基于輪輻應(yīng)變提取傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試系統(tǒng)研究

欒金諭，楊冀豫，靳 鴻

（中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

民用車輛或者軍用車輛在滿足功能需求的前提下，增大機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸勢(shì)必會(huì)帶來(lái)重量的增加，從而消耗更多的能源。考慮到節(jié)能減排等因素，機(jī)械結(jié)構(gòu)變得精細(xì)化、緊湊化勢(shì)在必行。行動(dòng)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，許多傳感器沒(méi)有空間安裝并測(cè)量傳動(dòng)軸扭矩，因此需要新的技術(shù)手段解決這一問(wèn)題。

目前，大多數(shù)技術(shù)人員、學(xué)者在測(cè)量傳動(dòng)軸扭矩時(shí)，選用直接在軸上安裝傳感器。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊文志等在對(duì)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量時(shí)，選擇在軸上焊接傳感器[1]。該方法在特定環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求，但破壞了軸的結(jié)構(gòu)，不具備普適性。

本文在分析傳統(tǒng)直接測(cè)量方式的弊端之后，提出通過(guò)測(cè)量輪輻應(yīng)變，間接提取傳動(dòng)軸扭矩的方法，可實(shí)現(xiàn)在不破壞傳動(dòng)軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)情況下，不受空間限制，完成對(duì)傳動(dòng)軸扭矩的獲取。經(jīng)實(shí)際標(biāo)定試驗(yàn)、實(shí)車試驗(yàn)，以及使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行扭矩提取[2]。驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提取傳動(dòng)軸扭矩較為準(zhǔn)確，可適用于實(shí)際試驗(yàn)中。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)包括傳感器、存儲(chǔ)測(cè)試儀器、上位機(jī)軟件三部分。傳感器根據(jù)被測(cè)相關(guān)部件實(shí)際情況，選取應(yīng)變片作為傳感器，測(cè)取驅(qū)動(dòng)輪輪輻應(yīng)變。存儲(chǔ)測(cè)試儀器完成傳感器輸出信號(hào)的濾波、放大，在控制模塊的控制下進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、接口傳輸?shù)取Ｉ衔粰C(jī)軟件完成數(shù)據(jù)的讀取、分析與處理。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Test system structure diagram

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選取與安裝位置

2.1.1 傳感器選取

鑒于被測(cè)對(duì)象操作空間狹小，需要傳感器體現(xiàn)體積優(yōu)勢(shì)，選取金屬式體型應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)取輪輻應(yīng)變推算扭矩。使用應(yīng)變片組合惠斯通電橋，利用橋式電路測(cè)取應(yīng)變，輸出差分信號(hào)。此方法可使應(yīng)變產(chǎn)生的交變信號(hào)具備以下優(yōu)勢(shì)，忽略電路中地線的誤差干擾，容易識(shí)別微小信號(hào)；免疫外部電磁干擾；單電源系統(tǒng)中，無(wú)需依賴“虛地”的穩(wěn)定性。

2.1.2 傳感器安裝位置

對(duì)驅(qū)動(dòng)輪各輪輻處進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，確定各輪輻處的敏感部位。車輛在行進(jìn)過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)輪只有13個(gè)輪齒，轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)輪齒受力情況分為13種，經(jīng)過(guò)仿真得到4條輪輻共8處敏感點(diǎn)，因此選取8處單元點(diǎn)，8處單元的ID號(hào)分別為 16256/23182/39938/15824/17200/32165/5152/35009。 仿真單元點(diǎn)選取如圖2所示。

按照作用力與反作用力的關(guān)系，在輪子花鍵安裝處施加載荷，仿真載荷扭矩為20 kN·m。根據(jù)鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)，將驅(qū)動(dòng)輪與車輛輸出軸的嚙合面進(jìn)行固定約束。依次對(duì)一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)嚙合齒組加載載荷，載荷扭矩均為20 kN·m，13組仿真應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示。

可見(jiàn)輪輻處的形變較大，適合布置傳感器。輪輻的兩條路徑可安裝應(yīng)變片，一條位于輪輻上表面，一條位于輪輻側(cè)表面，驅(qū)動(dòng)輪輪輻上表面路徑如圖3所示，驅(qū)動(dòng)輪輪輻側(cè)面路徑如圖4所示。

圖4 可測(cè)試驅(qū)動(dòng)輪輪輻側(cè)面路徑Fig.4 Test drive wheel spoke side path

仿真測(cè)取由起點(diǎn)至終點(diǎn)隨距離增大，相應(yīng)應(yīng)變隨距離的變化而變化。上表面應(yīng)變曲線如圖5所示，側(cè)面應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖5 徑向應(yīng)變曲線Fig.5 Radial strain curve

圖6 側(cè)面應(yīng)變曲線Fig.6 Lateral strain curve

由圖5和圖6可知同一條輪輻側(cè)面的應(yīng)變大于上表面應(yīng)變，所以傳感器安裝位置應(yīng)選取在輪輻側(cè)面。并且距離圖4起始位置大約120 mm的位置。

2.2 存儲(chǔ)測(cè)試儀器

實(shí)際試驗(yàn)處于嚴(yán)苛的自然環(huán)境下，考慮到試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性以及精度，需要減少電磁、溫度、振動(dòng)、噪聲等對(duì)測(cè)試儀器的影響，采用技術(shù)較為成熟穩(wěn)定的存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)。存儲(chǔ)測(cè)試采用模擬電路+數(shù)字電路的模式。

