关于车载自称重系统的方法研究

李旭明，刘 杰，冯江峰，丁念红

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

前言

道路运输是国民经济的基础产业，随着该产业的不断壮大，如何使整车运输市场更加规范化应成为当务之急。了解实际整车满载总质量，可以为用户提供更加合理的车型配置，也为售后判定是否超载及运输过程中是否有货物抛洒问题提供了有效依据。考虑到车辆行驶的动态连续性及称重的便利性，目前较为流行的车辆称重方法有两大类：一类是轴计量式动态称重，即车辆经过称重台，轮轴识别器、称重传感器等通过对轴组的称量，得到车货总重[1]。该方法无法做到一称一车的测量模式，也就无法有效避免误差。该方法对司机行驶行为标准要求较高，当车辆采用S型驾驶等方式经过称重台，测量结果也会产生较大误差；二类是车辆自称重系统，通过设计操作便捷、排除人为作弊、可随时监测的自称重系统，可为用户、厂家提供有效的车货总重信息。以下阐述了几种正在开发的自称重系统，主要包括对其工作原理、使用情况的介绍。

1 基于大数据的自称重系统

该自称重系统主要由车辆传感器、无线通讯模块、应用软件等构成。车辆传感器将采集的各路电信号通过报文输出到CAN总线，自称重系统读取CAN收发模块信息。系统直接读取被测车辆信息，包括空气阻力系数CD、迎风面积A、轮胎滚动半径r、驱动桥速比i0、变速箱各档位（直接档/超速挡）等信息。从原始数据中抓取同时间区间内车速va、发动机扭矩Tq、发动机转速n信息，3个通道数据的时间间隔可能不同。通过程序筛选出同一秒3个通道均有响应的数据，并将其组合输出。式（1）计算驱动桥输入转速n输入，从而求得变速箱的实时速比i实时（式（2））。将实时速比i实时与变速箱档位设计速比相匹配，计算时需考虑变速箱档位及离合器接合状态。

假设汽车在最高档匀速行驶，且公路坡度近似为0，此时可忽略坡度阻力和加速阻力。通过汽车行驶方程式（式（3））及实际车辆工况标定的系数，输出平均整车满载总质量，程序语句图1所示：

图1 输出平均整车满载总质量

由该自称重系统的计算过程可见，其结果依赖于车辆工况标定系数的准确性。当被测车辆的实际使用工况与建模相差较大，系统测得的整车满载总质量将失真。后期考虑使用GPS信息等形式，提高被测车辆与建模的匹配度。

2 应用应变传感器的自称重系统

该自称重系统主要由车载显示屏、车载重量检测仪、重量传感器等构成。选择车桥作为监测对象，如图2所示，车桥上的传感器将应变信号转化为电信号，车载重量检测仪接收导线传输的电信号，经过分析处理后传输给位于驾驶室的车载显示屏，显示屏显示实时车货总重信息。

图2 自称重系统结构示意图

车桥在整车的位置如图3所示，将应变传感器布置于车桥（前轴、中桥、后桥）上，为提高应变传感器测量的准确性，布置位置的应变应当与被测力有准确对应关系，且应变水平较高[2]。其传感器的布置位置通过有限元分析确定：本文采用模型为11.5 t单级减速驱动桥桥壳总成，板簧中心距为1 008 mm，轮辋安装距为1 860 mm，桥壳截面规格160× 135。经三维软件建模，导入有限元分析软件中，桥壳总成按四面体单元格划分网格，网格大小为6。弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3，密度按照7.9×103kg/m3。桥壳总成模型已按轮辋安装距截取，在两侧车轮中心处分别添加约束。依据垂向工况，在钢板弹簧座中心处分别施加垂向载荷。通过对桥壳变形结果的分析，确定桥包两侧与弹簧垫压板之间的区域形变量大。考虑传感器布置的便利性、精确性，如图4所示，最终选择布置在桥壳上方变形量较大的桥包两侧。标定其形变量与承载大小的关系，换算每根车桥上的载重量，求和即是车货总重。

图3 前轴、中后桥与平衡悬架示意图

图4 应变传感器三维布置

由该系统的工作原理可知，车桥承载与弯曲变形之间的关系需要标定，可为小批量产品提供自称重服务，但产品难以产业化。基于应用应变传感器的自称重系统，考虑将应变传感器更换为无需标定的压力传感器。

3 应用压力传感器的自称重系统

该自称重系统布置形式基本同上述应用应变传感器的自称重系统，包括通过导线相连的压力传感器、电子控制单元及车载显示屏。由图3可知，板簧直接与车桥两端滑板支架接触，将压力传感器布置在板簧下方（如图5所示）。电子控制单元将压力传感器传递的信号进行处理，通过计算得到两侧重量之和，累计每根车桥上的载重量及车桥本身重量，即为车货总重。

图5 压力传感器三维布置

考虑直接将压力传感器与滑板支架设计为一体，即两侧钢板弹簧与滑板支架曲面接触直接反馈给压力传感器。压力传感器通过螺栓与滑板支架固定，其与钢板弹簧的接触曲面要求耐磨。

4 结论

自2020年1月1日起，交通部为贯彻货车限重政策，涉及全国的高速路口设立了不停车称重系统。相比自称重系统，按轴收费的不停车称重系统对司机的行为标准要求较高。由于传统称重方式存在弊端，本文提出了自称重系统的思路，并介绍了较为实用的三种自称重方式。系统通过对大数据的处理或检测车桥受力的传感器来计算车货总重，并将误差控制在3%左右。最后分析几种车载自称重系统的不足以确定改进方向，对车载称重系统方案的推行具有积极意义。