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(武漢理工大學汽車工程學院1)　武漢　430070)　(現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2) 　武漢　430070)

汽車跑偏測試系統(tǒng)光纖光柵傳感器組件設計*

李曉希1,2)何耀華1,2)

(武漢理工大學汽車工程學院1)武漢430070)(現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)武漢430070)

摘要：為解決光纖光柵傳感汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)中光學傳感解調(diào)器掃描頻率較低，影響測試成功率的問題，設計了在掃描頻率為10Hz的情況下能有效測試的光纖光柵傳感器組件.運用ANSYS軟件建立壓力板模型，根據(jù)靜力學原理分析了不同級別車型測試時其結構強度；聯(lián)合運用ANSYS與ADAMS軟件建立傳感器組件模型，根據(jù)剛柔耦合動力學理論分析了多工況下其抗沖擊能力；對傳感器組件測試精度進行了理論分析.得出設計的傳感器組件滿足測試系統(tǒng)對結構強度、抗沖擊能力與測試精度的要求.

關鍵詞：傳感器組件；有效觸發(fā)行程；結構強度；抗沖擊能力；測試精度

0引言

光纖光柵傳感汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)應用PXI儀器[1]、光纖光柵傳感器的波分復用技術，通過提取測試車輛駛過設置在測試區(qū)測點的位置信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析處理，得出汽車的行駛跑偏量[2].該系統(tǒng)具有成本低、基礎實施簡便、布線整齊、不受電磁干擾等優(yōu)點.

該系統(tǒng)中由PXI儀器和光學傳感解調(diào)器PXIe-4844組成的傳感器解調(diào)儀因解調(diào)器掃描頻率為10 Hz，其采樣周期限制為0.1 s.由于汽車行駛跑偏測試車速較快，導致原有設計方案采樣時測試車輛可能已經(jīng)駛離測點，從而采集不到車輛觸發(fā)傳感器信息，使測試成功率較低.針對該問題設計合理的傳感器組件可提高數(shù)據(jù)采集的有效性(即提高測試成功率)，滿足在掃描頻率為10 Hz情況下的測試要求.

1光纖光柵傳感器組件設計方案

1.1汽車跑偏測試系統(tǒng)整體設計

因系統(tǒng)中光學傳感解調(diào)器的掃描頻率為10 Hz，保證傳感器解調(diào)儀采樣時傳感器組件能檢測到車輪力是設計的關鍵.汽車行駛跑偏測試的常用車速范圍是45～65 km/h，解調(diào)儀0.1 s采樣一次，對應的車輛行駛距離是1.25～1.81 m.為保證車輪壓在傳感器組件上時解調(diào)儀至少提取一次有效數(shù)據(jù)，即車輪在傳感器組件上時長超過一個采樣周期0.1 s，測試區(qū)的測點長度應大于1.81 m.考慮測點長度會影響傳感器組件結構，從而影響其抵抗車輪沖擊載荷的能力，將測點長度設為2 m.

汽車跑偏測試區(qū)的整體布局見圖1a)，測試區(qū)總長50 m，跑道寬度6 m[3]；在測試區(qū)起點和終點處設置測點.起點處測點的尺寸參數(shù)為：長2 m、寬0.5 m、左邊緣距跑道中心線1.15 m，見圖1b)；終點處測點的尺寸參數(shù)為：長2 m、寬2.5 m、左邊緣距跑道中心線2.15 m，見圖1c).

圖1　汽車跑偏測試區(qū)布局與測點尺寸參數(shù)

1.2傳感器組件設計

傳感器組件采取埋入地下方式，由裝箱、基座、壓力板、導軌板、傳感器彈性元件[4]、彈簧組成，其中傳感器布置在彈性元件上，結構見圖2，其中a，b，c，d對應局部細節(jié)見圖3.壓力板支撐柱底部與基座間距2 cm，見圖3a)；壓力板橫梁與導軌板支撐凸臺間距2 cm，見圖3b)；壓力板與基座之間由彈簧支撐，見圖3c)；壓力板與導軌板上表面寬度均為1 cm，壓力板上表面高于導軌板上表面2.5 cm，壓出位置壓力板高于基座2 cm，見圖3d).

