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l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 辱 赫帅 影 名 ， 墅 o 作j 腓 衫 沧 汜 分类号塾2 3 堑：兰 u d c 鱼垫：! 量! q 堇2 1 5 密级 缝蜜 编号! 鲤麴至! q 鲤1 3 2 博士学位论文 基于复合材料理论的轮胎帘线受力 模型及测试技术研究 揭琳锋 指导教师围王l 直塾撞王国盐熬援 申请学位级别堕专业名称 奎牺王猩 论文提交日期2 q q 2 生月论文答辩日期2 q q z 笙鱼日 学位授予单位和日期 辽蕴太堂生且 答辩委员会主席 评阅人 2 0 0 7 年5 月 ，耋 ， 、_ i k 产 ， r 一 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： p h d d i s s e r t a t i o n s t u d yo nm o d e l a n dt e s tt e c h n o l o g yo fc o r dt e n s i o nf o r t i r eb a s eo n c o m p o s i t et h e o r y b y j i el i n f e n g m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g 一一 s u p e r v i s o r ：p r o f z h o uk o n g k a n g p r o f w a n gg u o l i n j i a n g s uu n i v e r s i t y m a y , 2 0 0 7 1iillll、-v、 o f - 。 。 摘要 摘要 智能轮胎关键技术是当今轮胎研究的热点之一，其研究内容涉及 轮胎力学、帘线橡胶复合材料、传感技术、轮胎试验技术等领域。本 文以轮胎帘线张力模型和帘线张力测试技术为研究对象，结合复合材 料力学理论实现轮胎帘线张力数学模型的建立；研发能应用于轮胎帘 线张力测试的帘线张力传感器和轮胎表面应变测试的应变传感器；实 现试验轮胎试制并开展轮胎试验研究。该工作为智能轮胎关键技术研 究开辟了一条新路，为进一步开展智能轮胎研究做技术准备。 研究工作首先根据轮胎结构特点，提出刚度圆环弹簧轮胎物理模 型；结合复合材料板壳力学理论建立轮胎物理模型中圆环梁任意铺层 帘线张力的数学模型；通过对轮胎充气和加载工况进行圆环梁受力分 析，建立轮胎充气和加载工况下圆环梁张力及任意层帘线张力的数学 模型。该模型表明帘线受力特征与轮胎加载条件、轮胎断面的形状和 尺寸、帘线的规格、帘线的铺设角和排列间距、带束层的结构形式、 带束层的宽度等诸多因素的耦合作用密切关联。开展轮胎结构的有限 元建模和考评工作，实现轮胎充气和静态加载工况有限元分析。探讨 不同载荷下子午线轮胎的帘线受力特征，为试验研究提供仿真依据。 研发可在制造工序中嵌入轮胎的钢丝帘线张力传感器。该传感器 能够经受轮胎制造过程中的高温高压并稳定输出测试信号。通过系统 研究单根钢丝帘线拉伸特性及复合材料中钢丝帘线拉伸特性，提出轮 胎钢丝帘线张力的测试机理。同时还设计p v d f 胶片传感器用于轮胎表 面应变的测试。帘线张力传感器嵌入轮胎后检验合格，并开展样品轮 胎充气试验和静态加载及加载滚动试验研究，是传感器开发初步成功 的标志。 江苏大学博士学位论文：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 根据试验轮胎实验结果与理论计算，说明理论模型的合理性和可 行性。通过试验和理论方法修正轮胎帘线张力与轮胎结构参数及静载 工况条件的关系公式。加载滚动试验结果说明帘线张力和轮胎表面应 变对于预测轮胎的行驶信息有相当大的参考价值。 实验结果及模型验证都表明，当轮胎结构和材料一定时，帘线张 a b s t r a c t k e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n tt i r ei so n eo fr e s e a r c hh o t s p o t sf o r t i r e s a n di t sr e s e a r c hf i e l d si n v o l v ei nc o r d r u b b e rc o m p o s i t e ，t i r em e c h a n i c s ， s e n s i n gt e c h n o l o g y , e x p e r i m e n tt e c h n o l o g ya n d s oo n t h i sd i s s e r t a t i o ni s d e v o t e dt ot h et h e o r ym o d e la n dt e s tt e c h n o l