賓凌

（東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，廣西柳州545005）

基于應(yīng)變測(cè)試的重卡橫向推力桿載荷反求

賓凌

（東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，廣西柳州545005）

利用多個(gè)應(yīng)變片組合成測(cè)力傳感器，布置于某牽引車的橫向推力桿上，通過應(yīng)變測(cè)試獲取橫向推力桿在實(shí)際工作環(huán)境中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)建立起應(yīng)變與載荷之間的函數(shù)關(guān)系，然后將應(yīng)變換算成載荷，為橫向推力桿的強(qiáng)度分析提供更精確的載荷條件。

橫向推力桿；應(yīng)變測(cè)試；載荷反求

某6X4重型牽引車后懸掛裝配的是空氣彈簧懸架。該懸架中有一重要組成部件——橫向推力桿（后面簡(jiǎn)稱橫推桿），它的一端連接在車橋上，另一端連接在車架的縱梁上，其主要作用是在車橋與車架之間傳遞汽車的側(cè)向力。

該橫推桿主要由球頭、連桿、球芯、橡膠、擋圈等零件所組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橫推桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

因結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需要，必須對(duì)該橫推桿做強(qiáng)度校核，由于橫推桿的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并且其受力主要是在兩端的連接處，受力條件并不復(fù)雜，因此要通過有限元分析來準(zhǔn)確校核其強(qiáng)度，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確地掌握橫推桿的外載荷。

但目前沒有適合測(cè)量橫推桿受力的設(shè)備，難以準(zhǔn)確獲取其外載荷。針對(duì)這一問題，本文基于惠斯通橋路原理，將多個(gè)應(yīng)變片組合成測(cè)力傳感器，布置于橫推桿上，再進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，獲取橫推桿在汽車實(shí)際行駛環(huán)境下的應(yīng)變時(shí)域數(shù)據(jù)，同時(shí)建立起應(yīng)變與載荷之間的函數(shù)關(guān)系，最終將應(yīng)變換算成所需要的外載荷。

1 組合應(yīng)變傳感器的基本原理

1.1 惠斯通橋路原理

由于應(yīng)變片的電阻變化非常小，不容易被測(cè)量到，一般是將應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通電橋，通過測(cè)量應(yīng)變片電阻變化引起的橋路電壓輸出來得到應(yīng)變。惠斯通電橋分為恒流惠斯通和恒壓惠斯通橋路兩種。恒流惠斯通橋路采用電流作為電橋的激勵(lì)，而恒壓惠斯通橋路則是采用電壓源作為電橋的激勵(lì)。恒壓惠斯通橋路的應(yīng)用最為廣泛，本文中主要采用的也是恒壓惠斯通橋路。典型的恒壓惠斯通電橋見圖2所示。

圖2 恒壓惠斯通橋路

圖中R1、R2、R3、R4表示電阻，e0為輸出電壓，Eex為激勵(lì)電壓。輸出電壓可表示為：

1.2 應(yīng)變片的布置形式

應(yīng)變片的布置形式非常多，不同的布置形式可以組合成不同類型的測(cè)力傳感器，在本文中，主要應(yīng)用了以下幾種應(yīng)變片的布置形式[1]：

（1）拉/壓應(yīng)變傳感器布置形式，見圖3.

圖3 拉/壓應(yīng)變傳感器布置形式

這種布置形式采用全橋橋路，應(yīng)變片Rg1、Rg3分別與Rg2、Rg4垂直，并且Rg1、Rg2分別與Rg3、Rg4對(duì)稱布置于被測(cè)物件上。

這種布置形式專門用來測(cè)量圖中箭頭方向的拉/壓力。當(dāng)被測(cè)物件受到拉/壓力作用時(shí)，設(shè)應(yīng)變片Rg1、Rg2、Rg3、Rg4產(chǎn)生的應(yīng)變分別為ε1、ε2、ε3、ε4，則有ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-με，μ為被測(cè)物件的材料松泊比，GF為靈敏度系數(shù)。輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系為：

該應(yīng)變片布置形式的特點(diǎn)是對(duì)拉/壓載荷產(chǎn)生的應(yīng)變非常敏感，可排除彎矩和扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變的影響，還有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔肹2]。

（2）彎曲應(yīng)變傳感器布置形式，見圖4.

圖4 彎曲應(yīng)變傳感器布置形式

這種布置形式采用半橋（鄰邊）橋路，應(yīng)變片Rg1與Rg2對(duì)稱布置。

當(dāng)被測(cè)物件受到圖中箭頭方向彎矩時(shí)，設(shè)應(yīng)變片Rg1、Rg2產(chǎn)生的應(yīng)變值分別為ε1、ε2，則有ε1=-ε2=ε，則輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系為：

該應(yīng)變片布置形式的特點(diǎn)是對(duì)彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變非常敏感，同時(shí)可排除拉/壓力和扭矩作用所產(chǎn)生的應(yīng)變的影響，并具有溫度補(bǔ)償作用。

（3）扭轉(zhuǎn)應(yīng)變傳感器布置形式，見圖5.