圖2　傳感器組件結構

圖3　傳感器組件結構細節(jié)

1.3傳感器組件工作原理

傳感器組件上表面與地面平齊，減小車輪壓入壓力板時水平方向沖擊力；壓力板上表面始終高于導軌板，保證車輪的作用力作用在壓力板上；導軌板的豎直導軌與支撐凸臺可以起到壓力板行程約束的作用；基座限位塊(見圖3a)的設計可對存在彈簧預緊力下的壓力板起到縱向限位作用.

當測試車輛車輪駛過傳感器組件時，車輪施力于壓力板，壓力板向下運動，同時施力點F(見圖3c)壓縮支撐彈簧，彈簧將力傳遞到傳感器彈性元件上，傳感器解調(diào)儀檢測彈性元件產(chǎn)生的應變.

1.4傳感器組件觸發(fā)標準

在PXI儀器和光學傳感解調(diào)器PXIe-4844組成的傳感器解調(diào)儀中應用光纖光柵傳感器的波分復用技術，每個傳感器的中心波長偏移范圍為±2 nm[5].對于鍺硅光纖應變傳感器，檢測應變值的表達式為

(1)

式中：ΔλB為中心波長的漂移量；λB為傳感器中心波長；ε為應變值.

該解調(diào)儀解調(diào)傳感器的波長范圍為1 510～1 590 nm.以中心波長1 588 nm的傳感器為例，由式(1)可以得出其可檢測應變值的允許波動范圍為±1 615×10-6.所以傳感器組件應保證彈性元件的應變值在合理范圍內(nèi)，即施力點F施力行程合理，以防止因傳感器中心波長漂移過大干擾解調(diào)儀采樣準確性.

因該組件中導軌板支撐凸臺和基座對壓力板有豎直行程限位功能，即使在較大作用力下，施力點F的最大施力行程限制為2 cm，可防止傳感器中心波長漂移超過設備準確解調(diào)的最大值.設定施力點F施力行程大于15 mm時為有效觸發(fā)行程，可保證傳感器解調(diào)儀檢測到的是車輪作用后的應變量，而非溫度變化、微小振動等因素使彈性元件產(chǎn)生的微弱應變.

2傳感器組件靜力學仿真分析

壓力板作為傳感器組件中傳遞車輪力的關鍵運動構件，其結構強度影響施力點F有效觸發(fā)行程能否達到15 mm的要求，以及因車輪力所產(chǎn)生的應力是否在材料許用應力范圍內(nèi).對其進行結構強度分析可驗證傳感器組件能否達到測試要求.

2.1力學分析

車輛在行駛過程中，地面對車輪施加法向反作用力與切向反作用力.地面對車輪的法向反作用力由靜態(tài)軸荷的法向反作用力、動態(tài)分量、空氣升力和滾動阻力偶矩產(chǎn)生的部分4部分組成.其中滾動阻力偶矩產(chǎn)生的部分和旋轉質(zhì)量慣性阻力偶矩數(shù)值較小，一般性分析中可忽略不計，則簡化后的前輪地面法向反作用力計算式為

(2)

(3)

(4)

式中：FZ1為作用在前輪的地面法向反作用力；FZs1為前軸靜態(tài)軸荷的法向反作用力；FZw1為作用于車身上并位于前輪接地點上方的空氣升力；G為汽車重力；hg為汽車質(zhì)心高；L為汽車軸距；b為汽車質(zhì)心至后軸距離；α為道路坡度角；CLf為前空氣升力系數(shù)；A為迎風面積；ρ為空氣密度；ur為相對速度.

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：FX1為作用在前驅動輪的地面切向反作用力；Ff2為從動輪滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Tf2為作用在從動輪上的滾動阻力偶矩；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；ρ為空氣密度；ur為相對速度；G為汽車重力；α為道路坡度角；m為車身質(zhì)量與驅動輪、從動輪質(zhì)量之和.

汽車跑偏測試系統(tǒng)中測試區(qū)路面水平，要求測試車輛測試時勻速行駛.傳感器組件中壓力板上表面在車輛前驅動輪壓入時受到隨車輪移動的豎直向下的壓力以及與行駛方向相反的切向作用力.基座對壓力板施加約束行程的作用力.同時壓力板與彈簧接觸位置受到彈簧的支撐力.

2.2建立仿真模型

為驗證壓力板結構強度，分析其受力后產(chǎn)生的形變與應力分布，建模采取如下方式：壓力板位置為支撐柱底部接觸基座，選取基座底部對其縱向位移的約束，同時考慮彈簧對壓力板的支撐力，分別對圖4的1～4四個車輪施力位置區(qū)進行結構強度有限元分析.

