CN103759954B - 一种轮胎滚动阻力精确测试的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎滚动阻力精确测试方法及装置，属于轮胎动力学特性测试试验领域，其可解决现有安装多分力传感器的轮胎试验机不能精确测量轮胎滚动阻力的问题。本发明的轮胎滚动阻力测试方法为按测试要求的侧倾角及垂直载荷设置轮胎处于纵向力为零的状态，然后对轮胎多分力传感器各个输出力通道的清零处理，并以此为轮胎滚动阻力测试的基准点开始滚动阻力的测试，这样可消除垂直载荷对滚动阻力的串扰，达到轮胎滚动阻力精确测试的目的。本发明还提出了一种测量装置，通过该装置可实现轮胎处于纵向力为零的状态。本发明可广泛适用于各种装有多分力传感器的轮胎特性试验台，并适用于各种轮胎的滚动阻力精确测试。

Description

一种轮胎滚动阻力精确测试的方法及装置

技术领域

本发明属于轮胎动力学特性测试试验领域，具体涉及一种轮胎滚动阻力精确测试方法及装置，通过消除垂直载荷对滚动阻力的耦合串扰，可精确测量轮胎的滚动阻力，为轮胎的动力学研究提供更加准确的试验数据。

背景技术

轮胎是汽车上的重要部件，整车与地面间的作用力都通过轮胎传递。轮胎力学特性是汽车性能分析与设计的基础，并且对汽车的安全性、操作稳定性、平顺性等性能有着重要的影响。轮胎力学特性试验台是轮胎特性建模以及整车建模、集成、调校与开发的关键设备之一，它可实现轮胎的各种运行工况，并测定六个自由度的运动参数及其与地面多分力的关系，它是汽车动力学仿真设计关键数据来源。

轮胎的滚动阻力是影响车辆燃油消耗的一个关键参数。相对于轮胎负荷，轮胎滚动阻力数值很小，因此其测量很困难，对设备精度的要求非常高。目前，国内外测试轮胎滚动阻力的方法很多，包括测力法、功率法、转矩法和减速法等，但无论哪种方法，其试验测量结果最终都应换算成作用于轮胎与路面间的滚动阻力。

轮胎力学特性试验台的关键部件是多分力传感器，但实际使用的多分力传感器各维力输出信号之间都存在着不同程度的耦合串扰。导致耦合串扰的因素主要有两个方面：一是多分力传感器的设计原理、加工制造、敏感元件特性等，二是多分力传感器在试验台上使用时的安装误差。这种相互耦合作用严重制约了传感器的测量精度,尤其是各维力大小相差悬殊时，由于耦合影响导致的测量误差不容小觑。例如通常情况下，轮胎的垂直载荷约为滚动阻力100倍，因此轮胎垂直载荷对滚动阻力产生的耦合是一个需要解决的重要问题。

为解决多分力传感器的耦合串扰问题，通常在传感器出厂前进行多分力传感器耦合系数的标定。目前常用线性解耦的方法使维间耦合减小，但研究表明，耦合是非线性的，线性解耦不能完全消除实际中存在的耦合误差，且因标定是在特定良好的环境下测得的，而轮胎试验台上的分力传感器使用环境比较恶劣，传感器的耦合系数会有所不同。再者，在轮胎试验台上安装多分力传感器时，安装误差（如传感器倾斜一个角度），也会对维间耦合系数产生一定的影响。上述实际试验中无法确定的因素使传感器的维间耦合关系更加复杂，在理论上难以定量描述。因此，有必要通过改进试验方法以最大程度的消除耦合的影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有轮胎滚动阻力测量精度上的不足，提供了一种轮胎滚动阻力精确测试方法及装置。

结合附图，说明如下：

一种轮胎滚动阻力精确测试的方法，按测试要求的垂直载荷设置轮胎处于纵向力为零的状态，通过对轮胎多分力传感器各个输出力通道的清零处理，保持传感器输出与轮胎实际所受纵向力状态一致，并以此为轮胎滚动阻力测试的基准点开始轮胎滚动状态下滚动阻力的测试，消除垂直载荷对滚动阻力的耦合串扰；至少包括以下步骤：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使其适合测试要求的垂直载荷；

