汽車輪胎磨損試驗臺設計

田維豪 ，霍緒堯 ，劉 帥 ，于 雪

（1.遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001；2.遼寧工業大學新能源學院，遼寧 錦州 121001）

由于近年來汽車行業發展迅速，汽車輪胎行業也得到飛速發展。為滿足汽車行業發展的需求，汽車輪胎行業在提高產量的同時，對輪胎性能的要求也越來越高，汽車輪胎性能的好壞對行駛安全性、舒適性、燃料經濟性以及環境噪音都有著重要的影響。世界各國紛紛開始針對輪胎性能指標開展修訂工作。以美國為例，2007年制定了139號聯邦機動車輛安全標準，即FMVSS NO.139，同時也修訂了109號以及119號兩個聯邦機動車輛安全標準，對世界范圍內的輪胎安全標準有重大影響。我國也針對性地修訂相關轎車輪胎安全要求及性能測試的試驗方法標準，可見輪胎安全問題得到了世界范圍內的廣泛關注[1-4]。

我國轎車輪胎性能檢測標準主要包括強度性能檢測、無內胎輪胎脫圈檢測、高速性能檢測、耐久性能檢測以及低氣壓性能檢測[5-6]。本文依據汽車輪胎耐久性能檢測標準，設計了一種輪胎磨損試驗臺，模擬輪胎-地面長時間磨損的工作狀態，對輪胎耐久性進行檢測[7]。

1 汽車輪胎磨損試驗臺結構設計

本次設計的汽車輪胎磨損試驗臺主要由動力傳動裝置和壓力加載裝置兩部分構成，動力傳動裝置主要包括電動機和電渦流制動器以及負責傳動的三球銷萬向聯軸器組成，如圖1所示。

圖1 動力傳動系統組成

動力從電機輸出經過減速箱輸送給萬向聯軸器帶動車輪旋轉。電渦流制動器施加的阻力矩直接輸出到阻力輪上并反向拖動車輪給車輪施加阻力。其中，由電動機產生動力，經V帶連接到減速箱，在減速箱的作用下將轉速調整到合適的大小并提升扭矩進行輸出。動力從減速箱經過萬向聯軸器輸入輪輞帶動輪胎旋轉，輪胎與阻力輪之間互相擠壓摩擦以模擬車輛運行的工況，同時，阻力輪阻力由電渦流制動器提供[9]。

壓力加載裝置由兩根液壓缸及配套的控制系統組成，如圖2所示，液壓缸頂端通過鉸鏈連接到焊接在臺架上的吊耳上，而底端通過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導軌，保證車輪在驅動力的作用下不會偏離試驗臺，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 汽車輪胎磨損試驗臺功能原理

汽車輪胎磨損試驗臺的主要功能是對輪胎在不同工況下的磨損情況進行試驗統計結果。試驗臺由電動機產生動力，由雙液壓缸提供可調下壓加載力，用來模擬汽車自重，隨著下壓力的加載和車輪的不斷磨損，輪胎質心的高度也是實時變化的，所以需要將輸出的動力連接到一套萬向聯軸器上保證試驗可以持續進行。本實驗裝置采用了真實汽車上的三球銷萬向聯軸器，使得輸出的速度波動更加趨近于汽車實際運行狀態，模擬結果更真實。三球銷萬向聯軸器由兩個球籠和兩只三球銷、一根花鍵軸組成，相對于傳統十字軸萬向聯軸器最大的優點是動力傳輸平穩，十字軸萬向聯軸器在傳輸動力時輸出轉速會有較明顯的周期性波動，這種周期性波動將會加劇輪胎的磨損使得試驗結果失真[11]。動力從減速箱經過萬向聯軸器輸入輪輞帶動輪胎旋轉，輪胎與阻力輪之間互相擠壓摩擦以模擬車輛運行的工況。阻力輪后端連接到電渦流制動器，可以根據需求調整制動器輸出制動力矩的大小，以完成模仿汽車行駛阻力的功能。

3 汽車輪胎磨損試驗臺傳動路線圖

汽車輪胎磨損試驗臺由電動機提供動力輸入，將動力由V帶傳遞到減速箱，V帶可以實現對電機的過載保護功能，減速箱輸出端連接到一對萬向聯軸器，由萬向聯軸器將動力傳遞到輪胎。輪胎與阻力輪摩擦，將動力傳遞給阻力輪，阻力輪與電渦流制動器相連，由電渦流制動器產生阻力矩平衡掉輪胎傳給阻力輪的驅動力矩完成整個試驗動作流程。得益于開放式的設計以及V帶的使用，該試驗臺也可搭載一般的內燃機提供動力，可以更真實的模擬電動汽車以及普通汽車的運行狀態。整個傳動系統如圖4所示。

圖4 系統傳動路線圖

4 樣機試制及應用

經過多次的實驗與技術攻關，終于完善了本設計方案的樣機，如圖5所示。經過多次測試，通過該樣機對相同規格輪胎在車身自重載荷下的磨損實驗（如圖6所示）以及同規格輪胎在轎車上同等條件下跑核測試（如圖7所示），輪胎磨損實驗效果與輪胎實車磨損狀況基本吻合，汽車輪胎磨損試驗臺基本能夠反應汽車輪胎的真實磨損情況，對生產實際有較大的指導意義。

圖5 汽車輪胎磨損試驗臺實物圖

圖6 經磨損試驗后的輪胎

圖7 經實車跑核后的輪胎

5 創新點

（1）汽車輪胎磨損試驗臺的設計通過三球銷萬向聯軸器將動力傳遞到輪胎，轉動平穩，電動機與內燃機皆可進行實驗，可以根據給定數據模擬車輛不同載重、速度、風阻等情況，更加接近實際路面磨損狀況。

（2）汽車輪胎磨損試驗臺的阻力裝置采用電渦流制動器，阻力矩輸出及對轉速的控制更精準穩定，不易過熱，整機運行穩定性高。

6 結論

本裝置是一種新型高效的輪胎磨損試驗臺，通過電機產生動力將輪胎的不易預測的磨損以可量化又直觀的形式展現出來，能模擬車輛在不同載重、速度、風阻等情況下運行時輪胎的不同磨損效果，可以以較為直觀的方法對現有輪胎理論模型進行驗證和補充。