CN114021410A - 车桥道路载荷谱测量方法 - Google Patents

车桥道路载荷谱测量方法 Download PDF

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黄晖
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Abstract

本发明提供了一种车桥道路载荷谱测量方法，包括如下步骤：分析车桥载荷环境分析，获取环境分析结果；根据环境分析结果建立应变仿真模型；根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案；标定矩阵且验证组桥方案；车桥物理台架标定；测量试验场车桥应变信号；计算得到车桥时域载荷谱。

Description

车桥道路载荷谱测量方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，具体而言，涉及一种车桥道路载荷谱测量方法。
背景技术
车桥作为承载结构件广泛应用于轻卡、轻客等商用车车型中，其疲劳寿命直接影响车辆的性能及客户的口碑，因此目前行业内广泛采用有限元疲劳耐久分析及台架耐久试验对其疲劳耐久性能进行考核，而有限元疲劳耐久分析及台架耐久试验的关键输入边界条件为车桥的道路载荷谱，即车桥在路面不平度激励下的载荷响应。
目前，针对车桥道路载荷谱的获取，一般是采用轮心六分力传感器并配合相应夹具直接进行测量的方法，此种方法的优点是集成化程度高易操作，但存在以下局限性：
(1) 外购轮心六分力传感器成本极高，增加了企业的成本压力；
(2) 需要设计专门的夹具以匹配不同车型，通用性较差。为防止夹具在载荷谱采集过程中发生损坏，要求夹具本身具有较高的强度，因此夹具重量较大，与未装传感器的原装车辆相比，进行载荷谱采集样车的簧下质量增加较多，改变了悬架系统的振动模式，带来了测量误差。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题中的至少之一。
本发明的第一目的在于提供一种车桥道路载荷谱测量方法。
为实现本发明的第一目的，本发明的实施例提供了一种车桥道路载荷谱测量方法，包括如下步骤：分析车桥载荷环境分析，获取环境分析结果；根据环境分析结果建立应变仿真模型；根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案；标定矩阵且验证组桥方案；车桥物理台架标定；测量试验场车桥应变信号；计算得到车桥时域载荷谱。
另外，本发明提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
上述技术方案中，根据环境分析结果建立应变仿真模型的步骤包括：
建立后桥有限元模型；约束U形螺栓连接孔的六个自由度，分别垂向、侧向、纵向及制动力矩方向施加载荷；获取各方向的应变仿真结果。
上述任一技术方案中，根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案的步骤包括：根据应变仿真模型布置至少五组桥路分别测量四个载荷所产生的应变；采用惠斯通电桥连接方式获取车桥在各方向上的应变敏感区域；根据应变敏感区域确定贴片位置。
上述任一技术方案中，采用惠斯通电桥连接方式获取车桥在各方向上的应变敏感区域的步骤包括：采用第一组桥路用于测量纵向力引起的应变，应变值计算如公式（1）；
E Fx =（ε 11-ε 12-ε 13+ε 14）/4 （1）
采用第二组桥和第三组桥用于测量垂向力和侧向力引起的应变，垂向力和侧向力所引起的应变值的计算如公式（2）、（3）：
E yzin =（inε 21-inε 22-inε 23+inε 24）/4 （2）
E yzout =（outε 31-outε 32-outε 33+outε 34）/4 （3）
E yzin 和E yzout 分别为垂向力所引起的应变值，E yzin 和E yzout 分别为侧向力引起的应变值；
第四组桥测量垂向力引起的应变E Fzshear 的计算如公式（4）：
E Fzshear =（ε 41-ε 42-ε 43+ε 44）/4 （4）
第五组桥测量制动力矩引起的应变值E My 的计算如公式（5）：
E My =（ε 51-ε 52-ε 53+ε 54）/4 （5）。
