陶亮　張大山　張小龍　潘登　占慶良

摘要：針對(duì)專用輪輞總成進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，包括專用輪輞、彈性體和專用滑環(huán)三個(gè)主要部件。首先明確智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)的功能及其對(duì)專用輪輞總成的設(shè)計(jì)要求，從氣密性、動(dòng)平衡、安全性等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；然后用ABAQUS軟件構(gòu)建專用輪輞總成有限元模型，以某乘用車轉(zhuǎn)向緊急制動(dòng)工況前輪輪荷的2倍進(jìn)行加載，專用輪輞強(qiáng)度和剛度校核滿足要求。最后，采用7075航空鋁合金錠材料對(duì)專用輪輞進(jìn)行整體加工與氣密性、動(dòng)平衡和信號(hào)傳輸?shù)闰?yàn)證試驗(yàn)。專用輪輞總成胎壓為0.24 MPa時(shí)靜置5天，胎壓下降約0.8%，密封性良好；將專用輪輞總成安裝在Flat Trac臺(tái)架上進(jìn)行不同車速的測(cè)試，同步采集滑環(huán)定子端運(yùn)動(dòng)圖像和胎內(nèi)傳感器輸出信號(hào)；利用圖像亞像素匹配方法處理得到滑環(huán)定子端撓動(dòng)量約0.5712 mm（車速50 km/h），滿足輪輞動(dòng)平衡和滑環(huán)使用條件；不同測(cè)試速度下胎內(nèi)多個(gè)傳感器信號(hào)通過(guò)專用輪輞總成實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，信號(hào)能夠有效表征輪胎接地特征。設(shè)計(jì)的專用輪輞總成滿足智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)建要求，為輪胎接地機(jī)理等研究提供了有效手段。

關(guān)鍵詞：智能輪胎；開(kāi)發(fā)平臺(tái)；專用輪輞總成；集成設(shè)計(jì)；驗(yàn)證試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.012

Design and Experiments of Special Rim Assembly for Intelligent Tire Development Platform

TAO Liang ZHANG Dashan ZHANG Xiaolong PAN Deng ZHAN Qingliang

Abstract： The paper focused on the design and experimental study of the special rim assembly， which consisted of the special rim， the elastomer and the special slip ring. Firstly， the functions of the intelligent tire development platform and the design requirements for the special rim assembly were clarified， and the structural design was carried out according to the requirements of air tightness， dynamic balance， safety， et al. Then， the finite element model of the special rim assembly was constructed based on ABAQUS software. A passenger car steering emergency braking condition was simulated and two times of the front wheel load was setup into the model. The strength and stiffness of the special rim met the design requirements. Finally， the 7075 aerospace aluminum alloy ingot materials were used for the overall processing of the special rim， and verification tests such as air tightness， dynamic balance and signal transmission were conducted. The tire pressure of the special rim assembly is set to 0.24 MPa and left for 5 days， but the tire pressure droppes only about 0.8%， so the air tightness is great. The special rim assembly was mounted on the Flat-trac bench for testing at different speeds， and the images of the slip ring stator end motion and the in-tire sensor output signals were collected simultaneously. The image sub-pixel matching method was used to obtain the displacement of the stator end of the slip ring. When the vehicle speed is as 50 km/h， the displacement is about 0.5712 mm， which meets the test requirements of the rim dynamic balance and slip ring. At different test speeds， the signals from multiple sensors inside the tire are output steadily through the special rim assembly， and the signals may effectively characterize the tire-road contact characteristics. The special rim assembly designed herein meets the requirements for building an intelligent tire development platform and provides an effective means to research on the tire-road contact mechanism.