第二步：使轮胎离开路面，对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，使悬浮托板悬浮的力要大于轮胎的垂直载荷F_Z0，以实现轮胎处于纵向力为零的状态，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至测试要求的垂直载荷，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0，之后再次对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，保持测量采集；

第四步：将轮胎抬离悬浮托板表面，移除悬浮托板装置，随后将轮胎压到路面上至垂直载荷为0；

第五步：增大轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使轮胎多分力传感器可更准确测量小载荷的变化；

第六步：开始轮胎滚动阻力测试试验，并采集试验数据；

第七步：试验数据处理：采集到的轮胎多分力传感器输出的纵向力即为轮胎滚动阻力；将采集到的轮胎多分力传感器输出的垂直载荷与之前测得的F_Z0相加即为轮胎的垂直载荷。

一种轮胎滚动阻力精确测试的方法，至少包括以下步骤：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使其适合测试要求的垂直载荷；

第二步：使轮胎离开路面，并对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，使悬浮托板悬浮的力要大于轮胎的垂直载荷F_Z0，以实现轮胎处于纵向力为零的状态，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至测试要求的垂直载荷，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0和由于串扰耦合产生的F_X0；

第四步：利用F_Z0对纵向产生的串扰影响F_X0来修正垂向对纵向的串扰耦合系数

$a=\frac{F_{X0}}{F_{Z0}};$

第五步：根据式F_Xcomp＝F_X-a·F_Z0即可得到经过修正的较精确轮胎滚动阻力F_Xcomp，其中F_X为试验时从传感器中得到的滚动阻力方向的计测值，系数a是由垂向方向引起的串扰耦合影响系数。

步骤三所述的悬浮托板装置为使托板能够悬浮的气浮台系统、磁悬浮系统或液压悬浮系统。

一种轮胎滚动阻力精确测试装置包括：气源1、高压导气管2、次高压导气管9、压力控制器放置台3、压力控制器4、气浮台基座5、基座入气口11、出气孔7、悬浮托板8；

所述的气源1通过高压导气管2与放置在压力控制器放置台3上的压力控制器4连接，气源1提供压强为p₁的高压气体，经压力控制器4可得到稳定的压强为p₂的次高压气体；

所述的压力控制器4通过次高压导气管9与气浮台基座5的基座入气口11连通；

所述的气浮台基座5有多个出气孔7，出气孔总面积S_出气小于次高压导气管9的横截面积S_管；

所述悬浮托板8覆盖在气浮台基座5上，其所覆盖的出气孔总面积S_托板出气与次高压气体压强p₂及测试要求的轮胎垂直载荷F_Z0间存在如下关系：S_托板出气.p₂＞F_Z0。

所述的出气孔7的孔径较小，这样可设置较多的出气孔，以利于气体流场的均匀分布，出气孔7的总面积可由算式S_出气＝n·πr²得到，其中S_出气为所有出气孔的总面积，r为出气孔的半径，n为出气孔的数目。

一种轮胎滚动阻力精确测试装置，还包括柔性绳索6，所述的柔性绳索6一端固定在气浮台基座5上，另一端固定在悬浮托板8上，柔性绳索为四根，且具有一定长度，可将悬浮托板8的运动限制在一定的空间区域内，该空间区域可满足试验轮胎的各种负载。

本发明具有以下优点和技术效果：

1.本发明提出的测试方法和装置可最大程度上消除轮胎垂直载荷对滚动阻力测量造成的误差，即可直接精确测量轮胎滚动阻力，提高轮胎滚动阻力测试精度。

2.本发明提出的测试方法和装置可广泛适用于各种装有多分力传感器的轮胎特性试验台，包括往复平板式轮胎试验台、平带式轮胎试验台、转鼓式轮胎试验台和具有多分力传感器车轮的轮胎力学特性试验车。

3.本发明提出的测试方法和装置适用于各种轮胎，包括乘用车、越野车、工程机械车、特种车、摩托车等车辆轮胎和航空轮胎。

附图说明

图1是本发明轮胎滚动阻力精确测试方法的流程图;

图2是本发明通过修正串扰耦合系数对轮胎滚动阻力精确测试方法的流程图;

