（车辆工程专业论文）集成化便携式动态称重仪的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济和公路交通运输事业的发展，运输车辆中大型货运车 辆的比重不断增加，车辆超载的现象十分普遍。车辆的超载行驶给公路 设施和交通安全造成了巨大的危害，而扼制超载的最有效方法之一就是 应用车辆行驶称重技术，对车辆载荷进行实时称重与监控。 本课题将有限元技术应用于集成化便携汽车行驶称重仪称重板的设 计，给出了一个完整的设计方案，提高了设计精度，缩短了设计周期， 节约了试验经费，再加上信号采集、放大、滤波及信号处理等软硬件部 分。当汽车车轮滚压过集成化称重仪时，测力元件的测量电路将应变值 转换为相应的电压值，通过对波动的电压进行信号检识、放大、滤波、 a d 转换进入便携计算机，通过所开发的d s p 软件进行自适应、信息融合 处理和信号处理，得出轮载质量、轴载质量和车载质量，乃至车速、轴 距以及车型等。本文所设计的集成化称重仪便于携带，为车辆超载检测及 稽查提供了一种经济有效的手段。 动态称重信号受到许多因素的影响，本文分析了影响动态称重精度 的一些因素。提出一些改进措施。针对目前我国动态称重法规尚不健全的 情况，文章系统介绍了目前国内外车辆行驶称重相关法规。 关键词：动态称重，有限单元法，信号处理，误差分析，影响因素，集成化 江苏大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt r a n s p o r t a t i o n ，t h e p r o p o r t i o no fl a r g et r a c k i si n c r e a s e da n dt h eo v e r l o a do fv e h i c l ei sb e c o m i n g as o c i a lp r o b l e mb e c a u s ei td a m a g e st h eh i g h w a ya n dd i s t u r b st h et r a f f i c o r d e r h o w e v e r ，o n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d si st ow e i g ha n dm o n i t o r t h ev e h i c l el o a dt i m e l yw i t ht h et e c h n o l o g yo fw e i g h i n - m o t i o n t h ed i s s e r t a t i o na p p l i e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt ot h ep l a t e sd e s i g no f i n t e g r a t e da n dp o r t a b l ew e i g h - i n - m o t i o na p p a r a t u sa n dg i v eas e to fi n t a c t d e s i g np r e c e p t ，w h i c h r e d u c e st h e d e s i g np e r i o d ，i m p r o v e s t h em e a s u r e p r e c i s i o na n de c o n o m i z et h er e s e a r c ho u t l a y t o g e t h e rw i t ht h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fc o n v e r s i o no r g a n ，s i g n a ls a m p l i n g ，s i g n a la m p l i f y i n g ，f a l t e ra n d s i g n a lp r o c e s s ，e t c ，t od ot h ej o b t h r o u g ht h e o r e t i c a la n dt e s t i n gm e t h o d s ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h el o a dc e l lu s e da si n t e g r a t e da n dp o r t a b l ew e i g h - i n - m o t i o n a p p a r a t u sh a sb e e nv a l i d a t e d t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f t h es i g n a ls a m p l i n gs y s t e ma n ds o m er e l a t e ds o f t w a r e w h e nt h et y r e sr o l