车轮力传感器的优化设计大学论文.docx

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车轮力传感器的优化设计大学论文

江苏科技大学

本科毕业设计（论文）

学院机械工程学院

专业机械电子工程

学生姓名侯瑾

班级学号0645502103

指导教师李忠国

二零一零年六月

江苏科技大学本科毕业论文

车轮力传感器的优化设计

TheOptimizedDesignOfWheelForceTransducer

江苏科技大学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：

机械与动力工程专业：

机械电子工程

学生姓名：

侯瑾学号：

0645502103

指导教师：

李忠国职称：

讲师

毕业设计（论文）题目：

车轮力传感器的优化设计

一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）

1提供条件：

车轮力传感器相关资料和弹性体的有关尺寸以及施加载荷等；

2设计内容与要求:

（1）了解车轮力传感器的用途、结构和工作原理，了解弹性体在传感器工作时的受力状况。

（2）学习并掌握ansys有限元分析软件。

（3）建立车轮力传感器弹性体的有限元模型，定义单元类型，设置适当的边界条件，正确划分网格。

（4）加载扭矩为10000N*m时求解有限元问题，对求解结果进行分析，找出受力梁的最大变形处，即为应变片粘帖位置。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸、软件、译文等）

1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；

2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；

3．配图一张。

三、完成日期及进度

2009年12月25日至2010年5月31日。

进度安排：

1.12.25-2.28，查阅资料、调研，学习有限元分析的理论，完成开题报告；

2.3.1－4.26学习ansys软件，建立弹性体有限元模型，并完成中期检查报告。

3.4.27－5.31求解分析，并完成论文撰写；

4.5.31网上提交论文，然后根据意见修改，并完成答辩准备工作；

5.6.12-6.13，毕业答辩。

四、主要参考资料（按参考文献的规范格式填写）

1.东方人.ANSYS7.0入门与提高[M].北京：

清华大学出版社，2004

2.张乐乐，谭南林，焦风川.ANSYS辅助分析应用基础教程[M].北京：

清华大学出版社,2006

3.张为公.基于车轮力测量的汽车道路试验系统研究与开发[D]:

[博士论文].南京：

东南大学，2001

4.白雪飞.路面功率谱的采集与模拟方法研究[D]:

[硕士学位论文].上海：

上海交通大学，1999

5.靳晓雄等．汽车振动分析[M]．上海：

同济大学出版社．2002．

指导小组组长：

（签字）20年月日

主管院长：

（签章）20年月日

注：

1、如页面不够可加附页

2、以上一～五项由指导教师填写

摘要

对车轮力传感器弹性体进行结构力学分析，是研究其可靠性、寻求最佳设计方案的主要手段。

由于车轮在行驶过程中载荷情况较为复杂，采用经典力学的计算方法往往有很大的局限性，因此本文采用有限元方法对车轮力传感器弹性体进行应力及应变分析，确定弹性体的几何尺寸。

本文通过使用ANSYS软件参数化设计语言（APDL），建立一组多个车轮力传感器弹性体的有限元模型，然后对加载约束及大小为10000N*m扭矩的弹性体进行结构应力分析，最后使用MATLAB软件对分析结果进行拟合，得到应变与变形梁宽的关系，再以优化约束条件最终计算出尺寸优化结果并加以验证。

本文不但找到了变形梁的最大变形处，即应变片贴片位置，还对弹性体的关键数据梁宽进行了优化，得到的优化结果为8.6mm。

这为精确掌握车轮与地面之间的作用力及其在各种条件下的载荷分布、分析汽车整车系统对外激励载荷的动态响应与特性、对汽车结构部件和传动零部件进行机械可靠性设计等提供了可靠的依据。

关键词：

ANSYS；有限元分析；弹性体；优化；车轮力传感器

Abstract

Thestructuremechanicsanalysistotheelastomerofthewheelforcetransduceristhemainmethodofstudyingitsreliabilityandseekingtheoptimumdesignscheme.Becausetheloadingconditioniscomplexwhilethewheelisrunning,methodofclassicalmechanicstocalculateoftenhastheverybiglimitation.Inthisarticle,finiteelementmethodisusedtocarryonthestressandthestrainanalysisofthewheelforcetransducerelastomerfordefinitingelastomer'sgeometrysize.

