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轮胎是车辆的重要部件之一，是车辆和地面之间的力元。其动态特性直接影响车辆的运营稳定性、燃料效率、乘客舒适度和安全。轮胎动力学的测量一直是汽车工程中努力探索的课题。传统的测量方法是采用转鼓试验台对轮胎进行台架试验,虽然采用该办法能够排除许多干扰因素,为建立数学模型提供准确的数据,但其缺点是台架上轮胎的受力情况与实际安装轮胎的受力情况有很大的差距,而且对轮胎在各种不同路面上的受力状况无法准确模拟。汽车实际行驶时轮胎的受力测试十分重要,国际上许多大公司都在这方面做研究,有关的测试仪器虽已问世,但价格昂贵。我国在这方面也有一定研究,但在轮胎六分力全部同时测量方面还是空白,为此我们研制设计了轮胎六分力测力仪,将其安装在汽车受力最复杂的转向驱动轮上,以便对不同车型轮胎受到的所有力进行同步测量。1分力测力仪汽车行驶时,转动的车轮受力情况极其复杂,直接利用传感器或电测方法来测量其所受的各种力和力矩是没办法实现的,因此就需要设计一种测力仪,其机械结构应保证轮胎所受的各种力都将传递到其上,要有利于实现非电量电测,而且能排除同时作用的各个力、力矩间的相互干扰,同时要考虑安装方便和通用性的要求。依据上述要求,我们设计了轮胎六分力测力仪,其结构如图1所示。六分力测力仪主要由连接盘、4根测力筋、集流器和电磁转角测量机构组成。在汽车行驶时,轮胎与地面之间产生的力经过轮胎、车轮、轮盘、轮毂、悬架传递到车身上。这种测力仪的设计思路是切断从轮盘至轮毂间力的传递,在其间连入测力仪,使力的传递路线改为:轮胎→车轮→轮盘→测力仪→轮毂→悬架→车身。由于轮盘与轮毂是由测力仪相连接,因此能保证所有力和力矩都将通过测力仪。另一方面,轮盘上的各个力和力矩都将以4根测力筋分别受拉压、弯曲的形式反映出来,能够最终靠电阻应变片较为方便地测量。将测力仪与一个连接盘相连,再与轮毂连接,当测力仪用于测量不一样的汽车时,只要安装一种专用的连接盘即可,保证了通用性。2测力仪的安装测力仪需要测量汽车行驶时轮胎所受的3个力和3个力矩,即纵向力Fx、侧向力Fy、垂直力Fz、翻转力矩Mx、滚动力矩My、回正力矩Mz。在测量时,由于这6个分力是同时作用的,当用应变片测量其中1个分力时,会受到其它分力的影响,因此必须消除这一些影响。同时,由于工作时存在气温变化,还一定要考虑温度补偿,这些主要靠应变片的布置和测量电路的连接来解决。测力仪有4根测力筋,其截面为正方形,共粘贴28片应变片。在测力筋1和3上,分别粘贴8片应变片,其电阻值分别为R1,R2,R5,R6,R13,R14,R17,R18和R3,R4,R7,R8,R15,R16,R19,R20;在测力筋2和4上,分别粘贴6片应变片,其电阻值分别为R11,R12,R23,R24,R27,R28和R9,R10,R21,R22,R25,R26。具体粘贴位置和方向根据所测力的不同而不同。R1～R4用于测量垂直力Fz;R5～R12用于测量侧向力Fy;R13～R16用于测量翻转力矩Mx;R17～R20用于测量滚动力矩My;R21～R24用于测量纵向力Fx;R25～R28用于测量回正力矩Mz。2.1应变片的安装以测量侧向力为例,介绍测力仪的测量原理。当车轮仅受侧向力Fy作用时,在4根测力筋上都将产生大小和方向相同的轴向力,每根测力筋承受1/4的侧向力。在这种受力条件下,每根测力筋都将产生相同的拉伸或压缩变形。在测力筋1和3上分别轴向粘贴2个应变片,其电阻值分别为R5,R6和R7,R8;在测力筋2和4上分别横向粘贴2个应变片,其电阻值分别为R11,R12和R9,R10。应变片粘贴位置及电桥连接形式如图2所示。根据电桥的特性可知,电桥的输出电压为:式中,R5=R6=R7=R8=R9=R10=R11=R12=R。设在侧向力Fy的作用下,测力筋2和4的线的轴向应变为εx。由材料力学可知,横向粘贴的R9,R10和R11,R12应变片的测力关系为:式中μ——材料的泊松比;K——电阻应变片的敏感因数。