一种轮胎与路面摩擦系数的测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及摩擦系数测量技术领域，尤其涉及一种轮胎与路面摩擦系数的 测量装置及测量方法。


背景技术：

2.轮胎与路面之间的摩擦系数作为影响轮胎制动性能的重要因素之一，通常 又被称为轮胎的附着系数，轮胎与路面之间的摩擦系数越大，轮胎的制动性能就 越好，对于汽车或其他以轮胎作为移动元件的运动载具而言，轮胎的制动性能越 好，运动载具的驾驶性能就越好，因此测量轮胎与路面之间的摩擦系数具有非常 重要的意义。
3.中国专利cn206618673u公开了一种低速可调滑移率轮胎磨滑路面摩擦系 数测试装置，包括滑移支架、滑移装置、传动机构、滑移减速器、动力系统、实 验装置和可移动控制器，滑移装置活动设置在滑移支架上，滑移装置上设有可来 回滑动的摩擦轮，摩擦轮通过传动机构与滑移减速器传动连接，动力系统用于带 动滑移装置活动，实验装置与摩擦轮的外圆面相接触，在测试时，滑移装置带动 摩擦轮转动，滑移减速器通过传动机构阻止摩擦轮转动，当摩擦轮在实验装置上 由滚动状态变为滑动状态时，动力系统内的扭矩传感器反馈扭矩信息至可移动 控制器，可移动控制器计算出轮胎与磨滑路面之间的摩擦系数。
4.然而在实际测试过程中，上述测试装置存在以下技术问题：由于动力系统作 用在滑移装置上的拉力会不断变化，当摩擦轮受到的拉力等于摩擦力时，摩擦轮 不会立刻由滚动状态变为滑动状态，因此扭矩传感器所采集到的扭矩信息会与 实际测试过程中的扭矩信息存在偏差，从而降低了测试装置的精准性，为了提高 摩擦系数的测试精准性，后续操作人员还需要不断重复测试工作来缩小摩擦系 数的测试偏差量，这就导致整个摩擦系数的测试过程非常繁琐。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种轮胎与路面摩擦系数的测量装置及测量方法， 解决了现有技术中由于扭矩传感器采集的扭矩信息存在偏差而导致测试装置的 精准性和测试效率下降的技术问题。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.本发明提供了一种轮胎与路面摩擦系数的测量装置，包括承载体、轮胎、车 轮轴和传动件，承载体位于路面的上方，并在外力驱动下沿平行于路面的方向移 动，轮胎位于承载体的一侧，并与路面相接触，车轮轴活动设置在承载体上，并 与轮胎固定连接，传动件活动设置在承载体上。
8.还包括磁场发生器和线框，磁场发生器固定设置在承载体上，用于生成匀强 磁场，线框包括旋转件和至少一组线圈，旋转件活动设置在承载体上，所述旋转 件通过传动件与车轮轴传动连接，并在车轮轴的带动下发生周向转动，线圈位于 匀强磁场内，并与旋转件固定连接，所述线圈通电后在安培力的作用下阻碍旋转 件发生周向转动。
9.在以上技术方案的基础上，优选的，所述线圈的数量为两组，两组线圈相互 绝缘且交叉设置。
10.更进一步优选的，两组所述线圈之间的夹角为90
°
。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，所述线圈为对称结构，且线圈的对称轴 为旋转件的中心轴。
12.在以上技术方案的基础上，优选的，所述传动件包括第一锥齿轮、第二锥齿 轮、第三锥齿轮和传动轴，第一锥齿轮固定设置在车轮轴上，第二锥齿轮固定设 置在传动轴的一端，第三锥齿轮固定设置在传动轴的另一端和旋转件上，传动轴 活动设置在承载体上，所述传动轴上的第二锥齿轮与车轮轴上的第一锥齿轮相 啮合，传动轴上的第三锥齿轮与旋转件上的第三锥齿轮相啮合。
13.更进一步优选的，当传动轴的数量大于等于两根时，有且仅有一根传动轴上 设有第二锥齿轮，其余传动轴的两端均设有第三锥齿轮，且相邻两根传动轴上的 第三锥齿轮相啮合。
