摘 要

本文结合了目前实际的研究工作，介绍了几种目前报道的测试接地压力分布的方法及他们各自的特点，分别是压力传感器法、光吸收法和压敏膜法。并且运用其中的压敏膜法设计并进行了轮胎接地印记的采集实验，并且把图像处理技术应用到轮胎接地印记的数据处理上，借助MATLAB对轮胎接地印记的扫描图片进行处理，实现了轮胎接地压力分布的测量，可以清楚地指示轮胎与地面接触面压力分布。 它可以为研究轮胎的结构和性能提供实验依据，也可以作为计算地面压力分布时的计量数据。 在轮胎的应用和设计中具有一定的指导作用。

关键词：轮胎；压敏膜法；接地印记；图像处理；接地压力

Abstract

This paper combines the actual research work and introduces several test methods for grounding pressure distribution reported at present: pressure plate method, pressure sensor method, pressure sensitive membrane method and light absorption method. The pressure sensitive membrane method was used to design and carry out the tire grounding mark collection experiment, and the image processing technology was applied to the data processing of the tire grounding mark. The scanned image of the tire grounding mark was processed by MATLAB to realize the tire grounding pressure. The measurement of the distribution clearly shows the pressure distribution of the tire ground mark. It can provide experimental basis for tire structure and performance research, and can also be used as actual measurement data for theoretical calculation of ground pressure distribution. It has a certain guiding role in the design and application of tires.

Key Words: Tire; pressure sensitive film method; grounding mark; image processing; grounding pressure

目录

第1章 绪论 1

1.1 轮胎接地压力的研究现状 1

1.2研究的目标 3

1.3 研究的主要方法及特点 3

1.3.1压力板法 3

1.3.2压力敏感膜法 4

1.3.3光吸收法 5

1.4 轮胎的结构 5

第2章 轮胎静态接地印记的实验 8

2.1实验条件 8

2.2 拟采用的技术方案及措施 8

2.3 实验过程 8

2.4 实验的结果 11

第3章 MATLAB对图片的处理 12

3.1 MATLAB程序介绍 12

3.2 MATLAB程序编写 12

3.3 MATLAB对图像的处理 13

3.3.1 MATLAB提取图像灰度值和图像二值化 13

3.3.2 MATLAB曲线拟合 16

3.3.3 MATLAB对轮胎接地压力的计算 17

3.4 图像的二值化 18

3.5 轮胎接地印记图像数据的处理 18

第4章 总结与展望 19

4.1论文总结 19

4.2未来展望 19

参考文献 21

附录 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 轮胎接地压力的研究现状

在过去的十年中，随着运输业的发展，对轮胎有了安全，节能，高速，耐磨和舒适性等要求。所有这些性能都是通过轮胎与地面的接触区域决定的的。接收区域负担着不同操作行为（扭转，加速，制动等）和不同路况（冰，干，湿）的汽车轮胎到地面之间的负载传递，因此研究轮胎与地面间的接触情况的详细数据已经成为了研究轮胎工作者在工作时的具体情况的焦点之一。

在研究轮胎与地面相接触的接地面的接触性质问题时，分析轮胎与地面间的连接区域的压力分布十分重要，因为它与轮胎的耐磨性，在行驶过程中车辆的制动性，车辆的牵引力，车辆的转向稳定性和轮胎的滚动阻力直接相关。

