專利名稱：車路系統中路面與輪胎間空氣動力自動測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種自動測量裝置，具體涉及一種適用于道路工程中對行駛車輛與路面間 空氣壓力的測量和分析的自動測量裝置，其測量結果可用于路面損壞機理研究、路面降噪材 料研究、路面排水技術研究等領域。
背景技術：
行駛車輛與空氣發生相對運動產生了空氣動力，對于運動車輛而言，空氣動力始終作用 于車輛的表面。對于路面而言，路表承受著空氣動力的瞬時作用和反復作用。就單個輪胎來 看，由于空氣的粘滯作用，最鄰近輪胎表面的空氣粒子可粘附于輪胎表面上，并隨之轉動。 空氣的粘滯性導致周圍的空氣粒子也按照同樣的軌跡運動，這就造成了輪胎周圍空氣的旋轉 運動，理論空氣動力學稱該流譜為渦流。實際上，由于表面花紋的存在使接近輪胎表面的流 譜更為復雜。
輪胎在路面上向前滾動的過程中， 一方面處于迎面而來的勻速氣流中，另一方面空氣不 能從輪胎與路面的接觸面間通過。因此，車輪周圍的實際氣流是兩種截然不同的氣流——渦 流和勻速氣流疊加的結果，其流譜如圖3所示。
旋轉運動和車輪周圍的非對稱擾動造成的粘滯性影響使得勻風偏斜，這些非對稱壓力的 分布就會依據瑪格納斯效應產生一個氣動合力，如圖4。與此同時，這些非對稱壓力也作用于 路表。實際上，輪胎總是在汽車輪腔內旋轉，輪腔內空氣與迎面氣流只能在接近輪胎觸地部 位附近混合，而這一區域受到車輛離地間隙等復雜因素的影響，這就使路面附近的流譜更加 復雜。
通過對典型小汽車在不同行駛速度下輪胎與路面間的流線和路表壓力分布的有限元計算 分析可知，在前輪區域，氣流下部比較平靜，受汽車底面粘性邊界層的影響較小。汽車前端 下緣和路面間的速度局部提高，氣壓低于輪腔內的壓力，促使空氣從輪腔內噴出，與外部氣 流混合形成湍流。而從后輪腔噴出的氣體少于前輪，主要原因在于流入氣流和流出氣流之間 的壓力梯度小。
在車輪前部的迎風面與路面間存在一個壓力區域，而在輪胎后部的背風面與路面間存在 一個負壓區域。氣壓的大小隨車速的變化而變化，且前輪產生的氣壓高于后輪區域。氣壓分 布區域相對集中在輪胎與路面之間，該區域以外的壓力迅速下降。也就是說，在車輛通過的輪跡上，就某一點而言，它在瞬時就先后承受了空氣動力造成的正負壓力變換。對于大空隙 的瀝青路面來說，這樣的反復氣壓作用足以引發空隙內水氣狀態的變化，誘發路面的損壞。
風洞是研究空氣動力的理想試驗場所，但是要在風洞中準確地模擬車輪滾動狀態和氣流狀 況，技術上是難以達到的。 一種情況下，為了保證輪胎能夠轉動，把模型放在一個離地間隙 較小的位置，由于此時隨車輪外緣一起運動的粘性表面層的流動方向和總的氣流一致，在車 輪與地面之間的區域中將測出很大的抵抗壓力。這個負壓產生一個向下的氣動力，但在車輪 與地面接觸的情況下，這個力則是相反方向的。因此，這種測量方法完全不符合實際狀況。 另一種情況，為了保證車輪與路面的完全接觸，采用可與車輪同步移動的"活動地板"。但是， 地板使得空氣以和氣流相同的速度向后移動，這種工況同樣也不符合實際情況。某些實驗室 是把模型車輪升高一個很小的離地間隙轉動，但這將會在車輪與地面之間的縫隙中造成局部 氣流急劇增強，影響氣動合力，得到完全錯誤的結果。
解決這一問題的途徑是利用車載平臺進行實際的路測，而目前國內外對于車路系統中路 面與輪胎間的空氣動力測量仍然處于空白狀態。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種可以實現對不同行駛速度下的空氣動力進行 測量的車路系統中路面與輪胎間空氣動力自動測量裝置，以克服現有技術存在的上述缺陷。 本實用新型解決技術問題的技術方案如下
