汽车疲劳耐久性试验数据采集与应用(疲劳培训)

1、汽车疲劳耐久性试验数据采集与应用汽车疲劳耐久性试验数据采集与应用12n PCB PCB集团简介集团简介n 整车和零部件性能试验整车和零部件性能试验n 汽车疲劳耐久试验汽车疲劳耐久试验n 载荷分解与疲劳分析载荷分解与疲劳分析n PCB PCB车轮六分力传感器车轮六分力传感器Agenda3PCB GROUPEstablished 1967 成立于1967年Located on 6 acres near Buffalo, New York, USA 位于美国纽约布法罗市Specialise in sensors for rapid and steady-state pressure, force,

2、acoustic and vibration measurements 致力于快速和稳态压力、力、声学和振动测量Represented in over 50 countries 在超过50个国家设有代表处或分销商AS9100 Certified, ISO 9001 Certified, A2LA Accredited to ISO 17025 AS9100认证，ISO9001认证，A2LA认证4PCB GROUPVibration, Shock, Pressure, Force, Load, Torque, Acoustic Measurement Solutions 振动、冲击、压力、力、载

3、荷、扭矩、声学等测试解决方案Signal Conditioner信号调理器WFT六分力传感器DC AccelerometerDC 加速度计3-Component Dynamic Force三分量动态力传感器Pressure Transducer静/动态压力传感器Miniature Accelerometer小型加速度计TORKDISK扭矩传感器Load Cell载荷称重传感器Human Vibration Meters人体振动表High Sensitivity Microphones高灵敏度传声器Sound Level Meters声级计5Calibration传感器标定系统Shakers激振

4、器Instrumented Steering Wheel测力方向盘PCB GROUPHeadquarters in Buffalo New York6北北 京京上海上海深圳深圳PCB China整车与零部件性能试验规范制定流程整车与零部件性能试验规范制定流程顾客需求市场规范整车性能规范产品定义整车性能与子系统的关系子系统性能规范整车性能规范向子系统分解子系统性能规范向零部件分解零部件性能规范整车与零部件性能试验整车与零部件性能试验7整车与零部件试验整车与零部件试验整车道路试验整车不同路面试验噪音 与振动测试实验室试验整车转鼓试验台试验整车模态试验零部件模态试验进气噪音测试排气噪音测试转递函数测

5、试整车漏声测试 减震降噪材料试验吸音系数测试声音传递损失测试阻尼特性测试橡胶件刚度测试振动与噪声试验振动与噪声试验整车道路载荷测试整车疲劳试验零部件载荷测试零部件疲劳试验整车应力测试零部件应力测试疲劳与强度试验疲劳与强度试验整车与零部件性能试验整车与零部件性能试验8汽车疲劳耐久解决方案流程汽车疲劳耐久解决方案流程汽车疲劳耐久试验汽车疲劳耐久试验9测试步骤测试步骤1. 对所有的通道和传感器进行命名和编号。10测试步骤测试步骤2. 确认方向1）加速度计方向与整车坐标系的关系2）位移传感器：拉伸为正，压缩为负3）方向盘转角：左转为正3. 对分段采集的工况名称，采集次数要预先编号，让其与实验工况的名称

6、 一致，如制动工况、蛇形工况等等。4. 采集之前，测量各轮胎气压以保证气压一致，同时测量各轮胎静态载荷； 记录天气和室外温度，风速和方向，路面是否积水等； 轮胎一定要做动 平衡。6. 在采集完之后，让汽车处于水平路面，发动机怠速，记录数据10秒钟； 5. 在正式上路采集之前，让汽车处于水平路面，发动机怠速，记录数据10 秒钟 ； 11测试步骤测试步骤8. 采集完一种工况，看看数据质量，如好再继续；否则要查明原因再继续； 7. 先测空载，然后满载；先测好路面，然后坏路面；每种工况 测三次； 9. 确保所有数据通道点数和采样频率一致12测试步骤测试步骤10. 确保制动信号的采集连续，真实反映驾驶员