目前的研究现状主要包括：根据子午线轮胎与水泥路面的实际接触情况，采用ABAQUS有限元分析软件进行轮胎－路面的三维整体建模，分析了汽车子午线轮胎的静止状态和运动状态的接地压力分布。最后的分析结果表明：轮胎的内部压力和有效的实际负载对于轮胎的静态接地的压力分布结果有较大影响；轮胎的内部压力、有效的实际负载和运动的速度对动态接地压力的分布有很大影响^[1]；应用ABAQUS有限元分析软件，对接地压力分布情况和接地痕迹的影响因素进行系统的研究，探索不同的因素对这两个轮胎参数的作用，以求科学的论证适合的内部充气压力值和垂直方向载荷的取值。结果表明，在固定垂直方向的载荷下，随着气压的不断增大，法向应力的最大值由胎肩不断的向胎冠中心靠拢。在一个标准大气压下，随着轮胎载荷的不断增大，轮胎最大法向应力由胎冠中心不断的向胎肩移动^[2]；测量了在20-30℃的室温条件下，环道尼龙轮胎在不同的轮胎充气压力、不同负载条件下的轮胎的实际接地面积，分析了轮胎平均接地压力和负载、轮胎内部充气压力之间的关系。试验分析表明，环道轮胎的平均接地压力与轮胎的充气压力、负载之间呈线性正相关，轮胎充气压力与负载两者对于轮胎的平均接地压力的影响具有大致等同的作用^[3]；提出了根据轮胎的下沉量及其内部充气压力研究汽车轮胎的静止状态下接地压力的方法。利用项目中设计的一个基于轮胎下沉量及轮胎内部充气压力的测量方法的测量系统，在测量系统中获得所需要的数据同时生成Excel文档。然后利用在Excel文档中储存的数据训练与BP神经网络模型，对轮胎的接地压力进行一定的预测^[4]；运用已拥有的Tekscan轮胎的接地压力分布测量系统进行半钢子午线轮胎静止状态和滚动状态时轮胎接地特性的试验研究。结果表明：随着轮胎内部气压的不断增大，轮胎的接地压力也趋向于均匀分布，最大接地压力不断增大，轮胎胎冠两侧的应力集中现象有较大缓解；随着轮胎内部气压的减小，轮胎接地印记的宽度基本不变，但接地印记的长度和接地面积均有不同程度的增大。在相同的了轮胎内部气压条件下，滚动状态时，轮胎接地特性的各项指标普遍要比静止状态下的更小。相对于静止状态，滚动状态下轮胎的接地压力分布更加均匀，胎冠两侧应力集中有明显减小^[5]；利用压力板法测试了两种不相同规格的子午线轮胎的轮胎与地面间的接地压力分布情况,并在不同轮胎有效负荷、不同的轮胎内部气压以及不同的表面花纹情况下分别进行了轮胎接地压力分布的测量^[6]；根据轮胎在实际的情况中与沥青路面相互作用的方式运用有限元分析软件建立了轮胎在沥青路面上的系统动力学模型，研究了静止状态的轮胎和滚动状态的轮胎分别对路面作用的载荷特征，并且提出了轮胎在沥青路面上的接地压力模型。为后续继续深入的在研究沥青路面上的轮胎接地面的力学行为，行之有效的延长沥青路面的使用年限等工作提供了一定的依据^[7]；利用ANSYS有限元分析软件建立了子午线轮胎的有限元分析模型，计算了在一定的胎压负载和一定的汽车重力负载作用下轮胎的变形、应力和接地印记^[8]；利用ANSYS分析软件建立了轮胎三维有限元模型，数值分析了轮胎在不同内部气压下的接地特性的变化规律，分析的结果与已经拥有的实验结果基本一致，对于指导轮胎的外轮廓设计、实现轮胎接地面内应力的均匀分布具有不错的参考意义^[9]；使用ABAQUS有限元分析软件．考虑了轮胎的材料非线性、接触非线性等复杂的力学特性。建立了光滑面和带有花纹面的185／70R14半钢子午线轮胎的两个不同的三维有限元分析模型，通过不断地改变轮胎内部的压强、轮胎运动速度和轮胎与地面的摩擦系数等参数，得到了光面轮胎在静止状态接地、稳定状态的滚动、加速然后刹车和轮胎侧偏工况下的接地印记。研究了不同的轮胎内部气压、负载、速度和与地面间的摩擦系数下接地印痕的变化；得到了带有花纹面的轮胎的静态接地印记，并且考察了不同的有效载荷下该接地印记的变化^[11]；基于有限元分析法和能量等效原理，研究了在实际的交通状况下轮胎的接地压力分布，建立了便于在工程应用中使用的轮胎接地压力模型，并提出圆形均匀压力模式的等效转换，为轮胎与路面的设计分析提供了简易且行之有效的荷载模型^[12]；利用了工作小组开发的轮胎与地面间的接地压力测试仪器，在不同的轮胎内部压力压及相同的竖直方向的负荷作用下，对拥有不同的印记和不同的使用时间的轮胎的货车进行了轮胎与地面间的实际接地压力分布的测量。实测结果发现：轻型货车的轮胎和路面的接触形状更相似于矩形；新的轮胎比旧的轮胎的接地压力要均匀一些；轮胎的内部压力与轮胎的平均接地压力、轮胎的竖直方向的有效与轮胎-轮胎接触的地面之间的平均接地压力、轮胎的有效实际负荷与实际接地面积，在一定条件下基本表现出线性关系^[13]；将现代化的图像处理技术应用到轮胎接地印记的几何参数提取领域，提出了一种基于现代电子图像处理技术的轮胎接地几何参数的提取方法，并开发了对应的软件系统。根据轮胎接地印记的扫描图像，精确的重现了轮胎接地印记。通过了图像处理技术对获取的接地印记进行一定的过滤杂波及增强轮廓处理，减少内部的空洞及边缘的不光滑导致的测量误差。提取包括投影的面积、有效的接触面积、印记的宽度、印记的长度、和轮胎花纹的间隙宽度在内的几何信息，实现了轮胎接地印记的几何参数的快速测量^[14]；使用MATLAB建立了接地压力的三维分布图，研究轮胎的有效载荷和轮胎的内部压力等因素对轮胎自由滚动状态下竖直方向、水平纵向和水平横向的接地压力分布的影响，并且以双指数函数模型为基础，建立了纵向接地压力模型的解析函数^[16]。

