一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统及方法与流程

1.本发明实施例涉及车辆检测技术，尤其涉及一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统及方法。


背景技术：

2.由于中国道路状况非常复杂，在不同道路上鞍座系统所受激励差距很大，很难对鞍座系统及车架等进行精准设计，鞍座作为牵引车和半挂车之间的连接装置，承受半挂车垂直质量和来自各方向的冲击，同时也起着转向和牵引作用，鞍座质量至关重要。
3.对于牵引车等大型车辆行驶工况通常有常规工况和滥用工况，不同工况下的载荷由于车辆行驶速度及路况存在较大差异，对于有鞍座的牵引车，鞍座主要作用就是连接车头和后面挂车，牵引车和挂车通过主销轴相连，因此在制动以及起步过程中鞍座会受到复杂的动态冲击，冲击载荷非常大，对鞍座以及主销轴的强度和疲劳有很大影响。目前针对鞍座处载荷测量并没有比较成熟的手段，导致车架设计等输入载荷不是很准确。
4.有鉴于此，提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统及方法，解决了目前测量系统不能有效准确测量鞍座在不同工况下x/y/z三个方向的载荷导致的鞍座、车架设计等的输入载荷不准确的问题。
6.本发明实施例提供了一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统，包括：牵引车和挂车，所述牵引车与所述挂车之间设置有鞍座；所述鞍座通过安装架连接测量模块，所述测量模块通过连接板底座连接所述牵引车；所述安装架中的第一安装支架、第二安装支架分别转动安装在所述鞍座的两侧；所述测量单元模块中的第一测量单元模块、第二测量单元模块安装在第一安装支架的两端，所述测量系统中的中的第三测量单元模块、第四测量单元模块安装在第二安装支架的两端；所述第一测量单元模块、第二测量单元模块、第三测量单元模块和第四测量单元模块的结构相同；每个测量单元模块中均设置有下连接板、上连接板，所述下连接板、上连接板之间通过十字型应力块连接，且，所述下连接板、上连接板之间形成缝隙；所述十字型应力块上安装有4个x向应力片、4个y向应力片和8个z向应力片。
7.另一方面，本发明实施例还提供了一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量方法，使用如上所述的用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统，包括如下步骤：s110、在所述牵引车和挂车行驶过程中，分别采集每个测量单元模块中各全桥电路的信号，其中，所述全桥电路包括：所述x向应力片连接形成的第一全桥电路，所述y向应力片连接形成的第二全桥电路，以及所述z向应力片连接形成的第三全桥电路；
s120、根据所述全桥电路信号与各方向受力的耦合关系，求解每个测量单元模块受到的沿x方向的纵向力、沿y方向的侧向力，以及沿z方向的垂向力；s130、根据所有测量单元模块受到的纵向力、侧向力和垂向力，以及在所述连接板底座上的位置，计算所述鞍座绕所述上主销轴受到的力矩。
8.可选实施例中，在所述根据所述全桥电路信号与各方向受力的解耦关系，求解每个测量单元模块受到的沿x方向的纵向力、沿y方向的侧向力，以及沿z方向的垂向力之前，还包括：构建任一测量单元模块受到的沿x方向的纵向力与各全桥电路信号之间的耦合方程，其中，所述耦合方程中的系数待定；对所述测量单元模块多次施加纵向力；测量各全桥电路对每次纵向力的应变信号；将每次施加的纵向力和测量到的信号代入所述耦合方程，得到多个损失函数方程；通过损失函数的最小化，求解各待定系数，构成完整的解耦方程。
9.有益效果在于：牵引车与挂车通过鞍座连接，鞍座通过安装架连接测量模块，测量模块通过连接板底座连接牵引车，通过以上结构模拟车辆真实连接方式，仅将多个测量模块中的多个测量单元模块加设于牵引车和鞍座之间，尽可能不改变原挂车传递至牵引车底板的受力点，可使挂车的力充分作用于鞍座以传递至多个测量单元模块，能准确地检测挂车的作用力及其产生的力矩。