Inthisarticle,agroupofWFTelastomer'sfiniteelementmodelsarebuiltbyusingANSYSParameterDesignLanguage（APDL）.Totheelastomers,whichareloadedbyrestraintand10000N*mtorque,thestructuralstressanalysisarecarriedon.TheMATLABsoftwarearealsousedtocarryonthefittingfortheanalysisresult,andtherelationsbetweenstrainandthewidthofdeformationbeamareobtained.Finally,theoptimiztionconstraintconditionisselectedtocalculatetheoptimizationresultofsizeandconfirm.

Notonlythisarticlehasfoundthedeformationbeam'sbiggestdeformedlocation,namelythepositiontopastestraingauges,butalsohascarriedontheoptimizationtotheelastomer'sessentialdata,thewidthofbeam.Theoptimizedresultis8.6mm.Thisprovidesreliablebasisforgraspingactionbetweenthewheelandthegroundandloaddistributionundereachkindofconditionprecisely,analyzingthedynamicresponseandthecharacteristicofthevehicle'sentiresystemwiththeforeigndriveload,carryingonthemechanicalreliabilitydesigntothevehiclestructurepartandthetransmissionsparepart,andsoon.

Keywords：

ANSYS；FiniteElementMethod；Elastomer；Optimition；WFT

第一章绪论

1.1选题目的及意义

车轮力传感器是通过在弹性体上布片实现六维力的测量。

在应变式传感器设计中，测量点的选取直接影响传感器的输出灵敏度、多维力对应变片的耦合影响以及应变片的组桥，这就需要找出弹性体受力梁的最大变形处，即应变片粘帖位置。

对车轮力传感器弹性体的结构进行有限元分析和优化设计，可以有效的解决这一问题。

车辆行驶过程中，作用在车轮轮胎上的力和力矩如图1-1所示[1]。

图中坐标系是美国汽车工程师学会推荐的常用坐标系的一种。

坐标系原点是轮胎接触地面的中心。

x轴是车轮平面与地面的交线，前进方向为正。

z轴垂直于地平面向下为正。

y轴在地平面内，其方向要按右手直角坐标系定。

汽车行驶在路面上时车轮受到的力为：

地面切向反作用力（纵向力）

、侧向力

、法向力（垂直力）

、翻转力矩

、扭矩（滚动力矩）

、回正力矩

。

图1-1车轮受力分析

地面切向反作用力（纵向力）

是道路对轮胎的作用力的合力沿X轴方向的分力。

侧向力

是道路对轮胎的作用力的合力沿Y轴方向的分力。

法向力（垂直力）

是道路对轮胎的作用力的合力沿Z轴方向的分力。

翻转力矩（倾侧力矩）

是道路对轮胎的作用力绕x轴的力矩。

扭矩

和回正力矩

分别是道路对轮胎的作用力绕Y轴和z轴的力矩。

国内外现有的通用型车轮力传感器和测量装置，均是按此定义来对车轮载荷进行测量。

利用车轮力传感器测量车轮上各维载荷的变化，可分析汽车整车和各分系统的一些重要特性[2]，如：

（1）研究汽车制动系统，进行ABS（AntilockBrakingSystem）系统评价和开发；

（2）评价汽车动态性能，如制动、加速、胎面磨损和计算机模型验证等；

（3）进行路谱数据采集，利用测量数据和控制软件进行路谱再现，从而对整车系统进行实验室道路模拟测试；

（4）汽车悬架特性动态测量；

（5）动态测量整车参数（质心高度、转动惯量等）。

利用车轮力传感器所测得的数据还可以进行路面不平度的研究。

所谓路面不平度，是指路面相对于基准平面的高度沿道路的走向的变化[3]，如图1-2所示。

图1-2路面不平度示意图

因为路面不平度反映了路面不平整的程度，亦即单位距离内路面起伏变化的程度，所以路面不平度参数成为衡量道路等级的重要指标之一。

路面是车辆行驶的主要环境，路面不平度会影响车辆的寿命和行驶的安全性、操纵稳定性等等，所以路面不平度的研究在交通运输领域占据了重要地位，越来越受到重视。

研究路面不平度对于汽车室内道路模拟试验，检测路况决定维修时机，车辆平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性以及承载系的可靠性和寿命，车速和车辆运行安全，飞机起降的安全性，高炮、火炮在转移时的运输安全，军用车辆机械性能、动力性能、道路通过性能等的试验和鉴定，均起到重要的作用[4]。

