1、146橡 胶 工 业 2011年第58卷轮胎均匀性径向特性参数影响因素的分析杭柏林1,2,赵明达1(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061;2.软控股份有限公司,山东青岛 266042)摘要:通过设计均匀性试验,定性分析轮胎负荷及充气压力变化对径向特性参数的影响规律,并做出相应的回归分析曲线,用来指导均匀性测试条件设定及均匀性参数预测。研究结果发现,径向力波动及其一次谐波不随负荷变化而变化,但充气压力对其有指数影响规律。 关键词:轮胎均匀性;径向力波动;回归分析中图分类号:TQ336.1+1 文献标志码:A 文章编号:1000 890X(2011)03 0146 05轮胎的均匀性
2、是指在静态和动态条件下,轮胎圆周特性恒定不变的性能1。均匀性测量通常是指在轮胎旋转和受力的情况下针对轮胎几个特定的变量参数进行测量。直接测量得到的参数有径向力和侧向力,另外通过计算还可得到径向力波动、侧向力波动和锥度效应等参数。这些因素直接关系到车辆行驶的安全性与舒适性。例如,径向力波动过大会导致汽车行驶中上下颠簸,侧向力波动大会导致汽车方向操纵困难,而锥度效应过大会导致汽车行驶跑偏,严重的可能会引发交通事故,造成生命和财产损失,因此轮胎均匀性是决定轮胎质量的关键指标之一。1 均匀性检测及其径向特性参数1 1 均匀性检测设备工作原理轮胎均匀性试验机是轮胎均匀性的专用检测设备,可模拟车辆行驶中轮
3、胎的受力及运动状况,并在一定的恒定转速和平均负荷条件下进行径向力和侧向力的测量和采集。数据采集分为正转和反转两个过程。轮胎均匀性检测是矢量测量,必须定义正交力系。广泛应用的轮胎坐标系如图1所示,X轴为切向轴,Y轴为侧向轴,Z轴为径向轴,Z轴向力称为径向力,与轮胎和路面(或均匀性试验机上基金项目:国家科技支撑项目(2007BAF14B00)作者简介:杭柏林(1959 ),男,内蒙古通辽人,青岛科技大学教授,主要从事管控一体化、机电一体化、智能控制及轮胎检测图1 轮胎测试坐标系的负荷轮)垂直,径向力沿该轴施加给轮胎。轮胎均匀性检测设备的结构遵从轮胎坐标系定义,以此来指导轮胎均匀性检测设备的设计、制
4、造、安装和调试。轮胎均匀性测量系统结构如图2所示。轮胎均匀性测量过程中,主轴和负荷轮通过机械支撑保持不动且位置平行,负荷轮模拟地面并给主轴施加一定负荷,相当于轮胎行驶过程中车体对轮胎的压力。负荷轮感受到轮胎转动过程中的振动,并将其传递给固定在负荷轮轴两端的测力传感器。传感器测量并输出径向力和侧向力2。1 2 径向参数定义径向力波动及径向力波动一次谐波是轮胎均匀性特性参数中最为重要的2个径向参数指标。受载轮胎在固定负荷半径和恒定速度下,每转一周自身反复出现的径向力的波动值称为径向(,第3期杭柏林等.轮胎均匀性径向特性参数影响因素的分析147差ri=p(xi)-yi的平方和最小,即i=0mr=2i
5、i=0mp(xi)-yi=min(i=0,1,!,m)从几何意义上讲,就是寻求与给定点(xi,yi)的距离平方和为最小的曲线y=p(x)。p(x)称为拟合函数或最小二乘解。本研究使用MATLAB工具进行绘图、计算,具体思路如下:输入各参量(x,y)的测量值;用MATLAB语言中的plot函数做x与y的关系曲线,与典型曲线图对比,选择合适的经验公式;使用polyfit函数建立关系系数多项式的系数及最图2 轮胎均匀性测量系统结构示意3(RFVCW)和径向力反转波动(RFVCCW)。由力波动试验得到的轮胎径向力波动与轮胎旋转角度的关系曲线是一条谐振曲线,对轮胎正转或反转的一个或多个转动周期内的径向力
6、波动波形用傅里叶分析把它们分解成110次谐波,其中原波的一次成分为一次谐波或基波(简写为RFVH1),分为径向力正转波动一次谐波(RFVH1CW)和径向力反转波动一次谐波(RFVH1CCW)。1 3 径向参数影响因素轮胎均匀性测试是在设定负荷和充气压力下进行的,因此负荷和充气压力均为径向参数测量的影响因素。负荷是指轮胎在均匀性测试中径向受力的平均值,相当于车辆对轮胎的压力或者地面对轮胎的支撑力(简写为LOAD)。充气压力是指在测试过程中充入轮胎内部并保持不变的气压(简写为INFL)。2 均匀性试验及数据回归分析2 1 数据分析方法为了分析均匀性径向特性参数RFV和RFVH1与测试负荷和充气压力
7、之间的关系,首先改变负荷和充气压力进行均匀性试验并采集相关数据。取得数据后利用最小二乘法对数据进行分析,求取数据间的拟合方程,最终发现数据间存在的影响规律。i,i高幂次数;计算拟合方程的误差平方和(又称剩余标准差),最终取较小者。对于不存在函数关系的数据,使用误差分析理论中的标准差与极差概念讨论数据的离散程度。对某一测定量进行n次测量,测得n个测量结果(x1,x2,!,xn),求其平均值(X )、标准偏差( )和极差( )。X =(x1+x2+!+xn)n =i=1n(x2i)-nX 21/2n-1=max(xi)-min(xi)(i=1,2,!,n)2 2 负荷的影响设计均匀性试验一:随机选
