輪胎是連接駕駛員、汽車和道路三者的重要橋梁。輪胎的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)汽車的行駛性能，如操縱穩(wěn)定性、安全性、平順性及燃油經(jīng)濟(jì)性等有著極其重要的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及消費(fèi)者對(duì)汽車產(chǎn)品越來(lái)越高的要求，輪胎的動(dòng)態(tài)特性研究受到了越來(lái)越多科研人員的重視。
為了提高乘車舒適性和監(jiān)測(cè)胎壓，需要準(zhǔn)確地掌握輪胎表面的動(dòng)力學(xué)特性。德國(guó)弗勞恩霍夫機(jī)床和成型技術(shù)研究所（Fraunhofer IWU）和德雷斯頓工業(yè)大學(xué)（Dresden University of Technology），使用Polytec3D掃描式激光測(cè)振儀結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)，研究道路/輪胎的激勵(lì)機(jī)制，獲取輪胎的動(dòng)力學(xué)特性。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)試方法相比，激光測(cè)振儀采用非接觸式測(cè)量方法，在有大量測(cè)點(diǎn)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。
輪胎是安全要素
乘用車輪胎的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)汽車的行駛性能如操縱穩(wěn)定性、安全性、平順性、舒適性以及燃油經(jīng)濟(jì)性等有著極其重要的影響。對(duì)輪胎與路面接觸面的振動(dòng)特性的深入研究將成為輪胎振動(dòng)分析方法集成至汽車開發(fā)過(guò)程的基礎(chǔ)。
德雷斯頓工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院（后面簡(jiǎn)稱IAD）和德國(guó)弗勞恩霍夫機(jī)床以及成型技術(shù)研究所（后面簡(jiǎn)稱Fraunhofer IWU），共同致力于車輛技術(shù)和聲學(xué)方面的研究。業(yè)內(nèi)較普遍的做法是運(yùn)用試驗(yàn)與仿真分析相結(jié)合的方法來(lái)建立輪胎在特定路面激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)模型，本文使用非接觸式3D激光掃描測(cè)振儀來(lái)獲取不同輪胎表面的振動(dòng)特性。
研究輪胎振動(dòng)特性的重要性
乘車舒適性是指“影響乘客的所有機(jī)械和聲學(xué)振動(dòng)的總和”。乘車舒適性的降低會(huì)導(dǎo)致駕駛員在行駛的時(shí)精神和身體壓力的增加，這反過(guò)來(lái)會(huì)增加事故風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論是從整車的安全性還是質(zhì)量上考慮，乘車舒適性都尤為重要。輪胎的動(dòng)力傳遞特性通過(guò)底盤傳輸至車輛內(nèi)部。諸如參考文獻(xiàn)的研究項(xiàng)目，客觀分析了輪胎振動(dòng)對(duì)舒適度的影響，主觀分析了兩者之間的相關(guān)性。
圖1 奧迪汽車上安裝的間接胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，四個(gè)輪子輸出四個(gè)速度信號(hào)
輪胎振動(dòng)特性也對(duì)間接胎壓監(jiān)測(cè)有非常大的影響。如果內(nèi)胎壓力過(guò)低，該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，并作為輔助駕駛系統(tǒng)的一部分。間接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)分析車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)識(shí)別任意的胎壓損失，如圖1所示。除了車輪徑向上的動(dòng)態(tài)變化外，轉(zhuǎn)速信號(hào)還會(huì)在輪胎特征振型上顯示出與壓力相關(guān)的頻移，最終由ESP控制單元對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，在行駛過(guò)程中，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的變化與指定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
這表明輪胎的振動(dòng)特性對(duì)車輛的總體特性如舒適性、安全性以及與效率相關(guān)的輔助駕駛系統(tǒng)等有著重要的物理影響。接下來(lái)的段落將介紹輪胎振動(dòng)測(cè)試時(shí)所使用的工具。
輪胎測(cè)試方案的選擇
圖2 Fraunhofer IWU的振動(dòng)測(cè)試臺(tái)（左），IAD的外部轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)（中）和IAD的車輪懸掛測(cè)試臺(tái)（右）
如圖2所示，共有3個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。圖2（左）為Fraunhofer IWU的振動(dòng)測(cè)試臺(tái)，可分析有負(fù)載時(shí)的輪胎振動(dòng)特性。在測(cè)試過(guò)程中，車輛被固定，使每個(gè)振動(dòng)器支撐著一個(gè)車輪。試驗(yàn)臺(tái)還可用于復(fù)現(xiàn)整車底盤噪聲用于動(dòng)態(tài)強(qiáng)度測(cè)試。
