CN105157890A - 一种消除摆臂球头受力测量误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除摆臂球头受力测量误差的方法，其特征是：包括以下步骤：第一步，粘贴应变片；第二步，标定；第三步，静态测量摆臂球头粘贴的应变片方向与整车坐标系方向偏离角度；第四步，动态数据采集；第五步，消除测量误差。本发明能够消除因球头安装角度与整车坐标系不一致所带来的测力误差，得到车辆行驶过程中汽车悬架摆臂球头所承受实际的X方向力和Y方向力。

Description

一种消除摆臂球头受力测量误差的方法

技术领域

本发明属于汽车测试技术领域，具体涉及一种消除摆臂球头受力测量误差的方法。

背景技术

摆臂球头是汽车悬架系统中连接摆臂与转向节的一个构件，其在汽车行驶过程中主要承受纵向力和侧向力。在进行摆臂球头结构设计时，为了保证强度，就必须要知道其实际受力情况，这也是进行悬架系统设计分析时重要的输入载荷。

目前，测量摆臂球头受力的方法主要有应变片传感器和车轮六分力传感器进行测量。

采用应变片传感器进行测量，将粘贴有测量X向(纵向－指车前后方向)和Y向(侧向－指车的左右方向)的两组应变片传感器的摆臂球头安装在整车上，由于人为安装因素，很难保证所粘贴的应变片方向与整车坐标系方向一致，测得的摆臂球头受力和实际受力不一致，导致结果不准确；且在传统标定试验中，只对X向和Y向上进行力标定，得到的是合力方向与X向、Y向一致时的力与应变关系，这种标定方式只能在当摆臂球头粘贴的两组应变片方向与整车坐标系方向一致时，才能得到准确的X向和Y向受力，但当与整车坐标系方向不一致时，此标定方式得出的仅是合力在X向和Y向上的分力，与实际受力不符。如CN103512684A公开的“一种测量摆臂球头受力的方法”，是采用应变片传感器进行测量的。首先将四个应变片分别等距离粘贴在摆臂球头的前后左右最大圆处，均与球头销的轴向平行；将前后两个应变片串联组成临边半桥，当摆臂球头承受车辆前后方向力作用时，可通过测量桥路的输出电压来测量摆臂球头X方向受力；左右两个应变片串联组成临边半桥，可测量摆臂球头Y方向受力；然后利用作动器对摆臂球头分别进行纵向和侧向加载并记录加载力，用数据采集设备记录相应应变，拟合得出应变和力的变化关系曲线；最后进行测量。

采用车轮六分力传感器测量，测量得到的是车轮中心部位的受力，还须利用CAE的手段将车轮中心部位的受力分解为摆臂球头的受力，属于间接测量法，使得数据的准确性大打折扣；且这种方法需要进口的车轮六分力传感器，不仅价格昂贵，测量不同车型也需要制作相应的车轮适配器，测试周期较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除摆臂球头受力测量误差的方法，能够消除因球头安装角度与整车坐标系不一致所带来的测力误差，得到车辆行驶过程中汽车悬架摆臂球头所承受实际的X方向力(纵向－指车的前后方向)和Y方向力(侧向－指车的左右方向)。

本发明所述的一种消除摆臂球头受力测量误差的方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步，粘贴应变片；将第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片分别等距离粘贴在摆臂球头的最大直径处，第一应变片粘贴在摆臂球头的左侧，第二应变片粘贴在摆臂球头的前侧，第三应变片粘贴在摆臂球头的右侧，第四应变片粘贴在摆臂球头的后侧，所有应变片的电阻丝均与球头销的轴向平行；第二应变片与第四应变片串联组成临边半桥，当摆臂球头承受车辆前后方向力作用时，一个应变片承受拉伸作用，其阻值增大，另一个应变片承受压缩作用，其阻值减小；两个应变片的阻值变化之差与桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力均承线性关系，因此桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力也承线性关系，即可通过测量桥路的输出电压来测量摆臂球头X方向受力；按照同样的原理，第一应变片与第三应变片也串联组成临边半桥，即能够测量摆臂球头Y方向受力；

