CN114619809A

CN114619809A - 一种轮胎稳态滚动温度测试方法

Info

Publication number: CN114619809A
Application number: CN202210414534.3A
Authority: CN
Inventors: 尹海山; 仇星文; 行祺程
Original assignee: Qingdao University of Science and Technology
Current assignee: Qingdao University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2022-06-14

Abstract

本发明属于轮胎温度测试技术领域，具体涉及一种轮胎稳态滚动温度测试方法，将用于测温的温度标签和识别温度标签位置的的定位标签粘贴在硫化轮胎的内部，其中，温度标签是频率为900Hz的柔性超高频耐高温测温标签，使用柔性电路板制成，能够避免在轮胎成型和滚动过程中发生变形和损坏，通过耐高温强力粘胶粘贴在轮胎内部，能够在‑40℃到200℃的温度范围内正常工作，在硫化时的高温条件下不会被破坏，通过两套无源射频识别系统协同工作，测试滚动轮胎的温度，并通过数值模拟技术计算轮胎稳态滚动时的温度场，比较测试结果与模拟结果，验证滚动轮胎的温度测试的精确性；其原理科学可靠，测试结果精确，具备实际的使用价值。

Description

一种轮胎稳态滚动温度测试方法

技术领域：

本发明属于轮胎温度测试技术领域，具体涉及一种轮胎稳态滚动温度测试方法，能够实时监测滚动轮胎的温度。

背景技术：

轮胎是车辆唯一接地的部件，其性能好坏直接影响车辆驾驶的舒适性和安全性。由于橡胶材料的黏弹性，轮胎在使用过程中的温度能够达到100℃左右，高温会加速轮胎的老化，这引起了研究人员的高度重视，监控轮胎滚动过程中的温度变化就显得非常必要。之前，有人将热电偶埋入轮胎内部以进行温度测量，但是，其需要将连接线引出轮胎，而在轮胎硫化过程中，由于橡胶的膨胀很容易导致热电偶的连接线断裂，并且引出的连接线在轮胎滚动过程中容易“拧麻花”。后来，出现了通过无线装置测量轮胎内部温度的技术方案，例如，中国专利201410821602.3公开的基于RFID技术的轮胎内部硫化温度场测量方法，采用测量读取器和带有RFIC芯片的无线测温模块进行测量，无线测温模块在硫化前植入轮胎，在硫化过程中自动进行温度测量并将测量的温度数据存入RFIC芯片，硫化完毕后将轮胎从模具中取出，用测量读取器靠近待测轮胎，采用无线方式将无线测温模块的RFIC芯片中存储的温度数据读出，并经过电脑系统软件进行处理，完成轮胎内部硫化温度场测量；所述的无线测温模块由温度传感器、低功耗控制器、小型电池、RFIC芯片和天线组成，温度传感器连接低功耗控制器，低功耗控制器连接RFIC芯片，RFIC芯片连接天线，低功耗控制器和RFIC芯片连接小型电池；测量读取器与RFIC芯片进行无线通信；所述测量读取器为UHF测量读取器，UHF测量读取器与RFIC芯片采用UHF频段进行通信；中国专利201210164951.3公开的一种动态检测轮胎温度实验装置，包括发射单元、数据终端单元和数据终端计算机，所述发射单元包括发射处理器、温度传感器和RFID发射模块，所述发射单元安装在轮胎的轮辋内，对轮胎内部温度进行采集和发送，所述数据终端单元包括接收处理器、温度接收器和液晶显示模块，所述接收处理器通过RS232总线与所述数据终端计算机相连接，所述温度接收器通过串行总线与所述接收处理器相连接，所述接收处理器通过标准接口连接液晶显示模块，所述液晶显示模块设有液晶触摸屏，所述液晶触摸屏完成数据显示工作，所述数据终端计算机将采集的数据建立轮胎运行温度场模型，建立轮胎运行过程的状态和故障预判算法，并具有自修正功能，温度传感器能够对轮胎运行过程中的多个典型点进行温度采样，测量轮胎内部温度后，通过RFID发射模块将温度数据传输到所述温度接收器，温度接收器接收温度数据并输送给数据终端计算机，由数据分析软件完成实现数据分析和处理，传送给液晶显示模块显示轮胎温度测量值，实现实时监控；中国专利201610053444.0公开的一种滚动状态下轮胎内部及表面温度场无线测量系统，包括系统主机、系统软件、控制模块、温度传感模块、主机射频收发系统和控制模块射频收发系统，系统软件安装在系统主机内，控制模块安装在电机转轴上，温度传感模块安装在轮胎内或轮胎表面；温度传感模块与控制模块相连接，系统主机连接主机射频收发系统，控制模块连接控制模块射频收发系统；主机射频收发系统与控制模块射频收发系统通过天线进行无线通信。但是，上述专利和现有技术均未提及温度传感器的固定方式、测量精度问题及硫化成型后温度传感器位置的确定，因为，轮胎硫化时会膨胀，很容易造成温度传感器位置发生移动；且芯片连接的小型电池体积过大，影响轮胎结构。