一種車路系統中路面與輪胎間空氣動力自動測量裝置，其特征在于，包括空氣壓力傳感 器、轉速傳感器、車載傳感器支架和數據掃描記錄儀，所述車載傳感器支架包括懸掛支架、 車輪同步盤和傳感器固定桿，所述車輪同步盤固定于車輪上與車輪同步轉動，所述懸掛支架 與車輪固定盤通過轉軸轉動連接，所述傳感器固定架固定于懸掛支架下端，所述轉速傳感器 固定于轉軸上，所述空氣壓力傳感器設置在傳感器固定架上位于輪胎的前后位置處，所述空 氣壓力傳感器和轉速傳感器分別與數據掃描記錄儀電性連接。
由于運動車輛輪胎與路面之間的空氣壓力是動態變化的，其壓力值與車輛行駛速度密切
相關，所以在測量空氣壓力的同時，必須對相應的行駛速度進行同步測量。此外，輪胎本身 是高速旋轉的，而且行駛中的振動使它的位置與車體不斷的發生著變化，因此在運動車輛輪 胎與路面間架設傳感器是相當困難的，需要借助能與輪胎保持固定相對位置的車載傳感器支 架，且該支架要能方便靈活的調節傳感器位置。本實用新型通過車載傳感器支架將空氣壓力 傳感器固定于輪胎前后，將轉速傳感器安置于車載傳感器支架的輪軸上，同步采集兩種傳感器的數據，實時的記錄保存，便于后期的對比分析。 本實用新型的優點
(1) 借助該套設備可以解決風洞試驗無法解決的難題，對車路系統中輪胎與路面之間的 空氣壓力的動態變化進行實際測量，從而突破了以往的測量盲區；
(2) 由于車路系統中輪胎與路面之間的空氣動力與車輛行駛速度密切相關，因此該套設 備對車輪轉速(也就能進一步計算車輛的行進速度)進行了同步的測量和記錄，便于后期的 研究整理；
(3) 由于對傳感器進行了高速掃描，因此可以實現高速自動數據采集，從而大幅度提高 了數據的精確性和數據采集的自動化；
(4) 傳感器隨車固定支架設計合理，為傳感器提供了穩定可靠的架設，并可以靈活調整 傳感器位置，可對路面與輪胎間的全區域進行測量；
(5) 測量是在車載平臺上進行，設備集成化程度高，便于運輸攜帶；
(6) 可拓展性好，每個傳感器支架上和擴展為多傳感器同時測量，從而大大提高工作效率。
圖1為本實用新型正視結構示意圖； 圖2為本實用新型側視結構示意圖3為運動車輪周圍的空氣流譜；
圖4為車輪的壓力分布。
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施例進一步說明本實用新型。
如圖1所示，本實用新型車路系統中路面與輪胎間空氣動力自動測量裝置，包括空氣壓
力傳感器ll、轉速傳感器9、車載傳感器支架和數據掃描記錄儀13，所述車載傳感器支架包 括萬向套管l、固定板2、滑桿3、懸掛支架5、車輪同步盤6和傳感器固定桿10;所述固定 板2—端固定于輪胎的輪腔上壁，另一端與萬向套管1固定連接；所述滑桿3上端穿過萬向 套管1可相對萬向套管垂直自由移動所述滑桿3下端與懸掛支架通過鉸鏈4轉動連接；所 述車輪同步盤6固定于車輪輪輞上與車輪同步轉動，所述懸掛支架5與車輪固定盤6通過轉 軸8轉動連接，所述懸掛支架5下端固定連接有橫向導軌7，所述傳感器固定架10滑動的連接于橫向導軌7內。所述轉速傳感器9固定于轉軸8上，所述空氣壓力傳感器ll設置在傳感 器固定架10上位于輪胎的前后位置處，所述空氣壓力傳感器11和轉速傳感器9分別與數據 掃描記錄儀13電性連接。
所述橫向導軌7上設有滑槽71，所述傳感器固定架10以滑槽為軌道在滑槽內位置可調。 所述固定板2上設有四個螺絲定位孔，通過螺絲固定于輪腔上壁。
本實用新型通過車輪同步盤6將車載傳感器支架固定于車輛輪胎上，使之能與輪胎同步 同心轉動，而位于同步盤中心的轉軸為懸掛支架提供了一個與車輪同步的支點。雖然懸掛支 架可以借助這個支點與車輪同步前進，但是必須使其保持穩定的垂直狀態，而不是隨車輪旋 轉。本實用新型又通過鉸鏈4、可垂直自由活動的滑桿3、萬向套管l、固定板2將懸掛支架 固定于輪腔上壁，限制了懸掛支架5的旋轉的同時，保證了滑桿3在萬向套管中的上下自由 活動，這樣一方面保持了與輪胎同步(相對位置固定)，另一方面保持了支架自身的穩定(減 小了振動影響)。
