車輪六分力計(jì)的測量原理與結(jié)構(gòu)分析

丁奕

摘 要：介紹了車輪六分力，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將車輪六分力計(jì)分為單體式和多單元結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)，分別對(duì)其結(jié)構(gòu)組成和測量原理進(jìn)行分析推導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：車輪六分力計(jì);測量原理;結(jié)構(gòu)分析

1 引言

車輪六分力計(jì)可實(shí)現(xiàn)車輪所受六分力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)同步精密測量，目前已廣泛應(yīng)用于道路路譜數(shù)據(jù)采集，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的研究和ABS功能開發(fā)，汽車動(dòng)力學(xué)特性（如制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向等）的功能評(píng)價(jià)，汽車道路耐久性試驗(yàn)評(píng)估，汽車懸架特性的動(dòng)態(tài)測量等開發(fā)試驗(yàn)中。

目前車輪六分力計(jì)產(chǎn)品和校準(zhǔn)技術(shù)都主要依賴國外制造商，國內(nèi)缺少相關(guān)能力和標(biāo)準(zhǔn)，核心技術(shù)受人制約。

本文嘗試對(duì)車輪六分力計(jì)結(jié)構(gòu)及測量原理進(jìn)行分析研究。

2 車輪六分力

車輪在其接地區(qū)域產(chǎn)生的縱向力（Fx）、側(cè)向力（Fy）、法向力（Fz）以及翻轉(zhuǎn)力矩（Mx）、滾動(dòng)阻力矩（My）和回正力矩（Mz）六分量力值參數(shù)稱為車輪六分力，是使車輛發(fā)生驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)的根本原因，對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的評(píng)估與車輛控制策略的制定有著重要的影響。車輪六分力坐標(biāo)可參照SAE標(biāo)準(zhǔn)輪胎運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（圖1）建立。

3 測量原理與結(jié)構(gòu)分析

車輪六分力計(jì)從結(jié)構(gòu)上是將力/力矩傳感器測量單元、信號(hào)放大耦合器等電器元件集成安裝固定專用輪輞適配器上，形成一個(gè)車輪式的整體傳感器。通過將傳感器代替普通輪胎固定在車軸位置，用以對(duì)車輪受到的六分力進(jìn)行測量。根據(jù)測量單元的結(jié)構(gòu)組成和數(shù)量可分為單體式結(jié)構(gòu)和多單元結(jié)構(gòu)。

3.1 單體式結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)

單體式結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)由測量滑環(huán)、信號(hào)放大器、測量單元、輪輞適配器、輪轂適配器等部件組成（圖2）。

其核心的測量單元是一個(gè)由數(shù)根應(yīng)變梁組成彈性體結(jié)構(gòu)的六分力傳感器，應(yīng)變梁上貼有若干組應(yīng)變片。當(dāng)車輪承受各方向的力和力矩載荷時(shí)，應(yīng)變梁發(fā)生拉壓、彎曲或扭轉(zhuǎn)等應(yīng)變變形，并通過應(yīng)變片將變形情況量化輸出，通過信號(hào)放大器計(jì)算處理，從而傳遞出車輪六分力所對(duì)應(yīng)的通道輸出信號(hào)。

在測量時(shí)，由于車輪受到的六分力是同時(shí)作用的，當(dāng)用應(yīng)變片測量其中一個(gè)載荷分量時(shí)，也會(huì)受到其他載荷分量的影響。為消除這些迭加影響，需要對(duì)彈性體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、應(yīng)變片的布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過測量電路連接平衡來解決。

以八應(yīng)變梁式車輪六分力計(jì)為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)變片布片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

作為彈性體的A、B、C、D、E、F、G、H八個(gè)應(yīng)變梁采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)分布，因此傳感器在受力后對(duì)稱位置應(yīng)變梁的應(yīng)力變化具有對(duì)稱或者反對(duì)稱的特點(diǎn)。對(duì)六分力載荷分別對(duì)應(yīng)變梁造成的影響作用與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片貼片布置方法進(jìn)行具體分析：

3.1.1 縱向力Fx的貼片布置

縱向力為地面對(duì)車輪的驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力。在縱向力的作用下C、G兩個(gè)水平梁產(chǎn)生拉壓變形，而A、E兩個(gè)垂直梁為彎曲變形。其他四個(gè)梁則發(fā)生拉壓和彎曲的復(fù)合變形。

