呂俊成，賈永輝，祁建德，劉濤

車輪傳感器的新型裝配方案及其標(biāo)定與解耦

呂俊成1，賈永輝1，祁建德1，劉濤2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

為實(shí)現(xiàn)車輪六維力傳感器與汽車之間的良好匹配關(guān)系，文章提出了一種新型裝配方案。與現(xiàn)有的傳感器技術(shù)相比，新的裝配方案改變了傳感器的安裝連接方式和力的傳遞路徑，對汽車原有動力學(xué)性能影響很小。文章還對自主研制的傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，進(jìn)行解耦計(jì)算得出輸入力/力矩與輸出電壓之間的耦合關(guān)系矩陣。結(jié)果表明此傳感器性能較好，可為后續(xù)傳感器技術(shù)的研究提供參考。

車輪傳感器；裝配；解耦

引言

車輪六維力傳感器用于汽車道路試驗(yàn)中車輪力的測量，其結(jié)果可以準(zhǔn)確反映汽車的動力學(xué)性能，對于整車的研究開發(fā)具有重要意義。車輪傳感器在汽車研究中的應(yīng)用主要有：汽車制動性能研究、汽車ABS的研究和評價(jià)、車輛動力學(xué)系統(tǒng)試驗(yàn)研究、汽車懸架特性動態(tài)測量、汽車道路路譜的數(shù)據(jù)采集等[1-2]。

傳感器技術(shù)包括傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)變片橋路連接方案、傳感器與車輪的匹配、標(biāo)定試驗(yàn)、數(shù)據(jù)解耦分析等許多方面。國外對傳感器技術(shù)研究較早且已將其產(chǎn)品化，如美國密歇根科技公司、瑞士Kistler公司等，但關(guān)鍵技術(shù)保密。為減小技術(shù)上的差距，近年來國內(nèi)已有多個單位和企業(yè)加大了對傳感器的研究投入，如東南大學(xué)自主研制了多維力傳感器并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[3]。本文提出了一種有別于現(xiàn)有傳感器技術(shù)的裝配方案，并對自主研制的一款新型六維力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定解耦分析。

1 車輪六維力傳感器裝配方案

傳感器是一套獨(dú)立的測量裝置，需要設(shè)計(jì)裝配方案將其應(yīng)用于車輪力和力矩的測量。裝配方案要求車輪受力完全經(jīng)過傳感器傳遞到車身，同時便于拆裝，且傳感器組件對汽車原有動力學(xué)性能的影響盡可能小。

1.1 現(xiàn)有傳感器裝配方案分析

目前使用較多的傳感器產(chǎn)品采用的方案為設(shè)置適配器結(jié)構(gòu)，傳感器位于輪輞適配器與輪轂適配器之間，與車輪固定，工作狀態(tài)下隨車輪同步旋轉(zhuǎn)，設(shè)置滑環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)置編碼器測量車輪旋轉(zhuǎn)角度。

以兩款常見的傳感器產(chǎn)品為例，分析其裝配方案。MSC傳感器裝配方案如圖1所示。傳感器為環(huán)形結(jié)構(gòu)，測力單元位于內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的四個應(yīng)變梁位置。傳感器外環(huán)與輪輞適配器螺栓連接，傳感器內(nèi)環(huán)與輪轂適配器螺栓連接。車輪的受力從輪輞適配器傳遞至傳感器外環(huán)，引起應(yīng)變梁變形，再經(jīng)過內(nèi)環(huán)傳遞到輪轂適配器直至車身。奇石樂傳感器裝配方案如圖2所示，基本思路與MSC傳感器相同，測力單元通過傳感器外側(cè)部件與輪輞連接，通過傳感器內(nèi)側(cè)部件與輪轂適配器連接。車輪受力從輪輞傳遞至傳感器外側(cè)部件引起測力單元受力并通過內(nèi)側(cè)部件傳遞到輪轂適配器直至車身。

圖1 MSC傳感器裝配方案

圖2 奇石樂傳感器裝配方案

此方案傳感器與車輪固定，傳感器坐標(biāo)系與車輪坐標(biāo)系相同。整車及車輪坐標(biāo)系如圖3所示，整車坐標(biāo)系為固定坐標(biāo)系，三個力為F、F、F，三個力矩為M、M、M。車輪坐標(biāo)系為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，三個力為F、F、F，三個力矩為M、M、M。傳感器測量結(jié)果是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的六個分量，需要通過編碼器測量出車輪旋轉(zhuǎn)角度，然后將六個分量解算到整車坐標(biāo)系中。編碼器解算車輪角度和旋轉(zhuǎn)速度的方式不能實(shí)現(xiàn)六分力的實(shí)時測量，在輪胎的復(fù)雜運(yùn)動姿態(tài)下角度的測量存在誤差，而且此裝配方案的適配組件增加了車輪的質(zhì)量，影響車輛的動力學(xué)性能。為解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種安裝在車載固定端的傳感器裝配方案。

