基于標定法的整車道路載荷譜試驗研究

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車輛道路模擬試驗及車輛仿真分析是必不可少的。目前，國內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；二是通過貼應變片標定的方法，使被測車橋（軸）成為傳感器進行測量。兩種方法各有利弊，六分力測量輪的優點是：集成化，簡單易操作，試驗周期短，對使用人員的操作要求相對較低；不足之處是：價格昂貴；而貼片標定法則正好相反。標定法作為一種成熟的測試手段廣泛應用在汽車測試領域中，而通過貼片標定使被測車橋（軸）成為傳感器方法的應用則了解的人較少，本文以某重型卡車整體式前軸作為研究對象，在前軸上進行布片、組橋、標定以及載荷計算，詳細說明標定法測試車輛軸頭載荷譜的方法。

1 軸頭的受力分析

通常，簡單的受兩個力的結構件在布置應變片的時候，只需要進行主應力的方向判斷即可貼片，而軸頭受力復雜，耦合情況嚴重，布片顯得尤為重要，作為標定能否成功，能否準確、可靠的獲取應變信號的關鍵環節。所以，在應變片布置之前，首先要進行準確的受力分析，選擇應變信號絕對值較大處為測量點，而且應變對應敏感的載荷要少，然后確定貼片位置。

整體式前軸左、右軸頭是對稱結構，以前其中一端軸頭為例進行有限元模型受力分析，分析結果如下：

圖1 Fz加載應力云圖

圖2 Fx加載應力云圖

圖3 Fy加載應力云圖

圖4 Mx加載應力云圖

2 應變片的布置及組橋

依據有限元模型應力分析結果，綜合分析，確定四個面為應變計粘貼位置。軸頭應變片布置具體情況見圖5。

圖5 前軸軸頭應變片布置圖

A1，A2，A3，A4相對的面也有兩個應變片，位置和角度對應一致，組成一個全橋。A1是對垂向力敏感的彎曲應變測點，A2是對My扭轉敏感的扭矩應變測點，A3是對縱向力敏感的彎曲應變測點，A4是對垂向力敏感的剪切應變測點。

為了測得不同性質的載荷分量，應變計粘貼的方法、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變計和進行測力電橋的連接，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變的原理求得外載，但粘貼應變計的方法和電橋的連接是不一樣的。

圖6 應變電橋圖

應變橋路的組橋方式主要包括三種：全橋、半橋和四分之一橋。以電阻應變片R1、R2、R3、R4組成電橋的四個臂，Ue為激勵電壓，Uo為輸出電壓。工程中通常設計成 R1=R2=R3=R4=R。

1/4橋時，只有一個應變片電阻發生變化△R，則電壓輸出：

可見，激勵電壓一定時，輸出電壓與應變片電阻變化△R成正比關系。

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

全橋時，工作中有四個橋臂的阻值變化，即R1+△R，R2-△R，R3+ △R，R4- △R，此時，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，又能實現溫度補償，消除信號采集數據中漂移問題的處理，保證了信號的精確測量。因此，全部采用全橋的組橋方式。

3 載荷測量的標定

標定過程即模擬樣件實際受力的狀態進行加卸載，記錄載荷和應變之間的對應關系。在很多情況下，外載荷對結構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，描述分布載荷時必須限制在有限數量的參數內，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表達式中的常數作為參數。進行標定試驗時，當結構上作用有某一力系時，應變測量電橋中一個信號與其對應。模擬車輛軸頭實際的受力，在輪轂上安裝一個加載裝置，下面的圖片各方向加載的標定圖。

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 個測點的應變輸出，對應每個測點的應變值和所施加的力值，可以獲取到每個測點應變標定系數 K。標定的結果如下，橫坐標為載荷，單位是KN,縱坐標為應變，單位為εμ。

圖11 Fx加載標定結果

圖12 Fy加載標定結果

圖13 Fz加載標定結果

圖14 My加載標定結果

4 數據方程求解

車輛行駛中，車橋的軸頭同時承受垂向力Fz、側向力Fy和縱向力Fx和扭矩My的組合影響，相應的前橋一端軸頭處的四個測點的應變都有輸出，分別為ε1、ε2、ε3、ε4。在已知四個測點對應四個方向力的應變標定系數的前提下，根據應變值反求軸頭的力值。四組應變和三個方向的力的矩陣如下：

公式 K 值為標定每個測點時對應力下的應變標定系數結果，ε為實測應變值，F，My為需要換算的軸頭力及扭矩。對上面方程組進行變換就可以根據應變標定結果和實測應變值反求出軸頭力。

5 實測數據分析與結論

根據上述應變片布置，載荷測試、標定及數據處理方法獲得的實測結果數據，利用Matlable軟件針對該項目編制了解耦程序。由于實際同步測試參數有 54個，參數采樣率為1000Hz，按不同工況要求，車輛空、滿載狀態采集數據 130多組，整個數據量較龐大。圖15給出了測量車輛滿載狀態下，比利時路面和鵝卵石路面數據的載荷結果。

圖15 滿載狀態下前橋左端載荷譜

本文描述了道路載荷譜采集中采用應變標定測試軸頭力的方法和原理，獲得的試驗載荷譜，作為整車模型疲勞分析、疲勞壽命及模擬試驗加載的依據，為整車的改型和優化設計提供了重要的力學參考。該方法在載荷譜測試中具有很廣闊的應用，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立懸掛的軸頭力、桿件和球頭的力測量。

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