专利名称：全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统及方法
技术领域：
本发明属于轮胎摩擦学研究领域，具体涉及一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统及方法，可为轮胎胎面橡胶材料摩擦、磨损性能提供有效的测试手段与测试方法。 同时可为测量不同速度下轮胎-路面的摩擦特性提供平台。
背景技术：
橡胶作为轮胎的主要组成部分，其摩擦特性很特殊，它并不符合库仑摩擦定律。橡胶轮胎的机械特性很大程度上取决于橡胶的摩擦特性(尤其在一些极限工况下)。目前对橡胶摩擦的理论研究尚不成熟。因此，橡胶摩擦的测试研究对轮胎力学特性的研究就十分重要。为了研究橡胶的摩擦特性，人们开发了各种测试设备，大体分三类恒牵引力式摩擦仪，恒速式摩擦仪和摆式摩擦仪。这些设备的开发很大程度地推动了摩擦理论的进步，但这些仪器的一些特点使其很难进行轮胎摩擦特性的研究(1)由于结构的限制使其速度范围都很窄(多为低速，小于lm/s)；(2)摩擦介质单一，不易更换；(3)测量时间长，导致试件磨损严重和急剧生热，影响测量结果的准确性；(4)无环境温度控制系统；(5)载荷的施加未实现自动化，变化范围小。
发明内容
为了克服现有测试系统和方法的不足，本发明提出一种能够实现在指定的压力、 温度、湿度、速度条件下获得橡胶轮胎胎面与路面间的摩擦系数的全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统及方法。本发明通过以下技术方案实现一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统，包括控制台1，液压源2，调速电机3，旋转盘4，压力盘5，液压加载缸6，垂直压力传感器7，轮胎胎面试块8，环境舱9，风道 10，环境控制单元11，速度传感器12，主框架13，水平拉压传感器14，摩擦路面15。其中，控制台1通过数据线缆分别与控制调速电机3、液压加载缸6、环境控制单元 11相连接；液压源2通过液压油管与液压加载缸6连接，为其提供液压动力；调速电机3通过主框架13内部的传动机构与旋转盘4实现传动，为旋转盘4提供规定的转速，实现汽车轮胎工作速度下的滑移速度(0-30m/s)调节；压力盘5通过铰接在液压加载缸6下部，轮胎胎面试块8被固定在压力盘5的下端，测试中通过液压加载缸6驱动压力盘5下压，使轮胎胎面试块8与旋转盘4上的摩擦路面15接触，从而形成二者间的摩擦；水平拉压传感器14安装在压力盘5与主框架13之间，可测出压力盘5的水平受 4力，经力矩平衡可算出轮胎胎面试块8处受到的摩擦力；垂直压力传感器7安装在压力盘5 与液压加载缸6之间，可测出压力盘5的垂直受力，加上加载机构的自重就得到垂直载荷的数值，从而得到轮胎胎面试块8与摩擦路面15之间的摩擦系数；环境控制单元11通过风道10与环境舱9连接，环境控制单元11对环境舱9进行温度、湿度的调节，可实现不同温度、湿度条件下摩擦系数的测量；速度传感器12位于旋转盘4的下方、固定在主框架13上，测量旋转盘4的转速。由此可见，本发明的测试系统可用于轮胎胎面的摩擦特性测试，获得轮胎胎面与不同路面间摩擦系数随滑移速度、垂直载荷、环境温度和湿度变化的测试曲线。考虑到橡胶轮胎胎面-路面间摩擦时的快速温升和磨损的问题，本发明提出了一种针对汽车轮胎的全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法，该方法采用以上测试系统， 通过控制轮胎胎面试块8与摩擦路面15的接触时间，可有效获得多工况下的摩擦系数测试结果。本发明的一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法，包括以下步骤(1)选择摩擦路面15，通过更换不同表面材料的摩擦路面15实现不同路面与轮胎胎面试块8摩擦系数的测试，其中包括冰面，水泥路面、湿滑路面等；(2)在控制台1上设定调速电机3的转速、液压加载缸6的垂直加载力、环境控制单元11的温度和湿度；(3)由控制台1控制调速电机3启动，旋转盘4开始转动；由控制台1控制液压加载缸6伸长，压下轮胎胎面试块8直到指定的垂直加载力；(4)由垂直压力传感器7实时测量垂直加载力，水平拉压传感器14实时测量轮胎胎面试块8与摩擦路面15之间摩擦力，速度传感器12实时测量旋转盘4的转速，并由控制台1同步记录上述的垂直加载力、摩擦力；
