（精密仪器及机械专业论文）基于车轮力测量的汽车道路试验数据采集系统开发(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 以汽车车轮力测量技术为核心的汽车道路试验数据采集系统，是汽车整车试 验的重要技术装备。汽车运动是地面与车轮的作用产生的，测量汽车行驶过程中 车轮上各维载荷的变化，对研究与评价汽车动态性能，如制动、加速、悬架特性、 胎面磨损等，以及对路谱数据采集和台架路谱再现等具有重要的应用价值。因此， 基于车轮力测量技术的汽车道路试验数据采集系统的开发对于汽车设计、开发以 及性能评价都具有重要的意义。 本文以设计开发一种通用型的汽车道路试验数据采集系统为目的，研究了车 轮力测量技术的原理和采集方案，设计了车轮力测量装置、数据采集机、手持仪 等硬件及相应的软件，并组成系统在汽车道路试验中得以应用，验证了系统设计 的正确性和可靠性。论文完成的工作如下： 1 在确定以轮辐式弹性体进行车轮多维力测量的方案后，设计了一种车轮力 测量装置，采用内置式测量电路进行信号采集、采用非接触传输方式进行信号传 输，从而实现对车轮力的直接测量。 2 采用模块化架构和插卡式机箱，设计了一种数据采集机，由一块主卡和多 块测量卡组成。每块测量卡实现对一类多路前端传感器信号的调理和采集，主卡 控制各个测量卡的同步并将各路数据汇总，存储在非易失性存储器，并可将数据 导出至上位机。系统可通过增加不同功能的测量卡，实现测量对象和测量通道的 扩展。 3 采用图形化界面设计上位机的数据分析软件，可对试验数据进行自动化的 分析，最终给出各项试验结果。 4 在完成了整个数据采集系统的设计制作后，在汽车道路试验中进行了初步 的应用，结果表明，该系统设计合理，使用方便，测量的各项数据满足汽车试验 要求。 本文提供了一种汽车道路试验用的数据采集系统的通用方案，系统的设计过 程和设计方案，对类似系统的设计开发具有借鉴意义。本文介绍的汽车道路试验 数据采集系统已实现产品化，并对后续产品的开发提供了基础。 关键词：汽车道路试验数据采集系统车轮力车轮力传感器主卡 测量卡手持仪数据分析软件 东南大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h ed a q f d a t aa c q u i s i t i o n ) s y s t e mf o ra u t o m o b i l er o a d w a yt e s tb a s e do nw h e e l f o r c em e a s u r e m e n t ，i sak i n do fi m p o r t a n te q u i p m e n tf o rv e h i c l et e s t t h em o v e m e n t o fv e h i c l ei sar e s u l to ff o r c ee f f e c tm a d eb yt h eg r o u n da n dt h ew h e e l s ，s oi t i so f g r e a ts i g n i f i c a n c et om e a s u r et h ew h e e lf o r c ei nm u l t i d i r e c t i o nf o rr e s e a r c h i n ga n d e s t i m a t i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，s u c ha sb r a k i n g ，a c c e l e r a t i n g ， s u s p e n s i o n ，t i r ea b r a s i o na n dr o a dp r o f i l ec o l l e c t i n g a i m i n ga td e v e l o p i n gak i n do fg e n e r a ld a qs y s t e mf o ra u t o m o b i l er o a d w a y t e s t ，t h ep r i n c i p l ea n dp r e c e p to fw h e e lf o r c em e a s u r e m e n ti sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a sw e l la st h ed e s i g no fw h e e lf o r c em e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h ed a qm a c h i n ea n dt h e h a n d h e l dd e v i c e t h es y s t e mi sc o n s 廿u c t e da n da p p l i e di nr o a d w a yt e s tt ov a l i d a t et h e p r e c i s e n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ed i s c u s s i o nc o v e r s ： 1 u s i n gs p o k es e n s o ra st h ew h e e lf o r c es e n s o r , a ne m b e d d e dc i r c u i ti sd e s i g n e dt o s a m p l et h ew h e e lf o r c es i g n a l 。