嵌入式履帶車輛主動輪應力測試系統的研究

白　茹，裴東興*，謝　銳

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

嵌入式履帶車輛主動輪應力測試系統的研究

白茹1，2，裴東興1，2*，謝銳1，2

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

針對履帶車輛主動輪動態應力測試環境的惡劣和可測試性差的問題，采用電阻應變測試方法并結合存儲測試技術，設計了一套可嵌入的微型存儲測試系統。通過利用ANSYS仿真軟件可得到靜態載荷下主動輪輪轂的應力分布，選取在輪轂兩側以半橋連接方式粘貼兩個應變片。對于履帶車輛的多種工況，采取多次隨機觸發采樣模式，同時采用單片機和CPLD共同控制的方式對測試系統進行低功耗設計。經過試驗表明，測量結果誤差小于1%，達到了預期的結果。

存儲測試；應力；低功耗；微體積

具有良好性能的履帶車輛在現代軍事、農業和建筑業發揮著十分重要的作用［1］。隨著科學技術的進步，履帶車輛功能逐漸復雜，對其參數的測試要求越來越精確，尤其是坦克裝甲車輛。獲得坦克裝甲車輛中某些重要零部件的實時動態參數的測試技術，成為目前迫切需要解決的技術問題，同時將為改造現役坦克裝甲車輛和研究下一代軍用車輛提供有效的技術支持。扭矩是反映坦克裝甲車輛機動性能的重要機械量，在行駛過程中，其主動輪為整車提供牽引力和制動力，并承受隨機交變的載荷［2-4］。所以獲得其主動輪的扭矩是目前迫切要去解決的問題。

傳統的測試方法是臺架試驗進行部件測試和實車試驗進行整車測試，其不足之處就是對所出現問題的原因缺乏準確判斷，而且工作量較大［5］。所以，針對履帶車輛主動輪扭矩測試環境惡劣、工況復雜、干擾強等特點，研究一套適合履帶車輛主動輪扭矩的測試系統是非常必要的。

1　測試原理

通過測試應變實現扭矩的測量是常規的測試方法，測試基本原理是旋轉件扭矩產生的扭力與應變成比例，沿軸向45o和-45o方向粘貼2個電阻應變片（或4個電阻應變片），構建半橋（或全橋）［6-7］，輸出電壓與扭矩成正比，根據相關公式求得扭矩。

收稿日期：2015-07-05修改日期：2015-07-31

測試方案：采用ANSYS對主動輪建模并進行有限元分析，選取主動輪輪轂力矩相等，受力方向相反的兩個點為受力點，粘貼兩個應變片構建惠斯通半橋電路。在主動輪上固定微型化的存儲測試儀器，當主動輪被測點在扭轉載荷作用下變形時，粘貼在被測點上的兩個電阻應變片阻值也發生相應變化，輸出的橋壓信號與應變成正比，在一定的觸發條件下測試儀器對電橋輸出的電壓進行采集、記錄，然后回收測試儀器，通過接口電路將測試儀器接入計算機，由計算機來實現對數據的讀取、分析和處理，從而通過測量主動輪輪轂的應力來實現扭矩的測量。應變片與測試系統相結合的測試方案示意圖如圖1所示。

圖1　應變片與測試系統的連接圖

2　系統總體設計方案

本測試系統包括傳感器、微型應變測試儀和計算機。其中，箔式應變片作為傳感器用來獲取信號，微型測試儀的信號調理電路實現對所獲信號的放大和濾波，ADC完成數據的模數轉換［5］，單片機和CPLD共同控制兩片Flash進行數據的存儲，最后通過USB2.0接口將數據傳輸到計算機中，在計算機中進行分析和處理。測試系統組成如圖2所示。

圖2　測試系統組成框圖

存儲測試方法采用單片機與CPLD共同控制的模式，使用兩片閃存交替工作組成數據存儲器。這樣的設計充分利用了單片機功耗低、邏輯簡單，CPLD速度高的優點，從而提高了測試系統的功能性和穩定性［8］。

測試系統選用的單片機為AVR系列單片機ATmega 8515，單片機主要控制測試系統工作狀態的轉換、電橋的調平控制、發出對Flash進行編寫、讀取和擦除操作的命令等。CPLD選用XLINX公司的XCR3128，主要功能是控制高速數據采樣轉換和轉換結束后數據的緩存。

3　測試系統關鍵技術

3.1應變片位置的選擇

針對主動輪動態應力可測試性差的問題，在測試中需要選定主動輪最大應力部位粘貼應變片，利用ANSYS仿真軟件對主動輪建模并進行有限元分析，得到靜態載荷下主動輪輪轂的應力分布，為應變片的布置提供依據。

高速履帶車輛的主動輪形狀復雜，在有限元軟件中建立其精確模型較困難，故模型采用專業三維建模軟件構建，所以利用CAD與CAE軟件的接口，將所建立的主動輪模型導入有限元分析環境［9］。主動輪的材料為30 CrMnSiA合金鋼，在有限元仿真環境中設定主動輪的材料特性和物理特性參數后，選擇空間體結構常用的線彈性六面體單元solid 45作為單元體，采用智能網格劃分方式生成網格。根據主動輪工作運行時的受力情況，對主動輪輪軸處進行位移約束，即將主動輪進行固定，并在同一時刻對主動輪齒圈上相鄰的四個齒加載20 MPa的壓強，通過求解，則可得到主動輪的應力分布云圖情況。其分布情況如圖3所示。