10.尤其需要指出的是，与挂车连接的上主销轴的力不便于测量（无法布置传感器），选择测量鞍座与原牵引车的连接板底座的四个连接处作为测力点，既能简单的将上主销轴承受的挂车作用力转化为四个测力点所受的力准确测量，又能保持实车的真实连接方式相对不变。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1是本发明实施例提供的一种具有鞍座六分力测量系统的商用车的立体结构示意图；图2是图1中a处（鞍座六分力测量系统）的局部结构放大示意图；图3是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中的安装支架与测量单元模块的连接结构示意图；图4是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中的测量单元模块的结构示意图一；图5是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中的测量单元模块的结构示意图二；图6是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中
的应变片的安装结构示意图；图7是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中的第一全桥电路的示意图；图8是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中的第二全桥电路的示意图；图9是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统中的第三全桥电路的示意图；图10是本发明实施例提供的一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量方法的流程示意图；图11是本发明实施例提供的力矩计算的俯视示意图；图12是本发明实施例提供提供的力矩计算的侧视示意图；图13是本发明实施例提供的一种纵向力与各全桥电路电压的耦合关系示意图；图14是本发明实施例提供的一种侧向力与各全桥电路电压的耦合关系示意图；图15是本发明实施例提供的一种垂向力与各全桥电路电压的耦合关系示意图；图中，1、鞍座，2、连接板底座，3、第一测量单元模块；31、下连接板，32、上连接板，33、十字型应力块，34、x向应力片安装位，35、y向应力片安装位，36、z向应力片第一安装位，37、z向应力片第二安装位，38、间隙，39、模块接头，310、第一螺纹孔，311、第二螺纹孔，312、封盖；4、第二测量单元模块，5、第三测量单元模块，6、第四测量单元模块，7、第一安装支架；71、侧主销轴安装孔，72、第三螺栓安装孔；8、第二安装支架，9、侧主销轴，10、上主销轴安装孔。
具体实施方式
13.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
14.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
15.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
16.请参阅附图1-9，本发明实施例提供一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测
量系统，适用于对燃料电池重卡的鞍座受力情况进行测量的情况。测量系统包括：牵引车和挂车，牵引车与挂车之间设置有鞍座1；鞍座1通过安装架连接测量模块，测量模块通过连接板底座2连接挂车；安装架中的第一安装支架7、第二安装支架8分别转动安装在鞍座1的两侧；测量模块中的第一测量单元模块3、第二测量单元模块4安装在第一安装支架7的两端，测量系统中的中的第三测量单元模块5、第四测量单元模块6安装在第二安装支架8的两端；第一测量单元模块3、第二测量单元模块4、第三测量单元模块5和第四测量单元模块6的结构相同；每个测量单元模块中均设置有下连接板31、上连接板32，下连接板31、上连接板32之间通过十字型应力块33连接，且，下连接板31、上连接板32之间形成缝隙38；十字型应力块33上安装有4个x向应力片、4个y向应力片和8个z向应力片。图2中的+fx、+fy和+fz分别表示x方向、y方向和z方向的正方向。