a n dt h ew h e e lf o r c ei n s t r u m e n ti sc o n s t r u c t e du s i n g n o n c o n t a c ts i g n a lt r a n s m i s s i o n ，w h i c hc o u l da c h i e v ed i r e c tm e a s u r e m e n to fw h e e l f o r c ei ns i x ( o rt h r e e ) d i r e c t i o n s 2 ad a qm a c h i n ei sd e s i g n e di nm o d u l i z e ds t r u c t u r e ，c o m p o s e do fam a i nm o d u l e c a r da n ds e v e r a lf u n c t i o n a lm o d d ec a r d s a f t e rs i g n a li nd i f f e r e n tc h a n n e l si ss a m p l e d b yt h ef u n c t i o n a lm o d u l ec a r d ，t h em a i nm o d u l ec a r dc o l l e c ta l lt h ed a t aa n ds t o r e t h e mi nt h ef l a s hm e m o r y , a n dd a t af i l e sc o u l db eo u t p u tt ot h ep c ，t h es y s t e m c o u l db ee x p a n d e df o rd i f f e r e n to b j e c t so rc h a n n e l sb ya d d i n gf i m c t i o n a lc a r d s 3 t h es o f t w a r ei np ci sd e s i g n e di ng r a p h i ci n t e r f a c et oa c h i e v ed a t aa n a l y s i sa n d c o u l dp r o v i d er e s u l t sa n dp a r a m e t e r so f t h et e s ta u t o m a t i c a l l y 4 f i n a l l yt h es y s t e mi sa p p l i e di nr o a d w a yt e s t a l lt h ed a t am e e t st h er e q u i r e m e n t a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dc o n v e n i e n tf o ru s e t h i sp a p e rp r o v i d e sag e n e r a lp r e c e p tf o rt h ed e v e l o p m e n to fd a qs y s t e mf o r a u t o m o b i l er o a d w a yt e s t t h ed e s i g nm e t h o do ft h i ss y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r d e s i g n i n gs i m i l a rs y s t e m s t h ed a qs y s t e mh a sb e e nm a d ei n t op r o d u c t ，p r o v i d i n g f o u n d a t i o n sf o rs y s t e mu p g r a d i n ga n df u i r t h e rd e s i g n k e yw o r d s ：a m o m o b i l er o a d w a yt e s t ，d a qs y s t e m ，w h e e lf o r c e ，w h e e lf o r c es e n s o r , m a i nc a r d ，f u n c t i o n a lc a r d ，h a n d h e l dd e v i c e ，d a t aa n a l y s i ss o f t w a r e 1 i 东南大学硕士学位论文 符号表 符号表 符号 定义单位 f x l 解算后的车轮纵向力n f z l解算后的车轮轴向力n m y l 解算后的车轮扭矩n m f x 2 解算前的车轮纵向力n f z 2解算前的车轮轴向力n m y 2解算前的车轮扭矩 n m 0 车轮转角 d b 整车制动距离m m f d d 充分发出的减速度m s 2 v o 试验车制动初速度k m h v b0 8v o 试验车速 k m h v e 0 1o o 试验车速k m h s b试验车速从v 到v b 的行驶距离 s 。 