第二步，标定；使用摆臂球头底座夹具将摆臂球头底座固定，摆臂球头底座夹具的形状按照摆臂球头底座形状结构来确定，下端固定在铁地板上；摆臂球头夹具的作用是连接摆臂球头和液压作动器，其锥孔的大小形状按照摆臂球头形状参数进行设计；液压作动器能够通过摆臂球头夹具向摆臂球头施加力，从而进行标定；将液压作动器偏离X方向依次从0度，以15度为增量，直到360度进行加载并记录加载力，用数据采集设备同时记录X方向和Y方向的应变；得出两个方向应变比值和所记录的偏离角度之间的变化关系曲线和拟合方程；同时得出X向和Y向的应变值和力的变化关系曲线和拟合方程；

第三步，静态测量摆臂球头粘贴的应变片方向与整车坐标系方向偏离角度：将标定后的摆臂球头安装到待测车辆上，连接好数据采集设备并调试完成后，在轮胎中心处施加一水平向后的X向力，测得两个方向(X方向、Y方向)应变值后，通过第二步中的拟合方程θ＝f(ε_y/x)进行计算，得出初始偏离角度θ₀，此值即为球头摆臂X向与整车坐标系X向之间的偏离角度值；

第四步，动态数据采集；在试验场及公共道路上连接数据采集设备并调试完成后，对摆臂球头两个方向应变值进行采集，得到X向应变值ε_x和Y向应变值ε_y；利用X向力、Y向力以及偏离角度进行三角函数运算，即可得出与整车坐标系方向一致的纵向和侧向受力值；

第五步，消除测量误差；第四步测得的两个方向应变值，利用第二步得到的X向和Y向应变值和力的拟合方程得到f_x和f_y，以及任一时刻合力与摆臂球头X向偏离角度θ；利用f_x和f_y求出合力

求出的θ仅为合力与摆臂球头X向偏离角度，而摆臂球头X向与整车坐标系X向初始偏离角度为θ₀，θ+θ₀即为合力与整车坐标系X向之间的偏离角；

得到合力F_合和合力与整车坐标系X向初始偏离角度θ+θ₀，通过三角函数分解，便可得出整车坐标系X向力F_X＝F_合×cos(θ+θ₀)及整车坐标系Y向力：F_y＝F_合×sin(θ+θ₀)。

本发明测量结果精确，可以对不同车型的各种类型摆臂球头的受力进行实车测量并对误差进行消除，通用性较高。

附图说明

图1是左摆臂球头贴片位置及应变片编号的示意图；

图2是摆臂球头标定示意图；

图3是典型摆臂球头X向和Y向的应变值和力的变化关系曲线示意图；

图4是典型的摆臂球头两个方向应变比和偏离角度的变化关系曲线示意图；

图5是轮胎中心处载荷施加示意图；

图6是消除测量误差流程示意图；

图7是摆臂球头受力以及消除误差前、后受力示意图。

图中：1－第一应变片，2－第二应变片，3－第三应变片，4－第四应变片，5－摆臂球头，6－摆臂球头底座，7－摆臂球头底座夹具，8－摆臂球头夹具，9－液压作动器，10－偏离角度为0度～90度之间的两个方向应变比值和偏离角度的变化关系曲线，11－偏离角度为90度～270度之间的两个方向应变比值和偏离角度的变化关系曲线，12－偏离角度为270度～360度之间的两个方向应变比值和偏离角度的变化关系曲线，13－X向应变值和力的变化关系曲线，14-－Y向应变值和力的变化关系曲线，15－轮胎，16－车身，17－中心点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明所述的一种消除摆臂球头受力测量误差的方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步，参见图1，将第一应变片1、第二应变片2、第三应变片3和第四应变片4分别等距离粘贴在摆臂球头5的最大直径处，第一应变片1粘贴在摆臂球头的左侧，第二应变片2粘贴在摆臂球头的前侧，第三应变片3粘贴在摆臂球头的右侧，第四应变片4粘贴在摆臂球头的后侧，所有应变片的电阻丝均与球头销的轴向平行；第二应变片2与第四应变片4串联组成临边半桥，当摆臂球头承受车辆前后方向力作用时，一个应变片承受拉伸作用，其阻值增大，另一个应变片承受压缩作用，其阻值减小；两个应变片的阻值变化之差与桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力均承线性关系，因此桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力也承线性关系，即可通过测量桥路的输出电压来测量摆臂球头X方向受力；按照同样的原理，第一应变片1与第三应变片3也串联组成临边半桥，即能够测量摆臂球头Y方向受力；

