CN114969975B - 一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法和系统，通过采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型；基于所述待测试轮力数据和所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，获取预处理轮力数据结果；基于所述预处理轮力数据结果，进行车轮‑轮毂螺栓一体化的多维力测量，获取多维力测量结果数据；基于所述多维力测量结果数据，进行BP神经网络算法的验证分析，预测车轮力。本申请通过使用惠斯通全桥测量电路，准确获得触点处轮胎的受力情况，对保证车辆高效、安全行驶具有重要意义。特别是无人驾驶车辆，由于缺失了驾驶员对各种复杂多变路面情况的感知和适应能力，对车轮多维力测量的需求将变得更加迫切。

Description

一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法和系统
技术领域
本申请属于车轮多维力测量领域，具体涉及一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法和系统。
背景技术
轮胎与路面之间的接触力是驱动车辆行驶的唯一作用力。准确获得接触点处轮胎的受力情况，对保证车辆高效、安全行驶具有重要意义。特别是无人驾驶车辆，由于缺失了驾驶员对各种复杂多变路面情况的感知和适应能力，对车轮多维力测量的需求将变得更加迫切。
要获得车轮在轮地接触点处所受到的作用力，通常采用车轮六分力仪直接测量得到，但测试系统组成复杂，使用维护困难，且价格昂贵，无法普及推广。
发明内容
本申请提出了一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法和系统，通过采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型；基于所述待测试轮力数据和所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，并进行车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量，预测车轮力。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法，包括以下内容：
采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型；
基于所述待测试轮力数据和所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，获取预处理轮力数据结果；
基于所述预处理轮力数据结果，进行车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量，获取多维力测量结果数据；
基于所述多维力测量结果数据，进行BP神经网络算法的验证分析，得到车轮力。
优选的，搭建所述轮毂螺栓应变桥设计模型的方法包括：
通过轮毂螺栓感知地面对车轮的多维力信号，并将感知到的多维力信号转换为电信号，并通过设置仿真模拟应变片的贴片测量，求解螺栓上节点的轴向和切向应变值，再通过桥路计算得到螺栓所受轴向拉压力和向弯矩。
优选的，所述仿真模拟应变片的贴片测量的方法包括：
通过有限元对所述所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行分析，包括：
基于Workbench接触算法及网格划分建立坐标系，包括：总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系；
基于建立的所述坐标系进行约束和载荷计算，获取约束和载荷结果；
基于所述约束和载荷结果，进行求解分析，模拟应变片的贴片测量。
优选的，所述约束和载荷计算方法包括：
通过第一载荷步施加螺栓预紧力，同时通过第二载荷步锁定螺栓预紧力，然后正常施加外载荷。
优选的，所述数据预处理的方法包括：
基于所述待测试轮力信号，通过所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行处理，将所述待测试轮力信号实现A/D转换，获取预处理轮力数据结果。
优选的，所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量的方法包括：
将轮胎固定，并将车轮进行旋转到指定角度后保持静态，模拟地面车轮施加指定方向的不同载荷，并将载荷力数据转换为多维力测量数据。
为了更好的实现上述技术效果，本申请还提出了一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量系统，
包括：轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块、车轮力数据预处理模块、车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块和车轮力验证分析模块；