l o v e rt h ea p p a r a t u s t h el o a dc e l l s m e a s u r i n gc i r c u i tw i l lc o n v e r tt h es t r a i n s i g n a lt ov o l t a g es i g n a l t h es i g n a lc a u s e db yt h et y r el o a di si n p u t t e dt ot h e p o r t a b l ec o m p u t e r t h e nt h el o a do ft y r eo rs i n g l ea x l ea n dg r o s sw e i g h ti s e s t i m a t e dt h r o u g ht h es e l f - d e v e l o p e dd s ps o f t w a r ew h i c hi sc o m p o s e do f i n f o r m a t i o nf u s i o nm o d u l ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s m e t h o dm o d u l e ，e t c a tt h es a m et i m e ，t h ev e h i c l ev e l o c i t y ，w h e e ll e n g t hc 孤 b eo b t a i n e d ，t o o t h i sa p p a r a t u si se a s yt ob et o t e da n di t p r o v i d e sa n e c o n o m i ca n de f f e c t i v em e a s u r e m e n tf o rv e h i c l eo v e r l o a di n s p e c t i o n w e i g h i n gi nm o t i o ns i g n a li sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r , w ea n a l y z es o m e f e wo ft h e m t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lw e i g h i n - m o t i o nr u l e sa r e i n t r o d u c e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：w e i g hi nm o t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s i g n a lp r o c e s s i n g ， i n f l u e n c i n gf a c t o r ，i n t e g r a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：赤p 瓿指导教师签名：一矽啼5 月桫日岬年月，汨 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：新虎 日期：矽7 年月眵日 江苏丈学硕学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的发展和公路交通运输事业的发展，与此同时运输车辆中大型货运车 辆的超载现象十分普遍，已经对交通安全和公路寿命造成了严重危害。根据文科1 l 记载： 上世纪5 0 6 0 年代，即战后工业复兴阶段，德国、美国曾有五成以上的大型载货汽车超 载。在国内，运输经营者为了追求单车运输的经济效益，常常私自把运输车辆加宽、加 高，使得车辆超载已经成为十分普遍的现象。严重的超载造成了道路未达使用年限，甚 至在通车后不久，就出现了严重的车辙、疲劳开裂、坑槽等病害。根据沈阳市车辆超载 情况调查表明翻，2 5 t 以上货运车辆8 0 9 0 超载，8 0 k n 以上的载重车约占车辆总数的 2 0 - 3 5 ，其中超载车约占载重货车的3 0 - 7 0 ，平均超载率5 0 一7 0 ，最大超载率 达到1 6 7 ，尤其以运建材、煤、钢材等重物的车辆超载最为严重。 1 1 课题研究的发展与选题意义 1 1 1 车辆超限行驶的危害 超限运输对路面造成破坏实际上是轴载质量对路面的一种重复疲劳作用，当轴 载质量增大后，公路路面在设计的使用年限内能够承受的弹性变形次数大为减少， 超限运输直接影响路面使用期的长短。 按照公路沥青路面设计规范1 3 1 ( j t j 0 1 4 - 9 7 ) 柔性路面理论上载重车轴载使路面 达到标准轴载相同的破坏程度时，相应的等效换算系数大致为轴载比的4 次方。采 用下式进行标准轴载的换算1 4 1 ： 。