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基于簡易輪胎試驗模態(tài)測試的滾阻特性評價方法(上）

2019-05-11 00:20:22·  來源：期刊《農(nóng)業(yè)機械學報》  作者：朱成偉，劉洋，莊曄，高學亮，陳強  
　
摘要：輪胎滾動阻力對汽車燃油經(jīng)濟性有很大影響，約占汽車耗油的20%～30%，評價輪胎滾阻特性是本領(lǐng)域的難點。通過對現(xiàn)階段評價輪胎滾阻特性的總結(jié)及對輪胎滾阻產(chǎn)
摘要：輪胎滾動阻力對汽車燃油經(jīng)濟性有很大影響，約占汽車耗油的20%～30%，評價輪胎滾阻特性是本領(lǐng)域的難點。通過對現(xiàn)階段評價輪胎滾阻特性的總結(jié)及對輪胎滾阻產(chǎn)生機理分析，本文提出了一種基于簡易輪胎試驗模態(tài)測試的滾阻特性評價方法，利用半功率帶寬法對輪胎試驗模態(tài)幅頻特性進行計算，得到不同輪胎的阻尼比評價其滾阻特性。試驗結(jié)果表明，輪胎試驗模態(tài)幅頻特性的半功率帶寬與其滾動阻力有密切關(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，輪胎滾動阻力系數(shù)就越大。該結(jié)果進一步表明不同輪胎的模態(tài)阻尼比與其滾動阻力系數(shù)兩者之間具有很好的一致性，輪胎的阻尼比越大，其滾動阻力系數(shù)越大，證明該方法能夠定性評價輪胎滾阻特性，從而提高了輪胎滾動阻力測試效率及降低測試成本。

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

國內(nèi)外研究人員開展了大量輪胎滾動阻力的理論及試驗研究工作并取得一定成果[17-25]。國內(nèi)外輪胎滾動阻力研究主要集中在室內(nèi)測試方法和有限元模型，然而開發(fā)對輪胎滾阻特性的新評價方法鮮有報道。

傳統(tǒng)輪胎模態(tài)參數(shù)試驗方法主要依賴昂貴的信號采集儀及相關(guān)軟件，同時需要多個加速度傳感器和振動傳感器連接多個信號通道一起采集數(shù)據(jù)信息，試驗過程需多次敲擊激勵輪胎，過程復雜。為了解決評價輪胎滾阻特性問題，本文提出一種基于簡易輪胎試驗模態(tài)測試的滾阻特性評價方法。
1 輪胎滾動阻力產(chǎn)生機理
 

圖1 輪胎滾動阻力產(chǎn)生示意圖

圖2 彈性體滯回圈

2 輪胎阻尼特性

2.1 計算原理







圖3 半功率帶寬法原理

2.2 試驗

為了得到輪胎模態(tài)參數(shù)的阻尼特性， 設計了一種簡易基于壓電薄膜的輪胎模態(tài)阻尼測試方法，試驗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、計算機、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.計算機 7.NI PCIe6323 型采集卡

基于壓電薄膜的輪胎模態(tài)阻尼試驗過程如下，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 型采集卡采集信號端口，并根據(jù)壓電薄膜參數(shù)設定電荷放大器上的精度系數(shù)和標定系數(shù)。然后，將NI PCIe6323 型采集卡置于計算機內(nèi)部，實現(xiàn)與計算機實時通訊，使用Matlab/Simulink 采集模塊與NI PCIe6323 型采集卡通訊進行數(shù)據(jù)采集。最后，設定Simulink 采集模塊相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)與NIPCIe6323 型采集卡實時通訊采集，力錘沿著輪胎胎面徑向方向敲擊激勵一次即可完成輪胎模態(tài)試驗數(shù)據(jù)采集。力錘敲擊激勵每條輪胎是單點激勵且僅需一個壓電薄膜傳感器，區(qū)別于傳統(tǒng)輪胎試驗模態(tài)測試方法。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輪胎模態(tài)試驗結(jié)果有一定影響。經(jīng)過反復試驗驗證，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 時得到的輪胎試驗模態(tài)參數(shù)的試驗數(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，其屬于動態(tài)敏感材料，對于機械應力或應變變化有很高的響應度，特別適合測量因沖擊負荷而發(fā)生的變形工況，有著較寬頻率響應范圍，覆蓋0.1 Hz 至GHz。考慮到PVDF 壓電薄膜以上諸多優(yōu)點，特別是高頻響應好，質(zhì)量輕且靈敏度高，對輪胎變形影響很小的優(yōu)點[35-36]，本文采用基于PVDF 壓電薄膜傳感器的輪胎模態(tài)試驗，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 保護層 2,4 電極層 3 PVDF 壓電薄膜

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