1 引言
汽車運(yùn)動(dòng)是輪胎與地面作用的結(jié)果, 通過測量車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力和力矩, 能夠準(zhǔn)確地反映整車運(yùn)動(dòng)的性能指標(biāo)。美國《R&D》雜志1999 年度評(píng)選出的世界100 項(xiàng)給工程應(yīng)用研究帶來巨大貢獻(xiàn)的獎(jiǎng)項(xiàng)中, 多維輪力測量技術(shù)就是其中的一項(xiàng), 多維輪力測量技術(shù)在汽車上的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:
1.1 汽車制動(dòng)性能研究
汽車制動(dòng)性是汽車的一項(xiàng)重要安全性能, 利用多維輪力測量技術(shù)進(jìn)行制動(dòng)性能道路試驗(yàn)時(shí), 可以測量制動(dòng)過程中汽車車輪所受到的地面制動(dòng)力的大小, 從而為研究汽車的制動(dòng)穩(wěn)定性、方向操縱性以及制動(dòng)過程中前后軸間制動(dòng)力的分配等方面提供了技術(shù)手段, 為改進(jìn)汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
1.2 汽車ABS 的研究和評(píng)價(jià)
汽車ABS 控制算法的目標(biāo)是制動(dòng)時(shí)制動(dòng)系制動(dòng)力矩和地面制動(dòng)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(shí)時(shí)測取地面制動(dòng)力矩和制動(dòng)系制動(dòng)力矩,為ABS 的研究和定量分析提供了實(shí)驗(yàn)手段。
1.3 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)試驗(yàn)研究
汽車行駛中的動(dòng)力學(xué)模型是整車性能研究的重要基礎(chǔ), 利用多維輪力測量技術(shù), 可以實(shí)時(shí)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(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模提供了分析工具。
1.4 汽車懸架特性動(dòng)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(dòng)態(tài)測出實(shí)時(shí)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(yàn)中采集路譜, 然后在試驗(yàn)臺(tái)架上再現(xiàn), 從而可以在室內(nèi)進(jìn)行汽車疲勞性、可靠性項(xiàng)目的研究。
汽車實(shí)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(yùn)動(dòng), 測量信號(hào)具有強(qiáng)耦合性和非線性時(shí)變, 信號(hào)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(yàn)中的難點(diǎn)之一, 目前, 只有美國、德國和日本等發(fā)達(dá)國家的幾家公司擁有該項(xiàng)技術(shù), 且技術(shù)尚未解密。
東南大學(xué)是國內(nèi)對(duì)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(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀器和軟件組成系統(tǒng), 進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)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(hào)調(diào)理及采集模塊、信號(hào)耦合器、上位機(jī)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(hào)采集編碼傳輸電路框圖如2所示
16C773完成六維信號(hào)的采集, 并由單片機(jī)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(yàn)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(dòng), 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(hào)耦合方式。UART 輸出的串行碼, 驅(qū)動(dòng)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(duì)準(zhǔn)發(fā)射管, 內(nèi)外側(cè)輪發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng), 不影響串行碼的發(fā)射接收, 從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的非接觸傳輸。
上位機(jī)采用以4 路串行緩沖器為核心器件設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)同步采集裝置, 以PC 機(jī)ISA 板卡的形式封裝。四個(gè)車輪的六維力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新該數(shù)據(jù)Buffer, 上位機(jī)對(duì)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(dòng)態(tài)載荷（ 如垂直力、側(cè)向力、縱向力、制動(dòng)扭矩等） , 傳感器應(yīng)變片測量點(diǎn)的選取直接影響傳感器的輸出靈敏度、多維力對(duì)應(yīng)變片的耦合影響以及應(yīng)變片的組橋, 因此, 測量點(diǎn)的選取是傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于彈性體結(jié)構(gòu)對(duì)稱, 因此受力后對(duì)稱點(diǎn)的變形具有對(duì)稱性或反對(duì)稱的特點(diǎn), 測量點(diǎn)的選擇可利用該特點(diǎn)進(jìn)行不同力引起的變形測量。
3.3 信號(hào)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(hào)傳輸是較難解決的問題。對(duì)于接觸型傳輸方式, 旋轉(zhuǎn)件與非旋轉(zhuǎn)件之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng), 會(huì)引起接觸電阻的變化, 影響傳輸信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng), 其間隙會(huì)發(fā)生波動(dòng)變化, 對(duì)信號(hào)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(shè)計(jì)多路非接觸信號(hào)傳輸耦合器, 實(shí)現(xiàn)測量信號(hào)數(shù)字化傳輸, 是實(shí)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(jìn)行多路的能量和信號(hào)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(hào)處理
技術(shù)傳感器隨車輪一起旋轉(zhuǎn), 其力矢量相對(duì)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(hào), 隨傳感器的旋轉(zhuǎn)90 度變化為表征縱向力的信號(hào); 傳感器表征車輪受側(cè)傾力矩的信號(hào), 隨傳感器的旋轉(zhuǎn)90 度變化為表征橫擺力矩的信號(hào)。因此, 對(duì)測量信號(hào)的處理顯得非常重要, 對(duì)傳感器標(biāo)定和信號(hào)解耦算法要求很高。
4 應(yīng)用情況
車輪多維力傳感器安裝在試驗(yàn)車上, 在定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 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(dòng)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(shí)垂直力基本不變; 制動(dòng)時(shí), 縱向力和扭矩呈現(xiàn)反向階梯跳變, 同時(shí)垂直力正向增加, 反映出制動(dòng)時(shí)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(dá)到了要求的精度等級(jí)。
