基于標(biāo)定法的整車道路載荷譜試驗(yàn)研究

郝少鋒，張寧

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

前言

車輛軸頭載荷譜對于室內(nèi)車輛道路模擬試驗(yàn)及車輛仿真分析是必不可少的。目前，國內(nèi)外測試車輛軸頭載荷譜的主要手段有兩種：一是采用六分力測量輪；二是通過貼應(yīng)變片標(biāo)定的方法，使被測車橋（軸）成為傳感器進(jìn)行測量。兩種方法各有利弊，六分力測量輪的優(yōu)點(diǎn)是：集成化，簡單易操作，試驗(yàn)周期短，對使用人員的操作要求相對較低；不足之處是：價(jià)格昂貴；而貼片標(biāo)定法則正好相反。標(biāo)定法作為一種成熟的測試手段廣泛應(yīng)用在汽車測試領(lǐng)域中，而通過貼片標(biāo)定使被測車橋（軸）成為傳感器方法的應(yīng)用則了解的人較少，本文以某重型卡車整體式前軸作為研究對象，在前軸上進(jìn)行布片、組橋、標(biāo)定以及載荷計(jì)算，詳細(xì)說明標(biāo)定法測試車輛軸頭載荷譜的方法。

1 軸頭的受力分析

通常，簡單的受兩個(gè)力的結(jié)構(gòu)件在布置應(yīng)變片的時(shí)候，只需要進(jìn)行主應(yīng)力的方向判斷即可貼片，而軸頭受力復(fù)雜，耦合情況嚴(yán)重，布片顯得尤為重要，作為標(biāo)定能否成功，能否準(zhǔn)確、可靠的獲取應(yīng)變信號的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，在應(yīng)變片布置之前，首先要進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析，選擇應(yīng)變信號絕對值較大處為測量點(diǎn)，而且應(yīng)變對應(yīng)敏感的載荷要少，然后確定貼片位置。

整體式前軸左、右軸頭是對稱結(jié)構(gòu)，以前其中一端軸頭為例進(jìn)行有限元模型受力分析，分析結(jié)果如下：

圖1 Fz加載應(yīng)力云圖

圖2 Fx加載應(yīng)力云圖

圖3 Fy加載應(yīng)力云圖

圖4 Mx加載應(yīng)力云圖

2 應(yīng)變片的布置及組橋

依據(jù)有限元模型應(yīng)力分析結(jié)果，綜合分析，確定四個(gè)面為應(yīng)變計(jì)粘貼位置。軸頭應(yīng)變片布置具體情況見圖5。

圖5 前軸軸頭應(yīng)變片布置圖

A1，A2，A3，A4相對的面也有兩個(gè)應(yīng)變片，位置和角度對應(yīng)一致，組成一個(gè)全橋。A1是對垂向力敏感的彎曲應(yīng)變測點(diǎn)，A2是對My扭轉(zhuǎn)敏感的扭矩應(yīng)變測點(diǎn)，A3是對縱向力敏感的彎曲應(yīng)變測點(diǎn)，A4是對垂向力敏感的剪切應(yīng)變測點(diǎn)。

為了測得不同性質(zhì)的載荷分量，應(yīng)變計(jì)粘貼的方法、測量電橋的連接也是不同的，目的是消除非測量載荷的干擾，提高測量精確度。對于軸向力測量要用測軸向力的方法粘貼應(yīng)變計(jì)和進(jìn)行測力電橋的連接，盡可能排除其他載荷的干擾，而對于剪力的測量，雖然都是用測量彎曲應(yīng)變的原理求得外載，但粘貼應(yīng)變計(jì)的方法和電橋的連接是不一樣的。

圖6 應(yīng)變電橋圖

應(yīng)變橋路的組橋方式主要包括三種：全橋、半橋和四分之一橋。以電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4組成電橋的四個(gè)臂，Ue為激勵電壓，Uo為輸出電壓。工程中通常設(shè)計(jì)成 R1=R2=R3=R4=R。

1/4橋時(shí)，只有一個(gè)應(yīng)變片電阻發(fā)生變化△R，則電壓輸出：

可見，激勵電壓一定時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變片電阻變化△R成正比關(guān)系。

