楊豐豐，趙顯新，周興林，李 俊

1 引言

輪胎-道路接觸面的應力是由輪胎對路面的加載力產生的，測量三軸應力分布的前提是要有加載力，為了使測量的三軸應力分布較為準確，必須使加載力符合車輛在正常行駛時的載荷范圍。因為輪胎對道路的加載力不僅會影響車輛的行駛安全性、動力性和經濟性，而且還會影響道路的使用壽命，比如加載力過大會使路面開裂、形成車轍和層間推移等一系列破壞現象，大量研究表明，道路損壞的本質原因是輪胎-路面接觸壓力超過道路的額定載荷[1-2]，所以車輛通過輪胎施加到路面上的載荷是造成道路壽命縮短的主要因素。因此有必要做輪胎對路面的加載研究。

在研究輪胎對路面的加載時，最普通的一種研究方法就是道路試驗，這種方法雖然能較準確地反映某一時刻輪胎對面路的加載，但是由于在進行道路實驗時載荷具有隨機性，不能對路面進行連續(xù)加載，而且試驗成本高。為了克服以上缺點，有必要設計一套成本低、結構簡單、操作方便、能進行連續(xù)加載的實驗裝置。本課題組研究輪胎與路面接觸面的三軸應力分布是基于輪胎對路面三軸力加載系統(tǒng)下進行研究的，因此加載裝置是進行輪胎-道路接觸面三軸應力分布測試的一套重要試驗工具。

在加載裝置的研究方面，文獻[3]針對輪胎變形產生的力變化范圍大、控制精度要求較高等問題，研究了低速輪胎試驗機垂直力加載系統(tǒng)；文獻[4]對輪胎試驗機液壓伺服加載系統(tǒng)性能進行了研究，通過大量理論分析，建立了輪胎試驗機液壓伺服垂直加載系統(tǒng)的線性化數學模型和非線性數學模型；文獻[5]發(fā)明了一種用于輪胎動態(tài)測試的徑向加載試驗裝置；貴州輪胎股份有限公司研究了全自動伺服加載輪胎強度試驗機[6]；文獻[7-8]于1993年研制開發(fā)了MMLS3加速加載設備；文獻[9]主要研究了足尺加速加載設備。因為MMLS3加速加載設備和足尺加速加載設備的價格非常昂貴，加載過程復雜，一般只能模擬重型車輛的加載，具有很大的局限性。

2 動態(tài)加載裝置的設計

2.1 動態(tài)加載裝置的原理設計

假設當汽車在沿直線行駛時，路面只受到來自輪胎的縱向作用力（切向力）與徑向作用力（垂向力），不考慮輪胎對路面的側向作用力。在設計此裝置時只考慮兩個方向的加載，為了能較為準確地模擬輪胎對路面的縱向加載，將模擬路面的力-熱敏感壓力板設置成可縱向移動，利用相對運動原理將車輛的運動轉化成路面的運動，縱向加載采用滑動螺旋傳動機械加載方式；徑向加載采用液壓加載的方法，利用液壓缸活塞桿作為施力機構模擬汽車行駛時輪胎對路面的徑向加載，電磁換向閥的換向頻率模擬加載頻率?？v向力與徑向力的具體加載原理，如圖1所示。在進行加載時，電磁閥16處于右位，油泵2開始泵油，液壓油從油箱3經過濾器4過濾進入油泵，高壓油通過電磁閥流入液壓缸15的無桿腔，液壓缸活塞在高壓油的推動下向下運動，在固定架13上端裝有一壓力傳感器14，當活塞桿下行時通過壓力傳感器將力傳遞到固定架，再通過固定架將力加載到安裝在固定架橫軸上的車輪12，此時液壓缸有桿腔的液壓油經電磁閥回到油箱，從而實現了垂向力加載，此時系統(tǒng)的壓力大小由電液比例溢流閥1來控制，讓垂直方向上的系統(tǒng)壓力保持在所需要的值域內。當車輪將力加載到力-熱敏感壓力板6時，通過安裝在力-熱敏感壓力板上的熱圖像傳感器11測得徑向應力分布；當電磁閥處于左位時，從油泵泵出的高壓油通過電磁閥流入液壓缸15的有桿腔，液壓缸活塞在高壓油的推動下向上運動，液壓缸無桿腔的液壓油通過電磁閥回到油箱，此時處于卸載過程；主要研究的是加載裝置的設計，故對測試在這不做研究，只對三軸應力分布的測試原理作一簡單介紹。在進行垂向力加載的同時進行縱向力加載，這里利用相對運動原理，路面運動而車輪不做縱向移動。驅動手柄8，使其產生一個轉矩推動螺桿9向左移動，螺桿端頭將水平向左的力通過縱向安裝在力-熱敏感壓力板上的壓力傳感器10施加在力-熱敏感壓力板上，此時力-熱敏感壓力板沿導軌7向左運動，進而實現縱向力加載。