(5)由控制台1控制液压加载缸6抬起、调速电机3停转；(6)由控制台1显示测得的摩擦系数结果；(7)测试结束。根据滑移速度工况的不同，可以对上述步骤进行微调，这里主要针对高速段和低速段两种不同工况进一步介绍A、进行高速段轮胎胎面摩擦测试时，即当滑移速度为lm/s 30m/s时，首先设定滑移速度和摩擦时间，为避免轮胎胎面试块8与摩擦路面15的过分磨损，应尽量缩短二者的接触时间；而加载后轮胎胎面试块8进入稳定状态和测量又都需要有足够的时间，故将整个测试过程分为4个阶段空载阶段、，加载阶段、，保持阶段t2，卸载阶段t3，其中 t0-电机启动、开始加载后的等待时间，tr轮胎胎面试块8与摩擦路面15从接触到载荷稳定的时间，t2-从载荷稳定到轮胎胎面试块8开始抬起的时间，t3-电机停止，轮胎胎面试块 8抬起的时间。测试中可控制ti ( 0. 05s, t3 ( 0. 05s，保证t2彡0. 2s。将摩擦时间Vt2 控制在0. 3s之内，以使得摩擦表面温度近似于空载阶段环境箱内所保持的温度。B、进行低速段轮胎胎面摩擦测试时，即当滑移速度为0 lm/s时，摩擦产生的热量对摩擦系数的影响基本可以忽略。这样轮胎胎面试块8与摩擦路面15的接触时间就可以放长些。具体步骤是①先使调速电机3在指定滑移速度下低速转动，液压加载缸6伸长， 压下轮胎胎面试块8，并使液压加载缸6加载到指定垂直加载力。②切断调速电机3电源。 此时旋转盘4会由于惯性继续转动，但由于摩擦力的作用，其速度会逐渐降低至停止。在进行上两步的同时，连续记录下整个过程的垂直加载力和摩擦力。这样低速段的摩擦系数就可以得到了。本发明的有益效果本发明的测试系统可实现覆盖汽车轮胎使用工况(包括各种不同接触压力、环境温度和湿度、滑移速度、路面条件)变化范围的全天候橡胶轮胎胎面与路面之间的摩擦系数测量，为橡胶材料的摩擦系数-滑移速度曲线的获得提供了有效技术手段。结合提出的测试系统，本发明应用短时接触测量的测试方法大幅降低了橡胶摩擦系数测试中橡胶磨损和温度升高对测试结果的影响，显著提高了测试结果的可重复性和准确性。
图1全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统；图2水平拉压传感器的连接示意图；图3全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法流程图；图4高速段轮胎胎面摩擦测试加载阶段的示意图；图5高速段轮胎胎面摩擦测试流程图；图6低速段轮胎胎面摩擦测试流程图。图中控制台1，液压源2，调速电机3，旋转盘4，压力盘5，液压加载缸6，垂直压力传感器7，轮胎胎面试块8，环境舱9，风道10，环境控制单元11，速度传感器12，主框架13， 水平拉压传感器14，摩擦路面15。
具体实施例方式下面将结合附图，对本发明的技术方案做进一步介绍如图1所示，本发明的一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统，包括控制台1，液压源2，调速电机3，旋转盘4，压力盘5，液压加载缸6，垂直压力传感器7，轮胎胎面试块8，环境舱9，风道10，环境控制单元11，速度传感器12，主框架13，水平拉压传感器14， 摩擦路面15。