輪胎低溫耐久性能試驗臺架研究

武文超，周 偉，曹 勇，濮龍鋒

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2.蘇州旭博檢測服務有限公司，蘇州 205101）

斯特林制冷機可靠性實驗平臺的建立

輪胎低溫耐久性能試驗臺架研究

武文超1，周 偉1，曹 勇1，濮龍鋒2

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2.蘇州旭博檢測服務有限公司，蘇州 205101）

針對輪胎冬季耐久試驗中低溫開裂現象和耐久試驗的環境限制，設計開發一套模擬整車狀態下輪胎低溫運行狀態的試驗臺架。該臺架系統包括低溫環境倉，低溫控制系統，執行機構和控制機構四部分。根據冬季黑河實際道路試驗確定臺架試驗的試驗車速、環境溫度、運行載荷、定位角度、運行周期以及運行里程。通過對比試驗和驗證試驗結果顯示：當失效率為10 %時（即輪胎B10壽命），試驗臺誤差在10 %以內，驗證了新開發試驗臺的有效性，為考核同類型輪胎低溫性能提供了有效途徑。

低溫開裂；試驗臺架；輪胎低溫性能；失效率

引言

汽車輪胎的疲勞耐久性直接關系到汽車行駛的安全性及可靠性。輪胎主要由膠料制成，具有在低溫時易玻璃化，硬度變高，易脆的特性，使得輪胎在長時間的行駛過程中容易發生輪胎開裂現象，造成輪胎疲勞失效，可能出現輪胎漏氣和爆胎，嚴重影響車輛行車安全。在本公司的整車冬季耐久試驗中，驗證出多個車型上具有輪胎開裂問題，如圖1所示。

圖1 冬季耐久試驗中輪胎開裂失效圖

在1980年，Davis J B等人研究獲取輪胎在冬季雪地上牽引力及制動距離信息的方法，比較不同輪胎的數據并指導輪胎設計[1]。目前，輪胎的低溫性能試驗主要在汽車試驗場或輪胎試驗場進行， 何毫明等通過室外實車道路耐久試驗驗證了新開發的205/65R15 SW601 和195/65R15 SW602 兩款冬季輪胎滿足冬季輪胎要求[2]。Martin D P等人利用輪胎試車場研究了冬季路面上不同輪胎的制動性能試驗[3]。張新軍等人根據粘彈譜儀所測損耗因子一溫度曲線確定的特性溫度與脆性溫度相比較，發現損耗因子一溫度曲線在玻璃化溫度以下的拐點處兩切線交點對應溫度與脆性溫度高度吻合，可以用來表征胎面膠的耐低溫性能[4]。

目前大多的文獻關注的是輪胎的低溫制動及操穩性能。對于輪胎低溫耐久性能關注較少。汽車輪胎低溫耐久性能測試主要依靠整車冬季耐久試驗，缺乏必要的低溫耐久臺架試驗。同時由于冬季耐久試驗每年只能在特定的地點很短一段時間進行，對于某些沒趕上冬季耐久試驗的輪胎，需要再等一年后再進行試驗驗證，時間周期較長，滿足不了當前大量輪胎項目的開發和驗證，也不符合本公司對認證試驗的流程。同時其驗證成本也相對較高。為了確保新開發的輪胎在冬季耐久試驗之前就完整確認其低溫性能，確保輪胎在冬季耐久試驗過程不出現開裂問題，因此我們設計開發了輪胎低溫性能試驗臺架。

1 試驗臺架簡介

目前輪胎耐久試驗設備發展比較迅速，可以分為轉鼓式試驗臺、平帶式試驗臺、平臺式試驗臺以及試驗拖車，其中轉鼓式室內輪胎疲勞耐久試驗臺應用最為廣泛。本試驗臺架結合現有轉鼓試驗臺及實車道路試驗結果，綜合考慮輪胎定位參數、車速、輪胎載荷、運行時間、環境溫度，開發出輪胎低溫轉鼓試驗臺架用于考核輪胎低溫性能，見圖2所示。