o g yo fc o r d sf o rt i r e s a m a t h e m a t i cm o d e li sd e r i v e db a s e do nt h et h e o r yo fc o m p o s i t em e c h a n i c s t oc a l c u l a t et h ec o r dt e n s i o n ；c o r dt e n s i o ns e n s o r sa r ed e s i g n e da n d e m b e d d e di n t ot i r e ，w h i c hi sp r o d u c e da n du s e di ne x p e r i m e n tr e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o no p e n s u p an e w w a y f o rr e s e a r c h o fi n t e l l i g e n tt i r e t h er e s e a r c hf i r s t l yb e g i n sw i t hb r i n gf o r w a r dap h y s i c a ls t i f f n e s s - c i r c l e - s p r i n gm o d e l o ft i r e sb a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i r es t r u c t u r e a m a t h e m a t i cm o d e lo fc o r dt e n s i o no fa n yl a m i n ai nc i r c u l a rb e a mi sb u i l t 一 u pb a s e d o nt h et h e o r yo fc o m p o s i t ep l a t e sa n ds h e l l s am a t h e m a t i cm o d e l o fc o r dt e n s i o no fa n yl a m i n ai sb u i l tu pb yc a l c u l a t i n gt h es t i f f n e s sm o d e l u n d e ri n f l a t i o na n ds t a t i cl o a d i n gc a s eo ft i r ea l s o t w om a t h e m a t i cm o d e l s i n d i c a t et h a tc o r dt e n s i o ni sr e l a t i n gw i t hl o a d i n ga n ds h a p es i z eo ft i r e ， s p e c i f i c a t i o no fc o r d ，l a ya n g e l ，s p a c e ，b e l ts h a p es i z ea n da l lc o u p l i n g a c t i o n f o rc h e c k i n go u tt h er e s u l to ft h e o r ya n a l y s i s ，f e ac a l c u l a t i o n sa r e c a r r i e do u ti nt h ec a s e so fi n f l a t i o n ，s t a t i cl o a d i n go ft h et i r ea n dt h er e s u l t s o ff e aa r ee v a l u a t e d t h er e s u l t so fc o r dt e n s i o nc a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n t l o a d sa r ed i s c u s s e d c o r dt e n s i o ns e n s o r sa r ed e s i g n e da n dt h e yc a nb ee m b e d d e di nt i r ea t m a n u f a c t u r ep r o c e d u r ew i t h o u td a m a g e s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h et e n s i o np r o p e r t i e so ft h es t e e lc o r da n dt h et e n s i o np r o p e r t i e so ft h e s t e e lc o r di nc o