7、刹车过程，即从驾驶员的脚 踏上并压下制动踏板然后放开，整个过程的信号都将是-5伏，其它时候 都将是0。因此在采集完成后，要对此进行处理； 13测试步骤测试步骤11. 有条件的话，可以采用给特征路面标记 14测试步骤测试步骤12. 采集完成后，要对所有加速度信号进行低通滤波器滤波，并注意没有相位移动；最后对所有采集的信号要进行检查，在确保信号没问题后，再拆解测试仪器。13. 完成测试报告，并对所有测试通道的正负极和测量信号名称与内容给予明确说明，必要时附以照片帮助说明（要特别注意的是，车辆参考坐标系的XYZ方向，按右手螺旋法则，X：水平指向车后；Y：水平指向车右；Z：垂直指向车上。因此对各通道正

8、负极说明时，尽可能用车辆参考坐标系说明）。15记录试验车状态记录试验车状态试验车规格车型车辆识别码VIN发动机排量变速箱类型驱动类型轮胎类型前桥轴荷后桥轴荷测试基本情况试验场襄樊时间室外温度测试人员16设备仪器安装调试设备仪器安装调试 每一个设备仪器都需要调试正常， 应变最好有补偿，做成半桥或者全桥。 数据线一定采用高屏蔽的线缆。 通道很多，一个数采可能不够，可以用多个，最好所有通道一次同步采集，必 要时用路由器同步。 供电：电源最好采用直流电瓶。六分力传感器单独供电，电瓶必须固定。 加速度计等传感器必须固定在大的不易变形的零件上，固定支架必须保证最够的强度和刚度。17车轮六分力传感器测力方向

9、盘设备仪器安装调试设备仪器安装调试18三向加速度传感器GPS天线应变片拉线式位移设备仪器安装调试设备仪器安装调试19 制定严格全面的道路试验规范。试验规范试验规范20试验规范试验规范21原则：测试过程中，确保试验数据的可靠与准确性。（为了确保数据质量， 在正式测试之前，进行一个试测。试测的工况可以选择加速+制动+转 向的工况，然后进行数据检查和校队。）测试原则测试原则六分力传感器输出信号 22左右悬架位移信号 左前轮轴头三向加速度信号 23左前轮轴头三向加速度信号 24 汽车在行驶过程中，不平路面的激励以及驾驶员输入（转向，加速，制动）将导致汽车行驶状态的变化。这种变化将使车轮载荷随时间而变，

10、进而悬架各零部件之间发生相对位移。这种相对位移的产生源于悬架各零部件之间的动态载荷所发生的相对变化，故而在行驶里程累计到一定程度后，某些零部件将会疲劳破坏。因此有效的获取悬架零部件动态载荷时间历程，是分析和设计零部件耐久性能的重要工作。 一般来说，悬架结构强度和疲劳分析可以分为零部件级和系统级分析方法。 零部件级分析：采用多体动力学方法得到悬架硬点载荷，对单一结构进行分析的方法； 系统级分析方法：以整个悬架为基础，同时考虑衬套、限位块刚度以及零部件间相互运动的影响的分析方法。 零部件级分析方法原理简单，而且容易将分析过程流程化、规范化，从而保证分析结果的准确性和一致性； 系统级分析方法，由于能

11、够考虑几乎所有的悬架本身特性，如非线性连接关系、运动关系等特性，因而可以得到更为准确的分析结果。载荷分解载荷分解25疲劳分析疲劳分析26疲劳分析五框图几何材料疲劳参数载荷（时间历程）疲劳分析结果（损伤/寿命）疲劳分析疲劳分析27转向节单位载荷作用下应力场疲劳分析疲劳分析制动工况砾石路工况卵石路工况转向节疲劳寿命结果28PCB Load and Torque -Acquired Key Transducers in 1999 1999年并购Key Transducers公司- Acquired RS Technologies assets in 2009 于2009年收购RS Technolog

