CN114626194A - 一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法 - Google Patents

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CN114626194A CN202210057043.8A CN202210057043A CN114626194A CN 114626194 A CN114626194 A CN 114626194A CN 202210057043 A CN202210057043 A CN 202210057043A CN 114626194 A CN114626194 A CN 114626194A
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duty
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刘秀钰
高钦和
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杨建福
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Abstract

本发明公开了一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，以重载大扁平比轮胎为研究对象，基于弹性基础的柔性胎体模型为基础，考虑胎体圆环的径向变形与切向变形之间的耦合关系，建立基于解析弹性基础的柔性环二维轮胎低频动力学模型，采用接地边界求解方法探究了轮胎的接地滚动过程中的接地角及接地印记的非对称特性，并开展了轮胎接地刚度及接地印记非线性实验验证。结果表明：（1）采用接地边界求解可对接地角和接地印记均能实现准确计算；（2）基于胎内应变传感器的接地印记估计方法可实现对轮胎滚动过程中接地印记的间接测量。

Description

一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法
技术领域
本发明属于车辆工程技术领域，特别涉及一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法。
背景技术
轮胎将轮-地作用力传递至整车，缓解由于路面不平度引起的冲击与振动，是车辆行驶中与地面接触的唯一元件，因此轮胎的特性影响整车的动力性、平顺性、制动性和操纵稳定性等性能指标，因此，准确的轮胎动力学模型变得关键，尤其是基于结构柔性的轮胎动力学模型，作为轮胎结构模型的典型代表，柔性胎体轮胎模型将轮胎简化成弹性基础上的柔性胎体，弹性基础沿圆周径向和切向分布，模拟胎侧-胎体间作用力和充气预紧效应。轮胎胎体与路面直接接触，而胎侧作为胎体和轮辋的连接和传力部件，其力学特征和振动特性影响胎体与轮辋间的传递特性。因此，如何准确描述胎体、胎侧柔性结构振动及轮胎地面接触特性一直是轮胎动力学研究中的重点和难点。国内外学者研究了不同的胎体柔性化建模方法，提出了从一维到三维的柔性胎体模型，包括基于弹性基础的弦模型、梁模型、平板模型、环模型、壳模型和分布质量模型等；对于胎侧力学特性的描述，国内外学者也提出了一维径向刚度、二维径向/切向刚度及在径向和切向弹簧的基础上，考虑了轮胎面外横向特性的三维刚度模型。轮胎-地面接触建模作为轮胎力产生的关键，是轮胎动力学建模的核心。而利用柔性环模型开展滚动平顺性分析，再利用柔体动力学建模的方法，将胎体的高阶变形考虑在内，利用数值积分的方法，迭代求解路面不平度作用下的胎体接地印记及轮辋垂向响应。