14.在以上技术方案的基础上，优选的，所述磁场发生器为亥姆霍兹线圈。
15.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括电极载板，所述电极载板的数量 为两个，两个电极载板分别与线圈的正极接头和负极接头电性连接。
16.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括监测器，所述监测器设置在承载 体上，用于监测车轮轴的运动状态。
17.本发明还提供了一种轮胎与路面摩擦系数的测量方法，应用于上述一种轮 胎与路面摩擦系数的测量装置，包括以下步骤：
18.s01：称出测量装置的重量，并将测量装置放置在路面上，根据测量装置与 路面之间的压力点计算出轮胎对路面施加的压力；
19.s02：驱动承载体沿平行于路面的方向移动，当轮胎在路面上滚动时，根据 s01中轮胎对路面施加的压力计算出轮胎受到的摩擦力，测出轮胎的半径，并计 算出摩擦力作用给车轮轴的扭矩；
20.s03：测出传动件的扭矩传动比，并结合s02中摩擦力作用给车轮轴的扭矩 计算出摩擦力作用给旋转件的扭矩；
21.s04：打开磁场发生器，生成匀强磁场，计算匀强磁场的磁感应强度；
22.s05：测出线圈的尺寸，往线圈内通入电流，结合s04中匀强磁场的磁感应 强度计算出线圈受到的安培力，并计算出安培力作用给旋转件的最大扭矩；
23.s06：逐渐增大通入线圈内的电流，直至旋转件停止转动，根据s03中摩擦 力作用给旋转件的扭矩、s05中安培力作用给旋转件的最大扭矩，建立扭矩等式， 根据旋转件停止转动时线圈内的电流计算出轮胎与路面之间的摩擦系数。
24.本发明的测量装置及测量方法相对于现有技术具有以下有益效果：
25.(1)设置磁场发生器和线框，在测试时，线框内的线圈位于磁场发生器生成的 匀强磁场内，线圈通电后受到安培力的作用，阻碍旋转件转动，当安培力作用给 旋转件的最大扭矩等于摩擦力作用给旋转件的扭矩时，旋转件立刻停止转动，轮 胎在路面上立刻由滚动状态变为滑动状态，此时建立作用在旋转件上的扭矩等 式，根据线圈内的电流即可测得轮胎与路面之间的摩擦系数，这样测得的摩擦系 数较为准确，提高了测量装置的精准性；
26.(2)根据安培力计算公式，由于当匀强磁场内磁感应强度和线圈均不变的情 况下，线圈受到的安培力与通入线圈内的电流成正比，因此操作人员能精准的控 制安培力的变化量，当旋转件停止转动时，操作人员停止增大线圈内的电流，轮 胎始终在路面上滑动，此时操作人员可以通过对电流的微调来缩小摩擦系数的 测试偏差量，无需多次重复测量，提高了测量装置的测量效率。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中 的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创 造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明的测量装置的结构示意图；
29.图2为图1中a区域的放大结构示意图；
30.图3为图1中b区域的放大结构示意图；
31.图4为图1中c区域的放大结构示意图；
32.图5为本发明的线圈在均匀磁场内的结构示意图；
33.图6为在安培力作用给旋转件的扭矩最大时线圈的受力示意图。
34.图中：1、承载体；2、轮胎；3、车轮轴；4、传动件；41、第一锥齿轮；42、 第二锥齿轮；43、第三锥齿轮；44、传动轴；5、磁场发生器；6、线框；61、旋 转件；62、线圈；7、电极载板；8、监测器。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部 的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.如图1～图6所示，本发明的一种轮胎与路面摩擦系数的测量装置，包括承 载体1、轮胎2、车轮轴3、传动件4、磁场发生器5和线框6。