上述任一技术方案中，标定矩阵且验证组桥方案的步骤包括：确定车桥的矩阵标定中将耦合在一起的载荷矩阵分成四个相互垂直的分量即｛F｝=｛Fx，Fy，Fz，My｝，并采用五组应变桥路构成的应变矩阵｛E｝=｛E Fx ，E yzin ，E yzout ，E Fzshear ，E My ｝进行标定；确定载荷矩阵和应变矩阵间的关系用公式（6）：｛E｝=[C]｛F｝ （6）；获得有限元标定矩阵。
上述任一技术方案中，标定车桥物理台架的步骤包括：根据确定的贴片位置和组桥方案，在后桥零件上布置5组应变桥路；分别在Fx/Fy/Fz/My四个方向上进行车桥台架标定，并将标定结果填入表内；获取物理台架标定矩阵；对比有限元标定矩阵和物理台架标定矩阵的各方向的主效应；根据主效应的接近程度，验证标定方案的有效性。
上述任一技术方案中，计算得到车桥时域载荷谱的步骤包括：通过标定矩阵C的逆矩阵C -1 获得，如式（7）所示：｛F｝=[C]-1｛E｝ （7）获取车桥所受时域载荷。式中E表示试验场采集获得的应变矩阵，F表示车桥所受的载荷矩阵，C表示标定系数矩阵。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的车桥所受主要载荷示意图；
图3为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的简化后的车桥力学模型示意图；
图4为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的后桥有限元模型示意图；
图5为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的应力敏感区域示意图；
图6为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的惠斯通电路桥示意图；
图7为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第一组应变片布置结构示意图；
图8为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第二组应变片布置结构示意图；
图9为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第三组应变片布置结构示意图；
图10为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第二组/第三组应变片测量Fz结构示意图；
图11为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第二组/第三组应变片测量Fy结构示意图；
图12为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第四组应变片布置结构示意图；
图13为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的第五组应变片布置结构示意图；
图14为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的Fx方向标定结构示意图；
图15为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的Fx方向标定系数；
图16为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的Fy方向标定结构示意图；
图17为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的Fy方向标定系数；
图18为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的Fz方向标定结构示意图；
图19本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的Fz方向标定系数；
图20为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的My方向标定结构示意图；
图21本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法的My方向标定系数；
图22为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法台架物理标定结构示意图；
