基于应变测试的重卡横向推力杆载荷反求

宾凌

（东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，广西柳州545005）

基于应变测试的重卡横向推力杆载荷反求

宾凌

（东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，广西柳州545005）

利用多个应变片组合成测力传感器，布置于某牵引车的横向推力杆上，通过应变测试获取横向推力杆在实际工作环境中的应变数据，同时建立起应变与载荷之间的函数关系，然后将应变换算成载荷，为横向推力杆的强度分析提供更精确的载荷条件。

横向推力杆；应变测试；载荷反求

某6X4重型牵引车后悬挂装配的是空气弹簧悬架。该悬架中有一重要组成部件——横向推力杆（后面简称横推杆），它的一端连接在车桥上，另一端连接在车架的纵梁上，其主要作用是在车桥与车架之间传递汽车的侧向力。

该横推杆主要由球头、连杆、球芯、橡胶、挡圈等零件所组成，其结构如图1所示。

图1 横推杆结构简图

因结构优化的需要，必须对该横推杆做强度校核，由于横推杆的结构比较简单，并且其受力主要是在两端的连接处，受力条件并不复杂，因此要通过有限元分析来准确校核其强度，关键在于如何准确地掌握横推杆的外载荷。

但目前没有适合测量横推杆受力的设备，难以准确获取其外载荷。针对这一问题，本文基于惠斯通桥路原理，将多个应变片组合成测力传感器，布置于横推杆上，再进行应变测试，获取横推杆在汽车实际行驶环境下的应变时域数据，同时建立起应变与载荷之间的函数关系，最终将应变换算成所需要的外载荷。

1 组合应变传感器的基本原理

1.1 惠斯通桥路原理

由于应变片的电阻变化非常小，不容易被测量到，一般是将应变片构成惠斯通电桥，通过测量应变片电阻变化引起的桥路电压输出来得到应变。惠斯通电桥分为恒流惠斯通和恒压惠斯通桥路两种。恒流惠斯通桥路采用电流作为电桥的激励，而恒压惠斯通桥路则是采用电压源作为电桥的激励。恒压惠斯通桥路的应用最为广泛，本文中主要采用的也是恒压惠斯通桥路。典型的恒压惠斯通电桥见图2所示。

图2 恒压惠斯通桥路

图中R1、R2、R3、R4表示电阻，e0为输出电压，Eex为激励电压。输出电压可表示为：

1.2 应变片的布置形式

应变片的布置形式非常多，不同的布置形式可以组合成不同类型的测力传感器，在本文中，主要应用了以下几种应变片的布置形式[1]：

（1）拉/压应变传感器布置形式，见图3.

图3 拉/压应变传感器布置形式

这种布置形式采用全桥桥路，应变片Rg1、Rg3分别与Rg2、Rg4垂直，并且Rg1、Rg2分别与Rg3、Rg4对称布置于被测物件上。

这种布置形式专门用来测量图中箭头方向的拉/压力。当被测物件受到拉/压力作用时，设应变片Rg1、Rg2、Rg3、Rg4产生的应变分别为ε1、ε2、ε3、ε4，则有ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-με，μ为被测物件的材料松泊比，GF为灵敏度系数。输出电压与应变的关系为：

该应变片布置形式的特点是对拉/压载荷产生的应变非常敏感，可排除弯矩和扭转产生的应变的影响，还有温度补偿的作用[2]。

（2）弯曲应变传感器布置形式，见图4.

图4 弯曲应变传感器布置形式

这种布置形式采用半桥（邻边）桥路，应变片Rg1与Rg2对称布置。

当被测物件受到图中箭头方向弯矩时，设应变片Rg1、Rg2产生的应变值分别为ε1、ε2，则有ε1=-ε2=ε，则输出电压与应变的关系为：

该应变片布置形式的特点是对弯矩产生的应变非常敏感，同时可排除拉/压力和扭矩作用所产生的应变的影响，并具有温度补偿作用。

（3）扭转应变传感器布置形式，见图5.

图5 弯曲应变传感器布置形式

这种布置形式也是采用全桥桥路，应变片Rg1、Rg3分别与Rg2、Rg4垂直，Rg1与Rg4平行，Rg2与Rg3平行，同时Rg1、Rg2分别与Rg4、Rg3成对称布置，4个应变片都与被测物件的轴向成45°夹角。

当被测物件受到如图中所示的扭矩时，设应变片Rg1、Rg2、Rg3、Rg4产生的应变值分别为ε1、ε2、ε3、ε4，则有ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε，输出电压与应变的关系：

该应变片布置形式特点是对扭矩作用产生的应变非常敏感，可以排除弯矩和拉/压力作用产生的应变的影响，同样具有温度补偿作用。

2 横推杆的应变测试

2.1 应变片的布置方案

车辆的空气弹簧悬架上前后共有两根横推杆，分别称为中桥横推杆和后桥横推杆，根据横推杆结构和装配特点，将应变传感器贴在每根横推杆的连杆上，布置方案示意见图6.

