車輪傳感器的新型裝配方案及其標定與解耦

呂俊成，賈永輝，祁建德，劉濤

車輪傳感器的新型裝配方案及其標定與解耦

呂俊成1，賈永輝1，祁建德1，劉濤2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130022）

為實現車輪六維力傳感器與汽車之間的良好匹配關系，文章提出了一種新型裝配方案。與現有的傳感器技術相比，新的裝配方案改變了傳感器的安裝連接方式和力的傳遞路徑，對汽車原有動力學性能影響很小。文章還對自主研制的傳感器進行了標定試驗，進行解耦計算得出輸入力/力矩與輸出電壓之間的耦合關系矩陣。結果表明此傳感器性能較好，可為后續傳感器技術的研究提供參考。

車輪傳感器；裝配；解耦

引言

車輪六維力傳感器用于汽車道路試驗中車輪力的測量，其結果可以準確反映汽車的動力學性能，對于整車的研究開發具有重要意義。車輪傳感器在汽車研究中的應用主要有：汽車制動性能研究、汽車ABS的研究和評價、車輛動力學系統試驗研究、汽車懸架特性動態測量、汽車道路路譜的數據采集等[1-2]。

傳感器技術包括傳感器結構設計、應變片橋路連接方案、傳感器與車輪的匹配、標定試驗、數據解耦分析等許多方面。國外對傳感器技術研究較早且已將其產品化，如美國密歇根科技公司、瑞士Kistler公司等，但關鍵技術保密。為減小技術上的差距，近年來國內已有多個單位和企業加大了對傳感器的研究投入，如東南大學自主研制了多維力傳感器并進行實際應用[3]。本文提出了一種有別于現有傳感器技術的裝配方案，并對自主研制的一款新型六維力傳感器進行了標定解耦分析。

1 車輪六維力傳感器裝配方案

傳感器是一套獨立的測量裝置，需要設計裝配方案將其應用于車輪力和力矩的測量。裝配方案要求車輪受力完全經過傳感器傳遞到車身，同時便于拆裝，且傳感器組件對汽車原有動力學性能的影響盡可能小。

1.1 現有傳感器裝配方案分析

目前使用較多的傳感器產品采用的方案為設置適配器結構，傳感器位于輪輞適配器與輪轂適配器之間，與車輪固定，工作狀態下隨車輪同步旋轉，設置滑環結構，內置編碼器測量車輪旋轉角度。

以兩款常見的傳感器產品為例，分析其裝配方案。MSC傳感器裝配方案如圖1所示。傳感器為環形結構，測力單元位于內環與外環之間的四個應變梁位置。傳感器外環與輪輞適配器螺栓連接，傳感器內環與輪轂適配器螺栓連接。車輪的受力從輪輞適配器傳遞至傳感器外環，引起應變梁變形，再經過內環傳遞到輪轂適配器直至車身。奇石樂傳感器裝配方案如圖2所示，基本思路與MSC傳感器相同，測力單元通過傳感器外側部件與輪輞連接，通過傳感器內側部件與輪轂適配器連接。車輪受力從輪輞傳遞至傳感器外側部件引起測力單元受力并通過內側部件傳遞到輪轂適配器直至車身。

圖1 MSC傳感器裝配方案

圖2 奇石樂傳感器裝配方案

此方案傳感器與車輪固定，傳感器坐標系與車輪坐標系相同。整車及車輪坐標系如圖3所示，整車坐標系為固定坐標系，三個力為F、F、F，三個力矩為M、M、M。車輪坐標系為旋轉坐標系，三個力為F、F、F，三個力矩為M、M、M。傳感器測量結果是在旋轉坐標系中的六個分量，需要通過編碼器測量出車輪旋轉角度，然后將六個分量解算到整車坐標系中。編碼器解算車輪角度和旋轉速度的方式不能實現六分力的實時測量，在輪胎的復雜運動姿態下角度的測量存在誤差，而且此裝配方案的適配組件增加了車輪的質量，影響車輛的動力學性能。為解決這些問題，本文設計了一種安裝在車載固定端的傳感器裝配方案。

