1 引言
汽車運動是輪胎與地面作用的結(jié)果, 通過測量車輪運動時所受的力和力矩, 能夠準確地反映整車運動的性能指標。美國《R&D》雜志1999 年度評選出的世界100 項給工程應用研究帶來巨大貢獻的獎項中, 多維輪力測量技術(shù)就是其中的一項, 多維輪力測量技術(shù)在汽車上的應用主要有以下幾個方面:
1.1 汽車制動性能研究
汽車制動性是汽車的一項重要安全性能, 利用多維輪力測量技術(shù)進行制動性能道路試驗時, 可以測量制動過程中汽車車輪所受到的地面制動力的大小, 從而為研究汽車的制動穩(wěn)定性、方向操縱性以及制動過程中前后軸間制動力的分配等方面提供了技術(shù)手段, 為改進汽車制動系統(tǒng)設計提供了實驗依據(jù)。
1.2 汽車ABS 的研究和評價
汽車ABS 控制算法的目標是制動時制動系制動力矩和地面制動力矩保持一定的比例關(guān)系, 從而使滑移率盡可能處于最佳滑移率附近, 利用多維輪力測量技術(shù)可以實時測取地面制動力矩和制動系制動力矩,為ABS 的研究和定量分析提供了實驗手段。
1.3 車輛動力學系統(tǒng)試驗研究
汽車行駛中的動力學模型是整車性能研究的重要基礎, 利用多維輪力測量技術(shù), 可以實時測出汽車行駛中車輪所受的縱向力、側(cè)向力、垂直力以及車輪扭矩, 為車輛動力學系統(tǒng)建模提供了分析工具。
1.4 汽車懸架特性動態(tài)測量
懸架性能是影響汽車舒適性的重要部分, 通過多維輪力測量技術(shù)可以動態(tài)測出實時軸荷的變化,再輔以加速度傳感器數(shù)據(jù), 可以分析懸架的特性。
1.5 汽車道路路譜的數(shù)據(jù)采集
利用多維輪力測量技術(shù)在汽車道路試驗中采集路譜, 然后在試驗臺架上再現(xiàn), 從而可以在室內(nèi)進行汽車疲勞性、可靠性項目的研究。
汽車實際行駛過程中, 車輪受到六維力（ 側(cè)向力、垂直力、縱向力、側(cè)傾力矩、橫擺力矩、扭矩） 的作用, 且車輪處于旋轉(zhuǎn)運動, 測量信號具有強耦合性和非線性時變, 信號傳輸為非接觸型, 因此, 車輪多維力測量技術(shù)一直是汽車道路試驗中的難點之一, 目前, 只有美國、德國和日本等發(fā)達國家的幾家公司擁有該項技術(shù), 且技術(shù)尚未解密。
東南大學是國內(nèi)對多維車輪力測量技術(shù)研究的主要單位之一, 1998 年研制成功車輪轉(zhuǎn)矩傳感器, 2004 年研制成功車輪三分力傳感器, 2005 年研制成功車輪六分力傳感器, 并與相應的數(shù)據(jù)采集儀器和軟件組成系統(tǒng), 進行了實際應用。
車輪多維力測量系統(tǒng)由車輪力傳感器彈性體、嵌入式多路信號調(diào)理及采集模塊、信號耦合器、上位機以及采集及通訊軟件構(gòu)成, 車輪傳感器結(jié)構(gòu)。
傳感器的信號采集編碼傳輸電路框圖如2所示
