一种新型车轮六维力传感器_曾庆钊
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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
ANewTypeSix-Degree-of-FreedomWheelForceSensor
ZengQingzhao,YanZhenxiangSoutheastUniversity,Nanjing210096
Abstract:Thesix-degree-of-freedom(6-DOF)wheelforcesensorisanimportantpartofvehicle.sroadloaddataacquisitionsystem.Thispaperintroducesanewtype6-DOFwheelforcesensor.sstructurecharacteristics,workingprinc-iple,meritsandsoon.Themethodsofdata.stransmissionandstoringarepresent-ed.KeyWords:ForceSensor,SlipRing,Non-ContactTransmission
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(VehicleLoadSensor)。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。7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FY、侧倾力矩MX及横摆力矩MZ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2Y、K13、K24与各力或力矩的对应关系为:Y FYK13MXK24MZ则可得如下关系式:FY=KY#YMX=KM(Y13#sinX+Y24#cosU) (1)MZ=KM(Y13#cosX+Y24#sinXSe)式中 KY、KM)))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、R13、R24,其对应关系为:U MYR13FXR24FZ则可得如下关系式:FX=KR(R13#sinX+R24#cosX)FZ=KR(R13#cosX+R24#sinX)MY=KU#U(2)
式中 KU、KR)))惠斯通电桥的灵敏度系数X)))车轮的转角(1)、(2)式中KY、KM、KU、KR、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,DevelopmentofaMulti-ComponentWheelForceTransducer-ATooltoSupportVehicleDesignandValidation.SAE930258.2 WeiyiHuang,HongmingJiang,HanqingZhou.Mechan-icalAnalysisofaNovelSix-Degree-of-FreecomWristForceSensor.SensorandActuatorsA,1993;(35):203~2083 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)9第10期仪表技术与传感器