轮胎六分力试验机线性数据监控方法的研究

邱昌峰，陈仁全，王 君，周 磊，刘俊杰，苏国庆，孙超

（青岛轮云设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266400）

目前，各轮胎企业重要的动力学测试和数据分析设备大多为美国MTS公司制造的Flat-Trac CT III型平板式轮胎六分力（F&M）试验机（见图1），其不仅能够进行轮胎的稳态测试（如轮胎侧偏刚性、残余回正力矩、轮胎力的特征函数、轮胎稳态力和力矩等），还能进行轮胎的瞬态响应（如纵向松弛长度、侧向松弛长度、转动惯量等），同时可以进行轮胎动力学仿真模型（如PAC2002模型、UniTire模型和FTire模型等）[1-3]的测试。轮胎仿真工程师可使用轮胎试验机为汽车厂提供准确的轮胎模型，以进行整车仿真，从而优化整车的操控稳定性、舒适性和安全性[4-7]。

图1 轮胎F&M试验机

目前，轮胎动力学试验数据的监控没有统一的标准，各轮胎企业为验证试验数据的准确性，需要通过不同的测试方法监控试验数据，但由于试验数据的监控方法不同，不同实验室的数据无法进行有效的对比，因此，只有确定统一的试验数据监控方案，才能使不同实验室的数据对比具有真实的监控意义[3]。

为验证试验数据的准确性，轮胎F&M试验机主要采用2种监控方法：一是每年对设备进行1次全年校准；二是每3个月对设备进行1次期间核查。但在设备标定后，对试验数据的准确性和重复性的论证不够充分，因此针对美国SAE标准和GMW标准，需要制定合理的试验数据监控方案，以确保试验数据的准确性，为原配轮胎质量提供保障与支持。

1 实验

1.1 试验轮胎

本工作试验轮胎品牌为DOUBLESTAR，规格为205/50R16，速度级别为V，负荷指数为91，为减少轮胎花纹磨损的影响，试验轮胎为无花纹光面轮胎（见图2）。同时，轮胎胎面压缩生热低，损耗因子低，DIN磨耗数值高，以中等粗糙度（砂粒直径为0.125 mm）的3M砂纸模拟轮胎行使路面。

图2 试验轮胎

首先生产80条光面轮胎，从中挑选出A级品，然后从A级品中选择侧向力波动小于25 N的30条轮胎为试验轮胎。

1.2 试验设备及方法

按照GMW 15204—2007《轮胎稳态力和力矩测试》进行试验。试验条件为：环境温度 （24±2）℃，负荷 4 300 N，数据采集频率 1 024 Hz，试验速度 7.2 km·h-1，充气压力 230 kPa，充气压力控制方式 稳压。

本工作主要针对轮胎试验机在小侧偏角下产生的线性数据[以轮胎侧向力系数（F1）和回正力矩系数（Ta1）为例]进行数据监控。F1和Ta1计算公式为

式中，Fz为负荷，α为侧偏角，Fy为侧向力，Ta为回正力矩。

1.3 测试项目

在小侧偏角下，针对暖胎、轮胎试验机精度、充气压力、负荷、砂纸粗糙度、重复性测试以及轮胎存放时间对F1和Ta1的影响进行了数据分析。

测试项目及试验轮胎数量分别为：暖胎偏差2条，轮胎试验机偏差 12条，轮胎充气压力偏差 2条，轮胎负荷偏差 2条，轮胎测试路面偏差4条。

2 结果与分析

2.1 暖胎偏差

分别在1°，2°，6°和8°的侧偏角下对试验轮胎进行侧向力测试，结果如图3所示。

图3 不同侧偏角下轮胎的侧向力变化率

从图3可以看出：在小侧偏角下，不同滚动距离下轮胎的侧向力变化率基本为零；在大侧偏角下，不同滚动距离下轮胎的侧向力变化率较大。由于本工作主要研究小侧偏角下轮胎线性数据的监控，可以不进行暖胎试验。

2.2 轮胎试验机偏差

选择12条试验轮胎（编号为1#—12#），测试其F1和Ta1，每条轮胎测量3次，求出每条轮胎F1和Ta1的平均值和标准偏差。其中，每条轮胎的3次F1和Ta1标准偏差的最大值即为轮胎试验机偏差，12条轮胎的F1和Ta1的标准偏差即为轮胎制造工艺偏差，结果如表1所示。

表1 轮胎试验机偏差

从表1可以看出：轮胎试验机造成的F1和Ta1偏差分别为0.002 7和0.354 6 mm；轮胎制造工艺造成的F1偏差和Ta1偏差分别为0.006 3和0.129 8 mm。