Key words： intelligent tire; development platform; special rim assembly; integrated design; verification test

0 引言

車輛運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)是對(duì)地面作用于輪胎的輪胎力的控制，而對(duì)多個(gè)車輪輪胎力的協(xié)同控制有利于提高整車的控制品質(zhì)，其中輪胎力的準(zhǔn)確獲取是關(guān)鍵［1-3］。當(dāng)前對(duì)輪胎力信息的獲取主要通過(guò)對(duì)車身懸架動(dòng)力學(xué)和車輪運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行多傳感器冗余估算。STEPHANT等［4］建立了4個(gè)觀測(cè)器來(lái)對(duì)輪胎側(cè)向力進(jìn)行估算，但當(dāng)車輛側(cè)向加速度較大時(shí)其估算準(zhǔn)確性變低。王秋偉等［5］采集車身縱向加速度、側(cè)向加速度和橫擺角加速度等，通過(guò)4個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)和梯度下降算法實(shí)現(xiàn)各個(gè)車輪縱向力和側(cè)向力的在線估算。楊斯琦［6］從測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速與輪缸的壓力信號(hào)得到車輪驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，再結(jié)合車輪角速度信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)輪胎縱向力估算。以上間接估算方法存在模型與精度的矛盾以及估計(jì)工況、估計(jì)輪胎力不全面等不足。

通過(guò)在輪胎內(nèi)部布置傳感器直接獲取輪胎和道路交互狀態(tài)信息進(jìn)而對(duì)輪胎力進(jìn)行估算是一種有效方法［7-8］，可以避免不同車型及其車身懸架動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，是近年來(lái)輪胎智能化發(fā)展的主要方面。XU等［9］在輪胎內(nèi)襯層布置1個(gè)三軸加速度計(jì)，通過(guò)后向傳播算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的輪胎力進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了不同驅(qū)動(dòng)條件下輪胎力的預(yù)測(cè)。CHELI等［10］以三軸加速度信號(hào)中的垂向加速度作為特性參數(shù)，辨識(shí)輪胎接地印痕的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎垂向載荷的估計(jì)。梁冠群等［11］采用有限元方法對(duì)輪胎進(jìn)行三維建模并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，獲取輪胎內(nèi)襯中心處的徑向加速度信號(hào)，通過(guò)多項(xiàng)式擬合方式提出了一種智能輪胎載荷估算算法。WESTON等［12］ 在輪胎內(nèi)襯層橫向布置多個(gè)壓電薄膜傳感器件（polyvinylidene fluoride，PVDF），通過(guò)采集輪胎接地和離地時(shí)間的差值、胎壓等信息估算輪胎垂直載荷。相關(guān)研究［13-15］對(duì)在胎內(nèi)布置傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎力的估算的可行性進(jìn)行了很好的詮釋，但相關(guān)估算在輪胎側(cè)偏等復(fù)雜工況下的研究存在不足，實(shí)用性還有待驗(yàn)證，需要構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)全工況下的胎內(nèi)傳感信號(hào)的特征進(jìn)行深入研究，從而為探索智能輪胎工程化應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持。

對(duì)輪胎接地動(dòng)力學(xué)行為的研究需要設(shè)計(jì)智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)，本文針對(duì)其中的專用輪輞總成進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。該專用輪輞總成同時(shí)集成多個(gè)加速度計(jì)、多個(gè)壓電薄膜PVDF傳感器，用于監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部不同位置的信號(hào)，集成溫壓一體傳感器用于同步感知輪胎內(nèi)部溫度和壓力，它們是構(gòu)建輪胎動(dòng)力學(xué)模型的重要參數(shù)。該平臺(tái)還集成了車輪力傳感器以同步采集輪胎力數(shù)據(jù)，對(duì)輪胎力估算的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。本文首先對(duì)智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的專用輪輞關(guān)鍵部件總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后基于ABAQUS軟件驗(yàn)證總成部件強(qiáng)度與剛度的有效性，最后通過(guò)氣密性、動(dòng)平衡和信號(hào)傳輸?shù)仍囼?yàn)對(duì)制作的專用輪輞的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 專用輪輞總體設(shè)計(jì)要求

