1  自主多分力傳感器開發(fā)背景

隨著中國經濟的快速發(fā)展，汽車產業(yè)取得了極大的進步與提升，從產業(yè)規(guī)模上，早已成為名副其實的制造大國，然而，大而不強的局面一直沒有得到有效改善，自主汽車生產與研發(fā)能力依舊薄弱，商用車動力學測試、理論及應用的技術更是嚴重滯后于乘用車。近幾年是我國航空工業(yè)發(fā)展的黃金時期，有大批的在役、在研項目，但由于缺乏航空輪胎六分力的實測數(shù)據(jù)，導致設計階段的仿真分析和實際情況發(fā)生偏差，往往到了試驗階段才能發(fā)現(xiàn)起落架系統(tǒng)發(fā)生擺振等系列問題，嚴重時還需設計更改，帶來時間周期拖延、試驗費用增加、設計質量無法有效保證等問題。當前我國正處于百年未有之大變局的關鍵階段，面對激烈的市場競爭，汽車與飛機產品質量與創(chuàng)新能力急需提升，建立測試、理論及應用技術三位一體的自主知識產權體系是高性能汽車與飛機設計開發(fā)的關鍵，實際經驗表明，理論及應用技術發(fā)展的主要推動力是測試技術的進步。

力是改變物體運動狀態(tài)的原因，動力學的核心任務是研究復雜工況下力與運動的耦合作用關系。作為與地面接觸唯一部件的輪胎，承載了汽車或飛機的載荷和運動功能，輪胎動力學是飛機自主研發(fā)和汽車自主發(fā)展的重要切入點，同時也是瓶頸，而輪胎動力學測試技術是基礎保障。

輪胎動力學測試設備開發(fā)的難點在于關鍵部件的開發(fā)，比如重載輪胎動力學特性測試需要的大量程六分力傳感器，我國所需的六分力傳感器基本依賴國外進口，若采購大量程的六分力傳感器就需要投入巨額資金，而且也掌握不了相關技術，所以對于關鍵部件需要投入資源進行研發(fā)，這樣才能保障輪胎動力學測試技術的持續(xù)發(fā)展。

2  自主多分力傳感器開發(fā)研究進展

2.1  自主多分力傳感器發(fā)展歷程

圍繞輪胎動力學測試進行多分力傳感器開發(fā)的機構不多。為了有效支撐輪胎動力學理論研究，1973~1984期間，郭孔輝院士主導開發(fā)了第一代平板式輪胎動特性試驗臺QY7329，如圖2-1所示。該試驗臺采用重塊加載，核心測力模塊由兩個2分力及一個單分力傳感器組成，基于組合式解算原理進行FX、FY及 MZ的測量，也可測量Mx與My。


圖 2-1 第一代平板式輪胎動特性試驗臺

1995~2004 期間，郭孔輝院士團隊完成第二代平板式輪胎動特性試驗臺開發(fā)，如圖2-2所示。該試驗臺采用液壓伺服加載，同時保留重塊加載，路面可實現(xiàn)側傾，核心測力模塊依舊采用組合式測量原理，由一個上臂2分力、一個下臂3分力、雙側橫拉桿單分力解算六分力。其中，三分力傳感器由原機械工業(yè)部長春試驗機研究所測力研究室主任鄔顯義研究開發(fā)。


圖2-2 第二代平板式輪胎動特性試驗臺

東南大學是國內較早開展輪力傳感器研究開發(fā)的單位。自1996年，基于內外環(huán)輪輻式結構，如圖2-3所示，圍繞彈性體結構優(yōu)化、結構解耦、精度分析、誤差補償、信號解耦方法、慣性解耦、多路信號傳輸方式、性能標定等進行了系統(tǒng)深入的研究，培養(yǎng)了一大批碩博士研究生，開發(fā)了能夠滿足商用車測量需求的六維輪力傳感器，如圖2-4所示。


圖2-3 東南大學內外環(huán)輪輻式結構


圖2-4 東南大學輪力傳感器在商用車上的應用

哈爾濱工業(yè)大學的崔勝民教授團隊及武漢理工大學的姜曼松高工對輪胎多分力傳感器研發(fā)也有研究。應長春孔輝汽車科技有限公司需求，原機械工業(yè)部長春試驗機研究所測力研究室主任鄔顯義基于MSC構型，開發(fā)了輪力六分力傳感器，如圖2-5所示。


圖2-5 MSC 構型輪力六分力傳感器

2017 年，在盧蕩教授帶領下，吉林大學輪胎動力學創(chuàng)新團隊開發(fā)了室外移動拖車輪胎測試平臺，能夠滿足輪胎高速、重載的多工況試驗，是國內自主研發(fā)的首臺大載荷移動測試拖車，如圖2-6 所示。由于大量程六分力傳感器價格昂貴且后期維護保養(yǎng)費用較多，團隊開始自主進行并完成一體式四立柱六分力傳感器的開發(fā)與標定，該傳感器能夠滿足80kN的載荷測量，如圖2-7所示。