2.2.1 模擬電路

電橋通過(guò)模擬電路進(jìn)行2.5 V供電，電橋輸出的差分信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器AD8422放大100倍為一級(jí)放大，一級(jí)放大后的應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過(guò)一階高通濾波器得到應(yīng)變的變化量，而不是靜態(tài)量，不需要對(duì)電橋零位校準(zhǔn)，同時(shí)在一階高通濾波器處將信號(hào)補(bǔ)1.25 V的基線，處理后信號(hào)經(jīng)過(guò)二階低通濾波消去高頻噪聲干擾。經(jīng)過(guò)低通濾波之后的信號(hào)經(jīng)AD8422進(jìn)行二級(jí)放大，放大倍數(shù)為20倍。二級(jí)放大之后的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放穩(wěn)壓處理之后輸出給數(shù)字板進(jìn)行后期的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)際電路中使用電壓跟隨器，演示電路簡(jiǎn)圖不做標(biāo)示，模擬電路簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 模擬電路簡(jiǎn)圖Fig.7 Analog circuit diagram

2.2.2 數(shù)字電路

數(shù)字電路的工作流程：數(shù)字板上電處于低功耗模式，等待外部觸發(fā)，外部觸發(fā)之后數(shù)字板將各模擬板的模擬開(kāi)關(guān)打開(kāi)，模擬電路開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)字板A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。四個(gè)通道的采樣頻率為3k，測(cè)試時(shí)間為4h，所需要的Flash的存儲(chǔ)容量為4·3k·2 byte·4 h·3600 s=2 Gbit，選用 8 Gbit的 Flash 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量足夠。數(shù)字電路簡(jiǎn)圖如圖8所示。

2.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件基于LabVIEW設(shè)計(jì)，從Flash中讀取數(shù)據(jù)。具備數(shù)據(jù)刷新、采樣讀數(shù)、擦除數(shù)據(jù)、打開(kāi)文件、保存波形、標(biāo)定、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)截取、文件轉(zhuǎn)換的功能。

圖8 數(shù)字電路簡(jiǎn)圖Fig.8 Digital circuit diagram

3 標(biāo)定試驗(yàn)

3.1 傳統(tǒng)方法計(jì)算推演

利用力學(xué)與電學(xué)公式推導(dǎo)電信號(hào)與扭矩的數(shù)學(xué)關(guān)系，應(yīng)變與扭矩的關(guān)系式：

式中：M為扭矩；ε為應(yīng)變；E為彈性模量；A為截面積；l為F作用距離。

電橋（全橋）輸出電壓：

式中：e=2.5 V為電橋供電電壓；k=2.11為應(yīng)變片靈敏度。

上位機(jī)顯示輸出BIT值與電橋輸出電壓關(guān)系式：

綜上所述，最終推導(dǎo)出輸出扭矩關(guān)系式為

鑒于驅(qū)動(dòng)輪為鑄件，結(jié)構(gòu)較為粗糙，根據(jù)上述理論計(jì)算公式的推算產(chǎn)生很大的誤差，較難取得接近真值的結(jié)論，不適合采用該計(jì)算方法。故采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行推算，需要建立輪輻應(yīng)變電信號(hào)與輸出扭矩的聯(lián)系，需要對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

3.2 標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將樣件以及誘導(dǎo)輪安裝于臺(tái)架上通過(guò)履帶相連，履帶一端固定至地面槽鋼中，在驅(qū)動(dòng)輪后方傳動(dòng)軸上安裝力臂，懸掛一定質(zhì)量的載荷，以提供標(biāo)準(zhǔn)扭矩。試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.9 Schematic diagram of test bed

3.3 標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

隨機(jī)抽取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，實(shí)測(cè)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.2 Actual measurement and calibration data

對(duì)力臂施加相應(yīng)載荷，上位機(jī)輸出各通道對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波形如圖10所示。

圖10 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波形Fig.10 Measured data waveform

4 實(shí)車試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)完成后，需要進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，測(cè)試儀器安裝于驅(qū)動(dòng)輪上，內(nèi)置電池供電，提供密封裝置，在惡劣環(huán)境下進(jìn)行多種工況測(cè)試。抽取某一工況設(shè)為工況一，工況一單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪儀器采集數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 工況一單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪儀器采集數(shù)據(jù)Fig.11 Collection data of single drive wheel instrument under the first working condition

圖12 工況一驅(qū)動(dòng)輪扭矩預(yù)測(cè)曲線Fig.12 Torque prediction curve of driving wheel under the first working condition

通過(guò)測(cè)試儀器獲取四通道數(shù)據(jù)輸入，使用已經(jīng)訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出扭矩進(jìn)行計(jì)算，以四個(gè)通道的采樣值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)工況一驅(qū)動(dòng)輪扭矩預(yù)測(cè)曲線如圖12所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)扭矩曲與第三方測(cè)試扭矩進(jìn)行對(duì)比，觀察兩者曲線走勢(shì)的趨勢(shì)是否大致相同，引入相關(guān)性概念對(duì)其進(jìn)行判斷，計(jì)算得出相關(guān)性r=0.7108，r值位于0.5～1之間，為強(qiáng)相關(guān)，考慮到數(shù)據(jù)為實(shí)際工程所得，可以認(rèn)為相關(guān)度較高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，該測(cè)試方法可以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

5 結(jié)語(yǔ)

輪輻應(yīng)變提取傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試系統(tǒng)可以適用于絕大多數(shù)車輛的扭矩測(cè)試試驗(yàn)，不對(duì)傳動(dòng)軸加以人為干預(yù)可以讓軸保證最原始的工作狀態(tài)，測(cè)得的數(shù)據(jù)也最貼近真實(shí)情況。該測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)真實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證，具備一定的成熟度，可應(yīng)用于實(shí)際試驗(yàn)中。