王楷焱，王靈犀，任曉雪，張宏遠(yuǎn)

（1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校 物流管理系，遼寧 沈陽 110122）

目前，發(fā)動機(jī)的振動主要通過發(fā)動機(jī)懸置元件進(jìn)行控制。因此，發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的隔振性能直接關(guān)系到整車NVH 性能的表現(xiàn)［1］。發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的隔振性能通常采用振動加速度來評價。相對于振動加速度的評價方法，在車輛行駛時，使用懸置傳遞力評價可以避免由路面引起的車身側(cè)振動對評價結(jié)果的影響，是一種最為直接、有效的評價方法［2］。但是，由于發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較緊湊，難以布置測力傳感器。因此，如何有效地對懸置力進(jìn)行測試，成為了該評價方法的制約條件［3］。在懸置力測試方面的研究并不多見，王祖建等［4］通過三分力設(shè)備實現(xiàn)了懸置支架處載荷的測試。張秉虎等［5］應(yīng)用路譜采集器，獲取了懸置位置的位移載荷。除了通過直接測試外，牟小龍等［6］通過時域動剛度法，間接獲得了懸置傳遞力。

1 測力傳感器原理分析及試制

1.1 電阻應(yīng)變片基本原理

電阻應(yīng)變片是一種電阻值隨著自身變形而產(chǎn)生變化的傳感器，設(shè)應(yīng)變片的長度為l，電阻率為ρ，橫截面積為s，其電阻的表達(dá)式為

將A=πr2（r為電阻的半徑）及式（1）代入式（2），并簡化，可得

對于金屬電阻而言，Sg一般為常數(shù)。因此，電阻應(yīng)變片的電阻變化和應(yīng)變值呈線性關(guān)系，可通過測量電阻應(yīng)變片的電阻變化，實現(xiàn)對應(yīng)變值的測量［8］。

1.2 傳感器的設(shè)計與制作

通過對懸置傳遞力路徑以及電阻應(yīng)變片式傳感器原理的分析，采用在懸置膠體與車身支架的連接螺栓處布置電阻應(yīng)變片的方式制作懸置測力傳感器。

制作傳感器時，首先在螺栓頭部轉(zhuǎn)孔，孔徑為2 mm，用于布置電阻應(yīng)變片的連接導(dǎo)線，在螺栓中部銑出一個凹槽，用于布置電阻應(yīng)變片；然后，對加工表面進(jìn)行表面打磨、清潔等工序，并用膠水將應(yīng)變片粘在螺栓凹槽中；最后，通過白色硅膠進(jìn)行封裝，作為電阻應(yīng)變片表面防護(hù)，如圖1 所示。電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)如表1所示。

圖1 傳感器樣件

表1 電阻應(yīng)變片參數(shù)

2 懸置測力傳感器標(biāo)定

2.1 測試系統(tǒng)搭建

懸置傳遞力的測試系統(tǒng)主要包括懸置測力傳感器、電橋、放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦等。

電阻應(yīng)變片在使用時需要搭建電橋，電橋的結(jié)構(gòu)形式包括單臂電橋、半橋、全橋。本文選擇了半橋的連接方式，一方面由于該方式具有一定的溫度補(bǔ)償能力，可以保證測試精度；另一方面由于連接螺栓尺寸的限制，難以采用全橋連接方式［9-10］。

設(shè)半橋式連接方式中的4 個電阻分別為R1、R2、R3、R4。通常將電阻R1和R2接入被測零件，當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)變后，相應(yīng)的阻值變化為R1+ΔR1和R2+ΔR2。假 設(shè) 系 統(tǒng) 內(nèi)R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=-ΔR2=ΔR時，電橋的輸出為

2.2 測試系統(tǒng)標(biāo)定

搭建測試系統(tǒng)后，需要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定傳感器的電壓信號與懸置力的比例關(guān)系。標(biāo)定方法依據(jù)力矩平衡原理，即懸置傳遞力產(chǎn)生的力矩與發(fā)動機(jī)輸出的扭矩平衡，而發(fā)動機(jī)輸出的扭矩可以通過對驅(qū)動輪的驅(qū)動力進(jìn)行換算獲得，驅(qū)動輪的驅(qū)動力則通過雙轂式底盤測功機(jī)進(jìn)行測試。測試時，車速為30 km/h，擋位為2 擋，發(fā)動機(jī)負(fù)荷為全負(fù)荷，如圖2所示。