试验车速从v 到v 。的行驶距离m 路面附着系数利用率 z a l 最大制动强度 k m 最大制动力下的路面附着系数 k路面附着系数 轮胎滚动半径 f 埘“ 最大整车纵向力 n f b整车制动力 n a车减速度耐s 2 a b 整车制动减速度 m s 2 d b w 车轮制动距离m a b w 车轮制动减速度州s 2 整车质量 k g i i i 东南大学硕士学位论文 常用名词表 常用名词表 名词 定义 车轮力 作用在车轮上的各向载荷，包括纵向力、轴向力、扭矩等。 车轮力传感器组成部分之一，轮辐式结构，各梁在车轮载荷作用 车轮力传感器弹性体 下发生形变，在各梁贴应变片组成车轮力测量电桥。 车轮力传感器组成部分之一，包括旋转部件和非旋转部件，内部 信号耦合器 包含一对耦合线圈用于传输电源、一对光电发射接收管用于传输 信号、一个转速齿盘。 车轮力传感器组成部分之一，电路安装在弹性体外侧，对电桥输 内置式车轮力测量电路 出的车轮力信号进行调理、采集和光电发射。 车轮力传感器组成部分之一，电路安装在信号耦合器的非旋转 车轮转速转角测量电路 端，对转速转角信号进行采集，对车轮力信号进行光电接收。 由弹性体、信号耦合器、车轮力转速转角测量电路组成的车轮 车轮力传感器 力测量装置，交流供电，串行编码输出。 车轮力测量装置 普遍意义上的能测量车轮力的装置或仪器。 接驳前端各类传感器进行数据采集的仪器，由机箱、主卡、多块 数据采集机 测量卡组成。 主卡 数据采集机中负责定时、同步触发和数据汇总导出的卡。 数据采集机中负责采集传感器信号的卡，每块卡完成对一类多路 采集卡 传感器信号的采集。 由显示屏、输入设备和串行通讯接口组成的手持式仪器，与数据 手持仪 采集机接驳，实现设备自检、采集监控和数据预览。 上位机笔记本、p c 等，与数据采集机接驳，实现试验数据文件的导出。 数据分析软件安装于上位机，对试验数据文件进行自动化分析和结果生成。 包括传感器、数据采集机、手持仪、上位机及软件在内的整套系 数据采集系统 统装各。 第五轮仪一种车速传感器，安装于试验车的车身。 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：! 兰：壁 日 期： 王。口f 弓、4 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： ；芨侈 导师签名：弓宅如、日期：堕：! ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车道路试验及其重要性 二十世纪是一个在车轮上向前迈进的世纪，没有一项科技成就比汽车对我们的世界和社 会产生更为深远的影响，可以说，上个世纪是一个汽车工业的世纪。自从1 9 0 8 年亨利福特 先生和他的福特汽车公司推出世界上第一辆真正属于普通百姓的汽车一一福特t 型车队来， 千千万万汽车j 拄a , t 人类家庭，如今汽车已成为现代生活不可缺少的一种工具。在发达国家， 汽车的普及已到了很高的程度。美国每个家庭平均拥有的汽车数量是2 3 辆。我国汽车工业 近几年的发展成绩颇为显著。据人民网和交通网的资料显示，2 0 0 4 年全年中国汽车产销量在 4 0 0 万辆左右，其中轿车1 7 0 万辆左右，预计到2 0 t o 年，中国汽车产量将达到1 0 0 0 万辆目 前全国个人汽车的保有量超过1 2 0 0 万量：我国高速公路通车总里程己突破3 万公里，位居世 界第二。汽车工业已被国家确定为国民经济的支柱产业，是国家扶持和重点发展的产业之一a 汽车的结构参数和动力参数均很复杂，因此必须建立以汽车试验与理论分析相结合的汽 车整车和零部件性能开发和质量评价体系，为新车型的开发和旧车型的改造提供依据。在汽 车的结构分析方面，利用计算机对汽车的结构进行设计和仿真计算，如车身及车架、后桥及 悬架等已经大量应用。但在汽车动力参数( 如发动机、制动器、整车动力性、制动性、操纵 稳定性) 等一系列涉及汽车整车动力学性能参数匹配性设计和评价方面，由于涉及的运动参 数和动力参数多，且各对象之间的关联非常密切，故多以试验研究为主。汽车试验研究分为 台架试验研究和道路试验研究。前者主要是针对汽车零部件系统的性能进行研究和评价，以 及整车部分特性的试验研究，如在转鼓试验台上作汽车动力性试验、在制动试验台上作汽车 制动性能试验等：而后者则注重于汽车整体系统的性能匹配和动态特性的研究。 