16C773完成六維信號的采集, 并由單片機將六維力采集值編碼封裝為包含數(shù)據(jù)包頭尾字節(jié)和校驗字節(jié)的固定長度（ 14 字節(jié)） 的串行數(shù)據(jù)包, 經(jīng)16C773 的UART口, 以19200（ 或更高） 的波特率向外單路輸出。車輪傳感器隨車輪一起轉(zhuǎn)動, 六維力數(shù)據(jù)包需經(jīng)非接觸傳輸方式輸出至非旋轉(zhuǎn)部分, 本系統(tǒng)采用紅外傳輸信號耦合方式。UART 輸出的串行碼, 驅(qū)動安裝于內(nèi)側(cè)輪車軸線位置的紅外發(fā)射管, 而接收管安裝于外側(cè)輪車軸線位置, 中心對準發(fā)射管, 內(nèi)外側(cè)輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動, 不影響串行碼的發(fā)射接收, 從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的非接觸傳輸。
上位機采用以4 路串行緩沖器為核心器件設計出數(shù)據(jù)同步采集裝置, 以PC 機ISA 板卡的形式封裝。四個車輪的六維力數(shù)據(jù)實時更新該數(shù)據(jù)Buffer, 上位機對其的讀取可通過ISA 總線方便完成。
為了測量汽車在各種行駛工況條件下車輪所承受的各向動態(tài)載荷（ 如垂直力、側(cè)向力、縱向力、制動扭矩等） , 傳感器應變片測量點的選取直接影響傳感器的輸出靈敏度、多維力對應變片的耦合影響以及應變片的組橋, 因此, 測量點的選取是傳感器設計的關(guān)鍵。由于彈性體結(jié)構(gòu)對稱, 因此受力后對稱點的變形具有對稱性或反對稱的特點, 測量點的選擇可利用該特點進行不同力引起的變形測量。
3.3 信號傳輸技術(shù)
由于車輪力測量是旋轉(zhuǎn)件的物理量測量, 其旋轉(zhuǎn)件與非旋轉(zhuǎn)件之間的能量和信號傳輸是較難解決的問題。對于接觸型傳輸方式, 旋轉(zhuǎn)件與非旋轉(zhuǎn)件之間由于相對運動, 會引起接觸電阻的變化, 影響傳輸信號的穩(wěn)定性, 而在非接觸傳輸中, 由于旋轉(zhuǎn)件與非旋轉(zhuǎn)件之間的相對運動, 其間隙會發(fā)生波動變化, 對信號產(chǎn)生干擾。因此, 根椐汽車行駛工況及車輪的工作情況, 研究設計多路非接觸信號傳輸耦合器, 實現(xiàn)測量信號數(shù)字化傳輸, 是實現(xiàn)車輪力測量的關(guān)鍵技術(shù)之一。從旋轉(zhuǎn)的車輪上通過耦合器進行多路的能量和信號傳輸技術(shù)也關(guān)系到車輪多維力測量的精度和可靠性。
3.4 信號處理
技術(shù)傳感器隨車輪一起旋轉(zhuǎn), 其力矢量相對于傳感器的定義隨轉(zhuǎn)角變化而變化。如傳感器表征車輪受垂直力的信號, 隨傳感器的旋轉(zhuǎn)90 度變化為表征縱向力的信號; 傳感器表征車輪受側(cè)傾力矩的信號, 隨傳感器的旋轉(zhuǎn)90 度變化為表征橫擺力矩的信號。因此, 對測量信號的處理顯得非常重要, 對傳感器標定和信號解耦算法要求很高。
4 應用情況
車輪多維力傳感器安裝在試驗車上, 在定遠汽車試驗場進行了實驗, 圖4 為汽車右前輪行駛過程中的測試數(shù)據(jù)。
該曲線是連續(xù)換檔加速后制動過程中的右前輪受力數(shù)據(jù)。換檔加速過程, 縱向力和扭矩呈現(xiàn)正向階梯跳變, 且檔位越高, 縱向力和扭矩越小, 此時垂直力基本不變; 制動時, 縱向力和扭矩呈現(xiàn)反向階梯跳變, 同時垂直力正向增加, 反映出制動時的軸荷轉(zhuǎn)移。
曲線趨勢正確, 數(shù)據(jù)平穩(wěn), 說明車輪力傳感器的車輪力和車輪轉(zhuǎn)角測量達到了要求的精度等級。
