基于汽車試驗場道路的車輛載荷譜采集

朱淮烽，施 磊，康 誠

（中汽研汽車試驗場股份有限公司，江蘇 鹽城 224100）

作為汽車產品質量和技術水平的關鍵指標之一，汽車的可靠性越來越受到生產廠商和消費者的重視，中國汽車市場上產品整體可靠性水平不斷提高[1]。根據美國消費者洞察與市場研究機構J.D.Power在2020年的統計調查顯示，自主品牌產品形象五年來持續提升，更多的中國消費者因為質量或性能好而購買自主品牌，主流自主品牌車型的新車平均每百輛車問題數逐年降低[2]。而作為汽車可靠性開發的一環，載荷譜采集試驗扮演者不可替代的角色。

道路載荷譜是指車輛或設備在道路上行駛時，載荷隨時間變化關系的圖或表，主要包括力、應力、加速度、位移、力矩、溫度等多種載荷信號。載荷譜采集在車輛從設計到量產的整個研發階段都具有相當大的作用，其成果主要運用于以下三個方面：（1）虛擬仿真輸入。在車輛設計階段作為結構受力分析的依據，以發現結構設計及選材中的固有缺陷。（2）臺架迭代輸入。在臺架試驗中作為外部載荷輸入，以快速驗證試制車輛可能存在的結構缺陷。（3）道路試驗規范制定。由于虛擬仿真和室內臺架試驗還不能完全復現實際道路行駛中可能出現的故障，因此，需要批量試制樣車在汽車試驗場進行耐久性試驗，以快速模擬車輛在目標用戶手中的使用狀態，所以用戶車輛載荷譜數據是制定試驗規范的重要依據。近年來，許多行業專家介紹了基于不同車型的試驗場載荷譜采集方案[3-4]和用戶載荷譜數據采集技術路線[5]，但鮮有介紹這種非標準試驗實施細節的研究。本文針對某中型運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型，在某汽車試驗場進行道路載荷譜采集，詳細闡述試驗準備到道路采集的試驗過程，為工程實踐提供一定的參考。

1 采集設施設備

1.1 自制應變片傳感器

自制應變片傳感器是利用電阻絲受力產生形變，進而產生電阻變化的原理，將不便于直接測量的應力應變信號與易于測量的電壓信號建立函數關系，從而獲得測量點位的應力應變實時數據[6]。為了解車輛在行駛過程中底盤零件的受力狀態，通常需要在減震器、減震彈簧、擺臂、拉桿、穩定桿等零件表面粘貼應變片，將其標定為應變片傳感器。在產品設計前期，經過仿真分析會發現車身鈑金件的風險點位，為驗證這些風險點位可以承受用戶在產品全生命周期中的使用損傷強度，也需要在其周圍粘貼應變片，采集標準工況下的振動數據。

1.2 成品傳感器

常用的成品傳感器有六分力、加速度、位移傳感器和全球定位系統（Global Positioning System,GPS）等。由于車輪是車輛唯一與地面接觸的零件，除去發動機自身的振動，振動信號由車輪經底盤桿件傳遞至車身[7]，所以，車輪六分力傳感器幾乎是載荷譜采集必不可少的設備。加速度傳感器可以直觀地體現振動的劇烈程度，且車輛軸頭加速度信號與車輪受力具有較好的相關性，可以很好地估計車輪載荷情況[8]，所以也廣泛地應用于此試驗。加速度傳感器按測量范圍分為單向和三向測量，可以按照測量點位的需求選擇；按測量原理又可分為壓電式、壓阻式、電容式等，需要根據數據采集系統的匹配性與安裝空間大小加以選擇。位移傳感器常用以測量減震系統的行程變化或車架形變程度，有時也可以用自制應變片傳感器代替。GPS傳感器可以記錄車輛行駛路線和速度信息，方便后期數據梳理和問題追溯。此外，針對不同的測試目的，還有可能用到扭矩、熱電偶、踏板力傳感器和測力方向盤等。