相比台架试验手段而言，发展汽车道路试验系统是对汽车的部件和整体性能进行准确研 究和评价的更有效途径。采用道路试验有以下优点： i ) 在真实工况下对汽车进行试验。由于汽车在道路上进行试验，其试验工况就是实际的行 驶工况，因此，其试验环境符合实际使用情况，可进行整车动力学方面的研究( 如动力性、 制动性、平顺性、操纵稳定性等) 。 2 ) 试验系统成本较低。由于汽车在实际道路上进行试验，省去了对汽车行驶工况模拟部分， 其费用较台架试验系统大大减小。如汽车动力性试验，如果用台架试验系统做，需要能够对 汽车彳亍驶阻力和惯量模拟的转鼓试验系统，其费用达数百万人民币。而在道路上做，只需十 几万的试验系统。 1 2 基于车轮力传感器的汽车道路试验数据采集系统 i 2 i 车轮力传感器( w f t ，w h e e lf o r c et r a n s d u c e r ) 一l 一 东南大学硕士学位论文 汽车运动是地面与车轮的作用产生的，测量汽车行驶过程中车轮上各维载荷的变化，可 分析汽车整车和各分系统的一些重要特性，如： 1 ) 研究汽车制动系统，进行a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 系统评价和开发； 2 ) 评价汽车动态性能，如制动、加速、胎面磨损和计算机模型验证等： 3 ) 进行路谱数据采集，利用测量数据和控制软件进行路谱再现，从而对整车系统进行 实验室道路模拟测试； 4 ) 汽车悬架特性动态测量； 5 ) 动态测量整车参数( 质心高度、转动惯量等) 。 因此，以汽车车轮力测量技术和测量装置为核心的汽车道路试验系统，对于汽车设计、 开发以及性能评价都具有重要的意义。 车辆行驶过程中，作用在车轮轮胎上的力和力矩如图卜l 所示图中坐标系是美国汽车 工程师学会推荐的常用坐标系的一种。坐标系原点是轮胎接触地面的中心。x 轴是车轮平面与 地面的交线，前进方向为正。z 轴垂直于地平面向下为正。y 轴在地平面内，其方向要按右手 直角坐标系定。本文定义的车轮力分为纵向力f x 、侧向力f y 、轴向力f z 、倾侧力矩m x 、扭 矩m y 、横摆力矩m z “。 毓 z 图卜1 车轮受力分析 地面切向反作用力( 或纵向力) f x 是道路对轮胎的作用力的合力沿x 轴方向的分力。侧向 力f y 是道路对轮胎的作用力的合力沿y 轴方向的分力。法向力( 或轴向力) f z 是道路对轮胎的 作用力的合力沿z 轴方向的分力。翻转力矩( 或倾侧力矩) 钕是道路对轮胎的作用力绕x 轴的 力矩。扭矩m y 和回正力矩( 或横摆力矩) m z 分别是道路对轮胎的作用力绕y 轴和z 辅的力矩“1 。 国内外现有的通用型车轮力传感器和测量装置，均是按此定义来对车轮载荷进行测量。 2 第一章绪论 1 2 ，2 数据采集机 汽车道路试验的测量对象繁多，仅就整车制动试验而言，测量对象就包括车轮力、踏板 力、车速、轮速、制动管路压力、制动蹄片温度等。前端需要安装各种传感器和应变仪，其 输出信号包括模拟信号( 已调理) 、微小应变电压信号( 未调理) 、差分电势信号、电流信号、 数字信号、开关信号等，且信号的定义各不相同。因此，需要一个多通道的、兼容各类信号 输入的、多模块、可扩展的数据采集机实现不同信号的采集。数据采集机安装于车厢内随车 运行，因而还必须具备抗振动、抗冲击、运行稳定、操作简便、拆装和检修方便的特点。 1 2 3 数据采集系统 广义上的汽车道路试验数据采集系统，由各类传感器、数据采集机、上位机及相应软件 组成。上位机及数据分析软件对试验数据进行存储和分析，给出试验所需的各项结果，如图 表、曲线等。 1 3 国内外现有研究水平 1 3 1 国外的研究情况2 “3 “”。” 汽车道路试验系统作为汽车整车试验的重要机电仪一体化设备，在发达国家已获得广泛 的研究和初步应用。目前该项技术在国外正向高精度、多参数、动态实时测量等方向发展， 并且逐步应用到汽车开发、生产、检测、维修等汽车工业的各个部分。目前，汽车道路试验 技术以美国、日本、德国最为先进，已研制出各种先进的随车专用传感器以及数据采集与处 理系统，如车速五轮仪、测力方向盘、踏板力计、车轮力传感器以及便携式多通道试验数据 采集机等，可进行汽车动力性能、制动性能、操纵稳定性以及道路载荷谱采集等多种汽车道 路试验。 在车轮力测量方面，国外从上世纪八十年代中期开始研究车轮力传感器，九十年代初美 国s h c 公司、德国h b m 公司和日本小野相继出现车轮扭矩传感器产品。目前，对车轮力传感 器的研究已经从一维向多维发展。美国d a t r o n 、m t s 、a t ii n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、m i c h i g a n s c i e n t i f i cc o r p o r a t i o n ；德国l b f 研究所、c o r r s y s 研究中心；瑞士k i s t l e ri n s t r u m e n t 等均在进行车轮多维力测量技术的研究，并取得一定的成果，有一些已转化为产品，在1 9 9 9 年3 月m t s 公司公布了用于测量汽车车轮载荷的车轮力传感器的重要新闻，同时申请了该产 品的专利。