎产业及汽车厂商的高度重视。

影响轮胎滚动阻力的因素来自多个层面，除轮胎本身设计制造外，道路曲率、路面的类别及粗糙度，轮胎的加速、制动及侧偏、转向等运行姿态的变化，以及轮胎的气压、负荷等均会对滚动阻力造成影响。目前轮胎滚动阻力的测试方法主要执行ISO18164-2005，ISO28580-2009标准，通常采用测力法。由于测试条件相对地较为单一，更多地是用于认证需求，无法真正满足复杂条件下轮胎滚动阻力研究需求。

有鉴于此特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述室内多种工况下轮胎滚阻测试方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提出基于多路复杂工况下实施滚阻测试的新方法，即基于轮胎六分力检测装备、在转鼓实验机上实现复杂工况下轮胎滚动阻力的实验与测试，从而建立出新的滚阻测试公式与方法，为轮胎滚动阻力的系统研究提供有力的技术支撑。

为实现上述发明目的，所述室内多种工况下轮胎滚阻测试方法，在轮胎处于侧偏、侧倾稳态运动时，滚动阻力F_R采用能量损失进行表征。

具体的表达式如下所示：

其中，T为轮轴加载力矩(N.m)，Fx为径向力(N)，Fy为侧向力(N)，Mx为回正(N.m)力矩，Mz为反转力矩(N.m)，ω为轮胎转动的角速度(rad/s)，v为转鼓的线速度(m/s)，α为轮胎的侧偏角(°)、γ为轮胎外倾角(°)，r_L为轮胎加载后的半径(m)，R为转鼓半径(m)；

被测试轮胎加载于转鼓的鼓轮表面，鼓轮的周向外表面安装有数个扇形块，扇形块的外表面设置有用于模拟不同路面的凹凸沟槽。

如上述基本设计构思，用于测试轮胎的转鼓，其鼓轮装配于脂润滑滚柱轴承且达到动态平衡并符合ISO标准。其鼓轮外表面安装的扇形块用以模拟不同条件下的路面。模拟的路面包括金属光面，粗沥青路面、细沥青路面及水泥路面。

被测试轮胎与转鼓呈垂向的上下结构，转鼓中心面与轮胎中心面重合并垂直于地面。

进一步地，所述测试方法采用轮胎六分力实验机进行变速、侧偏、侧倾运行工况下的测试，采用MSC六分力测量轮毂或KISTLER六分力测量轮毂进行力学信息采集，包括不同运行姿态的X、Y、Z三项力及三项力矩测试。

为提高滚阻测试精度、更全面地反映出测试数据对于轮胎实际使用条件下的技术支撑与借鉴，更为细化与优选的改进方案是：

基于路面曲率、路况、温度、附加损失，对滚阻测试精度的影响进行量化与评估。

综上所述，本申请所述室内多种工况下轮胎滚阻测试方法具有的优点是：

1、实现了一种基于多种复杂工况下的、滚动阻力测试的新方法，能够更准确地测试并量化出滚阻数据，测试结果更为直接地反映出轮胎结构设计与制备工艺的优与劣。

2、采用大直径转鼓装置，既有效地降低了表面曲率、并能够通过模拟多种路面而实现滚动阻力测试更接近于真实路面，提高了滚动阻力测试精度。

3、能够实现轮胎在稳态及侧偏、侧倾等工况条件下的滚动阻力测试，并对其热力学信息做到实时跟踪。

4、对比现有的滚动阻力认证测试，本申请可实现轮胎不同路面、多种运行姿态的综合性测试，为轮胎复杂工况下的滚动阻力测试及系统研究创造了支撑条件。

附图说明

图1是滚阻测试实验装置示意图；

图2是转鼓的结构示意图；

图3是轮胎与转鼓装配示意图及SAE坐标系；

图4是轮胎与转鼓装直视、侧视图对比；

图5是匀速直线运动下轮胎滚动阻力参数标识；

图6是轮胎SAE坐标系及六分力定义；

如图1至图6所示，轴承1，鼓轮2，扇形块3，卡槽5，轮胎8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，如图1和图2所示，应用于测试轮胎滚阻的室内实验装置，其转鼓具有轴向安装于轴承1上的鼓轮2。实验时，轮胎8与鼓轮2呈垂直结构，转鼓与轮胎8的中心面重合、且均垂直于地面。