射频识别技术(RFID)是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一，由读写器、超高频电子标签、相应系统软件组成，原理为读写器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的，应用于动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。大体上分为3类，第一类是无源系统，标签依靠读写器发出的射频能量工作，寿命长，但传输距离较近；第二种是有源系统，标签依靠外部电源供电，可远距离传输；第三种未半有源系统，是无源和有源的结合品。

因此，通过数值分析软件进行轮胎温度场的模拟，测量轮胎内部温度场，验证模拟结果和材料表征的准确性，具有可行性和经济价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种轮胎稳态滚动温度测试方法，通过用于测温和用于识别测温标签位置的两套无源射频识别系统，实时监测滚动轮胎的温度。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种轮胎稳态滚动温度测试方法的具体工艺过程如下：

(1)安装

在轮胎内部的设定位置处安装测温标签和定位标签，收集轮胎内相同点在不同位置的温度数据，在轮辋上安装发射模块，发射模块跟随轮胎转动，与测温标签保持相对静止状态；

在轮胎周围放置4个读写器，4个读写器同时与一个定位标签连接，定位标签同时收到4个信号强度值，根据信号强度判断定位标签的具体位置；

将读写器与计算机连接；

(2)测试

发射模块发出射频信号，测温标签被射频能量激活，测得的温度信号依次被发送给发射模块、读写器和计算机，计算机将接收到的温度信号转换成数字信号并予以显示；

(3)模拟

基于数值模拟技术计算轮胎稳态滚动时的温度场，首先绘制轮胎的二维剖面图，其次通过轮胎动力学分析得到轮胎稳态滚动时的应变场，然后设定热力学参数和热边界条件，在应变场的基础上计算轮胎生热率，最后以生热率为热源计算轮胎传热，得到轮胎的温度场；

(4)比较

比较测试结果与模拟结果，验证滚动轮胎的温度测试的精确性。

本发明涉及的一种轮胎稳态滚动温度测试方法使用时，由于轮胎硫化时橡胶会膨胀，导致测温标签的位置发生移动，在测温标签附近增设耐高温的电子定位标签，在轮胎硫化后，对测温标签进行定位，便于与模拟温度场的结果作比较。

本发明涉及的测温标签和定位标签均为RFID系统中的电子标签，测温标签用于测温，定位标签用于定位；测温标签是频率为900Hz的柔性超高频耐高温标签，使用柔性电路板(FPC板)制成，能够避免在轮胎成型和滚动过程中发生变形和损坏，通过耐高温强力粘胶粘贴在轮胎内部，工作温度范围为-40℃到200℃，在硫化时的高温条件下不会被破坏，测量温度范围为-40℃到180℃，精度为±1℃。

本发明与现有技术相比，将用于测温的测温标签和识别测温标签位置的定位标签粘贴在轮胎内部，通过两套无源射频识别系统协同工作，测试滚动轮胎的温度，基于数值模拟技术计算轮胎稳态滚动时的温度场，比较测试结果与模拟结果，验证滚动轮胎的温度测试的精确性；其原理科学可靠，测试结果精确，具有实用价值。

附图说明：

图1为本发明涉及的主鼓成型示意图。

图2为本发明涉及的辅鼓成型示意图。

图3为本发明涉及的轮胎的二维网格图。

图4为本发明涉及的轮胎的温度分布图。

图5为本发明涉及的测温标签的外观示意图。

图6为本发明涉及的无线射频技术的原理示意图。

图7为本发明涉及的温度场的计算过程示意图。

图8为本发明涉及的定位标签的定位原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种轮胎稳态滚动温度测试方法在全钢子午线轮胎上进行：

首先，在主鼓12和辅鼓13成型过程中安装测温标签和定位标签，在轮辋上安装发射模块；

如图1所示，主鼓12成型的过程为：

第一步，贴胎侧胶1，在对称的位置Ⅰ处分别粘贴测温标签和定位标签，位置Ⅰ在轮胎滚动过程中的变形相对较大，温度相对较高；

第二步，粘贴内衬层2，在中间的位置Ⅱ处粘贴测温标签和定位标签；

第三步，粘贴钢丝包布3，在对称的位置Ⅲ处分别粘贴测温标签和定位标签，钢丝包布与橡胶传热过程存在区别，测量位置Ⅲ处的温度有助于了解橡胶的内部传热；

第四步，粘贴胎体帘线层4，在对称的位置Ⅳ处分别粘贴测温标签和定位标签；

第五步，粘贴胎肩垫胶6，在对称的位置Ⅴ处分别粘贴测温标签和定位标签，胎肩是轮胎滚动时的温度最高点，也是寿命的最低点，测量位置Ⅴ处的温度有助于研究轮胎寿命的提升方法；

