CN203719922U - 一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于轮胎力学特性测试试验领域，具体涉及一种能测量从高速到低速全速度范围内轮胎的摩擦特性和滑移特性的装置。其可以解决当前全速度范围内轮胎的摩擦特性和滑移刚度特性试验数据匮乏的问题。上述蓄能能力可调的路面模拟装置采用内外两个转鼓模拟路面的转动惯量蓄能，采用多级变速器实现蓄能能力可调。该装置简单合理，且拓宽了轮胎力学特性测试的工位。

Description

一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置

技术领域

本实用新型属于轮胎力学特性测试试验领域，具体涉及一种能测量从高速到低速全速范围内轮胎的摩擦特性和滑移刚度特性的装置。

背景技术

在轮胎力学特性试验中，受轮胎试验设备的能力以及试验成本等因素的限制，通常只能得到低速或单一速度下的轮胎力学特性试验数据，全速度范围内的轮胎力学特性试验数据非常的匮乏，对重载轮胎力学特性的试验更是如此。然而，轮胎的滚动速度对轮胎与路面间的摩擦特性、轮胎的侧偏刚度和纵滑刚度特性等都有显著地影响，不同的滚动速度下，轮胎的力学特性差别很大，这就给轮胎力学特性的研究带来了很大的误差。因此，随着车辆动力学对高精度轮胎建模与仿真要求的提出，一种能测量从高速到低速全速范围内轮胎摩擦特性和滑移刚度特性的方法亟待提出。

要进行全速度范围内轮胎力学特性的测试，需要实现速度在高低速全速度范围内的变化。目前，实现速度控制的方法有很多，例如：专利（CN103344443A）使用的电惯量模拟控制方法，这些方法的基本思想是将速度传感器、计算机控制单元以及速度调节执行机构构成一个闭环控制系统，来控制速度按一定的要求变化。但是，这些方法实现起来比较复杂，速度调节机构不仅要在整个测试过程中一直工作，而且对其功率的要求很高，若要实现速度在高低速全速度范围内的变化成本很高。而本实用新型结合轮胎力学特性试验的特点与要求，提出了一种全速范围轮胎力学特性试验方法及简单且低成本实现该方法的路面模拟装置。

本实用新型采用转鼓路面模拟装置，转鼓是轮胎测试领域常见的路面模拟装置，例如专利（US2011/0138899A1）以及吉林大学提出的一系列高速轮胎力学特性试验机中的路面模拟装置，但这些路面模拟装置只是提供模拟路面，没被用作存储能量，因此多为单转鼓。具有双转鼓的路面模拟装置，例如专利（CN2731429Y）以及专利（CN202177518U），也只是提供模拟路面，在两个转鼓模拟路面之间没有变速器来调节速比，不能达到存储能量可调的目的。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是要提供一种能测量从高速到低速全速范围内轮胎的摩擦特性和滑移刚度特性的装置。

结合附图，说明如下：

一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置，该装置包括主机架和基座系统，电机驱动系统，它还包括一个联动内外转鼓模拟路面系统；

所述的联动内外转鼓模拟路面系统包括通过主机架9支撑的内转鼓主轴8和外转鼓主轴12、位于主机架9内部的安装在内转鼓主轴8上的内转鼓模拟路面6、安装在外转鼓主轴12上的外转鼓模拟路面11以及内外转鼓模拟路面之间的多级变速器10，在进行轮胎力学特性试验时，根据测试要求选择内、外转鼓模拟路面6和11其中之一作为工作转鼓模拟路面进行轮胎力学特性试验，则另一转鼓模拟路面视为飞轮，进行转动惯量蓄能，通过调节多级变速器10的速比，使内、外转鼓模拟路面6和11存储的总能量不小于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量。

所述的电机驱动系统包括驱动电机2以及驱动电机2与多级变速器10之间的离合器4。

所述的主机架和基座系统包括地基系统1，设置在地基系统1上的主机架座I7和II13、驱动电机座3、变速器座5以及设置在主机架座I7和II13上的主机架9。

本实用新型的优点和有益效果是：

1、本实用新型提出的蓄能能力可调的路面模拟装置，可以实现全速度范围内轮胎的力学特性测试。该装置采用内外两个转鼓模拟路面的转动惯量蓄能，采用两个转鼓模拟路面之间的多级变速器实现蓄能能力可调。该装置简单合理，不需要大功率电机，特别是对于重载轮胎，大大降低了设备的成本。

