一种新型车轮六维力传感器
曾庆钊严振祥
东南大学南京市210096
=摘要>车轮六维力传感器是汽车道路信号采集系统中的重要部件。
本文介绍了一种新型车轮六维力传感器的结构特点、工作原理及优点等,并给出了采
集信号的传输及存储方式。
叙词:力传感器集流环非接触传输
A New Type Six-Degree-of-Freedom Wheel Force Sensor
Zeng Qingzhao,Yan Zhenxiang
Southeast University,Nanjing210096
Abstract:The six-deg ree-of-freedom(6-DOF)wheel force sensor is an important part of vehicle.s road load data acquisition system.This paper introduces
a new type6-DOF wheel force sensor.s structure characteristics,w orking princ-i
ple,merits and so on.T he methods of data.s transmission and storing are present-
ed.
Key Words:Force Sensor,Slip Ring,Non-Contact Transmission
一、引言
在现代汽车工业中,随着汽车性能的不
断完善和新型汽车的不断开发、研制,汽车道
路信号采集系统也起到了越来越重要的作
用。
它是汽车整车实验的重要设备,利用该
系统可实现车轮所受的六维力(侧向力、垂直
力、纵向力、侧倾力矩、横摆力矩、扭矩)的动
态同步测量,因而能为汽车地面动力学分析
中计算机建模提供实际参数;另外也为研制
汽车防抱死系统(ABS)、制动系统及消除汽
车行驶侧滑等提供了根据;此外该系统采集
的真实道路载荷在汽车零部件的台架模拟试
验中也有广泛应用。
然而汽车道路信号采集
系统中最关键的部件即为车轮六维力传感
器,该传感器性能的优劣直接决定了整套系
统的好坏。
目前,在国内因汽车道路信号采集系统
尚处于初期研究阶段,还没有相应的车轮六
维力传感器,常采用单个仪器分别对不同的
道路数据进行测量,根本无法完成对道路数
据的综合测量和数据处理分析,也远不能满
足实际工作需要。
而在国外,该传感器已经
发展到较为成熟的水平,整套系统也获得了
很快发展,例如德国LBF研究所研制的VE-
LOS(Vehicle Load Sensor)。
就目前状况,一
般车轮六维力传感器大都需要对数据信号进
行解耦,才能获得各种动态载荷,而标定工作
和信号解耦较为复杂,因此测量工作耗时耗
力且测量结果精度不高。
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第10期仪表技术与传感器
二、新型6DOF 车轮传感器
本文所介绍的一种新型传感器,其设计思想就是从结构上实现动态载荷解耦,从而省去了大量的标定工作和数据信号的解耦工作。
11结构特点及设计原理该传感器结构如图1
所示。
图1
车轮所受的侧向力F Y 、侧倾力矩M X 及横摆力矩M Z 是通过4个二力杆(如图1所示1~4)来传递的,4个杆只能承受沿轴向的推拉。
每根二力杆上贴有两片应变片,如图2所示。
通过不同的组桥方式可得到三路信号
图2
Y 、K 13、K 24与各力或力矩的对应关系为:
Y F Y K 13M X K 24
M Z
则可得如下关系式:
F Y =K Y #Y
M X =K M (Y 13#sin X +Y 24#cos U ) (1)
M Z =K M (Y 13#cos X +Y 24#sin X Se
)式中 K Y 、K M )))惠斯通电桥的灵敏度系
数 X )))车轮的转角
车轮所受的垂直力、纵向力及扭矩是通过8块薄板(如图3所示)传递的。
由薄板特性可知,当选取适当的结构尺寸时,所引入的干扰信号可忽略不计,因此可认为薄板只承受弯矩的作用和沿径向的拉、压力。
在薄板的正、反面对应贴应变片,如图3所示。
图3
通过不同的组桥方式可得另外三路信号U 、R 13、R 24,其对应关系为:
U M Y
R 13F X R 24
F Z
则可得如下关系式:
F X =K R (R 13#sin X +R 24#cos X )F Z =K R (R 13#cos X +R 24#sin X )M Y =K U #U
(2)
式中 K U 、K R )))惠斯通电桥的灵敏度系数
X )))车轮的转角
(1)、(2)式中K Y 、K M 、K U 、K R 、X 可采用其它方式与各力及力矩进行同步测量。
21优点和测量结果
该传感器充分利用了结构特点,在保证车轮结构完整和满足强度要求的前提下,实现了车轮所受动载荷的动态测量。
因其省略了标定及解耦工作,一方面简化了测量工作,另一方面也提高了测量精度。
利用该传感器测得的道路信号谱线可参见图4。
8 仪表技术与传感器1997年
图4
三、信号传输及数据存储
车轮六维力传感器的测量信号包括6路信号,此外还包括角位移信号。
如何从高速旋转的车轮上将上述信号引出,成为一大难题。
由于车轮转速范围广(一般为0~3000r/ min),工作环境多变,一般采用非接触式信号传输,且主要采用集流环方式。
因该传感器测量参数多,采样时间长(1到几分钟),采样频率高(为了满足要求,可取10kHz),故采样数据量大(可达几MB甚至几十MB),一般PC 机的内存都不能满足要求。
其有效解决方法为,在计算机外设置两个可进行切换的存储区,利用PC机的硬盘资源,边采集边存储,实现连续的长时间的数据采集。
因该系统不需进行控制,可对数据进行事后处理。
本传感器可进行六维力的测量,在一般汽车检测中,往往只需要部分参数。
例如在汽车制动、防抱死及振动测试中只需要侧向力、垂直力、纵向力及扭矩等信号,因此用户可根据实际需要,对该传感器进行改造,删除不必要的信号检测,减少不必要的工作。
四、结束语
车轮六维力传感器及汽车道路数据采集系统的研制技术含量高、难度大,因而价格昂贵。
对该传感器的研究开发,不仅可以推动汽车工业的发展,单独也可以带来很高的经济效益。
参考文献
1 A.Rupp,V.Grubisic,J.Nugebauer,Development of a
M ulti-Component W heelForce Transducer-A T ool to Support Vehicle Desi gn and Validation.SAE930258.
2W eiyi Huang,Hongming Jiang,Hanqing Zhou.M echan-i cal Analysis of a Novel S ix-Degree-of-Freecom Wrist Force S ensor.S ensor and Actuators A,1993;(35):203~ 208
3戴明桢等.48通道大容量数据采集系统.数据采集与处理,1997;1(12):1
(收稿日期:1997年5月6日)
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第10期仪表技术与传感器。