圖4　有限元結構分析的4個施力位置區(qū)

2.3仿真結果分析

A級車壓入壓力板施力位置區(qū)2時壓力板在Y軸、Z軸上的形變見圖5a)、圖5b)，第四強度理論下的應力分布見圖5c).由圖5可知，當車輪在位置區(qū)2施力時，壓力板因車輪力、彈簧力和基座支撐力的作用，其Y軸方向的形變主要是壓力板右底部位置向右偏移1.03 mm，Z軸方向是壓力板右部向上抬起13.98 mm，施力點F向上抬起2.47 mm；應力集中在壓力板支撐柱與橫梁的接合處，最大應力在支撐柱底部為103.35 MPa.

圖5　車輪在施力位置區(qū)2時壓力板形變與應力分布

不同級別測試車型對壓力板施加的作用力大小不同，使其產(chǎn)生的形變與應力不同，對測試車型中具有代表性的輕型A級車與重型C級車的仿真數(shù)據(jù)進行分析.A，C級車車輪在4個施力位置區(qū)時壓力板形變量，以及應力大小見表1.在4個施力位置區(qū)，壓力板的Y軸最大形變量為1.05 mm、Z軸最大形變量為14.49 mm.施力點F在Z軸最大偏移為2.60 mm，小于設定的有效觸發(fā)行程所預留的5 mm變形空間，不影響有效觸發(fā).最大應力為130.47 MPa，遠小于所選7075鋁合金的許用應力505 MPa.其結構強度滿足系統(tǒng)對不同級別車型測試的測試要求.

表1　壓力板形變量、應力仿真結果

3傳感器組件剛柔耦合動力學仿真分析

當車輪駛過傳感器組件時，會給壓力板較大的沖擊載荷，若結構抗沖擊能力較低，此時壓力板可能會因沖擊作用瞬間產(chǎn)生很大位置變形導致卡在裝置某個部位，無法進行豎直方向的移動，以至于無法得到測試結果；或者因壓力板產(chǎn)生變形，導致施力點F移動滯后，使其對傳感器彈性元件的有效觸發(fā)行程時間小于解調(diào)儀一個采樣周期，導致測試系統(tǒng)可能采集不到車輪位置信息.對傳感器組件進行剛柔耦合動力學仿真[6]是考慮到壓力板在運動過程中會產(chǎn)生形變而進行得更為準確的仿真方式[7]，可以驗證裝置抗沖擊能力，更為真實地反映施力點F隨車輪壓入到壓出過程其豎直方向位移與時間的關系，從而可以判斷裝置的抗沖擊能力能否滿足測試時效性的要求，即施力點F有效觸發(fā)行程時間能否大于一個采樣周期.

3.1剛體柔性化

剛柔耦合混合建模柔性體的生成主要有離散柔性連接件法和利用有限元軟件建立柔性體法[8].離散柔性連接件是指將離散后的小剛性構件間通過可變形的柔性梁連接；有限元軟件建立柔性體是指運用有限元技術計算構件的自然頻率和相應模態(tài)并生成所需MNF文件.離散法中小剛性構件不變形，仍屬剛性范疇；有限元法考慮構件的彈性，仿真精度較高.

選擇運用有限元軟件建立柔性體模型.將壓力板幾何模型導入ANSYS軟件，設置單元類型、材料屬性等信息，劃分網(wǎng)格，設置質(zhì)量單元實常數(shù)等.將壓力板與彈簧接觸的3個面設置為剛性面A，B，C，剛性面中心位置設置起剛柔耦合作用的Marker點a，b，c.生成具有6階模態(tài)信息的模態(tài)中性文件.柔性體模型見圖6.

圖6　壓力板柔性體模型

3.2建立仿真模型

將ANSYS生成的柔性體壓力板替換原來的剛體，整體運動模型為車輪從壓入到壓出傳感器組件過程，見圖7a).為簡化計算并準確模擬車輪施力過程，現(xiàn)抽取一個傳感器組成單元進行分析.用“施力物體”模擬輪胎給壓力板的施力過程，因輪胎與地面為面接觸[9]，將其設計為輪胎與地面接觸面等長的長條形狀并在底部添加圓柱形滾輪，仿真模型見圖7b).設定各構件的Bodies、Connections、Force等信息[10].設定“施力物體”給壓力板向下的作用力，運用滑動摩擦力計算公式，設定滾輪與壓力板高副約束(Contact)的滑動摩擦系數(shù)，通過讓滾輪以大于輪胎行駛速度的線速度旋轉以給壓力板向后合適的切向作用力，模擬車輪給壓力板所施加的作用力.