所述轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块用于采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型；
所述车轮力数据预处理模块用于基于所述待测试轮力数据和所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，获取预处理轮力数据结果；
所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块用于基于所述预处理轮力数据结果，进行车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量，获取多维力测量结果数据；
所述车轮力验证分析模块用于基于所述多维力测量结果数据，进行BP神经网络算法的验证分析，预测车轮力。
优选的，所述轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块中所述搭建轮毂螺栓应变桥设计模型的方法包括：
通过轮毂螺栓感知地面对车轮的多维力信号，并将之转换为可行的电信号，并通过设置仿真、模拟应变片的贴片测量，求解螺栓上节点的轴向和切向应变值，通过桥路计算得到螺栓所受轴向拉压力和向弯矩。
优选的，所述车轮力数据预处理模块包括：
应变测量电路单元、信号放大单元、电源单元、数据采集卡和上位机；
所述应变测量电路单元用于将所述待测试轮力信号进行A/D转换，获取轮力信号转换结果；
所述信号放大单元用于将所述轮力信号转换结果进行数字量化，对应变测量电路信号进行放大和滤波，获取轮力信号放大结果；
所述电源模块用于提供12V的电源供变送器使用；
所述数据采集卡用于将所述轮力信号放大结果传输至上位机，通过所述上位机获取预处理轮力数据结果。
优选的，所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块中所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量的方法包括：
将轮胎固定，并将车轮进行旋转到指定角度后保持静态，模拟地面车轮施加指定方向的不同载荷，并将载荷力数据转换为多维力测量数据。
本申请的有益效果为：本申请公开了一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法和系统，本申请通过使用惠斯通全桥测量电路，准确获得触点处轮胎的受力情况，对保证车辆高效、安全行驶具有重要意义。特别是无人驾驶车辆，由于缺失了驾驶员对各种复杂多变路面情况的感知和适应能力，对车轮多维力测量的需求将变得更加迫切。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例方法流程示意图；
图2为本申请实施例系统组成示意图；
图3为本申请实施例车轮坐标系示意图；
图4为本申请实施例轮毂螺栓坐标系示意图；
图5为本申请实施例ANSYS车轮建模示意图；
图6为本申请实施例1号螺栓A向应变片粘贴示意图；
图7为本申请实施例1号螺栓B向应变片粘贴示意图；
图8为本申请实施例2号螺栓应变片圆柱展开面示意图；
图9为本申请实施例2号螺栓A、B向桥路连接示意图；
图10为本申请实施例3号螺栓应变片圆柱展开面示意图；
图11为本申请实施例3号螺栓A、B向桥路连接示意图；
图12为本申请实施例4号螺栓应变片圆柱展开面示意图；
图13为本申请实施例4号螺栓A、B向桥路连接示意图；
图14为本申请实施例数据采集模块框示意图；
图15为本申请实施例车轮固定台架示意图；
图16为本申请实施例垂向力机构方案示意图；
图17为本申请实施例施加纵向车轮力BP神经网络回归曲线示意图；
图18为本申请实施例Workbench坐标系示意图；
图19为本申请实施例载荷步和子步图示意图；
图20为本申请实施例轮毂螺栓节点示意图示意图；
图21为本申请实施例侧向力螺栓轴向拉力变化曲线示意图；
图22为本申请实施例侧向力螺栓A向弯矩变化曲线示意图；
图23为本申请实施例侧向力螺栓B向弯矩变化曲线意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如图1所示，本申请实施例的基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法流程示意图，并相应设计了车轮多维力测量系统，如图2所示，本实施例具体包括以下内容：
第一步：采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型，相应的，采用轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块实现。
其中，搭建轮毂螺栓应变桥设计模型的方法包括：
通过轮毂螺栓感知地面对车轮的多维力信号，并将之转换为电信号，并通过设置仿真模拟应变片的贴片测量，求解螺栓上节点的轴向和切向应变值，再通过桥路计算得到螺栓所受轴向拉压力和向弯矩。
