混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的產(chǎn)品優(yōu)化不僅涉及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，還包括所有的車輛部件。特別是整車輕量化，一直以來(lái)都是車企研發(fā)的重點(diǎn)。整車重量減輕的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的操控性能和最優(yōu)的能耗，與此同時(shí)，對(duì)整車的耐久可靠性和安全性也提出了更高的要求。因此，在車輛驗(yàn)證階段，整車特別是底盤部件需要進(jìn)行嚴(yán)苛的耐久測(cè)試（機(jī)械應(yīng)力測(cè)試），對(duì)核心零部件進(jìn)行可靠性考核和失效壽命預(yù)測(cè)。為此，Vector推出CSM測(cè)量模塊和AXON遙測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的一體化方案，測(cè)量車輛懸架部件的疲勞強(qiáng)度。

仿真和驗(yàn)證

下擺臂和轉(zhuǎn)向拉桿的質(zhì)量是簧下質(zhì)量的一部分，對(duì)整車動(dòng)態(tài)操控性能和乘坐舒適性有很大影響。在設(shè)計(jì)這些部件時(shí)，需要在零件強(qiáng)度和質(zhì)量之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。在開發(fā)過(guò)程中，首先通過(guò)仿真，預(yù)測(cè)各種駕駛工況下零件承受的預(yù)期力。然后在道路測(cè)試和試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該零件進(jìn)行驗(yàn)證。獲得的數(shù)據(jù)會(huì)反饋到仿真模型中，用于后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)。因此，為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，需要測(cè)量作用在懸架結(jié)構(gòu)上的力。為此需要在上下擺臂和兩個(gè)轉(zhuǎn)向拉桿上安裝應(yīng)變片，并將獲得的數(shù)據(jù)與傳動(dòng)軸扭矩溫度、減震器行程等信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，用于追蹤力傳遞到車身或者轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路徑，評(píng)估不同駕駛工況下的懸架負(fù)載情況，為下一步零件優(yōu)化提供依據(jù)。

測(cè)試需求

驗(yàn)證上下擺臂和轉(zhuǎn)向拉桿的可靠性，必須測(cè)量其零件上的作用力以及懸架行程、轉(zhuǎn)向角和速度信號(hào)。

1.

測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備較高的防護(hù)等級(jí)，滿足復(fù)雜惡劣的測(cè)試環(huán)境。

2.

信號(hào)種類多，因此需要測(cè)試系統(tǒng)能夠同步測(cè)量，所測(cè)信號(hào)同步精度優(yōu)于1微秒。

3.

轉(zhuǎn)向拉桿和上下擺臂是剛度很高的部件，這意味著在正常駕駛工況下應(yīng)變值較低。因此，所使用的數(shù)采設(shè)備和傳感器必須具有非常高的分辨率，以便捕捉非常小的信號(hào)變化。

4.

在極端駕駛測(cè)試工況（如交變道路、山路等）中可能會(huì)出現(xiàn)非常高的應(yīng)變值，因此測(cè)量系統(tǒng)也必須具有足夠的動(dòng)態(tài)測(cè)試性能：高頻捕捉瞬態(tài)變化的信號(hào)。

5.

在測(cè)量旋轉(zhuǎn)部件時(shí)，由于傳感器必須安裝在軸上，跟隨驅(qū)動(dòng)軸一起高速旋轉(zhuǎn)，因此數(shù)據(jù)傳輸很困難，并且懸架系統(tǒng)空間狹窄，不便于測(cè)試設(shè)備的安裝，因此必須通過(guò)無(wú)線測(cè)量的方式記錄數(shù)據(jù)。

解決方案

基于上述需求，Vector整合CSM數(shù)采系統(tǒng)和AXON的扭矩溫度遙測(cè)系統(tǒng)，推出全套懸架負(fù)載測(cè)試方案（如下圖），可用于整車耐久性測(cè)試和底盤懸架負(fù)載測(cè)試，考核整車操控性能和零部件的疲勞耐久壽命預(yù)測(cè)。

> 高測(cè)量精度、高采樣頻率

轉(zhuǎn)向拉桿和上下擺臂中的拉伸/壓縮載荷通過(guò)合理布置應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，如T型應(yīng)變片-由兩對(duì)彼此呈90°排列的測(cè)量柵絲組成。STG6 pro BS20應(yīng)變測(cè)量模塊每個(gè)通道都支持不同的電橋電路，如全橋、半橋或四分之一橋。與測(cè)量模塊匹配的線纜自帶電阻，與外部應(yīng)變片可直接組成惠斯通電橋，無(wú)需進(jìn)一步布線，方便快捷并且可支持多種應(yīng)變片電阻值。STG6 pro BS20應(yīng)變測(cè)量模塊的測(cè)量分辨率極高，可達(dá)±0.03 mV/V，因此可以精確記錄極其微小的形變信號(hào)。每個(gè)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)速率高達(dá)20 kHz，可以快速捕捉到負(fù)載變化。STG6 pro BS20應(yīng)變測(cè)量模塊具有IP67的防護(hù)等級(jí)，支持TEDS功能。減震器的行程測(cè)量則采用合適的行程傳感器配合AD4 IG1000高頻測(cè)量模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1：應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)量模塊STG6 pro BS20