圖3　主動輪應力分布云圖

由主動輪應力分布云圖可得：主動輪輪轂側壁應力情況由輪軸向齒根方向呈逐漸減小趨勢。綜合考慮，選擇合適的位置粘貼應變片。因此將兩個應變片以半橋連接方式粘貼在輪轂的兩側。

3.2多次隨機觸發采樣模式

根據履帶車輛能在泥濘、沙石、溝壕、陡坡、松軟路面等多種工況下正常行駛的特點［10］，可知車輛的運行工況符合隨機相似過程的特點，于是測試系統采用多次隨機觸發采樣模式。將多次隨機觸發設計成8次觸發，把Flash的存儲區域分為8個容量相等的子存儲區域，用來采集8種不同工況的數據，每觸發一次，就將數據存儲在其對應的子存儲區域內。系統上電后，進入待觸發態后，每收到一個觸發信號，測試系統的AD根據采樣頻率進行數據轉換和采集數據，將每次采集到的數據寫入Flash中，當子存儲空間存儲滿后，輸出第1次觸發采樣存儲完畢的信號，測試系統查詢到輸出完畢的信號到來后，停止采集數據，系統再次進入待觸發狀態，等待下一次觸發信號的到來，直到第8次觸發的子存儲空間存滿后，停止采樣，測試系統進入休眠待讀狀態。隨機觸發采樣狀態圖和8次觸發采樣數據圖分別如圖4和圖5所示。

圖4　隨機觸發采樣狀態圖

圖5　8次觸發采樣數據圖

3.3低功耗測試技術

由于鋰電池有限的容量與儀器工作時間長存在一定的矛盾，因此需要對本測試系統進行低功耗設計［10］。主要從硬件和軟件兩方面來降低功耗。在硬件方面，選擇具有低功耗的非易失性器件；為減少電流的消耗，避免使用上拉或者下拉電阻；在時鐘信號的輸入和輸出節點，使用容值較小的電阻作負載。在軟件方面，合理設計時鐘門控電路，在測試系統采樣完成后通過關閉時鐘來降低功耗；單片機需使用中斷控制數據，并設置多種模式，在觸發信號到來之前單片機直接進入等待模式（低功耗）等待中斷信號的到來；在待觸發狀態、讀數狀態和休眠狀態須關閉模擬電路的電源。

3.4微型化設計［11］

由于存儲測試儀器需嵌入主動輪中心處隨輪旋轉，而且安裝空間狹小，故測試儀器需進行微型化設計。主要措施：通過采用4層PCB的方法，并配合小封裝方式來實現測試電路的微型化；在不影響電路功能的前提下，增加器件封裝密度，集中各器件之間的連線；在殼體形狀方面，減少冗余件的設計并降低外殼厚度；殼體布局采用立體式結構，主要部件包括模擬電路、數字電路和電池。布局結構圖及儀器實物圖如圖6及圖7所示。

圖6　殼體布局結構圖

圖7　儀器實物圖

4　實驗測試及結果

本測試系統采用我校力學系自行研制的新靜動態力學綜合實驗臺的沖擊梁裝置來進行試驗。梁的一端固定質量塊，另一端與固定鉸鏈O點連接。實驗時將沖擊梁由靜止狀態ON向右傾倒，使質量塊自由下落，在A點產生沖擊力［12］。在梁的D點上下表面粘貼應變片R1和R2，并以半橋方式連接，通過測試系統實測出A點的瞬態動應變，從而求得其瞬態動應力。

圖8　沖擊梁裝置示意圖

表1　測試系統的實測應變值

表2　計算結果

實驗相關參數：沖擊梁質量塊的質量M=200 g，梁的質量m=190 g，梁長L=300 mm，梁高h=5.1 mm，梁寬b=14.9 mm，應變片距固定點的距離d=100 mm，支座距固定點的距離l=200 mm，彈性模量E= 200 GPa。應變片電阻R1=R2=120 Ω，靈敏度K=2.1。

5　結論

驗證試驗表明，本測試系統能夠較準確地采集數據，達到了預期效果，為下一代履帶車輛的設計和改進提供了可靠的實驗依據。相較同類大型車輛測試儀器，本測試系統具有可嵌入、低功耗、穩定性高、抗干擾性強的優點，適合于惡劣環境下主動輪動態應力的測試。

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白茹（1989-），女，漢，山西呂梁人，中北大學碩士研究生，主要研究方向為動態測試與智能儀器，775001701@qq.com；

裴東興（1970-），男，教授，研究方向為動態測試、數據壓縮、動態校準；近年獲得國防科技進步二等獎兩項，國防科工委鑒定兩項，通過省科委鑒定三項，發表論文多篇，peidongxing@nuc.edu.cn。

Researching on the Embedded Stress Test System of Vehicle Driving Wheel

BAI Ru1，2，PEI Dongxing1，2*，XIE Rui1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the problem that the bad test environment and the poor testability of the stress test system on vehicle driving wheels，a set of embedded micro storage test system is designed by combining the resistive strain test method with the storage testing technology.The stress distribution of driving wheel hub under static load can be obtained by the ANSYS simulation software，two strain gauges are pasted on both sides of the hub by the connecting way of bridge.For various kinds of operating conditions of the tracked vehicle，the sampling mode is adopted，and the low power consumption design of the test system is carried out by using the single chip microcomputer and CPLD.The results of the test show that the error of measurement is less than 1%and the expected results are achieved.

storage test；stress；low power consumption；micro volume

TM93

A

1005-9490（2016）03-0746-04

EEACC：7210；7320G10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.048