第二步，标定；参见图2，使用摆臂球头底座夹具7将摆臂球头底座6固定，摆臂球头底座夹具7的形状按照摆臂球头底座形状结构来确定，下端固定在铁地板上；摆臂球头夹具8的作用是连接摆臂球头和液压作动器，其锥孔的大小形状按照摆臂球头形状参数进行设计；液压作动器9能够通过摆臂球头夹具8向摆臂球头5施加力，从而进行标定；将液压作动器偏离X方向依次从0度，以15度为增量，直到360度进行加载并记录加载力，用数据采集设备同时记录X方向和Y方向的应变；得出两个方向应变比值和所记录的偏离角度之间的变化关系曲线和拟合方程；同时得出X向和Y向的应变值和力的变化关系曲线和拟合方程；

当摆臂球头5承受前后方向－纵向力作用时，将液压作动器9的力加载方向沿着摆臂球头前后方向，即第二应变片2到第四应变片4方向，此方向表征摆臂球头的X方向；第二应变片2和第四应变片4串联组成临边半桥，一个应变片承受拉伸作用，其阻值增大，另一个应变片承受压缩作用，其阻值减小，两个应变片的阻值变化之差与桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力均承线性关系，因此桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力也承线性关系，即能够通过测量第二应变片2和第四应变片4组成的桥路输出电压来测量摆臂球头X方向受力；利用液压作动器9对摆臂球头施加沿第二应变片2和第二应变片4的X方向载荷，并记录加载力；第一应变片1和第三应变片3为摆臂球头的Y方向，其测量方法与X方向一样；用数据采集设备记录同时记录两个方向的应变；按照上述原理，将作动器偏离X方向，以15度为增量，直到360度，可得出两个方向(X方向、Y方向)应变比值ε_y/x和偏离X方向偏离角度θ之间的变化关系曲线和拟合方程θ＝f(ε_y/x)，参见图3，图3中的10为偏离角度为0度～90度之间的两个方向应变比值和偏离角度的变化关系曲线、11为偏离角度为90度～270度之间的两个方向应变比值和偏离角度的变化关系曲线、12为偏离角度为270度～360度之间的两个方向应变比值和偏离角度的变化关系曲线；

以及液压作动器沿着X向和Y向时的应变值和力的变化关系曲线和拟合方程(f_x＝f₁(ε_x),f_y＝f₂(ε_y))，参见图4；图4中的13为X向应变值和力的变化关系曲线、14为Y向应变值和力的变化关系曲线。

在标定过程中，摆臂球头底座夹具的刚度应足够好，以保证在加力时，摆臂球头底座始终处于静止状态。

第三步，静态测量摆臂球头粘贴的应变片方向与整车坐标系方向偏离角度：将标定后的摆臂球头安装到待测车身16上，连接好数据采集设备并调试完成后，在轮胎15的中心点17施加一水平向后的X向力，参见图5；测得两个方向(X方向、Y方向)应变值后，通过第二步中的拟合方程θ＝f(ε_y/x)进行计算，得出初始偏离角度θ₀，此值即为球头摆臂X向与整车坐标系X向之间的偏离角度值；

第四步，动态数据采集；在试验场及公共道路上连接数据采集设备并调试完成后，对摆臂球头两个方向应变值进行采集，得到X向应变值ε_x和Y向应变值ε_y；利用X向力、Y向力以及偏离角度进行三角函数运算，即可得出与整车坐标系方向一致的纵向和侧向受力值；

第五步，消除测量误差；第四步测得的两个方向应变值，利用第二步得到的X向和Y向应变值和力的拟合方程得到f_x和f_y，以及任一时刻合力与摆臂球头X向偏离角度θ；利用f_x和f_y求出合力

