基于應變測試的重卡橫向推力桿載荷反求

賓凌

（東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西柳州545005）

基于應變測試的重卡橫向推力桿載荷反求

賓凌

（東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西柳州545005）

利用多個應變片組合成測力傳感器，布置于某牽引車的橫向推力桿上，通過應變測試獲取橫向推力桿在實際工作環境中的應變數據，同時建立起應變與載荷之間的函數關系，然后將應變換算成載荷，為橫向推力桿的強度分析提供更精確的載荷條件。

橫向推力桿；應變測試；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，其結構如圖1所示。

圖1 橫推桿結構簡圖

因結構優化的需要，必須對該橫推桿做強度校核，由于橫推桿的結構比較簡單，并且其受力主要是在兩端的連接處，受力條件并不復雜，因此要通過有限元分析來準確校核其強度，關鍵在于如何準確地掌握橫推桿的外載荷。

但目前沒有適合測量橫推桿受力的設備，難以準確獲取其外載荷。針對這一問題，本文基于惠斯通橋路原理，將多個應變片組合成測力傳感器，布置于橫推桿上，再進行應變測試，獲取橫推桿在汽車實際行駛環境下的應變時域數據，同時建立起應變與載荷之間的函數關系，最終將應變換算成所需要的外載荷。

1 組合應變傳感器的基本原理

1.1 惠斯通橋路原理

由于應變片的電阻變化非常小，不容易被測量到，一般是將應變片構成惠斯通電橋，通過測量應變片電阻變化引起的橋路電壓輸出來得到應變。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，而恒壓惠斯通橋路則是采用電壓源作為電橋的激勵。恒壓惠斯通橋路的應用最為廣泛，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為激勵電壓。輸出電壓可表示為：

1.2 應變片的布置形式

應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力傳感器，在本文中，主要應用了以下幾種應變片的布置形式[1]：

（1）拉/壓應變傳感器布置形式，見圖3.

圖3 拉/壓應變傳感器布置形式

這種布置形式采用全橋橋路，應變片Rg1、Rg3分別與Rg2、Rg4垂直，并且Rg1、Rg2分別與Rg3、Rg4對稱布置于被測物件上。

這種布置形式專門用來測量圖中箭頭方向的拉/壓力。當被測物件受到拉/壓力作用時，設應變片Rg1、Rg2、Rg3、Rg4產生的應變分別為ε1、ε2、ε3、ε4，則有ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-με，μ為被測物件的材料松泊比，GF為靈敏度系數。輸出電壓與應變的關系為：

該應變片布置形式的特點是對拉/壓載荷產生的應變非常敏感，可排除彎矩和扭轉產生的應變的影響，還有溫度補償的作用[2]。

（2）彎曲應變傳感器布置形式，見圖4.

圖4 彎曲應變傳感器布置形式

這種布置形式采用半橋（鄰邊）橋路，應變片Rg1與Rg2對稱布置。

當被測物件受到圖中箭頭方向彎矩時，設應變片Rg1、Rg2產生的應變值分別為ε1、ε2，則有ε1=-ε2=ε，則輸出電壓與應變的關系為：

該應變片布置形式的特點是對彎矩產生的應變非常敏感，同時可排除拉/壓力和扭矩作用所產生的應變的影響，并具有溫度補償作用。

（3）扭轉應變傳感器布置形式，見圖5.

圖5 彎曲應變傳感器布置形式

這種布置形式也是采用全橋橋路，應變片Rg1、Rg3分別與Rg2、Rg4垂直，Rg1與Rg4平行，Rg2與Rg3平行，同時Rg1、Rg2分別與Rg4、Rg3成對稱布置，4個應變片都與被測物件的軸向成45°夾角。

當被測物件受到如圖中所示的扭矩時，設應變片Rg1、Rg2、Rg3、Rg4產生的應變值分別為ε1、ε2、ε3、ε4，則有ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε，輸出電壓與應變的關系：

該應變片布置形式特點是對扭矩作用產生的應變非常敏感，可以排除彎矩和拉/壓力作用產生的應變的影響，同樣具有溫度補償作用。

2 橫推桿的應變測試

2.1 應變片的布置方案

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，根據橫推桿結構和裝配特點，將應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應變片布置方案示意

圖中所標的每個數字表示一個應變片，一共分成三組應變傳感器。每組應變傳感器負責測量不同的力和力矩。其中應變片1、2、3、4組成扭轉應變傳感器；應變片5、6組成水平彎曲應變傳感器；應變片7、8、9、10組成拉/壓應變傳感器。

2.2 應變傳感器的標定

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

標定的主要方法是：將粘貼好應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，從測試儀器上可讀取出產生的應變值。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，再根據已知的拉力、彎矩、扭矩可求解出連桿上產生的理論應變值，將它除以測試的應變值，就得到一個修正偏差的標定系數。經過標定，最終得到的標定系數如表1所列。

表1 各應變傳感器標定系數

2.3 應變測試數據處理及載荷反求

測試的牽引車帶上半掛車，滿載貨物，列車總重約54 t.分別測試獲取車輛在高速公路、城市環城路、城鎮間三級公路等典型路況下行駛時的應變數據。

完成測試后，還需要對應變數據進行處理，主要是剔除數據中的干擾成分和零點漂移[3]。處理完成后，再將應變數據按以下公式換算成載荷數據。

（1）軸向拉/壓力的換算

式中，εp為軸向力拉/壓力產生的應變；P為軸向拉/壓力；A為橫推桿連桿橫截面積。

（2）產生彎矩的載荷換算

式中，ε彎為彎矩產生的應變；F為產生彎矩的載荷；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

扭矩產生的剪應力與45°截面的正應變關系

ε45°為45°截面正應變。

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定系數進行修正，最后載荷統計結果見表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

從上述表中統計的結果看，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，在強度校核橫推桿結構強度時，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度即可。

3 結束語

基于惠斯通橋路原理，利用多個應變片組合成測力傳感器，對空氣懸架中的橫推桿進行測試，可獲取橫推桿上的真實作用力大小，提高了橫推桿CAE分析中載荷條件的準確性。

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

[2]鄭秀璦，謝大吉.應力應變電測技術[M].北京：國防工業出版社，1985：17，32-34，37.

[3]張如一，沈觀林，李朝弟.應變電測與傳感器[M].北京：清華大學出版社，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：汽車結構優化。