懸掛支架5可上下調節離地高度，傳感器固定架10也可沿導軌7調節與輪胎的距離，傳 感器可在傳感器支架上做平行于胎面的位置調節。因此，傳感器可以在輪胎與路面之間進行 三維位置調節，實現對該區域任意位置的空氣壓力測量。
本實用新型使用的空氣壓力傳感器量程為土2500Pa，轉速傳感器量程不小于2500rpm，數 據掃描記錄儀的掃描頻率為100Hz、
其工作流程如下
1. 首先選取平直的適合于測量的路段，在合適的氣象條件下(晴朗、地面風速小于5m/s) 進行測量；
2. 將車載傳感器支架固定于一側車輪上，并保證其穩定可靠；
3. 調節懸掛支架5、傳感器固定架10、傳感器，使輪胎前后的兩只空氣壓力傳感器11 正好位于期望的測量位置；
4. 將傳感器數據線連接到數據掃描記錄儀13上，并開機檢測；
5. 待一切準備就緒后，啟動車輛以不同的行駛速度行進，數據掃描記錄儀13將同步記 錄行車速度和輪胎前后空氣壓力的數值；
6. 反復多次試驗，測量車路系統中輪胎與路面間多個位置的空氣壓力，籍此可描繪該區 域不同行駛速度時的空氣壓力場分布。
權利要求1. 一種車路系統中路面與輪胎間空氣動力自動測量裝置，其特征在于，包括空氣壓力傳感器(11)、轉速傳感器(9)、車載傳感器支架和數據掃描記錄儀(13)，所述車載傳感器支架包括懸掛支架(5)、車輪同步盤(6)和傳感器固定桿(10)，所述車輪同步盤(6)固定于車輪上與車輪同步轉動，所述懸掛支架(5)與車輪固定盤(6)通過轉軸(8)連接，所述傳感器固定架(10)固定于懸掛支架下端，所述轉速傳感器(9)固定于轉軸(8)上，所述空氣壓力傳感器(11)設置在傳感器固定架(10)上位于輪胎的前后位置處，所述空氣壓力傳感器(11)和轉速傳感器(9)分別與數據掃描記錄儀(13)電性連接。
2. 根據權利要求l所述的空氣動力自動測量裝置，其特征在于，所述車載傳感器支架還 包括萬向套管(1)、固定板(2)和滑桿(3)，所述固定板(2) —端固定于輪胎的輪腔上壁， 另一端與萬向套管(1)固定連接；所述滑桿(3)上端穿過萬向套管(1)可相對萬向套管垂 直自由移動；所述滑桿(3)下端與懸掛支架通過鉸鏈(4)轉動連接；所述懸掛支架(5)下 端固定連接有橫向導軌(7)，所述傳感器固定架(10)滑動的連接于橫向導軌(7)內。
3. 根據權利要求2所述的空氣動力自動測量裝置，其特征在于，所述橫向導軌(7)上設 有滑槽(71)，所述傳感器固定架(10)設置在滑槽內。
4. 根據權利要求2所述的空氣動力自動測量裝置，其特征在于，所述固定板(2)上設有 四個螺絲定位孔，通過螺絲固定于輪腔上壁。
5. 根據權利要求2所述的空氣動力自動測量裝置，其特征在于，所述空氣壓力傳感器(ll) 量程為土2500Pa，轉速傳感器(9)量程不小于2500rpm，數據掃描記錄儀(13)的掃描頻率 為100Hz。
專利摘要本實用新型公開了一種車路系統中路面與輪胎間空氣動力自動測量裝置，包括空氣壓力傳感器、轉速傳感器、車載傳感器支架和數據掃描記錄儀，所述車載傳感器支架包括懸掛支架、車輪同步盤和傳感器固定桿，所述車輪同步盤固定于車輪上與車輪同步轉動，所述懸掛支架與車輪固定盤通過轉軸連接，所述傳感器固定架固定于懸掛支架下端，所述轉速傳感器固定于轉軸上，所述空氣壓力傳感器設置在傳感器固定架上位于輪胎的前后位置處，所述空氣壓力傳感器和轉速傳感器分別與數據掃描記錄儀電性連接。本實用新型可以對行駛車輛與路面間空氣壓力的測量和分析。
文檔編號G01L9/00GK201307044SQ20082015437
公開日2009年9月9日 申請日期2008年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者張宏超, 畢玉峰, 王松根 申請人:張宏超