第六步，相向挤压两侧钢丝圈5，主鼓充气成型；

如图2所示，辅鼓13成型的过程为：

第一步，粘贴第一带束层7，贴合角度为0°，在对称的位置Ⅵ处分别粘贴测温标签和定位标签；

第二步，粘贴第二带束层8，贴合角度为24°，在中间的位置Ⅶ处粘贴测温标签和定位标签；

第三步，粘贴第三带束层9，贴合角度为15°，在中间的位置Ⅷ处粘贴测温标签和定位标签；

第四步，粘贴第四带束层10，贴合角度为15°，与第三带束层9同向布置，在中间的位置Ⅸ处粘贴测温标签和定位标签；

第五步，粘贴胎面胶11；

将读写器的发射模块安装在轮辋上；

通过传递环将辅鼓13成型的第一带束层7、第二带束层8、第三带束层9、第四带束层10和胎面胶11传递至主鼓12，与主鼓12贴合的胎体组合部件通过充气滚压进行复合，包括胎侧反包滚压和胎面滚压，制成胎胚，硫化胎胚制成轮胎；

硫化过程中通过发射模块发出的射频信号使测温标签读取轮胎内部的温度；

硫化完成后，在轮胎周围放置4个RFID读写器，4个读写器同时连接一个定位标签，定位标签同时收到4个信号强度值，根据信号强度判断定位标签的具体位置；

将读写器与计算机连接；

其次，将轮胎置于滚动阻力试验机上，设定速度参数后进行预跑，发射模块给定位标签发出射频信号，通过定位标签确定测温标签的位置，待测温标签测得轮胎内部的温度变化范围在1℃以内时，判定轮胎内部的温度场达到稳定；

然后，基于数值模拟软件进行轮胎滚动时的温度场仿真：

第一步，通过机械制图软件绘制轮胎的二维剖面图，并对其进行网格划分，如图3所示；

第二步，设置材料和属性，利用旋转命令得到轮胎的3D网格；

第三步，将旋转速度设置为50km/h，模拟轮胎的滚动状态；

上述第一步、第二步和第三步统称为轮胎的动力学仿真；

第四步，提取轮胎滚动时的应变场，输入热力学参数和热边界条件计算轮胎的生热率：

生热是由于橡胶材料的滞后损失造成的，将其作为热源计算轮胎温度场；在给定变形条件下，使用橡胶分子链之间的内耗和变形引起的储能表征力学行为：σ＝σ₀sin(ωt+δ)，σ₀＝G^*γ₀，其中，σ和σ₀分别为总应力和预先存在的应力，ω为变形频率，t为时间，δ为ω单位角内的响应延迟，G^*为复合模量，γ₀为施加的剪切应变的振幅；

根据复合模量G^*与储能模量G′、损耗模量G″的关系，可得：

其中，G′为储能模量，G″为损耗模量；

滞后损失的计算公式为：

其为快速估算由材料粘度引起能量损失的方法，损耗模量取决于实验中的频率、温度、应变振幅和预应变水平，基于能量损失材料模型更为准确；

使用广义滞后模型：

描述施加的应变和温度，其中，B、r、D和P为与变形和温度无关的材料常数，通过拟合材料试验进行多元回归分析得到，T为温度，

属于应变标量，用于表示给定有限体积的应变振幅，为平均应变，

可通过八面体剪切应变得到：

其中，ε₁、ε₂和ε₃分别为x、y和z方向的应变，从

出发，应变速率项的可能位置为：

其中，Z为与其他参数无关的材料常数，通过频率和应变振幅实验确定；

轮胎滚动速度的影响通过角速度ω_R引入，角速度通过“平移”速度v和动态滚动半径r_R计算：ω_R＝v/r_R；

轮胎材料点相对于车轮中心以相同的角速度旋转，将在一个轮胎旋转周期内第n个积分点的应变-时间历程作为该点沿其流线h(n)的角坐标

和轮胎角速度ω_R的函数：

则在这个点的应变率由

计算得到；

通过轮胎角速度表示应变率

应变测量值ε从有限元分析的解中获得，应变率

通过沿着h(n)线从点A的应变变化到点B的应变所需的时间，在每个积分点上数值导出：

其中，Δt为从点A的应变变化到点B的应变所需的时间；

由于应变幅度、平均应变水平、温度和变形频率引起的轮胎中的总滞后损失的数值表达式变为：

其中，c为轮胎组件指数，n是组件c内的横截面积分点的数量，k为从1到3变化的应变方向，j为所有滞后线圈的计数器，定义为第n积分点流线内的应变反转区域；

第五步，将滞后损失H_tire作为热源，利用数值模拟软件的传热模块计算各单元的温度，得到轮胎的温度场，绘制轮胎的温度分布图，如图4所示；

最后，在轮胎的温度分布图中找到实际测温点的温度，与模拟温度作比较，验证数值模拟软件计算的准确性，根据实测的温度场修正数值模拟软件的生热率计算模型。

本实施例涉及的第二带束层8与第三带束层9采用贴合方向相反的交叉贴合方式；在主鼓12和辅鼓13的对称位置处粘贴测温标签和定位标签是为了验证轮胎两侧的温度是否一致。