P.Zegelaar和Gong利用弹性基础的柔性环模型，在柔性环与地面间引入径向弹簧模拟胎体的压缩效应，利用模态扩张方法，探究了平坦路面的轮胎不同滚动速度、载荷的接地与轮辋响应；同济大学的左曙光在Gong的柔性环接地分析的基础上，利用LuGre模型分析轮胎的纵向接地特性，建立了基于柔性环轮胎接地分析的动态轮胎接地模型；清华大学的管迪华利用自由状态下轮胎的模态参数表征胎体的高阶柔性特征，分别采用模态坐标的积分方法和移动载荷法推导了轮胎不平路的动特性仿真的时域模型，并将该模型用于轮胎起步、制动等瞬态响应模拟；宁波大学的黄海波利用弹性基础的环模型分析了不同结构参数、转速和阻尼对轮胎接地印记非对称性的影响，并采用欧拉梁和侧向分片的方法，模拟轮胎侧向变形，建立了基于驱动力矩和侧倾力矩的轮胎三维接地特性解析解；韩国学者Kim等在Gong的弹性基础柔性环模型基础上，考虑轮胎环接地过程中的切向变形，分析了驱动轮和制动轮的接地压力分布规律； RabieMeftah[20]基于弹性基础柔性环理论，利用格林积分方法，求解轮胎面向路面不平度激励的振动响应；R J.Pinnington基于柔性胎体模型，利用弹性半空间的点载荷在给定接地印记的基础上，求解轮辋的振动响应； Chunjian Wang基于弹性基础的层环理论，考虑胎面环的压缩效应，基于力平衡条件，采用比例反馈修正方法，求解层环在任意路面不平度激励下的振动响应。
重载轮胎胎体作为典型的圆环结构，胎体点的径向变形和切向变形间存在耦合关系，传统接地特性多采用基于接地弹簧迭代求解的方法，具有不易收敛，计算时间长的特点，因此本专利在基于解析弹性基础的柔性环二维轮胎低频动力学模型的基础上，提出一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性计算及基于胎内应变传感器的实验方法，用于探究轮胎的接地滚动过程中的接地角及接地印记的非对称特性。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立基于弹性基础的柔性环轮胎模型；
步骤2：建立轮胎稳态动力学模型
步骤201：将胎体不可伸长假设表示为：
v′+w＝0
(3)；
步骤202：将式(3)代入步骤1所建立的柔性环轮胎模型，得到轮胎稳态动力学模型：
Figure RE-GDA0003630437040000031
步骤3：通过轮胎解剖试验测试得到轮胎胎体的宽度、轮胎有效半径及胎体的线密度；
步骤4：基于步骤3得到的宽度、有效半径和胎体的线密度，再通过重载轮胎振动模态实验进行轮胎模态参数辨识，得到轮胎胎侧径向刚度、胎侧切向刚度及胎体弯曲刚度；
步骤5：基于步骤3和4得到的参数值求解轮胎稳态动力学模型，推导前后接地角表达式，得到接地角需满足的条件，从而推导得到不同胎压平量下的不同轮胎滚速对应的前后接地角，根据得到的前后接地角得到前后接地角非对称系数随滚速的变化趋势；
步骤6：进行重载轮胎接地特性实验，验证轮胎滚动接地非对称性结果，并得到胎内应变传感器的接地印记估计方法。
进一步地，步骤4的具体步骤为：
步骤41：基于胎体不可伸长假设，轮辋固定，轮胎转速为0，将式(5) 转化为式(11)：
Figure RE-GDA0003630437040000041
将式(3)代入式(11)，则式(11)转化为：
Figure RE-GDA0003630437040000042
步骤42：基于式(5)，将胎体圆环切向变形
Figure RE-GDA0003630437040000043
带入式(12) 中，得到弧度角速度为：
Figure RE-GDA0003630437040000044
则，基于胎体不可伸长假设的轮胎模态共振频率为：
Figure RE-GDA0003630437040000045
其中，±符号表明轮胎在每一阶模态阶数处存在两个共振频率，互为相反数；
步骤43：构建重载轮胎振动模态实验系统，利用式(14)得到轮胎各阶试验模态结果，并采用待定系数法计算轮胎胎侧径向刚度、胎侧切向刚度及胎体弯曲刚度。
进一步地，步骤5的具体步骤为：
步骤51：求解式(5)，其特征根为：
Figure RE-GDA0003630437040000051
