基于輪輻應變提取傳動軸扭矩測試系統(tǒng)研究

欒金諭，楊冀豫，靳 鴻

（中北大學 電氣與控制工程學院 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051）

民用車輛或者軍用車輛在滿足功能需求的前提下，增大機械結構尺寸勢必會帶來重量的增加，從而消耗更多的能源?？紤]到節(jié)能減排等因素，機械結構變得精細化、緊湊化勢在必行。行動部分機械結構緊湊，許多傳感器沒有空間安裝并測量傳動軸扭矩，因此需要新的技術手段解決這一問題。

目前，大多數(shù)技術人員、學者在測量傳動軸扭矩時，選用直接在軸上安裝傳感器。國內學者楊文志等在對傳動軸扭矩測量時，選擇在軸上焊接傳感器[1]。該方法在特定環(huán)境下可以實現(xiàn)技術要求，但破壞了軸的結構，不具備普適性。

本文在分析傳統(tǒng)直接測量方式的弊端之后，提出通過測量輪輻應變，間接提取傳動軸扭矩的方法，可實現(xiàn)在不破壞傳動軸的機械結構情況下，不受空間限制，完成對傳動軸扭矩的獲取。經實際標定試驗、實車試驗，以及使用神經網絡等數(shù)據(jù)處理方法進行扭矩提取[2]。驗證了該測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，提取傳動軸扭矩較為準確，可適用于實際試驗中。

1 測試系統(tǒng)總體設計

測試系統(tǒng)包括傳感器、存儲測試儀器、上位機軟件三部分。傳感器根據(jù)被測相關部件實際情況，選取應變片作為傳感器，測取驅動輪輪輻應變。存儲測試儀器完成傳感器輸出信號的濾波、放大，在控制模塊的控制下進行AD轉換、存儲、接口傳輸?shù)?。上位機軟件完成數(shù)據(jù)的讀取、分析與處理。測試系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Test system structure diagram

2 工程設計

2.1 傳感器選取與安裝位置

2.1.1 傳感器選取

鑒于被測對象操作空間狹小，需要傳感器體現(xiàn)體積優(yōu)勢，選取金屬式體型應變片，通過測取輪輻應變推算扭矩。使用應變片組合惠斯通電橋，利用橋式電路測取應變，輸出差分信號。此方法可使應變產生的交變信號具備以下優(yōu)勢，忽略電路中地線的誤差干擾，容易識別微小信號；免疫外部電磁干擾；單電源系統(tǒng)中，無需依賴“虛地”的穩(wěn)定性。

2.1.2 傳感器安裝位置

對驅動輪各輪輻處進行應變測試，確定各輪輻處的敏感部位。車輛在行進過程中，由于驅動輪只有13個輪齒，轉動周期內輪齒受力情況分為13種，經過仿真得到4條輪輻共8處敏感點，因此選取8處單元點，8處單元的ID號分別為 16256/23182/39938/15824/17200/32165/5152/35009。 仿真單元點選取如圖2所示。

按照作用力與反作用力的關系，在輪子花鍵安裝處施加載荷，仿真載荷扭矩為20 kN·m。根據(jù)鏈傳動的特點，將驅動輪與車輛輸出軸的嚙合面進行固定約束。依次對一個周期內每個嚙合齒組加載載荷，載荷扭矩均為20 kN·m，13組仿真應變數(shù)據(jù)如表1所示。

可見輪輻處的形變較大，適合布置傳感器。輪輻的兩條路徑可安裝應變片，一條位于輪輻上表面，一條位于輪輻側表面，驅動輪輪輻上表面路徑如圖3所示，驅動輪輪輻側面路徑如圖4所示。

圖4 可測試驅動輪輪輻側面路徑Fig.4 Test drive wheel spoke side path

仿真測取由起點至終點隨距離增大，相應應變隨距離的變化而變化。上表面應變曲線如圖5所示，側面應變曲線如圖6所示。

圖5 徑向應變曲線Fig.5 Radial strain curve

圖6 側面應變曲線Fig.6 Lateral strain curve

由圖5和圖6可知同一條輪輻側面的應變大于上表面應變，所以傳感器安裝位置應選取在輪輻側面。并且距離圖4起始位置大約120 mm的位置。

2.2 存儲測試儀器

實際試驗處于嚴苛的自然環(huán)境下，考慮到試驗裝置的穩(wěn)定性以及精度，需要減少電磁、溫度、振動、噪聲等對測試儀器的影響，采用技術較為成熟穩(wěn)定的存儲測試技術。存儲測試采用模擬電路+數(shù)字電路的模式。

