白　茹，裴東興*，謝　銳

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

嵌入式履帶車輛主動(dòng)輪應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)的研究

白茹1，2，裴東興1，2*，謝銳1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對(duì)履帶車輛主動(dòng)輪動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試環(huán)境的惡劣和可測(cè)試性差的問題，采用電阻應(yīng)變測(cè)試方法并結(jié)合存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套可嵌入的微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。通過利用ANSYS仿真軟件可得到靜態(tài)載荷下主動(dòng)輪輪轂的應(yīng)力分布，選取在輪轂兩側(cè)以半橋連接方式粘貼兩個(gè)應(yīng)變片。對(duì)于履帶車輛的多種工況，采取多次隨機(jī)觸發(fā)采樣模式，同時(shí)采用單片機(jī)和CPLD共同控制的方式對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。經(jīng)過試驗(yàn)表明，測(cè)量結(jié)果誤差小于1%，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

存儲(chǔ)測(cè)試；應(yīng)力；低功耗；微體積

具有良好性能的履帶車輛在現(xiàn)代軍事、農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)發(fā)揮著十分重要的作用［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，履帶車輛功能逐漸復(fù)雜，對(duì)其參數(shù)的測(cè)試要求越來越精確，尤其是坦克裝甲車輛。獲得坦克裝甲車輛中某些重要零部件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試技術(shù)，成為目前迫切需要解決的技術(shù)問題，同時(shí)將為改造現(xiàn)役坦克裝甲車輛和研究下一代軍用車輛提供有效的技術(shù)支持。扭矩是反映坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性能的重要機(jī)械量，在行駛過程中，其主動(dòng)輪為整車提供牽引力和制動(dòng)力，并承受隨機(jī)交變的載荷［2-4］。所以獲得其主動(dòng)輪的扭矩是目前迫切要去解決的問題。

傳統(tǒng)的測(cè)試方法是臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行部件測(cè)試和實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行整車測(cè)試，其不足之處就是對(duì)所出現(xiàn)問題的原因缺乏準(zhǔn)確判斷，而且工作量較大［5］。所以，針對(duì)履帶車輛主動(dòng)輪扭矩測(cè)試環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜、干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，研究一套適合履帶車輛主動(dòng)輪扭矩的測(cè)試系統(tǒng)是非常必要的。

1　測(cè)試原理

通過測(cè)試應(yīng)變實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量是常規(guī)的測(cè)試方法，測(cè)試基本原理是旋轉(zhuǎn)件扭矩產(chǎn)生的扭力與應(yīng)變成比例，沿軸向45o和-45o方向粘貼2個(gè)電阻應(yīng)變片（或4個(gè)電阻應(yīng)變片），構(gòu)建半橋（或全橋）［6-7］，輸出電壓與扭矩成正比，根據(jù)相關(guān)公式求得扭矩。

收稿日期：2015-07-05修改日期：2015-07-31

測(cè)試方案：采用ANSYS對(duì)主動(dòng)輪建模并進(jìn)行有限元分析，選取主動(dòng)輪輪轂力矩相等，受力方向相反的兩個(gè)點(diǎn)為受力點(diǎn)，粘貼兩個(gè)應(yīng)變片構(gòu)建惠斯通半橋電路。在主動(dòng)輪上固定微型化的存儲(chǔ)測(cè)試儀器，當(dāng)主動(dòng)輪被測(cè)點(diǎn)在扭轉(zhuǎn)載荷作用下變形時(shí)，粘貼在被測(cè)點(diǎn)上的兩個(gè)電阻應(yīng)變片阻值也發(fā)生相應(yīng)變化，輸出的橋壓信號(hào)與應(yīng)變成正比，在一定的觸發(fā)條件下測(cè)試儀器對(duì)電橋輸出的電壓進(jìn)行采集、記錄，然后回收測(cè)試儀器，通過接口電路將測(cè)試儀器接入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、分析和處理，從而通過測(cè)量主動(dòng)輪輪轂的應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量。應(yīng)變片與測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合的測(cè)試方案示意圖如圖1所示。

圖1　應(yīng)變片與測(cè)試系統(tǒng)的連接圖

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本測(cè)試系統(tǒng)包括傳感器、微型應(yīng)變測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)。其中，箔式應(yīng)變片作為傳感器用來獲取信號(hào)，微型測(cè)試儀的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲信號(hào)的放大和濾波，ADC完成數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換［5］，單片機(jī)和CPLD共同控制兩片F(xiàn)lash進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，最后通過USB2.0接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和處理。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