37.承载体1作为测量装置的主体，承载体1位于路面的上方，并在外力驱动 下沿平行于路面的方向移动，这里操作人员可以在承载体1上设置挂钩，在测 试时，通过挂钩将承载体1连接在移动设备上，使承载体1具有移动能力。
38.轮胎2作为测试件，轮胎2位于承载体1的一侧，并与路面相接触，在测 试时，测量装置上只有轮胎2与路面相接触，这里轮胎2在路面上的运动状态 有两种：一种是轮胎2在路面上滚动，另一种是轮胎2在路面上滑动。
39.车轮轴3活动设置在承载体1上，并与轮胎2固定连接，在测试时，由于 轮胎2与车轮轴3连接，因此车轮轴3在承载体1上的工作状态也有两种：当 轮胎2处于滚动状态时，车轮轴3在承载体1上发生转动；当轮胎2处于滑动 状态时，车轮轴3在承载体1上不发生转动。
40.为了保证承载体1在测试过程中的运动稳定性，具体的，轮胎2的数量为 两个，两个轮胎2沿承载体1的运动方向对称设置在承载体1的两侧，并且两 个轮胎2分别与车轮轴3
的两端固定连接。
41.传动件4活动设置在承载体1上，用于传动连接车轮轴3和线框6。
42.磁场发生器5固定设置在承载体1上，用于生成匀强磁场。
43.线框6包括旋转件61和至少一组线圈62，旋转件61活动设置在承载体1 上，旋转件61通过传动件4与车轮轴3传动连接，并在车轮轴3的带动下发生 周向转动，线圈62位于匀强磁场内，并与旋转件61固定连接，线圈62通电后 在安培力的作用下阻碍旋转件61发生周向转动。
44.在测试时，承载体1带动轮胎2在路面上滚动，车轮轴3通过传动件4带 动旋转件61发生周向转动，由于旋转件61与线圈62固定连接，因此线圈62也 会发生逆时针转动，当线圈62通电后，线圈62会在匀强磁场内受到安培力的 作用，并对旋转件61的周向转动起到阻碍作用。
45.作为一种优选的实施方式，为了增强线圈62通电后对旋转件61的阻碍作 用，线圈62的数量为两组，两组线圈62相互绝缘且交叉设置，具体的，两组线 圈62之间的夹角为90
°
，在测试时，当两组线圈62与匀强磁场内磁感线之间的 夹角均为45
°
时，线圈62对旋转件61的阻碍作用最大。
46.作为一种优选的实施方式，考虑到线圈62在转动过程中会受到圆周力的 影响，因此为了提高线圈62的转动稳定性，避免线圈62带动旋转件61在承载 体1上发生震动，影响摩擦系数的测量准确性，这里将线圈62设计为对称结构， 且线圈62的对称轴为旋转件61的中心轴，具体的，线圈62为方形结构。
47.作为一种优选的实施方式，这里提供一种传动件4的技术结构，传动件4包 括第一锥齿轮41、第二锥齿轮42、第三锥齿轮43和传动轴44，第一锥齿轮41 固定设置在车轮轴3上，第二锥齿轮42固定设置在传动轴44的一端，第三锥 齿轮43固定设置在传动轴44的另一端和旋转件61上，传动轴44活动设置在 承载体1上，传动轴44上的第二锥齿轮42与车轮轴3上的第一锥齿轮41相啮 合，传动轴44上的第三锥齿轮43与旋转件61上的第三锥齿轮43相啮合，这 里传动件4采用齿轮传动，相比于其他传动而言，齿轮传动具有传动平稳、传动 比精准的技术特点，在测试时，传动件4的扭矩传动比等于第二锥齿轮42的半 径与第一锥齿轮41半径的比值。
48.在本实施方式中，为了方便操作人员计算传动件4的扭矩传动比，当传动 轴44的数量大于等于两根时，有且仅有一根传动轴44上设有第二锥齿轮42， 其余传动轴44的两端均设有第三锥齿轮43，且相邻两根传动轴44上的第三锥 齿轮43相啮合，在计算传动件4的传动比时，由于相邻两根传动轴44上的第 三锥齿轮43相啮合，因此在理想状态下，相邻两根传动轴44之间的扭矩传动 比为1，因此无论传动轴44的数量为多少，传动件4的扭矩传动比始终等于第 二锥齿轮42的半径与第一锥齿轮41半径的比值。