圖7　剛柔耦合仿真模型

3.3剛柔耦合仿真結果分析

設置仿真時間與仿真步數(shù)進行剛柔耦合動力學仿真，模擬車輪從壓入到壓出傳感器組件的動態(tài)過程.

A級車以測試最高時速65 km·h-1駛過傳感器組件，壓力板施力點F在豎直方向位置與時間關系曲線見圖8，施力點F施力行程大于15 mm的時間為0.107 7 s，大于采樣周期0.1 s，說明輕型車以最快測試車速進行測試，設計的傳感器組件滿足有效觸發(fā)行程時間大于采樣周期的時效性要求.

圖8　A級車最高測試車速時施力點F位置與時間曲線

不同測試工況下，施力點F有效觸發(fā)行程時間不同.對A，B，C級車輛最低和最高測試車速駛過傳感器組件過程進行動力學仿真，生成施力點F的位置時間曲線，見圖9.

圖9　多工況下施力點F位置與時間曲線

通過讀取圖9中的數(shù)據(jù)，得出施力點F有效觸發(fā)行程時間，見表2.各級別測試車輛以最低和最高車速駛過跑偏測試區(qū)測點時，施力點F施力行程大于15 mm的時間均大于0.1 s，保證了大于解調(diào)儀的采樣周期，其結構抗沖擊能力符合多工況測試的時效性要求.

表2　施力點F有效觸發(fā)行程時間

4傳感器組件測試精度分析

傳感器組件結構設計影響跑偏測試系統(tǒng)測試精度.因壓力板厚度為1 cm，間距也為1 cm，所以一個傳感器組成單元厚度為2 cm.測量結果由所觸發(fā)傳感器決定；觸發(fā)結果與輪胎和路面接觸寬度有關.由圖10中輪胎所在位置為例進行測試精度分析.當輪胎與路面接觸寬度數(shù)值為偶數(shù)時，輪胎左右各移動0.5 cm，均壓著編號為a的壓力板，超過則會按壓其他壓力板，此時測試精度為1 cm；寬度數(shù)值為奇數(shù)時，輪胎左右各移動1 cm，均壓著編號為a的壓力板，此時測試精度為2 cm；按以上方法分析，非整數(shù)寬度時測試精度在2 cm以內(nèi).以上分析表明傳感器組件可以達到測試所需厘米級的精度要求.

圖10　傳感器組件測試精度分析

5結 束 語

通過建立壓力板模型，運用ANSYS軟件進行不同級別車型測試時結構強度分析；建立剛柔耦合傳感器組件模型，運用ADAMS軟件模擬多工況下車輪駛過測點過程，進行傳感器組件抗沖擊能力分析；并對傳感器組件測試精度進行理論分析，得出的結果表明：設計的傳感器組件，可以滿足掃描頻率為10 Hz的測試要求；傳感器組件具有抵抗車輪壓過所產(chǎn)生沖擊載荷的能力；汽車行駛跑偏量的測試精度可達2 cm.

參 考 文 獻

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Design of Fiber Bragg Grating Sensor Component in Vehicle Driving Wandering Test System

LI Xiaoxi1,2)HE Yaohua1,2)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)

Abstract：In order to solve the problem of test success rate influenced by the low sweep frequency of Optical Sensing Demodulator in fiber bragg grating sensing vehicle driving Wandering test system, a fiber bragg grating sensor component is specially designed, which can be effectively tested in the sweep frequency of 10 Hz. The ANSYS software is used to establish pressure plate model and to analyze the structure strength of different class cars under testing according to the principle of statics. The ANSYS software and ADAMS software are used to establish the sensor component model and to analyze the impact resistant capability in different working conditions according to the principle of rigid-flexible coupling dynamics. Besides, the test precision of sensor component is analyzed. It is found that the designed sensor component satisfies the test system requirements on structure strength, impact resistant ability and test precision.

Key words：sensor component; effective trigger stroke; structure strength; impact resistant ability; test precision

收稿日期：2016-04-28

中圖法分類號：U467.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.034

李曉希(1990- ):男，碩士生，主要研究領域為汽車試驗技術與裝備

*校企合作科研基金項目資助(201320252)