輪胎六分力試驗機線性數據監控方法的研究

邱昌峰，陳仁全，王 君，周 磊，劉俊杰，蘇國慶，孫超

（青島輪云設計研究院有限責任公司，山東 青島 266400）

目前，各輪胎企業重要的動力學測試和數據分析設備大多為美國MTS公司制造的Flat-Trac CT III型平板式輪胎六分力（F&M）試驗機（見圖1），其不僅能夠進行輪胎的穩態測試（如輪胎側偏剛性、殘余回正力矩、輪胎力的特征函數、輪胎穩態力和力矩等），還能進行輪胎的瞬態響應（如縱向松弛長度、側向松弛長度、轉動慣量等），同時可以進行輪胎動力學仿真模型（如PAC2002模型、UniTire模型和FTire模型等）[1-3]的測試。輪胎仿真工程師可使用輪胎試驗機為汽車廠提供準確的輪胎模型，以進行整車仿真，從而優化整車的操控穩定性、舒適性和安全性[4-7]。

圖1 輪胎F&M試驗機

目前，輪胎動力學試驗數據的監控沒有統一的標準，各輪胎企業為驗證試驗數據的準確性，需要通過不同的測試方法監控試驗數據，但由于試驗數據的監控方法不同，不同實驗室的數據無法進行有效的對比，因此，只有確定統一的試驗數據監控方案，才能使不同實驗室的數據對比具有真實的監控意義[3]。

為驗證試驗數據的準確性，輪胎F&M試驗機主要采用2種監控方法：一是每年對設備進行1次全年校準；二是每3個月對設備進行1次期間核查。但在設備標定后，對試驗數據的準確性和重復性的論證不夠充分，因此針對美國SAE標準和GMW標準，需要制定合理的試驗數據監控方案，以確保試驗數據的準確性，為原配輪胎質量提供保障與支持。

1 實驗

1.1 試驗輪胎

本工作試驗輪胎品牌為DOUBLESTAR，規格為205/50R16，速度級別為V，負荷指數為91，為減少輪胎花紋磨損的影響，試驗輪胎為無花紋光面輪胎（見圖2）。同時，輪胎胎面壓縮生熱低，損耗因子低，DIN磨耗數值高，以中等粗糙度（砂粒直徑為0.125 mm）的3M砂紙模擬輪胎行使路面。

圖2 試驗輪胎

首先生產80條光面輪胎，從中挑選出A級品，然后從A級品中選擇側向力波動小于25 N的30條輪胎為試驗輪胎。

1.2 試驗設備及方法

按照GMW 15204—2007《輪胎穩態力和力矩測試》進行試驗。試驗條件為：環境溫度 （24±2）℃，負荷 4 300 N，數據采集頻率 1 024 Hz，試驗速度 7.2 km·h-1，充氣壓力 230 kPa，充氣壓力控制方式 穩壓。

本工作主要針對輪胎試驗機在小側偏角下產生的線性數據[以輪胎側向力系數（F1）和回正力矩系數（Ta1）為例]進行數據監控。F1和Ta1計算公式為

式中，Fz為負荷，α為側偏角，Fy為側向力，Ta為回正力矩。

1.3 測試項目

在小側偏角下，針對暖胎、輪胎試驗機精度、充氣壓力、負荷、砂紙粗糙度、重復性測試以及輪胎存放時間對F1和Ta1的影響進行了數據分析。

測試項目及試驗輪胎數量分別為：暖胎偏差2條，輪胎試驗機偏差 12條，輪胎充氣壓力偏差 2條，輪胎負荷偏差 2條，輪胎測試路面偏差4條。

2 結果與分析

2.1 暖胎偏差

分別在1°，2°，6°和8°的側偏角下對試驗輪胎進行側向力測試，結果如圖3所示。

圖3 不同側偏角下輪胎的側向力變化率

從圖3可以看出：在小側偏角下，不同滾動距離下輪胎的側向力變化率基本為零；在大側偏角下，不同滾動距離下輪胎的側向力變化率較大。由于本工作主要研究小側偏角下輪胎線性數據的監控，可以不進行暖胎試驗。

2.2 輪胎試驗機偏差

選擇12條試驗輪胎（編號為1#—12#），測試其F1和Ta1，每條輪胎測量3次，求出每條輪胎F1和Ta1的平均值和標準偏差。其中，每條輪胎的3次F1和Ta1標準偏差的最大值即為輪胎試驗機偏差，12條輪胎的F1和Ta1的標準偏差即為輪胎制造工藝偏差，結果如表1所示。

表1 輪胎試驗機偏差

從表1可以看出：輪胎試驗機造成的F1和Ta1偏差分別為0.002 7和0.354 6 mm；輪胎制造工藝造成的F1偏差和Ta1偏差分別為0.006 3和0.129 8 mm。