m p o s i t ei sc a r d e do u t t h e nt e s t i n gm e c h a n i co fc o r d t e n s i o ni nt i r ei sb r o u g h tf o r w a r d p v d f r u b b e rs e n s o r sa r ed e s i g n e da l s o w h i c hb eu s e di nm e a s u r et h es u r f a c es t r e s so ft i r e t h ec o r dt e n s i o n 1 1 1 江苏大学博士学位论文：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 s e n s o r se m b e d d e di nt i r ea n dc h e c k e do u ta f t e rv u l c a n i z a t i o ni st h es i g na s t h es u c c e s so fs e n s o rd e s i g n r a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h et h e o r e t i c a lm o d e li sp r o v e db yt h e r e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dc a l c u l a t i o n ，a n da c h i e v e dt h er e l a t i o nf o r m u l ao f c o r dt e n s i o nw i t hs t r u c t u r eo ft i r ea n dc a s e a c c o r d i n gt h ed y n a m i c s e x p e r i m e n to ft i r e ，i th a sg r e a ta d v a n t a g ef o rm o n i t o r i n gt i r eb yc o r d t e n s i o na n ds t r a i no ft i r es u r f a c e 目 录 第一章绪论 目录 1 1 1 智能轮胎概述及关键技术问题1 1 2 智能轮胎关键技术研究现况2 1 2 1 智能轮胎产品现况2 1 2 2 智能轮胎传感器关键技术研究现况3 1 2 3 智能轮胎力学模型研究现况。1 0 1 3 轮胎力学理论与试验力学研究1 0 1 3 1 轮胎力学理论研究1 0 1 3 2 轮胎试验力学研究1 3 1 3 3 帘线橡胶复合材料力学理论1 5 1 3 4 帘线张力分析理论与试验研究1 7 1 4 本文主要研究内容及研究流程1 8 第二章轮胎模型化及帘线张力模型 2 1 2 1 轮胎简化物理模型2 1 2 2 轮胎圆环梁任意层帘线张力的力学建模2 2 2 2 1 轮胎材料力学性能描述2 2 2 2 2 轮胎圆环梁刚度模型建立2 9 2 2 3 轮胎圆环梁任意层帘线张力数学模型3 4 2 3 轮胎充气与静负荷工况下帘线张力的数学模型3 6 2 3 1 轮胎充气工况帘线张力数学模型3 6 2 3 2 轮胎静负荷工况帘线张力数学模型3 7 2 4 本章小结。4 1 第三章轮胎结构有限元建模及帘线受力仿真分析 3 1 有限元模型的建立4 3 3 1 1 橡胶材料模型描述4 3 3 1 2 帘线橡胶复合材料模型4 4 3 1 31 2 0 0 r 2 0 轮胎有限元模型4 5 3 1 4 有限元计算的考评4 7 3 2 轮胎帘线受力分析4 8 3 2 1 分析路径的定义4 8 3 2 2 胎体帘线受力分析5 0 3 2 3 带束层帘线受力分析5 1 3 3 本章小结。5 4 v 江苏大学博士学位论文：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 第四章轮胎传感器测试实验技术研究 4 1 材料性能测试5 7 4 1 1 钢丝帘线张力学性能测试5 7 4 1 2 帘线橡胶复合材料力学性能测试6 0 4 2 轮胎帘线张力传感器的开发及试验研究6 5 4 2 1 钢丝帘线张力的测试机理6 5 4 2 2 传感原理。6 6 4 2 3 传感器结构设计及制造工艺。6 9 4 2 4 传感测试系统构成和工作原理7 1 4 2 5 传感器标定试验7 1 4 3 轮胎表面应变传感器研究7 5 4 3 1p v d f 传感机理及应变测量原理7 6 4 3 2p v d f 应变片的制作。7 8 4 3 3p v d f 应变片特性试验7 9 4 3 4p v d f 胶片传感器测试试验8 4 4 4 样品轮胎试制及测试8 7 4 4 1 样品轮胎试制8 7 4 4 2 样品轮胎测试试验8 9 4 5 本章小结9 0 第五章轮胎试验结果分析与模型验证 5 1 轮胎参数及圆环梁刚度模型计算9 3 5 2 轮胎静态帘线张力分析9 5 5 2 1 充放气工况帘线张力分析。