專用輪輞總成是智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)的重要組成部分，整個(gè)智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示。在輪胎內(nèi)布置傳感器，并通過(guò)有線方式經(jīng)專用輪輞引出，再通過(guò)專用滑環(huán)實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器可獨(dú)立工作，對(duì)胎內(nèi)傳感信號(hào)實(shí)現(xiàn)單通道50 kHz的采樣，并由上位機(jī)控制、保存與顯示。

專用輪輞總成不僅需實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的支撐功能，還需實(shí)現(xiàn)智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)的傳感器安裝和信號(hào)傳輸?？紤]到強(qiáng)度、剛度、動(dòng)平衡和傳感器布置等多方面要求，需要對(duì)專用輪輞總成進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

由圖1可知，在輪胎內(nèi)部胎面對(duì)應(yīng)內(nèi)部氣密層位置會(huì)布置3只三軸加速度計(jì)和3個(gè)PVDF傳感器件，其中PVDF后端的電荷放大器因其體積較大需要布置在輪輞外側(cè)面。另外，溫壓一體傳感器需要安裝在輪輞上，從而對(duì)輪胎內(nèi)部溫度和壓力進(jìn)行感知。

考慮到輪胎力估算結(jié)果的驗(yàn)證測(cè)試需要，對(duì)輪輞輪輻進(jìn)行改制，可以嵌入彈性體和輪轂適配器以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎六分力的直接測(cè)量。該彈性體和輪胎適配器既可自行設(shè)計(jì)，也可選用第三方產(chǎn)品，如密歇根科技公司（Michigan scientific corporation，MSC）的車輪六分力傳感器。

專用輪輞總成設(shè)計(jì)要求如下：有足夠的剛度和強(qiáng)度，支撐輪胎運(yùn)行，兼顧臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)；氣密性好和動(dòng)平衡好，整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，結(jié)構(gòu)安全；運(yùn)動(dòng)不干涉，穿透密封件與制動(dòng)鉗、滑環(huán)與輪輞間運(yùn)動(dòng)不干涉；保護(hù)電荷放大器，避免被輪輞擠壓。

2 專用輪輞總成設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

專用輪輞總成由改制輪輞、彈性體、滑環(huán)及輪轂適配器，以及穿透密封件、溫壓一體傳感器等組成，輪輞整體采用7075航空鋁合金錠制作方案，并從氣密性、動(dòng)平衡、安全性等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)。胎內(nèi)傳感器信號(hào)經(jīng)由穿透密封件引出，與溫壓一體傳感器線束一同經(jīng)由滑環(huán)實(shí)現(xiàn)輪胎旋轉(zhuǎn)工況下的信號(hào)傳輸。

2.2 輪輞尺寸的確定與氣密性設(shè)計(jì)

基于輪輞17×7.5j及其配套子午線輪胎225/45 R17確定改制輪輞總體尺寸。GB/T 3487—2015《乘用車輪輞規(guī)格系列》確定了輪輞基本輪廓尺寸和標(biāo)定寬度范圍值。對(duì)商用輪輞成品進(jìn)行3D掃描以確定關(guān)鍵局部尺寸，如胎圈座圓弧半徑R3和胎圈座寬度P。利用半徑規(guī)對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行實(shí)物測(cè)量校核，最后構(gòu)建了輪輞三維模型，確定的具體輪廓尺寸如圖2所示。

氣密性主要發(fā)生在兩個(gè)部位：輪輞與胎圈接觸部位，穿透密封件和溫壓一體傳感器在輪輞安裝座孔位置。提高胎內(nèi)充氣壓力，使胎圈橡膠擠壓向輪輞實(shí)現(xiàn)密封，通過(guò)合理控制尺寸R3和P來(lái)實(shí)現(xiàn)。