圖1 加載裝置的原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Lloading Device

2.2 動態(tài)加載裝置的結構設計

為了方便安裝傳感器和實施縱向力的加載以及避免油缸漏油等一系列問題，將加載裝置設計成水平放置式，部分二維圖，如圖2所示。這里沒有標注出具體尺寸。這里車輪的設計尺寸要求是根據普通轎車使用的車輪尺寸來設計的。

圖2 加載裝置的二維圖Fig.2 Two Dimensional Diagram of Loading Device

在本設計中，液壓加載系統(tǒng)采用的是電液推桿作為施力機構，電液推桿是一種機電液一體化的新型柔性傳動機構，由執(zhí)行機構、控制機構（液壓控制閥組）和壓力源（油泵）組成，其結構緊湊、安裝方便、占用空間較小，采用全液壓傳動，動作靈敏，運行平穩(wěn)，能夠有效緩沖外來沖擊力，行程控制較為精確。下面給出了液壓系統(tǒng)的具體參數，如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)參數Tab.1 Hydraulic System Parameters

本裝置的機械加載采用滑動螺旋傳動的機械加載方式，因為這種加載結構簡單，加工方便，成本較低、易于自鎖、傳動平穩(wěn)，但缺點是滑動螺旋傳動中的摩擦較為嚴重，故對螺旋傳動材料的耐磨性能、抗彎性能要求都比較高。在設計縱向加載機構時，螺桿材料選45#鋼，采用經過調制處理的帶有外螺紋的桿件，外螺紋選擇梯形螺紋、右旋，因為縱向加載要求有自鎖性所以選擇單線螺紋以達到自鎖要求。

為了能直觀地反映出加載裝置的模型，根據設計尺寸與設計要求，用Solidworks建立了加載裝置的三維模型圖，如圖3所示。

圖3 加載裝置的三維模型Fig.3 3D Model of Loading Device

通過對加載裝置進行原理設計和結構設計，確認設計方案可行，然后對所設計的加載裝置進行制造加工。在上面的三維模型中，只是簡單畫出了電液推桿，而實際的液壓系統(tǒng)包括電機、電磁換向閥、油箱、過濾器、油缸等部件，因此三維模型與實際的加工裝置略有不同，加工后的裝置，如圖4所示。

圖4 加載裝置實體圖Fig.4 Experimental Device Entity Diagram

3 加載實驗

3.1 數據采集

因為在此加載裝置上安裝了兩個力傳感器，力傳感器與控制柜電器連接，所以要通過數據采集系統(tǒng)來采集加載的徑向力和縱向力隨時間的變化曲線，數據采集系統(tǒng)，如圖5所示。

裝有數據采集系統(tǒng)的電腦數據接口與控制柜的相應數據接口相連接，如圖6所示。確保各部件的電器連接無誤后按下啟動按鈕，此時加載系統(tǒng)開始工作，在徑向自動加載的同時，實驗人員慢慢驅動螺桿手柄，實現縱向力加載，為了真實模擬輪胎對路面的縱向加載力，將縱向加載力加載到70kg左右，在采集數據時將采集系統(tǒng)的采集時間間隔設為50ms，采集連續(xù)加載9s的壓力隨時間變化的函數曲線，如圖7所示。橫坐標為時間，單位s，縱坐標為壓力，單位kg。圖中：曲線0—縱向加載力-時間曲線；曲線1—徑向加載力-時間曲線。

圖5 數據采集系統(tǒng)Fig.5 Data Acquisition System

圖6 控制柜與電腦的連接 Fig.6 The Connection of Control Cabinet and Computer

圖7 壓力-時間曲線Fig.7 The Curve of Pressure-Time

3.2 數據分析

從圖7中可以看出，當采樣時間到1.5s時系統(tǒng)才進行動態(tài)徑向加載，因為系統(tǒng)具有響應遲滯。加載的縱向力從采樣時間開始到徑向動態(tài)加載前一直保持在72kg左右的恒定值，當開始動態(tài)徑向加載時，縱向力出現了波動，幅度在5kg之內；在徑向加載力-時間曲線中，從（0～1.5）s之間徑向力一直處于60kg的恒定值，因為在設計本裝置時為了模擬輪胎與路面的實際接觸，所以將輪胎與力-熱敏感壓力板設置成常接觸狀態(tài)，故動態(tài)加載前的徑向加載力為靜態(tài)時輪胎對路面的壓力。徑向加載力-時間曲線峰值在370kg左右，在此裝置的設計中，輪胎設計、加載力的要求都是按普通轎車規(guī)格所設計，因此實驗所采集到的加載力符合設計要求。

4 結論

（1）實驗結果表明，采集到的徑向加載力和縱向加載力都符合車輛在正常行駛時輪胎對路面的加載范圍，此加載裝置的設計較為合理，能夠較為準確地模擬輪胎對路面的加載過程；（2）徑向加載力對縱向加載力會產生干涉，在測量輪胎對路面的縱向應力分布時應考慮這種干涉對應力分布的影響；（3）本加載裝置不僅可以作為用于測量輪胎-道路接觸面三軸應力分布的加載裝置，也可作為輪胎垂直彈性特性研究的實驗裝置。