图3是本发明悬浮托板装置放置在平板式轮胎试验台上的连接示意图；

图4是本发明悬浮托板装置的俯视结构示意图；

图5是本发明悬浮托板装置放置在平带式轮胎试验台上的连接示意图；

图6是本发明悬浮托板装置放置在转鼓式轮胎试验台上的连接示意图；

其中：1、气源2、高压导气管3、压力控制器放置台4、压力控制器5、气浮台基座6、柔性绳索7、出气孔8、悬浮托板9、次高压导气管10、轮胎力学特性试验台11、基座入气口

具体实施方式

下面结合附图实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

一种轮胎滚动阻力精确测试的方法，按测试要求的侧倾角及垂直载荷设置轮胎处于纵向力为零的状态，通过对轮胎多分力传感器各个输出力通道的清零处理，保持传感器输出与轮胎实际所受纵向力状态一致，并以此为轮胎滚动阻力测试的基准点开始轮胎滚动状态下滚动阻力的测试，这样可消除垂直载荷对滚动阻力的耦合串扰，也可以通过修正串扰耦合影响系数,达到轮胎滚动阻力精确测试的目的，至少包括以下步骤：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使其适合测试要求的垂直载荷；

第二步：使轮胎离开路面，并对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至测试要求的垂直载荷，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0，之后再次对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，保持测量采集；

第四步：将轮胎抬离悬浮托板表面，移除悬浮托板装置，随后将轮胎压到路面上至垂直载荷为0；

第五步：增大轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使轮胎多分力传感器可更准确测量小载荷的变化；

第六步：开始轮胎滚动阻力测试试验，并采集试验数据；

第七步：试验数据处理：采集到的轮胎多分力传感器输出的纵向力即为轮胎滚动阻力；将采集到的轮胎多分力传感器输出的垂直载荷与之前测得的F_Z0相加即为轮胎的垂直载荷。

一种轮胎滚动阻力精确测试的方法，至少包括以下步骤：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使其适合测试要求的垂直载荷；

第二步：使轮胎离开路面，并对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，使悬浮托板悬浮的力要大于轮胎的垂直载荷F_Z0，以实现轮胎处于纵向力为零的状态，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至测试要求的垂直载荷，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0和由于串扰耦合产生的F_X0；

第四步：利用F_Z0对纵向产生的串扰影响F_X0来修正垂向对纵向的串扰耦合系数

$a=\frac{F_{X0}}{F_{Z0}}.$

第五步：根据式F_Xcomp＝F_X-a·F_Z0即可得到经过修正的较精确轮胎滚动阻力F_Xcomp，其中F_X为试验时从传感器中得到的滚动阻力方向的计测值，系数a是由垂向方向引起的串扰耦合影响系数。

为了方便试验，可计算出不同常用垂直载荷下的串扰耦合系数，试验时可根据不同的垂直载荷直接调用相对应的串扰耦合系数。

所述轮胎处于纵向力为零的状态是轮心无转动约束且非滚动、路面切平面内没有侧向力、纵向力及回正力矩施加于轮胎。

轮胎力学特性试验台包括往复平板式轮胎试验台、平带式轮胎试验台、转鼓式轮胎试验台和具有多分力传感器车轮的轮胎力学特性试验车。所述的轮胎力学特性试验台系统利用多分力传感器测试轮胎的受力情况，其中多分力传感器至少能测量轮胎的垂向负载及纵向力，也可以至多测量轮胎全部的六分力。

本发明所述的悬浮托板装置放置在轮胎力学特性试验台的路面上，并与其配合使用。

所述的悬浮托板装置为使托板能够悬浮的气浮台系统、磁悬浮系统或液压悬浮系统。

如图3、图4所示，本发明的悬浮托板装置为气浮台系统，包括：气源1、高压导气管2、次高压导气管9、压力控制器放置台3、压力控制器4、气浮台基座5、基座入气口11、柔性绳索6、出气孔7、悬浮托板8。悬浮托板装置放置在轮胎力学特性试验台10的路面上与其配合使用。

所述的气源1通过高压导气管2与压力控制器4连接，压力控制器4放置在压力控制器放置台3上，气源提供气压为p₁的高压气体，经压力控制器4可得到稳定的压力为p₂的次高压气体；