其中，仿真模拟应变片的贴片测量的方法包括：
通过有限元对轮毂螺栓应变桥设计模型进行分析，包括：
基于Workbench接触算法及网格划分建立坐标系，包括：总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系；
基于建立的坐标系进行约束和载荷，获取约束和载荷结果；
基于约束和载荷结果，进行求解分析，模拟应变片的贴片测量。
其中，约束和载荷方法包括：
通过第一载荷步施加螺栓预紧力，第二载荷步锁定螺栓预紧力，然后正常施加外载荷。
下面，结合本实施例，对上述技术内容进一步展开描述：
轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块具体包括：通过车轮坐标系、螺栓坐标系的定义，轮毂螺栓的应变分析和各轮毂螺栓的应变片分布与组桥电路模型设计，以及通过有限元仿真进行分析，来构建轮毂螺栓应变桥设计模型。
1.1坐标系定义
1.1.1车轮坐标系
车辆车轮受到三个力和三个力矩，本实施例只考虑车辆受到的三个力。如图3所示，车轮力的三个力分别为纵向力Fx、侧向力Fy、垂向力Fz。车轮坐标系原点在地面与车轮接触位置。X轴正向朝纵向力Fx方向，Y轴正向朝侧向力Fy方向，Z轴正向朝垂向力Fz方向。
1.1.2轮毂螺栓坐标系
本实施例研究对象是车轮轮毂螺栓，由于车轮在旋转过程中，车轮轮毂螺栓会随着车轮的旋转一起旋转，车轮坐标系无法描述轮毂螺栓的位置情况，因此建立轮毂螺栓坐标系如图4所示。
轮毂螺栓坐标系会随车轮的旋转位置发生改变，坐标系原点在旋转中一直位于轮毂螺栓的圆心位置，坐标系Y轴在旋转中一直朝向轮毂螺栓的轴向。坐标系Z轴在0度是垂直向上，X轴垂直于Y轴、Z轴平面水平向右，X轴、Z轴随轮毂螺栓的旋转顺时针旋转相同度数。轮毂螺栓坐标系Z轴方向定义为A向，X轴方向定义为B向。
1.2轮毂螺栓受力分析
车轮轮毂螺栓感知车轮力信号，将车轮力信号转换为电压信号，车轮轮毂螺栓是影响传感器的核心部件，是影响测量的灵敏度、精度等最关键的部件。车轮轮毂螺栓应该要有较好的灵敏度、维间耦合小、足够的刚度、基准坐标明确、对称性好、便于对外连接和安装、贴片难度合理的特点。
本申请基于实际的车轮，对轮毂螺栓进行有限元分析。在ANSYS里对车轮进行建模，将车轮结构简化如图5所示。车轮结构由三部分组成，分别为车轴、车轮和轮毂螺栓。
1.3各螺栓应变桥设计
轴向拉压、剪切、扭转和弯曲是杆件的四种基本变形形式。但是工程实际中的结构受力比较复杂，某些构件往往同时存在几种基本变形。由于扭转形变测量需要使用45度应变花，实现起来较为复杂并且误差也有累积，所以采用拉压和弯曲基本形变为参照。
电阻应变片的布置应遵循以下原则：(1)应变片的数目应依据测量需要而定；(2)在结构的应力集中处应重点布片；(3)单向应力：沿测量应力方向、轴向粘贴应变片；(4)多向应力：采用贴应变花的办法。
目前，随着集成电路技术的进步，各种低噪声，低漂移、高效益、高精度、高供模抑制比的运算放大器的不断出现，以及专用信号处理电路模块和高精度的直流电源模块相继制造成功，近些年来，在先进的测试系统，特别是大型测试系统中，多采用直流电桥和直流信号处理器，这种新型直流电桥电路的最大优点是频响高，精度不亚于载频式，不易受感应，且不需繁琐的调平衡。由于采用直流电桥及相应的二次仪表，比研制载频式的交流电桥及二次仪表更合理，更经济。因而，目前新型直流电桥比交流电桥得到更为广泛的应用。当然，直流放大器在原理上的缺点并未克服，实际运用时，需采取各种辅助技术。
1.3.1轮毂螺栓1号与轮毂螺栓2号应变桥设计
本申请选用惠斯通全桥测量电路，全桥电路相比单臂电桥和半桥可以减小读数漂移，补偿温度影响，减少贴片误差。1号螺栓A向选择四片应变片组成差动全桥。选取应变片粘贴位置时，在主应力方向已知的情况下，在1号螺栓A向沿两个互相垂直的主方向贴90°应变花。将互为90°的两个丝栅沿主方向粘贴，通过这种粘贴方式组桥后测1号螺栓的轴向拉(压)力，这样可以减少测量误差。如图6所示。
在受力F时，R1、R3应变片贴在螺栓的圆柱体的轴向，R1、R3应变片的栅栏感受到最大正应变，轴向应变值可由式1得
Figure BDA0003670154500000071
式1中，ε1为轮毂螺栓感受到的轴向应变；F为施加在轮毂螺栓上的压力，E为材料的弹性模量，A为轮毂螺栓的截面积。
R2、R4应变片贴在轮毂螺栓的环向，R2、R4应变片的栅栏感受的应变为最大负应变，环向应变值可由式2得
Figure BDA0003670154500000072
式2中，ε2为轮毂螺栓感受到的环向应变；设压缩比为正；μ为轮毂螺栓的泊松比。
弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对，且处于对臂位置，以减小弯矩的影响。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。
由于ε1＝ε3＝ε，ε2＝ε4＝-με，代入上式得
Figure BDA0003670154500000073
/>