穿透密封件和溫壓一體傳感器通過(guò)螺紋固定在輪輞安裝座孔上，分別如圖3a和圖3b所示，根據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)采取針對(duì)性密封措施。選型的穿透密封件型號(hào)WFS-1/2，為錐管螺紋，在輪輞上加工0.5英寸NPT內(nèi)螺紋管與之匹配。在錐管螺紋上纏繞生料帶以減少輪輞變形和加工工藝對(duì)孔氣密性的影響。選型的溫壓一體傳感器型號(hào)為PCM-167，探頭為M10×1直身管螺紋，除在輪輞上加工對(duì)應(yīng)螺紋孔外，在探頭端面布置O型圈，利用軸向擠壓實(shí)現(xiàn)密封。

2.3 總成動(dòng)平衡設(shè)計(jì)

總成中包含3個(gè)穿透密封件，采用圓周120°等間隔布置。溫壓一體傳感器只有一個(gè)，布置在氣門(mén)芯座圓心對(duì)稱位置，并在氣門(mén)芯座位置增加配重以提高對(duì)稱性。3個(gè)電荷放大器布置在輪輞側(cè)面，并等間隔120°對(duì)稱布置。另外，傳感器線束對(duì)動(dòng)平衡影響很大。根據(jù)傳感器線束尺寸，在輪輞側(cè)面布置直徑為10 mm的布線槽，以及用于固定線束的6組線束端蓋安裝孔，具體如圖4所示。對(duì)于輪輞總成軸向的動(dòng)平衡，在系統(tǒng)集成組裝后在動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行配重實(shí)現(xiàn)。

2.4 電荷放大器保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

PVDF輸出的電荷須經(jīng)過(guò)電荷放大器處理成電壓信號(hào)后再輸入到滑環(huán)。選型的電荷放大器體積較大，須布置到輪輞側(cè)面，并考慮到測(cè)試時(shí)可能的輪輞變形擠壓、散熱、防水等影響，需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)保護(hù)裝置。如圖5所示，首先在電荷放大器安裝槽兩端設(shè)計(jì)O型圈安裝槽，通過(guò)O型圈5防止水滴滲入。然后使用硅膠材料3D打印制作固定橡膠2和4，利用其緩沖作用防止輪輞變形損壞電荷放大器。最后設(shè)計(jì)上端蓋1保護(hù)電荷放大器，上端蓋采用流線型設(shè)計(jì)，減少風(fēng)阻，并且設(shè)計(jì)5條散熱槽，輔助散熱。

2.5 彈性體與定制滑環(huán)設(shè)計(jì)

在輪輞的側(cè)面設(shè)計(jì)有彈性體座，用于連接不同的彈性體以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試目的?？梢云ヅ銶SC彈性體，并根據(jù)其固定孔設(shè)計(jì)三分力彈性體和用于支撐的支撐彈性體等。

自行開(kāi)發(fā)的三分力彈性體通過(guò)布置應(yīng)變片和調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)車輪三分力（縱向力Fx、垂直力Fz和扭矩My）測(cè)量。采用4梁結(jié)構(gòu)，其對(duì)稱性好，在梁的正反面開(kāi)一定深度的槽，便于貼片和組橋［16］。在常規(guī)試驗(yàn)中為避免MSC六分力傳感器等精密測(cè)力設(shè)備損耗，設(shè)計(jì)支撐彈性體代替這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輪支撐，該支撐彈性體采用6梁結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性好且輕便。如圖6所示，在彈性體一側(cè)布置滑環(huán)，實(shí)現(xiàn)在輪胎旋轉(zhuǎn)情況下為胎內(nèi)傳感器供電，以及胎內(nèi)多傳感器信號(hào)的同步輸出；與MSC的車輪六分力傳感器中滑環(huán)相互替換，便于實(shí)車同步測(cè)試車輪六分力，驗(yàn)證輪胎力估算模型；有獨(dú)立的編碼器信號(hào)輸出。由于現(xiàn)有滑環(huán)無(wú)法滿足要求，故委托MSC公司開(kāi)發(fā)36通道的定制滑環(huán)，如圖6所示。設(shè)計(jì)橋盒用于固定定制滑環(huán)，并且在橋盒內(nèi)部布置信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)三分力彈性體信號(hào)的穩(wěn)定輸出。

