關于車載自稱重系統的方法研究

李旭明，劉 杰，馮江峰，丁念紅

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

前言

道路運輸是國民經濟的基礎產業，隨著該產業的不斷壯大，如何使整車運輸市場更加規范化應成為當務之急。了解實際整車滿載總質量，可以為用戶提供更加合理的車型配置，也為售后判定是否超載及運輸過程中是否有貨物拋灑問題提供了有效依據。考慮到車輛行駛的動態連續性及稱重的便利性，目前較為流行的車輛稱重方法有兩大類：一類是軸計量式動態稱重，即車輛經過稱重臺，輪軸識別器、稱重傳感器等通過對軸組的稱量，得到車貨總重[1]。該方法無法做到一稱一車的測量模式，也就無法有效避免誤差。該方法對司機行駛行為標準要求較高，當車輛采用S型駕駛等方式經過稱重臺，測量結果也會產生較大誤差；二類是車輛自稱重系統，通過設計操作便捷、排除人為作弊、可隨時監測的自稱重系統，可為用戶、廠家提供有效的車貨總重信息。以下闡述了幾種正在開發的自稱重系統，主要包括對其工作原理、使用情況的介紹。

1 基于大數據的自稱重系統

該自稱重系統主要由車輛傳感器、無線通訊模塊、應用軟件等構成。車輛傳感器將采集的各路電信號通過報文輸出到CAN總線，自稱重系統讀取CAN收發模塊信息。系統直接讀取被測車輛信息，包括空氣阻力系數CD、迎風面積A、輪胎滾動半徑r、驅動橋速比i0、變速箱各檔位（直接檔/超速擋）等信息。從原始數據中抓取同時間區間內車速va、發動機扭矩Tq、發動機轉速n信息，3個通道數據的時間間隔可能不同。通過程序篩選出同一秒3個通道均有響應的數據，并將其組合輸出。式（1）計算驅動橋輸入轉速n輸入，從而求得變速箱的實時速比i實時（式（2））。將實時速比i實時與變速箱檔位設計速比相匹配，計算時需考慮變速箱檔位及離合器接合狀態。

假設汽車在最高檔勻速行駛，且公路坡度近似為0，此時可忽略坡度阻力和加速阻力。通過汽車行駛方程式（式（3））及實際車輛工況標定的系數，輸出平均整車滿載總質量，程序語句圖1所示：

圖1 輸出平均整車滿載總質量

由該自稱重系統的計算過程可見，其結果依賴于車輛工況標定系數的準確性。當被測車輛的實際使用工況與建模相差較大，系統測得的整車滿載總質量將失真。后期考慮使用GPS信息等形式，提高被測車輛與建模的匹配度。

2 應用應變傳感器的自稱重系統

該自稱重系統主要由車載顯示屏、車載重量檢測儀、重量傳感器等構成。選擇車橋作為監測對象，如圖2所示，車橋上的傳感器將應變信號轉化為電信號，車載重量檢測儀接收導線傳輸的電信號，經過分析處理后傳輸給位于駕駛室的車載顯示屏，顯示屏顯示實時車貨總重信息。

圖2 自稱重系統結構示意圖

車橋在整車的位置如圖3所示，將應變傳感器布置于車橋（前軸、中橋、后橋）上，為提高應變傳感器測量的準確性，布置位置的應變應當與被測力有準確對應關系，且應變水平較高[2]。其傳感器的布置位置通過有限元分析確定：本文采用模型為11.5 t單級減速驅動橋橋殼總成，板簧中心距為1 008 mm，輪輞安裝距為1 860 mm，橋殼截面規格160× 135。經三維軟件建模，導入有限元分析軟件中，橋殼總成按四面體單元格劃分網格，網格大小為6。彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，密度按照7.9×103kg/m3。橋殼總成模型已按輪輞安裝距截取，在兩側車輪中心處分別添加約束。依據垂向工況，在鋼板彈簧座中心處分別施加垂向載荷。通過對橋殼變形結果的分析，確定橋包兩側與彈簧墊壓板之間的區域形變量大。考慮傳感器布置的便利性、精確性，如圖4所示，最終選擇布置在橋殼上方變形量較大的橋包兩側。標定其形變量與承載大小的關系，換算每根車橋上的載重量，求和即是車貨總重。

圖3 前軸、中后橋與平衡懸架示意圖

圖4 應變傳感器三維布置

由該系統的工作原理可知，車橋承載與彎曲變形之間的關系需要標定，可為小批量產品提供自稱重服務，但產品難以產業化。基于應用應變傳感器的自稱重系統，考慮將應變傳感器更換為無需標定的壓力傳感器。

3 應用壓力傳感器的自稱重系統

該自稱重系統布置形式基本同上述應用應變傳感器的自稱重系統，包括通過導線相連的壓力傳感器、電子控制單元及車載顯示屏。由圖3可知，板簧直接與車橋兩端滑板支架接觸，將壓力傳感器布置在板簧下方（如圖5所示）。電子控制單元將壓力傳感器傳遞的信號進行處理，通過計算得到兩側重量之和，累計每根車橋上的載重量及車橋本身重量，即為車貨總重。

圖5 壓力傳感器三維布置

考慮直接將壓力傳感器與滑板支架設計為一體，即兩側鋼板彈簧與滑板支架曲面接觸直接反饋給壓力傳感器。壓力傳感器通過螺栓與滑板支架固定，其與鋼板彈簧的接觸曲面要求耐磨。

4 結論

自2020年1月1日起，交通部為貫徹貨車限重政策，涉及全國的高速路口設立了不停車稱重系統。相比自稱重系統，按軸收費的不停車稱重系統對司機的行為標準要求較高。由于傳統稱重方式存在弊端，本文提出了自稱重系統的思路，并介紹了較為實用的三種自稱重方式。系統通過對大數據的處理或檢測車橋受力的傳感器來計算車貨總重，并將誤差控制在3%左右。最后分析幾種車載自稱重系統的不足以確定改進方向，對車載稱重系統方案的推行具有積極意義。