12、ies公司-Engineers and manufactures load cells, torque transducers, wheel force transducers 设计和制造载荷传感器、扭矩传感器以及六分力传感器-Engineers and manufactures tooling systems based on load and torque applications (torque angle transducers, torque wrenches, acquisitions units) 基于载荷和扭矩的应用，设计和制造相应的延伸产品（扭矩角度传感器，扭矩扳手，采集模块

13、）-Markets to automotive, aerospace and rail applications 应用领域涉及汽车，航空航天以及铁路PCB Wheel Force TransducerPCB 车轮六分力传感器车轮六分力传感器29History of Wheel Force Transducer车轮六分力传感器发展历史车轮六分力传感器发展历史Invented in 1972 Ralph Shoberg, RS Technologies Owner 由RS原拥有人Ralph Shoberg发明于1972年Ford Motor Company Crown Victoria (note

14、 low profile design) 与福特公司联合设计（扁平型设计）, 用于维多利亚皇冠型轿车30History of Wheel Force Transducer车轮六分力传感器发展历史车轮六分力传感器发展历史Single Piece Design 整体式设计L Strut Configuration L型桥路设计Cabling through Spindle 信号由特殊改制的传动轴输出31History of Wheel Force Transducer车轮六分力传感器发展历史车轮六分力传感器发展历史Original complete one wheel system with Tr

15、ansducer Interface Unit (TIU) 最初的一套完整的六分力传感器系统，带TIU接口单元32History of Wheel Force Transducer车轮六分力传感器发展历史车轮六分力传感器发展历史AT Caldwell Award for Technical Paper on WFT WFT技术论文所获奖励33History of Wheel Force Transducer车轮六分力传感器发展历史车轮六分力传感器发展历史Second Generation Evolves to be like the modern WFT 第二代-与现在主流的WFT产品已经非常

16、相似34Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器essentially a “disk” designed to replace the center of the vehicle rim that is strain gaged to measure forces and moments about its center本质上来说，它就是一个替代汽车轮辋中心部分的圆盘，通过其上的应变片来测量作用在车轮中心位置上的力和扭矩。So what exactly is a Wheel Force Transducer?什么是

17、车轮六分力传感器？35a 6 degree of freedom sensor capable of measuring vertical, lateral, and longitudinal forces simultaneously with brake, steer, and camber moments 在车轮制动、转向和外倾时，能够同时测量车轮的垂直、侧向及纵向的力和扭矩的六自由度的传感器。Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器What does it do? 它用来做什么？36FyFxFzMyMxMzi

18、deally that sensor would allow for accurate translation of the rotating measurements into the more useful inputs to the vehicle at the tire patch or the spindle such as vertical, lateral, and longitudinal forces simultaneous with brake, steer, and camber moments 理想状态下，传感器能够测量车轮制动、转向和外倾时的垂直、侧向及纵向的力，并

19、对这些测量的参数进行精确转换，从而得到更有用的通过车轴或者车轮传递给汽车的输入量。FyFxFzMyMxMzSeries 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器37MxMzFzFxFyMyNot only did PCB make the first Wheel Force Transducer, we also made the first single piece designPCB不仅仅是第一套WFT的设计制造者，同时也是单片式设计的发明者FyFxFzMyMxMzSeries 5400 Wheel Force Transdu

20、cer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器38MxMzFzFxlike all WFTs, the strain gaged elements rotate as the wheel rotates, rendering the in-plane forces and moments “unresolved” and rotating, too和所有的WFT一样，当车轮旋转的时候，应变片也会旋转，面内的力和扭矩也一起旋转to provide more useful measurements to engineers, the coordinates of these unreso

21、lved forces and moments are transformed to vehicle coordinates, often at the tire patch center or spindle center.为了给工程师提供更有用的测量数据，这些旋转坐标系的力和扭矩要转换为车辆坐标系。FyMyFyMzMyFxFzMxSeries 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器39TCLSCLSCL= Spindle Centerline 车轴中心线TCL= Tire/Wheel Centerline 车轮中心线“O”

22、= Offset or distance from the wheel center-line to the wheel-to-spindle mating surface 车轮中心线与车轮轴配合面的间距Standard “Single” tire/wheel cross-section标准单轮截面图标准单轮截面图“o”Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器40Single wheel WFT set-up 单轮单轮WFT结构结构SCL= Spindle Centerline 车轴中心线TCL= Tire/Whee