1.3 數據采集系統

數據采集系統記錄、存儲各類傳感器采集到的數據，它同時也是應變片標定時的重要工具。在采樣頻率方面，由于汽車行駛通過特征壞路時的振動通常集中在50 Hz以內，為保證采集數據不失真，一般采用最大頻率十倍以上的采樣頻率，如512 Hz。當然，出于數據使用目的不同，采樣頻率也可能提高，例如：為匹配某些仿真軟件的使用要求，采樣頻率會設置在2 000 Hz以上，但這也可能會造成數采軟件運行卡頓和數據文件過大。絕大多數數據采集系統在搭載較多數量的傳感器之后，其運行狀態會較為卡頓，從而很難做到瞬態存儲。因此，為了方便采集操作和后期數據處理，會在數據通道中額外搭載一個電位開關。電位開關本質上是由一個穩壓電源與斷路開關串聯而成，當開閉電位開關時，數據采集系統會記錄一個高、低電位信息，從而可以在一段較長的行駛數據中標記出每段特征壞路工況。

1.4 其他輔助設施

為制作自制應變片傳感器，需要對應變片進行標定，這將使用到標定系統，如圖1所示，它具備定量輸出力、扭矩和位移的功能。建議在標定系統上預留數據采集系統端接口，方便將標定系統采集到的力、扭矩、位移信號傳輸至數據采集系統中，從而實時擬合標定數據，提高標定效率。同時，需要根據貼片零件的參數定制標定夾具，部分標定夾具可以在多個采集項目中通用，而且其使用壽命較長，不易損壞。

圖1 標定臺系統

為安裝六分力傳感器需要制作相應的適配器，如圖2所示，它由輪輞適配器和輪轂適配器組成，代替原車輪安裝在試驗車輛上。六分力適配器通常專車專用，既因為不同車型輪轂的參數有所差異，也因為適配器的結構強度較原車輪輞低，每次試驗中的振動、沖擊往往導致適配器發生形變、影響數據采集精度，而無法繼續使用。六分力適配器可使用原車輪輞改制焊接而成，也可以開模鑄造或一體切削而成，其中，鑄造件的結構強度相對較高。

圖2 車輪六分力適配器

2 車輛準備

在載荷譜采集過程中，采集車輛的準備工作占據了整個項目約70%的工作量，由于大量使用不同品牌、種類、型號的傳感器和自制應變片傳感器，在運行和調試數據采集系統時，可能會出現較多的故障，這需要試驗人員在傳感器裝車前后進行多次測試。采集車輛的準備工作流程如圖3所示，不同采集項目在采集通道數量上的差異主要受應變通道和加速度通道的影響，而隨著采集通道數量的增加，不確定因素也明顯增多，對采集系統的穩定性有較大的挑戰。100個通道左右的車輛準備工作在順利的情況下耗時大約15天，而在200個通道左右的采集項目中，其車輛準備工作有時可能會長達兩個月之久。

圖3 車輛準備工作流程

2.1 零件拆裝車

為制作應變片傳感器，首先需要將底盤零件拆除。由于制作周期較長，在拆卸零件前后，要進行拍照保存與位置標記。拆卸下來的緊固件應盡量保留在原位，避免重新安裝時出現混裝、錯位的現象，這可能導致道路采集時出現事故。如圖4所示，因為安裝時使用了錯誤型號的墊片螺母，導致車輛在經過較大尺寸的坑洼特征路面時，左前下擺臂球頭從轉向節中直接脫落，并對周圍的自制應變片傳感器產生不可修復的破壞。

圖4 混裝緊固件導致的采集事故

2.2 應變片傳感器制作

2.2.1 應變片的選擇

如圖5所示，車輛貼片通常使用箔式應變片，其敏感柵采用的是0.015 mm～0.03 mm的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖制板、光刻及腐蝕等工藝制作[9]。其擁有橫向效應較小、易安裝、散熱性好、疲勞壽命長、測試精度較高的優點。應變片形制的選擇要根據貼片零件受力形式、貼片位置允許的空間和橋路形式而定，一般情況下，對于直拉桿這類受軸向拉壓力的桿件，通常選擇90°T型應變片花；對于減震器彈簧這樣受剪切力的零件，通常選擇45°剪切片花；對于彎臂類結構非平直，受力包含拉伸和彎曲的零件，通常選擇單片測量；對于車身鈑金件上受力方向不清晰的點位，采用三軸45°應變片花。為了方便后期接線工作，盡量選擇自帶漆包線或外皮尾線的應變片，否則，需要使用接線端子連接引線，一定程度上增加了貼片難度與工作量，如圖6所示。