善c 砌( p p ) 4 一( 1 - 1 ) 式中：标准轴载的当量轴次( 次日) ； n l 墩换算车型的各级轴载作用次数( 次，日) ； p 标准轴载$ n ) ；a 被换算车型的各级轴载( k n ) ； c t 轴数系数； c z 轮组系数，单轮组为6 4 ，双轮组为1 ，四轮组为o 3 江苏大学硕上学位论文 第一章绪论 从该式可以看出，当车辆轴载增加时，标准轴载作用次数不是按比例增加，而 是按4 3 5 次方增加。因此，车辆超载时，其轴荷对路面结构的损坏加剧，其标准轴 次显著增加。 为了分析超载对路面使用寿命的影响【5 1 ，本文选取了高速公路、一级公路、二级 公路、三级公路4 种典型沥青路面结构，给出了对应的一组路面结构使用初期的交 通量，先根据( 1 1 ) 式计算各种车辆的空载、满载和超载3 0 、超载6 0 、超载1 0 0 时的标准轴当量轴次；再分别计算4 种公路等级不同车型的累计标准轴次，其中考 虑2 0 的空载率，超载时考虑7 0 的超载数量，累计标准轴次按( 1 2 ) 式来计算： n 。- 【( 1 + y ，一1 x 3 6 5 x n l r l y ( 1 2 ) 式中：。设计年限内一个车道上的累计当量轴次( 次) ； f 设计年限( 年) ；，7 车道系数，根据实际调查而定； t 路面竣工后第一年双向日平均当量轴次( 次同) ； ，设计年限内交通的平均增长率( ) ，应根据实际情况调查而定。 假定路面结构按满载时的累计标准轴次进行设计，反算出不同超载率时路面结 构的使用寿命。 由上述文献【q 阴研究可知： 各种车辆随着超载率的增加，换算系数明显增加；超载3 0 时为满载的3 1 3 1 倍，超载6 0 为满载的7 7 2 5 倍，超载1 0 0 时为满载的2 0 3 9 3 倍；随着超载率的增 加，4 种公路等级使用初期计算标准轴次与设计寿命年限内累计标准轴次均明显增 加；不同公路等级，路面结构按满载时的累计标准轴次进行设计，其设计寿命分别 为1 8 年、1 5 年、1 2 年和8 年，超载时使用寿命明显降低，超载1 0 0 时，高速公路 的路面结构只能使用1 加年，一级公路的路面结构只能使用1 4 7 年，二级公路的路 面结构只能使用1 2 0 年，三级公路的路面结构只能使用0 7 0 年。 1 1 2 车辆超限运输法规 为了有效的遏制车辆超载超限行驶现象，保护公路交通设施和人民财产和生命 安全，国务院、交通部及各级交通管理部门先后出台了一系列的法规和管理措施。 如1 9 8 7 年国务院的中华人民共和国公路管理条例、1 9 8 8 年交通部的中华人民 共和囤公路管理实际细则、1 9 8 9 年交通部的超限运输行驶公路管理规定、2 0 0 0 2 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 年交通部的超限运输车辆行驶公路管理规定、2 0 0 4 年实施的道路车辆外廓尺寸、 轴载、及质量限值国家标准( g b l 5 8 9 2 0 0 4 ) 等。 所谓超限运输，就是指在公路上行驶的各种机动车辆装载货物尺寸、车货总质 量或车辆轴载质量任一方面超过了路政管理规定限值的行为。轴载质量是指车辆各 轴对地面的垂直载荷。道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值中具体规定了汽车、 挂车、及汽车列车的外廓尺寸、轴荷及总质量的限值i s l ： ( 1 ) 车货总高度从地面算起4 米以上； 车货总长1 8 米以上； ( 3 ) 车货总宽度2 5 米以上； ( 4 ) 车辆轴载质量在下列规定值，见表1 1 、1 2 ； 表1 1 汽车及挂车单轴的最大允许轴荷的最大限值( k g ) t a b l e l 1t h eb i g g e s ta l l o w a b l ea x l ev a l u eo f s i n g l ea x l ec a ra n dt r a i l e r 车辆类型允许轴荷最大限值 每侧单轮胎 6 0 0 0 1 ) 挂车及二轴货车 每侧双轮胎1 0 0 0 0 2 ) 客车、半挂牵引车及三轴以上 每侧单轮胎7 0 0 0 1 非驱动轴 1 0 0 0 0 2 ) ( 含三轴) 货车每侧双轮胎 驱动轴1 1 5 0 0 ( 1 ) 安装名义断面宽度超过4 0 0 ( 公制系列) 或1 3 o o ( 英制系列) 轮胎的车轴其轴组极大允许轴荷小得超 过规定的各轮胎负荷之和，且最大限值为1 0 0 0 0 k g ： c 2 ) 装各窄气悬架时最大允许轴荷的限值为1 1 5 0 0 l 【g 。 表1 2 汽车及挂车并装轴的最大允许轴荷的最大限值( k g ) t a b l e l 2 t h eb i g g e s ta l l o w a b l ea x l ev a l u eo f b o t ha x l ec a ra n dt l - a i l c g 车辆类型 允许轴荷最大限值 并装双轴的轴距 1 0 0 0 m m , 且 1 3 0 0 m m , r l s o o m m1 8 0 0 0 1 ) 并装双轴的轴距 1 0 0 0 m n 且 1 3 0 0 m m , 且 _ _ 1 8 0 0 r a m2 0 0 相邻两轴之间距离_ 1 3 0 0 m m , 且_ c z ：) ，当吒一0 ，即有侧风的时候，升力明显增加旧。 