1.1 輪胎低溫轉鼓試驗臺

本輪胎低溫轉鼓試驗臺主要由轉鼓箱、控制系統、低溫環境箱、環境箱控制系統和調節機構五部分組成。本試驗臺利用轉鼓箱模擬實際行車道路路面，利用環境箱模擬外界行駛溫度環境，通過控制系統控制輪胎定位參數、轉鼓轉速即車速、輪胎載荷、運行啟停時間、環境箱溫度來模擬冬季實車的輪胎耐久試驗。

1.2 試驗臺架各功能模塊介紹

1.2.1 轉鼓箱

轉鼓箱由轉鼓、升速箱、轉鼓電機、飛輪組組成。其中轉鼓表面粘貼有一定粗糙度的砂紙用來模擬輪胎行駛的實際路面，在轉鼓電機的驅動作用下帶動轉鼓轉動，通過轉鼓與輪胎間的摩擦作用實現輪胎與轉鼓間的同步旋轉，此轉鼓箱可實現試驗對象轉動速度最高達100 km/ h。為使輪胎與鼓面接觸更接近實際，更好模擬車輪的實際行駛狀態，采用寬550 mm、直徑2 000 mm的大直徑轉鼓。

1.2.2 低溫環境箱及溫度控制系統

低溫環境箱與轉鼓箱相通，轉鼓箱中的轉鼓暴露在低溫環境箱中以模擬實際冬季行駛道路環境。通過環境箱控制系統來設定和保持低溫環境箱的溫度，環境箱控制系統最低可設定至-50 ℃，可滿足我國冬季道路用戶環境溫度。

1.2.3 控制系統

控制系統是整個試驗臺的核心，其主要用來控制車輪調節機構的角度、輪胎載荷以及運轉啟停，實現車輪定位、載荷加載、車輪行駛狀態的調節。此外控制系統還能夠監控試驗運轉里程，與實際道路試驗里程進行對比。

1.2.4 車輪調節機構

車輪調節機構主要用于調節車輪的安裝狀態，保證車輪具有與實車狀態下相同的前束角、外傾角，通過載荷加載裝置使輪胎具有與實車狀態下相同的承載。

圖2 試驗臺架開發流程圖

輪胎低溫性能試驗臺的調節裝置包含伺服電機、調節絲杠、導軌、前束角驅動裝置、外傾角驅動裝置、載荷驅動裝置，如圖3所示。根據實際試驗條件下的輪胎狀態，通過控制系統，在伺服電機的作用下通過前束角驅動裝置和外傾角驅動裝置分別調節車輪前束角和外傾角，實現與實車安裝狀態下相同的車輪前束角和外傾角。載荷驅動裝置可沿導軌實現車輪的徑向加載，實現車輪安裝狀態下相同載荷的加載。

1.2.4.1 前束角驅動裝置和調節方式

為保證與實車道路試驗狀態下相同的車輪安裝狀態，需對其前束角進行調節。通過控制系統的控制指令控制驅動電機，前束角驅動裝置在電機的驅動下以前束角調節軸承為中心進行旋轉，達到調節輪胎在轉鼓上的前束角的功能。前束角的調節范圍為正負4度，精度可達到0.1°。

1.2.4.2 外傾角驅動裝置和調節方式

與前束角調節方式相似，外傾角驅動裝置在電機的驅動下以外傾角調節軸承為中心進行旋轉，達到調節輪胎在轉鼓上的外傾角的功能。外傾角的調節范圍為正負4°，精度可達到0.1°。

1.2.4.3 載荷驅動裝置

載荷加載裝置根據實際車輪承受的載荷，調節加載裝置預先加載沿車輪徑向的載荷。載荷的加載是通過控制系統控制伺服電機，驅動調節機構沿導軌方向運動，實現對輪胎的加載，最大加載力可達8 000 N。

完成試驗臺架的搭建，還需對試驗方法及參數進行確定，以驗證其在試驗條件下的有效性。

2 試驗方法及參數的確定

試驗方法的確定與輪胎的使用狀態和環境相關。本試驗臺架主要驗證輪胎的低溫開裂問題，因此，此輪胎低溫性能試驗臺架需與冬季耐試驗對比并校準，使臺架試驗能真實有效反映冬季耐久路試中相應的結果。