圖3 整車和車輪坐標(biāo)系

1.2 新型傳感器裝配方案

在不改變汽車原有車輪總成、不增加適配器的前提下，設(shè)計(jì)前輪傳感器裝配方案如圖4所示，通過改進(jìn)汽車原有車載固定端結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳感器與車輪總成的連接。改制轉(zhuǎn)向節(jié)，內(nèi)圈設(shè)置螺栓孔與傳感器外環(huán)螺紋孔連接；改制前軸承座，外圈添加法蘭板，法蘭板上內(nèi)圈螺紋孔與傳感器內(nèi)環(huán)螺栓孔連接，法蘭板遠(yuǎn)端兩個螺紋孔與前制動器卡鉗對應(yīng)螺栓孔連接。車輪所受、、、、方向的力通過軸承傳遞到前軸承座，再傳遞到傳感器內(nèi)環(huán)，引起應(yīng)變梁變形，最后通過傳感器外環(huán)傳遞至轉(zhuǎn)向節(jié)。制動時車輪所受通過制動盤傳遞至前制動卡鉗，再通過前軸承座傳遞至傳感器和轉(zhuǎn)向節(jié)。

圖4 前輪傳感器裝配方案

設(shè)計(jì)后輪傳感器裝配方案如圖5所示。后懸架與傳感器內(nèi)環(huán)螺栓連接；改制后軸承座，外圈添加法蘭板，法蘭板上內(nèi)圈螺紋孔與傳感器外環(huán)螺栓孔連接，法蘭板遠(yuǎn)端螺栓孔與后制動器卡鉗對應(yīng)螺紋孔連接。車輪所受、、、、方向的力通過軸承傳遞到后軸承座，再傳遞到傳感器外環(huán)，引起應(yīng)變梁變形，最后通過傳感器內(nèi)環(huán)傳遞至后懸架。制動時車輪所受通過制動盤傳遞至后制動卡鉗，再通過后軸承座傳遞至傳感器和后懸架。

圖5 后輪傳感器裝配方案

新型裝配方案采用改制汽車原有轉(zhuǎn)向節(jié)、前后軸承座的方式，將六維力傳感器安裝在車載固定端，前輪傳感器固定在轉(zhuǎn)向節(jié)，后輪傳感器固定在后懸架，從本質(zhì)上改變了現(xiàn)有裝配方案。傳感器不再隨車輪旋轉(zhuǎn)，無須滑環(huán)和編碼器結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算，可實(shí)時測量傳感器所受力及力矩。傳感器安裝在車載固定端，簡化了適配結(jié)構(gòu)，不會增加車輪總成的質(zhì)量，對車輛原有動力學(xué)性能無影響。

2 傳感器的標(biāo)定解耦

2.1 傳感器類型

車輪傳感器按彈性體結(jié)構(gòu)可以分為直接輸出型（無耦合型）和間接輸出型（耦合型）兩類[4]。直接輸出型傳感器是在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出無耦合作用的彈性體，各分量之間的輸入輸出互不影響，輸出結(jié)果由每個分量的應(yīng)變電橋直接輸出。間接輸出型傳感器每個分量的輸出信號與多個輸入的分量有關(guān)，需要對信號進(jìn)行解耦運(yùn)算。本次標(biāo)定的六維力傳感器如圖6所示，彈性體結(jié)構(gòu)對稱，應(yīng)變片位于對稱的四個應(yīng)變梁，通過設(shè)計(jì)橋路連接方式，理論上可實(shí)現(xiàn)完全解耦。但實(shí)際中由于彈性體加工工藝和應(yīng)變片粘貼工藝等因素的影響，傳感器無法達(dá)到理論設(shè)計(jì)的無耦合特性，所以需要進(jìn)行標(biāo)定解耦。

圖6 六維力傳感器

2.2 傳感器標(biāo)定

車輪傳感器的標(biāo)定是傳感器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響傳感器的性能。對傳感器施加確定的輸入量，可以測得傳感器的輸出量，輸入量與輸出量是映射關(guān)系，標(biāo)定即為了確定兩者之間的映射關(guān)系。對于直接輸出型傳感器，每個方向單獨(dú)輸入時只有對應(yīng)方向有輸出，其他方向無輸出，則可根據(jù)標(biāo)定結(jié)果直接得出各個分量的映射關(guān)系。對于間接輸出型傳感器，單個分量輸入時，多個分量產(chǎn)生輸出結(jié)果，需要進(jìn)行解耦運(yùn)算得出輸入量與輸出量之間的映射關(guān)系。