基o 冬 器a 采 k t 气乍瓠谪 袋 舔熊黼 鞫 熙泓疹嬲 翟趸 茹 矿 援 ，n t 】e 譬盔奁嘉銎b 荫硐和捌面 犄孟车头气瘴在头弗 2 医靛苍砖或停出的棱角她 3 e 当亥要釜侧均为拱形带 l o 铝o u 鼍 鼎0 * 术o r 年，氅睇 彳 袋 嘲燃浚 ! 章 隰沙 - i 磴 翠矽 。 斑丸角t 圆藿盏齑轰尾明弗追出气斑 5 团委墓蓑秉亿 顶替搋出气墟 ；密墨姿篙磊鼍式车尾7 囝客赞两用艟式车尾 图2 3 不同形状车头车尾的空气升力系数 f i g u r e 2 3 t h e a i rr i s i n g d i m c o e f f i c i e n t o f d i f f e r e n t s h a p e o f c a ra c a r t a i l 由于车辆的加速和减速，引起的前、后轴载的变化反映在第三项中，车辆加速 l l g g 6 一工4 一l = = kk 江苏大学硕七学位论文 第一二章集成化便携式行驶称重仪的肯限元设计 时，前轴有所卸载，后轴轴荷增加，减速时正好相反。因此保证车辆是以恒定速度 通过称重台面的，其加速度为零，此时可以忽略由于车辆的加速引起的轴荷变化量。 考虑上述因素的情况下，在设计集成化称重仪时应同时考虑到能够测量或者通过 软件计算出车辆通过称重板面时的速度，将其作为计算轴荷的参数考虑进去。 2 1 3 动态称重过程中径向力沿称重台面的分布情况 汽车轮胎和称重仪的表面接触部分称为印迹，对于印迹部分的分析有助于合理地 对称重系统进行设计。一般的印迹面大小是根据加载的情况而有所不同的，根据实 际的测量车辆的车轮印迹，同时根据文献资料【“l ，可近似认为印迹面是一个矩形， 如果扣除1 0 的圆角面积，那么印迹面积的近似为f = 0 9 1 b ，其中z 为矩形的长，b 为矩形的宽度。矩形宽度可用轮胎宽度近似代替，其长度随车轮载荷而有所不同。 在印迹宽度方向，垂直压力分布类似于马鞍型，边缘上的两个凸起部分是由于轮胎 侧壁影响所引起。随着压缩量增大，凸起部分将更加突出。沿长度方向，压力在印 迹中部是平坦的，而在两边上相当于二次抛物线。印迹部分图2 4 示如下： 一 图2 4 印迹部分示意图 f i g u r e 2 4p r i n tv e s t i g ep a r t so f s k e t c hm a p 2 2 集成化秤体材料选择及尺寸设计 集成化称重板的是用2 5 m m 厚的3 5 c r m n s i a 热轧钢板通过切削加工成如图2 5 所示结构的3 5 c r m n s i a 合金板。在两个支承内侧区域加工出若干个与支承平行的自 槽，使其形成多根与称重板长度方向平行的剪切梁。集成化称重板示意如图2 5 所示： 江苏大学硕匕学位论文第二章集成化便携式行驶称鼋仪的有限元设计 2 2 1 材料选取 支承 图2 5 集成化称重板结构示意图 f i g 岔5s t r u c t u r a ls k e t c hm a po fi n t e g r a t e dw e i g h i n gp l a n k 材料的选取在很大程度上决定了称重系统的重量，集成化称重板同时也是弹性 元件，如果按照对传感器弹性敏感元件材料的要求，有时候常常会出现矛盾。一般 而言，要求称重板具有良好的弹性特性和稳定性，在长时间使用中温度变化时候都 应保证稳定的特性。基本上有以下几个方面的要求【埘： ( 1 ) 弹性滞后要小； ( 2 ) 弹性模量的温度系数要小； d ) 线膨胀系数要小且稳定； ( 4 ) 弹性极限和强度极限要高； ( 5 ) 具有良好的稳定性和耐腐蚀性； ( 6 ) 具有良好的机械加工和热处理性能； 通常使用的材料是合金钢，亦有使用碳钢、铜合金、铝合金的。其中3 5 c r m n s i a 、 4 0 c r 是常用材料，它们的弹性模量都为e - 2 1 x 1 0 “p a 。 其力学性能比较如下： 表2 13 5 c r m n s i a 、4 0 c r 力学性能比较 t a b l e 2 1m e c h a n i c sf u n c t i o nc o m p a r i s o no f 3 5c r m n s i a 、4 0 c r 抗拉强度屈服点伸砭率收缩率 退火或岛温叫火供应 牌号 冲击吸收功 ( m p a ) 状态硬度i - i b m 4 0 c r 9 8 07 8 5 9 4 54 72 0 7 3 5 c r m n s i a1 6 2 01 2 7 5 9 4 03 12 2 9 江苏大学硕l 学位论文 第二章集成化使携式行驶称垂仪的有限厄设计 由于要设计的称重板要求承载力非常大，因此这里应选用强度较高的材料，由 上表2 1 可知3 5 c r m n s i a 有高的抗拉极限和屈服极限，其它性能两者都很接近，同 时3 5 c r m n s i a 具有良好的机械性能，可用于制造承受交变载荷的重要弹性敏感元件。 基于以上原因的考虑选用3 5 c r m n s i a 作为集成化称重板的材料比较合适。 安全系数：由于有盲槽处需要加强。 