图6 10应变片布置方案示意

图中所标的每个数字表示一个应变片，一共分成三组应变传感器。每组应变传感器负责测量不同的力和力矩。其中应变片1、2、3、4组成扭转应变传感器；应变片5、6组成水平弯曲应变传感器；应变片7、8、9、10组成拉/压应变传感器。

2.2 应变传感器的标定

应变传感器是由多片应变片所组成，应变片之间的位置有垂直或对称等布置要求，但由于应变片完全由手工粘贴到物件上，难免会存在一定的方位误差，这就造成应变传感器的测量值与理论值存在偏差，为消除这一偏差，需要对应变传感器做标定工作。

标定的主要方法是：将粘贴好应变片的横推杆的一端固定住，然后分别用已知的拉力、弯矩、扭矩施加在横推杆的另一端，从测试仪器上可读取出产生的应变值。由于横推杆的尺寸是已知的，因此可以求解出连杆的横截面积、抗弯和抗扭截面模量，再根据已知的拉力、弯矩、扭矩可求解出连杆上产生的理论应变值，将它除以测试的应变值，就得到一个修正偏差的标定系数。经过标定，最终得到的标定系数如表1所列。

表1 各应变传感器标定系数

2.3 应变测试数据处理及载荷反求

测试的牵引车带上半挂车，满载货物，列车总重约54 t.分别测试获取车辆在高速公路、城市环城路、城镇间三级公路等典型路况下行驶时的应变数据。

完成测试后，还需要对应变数据进行处理，主要是剔除数据中的干扰成分和零点漂移[3]。处理完成后，再将应变数据按以下公式换算成载荷数据。

（1）轴向拉/压力的换算

式中，εp为轴向力拉/压力产生的应变；P为轴向拉/压力；A为横推杆连杆横截面积。

（2）产生弯矩的载荷换算

式中，ε弯为弯矩产生的应变；F为产生弯矩的载荷；M为弯矩；L为弯矩力臂；E为材料弹性模量；Wy为抗弯截面模量。

（3）扭矩的换算

扭矩产生的剪应力与45°截面的正应变关系

ε45°为45°截面正应变。

则作用的扭矩为：

式中，Mn为扭矩；Wn为抗扭截面模量。

求得的载荷还要乘上标定系数进行修正，最后载荷统计结果见表2~4所列。

表2 横推杆轴向拉/压力最大/最小值

表3 横推杆弯曲载荷最大/最小值

表4 横推杆扭矩最大/最小值

从上述表中统计的结果看，横推杆主要受到的是轴向的拉/压力作用，其它方向的力和力矩很小，在强度校核横推杆结构强度时，可以忽略掉其它的受力，只需要将轴向拉/压力作为载荷校核强度即可。

3 结束语

基于惠斯通桥路原理，利用多个应变片组合成测力传感器，对空气悬架中的横推杆进行测试，可获取横推杆上的真实作用力大小，提高了横推杆CAE分析中载荷条件的准确性。

[1]Yung-Li Lee，Jwo Pan，R.B.Hathaway，et al.Fatigue Testing and Analysis[M].张然治，译.北京：国防工业出版社，2011：7-12，17-20，61-72.

[2]郑秀瑷，谢大吉.应力应变电测技术[M].北京：国防工业出版社，1985：17，32-34，37.

[3]张如一，沈观林，李朝弟.应变电测与传感器[M].北京：清华大学出版社，1999：14.

The Recovery of the Heavy Truck Lateral Thrust Rodload Based on Strain Test

BIN Ling
（The Commercial Vehicle Technology Center of Dongfeng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

The use of multiple strain gauge combined sensor is arranged on the lateral thrust rod of a heavy truck. Through the strain test to obtain the strain data of lateral thrust rod in actual work environments.At the same time，establish the function relationship between the strain and the load.Then the strain is converted into load，which provides a more accurate load condition for the strength analysis of the lateral thrust rod.

lateral thrust rod；strain testing；recovery of load

U461

A

1672-545X（2017）06-0041-03

2017-03-25

宾凌（1978-）男，广西桂林人，本科，工程师，研究方向：汽车结构优化。