VESevo測(cè)試原理的解讀猜想

— 沖擊測(cè)試方法的應(yīng)用

先來看一段新聞文章，然后再研讀一番：

“F1維修區(qū)再添新儀器 神秘裝備助車隊(duì)掌控2021輪胎"

F1車隊(duì)深知，掌握輪胎是在排位賽和比賽中釋放性能的關(guān)鍵。這也是為什么在每次F1測(cè)試和練習(xí)賽的過程中，在檢查輪胎溫度和耐久性方面做了這么多工作。

在上周末的巴林F1季前測(cè)試中，關(guān)注圍場(chǎng)動(dòng)態(tài)的車迷不難發(fā)現(xiàn)，在P房中車隊(duì)工作人員手中多了一件裝備——“槍"，這可能是車隊(duì)掌握2021年新輪胎的最新舉措。

眼尖的觀察者發(fā)現(xiàn)一些技師對(duì)輪胎做了些許不尋常的事情，當(dāng)輪胎從F1比賽用車上卸下來時(shí)，他們使用了一把神秘的槍。這把槍似乎是用來敲打橡膠的，雖然使用它的人盡力對(duì)他們的工作保密，但他們?cè)谧鍪裁吹拇鸢敢呀?jīng)被熟悉F1比賽用車工作的人知曉。

這把“槍"被稱為VESevo——來源于意大利著名火山的拉丁文名，由意大利公司MegaRide生產(chǎn)。它是“粘彈性評(píng)估系統(tǒng)--EVOlved"的縮寫，是那不勒斯費(fèi)德里科二世大學(xué)車輛動(dòng)力學(xué)模擬小組的一個(gè)研究項(xiàng)目的成果。

該槍的作用是幫助收集輪胎胎面的信息，以了解輪胎在賽道上行駛時(shí)的反應(yīng)和表現(xiàn)。

使用*的后處理算法，使用戶能夠充分了解輪胎的物理特性：更好地分析內(nèi)部溫度、化合物的剛度、處理劑的磨損及其阻尼特性。

這些都可以在圖表上繪制出來（如下），然后作為一種工具，更好地了解輪胎溫度和賽道表面對(duì)橡膠性能和耐久性的影響。

注：橫軸：溫度.

縱軸：損耗值，或者是粘彈比，TAN等都是相同的意思

這些信息對(duì)于深入了解輪胎的性能至關(guān)重要，從而幫助車隊(duì)更好地預(yù)測(cè)如何發(fā)揮橡膠的最大作用。盡管倍耐力已經(jīng)為車隊(duì)提供了大量關(guān)于輪胎正確工作范圍的數(shù)據(jù)，但這并不能阻止車手有時(shí)向工程師抱怨輪胎仍不能達(dá)到最好狀態(tài)工作，或其退化情況比預(yù)期的要嚴(yán)重得多。

雖然VESevo噴槍在使用時(shí)對(duì)輪胎有一個(gè)敲打的動(dòng)作，但實(shí)際上它是一個(gè)非破壞性的測(cè)試工具，所以橡膠本身并沒有被破壞。相反，這個(gè)敲打的動(dòng)作只是為了幫助工具更好地了解胎面和橡膠的粘彈性特性。

目前還不清楚到底有多少支F1車隊(duì)在巴林使用了VESevo噴槍，但事實(shí)上，有人看到MegaRide的技術(shù)人員正在將信息下載到電腦上，這說明已經(jīng)有幾支車隊(duì)正在使用，而更多的車隊(duì)可能會(huì)跟進(jìn)，因?yàn)樗麄円呀?jīng)看到了他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在做什么。

MegaRide槍已經(jīng)被Trident車隊(duì)在F2、F3中使用，而在Formula E、DTM和MotoGP中已經(jīng)被廣泛使用。不過，巴林測(cè)試是第一次將其投入到F1維修區(qū)中使用。

讓我們仔細(xì)研讀分析一下這篇新聞：

1. 神秘性：VESevo的測(cè)試原理一直沒有公布，對(duì)一種新型儀器保密，從而保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這是可以理解的，從另一個(gè)角度看，這種技術(shù)應(yīng)該不會(huì)是太*的東西 ，復(fù)制。

2. 兩根信號(hào)線：我們可以做一些基本判斷，可以看到，外殼用一把槍的外形包裹起來，也能看出其體積不太大，而且有兩根信號(hào)線。其中一支在頭部，應(yīng)該是貼緊輪胎表面，測(cè)量表面溫度用，另一根應(yīng)該是沖擊信號(hào)用。

3. “LOSS FACTOR"：翻譯過來就是“損耗系數(shù)"，在動(dòng)態(tài)測(cè)試中經(jīng)常使用這個(gè)參數(shù)，還有其他的叫法，如損耗比，粘彈性，TAN等，形象地描述定義是這樣的：當(dāng)一個(gè)鋼球從高度H落下，沖擊到輪胎胎面，然后反彈跳到H1高度，那么剩下的(H-H1)這一段高度的能量就被損耗了，損耗的能量與回彈能量之比=（H-H1）/H1=H/H1 -1，其中H/H1就是回彈性的倒數(shù)。只要知道回彈性比，就可以計(jì)算損耗系數(shù)。

4.  沖擊，敲打動(dòng)作：這種儀器是對(duì)輪胎胎面實(shí)施一個(gè)沖擊動(dòng)作，而且不會(huì)破壞輪胎，沖擊力應(yīng)該不會(huì)太大。