取强度极限与屈服极限的安全系数分别为：k b - 2 。k r 一1 5 。 3 5 c r m n s i a 合金强度极限和屈服极限分别为： = 1 6 2 0 m p a ，吒= 1 2 7 5 m p a h = i o b = t 1 6 2 0 8 1 0 m p a m = 毒= 1 2 7 5 - 8 5 0 m p a f t 艾 a = 8 1 0 m p a ，动态载荷系数：k = 1 5 2 2 2 集成化称重板尺寸设计 首先规定板的方向，如图2 6 所示，集成化称重板的长度方向是指与车速方向相 平行的方向，集成化称重板的宽度方向则是与车速方向垂直的方向。 - _ 丁i _ 孵i 百 | 、| 传 图2 6 称重板的长度和宽度示意图 f i g u r e 2 6l e n g t ha n dw i d t hs k e t c hm a po f w e i g h i n gp l a n k 集成化称重板的尺寸设计遵循原则为： 1 4 江苏大学硕e 学位论文第一二章集成化便携式行驶称审仪的有限厄设计 表2 2 各轮胎尺寸参数 t r t g u r e 2 2e a c ht i r es i z ep a r a m e t e r 断卣宽度轮胎最大使用尺寸断 双胎最小 双胎最丈中最大的轮胎 轮胎类型轮胎规格中心距 ( r a m )面宽度( )心距恤)负荷 i ? m m ) 中型载蕈普通断面于午线轮胎1 2 0 0 r 2 43 1 53 3 73 7 25 0 64 1 9 5 中趔载藿曾通断血斜交轮胎1 2 0 0 2 43 1 53 4 03 6 25 1 04 1 9 5 蕈掣载蕾普通断面斜交轮胎1 3 0 卜2 03 4 03 6 73 9 15 5 14 2 0 5 爵型载重普通断面| 二午线轮胎1 3 0 0 1 1 2 03 4 03 6 44 0 15 4 64 2 0 5 蘑型载露营通断面斜交轮胎1 4 0 d 埘3 7 5柏54 3 16 0 84 9 8 0 重型载重普通断面子乍线轮胎1 4 0 d 】t 2 03 7 54 0 14 4 36 0 24 9 8 0 在称重板宽度设计时候经常考虑载重汽车轮胎大尺寸的情况即双连轴并且双轮 胎情况如图2 7 所示，因此设计称重板的宽度时候按照尺寸很大的双轮胎断面宽度来 考虑，轮胎尺寸如表2 2 所示。根据上表2 2 和图2 7 可以计算出单侧双轮胎最大中 心距离，由图2 7 可以得出单侧双轮胎之间的距离为轮胎最大使用尺寸断面宽度的一 半，由此可以得出最大的中心距计算公式为1 5 轮胎最大使用尺寸断面宽度。根据表 2 2 可以计算出单侧双轮胎外缘宽度范围为：8 4 3 m m s 三一煨轮宽s 1 0 1 3 m m ，因此本文 可以将称重板的宽度设计在l m ，以适合称量大尺寸轮胎的重型载重车。 图2 7 称重板承受双联轴载荷作用示意图 i r t g u r e 2 7b c a 血gb o t hs t a l k sv a l u es k e t c hm a po f w e i g h i n gp l a n k 称重板的长度通常是越长越好，这样可以保证一定的测量精度，由于目前的技 术发展，参考同样功能的轴重测量系统，称重板的长度设计值可以减少至l j 6 0 0 m m 以 下，设计时取5 0 0 r a m 。 称重板的高度设计通常情况下要求车辆上下称重板的振动产生影响很小，称重 板的高度应该越低越好，同时根据实际的设计分析，板子高度为2 5 m m 。 称重板的厚度应按照称重板承受1 0 t 的压力计算，超载系数设为5 0 ，根据剪切梁 的分布情况，正常情况下，汽车开上称重板时，车轮压在主梁上。考虑到车轮可能 江苏大学硕士学位论文 第二章集成化便携式行驶称蘑仪的有限，亡设计 压在无梁的钢板处，此时称重板的受力最大。为了确保安全，以最不利情况设计称 重板有效称重区域的厚度。 按照四点简支同时受均布载荷作用时计算，按照强度要求，根据经验公式得到 称霞板厚度最小值艿为： 舢彤品- o ，s 意鬻高篙器畿斋一4 m m 式中：p = 1 0 0 0 0 0 ( 1 + 5 0 ) x l 4 x 1 5 = 5 6 2 5 0 n ，曰，l 分别为称重板的有效的长度 和宽度。 为了保证足够强度和刚度的设计要求选择台板的厚度为1 2 m m 。 上述是根据强度理论进行的设计结果，下边对称重板刚度进行较核，按照整个 称重板受均布载荷计算，根据经验公式： 均布载荷： 吁一p而西56而250114106(nlma 2 ) 1 3 0 3 8 0 1 0 - o 7 其变形量为： 也普= 0 0 2 8 4 x 裟器器以6 8 枷。5 m 其中r 为称重板厚度，b 为称重板的宽度，e 为计算此模型强度常数，可见最大 的变形满足要求。最终设计称重板的尺寸由图2 8 给出。 肼一一并寸、 o 气上j t _ l 一n l 上+ 6 n 下 。 