2、本实用新型提出的蓄能能力可调的路面模拟装置中的内、外两个转鼓模拟路面都可以进行轮胎的力学特性测试，这拓展了轮胎力学特性测试的工位。同时，内转鼓模拟路面在测量水滑路面、冰雪路面、不平路面、变摩擦系数路面以及测量精度上有很大的优势。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型图2的俯视图；

图3是本实用新型的主机架和基座系统示意图；

图4是本实用新型的电机驱动系统以及联动内外转鼓模拟路面系统示意图；

其中：1、地基系统    2、驱动电机   3、驱动电机座   4、离合器   5、变速器座6、内转鼓模拟路面   7、主机架座I   8、内转鼓主轴   9、主机架   10、多级变速器   11、外转鼓模拟路面   12、外转鼓主轴    13、主机架座II

具体实施方式：

以下结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做出进一步的说明。

由图1～图4所示，本实用新型提供了一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置。该装置具有两个转鼓，转鼓的高速转动可以储存能量，且一个转鼓的内鼓面可用作轮胎在其上滚动的模拟路面，另一个转鼓的外鼓面可用作轮胎在其上滚动的模拟路面，两个转鼓之间设置有多级变速器调节两个转鼓间的速比并实现蓄能能力可调。该装置包括主机架和基座系统，电机驱动系统，它还包括一个联动内外转鼓模拟路面系统。

所述的主机架和基座系统包括地基系统1，设置在地基系统1上的主机架座I7和II13、驱动电机座3、变速器座5，以及设置在主机架座I7和II13上的主机架9。其中，所述的地基系统1负责支撑整个蓄能能力可调的路面模拟装置；所述的设置在地基系统1上的主机架座I7和II13负责支撑主机架9；所述的主机架9负责支撑联动内外转鼓模拟路面系统；所述的驱动电机座3和变速器座5分别负责支撑电机驱动系统和鼓间多级变速器10；

所述的联动内外转鼓模拟路面系统包括通过主机架9支撑的内鼓主轴8和外鼓主轴12、位于主机架9内部的安装在内鼓主轴8上的内转鼓模拟路面6、安装在外鼓主轴12上的外转鼓模拟路面11，以及内外转鼓模拟路面之间的多级变速器10。

所述的内、外转鼓模拟路面6和11，不仅可以加载测试轮胎进行轮胎力学特性试验，还可以进行转动惯量蓄能。在进行轮胎力学特性试验时，根据测试要求选择内、外转鼓模拟路面6和11其中之一作为工作转鼓模拟路面，则另一转鼓模拟路面视为飞轮。

所述的多级变速器10可以调节内、外转鼓模拟路面6和11之间的速比，实现路面模拟装置蓄能能力可调。在工作时，首先要保证工作转鼓模拟路面的速度达到测试要求的转速，再通过调节多级变速器10的速比，使内、外转鼓模拟路面6和11存储的总能量不小于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量。

所述的电机驱动系统包括驱动电机2，以及驱动电机与多级变速器之间的离合器4。当结合离合器4时，驱动电机2驱动联动内外转鼓模拟路面系统蓄能，断开离合器4时，可以立即切断驱动电机2对联动内外转鼓模拟路面系统的驱动力，停止向联动内外转鼓模拟路面系统蓄能。

一种全速度范围轮胎力学特性的试验方法，根据试验要求计算试验过程中轮胎所消耗的能量，给一种蓄能能力可调的路面模拟装置存储一定的能量，通过试验过程中对存储的能量的不断消耗，实现路面模拟装置的速度从高到低的不断变化，从而完成全速度范围内轮胎的滑移刚度特性和摩擦特性试验，至少包括以下步骤：

第一步：蓄能能力可调的路面模拟装置所需存储能量值的计算：

根据测试轮胎的载荷、速度范围、侧偏角、滑移率等试验要求计算出试验过程中轮胎所消耗的能量，保证所需存储能量值不小于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量；

第二步：给该蓄能能力可调的路面模拟装置蓄能达到上步计算出的能量值，然后切断供能；

第三步：路面模拟装置的模拟路面在存储能量的驱动下带动轮胎滚动，在试验要求的测试速度下，进行轮胎的滑移刚度特性试验，得到该测试速度下轮胎的滑移刚度特性试验数据；

第四步：进行轮胎的摩擦特性试验，得到一定滑移速度范围的轮胎摩擦特性试验数据，并使路面模拟装置的模拟路面速度下降到下一个试验要求的测试速度点；

第五步：重复步骤三和四，直到获得试验要求的测试速度范围内的所有试验数据；

第六步：数据处理：

根据获得的多个测试速度下轮胎的滑移刚度特性试验数据，得到滚动速度和滑移刚度之间的关系曲线；汇集各个滑移速度范围的轮胎摩擦特性试验数据，得到滑移速度和摩擦系数之间的关系曲线。

