汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

田維豪 ，霍緒堯 ，劉 帥 ，于 雪

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué)新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

由于近年來(lái)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車輪胎行業(yè)也得到飛速發(fā)展。為滿足汽車行業(yè)發(fā)展的需求，汽車輪胎行業(yè)在提高產(chǎn)量的同時(shí)，對(duì)輪胎性能的要求也越來(lái)越高，汽車輪胎性能的好壞對(duì)行駛安全性、舒適性、燃料經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境噪音都有著重要的影響。世界各國(guó)紛紛開(kāi)始針對(duì)輪胎性能指標(biāo)開(kāi)展修訂工作。以美國(guó)為例，2007年制定了139號(hào)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，即FMVSS NO.139，同時(shí)也修訂了109號(hào)以及119號(hào)兩個(gè)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)世界范圍內(nèi)的輪胎安全標(biāo)準(zhǔn)有重大影響。我國(guó)也針對(duì)性地修訂相關(guān)轎車輪胎安全要求及性能測(cè)試的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)輪胎安全問(wèn)題得到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注[1-4]。

我國(guó)轎車輪胎性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要包括強(qiáng)度性能檢測(cè)、無(wú)內(nèi)胎輪胎脫圈檢測(cè)、高速性能檢測(cè)、耐久性能檢測(cè)以及低氣壓性能檢測(cè)[5-6]。本文依據(jù)汽車輪胎耐久性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)，模擬輪胎-地面長(zhǎng)時(shí)間磨損的工作狀態(tài)，對(duì)輪胎耐久性進(jìn)行檢測(cè)[7]。

1 汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)主要由動(dòng)力傳動(dòng)裝置和壓力加載裝置兩部分構(gòu)成，動(dòng)力傳動(dòng)裝置主要包括電動(dòng)機(jī)和電渦流制動(dòng)器以及負(fù)責(zé)傳動(dòng)的三球銷萬(wàn)向聯(lián)軸器組成，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組成

動(dòng)力從電機(jī)輸出經(jīng)過(guò)減速箱輸送給萬(wàn)向聯(lián)軸器帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。電渦流制動(dòng)器施加的阻力矩直接輸出到阻力輪上并反向拖動(dòng)車輪給車輪施加阻力。其中，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，經(jīng)V帶連接到減速箱，在減速箱的作用下將轉(zhuǎn)速調(diào)整到合適的大小并提升扭矩進(jìn)行輸出。動(dòng)力從減速箱經(jīng)過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器輸入輪輞帶動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)，輪胎與阻力輪之間互相擠壓摩擦以模擬車輛運(yùn)行的工況，同時(shí)，阻力輪阻力由電渦流制動(dòng)器提供[9]。

壓力加載裝置由兩根液壓缸及配套的控制系統(tǒng)組成，如圖2所示，液壓缸頂端通過(guò)鉸鏈連接到焊接在臺(tái)架上的吊耳上，而底端通過(guò)鉸鏈連接在輪輞兩端的橫臂上[8-10]。橫臂盡頭是豎直放置的滑動(dòng)導(dǎo)軌，保證車輪在驅(qū)動(dòng)力的作用下不會(huì)偏離試驗(yàn)臺(tái)，也為液壓缸的下壓提供軌道，如圖3所示。

圖2 壓力加載裝置組成

圖3 液壓缸兩端連接圖解

2 汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)功能原理

汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)的主要功能是對(duì)輪胎在不同工況下的磨損情況進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。試驗(yàn)臺(tái)由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，由雙液壓缸提供可調(diào)下壓加載力，用來(lái)模擬汽車自重，隨著下壓力的加載和車輪的不斷磨損，輪胎質(zhì)心的高度也是實(shí)時(shí)變化的，所以需要將輸出的動(dòng)力連接到一套萬(wàn)向聯(lián)軸器上保證試驗(yàn)可以持續(xù)進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)裝置采用了真實(shí)汽車上的三球銷萬(wàn)向聯(lián)軸器，使得輸出的速度波動(dòng)更加趨近于汽車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，模擬結(jié)果更真實(shí)。三球銷萬(wàn)向聯(lián)軸器由兩個(gè)球籠和兩只三球銷、一根花鍵軸組成，相對(duì)于傳統(tǒng)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器最大的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力傳輸平穩(wěn)，十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器在傳輸動(dòng)力時(shí)輸出轉(zhuǎn)速會(huì)有較明顯的周期性波動(dòng)，這種周期性波動(dòng)將會(huì)加劇輪胎的磨損使得試驗(yàn)結(jié)果失真[11]。動(dòng)力從減速箱經(jīng)過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器輸入輪輞帶動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)，輪胎與阻力輪之間互相擠壓摩擦以模擬車輛運(yùn)行的工況。阻力輪后端連接到電渦流制動(dòng)器，可以根據(jù)需求調(diào)整制動(dòng)器輸出制動(dòng)力矩的大小，以完成模仿汽車行駛阻力的功能。

3 汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)路線圖

汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力輸入，將動(dòng)力由V帶傳遞到減速箱，V帶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)功能，減速箱輸出端連接到一對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器，由萬(wàn)向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到輪胎。輪胎與阻力輪摩擦，將動(dòng)力傳遞給阻力輪，阻力輪與電渦流制動(dòng)器相連，由電渦流制動(dòng)器產(chǎn)生阻力矩平衡掉輪胎傳給阻力輪的驅(qū)動(dòng)力矩完成整個(gè)試驗(yàn)動(dòng)作流程。得益于開(kāi)放式的設(shè)計(jì)以及V帶的使用，該試驗(yàn)臺(tái)也可搭載一般的內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，可以更真實(shí)的模擬電動(dòng)汽車以及普通汽車的運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)傳動(dòng)路線圖

4 樣機(jī)試制及應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)與技術(shù)攻關(guān)，終于完善了本設(shè)計(jì)方案的樣機(jī)，如圖5所示。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，通過(guò)該樣機(jī)對(duì)相同規(guī)格輪胎在車身自重載荷下的磨損實(shí)驗(yàn)（如圖6所示）以及同規(guī)格輪胎在轎車上同等條件下跑核測(cè)試（如圖7所示），輪胎磨損實(shí)驗(yàn)效果與輪胎實(shí)車磨損狀況基本吻合，汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)基本能夠反應(yīng)汽車輪胎的真實(shí)磨損情況，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有較大的指導(dǎo)意義。

圖5 汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖6 經(jīng)磨損試驗(yàn)后的輪胎

圖7 經(jīng)實(shí)車跑核后的輪胎

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)通過(guò)三球銷萬(wàn)向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到輪胎，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)皆可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)給定數(shù)據(jù)模擬車輛不同載重、速度、風(fēng)阻等情況，更加接近實(shí)際路面磨損狀況。

（2）汽車輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)的阻力裝置采用電渦流制動(dòng)器，阻力矩輸出及對(duì)轉(zhuǎn)速的控制更精準(zhǔn)穩(wěn)定，不易過(guò)熱，整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性高。

6 結(jié)論

本裝置是一種新型高效的輪胎磨損試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力將輪胎的不易預(yù)測(cè)的磨損以可量化又直觀的形式展現(xiàn)出來(lái)，能模擬車輛在不同載重、速度、風(fēng)阻等情況下運(yùn)行時(shí)輪胎的不同磨損效果，可以以較為直觀的方法對(duì)現(xiàn)有輪胎理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。