1 0o o n “ u | j u ， n 回n v r k 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 8 集成化称重板尺寸示意图 f i g u r e 2 8s i z es k e t c hm a po fi n t e g r a t e dw e i g h i n gp l a n k 1 6 江苏丈学硕上学位论文 第一二章集成化便携式行驶称莺仪的有限j 亡设计 2 3 集成化称重板有限元设计分析 2 3 1 集成化称重板有限元建模 集成化称重板，即弹性敏感元件的强度校核及其贴片位置的确定非常重要，若 采用传统的材料力学方法计算不仅复杂且计算量大。如果重新改进设计尺寸和结构， 又要重新计算，但是利用参数化建模方法，可以大大提高设计效率和设计精确度， 缩短开发周期。 建立称重板的几何模型过程为： 首先在a n s y s 软件中采用自底向上的建模方法，先创建关键点，可以先在e x c e l 中创建其坐标如表2 3 所示，再根据创建关键点命令“k ”添加其余数据列。在a n s y s 环境下，将关键参数定义为变量，由于坐标之间满足一定的几何关系，修改模型时 只需修改几个关键参数，如称重板的厚度、支承约束高度等，系统重新自动生成满 足该几何关系的其它参数，便于形成集成化称重板的参数化设计，这在产品系列化 设计中尤为重要。 表2 3 添加关键点数据列 t a b l e 2 3i n c r e a s i n gt h ek e yo f d a t at o w 创建关键点关键点数据列 x 坐标 y 坐标 kl0o k202 5 k 35 0 02 5 k45 0 00 k54 4 0 o k6 4 4 01 3 k76 01 3 k86 0o 其次连接由关键点生成的线可以创建集成化称重板截面，需要对此截面进行四 边形划分如图2 9 所示，目的是此截面拉伸生成实体如图2 1 0 所示。便于对其进行 六面体网格划分( 单元类型为s o i d 4 5 ) ，以保证网格几何质量和计算精度。先对拉伸 生成的实体模型进行底板开圆头形键槽操作，然后采用映射网格方式划分该实体模 型，如图2 1 l 所示。 1 7 江苏大学硕士学位论文 第一二章集成化便携式行驶称曩仪的有限几设计 图2 9 集成化称重板截面分割四边形 f i g u r e 2 9c i l t t i n gp a r t i t i o n ss q u a r eo fi n t e g r a t e dw e i g h i n gp l a n l 【 最后按照实际情况施加载荷与边界约束条件由于其支承面与地面直接接触，施 加全约束求解查看通用后处理器，查看的内容包括最大变形量，应变片贴片区域的 应变分布规律，寻找适合贴片的有效区域。 图2 1 0 称重板的实体模型图 f i g u r e 2 1 0e n t i t ym o d e ld i a g r a mo f w e i g l l i n gp l a n k 2 3 2 轮胎接地力学分析 图2 1 1 称重板的实体网格模型 f i g u r e 2 1 1e n t i t ym e s hm o d e lo fw e i g h i n gp l a n k 称重板的优化设计的目标是让称重板在承受一定的轮胎载荷时，使得其厚度达 到最优载荷压力分布位置，其分布区域为两轮胎的印迹。在印迹宽度方向，垂直压 力分布近似于马鞍形，将印迹简化为矩形，中间部分压力小，而且压力分布梯度小， 两边压力大，压力分布梯度也大，总的压力值按照面积分，积分值应该与轮胎载荷 基本一致，由图2 1 2 所示。 江苏大学硕士学位论文第一二章集成化便携式行驶称荤仪的有限元设计 图2 1 2 轮胎印迹压力分布不意图 f i g u r e 2 1 2t h et i r ep r i n t sv e s t i g ep f s u r cd i s t r i b u t i n gs k e t c hm a p 首先，需要知道汽车轮胎的计算接地力学特征。轮胎滚动时，胎面上点的接地 压力分布与其在胎面上的侧向位置有关。胎面中心附近点的接地时间较长，其压力 分布接近梯形分布，胎肩附近点的接地时间较短其接地压力近似抛物线分布。垂 直载荷较低时，轮胎在中央花纹条位置的接地压力最大；随着载荷的增加，最大接 地压力点移向两侧。载荷变化对轮胎胎肩区域的接地压力值影响较大，对轮胎中心 区域的接地压力值影响较小。考虑到在标准载荷下轮胎沿宽度方向上的压力一般是 不变的或接近于常数值，故为了简化起见，轮胎的接地压力分布通常用对轮胎特性 影响较大的印痕纵向中心线l 的压力分布来表示。各国学者在进行轮胎的力学特性分 析时，采用梯形和抛物线形等不同的表达形式来模拟轮胎的垂直压力分布。其中， 日本学者s a k a i 提出轮胎在长度方向的接地压力a 的分布大体上可近似地用下面的玎 次多项式【1 4 】表示。 p ：p 。【( 知一一。一知一】( 2 - 9 ) 式中，卜一接地长度；p 。一接地中心压力 如果设接地宽度为b ，轮胎载荷为矾并就整个接地面积对接地压力进行积分，然 后将积分所得与载荷平衡。于是，式( 2 - 9 ) 变成 p = 等南【( 争。一护l ( 2 - 1 0 ) 式中n 是常数，, = 2 1 0 ，对于午线轮胎可取竹= 4 。 