步骤一所述的蓄能能力可调的路面模拟装置为存储机械能、液压能、电能或热能等各种形式能量且蓄能能力可调的路面模拟装置。

实施例1：

根据测试要求选择外转鼓模拟路面作为工作转鼓模拟路面，将内转鼓模拟路面视为飞轮（若将内转鼓模拟路面视为工作转鼓模拟路面，外转鼓模拟路面视为飞轮，实施方法类似，这里就不都赘述了）。

测试轮胎的载荷为Fz，测试轮胎与工作转鼓模拟路面之间的最大摩擦系数为μ，外转鼓模拟路面的转动惯量为J，内转鼓模拟路面与外转鼓模拟路面的转动惯量之比为β，内、外转鼓模拟路面的的半径均为R。要求进行轮胎的纯纵滑刚度特性试验和纯纵滑摩擦特性试验，试验要求的最高测试速度为V1，纯纵滑摩擦特性试验的总时间为T。

1）、蓄能能力可调的路面模拟装置所需存储能量值的计算：

根据以上条件计算出试验过程中轮胎最多消耗的能量W1，该最多消耗的能量即为蓄能能力可调的路面模拟装置所需存储的能量值；

整个测试过程中，内、外转鼓模拟路面存储的能量基本都被轮胎的纯纵滑摩擦特性试验所消耗，因此，下面主要计算轮胎的纯纵滑摩擦特性试验所消耗的能量。其他方式所消耗的能量，例如：轮胎的纯纵滑刚度特性试验、空气阻力以及联动内外转鼓模拟路面系统与其他部件的摩擦阻力所消耗的能量，由一个比例系数η来代替，根据经验，η的取值范围一般为1.1-1.5。为了使计算得到的内、外转鼓模拟路面需要存储的能量不小于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量，在计算时取测试轮胎对转鼓模拟路面的最大作用力μF_z。整个测试过程中工作转鼓模拟路面的转速是线性下降的，v＝-V₁t/T+V₁。因此，在整个测试过程中最多消耗的能量W1为：

$\begin{array}{c}{W}_1=\mathrm{\η}{\∫}_0^T\mathrm{\μ}{F}_Z(-V_{1}t/T+V_1)\mathrm{dt}\\ =\frac{\mathrm{\η\μ}{F}_Z{V}_{1}T}{2}\end{array}$

不仅要保证给蓄能能力可调的路面模拟装置存储的能量为W₁，还需要保证工作转鼓模拟路面的速度达到试验要求的最高测试速度，因此，需要计算多级变速器的速比，计算方法如下：

①计算内、外转鼓模拟路面存储的能量W₂

$\begin{array}{c}{W}_2=\frac{J{(V_1/R)}^2}{2}+\frac{\mathrm{\βJ}{(a{V}_1/R)}^2}{2}\\ =\frac{J{V_1}^2}{{2R}^2}(1+{\mathrm{\βa}}^2)\end{array}$

②令W₁＝W₂，得到多级变速器的速比a

根据计算出来的值，设置多级变速度的速比为a；

2）、结合离合器，启动驱动电机对联动内外转鼓模拟路面系统蓄能，直到工作转鼓模拟路面的速度达到试验要求的最高测试速度，然后断开离合器；

3）、路面模拟装置的模拟路面在存储的能量驱动下带动轮胎滚动，在试验要求的测试速度下，进行轮胎的纯纵滑刚度特性试验，得到该测试速度下轮胎的纯纵滑刚度特性试验数据。试验方法为：控制滑移率为变化范围是-2%～2%的三角波输入，根据测试速度选择三角波输入的周期，以能得到各滑移率下轮胎的稳态力学特性。试验过程中，轮胎一直工作在小滑移范围内，基本处于滚动状态且试验周期短，轮胎对转鼓模拟路面的能量损耗很小，因此，转鼓模拟路面的速度基本保持不变；