17.通过以上结构，需要强调的是，牵引车与挂车通过鞍座1连接，鞍座1通过安装架连接测量模块，测量模块通过连接板底座连接牵引车，通过以上结构模拟车辆真实连接方式，仅将多个测量模块中的多个测量单元模块加设于牵引车和鞍座之间，尽可能不改变原鞍座传递至牵引车底板的受力点，可使挂车的力充分作用于鞍座以传递至多个测量单元模块，能准确地检测挂车的作用力及其产生的力矩。
18.具体地说，实车中，牵引车与挂车通过鞍座1连接，鞍座1直接连接在牵引车上，鞍座1通过其两侧的四个受力点直接螺栓连接在牵引车上。本实施例中，鞍座1两侧的四个受力点与四个测量单元模块连接，四个测量单元模块再连接在牵引车上，将四个受力点直接作用于测量模块，可准确测量挂车经上主销轴作用于鞍座1的力。
19.第一安装支架7、第二安装支架8的中部均设置有侧主销轴安装孔71，主销轴安装孔71中转动安装有侧主销轴9，侧主销轴9与鞍座1连接。鞍座1的中部设置有上主销轴安装孔10，上主销轴安装孔10中转动安装有上主销轴，上主销轴与挂车连接。
20.在实车中，第一安装支架7和第二安装支架8分别通过两组多个螺栓直接连接在牵引车的连接板底座2上，上述四个连接处即每组多个螺栓连接的几何中心为一个受力点。在本实施例中，下连接板31、上连接板32上分别设置有多个第二螺纹孔311和第一螺纹孔310；上连接板32通过第一螺纹孔310螺栓连接第一安装支架7或第二安装支架8，下连接板31通过第二螺纹孔311螺栓连接牵引车的连接板底座2。将每个测量单元模块设置在两组下连接板31、上连接板32之间，这样第一安装支架7和第二安装支架8的四个受力点分别作用于一个测量单元。由于与挂车连接的上主销轴的力不便于测量（无法布置传感器），采用上述测量方式，即选择测量鞍座1与原牵引车的连接板底座2的四个连接处作为测力点，既能简单的将上主销轴承受的挂车作用力转化为四个测力点所受的力准确测量，又能保持实车的真实连接方式相对不变除增设测量单元模块。优选地，每个下连接板31上的第二螺纹孔311的数量为8个，每个上连接板32上的第一螺纹孔310的数量为8个。
21.进一步地，十字型应力块33上设置有4个x向应力片安装位34、4个y向应力片安装位35和4个z向应力片第一安装位36，4个z向应力片第二安装位37；其中，两个x向应力片安装位34、两个y向应力片安装位35设置于十字型应力块33的上表面；两个x向应力片安装位34、两个y向应力片安装位35设置于十字型应力块33的下表面；每个z向应力片第一安装位36、z向应力片第二安装位37为十字型应力块33的侧壁的中部位置，z向应力片第一安装位36、z向应力片第二安装位37相邻且相互垂直，上述安装位均设置于中部位置，可更好地采
集受力应变，中间位置形变最多。x向应力片安装位34上分别安装有x向应力片x
r1
、x
r2
、x
r3
和x
r4
；y向应力片安装位35上分别安装有y向应力片y
r1
、y
r2
、y
r3
和y
r4
；z向应力片第一安装位36、z向应力片第二安装位37上安装有z向应力片z
r1
、z
r2
、z
r3
、z
r4
、z
r5
、z
r6
、z
r7
和z
r8
。
22.本实施例中，每个应变片相当于一个电阻；x向应力片x
r1
、x
r2
、x
r3
和x
r4
连接形成第一全桥电路，如图7所示；y向应力片y
r1
、y
r2
、y
r3
和y
r4
连接形成第二全桥电路，如图8所示；z向应力片z
r1
、z
r2
、z
r3
、z
r4
、z
r5
、z
r6
、z
r7
和z
r8
连接形成第三全桥电路，如图9所示。每个全桥电路的应变信号线经下连接板31、上连接板32之间的模块接头39穿出。
23.本实施例中，牵引车与挂车通过鞍座连接，鞍座通过安装架连接测量模块，测量模块通过连接板底座连接牵引车，通过以上结构模拟车辆真实连接方式，仅将多个测量模块中的多个测量单元模块加设于牵引车和鞍座之间，尽可能不改变原挂车传递至牵引车底板的受力点，可使挂车的力充分作用于鞍座以传递至多个测量单元模块，能准确地检测挂车的作用力及其产生的力矩。尤其需要指出的是，与挂车连接的上主销轴的力不便于测量（无法布置传感器），选择测量鞍座与原牵引车的连接板底座的四个连接处作为测力点，既能简单的将上主销轴承受的挂车作用力转化为四个测力点所受的力准确测量，又能保持实车的真实连接方式相对不变。