求出的θ仅为合力与摆臂球头X向偏离角度，而摆臂球头X向与整车坐标系X向初始偏离角度为θ₀，θ+θ₀即为合力与整车坐标系X向之间的偏离角；

得到合力F_合和合力与整车坐标系X向初始偏离角度θ+θ₀，通过三角函数分解，便可得出整车坐标系X向力F_X＝F_合×cos(θ+θ₀)及整车坐标系Y向力：F_y＝F_合×sin(θ+θ₀)；消除测量误差流程参见图6；

结果对比；参见图7，为某段时间内纵向力F_x的目标值、带有偏离角值、以及消除误差后的值的结果示意图；目标值为摆臂球头粘贴的两组应变片方向与整车坐标系方向一致时所采集的F_x力值，用——表示；带有偏离角值为偏离角为26度时，采集的F_x值，用表示；消除误差后的值为运用第五步消除偏离角后的F_x值，用表示；从图7中可见，目标值几乎与消除误差后的值重合，误差消除较好。

Claims (1)

1.一种消除摆臂球头受力测量误差的方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步，粘贴应变片；将第一应变片(1)、第二应变片(2)、第三应变片(3)和第四应变片(4)分别等距离粘贴在摆臂球头(5)的最大直径处，第一应变片(1)粘贴在摆臂球头的左侧，第二应变片(2)粘贴在摆臂球头的前侧，第三应变片(3)粘贴在摆臂球头的右侧，第四应变片(4)粘贴在摆臂球头的后侧，所有应变片的电阻丝均与球头销的轴向平行；第二应变片(2)与第四应变片(4)串联组成临边半桥，当摆臂球头承受车辆前后方向力作用时，一个应变片承受拉伸作用，其阻值增大，另一个应变片承受压缩作用，其阻值减小；两个应变片的阻值变化之差与桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力均承线性关系，因此桥路的输出电压和摆臂球头承受的X方向力也承线性关系，即可通过测量桥路的输出电压来测量摆臂球头X方向受力；按照同样的原理，第一应变片(1)与第三应变片(3)也串联组成临边半桥，即能够测量摆臂球头Y方向受力；

第二步，标定；使用摆臂球头底座夹具(7)将摆臂球头底座(6)固定，摆臂球头底座夹具(7)的形状按照摆臂球头底座形状结构来确定，下端固定在铁地板上；摆臂球头夹具(8)的作用是连接摆臂球头和液压作动器，其锥孔的大小形状按照摆臂球头形状参数进行设计；液压作动器(9)能够通过摆臂球头夹具(8)向摆臂球头(5)施加力，从而进行标定；将液压作动器偏离X方向依次从0度，以15度为增量，直到360度进行加载并记录加载力，用数据采集设备同时记录X方向和Y方向的应变；

第三步，静态测量摆臂球头粘贴的应变片方向与整车坐标系方向偏离角度；将标定后的摆臂球头安装到待测车辆上，连接好数据采集设备并调试完成后，在轮胎中心处施加一水平向后的X向力，测得两个方向应变值后，通过第二步中的拟合方程θ＝f(ε_y/x)进行计算，得出初始偏离角度θ₀，此值即为球头摆臂X向与整车坐标系X向之间的偏离角度值；

第四步，动态数据采集；在试验场及公共道路上连接数据采集设备并调试完成后，对摆臂球头两个方向应变值进行采集，得到X向应变值ε_x和Y向应变值ε_y；利用X向力、Y向力以及偏离角度进行三角函数运算，即可得出与整车坐标系方向一致的纵向和侧向受力值；

第五步，消除测量误差；第四步测得的两个方向应变值，利用第二步得到的X向和Y向应变值和力的拟合方程得到f_x和f_y，以及任一时刻合力与摆臂球头X向偏离角度θ；利用f_x和f_y求出合力

求出的θ仅为合力与摆臂球头X向偏离角度，而摆臂球头X向与整车坐标系X向初始偏离角度为θ₀，θ+θ₀即为合力与整车坐标系X向之间的偏离角；

得到合力F_合和合力与整车坐标系X向初始偏离角度θ+θ₀，通过三角函数分解，便可得出整车坐标系X向力F_X＝F_合×cos(θ+θ₀)及整车坐标系Y向力：F_y＝F_合×sin(θ+θ₀)。