存儲(chǔ)測(cè)試方法采用單片機(jī)與CPLD共同控制的模式，使用兩片閃存交替工作組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這樣的設(shè)計(jì)充分利用了單片機(jī)功耗低、邏輯簡(jiǎn)單，CPLD速度高的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了測(cè)試系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性［8］。

測(cè)試系統(tǒng)選用的單片機(jī)為AVR系列單片機(jī)ATmega 8515，單片機(jī)主要控制測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、電橋的調(diào)平控制、發(fā)出對(duì)Flash進(jìn)行編寫、讀取和擦除操作的命令等。CPLD選用XLINX公司的XCR3128，主要功能是控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)據(jù)的緩存。

3　測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1應(yīng)變片位置的選擇

針對(duì)主動(dòng)輪動(dòng)態(tài)應(yīng)力可測(cè)試性差的問題，在測(cè)試中需要選定主動(dòng)輪最大應(yīng)力部位粘貼應(yīng)變片，利用ANSYS仿真軟件對(duì)主動(dòng)輪建模并進(jìn)行有限元分析，得到靜態(tài)載荷下主動(dòng)輪輪轂的應(yīng)力分布，為應(yīng)變片的布置提供依據(jù)。

高速履帶車輛的主動(dòng)輪形狀復(fù)雜，在有限元軟件中建立其精確模型較困難，故模型采用專業(yè)三維建模軟件構(gòu)建，所以利用CAD與CAE軟件的接口，將所建立的主動(dòng)輪模型導(dǎo)入有限元分析環(huán)境［9］。主動(dòng)輪的材料為30 CrMnSiA合金鋼，在有限元仿真環(huán)境中設(shè)定主動(dòng)輪的材料特性和物理特性參數(shù)后，選擇空間體結(jié)構(gòu)常用的線彈性六面體單元solid 45作為單元體，采用智能網(wǎng)格劃分方式生成網(wǎng)格。根據(jù)主動(dòng)輪工作運(yùn)行時(shí)的受力情況，對(duì)主動(dòng)輪輪軸處進(jìn)行位移約束，即將主動(dòng)輪進(jìn)行固定，并在同一時(shí)刻對(duì)主動(dòng)輪齒圈上相鄰的四個(gè)齒加載20 MPa的壓強(qiáng)，通過求解，則可得到主動(dòng)輪的應(yīng)力分布云圖情況。其分布情況如圖3所示。

圖3　主動(dòng)輪應(yīng)力分布云圖

由主動(dòng)輪應(yīng)力分布云圖可得：主動(dòng)輪輪轂側(cè)壁應(yīng)力情況由輪軸向齒根方向呈逐漸減小趨勢(shì)。綜合考慮，選擇合適的位置粘貼應(yīng)變片。因此將兩個(gè)應(yīng)變片以半橋連接方式粘貼在輪轂的兩側(cè)。

3.2多次隨機(jī)觸發(fā)采樣模式

根據(jù)履帶車輛能在泥濘、沙石、溝壕、陡坡、松軟路面等多種工況下正常行駛的特點(diǎn)［10］，可知車輛的運(yùn)行工況符合隨機(jī)相似過程的特點(diǎn)，于是測(cè)試系統(tǒng)采用多次隨機(jī)觸發(fā)采樣模式。將多次隨機(jī)觸發(fā)設(shè)計(jì)成8次觸發(fā)，把Flash的存儲(chǔ)區(qū)域分為8個(gè)容量相等的子存儲(chǔ)區(qū)域，用來采集8種不同工況的數(shù)據(jù)，每觸發(fā)一次，就將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其對(duì)應(yīng)的子存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)上電后，進(jìn)入待觸發(fā)態(tài)后，每收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)的AD根據(jù)采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和采集數(shù)據(jù)，將每次采集到的數(shù)據(jù)寫入Flash中，當(dāng)子存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)滿后，輸出第1次觸發(fā)采樣存儲(chǔ)完畢的信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)查詢到輸出完畢的信號(hào)到來后，停止采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)再次進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)信號(hào)的到來，直到第8次觸發(fā)的子存儲(chǔ)空間存滿后，停止采樣，測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)入休眠待讀狀態(tài)。隨機(jī)觸發(fā)采樣狀態(tài)圖和8次觸發(fā)采樣數(shù)據(jù)圖分別如圖4和圖5所示。

圖4　隨機(jī)觸發(fā)采樣狀態(tài)圖

圖5　8次觸發(fā)采樣數(shù)據(jù)圖

3.3低功耗測(cè)試技術(shù)