2 3 3 集成化称重板强度校核 根据i i 面的轮胎接地力学模型，主要是利用有限元分析软件来对称重板进行设 1 9 江苏大学硕士学位论文 第一二章集成化便携式行驶称蕈仪的有限元设计 计分析，取其最不利的受载情况。在这罩分三种载荷作用工况对称重板的强度进行 校核。这三种载荷作用工况分别为： ( 1 ) 根据g b l 5 8 9 2 0 0 4 中规定每侧单轮胎轴重不超过6 t 、轮胎载荷为轴荷国家标 准3 t 的3 倍多，因此当单轮胎作用在称重板中心位置，考虑超载情况载衙应为1 0 t ； ( 2 ) 单轮胎作用在称重板偏左位置( 左右对称) ，轮胎载衙同( 1 ) ； ( 3 ) 双轮胎作用在称重板中心偏左位置，轮胎载荷为1 5 t 。经过有限元软件分析得 到的应力分布如图2 1 3 ，图2 1 4 ，图2 1 5 所示。 图2 1 3 称重板中部承受1 0 t 载荷作用时应力分布 f i g u r e 2 1 3s t r e s sd i s t r i b u t i n gm a po fw e i g h i n g # a n kc e n t r a lp a r tb e a r i n g1 0 tv a l u e 图2 1 4 称重板偏载承受1 0 t 载荷作用时应力分布 f i g u r e 2 1 4s t r e s sd i s t r i b u t i n gm a po fw e i g h i n gp l a n kp a r t i a lp a r tb e a r i n g1 0 tv a l u e 江苏大学硕上学位论文 第一二章集成化便携式行驶称重仪的有限元设计 图2 1 5 称重板承受双轮胎1 5 t 载荷作用应力分布 f i g u r e 2 1 5s t r e s sd i s t r i b u t i n gm a p o fw e i g h i n gp l a n kp a r t i a ip a r tb e a r i n gat i r e1 5 tv a l u e 分析结果显示，在对称加载和非对称加载情况下称重板盲槽处有应力集中部位 的应力均小于所取板材的屈服极限，均满足设计要求。 在称重板中间最大挠度处，可以加过载保护装置。当被称重量超过称重板的最 大载荷时，过载保护装置受载起到过载保护作用，防止称重板超载损坏。 双轮胎作用面大，因此称重板承受的最大应力均小于单轮胎载荷单独作用的工 况。 l a - a ；右- 向 二二二 1 板的耳度可调 j 一 5 【 图2 1 6 过载保护板示意图 f i g u r e 2 1 6p r o t e c t i n gp r a n ko f o v e rl o a d i n gs k e t c hm a p 2 1 江苏大学硕 学位论文 第二章集成化便携式行驶称蘑仪的有限庀设计 2 4 集成化称重板的动态响应分析 固有频率的计算比较复杂，通常希望设计的称蘑板的固有频率高一些，以消除 共振产生的动态特性现象，因此要对台板进行振动特性计算，一般来说，一、二阶 振动频率所引起的共振往往产生最大的应变和应力，高阶的影响则很小，本文应用 有限元对称重板进行模态分析【1 6 】如下： ：f f a n s y s 分析软件中选择有限元分析的模态分析选项，选择图2 1 0 所示的实体 划分网格、定义约束同时定义模态分析的振动频率阶数为2 阶，然后进行求解同时进 入后处理查看台板模型的一、二阶固有振动频率的大小如图2 1 7 所示。 图2 1 7 模态计算结果 f i g u r e 2 1 7m o l d i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t s 前面提到，为了避免共振，称重板的固有频率应尽可能远离汽车行驶过程中垂 直方向的振动频率，由模态分析结果如图2 1 7 可以很明显看出，此处台板的第一阶固 ；蝴g ( 5 3 6 6 6 h z ) ，而车辆通过称重板时候其振动的频率主要集中在2 2 0 h z ，因而 不会由于轮胎载荷激励而引起称重板的共振，符合设计要求。 2 5 应变片的方案设计及贴片位置确定 2 5 1 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器足目i ；i 国内外使用极为普遍的一类传感器，它具有结构简单、 可靠、性能稳定、线性好、灵敏度高、测量范围广、易于实现测试过程自动化和多 点同步测鼍等特点。 电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被 测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将 随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样， 通过测肇电阻应交片的电阻值变化，就可以确定被测最的应变大小。本课题采用了 江苏大学硕k 学位论文 第二章集成化便携式行驶称重仪的有限尤设计 电阻应变式称重传感器。 本课题中选用了箔式应变片，这类应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将 电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形而成的应变片。