從以上的描述中，我們可以大膽推測(cè)，這套VESevo系統(tǒng)，應(yīng)該與便攜式回彈性測(cè)試儀有很大的相似性。

下圖為便攜式回彈性測(cè)試儀的原理圖：

圖中 沖擊體2 在彈簧作用下沖擊測(cè)試面，永磁體1經(jīng)過感性線圈4的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其電壓與沖擊速度成正比。因此可以測(cè)量感應(yīng)電壓來測(cè)量沖擊速度的變化，通過回彈速度與沖擊速度的比值，求得回彈性的大小。由得到的回彈性數(shù)值，可以轉(zhuǎn)換成粘彈比數(shù)值。如下圖所示：

圖2：回彈性，粘彈比與速度和高度的關(guān)系

                         圖3 便攜式回彈性測(cè)試儀沖擊裝置結(jié)構(gòu)圖

 VESevo沖擊裝置照片     與      便攜式回彈性測(cè)試儀     

兩者對(duì)比，不同點(diǎn)是VESevo有兩根電纜線，其中一個(gè)在頭部的溫度感應(yīng)線，后部的電纜應(yīng)該是測(cè)量回彈性或者粘彈性的。這樣每次測(cè)試會(huì)輸出溫度和粘彈性值，溫度在不斷改變，對(duì)應(yīng)的粘彈性也不斷測(cè)量出來，組成一條“溫度-粘彈性"曲線。

只不過沖擊裝置被封閉在一個(gè)“槍"里面，保持“神秘性"，不讓別人了解其技術(shù)機(jī)密。

這套測(cè)試裝置據(jù)說國(guó)內(nèi)在清華大學(xué)有一套，價(jià)格高達(dá)十幾萬歐元。而便攜式回彈儀的價(jià)格只有區(qū)區(qū)1.5萬人民幣而已。

我們要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，低成本的辦法是在便攜式回彈性測(cè)試儀的基礎(chǔ)上，再加一個(gè)表面溫度測(cè)量計(jì)（價(jià)格一般只有幾千元）就可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，推測(cè)方案如下：

測(cè)試用的輪胎先在高速耐久試驗(yàn)機(jī)上跑一段時(shí)間，輪胎表面溫度會(huì)升高到一定程度，然后停機(jī)后，馬上在幾個(gè)標(biāo)定的輪胎花紋塊位置上用表面溫度計(jì)測(cè)量溫度，然后接著用回彈儀測(cè)量回彈性，記錄下來。

輪胎的溫度在不斷下降，要間隔固定時(shí)間，或間隔固定溫度，不斷測(cè)量回彈性，最后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表，畫出“溫度—粘彈性"曲線。

不過回彈性的測(cè)試往往不容易控制，影響的因素很多，溫度是一個(gè)方面，胎壓也很重要，還有老化程度，磨損程度等等都可能會(huì)影響粘彈性，當(dāng)然配方和花紋架構(gòu)肯定有影響，甚至輪輞的型號(hào)也可能影響回彈性。如果其他條件不變的情況下，只有一項(xiàng)性能在改變，例如只有溫度改變，或胎壓改變，那就可以得到溫度與回彈性的關(guān)系，胎壓與回彈性的關(guān)系等等。

輪胎的粘彈性（回彈性）非常重要，與剎車性能，操控性能，噪音，節(jié)能型等等有關(guān)。所以對(duì)輪胎各種條件下的回彈性測(cè)試很有必要。

以前人們對(duì)輪胎的回彈性基本沒有測(cè)試，輪胎沖擊的測(cè)試主要是側(cè)重破壞性試驗(yàn)，檢驗(yàn)輪胎耐受沖擊的能力。不過在絕大多數(shù)情況下，輪胎是不太可能受到這種程度的沖擊破壞。反而是在日常使用中，人們對(duì)一些基本的要求非常關(guān)心。

現(xiàn)有的回彈性測(cè)試方法是GB-1681硫化橡膠回彈性測(cè)試方法，只適合于標(biāo)準(zhǔn)試樣的測(cè)試，嚴(yán)格要求其試樣大小尺寸，約束力，支撐條件等，卻無法測(cè)試輪胎。輪胎在不同胎壓，溫度，老化程度下，回彈性是怎樣變化的，這是我們最關(guān)心的問題，只有便攜式的回彈儀才能測(cè)量，或者這種VESevo沖擊測(cè)試儀才能做到。

除了用回彈性的測(cè)試之外，最近幾年興起的與沖擊相關(guān)的輪胎測(cè)試，還有輪胎模態(tài)分析，有的稱為LMS測(cè)試，如下圖。

這套裝置的測(cè)試原理是用一個(gè)力錘敲擊輪胎，力錘本身帶有加速度傳感器，可以測(cè)量敲擊時(shí)的加速度曲線，如果加速度數(shù)值的取樣速率足夠高（至少達(dá)到每毫秒100次以上，最好1兆次每秒，當(dāng)然現(xiàn)在還沒有廠家能做到的），理論上可以用加速度數(shù)據(jù)積分得到速度數(shù)據(jù)曲線，也可以得到回彈性和粘彈比。這個(gè)能力將來需要儀器廠家加以開發(fā)研究。

當(dāng)然，LMS模態(tài)分析主要的測(cè)試內(nèi)容是分析振動(dòng)頻譜在各個(gè)位置的響應(yīng)，它用敷設(shè)在輪輞處的加速度感應(yīng)器，可以測(cè)量振動(dòng)感應(yīng)情況，例如用力錘敲擊胎面，從敷設(shè)在輪輞處的振動(dòng)傳感器得到振動(dòng)數(shù)值，從而得到振動(dòng)的傳遞函數(shù)，這對(duì)輪胎的舒適性研究，疲勞性分析也是非常重要的。

輪胎測(cè)試方法雖然已經(jīng)有很多，但新的技術(shù)方案仍然在不斷推出，特別是沖擊的測(cè)試，通過高速數(shù)據(jù)采集，可以得到更多更好的輪胎分析，從而幫助設(shè)計(jì)出更好的輪胎。