選擇C、G梁側(cè)表面中間軸線處，布置應(yīng)變片R5、R6、R13、R14，測量縱向力Fx的應(yīng)變影響。

3.1.2 側(cè)向力Fy的貼片布置

汽車在轉(zhuǎn)向等路況時(shí)，車輪外緣會(huì)受到側(cè)面方向的作用力。此時(shí)八個(gè)應(yīng)變梁的外根部都受到了垂直向內(nèi)的側(cè)向力，而發(fā)生側(cè)面的彎曲變形。

選擇B、D、F、H梁上下表面根部軸線處，布置應(yīng)變片R18、R20、R22、R24、R26、R28、R30、R32，測量側(cè)向力Fy的應(yīng)變影響。

3.1.3 法向力Fz的貼片布置

法向力為地面對(duì)車輪的支撐力。在法向力的作用下A、E兩個(gè)垂直梁產(chǎn)生拉壓變形，而C、G兩個(gè)水平梁為彎曲變形。其他四個(gè)梁則發(fā)生拉壓和彎曲的復(fù)合變形。

選擇A、E梁側(cè)表面中間軸線處，布置應(yīng)變片R1、R2、R9、R10，測量法向力Fz的應(yīng)變影響。

3.1.4 翻轉(zhuǎn)力矩Mx的貼片布置

在翻轉(zhuǎn)力矩作用下A、E兩個(gè)垂直梁產(chǎn)生側(cè)彎曲變形，而C、G兩個(gè)水平梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。其他四個(gè)梁則發(fā)生側(cè)彎曲與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。

選擇A、E梁上下表面根部軸線處，布置應(yīng)變片R17、R21、R25、R29，測量翻轉(zhuǎn)力矩Mx的應(yīng)變影響。

3.1.5 滾動(dòng)阻力矩My的貼片布置

在滾動(dòng)阻力矩作用下，八個(gè)應(yīng)變梁的外根部都受到了相同的載荷，而發(fā)生彎曲變形。

選擇B、D、F、H梁側(cè)表面根部軸線處，布置應(yīng)變片R3、R4、R7、R8、R11、R12、R15、R16，測量滾動(dòng)阻力矩My的應(yīng)變影響。

3.1.6 回正力矩Mz的貼片布置

在回正力矩作用下，C、G兩個(gè)水平梁產(chǎn)生側(cè)彎曲變形，而A、E兩個(gè)垂直梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。其他四個(gè)梁則發(fā)生側(cè)彎曲與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。

選擇C、G梁上下表面根部軸線處，布置應(yīng)變片R19、R23、R27、R31，測量回正力矩Mz的應(yīng)變影響。

如圖4所示組成各通道測量橋路，假設(shè)各應(yīng)變片阻值相等，靈敏系數(shù)為K，輸出應(yīng)變?yōu)镾i（i=1～32），對(duì)受力后的應(yīng)變影響進(jìn)行分析：

縱向力Fx測量橋路如圖4（a）所示，橋路輸出為：

（1）

當(dāng)測量橋路受縱向力Fx載荷時(shí)，R5、R6隨應(yīng)變梁C發(fā)生拉伸或壓縮變形，R13、R14則隨應(yīng)變梁G相反地發(fā)生壓縮或拉伸變形。S5=S6，S13=S14。電阻阻值變化引起電位差，輸出ΔE。

當(dāng)測量橋路受側(cè)向力Fy載荷時(shí)，C、G應(yīng)變梁發(fā)生側(cè)向彎曲變形。R5、R6和R13、R14處于變形的中性層，無電阻阻值變化，輸出ΔE=0。

當(dāng)測量橋路受法向力Fz載荷時(shí)，C、G應(yīng)變梁發(fā)生彎曲變形。R5、R14和R6、R13分別隨測力梁彎曲變形而產(chǎn)生大小相等的彎曲變形，S5=S14，S6=S13。輸出ΔE=0。

當(dāng)測量橋路受翻轉(zhuǎn)力矩Mx載荷時(shí)，C、G應(yīng)變梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。R5、R6和R13、R14處于變形的中性層，無電阻阻值變化，輸出ΔE=0。

當(dāng)測量橋路受滾動(dòng)阻力矩My載荷時(shí)，C、G應(yīng)變梁發(fā)生彎曲變形。R5、R13和R6、R14分別隨測力梁彎曲變形而產(chǎn)生大小相等的彎曲變形，S5=S13，S6=S14。輸出ΔE=0。

當(dāng)測量橋路受回正力矩Mz載荷時(shí)，C、G應(yīng)變梁發(fā)生側(cè)向彎曲變形。R5、R6和R13、R14處于變形的中性層，無電阻阻值變化，輸出ΔE=0。