8、择国产205/55R16轮胎1条,设定测试充气压力为0.3MPa,改变负荷条件,从1000N开始以500N为单位递增至6000N,进行均匀性测试并记录相关径向特性参数,如表1所示。选定正转的径向力波动和径向力波动一次谐波作为考察对象,使用MATLAB工具做RFV LOAD和RFVH1 LOAD曲线,如图3和4所示。从图3和4可以看出,RFV与RFVH1数据离散地分布在平均值线两边,并不是呈现有规律的线性或非线性关系。为了验证轮胎检测设备的稳定性和测试数据的离散性,要求检测数据在相同条件重复测试下:148表1 负荷与均匀性径向参数试验结果LOAD1000150020002500300035004
9、0004500500055006000RFVCW40.339.740.440.339.939.638.239.541.739.542.8RFVCCW42.141.942.245.24242.339.742.539.643.438.7橡 胶 工 业N2011年第58卷波动及其一次谐波的影响,可以粗略加载负荷,以节约时间,提高效率,而不会影响测试数据的真实性。对于实际使用中的轮胎,如果上下颠簸严重,不能通过减小汽车质量来改善,应及时更换质量更好的轮胎以保证乘用舒适性和安全性。2 3 充气压力的影响设计均匀性试验二:随机选择国产205/55R16轮胎1条,设定测试负荷为4500N,改变充气压力,从0
10、.1MPa开始以0.02MPa为步长递增至0.35MPa,进行均匀性测试并记录相关径向特性参数,如表2所示。表2 充气压力与均匀性径向参数试验结果INFL0.150.170.190.210.230.250.290.310.330.35RFVCW22.823.625.426.931.734.545.75362.579.0RFVCCW22.323.727.130.436.442.55160.968.777.8RFVH1CWRFVH1CCW30.830.432322927.828.827.232.433.8333130.833.23330.827.618.826.4202721.4NRFVH1CWR
11、FVH1CCW16.216.017.822.426.427.236.440.849.064.06.48.411.616.221.626.434.241.248.457.6选定正转的径向力波动和径向力波动一次谐波作为考察对象,本组数据呈现一定抛物线的变化规律,因此使用MATLAB画图工具做RFV INFL和RFVH1 INFL最小二乘法二次曲线拟合和指数曲线拟合,并计算拟合后的剩余标准差,判断哪种曲线能够更真实地反映参数间的关系。为保证轮胎厂检测生产线计算快速、方便,不讨论二阶以上曲线拟合。(1)RFV INFL拟合MATLAB拟合程序如下:计算RFV和RFVH1在负荷改变情况下的标准偏差和极差
12、: RFV=1.2N, RFVH1=1.2N, RFV=2.2N, RFVH1=6.6N。上述计算结果均小于轮胎行业标准,表明均匀性径向力波动及其一次谐波是轮胎在一定充气压力下的固有特性,负荷改变对其没有影响。由此可见,特性参数径向力波动及其一次谐波不随负荷变化而变化,始终处于某一水平。在,x=1.51.71.92.12.32.52.93.13.33.5y=22.823.625.426.931.734.545.75362.579c1=polyfit(x,y,2)Y1=polyval(c1,x)x1=exp(x)c2=polyfit(x1,y,1)Y2=polyval(c2,x1)%求指数曲线拟
13、合系数%求指数拟合多项式值%求二次曲线拟合系数%计算二次拟合多项式值s1=sqrt(sum(y-Y1).2)./10)%求二次曲线拟合剩余标准差s2=sqrt(sum(y-Y2).2)./10)%求指数曲线拟合剩余标准差holdony,r*)第3期plot(x,Y1,b)plot(x,Y2,k)xlabel(INFL单位:bar)ylabel(RFV单位:N)title(RFV INFL)杭柏林等.轮胎均匀性径向特性参数影响因素的分析%做二次拟合曲线%做指数拟合曲线149谐波有相似的指数影响规律。在轮胎均匀性检测中充气压力波动对径向参数的测试结果有非线性影响,充气压力设定必须规范、标准,使均匀