式中，K为应变片灵敏度系数。
1号螺栓B向粘贴的应变片如图7所示，四片应变片均栅栏方向为螺栓的轴向方向粘贴，应变片R5和应变片R7的极性相同，应对臂粘贴，应变片R6和应变片R8的极性相同，也应对臂粘贴，应变片R5和应变片R6极性相反，应邻臂粘贴。
应变片R5、R6、R7、R8均沿轴向进行粘贴，轴受弯矩，由应变的定义可得
Figure BDA0003670154500000081
式中，M为螺栓所受弯矩，y为应变表面距中性轴的距离；ρ为中性轴的曲率半径；E为弹性模量；IZ为横截面对中性轴的惯性矩。
由于应变片贴在螺栓圆柱体的最外表面，y＝ymax，即横截面上距中性面最远处，应力达到截面上的最大值，1号轮毂螺栓的应变值由
式5可得
Figure BDA0003670154500000082
式中，Wz为弯曲截面系数。
由于ε5＝ε7＝ε，ε6＝ε8＝-ε，代入3式可得1号轮毂螺栓的B向弯矩
Figure BDA0003670154500000083
式中，K为应变片灵敏度系数。
2号螺栓的应变片贴片方式与1号螺栓的应变片贴片方式相同。A向的全桥电路测量轴向拉(压)力，B向的全桥电路测量对B向的弯矩。
2号螺栓的圆柱展开面如图8所示。螺栓A向所贴的应变片沿两个互相垂直的主方向贴90°应变花。螺栓B向所贴应变片的栅栏均沿轴向方向。
2号螺栓A向的桥路连接可以测量螺栓的轴向拉(压)力，如图9所示，2号螺栓B向的桥路连接可以测螺栓B向的弯矩
Figure BDA0003670154500000084
Figure BDA0003670154500000085
式中，U3是2号轮毂螺栓的轴向拉力，U4是2号螺栓的B向弯矩。
1.3.2轮毂螺栓3号与轮毂螺栓4号应变桥设计
3号螺栓应变片的粘贴方式与1号螺栓应变片的粘贴完全相反，在3号螺栓的A向4片应变片粘贴均沿轴向粘贴，3号螺栓的B向4片应变片粘贴采用互相垂直的应变花，3号螺栓应变片圆柱展开图如图10所示。
应变片通过这种粘贴方式，进行组桥后，A向应变片的组桥可以测得3号螺栓A向的弯矩，B向应变片的组桥可以测得3号螺栓的轴向拉(压)力。
由图11组桥方式可得3号螺栓轴向拉(压)力和3号螺栓A向的弯矩。由组桥方式可得3号螺栓轴向拉(压)力。
Figure BDA0003670154500000091
Figure BDA0003670154500000092
4号螺栓的应变片粘贴方式与3号螺栓的应变片粘贴方式相同，4号螺栓的A向4片应变片粘贴均沿轴向粘贴，4号螺栓的B向4片应变片粘贴采用互相垂直的应变花，4号螺栓应变片粘贴4号螺栓圆柱展开图如图12所示。
应变片通过这种粘贴方式，进行组桥后，A向应变片的组桥可以测得4号螺栓B向的弯矩，B向应变片的组桥可以测得4号螺栓的轴向拉(压)力。
由图13组桥方式可得4号螺栓轴向拉(压)力和4号螺栓A向的弯矩。
Figure BDA0003670154500000093
Figure BDA0003670154500000094
1.3.3应变桥设计总结
从表1可得，轮毂螺栓1和轮毂螺栓2的贴片方式相同，轮毂螺栓A向两片应变片栅栏垂直布置，轮毂螺栓B向两片应变片栅栏平行布置。轮毂螺栓3和轮毂螺栓4的贴片方式相同，轮毂螺栓A向两片应变片栅栏平行布置，轮毂螺栓B向两片应变片栅栏垂直布置。
表1
Figure BDA0003670154500000101
从表2可得，轮毂螺栓1和轮毂螺栓2因为贴片方式相同，它们的A向测轮毂螺栓轴向拉压力，B向测轮毂螺栓B向弯矩，轮毂螺栓3和轮毂螺栓4贴片方式也相同，它们的A向测轮毂螺栓A向弯矩，B向测轮毂螺栓轴向拉压力。
表2
Figure BDA0003670154500000102
/>
Figure BDA0003670154500000111
本申请实施例完成了轮毂螺栓应变桥设计。首先定义了车轮坐标系和轮毂螺栓坐标系。然后详细的分析了轮毂螺栓在受车轮力的变形和应变，以及轮毂螺栓所受的力或力矩，设计了轮毂螺栓的应变桥方案。说明了轮毂螺栓是如何感知地面对车轮的多维力信号，并将之转换为可行的电信号。然后在ANSYS Workbench里通过设置仿真，并模拟应变片的贴片测量，求解螺栓上节点的轴向和切向应变值，通过桥路计算得到螺栓所受轴向拉压力、A向弯矩和B向弯矩。绘制螺栓所受力或力矩随外载荷力增大而变化曲线图，得到结果，施加侧向力、施加轴向力或施加侧垂向力，螺栓所受的轴向拉压力、A向弯矩和B向弯矩都与施加力的大小呈线性关系，且与螺栓的角度无关。
1.4有限元分析
1.4.1.基于Workbench接触算法及网格划分进行三维建模；
具体包括以下内容：
Workbench是ANSYS软件中重要的模块之一，能够与Solidworks等三维建模软件无缝衔接，这样就可以通过在Solidworks里建立三维模型，然后导入Workbench里进行分析。
通常我们分析的对象不是单一的零部件，而是装配几何体。所以接触是几乎所有有限元分析都会涉及到的问题。接触设置需要根据实际的情况进行模型，接触设置会影响计算结果的准确性，甚至会导致计算结果的不收敛，无法得到计算结果，所以接触设置是有限元分析的关键步骤之一。Workbench中根据不同的接触状态分为5种接触方式，接触模式及特点见表3。
