《Journal of Terramechanics》：Terramechanics rig capabilities and illustrative applications of its use for the study of tires/wheels performance on ice and deformable soil
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轮胎-地形相互作用实验研究：弗吉尼亚理工大学全尺寸室内测试平台设计、多地形测试方法及数据采集系统
作者：Varsha S. Swamy、Nikhil Ravichandran、Dhruvin Jasoliya、Alexandru Vilsan、Corina Sandu
所属机构：美国弗吉尼亚理工大学机械工程系，布莱克斯堡，弗吉尼亚州
摘要
实验测试是地面力学研究中的关键环节。由于轮胎与地形相互作用的高度复杂性，测试数据在评估车辆/轮胎性能以及深入了解其背后的物理机制方面发挥着重要作用。本文详细介绍了弗吉尼亚理工大学地面力学、多体系统和车辆系统实验室中的非公路轮胎测试装置。该装置为全尺寸室内可控的四轮车模型，能够测试轮胎在多种地形条件下的牵引力、制动性能和转弯性能，包括刚性表面、多种土壤类型和冰面。首先，我们概述了该测试装置的概念和设计要点，重点介绍了确保测试结果可重复性的组件，如正常载荷和滑移率控制系统，以及离合器和制动系统的集成。该装置可与数据采集和测量系统配合使用，能够记录力、力矩、瞬时沉降量、车辙轮廓、土壤应力、锥形指数、轮胎接触温度等参数。为了展示该装置的性能，我们展示了在冰面、沙质壤土和月球土壤模拟物上进行的三项测试案例。研究表明，该地面力学测试装置具有出色的控制能力、多样的测试环境，并能确保测试结果的可重复性。
引言
了解车辆与地形的相互作用是非公路车辆机动性的关键但具有挑战性的方面，因为自然地形条件会对车辆的行驶系统乃至整体性能产生影响。捕捉轮胎、地形及其相互作用之间的物理规律涉及诸多复杂性和近似处理。因此，广泛的实验测试被证明是预测和优化性能的最可靠方法之一，可以生成大量数据，用于客观和主观的性能评估，以及各类模型的验证。
非公路轮胎测试的主要目标是建立标准程序，在尽可能模拟轮胎自然工作环境的条件下获得一致且可靠的结果。因此，地面力学领域主要开展了两种类型的测试：室外测试和室内测试。室外测试通常适用于大型车辆和轮胎，尤其是当需要直接使用性能数据或拟合依赖数据驱动方法的经验模型或半经验模型时。室外测试的优势在于能够真实反映自然条件下的车辆-地形相互作用。然而，室外测试环境具有不可控、不均匀和不确定的特性，这可能影响测试结果的可重复性。为此，人们开发了特定的地形选择方法、土壤处理程序和数据处理方法以提高测试的一致性。此外，准确描述土壤的自然状态（例如在建模时）至关重要。为此，必须高效测量土壤类型、密度、含水量、锥形指数、加州承载比（CBR）等关键参数，这些测量通常需要在测试过程中进行。这些测量不仅描述了土壤的状态，还建立了这些参数与标准工程土壤属性之间的关联，以扩大应用范围。
为了创造更加可控的测试环境并实现可重复的测试结果，一些政府实验室和大学开发了室内轮胎-地形测试装置。这些装置可分为全尺寸模型和缩比模型两种类型（Swamy等人，2023年）。这些装置可以精确控制与轮胎（如 camber 角、 toe 角、正常载荷、滑移率和充气压力）和地形（如深度、土壤类型、密度和含水量）相关的各种参数。这种可控的设置使研究人员能够系统地研究各种因素对轮胎-地形相互作用的影响，从而促进理论和物理模型的发展。然而，主要挑战在于在测试装置内重现现实世界条件。未受扰动的土壤特性往往与重塑后的土壤不同，这可能导致测试结果存在差异（Upadhyaya等人，1986年）。此外，这些装置可能无法进行高速测试。尽管如此，在这些受控环境中观察到的定性趋势和规律通常与实地情况一致。因此，室内测试得到了广泛应用，尤其是在处理多个变量（如在开发不同轮胎设计或自动驾驶系统算法时）或验证高级模型时。室内测试的主要目标是建立基于物理原理的理解，并通过大量数据收集为实际应用提供支持。因此，室内和室外测试通常用于不同的目的。
接下来的两段将介绍几种全尺寸室内测试装置的例子及其独特功能。最早的大型土壤测试装置之一是由阿拉巴马州奥本的国家土壤动力学实验室开发的（Gill，1990年；Ani等人，2018年）。多年来，该实验室不断发展，配备了适用于室内和室外轮胎测试的车辆和不同的测量系统。早期，他们安装了一个能够测量六方向应力状态的土壤应力传感器（Bailey和Burt，1988年）。后来，他们建造了一种室内全地形车辆单轮牵引机；该系统采用线性操作（通过操纵杆手动控制角速度），并具有被动正常载荷功能，配备了土壤-轮胎界面压力传感器（Way，2009年；Way和Kishimoto，2004年）。另一个专为研究军用地面车辆机动性设计的重要室内土壤测试设施位于密西西比州维克斯堡的美国陆军工程兵团工程研究与发展中心（ERDC），该中心前身为水道实验站（WES）。