它可以测量汽车在行驶过程中车轮上的六维作用力( 侧向力、垂直力、纵向力、 侧倾力矩、横摆力矩、扭矩) 。2 0 0 0 年，美国r & d ( 研究与发展) 杂志评选1 0 0 项年度工程成 果，w f t 列在其中。 图1 - 2 、图1 3 为美国f r s 公司的车轮六维力传感器和在车轮上的安装示意图。 3 东南大学硕士学位论文 图1 - 2m t s 公司车轮力传感器 图1 - 3m t s 车轮力传感器在车上的安装 在数据采集机的开发上，上述各大厂商均推出了相应的产品，满足一般条件的道路试验下 对诸如踏板力、车轮力、车速、轮速等信号的采集和存储。图1 - 4 为c a e s a r 公司数据采集 机实物图。图1 5 为安装了数据采集系统的实车道路试验实景图。 图1 4c a e s a r 公司道路试验数据采集机 图l 一5 安装了数据采集系统的道路试验 1 3 2 国内的研究水平 目前国内绝大多数的汽车研发和制造厂商，均花费巨资购买国外现有数据采集系 统来进行整车道路试验的数据采集，包括车轮力传感器、车速传感器、轮速传感 器、数据采集机等。也有一些国内厂商开发并投产了踏板力传感器、车速传感器 等前端装置，但是作为汽车道路试验核心技术的车轮力测量装置和道路试验数据 采集机，在国内未见企业或机构进行规模化的开发和生产。 1 3 3 基于w f t 技术的汽车道路试验数据采集系统的技术难点 开发车轮力传感器、车轮力测量装置，和以此为基础的汽车道路试验数据采集系统，研 第一章绪论 究和开发的难点在于： 1 ) 车轮传感器安装在车轮上，结构和安装要求较高，如何设计传感器弹性体实现对车轮力 的应变输出，并满足多维力的同时测量和解耦输出，是一个难点，因为力矢量相对于车 轮坐标系的定义，随转角变化而变化。如表征车轮受轴向力的信号，随传感器旋转9 0 度后变化为表征纵向力的信号； 2 ) 传感器随车轮一起旋转，如何对传感器进行非接触式供电，将测量信号或数据进行非接 触式传输，是另一个难点； 3 ) 车轮力测量装置的工作环境恶劣，负载、冲击、振动及温度变化大，对系统工作的稳定 性和可靠性要求较高： 4 ) 以车轮力测量装置为基础，数据采集机的开发需要满足多通道、实时采集、操作简便、 运行稳定等要求；还要解决设备在车载工况下的抗振动、抗冲击等问题；同时针对车厢 内的特殊安装空间，必须设计特殊的机箱结构和扳昔结构，不适台直接采用普通p c 机 或桌面应用系统来组建该采集系统。 1 。4 本课题组的技术积累和开发成果 1 4 1 车轮单维力测量装置及数据采集系统 我们课题组多年来致力于汽车测试控制技术的研究，以及汽车应用电子、汽车测控系统 的开发。1 9 9 6 年由学校与跃进汽车集团共同承接原机械部重点立项“车轮力传感器及汽车道 路数据采集系统研究”。1 9 9 8 年通过鉴定，该车轮力传感器属于单维力测量，通过自行设计的 车轮扭矩传感器弹性体和信号耦合器，能在不改变车轮安装方式的情况下，实现对汽车在道 路运行工况下的扭矩进行实时测量。 扭矩传感器弹性体安装于车轮轮毂与轮辋之间，采用轮幅式弹性体结构，表贴电阻应变 片组成电桥，对车轮所受的扭矩载荷进行变换输出，信号耦合器实现对扭矩传感器弹性体电 桥的非接触供电。同时，采用内置式电路，对电桥差分信号进行电压放大和压频转换，最后 通过一对安装于旋转件和非旋转件轴心位置的光电发射接收管。将该频率信号输出。扭矩传 感器弹性体如图卜6 所示，最终构成的扭矩传感器整体结构如图卜7 所示“”。“。 以该扭矩传感器为核心，项目组扩展其他前端装置，包括踏板力传感器、热电偶式的制 动蹄片温度传感器、五轮仪( 车速传感器) 、管路压力传感器等。又以便携式工控机为基础， 通过在 s a 插槽扩展a d 卡、数字【0 卡、通讯卡等板卡，构成了一个多通道的数据采集机。 自行开发数据采集和分析软件，在工控机的触摸屏上实现人机界面，完成车载工况下的数据 采集。该数据采集系统可对汽车道路试验中的制动试验等常规试验进行实时数据采集。数据 采集机如图卜8 所示“。 6 东南大学硕士学位论立 图卜6 扭矩传感器弹性体图卜7 扭矩传感器整体结构 图卜8 以工控机为核心的数据采集机 1 4 2 车轮多维力测量装置及数据采集系统 2 0 0 0 年，由江苏汽车工程重点实验室立项，项目组在原有的一维车轮力传感器的基础上， 开展车轮多维力传感器的研究，重点研究传感器的安装形式、结构优化、精度分析、误差补 偿、多分力结构解耦、多路信号传输和抗干扰以及传感器标定和性能评价等问题。并设计出 了能对六维力信号进行近似解耦输出的六维力传感器。 该传感器弹性体采用八粱轮幅式结构的弹性体，同样安装于车轮轮毂和轮辋之间，因而 在车轮承受载荷时，在每个梁上产生对应的形变，在不同梁的不同位置贴上电阻式应变片， 并按一定的组合组成多个电桥，则每个电桥的差分输出即可对应一维载荷，并实现各维载荷 的近似解耦。传感器弹性体结构及贴片位置如图1 9 所示。 