（1）用于汽车室内道路模拟试验

在国家产业政策的支持下，我国汽车工业近年来迅猛发展。

汽车工业是国民经济中产业关联度高、规模效益明显、资金和技术密集的重要产业，在经济发展战略中具有十分重要的地位。

提高企业自主研发和自主创新的能力、大力发展自主品牌也就成为我国汽车工业“十一五”发展重点，主要包括发展具备自主知识产权的平台产品研发能力（包括整车和发动机）、整车开发能力等。

汽车研发的一个重要手段是进行汽车道路试验。

汽车道路试验有室内模拟试验、汽车试验场试验和室外道路试验。

室内模拟试验同汽车试验场试验和室外道路试验相比可以缩短和调节试验周期，试验结果重复性强、精度高，可以排除气候等因素的影响，试验可控性好，便于对比，利于样品的保密等等优点。

零部件设计、样机试验以及新车出厂前的磨合、检验等都离不开室内道路模拟试验。

室内模拟试验成为近代汽车研发的一个必不可少的内容。

路面不平度会引起车辆的振动，导致垂直载荷发生变化，成为车辆零部件损害的主要原因。

另一方面路面不平度还会影响车辆行驶舒适性、操向稳定性和行驶安全性等等。

因而路面不平度信息成为汽车室内模拟试验不可缺少的输入信息。

1965年美国通用汽车公司用液力激振器台面的垂直运动模拟路面不平度，把整车的各个车轮分别置于各个液力激振器台面之上模拟整车道路试验的工况。

1974年由MTS公司提出了间接参数控制（或远程参数控制，RemoteParameterControl）试验技术模拟汽车在路面激励下的响应，使汽车在室内试验中的响应逼近实际路面的响应。

远程控制参数框图见图1-3。

要逼近真实路面的响应，需要将模拟试验中车辆和实际道路行驶中车辆的响应力特征比较，然后进行不断反馈调整，最后使模拟试验和实际道路中的响应特性一致。

由于汽车零部件的寿命主要与汽车的响应力有关，所以该法使室内模拟试验的有效性得到了提高。

以响应逼近代替路面轮廓逼近成为了汽车道路模拟试验的一个飞跃[5]。

图1-3RPC控制框图

我国进行汽车道路模拟试验起步较晚。

上海汽车工业技术中心于1992年从美国MTS系统公司引讲的轴藕合16通道道路模拟系统。

这套具有九十年代初国际先进水平的道路模拟系统，能通过联接在各个车轮中心处的加载机构，精确地模拟4个车轮中心的垂直、横向，纵向及制动共16通道的运动或受力状态，可完成整车模拟试验，也可分成前、后各8个通道分别对样车的前、后桥独立进行试验。

利用该套设备进行了许多试验台控制方面的研究。

使用上述系统进行汽车室内道路模拟试验时，要实现的目标是在模拟点得到的响应数据和期望的路面在该点的响应数据接近。

期望的路面在该点的响应数据（响应力）是什么需要确知，这需要采集路面的载荷谱。

比较期望数据和响应数据是否一致，就是判断响应数据是否是某种路面的期望数据。

这些工作都可由基于车轮垂直动载的路面不平度分析完成[6]。

（2）检测路况决定维修时机

随着我国经济的发展和改革开放的深入，交通基本建设的投入也不断增大，近十年来，公路建设取得了巨大的成就。

截止2002年底，我国公路通车里程己超过159万公路（香港、澳门特别行政区和台湾的公路里程未统计在内），其中高速公路2.5万多公里，居世界第二位（仅次于美国），2003年有望超过2.8万多公里。