1.2研究的目标

本文旨在通过小车轮胎的静态接地印记来测量轮胎的静态接地压力分布，将得到的结果与小车轮胎的ANSYS模型仿真计算结果相比对，研究其建模计算过程是否准确无误。

同时轮胎的接地压力在轮胎结构的设计中占有重要的地位，轮胎与地面间的接地压力分布的是否合理会直接影响到轮胎的使用性能。如果能够准确的把握轮胎与地面间的接触面的各个点的压力分布,不但对于轮胎的设计有一定指引，而且有效的能够延长轮胎的使用寿命,同时减少路面遭到轮胎碾压破坏,有效的延长路面的使用寿命。故此研究轮胎静态接地压力对保护轮胎的磨损和路面的损坏都具有重要的现实意义。​

1.3 研究的主要方法及特点

各种运算理论最后得到的结果都是需要与实际测量过程中得到的结果进行最后的对比，因此在实际操作中进行轮胎与地面间的接地压力分布的实验是有必要的。在实际操作中测量轮胎与地面间的接地压力的方法，一般可分为如下四种方法：①压力板法；②压力敏感膜法；③光吸收法。由于压力敏感膜具有测量精度较高，操作较简便，本文采用压力敏感膜法

1.3.1压力板法

压力板是一块硫化橡胶板，表面带有锥形颗粒。各颗锥形颗粒以一定的规律均匀的分布在硫化橡胶板上，并且锥形颗粒的大小相同。硫化橡胶的硬度适中，一般情况下在邵尔A型硬度60-100度之间。；利用硫化橡胶压力板测量轮胎与地面间的接地压力的分布的优点是：操作简便并且进行实验的成本很低。而且只需要通过一次简单的测量就可以完整的获得汽车的轮胎在静止状态下的与地面接触的平面上的垂直方向上的压力分布。所以，压力板测量接地压力法是目前国内测量轮胎与地面接地压力的较为常用的方法。

压力板测量轮胎与地面间的接地压力的这种方法虽然简便，但还是有很多的缺点：①不同的压力板对与压力的敏感程度可能会有一定的区别，这可能会对轮胎接地印迹直径的大小和轮胎接地印迹的边缘的区分程度有一定的影响，如果获得的轮胎接地印记边缘较为模糊会使的接地印迹不容易分辨，从而对实验测量得到的结果的准确性有较大影响；②由于轮胎接地印迹的直径的大小需要通过人工的判断来决定，但是测量的工具的差别和测量的工作人员与习惯的差异而有较大的差异会导致最终的读数的相对误差。特别是当轮胎的接地印迹的直径很小时，这种由于个体差异造成的误差会更加的大。把印迹扫描后得到的轮胎与地面相接触的图像用计算机进行图像处理，可以最大限度的减小这种个体误差；③橡胶随着时间的老化和随着周围的环境的温度的变化是不容易去避免的，在一定程度上都会造成橡胶的一些物理性质的变化，会使得压力板在实际上的压力与形变得关系与原来通过实验标定的压力与实验的关系在一定程度上不一致。需要每经过一段时间就要通过准确的实验数据来重新标定压力板的压力与形变的关系；④由于小车的轮胎在逐步缓慢的加载到较大负荷的步骤中，花纹一般情况下会有一点点微小的移动，造成压力板上的锥形颗粒在小车轮胎接地印记的印痕纸上留下的接地印记是椭圆形，使得轮胎接地印记的直径的判断出现很大的误差。在实验过程中，一般情况下需要尽量降低小车轮胎的负载的加载速度以减小读取误差。

1.3.2压力敏感膜法

压力敏感膜法即压敏纸法，它的原理是根据同一张压敏纸在不同的恒定压力作用下，压敏纸变化的颜色深度不同。通过实验确认压敏纸上施加的不同的恒定压力与压敏纸上不同的颜色变化的关系，可以把压敏纸上的变化的颜色深度直接转换成该点压敏纸受到的力，从而得到压敏纸上的压力分布情况。这项基础的技术国外早在70年代初就将其应用到了轮胎接地压力的测试上。

日本F1JJI公司生产的富士压敏纸在80年代初应用到轮胎接地压力分布的测量中，并取得了良好的效果。压敏纸分为单片型压敏纸和双片型压敏纸，单片型压敏纸适用于平均压力较高的地方，双片型则适用于平均压力较低的地方。