標(biāo)定臺如圖7所示，兩個液壓缸為加載機(jī)構(gòu)，與一個可以穩(wěn)定控制壓力的液壓站連接。液壓缸可通過調(diào)節(jié)液壓缸支撐臂的角度實(shí)現(xiàn)水平和豎直兩個方向加載。液壓缸可進(jìn)行推、拉兩個方向加載，兩缸力的方向相同時可對傳感器進(jìn)行力加載，兩缸力的方向相反時可對傳感器進(jìn)行力矩加載。加載力的大小通過液壓缸端部的標(biāo)準(zhǔn)單分力傳感器讀取，并通過調(diào)節(jié)壓力的大小控制加載的輸入量。同時，傳感器標(biāo)定工裝可以繞豎直中心軸線360°旋轉(zhuǎn)，配合液壓缸的不同位置可實(shí)現(xiàn)對傳感器的六個分量單獨(dú)加載。記錄每個分量單獨(dú)輸入時六個分量的輸出結(jié)果進(jìn)行解耦分析。

圖7 標(biāo)定臺

2.3 線性解耦

對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行初步處理得出，主通道輸入與輸出為線性關(guān)系，耦合通道輸出量較小，近似線性關(guān)系，故采用線性解耦方式。設(shè)標(biāo)定輸入力和力矩為F、F、F、M、M、M，輸出電壓為U、U、U、U、U、U，標(biāo)定系數(shù)為k，則輸入量與輸出量之間可得到如下關(guān)系式：

公式（1）可矩陣表示為：

=（3）

通過標(biāo)定臺進(jìn)行單分力F輸入，其他五個分量輸入為0，測得六個橋路對應(yīng)電壓輸出，可計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)1j（=1～6）。同理，另外五個分量分別單獨(dú)輸入得到六個橋路電壓輸出，即可計(jì)算得出標(biāo)定系數(shù)矩陣中其他系數(shù)。

由式（3）得：

=-1（4）

式中-1即為最終所求得的解耦矩陣。在實(shí)際汽車道路試驗(yàn)中，六維力傳感器測得六個橋路輸出電壓，再根據(jù)標(biāo)定所得的解耦矩陣-1和公式（4）即可計(jì)算出車輪所受六個方向的力。

2.4 標(biāo)定解耦結(jié)果

對自主研發(fā)設(shè)計(jì)的新型車輪六維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，六個輸入量分別單獨(dú)加載，得到每個輸入量加載時的一個主通道輸出和五個耦合通道輸出。對輸出曲線進(jìn)行線性擬合，計(jì)算斜率即為標(biāo)定系數(shù)。六個方向共進(jìn)行六次標(biāo)定試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果處理計(jì)算后，得出所有標(biāo)定系數(shù)，得到標(biāo)定矩陣：

計(jì)算得解耦矩陣：

將-1代入公式（4）即可對此傳感器進(jìn)行道路試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種將車輪傳感器安裝在車載固定端的裝配方案，傳感器不再隨車輪旋轉(zhuǎn)，不需要滑環(huán)和編碼器結(jié)構(gòu)，可實(shí)時測量車輪受力情況，為傳感器的應(yīng)用提供了一種新的方式。利用自主研發(fā)的六分力標(biāo)定試驗(yàn)臺對最新研制的傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，按照線性解耦的方式計(jì)算得出了解耦矩陣。傳感器只有個別方向耦合較大，進(jìn)行解耦計(jì)算后可滿足基本使用需求。

[1] 嚴(yán)勁,張為公.多維車輪力傳感器及測試系統(tǒng)[J].輕型汽車術(shù),2006 (04):18-20.

[2] 宋國民.多分力車輪力傳感器研究及其在汽車道路試驗(yàn)中的應(yīng)用[D].南京:東南大學(xué),2001.

[3] 張為公.汽車車輪多維力測量關(guān)鍵技術(shù)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版版),2004(01):25-28.

[4] 李偉.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的間接輸出型車輪六維力傳感器研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

New Assembly Scheme of Wheel Sensor and Its Calibration and Decoupling

LV Juncheng1, JIA Yonghui1, QI Jiande1, LIU Tao2

（1.SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007;2.School of Automotive Engineering, Jilin University, Jilin Changchun 130022）

In order to achieve a good matching relationship between wheel six-axis force sensor and automobile, a new assembly scheme is proposed. Compared with the existing sensor technology, the new assembly scheme changes the sensor installation and connection mode and force transmission path, and has little impact on the original dynamic performance of the vehicle. The self-developed sensor is calibrated and decoupled to obtain the coupling matrix between input force / torque and output voltage. The results show that the performance of the sensor is good, which can provide a reference for the future research of sensor technology.

Wheel sensor; Assemble; Decouple

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.042

TP212

A

1671-7988(2021)21-159-04

TP212

A

1671-7988(2021)21-159-04

呂俊成（1978—），男，博士，教授級高級工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，主要研究方向?yàn)檎囆阅芗珊椭悄荞{駛。

柳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018AA20501）。