圖5 常見應變片形制

圖6 接線端子連接

2.2.2 橋路的選擇

由于單個應變片阻值變化引起的電壓變化值較小，不易于觀測，通常組建惠斯通電橋，以放大電壓變化，提高傳感器的靈敏度，同時消除和減小溫度的影響，方便力的解耦分析[10]。車身測量點位由于受力方向不清晰，一般采用1/4橋，但由于缺少溫度補償，這種橋路的測量結果受溫度影響較大。半橋與全橋電路中存在溫度補償片，可以降低環境溫度對測量值的影響，同時增加讀數應變，提高測量靈敏度，且全橋的靈敏度高于半橋的靈敏度。球頭結構受力可分解為Fx、Fy兩個方向，但受制于貼片位置允許的空間有限，常組建兩個半橋，其他底盤零件，盡量選擇組建全橋。

2.2.3 貼片與標定

關于貼片的一般步驟在之前的很多文獻中已有介紹[11]，這里不再贅述，但需要注意的是，貼片使用的膠水質量對貼片質量的影響較大[12]，應從正規渠道購買，且需要關注其保質期限。應變片的標定過程也是對貼片質量的一次檢驗，貼片質量優異的傳感器在接入數據采集系統之后，其讀數穩定、測量值變化大小正常。如圖7所示，使用標定系統對零件等距加載與卸載，根據測量到的數據，采用多項式擬合出一次函數關系，并根據決定系數R2的大小來判斷此函數模型的預測能力，其公式如下：

圖7 應變片的標定

式中，n為樣本個數；yi為樣本目標變量的實測值；為n個樣本目標變量實測值的均值；為使用函數模型預測的目標變量值。R2的數值范圍在0～1，越接近數值1表示函數模型預測越精準。標定函數的R2常在0.98左右，但對于同時存在拉壓和彎曲的零件而言，其決定系數可能略小。由于應變片自帶的引線較短，以及數據采集系統匹配的接頭各異，需要使用雙絞屏蔽線焊接應變片和線纜插頭，線纜長度在6 m左右。接線完成后應再對應變片通道進行一次檢查，接線質量、線纜保護質量和線纜本身質量均會影響信號的通斷。

2.3 傳感器安裝與線纜布置

成品傳感器中，三向加速度傳感器在安裝時要注意對應整車坐標系方向，部分測量點位受安裝空間限制，無法對應的應記錄實際測量方向，方便后期數據查看。拉線位移傳感器在安裝時需要使用特制的工裝，確保位移傳感器可以緊固在減震器筒壁上而不發生相對移動，拉線伸縮方向平行于減震器伸縮方向，且垂直于出線口平面。為了了解車輛在行駛過程中的狀態，獲得諸如發動機轉速、加速踏板、制動踏板位置、防抱死制動系統和牽引力控制系統動作信息，需要讀取車輛控制器局域網絡（Controller Area Network,CAN）總線中的數據，但這需要汽車生產廠商釋放接口的解析權限，否則很難破解。在所有傳感器安裝好后，需在接頭端標出通道名稱，方便后期故障排查，之后再將所有線纜接頭引入數據采集系統的安放位置，一般為行李箱或后排座椅。線纜在底盤走線時，優先按車輛原有線束、管路方向布置，避免在車輛行駛時與布線位置發生相對位移或與周圍零部件產生干涉，車身走線不得影響四門兩蓋等開閉件的正常使用。

3 道路采集及數據處理

試驗采集工況根據委托方需求和汽車試驗場的路型條件編制，每種特征路面工況至少采集3遍。開始采集前需進行調零操作，將車輛緩慢行駛至水平路面后撤去動力，使車輛憑借慣性和地面摩擦力降速至靜止狀態，此時底盤桿件幾乎不受車輛重力以外的其他外力影響，在此狀態下調零，可以避免行駛至特征壞路時出現應力、應變初始值過大的情況。采集到的原始數據中，應力、應變通道的數據可能因為零件表面溫度升高、電磁干擾等原因出現異常，需要使用專業的數據處理軟件進行去毛刺和去漂移處理；六分力通道可能出現短時間的數據“空白”，這種情況要通過電位開關記錄的數據與工況表推算出“空白”部分的路段位置，之后進行補充采集。

4 總結

車輛道路載荷數據的有效采集方便了后期數據處理與分析，可以加快產品可靠性設計與驗證的進程，為汽車產品的質量提升提供有力支撐。本文通過對整車道路載荷譜采集方案的研究，結合應變片傳感器標定制作的詳細闡述，為在汽車試驗場的數據采集實施提供參考，為相關試驗開展提供實踐依據。