一种基于传递函数测量轮胎纵滑松弛长度的方法与流程

本发明属于轮胎瞬态力学性能评价和动力学建模领域，具体涉及一种采用主轴扭矩正弦试验开发的传递函数测量轮胎纵滑松弛长度的方法。通过使轮胎在平带式六分力试验机上滚动并施加纵向滑移率或进行扭矩加载，得到相应的有效试验数据，并基于传递函数方法开发纵滑松弛长度计算方法，以实现不同载荷、不同速度及不同频率下的轮胎纵滑松弛特性计算评价与动力学高精度建模输入。基于扭矩控制方式和传递函数方法计算得到的纵滑松弛长度准确、试验重复性佳，尤其是能对不同载荷、不同速度、不同频率下的纵滑松弛长度精准测量。

背景技术：

当汽车在平坦良好的路面正常行驶时，横摆频率一般在2hz以内，此时轮胎工作状态接近于稳态。而当汽车执行快速变道、转弯制动等激烈驾驶动作时，轮胎的横摆工作频率可达到2-20hz。由于轮胎是一个高度非线性的粘弹性体，使得轮胎与路面相互作用所产生的力和力矩相对于运动输入会形成一定的滞后，即为轮胎的瞬态特性。轮胎纵滑松弛长度是评估轮胎瞬态特性的重要指标之一。轮胎纵滑松弛长度反映了轮胎纵向力的建立能力，不同的轮胎设计结构、不同的骨架材料以及橡胶配方特性均会对轮胎纵向力学特性产生影响，不同的载荷工况以及不同的横摆频率也会影响轮胎纵向力学特性。因此，轮胎纵滑松弛长度是考核轮胎单胎纵向力学特性的关键指标，可实现对不同品牌、不同设计方案的轮胎纵滑特性进行快速有效地识别及比对分析。另外，轮胎纵滑松弛长度也是轮胎动力学模型的重要输入参数之一，若想提供更高的整车动力学仿真精度，则首先需要准确可靠的轮胎模型，因此，需要更为准确地测量轮胎纵滑松弛长度。

目前，采用轮胎纵滑刚度与轮胎纵向刚性之比计算得到的纵滑松弛长度是一种近似的计算方法，不但需要分别测试轮胎纵滑刚度和纵向静刚度、试验效率低，而且两种试验自身或多或少都会存在误差。另外，刚度计算法本身也存在刚度等效的假设，故计算方法也存在缺陷。因此，运用该方法所测得的轮胎纵滑松弛长度准确性不够高、重复性也不能得到有效的保证。

综上所述，为准确测得不同载荷、不同速度以及不同频率下的轮胎纵滑松弛长度，需要开发一种快捷方便而且准确性高、重复性好的轮胎纵滑松弛长度测试与计算方法。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于扭矩正弦试验开发的传递函数测量轮胎纵滑松弛长度的方法，并采用轮胎驱动轴扭矩控制形式设计了可靠、有效的试验方法，该方法所测得的轮胎纵滑松弛长度准确性高、重复性好。

一种基于传递函数测量轮胎纵滑松弛长度的方法，该方法是：

将试验轮胎安装到合适的轮胎六分力试验机上，设置试验所需的轮胎气压、路面速度、外倾角、侧偏角及垂向载荷，使得试验台以恒定的速度和姿态运行并驱使轮胎滚动，然后通过扭矩控制以产生合适的正弦波扭矩输入至轮胎驱动轴，测得所需载荷、速度及频率等条件下的轮胎纵向力及滑移率随时间的试验数据，通过构建传递函数模型对所提取的关键试验数据进行辨识得到轮胎纵滑松弛长度值。具体包括以下步骤：

一、将试验轮胎安装到合适的轮辋上并充气调整至所需的气压，然后静置于具有温度管控的实验室环境下至少3小时，以达到轮胎内外部的温度平衡，以及为轮胎充气状态下的预加载作准备；

二、将试验轮胎轮辋安装至具有纵滑驱动功能的钢带式六分力试验机上，设置所需的轮胎气压、路面速度、垂向载荷、外倾角与侧偏角，对轮胎进行预实验，使得轮胎达到预定的温度平衡并消除轮胎内部残余应力；