24.此外，为了保鞍座系统安装支架在商用车实际行驶时不会出现结构振动破坏，本技术以采集的用户道路载荷为基础，结合用户调研结果获得90%用户使用载荷情况，以实际用户工况为输入，设计鞍座系统安装支架结构，再结合试验场各个特征路况的基础损伤矩阵，建立“用户-试验场”损伤关联模型，最后对实际用户工况进行试验等效，用等效载荷来考察鞍座设计支架及车架的耐久可靠性能。
25.本发明实施例还提供了一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量方法，采用上述任一实施例所述的测量系统测量燃料电池重卡车的鞍座六分力。如图10所示，该方法具体包括如下步骤：s110、在所述牵引车和挂车行驶过程中，分别采集每个测量单元模块中各全桥电路的信号，其中，所述全桥电路包括：所述x向应力片连接形成的第一全桥电路，所述y向应力片连接形成的第二全桥电路，以及所述z向应力片连接形成的第三全桥电路。
26.具体的，如图7、8、9所示，在每个测量单元模块中，通过每个全桥电路的应变信号线，分别采集各全桥电路中两个电阻之间的电压信号。由全桥电路的特性可知，该电压信号变化满足如下关系：（1）其中，e表示全桥电路的加载电压，表示被测电阻之间的电压，m表示应变片的应变系数，分别表示四个应变片在受到力的作用后电阻值发生的变化。采集到的电压信号用于计算应变片受到的力。
27.s120、根据所述全桥电路信号与各方向受力的耦合关系，求解每个测量单元模块受到的沿x方向的纵向力、沿y方向的侧向力，以及沿z方向的垂向力。
28.该耦合关系可以通过预先标定确定，可以表示为如下形式：纵向力：f
x=c11
×ex
+b
11
+c
12
×ey
+b
12
+c
13
×ez
+b
13 （2）
侧向力：f
y=c21
×ex
+b
21
+c
22
×ey
+b
22
+c
23
×ez
+b
23
（3）垂向力：f
z=c31
×ex
+b
31
+c
32
×ey
+b
32
+c
33
×ez
+b
33
（4）其中，e
x
表示第一全电路的电压，ey表示第二全桥电路的电压，ez表示第三全桥电路的电压。c
ij
和b
ij
（i,j=1,2,3）均表示标定好的系数。具体的标定过程将在后续实施例中详细说明，此处不再赘述。
29.s130、根据所有测量单元模块受到的纵向力、侧向力和垂向力，以及在所述连接板底座上的位置，计算所述鞍座绕所述上主销轴安装孔受到的力矩。
30.车辆行驶过程中，鞍座会由于颠簸产生一定力矩。上主销轴安装孔处的受力情况最复杂的。本实施例在得到各测量单元模块的纵向力、侧向力和垂向力后，进一步进算了鞍座围绕上主销轴安装孔受到的力矩。具体来说，参照图11、12，力矩的计算公式如下：m
x
=(f
z3
+f
z4
)
×
l
1-(f
z1-f
z2
)
×
l
1-(f
y1
+f
y2
)
×
l
3-(f
y3
+f
y4
)
×
l3（4）my=(f
z1
+f
z3
)
×
l
2-(f
z2
+f
z4
)
×
l
2-(f
x1
+f
x2
)
×
l
3-(f
x3
+f
x4
)
×
l3（5）mz=(f
x1
+f
x2
)
×
l
1-(f
x3
+f
x4
)
×
l1+(f
y2-f
y1
)
×
l2+(f
y4-f
y3
)
×
l2（6）其中，m
x
，my和mz分别表示沿x方向、y方向和z方向的力矩，f
x1
、f
y1
和f
z1
分别表示第一测量单元模块3受到的沿x方向、y方向和z方向的力，f
x2
、f
y2
和f
z2
分别表示第二测量单元模块4受到的沿x方向、y方向和z方向的力，f
x3
、f
y3
和f
z3
分别表示第三测量单元模块5受到的沿x方向、y方向和z方向的力，f
x4
、f
y4
和f
z4
分别表示第四测量单元模块6受到的沿x方向、y方向和z方向的力，l1、l2和l3分别表示各测量单元模块沿y方向、x方向和z方向到主销轴安装孔的距离。
31.由于上主销轴与四个测力点之间存在一定的位置关系，为了更准确地对上主销轴进行受力分析，本实施例除了直接计算主销轴的沿三个方向的受力外，还计算了每个测力点对主销轴的力矩，该力矩可以有利于从立体空间的角度分析主销轴的形变和性能，更准确、全面地反映鞍座的受力情况。根据测得的三个方向的最大载荷f
max
和最大力矩m
max