初步確定試驗方法為：試驗輪胎以規定的載荷、前束角、外傾角在轉鼓上以一定的速度運轉規定的里程，并達到與冬季實車耐久試驗一致的結果。因此，實驗前需要確定進行臺架試驗的試驗車速、環境溫度、運行載荷、輪胎定位、輪胎啟停間隔、運轉里程。

2.1 輪胎運轉速度

在相同載荷、輪胎充氣壓力、環境溫度下，輪胎的疲勞耐久性與輪胎的運行里程有關[5]，因此，室內輪胎低溫耐久性能試驗采用在一定車速下運行的里程與實際室外道路試驗下的運行里程進行對比校準。以黑河冬季試驗場各運行工況的平均車速作為室內轉鼓箱內輪胎的運行速度，如下圖4所示。將黑河冬季試驗場的各種路況下的車速換算成總里程下的平均車速，為79.5 km/h，試驗取80 km/h。

2.2 輪胎所處環境箱的溫度

圖3 車輪調節機構示意圖

圖4 黑河冬季試車場各運行工況

溫度作為該試驗最關鍵的參數，需覆蓋試驗條件下（黑河冬季溫度）99 %的最低試驗溫度，并且保證輪胎在運轉過程中胎面溫度和黑河路試中胎面溫度一致。圖5為黑河出現最低溫度月份的溫度統計，可以發現試驗溫度需要低于-37 ℃才可以滿足試驗要求。考慮到輪胎運轉一定時間后，胎面會有一定的溫升，為使輪胎的胎面溫度與黑河路試過程中輪胎的胎面溫度一致，選擇將低溫箱的控制溫度設為40 ℃[6]。

2.3 輪胎運行時的載荷

在相同試驗條件下，載荷與輪胎耐久性呈負相關關系，隨著載荷的增大，輪胎下沉量增加，能夠促進輪胎低溫開裂的進程。因此，在能夠正確模擬輪胎失效形式的前提下，盡量選擇較大載荷，加快試驗進程，本臺架試驗選擇車輛滿載時輪胎的承載。

2.4 輪胎在轉鼓上的定位角度

輪胎在轉鼓上的定位角是為模擬輪胎在整車安裝狀態下的四輪定位角度。該角度對輪胎的各種性能影響較大，不同的四輪定位角度會導致不同的失效形式，本臺架試驗選用試驗用車輛設計的四輪定位角度，包括前束角和外傾角。

在試驗臺架上，前束角定義為輪胎安裝面和轉鼓中心面在y軸上的夾角，即1.2.4.1中前束角調節軸承的旋轉角度；外傾角定義為輪胎安裝面和轉鼓中心面在x軸上的夾角，即1.2.4.2中外傾角調節軸承的旋轉角度，如圖6所示。

2.5 輪胎運轉起停間隔

依據試驗經驗可知穩態時（即輪胎運轉時，速度、載荷、胎壓、環境溫度不變），輪胎表面溫升是單因素的線性函數，且當輪胎穩定運轉120 min左右，輪胎溫度可達穩定狀態[7]。

圖5 黑河溫度最低月份溫度統計

冬季黑河輪胎耐久試驗每個周期都需要徹底冷卻，因此，在輪胎低溫性能試驗系統中也設置冷卻周期，模擬實際輪胎耐久試驗過程中的冷卻工況。依據統計數據分析發現，為使輪胎胎面在環境倉中溫度達到與黑河路試輪胎胎面溫度一致所需時間為5.5 h，輪胎工作后胎面溫度恢復至環境溫度需約1 h。為保證試驗效率以及試驗結果的準確性，需使輪胎胎面溫度在工作周期內與實際道路試驗相近，在試驗過程中使輪胎能夠徹底冷卻。因此，確定試驗循環周期為8 h，其中包括試驗運行時間6 h，靜止冷卻時間2 h，充分模擬黑河路試的關鍵因素，并真實有效的復現黑河實車道路試驗的試驗結果。

2.6 輪胎運轉里程

為了驗證該輪胎低溫性能試驗臺架能夠有效模擬輪胎黑河冬季耐久試驗，要求臺架試驗中輪胎行駛里程與黑河冬季耐久試驗相同。因此，在其他關鍵因素保持一致的前提下，將試驗總里程確定為8 400 km，以保證臺架試驗和黑河路試里程一致。

