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基于簡(jiǎn)易輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試的滾阻特性評(píng)價(jià)方法(上）

2019-05-11 00:20:22·  來源：期刊《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》  作者：朱成偉，劉洋，莊曄，高學(xué)亮，陳強(qiáng)  
　
摘要：輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性有很大影響，約占汽車耗油的20%～30%，評(píng)價(jià)輪胎滾阻特性是本領(lǐng)域的難點(diǎn)。通過對(duì)現(xiàn)階段評(píng)價(jià)輪胎滾阻特性的總結(jié)及對(duì)輪胎滾阻產(chǎn)
摘要：輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性有很大影響，約占汽車耗油的20%～30%，評(píng)價(jià)輪胎滾阻特性是本領(lǐng)域的難點(diǎn)。通過對(duì)現(xiàn)階段評(píng)價(jià)輪胎滾阻特性的總結(jié)及對(duì)輪胎滾阻產(chǎn)生機(jī)理分析，本文提出了一種基于簡(jiǎn)易輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試的滾阻特性評(píng)價(jià)方法，利用半功率帶寬法對(duì)輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)幅頻特性進(jìn)行計(jì)算，得到不同輪胎的阻尼比評(píng)價(jià)其滾阻特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)幅頻特性的半功率帶寬與其滾動(dòng)阻力有密切關(guān)系且呈正相關(guān)，其半功率帶寬越大，一階共振能量越分散，輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)就越大。該結(jié)果進(jìn)一步表明不同輪胎的模態(tài)阻尼比與其滾動(dòng)阻力系數(shù)兩者之間具有很好的一致性，輪胎的阻尼比越大，其滾動(dòng)阻力系數(shù)越大，證明該方法能夠定性評(píng)價(jià)輪胎滾阻特性，從而提高了輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試效率及降低測(cè)試成本。

關(guān)鍵詞：輪胎滾阻；模態(tài)參數(shù)；壓電薄膜；半功率帶寬

引言
 
隨著國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)和能源消耗的日趨重視，車輛消耗的能源成為國(guó)家重要監(jiān)測(cè)對(duì)象。而輪胎滾動(dòng)阻力占車輛油耗的20%～30%，控制輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)尤為重要，因此低滾阻綠色輪胎日益成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1-5]。由于影響輪胎滾動(dòng)阻力因素較多，如材料配方、輪胎結(jié)構(gòu)、載荷、胎壓、溫度、路況等，成為研究輪胎滾動(dòng)阻力的難點(diǎn)之一[6-11]，因此，測(cè)量輪胎滾阻特性成為本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前，由于輪胎滾動(dòng)阻力在室外道路測(cè)試的各種工況參數(shù)可控性差，無法形成規(guī)范的操作流程，滾動(dòng)阻力測(cè)試精度低 [12]。因此，輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試主要是在室內(nèi)利用臺(tái)架試驗(yàn)完成，測(cè)試試驗(yàn)機(jī)分為轉(zhuǎn)鼓式和平帶式。鑒于平帶式試驗(yàn)機(jī)在大負(fù)荷高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下難以滿足路面所有的剛度和平整度要求，測(cè)試效果不理想[13-14]。目前輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試多是在室內(nèi)利用轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)機(jī)完成。測(cè)試原理為利用傳感器采集輪胎滾動(dòng)過程中不同變量參數(shù)并通過換算關(guān)系得到輪胎滾動(dòng)阻力[15-16]。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)采集對(duì)象不同，測(cè)試方法分為減速度法、力法、扭矩法和功率法。

國(guó)內(nèi)外研究人員開展了大量輪胎滾動(dòng)阻力的理論及試驗(yàn)研究工作并取得一定成果[17-25]。國(guó)內(nèi)外輪胎滾動(dòng)阻力研究主要集中在室內(nèi)測(cè)試方法和有限元模型，然而開發(fā)對(duì)輪胎滾阻特性的新評(píng)價(jià)方法鮮有報(bào)道。