9 5 5 2 2 静负荷工况帘线张力分析及模型验证。9 6 5 3 轮胎稳态滚动工况帘线张力分析1 0 3 5 4 轮胎稳态滚动工况内表面应变分析。1 0 5 5 5 本章小结1 0 7 第六章总结与展望 1 0 9 6 1 本文完成的主要工作1 0 9 6 2 论文工作的主要创新点1 1 1 6 3 对今后工作的展望1 1 2 参考文献 致谢 博士期间发表论文 n 3 n 9 1 2 0 第一章绪论 第一章绪论 长期以来，轮胎是造成和诱发交通事故的主要原因之一，当汽车在高速行驶 时更是如此。车辆行驶过程中，作用在汽车上的除空气阻力以外的其他外力均来 自与路面接触的轮胎，因此轮胎与路面的附着性能决定了汽车的操纵稳定性和安 全性能。防抱死制动系统( a b s ) ，驱动防滑系统( a s r ) ，电子稳定性控制( e s p ) 等都需要估计轮胎的附着状况，因此轮胎与路面间受力的直接检测将大大地促进 车辆控制的发展。现在世界已进入了信息时代，汽车的许多部件都已计算机化。 随着技术的发展，轮胎也不排除在外，智能轮胎的研究与开发已呈现蓬勃生机n 嵋1 。 1 1智能轮胎概述及关键技术问题 智能轮胎( i n t e l l i g e n tt i r e ) 是集材料、传感、信号采集处理及通讯等多 项先进技术于一身，能实时自动提供汽车行驶状态中轮胎动态信息的一种轮胎。 监测轮胎的压力和温度是智能轮胎的基本必备功能，除此之外，智能轮胎还应能 够监测行驶状态下轮胎受力状况，形变及轮胎路面摩擦力等，并及时向汽车电子 控制系统提供轮胎的动态信息。智能轮胎系统的核心是安装在外胎上的传感器， 系统通过该传感器测量轮胎的相关参数，并将测出的信号反馈给收发装置，实现。 自动预告轮胎状况的功能。智能轮胎的研究与开发目前正处于萌芽阶段，美国、 欧洲和日本近几年投入了大量人力和物力从事该方向的研究，试图在实现轮胎压 力监测的同时，实现对轮胎道路摩擦、动态平衡和轮胎温度等监控的功能。 智能轮胎的研究和开发涉及车辆、材料、以及传感测试等多学科领域。整个 工作要结合轮胎设计和力学分析理论、复合材料理论、现代传感器技术、以及轮 胎试验技术等理论和技术来开展。智能轮胎技术需要解决如下关键问题n 1 。 ( 1 ) 开发能够嵌入轮胎的新型传感器系统使其能够直接采集轮胎的受力或变 形数据。要求该传感器系统的抗高压和高温能力能适应轮胎制造过程中的高压和 高温环境，这需要从传感器的材料、制造工艺、封装技术等方面开展研究。同时 还必须考虑合理的轮胎制造和维护工艺。 ( 2 ) 传感器嵌入轮胎后对轮胎性能影响的分析研究。传感器嵌入轮胎后相当 于在轮胎中加入了杂质，如果传感器与轮胎材料之间的结合问题解决不好，将会 江苏大学博士学位论丈：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 对轮胎结构产生破坏性的影响。 ( 3 ) 需要建立智能轮胎力学理论模型，通过轮胎受力及变形分析研究，实现轮 胎应力应变与轮胎工况条件的力学关联，并设计出相关的估算方法。从而可以通 过分析轮胎受力和变形数据得出轮胎工况条件的相关变化。 智能轮胎的实现还需要考虑：1 、解决智能轮胎系统通讯接口和电源提供方式 问题。若使用的电池是有源系统，必须考虑系统的质量、能耗、电池寿命；若是 无源系统，必须考虑能源的提供方式。2 、解决电磁干扰和电磁兼容问题。汽车上 的电子系统很多，必须解决监测系统和车内其它电子系统之间以及车辆与车辆之 间相互的电磁干扰和电磁兼容问题。3 、在实际驾驶条件下测试车辆上安装的智能 轮胎系统是否符合规定的技术要求等等。 1 2 智能轮胎关键技术研究现况 随着美国t r e a d 法案的发布和实施，众多汽车轮胎生产企业以及电子产品企 业意识到开发包括t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 的智能轮胎技术的 紧迫性及其巨大的市场前景，加大了智能轮胎技术的开发投入。近几年，各大公 司和研究机构纷纷推出自己研究的最新智能轮胎以抢占市场先机。我国三角轮胎 股份有限公司也致力开发具有自主知识产权的智能轮胎核心技术和产品。 1 2 1 智能轮胎产品现况 美国固特异轮胎公司推出的u n i s t e e l 智能轮胎可在遇到轮胎气压偏离设定 值、轮胎温度超过设定值、轮胎脱离车轴的情况下自动报警；法国米其林集团公 司属下的米其林轮胎北美公司推出的m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 轮 胎。m e m s 技术在开发成功后最早被应用于大型货车轮胎和工程机械轮胎，因为这 两种轮胎成本较高，需要加倍保护；同时该公司还推出带“电子身份证 的轮胎。 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 轮胎与普通轮胎不同之处在于r f i d 卡被固定和封存在轮胎内。