側(cè)向力Fy測量橋路如圖4（b）所示，橋路輸出為：

（2）

法向力Fz測量橋路如圖4（c）所示，橋路輸出為：

（3）

翻轉(zhuǎn)力矩Mx測量橋路如圖4（d）所示，橋路輸出為：

（4）

滾動(dòng)阻力矩My測量橋路如圖4（e）所示，橋路輸出為：

（5）

回正力矩Mz測量橋路如圖4（f）所示，橋路輸出為：

（6）

同理分析可得，各測量橋路僅對(duì)該測量分量產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)變化，而對(duì)其余通道的干擾分量，信號(hào)輸出ΔE=0，從而在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)各通道的信號(hào)解耦。不過該機(jī)械解耦僅僅是理論上。由于實(shí)際布置的彈性體對(duì)稱性會(huì)有一定偏差，貼片位置的對(duì)稱性也會(huì)產(chǎn)生偏差，這些都不可避免的造成較大的分量通道干擾現(xiàn)象，需要后期進(jìn)行信號(hào)處理。

3.2 多單元結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)

多單元結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)由信號(hào)放大器、測量單元組、輪輞適配器、輪轂適配器等部件組成（圖5）。

相較于單體式傳感器的直接應(yīng)變測量方法，多單元結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)通過分散布置多個(gè)三軸力傳感器作為測量單元，對(duì)車輪的受力情況進(jìn)行組合式測量，之后經(jīng)過信號(hào)整合，進(jìn)一步推算出車輪六分力載荷。

以四單元六分力計(jì)為例，A、B、C、D四個(gè)相同的三軸力測量單元，以車輪軸為中心，四等分均勻?qū)ΨQ布置在半徑為L的圓周上（圖6）。各測量單元的坐標(biāo)系按圖7進(jìn)行布置：X軸沿圓周的切線方向，Y軸與車輪坐標(biāo)系的Y軸方向一致，Z軸則沿圓周的法線方向。各通道測量輸出為Fxi、Fyi、Fzi（i=A、B、C、D）。

對(duì)受力后的各測量單元輸出情況進(jìn)行分析，可得車輪六分力與各測量單元通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

（7）

多單元結(jié)構(gòu)車輪六分力計(jì)相比單體式結(jié)構(gòu)會(huì)增加傳感器整體厚度與質(zhì)量，附加輪距的厚度會(huì)使單元的測量軸線與實(shí)際受力軸線產(chǎn)生較大偏離，其自重和附加輪距對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生的影響可通過后期修正得到改善。作為測量單元的三軸傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片貼片方式相比六軸傳感器的會(huì)簡易很多，容易做到產(chǎn)品一致性。對(duì)于不同車型車輪傳感器量程需求，可以通過增加相同測量單元的數(shù)量來增大整個(gè)傳感器的系統(tǒng)量程。通常對(duì)于小型汽車（縱向力：-20～20kN）配置4個(gè)測量單元;對(duì)于大型車及小型SUV（縱向力：-35～35kN）配置5個(gè)測量單元;對(duì)于大型SUV及輕型卡車（縱向力：-60～60kN）配置6個(gè)測量單元（圖8）。使用產(chǎn)品化的測量單元組合，可以降低制造維修成本，但由于需要采集的通道數(shù)量較多，需要將12～18個(gè)通道數(shù)據(jù)整合成六分力的信號(hào)輸出，需要十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和后期計(jì)算處理過程。

4 車輪坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

由于車輪在實(shí)際行駛中是不停旋轉(zhuǎn)的，需要配置一個(gè)測量車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的角度傳感器，不僅對(duì)車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)精準(zhǔn)測量車輪旋轉(zhuǎn)的角度狀態(tài)。對(duì)于車輪六分力計(jì)坐標(biāo)系，需要將轉(zhuǎn)動(dòng)車輪坐標(biāo)系的受力轉(zhuǎn)換成基于車輪固定坐標(biāo)系的受力情況。

假設(shè)車輪傳感器在行駛過程中旋轉(zhuǎn)了角度，轉(zhuǎn)動(dòng)車輪坐標(biāo)軸也相應(yīng)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)（圖9）。通過受力分析可得坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換公式：

（8）

5 結(jié)論

本文對(duì)單體式和多單元兩種結(jié)構(gòu)的車輪六分力計(jì)進(jìn)行了測量原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的比較分析，為將來研制國產(chǎn)車輪六分力計(jì)產(chǎn)品及建立制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

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