賽車輪胎表面溫度測量

來自專欄 謝老大要吃肉

雖然輪胎和賽道之間的相互作用是一個複雜的過程，但輪胎使用的關鍵指標是其胎面溫度，特定輪胎只有在一定溫度範圍內才能發揮其最佳的性能，準確測量輪胎表面溫度使得賽車工程師可以了解輪胎的行為。為此，車隊、輪胎廠商及各種合作夥伴開發了日益複雜的輪胎胎面溫度感測器，而需從旋轉的輪胎上測得溫度，顯然需要非接觸式的方式：例如紅外測量。

開發過程中遇到很多複雜問題，例如輪胎很寬，需要多感測器且每個感測器需要一定的視野範圍；能否跟隨輪胎轉向進行調整其姿態；考慮到輪胎周圍區域的極具挑戰的空氣動力學特性，感測器的安裝也是一個很大的問題。

這個開發的過程也經歷了幾個階段。

黑色橡膠輪胎具有高發射率，因此溫度感測器需要讀取高發射率範圍（通常為0.8-0.9595）以獲取精確的讀數。

階段1：簡單紅外模塊

溫度標定之後，模塊將熱信號轉化為連續但非線性的電壓信號，這種模擬輸出最終通過CAN匯流排反饋到數據採集系統。

後輪胎感測器的安裝採用後視的形式，嵌入在後輪胎前面的地板上或者在側翼上，而前感測器安裝在前翼端板的後緣。即使在輪胎無轉向的情況下，這種感測器和安裝方式都只能測量每個輪胎一個點的溫度（跑起來就是一個圓周了），所以這不是一個完美的解決方案。因此某些團隊將其安裝多個感測器到與懸架立柱相連接的支杆上面，這種設計方案可以使得轉向也不會改變測量點的位置。不過這種設計顯然影響賽車的空氣動力學，也不太符合F1的規則，比賽的時候應該是不能用了，但進行輪胎測試時應該可以使用。

階段2：寬FOV感測器

感測器擁有更大的視場之後可以同時測量輪胎胎面上的多個點，有的感測器可以提供多大64個點的測量（16x4：輪胎斷面方向16個點，圓周方向四排）。由於這種感測器和輪胎之間的距離可以更大，其安裝也比之前的簡單的紅外模塊更容易一些，前輪胎感測器可以安裝在側艙前部或後視鏡附近。

還有一種手段，十多年前邁凱輪首次使用：紅外攝像機。可以實時看到輪胎的整個表面，與其他類型的紅外線感測器一樣，安裝相對容易，可以安裝在鏡子或側倉附近。紅外攝像機可以同時看到輪胎變形與輪胎表面溫度，而無需額外安裝攝像機。後面可以將調校參數，g-force等參數弄到一起，賽車工程師將更了解輪胎的各種表現。

在這個視頻的後半段可以觀察到轉向時，輪胎表面的溫度急劇上升。

https://www.zhihu.com/video/980990455848218624

其實之前我並不了解，原來這些東西別人都用了幾十年了。

最初有這個想法還是一年前在國外出差的時候，回來之後確實也做了很多事情，包括列出整體計劃，小型攝像機購買，感測器選擇，感測器安裝方案。說實話，我的三步走方案與國外這些年走過的路一模一樣，不過因為這並非自己的本職工作，後來就不了了之了。不過最大的問題還在於沒有人告訴我，這個東西是有價值的。可能國內賽車文化起步較晚，還沒到那一步，感覺國內無論是車隊還是輪胎廠商還做不到那麼精細化的輪胎設計，但國內的賽車產業發展較快，感覺以後會向這一步靠攏的。

離職前兩個月（當時還沒決定離職），與公司另一個部門的總工聊起這件事情，我問大佬：

「這個東西做出來有用嗎？F1、倍耐力他們現在用這些東西嗎？」

「你覺得這些東西有用、有意思，那就去做！」

但其實做這件事情對我很難，比如紅外感測器要購買，請購的周期長到無法想像，信號處理那些東西也要學，自己手頭上輪胎開發的事情一大堆，真的沒心力，沒資源去做這件事情。不過大佬也真的給力，自己去做民用車胎測試的時候，順便把我的想法直接做了出來。

大佬回公司之後把測試的方法，包括：感測器的裝夾，保護，數據的處理等等。我看到了那些數據和圖表，感動的要死，雖然用了固定安裝方式，無法克服轉向時的測量點移動的問題，但明顯能看到在轉向情況下的溫度急劇上升等現象。

之後第二天辦離職手續，能在這走之前看到自己的想法能得到實現也是很開心的，會感覺自己有價值！真心感謝這位總工程師！我在他身上學到很多。

有知友問我：溫度的測量對輪胎的開發有什麼樣的作用，在這裡簡單說一下自己的觀點：

配方：可以統計輪胎的最常使用的溫度範圍，如果目前的胎面膠料的最佳工作溫度無法滿足，則可以升級膠料，使之適應。

對車隊來說，可以參考輪胎表面溫度進行調校參數的更改，要知道所謂的底盤調校，多數意義上是要配合輪胎，發揮輪胎的最大性能。如果有多種配方可以選擇的情況，也可以參考溫度選擇適合目前情況下的輪胎配方。

胎面溫度過高之後，例如輪胎內側，也就是輪胎肩部那一塊兒，是發生胎面掉塊、爆胎的概率最大的地方。這時排除掉賽車調校參數、輪胎生產工藝問題之後，要考慮時候對輪胎的結構設計進行調整，例如胎面膠的厚度、帶束層和冠帶層寬度是否要調整、其材料是否需要升級為更高強度的、輪胎內輪廓參數是否需要改變等等。

最後這些測量方法和設計理念都會應用到跑車輪胎甚至普通家用輪胎的設計中去，作為參考的依據發揮其作用，民用車胎那邊的開發更複雜，不是很懂……