表3
Figure BDA0003670154500000121
网格划分对于有限元分析来说是最关键的步骤之一，网格划分的好坏直接影响求解的精度和速度。本申请采用Multizone网格划分。Multizone(多区)网格划分是ANSYSWorkbench中的网格划分方法之一，能够结合车轮模型自动的分解成多个可以扫掠(Sweepable)或着映射(Mapped)区域和自由划分的区域，所有的区域会优先使用六面网格单元来划分网格。当对于一些规整的单体部分，传统的扫掠方法很难直接扫掠得到六面网格，Multizone(多区)网格划分只需要简单设置网格控制参数，即可对零件进行自动分区进行得到高质量的网格，结构化区域生成扫掠的六面网格单元，非结构区域是自由网格单元，这样在很大程度上提高了网格的划分效率。
网格尺寸设置越小，网格密度越大，求解的精度越高。但是求解的时间成本同样提高。轮毂螺栓是需要重点关注的对象，所需的精度比其他的零件高，轮毂螺栓设置的网格密，设置网格大小为1mm。其他零件的求解精度要求不高，用密的网格会大大增加求解的成本，所以设置网格为5mm。整个车轮模型共有492479个节点，216050个网格单元。
1.4.2.建立总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系；
Workbench中共有三种坐标系：总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系。
总体坐标系是一个绝对参考系，用来确定几何形状的参数如节点、关键点等的空间位置，其中有三类坐标系可以选择，分别为笛卡尔坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。这三种坐标系都属于右手坐标系，而且公用一个坐标原点。
局部坐标系不同于总体坐标系，它是自定义的坐标系。局部坐标系可用于建模、加载、求解等操作。由于很多分析中的模型很复杂，仅总体坐标系是不够的，这是我们必须建立自己的坐标系，即局部坐标系。局部坐标系的原点可以与总体坐标系的原点相同也可以任意方向偏移一定的距离，可以完全不同于先前定义的总体坐标系。与总体坐标系一样，局部坐标系也可以有圆柱坐标系、笛卡尔坐标系和球坐标系。局部坐标系还可以是圆的，也可以是椭圆的，此外还可以是环形局部坐标系。
节点坐标系是每个节点都有的一个固有属性，可以定义为每个节点数据方向和自由度方向。一般不显示在坐标系中，根据仿真需求，可以将节点坐标系转到任意的局部坐标系，节点坐标系主要用于定义节点自由度的方向。总体和局部坐标系常用于几何体的定位。在实际应用中，有时候需要给节点施加不同于坐标系主方向上的载荷和约束，这就需要将节点坐标系旋转到所需的方向，然后在节点坐标系上施加载荷和约束。如图18所示，该系统共用到以上三类坐标系。总体坐标系用于确定模型几何形状的空间位置。
局部坐标系1是笛卡尔坐标系，是施加螺栓预紧力的参考坐标系，保证Z向朝螺栓的轴向。局部坐标系2是柱坐标系，是结果后处理中节点坐标系的参考系，Z向朝螺栓的轴向，Y向朝螺栓圆柱面的切向。局部坐标系3用于不同方向不同位置载荷的施加，由于车轮的旋转，车轮与地面接触位置不同，通过设置不同载荷点，通过绕X轴旋转，使Z向朝向车轮轮心，Y向朝向车轮切向。节点坐标系主要用于结果后处理节点不同方向应变值的获取。
1.4.3基于建立的坐标系进行约束和载荷
对于有限元计算的非线性问题，一般默认的分析设置不能满足要求需要用户进行修改，如图19给出了根据需求分析，我们需要修改载荷步和子步。该选项主要用于模拟结构的加载顺利或工艺顺序，对于螺栓的连接结构，首先进行预紧，然后再承受其他外载荷。所以该系统需要使用两个载荷步，第一个载荷步施加螺栓预紧力，第二个载荷步锁定螺栓预紧力，然后正常施加外载荷。
由图19可知，子步是将一个载荷步分解若干在求解点，从而可以提高求解的收敛性，一般情况下，子步数量越大，则越有利于收敛。本申请设置初始子步为5，最小子步为5，最大子步为100。
1.4.4进行求解分析
不外加载荷时，轮毂螺栓只受预紧力。轮毂螺栓在施加预紧力后，拧紧螺母，螺栓的连接件车轮和车轴受到压缩力，螺栓受到拉伸力。轮毂螺栓受到的最大拉伸量为2.9643×10-3mm，最小拉伸量为2.7819×10-3mm，4根轮毂螺栓均拉伸变形，变形平均值为2.8868×10-3mm。
单片应变片只能感受沿栅栏方向的形变，按照桥路设置，应变片有沿轴向贴片，也有沿径向贴片。为了更好的模拟应变片的贴片方案，每个螺栓上求解4个节点的应变值，4个节点位于轮毂螺栓表面，沿轮毂螺栓A向和B向布置。如图20所示，每个节点将节点坐标系旋转到局部坐标系2，也就是柱坐标系，求解螺栓轴向和切向两个方向的应变。
由上述式1到式4可求解轴向拉力
Figure BDA0003670154500000141
Figure BDA0003670154500000142
式中，ε1为节点1的轴向应变；ε2为节点1的切向应变；ε5为节点3的轴向应变；ε6为节点3的切向应变；K1为常量项。
