1  自主多分力傳感器開發(fā)背景

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)取得了極大的進(jìn)步與提升，從產(chǎn)業(yè)規(guī)模上，早已成為名副其實(shí)的制造大國，然而，大而不強(qiáng)的局面一直沒有得到有效改善，自主汽車生產(chǎn)與研發(fā)能力依舊薄弱，商用車動(dòng)力學(xué)測(cè)試、理論及應(yīng)用的技術(shù)更是嚴(yán)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(shí)期，有大批的在役、在研項(xiàng)目，但由于缺乏航空輪胎六分力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)階段的仿真分析和實(shí)際情況發(fā)生偏差，往往到了試驗(yàn)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(yán)重時(shí)還需設(shè)計(jì)更改，帶來時(shí)間周期拖延、試驗(yàn)費(fèi)用增加、設(shè)計(jì)質(zhì)量無法有效保證等問題。當(dāng)前我國正處于百年未有之大變局的關(guān)鍵階段，面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，汽車與飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量與創(chuàng)新能力急需提升，建立測(cè)試、理論及應(yīng)用技術(shù)三位一體的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系是高性能汽車與飛機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，理論及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力是測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步。

力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，動(dòng)力學(xué)的核心任務(wù)是研究復(fù)雜工況下力與運(yùn)動(dòng)的耦合作用關(guān)系。作為與地面接觸唯一部件的輪胎，承載了汽車或飛機(jī)的載荷和運(yùn)動(dòng)功能，輪胎動(dòng)力學(xué)是飛機(jī)自主研發(fā)和汽車自主發(fā)展的重要切入點(diǎn)，同時(shí)也是瓶頸，而輪胎動(dòng)力學(xué)測(cè)試技術(shù)是基礎(chǔ)保障。

輪胎動(dòng)力學(xué)測(cè)試設(shè)備開發(fā)的難點(diǎn)在于關(guān)鍵部件的開發(fā)，比如重載輪胎動(dòng)力學(xué)特性測(cè)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(jìn)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(guān)技術(shù)，所以對(duì)于關(guān)鍵部件需要投入資源進(jìn)行研發(fā)，這樣才能保障輪胎動(dòng)力學(xué)測(cè)試技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

2  自主多分力傳感器開發(fā)研究進(jìn)展

2.1  自主多分力傳感器發(fā)展歷程

圍繞輪胎動(dòng)力學(xué)測(cè)試進(jìn)行多分力傳感器開發(fā)的機(jī)構(gòu)不多。為了有效支撐輪胎動(dòng)力學(xué)理論研究，1973~1984期間，郭孔輝院士主導(dǎo)開發(fā)了第一代平板式輪胎動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)QY7329，如圖2-1所示。該試驗(yàn)臺(tái)采用重塊加載，核心測(cè)力模塊由兩個(gè)2分力及一個(gè)單分力傳感器組成，基于組合式解算原理進(jìn)行FX、FY及 MZ的測(cè)量，也可測(cè)量Mx與My。


圖 2-1 第一代平板式輪胎動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)

1995~2004 期間，郭孔輝院士團(tuán)隊(duì)完成第二代平板式輪胎動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)，如圖2-2所示。該試驗(yàn)臺(tái)采用液壓伺服加載，同時(shí)保留重塊加載，路面可實(shí)現(xiàn)側(cè)傾，核心測(cè)力模塊依舊采用組合式測(cè)量原理，由一個(gè)上臂2分力、一個(gè)下臂3分力、雙側(cè)橫拉桿單分力解算六分力。其中，三分力傳感器由原機(jī)械工業(yè)部長春試驗(yàn)機(jī)研究所測(cè)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(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)

東南大學(xué)是國內(nèi)較早開展輪力傳感器研究開發(fā)的單位。自1996年，基于內(nèi)外環(huán)輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示，圍繞彈性體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)解耦、精度分析、誤差補(bǔ)償、信號(hào)解耦方法、慣性解耦、多路信號(hào)傳輸方式、性能標(biāo)定等進(jìn)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(cè)量需求的六維輪力傳感器，如圖2-4所示。


圖2-3 東南大學(xué)內(nèi)外環(huán)輪輻式結(jié)構(gòu)


圖2-4 東南大學(xué)輪力傳感器在商用車上的應(yīng)用

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的崔勝民教授團(tuán)隊(duì)及武漢理工大學(xué)的姜曼松高工對(duì)輪胎多分力傳感器研發(fā)也有研究。應(yīng)長春孔輝汽車科技有限公司需求，原機(jī)械工業(yè)部長春試驗(yàn)機(jī)研究所測(cè)力研究室主任鄔顯義基于MSC構(gòu)型，開發(fā)了輪力六分力傳感器，如圖2-5所示。


圖2-5 MSC 構(gòu)型輪力六分力傳感器

2017 年，在盧蕩教授帶領(lǐng)下，吉林大學(xué)輪胎動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開發(fā)了室外移動(dòng)拖車輪胎測(cè)試平臺(tái)，能夠滿足輪胎高速、重載的多工況試驗(yàn)，是國內(nèi)自主研發(fā)的首臺(tái)大載荷移動(dòng)測(cè)試拖車，如圖2-6 所示。由于大量程六分力傳感器價(jià)格昂貴且后期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較多，團(tuán)隊(duì)開始自主進(jìn)行并完成一體式四立柱六分力傳感器的開發(fā)與標(biāo)定，該傳感器能夠滿足80kN的載荷測(cè)量，如圖2-7所示。