3 臺架有效性的驗證

通過對比分析輪胎在冬季耐久路試中的試驗結果和所開發的輪胎低溫性能試驗臺架的試驗結果，以驗證所開發試驗臺的有效性。表1為路試和臺架條件下的D輪胎失效里程。

圖6 車輪定位坐標系

對D11輪胎在實際冬季耐久路試中的8條輪胎開裂的試驗結果進行威布爾統計分析可以發現，在失效率為10 %時，該輪胎的低溫耐久試驗壽命為2 670 km，即B10=2 670 km。在臺架上對8條同型號和配方的輪胎進行試驗，對試驗后的8條輪胎開裂的試驗里程進行威布爾統計分析，在失效率為10 %時，該試驗條件下的輪胎低溫耐久試驗壽命為2 479 km, 即B10=2 479 km，與路試的B10誤差為7.5 %，符合模擬臺架的要求，其威布爾累計失效概率-失效里程分布曲線如圖7所示。

表1 路試和臺架條件下的D11輪胎失效里程

圖7 累計失效概率-失效里程分布曲線

采用相同的試驗和統計計算方法，對SGM318輪胎進行了驗證，與路試的B10誤差為9.4 %，也符合模擬臺架的要求，驗證了該臺架的有效性。

4 結論

1）通過對比SGM318、D11、D16等項目在黑河冬季耐久試驗的試驗結果與新開發的輪胎低溫性能試驗臺架的試驗結果，實車試驗結果的B10與臺架試驗結果的B10誤差小于10 %，驗證了新開發的輪胎低溫性能試驗臺架的有效性。

2）該輪胎低溫性能試驗臺架的開發，為輪胎在短期內完成開發和驗證起到了重要作用，提高了研發效率，縮短開發時間，節約成本。

3）基于臺架的通用性和輪胎開裂問題的不可預見性，將對所有通用項目的輪胎都可以利用該臺架進行考核和評估。

[1] Davis J B, Wild J R, John N W S.WINTER TIRE TESTING [J].Society of Automotive Engineers Preprint, 1980.

[2]何毫明, 葉李青, 張建軍,等.冬季輪胎的開發及性能測試[J].輪胎工業, 2009(1):30-35.

[3] Martin D P, Schaefer G F.Tire-Road Friction in Winter Conditions for Accident Reconstruction[C].// International Congress & Exposition.1996.

[4]張新軍，王京通.輪胎耐低溫性能表征方法的探討[J].輪胎工業, 2014(12):716-719.

[5]賀年茹.全球性輪胎標準GTS 2000簡介[J].輪胎工業, 2000(7):396-399.

[6]李勇, 左曙光, 段向雷, 等.基于試驗的輪胎溫度場分布及影響因素分析[J].同濟大學學報: 自然科學版, 2012, 40(8): 1249-1253.

[7]趙子亮, 王慶年, 李杰, 等.基于滾動狀態輪胎溫度場的穩態熱分析[J].機械工程學報, 2001, 37(5): 30-34.

斯特林制冷機可靠性實驗平臺的建立

馬學煥，王 昆，張宗峰，陳根重，趙 帥, 張愛紅

（中國電子科技集團公司第十六研究所，安徽億瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230088）

摘要：介紹了一種專門用于斯特林制冷機可靠性實驗的平臺系統。該平臺能夠記錄斯特林制冷機運行中的包括環境模擬溫度、冷指腔體真空度、制冷溫度、制冷功率、運行時間等在內的各種試驗參數，這些參數可以在操作界面上以圖形、表格、文檔等形式顯示、存儲和打印。是一個集測試、真空、環境模擬等技術于一體一的綜合性試驗系統。

關鍵詞：斯特林制冷機；環境試驗箱；可靠性實驗；真空

Abstract：A reliability test system for Stirling cryocooler is introduced in this paper.The large number of test parameters such as simulating environmental temperature, cold head Dewar vacuum, achieved lowest temperature, and cooling time can be recorded in the industrial computer.These parameters can be displayed, stored, and exported in the form of chart, table and document.It is a comprehensive advanced reliability test system integrated measurement, vacuum, and environmental simulation.