49.具体的，传动轴44的数量为两根，其中，第一根传动轴44的一端设有第二 锥齿轮42，第一根传动轴44的另一端设有第三锥齿轮43，第二根传动轴44的 两端均设有第三锥齿轮43，传动件4与车轮轴3和线框6的连接关系为：第一 根传动轴44上的第二锥齿轮42与车轮轴3上的第一锥齿轮41相啮合，第一根 传动轴44上的第三锥齿轮43与第二根传动轴44上靠近第一根传动轴44一端 的第三锥齿轮43相啮合，第二根传动轴44上靠近旋转件61一端的第三锥齿轮 43与旋转件61上的第三锥齿轮43相啮合。
50.作为一种优选的实施方式，磁场发生器5为亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈 是一种能制造小范围区域均匀磁场的电磁元件，在测试时，操作人员往亥姆霍兹 线圈内通入电流，即可得到匀强磁场。
51.作为一种优选的实施方式，本发明的一种轮胎与路面摩擦系数的测量装置， 还包括电极载板7，电极载板7的数量为两个，两个电极载板7分别与线圈62 的正极接头和负极接头电性连接，这里电极载板7作为线圈62的接电电极，具 体的，电极载板7通过电刷与线圈62的电极接头电性连接。
52.作为一种优选的实施方式，本发明的一种轮胎与路面摩擦系数的测量装置， 还包括监测器8，监测器8设置在承载体1上，用于监测车轮轴3的运动状态， 具体的，监测器8为转速传感器、码盘或其他具有转速监测功能的元件，在测试 时，由于车轮轴3与旋转件61传动连接，因此操作人员可以通过监测车轮轴3 的运动状态来监测旋转件61的运动状态。
53.本发明还提供了一种轮胎与路面摩擦系数的测量方法，应用于上述一种轮 胎与路面摩擦系数的测量装置，包括以下步骤：
54.s01：称出测量装置的重量，并将测量装置放置在路面上，根据测量装置与 路面之间的压力点计算出轮胎2对路面施加的压力；
55.s02：驱动承载体1沿平行于路面的方向移动，当轮胎2在路面上滚动时， 根据s01中轮胎2对路面施加的压力计算出轮胎2受到的摩擦力，测出轮胎2 的半径，并计算出摩擦力作用给车轮轴3的扭矩；
56.s03：测出传动件4的扭矩传动比，并结合s02中摩擦力作用给车轮轴3的 扭矩计算出摩擦力作用给旋转件61的扭矩；
57.s04：打开磁场发生器5，生成匀强磁场，计算匀强磁场的磁感应强度；
58.s05：测出线圈62的尺寸，往线圈62内通入电流，结合s04中匀强磁场的 磁感应强度计算出线圈62受到的安培力，并计算出安培力作用给旋转件61的 最大扭矩；
59.s06：逐渐增大通入线圈62内的电流，直至旋转件61停止转动，根据s03 中摩擦力作用给旋转件61的扭矩、s05中安培力作用给旋转件61的最大扭矩， 建立扭矩等式，根据旋转件61停止转动时线圈62内的电流计算出轮胎2与路 面之间的摩擦系数。
60.这里以测量装置的最佳工作状态对测量方法进行公式说明：
61.在不考虑测量装置摩擦损耗的情况下，假设路面为水平路面，承载体1与 运动小车连接，运动小车具备两个运动轮，并可带动承载体1沿水平方向移动， 轮胎2的数量为两个，两个轮胎2沿承载体1的运动方向对称设置在承载体1 的两侧，且两个轮胎2分别固定连接在车轮轴3的两端，车轮轴3与承载体1的 运动方向垂直，传动件4采用上述优选实施方式中的锥齿轮传动结构，磁场发 生器5采用亥姆霍兹线圈，旋转件61呈水平设置，且旋转件61的中心轴在水 平面上与磁场发生器5的磁感线相垂直，线圈62为方形结构，且线圈62的对 称轴为旋转件61的中心轴，在线圈62的转动过程中，线圈62的长边平行于旋 转件61的中心轴，并切割匀强磁场内的磁感线，线圈62的宽边垂直于旋转件 61的中心轴，并绕旋转件61的中心轴转动，线圈62的数量为两组，两组线圈 62相互绝缘且交叉呈90
°
设置。