所述的压力控制器4输出的次高压气体通过次高压导气管9与气浮台基座5的基座入气口11连通，为其持续提供稳定气压为的p₂气体；

所述的柔性绳索6一端固定在气浮台基座5上，另一端固定在悬浮托板8上，共四根。柔性绳索具有一定长度，目的是将悬浮托板的运动限制在一定的空间区域内，该空间区域可满足试验轮胎的各种负载，该区域亦称为悬浮托板的安全工作范围。

所述的气浮台基座5有多个出气孔7，次高压气体通过出气孔作用在悬浮托板8上，将其托起。因此，当悬浮托板被气压托起时，在安全工作范围内，悬浮托板可自由运动；

所述的出气孔7的孔径较小，这样可设置较多的出气孔，以利于气体流场的均匀分布。所有出气孔的总面积可由算式S_出气＝n·πr²得到，n为出气孔数目，r为出气孔的半径；出气孔总面积S_出气小于次高压导气管9的横截面积S_管，这样可保证出气孔气压稳定可控。悬浮托板8所覆盖的出气孔总面积S_托板出气与次高压气体压强p₂及测试要求的轮胎垂直载荷Fz0间存在如下关系：S_托板出气.p₂＞F_Z0，。

所述的悬浮托板装置在使用时，可先将轮胎压到悬浮托板8上，之后再让次高压气体通过来托起悬浮托盘8及其上的轮胎，这样可保证轮胎较精确地压在悬浮托板表面中心位置，防止悬浮托盘倾斜。

实施例

气源的稳定输出压力为10MPa，压力控制器的精度：0.01MPa。

某轮胎测试要求的垂直载荷F_Z0为4000N，选取悬浮托板所覆盖的出气孔为16个，出气孔半径为8mm，则悬浮托板所覆盖的出气孔总面积S_托板出气＝16×πr²＝32.15cm²

为托起F_Z0＝4000N的垂直载荷，根据悬浮托板下面的出气孔总面积S_托板出气与次高压气体压强p₂及测试要求的轮胎垂直载荷F_Z0间存在的关系：S_托板出气·p₂＞F_z0，则有p₂＞1.24MPa，因此，需调节压力控制器，使次高压导气管气压满足p₂＞1.24MPa。

该轮胎滚动阻力精确测量方法步骤如下：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，纵向力Fx通道：5000N/V，垂直载荷Fz：5000N/V；

第二步：使轮胎离开路面，并对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至垂直载荷为4000N，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0＝4000N，之后再次对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，保持测量采集；

第四步：将轮胎抬离悬浮托板表面，移除悬浮托板装置，随后将轮胎压到路面上至垂直载荷为0N；

第五步：增大轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，纵向力Fx通道：200N/V，垂直载荷Fz：200N/V,此时,使轮胎多分力传感器可更准确测量小载荷的变化；

第六步：开始轮胎滚动阻力测试试验，并采集试验数据；

第七步：试验数据处理：采集到的轮胎多分力传感器输出的纵向力即为轮胎滚动阻力；将采集到的轮胎多分力传感器输出的垂直载荷与之前测得的F_Z0相加即为轮胎的垂直载荷。

本发明提出的测试方法和装置即可直接精确测量轮胎滚动阻力，最大程度上消除轮胎垂直载荷对滚动阻力测量造成的误差，也可通过校正垂直载荷对纵向力的串扰耦合系数，减小串扰造成的误差，提高轮胎滚动阻力测试精度。

上述对实施实例的描述是为了便于该技术领域的技术人员理解和应用本试验方法发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把此发明的一般原理应用到其他实例中。这些修改和变型都在本申请的宗旨和范围内，并落入权利要求书的保护范围内。

Claims (6)

1.一种轮胎滚动阻力精确测试方法，其特征在于：按测试要求的垂直载荷设置轮胎处于纵向力为零的状态，通过对轮胎多分力传感器各个输出力通道的清零处理，保持传感器输出与轮胎实际所受纵向力状态一致，并以此为轮胎滚动阻力测试的基准点开始轮胎滚动状态下滚动阻力的测试，消除垂直载荷对滚动阻力的耦合串扰，至少包括以下步骤：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使其适合测试要求的垂直载荷；