2.3 轮胎充气压力偏差和负荷偏差

选择2条试验轮胎，在充气压力为标准充气压力的60%，80%，100%，120%时测试充气压力造成的F1偏差和Ta1偏差，结果如图4所示。

图4 充气压力对F1和Ta1的影响

选用2条试验轮胎，在负荷率为60%，80%，100%，120%时测试负荷造成的F1偏差和Ta1偏差，结果如图5所示。

图5 负荷对F1和Ta1的影响

从图4和5可以看出：F1随充气压力的增大而增大，随负荷的增大而减小；Ta1随充气压力的增大而减小，随负荷的增大而增大。

由设备使用说明可知轮胎充气压力的精度为±5 kPa，加载负荷精度为±250 N，可以得出产生F1最大值和最小值的充气压力和负荷，以及产生Ta1最大值和最小值的充气压力和负荷，如表2所示。

表2 轮胎充气压力和负荷的偏差分析项目

根据表2，选择4条试验轮胎（编号为13#—16#）进行测试，分别得到F1和Ta1的最大值、最小值和极差值，如表3所示。

表3 不同充气压力和负荷下的F1和Ta1

根据表3可求出F1和Ta1的上、下监控偏差。

由充气压力和负荷造成的F1偏差（LF1）为

式中，Fa为F1最大值，Fb为F1最小值，Fs为F1极差值。

由充气压力和负荷造成的Ta1偏差（LTa1）为

式中，Taa为Ta1最大值，Tab为Ta1最小值，Tas为Ta1极差值。

2.4 轮胎测试路面偏差

选择4条试验轮胎（编号为17#—20#），分别在砂纸模拟路面（简称砂纸路面）和光滑的模拟路面（简称光滑路面）上测试F1和Ta1。为验证数据的准确性，每条轮胎重复测量3次，以F1和Ta1的平均值为每条轮胎的最终结果，如表4所示。

表4 不同测试路面下的F1和Ta1

从表4可以看出，砂纸路面和光滑路面对F1和Ta1的影响变化不大。因此，进行控制轮胎线性数据监控时，可以忽略由于砂纸路面的附着力系数对试验数据的影响。

3 监控方案

3.1 控制轮胎的监控流程

控制轮胎的监控流程如图6所示，具体如下：生产60条试验轮胎，选取侧向力波动和径向力波动数据接近的10条作为控制轮胎；选择3条控制轮胎，每条轮胎每周进行1次力学测试；分析F1和Ta1，绘制其平均值和标准偏差控制图；若控制数据与平均值的偏差不大于2.5倍的标准偏差，则数据稳定，可进行轮胎力学试验，否则需进行轮胎试验机的校准；校准后，若控制数据与平均值的偏差不大于2.5倍的标准偏差，则数据稳定，可进行轮胎力学试验，否则需要更换新的控制轮胎继续进行数据监控。

图6 控制轮胎的监控流程

3.2 控制轮胎监控数据分析

选择3条控制轮胎测试其F1和Ta1，重复测试50次，其中F1平均值为控制轮胎的基准值C1，Ta1平均值为控制轮胎的基准值C2，根据50次的测试数据及平均值和标准偏差控制图的监控原理，可知F1和Ta1的上下限。得到平均值和标准偏差控制图的基准值和上下限后，每周测试1条轮胎，循环测试3条轮胎并记录F1和Ta1，绘制其平均值和标准偏差控制图，然后根据监控流程判定试验数据是否合理。

本工作F1的平均值和标准偏差控制图分别如图7和8所示。

图7 平均值控制图

图8 标准偏差控制图

从图7和8可以看出，前25周F1稳定，可继续进行监控。Ta1的平均值和标准偏差的处理方式与侧向力系数相同。

若有1条控制轮胎数据异常（超出上下限范围），需要更换新的控制轮胎，重新确定基准值C1和C2，重新进行监控；若有2或3条控制轮胎数据异常，需对轮胎试验机进行期间核查，若期间核查正常，则更换控制轮胎，若期间核查异常，则对轮胎试验机进行年度校准，校准后再次确定基准值C1和C2，重新进行监控。

3.3 测试设备监控

为了保证试验数据的准确性，除参考控制轮胎的监控数据外，还需要第三方校准机构或MTS公司每年对轮胎试验机进行1次设备校准，主要包括传感器、充气压力装置、轮胎速度、侧偏角、侧倾角等参数的校准，同时需要试验人员每3个月对设备进行1次传感器的快速校准，如果发现传感器未达到精度要求，需联系第三方校准机构或MTS公司进行设备校准。

4 结论

（1）在小侧偏角下，暖胎对F1和Ta1的影响不大，因此采用F1和Ta1监控数据时可不用暖胎。

（2）采用控制轮胎监控F1和Ta1时，需要考虑轮胎制造工艺偏差、试验机偏差、充气压力偏差和负荷偏差的影响。

（3）在小侧偏角下，模拟路面的附着力系数对F1和Ta1的影响不大，因此长时间采用F1和Ta1监控数据时，路面的附着力系数影响不大；但在大侧偏角下，需要考虑模拟路面附着力系数的影响。

（4）采用本工作监控方案，可以对轮胎试验机的线性数据进行监控，判定试验数据的合理性。