到2003年初，全国的公路网密度已达到14.9公里/百平方公里，一个千支衔接、布局合理、四通八达的全国公路网已初步形成。

据统计，目前我国公路总里程约占亚洲公路总里程的19%以上，其中高速公路里程占亚洲的67%以上，建设速度之快是史无前例的。

随着道路里程增长的同时，交通流量越来越大，而交通流量的加大无疑加大了道路的维修成本。

而道路维修费用却是大有学问，按照道路使用寿命的概念来说，它存在最佳维修时机。

这个技术就是PSI（PresentServiceabilityIndex）。

国际大量研究表明，根据PSI技术来确定道路的维修时机和维修内容，才能使维修费用最省。

与造价相关的维修费用高昂，国外公布的路道维修的成本是天文数字。

20世纪70年代美国编制的十三年维修预算高达1300亿美元，可见该技术在国民经济中的地位。

所以科学地按照PSI技术可以节省大量的资金。

或者说不运用该技术，所造成损失也可能是天文数字。

20世纪80年代我国某城市花费数百万元人民币维修了一条道路，一位作PSI研究的教授评估说：

这是一次错误的维修。

路面不平度是PSI技术的重要组成部分。

所以，路面不平度的应用研究，对国民经济有重大价值，特别是我国高速公路的建设飞速发展的今天，有着更大的意义。

（3）其它用途

路面不平度使车辆在行驶中产生振动，不仅直接影响了车辆平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性以及承载系的可靠性和寿命，同时也对车速和车辆运行安全产生影响[7]。

机场路面不平度分析对空中运输的安全更为重要。

在飞机起飞尤其降落时，速度极高，路面不平度会对飞机产生巨大的冲击，众多空难就是在飞机起飞和降落时发生的。

美国早在20世纪40年代就对军用机场跑道不平度进行过谱分析。

当年在美国和欧洲，曾经测量了数十个飞机场跑道的不平度。

高炮、火炮在转移时的运输安全对路面不平度也有很高的要求，其可靠性牵引试验是国防科工委武器试验场的重要试验项目之一。

另外军用车辆机械性能、动力性能以及道路通过性能等的试验和鉴定也是路面不平度分析的一个用途。

综上所述，对弹性体的结构进行优化设计，使车轮力传感器能够准确的测量出车轮所受的各维力，无论在理论研究还是生产实践方面都具有重要的意义。

1.2本课题主要研究内容

1、了解车轮力传感器的用途、结构和工作原理，了解弹性体在传感器工作时的受力状况。

2、学习并掌握ANSYS有限元分析软件。

3、建立车轮力传感器弹性体的有限元模型，定义单元类型，设置适当的边界条件，正确划分网格。

4、加载扭矩为10000N*m时求解有限元问题，对求解结果进行分析，找出受力梁的最大变形处，即为应变片粘帖位置。

1.3国内外研究现状及存在的问题

二十一世纪是一个在车轮上向前迈进的世纪，没有一项科技成就比汽车对我们的世界和社会产生更为深远的影响，可以说，上个世纪是一个汽车工业的世纪。

自从1908年亨利•福特先生和他的福特汽车公司推出世界上第一辆真正属于普通百姓的汽车——福特T型车以来，千千万万汽车进入了人类家庭，如今汽车己成为现代生活不可缺少的一种工具。

在发达国家，汽车的普及已到了很高的程度。

美国每个家庭平均拥有的汽车数量是2～3辆。

我国汽车工业近几年的发展成绩颇为显著。

据人民网和交通网的资料显示，2004年全年中国汽车产销量在400万辆左右，其中轿车170万辆左右，预计到2010年，中国汽车产量将达到1000万辆。

目前全国个人汽车的保有量超过1200万量：

我国高速公路通车总里程己突破3万公里，位居世界第二。

汽车工业已被国家确定为国民经济的支柱产业，是国家扶持和重点发展的产业之一。

与汽车相关的各种零部件以及试验系统的研究也越来越受到人们的关注。

国外从上世纪八十年代中期开始研究车轮力传感器，用于汽车道路试验系统的研究[8]。

由于汽车实际行驶过程中，其车轮受到六维力（侧向力、垂直力、纵向力、侧倾力矩、横摆力矩、扭矩）的作用，轮力传感器的输出信号具有强耦合性和非线性时变，而且车轮的使用环境和恶劣，空间尺寸的限制，所以轮力动态测量在技术上难度很大。

九十年代初美国SHC公司、德国HBM公司和日本小野相继出现车轮扭矩传感器产品。

目前，对车轮力传感器的研究已经从一维向多维发展。

美国DATRON、MTS、ATIIndustrialAutomation、MichiganScientificCorporation；德国LBF研究所、CORRSYS研究中心；瑞士KistlerInstrument等均在进行车轮多维力测量技术的研究，并取得一定的成果，有一些已转化为产品，在1999年3月MTS公司公布了用于测量汽车车轮载荷的车轮力传感器的重要新闻，同时申请了该产品的专利，它可以测量汽车在行驶过程中车轮上的六维作用力（侧向力、垂直力、纵向力、侧倾力矩、横摆力矩、扭矩）。

