1 引言
汽车运动是轮胎与地面作用的结果, 通过测量车轮运动时所受的力和力矩, 能够准确地反映整车运动的性能指标。美国《R&D》杂志1999 年度评选出的世界100 项给工程应用研究带来巨大贡献的奖项中, 多维轮力测量技术就是其中的一项, 多维轮力测量技术在汽车上的应用主要有以下几个方面:
1.1 汽车制动性能研究
汽车制动性是汽车的一项重要安全性能, 利用多维轮力测量技术进行制动性能道路试验时, 可以测量制动过程中汽车车轮所受到的地面制动力的大小, 从而为研究汽车的制动稳定性、方向操纵性以及制动过程中前后轴间制动力的分配等方面提供了技术手段, 为改进汽车制动系统设计提供了实验依据。
1.2 汽车ABS 的研究和评价
汽车ABS 控制算法的目标是制动时制动系制动力矩和地面制动力矩保持一定的比例关系, 从而使滑移率尽可能处于最佳滑移率附近, 利用多维轮力测量技术可以实时测取地面制动力矩和制动系制动力矩,为ABS 的研究和定量分析提供了实验手段。
1.3 车辆动力学系统试验研究
汽车行驶中的动力学模型是整车性能研究的重要基础, 利用多维轮力测量技术, 可以实时测出汽车行驶中车轮所受的纵向力、侧向力、垂直力以及车轮扭矩, 为车辆动力学系统建模提供了分析工具。
1.4 汽车悬架特性动态测量
悬架性能是影响汽车舒适性的重要部分, 通过多维轮力测量技术可以动态测出实时轴荷的变化,再辅以加速度传感器数据, 可以分析悬架的特性。
1.5 汽车道路路谱的数据采集
利用多维轮力测量技术在汽车道路试验中采集路谱, 然后在试验台架上再现, 从而可以在室内进行汽车疲劳性、可靠性项目的研究。
汽车实际行驶过程中, 车轮受到六维力（ 侧向力、垂直力、纵向力、侧倾力矩、横摆力矩、扭矩） 的作用, 且车轮处于旋转运动, 测量信号具有强耦合性和非线性时变, 信号传输为非接触型, 因此, 车轮多维力测量技术一直是汽车道路试验中的难点之一, 目前, 只有美国、德国和日本等发达国家的几家公司拥有该项技术, 且技术尚未解密。
东南大学是国内对多维车轮力测量技术研究的主要单位之一, 1998 年研制成功车轮转矩传感器, 2004 年研制成功车轮三分力传感器, 2005 年研制成功车轮六分力传感器, 并与相应的数据采集仪器和软件组成系统, 进行了实际应用。
车轮多维力测量系统由车轮力传感器弹性体、嵌入式多路信号调理及采集模块、信号耦合器、上位机以及采集及通讯软件构成, 车轮传感器结构。
16C773完成六维信号的采集, 并由单片机将六维力采集值编码封装为包含数据包头尾字节和校验字节的固定长度（ 14 字节） 的串行数据包, 经16C773 的UART口, 以19200（ 或更高） 的波特率向外单路输出。车轮传感器随车轮一起转动, 六维力数据包需经非接触传输方式输出至非旋转部分, 本系统采用红外传输信号耦合方式。UART 输出的串行码, 驱动安装于内侧轮车轴线位置的红外发射管, 而接收管安装于外侧轮车轴线位置, 中心对准发射管, 内外侧轮发生相对转动, 不影响串行码的发射接收, 从而实现了数据包的非接触传输。
上位机采用以4 路串行缓冲器为核心器件设计出数据同步采集装置, 以PC 机ISA 板卡的形式封装。四个车轮的六维力数据实时更新该数据Buffer, 上位机对其的读取可通过ISA 总线方便完成。
为了测量汽车在各种行驶工况条件下车轮所承受的各向动态载荷（ 如垂直力、侧向力、纵向力、制动扭矩等） , 传感器应变片测量点的选取直接影响传感器的输出灵敏度、多维力对应变片的耦合影响以及应变片的组桥, 因此, 测量点的选取是传感器设计的关键。由于弹性体结构对称, 因此受力后对称点的变形具有对称性或反对称的特点, 测量点的选择可利用该特点进行不同力引起的变形测量。
3.3 信号传输技术
由于车轮力测量是旋转件的物理量测量, 其旋转件与非旋转件之间的能量和信号传输是较难解决的问题。对于接触型传输方式, 旋转件与非旋转件之间由于相对运动, 会引起接触电阻的变化, 影响传输信号的稳定性, 而在非接触传输中, 由于旋转件与非旋转件之间的相对运动, 其间隙会发生波动变化, 对信号产生干扰。因此, 根椐汽车行驶工况及车轮的工作情况, 研究设计多路非接触信号传输耦合器, 实现测量信号数字化传输, 是实现车轮力测量的关键技术之一。从旋转的车轮上通过耦合器进行多路的能量和信号传输技术也关系到车轮多维力测量的精度和可靠性。
3.4 信号处理
技术传感器随车轮一起旋转, 其力矢量相对于传感器的定义随转角变化而变化。如传感器表征车轮受垂直力的信号, 随传感器的旋转90 度变化为表征纵向力的信号; 传感器表征车轮受侧倾力矩的信号, 随传感器的旋转90 度变化为表征横摆力矩的信号。因此, 对测量信号的处理显得非常重要, 对传感器标定和信号解耦算法要求很高。
4 应用情况
车轮多维力传感器安装在试验车上, 在定远汽车试验场进行了实验, 图4 为汽车右前轮行驶过程中的测试数据。
该曲线是连续换档加速后制动过程中的右前轮受力数据。换档加速过程, 纵向力和扭矩呈现正向阶梯跳变, 且档位越高, 纵向力和扭矩越小, 此时垂直力基本不变; 制动时, 纵向力和扭矩呈现反向阶梯跳变, 同时垂直力正向增加, 反映出制动时的轴荷转移。
曲线趋势正确, 数据平稳, 说明车轮力传感器的车轮力和车轮转角测量达到了要求的精度等级。
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