由式5到式7可求解弯矩
Figure BDA0003670154500000143
Figure BDA0003670154500000144
/>
Figure BDA0003670154500000145
Figure BDA0003670154500000146
式中，ε1为节点1的轴向应变；ε5为节点3的轴向应变；ε3为节点3的轴向应变，ε7为节点4的轴向应变；K2、K3为常量。
由于在实际过程中车轮需要旋转，螺栓会随着车轮的转动而转动，在ANSYS分析中，以螺栓旋转15度为分度，设置24个加载点。施加的力从0开始到最大的力2000N，以200N为间隔线性增大。
通过式15计算得到螺栓的轴向拉力、式17计算得到A向弯矩，以及式19计算得到B向弯矩随力的增加的变化曲线图。
图21、图22所示，给车轮施加侧向力，并且施加的力逐渐增大直至2000N，螺栓在不同角度的轴向拉力、A向弯矩、B向弯矩变化曲线。从图中可以得到以下结果，螺栓的轴向拉力、A向弯矩、B向弯矩均随侧向力的增大而增大，并且是线性增长，与螺栓所在的角度无关。
在图23中，随着侧向力的增大，螺栓在0度的应变最大，螺栓在180度基本没有受到侧向力产生的拉压力。施加侧向力使得轮胎整体受到绕车轮X轴的弯矩，离车轮受力点越远的螺栓受到越大的拉力。
步骤二：基于待测试轮力数据和轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，获取预处理轮力数据结果,采用车轮力数据预处理模块完成。
其中，车轮力数据预处理模块包括：
应变测量电路单元、信号放大单元、电源单元、数据采集卡和上位机；
应变测量电路单元用于将待测试轮力信号进行A/D转换，获取轮力信号转换结果；
信号放大单元用于将轮力信号转换结果进行数字量化，对应变测量电路信号进行放大和滤波，获取轮力信号放大结果；
电源模块用于提供12V的电源供变送器使用；
数据采集卡用于将轮力信号放大结果传输至上位机，通过上位机获取预处理轮力数据结果。
在本实施例中，车轮力数据预处理模块中车轮力数据预处理的过程具体包括内容：
2.1车轮多维力数据采集模块
轮毂螺栓感知车轮受力状态，数据采集模块将螺栓变形的力/力矩值转变为电压值传输到上位机中。数据采集模块是模拟信号和数字信号之间的桥梁。DAQ是非常适合测量电流和电压信号的系统。来自物理世界的数据由传感器或转换器获取并进行处理。然而，来自这些传感器或换能器的输出信号需要进行调理，然后才能被数字环境采集，以便进一步处理。应变测量电路将轮毂螺栓力/力矩信号转换成电压信号并对电压信号进行拾取。其中，数据采集系统包括应变测量电路、信号放大模块、电源模块、数据采集卡以及上位机。应变测量电桥实现A/D转换，信号放大模块包括电压信号一级放大和信号调理部分，数据采集电路将电压信号进一步放大传输给上位机，实现数据传输，整个数据采集过程如图14所示：
2.1.1信号放大电路
由于应变测量电路输出的电压信号十分的微弱，且包含大量共模干扰信号，因此需要通过放大电路抑制共模干扰信号，增强电压信号，并且尽量避免干扰和噪声。变送器的作用就是将应变测量店里采集到的微弱的电压信号放大，并且将非标准的电压信号转变成标准的电压信号。信号放大电路模块的功能需求如下(1)能够将轮毂螺栓感知的车轮力信号进行数字量化；(2)并且能够给应变测量电路提供稳定的电压；(3)能够对应变测量电路信号进行放大和滤波，以供下一步量化；(4)模块应该具有体积小、功耗低的特点。
2.1.2电源模块
MV-20B应变桥信号放大变送器可以输出0-10V的电压值，直接为应变桥提供所需电压，不需要额外给应变片提供外部电路，简化了电路的设计，从而减少了信号的干扰，提高系统的稳定性。采集卡是基于USB总线的具有外触发功能的同步采集卡和数据采集卡，可以采用USB总线供电，有即插即用的优点。信号处理部分只有MV-20B应变片信号放大器变送器需要提供9-30V的直流电源，该系统中电源模块选择一个直流稳压电压源，以便提供12V的电源供MV-20B变送器使用。
步骤三：基于预处理轮力数据结果，进行车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量，获取多维力测量结果数据,采用车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块完成。
其中，车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量的方法包括：
将轮胎固定，并将车轮进行旋转到指定角度后保持静态，模拟地面车轮施加指定方向的不同载荷，并将载荷力数据转换为多维力测量数据。
在本实施例中，车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块和车轮力验证分析模块中通过车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量还包括以下内容：
3.1车轮多维力测量台架设计
3.1.1实验台架设计