2.6 專用輪輞總成三維模型裝配

如圖7所示，專用輪輞總成各部件通過(guò)螺栓連接，利用SolidWorks軟件將各部件進(jìn)行裝配，驗(yàn)證了各部件螺栓與螺紋孔配合良好，位置尺寸設(shè)計(jì)合理。

3 總成強(qiáng)度與剛度校核

構(gòu)建專用輪輞、彈性體與輪轂適配器裝配體有限元模型，分析其最大應(yīng)力與最大位移位置，確定總成強(qiáng)度、剛度的有效性。施加的載荷采用整車外側(cè)轉(zhuǎn)向緊急制動(dòng)工況下的輪胎力，并假設(shè)載荷直接作用于總成輪心位置。

3.1 施加載荷計(jì)算

使用的某試驗(yàn)車總質(zhì)量為1740 kg，前后軸荷分布850/890 kg。輪胎轉(zhuǎn)彎緊急制動(dòng)受力如圖8所示，描述了輪胎接地印跡中心O點(diǎn)位置的六分力。其中，x軸為輪胎平面對(duì)地投影，正向?yàn)槠嚽斑M(jìn)方向，y軸垂直于x軸，朝向與x軸符合右手定則。v為輪胎接地點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)方向，它與x軸的夾角為輪胎側(cè)偏角α。圖8中，

ET為輪胎偏距。

以整車右轉(zhuǎn)向外側(cè)前輪為分析對(duì)象，垂直載荷Fz計(jì)算公式為

式中，r0為輪胎225/45 R17輪胎靜負(fù)荷半徑，取294.76 mm；ET為實(shí)測(cè)車輪偏距，取51 mm。

以式（1）～式（7）計(jì)算值作為極限工況下輪胎轉(zhuǎn)向緊急制動(dòng)時(shí)的輪胎力，見(jiàn)表1，并取其2倍值作為專用輪輞總成強(qiáng)度剛度校核載荷輸入。

3.2 有限元建模與分析

將基于SolidWorks構(gòu)建的輪輞、彈性體與輪轂適配器裝配體模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中。各部件材料屬性見(jiàn)表2。在Interaction模塊中利用綁定約束簡(jiǎn)化螺紋連接關(guān)系。在Load模塊中固定專用輪輞外圈，在輪轂適配器中心施加輪胎載荷?？紤]網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)便性和提高仿真效率，在Mesh模塊中選擇四面體單元C3D10對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分成435 685個(gè)單元。

總成變形仿真應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9，在2倍輪荷下，總成最大應(yīng)力833 MPa發(fā)生在彈性體上，小于42CrMo鍛件的屈服強(qiáng)度930 MPa。同時(shí)專用輪輞上的最大應(yīng)力為283 MPa，低于7075鋁合金屈服強(qiáng)度505 MPa，說(shuō)明總成強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求?？偝晌灰圃茍D見(jiàn)圖10，2倍輪荷下總成最大位移為0.6533 mm，變形量小。同時(shí)電荷放大器安裝槽最大位移為0.091 mm，而電荷放大器直徑為13 mm，放大器安裝槽寬度設(shè)計(jì)為16 mm，使用固定橡膠可保證電荷放大器安全。

4 試驗(yàn)與分析

通過(guò)實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證專用輪輞總成中的穿透密封件與滑環(huán)無(wú)干涉，以及專用輪輞總成與試驗(yàn)車的制動(dòng)鉗無(wú)干涉，同時(shí)滑環(huán)輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)編寫(xiě)程序可有效計(jì)算出輪胎轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信息。故專用輪輞總成驗(yàn)證測(cè)試主要包括氣密性、動(dòng)平衡及胎內(nèi)傳感器信號(hào)傳輸測(cè)試。