鼓轮2为钢焊接结构且需达到动态平衡要求并符合相关ISO标准，直径为3m，外表面宽度为650mm。轴承1选用脂润滑滚柱轴承，鼓轮外表面经机加工处理以确保表面光滑、尺寸精确。

在鼓轮2的周向外表面镶嵌有30个铝合金材质、表面镀层为碳化钨的扇形块3，扇形块3的加工厚度为30mm，宽度为650mm。每一扇形块3的外表面设置有用于模拟不同路面的凹凸沟槽。

所述鼓轮2周向外表面的两侧边缘设置有内凹的卡槽5，相应地，在扇形块3纵向两侧边缘设置有外凸的卡环。通过卡环与卡槽5的装配结构，可有效地防止扇形块3沿鼓轮2的表面发生横向移动。

如图3和图4所示，本申请测试方法所使用的轮胎滚阻试验机，是综合采用了工业CT、轮胎六分力、高速均匀性、偏角、倾角实验等测试装备。

依据轮胎滚动阻力测试要求，轮胎滚阻试验机主要包括有：

1)、控制及信息采集系统

动力、机械结构：能够满足轮胎转向、主动与制动条件下的力学环境需求；

控制系统：PAC工业控制器(美国NI公司产品)，由实时控制器+内嵌FPGA机箱+I/O模块(集成信号调理)组成，能够满足磨耗试验机高精度，高效率的动态控制。

力学信息采集：MSC六分力测量轮毂或KISTLER六分力测量轮毂，能够测试轮胎不同姿态的X、Y、Z三项力及三项力矩。

2)设备安装

设备安装实验室为上下二层，上层为轮胎室，下层为转鼓室。由升降机辅助进行转鼓路面板的换装。

本申请所述的滚动阻力主要来自于轮胎的滞后生热，即导致驱动车辆的机械能一部分转变为热能所形成的能量损失。

具体地，轮胎处于侧偏、侧倾稳态运动时，滚动阻力F_R采用能量损失进行表征，其表达式如下，

其中，T为轮轴加载力矩(N.m)，Fx为径向力(N)，Fy为侧向力(N)，Mx为回正(N.m)力矩，Mz为反转力矩(N.m)，ω为轮胎转动的角速度(rad/s)，v为转鼓的线速度(m/s)，α为轮胎的侧偏角(°)、γ为轮胎外倾角(°)，r_L为轮胎加载后的半径(m)，R为转鼓半径(m)；

上述表达式的推导过程如下：

用能量损失表征的额轮胎滚动阻力计算通用式是，

式中，F_R为滚动阻力(N)，P_in为轮胎的输入机械能(W)，P_out为轮胎的输出机械能(W)，其差值P_tire表示被轮胎转化为热的能量，V为转鼓的线速度(m/s)

由力矩平衡可以得到下列计算关系式

当α＝0，γ＝0时，

当α≠0，γ＝0时，

当α≠0，γ≠0时，

式中，T为轮轴加载力矩(N.m)，Fx为径向力(N)，Fy为侧向力(N)，F为摩擦力(N)，Mx为回正(N.m)力矩，Mz为反转力矩(N.m)，α为轮胎的侧偏角(°)、γ为轮胎外倾角(°)，rL为轮胎加载后的半径(m)，R为转鼓半径(m)，这里力的定义与SAE(国际汽车协会认定的国际汽车行业统一标准)坐标系专业术语的定义相同。

