基于輪輻應變提取傳動軸扭矩測試系統研究

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。考慮到節能減排等因素，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]。該方法在特定環境下可以實現技術要求，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據處理方法進行扭矩提取[2]。驗證了該測試系統運行穩定，提取傳動軸扭矩較為準確，可適用于實際試驗中。

1 測試系統總體設計

測試系統包括傳感器、存儲測試儀器、上位機軟件三部分。傳感器根據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、接口傳輸等。上位機軟件完成數據的讀取、分析與處理。測試系統結構如圖1所示。

圖1 測試系統結構框圖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，需要傳感器體現體積優勢，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；單電源系統中，無需依賴“虛地”的穩定性。

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組仿真應變數據如表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境下，考慮到試驗裝置的穩定性以及精度，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定的存儲測試技術。存儲測試采用模擬電路+數字電路的模式。

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，放大倍數為20倍。二級放大之后的信號經運放穩壓處理之后輸出給數字板進行后期的A/D轉換及數據存儲。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 數字電路

數字電路的工作流程：數字板上電處于低功耗模式，等待外部觸發，外部觸發之后數字板將各模擬板的模擬開關打開，模擬電路開始進行數據采集，數字板A/D轉換，實時采集數據。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 進行數據存儲，存儲容量足夠。數字電路簡圖如圖8所示。

2.3 上位機軟件

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

圖8 數字電路簡圖Fig.8 Digital circuit diagram

3 標定試驗

3.1 傳統方法計算推演

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 標定試驗數據

隨機抽取一組實驗數據記錄表，實測標定數據如表2所示。

表2 實測標定數據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，實測數據波形如圖10所示。

圖10 實測數據波形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據如圖11所示。

圖11 工況一單個驅動輪儀器采集數據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據輸入，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，考慮到數據為實際工程所得，可以認為相關度較高。神經網絡預測數據較為準確，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可以適用于絕大多數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，測得的數據也最貼近真實情況。該測試系統經過真實試驗驗證，具備一定的成熟度，可應用于實際試驗中。