测量点选取及应变片贴片布置如下： 1 ) 选择a 、e 梁侧表面中间轴线处，布置应变片1 、2 、9 、1 0 ，测量垂直力f z 引起的变形； 2 ) 选择c 、g 梁侧表面中间轴线处，布应变片5 、6 、1 3 、1 4 ，测量纵向力f x 引起的变形： 3 ) 选择b 、d 、f 、h 梁上下表面根部轴线处，布应变片1 8 、2 0 、2 2 、2 4 、2 6 、2 8 、3 0 、3 2 ， 测量侧向力f y 引起的变形； 5 ) 选择b 、d 、f 、h 粱侧表面根部轴线处，布应变片3 、4 、7 、8 、1 l 、1 2 、1 5 、1 6 ，测量 扭矩m y 引起的变形； 6 ) 选择c 、g 梁上下表面根部轴线处，布应变片1 9 、2 3 、2 7 、3 1 ，测量横摆力矩m z 引起的 6 第一章绪论 变形； 7 ) 选择a 、e 梁上下表面根部轴线处 变形。 轰 布应变片1 7 、2 1 、2 5 、2 9 ，测量侧倾力矩引起的 a a 图卜9 车轮六维力传感器弹性体 应变片组辑如图卜l o 所示，每个应变片的阻值为3 5 0 欧。 图1 一1 0 应变片组桥 图中，每个电桥的上下端为供电端，在供给5 v 直流电压后，电桥左右端的差分输出电压 即对应车轮载荷在该维方向上产生的形变。电桥a 的差分输出对应f x 载荷，电桥b 的差分输 出对应f y 载荷。电桥c 的差分输出对应f z 载荷，电桥d 的差分输出对应m x 载荷，电桥e 的 差分输出对应m y 载荷，电桥f 的差分输出对应m z 载荷1 1 ”“”。 通过专门设计的六维力标定装置，对该传感器弹性体进行各分力标定，标定数据证明该 弹性体的各分力测量精度达到1 ，并具有良好的分力解耦性，在满足分力测量误差 1 的要求 下，可认为该弹性体的各分力信号输出近似解耦。 为实现对该弹性体输出信号的采集，项目组设计了一个通用型信号耦合器，其部件包括： 1 ) 一对交流电源耦合线圈，可实现前端的电桥和信号测量电路的非接触供电； 2 ) 一对高速光电发射接收管，可实现采集数据的非接触式串行输出； 东南大学硕士学位论文 3 ) 车轮转速齿盘，随车轴转动，外加测量电路后，可对车轮转速进行测量。 六维力传感器弹性体和信号耦合器的结构和安装方式如图卜1 1 所示1 。 图卜1l 六维力传感器弹性体和信号耦合器的结构和安装方式 项目组以该传感器弹性体和信号耦合器为基础，对车轮力信号测量电路、转速信号测量 电路、供电电路等模块进行了一定的开发，初步构建了一个车轮六维力、转速传感器。 测量电路分为两部分：安装在传感器旋转部件内的测量电路，安装在传感器非旋转部件 内的测量电路。 1 ) 设计了一种小型的信号测量电路，安装于弹性体外侧。该电路对六维力电桥输出的差分 电压信号进行放大、模数转换、串行编码，经光电发射管传输至非旋转的信号耦合器部分。 2 ) 在非旋转的信号耦合器内，除电源耦台线圈外，增加一个腔体，安装信号整形电路，对 前端送来的光电串行码进行接收和整形，对外输出。又在转速编码盘的外侧安装马鞍形光耦 和信号整形电路，对车轮旋转产生的方波信号进行整形和输出。即传感器最终输出的信号数 据为三维或六维车轮力测量值的串行编码( u s a r t 编码) 以及车轮转速所对应的方波信号。 为了对该传感器输出的非常规信号数据进行采集，设计一个p c 板卡，内含多路串行数 据同步采集电路，对四个车轮传感器输出的车轮力串行数据进行采集。另外采用一个p c 板卡 ( 通用型多路测频测周卡) ，对四个车轮传感器输出的转速信号进行采集。 车轮力传感器内部的测量电路，其框图如图卜1 2 所示。p c 端的四路车轮力数据采集板卡 如图卜1 3 所示。 图卜1 2 初期的车轮力传感器内部测量电路 一8 - 第一章绪论 图卜1 3p c 端韵车轮力数据采集板卡电路框图 该系统对构建以车轮力测量为核心的汽车道路试验数据采集系统，作出了积极的探索， 并在内置式车轮力测量电路、非接触式信号传输、多路串行数据采集等方面，提供了非常有 效的解决方案。 同时，针对通用型汽车道路试验数据采集系统的开发，该方案的很多测量模块还有待进 一步开发，系统的架构和其中的部分模块设计也存在一些缺陷： 1 ) 基于p c 机和板卡扩展的采集系统方案，i s a 板卡的插稽规范，无法满足道路试验工况下 的抗冲击、抗振动、高稳定性要求，桌面化的操作方式也不适合车载试验。 2 ) 系统需扩展踏板力、轮速、车速、管路压力等其他采集模块，采用板卡扩展的方式，在 有限的机箱插槽资源下，扩展的余地不大；且扩展一个采集模块需要对整个采集软件和 相应硬件作较大改动。 3 ) 内置式测量电路测得的车轮六维力是相对车轮坐标定义的力，需要对其进行坐标变换解 算才能转化为相对地面坐标定义的力，因此需提出可行的解算方法或测量方寨。 4 ) 车轮力的测量范围、测量分辨率、采样频率、允许同步误差等，有待于根据试验系统的 数据要求来确定，并对车轮力测量和采集方案进行相应调整。 1 5 本论文课题的提出 1 5 1 论文课题的提出 继承项目组现有的开发成果，对比国外成熟的系统和产品开发的走向，本文提出了开发 基于嵌入式系统的汽车道路试验数据采集系统的任务。主要的开发技术路线如下： 1 ) 抛弃基于p c 机和扩展板卡来构建采集系统的方案。将车载数据采集和数据分析软件分离。 