由式(2c)可以得到各项力及力矩在轮胎前进主方向的分量

在稳态工况下，轮胎消耗的的净能量计算式为

F_Rv＝Tω+Fv+(f₁+f₂+f₃+f₄)v (4)

式中，T为轮轴加载力矩(N.m)，ω为轮胎转动角速度(rad/s)，F为转鼓对轮胎的摩擦力(N)，f₁、f₂、f₃、f₄分别为F_X、F_Y、M_X、M_Z在在轮胎前进主方向的分量，v为转鼓表面线速度(m/s)，F_R为轮胎的滚动阻力(N)

将式(3)代入式(4)，即可得到在侧倾、侧偏和力矩共同作用下稳态行驶工况下，轮胎滚动阻力的计算式

式中，T为轮轴加载力矩(N.m)，Fx为径向力(N)，Fy为侧向力(N)，F为摩擦力(N)，Mx为回正(N.m)力矩，Mz为反转力矩(N.m)，ω为轮胎转动角速度(rad/s)，v为转鼓表面线速度(m/s)，α为轮胎的侧偏角(°)、γ为轮胎外倾角(°)，rL为轮胎加载后的半径(m)，R为转鼓半径(m)。

进一步地，在轮胎滚阻测试过程中，需要基于路面曲率、路况、温度、附加损失，对滚阻测试精度的影响进行量化与评估。

路面曲率及路面类别影响滚动阻力

由于转鼓的直径直接关系到其表面的曲率，影响轮胎与转鼓接触面的变形和应力分布，进而影响到轮胎由于应力应变而带来的滞后生热，特别是影响到轮胎胎面部位的变形生热，而胎面对滚动阻力的贡献率达到40％以上，由此可知转鼓表面的曲率对滚动阻力有重要影响。

使用转鼓测量滚动阻力与平面测量滚动阻力的差异，通过下述公式表达：

式中，F_R,d为半径为R的转鼓上测得的滚动阻力，F_R,f为平面上的滚动阻力，r为轮胎半径。

采用3m直径的转鼓可以提高滚动阻力的测试精度。以半径为0.5m轮胎来测算，采用3m转鼓较现有技术通常采取的1.7m鼓的滚动阻力测试精度，整体上可以提高9.5％；如果放到胎面上，这种精度影响可以放大到20％，可见影响非常大。路面的宏观粗糙度与滚动阻力成正比，有报告显示路面对滚动阻力影响达到2～11％，与轮胎负荷及胎面胶材料的生热有关。

环境温度对滚动阻力的影响

引起轮胎滚动阻力的主要原因在于其橡胶材料的滞后生热，橡胶的损耗因子tgδ随着温度的增高而降低，因此轮胎滚动阻力会随着温度增高而减小，测试滚动阻力通常要求环境温度为25℃，许可温度20℃≤t_amb≤30℃，测量位置位于轮胎旋转轴线上，到其最接近的轮胎胎侧所在平面的距离为1m。不同温度下的滚动阻力可以通过式(6)进行修正。

F_R25＝F_R[1+k(t_amb-25)] (6)

式中，FR₂₅为25℃标准温度的滚动阻力，t_amb环境温度，F_R为滚动阻力测量值，k为关系常数，可通过大量测量数据回归分析得到，也可采用经验常数，负荷指数≤121载重汽车胎k＝0.01，负荷指数≥122载重汽车胎k＝0.006

滚动阻力附加损失的测量考量

为消除测试设备轴承摩擦损失、各旋转部件的空气动力损失和可能的测量中固有的其他系统损失源，将轮胎负荷减少到使轮胎能按试验速度行驶而不滑动状态，记录测量滚动阻力值，该部分值作为附加损失。

对滚动阻力测量值进行修正，轮胎滚动阻力的净值为

F_r＝F_R-F_pl (7)