植入轮胎中的r f i d 卡，先是在轮胎生产厂内被“写入 轮胎序列号、轮胎生产日期、轮胎生产厂代号等信息，然后在汽车制造厂的总装 线上“写入”汽车标识号码。目前拥有r f i d 卡专利技术的，全世界只有英特米可 技术公司一家；德国大陆公司属下的大陆通用轮胎公司推出的c g t 智能轮胎体 系由如下三大部分组成：磁化轮胎、胎侧扭力传感器( 简称s w t ) 、车载电子控制 2 一 气 - i 胎公司说，利用以轮胎数据、蜂窝电话网络定位数据和气象信息为基础的新型服 务系统，能够监测轮胎磨耗和路面摩擦力。2 0 0 3 年9 月在法兰克福国际汽车展上 展出了西门子和固特异联合开发的第2 代抡胎气压控制系统1 。该装置不仅仅是 一个测压传感器，它还可以记录罩程和轮胎磨耗。其技术朝“智能轮胎 ，又迈进 了一步。 目前推出的多数智能轮胎产品其传感系统主要为胎压温度检测系统，其传感 器安装在轮胎的轮辋或气门嘴上，不需要嵌入到轮胎材料内。通过直接采集轮胎 空气的压力和温度的数据实现实时监测轮胎压力和温度情况。实现监测轮胎受力 状况及形变的相关算法也相对过于复杂，准确性差。 撕 1 2 2 智能轮胎传感器关键技术研究现况 传感器在轮胎制造过程中植入轮胎中，可以得到轮胎最直接的信息。而轮胎 成型温度高达1 4 0 1 6 0 和压力达到2 5 3 m p a ，行驶状态轮胎的温度也在 2 0 。1 0 0 。c 范围波动n 2 一羽。另外，该传感系统需要有足够的强度，以承受嵌入位置 的橡胶变形带来的冲击并能提供平稳输出，还要有足够的灵敏度以测量轮胎的应 力变化。目前用于轮胎状态检测的传感器有很多种，最常用的是应变压力传感器 和霍尔摩擦因数传感器等。此类质量大都在2 0 9 左右，在最关键的高速区段容易 引起较大的动态负载，反而成为安全隐患乜1 。现在各国纷纷研究各种可用作轮胎嵌 入式传感器技术的可行性，并且已经取得部分成果。主要是对这些技术的应力或 应变灵敏度，尺寸大小，鲁棒性，测量范围，工作温度，成本等多项指标进行评 估。由于胎内传感器技术实用性的不足，至今还没有真正方便、实用、有效、可 靠的智能轮胎传感器技术。 1 金属箔应变计 标准应变计的使用规则是由于尺寸和特定电阻的改变引起的金属线电阻的改 变与施加应变一致。尽管使用单根定长的金属丝测量应变是可能的，但普遍采用 网阵式金属丝，一般厚度在2 5 5 0um 。可用于制作应变计，具有工作范围大和 3 江苏大学博士学位论文1 基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 高的特定电阻及好的热稳定性的较理想合金是康铜( c u 拍n i 朽)和卡玛合金 ( n i c r 甜l 。f e 。) 。应变计的一个问题是串扰( 横向与轴向应变灵敏度之间的比率) 。 使用应变计时，重要的是在应变作用下的采样必须如实地传送到应变计，还有粘 合或封装方式的选择都必须根据适当选材或模型来确定n 劓。 2 压电电阻半导体应变计 这种应变计在传感器市场占有特殊的位置，可以使传感器元件小型化。但这 些优势同时伴随着不少不利因素：高成本，有限的传感范围，明显的温度影响。 它们一般用于低应变，高输出和高频响应的场所，且工作环境要求温度稳定。由 于它们灵敏度高，不需要采用标准栅格型式，短且细的单矩形金属细丝就可以。 压电电阻元件由硅的单晶体涂上硼或砷构成，制造方法就是从硅晶体上切取薄片， 小的传感元件，采用光刻胶从薄片上蚀刻而成，最终的组件似玻璃体且脆。压电 电阻应变计的线性，依靠工作温度和涂层的水平决定。应变响应的线性随涂层浓 度提高而提高。在+ 一5 0 0um 的循环应变作用下，半导体的疲劳寿命大约为1 0 7 次。尽管小于一些金属箔应变计的疲劳寿命，但在低应变场合，半导体可广泛应 用，循环测量也没有问题n 制。 3 d a r m s t a d t 轮胎传感器 d a r m s t a d t 轮胎传感器系统是由德国d a r m s t a d t 大学研究人员提出并开发。该 传感器系统是在轮胎胎面中嵌入一个永磁铁，永磁铁的移动由位置传感器监测。 位置传感器包括四个独立阵列的霍尔元件和一个温度传感器。永磁铁置入轮胎橡 胶中离霍尔元件l m m 的距离( 如图1 - 1 示意) n 副。小型化的传感器植入一个单独 的胎面凸起单元，可以减小钢带对其的影响。通过改进材料及结构，能耗也被成 功减小，提高了使用寿命n 引。其测试精度主要依靠霍尔元件的磁场灵敏度，磁铁 的尺寸和霍尔元件的距离等。 用于转译传感器数据得到摩擦力信息的模型是基于刷子模型理论建立的。它 可以用来描述在轮胎路面接触部位胎面凸起单元的运动n7 1 。计算力，压力或摩擦 力参数的算法还没有发布。这种方法必须考虑到胎面凸起的高度对胎面凸起的特 性有重要的影响。该方法还不能明确表明获得的信息与轮胎应力场之间的关系， 传感器系统实际也仅能够用于实验目的n 引。 