23、l Centerline 车轮中心线XCL= Wheel Force Transducer (or WFT) Centerline 车轮六分力传感器中心线The wheel force transducer is designed to replace the center hub of a specially machined rim or wheel and strain gaged to measure 3 forces and 3 moments simultaneously about its center.车轮六分力传感器安装在经过特殊加工的轮辋和轮毂之间，并利用应变片来同时测量中

24、心位置上的3个方向的力及3个方向的扭矩。XCLTCLSCL“a”“s”Series 5400 Wheel Force Transducer5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器41SCL= Spindle Centerline 车轴中心线TCL= Tire/Wheel Centerline 车轮中心线XCL= Wheel Force Transducer (or WFT) Centerline 车轮六分力传感器中心线Wheel offset from the centerline of the tire to the centerline of the transducer prod

25、uces a moment about the vehicle X-axis due to the vertical load. When considering the load rating of the transducer, this moment is added to the moment produced by side loading at the tire patch. On-line correction for this offset is available 由于垂直载荷使得车轮中心线与传感器中心线之间产生一个沿车辆X轴方向的扭矩。如果考虑传感器的额定载荷，这个扭矩就被

26、加载到了车轮侧面负载所产生的扭矩之上，对于这个偏置可以进行在线修正。Single wheel WFT set-up 单轮单轮WFT结构结构XCLTCLSCL“a”“s”Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器42XCLTCLTCLSCLDual wheel WFT set-up 双轮双轮WFT结构结构SCL= Spindle Centerline 车轴中心线TCL= Tire/Wheel Centerline 车轮中心线XCL= Wheel Force Transducer (or WFT) Centerline 车

27、轮六分力传感器中心线PCB is the only company to offer a flexible enough WFT design that the sensor may be “reused” in various wheel configurations and axle locations. The PCB WFT may be used for driven and trailing axles, front turning or tag axles, and single, super single, and dual wheel set-ups.PCB是唯一一家能够提供

28、灵活的WFT设计方案的公司，传感器可以在各种车轮配置及车轴位置情况下重复使用。PCB的WFT可以用于驱动牵引轴，前转向或连接的轴，单轮，超大单轮或者双轮结构。Series 5400 Wheel Force Transducer5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器43Super Single wheel WFT set-up 超大单轮超大单轮WFT结构结构XCLTCLSCLSCL= Spindle Centerline 车轴中心线TCL= Tire/Wheel Centerline 车轮中心线XCL= Wheel Force Transducer (or WFT) Centerlin

29、e 车轮六分力传感器中心线This configuration is quite common with heavy truck vehicles in Europe.该结构在欧洲的重卡车型中极为普遍Series 5400 Wheel Force Transducer5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器445400系列车轮六分力传感器主要由传感器、放大器、滑环、信号调理仪、电缆等组成。滑环放大器传感器信号调理仪电缆Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器45Cross Sectional View of

30、WFTWFT横截面图横截面图Sensor 传感器传感器Slip Ring Adapter滑环适配器滑环适配器Hub Adapter 轮毂适配器轮毂适配器Custom Rim定制轮辋定制轮辋Slip Ring Assembly*滑环套件滑环套件Vehicle Hub车辆轮毂车辆轮毂tire walls轮胎壁轮胎壁*Telemetry available遥测可选遥测可选 Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器46Class 10.9 or better lug bolt fasteners with a unique

31、tapered face for increased clamp load of Sensor to wheel and hub, signal cable, tether rod and suction-cup clamps to provide a fixed mechanical “zero” reference for coordinate transformations 10.9级或者更好的扁尾螺栓紧固件，独一无二的锥形面设计，可以增加传感器与车轮和轮毂之间的夹紧力，信号线，线头和吸入式锥形夹头可以提供固定的机械零点参考-用于坐标系转换Required Accessory Packa