圖5 彎曲應(yīng)變傳感器布置形式

這種布置形式也是采用全橋橋路，應(yīng)變片Rg1、Rg3分別與Rg2、Rg4垂直，Rg1與Rg4平行，Rg2與Rg3平行，同時(shí)Rg1、Rg2分別與Rg4、Rg3成對(duì)稱布置，4個(gè)應(yīng)變片都與被測(cè)物件的軸向成45°夾角。

當(dāng)被測(cè)物件受到如圖中所示的扭矩時(shí)，設(shè)應(yīng)變片Rg1、Rg2、Rg3、Rg4產(chǎn)生的應(yīng)變值分別為ε1、ε2、ε3、ε4，則有ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε，輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系：

該應(yīng)變片布置形式特點(diǎn)是對(duì)扭矩作用產(chǎn)生的應(yīng)變非常敏感，可以排除彎矩和拉/壓力作用產(chǎn)生的應(yīng)變的影響，同樣具有溫度補(bǔ)償作用。

2 橫推桿的應(yīng)變測(cè)試

2.1 應(yīng)變片的布置方案

車輛的空氣彈簧懸架上前后共有兩根橫推桿，分別稱為中橋橫推桿和后橋橫推桿，根據(jù)橫推桿結(jié)構(gòu)和裝配特點(diǎn)，將應(yīng)變傳感器貼在每根橫推桿的連桿上，布置方案示意見圖6.

圖6 10應(yīng)變片布置方案示意

圖中所標(biāo)的每個(gè)數(shù)字表示一個(gè)應(yīng)變片，一共分成三組應(yīng)變傳感器。每組應(yīng)變傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量不同的力和力矩。其中應(yīng)變片1、2、3、4組成扭轉(zhuǎn)應(yīng)變傳感器；應(yīng)變片5、6組成水平彎曲應(yīng)變傳感器；應(yīng)變片7、8、9、10組成拉/壓應(yīng)變傳感器。

2.2 應(yīng)變傳感器的標(biāo)定

應(yīng)變傳感器是由多片應(yīng)變片所組成，應(yīng)變片之間的位置有垂直或?qū)ΨQ等布置要求，但由于應(yīng)變片完全由手工粘貼到物件上，難免會(huì)存在一定的方位誤差，這就造成應(yīng)變傳感器的測(cè)量值與理論值存在偏差，為消除這一偏差，需要對(duì)應(yīng)變傳感器做標(biāo)定工作。

標(biāo)定的主要方法是：將粘貼好應(yīng)變片的橫推桿的一端固定住，然后分別用已知的拉力、彎矩、扭矩施加在橫推桿的另一端，從測(cè)試儀器上可讀取出產(chǎn)生的應(yīng)變值。由于橫推桿的尺寸是已知的，因此可以求解出連桿的橫截面積、抗彎和抗扭截面模量，再根據(jù)已知的拉力、彎矩、扭矩可求解出連桿上產(chǎn)生的理論應(yīng)變值，將它除以測(cè)試的應(yīng)變值，就得到一個(gè)修正偏差的標(biāo)定系數(shù)。經(jīng)過標(biāo)定，最終得到的標(biāo)定系數(shù)如表1所列。

表1 各應(yīng)變傳感器標(biāo)定系數(shù)

2.3 應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)處理及載荷反求

測(cè)試的牽引車帶上半掛車，滿載貨物，列車總重約54 t.分別測(cè)試獲取車輛在高速公路、城市環(huán)城路、城鎮(zhèn)間三級(jí)公路等典型路況下行駛時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

完成測(cè)試后，還需要對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是剔除數(shù)據(jù)中的干擾成分和零點(diǎn)漂移[3]。處理完成后，再將應(yīng)變數(shù)據(jù)按以下公式換算成載荷數(shù)據(jù)。

（1）軸向拉/壓力的換算

式中，εp為軸向力拉/壓力產(chǎn)生的應(yīng)變；P為軸向拉/壓力；A為橫推桿連桿橫截面積。

（2）產(chǎn)生彎矩的載荷換算

式中，ε彎為彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變；F為產(chǎn)生彎矩的載荷；M為彎矩；L為彎矩力臂；E為材料彈性模量；Wy為抗彎截面模量。

（3）扭矩的換算

扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力與45°截面的正應(yīng)變關(guān)系

ε45°為45°截面正應(yīng)變。

則作用的扭矩為：

式中，Mn為扭矩；Wn為抗扭截面模量。

求得的載荷還要乘上標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行修正，最后載荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2~4所列。

表2 橫推桿軸向拉/壓力最大/最小值

表3 橫推桿彎曲載荷最大/最小值

表4 橫推桿扭矩最大/最小值

從上述表中統(tǒng)計(jì)的結(jié)果看，橫推桿主要受到的是軸向的拉/壓力作用，其它方向的力和力矩很小，在強(qiáng)度校核橫推桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，可以忽略掉其它的受力，只需要將軸向拉/壓力作為載荷校核強(qiáng)度即可。

3 結(jié)束語

基于惠斯通橋路原理，利用多個(gè)應(yīng)變片組合成測(cè)力傳感器，對(duì)空氣懸架中的橫推桿進(jìn)行測(cè)試，可獲取橫推桿上的真實(shí)作用力大小，提高了橫推桿CAE分析中載荷條件的準(zhǔn)確性。

[1]Yung-Li Lee，Jwo Pan，R.B.Hathaway，et al.Fatigue Testing and Analysis[M].張然治，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011：7-12，17-20，61-72.

[2]鄭秀璦，謝大吉.應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985：17，32-34，37.

[3]張如一，沈觀林，李朝弟.應(yīng)變電測(cè)與傳感器[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999：14.

The Recovery of the Heavy Truck Lateral Thrust Rodload Based on Strain Test

BIN Ling
（The Commercial Vehicle Technology Center of Dongfeng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

The use of multiple strain gauge combined sensor is arranged on the lateral thrust rod of a heavy truck. Through the strain test to obtain the strain data of lateral thrust rod in actual work environments.At the same time，establish the function relationship between the strain and the load.Then the strain is converted into load，which provides a more accurate load condition for the strength analysis of the lateral thrust rod.

lateral thrust rod；strain testing；recovery of load

U461

A

1672-545X（2017）06-0041-03

2017-03-25

賓凌（1978-）男，廣西桂林人，本科，工程師，研究方向：汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化。