轴向粘贴的R5,R6和R7,R8应变片的测力关系为:将公式(2)和(3)代入公式(1),得(ε7+ε8)-(-με9-με10)](4)由上面的受力分析可知,ε5=ε6=ε7=ε8=ε9=ε10=ε11=ε12=ε,那么由此可知,可通过U0测出应变ε。根据材料力学,F=εEA(其中A为测力筋截面积,E为弹性模量),可求出侧向力Fy:2.2测量过程中其他五种性能的影响(1)测力筋弯曲变形当Fx单独作用时,R5,R6和R7,R8都处于弯曲变形的中性层上,不发生变形,故电阻阻值也不发生明显的变化。而处于测力筋2和4上的R11,R12和R9,R10分别随测力筋的弯曲变形产生大小相等方向相反的变形,即ε9=-ε10,ε11=-ε12。将其代入公式(4)得:U0=0,即Fx单独作用时,电桥输出电压为零,对测量不产生任何影响。(2)测力筋弯曲变形有大小等效方向2当车轮仅受Fz作用时,R9,R10和R11,R12都处于弯曲变形的中性层上,不产生一些变化,即ε9=ε10=ε11=ε12=0。而处于测力筋1和3上的R5,R6和R7,R8分别随测力筋的弯曲变形产生大小相等方向相反的变形,即ε5=-ε6,ε7=-ε8。将其代入公式(4)得:U0=0,即Fz单独作用时,电桥输出电压为零,对测量不产生一定的影响。(3)拉伸变形反应当Mx单独作用时,对测力筋1产生正压力,对测力筋3产生正拉力。在这种受力条件下,测力筋1产生压缩变形,测力筋3产生拉伸变形,二者大小相等,即ε5=ε6=-ε7=-ε8。而R9,R10和R11,R12都处于弯曲变形中性层上,不产生一些变化,即ε9=ε10=ε11=ε12=0。由公式(4)得:U0=0,即Mx单独作用时,电桥输出电压为零,对测量不产生一定的影响。(4)弯曲变形表面当My单独作用时,测量所涉及的所有应变片R5～R12均位于弯曲变形的中性面上,不产生一些变化,因此U0=0。即My单独作用时,不引起电桥输出电压的变化,因此对测量不产生一定的影响。(5)弯曲变形期r5当Mz单独作用时,与Mx单独作用时类似。不同之处在于此时测力筋2发生压缩变形,测力筋4产生拉伸变形。即ε9=ε10=-ε11=-ε12。而此时R5,R6和R7,R8将处于弯曲变形的中性层上,不产生一些变化,即ε5=ε6=ε7=ε8=0。将其代入公式(4)得:U0=0,即Mz单独作用时,电桥输出电压为零,对测量不产生任何影响。以上证明了测力仪测量Fy时,其它5个分力均不可能会引起输出信号的变化,也就是排除了其它力作用对测量的干扰。2.3各电阻阻值的解当气温变化时,由于采用相同的应变片,因此,当气温变化相同时,各电阻阻值变化也相同,即ΔR5=ΔR6=ΔR7=ΔR8=ΔR9=ΔR10=ΔR11=ΔR12。将其代入公式(1)得:U0=0。因此气温变化不可能影响输出信号,即设计的电路能实现温度的自动补偿。3初始位置转角测量上面提到的各力和力矩是建立在相对车轮固定的坐标系上,这个坐标系相对于车身是转动的,因此就需要把这些力和力矩转化到车身固定坐标系上。坐标系的转换如图3所示,其中Fx,Fy和Fz为车轮坐标系中的力;Mx,My和Mz为车轮坐标系中的力矩;fx,fy和fz为车身坐标系中的力;mx,my和mz为车身坐标系中的力矩;α为车轮相对两个坐标系重合的初始位置转角,通过电磁式转角测量机构测得。可以推出如下转换关系:fx=Fxcosα-Fzsinαfy=Fyfz=Fxsinα+Fzcosαmx=Mxcosα-Mzsinαmy=Mymz=Mxsinα+Mzcosα4集流环内固定装置由于测力仪工作时是随车轮一起作转动的,因此它测量出的电信号需要一特殊装置向固定的车身坐标系输出,这一装置称为集流环。在集流环端部还装有电磁式转角测量装置,随车轮转动发出一系列脉冲信号,用以测量车轮转角。测力仪的输出信号处理过程见图4。
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