關(guān)于車載自稱重系統(tǒng)的方法研究

李旭明，劉 杰，馮江峰，丁念紅

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

前言

道路運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，隨著該產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，如何使整車運(yùn)輸市場(chǎng)更加規(guī)范化應(yīng)成為當(dāng)務(wù)之急。了解實(shí)際整車滿載總質(zhì)量，可以為用戶提供更加合理的車型配置，也為售后判定是否超載及運(yùn)輸過(guò)程中是否有貨物拋灑問(wèn)題提供了有效依據(jù)。考慮到車輛行駛的動(dòng)態(tài)連續(xù)性及稱重的便利性，目前較為流行的車輛稱重方法有兩大類：一類是軸計(jì)量式動(dòng)態(tài)稱重，即車輛經(jīng)過(guò)稱重臺(tái)，輪軸識(shí)別器、稱重傳感器等通過(guò)對(duì)軸組的稱量，得到車貨總重[1]。該方法無(wú)法做到一稱一車的測(cè)量模式，也就無(wú)法有效避免誤差。該方法對(duì)司機(jī)行駛行為標(biāo)準(zhǔn)要求較高，當(dāng)車輛采用S型駕駛等方式經(jīng)過(guò)稱重臺(tái)，測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生較大誤差；二類是車輛自稱重系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)操作便捷、排除人為作弊、可隨時(shí)監(jiān)測(cè)的自稱重系統(tǒng)，可為用戶、廠家提供有效的車貨總重信息。以下闡述了幾種正在開發(fā)的自稱重系統(tǒng)，主要包括對(duì)其工作原理、使用情況的介紹。

1 基于大數(shù)據(jù)的自稱重系統(tǒng)

該自稱重系統(tǒng)主要由車輛傳感器、無(wú)線通訊模塊、應(yīng)用軟件等構(gòu)成。車輛傳感器將采集的各路電信號(hào)通過(guò)報(bào)文輸出到CAN總線，自稱重系統(tǒng)讀取CAN收發(fā)模塊信息。系統(tǒng)直接讀取被測(cè)車輛信息，包括空氣阻力系數(shù)CD、迎風(fēng)面積A、輪胎滾動(dòng)半徑r、驅(qū)動(dòng)橋速比i0、變速箱各檔位（直接檔/超速擋）等信息。從原始數(shù)據(jù)中抓取同時(shí)間區(qū)間內(nèi)車速va、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Tq、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n信息，3個(gè)通道數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可能不同。通過(guò)程序篩選出同一秒3個(gè)通道均有響應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將其組合輸出。式（1）計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋輸入轉(zhuǎn)速n輸入，從而求得變速箱的實(shí)時(shí)速比i實(shí)時(shí)（式（2））。將實(shí)時(shí)速比i實(shí)時(shí)與變速箱檔位設(shè)計(jì)速比相匹配，計(jì)算時(shí)需考慮變速箱檔位及離合器接合狀態(tài)。

假設(shè)汽車在最高檔勻速行駛，且公路坡度近似為0，此時(shí)可忽略坡度阻力和加速阻力。通過(guò)汽車行駛方程式（式（3））及實(shí)際車輛工況標(biāo)定的系數(shù)，輸出平均整車滿載總質(zhì)量，程序語(yǔ)句圖1所示：

圖1 輸出平均整車滿載總質(zhì)量

由該自稱重系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程可見，其結(jié)果依賴于車輛工況標(biāo)定系數(shù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)被測(cè)車輛的實(shí)際使用工況與建模相差較大，系統(tǒng)測(cè)得的整車滿載總質(zhì)量將失真。后期考慮使用GPS信息等形式，提高被測(cè)車輛與建模的匹配度。

2 應(yīng)用應(yīng)變傳感器的自稱重系統(tǒng)