根据对车轮受力、车轮结构和多维轮力传感器的测量原理的分析，设计了模拟地面对车轮施加三个方向力的实验方案，设计了能实现方案的实验台。实验台需要实现的主要功能：(1)固定轮胎，并让轮胎保持稳定、悬空；(2)车轮能够进行360度旋转，并且旋转一定的角度后，车轮能够固定不动，保持静态；(3)能够模拟地面给车轮施加三个方向不同载荷；(4)能够监测施加力载荷的大小，并将其大小数据转变为电压信号，通过数据采集卡传送到电脑上；(5)能将电桥电压信号通过信号放大器、数据采集卡传送到电脑上。
为实现以上功能，试验台主要分以下几个部分：车轮固定台架、施力机构系统、外载荷数据采集系统、电桥数据采集系统。
3.1.2车轮固定台架设计与搭建
车轮固定台架由固定台架、分度盘、轴承座、铁片、紧固螺栓构成。台架示意图如图15所示。
其中包括加强筋、固定台架、铁片、紧固螺栓、分度盘、轴承座、锥形螺母、螺母、螺栓；
轴承座一端与固定台架的轴进行配合，另外一端通过轮毂螺栓与车轮相连，轴承座可以通过轮毂螺栓带着车轮一起旋转。分度盘一端通过固定螺栓与固定台架相连，一端与轴承座配合，分度盘可以与车轮一起旋转，也能通过固定螺栓让车轮保持静止。分度盘的每个孔间隔15度，通过旋转到不同的孔固定车轮，来模拟车轮旋转时轮毂螺栓的不同位置。
装上车轮后，车轮能够保持静止悬空，满足实验要求。铁片固定在固定台架上，通过紧固螺栓与分度盘相连接，能够在车轮旋转一定的角度后，令车轮能够固定不动，保持静态，满足实验功能要求。
本系统需要模拟地面给车轮三个方向的力，分别是垂向力Fz、纵向力Fx、侧向力Fy，施力机构应能满足以下条件：施力机构能够连续施加逐步增加的力，至少能施加2000N的力，并且能够保持施加某个值的力不变，提供外载荷的机构应与车轮能够以较大平面接触，模拟地面与车轮的接触面，并且能够实时监控施力机构提供载荷的值。
根据功能需求，采用千斤顶作为施力机构的核心部件。千斤顶是一种机械起重装置，用于施加大的力或提升重物。机械千斤顶用螺纹起重。
考虑空间尺寸问题，垂向力的加载采用液压千斤顶。选用双节2吨的液压千斤顶，参数如下表4所示。
表4
Figure BDA0003670154500000181
千斤顶的基底应平稳、坚实、可靠。在底面设置千斤顶时，应垫上道木或其他适当的材料，以扩大受力面积。在地面上放置千斤顶时，应在千斤顶下垫好木块，以免受力后倾斜歪倒。当重物升高时，重物下面也要随时放入支撑垫木，但手不能误入危险区。在千斤顶的放置过程中，保持荷载重心作用线与千斤顶轴线一致，顶升过程中要严防由于千斤顶地基偏沉或荷载水平位移而发生千斤顶偏歪、倾斜的危险。设计的垂向力机构方案示意如图16所示，包括：木块、液压千斤顶、称重传感器、铁片。
液压千斤顶底部垫两个木块，保证施加垂向力时千斤顶保持稳定，不会倾斜歪倒。千斤顶顶部通过AB胶粘贴称重传感器，测量施加力的大小。
本实施例主要完成了实验台架设计和搭建、实验操作以及数据采集。实验台架设计包括车轮固定台架设计、实现纵向力Fx、侧向力Fy和垂向力Fz三个方向力施加的机械设计。在本实施例中，通过应变片的粘贴、器材布线，车轮每次旋转15度，每旋转一次测6个工况力，采样频率为1s，共采集电桥应变数据和施加力的数据6组。车轮共旋转24次，实验共采集144次的数据，共采集到8104组数据。
步骤四：基于多维力测量结果数据，进行BP神经网络算法的验证分析，预测车轮力,采用车轮力验证分析模块完成。
其中BP神经网络算法的验证分析模中进行BP神经网络算法的验证分析还包括以下内容：
4.1单独施加待测试方向车轮力的结果分析
单独给车轮施加纵向力的工况下，共有1281组数据，BP网络的训练数据有897组，测试数据和验证数据相同，各有191组。放入BP神经网络，模型中进行训练。
图17的回归图显示了网络输出对训练、验证和测试集的目标，R(R-square)表示相关性系数，数值的大小在0到1之间，越接近1，表示方程的变量对输出的解释能力越强。
图中黑色圆圈表示真实数据，不同颜色的实线表示拟合线，虚线代表预测值等于真实值，是过原点的45度直线，拟合线越接线虚线，表示拟合结果越好，网络的预测值能较好的反应真实值。从图中可以看出训练集、验证集和测试集的相关性系数均大于0.97，拟合线几乎与虚线重叠，说明单独施加纵向力，获得8路轮毂螺栓应变片的电压值，使用该BP网络能较好的预测纵向的车轮力。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法，其特征在于，
采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型；
搭建所述轮毂螺栓应变桥设计模型的方法包括：
通过轮毂螺栓感知地面对车轮的多维力信号，并将感知到的多维力信号转换为电信号，并通过设置仿真模拟应变片的贴片测量，求解螺栓上节点的轴向和切向应变值，再通过桥路计算得到螺栓所受轴向拉压力和向弯矩；
所述仿真模拟应变片的贴片测量的方法包括：
通过有限元对所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行分析，包括：