14、性测试能更好地体现轮胎的质量水平。在轮胎性能分析中,可以利用指数拟合方程,通过带入需求状况下的充气压力值,预测轮胎的径向力波动、径向力波动一次谐波的大小,从而得到轮胎在不同充气压力状况下行驶表现出的均匀性特征。从图5和6可以看出,轮胎充气压力在0.25MPa以下时,径向力波动及其一次谐波值小且稳定,当充气压力大于0.25MPa时,径向力波动及其一次谐波迅速增大,说明较大的充气压力将导致车辆较大的上下颠簸。轿车轮胎充气压力在拟合曲线如图5所示。图5 RFV INFL拟合曲线0.25MPa以下时,车辆行驶最稳定,乘坐舒适性最好。3 结语通过试验分析发现了负荷、充气压力对均匀性径向参数的影响规律。通
15、过使用这些规律可以较为准确地推算出轮胎在不同负荷、充气压力下的均匀性特征,从而找到轮胎的最佳行驶条件。这些规律完善了均匀性试验机的数据体系,使均匀性试验机从机械结构、控制系统和数据体系上准确地融合起来,帮助设计人员把握均匀性数据调试的重点,提高了国产均匀性试验机的制造理论水平,增强了该类国产设备在国际市场的竞争力。同时这些规律能够指导轮胎厂技术人员更合理地设定均匀性试验的测试条件,保证每一条经过检测的轮胎都能够在最合理的测试条件下取得最真实的均匀性数据。参考文献:1庄继德.汽车轮胎学M.北京:北京理工大学出版社,1995:125 132.2杭柏林,姜丽娟,管西刚.轮胎均匀性测试数学模型的建立和
16、数据分析J.橡胶工业,2007,54(4):242 244.3王可,毛志伋.基于Matlab实现最小二乘曲线拟合J.中国传媒大学学报(自然科学版),2005,12(2):52 56.得拟合多项式系数及剩余标准差:c1=15.7315,-52.9653,68.2560s1=1.7599c2=1.9143,12.2613s2=1.6075由于s2s1,说明使用指数曲线拟合能够使散点到拟合曲线距离的平方差更小,故取RFV INFL拟合方程为y=1.91ex+12.26(2)RFVH1 INFL拟合曲线同理利用RFV INFL分析方法得RFVH1 INFL拟合曲线(如图6所示)及拟合方程。拟合方程为y
17、=1.59e+8.22综上所述,充气压力对径向力波动及其一次x图6 RFVH1 INFL拟合曲线收稿日期:2010 09 05150橡 胶 工 业 2011年第58卷FactorsAffectingRadialParametersofTireUniformityHANGBai lin1,2,ZHAOMing da1(1.QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao 266061,China;2.MesnacCo.,Ltd,Qingdao 266042,China)Abstract:Aqualitativeanalysisonthefactors
18、affectingtheradialparameterswascarriedoutbychangingtireloadandinflationpressurebasedondesignofuniformityexperiment.Thediagonalre gressionscurveswereobtained,whichwereusedtoguidetheselectionoftestingcondition,andfore casttheuniformityparametersindifferentconditions.Theresultsshowedthatradialforcevari
19、ationandits1storderharmonicwavedidn tchangewithload,buthadexponentialrelationwithinflationpressure.Keywords:tireuniformity;radialforcevariation;diagonalregressions炭黑业低碳发展再辟新径中图分类号:TQ127.1+1 文献标志码:D标准规定值。目前,该技术已经成熟,在国内90%以上的炭黑企业中获得了应用。(3)全面普及高温空气预热器。空气预热器的主要用途是系统余热回收、强化反应条件、提高尾气热值、降低袋滤负荷、提高炭黑产量和收率,从而
20、降低炭黑原料油消耗。2004年,青岛德固特机械制造有限公司首次推出了950#高温空气预热器并投入运行,而国外目前的空气预热器最高温度也只有900#,这标志着国产高温空气预热器已居国际领先水平。近几年来,国内新建炭黑生产线几乎全部采用了950#高温空气预热器,原有生产线通过技术改造也淘汰了650#空气预热器,改装950#高温空气预热器。据中国橡胶工业协会炭黑分会不完全统计,截至目前,有超过半数的炭黑生产线上配备了高温空气预热器。企业在生产过程中,通过工艺参数调整和试验,一般把温度控制在850#。高温空气预热器的使用,不仅能提高炭黑收率,炭黑尾气的热值也可同时得到提高,生产成本大幅度下降,给企业带来了巨大经济效益。炭黑行业的另外一项节能措施是用天然气或煤气替代炭黑燃料油,
