- 多維車輪力傳感器及測試系統
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2011/2/10
1 引言
汽車運動是輪胎與地面作用的結果, 通過測量車輪運動時所受的力和力矩, 能夠準確地反映整車運動的性能指標。美國《R&D》雜志1999 年度評選出的世界100 項給工程應用研究帶來巨大貢獻的獎項中, 多維輪力測量技術就是其中的一項, 多維輪力測量技術在汽車上的應用主要有以下幾個方面:
1.1 汽車制動性能研究
汽車制動性是汽車的一項重要安全性能, 利用多維輪力測量技術進行制動性能道路試驗時, 可以測量制動過程中汽車車輪所受到的地面制動力的大小, 從而為研究汽車的制動穩定性、方向操縱性以及制動過程中前后軸間制動力的分配等方面提供了技術手段, 為改進汽車制動系統設計提供了實驗依據。
1.2 汽車ABS 的研究和評價
汽車ABS 控制算法的目標是制動時制動系制動力矩和地面制動力矩保持一定的比例關系, 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可以實時測取地面制動力矩和制動系制動力矩,為ABS 的研究和定量分析提供了實驗手段。
1.3 車輛動力學系統試驗研究
汽車行駛中的動力學模型是整車性能研究的重要基礎, 利用多維輪力測量技術, 可以實時測出汽車行駛中車輪所受的縱向力、側向力、垂直力以及車輪扭矩, 為車輛動力學系統建模提供了分析工具。
1.4 汽車懸架特性動態測量
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可以動態測出實時軸荷的變化,再輔以加速度傳感器數據, 可以分析懸架的特性。
1.5 汽車道路路譜的數據采集
利用多維輪力測量技術在汽車道路試驗中采集路譜, 然后在試驗臺架上再現, 從而可以在室內進行汽車疲勞性、可靠性項目的研究。
汽車實際行駛過程中, 車輪受到六維力（ 側向力、垂直力、縱向力、側傾力矩、橫擺力矩、扭矩） 的作用, 且車輪處于旋轉運動, 測量信號具有強耦合性和非線性時變, 信號傳輸為非接觸型, 因此, 車輪多維力測量技術一直是汽車道路試驗中的難點之一, 目前, 只有美國、德國和日本等發達國家的幾家公司擁有該項技術, 且技術尚未解密。
東南大學是國內對多維車輪力測量技術研究的主要單位之一, 1998 年研制成功車輪轉矩傳感器, 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, 并與相應的數據采集儀器和軟件組成系統, 進行了實際應用。
車輪多維力測量系統由車輪力傳感器彈性體、嵌入式多路信號調理及采集模塊、信號耦合器、上位機以及采集及通訊軟件構成, 車輪傳感器結構。
傳感器的信號采集編碼傳輸電路框圖如2所示
16C773完成六維信號的采集, 并由單片機將六維力采集值編碼封裝為包含數據包頭尾字節和校驗字節的固定長度（ 14 字節） 的串行數據包, 經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動, 六維力數據包需經非接觸傳輸方式輸出至非旋轉部分, 本系統采用紅外傳輸信號耦合方式。UART 輸出的串行碼, 驅動安裝于內側輪車軸線位置的紅外發射管, 而接收管安裝于外側輪車軸線位置, 中心對準發射管, 內外側輪發生相對轉動, 不影響串行碼的發射接收, 從而實現了數據包的非接觸傳輸。
上位機采用以4 路串行緩沖器為核心器件設計出數據同步采集裝置, 以PC 機ISA 板卡的形式封裝。四個車輪的六維力數據實時更新該數據Buffer, 上位機對其的讀取可通過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態載荷（ 如垂直力、側向力、縱向力、制動扭矩等） , 傳感器應變片測量點的選取直接影響傳感器的輸出靈敏度、多維力對應變片的耦合影響以及應變片的組橋, 因此, 測量點的選取是傳感器設計的關鍵。由于彈性體結構對稱, 因此受力后對稱點的變形具有對稱性或反對稱的特點, 測量點的選擇可利用該特點進行不同力引起的變形測量。
3.3 信號傳輸技術
由于車輪力測量是旋轉件的物理量測量, 其旋轉件與非旋轉件之間的能量和信號傳輸是較難解決的問題。對于接觸型傳輸方式, 旋轉件與非旋轉件之間由于相對運動, 會引起接觸電阻的變化, 影響傳輸信號的穩定性, 而在非接觸傳輸中, 由于旋轉件與非旋轉件之間的相對運動, 其間隙會發生波動變化, 對信號產生干擾。因此, 根椐汽車行駛工況及車輪的工作情況, 研究設計多路非接觸信號傳輸耦合器, 實現測量信號數字化傳輸, 是實現車輪力測量的關鍵技術之一。從旋轉的車輪上通過耦合器進行多路的能量和信號傳輸技術也關系到車輪多維力測量的精度和可靠性。
3.4 信號處理
技術傳感器隨車輪一起旋轉, 其力矢量相對于傳感器的定義隨轉角變化而變化。如傳感器表征車輪受垂直力的信號, 隨傳感器的旋轉90 度變化為表征縱向力的信號; 傳感器表征車輪受側傾力矩的信號, 隨傳感器的旋轉90 度變化為表征橫擺力矩的信號。因此, 對測量信號的處理顯得非常重要, 對傳感器標定和信號解耦算法要求很高。
4 應用情況
車輪多維力傳感器安裝在試驗車上, 在定遠汽車試驗場進行了實驗, 圖4 為汽車右前輪行駛過程中的測試數據。
該曲線是連續換檔加速后制動過程中的右前輪受力數據。換檔加速過程, 縱向力和扭矩呈現正向階梯跳變, 且檔位越高, 縱向力和扭矩越小, 此時垂直力基本不變; 制動時, 縱向力和扭矩呈現反向階梯跳變, 同時垂直力正向增加, 反映出制動時的軸荷轉移。
曲線趨勢正確, 數據平穩, 說明車輪力傳感器的車輪力和車輪轉角測量達到了要求的精度等級。
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