輪胎是連接駕駛員、汽車和道路三者的重要橋梁。輪胎的動力學(xué)特性對汽車的行駛性能，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)展及消費者對汽車產(chǎn)品越來越高的要求，輪胎的動態(tài)特性研究受到了越來越多科研人員的重視。
為了提高乘車舒適性和監(jiān)測胎壓，需要準(zhǔn)確地掌握輪胎表面的動力學(xué)特性。德國弗勞恩霍夫機(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掃描式激光測振儀結(jié)合試驗臺，研究道路/輪胎的激勵機(jī)制，獲取輪胎的動力學(xué)特性。與傳統(tǒng)接觸式測試方法相比，激光測振儀采用非接觸式測量方法，在有大量測點時具有明顯優(yōu)勢。
輪胎是安全要素
乘用車輪胎的動力學(xué)特性對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。對輪胎與路面接觸面的振動特性的深入研究將成為輪胎振動分析方法集成至汽車開發(fā)過程的基礎(chǔ)。
德雷斯頓工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院（后面簡稱IAD）和德國弗勞恩霍夫機(jī)床以及成型技術(shù)研究所（后面簡稱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)較普遍的做法是運用試驗與仿真分析相結(jié)合的方法來建立輪胎在特定路面激勵下的振動響應(yīng)模型，本文使用非接觸式3D激光掃描測振儀來獲取不同輪胎表面的振動特性。
研究輪胎振動特性的重要性
乘車舒適性是指“影響乘客的所有機(jī)械和聲學(xué)振動的總和”。乘車舒適性的降低會導(dǎo)致駕駛員在行駛的時精神和身體壓力的增加，這反過來會增加事故風(fēng)險。無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。輪胎的動力傳遞特性通過底盤傳輸至車輛內(nèi)部。諸如參考文獻(xiàn)的研究項目，客觀分析了輪胎振動對舒適度的影響，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)測系統(tǒng)，四個輪子輸出四個速度信號
輪胎振動特性也對間接胎壓監(jiān)測有非常大的影響。如果內(nèi)胎壓力過低，該系統(tǒng)會發(fā)出警告，并作為輔助駕駛系統(tǒng)的一部分。間接監(jiān)測系統(tǒng)通過分析車輪轉(zhuǎn)速信號來識別任意的胎壓損失，如圖1所示。除了車輪徑向上的動態(tài)變化外，轉(zhuǎn)速信號還會在輪胎特征振型上顯示出與壓力相關(guān)的頻移，最終由ESP控制單元對傳感器信號進(jìn)行分析，在行駛過程中，系統(tǒng)將會對當(dāng)前狀態(tài)的變化與指定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
這表明輪胎的振動特性對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。接下來的段落將介紹輪胎振動測試時所使用的工具。
輪胎測試方案的選擇
圖2 Fraunhofer IWU的振動測試臺（左），IAD的外部轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)（中）和IAD的車輪懸掛測試臺（右）
如圖2所示，共有3個試驗臺。圖2（左）為Fraunhofer IWU的振動測試臺，可分析有負(fù)載時的輪胎振動特性。在測試過程中，車輛被固定，使每個振動器支撐著一個車輪。試驗臺還可用于復(fù)現(xiàn)整車底盤噪聲用于動態(tài)強(qiáng)度測試。
第二種常用方法是使用外部轉(zhuǎn)鼓測試臺，測量行駛在凸臺上旋轉(zhuǎn)加載后的輪胎的振動特性。如圖2（中）為IAD的輪胎測試臺，這種測試方法得出的結(jié)果不受底盤影響。也可以在車輪懸架試驗臺上進(jìn)行測試，方法如圖2（右），為IAD的車輪懸掛測試臺，進(jìn)而研究輪胎在車輪懸架的影響。
測試臺調(diào)研
圖3 試驗臺調(diào)研-三個掃描頭同時測量的3D掃描式激光測振儀（左），固定和轉(zhuǎn)動模式下的輪胎階次分析瀑布圖（中），測量輪胎表面的特定區(qū)域（右）
圖3（左）顯示的是使用3D掃描式激光測振儀進(jìn)行測試，主要原因有：1）由于是旋轉(zhuǎn)運動，傳統(tǒng)的采用粘貼式傳感器、使用力錘激勵的方法不可行；2）3D掃描式激光測振儀采用非接觸式測量方法，對測試表面無任何附加質(zhì)量影響；3）在有多個測點時，3D掃描式激光測振儀優(yōu)勢更加明顯，激光所到之處即相當(dāng)于一個傳感器；4）使用激光測量技術(shù)可以檢測輪胎表面的特定區(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，必須確保整個測量周期內(nèi)所有測點的激勵都保持一致。由于數(shù)值平均計算和高測量分辨率，每一種工作狀態(tài)的完整掃描可能需要幾個小時，這取決于總的測點數(shù)量。
Fraunhofer IWU已成功地完成了有負(fù)載直立輪胎的振動測試，如參考文獻(xiàn)【4】。經(jīng)過IAD外轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)上的第一次測試后，明確系統(tǒng)配置和測試方式，確定可以使用Polytec公司的3D掃描式激光測振儀完成有負(fù)載運轉(zhuǎn)輪胎的動力學(xué)測試。
為控制輪胎試驗所需時間，將激光測振儀安裝在一個按IAD試驗臺等比例縮小的小型輪胎試驗臺上，比例為1/10。通過視頻圖像里的激光束位置，確定好測試空間內(nèi)三個掃描頭的位置。另外還引入距離測量激光，以建立相位參考。在測量旋轉(zhuǎn)對象時，3D系統(tǒng)中掃描頭的位置擺放非常關(guān)鍵。因為輪胎的最大圓周速度不能超過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表面之間的距離。