采用嵌入式系统构建一个数据采集机，完成数据的实时采集和保存，满足车载装置的可 靠性和稳定性要求：数据分析软件可安装于用户的任何p c 机或手提电脑。这种构成方式 与国外大多数道路试验数据采集系统相同，方案成熟。 2 ) 数据采集机由并行的多个测量模块构成，每个测量模块独立完成对一类信号的测量采集， 9 东南大学硕士学位论文 如车轮力测量模块、踏板力测量模块、车速测量模块等。这种并行采集方式便于系统扩 展新的采集对象和更多的采集通道；同时各模块并行独立工作，有利于故障检查和模块 更换。 3 ) 针对汽车道路试验的实际需要，对车轮力传感器和测量装置进行方案调整和进一步开发， 满足车轮力测量的高精度、高实时性、高可靠性的要求；同时，提出可行算法，或增加 测量对象和测量装置，解决六维力坐标变换解算的问题，得到地面坐标系定义下的车轮 力值。 4 ) 针对我国汽车道路试验规程和标准，开发相应的数据分析软件，根据试验采集数据，对 特定的试验车型，给出各项试验结果和评价数据。 1 5 2 论文的研究内容 本文共分五章，各章节安排如下： 第一章“绪论”，介绍汽车道路试验的概念及其重要性，指出以车轮力测量为核心的数据 采集系统的用途及其应用价值，介绍国内外现有的试验手段和试验装置，分析国内试验系统 开发的现状和难点所在。最后，对本专业历年来在这方面进行的研究和取得的开发成果进行 介绍，指出迸一步开发的必要性，提出课题。 第二章“汽车道路试验数据采集系统总体设计”，对国标规定的汽车道路常规试验要求和 标准进行分析，概括本系统所需测量的对象，对系统所用的传感器进行选型，提出数据采集 机的设计方案。 第三章“车轮力传感器设计”，介绍利用车轮力传感器弹性体，设计车轮力、车轮转速、 车轮转角测量电路，构成一个集成化的车轮力传感器。 第四章“汽车道路试验数据采集机设计”，介绍数据采集机架构设计、通讯总线及通讯协 议设计、主卡及各个采集卡的设计。 第五章“数据采集系统在汽车道路试验中的应用”，以常规性汽车道路试验为例，介绍应 用本系统进行数据采集和数据分析的过程和效果。 l o 第二章汽车道路试验数据采集系统总体设计 第二章汽车道路试验数据采集系统 总体设计 汽车道路试验数据采集系统的设计要求，针对目前国家标准所规定的汽车道路试验内容， 以一套通用型的数据采集系统完成大多数常规性分类试验的任务，采用本系统进行汽车道路 试验，要能在一定程度上取代以往的仪器分立、试验方法分立、试验数据分立的道路试验方 式。因此，系统的总体设计应基于对目前国内汽车道路试验常规试验内容及标准的分析。 2 1 汽车道路试验的部分试验内容与试验标准 2 1 1 汽车滑行试验 g b t1 2 5 3 6 1 9 9 0 定义了汽车滑行试验方法及要求【1 3 】。 试验方法： 1 ) 在长约1 0 0 0 m 的试验路段两端立上标杆作为滑行区段，汽车在进入滑行区段前车速应稍 大于5 0 k m h 。 2 ) 汽车驶入滑行区段前，驾驶员将变速器排档放入空档( 松开离合器踏板) ，汽车开始滑行， 当车速为5 0 k m h 时( 汽车应进入滑行区段) ，用第五轮仪进行记录，直至汽车完全停住 为止。在滑行过程中，驾驶员不得转动方向盘。 3 ) 记录滑行初速度( 应为5 0 4 - 0 3 k m h ) 和滑行距离。 4 ) 试验至少往返滑行各一次，往返区段尽量重合。记录结果。 数据处理方法为： 按实测初速度和实测滑行距离，按式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 算出标准初速度v o = 5 0 k m h 的滑行距离。 s ：- b + b 2 + a c ( 2 - 1 、 2 口 口= 学 ( 2 _ z ) 式中：s 一初速度为5 0 k m h 时的滑行距离，m ； a 一计算系数，1 s 2 ； v o - - 一实测滑行初速度，r n s ； b 一常数，m s 2 ( b = o 2 ；当车重4 0 0 0 0 n 且滑行距离6 0 0 m 时，b = o 3 ) ； s ，- - 一实测滑行距离，m ； c 常数，m 2 s 2 ( c = 7 7 1 6 ) 。 试验结果：往返滑行试验各三次，按实测滑行距离计算v o = 5 0 k m h 的滑行距离，算术平 一 至堕查堂堡主堂垡堡苎 均后得到最终试验结果s 。 滑行试验需要的测量仪器为：第五轮仪或相应的车速、行程记录装置，精度不低于o 5 。 2 1 2 汽车加速性能试验 g b t1 2 5 4 3 1 9 9 0 定义了汽车加速性能试验方法及要求【”1 。 最高档次高档加速性能试验方法为： 1 ) 在试验道路上，选取合适长度的路段，作为加速性能试验路段，在两端各放置标杆作为 记号。 2 ) 汽车在变速器预定档位，以预定的车速( 从稍高于该档最低稳定车速起，选5 倍的整数 倍之速度如2 0k m h 、2 5k r n h 、3 0k m h 、3 5k m h 、4 0 1 a r d h ) 作等速行驶，用第五轮仪监 督初速度，当车速稳定后( 偏差l k 【i 【h ) ，驶入试验路段，迅速将油门踏板踩到底，使 汽车加速行驶至该档最大车速的8 0 以上，对于轿车应达到l o o k m h 以上。 