2000年，美国R&D（研究与发展）杂志评选100项年度工程成果，WFT列在其中。

在传感器信号传输方面，国外产品普遍采用电感式非接触信号传输方式，只有瑞士KistlerInstrument研制成功无线信号传输（WirelessSignalTransmission）式WFT，该传感器可与专用车轮辋连接，同时每个传感器上还有用于测量温度的热电偶（Thermocouple）装置，传感器的输出信息通过无线传输的方式发射到车内的接收装置[9]。

在中国，汽车道路数据采集沿用七十年代末，八十年代初的技术，采用单个仪器对不同的汽车道路数据进行采集，用磁带机记录被测信号，然后用进口的数据处理器对模拟量进行处理[10]。

近年来，有的单位已经开始在计算机上通过编制专用软件进行处理和实时综合测量，并在加载驱动力矩

下，用单维传感器系统处理分析汽车道路数据，并且也有越来越多的国内学者开始研究多维力传感器。

但用多维传感器系统处理当传感器在受力和扭矩

，

，

，

，

和

时的实时综合测量仍在研究和改进中[11]。

1996年机械部重点立项对车轮力传感器及汽车道路数据采集系统进行研究，由东南大学仪器科学与工程学院试验室与跃进汽车集团共同承接，1998年完成了车轮扭矩单参数测试技术的研究并进行了应用，取得了初步成果，以车轮扭矩传感器为核心的汽车道路测试系统于1998年通过技术鉴定，获江苏省省级科技进步二等奖，该成果填补了国内在车轮力传感器方面的空白。

1.4研究方法、步骤和措施等

本文利用有限元分析技术，对专用型车轮力传感器弹性体进行分析和计算。

由于车轮在行驶过程中载荷情况较为复杂，采用经典力学的计算方法往往有很大的局限性，因此采用有限元方法对车轮力传感器弹性体进行应力及应变分析，确定弹性体的几何尺寸及设计要求。

由于车轮传感器弹性体模型结构较为复杂，在利用有限元软件建立模型时，采用实体单元进行建模可以达到较高的建模精度。

可利用ANSYS分析软件建立传感器弹性体结构实体图及网格化图。

具体步骤如下：

1、在ANSYS软件中建立弹性体实体模型；

2、对弹性体模型划分网格；

3、按照条件加载边界约束和力矩；

4、求解结果。

查看应力应变云图，找出最大变形位置，即为应变片粘贴位置；

5、以合适的应变输出灵敏度作为目标值，利用ANSYS软件对弹性体变形梁的关键尺寸进行优化设计。

第二章有限元分析基础理论与软件介绍

随着科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大的变化。

近年来，集计算机设计、分析、仿真技术于一体的虚拟样机技术，引起人们的广泛重视，并越来越多地应用于工程实践。

数字化的虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性的革命，以其为基础的现代设计方法的出现改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减少昂贵的物理样机制造及实验过程，设计人员可直接在计算机上进行快速分析，比较多种设计方案，进行优化，在设计中及时发现问题，提高产品质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。

而有限元法（有限单元法）是当今工程界分析中应用最广的数值计算方法。

由于它的通用性，一直受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的发展，它已成为计算机辅助设计（CAD）计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分，并已发展成计算机辅助工程。

2.1有限元法的发展概况

有限元法的起源可以追溯到20世纪初，当时有一些研究人员利用等价弹性杆来近似模拟连续的弹性体。

然而，人们公认Courant（1943）是有限元法的奠基人。

在20世纪40年代，Courant发表了一篇论文，他第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合的方法来研究扭转问题。

在20世纪50年代，Boeing及其后来学者采用了三角形应力单元来建立飞机机翼的模型，极大地推动了有限元法的发展。

之后，一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限元的概念。

然而，直到1960年美国的飞机结构工程师CloughRW才在一篇名为“平面应力分析的有限元法的论文中首先使用“有限元法”。

它是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。

由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。

直到1963年MeloshRJ在论文中提出有限元法的基础是变分原理，它是基于变分原理的一种新型Ritz法（采用分区插值方案的新型Rit法）。

这样就使数学界与工程界得到了沟通，获得了共识，从而使有限元法被公认为既有严密理论基础又有普通应用价值的一种数值方法。

到20世纪60年代末70年代初，出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。

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