4.1 氣密性測(cè)試

使用充氣泵在輪胎內(nèi)部充入輪胎額定氣壓值0.24 MPa氣壓。使用肥皂水檢測(cè)穿透密封件安裝位置、氣門(mén)嘴、溫壓一體傳感器安裝位置無(wú)漏氣現(xiàn)象后將專用輪輞總成靜置5天。每天使用溫壓傳感器PCM-167（絕對(duì)壓力型，測(cè)量值含大氣壓力，精度1.5 kPa）測(cè)量胎溫和胎壓，如圖11所示，測(cè)得胎壓下降約0.8%。綜合考慮充氣泵誤差及環(huán)境溫度的影響，可認(rèn)為專用輪輞總成的密封性良好。

4.2 動(dòng)平衡測(cè)試

專用輪輞總成是裝配體，其動(dòng)平衡測(cè)試包含在動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上的自由穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)工況測(cè)試和在Flat Trac臺(tái)架上有支撐路面（路基）激勵(lì)下的滑環(huán)外端面撓動(dòng)量測(cè)試兩個(gè)方面。

專用輪輞、彈性體與輪轂適配器分別加工，在裝配時(shí)需要同心度和平面度調(diào)校，調(diào)校在CEMB動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行?？偝膳c輪胎裝配后可安裝在動(dòng)平衡機(jī)上。用動(dòng)平衡機(jī)適配器UH20代替原長(zhǎng)軸，便于安裝滑環(huán)及橋盒。用專用扭矩扳手分別對(duì)彈性體與輪輞、彈性體與輪轂適配器之間的連接螺栓進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)百分表測(cè)量各部件的同心度和輪輞外側(cè)安裝平面度進(jìn)行反饋。最后根據(jù)調(diào)校結(jié)果和CEMB動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試結(jié)果，在輪輞合適位置粘貼少量質(zhì)量塊進(jìn)一步提高總成的動(dòng)平衡。經(jīng)測(cè)試調(diào)校后的總成動(dòng)不平衡量為4 g和2 g。

將裝配體安裝在Flat Trac臺(tái)架上時(shí)，輪轂適配器螺栓重新拆裝，故在Flat Trac臺(tái)架上時(shí)還需要進(jìn)行同心度和平面度調(diào)校。Flat Trac臺(tái)架的模擬路面拖動(dòng)輪胎或驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)輪胎產(chǎn)生激勵(lì)，在車速高時(shí)會(huì)造成滑環(huán)擾動(dòng)。如圖6所示，該專用輪輞因單獨(dú)設(shè)計(jì)了編碼器，軸向長(zhǎng)，質(zhì)量偏大，試驗(yàn)時(shí)若撓動(dòng)量過(guò)大會(huì)損害滑環(huán)壽命，需要對(duì)滑環(huán)定子外端撓動(dòng)量進(jìn)行測(cè)試。

如圖12所示，在滑環(huán)定子端布置圓形標(biāo)靶，標(biāo)靶直徑15 mm，相機(jī)正對(duì)標(biāo)靶，調(diào)整焦距使標(biāo)靶納入取景框且成像質(zhì)量好，X與Y分別表示滑環(huán)水平和豎直方向撓動(dòng)量。使用佳能EOS 70D單反相機(jī)拍攝專用輪輞總成運(yùn)動(dòng)視頻，并利用圖像處理技術(shù)提取定制滑環(huán)定子端撓動(dòng)量。