第二種常用方法是使用外部轉(zhuǎn)鼓測(cè)試臺(tái)，測(cè)量行駛在凸臺(tái)上旋轉(zhuǎn)加載后的輪胎的振動(dòng)特性。如圖2（中）為IAD的輪胎測(cè)試臺(tái)，這種測(cè)試方法得出的結(jié)果不受底盤影響。也可以在車輪懸架試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，方法如圖2（右），為IAD的車輪懸掛測(cè)試臺(tái)，進(jìn)而研究輪胎在車輪懸架的影響。
測(cè)試臺(tái)調(diào)研
圖3 試驗(yàn)臺(tái)調(diào)研-三個(gè)掃描頭同時(shí)測(cè)量的3D掃描式激光測(cè)振儀（左），固定和轉(zhuǎn)動(dòng)模式下的輪胎階次分析瀑布圖（中），測(cè)量輪胎表面的特定區(qū)域（右）
圖3（左）顯示的是使用3D掃描式激光測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)試，主要原因有：1）由于是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的采用粘貼式傳感器、使用力錘激勵(lì)的方法不可行；2）3D掃描式激光測(cè)振儀采用非接觸式測(cè)量方法，對(duì)測(cè)試表面無(wú)任何附加質(zhì)量影響；3）在有多個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，3D掃描式激光測(cè)振儀優(yōu)勢(shì)更加明顯，激光所到之處即相當(dāng)于一個(gè)傳感器；4）使用激光測(cè)量技術(shù)可以檢測(cè)輪胎表面的特定區(qū)域，且具有超高的空間高分辨率，如圖3（右）所示。
這里需要注意的是，必須確保整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的激勵(lì)都保持一致。由于數(shù)值平均計(jì)算和高測(cè)量分辨率，每一種工作狀態(tài)的完整掃描可能需要幾個(gè)小時(shí)，這取決于總的測(cè)點(diǎn)數(shù)量。
Fraunhofer IWU已成功地完成了有負(fù)載直立輪胎的振動(dòng)測(cè)試，如參考文獻(xiàn)【4】。經(jīng)過(guò)IAD外轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)上的第一次測(cè)試后，明確系統(tǒng)配置和測(cè)試方式，確定可以使用Polytec公司的3D掃描式激光測(cè)振儀完成有負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)輪胎的動(dòng)力學(xué)測(cè)試。
為控制輪胎試驗(yàn)所需時(shí)間，將激光測(cè)振儀安裝在一個(gè)按IAD試驗(yàn)臺(tái)等比例縮小的小型輪胎試驗(yàn)臺(tái)上，比例為1/10。通過(guò)視頻圖像里的激光束位置，確定好測(cè)試空間內(nèi)三個(gè)掃描頭的位置。另外還引入距離測(cè)量激光，以建立相位參考。在測(cè)量旋轉(zhuǎn)對(duì)象時(shí)，3D系統(tǒng)中掃描頭的位置擺放非常關(guān)鍵。因?yàn)檩喬サ淖畲髨A周速度不能超過(guò)激光照射方向上所允許的最大速度分量。另外，還需減小掃描角度，例如增加掃描頭與被測(cè)表面之間的距離。
旋轉(zhuǎn)表面振動(dòng)測(cè)量所面對(duì)的另一個(gè)難題是散斑噪聲，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率增加時(shí)，散斑噪聲表現(xiàn)為響應(yīng)信號(hào)?？砷_啟PSV軟件里的“Speckle Training”選項(xiàng)，將信號(hào)噪聲降到最低。
需要注意的是，旋轉(zhuǎn)表面振動(dòng)測(cè)試結(jié)果包括固定振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)兩種振型。圖3（中）顯示的是輪胎階次分析瀑布圖。其中清楚顯示了在逐漸提高轉(zhuǎn)速的情況下，固定振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的階次。這些階次線相交于零點(diǎn)，特征頻率保持不變。隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩種模態(tài)之間的本征頻率的差值幾乎呈線性增加，這是滾動(dòng)輪胎的基本特性，但這也與其它因素如輪胎的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。
由于負(fù)載輪胎胎面扁率扁平化及相關(guān)對(duì)稱性的變化，無(wú)負(fù)載輪胎在靜止時(shí)的特征模態(tài)被分為兩個(gè)獨(dú)立特征頻率的特征模態(tài)。在轉(zhuǎn)速逐漸提高的情況下，多數(shù)的特征模態(tài)會(huì)在較低的頻率體現(xiàn)一般而言，當(dāng)固有頻率較低時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，大多數(shù)特征模態(tài)就會(huì)出現(xiàn)，且階次越高，差值越大。這就是為什么低階時(shí)特征頻率偏差較小的原因，如固定帶垂直模式。這也是為什么高速時(shí)車輪的特征模態(tài)的頻率不大于靜止時(shí)的特征頻率。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的車輪，由扁平以及旋轉(zhuǎn)本征模態(tài)對(duì)組成的特征模態(tài)具有復(fù)雜的振動(dòng)模式，其以相反的方向旋轉(zhuǎn)。