2.3 輪胎充氣壓力偏差和負荷偏差

選擇2條試驗輪胎，在充氣壓力為標準充氣壓力的60%，80%，100%，120%時測試充氣壓力造成的F1偏差和Ta1偏差，結果如圖4所示。

圖4 充氣壓力對F1和Ta1的影響

選用2條試驗輪胎，在負荷率為60%，80%，100%，120%時測試負荷造成的F1偏差和Ta1偏差，結果如圖5所示。

圖5 負荷對F1和Ta1的影響

從圖4和5可以看出：F1隨充氣壓力的增大而增大，隨負荷的增大而減小；Ta1隨充氣壓力的增大而減小，隨負荷的增大而增大。

由設備使用說明可知輪胎充氣壓力的精度為±5 kPa，加載負荷精度為±250 N，可以得出產生F1最大值和最小值的充氣壓力和負荷，以及產生Ta1最大值和最小值的充氣壓力和負荷，如表2所示。

表2 輪胎充氣壓力和負荷的偏差分析項目

根據表2，選擇4條試驗輪胎（編號為13#—16#）進行測試，分別得到F1和Ta1的最大值、最小值和極差值，如表3所示。

表3 不同充氣壓力和負荷下的F1和Ta1

根據表3可求出F1和Ta1的上、下監控偏差。

由充氣壓力和負荷造成的F1偏差（LF1）為

式中，Fa為F1最大值，Fb為F1最小值，Fs為F1極差值。

由充氣壓力和負荷造成的Ta1偏差（LTa1）為

式中，Taa為Ta1最大值，Tab為Ta1最小值，Tas為Ta1極差值。

2.4 輪胎測試路面偏差

選擇4條試驗輪胎（編號為17#—20#），分別在砂紙模擬路面（簡稱砂紙路面）和光滑的模擬路面（簡稱光滑路面）上測試F1和Ta1。為驗證數據的準確性，每條輪胎重復測量3次，以F1和Ta1的平均值為每條輪胎的最終結果，如表4所示。

表4 不同測試路面下的F1和Ta1

從表4可以看出，砂紙路面和光滑路面對F1和Ta1的影響變化不大。因此，進行控制輪胎線性數據監控時，可以忽略由于砂紙路面的附著力系數對試驗數據的影響。

3 監控方案

3.1 控制輪胎的監控流程

控制輪胎的監控流程如圖6所示，具體如下：生產60條試驗輪胎，選取側向力波動和徑向力波動數據接近的10條作為控制輪胎；選擇3條控制輪胎，每條輪胎每周進行1次力學測試；分析F1和Ta1，繪制其平均值和標準偏差控制圖；若控制數據與平均值的偏差不大于2.5倍的標準偏差，則數據穩定，可進行輪胎力學試驗，否則需進行輪胎試驗機的校準；校準后，若控制數據與平均值的偏差不大于2.5倍的標準偏差，則數據穩定，可進行輪胎力學試驗，否則需要更換新的控制輪胎繼續進行數據監控。

圖6 控制輪胎的監控流程

3.2 控制輪胎監控數據分析

選擇3條控制輪胎測試其F1和Ta1，重復測試50次，其中F1平均值為控制輪胎的基準值C1，Ta1平均值為控制輪胎的基準值C2，根據50次的測試數據及平均值和標準偏差控制圖的監控原理，可知F1和Ta1的上下限。得到平均值和標準偏差控制圖的基準值和上下限后，每周測試1條輪胎，循環測試3條輪胎并記錄F1和Ta1，繪制其平均值和標準偏差控制圖，然后根據監控流程判定試驗數據是否合理。

本工作F1的平均值和標準偏差控制圖分別如圖7和8所示。

圖7 平均值控制圖

圖8 標準偏差控制圖

從圖7和8可以看出，前25周F1穩定，可繼續進行監控。Ta1的平均值和標準偏差的處理方式與側向力系數相同。

若有1條控制輪胎數據異常（超出上下限范圍），需要更換新的控制輪胎，重新確定基準值C1和C2，重新進行監控；若有2或3條控制輪胎數據異常，需對輪胎試驗機進行期間核查，若期間核查正常，則更換控制輪胎，若期間核查異常，則對輪胎試驗機進行年度校準，校準后再次確定基準值C1和C2，重新進行監控。

3.3 測試設備監控

為了保證試驗數據的準確性，除參考控制輪胎的監控數據外，還需要第三方校準機構或MTS公司每年對輪胎試驗機進行1次設備校準，主要包括傳感器、充氣壓力裝置、輪胎速度、側偏角、側傾角等參數的校準，同時需要試驗人員每3個月對設備進行1次傳感器的快速校準，如果發現傳感器未達到精度要求，需聯系第三方校準機構或MTS公司進行設備校準。

4 結論

（1）在小側偏角下，暖胎對F1和Ta1的影響不大，因此采用F1和Ta1監控數據時可不用暖胎。

（2）采用控制輪胎監控F1和Ta1時，需要考慮輪胎制造工藝偏差、試驗機偏差、充氣壓力偏差和負荷偏差的影響。

（3）在小側偏角下，模擬路面的附著力系數對F1和Ta1的影響不大，因此長時間采用F1和Ta1監控數據時，路面的附著力系數影響不大；但在大側偏角下，需要考慮模擬路面附著力系數的影響。

（4）采用本工作監控方案，可以對輪胎試驗機的線性數據進行監控，判定試驗數據的合理性。