基于Workbench接触算法及网格划分建立坐标系，包括：总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系；
基于建立的所述坐标系进行约束和载荷计算，获取约束和载荷结果；
基于所述约束和载荷结果，进行求解分析，模拟应变片的贴片测量；
所述约束和载荷计算方法包括：
通过第一载荷步施加螺栓预紧力，同时通过第二载荷步锁定螺栓预紧力，然后正常施加外载荷；
基于所述待测试轮力数据和所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，获取预处理轮力数据结果；
基于所述预处理轮力数据结果，进行车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量，获取多维力测量结果数据；
基于所述多维力测量结果数据，进行BP神经网络算法的验证分析，得到车轮力。
2.如权利要求1所述一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法，其特征在于，所述数据预处理的方法包括：
基于待测试轮力信号，通过所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行处理，将所述待测试轮力信号实现A/D转换，获取预处理轮力数据结果。
3.如权利要求1所述一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量方法，其特征在于，所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量的方法包括：
将轮胎固定，并将车轮进行旋转到指定角度后保持静态，模拟地面车轮施加指定方向的不同载荷，并将载荷力数据转换为多维力测量数据。
4.一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量系统，其特征在于，包括：轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块、车轮力数据预处理模块、车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块和车轮力验证分析模块；
所述轮毂螺栓应变桥设计模型搭建模块用于采集待测试轮力数据并搭建轮毂螺栓应变桥设计模型；搭建所述轮毂螺栓应变桥设计模型的方法包括：
通过轮毂螺栓感知地面对车轮的多维力信号，并将感知到的多维力信号转换为电信号，并通过设置仿真模拟应变片的贴片测量，求解螺栓上节点的轴向和切向应变值，再通过桥路计算得到螺栓所受轴向拉压力和向弯矩；
所述仿真模拟应变片的贴片测量的方法包括：
通过有限元对所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行分析，包括：
基于Workbench接触算法及网格划分建立坐标系，包括：总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系；
基于建立的所述坐标系进行约束和载荷计算，获取约束和载荷结果；
基于所述约束和载荷结果，进行求解分析，模拟应变片的贴片测量；
所述约束和载荷计算方法包括：
通过第一载荷步施加螺栓预紧力，同时通过第二载荷步锁定螺栓预紧力，然后正常施加外载荷；
所述车轮力数据预处理模块用于基于所述待测试轮力数据和所述轮毂螺栓应变桥设计模型进行数据预处理，获取预处理轮力数据结果；
所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块用于基于所述预处理轮力数据结果，进行车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量，获取多维力测量结果数据；
所述车轮力验证分析模块用于基于所述多维力测量结果数据，进行BP神经网络算法的验证分析，预测车轮力。
5.如权利要求4所述一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量系统，其特征在于，所述车轮力数据预处理模块包括：
应变测量电路单元、信号放大单元、电源单元、数据采集卡和上位机；
所述应变测量电路单元用于将待测试轮力信号进行A/D转换，获取轮力信号转换结果；
所述信号放大单元用于将所述轮力信号转换结果进行数字量化，对应变测量电路信号进行放大和滤波，获取轮力信号放大结果；
所述电源单元用于提供12V的电源供变送器使用；
所述数据采集卡用于将所述轮力信号放大结果传输至上位机，通过所述上位机获取预处理轮力数据结果。
6.如权利要求4所述一种基于轮毂螺栓的车轮多维力测量系统，其特征在于，所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量模块中所述车轮-轮毂螺栓一体化的多维力测量的方法包括：
将轮胎固定，并将车轮进行旋转到指定角度后保持静态，模拟地面车轮施加指定方向的不同载荷，并将载荷力数据转换为多维力测量数据。
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