3 ) 用第五轮仪记录汽车的初速度和加速行驶的全过程，试验往返各进行一次，往返加速试 验的路段应重合。 起步连续换档加速性能试验方法为： 1 ) 试验路段同上。 2 ) 汽车停于试验路段之一端，变速器置入该车的起步档位，迅速起步并将油门踏板快速踩 到底，使汽车尽快加速行驶，当发动机达到最大功率转速时，力求迅速无声地换档，换 档后立即将油门全开，直至最高档最高车速的8 0 以上，对于轿车应加速到l o o k m h 以 上。 3 ) 用第五轮仪测定汽车加速行驶的全过程，往返各进行一次，往返试验的路段应重合。 数据处理方法为： 根据记录数据，分别绘制试验车往返两次的加速性能曲线( v _ t 和v - s ) ，取两次曲线的 平均值绘制汽车的加速性能曲线( v t 和v - s ) 。如图2 - 1 ，2 - 2 所示。 图2 - 1 最高两档加速性能曲线示意图图2 - 2 起步连续换档加速性能曲线示意图 试验结果： 从最高两档加速性能曲线，选取车速= 2 0 k m h 、3 0 k m h 、4 0 k m h 、5 0 k m h 各点作为最高 两档加速性能试验结果。从起步连续换档加速性能曲线，选取车速= 2 0 k r n h 、3 0 k m h 、4 0 k r n h 、 5 0 k n 讹各点，以及加速距离= 4 0 0 m 、6 0 0 m 、1 0 0 0 m 各点作为起步连续换档加速性能试验结 果。 1 2 第二章汽车道路试验数据采集系统总体设计 加速性能试验需要使用的主要测量仪器为：第五轮仪；发动机转速表；秒表。 2 。1 。3 汽车最高车速试验 g b t1 2 5 4 4 1 9 9 0 定义了汽车最高车速试验方法及要求”。 试验方法： 1 ) 在符合试验条件的道路上，选择中间2 0 0 m 作为测量路段，用标杆或白线做好标志，测 量路段两端为试验加速区间。 2 ) 根据试验汽车加速性能的优劣，选定充足的加速区间( 包括试车场内环形高速跑道) ，使 汽车在驶入测量路段前能够达到最高的稳定车速。 3 ) 试验汽车在加速区间以最佳的加速状态行驶，在到达测量路段前保持变速器( 及分动器) 在汽车设计最高车速的相应档位，油门全开，使汽车以最高的稳定车速通过测量路段。 4 ) 试验往返各一次，测定汽车通过测量路段的时间。 试验结果：对汽车通过测量路段的时间作算术平均，被测量路段长度除后求得最高车速。 汽车最高车速试验需要的测量仪器为：计时器( 精度达到o 0 1 s ) 。 2 1 4 汽车最低稳定车速试验 g b t1 2 5 4 7 1 9 9 0 定义了汽车最低稳定车速试验方法及要求1 1 3 】。 试验方法： 1 ) 在符合试验条件的道路上，选取5 0 m 长的试验路段，两端作出标记。 2 ) 将试验汽车的变速器( 及分动器) 置于所要求的档位，使汽车保持一个较低的稳定车速 行驶并通过试验路段。 3 ) 通过第五轮仪或车速行程记录装置观察车速，并测定汽车通过试验路段时的实际平均车 速。 4 ) 试验往返进行至少两次。 试验结果：取实测车速的算术平均值为最低稳定车速。 汽车最低稳定车速试验需要的测量仪器为：第五轮仪，或车速行程记录装置，精度不低于o 5 。 2 1 5 汽车制动性能试验 汽车的制动系统性能是汽车的主要性能，汽车只有具有良好的制动性才能保证在安全行 驶的条件下提高行驶车速而获得高的运输生产率。汽车的制动性主要由以下三方面指标来评 价： 1 ) 制动效能，如制动距离、制动减速度等。 2 ) 制动效能的恒定性，如抗热衰退性能。 3 ) 制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力。 东南太学硕士学位论文 其中制动效能是指在规定条件的路面上，汽车以一定初速制动至完全停车过程中的各项 考量指标。它是汽车制动系统性能最基本的评价指标。抗热衰退性能指的是在高速时或下长 坡连续制动时，制动效能保持的程度。方向稳定性通常用制动时汽车按给定轨迹行驶的能力 来评价。因而此处的需求分析主要针对制动效能指标来进行。 根据g t 3 t1 2 6 7 6 1 9 9 9 和g b t1 3 5 9 4 2 0 0 3 ，车辆制动系统性能的主要评价指标( 即采集 系统必须具备的测量对象和计算结果) 有【1 3 】 j 4 1 ： 1 ) 整车制动距离( d n ) 整车制动距离指从驾驶员开始促动制动装置到车辆停止时车辆所驶过的距离。制动初速 度指驾驶员开始促动制动控制装置时的车辆速度。对m 、n 类车辆( 定义见g b t1 2 6 7 6 1 9 9 9 ) ， 试验要求按初速度= 8 0 k m h 、7 0 k m h 、6 0 k m h 、5 0 k m h 等规定值多次测量制动距离。制动初 速度应不低于规定值的9 8 。并要求车轮不抱死，车辆任何部位不偏出3 7 m 通道宽且无异常 振动。当车速低于1 5 k m h 时，允许车轮抱死。最大控制力不得超出规定值。 2 ) 充分发出的平均减速度( m f d d ) 充分发出的平均减速度( m f d d ) 按公式( 2 3 ) 计算： 批