Key words：Stirling cryocooler; environment test chamber; reliability test; vacuum

引言

1）建立可靠性實驗平臺的目的

斯特林制冷機在完成裝配調試后要進行常溫可靠性運行實驗和模擬工作環境溫度的可靠性運行實驗，以達到加速壽命驗證和長壽命可靠性檢測的目的。

2）實驗平臺要實現的功能

實驗平臺要實現的功能包括一下內容：①檢測制冷機驅動控制器的輸入輸出的動態參數；②檢測制冷機的輸入功率；③檢測制冷機的降溫時間；④檢測制冷機的制冷溫度；⑤檢測制冷機的制冷功率；⑥制冷機機殼溫度檢測；⑦保障冷指氣缸的高真空狀態；⑧檢測冷指氣缸的真空度；⑨高低溫環境模擬以及高低溫快速變溫循環；⑩UPS電源；各項參數的采集、處理、存儲和輸出。

3）實驗平臺的組成

實驗平臺由真空獲得與保持系統、高低溫（快變）環境模擬提供系統、交流和直流電源系統、參數采集及處理系統、操作與控制系統、UPS電源、臺架結構等組成。實驗工位共有12個和6套檢測儀表，其中常溫實驗工位6個，高低溫環境模擬工位6個且與常溫工位共用檢測儀表。

1 可靠性實驗平臺的指標要求（見表1）

2 總體結構布局設計

根據指標要求，每個工位都要有大功率直流供電電源、制冷量測量用對抗電源、功率計、低溫溫度測量儀表、機殼溫度測量儀表以及真空閥門等儀器和操作閥件，且每個工位的儀表測試線和真空管道都有可能連接到高低溫快變試驗箱中，如果六個工位順序排列將造成個別工位的測量接線以及真空管道過長，不方便實驗人員的操作，因此六個工位采取三個工位為一組，分別置于高低溫快變試驗箱的左右兩側的布局方式。真空管道系統布置于臺架下方，且從高低溫快變試驗箱的底板下穿過。總體布局示意圖如圖1所示。

表1 可靠性實驗平臺的指標要求

3 實驗平臺的高低溫快變試驗箱的結構設計

在前述總體布局設計中，試驗箱在中間位置，為方便操作以及連接管道和線纜的方便，試驗箱的測試孔開在左右兩側，每側設計三個直徑80 mm的測試孔以便滿足兩側工位儀表的接線盒真空管道的連接。如此，試驗箱的箱門設計成前置平開式，控制柜和制冷機組均置于試驗空間的后側。操作屏設計成搖臂懸掛式置于箱體的一側便于在連接真空管道時不互相干擾。

圖1 實驗平臺總體示意圖

試驗箱的有效空間尺寸為1 000×1 000×1 000（mm），箱體底架下底面距離地面要保證300 mm的空間，留做真空管道的過道。為保證實驗人員的可操作性，試驗空間不能距離地面過高，因此，制冷機組就只能后置而不能置于試驗空間的下部底架中。

圖2 實驗平臺真空系統流程圖

4 真空系統設計

4.1 真空系統配置設計

本真空系統要求無油，且真空度要求高于5E-3Pa，故選擇干泵和分子泵組合泵組來實現系統對真空度的要求（計算從略）。管道系統開始工作時處于常壓狀態，此時啟動干泵工作，實現系統管道的低真空抽空任務。當管道中氣壓達到一定的真空度時，啟動分子泵繼續抽空從而實現高真空的目標。低真空管道和高真空管道分別連接到各個工位，且每種管道上都設置真空閥門用于低真空和高真空抽氣轉換過程的切換和鎖定。每一個工位的冷指真空腔體設置一個放氣閥用于工位真空腔體的壓力恢復。在低真空管道上安裝真空壓力變送器，在高真空管道上安裝真空復合規，配合主控面板上的真空計和控制系統實現真空系統的控制和顯示。