自20世纪60年代以来，该设施一直用于室内测试充气轮胎（McRae等人，1965年）。这些测试旨在将轮胎-土壤系统参数与性能联系起来，从而开发出了至今仍在使用的轮胎轮数值模型（Green，1967年；Turnage，1972年）。美国其他著名的早期研究实验室还包括国家耕作与机械实验室（NTML）和卡特彼勒拖拉机公司（Clark和Liljedahl，1968年）。NASA格伦研究中心也设有多个专门用于测试月球探测车的实验室（NASA格伦研究中心，2024年）。其中一个值得注意的设施是一种拉杆牵引装置（Creager等人，2017年），它通过电缆和磁离合器对测试车辆施加可控的牵引力，并记录所施加的张力。此外，还采用了机器人激光跟踪系统来高精度测量车辆速度和车轮沉降量。
Godwin等人（1980年）开发了一种配备离合器、制动器和差速锁控制的测试装置，可以使用八边形环形传感器测量转向轮胎上的推力和转弯力。该系统中的土壤可通过带有振动附件的路面滚压机进行不同干密度处理。在更近期的发展中，Yahya等人（2007年）开发了马来西亚博特拉大学（UPM）的轮胎牵引测试设施，该设施能够对高花纹农业轮胎进行拖拽模式和驱动模式下的牵引力测试。Mardani等人（2010年）建造了一个长型土壤测试装置，最高测试速度可达20公里/小时。有一项研究甚至使用了垂直应力土壤传感器来分析轮载和含水量对性能的影响（Gheshlaghi和Mardani，2021年）。Farhadi等人（2018年）在伊朗农业工程研究所（AERI）使用拖拉机轮胎进行了土壤箱实验，并利用液态石膏和3D扫描技术获得了不同垂直载荷、充气压力和含水量下的接触体积数据。有关地面力学测试装置和测试程序的更全面综述，读者可参考其他文献（Ani等人，2018年；Swamy等人，2023年；Swamy，2025年；Chen等人，2024年；Jasoliya等人，2024年；Jasoliya，2025年）。
受多个研究中心创新的启发，并为了引入更多功能，弗吉尼亚理工大学的TMVS地面力学测试装置被设计为全尺寸轮胎测试装置，旨在模拟四轮车模型以预测不同地形下的轮胎性能。本文全面介绍了该测试装置的设计要点、功能及测试流程。文章结构如下：首先，我们介绍了装置的不同组件，包括负责轮胎运动的传动系统；接着介绍了正常载荷和滑移率控制系统、离合器和制动机制、轮胎定位机构以及用于土壤和冰面处理的工具；随后讨论了集成在装置中的各种传感器，并提供了部分测试结果；然后分析了在冰面、沙质壤土和月球土壤模拟物等不同地形上进行的测试案例；最后通过一个详细案例研究总结了测试设置和在沙质土壤上进行的试验结果。
地面力学测试装置的组成部分
弗吉尼亚理工大学的室内地面力学测试装置配备了一个单轮测试器，可在多种可变形和刚性地形上运行，便于在三个坐标轴上收集详细的性能数据（Sandu，2015年）。自2007年投入使用以来，该装置已用于测试轮胎与各种表面（包括硬质可变形土壤、冰面和硬质路面）之间的相互作用。
轮力传感器
轮力传感器是地面力学测试装置的重要组成部分，能够实时测量轮胎在运行过程中的力和力矩（图8(a)）。密歇根科学遥测轮力传感器系统是一种六轴传感器，可测量车辆车轮上的力和力矩，同时还能测量车轮的速度和位置。该传感器提供精确的力矩输入测量、便捷的传感器接口盒以及无线数据传输功能。
在不同地形上的操作
在解释了测试装置的各个组成部分后，下面概述了其操作步骤：首先安装所有必要的传感器；然后根据轮胎所需的压力充气轮胎，并调整 camber 角和 toe 角；接下来根据地形类型和项目要求（如湿度、压实程度、冰面摩擦系数等）准备测试场地（图13）。
结论
本文深入探讨了地面力学领域中的轮胎-地形测试程序，特别关注了可控的室内测试环境。以弗吉尼亚理工大学TMVS实验室的地面力学测试装置为例，说明了此类设施的功能。室内测试的一个关键优势在于能够精确控制室外测试中经常变化的变量，从而提高测试结果的可重复性。
作者贡献声明
Varsha S. Swamy：正式分析、可视化、验证、方法论、撰写——审稿与编辑、调查、撰写——初稿。
Nikhil Ravichandran：方法论、撰写——审稿与编辑、正式分析、撰写——初稿、数据整理、可视化、验证。
Dhruvin Jasoliya：数据整理、撰写——初稿、可视化、调查、撰写——审稿与编辑。
Alexandru Vilsan：概念化、正式分析、可视化、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
地面力学测试装置的开发得到了弗吉尼亚理工大学、固特异橡胶与轮胎公司、通用汽车、NASA格伦研究中心、Kistler仪器公司、轮胎研究中心（CenTiRe）、汽车研究中心（ARC）以及美国国家科学基金会（NSF）的支持。我们还要感谢TMVS实验室的本科生和研究生，以及所有参与地面力学测试装置相关项目的实验室技术人员。