箔材厚度多在0 0 0 1 0 0 1 n m l 之间，具有敏感栅尺寸准确，粘合面积大，传递试件应变性能好，通过电流大，濡 变小，机械滞后小，疲劳寿命高等优点。该应变片的主要参数：电阻r 一1 2 0 q ；绝 缘电阻大于1 0 ”q ；灵敏系数k = 2 ；允许电流大于1 0 0 m a ；应变极限2 0 0 0 0 朋，濡变 a 3 ，零漂a 1 0 。 2 5 2 电阻应变片的动态响应特性 应变片在测量变化频率高的动态应变时，还应该考虑其频率响应，即动态特性 问题。应变片动态特性最终可归结到应变片的基长与输入应变波的波长的关系，通 常用应变片的极限工作频率这个参量来表征。动态称重过程的未知干扰频率很多， 而且轮胎的固有频率也不低。有必要分析应变片能承受的最高应变测量频率。影响 应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长和应变波在试件材料的传播速度。 两个应变波分别对应前、后轮载荷。可以将该波形用阶跃波来近似2 1 8 ( a ) ，由于应交 波通过敏感栅全部长度需要时间，所以应变片反映的波长需要经过一定的时间延迟， 才达到最大值。应变片理论和实际波形如图2 1 8 0 , ) 、( c ) 所示。 _ _ - _ _ _ _ _ _ 。 a ) 扛。卓 气= o e z o ，v 幽2 1 8 鹿变片对于彤r 跃厦变响j 证特性 f i g u r e 2 1 8t h es l i c ea d a p t i n gt oc h a n g e st or e s p o n dt ot h ec h a r a c t e r i s t i cr a n k $ t r a i l l 对于应变波为阶跃波时，极限工作频率( ，) 与基长( 如) 的关系为【1 1 ： ，=o4v如(2-11) 如果输出从1 0 上升到最大值9 0 所用时间作为上升时间“，n t , = o 8 l o p ， 可测得频率f t0 4 t k ，材料的v = 5 0 0 0 m s ，l o = 3 m m 为基长。则可得到： 江苏大学硕 学位论文第二章集成化便携式行驶称震仪的有限元设计 ，：业。0 5 v 0 5 5 0 0 0 8 3 3 h z 。 o 砜 如 3 通常轮胎固有频率一般不超过2 0 0 h z 并且悬架的固有频率更小，应变片的频率 为8 3 3 h z 远远高于轮胎固有频率和悬架固有频率已经满足行驶称重频率要求。 2 5 3 应变片的测量电路的工作原理与非线性误差补偿方法 电阻应变片是将应变量转换为电阻量的传感器，但由于应变引起的电阻相对变 化量很小，不便于检测和显示，因而常常需要借助辅助电路将其电阻的变化量转换 为电压或电流信号，然后经调制、放大、解调、滤波等变换环节，再进行显示、记 录和处理。应变片的测量电路中，应用最广泛的是电桥电路，它可将由应变引起的 电阻变化转换为电压或电流的变化，并具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、 精度高、容易实现温度补偿等特点。 如果测试上用的是不平衡电桥，利用电桥输出电压与电桥各参数洲的关系进行 工作，此时在电桥的输出端接入检流计或放大器。其工作原理如图2 1 9 为一种直流单 臂电桥，冠为应变片，其他三桥臂均为固定电阻。若四臂都为纯电阻，则应变片不 承受应变时，电桥处于平衡状态，输出c o - 0 ；当应变片承受应变时，产生a r 的 变化，此时电桥产生的不平衡输出电压u 。与a r 的关系为： 图2 1 9 单臂直流电桥 f i g u r e 2 1 9s i n g l ea r n ld i r e c tc u r r e l l tb r i d g e 考虑电桥的初始平衡条件鲁= 等- 栉，在蝇t t 墨时，略去分母中的微小项 堡，则有： 托 u 。吨。南，鲁( 2 - 1 2 ) 江苏大学硕士学位论文第二章集成化便携式行驶称蕈仪的有限元设计 由( 2 1 2 ) 式可以知，单臂电桥的灵敏度s 。- 2 石三矿u “与电桥的供电电压、电 桥的桥臂电阻比值n 有关。当电桥供电电压u 。一定时，由孕o 可得：当月：1 时， 电桥的灵敏度最大，s 。= 坠4 。此时日- 恐，马r ，因此这种对称电路也正是进行 温度补偿所需的电路。于是( 2 - 1 2 ) 式可化简为； = 缸鲁。0 + 象弘1 等( 2 - 1 3 ) 由上面的讨论知，只有当应变片参数变化很小或rc ( 置时，才能忽略u 。分 母中的微小项等，进而将【，。随等的变化关系视为线性关系。但当应变片承受的 应变太大，使其电阻值的变化量与自身的初始电阻可以比拟时，u 。分母中的微小项 等就不能忽略，随等的变化关系将是非线性的，此时仍将其当作线性处理将 产生非线性误差) ，即实际非线性特性曲线与理想线性曲线间的偏差。 假设理想情况下，【，。一u 。譬，于是由( 2 1 3 ) 可求得，： ，：里堂二竺型：u o , a s 一1 7 u u 。 ：垫釜：些 缸等o + 等。1 墨 对于一般金属电阻应变片来说，由于其应变灵敏度较