32、ge附件包附件包Specific to every application based upon tire size, axle type, and bolt pattern - PCB recommends (and will design and deliver) rims for wheel force transducer - machined from forged Alcoa 6061-T6 AL not welded基于各种应用的轮胎尺寸，车轴类型以及螺栓式样定制-PCB推荐(并负责设计和运输)适用于WFT的定制轮辋，由6061-T6 AL式铝材锻造，非焊接成型Custom Ri

33、m定制轮辋定制轮辋Single machined adapter bolts between sensor and vehicle hub interface - available for passenger car and light truck. Heavy truck/bus sensors have integral hub or universal hub adapter (to allow same sensor to be used on US, EU or Military wheels 位于传感器和车辆轮毂之间的整体式螺栓接口适配器，适用于乘用车和轻卡，重卡和客车具有集成的

34、轮毂以及通用的轮毂适配器(使美式、欧式以及军用车轮均可以使用同样的传感器)Hub Adapter轮毂适配器轮毂适配器slip ring, encoder - instrument quality encoders capable of transferring amplified signals of sensors Forces, Moments, angular position, and speed滑环，整合了编码器，能够将放大后的传感器的力和扭矩，角位置及车速等信号进行传输Slip Ring Assembly滑环套件滑环套件Single machined interface to ou

35、tboard of WFT sensor - provides protected passage of unamplified connections of sensor to preamplifier ring on outer edge of wheel - sized to selected sensor and rim WFT传感器外侧的整体式接口，能够为传感器和车轮外侧的前置放大器之间的未放大信号提供保护，并提供与传感器和轮辋的尺寸匹配Slip-Ring Adapter滑环适配器滑环适配器Single machined piece of metal (aluminum, stain

36、less steel, or titanium) - designed with 6 individual strain gage bridges each sensitive to one of 3 forces or 3 moments 整体式金属加工(铝、不锈钢、钛)，由六组独立的应变式电桥组成，分别感应三个方向的力和扭矩WFT Sensor车轮六分力传车轮六分力传感器感器DESCRIPTIONPART NAMETIUTransducer Interface Unit (TIU)传感器信号调传感器信号调理仪理仪Amplifies signals and transforms rotati

37、ng signals of sensor to vehicle coordinates - outputs resolved force, moment, speed and position signals对信号进行放大，并将传感器的旋转信号变换到车辆坐标系- 输出转换之后的力、扭矩、车速以及位置信号Series 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器47WFT 技术规格技术规格参数Passenger Car5410-01ALight Truck5411-01ALight Truck XL5412-01AMedium Truc

38、k5413-03AHeavy Truck (286 mm)5414-01AHeavy Truck (335 mm)5415-01AHeavy Truck(Universal)5416-02AFx30 kN40 kN60 kN60 kN140 kN140 kN200 kNFy15 kN20 kN30 kN30 kN70 kN70 kN100 kNFz30 kN40 kN60 kN60 kN140 kN140 kN200 kNMx4 kNm5 kNm8.5 kNm10 kNm30 kNm30 kNm45 kNmMy5.6 kNm6.5 kNm8.5 kNm10 kNm30 kNm30 kNm45

39、kNmMz4 kNm5 kNm8.5 kNm10 kNm30 kNm30 kNm45 kNmWeight4.0 kg5.36 kg8.7 kg14.5 kg27.2 kg34 kg57 kgMin. Wheel Size330 mm13”356 mm14”356 mm14”406 mm16”495 mm19.5”571 mm22.5”495 mm19.5”Max. Hub Dia.152 mm6.0”152 mm6.0”152 mm6.0”190 mm7.5”Fits 11.25” x 10 bolt M22 patternFits 335 mm x 10 bolt M22 patternVa

40、riousMaterialAluminum铝铝Aluminum铝铝Aluminum铝铝Titanium 钛钛Aluminum 铝铝Aluminum铝铝Stainless不锈钢不锈钢Hub AdapterYesYesYesYesNoNoYesSeries 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器 485410 - 5413 ExampleSlip Ring AssemblySensorSlip Ring AdapterHubHub AdapterCustom WheelSeries 5400 Wheel Force Transduc