步骤52：式(5)的通解由接地前角引起的轮胎胎体变形和接地后角引起的轮胎柔性胎体变形两部分组成，将胎体圆环径向变形w表示为：
Figure RE-GDA0003630437040000052
其中，
Figure RE-GDA0003630437040000053
接地点与轮胎圆心的连线与圆心与地面垂线的夹角，逆时针为正(远离接地区前端)，顺时针为负(远离接地区后端)；B1、B2为无量纲项，与外载荷及几何边界有关；λ1和λ2为特征根；
步骤53：定义轮胎前、后接地角分别为
Figure RE-GDA0003630437040000054
和
Figure RE-GDA0003630437040000055
且轮胎进入前接地角的径向变形为增函数
Figure RE-GDA0003630437040000056
接地区后胎面的径向变形为
Figure RE-GDA0003630437040000057
步骤54：分别建立轮胎前、后接地角
Figure RE-GDA0003630437040000058
和
Figure RE-GDA0003630437040000059
的接地区与非接地区的变形及转角的连续性条件，表示为：
Figure RE-GDA00036304370400000510
步骤55：基于式(7)且轮胎与路面接触的接地区，符合平面基础约束条件，则可得前、后接地角满足的条件的表达式为：
Figure RE-GDA0003630437040000061
步骤56：将式(5)分别代入式(9)中的式(c)和(d)，并进行线性方程组求解，得到轮胎在不同压平量条件下的不同轮胎滚速对应的前后接地角。
进一步地，步骤43所建立的重载轮胎振动模态实验系统包括轮胎支撑装置、力锤及电荷放大器、数据测试系统和PC计算机，实验原理为：力锤传感器将力锤激励信号，经电荷放大器调理后，传输至DEWE-43高速数据采集器，同时轮胎在力锤激励作用下产生的振动响应，经加速度传感器采集后，传输至DEWE-43，计算机对获取的激励信号和加速度振动响应，进行谱分析，计算轮胎的振动传递函数。
进一步地，步骤6所述的重载轮胎接地印记验证试验搭建重载轮胎力学振动实验系统，该系统包括被测试重载轮胎、轮胎固定工装(用以限定轮胎的垂向自由度，使轮胎沿垂向运动)、MTS液压伺服激振装置、位移传感器、力传感器和加速度传感器。
进一步地，所述重载轮胎力学振动实验系统的实验原理为：通过工装将重载轮胎连接于平台的龙门架与激振头设备上，MTS液压伺服激振为系统的激励源，施加激励静态激励；液压激振端自带位移和力传感器，通过计算机数据采集系统将重载轮胎位移和加载力信号进行采样，实现对轮胎加载力和变形的监测，同时采用墨迹法对重载轮胎的接地印记进行测量，等间隔加载，将胎体等效为柔性环，忽略胎体横向方向对轮胎接地特性的影响，得到轮胎接地印记的长度进行分析结果。
进一步地，步骤6进行重载轮胎接地特性实验，对轮胎接地印记的长度进行分析得到的结果包括：
1)轮胎在稳态接地过程中呈现对称接地特性，且轮胎滚动造成非对称的接地角和接地印记；
2)根据轮胎的滚速及接地印记长度，可计算出轮胎不同滚速下的轮胎有效滚动半径，因此实验时应采用基于胎体内应变传感器信号来完成对轮胎滚动变形特征的估计；
3)轮胎滚动致使胎体最大径向变形点后移，引起非对称的接地印记区域，且随着滚速的增加，轮胎接地印记非线性特征明显，其垂向印记力峰值增大。