4）、进行轮胎的纯纵滑摩擦特性试验，试验方法为：控制滑移率为三角波输入，驱动滑移率和制动滑移率依据设备的能力做至最大，根据测试速度选择三角波输入的周期，以能得到各滑移率下轮胎的稳态力学特性。试验过程中，轮胎大部分时间处于滑动状态，轮胎对转鼓模拟路面的能量损耗较大，因此转鼓模拟路面的速度下降较快，而正是利用转鼓模拟路面速度下降较快的这个特点，我们在转鼓模拟路面的速度达到下一个测试速度前，一直重复进行轮胎的摩擦特性试验，这样就可以获得一段滑移速度范围的纯纵滑摩擦特性试验数据。由步骤1）可知，内、外转鼓模拟路面存储的能量要大于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量，因此，如果在到达下一个测试速度之前，轮胎的纯纵滑摩擦特性试验已经结束，则可以通过对联动内外转鼓模拟路面系统施加制动以使其快速达到下一个测试速度；

5）、重复步骤3）和4），直到获得试验要求的测试速度范围内的所有试验数据；

6）、数据处理：根据获得的多个测试速度下轮胎的纯纵滑刚度特性试验数据，得到滚动速度和纯纵滑刚度之间的关系曲线；汇集各个滑移速度范围的轮胎纯纵滑摩擦特性试验数据，得到滑移速度和纯纵滑摩擦系数之间的关系曲线。

实施例2：

根据测试要求选择外转鼓模拟路面作为工作转鼓模拟路面，将内转鼓模拟路面视为飞轮（若将内转鼓模拟路面视为工作转鼓模拟路面，外转鼓模拟路面视为飞轮，实施方法类似，这里就不都赘述了）。

测试轮胎的载荷为F_Z′，测试轮胎与工作转鼓模拟路面之间的最大摩擦系数为μ′，外转鼓模拟路面的转动惯量为J′，内转鼓模拟路面与外转鼓模拟路面的转动惯量之比为β′，内、外转鼓模拟路面的半径均为R′。要求进行轮胎的纯侧偏滑移刚度特性试验和纯侧偏摩擦特性试验，试验要求的最高测试速度为V₁′，整个试验过程中进行N次纯侧偏摩擦特性试验，其中侧偏角α为变化范围是-25°～25°的三角波输入，三角波输入的周期为T′。

1）、蓄能能力可调的路面模拟装置所需存储能量值的计算：

根据以上条件计算出试验过程中轮胎最多消耗的能量W₁′，该最多消耗的能量即为蓄能能力可调的路面模拟装置所需存储的能量值；

整个测试过程中，内、外转鼓模拟路面存储的能量基本都被轮胎的纯侧偏摩擦特性试验所消耗，因此，下面主要计算轮胎的纯侧偏摩擦特性试验所消耗的能量。其他方式所消耗的能量，例如：轮胎的纯侧偏滑移刚度特性试验、空气阻力以及联动内外转鼓模拟路面系统与其他部件的摩擦阻力所消耗的能量，由一个比例系数η′来代替，根据经验，η′的取值范围一般为1.1-1.5。为了使计算得到的内、外转鼓模拟路面需要存储的能量不小于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量，在计算时取测试轮胎对转鼓模拟路面的最大作用力μ′F_z′cosα,整个测试过程中工作转鼓模拟路面的转速是线性下降的，v′＝-V₁′t′/T′+V₁′。因此，在整个测试过程中最多消耗的能量W₁′为：

$\begin{array}{c}{W}_1^{\′}=4N{\mathrm{\η}}^{\′}{\∫}_0^{T^{\′/4}}{\mathrm{\μ}}^{\′}{F}_z^{\′}\cos ({5\mathrm{\πt}}^{\′}/{9T}^{\′})(-V_1^{\′}/T^{\′}+V_1^{\′}){\mathrm{dt}}^{\′}\\ =4N{\mathrm{\η}}^{\′}{\mathrm{\μ}}^{\′}{F}_z^{\′}(\frac{{27T}^{\′}{V}_1^{\′}}{20\mathrm{\π}}\sin \left(\frac{5\mathrm{\π}}{36}\right)-\frac{{81T}^{\′}{V}_1^{\′}}{{25\mathrm{\π}}^2}(\cos \left(\frac{5\mathrm{\π}}{36}\right)-1))\end{array}$

不仅要保证给蓄能能力可调的路面模拟装置存储的能量为W₁′，还需要保证工作转鼓模拟路面的速度达到试验要求的最高测试速度，因此，需要计算多级变速器的速比，计算方法如下：

①计算内、外转鼓模拟路面存储的能量W₂′

$\begin{array}{c}{W}_2^{\′}=\frac{J^{\′}{(V_1^{\′}/R^{\′})}^2}{2}+\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}{J}^{\′}{(a^{\′}{V}_1^{\′}/R^{\′})}^2}{2}\\ =\frac{J^{\′}{V}_1^{\′2}}{{2R}^{\′2}}(1+{\mathrm{\β}}^{\′}{a}^{\′2})\end{array}$