41、er 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器495414 and 5415 ExamplesDual RearSingleEx: slip ring with amplifierSensorCarrier (top hat)HubSeries 5400 Wheel Force Transducer 5400系列车轮六分力传感器系列车轮六分力传感器50Competitive Edge竞争优势竞争优势Proven 1-piece sensor (increased efficiency, unparalleled value):整体式传感器整体式传感器 (提高效率提高效率)Fast se

42、t-up and calibration 快速设置和校准Widest flexibility 灵活性强Unique safety and reliability features 独一无二的安全性和可靠性Durability 耐久性51 Fast set-up and calibration 快速设置和校准No hub adapter required for heavy truck mounts right onto test vehicle重卡不需要轮毂适配器-正确安装于测试车辆即可Superior temperature performance(Tmax 150C, compensati

43、on 0.005%/ ) ideal for brake studies优越的温度稳定性(温度上限150C，补偿0.005%/)-制动研究的理想选择Competitive Edge竞争优势竞争优势Fast Setup and Calibration 快速设置和校准快速设置和校准52Competitive Edge竞争优势竞争优势Widest Flexibility 灵活性强灵活性强Signal transmission includes slip ring or telemetry 信号传输可通过滑环或者遥测两种方式Accommodates steered, dual rear, super

44、single, or trailing wheels/axles适用于操控、双轮、超大单轮或者单轮的车轮No recalibration required when switching wheel configurations改变车轮设置的情况下无需再校准Universal heavy truck hub adapter available 通用的重卡轮毂适配器easily switch from US - Euro Military 美式、欧式和军用车辆任意变换53Exclusive fastening technology - higher clamp load, greater secu

45、rity独有的紧固技术，夹紧力更大，更安全Highest water/dust ingress protection 最高的防水防尘保护Temperature compensation integrated into the transducer传感器集成温度补偿Minimal crosstalk due to unique design for struts 独立式设计使得交叉干扰最小Competitive Edge竞争优势竞争优势Unique safety and reliability features独一无二的安全性和可靠性独一无二的安全性和可靠性54Lightest WFT sens

46、or and assembly 最轻的安装好的轮力传感器Durable design (available in AL, SS, or Ti) 耐久设计(铝、不锈钢、钛可选)150% FS overload rating simultaneous in all axes150% FS 各轴向同时的过载保护Integral stops for extreme overload protection过载保护立刻停止工作，保护传感器Competitive Edge竞争优势竞争优势Durability 耐久性耐久性55Applications 应用应用One transducer for severa

47、l applications:一种传感器，多种应用：Road load data acquisition (RLDA) 道路载荷试验数据采集Road Simulation Testing on a variety of manufacturers testing systems 基于制造商的各种测试设备的道路模拟试验 Tire characterization and tread wear testing 轮胎性能和胎面磨损试验Suspension characteristics analysis 悬架特性分析Vehicle Dynamics Model development 车辆动力学模型

48、开发NVH and Ride & Handling 振动噪声舒适度、乘坐和操控性分析56Perform data acquisition on a variety of vehicles with the same sensor用同样的传感器在各种车辆上进行试验数据采集Minimal set up time最短的设置时间Reliable data out to 400 Hz达400Hz的可靠数据Applications 应用应用Road load data acquisition (RLDA) 道路载荷试验数据采集道路载荷试验数据采集57Use the transducer with

49、either custom or OEM testing systems可在定制的或者OEM的测试系统中使用传感器Analog signals feed right into the servo or dynamometer controller模拟信号传输给伺服控制器或者测功机Communicates to any test system能与任何测试系统通讯Applications 应用应用Road Simulation Testing 道路模拟试验道路模拟试验58Applications 应用应用Tire characterization and wear 轮胎性能和磨损试验轮胎性能和磨损试验Perform multi degree of freedom characterization for tires 检测轮胎多自由度的特性Static or dynamic characterization静态或动态特性59Applications 应用应用Suspension characteristics analysis悬架特性分析悬架特性分析 DECOUPLED CONCEPT, MOVIN