圖2-6 室外移動測試拖車


圖2-7 四立柱傳感器及其標定

隨后，盧蕩教授團隊開發(fā)了第一代車載旋轉端智能車輪三分力傳感器, 如圖2-8所示，并完成裝車驗證，如圖2-9所示。


圖2-8 車載旋轉端智能車輪三分力傳感器


圖2-9 智能車輪三分力傳感器裝車驗證

緊接著圍繞產業(yè)化應用，開發(fā)了固定端智能車輪六分力傳感器，目前已經完成原理設計，準備加工試制，如圖2-10所示。


圖2-10 固定端智能車輪六分力傳感器

2.2  自主多分力傳感器開發(fā)關鍵技術

總體來說，多分力傳感器開發(fā)涉及需求定義、虛擬設計、加工制造、電氣集成、標定驗證及系統(tǒng)總成裝配等環(huán)節(jié)，其中虛擬設計和標定驗證最為關鍵。虛擬設計決定著多分力傳感器性能所能達到的理想邊界，標定驗證則意味著理想性能所能實現(xiàn)的程度。通常而言，虛擬設計是利用有限元仿真的手段，以強度及應用空間尺寸為約束，以靈敏度最大化及串擾最小化為目標，對多分力傳感器的結構及尺寸進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)給定邊界條件下的最優(yōu)解，實現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的多分力傳感器設計。

以吉林大學四立柱拖車傳感器設計為例，如圖2-11所示，為該傳感器在 Fx加載下的變形示意簡圖。圖2-10Fx作用下四立柱傳感器變形示意圖


圖2-11 Fx作用下四立柱傳感器變形示意圖

在Fx作用下，紅色部分表面被拉伸，產生正應變，灰色部分表面被壓 縮，產生負應變，從靈敏度的角度，應變片應貼在表面兩端根部位置，接橋方式如圖2-12所示。


圖2-12 Fx通道接橋



受Mx時，立柱發(fā)生彎曲變形，如圖2-13所示，灰色部分為受壓區(qū)域，紅色部分為受拉區(qū)域，若使串擾為零，需滿足R11應變與R12應變絕對值相等；R15與R16應變絕對值相等。為此在設計時需要通過有限元仿真分析的手段適當調整應變片的相對位置，實現(xiàn)上述關系。


圖2-13 Mz作用下四立柱變形

為了更真實地標定實際裝配過程中傳感器的受力狀態(tài)，也需要進行考慮裝配的仿真，從而使仿真更趨近于真實情況，如圖2-14所示。


圖2-14 考慮裝配的有限元仿真

同時，為了使設計的多分力傳感器性能更好地接近其理想性能，標定技術至關重要。在標定過程中，標定夾具與傳感器應盡可能配合良好，螺栓預緊力應盡可能均勻一致，標定過程中正反向加載應保持連續(xù)，最好能夠實現(xiàn)一次裝夾，實現(xiàn)所有性能的標定，否則會對傳感器的線性度、滯后、重復性以及串擾系數(shù)的確定等產生誤差，如圖2-15所示，三次標定結果的重復性不好，最終影響多分力傳感器的使用性能。標定臺進一步的升級改造是下一步研究開發(fā)的重點。


圖2-15 吉林大學原標定試驗臺及標定結果

3  自主多分力傳感器開發(fā)應用

可以看到，自主多分力傳感器開發(fā)已經具有廣闊的應用前景。在車載復雜工況實時六分力測量方面，吉林大學盧蕩教授團隊自主開發(fā)的面向產業(yè)化的智能車輪六分力傳感器已經完成開發(fā)并通過相關專家組的評估，目前正在積極進行試制準備工作，預計6月底將進行由該系統(tǒng)獲取的六分力作為輸入的全新一代基于力控的超高安全性底盤電控系統(tǒng)實車驗證；同時自主開發(fā)的四立柱六分力傳感器將進行裝車及聯(lián)合調試，真正實現(xiàn)輪胎六分力室外測試技術的完全自主化。

在航空輪胎測試領域，依托團隊承擔航空輪胎先導科技專項的研究， 應用自主開發(fā)大噸位六分力傳感器，進行重載（50t）平板式航空輪胎復合工況六分力試驗臺的研制。同時，吉林大學-柳東新區(qū)共建智能網聯(lián)車輛動力學聯(lián)合實驗室將全面采用自主多分力測量系統(tǒng)，包括高速重載航空輪胎試驗臺（50t），輕型高速長軌道試驗臺（1t），高速高剛度試驗臺（6t）及耦合剛度（6t）試驗臺，實現(xiàn)多層級量程的多分力傳感器全體系的技術突破與應用，打破多分力傳感器被國外長期壟斷的局面，全面應用于團隊動力學技術研究。