半橋時(shí)，工作中有兩個(gè)橋臂（如R1、R2）的阻值變化，即R1+ △R, R2- △R。此時(shí)，電橋輸出為：

全橋時(shí)，工作中有四個(gè)橋臂的阻值變化，即R1+△R，R2-△R，R3+ △R，R4- △R，此時(shí)，電橋輸出為：，可見，采用全橋連接的方式，即可以提高信號的靈敏度，同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，消除信號采集數(shù)據(jù)中漂移問題的處理，保證了信號的精確測量。因此，全部采用全橋的組橋方式。

3 載荷測量的標(biāo)定

標(biāo)定過程即模擬樣件實(shí)際受力的狀態(tài)進(jìn)行加卸載，記錄載荷和應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系。在很多情況下，外載荷對結(jié)構(gòu)部件的作用可簡化成由集中力和力矩組成。在分布載荷作用的情況下，描述分布載荷時(shí)必須限制在有限數(shù)量的參數(shù)內(nèi)，可以選擇某些剖面上的彎矩、扭矩和剪力，或包含在描述分布載荷函數(shù)表達(dá)式中的常數(shù)作為參數(shù)。進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)上作用有某一力系時(shí)，應(yīng)變測量電橋中一個(gè)信號與其對應(yīng)。模擬車輛軸頭實(shí)際的受力，在輪轂上安裝一個(gè)加載裝置，下面的圖片各方向加載的標(biāo)定圖。

圖7 Fy加載

圖8 Fz加載

圖9 Fx加載

圖10 My加載

采集前橋上4 個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變輸出，對應(yīng)每個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變值和所施加的力值，可以獲取到每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)變標(biāo)定系數(shù) K。標(biāo)定的結(jié)果如下，橫坐標(biāo)為載荷，單位是KN,縱坐標(biāo)為應(yīng)變，單位為εμ。

圖11 Fx加載標(biāo)定結(jié)果

圖12 Fy加載標(biāo)定結(jié)果

圖13 Fz加載標(biāo)定結(jié)果

圖14 My加載標(biāo)定結(jié)果

4 數(shù)據(jù)方程求解

車輛行駛中，車橋的軸頭同時(shí)承受垂向力Fz、側(cè)向力Fy和縱向力Fx和扭矩My的組合影響，相應(yīng)的前橋一端軸頭處的四個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變都有輸出，分別為ε1、ε2、ε3、ε4。在已知四個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)四個(gè)方向力的應(yīng)變標(biāo)定系數(shù)的前提下，根據(jù)應(yīng)變值反求軸頭的力值。四組應(yīng)變和三個(gè)方向的力的矩陣如下：

公式 K 值為標(biāo)定每個(gè)測點(diǎn)時(shí)對應(yīng)力下的應(yīng)變標(biāo)定系數(shù)結(jié)果，ε為實(shí)測應(yīng)變值，F(xiàn)，My為需要換算的軸頭力及扭矩。對上面方程組進(jìn)行變換就可以根據(jù)應(yīng)變標(biāo)定結(jié)果和實(shí)測應(yīng)變值反求出軸頭力。

5 實(shí)測數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

根據(jù)上述應(yīng)變片布置，載荷測試、標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理方法獲得的實(shí)測結(jié)果數(shù)據(jù)，利用Matlable軟件針對該項(xiàng)目編制了解耦程序。由于實(shí)際同步測試參數(shù)有 54個(gè)，參數(shù)采樣率為1000Hz，按不同工況要求，車輛空、滿載狀態(tài)采集數(shù)據(jù) 130多組，整個(gè)數(shù)據(jù)量較龐大。圖15給出了測量車輛滿載狀態(tài)下，比利時(shí)路面和鵝卵石路面數(shù)據(jù)的載荷結(jié)果。

圖15 滿載狀態(tài)下前橋左端載荷譜

本文描述了道路載荷譜采集中采用應(yīng)變標(biāo)定測試軸頭力的方法和原理，獲得的試驗(yàn)載荷譜，作為整車模型疲勞分析、疲勞壽命及模擬試驗(yàn)加載的依據(jù)，為整車的改型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的力學(xué)參考。該方法在載荷譜測試中具有很廣闊的應(yīng)用，不局限于整體式車橋的軸頭力測試，采用相同方式可用在獨(dú)立懸掛的軸頭力、桿件和球頭的力測量。

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