當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑環(huán)定子外端主要是平移運(yùn)動(dòng)，選用亞像素匹配法對(duì)其撓動(dòng)量進(jìn)行分析［20］。考慮一個(gè)參考圖像f（x，y）和對(duì)應(yīng)不同后續(xù)時(shí)間圖像g（x，y），假設(shè)（x0，y0）是這兩個(gè)圖像之間全局坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換平移值，則圖像f（x，y）和g（x，y）之間的標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（normalized root mean square error， NRMSE）定義如下：

式中，F(xiàn)（u，v）為f（x，y）離散傅里葉變換圖像；G*（u，v）為g（x，y）離散傅里葉變換后復(fù)數(shù)共軛圖像；（M，N）為圖像像素大小。

通過(guò)確定互相關(guān)系數(shù)的最大值rfg（x0，y0）實(shí)現(xiàn)對(duì)NRMSE的評(píng)估，并在圖像f（x，y）和圖像g（x，y）上采樣后，實(shí)現(xiàn)亞像素圖像匹配。

試驗(yàn)如圖13所示，以試驗(yàn)標(biāo)靶為追蹤區(qū)域，試驗(yàn)速度50 km/h，垂直載荷從2 kN，間隔1 k N遞增到6 kN。從記錄的視頻中運(yùn)用亞像素法提取不同工況下的滑環(huán)定子外端撓動(dòng)量。

定子端撓動(dòng)量結(jié)果如圖14所示，滑環(huán)定子端在X方向撓動(dòng)量約8 pixel。由于加載垂直載荷，輪胎存在下沉量，對(duì)應(yīng)定子端在Y方向撓動(dòng)量距離原始標(biāo)靶階梯增加，但每個(gè)載荷階段的相對(duì)撓動(dòng)量仍為8 pixel左右。隨著垂直載荷的增加，X、Y方向信號(hào)頻率主要成分無(wú)變化，即垂直載荷對(duì)滑環(huán)撓動(dòng)量影響較小。結(jié)合試驗(yàn)標(biāo)靶尺寸與視頻中試驗(yàn)標(biāo)靶直徑所占像素?cái)?shù)量，計(jì)算像素尺寸為0.0714 mm/pixel，故滑環(huán)定子外端撓動(dòng)量約0.5712 mm。該滑環(huán)撓動(dòng)量不影響系統(tǒng)測(cè)試。

4.3 胎內(nèi)傳感器信號(hào)采樣與分析

胎內(nèi)傳感器信號(hào)采用有線方式傳輸以便于后端高頻率采樣和分析信號(hào)特征。以右前輪為例，3個(gè)三軸加速度計(jì)與3個(gè)PVDF粘貼在輪胎氣密層，如圖15所示，3個(gè)三軸加速度計(jì)和2個(gè)PVDF并排交叉橫向布置，另1個(gè)PVDF相對(duì)輪胎中心位置的加速度計(jì)周向布置。這樣布置可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量輪胎整個(gè)橫向接地印跡振動(dòng)信號(hào)，便于表征側(cè)偏縱滑聯(lián)合工況特征，同時(shí)也可以比較對(duì)稱位置不同傳感器信號(hào)差異。圖15中加速度計(jì)的Z軸垂直輪胎表面并指向車輪軸心；X軸為輪胎縱向方向并指向加速度計(jì)信號(hào)輸出端相反方向；Y軸為輪胎側(cè)向方向，其指向由右手定則確定?？紤]胎面溝槽不直接與路面接觸，將胎內(nèi)傳感器布置在胎面肋條位置。

胎內(nèi)傳感器命名規(guī)則如下：加速度計(jì)為“A”，PVDF為“P”，距離輪胎中心平面最近的傳感器編號(hào)為“1”，最遠(yuǎn)距離傳感器編號(hào)為“3”，“Centre”“Right”“Left”分別代表傳感器在輪胎平面的中間、左邊、右邊位置，如A3-Right表示最右側(cè)（胎側(cè)）的加速度計(jì)。