4.2 真空系統的流程設計

真空系統的流程圖如圖2所示。

4.3 真空管道系統示意圖（如圖3、4所示）

5 控制系統的工位面板和主控制面板的設計

圖3 真空管道系統示意圖

圖4 真空管道系統示意圖

5.1 工位面板

每個工位分上下兩部分，上部面板為儀器儀表，下部面板為工位操作閥扭等配置。上部面板配置本工位的驅動電源、低溫冷頭溫度計、對抗電源、功率計、機殼溫度顯示儀表。驅動電源和機殼溫度輸入端子從快插接入，其他設備的輸入端子從儀表前面板直接接入。下部面板配置兩個五孔插座、測試工位電源、工位抽空開關、工位放氣開關，快插端子。測試臺面預留一個KF16抽空接口，如圖5所示。

5.2 主控制面板

其上有總電源開關、分子泵控制器，干泵1和2、分子泵1和2的啟停按鈕以及故障報警指示燈，如圖6所示。

6 控制系統的數據采集與處理

1）機表溫度：通過數顯溫度采集儀傳給PLC，再通過PLC傳輸給工控機，數顯溫度采集儀放置在面板上，傳感器為PT100。

2）驅動電源、對抗電源、功率計、冷頭溫度計、高低溫試驗箱、分子泵等通過通信的方式和工控機連接，可以把驅動電源電壓和電流、對抗電源電壓電流、功率計的電壓電流和功率、冷頭溫度計溫度值、高低溫試驗箱的試驗溫度等傳輸給工控機顯示、儲存、控制。

3）低真空和高真空的真空度通過PLC模擬量模塊采集，并上傳給工控機，工控機同步顯示。

4）控制：在工控機上操作，通過PLC對電氣部分（泵，閥門等）進行監控。

5）數據處理：相關數據通過Labview軟件處理，可實現數值顯示、圖表顯示、實時數據存儲、歷史數據查詢等功能，方便拷貝和查看。

6）報警：故障報警在現場報警，工控機上同步顯示。

控制系統流程圖見圖7。

7 結論

建立的斯特林制冷機可靠性實驗平臺實現了技術要求中的各項功能，解決了大容量數據的通信困難。實時數據在中央控制臺可以用圖形、表格或文檔等方式進行查閱和導出， 為設計人員對制冷機進行壽命分析以及進行優化設計提供了詳實的基礎數據。

在平臺的設計研制過程中有以下諸方面的創新：

1）高低溫快變試驗箱兩側設計了連接制冷機的真空管道；

2）高低溫快變試驗箱整體進行抬高設計，真空管道下穿試驗箱；

圖5 工位面板示意圖

圖6 主控面板示意圖

圖7 實驗平臺控制系統流程圖

3）在中央工控機上可以操作、顯示、存儲試驗箱的試驗參數；

4）真空系統實現了每個工位能夠獨立進行抽空和壓力恢復而不影響其他工位的試驗工作；

Research on the Test Bench of Low Temperature Durability Performance for Tire

WU Wen-chao1, ZHOU Wei1, CAO Yong1, PU Long-feng2
(1.Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2.Suzhou Xubo Testing Service Co., Ltd., Suzhou 205101)

According to the cold cracking of tire in endurance test in winter, and the environmental limitation of the test, a test bench is designed for simulating tire’s working state of full vehicle in low temperature.There are four parts about the test bench system: low temperature environment chamber, low temperature control system, executive and control mechanism.The testing speed, environmental temperature, operation loads, orientation angle, operation cycles and operation miles is determined according to the winter actual road testing in Heihe.This test bench is verified by comparing roller testing results with actual road testing results.The results indicate that the error of roller testing is within 10 % when the failure rate is 10 %.This test bench provides an effective way to check the low-temperature performance of same type tire.

cold cracking; test bench; low-temperature performance of tire; failure rate

Development of Reliability Test System for Stirling Crycooler

MA Xue-huan, WANG Kun, ZHANG Zong-feng, CHEN Gen-zhong, ZHAO Shuai, ZHANG Ai-hong
(Anhui Yirui Cryogenic Energy Technology Co., Ltd., The 16th Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230043)

V467

A 文章編號：1004-7204（2016）05-0119-05

武文超(1979-)，男，漢族，上海，本科，高級工程師。主要從事汽車試驗技術研究。

B657.3 TB472 文獻標識碼：B

1004-7204（2016）05-0124-05