2.2.1 模擬電路

電橋通過模擬電路進行2.5 V供電，電橋輸出的差分信號經過儀表放大器AD8422放大100倍為一級放大，一級放大后的應變信號經過一階高通濾波器得到應變的變化量，而不是靜態(tài)量，不需要對電橋零位校準，同時在一階高通濾波器處將信號補1.25 V的基線，處理后信號經過二階低通濾波消去高頻噪聲干擾。經過低通濾波之后的信號經AD8422進行二級放大，放大倍數(shù)為20倍。二級放大之后的信號經運放穩(wěn)壓處理之后輸出給數(shù)字板進行后期的A/D轉換及數(shù)據(jù)存儲。實際電路中使用電壓跟隨器，演示電路簡圖不做標示，模擬電路簡圖如圖7所示。

圖7 模擬電路簡圖Fig.7 Analog circuit diagram

2.2.2 數(shù)字電路

數(shù)字電路的工作流程：數(shù)字板上電處于低功耗模式，等待外部觸發(fā)，外部觸發(fā)之后數(shù)字板將各模擬板的模擬開關打開，模擬電路開始進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)字板A/D轉換，實時采集數(shù)據(jù)。四個通道的采樣頻率為3k，測試時間為4h，所需要的Flash的存儲容量為4·3k·2 byte·4 h·3600 s=2 Gbit，選用 8 Gbit的 Flash 進行數(shù)據(jù)存儲，存儲容量足夠。數(shù)字電路簡圖如圖8所示。

2.3 上位機軟件

上位機軟件基于LabVIEW設計，從Flash中讀取數(shù)據(jù)。具備數(shù)據(jù)刷新、采樣讀數(shù)、擦除數(shù)據(jù)、打開文件、保存波形、標定、信號分析、數(shù)據(jù)截取、文件轉換的功能。

圖8 數(shù)字電路簡圖Fig.8 Digital circuit diagram

3 標定試驗

3.1 傳統(tǒng)方法計算推演

利用力學與電學公式推導電信號與扭矩的數(shù)學關系，應變與扭矩的關系式：

式中：M為扭矩；ε為應變；E為彈性模量；A為截面積；l為F作用距離。

電橋（全橋）輸出電壓：

式中：e=2.5 V為電橋供電電壓；k=2.11為應變片靈敏度。

上位機顯示輸出BIT值與電橋輸出電壓關系式：

綜上所述，最終推導出輸出扭矩關系式為

鑒于驅動輪為鑄件，結構較為粗糙，根據(jù)上述理論計算公式的推算產生很大的誤差，較難取得接近真值的結論，不適合采用該計算方法。故采用神經網絡算法進行推算，需要建立輪輻應變電信號與輸出扭矩的聯(lián)系，需要對測試儀器進行標定試驗。

3.2 標定試驗臺機械結構

設計標定實驗臺，將樣件以及誘導輪安裝于臺架上通過履帶相連，履帶一端固定至地面槽鋼中，在驅動輪后方傳動軸上安裝力臂，懸掛一定質量的載荷，以提供標準扭矩。試驗臺示意圖如圖9所示。

圖9 試驗臺示意圖Fig.9 Schematic diagram of test bed

3.3 標定試驗數(shù)據(jù)

隨機抽取一組實驗數(shù)據(jù)記錄表，實測標定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實測標定數(shù)據(jù)Tab.2 Actual measurement and calibration data

對力臂施加相應載荷，上位機輸出各通道對應的電信號，實測數(shù)據(jù)波形如圖10所示。

圖10 實測數(shù)據(jù)波形Fig.10 Measured data waveform

4 實車試驗

標定試驗完成后，需要進行實車試驗，測試儀器安裝于驅動輪上，內置電池供電，提供密封裝置，在惡劣環(huán)境下進行多種工況測試。抽取某一工況設為工況一，工況一單個驅動輪儀器采集數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 工況一單個驅動輪儀器采集數(shù)據(jù)Fig.11 Collection data of single drive wheel instrument under the first working condition

圖12 工況一驅動輪扭矩預測曲線Fig.12 Torque prediction curve of driving wheel under the first working condition

通過測試儀器獲取四通道數(shù)據(jù)輸入，使用已經訓練好的BP神經網絡對輸出扭矩進行計算，以四個通道的采樣值作為神經網絡的輸入，調用神經網絡預測工況一驅動輪扭矩預測曲線如圖12所示。

神經網絡預測扭矩曲與第三方測試扭矩進行對比，觀察兩者曲線走勢的趨勢是否大致相同，引入相關性概念對其進行判斷，計算得出相關性r=0.7108，r值位于0.5～1之間，為強相關，考慮到數(shù)據(jù)為實際工程所得，可以認為相關度較高。神經網絡預測數(shù)據(jù)較為準確，該測試方法可以應用到實際工程中。

5 結語

輪輻應變提取傳動軸扭矩測試系統(tǒng)可以適用于絕大多數(shù)車輛的扭矩測試試驗，不對傳動軸加以人為干預可以讓軸保證最原始的工作狀態(tài)，測得的數(shù)據(jù)也最貼近真實情況。該測試系統(tǒng)經過真實試驗驗證，具備一定的成熟度，可應用于實際試驗中。