，可以对带鞍座的牵引车和卡车等大型车辆的强度进行分析验证，并对商用车车架等系统进行改进和指导。
32.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对应变片的标定过程进行细化。具体的，对测量单元模块施加确定的输入量力f，可以得到测量单元模块的输出量电压re，输入量f与输出量re存在一种映射关系，标定即为了明确这一映射关系。对于直接输出型传感器（即应力片），每个方向单独输入时只有对应方向有输出，其他方向无输出，则可根据标定结果直接得出各个分量的映射关系。对于间接输出型传感器，单个分量输入时，多个分量产生输出结果，需要进行解耦运算得出输入量与输出量之间的映射关系。因此，在正式进行道路测试前，首先对测量单元模块进行标定，以确定上述映射关系。
33.在一具体实施方式中，标定过程如下：对任一测量单元模块施加单方向的集中载荷力f，三个方向的力分别是f
x
、fy、fz，力导致应变片发生变形，经过测量单元模块组成的电桥后，此时输出电压分别是e
x
、ey、ez。对标定结果进行初步处理得出，主通道（力的施加方向）输入与输出为线性关系，耦合通道（其他两个方向）输出量较小，近似线性关系，如图13、14、15所示，故采用线性解耦方式，构建如公式（2）-（4）所示的耦合方程，其中的方程系数待定。
34.假设标定输入为f
x
、fy、fz，输出电压为e
x
、ey、ez，标定系数为c
ij
，则输入量与输出量
之间可得到如下关系式：标定时对单位测量模块施加单方向的集中载荷力f，三个方向的力分别是f
x
、fy、fz，力导致应变片发生变形，经过单位测量模块组成的电桥后，此时输出电压分别是e
x
、ey、ez，得到力和电压之间的关系为：（7）记为灵敏度系数矩阵，输入为，输出为。
35.则公式（7）可表示为：f=c
×
e（8）可求得：c=f
×
e-1
（9）其中，c为待求解的解耦矩阵。
36.根据力的叠加原理，对三个方向的力与各全桥电路信号的关系分别解耦。下面以x方向的力为例，详细说明解耦过程。首先，将每次施加的纵向力和测量到的信号代入所述耦合方程，得到多个损失函数方程。根据线性回归理论，将公式（2）改写为如下线性回归方程：f
x=c10
+c
11
×ex
+c
12
×ey
+c
13
×ez
+ε（10）则c
10
、c
11
、c
12
和c
13
为回归系数，ε为冗余误差，c
10
=b
11
+b
12
+b
13
。
37.将(e
x
,ey,ez,f
x
)的多组测量数据(e
xk
,e
yk
,e
zk
,f
xk
)(k=1,2,
…
n)代入回归方程（10），可得：f
xk=c10
+c
11
×exk
+c
12
×eyk
+c
13
×ezk
+εk（11）其中，εk表示各次测量值的误差。
38.假设εk的估值为ek，称为残差，也叫损失函数，则上式（11）写成：f
xk=c10
+c
11
×exk
+c
12
×eyk
+c
13
×ezk
+ek（12）假设f
xk
的估值为f
xk
，则：f
xk=c10
+c
11
×exk
+c
12
×eyk
+c
13
×ezk
（13）从而得到多个损失函数方程：ek=f
xk-f
xk
（14）基于以上损失函数方程，通过损失函数的最小化，求解各待定系数，构成完整的解耦方程。具体的，损失函数的平方和最小应满足：（15）由极值原理可知，要使m值达到最小，各c
1i
(i=0,1,2,3)值必须满足：m对各c
1i
的偏导数都为零，即：
（16）（17）此时，继续对公式（17）求偏导得：（18）对偏导公式（18）进行整理，得：（19）将公式（19）写成矩阵形式：（20）因此，（21）。可选地，k=1,2,3。
39.y方向和z方向的解耦过程类似，不再赘述。
40.本实施例提出一种精确的解耦算法，提高了测量准确性。
41.综上，本发明提供了一种用户关联的燃料电池重卡鞍座六分力测量系统和测量方法，解决了如何准确测量牵引车在制动，加速及转弯时不同工况下鞍座所受的大冲击载荷，为商用车鞍座车架及零部件结构设计及分析提供精准载荷力。本发明可有效测量出牵引车等在不同路面的极限载荷，此测量系统也可为其他不同类型的车辆悬架系统设计及载荷获取提供指导。
42.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。