进一步地，步骤6所述胎内应变传感器的接地印记估计方法为：将胎体的变形区分为点A、B、C、D和E，点B为胎体前接地点，点D为胎体后接地点，点C为接地印记中点，点A和点E为胎体的变形点，其中点B 与点D间的距离可表征胎体的接地印记长度，同时点A与点F间的时间间隔为轮胎滚过一周的时间，可用于计算轮胎的滚速，此外根据轮胎的滚速及接地印记长度，可计算出轮胎不同滚速下的轮胎有效滚动半径。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，以重载大扁平比轮胎为研究对象，基于弹性基础的柔性胎体模型为基础，进行了重载轮胎低频动力学建模与接地滚动非对称性分析，主要包括：(1)考虑胎体圆环的径向变形与切向变形之间的耦合关系，建立基于解析弹性基础的柔性环二维轮胎低频动力学模型，并基于实验模态参数进行模型参数求解；(2)采用接地边界求解方法，探究了轮胎的接地角与轮胎压平量与滚速的关系；对轮胎接地刚度及接地印记非线性进行实验验证，得到了基于胎内应变传感器的接地印记估计方法。通过仿真实验表明本发明提出的方法与现有技术相比，克服了现有技术中采用基于接地弹簧迭代求解的方法，具有不易收敛，计算时间长的缺点。
附图说明
图1为基于弹性基础的柔性环轮胎模型；
图2(a)为模态测试系统的电气连接关系图；图2(b)为模态试验结果；
图3(a)-(d)为不同滚速对前后接地角非对称特性的影响分析；
图4为不同压平量下前后接地角非对称系数随滚速的变化趋势图；
图5(a)-(b)为基于胎体内传感技术的重载轮胎滚动实验系统，其中图5(a)为胎体内应变传感器，图5(b)为重载轮胎滚动实验系统的机械本体和电气系统；
图6(a)-(b)为重载轮胎加载实验，其中图6(a)试验系统的机械部分，图6(b)为不同加载力的重载轮胎接地印记图；
图7为基于经验模态分解的胎体应变信号滤波对比图；
图8(a)-(d)为重载轮胎标准充气压力、4吨承载准静态滚动变形特征图，其中图8(a)为胎体切向应变(一个周期)，图8(b)为胎体变形示意图，图8(c)为胎体切向应变(接地区)，图8(d)为胎体切向应变变化率；
图9(a)为承载对切向应变下的重载轮胎柔性胎体切线应变曲线，图 9(b)为基于胎体应变传感器信号的接地印记长度；
图10为重载轮胎不同滚动速度下的胎体切向应变图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
1、柔性胎体环动力学建模
将轮胎-轮辋系统等效为由二维弹簧、柔性圆环和圆盘组成的系统，径向和切向弹簧将柔性圆环和圆盘相连，如图1所示。其中圆盘模拟轮辋质量，柔性环表征带束及与胎冠相连的胎体，二维线性弹簧表征胎侧及充气效应。下面从动力学建模、模型结构参数辨识和模态振动分析三个方面，对基于弹性基础的柔性环模型进行研究。
(1)基于弹性基础的柔性环轮胎模型
式(1)为完备的轮胎模型，包括胎体圆环径向、切向振动与轮辋圆盘垂向、水平和旋转方向振动方程，并将轮辋自由度和旋转效应考虑在内，式中，
Figure RE-GDA0003630437040000091
为圆环受到充气压力以及转动离心力所产生的预紧力
Figure RE-GDA0003630437040000092
即：
Figure RE-GDA0003630437040000101
其中，E：胎体圆环梁截面模量，I：胎体圆环梁截面惯量，w：胎体圆环径向变形，v：胎体圆环切向变形，θ：胎体圆环相对于轮毂圆盘转角； x：轮毂圆盘在X方向上位移，y：轮毂圆盘在Y方向上位移，kw：径向弹簧刚度，kv切向弹簧刚度，P0：额定气压，ρ：圆环梁等效密度，Ω：圆盘转动角速度，qw：径向分布载荷，qv：切向分布载荷，Iw：圆盘转动惯量，γ：圆盘转角。
则，旋转状态下的轮胎柔性环轮胎模型为：
Figure RE-GDA0003630437040000102
子午胎胎体由钢丝、橡胶等复合材料组成，且钢丝沿轮胎的子午线方向，其周向拉伸刚度较大，且在400Hz频率范围内，GL073子午胎的模态振型均为胎体面内弯曲振型，而与胎体拉伸刚度相关的呼吸振型未出现在该频率范围内，验证了“胎体不可伸长假设”的有效性。“胎体不可伸长假设”描述胎体环中性面在变形过程中，其周保持向长度不变的特性，表示为：
v′+w＝0 (3)
将式(3)带入式(2)，对式(b)进行求导，方程式(a)和(b) 相减，令方程式中时间项为0，并考虑轮胎阻尼的影响，建立了考虑轮胎比例阻尼效应的轮胎稳态动力学方程，如式(4)所示。