式中，F_r为滚动阻力净值，F_R为滚动阻力测量值，F_pl为附加损失。

需要计算平均滚动阻力值

对检测轮胎做3次以上重复试验，记录测试数据，去除奇异值，选取3次以上有效值计算平均值并作方差分析。

式中，F_rend为滚动阻力平均值，F_ri为第i次滚动阻力测量净值，n为测量次数。

基于本申请所述的滚动阻力测试方法，综合考量了影响轮胎运行状态的路况、速度、负荷、操纵条件等外在因素，对于研究轮胎结构、材料设计与滚动阻力之间的关系建立起全面的数据分析模型，从而揭示出滚动阻力与轮胎设计制造的内在关联机制。

如下表所示的是滚动阻力测试数据一览。

如上表，测试过程包括：路面类别、轮胎气压、负荷、环境温度的设定和检测标定；实验工况主要包括轮胎运行姿态(匀速直线、侧偏角度、侧倾角度)、转鼓速度、行使时间的设定；实验过程检测的力学参数包括：轮轴力T，径向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mx、反转力矩Mz、轮胎转动角速度ω、轮胎加载后的半径rL。测试结果计算包括：附加损失、滚动阻力、滚动阻力净值、环境温度修正及滚动阻力平均值的计算等步骤。

测试过程按以下步骤实施：

A)充气停放。轮胎安装到标准轮辋上，按标准气压充气，在实验室停放8小时，以保轮胎温度与环境温度达到平衡。

B)按实验设计要求，其他条件不变，将轮胎负荷减少到使轮胎能按试验速度行驶而不滑动状态，目的是测试轮胎测试轮胎空载工况下的力学参数，用于计算轮胎的附加损失。

C)按实验设计要求，测试轮胎在规定负荷下的力学参数，用于计算轮胎的滚动阻力。每种实验方案重复执行B)、C)步骤至少3次，去除奇异值，保证有效测试数据至少3次，主要用于计算平均值，减小测试误差。

D)附加损失、滚动阻力及滚动阻力净值的计算。对步骤B)C)测试得到的力学参数和实验输入的条件参数，利用公式(1)-(4)和公式(7)计算可得到附加损失、滚动阻力及滚动阻力净值。

E)环境温度的修正。记录每次实验的环境温度，按标准温度为25℃，对步骤D)每次实验计算的滚动阻力净值进行修正，计算方法为公式(6)。

F)计算滚动阻力平均值。对步骤E)计算得到的标准温度25℃的滚动阻力净值三次以上结果进行平均值计算，计算方法为公式(8)，实验测试的过程数据和结果填写到滚动阻力试验报告单。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，依据本发明的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的修改、等同变化与修饰及各组成部件位置和结构的轻微调整，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (3)

1.一种室内多种工况下轮胎滚阻测试方法，其特征在于：轮胎处于侧偏、侧倾稳态运动时，滚动阻力F_R采用能量损失进行表征，其表达式如下，

其中，T为轮轴加载力矩(N.m)，Fx为径向力(N)，Fy为侧向力(N)，Mx为回正力矩(N.m)，Mz为反转力矩(N.m)，ω为轮胎转动的角速度(rad/s)，v为转鼓的线速度(m/s)，α为轮胎的侧偏角(°)、γ为轮胎外倾角(°)，r_L为轮胎加载后的半径(m)，R为转鼓半径(m)；

被测试轮胎加载于转鼓的鼓轮(2)表面，鼓轮(2)的周向外表面安装有数个扇形块(3)，扇形块(3)的外表面设置有用于模拟不同路面的凹凸沟槽。

2.根据权利要求1所述的室内多种工况下轮胎滚阻测试方法，其特征在于：采用轮胎六分力实验机进行变速、侧偏、侧倾运行工况下的测试，采用MSC六分力测量轮毂或KISTLER六分力测量轮毂进行力学信息采集，包括不同运行姿态的X、Y、Z三项力及三项力矩测试。

3.根据权利要求1所述的室内多种工况下轮胎滚阻测试方法，其特征在于：基于路面曲率、路况、温度、附加损失，对滚阻测试精度的影响进行量化与评估。

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