圖3 整車和車輪坐標系

1.2 新型傳感器裝配方案

在不改變汽車原有車輪總成、不增加適配器的前提下，設計前輪傳感器裝配方案如圖4所示，通過改進汽車原有車載固定端結構實現傳感器與車輪總成的連接。改制轉向節，內圈設置螺栓孔與傳感器外環螺紋孔連接；改制前軸承座，外圈添加法蘭板，法蘭板上內圈螺紋孔與傳感器內環螺栓孔連接，法蘭板遠端兩個螺紋孔與前制動器卡鉗對應螺栓孔連接。車輪所受、、、、方向的力通過軸承傳遞到前軸承座，再傳遞到傳感器內環，引起應變梁變形，最后通過傳感器外環傳遞至轉向節。制動時車輪所受通過制動盤傳遞至前制動卡鉗，再通過前軸承座傳遞至傳感器和轉向節。

圖4 前輪傳感器裝配方案

設計后輪傳感器裝配方案如圖5所示。后懸架與傳感器內環螺栓連接；改制后軸承座，外圈添加法蘭板，法蘭板上內圈螺紋孔與傳感器外環螺栓孔連接，法蘭板遠端螺栓孔與后制動器卡鉗對應螺紋孔連接。車輪所受、、、、方向的力通過軸承傳遞到后軸承座，再傳遞到傳感器外環，引起應變梁變形，最后通過傳感器內環傳遞至后懸架。制動時車輪所受通過制動盤傳遞至后制動卡鉗，再通過后軸承座傳遞至傳感器和后懸架。

圖5 后輪傳感器裝配方案

新型裝配方案采用改制汽車原有轉向節、前后軸承座的方式，將六維力傳感器安裝在車載固定端，前輪傳感器固定在轉向節，后輪傳感器固定在后懸架，從本質上改變了現有裝配方案。傳感器不再隨車輪旋轉，無須滑環和編碼器結構，不需要進行坐標系轉換計算，可實時測量傳感器所受力及力矩。傳感器安裝在車載固定端，簡化了適配結構，不會增加車輪總成的質量，對車輛原有動力學性能無影響。

2 傳感器的標定解耦

2.1 傳感器類型

車輪傳感器按彈性體結構可以分為直接輸出型（無耦合型）和間接輸出型（耦合型）兩類[4]。直接輸出型傳感器是在力學分析的基礎上，設計出無耦合作用的彈性體，各分量之間的輸入輸出互不影響，輸出結果由每個分量的應變電橋直接輸出。間接輸出型傳感器每個分量的輸出信號與多個輸入的分量有關，需要對信號進行解耦運算。本次標定的六維力傳感器如圖6所示，彈性體結構對稱，應變片位于對稱的四個應變梁，通過設計橋路連接方式，理論上可實現完全解耦。但實際中由于彈性體加工工藝和應變片粘貼工藝等因素的影響，傳感器無法達到理論設計的無耦合特性，所以需要進行標定解耦。

圖6 六維力傳感器

2.2 傳感器標定

車輪傳感器的標定是傳感器的一項關鍵技術，標定結果的準確性直接影響傳感器的性能。對傳感器施加確定的輸入量，可以測得傳感器的輸出量，輸入量與輸出量是映射關系，標定即為了確定兩者之間的映射關系。對于直接輸出型傳感器，每個方向單獨輸入時只有對應方向有輸出，其他方向無輸出，則可根據標定結果直接得出各個分量的映射關系。對于間接輸出型傳感器，單個分量輸入時，多個分量產生輸出結果，需要進行解耦運算得出輸入量與輸出量之間的映射關系。