Figure RE-GDA0003630437040000111
其中，cw为径向弹簧阻尼系数；cv为切向弹簧阻尼系数；
(2)接地边界分析
利用轮胎接地区和非接地区的边界连续性条件对轮胎的基于滚动条件下的接地角进行解算，其中，轮胎非接地区无外力作用，则轮胎稳态动力学方程为：
Figure RE-GDA0003630437040000112
方程(5)的特征根为：
Figure RE-GDA0003630437040000113
则，方程式(5)的通解由两部分组成，接地前角引起的轮胎胎体变形和接地后角引起的轮胎柔性胎体变形，可表示为：
Figure RE-GDA0003630437040000114
其中，
Figure RE-GDA0003630437040000115
接地点与轮胎圆心的连线与圆心与地面垂线的夹角；逆时针为正(远离接地区前端)；顺时针为负(远离接地区后端)；B1、B2为无量纲项，与外载荷及几何边界有关；
依据轮胎滚动变形特性，即进入接地区时，轮胎滚动变形由0增大，离开接地区后端时，轮胎滚动变形减小为0。则定义：轮胎前后接地角分别为
Figure RE-GDA0003630437040000121
和
Figure RE-GDA0003630437040000122
因此，轮胎进入前接地角的径向变形为增函数，即为
Figure RE-GDA0003630437040000123
接地区后胎面的径向变形为
Figure RE-GDA0003630437040000124
此外，轮胎与路面接触的接地区，符合平面基础约束条件，为：
Figure RE-GDA0003630437040000125
其中，wc为接地区内点的变形；d0为轮胎压平量。
分别建立轮胎接地前后角
Figure RE-GDA0003630437040000126
的接地区与非接地区的变形及转角的连续性条件：
Figure RE-GDA0003630437040000127
分别将式(7)～式(8)代入式(9)，则前/后接地角需满足：
Figure RE-GDA0003630437040000128
2、基于实验模态的轮胎模型参数辨识
基于“胎体不可伸长假设”的轮胎动力学模型(公式(5))中存在未知变量，包括：弯曲刚度EI、胎侧径向刚度kw、胎侧切向刚度kv和胎体密度ρA；
基于“胎体不可伸长假设”，轮辋固定，轮胎转速为0，则，基于弹性基础的柔性环轮胎模型转化为：
Figure RE-GDA0003630437040000131
将式(3)代入式(11)，则方程转化为：
Figure RE-GDA0003630437040000132
利用基于“胎体不可伸长假设”的力学模型，将前面公式中的胎体径向变形
Figure RE-GDA0003630437040000133
带入动力学方程式(12)中，得：
Figure RE-GDA0003630437040000134
则，基于“胎体不可伸长假设”的轮胎模态共振频率为：
Figure RE-GDA0003630437040000135
其中，±符号表明轮胎在每一阶模态阶数处存在两个共振频率，互为相反数，这是由于轮胎的对称结构造成的，存在沿圆周方向顺时针和逆时针的两个振型，本发明关注的是对单一方向的振型多对应的模态频率。
轮胎的振动模态参数与轮胎的充气压力和轮胎的约束条件直接相关，为开展详实的重载轮胎振动模态实验分析，将充气压力和轮胎约束条件考虑在内，搭接重载轮胎模态测试系统，包括：轮胎支撑装置、力锤及电荷放大器、数据测试系统和PC计算机，图2(a)给出了模态测试系统的电气连接关系图，图2(b)为模态试验结果。
力锤传感器将力锤激励信号，经电荷放大器调理后，传输至DEWE-43 高速数据采集器，同时轮胎在力锤激励作用下产生的振动响应，经加速度传感器采集后，传输至DEWE-43，计算机对获取的激励信号和加速度振动响应，进行谱分析，计算轮胎的振动传递函数。