在某种意义上，压敏纸就是相当于一些微小的压力传感器密集均匀的排布成的一个压力传感器的阵列，它有效的测量区域可精确到±1mm。因此，应用压敏纸法可以在最终实验获得的准确压 力分布图上观察到整个轮胎与地面的接触面内的极为详细的竖直压力分布，就连轮胎胎肩的边缘的花纹块的准确压力分布也可以很清楚的观察到。这一结果 对于优化轮胎的压力承受能力、抗磨损能力具有不错的指导意义。这也是压力 传感器法所不能比拟的。同时压敏纸法测量轮胎与地面间的接地压力分布 的特点是：实验的过程十分方便、快捷，最后得到的实验结果也非常的精确，同时具有可视化和数字化的特点。但由于压敏纸自身的特性，该方法只能用于在静态下 测量轮胎的接地压力分布的实验，拥有一定的局限性。

1.3.3光吸收法

有人发现光学棱镜和粗糙的橡胶的表面之间的某一点对于光线的吸收量或光线的散射度与他们受到的实际压 力有关。根据这种现象，可以把轮胎与地面的接触面内的这种光的暗亮分布 转换成轮胎与地面间的接触面的压力分布。其中轮胎与地面间的接触面的 压力分布可以用数据表达出来并且可以从图像中通过计算机来观察到。这种 实验装置的原理是光学棱镜吸收的光亮和橡胶的粗糙表面上某一个点的吸收 光量是有关于压力的函数。在接地区域中的这些点处的光吸收以小间隔（约0.25mm）逐点测量，可以获得轮胎与地面间的接地区的光吸收的分布，然后转换成轮胎与地面间的面的压力分布。

该设备的光学系统由一个光源，两个反射镜1和2，玻璃透镜，矩形棱镜，小孔片及光电转换管组成。由唯一的光源发出的光线经过反射镜1照到轮胎的胎面与平板玻璃表面的接触点，即测量点A。入射的光被反射镜2反射后，通过板上的小孔进入光电转换管。其中，透镜到点A间的距离等于透镜到小孔的距离，因此直径为0.3mm大小的小孔就对应于测量点A处的一个测量区域，其直径也是0.3mm。

其中一个工作平台上安装着光学系统的测量 部份，两个相互垂直驱动的步进电机驱动着这个工作平台，使得这个工作平台 可以在x方向和y方向上平行移动。这样在电机的驱动下光学测量的装置可以逐个点的完整出测量整个轮胎与地面间的接地区内的光吸收量的分 布。通过标定光线的吸收量与平面受到的压力的转换关系，就可以将棱镜 的光线的吸收量在平台上分布转换为轮胎与地面的接触面的压力分布。

通过光线吸收系统 测量得到的电信号需要经过电子计算机 的处理，才能显示为直观的数据或者用更加直观的 图像表示出来。这个系统的原理图如图1-2，从利用设备严格测量 得到的轮胎接地压力分布图上可以看到，由于设备的构造问题，测量点的直径只有0.3mm，于是得到的压力 分布图也很精密，甚至连测量物体的的微小凸出或者花纹所造成的 接地压力的微量增大都可以清楚的表现出来。光吸收法与上面的压敏纸测压力法由共同的优点。

1.4 轮胎的结构

轮胎作为汽车上不可或缺的部件，它的主要作用是：①和汽车的 悬架系统共同发挥作用，可以缓冲汽车行驶时地面对车身的冲击力，并且衰减地面 传来的震动，以保证汽车拥有良好的乘坐舒适性和驾驶平顺性；②保证汽车在地面上行驶时，轮胎拥有良好附着性，对于提高汽车的牵引力有一定的作用，同时能够增加汽车行驶时的制动力和通过性；③承担整车的重量，并能对路面传递各个方向的力。

现代汽车的汽车轮胎按照汽车的使用用途分，可将轮胎分为轿车轮胎和载货汽车轮胎两种；按轮胎胎体的结构不同，可以将轮胎分为充气轮胎和实心轮胎两种，现代汽车绝大多数采用充气轮胎；按轮胎的内部组成结构不同，又可以将轮胎分为有内胎和无内胎轮胎两种；按胎体中组成帘线的排列方向不同，可将轮胎分为子午线轮胎和普通斜交轮胎两种。

有内胎的轮胎是由高强度的富有弹性的外胎、充满了压缩空气的内胎和放置在内胎与轮辋之间的垫带等部分组成的。细分还可以分为胎面、胎肩、胎侧、胎圈等。其中还可分为胎面花纹、防擦线、胎圈底面，胎趾等。构成轮胎的材料名称主要有：胎圈包布、带束、胎面胶、胎侧胶、帘布层、气密层、钢丝圈、帘布层包布、辅助缓冲层。

外胎是一个很有弹性的布囊，它能使利用自身的弹性使得内胎不会受到外界物体的碰撞造成损坏，使得内胎能够保持稳定工作的状态，能够承受汽车各个方向的力，并保证地面与轮胎间的制动力能够满足要求。

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