該自稱重系統(tǒng)主要由車載顯示屏、車載重量檢測(cè)儀、重量傳感器等構(gòu)成。選擇車橋作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，如圖2所示，車橋上的傳感器將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，車載重量檢測(cè)儀接收導(dǎo)線傳輸?shù)碾娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)分析處理后傳輸給位于駕駛室的車載顯示屏，顯示屏顯示實(shí)時(shí)車貨總重信息。

圖2 自稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

車橋在整車的位置如圖3所示，將應(yīng)變傳感器布置于車橋（前軸、中橋、后橋）上，為提高應(yīng)變傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，布置位置的應(yīng)變應(yīng)當(dāng)與被測(cè)力有準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)變水平較高[2]。其傳感器的布置位置通過(guò)有限元分析確定：本文采用模型為11.5 t單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋橋殼總成，板簧中心距為1 008 mm，輪輞安裝距為1 860 mm，橋殼截面規(guī)格160× 135。經(jīng)三維軟件建模，導(dǎo)入有限元分析軟件中，橋殼總成按四面體單元格劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為6。彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，密度按照7.9×103kg/m3。橋殼總成模型已按輪輞安裝距截取，在兩側(cè)車輪中心處分別添加約束。依據(jù)垂向工況，在鋼板彈簧座中心處分別施加垂向載荷。通過(guò)對(duì)橋殼變形結(jié)果的分析，確定橋包兩側(cè)與彈簧墊壓板之間的區(qū)域形變量大。考慮傳感器布置的便利性、精確性，如圖4所示，最終選擇布置在橋殼上方變形量較大的橋包兩側(cè)。標(biāo)定其形變量與承載大小的關(guān)系，換算每根車橋上的載重量，求和即是車貨總重。

圖3 前軸、中后橋與平衡懸架示意圖

圖4 應(yīng)變傳感器三維布置

由該系統(tǒng)的工作原理可知，車橋承載與彎曲變形之間的關(guān)系需要標(biāo)定，可為小批量產(chǎn)品提供自稱重服務(wù)，但產(chǎn)品難以產(chǎn)業(yè)化。基于應(yīng)用應(yīng)變傳感器的自稱重系統(tǒng)，考慮將應(yīng)變傳感器更換為無(wú)需標(biāo)定的壓力傳感器。

3 應(yīng)用壓力傳感器的自稱重系統(tǒng)

該自稱重系統(tǒng)布置形式基本同上述應(yīng)用應(yīng)變傳感器的自稱重系統(tǒng)，包括通過(guò)導(dǎo)線相連的壓力傳感器、電子控制單元及車載顯示屏。由圖3可知，板簧直接與車橋兩端滑板支架接觸，將壓力傳感器布置在板簧下方（如圖5所示）。電子控制單元將壓力傳感器傳遞的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)計(jì)算得到兩側(cè)重量之和，累計(jì)每根車橋上的載重量及車橋本身重量，即為車貨總重。

圖5 壓力傳感器三維布置

考慮直接將壓力傳感器與滑板支架設(shè)計(jì)為一體，即兩側(cè)鋼板彈簧與滑板支架曲面接觸直接反饋給壓力傳感器。壓力傳感器通過(guò)螺栓與滑板支架固定，其與鋼板彈簧的接觸曲面要求耐磨。

4 結(jié)論

自2020年1月1日起，交通部為貫徹貨車限重政策，涉及全國(guó)的高速路口設(shè)立了不停車稱重系統(tǒng)。相比自稱重系統(tǒng)，按軸收費(fèi)的不停車稱重系統(tǒng)對(duì)司機(jī)的行為標(biāo)準(zhǔn)要求較高。由于傳統(tǒng)稱重方式存在弊端，本文提出了自稱重系統(tǒng)的思路，并介紹了較為實(shí)用的三種自稱重方式。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的處理或檢測(cè)車橋受力的傳感器來(lái)計(jì)算車貨總重，并將誤差控制在3%左右。最后分析幾種車載自稱重系統(tǒng)的不足以確定改進(jìn)方向，對(duì)車載稱重系統(tǒng)方案的推行具有積極意義。