②令W₁′＝W₂′，得到多级变速器的速比a′

$\frac{J^{\′}{V}_1^{\′2}}{{2R}^{\′2}}(1+{\mathrm{\β}}^{\′}{a}^{\′2})=W_2^{\′}$

$a^{\′}=\sqrt{\frac{2W_2^{\′}{R}^{\′2}-{J{V}_1^{\′}}^{\′2}}{{\mathrm{\β}}^{\′}{J}^{\′}{V}_1^{\′2}}}$

根据计算出来的值，设置多级变速度的速比为a′；

2）、结合离合器，启动驱动电机对联动内外转鼓模拟路面系统蓄能到，直到工作转鼓模拟路面的速度达到试验要求的最高测试速度，然后断开离合器；

3）、路面模拟装置的模拟路面在存储的能量驱动下带动轮胎滚动，在试验要求的测试速度下，进行轮胎的纯侧偏滑移刚度特性试验，得到该测试速度下轮胎的纯侧偏滑移刚度特性试验数据。试验方法为：控制侧偏角为变化范围是-1°～1°的三角波输入，根据测试速度选择三角波输入的周期，以能得到各侧偏角下轮胎的稳态力学特性。试验过程中，轮胎一直工作在小侧偏角范围内，基本处于滚动状态且试验周期短，轮胎对转鼓模拟路面的能量损耗很小，因此，转鼓模拟路面的速度基本保持不变。

4）、进行轮胎的纯侧偏摩擦特性试验，试验方法为：控制侧偏角为变化范围是-25°～25°的三角波输入，根据测试速度选择三角波输入的周期，以能得到各侧偏角下轮胎的稳态力学特性。试验过程中，轮胎大部分时间处于滑动状态，轮胎对转鼓模拟路面的能量损耗较大，因此转鼓模拟路面的速度下降较快，而正是利用转鼓模拟路面速度下降较快的这个特点，我们在转鼓模拟路面的速度达到下一个测试速度前，一直重复进行轮胎的纯侧偏摩擦特性试验，这样就可以获得一段滑移速度范围的纯侧偏摩擦特性试验数据。由步骤1）可知，内、外转鼓模拟路面存储的能量要大于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量，因此，如果在到达下一个测试速度之前，轮胎的纯侧偏摩擦特性试验已经结束，则可以通过对联动内外转鼓模拟路面系统施加制动以使其快速达到下一个测试速度。

5）、重复步骤3）和4），直到获得试验要求的测试速度范围内的所有试验数据；

6）、数据处理：根据获得的多个测试速度下轮胎的纯侧偏刚度特性试验数据，得到滚动速度和纯侧偏刚度之间的关系曲线；汇集各个滑移速度范围的轮胎纯侧偏摩擦特性试验数据，得到滑移速度和纯侧偏摩擦系数之间的关系曲线。

同理，参考实施例1和实施例2，还可以得到全速度范围内轮胎的侧偏纵滑复合滑移刚度和摩擦特性。

Claims (3)

1.一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置，该装置包括主机架和基座系统，电机

驱动系统，其特征在于：它还包括一个联动内外转鼓模拟路面系统；

所述的联动内外转鼓模拟路面系统包括通过主机架（9）支撑的内转鼓主轴（8）和外转鼓主轴（12）、位于主机架（9）内部的安装在内转鼓主轴（8）上的内转鼓模拟路面（6）、安装在外转鼓主轴（12）上的外转鼓模拟路面（11）以及内外转鼓模拟路面之间的多级变速器（10），在进行轮胎力学特性试验时，根据测试要求选择内转鼓模拟路面（6）、外转鼓模拟路面（11）其中之一作为工作转鼓模拟路面进行轮胎力学特性试验，则另一转鼓模拟路面视为飞轮，进行转动惯量蓄能，通过调节多级变速器（10）的速比，使内转鼓模拟路面（6）和外转鼓模拟路面（11）存储的总能量不小于所设计的轮胎力学特性试验所消耗的能量。

2.根据权利要求1所述的一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置，其特征在于，所述的电机驱动系统包括驱动电机（2）以及驱动电机（2）与多级变速器（10）之间的离合器（4）。

3.根据权利要求1所述的一种全速度范围轮胎力学特性的试验装置，其特征在于，所述的主机架和基座系统包括地基系统（1）、设置在地基系统（1）上的主机架座I（7）和II（13）、驱动电机座（3）、变速器座（5）以及设置在主机架座I（7）和II（13）上的主机架（9）。