4 轮胎侧壁扭矩传感器 4 - p 气 1 第一章绪论 德国c o n t i n e n t 公司开发了一种轮胎侧壁扭矩传感器，并推出磁化轮胎n 钊。 该轮胎橡胶内壁嵌有两条磁性镶条，由规则形状的磁性材料构成。镶条沿胎侧两 个不同直径位置布置啪1 。轮胎侧壁磁化后，沿整个侧壁圆周形成南北极交替的综 合磁场。通过传感器监测磁场磁极的交替变化来估计接触部位的侧向力和纵向力。 两个传感器装附在底盘上，它们分别用于测量轮胎侧壁和垂直方向的直径，如图 1 - 2 所示。安装在底盘上的两个传感器测量轮胎侧壁磁场单个磁极比例的信号。如 果无纵向力作用，两传感器测量到磁极之间交替同时出现的信号，时间差为零。 然而，如果存在纵向力，例如制动或加速时，分布在内侧直径和外侧直径上的磁 极最大值通过传感器时存在一个时间差，这样在这两个传感器信号之间形成一个 相位变化的结果。这个现象，加速和减速是一致的，只是磁极标识的识读是相反 的。作用在每个轮胎上纵向力的大小与两磁化镶条的传感器信号之间的相位变化 近似线性。这种s w t 传感器提供的信息可以用于滑移控制系统改进如a b s 和t c s ， 另外传感器信号还能够用来测量轮速晗。 钢带 缀尔元件 电线 橡胶 永磁铁 糖i 毳；纂无 路滋 1 磁场传感器 2 轮胎侧壁磁化镶条( 两条) 图卜1d a r m s t a d t 轮胎传感器图1 - 2c o n t i n e n t 公司智能轮胎 f i g 1 1d a r m s t a d tt i r es e n s o rf i g 1 2c o n t i n e n t si n t e ll i g e n tt i r e 在转弯条件下，作用在车辆上的离心力对轮胎产生侧向力。在该力作用下侧 壁产生侧向变形引起传感器和轮胎磁化侧壁之间距离变化，被测磁场强度也因此 发生改变。所测得幅值可以得到作用侧向力。这些数值对于底盘控制系统如a b s ， e s p 非常重要。该传感系统两个技术特点是：所需电子组件安装在底盘上，传感组 件磁化橡胶是一个完全被动组件。因此，必须开发特殊轮胎及其制造工艺，怎么 建立系列化产品批量生产的适当工艺也是关键问题之一。s w t 传感器允许测量作用 5 江苏大学博士学位论文：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 在轮胎路面接触部位的力，这些关于轮胎行驶状态更精确的信息得出的结果能够 更进一步使车辆电子稳定系统最佳化。给驾驶员带来的直接好处是更短的制动距 离，及提高对车辆的控制能力晗1 i 。处理传感器数据得到相关力所需的模型和算法 还没有公开发布n 引。 该轮胎将作为虚拟传感器，替代原来成本高昂的汽车侧滑传感器，成为 c o n t i n e n t 公司开发的新一代汽车电子稳定控制系统( e s p ) 的一个组成部分。目前 c o n t i n e n t 公司已经获智能轮胎技术许可证n8 l 。但是该智能轮胎系统还不能测量垂 直作用力和摩擦力。 5 声表面波技术 声表面波( s a w ) 技术是六十年代末期才发展起来的- 1 7 新兴科学技术领域。 声表面波是沿基片和低密度介质之间传播的机械振荡。沉积在压电材料基片之上 的电极构成声一电换能器。射频信号通过电极引起基片表面伸展与收缩，产生表面 波乜2 1 。声表面波以低速( 光速的1 0 - 5 ) 传播，波长也非常短。i o o m h z 信号在自由 空间中波长为3 m 左右，响应声波波长大约1 0um 。由于仅需电极沉积，声表面波 传感器尺寸可以非常小。工作频率范围在1 0m h z 3 6 h z 之间1 ，该频率范围对发 展无芯片技术非常有潜力。作用在换能器上的应变改变电极的空间频率及换能器 的工作频率，通过输出分析器对输出频率进行分析得出应变大小。该装置的分辨 率很大程度依靠输出分析器的频率分辨率。 基于声表面波技术的滤波器已经广泛应用于移动电话和电视船钔。声表面波技 术也能够用于设计传感器。输入的高频信号转换成声表面波，该声波在装置中被 反射，再次转换成能够被识读系统探测的高频信号。通过选择合适材料和对材料 表面的反射器特别设计，可以使该种传感器能够对想得到的信号非常灵敏。带沉 积电极的压电材料可以安置在弹性橡胶材料中，这非常适宜对轮胎径向应变的测 量陋5 1 。然而该系统获得的信号对压缩，剪切，扭矩，串扰等效应耦合问题的处理 存在困难。轮胎应用的声表面波传感器主要关键技术就是电子组件的鲁棒性和嵌 入轮胎的工艺方法嘶3 。 基于声表面波技术的轮胎传感器现仍处于试验阶段。德国c l a u s t h a l 大学与 澳大利亚v i e n n a 大学合作，目前已经开发出试验传感器，结构如图1 - 3 所示，发 布的报告指出声表面波传感器能够完全被动式地工作，特别适合用于系列轮胎的 6 p 气 1 第一章绪论 监测系统。其主要优点是胎内传感器部分不需电池支持，而且质量较小。 