其中，控制台1通过数据线缆分别与控制调速电机3、液压加载缸6、环境控制单元 11相连接；液压源2通过液压油管与液压加载缸6连接，为其提供液压动力；调速电机3通过主框架13内部的传动机构与旋转盘4实现传动，为旋转盘4提供规定的转速，实现汽车轮胎工作速度下的滑移速度(0-30m/s)调节；压力盘5通过铰接在液压加载缸6下部，轮胎胎面试块8被固定在压力盘5的下端，测试中通过液压加载缸6驱动压力盘5下压，使轮胎胎面试块8与旋转盘4上的摩擦路面15接触，从而形成二者间的摩擦；如图2所示，水平拉压传感器14安装在压力盘5与主框架13之间，可测出压力盘 5的受力，经力矩平衡可算出轮胎胎面试块8处受到的摩擦力；垂直压力传感器7安装在压力盘5与液压加载缸6之间，可测出压力盘5的垂直受力，加上加载机构的自重就得到垂直载荷的数值，从而得到轮胎胎面试块8与摩擦路面15之间的摩擦系数；环境控制单元11通过风道10与环境舱9连接，环境控制单元11对环境舱9进行温度、湿度的调节，可实现不同温度、湿度条件下摩擦系数的测量；速度传感器12位于旋转盘4的下方、固定在主框架13上，测量旋转盘4的转速。由此可见，本发明的测试系统可用于轮胎胎面的摩擦特性测试，获得轮胎胎面与不同路面间摩擦系数随滑移速度、垂直载荷、环境温度和湿度变化的测试曲线。如图3所示，考虑到橡胶轮胎胎面-路面间摩擦时的快速温升和磨损的问题，本发明提出了一种针对汽车轮胎的全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法，该方法采用以上测试系统，通过控制轮胎胎面试块8与摩擦路面15的接触时间，可有效获得多工况下的摩擦系数测试结果。本发明的一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法，包括以下步骤(1)选择摩擦路面15，通过更换不同表面材料的摩擦路面15实现不同路面与轮胎胎面试块8摩擦系数的测试，其中包括冰面，水泥路面、湿滑路面等；(2)在控制台1上设定调速电机3的转速、液压加载缸6的垂直加载力、环境控制单元11的温度和湿度；(3)由控制台1控制调速电机3启动，旋转盘4开始转动；由控制台1控制液压加载缸6伸长，压下轮胎胎面试块8直到指定的垂直加载力；(4)由垂直压力传感器7实时测量垂直加载力，水平拉压传感器14实时测量轮胎胎面试块8与摩擦路面15之间摩擦力，速度传感器12实时测量旋转盘4的转速，并由控制台1同步记录上述的垂直加载力、摩擦力；(5)由控制台1控制液压加载缸6抬起、调速电机3停转；(6)由控制台1显示测得的摩擦系数结果；(7)测试结束。根据滑移速度工况的不同，可以对上述步骤进行微调，这里主要针对高速段和低速段两种不同工况进一步介绍A、如图4所示，进行高速段轮胎胎面摩擦测试时，即当滑移速度为lm/s 30m/s 时，首先设定滑移速度和摩擦时间，为避免轮胎胎面试块8与摩擦路面15的过分磨损，应尽量缩短二者的接触时间；而加载后轮胎胎面试块8进入稳定状态和测量又都需要有足够的时间，故将整个测试过程分为4个阶段空载阶段、，加载阶段、，保持阶段t2，卸载阶段t3， 其中、_电机启动、开始加载后的等待时间，t「轮胎胎面试块8与摩擦路面15从接触到载荷稳定的时间，t2-从载荷稳定到轮胎胎面试块8开始抬起的时间，t3-电机停止，轮胎胎面试块8抬起的时间。测试中可控制、(0. 05s, t3 ( 0. 05s，保证t2彡0. 2s。将摩擦时间、+t2控制在0. 3s之内，以使得摩擦表面温度近似于空载阶段环境箱内所保持的温度。B、如图6所示，进行低速段轮胎胎面摩擦测试时，即当滑移速度为0 lm/s时，摩擦产生的热量对摩擦系数的影响基本可以忽略。这样轮胎胎面试块8与摩擦路面15的接触时间就可以放长些。具体步骤是①先使调速电机3在指定滑移速度下低速转动，液压加载缸6伸长，压下轮胎胎面试块8，并使液压加载缸6加载到指定垂直加载力。②切断调速电机3电源。此时旋转盘4会由于惯性继续转动，但由于摩擦力的作用，其速度会逐渐降低至停止。在进行上两步的同时，连续记录下整个过程的垂直加载力和摩擦力。这样在低速段的摩擦系数就可以得到了。值得注意的是，上述具体实施是用来做举例的。本领域普通技术人员可以认识到许多修改、变化和改型。这些修改、变化和改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。
权利要求