標定臺如圖7所示，兩個液壓缸為加載機構，與一個可以穩定控制壓力的液壓站連接。液壓缸可通過調節液壓缸支撐臂的角度實現水平和豎直兩個方向加載。液壓缸可進行推、拉兩個方向加載，兩缸力的方向相同時可對傳感器進行力加載，兩缸力的方向相反時可對傳感器進行力矩加載。加載力的大小通過液壓缸端部的標準單分力傳感器讀取，并通過調節壓力的大小控制加載的輸入量。同時，傳感器標定工裝可以繞豎直中心軸線360°旋轉，配合液壓缸的不同位置可實現對傳感器的六個分量單獨加載。記錄每個分量單獨輸入時六個分量的輸出結果進行解耦分析。

圖7 標定臺

2.3 線性解耦

對標定結果進行初步處理得出，主通道輸入與輸出為線性關系，耦合通道輸出量較小，近似線性關系，故采用線性解耦方式。設標定輸入力和力矩為F、F、F、M、M、M，輸出電壓為U、U、U、U、U、U，標定系數為k，則輸入量與輸出量之間可得到如下關系式：

公式（1）可矩陣表示為：

=（3）

通過標定臺進行單分力F輸入，其他五個分量輸入為0，測得六個橋路對應電壓輸出，可計算出標定系數1j（=1～6）。同理，另外五個分量分別單獨輸入得到六個橋路電壓輸出，即可計算得出標定系數矩陣中其他系數。

由式（3）得：

=-1（4）

式中-1即為最終所求得的解耦矩陣。在實際汽車道路試驗中，六維力傳感器測得六個橋路輸出電壓，再根據標定所得的解耦矩陣-1和公式（4）即可計算出車輪所受六個方向的力。

2.4 標定解耦結果

對自主研發設計的新型車輪六維力傳感器進行標定試驗，六個輸入量分別單獨加載，得到每個輸入量加載時的一個主通道輸出和五個耦合通道輸出。對輸出曲線進行線性擬合，計算斜率即為標定系數。六個方向共進行六次標定試驗，將試驗結果處理計算后，得出所有標定系數，得到標定矩陣：

計算得解耦矩陣：

將-1代入公式（4）即可對此傳感器進行道路試驗測量的數據進行解耦。

3 結論

本文設計了一種將車輪傳感器安裝在車載固定端的裝配方案，傳感器不再隨車輪旋轉，不需要滑環和編碼器結構，可實時測量車輪受力情況，為傳感器的應用提供了一種新的方式。利用自主研發的六分力標定試驗臺對最新研制的傳感器進行了標定試驗，按照線性解耦的方式計算得出了解耦矩陣。傳感器只有個別方向耦合較大，進行解耦計算后可滿足基本使用需求。

[1] 嚴勁,張為公.多維車輪力傳感器及測試系統[J].輕型汽車術,2006 (04):18-20.

[2] 宋國民.多分力車輪力傳感器研究及其在汽車道路試驗中的應用[D].南京:東南大學,2001.

[3] 張為公.汽車車輪多維力測量關鍵技術[J].江蘇大學學報(自然科學版版),2004(01):25-28.

[4] 李偉.基于神經網絡的間接輸出型車輪六維力傳感器研究[D].武漢:武漢理工大學,2013.

New Assembly Scheme of Wheel Sensor and Its Calibration and Decoupling

LV Juncheng1, JIA Yonghui1, QI Jiande1, LIU Tao2

（1.SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007;2.School of Automotive Engineering, Jilin University, Jilin Changchun 130022）

In order to achieve a good matching relationship between wheel six-axis force sensor and automobile, a new assembly scheme is proposed. Compared with the existing sensor technology, the new assembly scheme changes the sensor installation and connection mode and force transmission path, and has little impact on the original dynamic performance of the vehicle. The self-developed sensor is calibrated and decoupled to obtain the coupling matrix between input force / torque and output voltage. The results show that the performance of the sensor is good, which can provide a reference for the future research of sensor technology.

Wheel sensor; Assemble; Decouple

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.042

TP212

A

1671-7988(2021)21-159-04

TP212

A

1671-7988(2021)21-159-04

呂俊成（1978—），男，博士，教授級高級工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，主要研究方向為整車性能集成和智能駕駛。

柳州市科技計劃項目（2018AA20501）。