傳統(tǒng)輪胎模態(tài)參數(shù)試驗(yàn)方法主要依賴昂貴的信號(hào)采集儀及相關(guān)軟件，同時(shí)需要多個(gè)加速度傳感器和振動(dòng)傳感器連接多個(gè)信號(hào)通道一起采集數(shù)據(jù)信息，試驗(yàn)過程需多次敲擊激勵(lì)輪胎，過程復(fù)雜。為了解決評(píng)價(jià)輪胎滾阻特性問題，本文提出一種基于簡(jiǎn)易輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試的滾阻特性評(píng)價(jià)方法。
1 輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生機(jī)理
 

圖1 輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生示意圖

圖2 彈性體滯回圈

2 輪胎阻尼特性

2.1 計(jì)算原理







圖3 半功率帶寬法原理

2.2 試驗(yàn)

為了得到輪胎模態(tài)參數(shù)的阻尼特性， 設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易基于壓電薄膜的輪胎模態(tài)阻尼測(cè)試方法，試驗(yàn)裝置由多條帶輪輞輪胎、輪胎支架、壓電薄膜PVDF、電荷放大器、NI PCIe6323 型采集卡、計(jì)算機(jī)、力錘及Matlab/Simulink 采集軟件等部分組成，如圖5 所示。

圖5 輪胎模態(tài)阻尼試驗(yàn)裝置

1.輪胎支架 2.輪胎 3.力錘 4.壓電薄膜 5.電荷放大器 6.計(jì)算機(jī) 7.NI PCIe6323 型采集卡

基于壓電薄膜的輪胎模態(tài)阻尼試驗(yàn)過程如下，首先采用輪胎懸置中心固定方式，壓電薄膜PVDF 沿著輪胎縱向方向貼置，將輪胎輪輞安裝于輪胎支架上。其次，壓電薄膜連接電荷放大器的輸入端，電荷放大器輸出端連接到NI PCIe6323 型采集卡采集信號(hào)端口，并根據(jù)壓電薄膜參數(shù)設(shè)定電荷放大器上的精度系數(shù)和標(biāo)定系數(shù)。然后，將NI PCIe6323 型采集卡置于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，使用Matlab/Simulink 采集模塊與NI PCIe6323 型采集卡通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后，設(shè)定Simulink 采集模塊相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)與NIPCIe6323 型采集卡實(shí)時(shí)通訊采集，力錘沿著輪胎胎面徑向方向敲擊激勵(lì)一次即可完成輪胎模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。力錘敲擊激勵(lì)每條輪胎是單點(diǎn)激勵(lì)且僅需一個(gè)壓電薄膜傳感器，區(qū)別于傳統(tǒng)輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試方法。由于PVDF 壓電薄膜粘貼在輪胎的位置和力錘敲擊輪胎位置對(duì)輪胎模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，將壓電薄膜縱向粘貼在輪胎胎寬中心位置，力錘錘擊輪胎的部位與壓電薄膜縱向距離為30 mm 時(shí)得到的輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較理想。

PVDF 壓電薄膜作為一種柔性壓電材料具有柔韌性好，壓電性能穩(wěn)定，有較高電壓靈敏度，其屬于動(dòng)態(tài)敏感材料，對(duì)于機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變變化有很高的響應(yīng)度，特別適合測(cè)量因沖擊負(fù)荷而發(fā)生的變形工況，有著較寬頻率響應(yīng)范圍，覆蓋0.1 Hz 至GHz?？紤]到PVDF 壓電薄膜以上諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是高頻響應(yīng)好，質(zhì)量輕且靈敏度高，對(duì)輪胎變形影響很小的優(yōu)點(diǎn)[35-36]，本文采用基于PVDF 壓電薄膜傳感器的輪胎模態(tài)試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PVDF 壓電薄膜結(jié)構(gòu)示意圖

1,5 保護(hù)層 2,4 電極層 3 PVDF 壓電薄膜

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