由于鋰電池有限的容量與儀器工作時(shí)間長(zhǎng)存在一定的矛盾，因此需要對(duì)本測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)［10］。主要從硬件和軟件兩方面來降低功耗。在硬件方面，選擇具有低功耗的非易失性器件；為減少電流的消耗，避免使用上拉或者下拉電阻；在時(shí)鐘信號(hào)的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)，使用容值較小的電阻作負(fù)載。在軟件方面，合理設(shè)計(jì)時(shí)鐘門控電路，在測(cè)試系統(tǒng)采樣完成后通過關(guān)閉時(shí)鐘來降低功耗；單片機(jī)需使用中斷控制數(shù)據(jù)，并設(shè)置多種模式，在觸發(fā)信號(hào)到來之前單片機(jī)直接進(jìn)入等待模式（低功耗）等待中斷信號(hào)的到來；在待觸發(fā)狀態(tài)、讀數(shù)狀態(tài)和休眠狀態(tài)須關(guān)閉模擬電路的電源。

3.4微型化設(shè)計(jì)［11］

由于存儲(chǔ)測(cè)試儀器需嵌入主動(dòng)輪中心處隨輪旋轉(zhuǎn)，而且安裝空間狹小，故測(cè)試儀器需進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)。主要措施：通過采用4層PCB的方法，并配合小封裝方式來實(shí)現(xiàn)測(cè)試電路的微型化；在不影響電路功能的前提下，增加器件封裝密度，集中各器件之間的連線；在殼體形狀方面，減少冗余件的設(shè)計(jì)并降低外殼厚度；殼體布局采用立體式結(jié)構(gòu)，主要部件包括模擬電路、數(shù)字電路和電池。布局結(jié)構(gòu)圖及儀器實(shí)物圖如圖6及圖7所示。

圖6　殼體布局結(jié)構(gòu)圖

圖7　儀器實(shí)物圖

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

本測(cè)試系統(tǒng)采用我校力學(xué)系自行研制的新靜動(dòng)態(tài)力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的沖擊梁裝置來進(jìn)行試驗(yàn)。梁的一端固定質(zhì)量塊，另一端與固定鉸鏈O點(diǎn)連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)將沖擊梁由靜止?fàn)顟B(tài)ON向右傾倒，使質(zhì)量塊自由下落，在A點(diǎn)產(chǎn)生沖擊力［12］。在梁的D點(diǎn)上下表面粘貼應(yīng)變片R1和R2，并以半橋方式連接，通過測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)出A點(diǎn)的瞬態(tài)動(dòng)應(yīng)變，從而求得其瞬態(tài)動(dòng)應(yīng)力。

圖8　沖擊梁裝置示意圖

表1　測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值

表2　計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)：沖擊梁質(zhì)量塊的質(zhì)量M=200 g，梁的質(zhì)量m=190 g，梁長(zhǎng)L=300 mm，梁高h(yuǎn)=5.1 mm，梁寬b=14.9 mm，應(yīng)變片距固定點(diǎn)的距離d=100 mm，支座距固定點(diǎn)的距離l=200 mm，彈性模量E= 200 GPa。應(yīng)變片電阻R1=R2=120 Ω，靈敏度K=2.1。

5　結(jié)論

驗(yàn)證試驗(yàn)表明，本測(cè)試系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期效果，為下一代履帶車輛的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相較同類大型車輛測(cè)試儀器，本測(cè)試系統(tǒng)具有可嵌入、低功耗、穩(wěn)定性高、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合于惡劣環(huán)境下主動(dòng)輪動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試。

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白茹（1989-），女，漢，山西呂梁人，中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器，775001701@qq.com；

裴東興（1970-），男，教授，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試、數(shù)據(jù)壓縮、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)；近年獲得國防科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，國防科工委鑒定兩項(xiàng)，通過省科委鑒定三項(xiàng)，發(fā)表論文多篇，peidongxing@nuc.edu.cn。

Researching on the Embedded Stress Test System of Vehicle Driving Wheel

BAI Ru1，2，PEI Dongxing1，2*，XIE Rui1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the problem that the bad test environment and the poor testability of the stress test system on vehicle driving wheels，a set of embedded micro storage test system is designed by combining the resistive strain test method with the storage testing technology.The stress distribution of driving wheel hub under static load can be obtained by the ANSYS simulation software，two strain gauges are pasted on both sides of the hub by the connecting way of bridge.For various kinds of operating conditions of the tracked vehicle，the sampling mode is adopted，and the low power consumption design of the test system is carried out by using the single chip microcomputer and CPLD.The results of the test show that the error of measurement is less than 1%and the expected results are achieved.

storage test；stress；low power consumption；micro volume

TM93

A

1005-9490（2016）03-0746-04

EEACC：7210；7320G10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.048