图23为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法第1/2/3组桥路测得车辆通过凸块路时的应变信号；
图24为本发明实施例的车桥道路载荷谱测量方法计算得到车辆通过凸块路时的Fx/Fy/Fz/My信号。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图24描述本发明实施例的技术方案。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种车桥道路载荷谱测量方法，包括如下步骤：
对车桥载荷做环境分析，获取环境分析结果；
根据环境分析结果建立应变仿真模型；
根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案；
标定矩阵且验证组桥方案；
车桥物理台架标定；
测量试验场车桥应变信号；
计算得到车桥时域载荷谱。
如图1所示，本实施例提供了一种车桥道路载荷谱测量方法。除上述技术特征之外，还具有如下的技术特征：
根据环境分析结果建立应变仿真模型的步骤包括：
建立后桥有限元模型；
约束U形螺栓连接孔的六个自由度，分别由垂向、侧向、纵向及制动力矩方向施加载荷；
获取各方向的应变仿真结果。
本实施例中，车辆在行驶过程中，车桥所受主要载荷如图2所示，即垂向力Fz、侧向力Fy、纵向力Fx和制动力F B ，其中制动力F B 作用在轮胎接地点会产生如图3所示的制动力矩My，它们是影响车桥疲劳耐久性的关键因素，因此上述载荷也是道路载荷谱采集过程中最主要的通道，车桥所受载荷可简化成如图3所示的力学模型。根据图3所示的力学模型，建立了如图4所示的后桥有限元模型，约束U形螺栓连接孔的六个自由度，分别沿图3所示的垂向Fz、侧向Fy、纵向Fx及制动力矩My方向施加载荷，即可获得如图5所示的各方向的应变仿真结果，即可获得车桥在各方向上的应变敏感区域，第三步贴片位置即为这些应变敏感区域。
如图1所示，除上述技术特征之外，本发明的实施例还具有如下的技术特征：
所述根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案的步骤包括：
根据应变仿真模型布置至少四组桥路分别测量四个载荷所产生的应变；
采用惠斯通电桥连接方式获取车桥在各方向上的应变敏感区域；
根据应变敏感区域确定贴片位置。
本实施例中，根据第二步的车桥应变仿真结果，即可确定应变片粘贴的具体位置，由于车桥主要受四个载荷，因此至少需要布置四组桥路分别测量四个载荷所产生的应变，采用惠斯通电桥连接方式，每组桥路由四个应变片R 1 /R 2 /R 3 /R 4 组成（如图6所示）。
所述采用惠斯通电桥连接方式获取车桥在各方向上的应变敏感区域的步骤包括：
采用第一组桥路用于测量纵向力引起的应变(如图7所示)，应变值计算如公式（1）；
E Fx =（ε 11-ε 12-ε 13+ε 14）/4 （1）
采用第二组桥(如图8所示)和第三组桥(如图9所示)用于测量垂向力(如图10所示)和侧向力(如图11所示)引起的应变，垂向力和侧向力所引起的应变值的计算如公式（2）、（3）：
E yzin =（inε 21-inε 22-inε 23+inε 24）/4 （2）
E yzout =（outε 31-outε 32-outε 33+outε 34）/4 （3）
E yzin 和E yzout 分别为垂向力所引起的应变值，E yzin 和E yzout 分别为侧向力引起的应变值；
采用第四组桥(如图12所示)测量应变E Fzshear 的计算如公式（4）：
E Fzshear =（ε 41-ε 42-ε 43+ε 44）/4 （4）
第五组桥(如图13所示)测量的应变值E My 的计算如公式（5）：
E My =（ε 51-ε 52-ε 53+ε 54）/4 （5）。
所述标定矩阵且验证组桥方案的步骤包括：
确定车桥的矩阵标定中将耦合在一起的载荷矩阵分成四个相互垂直的分量即｛F｝=｛Fx，Fy，Fz，My｝，并采用五组应变桥路构成的应变矩阵｛E｝=｛E Fx ，E yzin ，E yzout ，E Fzshear ，E My ｝进行标定；
确定载荷矩阵和应变矩阵间的关系用公式（6）：
｛E｝=[C]｛F｝ （6）；
获得有限元标定矩阵。