第二步：使轮胎离开路面，对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，使悬浮托板悬浮的力要大于轮胎的垂直载荷F_Z0，以实现轮胎处于纵向力为零的状态，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至测试要求的垂直载荷，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0，之后再次对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，保持测量采集；

第四步：将轮胎抬离悬浮托板表面，移除悬浮托板装置，随后将轮胎压到路面上至垂直载荷为0；

第五步：增大轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使轮胎多分力传感器可更准确测量小载荷的变化；

第六步：开始轮胎滚动阻力测试试验，并采集试验数据；

第七步：试验数据处理：采集到的轮胎多分力传感器输出的纵向力即为轮胎滚动阻力；将采集到的轮胎多分力传感器输出的垂直载荷与之前测得的F_Z0相加即为轮胎的垂直载荷。

2.一种轮胎滚动阻力精确测试方法，至少包括以下步骤：

第一步：设置轮胎多分力传感器各个输出力通道的灵敏度，使其适合测试要求的垂直载荷；

第二步：使轮胎离开路面，并对轮胎多分力传感器各个输出力通道清零，开始测量采集；

第三步：在轮胎与路面间放置悬浮托板装置，使悬浮托板悬浮的力要大于轮胎的垂直载荷F_Z0，以实现轮胎处于纵向力为零的状态，并将轮胎缓慢压在悬浮托板表面中心位置至测试要求的垂直载荷，待轮胎垂直载荷稳定后记录轮胎多分力传感器输出的垂直载荷F_Z0和由于串扰耦合产生的F_X0；

第四步：利用F_Z0对纵向产生的串扰影响F_X0来修正垂向对纵向的串扰耦合系数 $a=\frac{F_{X0}}{F_{Z0}};$

第五步：根据式F_Xcomp＝F_X-a·F_Z0即可得到经过修正的较精确轮胎滚动阻力F_Xcomp，其中F_X为试验时从传感器中得到的滚动阻力方向的计测值，系数a是由垂向方向引起的串扰耦合影响系数。

3.根据权利要求1或2所述的一种轮胎滚动阻力精确测试的方法，其特征在于：步骤三所述的悬浮托板装置为使托板能够悬浮的气浮台系统、磁悬浮系统或液压悬浮系统。

4.一种实现权利要求1或2所述的轮胎滚动阻力精确测试方法的装置，其特征在于:包括气源(1)、高压导气管(2)、次高压导气管(9)、压力控制器放置台(3)、压力控制器(4)、气浮台基座(5)、基座入气口(11)、出气孔(7)、悬浮托板(8)；

所述的气源(1)通过高压导气管(2)与放置在压力控制器放置台(3)上的压力控制器(4)连接，气源(1)提供压强为p₁的高压气体，经压力控制器(4)可得到稳定的压强为p₂的次高压气体；

所述的压力控制器(4)通过次高压导气管(9)与气浮台基座(5)的基座入气口(11)连通；

所述的气浮台基座(5)有多个出气孔(7)，出气孔总面积S_出气小于次高压导气管(9)的横截面积S_管；

所述悬浮托板(8)覆盖在气浮台基座(5)上，其所覆盖的出气孔总面积S_托板出气与次高压气体压强p₂及测试要求的轮胎垂直载荷F_Z0间存在如下关系：S_托板出气.p₂＞F_Z0。

5.根据权利要求4所述的一种轮胎滚动阻力精确测试装置，其特征在于：所述的多个出气孔(7)，有利于气体流场的均匀分布，出气孔(7)的总面积可由算式S_出气＝n·πr²得到，其中S_出气为所有出气孔的总面积，r为出气孔的半径，n为出气孔的数目。

6.根据权利要求4所述的一种轮胎滚动阻力精确测试装置，其特征在于：它还包括柔性绳索(6)，所述的柔性绳索(6)一端固定在气浮台基座(5)上，另一端固定在悬浮托板(8)上，柔性绳索为四根，用于限制悬浮托板(8)的运动空间，该空间区域可满足试验轮胎的各种负载。