圖2-6 室外移動(dòng)測(cè)試拖車


圖2-7 四立柱傳感器及其標(biāo)定

隨后，盧蕩教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第一代車載旋轉(zhuǎn)端智能車輪三分力傳感器, 如圖2-8所示，并完成裝車驗(yàn)證，如圖2-9所示。


圖2-8 車載旋轉(zhuǎn)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(yàn)證

緊接著圍繞產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，開發(fā)了固定端智能車輪六分力傳感器，目前已經(jīng)完成原理設(shè)計(jì)，準(zhǔn)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(guān)鍵技術(shù)

總體來說，多分力傳感器開發(fā)涉及需求定義、虛擬設(shè)計(jì)、加工制造、電氣集成、標(biāo)定驗(yàn)證及系統(tǒng)總成裝配等環(huán)節(jié)，其中虛擬設(shè)計(jì)和標(biāo)定驗(yàn)證最為關(guān)鍵。虛擬設(shè)計(jì)決定著多分力傳感器性能所能達(dá)到的理想邊界，標(biāo)定驗(yàn)證則意味著理想性能所能實(shí)現(xiàn)的程度。通常而言，虛擬設(shè)計(jì)是利用有限元仿真的手段，以強(qiáng)度及應(yīng)用空間尺寸為約束，以靈敏度最大化及串?dāng)_最小化為目標(biāo)，對(duì)多分力傳感器的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)給定邊界條件下的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的多分力傳感器設(shè)計(jì)。

以吉林大學(xué)四立柱拖車傳感器設(shè)計(jì)為例，如圖2-11所示，為該傳感器在 Fx加載下的變形示意簡(jiǎn)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(chǎn)生正應(yīng)變，灰色部分表面被壓 縮，產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，從靈敏度的角度，應(yīng)變片應(yīng)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(shí)，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?dāng)_為零，需滿足R11應(yīng)變與R12應(yīng)變絕對(duì)值相等；R15與R16應(yīng)變絕對(duì)值相等。為此在設(shè)計(jì)時(shí)需要通過有限元仿真分析的手段適當(dāng)調(diào)整應(yīng)變片的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)上述關(guān)系。


圖2-13 Mz作用下四立柱變形

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


圖2-14 考慮裝配的有限元仿真

同時(shí)，為了使設(shè)計(jì)的多分力傳感器性能更好地接近其理想性能，標(biāo)定技術(shù)至關(guān)重要。在標(biāo)定過程中，標(biāo)定夾具與傳感器應(yīng)盡可能配合良好，螺栓預(yù)緊力應(yīng)盡可能均勻一致，標(biāo)定過程中正反向加載應(yīng)保持連續(xù)，最好能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾，實(shí)現(xiàn)所有性能的標(biāo)定，否則會(huì)對(duì)傳感器的線性度、滯后、重復(fù)性以及串?dāng)_系數(shù)的確定等產(chǎn)生誤差，如圖2-15所示，三次標(biāo)定結(jié)果的重復(fù)性不好，最終影響多分力傳感器的使用性能。標(biāo)定臺(tái)進(jìn)一步的升級(jí)改造是下一步研究開發(fā)的重點(diǎn)。


圖2-15 吉林大學(xué)原標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)及標(biāo)定結(jié)果

3  自主多分力傳感器開發(fā)應(yīng)用

可以看到，自主多分力傳感器開發(fā)已經(jīng)具有廣闊的應(yīng)用前景。在車載復(fù)雜工況實(shí)時(shí)六分力測(cè)量方面，吉林大學(xué)盧蕩教授團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的面向產(chǎn)業(yè)化的智能車輪六分力傳感器已經(jīng)完成開發(fā)并通過相關(guān)專家組的評(píng)估，目前正在積極進(jìn)行試制準(zhǔn)備工作，預(yù)計(jì)6月底將進(jìn)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(shí)車驗(yàn)證；同時(shí)自主開發(fā)的四立柱六分力傳感器將進(jìn)行裝車及聯(lián)合調(diào)試，真正實(shí)現(xiàn)輪胎六分力室外測(cè)試技術(shù)的完全自主化。

在航空輪胎測(cè)試領(lǐng)域，依托團(tuán)隊(duì)承擔(dān)航空輪胎先導(dǎo)科技專項(xiàng)的研究， 應(yīng)用自主開發(fā)大噸位六分力傳感器，進(jìn)行重載（50t）平板式航空輪胎復(fù)合工況六分力試驗(yàn)臺(tái)的研制。同時(shí)，吉林大學(xué)-柳東新區(qū)共建智能網(wǎng)聯(lián)車輛動(dòng)力學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室將全面采用自主多分力測(cè)量系統(tǒng)，包括高速重載航空輪胎試驗(yàn)臺(tái)（50t），輕型高速長軌道試驗(yàn)臺(tái)（1t），高速高剛度試驗(yàn)臺(tái)（6t）及耦合剛度（6t）試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)量程的多分力傳感器全體系的技術(shù)突破與應(yīng)用，打破多分力傳感器被國外長期壟斷的局面，全面應(yīng)用于團(tuán)隊(duì)動(dòng)力學(xué)技術(shù)研究。