旋轉(zhuǎn)表面振動測量所面對的另一個難題是散斑噪聲，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率增加時，散斑噪聲表現(xiàn)為響應(yīng)信號。可開啟PSV軟件里的“Speckle Training”選項，將信號噪聲降到最低。
需要注意的是，旋轉(zhuǎn)表面振動測試結(jié)果包括固定振動和旋轉(zhuǎn)振動兩種振型。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，固定振動與旋轉(zhuǎn)振動的階次。這些階次線相交于零點，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)對稱性的變化，無負(fù)載輪胎在靜止時的特征模態(tài)被分為兩個獨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)會在較低的頻率體現(xiàn)一般而言，當(dāng)固有頻率較低時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，大多數(shù)特征模態(tài)就會出現(xiàn)，且階次越高，差值越大。這就是為什么低階時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車輪的特征模態(tài)的頻率不大于靜止時的特征頻率。對于旋轉(zhuǎn)的車輪，由扁平以及旋轉(zhuǎn)本征模態(tài)對組成的特征模態(tài)具有復(fù)雜的振動模式，其以相反的方向旋轉(zhuǎn)。
測量結(jié)果有效
完成前期調(diào)研工作后，在IAD的外轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)進(jìn)行輪胎的振動測試，輪胎處于恒定載荷和恒定氣壓下，型號為235/60 R18，速度為20~30 km/h。測量時，輪胎隨著平面鋼制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動，同時受到轉(zhuǎn)鼓上安裝的凸起桿的激勵。
將3D掃描式激光測振儀置于輪胎側(cè)面，定義好測量網(wǎng)格后開始測量輪胎表面振動。每一個測點上至少做40次數(shù)據(jù)平均，耗時超800 ms。
把從IAD外部轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)所獲得的測量結(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，以確保在頻率高達(dá)250 kHz范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)足夠精確。輪胎的橫截面分為胎邊、胎面和環(huán)帶三個部分，因為橡膠部件因功能不同，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，輪胎表面紋理設(shè)計對轉(zhuǎn)動的影響不明顯。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有限元仿真過程中，首先是對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，對輪胎加上固定負(fù)載，采用約束邊界條件，勻速轉(zhuǎn)動。最后，根據(jù)邊界條件，對輪胎的動力學(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程
圖5 仿真振型與實測振型的吻合度較好
圖5給出在X-Z平面上，兩種不同振動模態(tài)下的有限元仿真結(jié)果與實測結(jié)果之間的對比，此時輪胎速度為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測振型的對比圖。輪胎在特定振動模式下的運動不能像在模擬中那樣被清晰地識別出來，但是可以識別出兩者之間基本的相似性。
需要注意的是，由于試驗臺的結(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。有限元計算出的振型不是基于實際激勵而得出，而實際測量的振型則是基于轉(zhuǎn)鼓和輪胎表面的工作振動分析。驗證結(jié)果存在差異的另一個深層次原因是試驗臺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掃描式激光測振儀，測試外轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)上輪胎的振動特性是一個巨大挑戰(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試臺說轎車輪胎的工作振動。輪胎的某些振動模態(tài)與有限元模型的特征模態(tài)，具有良好的一致性，實現(xiàn)了測量與仿真的相關(guān)性。
一旦試驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)具有較好的相關(guān)性，就有可能在已經(jīng)驗證過的輪胎模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出一個新的機(jī)械替代模型。這樣旨在加深工程師們對輪胎振動特性背后其工作機(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)的精確運行。
鳴謝
本次輪胎振動特性測量是一個大的團(tuán)隊竭誠合作的結(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是德國德累斯頓大學(xué)機(jī)電一體化和功能輕量化設(shè)計系的負(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。