三、预实验结束后，重新将轮胎气压调整至试验所需的气压值及垂直载荷，并设定轮胎外倾角、侧偏角均为零度；

四、设定试验所需的路面速度；

五、设定试验所需的驱动轴扭矩及正弦波加载频率，扭矩值可根据试验载荷近似计算得到；扭矩正弦波频率可根据实际需要给定；

六、以时间采样方式连续采集至少三个完整周期的试验数据，包括时间、垂向力、纵向力、速度、滑移率及扭矩等；

七、根据系统的频率特性所构建的传递函数，即可利用所提取的关键试验数据计算得到该试验条件下的轮胎纵滑松弛长度值σsr，

其中，φfx是指试验测得的纵向力的相位值，φsr是指试验测得的纵向滑移率的相位值，vx是路面速度，ωsr是指试验给定的纵向滑移率的周期。

本发明的有益效果：

1.本发明的测量方法可靠，程序简单且可重复性好、试验效率高。

2.本发明的纵滑松弛长度计算精准、且稳定性好，受试验不良因素影响较小。

3.基于本发明，可以研究不同载荷、不同速度、不同频率下轮胎纵滑松弛长度的变化规律。通过分析轮胎纵滑松弛长度特性，能有效评估轮胎单胎纵向动力学性能，实现不同品牌或不同设计方案轮胎纵滑性能的快速判定。

附图说明

图1是本发明纵滑松弛长度测量模型示意图。

图2是本发明纵滑松弛长度试验曲线示意图；(a)轮胎扭矩试验曲线；(b)轮胎滑移率试验曲线；(c)轮胎纵向力试验曲线。

图3是本发明纵滑松弛长度测量结果示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例包括以下步骤：

一、将试验轮胎安装到合适的轮辋上并充气调整至所需的气压，然后静置于具有温度管控的实验室环境下至少3小时，以达到轮胎内外部的温度平衡，以及为轮胎充气状态下的预加载作准备；

二、将试验轮胎轮辋安装至具有纵滑驱动功能的钢带式六分力试验机上，设置所需的轮胎气压、路面速度、垂向载荷、外倾角与侧偏角，对轮胎进行预实验，使得轮胎达到预定的温度平衡并消除轮胎内部残余应力；

三、预实验结束后，重新将轮胎气压调整至试验所需的气压值及垂直载荷，并设定轮胎外倾角、侧偏角均为零度；

四、设定试验所需的路面速度；

五、设定试验所需的驱动轴扭矩及正弦波加载频率，扭矩值可根据试验载荷近似计算得到；扭矩正弦波频率可根据实际需要给定；

六、以时间采样方式连续采集至少三个完整周期的试验数据，包括时间、垂向力、纵向力、速度、滑移率及扭矩等；

七、根据系统的频率特性所构建的传递函数，即可利用所提取的关键试验数据计算得到该试验条件下的轮胎纵滑松弛长度值σsr，

其中，φfx是指试验测得的纵向力的相位值，φsr是指试验测得的纵向滑移率的相位值，vx是路面速度，ωsr是指纵向滑移率的周期。

如图1、图2和图3所示，纵滑松弛长度公式的推导过程如下：

ux：胎体纵向变形量；

uy：胎体侧向变形量；

v'ox：胎面相对于路面的速度；

vox：胎体相对于路面的速度；

κ'：胎面相对于路面的滑移率；

κ：胎体相对于路面的滑移率；

cfk：轮胎纵滑刚度；

kx：胎体纵向刚度；

fx：轮胎受到的纵向力；

纵向变形量ux可以由下式定义：

小滑移率条件下轮胎所受到的纵向力可由纵滑刚度与滑移率乘积计算得到：

胎体所受到的纵向力可由纵向刚性与纵向变形量计算得到：

fx＝kx·ux(3)

由纵滑松弛长度定义：

综合公式(1-4)即可得到以下表达式：

小滑移率下可定义：

因此，

两边同乘以cfk变换得到：

因此，构建的一阶线性瞬态传递函数模型如下：

幅频特性如下：

相频特性如下：

试验时，设计以扭矩形式驱动轮胎纵滑试验，测得滑移率和纵向力随时间的试验数据，滑移率和纵向力方程如下：

κ(t)＝asr·sin(ωsr·t+φsr)+κ0(12)

fx(t)＝afx·sin(ωfx·t+φfx)+fx0(13)

轮胎纵滑松弛长度则可由下式计算得到：

同时可计算出轮胎纵滑刚度，可由下式计算得到：