62.s01：称出测量装置的重量m，并将测量装置放置在水平路面上，此时轮胎 2与路面相接触，操作人员通过挂钩或其他连接件来连接承载体1和运动小车， 由于运动小车具备两个运动轮，测量装置具备两个轮胎2，因此测量装置与路面 之间的压力点为4个，单个轮
胎2对路面施加的压力f1的计算公式如下：
[0063][0064]
其中，n＝4，为测量装置与路面之间的压力点；m为测量装置的重量；g为 重力加速度。
[0065]
s02：运动小车驱动承载体1沿平行于路面的方向移动，由于摩擦力f的作 用，轮胎2在路面上滚动，根据s01中的压力f1计算出轮胎2与路面之间的摩 擦力f，计算公式如下：
[0066][0067]
其中，μ为轮胎2与路面之间的摩擦系数；
[0068]
摩擦力f作用给车轮轴3的扭矩m1的计算公式如下：
[0069][0070]
其中，r0为轮胎2的半径。
[0071]
s03：测得传动件4的扭矩传动比，这里传动件4采用齿轮传动，传动件4 的扭矩传动比等于传动件4内齿轮的转速比，即传动件4的扭矩传动比等于第 二锥齿轮42的半径与第一锥齿轮41半径的比值，并结合s02中的扭矩m1计算 出摩擦力f作用给旋转件61的扭矩m2，计算公式如下：
[0072][0073]
其中，r1为第一锥齿轮41的半径；r2为第二锥齿轮42的半径。
[0074]
s04：往亥姆霍兹线圈内通入电流i0，亥姆霍兹线圈生成匀强磁场，计算匀 强磁场内的磁感应强度b，计算公式如下：
[0075][0076]
其中，μ0＝4π
×
10-7
h/m，为常量值；n0为亥姆霍兹线圈内的线圈匝数； i0为亥姆霍兹线圈内的电流；r为亥姆霍兹线圈的半径。
[0077]
s05：往线圈62内通入电流ie，根据s04中的磁感应强度b和通入线圈62的 电流ie计算出线圈62受到的安培力f2，计算公式如下：
[0078][0079]
其中，ie为线圈62内的电流，l1为线圈62的长边的长度；
[0080]
由于线圈62的数量为两组，两组线圈62相互绝缘且交叉设置，且两组线 圈62之间的夹角为90
°
，当两组线圈62与匀强磁场内磁感线之间的夹角均为 45
°
时，线圈62对旋转件61的阻碍作用最大，安培力f2作用给旋转件61的扭矩 m3最大，因此安培力f2作用给旋转件61的最大扭矩m3的计算公式如下：
[0081]
[0082]
其中，n1为线圈62内的匝数，l2为线圈62的宽边长度的一半；
[0083]
由于扭矩m3的作用，线圈62会阻碍旋转件61的周向转动，旋转件61的转 速开始下降，此时m2》m3。
[0084]
s06：逐渐增大通入线圈62内的电流ie，直至旋转件61停止转动，此时摩 擦力f作用给旋转件61的扭矩m2等于安培力f2作用给旋转件61的最大扭矩m3， 旋转件61达到扭矩平衡状态，建立扭矩等式m2＝m3，扭矩等式如下：
[0085][0086]
简化后得到摩擦系数μ与线圈62内的电流ie的关系式如下：
[0087][0088]
根据上述关系式，带入旋转件61停止转动时线圈62内的电流ie即可计算出 轮胎2与路面之间的摩擦系数μ；
[0089]
当旋转件61停止转动时，轮胎2在路面上立刻由滚动状态变为滑动状态。
[0090]
工作原理：如图1～图6所示，承载体1带动轮胎2在路面上滚动，车轮轴 3通过传动件4带动旋转件61发生周向转动，由于旋转件61与线圈62固定连 接，因此线圈62也会发生逆时针转动，当线圈62通电后，线圈62会在匀强磁 场内受到安培力的作用，并对旋转件61的周向转动起到阻碍作用，当摩擦力作 用在旋转件61上的扭矩等于安培力作用在旋转件61上的扭矩时，旋转件61停 止转动，此时车轮轴3停止转动，轮胎2在路面上滑行，操作人员可以根据旋转 件61停止转动时线圈62内的电流计算出轮胎2与路面之间的摩擦系数。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。