1.一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统，包括控制台(1)，液压源O)，调速电机(3)，旋转盘G)，压力盘(5)，液压加载缸(6)，垂直压力传感器(7)，轮胎胎面试块(8)，环境舱(9)，风道(10)，环境控制单元(11)，速度传感器(12)，主框架(13)，水平拉压传感器(14)，摩擦路面(15)，其特征在于控制台(1)通过数据线缆分别与控制调速电机(3)、液压加载缸(6)、环境控制单元 (11)相连接；液压源( 通过液压油管与液压加载缸(6)连接；调速电机C3)通过主框架(1 内部的传动机构与旋转盘(4)实现传动，旋转盘(4)的滑移速度在0-30m/s之间调节；压力盘( 铰接在液压加载缸(6)下端，轮胎胎面试块(8)被固定在压力盘(5)的下端；水平拉压传感器(14)安装在压力盘(5)与主框架(13)之间，能够测出压力盘(5)的水平受力；垂直压力传感器(7)安装在压力盘( 与液压加载缸(6)之间，能够测出压力盘(5) 的垂直受力；环境控制单元(11)通过风道(10)与环境舱(9)连接，环境控制单元(11)对环境舱(9)进行温度、湿度的调节；速度传感器(12)位于旋转盘⑷的下方、固定在主框架(13)上，能够测量旋转盘⑷ 的转速。
2.一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法，其特征在于包括以下步骤(1)选择摩擦路面(1 通过更换不同表面材料的摩擦路面(1 实现不同路面与轮胎胎面试块(8)之间的摩擦系数的测试；(2)在控制台(1)上设定调速电机(3)的转速、液压加载缸(6)的垂直加载力、环境控制单元(11)的温度和湿度；(3)由控制台⑴控制调速电机(3)启动，旋转盘⑷开始转动；由控制台⑴控制液压加载缸(6)伸长，压下轮胎胎面试块(8)直到指定的垂直加载力；(4)由垂直压力传感器(7)实时测量垂直加载力，水平拉压传感器(14)实时测量轮胎胎面试块(8)与摩擦路面(1 之间的摩擦力，速度传感器(1 实时测量旋转盘(4)的转速，并由控制台(1)同步记录上述的垂直加载力、摩擦力；(5)由控制台⑴控制液压加载缸(6)抬起；调速电机(3)停转；(6)由控制台(1)显示测得的摩擦系数结果；(7)测试结束。
3.根据权利要求2所述的一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试方法，其特征在于能够根据滑移速度工况的不同，对上述步骤进行微调(1)进行高速段(滑移速度为lm/s 30m/s)轮胎胎面摩擦测试时，首先设定滑移速度和摩擦时间，则整个测试过程分为4个阶段空载阶段、，加载阶段、，保持阶段t2，卸载阶段t3 ；测试中控制加载阶段、^ 0. 05s，保持阶段t2 ^ 0. 2s，卸载阶段t3 ^ 0. 05s，摩擦时间 Vt2 ^ 0. 3s ；(2)进行低速段(滑移速度为0 lm/s)轮胎胎面摩擦测试时，具体步骤是首先，使调速电机( 驱动旋转盘(4)在指定滑移速度下低速转动，液压加载缸(6)伸长，压下轮胎胎面试块(8)，并使液压加载缸(6)加载到指定垂直加载力；其次，切断调速电机(3)电源， 此时旋转盘的速度会逐渐降低直至停止；在进行上两步的同时，连续记录下整个过程的垂直加载力和摩擦力。
全文摘要
本发明公开了一种全天候轮胎胎面-路面摩擦特性测试系统及方法，本发明的测试系统包括控制台、调速电机、旋转盘、压力盘、液压加载缸、垂直压力传感器、轮胎胎面试块、环境舱、环境控制单元、水平拉压传感器、摩擦路面等，可实现覆盖汽车轮胎使用工况(包括各种不同接触压力、环境温度和湿度、滑移速度、路面条件)变化范围的全天候橡胶轮胎胎面与路面之间的摩擦系数测量，为橡胶材料的摩擦系数-滑移速度曲线的获得提供了有效技术手段。结合提出的测试系统，本发明应用短时接触测量的测试方法大幅降低了橡胶摩擦系数测试中橡胶磨损和温度升高对实验结果的影响，显著提高了实验结果的可重复性和准确性。
文档编号G01N19/02GK102359933SQ20111028684
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月25日 优先权日2011年9月25日
发明者庄晔, 郭孔辉 申请人:吉林大学