基于标定法的整车道路载荷谱试验研究

郝少锋，张宁

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

前言

车辆轴头载荷谱对于室内车辆道路模拟试验及车辆仿真分析是必不可少的。目前，国内外测试车辆轴头载荷谱的主要手段有两种：一是采用六分力测量轮；二是通过贴应变片标定的方法，使被测车桥（轴）成为传感器进行测量。两种方法各有利弊，六分力测量轮的优点是：集成化，简单易操作，试验周期短，对使用人员的操作要求相对较低；不足之处是：价格昂贵；而贴片标定法则正好相反。标定法作为一种成熟的测试手段广泛应用在汽车测试领域中，而通过贴片标定使被测车桥（轴）成为传感器方法的应用则了解的人较少，本文以某重型卡车整体式前轴作为研究对象，在前轴上进行布片、组桥、标定以及载荷计算，详细说明标定法测试车辆轴头载荷谱的方法。

1 轴头的受力分析

通常，简单的受两个力的结构件在布置应变片的时候，只需要进行主应力的方向判断即可贴片，而轴头受力复杂，耦合情况严重，布片显得尤为重要，作为标定能否成功，能否准确、可靠的获取应变信号的关键环节。所以，在应变片布置之前，首先要进行准确的受力分析，选择应变信号绝对值较大处为测量点，而且应变对应敏感的载荷要少，然后确定贴片位置。

整体式前轴左、右轴头是对称结构，以前其中一端轴头为例进行有限元模型受力分析，分析结果如下：

图1 Fz加载应力云图

图2 Fx加载应力云图

图3 Fy加载应力云图

图4 Mx加载应力云图

2 应变片的布置及组桥

依据有限元模型应力分析结果，综合分析，确定四个面为应变计粘贴位置。轴头应变片布置具体情况见图5。

图5 前轴轴头应变片布置图

A1，A2，A3，A4相对的面也有两个应变片，位置和角度对应一致，组成一个全桥。A1是对垂向力敏感的弯曲应变测点，A2是对My扭转敏感的扭矩应变测点，A3是对纵向力敏感的弯曲应变测点，A4是对垂向力敏感的剪切应变测点。

为了测得不同性质的载荷分量，应变计粘贴的方法、测量电桥的连接也是不同的，目的是消除非测量载荷的干扰，提高测量精确度。对于轴向力测量要用测轴向力的方法粘贴应变计和进行测力电桥的连接，尽可能排除其他载荷的干扰，而对于剪力的测量，虽然都是用测量弯曲应变的原理求得外载，但粘贴应变计的方法和电桥的连接是不一样的。

图6 应变电桥图

应变桥路的组桥方式主要包括三种：全桥、半桥和四分之一桥。以电阻应变片R1、R2、R3、R4组成电桥的四个臂，Ue为激励电压，Uo为输出电压。工程中通常设计成 R1=R2=R3=R4=R。

1/4桥时，只有一个应变片电阻发生变化△R，则电压输出：

可见，激励电压一定时，输出电压与应变片电阻变化△R成正比关系。

半桥时，工作中有两个桥臂（如R1、R2）的阻值变化，即R1+ △R, R2- △R。此时，电桥输出为：

全桥时，工作中有四个桥臂的阻值变化，即R1+△R，R2-△R，R3+ △R，R4- △R，此时，电桥输出为：，可见，采用全桥连接的方式，即可以提高信号的灵敏度，同时，又能实现温度补偿，消除信号采集数据中漂移问题的处理，保证了信号的精确测量。因此，全部采用全桥的组桥方式。

3 载荷测量的标定

标定过程即模拟样件实际受力的状态进行加卸载，记录载荷和应变之间的对应关系。在很多情况下，外载荷对结构部件的作用可简化成由集中力和力矩组成。在分布载荷作用的情况下，描述分布载荷时必须限制在有限数量的参数内，可以选择某些剖面上的弯矩、扭矩和剪力，或包含在描述分布载荷函数表达式中的常数作为参数。进行标定试验时，当结构上作用有某一力系时，应变测量电桥中一个信号与其对应。模拟车辆轴头实际的受力，在轮毂上安装一个加载装置，下面的图片各方向加载的标定图。

图7 Fy加载

图8 Fz加载

图9 Fx加载

图10 My加载

采集前桥上4 个测点的应变输出，对应每个测点的应变值和所施加的力值，可以获取到每个测点应变标定系数 K。标定的结果如下，横坐标为载荷，单位是KN,纵坐标为应变，单位为εμ。

图11 Fx加载标定结果

图12 Fy加载标定结果

图13 Fz加载标定结果

图14 My加载标定结果

4 数据方程求解

车辆行驶中，车桥的轴头同时承受垂向力Fz、侧向力Fy和纵向力Fx和扭矩My的组合影响，相应的前桥一端轴头处的四个测点的应变都有输出，分别为ε1、ε2、ε3、ε4。在已知四个测点对应四个方向力的应变标定系数的前提下，根据应变值反求轴头的力值。四组应变和三个方向的力的矩阵如下：

公式 K 值为标定每个测点时对应力下的应变标定系数结果，ε为实测应变值，F，My为需要换算的轴头力及扭矩。对上面方程组进行变换就可以根据应变标定结果和实测应变值反求出轴头力。

5 实测数据分析与结论

根据上述应变片布置，载荷测试、标定及数据处理方法获得的实测结果数据，利用Matlable软件针对该项目编制了解耦程序。由于实际同步测试参数有 54个，参数采样率为1000Hz，按不同工况要求，车辆空、满载状态采集数据 130多组，整个数据量较庞大。图15给出了测量车辆满载状态下，比利时路面和鹅卵石路面数据的载荷结果。

图15 满载状态下前桥左端载荷谱

本文描述了道路载荷谱采集中采用应变标定测试轴头力的方法和原理，获得的试验载荷谱，作为整车模型疲劳分析、疲劳寿命及模拟试验加载的依据，为整车的改型和优化设计提供了重要的力学参考。该方法在载荷谱测试中具有很广阔的应用，不局限于整体式车桥的轴头力测试，采用相同方式可用在独立悬挂的轴头力、杆件和球头的力测量。

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