基于简易轮胎试验模态测试的滚阻特性评价方法(上）_模态试验_

摘要：轮胎滚动阻力对汽车燃油经济性有很大影响，约占汽车耗油的20%～30%，评价轮胎滚阻特性是本领域的难点。通过对现阶段评价轮胎滚阻特性的总结及对轮胎滚阻产生机理分析，本文提出了一种基于简易轮胎试验模态测试的滚阻特性评价方法，利用半功率带宽法对轮胎试验模态幅频特性进行计算，得到不同轮胎的阻尼比评价其滚阻特性。试验结果表明，轮胎试验模态幅频特性的半功率带宽与其滚动阻力有密切关系且呈正相关，其半功率带宽越大，一阶共振能量越分散，轮胎滚动阻力系数就越大。该结果进一步表明不同轮胎的模态阻尼比与其滚动阻力系数两者之间具有很好的一致性，轮胎的阻尼比越大，其滚动阻力系数越大，证明该方法能够定性评价轮胎滚阻特性，从而提高了轮胎滚动阻力测试效率及降低测试成本。

关键词：轮胎滚阻；模态参数；压电薄膜；半功率带宽

引言

随着国家对于环境保护和能源消耗的日趋重视，车辆消耗的能源成为国家重要监测对象。而轮胎滚动阻力占车辆油耗的20%～30%，控制轮胎滚动阻力对车辆燃油经济性和环境保护尤为重要，因此低滚阻绿色轮胎日益成为国内外研究热点[1-5]。由于影响轮胎滚动阻力因素较多，如材料配方、轮胎结构、载荷、胎压、温度、路况等，成为研究轮胎滚动阻力的难点之一[6-11]，因此，测量轮胎滚阻特性成为本领域的研究重点。目前，由于轮胎滚动阻力在室外道路测试的各种工况参数可控性差，无法形成规范的操作流程，滚动阻力测试精度低 [12]。因此，轮胎滚动阻力测试主要是在室内利用台架试验完成，测试试验机分为转鼓式和平带式。鉴于平带式试验机在大负荷高速运动状态下难以满足路面所有的刚度和平整度要求，测试效果不理想[13-14]。目前轮胎滚动阻力测试多是在室内利用转鼓式试验机完成。测试原理为利用传感器采集轮胎滚动过程中不同变量参数并通过换算关系得到轮胎滚动阻力[15-16]。根据试验台采集对象不同，测试方法分为减速度法、力法、扭矩法和功率法。

国内外研究人员开展了大量轮胎滚动阻力的理论及试验研究工作并取得一定成果[17-25]。国内外轮胎滚动阻力研究主要集中在室内测试方法和有限元模型，然而开发对轮胎滚阻特性的新评价方法鲜有报道。

传统轮胎模态参数试验方法主要依赖昂贵的信号采集仪及相关软件，同时需要多个加速度传感器和振动传感器连接多个信号通道一起采集数据信息，试验过程需多次敲击激励轮胎，过程复杂。为了解决评价轮胎滚阻特性问题，本文提出一种基于简易轮胎试验模态测试的滚阻特性评价方法。

1 轮胎滚动阻力产生机理

图1 轮胎滚动阻力产生示意图

图2 弹性体滞回圈

2 轮胎阻尼特性

2.1 计算原理

图3 半功率带宽法原理

2.2 试验

为了得到轮胎模态参数的阻尼特性，设计了一种简易基于压电薄膜的轮胎模态阻尼测试方法，试验装置由多条带轮辋轮胎、轮胎支架、压电薄膜PVDF、电荷放大器、NI PCIe6323 型采集卡、计算机、力锤及Matlab/Simulink 采集软件等部分组成，如图5 所示。

图5 轮胎模态阻尼试验装置

1.轮胎支架 2.轮胎 3.力锤 4.压电薄膜 5.电荷放大器 6.计算机 7.NI PCIe6323 型采集卡

基于压电薄膜的轮胎模态阻尼试验过程如下，首先采用轮胎悬置中心固定方式，压电薄膜PVDF 沿着轮胎纵向方向贴置，将轮胎轮辋安装于轮胎支架上。其次，压电薄膜连接电荷放大器的输入端，电荷放大器输出端连接到NI PCIe6323 型采集卡采集信号端口，并根据压电薄膜参数设定电荷放大器上的精度系数和标定系数。然后，将NI PCIe6323 型采集卡置于计算机内部，实现与计算机实时通讯，使用Matlab/Simulink 采集模块与NI PCIe6323 型采集卡通讯进行数据采集。最后，设定Simulink 采集模块相关参数实现与NIPCIe6323 型采集卡实时通讯采集，力锤沿着轮胎胎面径向方向敲击激励一次即可完成轮胎模态试验数据采集。力锤敲击激励每条轮胎是单点激励且仅需一个压电薄膜传感器，区别于传统轮胎试验模态测试方法。由于PVDF 压电薄膜粘贴在轮胎的位置和力锤敲击轮胎位置对轮胎模态试验结果有一定影响。经过反复试验验证，将压电薄膜纵向粘贴在轮胎胎宽中心位置，力锤锤击轮胎的部位与压电薄膜纵向距离为30 mm 时得到的轮胎试验模态参数的试验数据比较理想。

PVDF 压电薄膜作为一种柔性压电材料具有柔韧性好，压电性能稳定，有较高电压灵敏度，其属于动态敏感材料，对于机械应力或应变变化有很高的响应度，特别适合测量因冲击负荷而发生的变形工况，有着较宽频率响应范围，覆盖0.1 Hz 至GHz。考虑到PVDF 压电薄膜以上诸多优点，特别是高频响应好，质量轻且灵敏度高，对轮胎变形影响很小的优点[35-36]，本文采用基于PVDF 压电薄膜传感器的轮胎模态试验，其结构如图4 所示。