在Flat Trac臺(tái)架上進(jìn)行了不同速度載荷工況下的測(cè)試，信號(hào)傳輸正常，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。以臺(tái)架路基帶動(dòng)輪胎純滾動(dòng)測(cè)試為例分析信號(hào)特征。試驗(yàn)時(shí)輪胎胎壓為0.3 MPa，加載Flat Trac垂直載荷為6 kN，車速80 km/h時(shí)的胎內(nèi)傳感器信號(hào)如圖16所示。圖16a中，輪胎周向加速度AX信號(hào)出現(xiàn)兩個(gè)方向相反的尖峰，對(duì)應(yīng)加速度計(jì)進(jìn)入和離開(kāi)接地印跡的時(shí)刻，提取兩個(gè)尖峰的時(shí)間差可估算輪胎的接地時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)，AX3-Right信號(hào)表征的接地時(shí)長(zhǎng)要小于AX1-Centre和AX2-Left，體現(xiàn)了輪胎橫向不同位置接地過(guò)程差異性。圖16b中，靠近胎側(cè)位置的加速度計(jì)側(cè)向加速度AY3-Right信號(hào)相比輪胎中心平面等其他位置的加速度計(jì)側(cè)向加速度更明顯，這主要與輪胎帶束層鋪設(shè)角度有關(guān)，其胎側(cè)位置帶束層鋪設(shè)角度明顯大于輪胎中心位置。圖16c中，3個(gè)位置的加速度計(jì)徑向加速度AZ信號(hào)明顯。通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行二次積分可近似獲取輪胎徑向位移［21］，多個(gè)加速度計(jì)的徑向位移可用于構(gòu)建輪胎徑向位移場(chǎng)。

圖16d中，3個(gè)位置的PVDF采集到的接地信號(hào)波峰明顯，但離地信號(hào)相較于加速度計(jì)信號(hào)變緩， PVDF能夠敏感捕獲輪胎離地過(guò)程伴隨的其他振動(dòng)信息，可進(jìn)一步提取輪胎局部滑移信息。其中P1-Centre與其他2個(gè)PVDF布置位置不同，導(dǎo)致PVDF峰值不同步。

綜上，加速度計(jì)信號(hào)能穩(wěn)定表征輪胎接地與離地信號(hào)特征，PVDF包含豐富的輪胎離地信息。通過(guò)對(duì)不同類型傳感器信號(hào)特征的分析，有助于探究不同原理智能輪胎應(yīng)用策略。同時(shí)，在多個(gè)位置布置傳感器可以獲取更豐富的輪胎動(dòng)力學(xué)信息。

5 結(jié)論

（1）本文根據(jù)智能輪胎開(kāi)發(fā)平臺(tái)需求集成開(kāi)發(fā)了專用輪輞總成，從氣密性、動(dòng)平衡等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元建模和強(qiáng)度剛度校核，在加載2倍的整車轉(zhuǎn)向緊急制動(dòng)工況外側(cè)輪胎受力載荷時(shí)，總成強(qiáng)度和剛度滿足要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)是有效可行的。

（2）采用7075航空鋁合金錠材料對(duì)專用輪輞整體加工并進(jìn)行氣密性、動(dòng)平衡等驗(yàn)證試驗(yàn)。典型臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同類型和數(shù)量的傳感器并在胎內(nèi)合理布置可以獲取更豐富的輪胎動(dòng)力學(xué)信息，進(jìn)一步可以提取輪胎載荷和側(cè)偏等信息，從而為輪胎接地機(jī)理等研究提供了全面有效的手段。

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（編輯 陳 勇）

作者簡(jiǎn)介：

陶 亮，男，1996年生，博士研究生。研究方向?yàn)樽魑锷a(chǎn)測(cè)控技術(shù)。

張小龍（通信作者），男，1976年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)檐囕v（輪胎）測(cè)控與動(dòng)力學(xué)。E-mail：xlzhang@ahau.edu.cn。

收稿日期：2022-07-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51675005）