图卜3s a w 轮胎传感器 f i g 1 3 s a ws e n s o r s 英国t r a n s e n s e 公司宣布与美国t p m s 制造商s m a r t i r e 、法国轮胎制造商 m i c h e l i n 合作开发声表面波传感器，整个元件所需能源通过信号接受组件提供。 德国s i e m e n s 公司研究从靠近声表面波装置的物理现象中产生声表面波滤波器所 需能量的可能性。s ie m e n s 公司宣布与c o n tin e n t 公司和d a r m s t a d t 大学合作。他 们目的就是要把传感器嵌入轮胎胎面，该传感器以声表面波装置为基础，能够提 供与d a r m s t a d t 轮胎传感器相似的数据乜7 侧。 6 磁致伸缩材料技术 与声表面波传感器中压电材料相似的还有磁致伸缩材料，磁致伸缩材料的性 能表明它们有良好的线性可以用于位移传感器啪3 。其典型测量范围为5 0 0 。1 5 0 0 um ，灵敏度可以达到大于0 1 ；通过施加载荷效应，产生磁极化，磁力可以比 较容易远程测量，这非常适于用作嵌入式传感器。该材料在应变0 1 时内部磁通 密度改变大约0 1 t 。在一定条件下，可以通过直接测量结构组件磁场的变化来测 量磁致伸缩效应。通过精心选材可以避免磁滞现象带来的问题，同时，磁致伸缩 材料与压电材料一样都很脆口2 | 。磁致伸缩最大的优势同样是它们不需外部电源且 能为其他嵌入系统提供能源。磁致伸缩材料可以用来设计成轮胎嵌入式传感器船3 钏。英国w a r w i c k 大学正在开展这方面的研究，其最近的研究目的就是组合磁致伸 缩非定型金属丝到动态结构中，作为高定向( 低串扰) 的应力传感器元件n4 | 。然 而，在动态环境下，应力周期改变引起金属丝的磁特性改变，那么金属丝的疲劳 寿命就是一个大问题。现在许多应用技术，包括场理论的运用，探讨扫除该类型 传感器应用的障碍。这类传感器材料对丌发潜在胎内应力传感器有相当吸引力。 7 微电子机械技术 7 江苏大学博士学位论文：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 微电子机械系统( m e m s ) 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、 通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统5 1 。m e m s 器件体积小、重量 轻、能耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短；高度集成化，可以把不同功能 的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列。根据原 理，m e m s 传感器能够设计几乎所有量的传感器( 温度，压力，加速度，变形等等) 也可以实现其他电子组件啪1 。 微电子机械系统传感器具有极大的潜力用于开发智能轮胎传感器n 引。主要优 势是鲁棒性，小尺寸，低能耗和集成电子总系统的可能性大，成本低。它满足高 鲁棒性和低能量供应的要求。因此，微电子机械系统传感器技术开辟了智能轮胎 系统研究的一个新f j 景。 摩托罗拉公司已经成功开发轮胎用m e m s 压力传感器，可以承受轮胎内的恶劣 环境。该传感器是电容型m e m s 压力传感器，是一个单体压力和温度传感器，并具 备电源管理和数字输出功能。法国米其林公司推出m e m s 技术智能轮胎。m e m s 传感 器被植入轮胎内壁，它在轮胎内的寿命可达1 7 年；通过接收器拾取传感器传导 过来的实时信息，连接装置将接收器传送过来的信息输入便携式贮存装置；便携 式贮存装置贮存被监测轮胎的所有数据并加以显示。m e m s 技术在开发成功后最早 被应用于大型货车轮胎和工程机械轮胎口7 l 。 8 超宽带技术 超宽带( u w b ) 是一项使用从几h z 几g h z 的宽带收发电波信号的技术，通过 发射极短暂的脉冲信号，并接收和分析反射回来的脉冲位置，就可以得到检测对 象的信息。由于所使用的宽带高达几g h z ，因此最大数据传输速度可以达到几十 m b i t s 几百m b i t s ，而耗电量只有原有系统的1 1 0 0 1 1 0 0 0 ，具有低功耗、低 成本等特点。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性 高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点啪1 。u w b 能够用于高分辨率雷 达和精确无线定位系统旧帅1 。u w b 装置也能够用于无线电通信，特别是短范围，高 速数据传输。当前u w b 技术在美国之外的国家还没有法规批准使用。但许多国家已 经表现出相当大的兴趣，并正在分步实施开拓国外市场和调整生产工艺n 町。 近来美国m c e v a n 技术公司( m e t ) 采用新2 4 g h z 脉冲开普勒雷达开发了一个 系统，该系统可以在实际轮胎失效前警告驾驶员存在潜在轮胎爆裂的趋势。