圖2 整車標(biāo)定試驗

驅(qū)動輪的驅(qū)動力Ft與發(fā)動機(jī)輸出的扭矩Ttq關(guān)系如下：

式中，ig為變速器傳動比；i0為主減速器速比；r為輪胎滾動半徑；ηT為傳動系統(tǒng)機(jī)械效率。

試驗車的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。對試驗所測得的驅(qū)動力曲線進(jìn)行換算，得到發(fā)動機(jī)輸出的扭矩曲線，如圖3所示。

表2 試驗車參數(shù)

圖3 發(fā)動機(jī)輸出扭矩曲線

由于懸置測力傳感器測出的信號為寬頻帶信號，不利于傳感器的標(biāo)定，因此需要對測試信號進(jìn)行處理。本文采用小波分析的方法，通過Matlab軟件中的db小波對信號進(jìn)行處理［11］，如圖4所示。所得前、后懸置測試信號的基波如圖5所示。

圖4 懸置測試信號小波分析

圖5 前、后懸置測試信號基波

由圖5 可知，前、后懸置曲線的第一峰值振幅絕對值之比為2.63，即前、后懸置的懸置力之比近似為2.63。同時，懸置傳遞力與發(fā)動機(jī)輸出的扭矩滿足如下平衡關(guān)系：

式中，F(xiàn)1為前懸置傳遞力；F2為后懸置傳遞力；l1為前懸置到動力總成曲軸中心線的垂直距離，試驗車為0.354 m；l2為后懸置到動力總成曲軸中心線的垂直距離，試驗車為0.249 m。

根據(jù)前、后懸置力的比值及式（8）可得：

根據(jù)式（9）和（10），對圖5 中發(fā)動機(jī)扭矩曲線進(jìn)行處理，得到前、后懸置的懸置力理論計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 前、后懸置力計算曲線

最后，將計算出的前、后懸置的懸置力分析曲線幅值作為縱坐標(biāo)，小波法處理后的測試信號曲線幅值作為橫坐標(biāo)，繪制散點圖，并進(jìn)行曲線線性擬合［12］，如圖7所示。

圖7 傳感器標(biāo)定曲線

擬合后，得到傳感器標(biāo)定公式：

式中，A1為前懸置測試信號幅值；A2為后懸置測試信號幅值。

3 懸置傳遞力整車測試

對懸置測力傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，為了獲取實際工況下的懸置傳遞力，對試驗車進(jìn)行了定置和2 擋行駛工況試驗［9-10］。試驗的測試設(shè)備主要包括懸置測力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、信號調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡、逆變器、電腦筆記本等設(shè)備，如圖8所示。

圖8 整車試驗測試設(shè)備

車輛定置試驗共包括5 個工況，每個工況下的發(fā)動轉(zhuǎn)速保持恒定，如表3所示。

表3 定置試驗工況表 rpm

試驗測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 定置工況懸置力測試結(jié)果

由圖9 可知，測試曲線帶有明顯的周期性，這與發(fā)動機(jī)的周期性工作相對應(yīng)。在定置工況下，發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的懸置力的幅值變化并不明顯，這主要是由于發(fā)動機(jī)幾乎無負(fù)載。因此，發(fā)動機(jī)的功率變化不大。同時，也說明懸置隔振性能變化不大。

2 擋道路行駛試驗共包括5 個工況，每個工況下的發(fā)動轉(zhuǎn)速保持恒定，如表4所示。

表4 2擋行駛試驗工況表 rpm

試驗測試結(jié)果如圖10所示。

由圖10 可知，懸置傳遞力基本上隨著車速的增加而不斷增大，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500 rpm 時，動力總成懸置傳遞力的幅值最大，這與發(fā)動機(jī)輸出功率的變化趨勢保持一致。但是，轉(zhuǎn)速在1 500 rpm時，懸置傳遞力較大，這可能是由于懸置支架與車身連接位置的動剛度較差，存在局部模態(tài)導(dǎo)致。

圖10 2擋行駛工況懸置力測試結(jié)果

4 結(jié)論

基于應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和基本原理，通過在懸置元件中的連接螺栓上布置應(yīng)變片的方式，制作了懸置測力傳感器。借助底盤測功機(jī)測得驅(qū)動輪驅(qū)動力，經(jīng)過換算得到了發(fā)動機(jī)扭矩。根據(jù)前、后懸置測力傳感器信號峰值的比例關(guān)系，得到懸置力的理論曲線，結(jié)合傳感器電壓信號，實現(xiàn)了對懸置力傳感器的標(biāo)定。通過整車試驗，獲得了車輛在定置和2 擋行駛工況下的懸置力測試結(jié)果，為懸置隔振性能的評價和分析提供了有效的依據(jù)。