測(cè)量結(jié)果有效
完成前期調(diào)研工作后，在IAD的外轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行輪胎的振動(dòng)測(cè)試，輪胎處于恒定載荷和恒定氣壓下，型號(hào)為235/60 R18，速度為20~30 km/h。測(cè)量時(shí)，輪胎隨著平面鋼制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)受到轉(zhuǎn)鼓上安裝的凸起桿的激勵(lì)。
將3D掃描式激光測(cè)振儀置于輪胎側(cè)面，定義好測(cè)量網(wǎng)格后開始測(cè)量輪胎表面振動(dòng)。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)上至少做40次數(shù)據(jù)平均，耗時(shí)超800 ms。
把從IAD外部轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)所獲得的測(cè)量結(jié)果，與參考文件【7】所介紹的輪胎的有限元模型進(jìn)行比對(duì)，以確保在頻率高達(dá)250 kHz范圍內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)足夠精確。輪胎的橫截面分為胎邊、胎面和環(huán)帶三個(gè)部分，因?yàn)橄鹉z部件因功能不同，材料特性也不同。
據(jù)參考文獻(xiàn)【6】Kindt研究發(fā)現(xiàn)，在高達(dá)500Hz時(shí)，輪胎表面紋理設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響不明顯。這就是為什么胎面在模型中被描述為光面的原因。
如圖4所示，在Abaqus有限元仿真過(guò)程中，首先是對(duì)二維模型上的壓力施加等效力。待將結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維模型后，對(duì)輪胎加上固定負(fù)載，采用約束邊界條件，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，根據(jù)邊界條件，對(duì)輪胎的動(dòng)力學(xué)分析傳遞函數(shù)和特征值進(jìn)行編程。
圖4 輪胎的有限元仿真過(guò)程
圖5 仿真振型與實(shí)測(cè)振型的吻合度較好
圖5給出在X-Z平面上，兩種不同振動(dòng)模態(tài)下的有限元仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的對(duì)比，此時(shí)輪胎速度為30 km/h。圖5左列和右列在是接近的頻率下，有限元仿真振型和實(shí)測(cè)振型的對(duì)比圖。輪胎在特定振動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)不能像在模擬中那樣被清晰地識(shí)別出來(lái)，但是可以識(shí)別出兩者之間基本的相似性。
需要注意的是，由于試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)原因，導(dǎo)致掃描頭不易接近，所以掃描頭的位置并非最佳。有限元計(jì)算出的振型不是基于實(shí)際激勵(lì)而得出，而實(shí)際測(cè)量的振型則是基于轉(zhuǎn)鼓和輪胎表面的工作振動(dòng)分析。驗(yàn)證結(jié)果存在差異的另一個(gè)深層次原因是試驗(yàn)臺(tái)滾筒的曲面與模型中的平面截然相反。
結(jié)論和展望
使用3D掃描式激光測(cè)振儀，測(cè)試外轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)上輪胎的振動(dòng)特性是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。前期我們做了大量的研究準(zhǔn)備工作，成功地獲取了微型測(cè)試臺(tái)說(shuō)轎車輪胎的工作振動(dòng)。輪胎的某些振動(dòng)模態(tài)與有限元模型的特征模態(tài)，具有良好的一致性，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量與仿真的相關(guān)性。
一旦試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)具有較好的相關(guān)性，就有可能在已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的輪胎模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出一個(gè)新的機(jī)械替代模型。這樣旨在加深工程師們對(duì)輪胎振動(dòng)特性背后其工作機(jī)制的了解，以研發(fā)出有效的方法確保間接輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的精確運(yùn)行。
鳴謝
本次輪胎振動(dòng)特性測(cè)量是一個(gè)大的團(tuán)隊(duì)竭誠(chéng)合作的結(jié)果。筆者非常感謝Dipl.-Ing. Holger Kunze和 cand. ing. Christoph Schiller兩人的鼎力幫助。Kunze是德國(guó)德累斯頓大學(xué)機(jī)電一體化和功能輕量化設(shè)計(jì)系的負(fù)責(zé)人，主要研究車輛技術(shù)、機(jī)床和醫(yī)學(xué)技術(shù)。Schiller是德累斯頓工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系汽車工程專業(yè)的學(xué)生。