还能 8 第一章绪论 够立刻监测出轮胎异常如胎面分层，裸露，侧壁膨胀和扎入钉子。m e t 的传感器也 可监测轮胎和车轮形状错误如非圆和严重磨损。微雷达系统根据非接触原理测量 轮速，可以用于传感和控制车辆在紧急制动时车轮抱死，特别是重型卡车，或用 于s u v 或其他四轮驱动车辆m 1 。 9 其他传感器技术 英国t e k g e n u i t y 公司宣布开发了一项技术，就是通过麦克风采集轮胎的声音 信号和使用特别的信号处理技术对信号进行后处理。该产品的名字为 c h r o m a s o n i c s 。t e k g e n u it y 的研究人员称测得的声音信号的变化可以转译出轮胎 压力，温度，磨损状态甚至路面的作用摩擦力等的变化。警告驾驶员或将信息实 时提供给车辆电子控制系统h 。德国o p t i m e s s 公司正在开发用于轮胎制造和测试 的激光传感器。该传感器是非接触测量探测器。两个激光传感器在轮胎的横切位 置相对布置，一个在测试部位橡胶材料的上部，一个在下部，这样运动带的整个 轮廓可以被监测，结构如图1 - 4 所示。该传感器同时用于监测轮胎运动胎面，激 光传感器也被用来观测行驶中的路况。现在该研究主要是在测试台上仿真，要能 达到与实际测试道路路面条件一样的精确信息还需开展车辆试验场仿真池1 。 o p t i m e s s 传感器还没有系列的车辆产品。德国h e l l a 公司设计了一个直接照射路 面的红外线传感器模型。该传感器装在车辆前部。分析反射光的光谱强度，运用 算法，来监测路面状况如干燥，湿漉，冰水，雪地。目的是估计作用的摩擦力和 摩擦力小时警告驾驶员h 引。现在该系统的可靠性还不足于提供用于车辆动态控制 系统的传感器信息。 图卜4o p t i m e s s 公司的激光传感器 f ig 1 - 4o p ti m e s sl a s e rs e n s o r s 目前国外大多数的研究集中在把传感器嵌入橡胶中来直接测试应力形变，而 这些传感器相对于橡胶的硬度都相当的大，嵌入或粘贴后已经改变轮胎应力和形 9 江苏大学博士学位论丈：基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究 变状况，长时间运转还会引起传感器与橡胶间的解体而导致轮胎失效，带来更大 的安全隐患。如s a w 传感器，通常用压电材料制造，它需要一个特殊的装置来减 小轮胎形变以提高形变产生的力，该装置对轮胎形变和应力有较大影响。用来测 量应力的无线微机电系统m e m s 被嵌入一个复合结构，其与橡胶的硬度相差很大， 对橡胶的形变和应力会产生大的干扰，还容易造成传感器与橡胶脱落蜘。日本 学者利用从轮胎上直接取样的钢丝帘线橡胶复合材料做成胶片，将该胶片作为电 容传感器实现轮胎形变的无线测试。该传感方式还只能把样品粘贴在轮胎的内表 面，不能嵌入轮胎内部进行使用，反映的形变有很大的局限性h 6 1 。 结合轮胎的特定结构和轮胎状况测量参数，在现有的传感器技术基础上，展 开对高精度、超小型化、远距离的智能化轮胎传感器原理和结构的研究，具有重 要的科学意义。我们就是要研究关键潜在技术的相关问题，并开发基于该技术的 传感器。 1 2 3 智能轮胎力学模型研究现况 目前各国的许多研究介绍了传感器和被测试的参量，希望能够籍此提供更多 的轮胎和轮胎一路面接触部位的信息如力和摩擦力参数等。但是都缺少与车辆及轮 胎相关的用来转译和处理测量数据的算法和模型。j e n sh o l t s c h u l z e 等基于轮胎 刷子理论建立轮胎柔性环模型来描述轮胎胎面的变形与d a r m s t a d t 轮胎传感器测 试量间的关联，用于预测轮胎接地摩擦系数；还建立了轮胎整体变形模型来描述 轮胎刚度与大陆公司轮胎侧壁扭矩传感器测试量间的关联，估计作用在轮胎路面 接触部位的侧向力和纵向力，但计算成果没有在发布的资料中描述h 7 1 。 1 3 轮胎力学理论与试验力学研究 1 3 1轮胎力学理论研究 轮胎力学作为轮胎理论研究的一个最为重要的组成部分经历了一个漫长的历 史发展过程，其分析结果越来越趋于完善。 l o 第一章绪论 1 3 1 1 轮胎结构力学研究 由w h o f f e r b e r t h 提出，并经h g l a u t e r b a c h 、w f a m e s 等人逐步完善的网 格理论( 主要用于轮胎断面形状设计和帘线的强度分析) ，r r i b e c c h i 和l a m i c i 等应用的膜理论，f m a r t i n 、h k b r e w e r 、j d w a l t e r 等利用的薄壳理论，以 及由s k c l a r k 和b h bm epmah 开创应用的层合理论( 将轮胎材料按复 合材料考虑) 汹1 ，轮胎结构力学在经典复合材料力学的框架内得到了充分的发展。 这些理论分析结论接近轮胎承受对称负载时应力状态的实际情况和内压作用下轮 胎帘线的应力，与实验和测试结果比较，用于轮