本实施例中，组桥方案的可行性主要通过矩阵标定来实现，矩阵标定是将耦合在一起的载荷分解成2个或多个互相垂直的分量，且在结构上用多组应变桥路进行标定，得到应变矩阵与互相垂直载荷分量间的关系。在此次车桥的矩阵标定中将耦合在一起的载荷矩阵分成四个相互垂直的分量即｛F｝=｛Fx，Fy，Fz，My｝，并采用五组应变桥路构成的应变矩阵｛E｝=｛E Fx ，E yzin ，E yzout ，E Fzshear ，E My ｝进行标定。载荷矩阵和应变矩阵间的关系用公式(6)表示，[C]是一个的矩阵，通过采用以下有限元标定方法，即可获得有限元标定矩阵。
在Fx方向施加15KN的载荷（如图14所示），得到五组应变的结果，如图15所示，计算五组曲线的斜率，填入表1的第1列，Fx只和第一组应变桥路E Fx 相关，与其他桥路基本不相关，Fx方向解耦。
在Fy方向施加15KN的载荷（如图16所示），得到五组应变的结果，如图17所示，计算五组曲线的斜率，填入表1的第2列，Fy和第二组桥E yzin 、第三组桥E yzout 均相关。
在Fz方向施加37.5KN的载荷（如图18所示），得到五组应变的结果，如图19所示，计算五组曲线的斜率，填入表1的第3列，Fz和第二组桥E yzin 、第三组桥E yzout 及第四组桥E Fzshear 均相关，通过对比图17和图19可知，通过借助于第四组桥E Fzshear 可实现Fy/Fz的解耦。
在My方向施加3KN.m的载荷（如图20所示），得到五组应变的结果，如图21所示，计算五组曲线的斜率，填入表1的第4列，My只和第五组桥E My 相关，My解耦。表1所示的矩阵即为有限元标定矩阵，其中加黑数字表示为各标定方向的主效应，实现了各个方向载荷的解耦。
表1 有限元标定矩阵
<i>F</i><sub><i>x</i></sub> <i>F</i><sub><i>y</i></sub> <i>F</i><sub><i>z</i></sub> <i>My</i>
<i>E</i><sub><i>Fx</i></sub> 33.037 -0.053 0.117 0.957
<i>E</i><sub><i>yzin</i></sub> 0.776 39.308 23.356 36.210
<i>E</i><sub><i>yzout</i></sub> -0.012 74.017 33.047 26.763
<i>E</i><sub><i>Fzshear</i></sub> 0.190 0.629 4.630 14.683
<i>E</i><sub><i>My</i></sub> 1.973 1.473 0.992 365.500
所述标定车桥物理台架的步骤包括：
根据确定的贴片位置和组桥方案，在后桥零件上布置5组应变桥路；
分别在Fx/Fy/Fz/My四个方向上进行车桥台架标定，并将标定结果填入表内；
获取物理台架标定矩阵；
对比有限元标定矩阵和表物理台架标定矩阵的各方向的主效应；
根据主效应的接近程度，验证标定方案的有效性。
本实施例中，按照第3步和第4步确定的贴片位置和组桥方案，在后桥零件上布置5组应变桥路，按照如图22所示的工装分别在Fx/Fy/Fz/My四个方向上进行车桥台架标定，并按照第4步的计算方法，将标定结果填入表2，即得到了物理台架标定矩阵。对比表1所示的有限元标定矩阵和表2所示的物理台架标定矩阵的各方向主效应可知，主效应基本接近，验证了此标定方案的有效性。试验场车桥应变信号通过借助于电阻式应变片在国内某汽车试验内进行测量，试验场路面包括强化坏路和越野路，强化坏路又分为搓板路、凸块路、比利时路等10余种。图23所示的车辆通过凸块路时第1/2/3组应变桥路的时域应变信号。
表2 物理台架标定矩阵
<i>F</i><sub><i>x</i></sub> <i>F</i><sub><i>y</i></sub> <i>F</i><sub><i>z</i></sub> <i>My</i>
<i>E</i><sub><i>Fx</i></sub> 37.552 -0.564 3.442 1.233
<i>E</i><sub><i>yzin</i></sub> 2.966 34.412 28.432 44.321
<i>E</i><sub><i>yzout</i></sub> -1.542 70.352 36.632 30.553
<i>E</i><sub><i>Fzshear</i></sub> 0.565 2.775 5.811 24.223
<i>E</i><sub><i>My</i></sub> 3.863 0.851 2.112 390.985
本发明的实施例还具有如下的技术特征：
计算得到车桥时域载荷谱的步骤包括：
通过标定矩阵C的逆矩阵C -1 获得，如式(7)所示：