胎体的宽度、轮胎有效半径及胎体的线密度为轮胎解剖试验测试结果，轮胎充气压力为已知充气条件。针对胎侧径向/切向刚度及胎体弯曲刚度未知的问题，利用式(23)及实验获得的轮胎各阶试验模态结果，采用待定系数法计算胎侧径向/切向刚度及胎体弯曲刚度，计算结果如表1所示。
表1GL073A型重载轮胎几何与结构参数(含辨识结果)
Figure RE-GDA0003630437040000141
3、轮胎滚动接地非对称性结果分析
将式(5)分别带入式(9)中的(c)和(d)，并进行非线性方程组求解，图3给出了轮胎在压平量d0分别为0.25m、0.05m、0.75和0.1m条件下的不同轮胎滚速对应的前后接地角，同时图4给出了不同压平量下的前后接地角非对称系数随滚速的变化趋势图(所述接地角非对称系数为不同滚速下的接地角与稳态接地角的比值)，从图中的结果表明：(1)轮胎滚速增加，胎体接地前角φf增大，接地后角φr减小，接地印记区域相对于垂直轴不对称；(2)轮胎压平量越大，则接地角非对称系数随滚速的变化趋势变缓，如图4所示。
4、重载轮胎接地特性实验
(1)轮胎滚动试验系统
轮胎作为整车与路面直接接触的部件，作用于整车的力和力矩均产生于接地区域。因此，准确分析及测试接地区域内胎体的变形及轮胎与路面的接地特性是轮胎实验研究的重点，同时实时监测轮胎的动态信息、评估轮胎运动状态和预测轮胎与路面摩擦特性，可用于掌握整车运动状态、实施车辆准确控制，最终实现提升车辆自动化水平和行驶安全性的目的。本发明采用胎体内布设传感的方法实现对轮胎滚动变形和轮胎-路面接触信息的检测，附图5(a)为基于应变片传感器的轮胎胎体内传感技术示意图，图5(b)为重载轮胎滚动实验系统的机械本体和电气连接系统原理图，通过胎体内传感器获取轮胎变形和轮胎-路面的接触信息，通过机械滑环将传感器信号传输给采集系统，以实现对传感器数据采集、记录和分析的目的。
(2)重载轮胎接地印记验证试验
搭建基于MTS液压伺服激振装置的重载轮胎力学振动实验系统，如图6(a)所示，为系统机械本体。系统包括：被测试重载轮胎、轮胎固定工装(用以限定轮胎的垂向自由度，使轮胎沿垂向运动)、MTS液压伺服激振装置、位移传感器、力传感器和加速度传感器等。通过工装将重载轮胎连接于平台的龙门架与激振头设备上，MTS液压伺服激振为系统的激励源，施加激励静态激励；液压激振端自带位移和力传感器，通过计算机数据采集系统将重载轮胎位移和加载力信号进行采样，实现对轮胎加载力和变形的监测，同时采用墨迹法对重载轮胎的接地印记进行测量，等间隔加载，分别加载1t、2t、3t、4t、5t和6t，将胎体等效为柔性环，忽略胎体横向方向对轮胎接地特性的影响规律，主要针对轮胎接地印记的长度进行分析，接下来分别从以下几方面进行分析讨论：
第一，胎内应变信号预处理：
为表征柔性胎体在准静态条件下的变形特征，采取室内低速滚动实验的方法，以3km/h的速度直线匀速行驶，采集胎体应变信号，如图7所示，由于应变信号易受50Hz交流信号干扰，实验过程中采用经验模态分解方法进行滤波，图7对比了应变传感器初始信号和滤波后信号，对比结果表明，基于经模态分析的胎体应变滤波方法可有效滤除50Hz交流信号。此外，由理论分析表明，轮胎在稳态接地过程中呈现对称接地特性，且轮胎滚动造成非对称的接地角和接地印记，图7中点A与点E的应变峰值不同，表明低速滚动实验可在一定程度体现轮胎准静态变形特性，但无法完全表征轮胎静态变形特征。
第二，基于胎内应变信号的接地印记估计：
为阐述基于胎体应变传感器的变形分析的有效性，结合图8(b)的胎体变形示意图对胎体变形特性进行分析。将胎体的变形区分为点A、B、C、 D和E，点B为胎体前接地点，点D为胎体后接地点，点C为接地印记中点，点A和点E为胎体的变形点，其中点B与点D间的距离可表征胎体的接地印记长度，同时点A与点F间的时间间隔为轮胎滚过一周的时间，可用于计算轮胎的滚速，此外根据轮胎的滚速及接地印记长度，可计算出轮胎不同滚速下的轮胎有效滚动半径，因此，基于胎体内应变传感器信号可实现对轮胎滚动变形特征的估计。