>旋轉(zhuǎn)部件遙測(cè)技術(shù)

驅(qū)動(dòng)軸扭矩和溫度的測(cè)量采用CSM長(zhǎng)期合作伙伴AXON Systems GmbH的扭矩溫度遙測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。借助AXON的解決方案，用于扭矩測(cè)量的旋轉(zhuǎn)應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)和用于記錄溫度的熱電偶數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳輸。

圖2：AXON轉(zhuǎn)子電氣設(shè)備和定子天線，用于非接觸式傳輸來(lái)自軸上應(yīng)變片和溫度傳感器的數(shù)據(jù)（圖片源于：AXON Systems GmbH）

該系統(tǒng)中，熱電偶和應(yīng)變片連接到轉(zhuǎn)子單元，該單元安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，并配有多層保護(hù)涂層，減少外部環(huán)境干擾。數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳輸?shù)蕉ㄗ訂卧?，定子單元的天線則是圍繞軸環(huán)形排布，從而允許軸在駕駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)測(cè)試。定子單元的天線可以自由成形，因此可以靈活地適應(yīng)狹窄的安裝空間?？刂茊卧獮檗D(zhuǎn)子單元上的傳感器提供必要的電源并轉(zhuǎn)發(fā)記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特之處在于，轉(zhuǎn)子電氣設(shè)備的電源由控制單元提供并通過(guò)定子單元感應(yīng)傳輸，這就意味著轉(zhuǎn)子電氣設(shè)備不需要電池供電，因此維護(hù)成本極低。此外，AXON遙測(cè)系統(tǒng)使用的環(huán)形天線可以記錄背景電磁頻譜，并作為反向信號(hào)，用于扭矩溫度測(cè)量信號(hào)的偏移補(bǔ)償，從而確保得到幾乎無(wú)外部電磁干擾的真實(shí)數(shù)據(jù)，因此適用于電動(dòng)汽車EMC電磁干擾很強(qiáng)的環(huán)境。

圖 3：安裝在車輛上的AXON扭矩溫度遙測(cè)系統(tǒng)（照片源于：AXON Systems GmbH）

圖 4：除了滿足車軸上的傳感器遙測(cè)，AXON還可以提供用于一體式的扭矩測(cè)量法蘭（圖片源于：AXON Systems GmbH）

>高精度信號(hào)時(shí)鐘同步

應(yīng)變測(cè)量模塊和行程位移測(cè)量模塊通過(guò)一根信號(hào)線級(jí)聯(lián)在一起，然后與XCP-Gateway相連。XCP-Gateway通過(guò)精確時(shí)間協(xié)議（PTP）對(duì)測(cè)量模塊采集的信號(hào)進(jìn)行PTP時(shí)鐘同步，同步精度優(yōu)于1微秒，并將EtherCAT信號(hào)轉(zhuǎn)換為基于XCP on Ethernet協(xié)議的信號(hào)進(jìn)行傳輸。來(lái)自AXON遙測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線集成到測(cè)量鏈路中，并通過(guò)XCP-Gateway與應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)整合在一起。VX1000可以從ECU實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)向角和速度。采集的數(shù)據(jù)可通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀或電腦進(jìn)行記錄，記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)CANape或vMeasure進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后處理。

總結(jié)

通過(guò)整合Vector/CSM的E-Mobility測(cè)量系統(tǒng)和AXON的遙測(cè)技術(shù)，整套底盤懸架機(jī)械負(fù)載測(cè)試方案可以高精度地捕捉底盤部件的相關(guān)動(dòng)態(tài)信號(hào)（形變、力、位移、扭矩、加速度等），用于車輛操控和耐久性能評(píng)估，對(duì)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、疲勞耐久壽命預(yù)測(cè)和改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于其設(shè)計(jì)緊湊、堅(jiān)固耐用，環(huán)境防護(hù)等級(jí)高，測(cè)量模塊和遙測(cè)系統(tǒng)可以安裝在測(cè)量點(diǎn)位附近，既可用于道路測(cè)試，也可用于臺(tái)架測(cè)試。整個(gè)系統(tǒng)靈活可拓展，可以大大節(jié)省時(shí)間和成本。