｛F｝=[C]-1｛E｝ （7）
获取车桥所受时域载荷。
图24所示的是车辆通过凸块路时，车桥所受时域载荷，式中E表示试验场采集获得的应变矩阵，F表示车桥所受的载荷矩阵，C表示标定系数矩阵。
综上，本发明实施例的有益效果为：
本发明采用自制传感器方法，通过在车桥上粘贴多组应变桥路，将车桥改制成传感器。与采用轮心六分力传感器并配合相应夹具的方法相比，此方法成本极低且不需要增加夹具，因此能降低开发成本，且不会改变悬架的簧下质量，更接近于实际量产车的状态。此方法在实施过程中，采用CAE应变仿真方法确定了应变桥路的布置位置，采用矩阵标定方法确定了四通道五组桥的标定方案，成功地解决了各通道间的耦合问题，有效地指导了车桥的物理台架标定，避免反复性的标定工作增加试验周期，提高了载荷谱采集工作的效率。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车桥道路载荷谱测量方法，包括如下步骤：
分析车桥载荷环境分析，获取环境分析结果；
根据环境分析结果建立应变仿真模型；
根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案；
标定矩阵且验证组桥方案；
车桥物理台架标定；
测量试验场车桥应变信号；
计算得到车桥时域载荷谱。
2.根据权利要求1所述的车桥道路载荷谱测量方法，其特征在于，根据环境分析结果建立应变仿真模型的步骤包括：
建立后桥有限元模型；
约束U形螺栓连接孔的六个自由度，分别垂向、侧向、纵向及制动力矩方向施加载荷；
获取各方向的应变仿真结果。
3.根据权利要求1所述的车桥道路载荷谱测量方法，其特征在于，所述根据应变仿真模型确定贴片位置及组桥方案的步骤包括：
根据应变仿真模型布置至少五组桥路分别测量四个载荷所产生的应变；
采用惠斯通电桥连接方式获取车桥在各方向上的应变敏感区域；
根据应变敏感区域确定贴片位置。
4.根据权利要求2所述的车桥道路载荷谱测量方法，其特征在于，所述采用惠斯通电桥连接方式获取车桥在各方向上的应变敏感区域的步骤包括：
采用第一组桥路用于测量纵向力引起的应变，应变值计算如公式（1）；
E Fx =（ε 11-ε 12-ε 13+ε 14）/4 （1）
采用第二组桥和第三组桥用于测量垂向力和侧向力引起的应变，垂向力和侧向力所引起的应变值的计算如公式（2）、（3）：
E yzin =（inε 21-inε 22-inε 23+inε 24）/4 （2）
E yzout =（outε 31-outε 32-outε 33+outε 34）/4 （3）
E yzin 和E yzout 分别为垂向力所引起的应变值，E yzin 和E yzout 分别为侧向力引起的应变值；
第四组桥测量垂向力引起的应变E Fzshear 的计算如公式（4）：
E Fzshear =（ε 41-ε 42-ε 43+ε 44）/4 （4）
第五组桥测量制动力矩引起的应变值E My 的计算如公式（5）：
E My =（ε 51-ε 52-ε 53+ε 54）/4 （5）。
5.根据权利要求1所述的车桥道路载荷谱测量方法（100），其特征在于，所述标定矩阵且验证组桥方案的步骤包括：
确定车桥的矩阵标定中将耦合在一起的载荷矩阵分成四个相互垂直的分量即｛F｝=｛Fx，Fy，Fz，My｝，并采用五组应变桥路构成的应变矩阵｛E｝=｛E Fx ，E yzin ，E yzout ，E Fzshear ，E My ｝进行标定；
确定载荷矩阵和应变矩阵间的关系用公式（6）：
｛E｝=[C]｛F｝ （6）；
获得有限元标定矩阵。
6.根据权利要求1所述的车桥道路载荷谱测量方法（100），其特征在于，所述车桥物理台架标定的步骤包括：
根据确定的贴片位置和组桥方案，在后桥零件上布置5组应变桥路；
分别在Fx/Fy/Fz/My四个方向上进行车桥台架标定，并将标定结果填入表内；
获取物理台架标定矩阵；
对比有限元标定矩阵和表物理台架标定矩阵的各方向的主效应；
根据主效应的接近程度，验证标定方案的有效性。
7.根据权利要求1所述的车桥道路载荷谱测量方法（100），其特征在于，所述计算得到车桥时域载荷谱的步骤包括：
通过标定矩阵C的逆矩阵C -1 获得，如公式（7）所示：
｛F｝=[C]-1｛E｝ （7）
获取车桥所受时域载荷；
式中E表示试验场采集获得的应变矩阵，F表示车桥所受的载荷矩阵，C表示标定系数矩阵。
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