第三，承载对接地特性影响分析
图9列举了不同承载条件下的重载轮胎柔性胎体切线应变曲线，同时将基于胎体内应变传感器信号的接地印记长度估计结果与轮胎力学实验结果(图6(b))进行对比，验证了基于胎体内应变传感器信号的接地印记长度估计的有效性。
第四，滚动非线性验证分析
图10列举了重载轮胎在5、10和15km/h滚动速度下的胎体切向应变图，结果表明，轮胎滚动致使胎体最大径向变形点后移，引起非对称的接地印记区域，且随着滚速的增加，轮胎接地印记非线性特征明显，其垂向印记力峰值增大。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立基于弹性基础的柔性环轮胎模型；
步骤2：建立轮胎稳态动力学模型
步骤201：将胎体不可伸长假设表示为：
v′+w＝0
(3)；
步骤202：将式(3)代入步骤1所建立的柔性环轮胎模型，得到轮胎稳态动力学模型：
Figure FDA0003476795910000011
步骤3：通过轮胎解剖试验测试得到轮胎胎体的宽度、轮胎有效半径及胎体的线密度；
步骤4：基于步骤3得到的宽度、有效半径和胎体的线密度，再通过重载轮胎振动模态实验进行轮胎模态参数辨识，得到轮胎胎侧径向刚度、胎侧切向刚度及胎体弯曲刚度；
步骤5：基于步骤3和4得到的参数值求解轮胎稳态动力学模型，推导前后接地角表达式，得到接地角需满足的条件，从而推导得到不同胎压平量下的不同轮胎滚速对应的前后接地角，根据得到的前后接地角得到前后接地角非对称系数随滚速的变化趋势；
步骤6：进行重载轮胎接地特性实验，验证轮胎滚动接地非对称性结果，并得到胎内应变传感器的接地印记估计方法。
2.如权利要求1所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，步骤4的具体步骤为：
步骤41：基于胎体不可伸长假设，轮辋固定，轮胎转速为0，将式(5)转化为式(11)：
Figure FDA0003476795910000021
将式(3)代入式(11)，则式(11)转化为：
Figure FDA0003476795910000022
步骤42：基于式(5)，将胎体圆环切向变形
Figure FDA0003476795910000023
带入式(12)中，得到弧度角速度为：
Figure FDA0003476795910000024
则，基于胎体不可伸长假设的轮胎模态共振频率为：
Figure FDA0003476795910000025
其中，±符号表明轮胎在每一阶模态阶数处存在两个共振频率，互为相反数；
步骤43：构建重载轮胎振动模态实验系统，利用式(14)得到轮胎各阶试验模态结果，并采用待定系数法计算轮胎胎侧径向刚度、胎侧切向刚度及胎体弯曲刚度。
3.如权利要求1所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，步骤5的具体步骤为：
步骤51：求解式(5)，其特征根为：
Figure FDA0003476795910000031
步骤52：式(5)的通解由接地前角引起的轮胎胎体变形和接地后角引起的轮胎柔性胎体变形两部分组成，将胎体圆环径向变形w表示为：
Figure FDA0003476795910000032
其中，
Figure FDA0003476795910000033
接地点与轮胎圆心的连线与圆心与地面垂线的夹角，逆时针为正，顺时针为负；B1、B2为无量纲项，与外载荷及几何边界有关；λ1和λ2为特征根；
步骤53：定义轮胎前、后接地角分别为
Figure FDA0003476795910000034
和
Figure FDA0003476795910000035
且轮胎进入前接地角的径向变形为增函数
Figure FDA0003476795910000036
接地区后胎面的径向变形为
Figure FDA0003476795910000037
步骤54：分别建立轮胎前、后接地角
Figure FDA0003476795910000038
和
Figure FDA0003476795910000039
的接地区与非接地区的变形及转角的连续性条件，表示为：
Figure FDA00034767959100000310
步骤55：基于式(7)且轮胎与路面接触的接地区，符合平面基础约束条件，则可得前、后接地角满足的条件的表达式为：
Figure FDA0003476795910000041
步骤56：将式(5)分别代入式(9)中的式(c)和(d)，并进行线性方程组求解，得到轮胎在不同压平量条件下的不同轮胎滚速对应的前后接地角。
4.如权利要求3所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，步骤43所建立的重载轮胎振动模态实验系统包括轮胎支撑装置、力锤及电荷放大器、数据测试系统和PC计算机，实验原理为：力锤传感器将力锤激励信号，经电荷放大器调理后，传输至DEWE-43高速数据采集器，同时轮胎在力锤激励作用下产生的振动响应，经加速度传感器采集后，传输至DEWE-43，计算机对获取的激励信号和加速度振动响应，进行谱分析，计算轮胎的振动传递函数。
5.如权利要求1所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，步骤6所述的重载轮胎接地印记验证试验搭建重载轮胎力学振动实验系统，该系统包括被测试重载轮胎、轮胎固定工装(用以限定轮胎的垂向自由度，使轮胎沿垂向运动)、MTS液压伺服激振装置、位移传感器、力传感器和加速度传感器。
6.如权利要求5所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，所述重载轮胎力学振动实验系统的实验原理为：通过工装将重载轮胎连接于平台的龙门架与激振头设备上，MTS液压伺服激振为系统的激励源，施加激励静态激励；液压激振端自带位移和力传感器，通过计算机数据采集系统将重载轮胎位移和加载力信号进行采样，实现对轮胎加载力和变形的监测，同时采用墨迹法对重载轮胎的接地印记进行测量，等间隔加载，将胎体等效为柔性环，忽略胎体横向方向对轮胎接地特性的影响，得到轮胎接地印记的长度进行分析结果。
7.如权利要求6所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，步骤6进行重载轮胎接地特性实验，对轮胎接地印记的长度进行分析得到的结果包括：
1)轮胎在稳态接地过程中呈现对称接地特性，且轮胎滚动造成非对称的接地角和接地印记；
2)根据轮胎的滚速及接地印记长度，可计算出轮胎不同滚速下的轮胎有效滚动半径，因此实验时应采用基于胎体内应变传感器信号来完成对轮胎滚动变形特征的估计；
3)轮胎滚动致使胎体最大径向变形点后移，引起非对称的接地印记区域，且随着滚速的增加，轮胎接地印记非线性特征明显，其垂向印记力峰值增大。
8.如权利要求7所述的一种基于边界分析的重载轮胎滚动接地非对称性分析方法，其特征在于，步骤6所述胎内应变传感器的接地印记估计方法为：将胎体的变形区分为点A、B、C、D和E，点B为胎体前接地点，点D为胎体后接地点，点C为接地印记中点，点A和点E为胎体的变形点，其中点B与点D间的距离可表征胎体的接地印记长度，同时点A与点F间的时间间隔为轮胎滚过一周的时间，可用于计算轮胎的滚速，此外根据轮胎的滚速及接地印记长度，可计算出轮胎不同滚速下的轮胎有效滚动半径。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117470415A (zh) * 2023-12-28 2024-01-30 石家庄铁道大学 胎-路接触应力分布情况动态检测方法、系统及存储介质
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