动态称重系统关键技术研究_图文

1、分类号：一滚步夫海硕士学位论文导师姓名职称申请学位级别论文提交日期学位授予单位动态称重系统关键技术研究李磊郭元术教授武奇生副教授答辩委员会主席孙朝云教授学位论文评阅人雷虎民教授孙朝云教授莺摘要本文在对国内外已应用的动态称重系统使用现状进行研究的基础上，分析了目前使用的动态称重系统存在的问题，提出了相关的改进措施，并通过实验进行了验证。目前汽车动态称重系统主要有检测轴载荷和轮载荷两种称重方法，本文使用轴载荷称重的方法进行动态称重系统的研究。首先分析了汽车动态称重系统中影响测量精度的各种因素，得出了除影响静念称重的各种因素外还主要包括汽车速度、汽车的振动、地面激励等一系列动态因素，为研究动态称重系

2、统中传感器选择、数据采集系统设计、数据传输系统改进和称重算法打下了基础。对比现有称重传感器的优缺点，选择了压电石英称重传感器作为动态称重传感器，设计及实现了相应的数据采集系统。介绍了当今主流的无线数据传输技术，通过对其进行分析对比可知，蓝牙可以方便实现设备之问的无线连接，具有低成本、低功耗、高速率、组网灵活等特点，是实现动态称重系统数据传输系统的理想选择，分析了现有数据传输系统的不足，确定利用蓝牙技术对现有数据传输系统进行改进，设计了蓝牙传输协议，实现了蓝牙传输。针对所选用压电石英称重传感器的信号特点及所实现的动念称重数据采集系统特性，将奇异谱分析（）引入动念称重数据处理中，完成了算法设计，并

3、通过实验，与小波分析算法进行对比，验证了算法的有效性。通过实验结果的分析，提出了进一步研究方向。关键诃：、称重传感器、数据采集、蓝牙、，；，（），：论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：奈磊乃。年月钞日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等

4、权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。（保密的论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：，签磊年月尹曰导师签名：猡年月垆日女人学硕？学位论义第一章绪论随着我国高速公路通车罩程迅速增加，交通量旦濒增大，交通压力与只俱增，越来越多的超限车辆对已建成的公路和桥梁造成了极大的破坏，危害行车安全，超限运输成为一个当前急需解决的问题。为此，交通主管部门就超限运输的治理问题，进行了多方面的研究和实践，其中如何使用准确、可靠和实用的称重系统，满足交通管理部门治理超限运输，实旌计重收费，成为一个重要的课题。研究的目的和意义随着国民经济的发展，现代交通运输业

5、飞速发展，高速公路通车罩程从零公里到万公里，我国用了年时问，而从万公罩到突破万公里，我国只用了年时间。可以说短短年，中国高速公路的发展走过了许多发达国家一般需要多年才能完成的发展进程，创造了世界瞩目的中国速度。我国对公路基础设施特别是高速公路建设的力度逐年加大，全国公路建设完成投资：年为亿元，不仅在规模上是自订所未有的，而且投资额度持续增长。从全国通车里程来看，年达万公里，其中高速公路里程达万公旱【¨，增长速度尤为突出。另一方面，汽车保有量也与日俱增，年全国汽车总保有量达到万辆，年为万辆。年为万辆，年为万辆，年为万辆，年为万辆，年为万辆，年为力辆。年增长率分别为、，。交通运输业的发展

6、无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是，我国公路运输车辆超限超载现象极为普遍【，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为，车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、车辆生产秩序及路桥基础设施造成了极大危害。主要表现在以下几方面【：、诱发了大量道路交通安全事故。车辆超载后其平稳性、操纵性、制动性等安全系数都会大幅度的下降，导致交通事故率的大幅度上升，严重威胁着人们的生命和财产安全。据统计，的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的，的群死群伤性重特大道路交通事故与超限超载有直接关系。、严重损坏了路桥基础设施。年美国各州公路工作者协会研究提出了反映汽车轴载重量与公路路面之问的著名

7、的“四次方法则”，即轴载增加倍，公路路面的损坏增加倍，公路的设计施工都有一定的轴载标准，超限超载车辆的荷载远远超第一章绪论过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂，大大降低了道路桥梁使用寿命。据交通部门测算，超载的车辆使水泥路面使用年限缩短达，沥青路面使用年限缩短达。据统计全国公路每年因车辆超限超载造成的损失超过亿元，给国家财产造成了巨额损失。、国家税费大量流失。目前我国公路的养护费、管理费、通行费都是按车管部门核定的吨位来收的，超载就必然导致这部分费用的流失。正常营运的货车，保守地按每车平均超载吨计算，每年流失的养路费达万元，从全国正常营运的货车数量不难算出国家每年因车辆超载而流

8、失的税费将是一个庞大的数目。、导致了道路运输市场的恶性竞争。相关企业以竞相压价承揽货源，以超限超载来获取利润，超载越多，赚的越多，形成了“压价一超限超载一运力过剩一再超限超载”的恶性循环，使得正常使用年限在年左右的货运车辆年后即破旧不堪。、造成车辆“大吨小标”泛滥。为迎合车辆超限超载运输的需求，一些车辆生产厂商竞相生产“大吨小标”汽车，些车辆改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的健康发展。车辆超限超载运输阻碍了现代道路运输市场体系的建立和完善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和人民的生命财产安全。、严重的环境污染。汽车一般随载重量的增加而加大驱动功率，因而噪声也随之增大。据

9、日本测试，一辆大型载货汽车的噪声是辆小客车的噪声之和。而目前超限的车辆主要为大型货车，由于车辆超载，发动机超负荷运转，排出的浓烟和噪声是常情况下的几倍，对自然和社会坏境的危害是显而易见的。因此，加强公路运输的管理、保障行车安全等问题也显得日趋重要。交通部年号令超限运输车辆行驶公路管理规定于年月日起执行，规定对各类车辆的轴载质量作了明确规定“公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴载质量及车辆总质量检测装置”。年月日，国家交通部、公安部、发展和改革委员会、质检总局、安全监管局、工商总局和法制办联合发布关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案。道路运输车辆超载的危害性，引起了党中央、国务院的高

10、度重视。在治理超限超载的同时，自年起，江苏、河南、山东、安徽等省先后实施公路计重收费，鉴于以上情况，设计准确、可靠实用的动态称重系统，必将为公路管理部门治理超限超载和实施计重收费提供有效的技术手段。如何设计出速度快、准确度高、成本低的车辆动态称重系统，对公路交通部门有效地实施治理超限，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的社会效益安人学硕：学位论义和经济效益。国内外动态称重系统的发展与应用现状随着公路运输的不断发展，若使用静态称量势必造成交通不畅，因此对公路车辆进行动态称重的要求也显得越来越迫切。在继续进行研究之前首先要明确一下公路动态称重（，简称）

11、系统的定义，公路动态称重系统的定义：动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程；公路动态称重系统是一组传感器和支持仪器，用来测量在特定地点特定时间一辆行驶车辆的出现及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及有关车辆的其他参数并且处理、显示和存储这些信息。就公路动态称重系统而言，动态称量精度、汽车的通过速度是其性能指标中最重要的，它标志着公路动态称重系统的技术水平的高低。国外动态称重系统的发展，动态称重系统在国际上是从上世纪年代开始受到关注的。二战后，美国受德国启发，开始修建高速公路网，随之而来的是超限车辆对路面的严重损害，于是，美国从年起开始关注车辆动态

12、称重技术。匈牙利是世界上研究动态车辆称重系统最早的国家之一，在年于举行的第五届会议上发表了论文轮负荷称与轴负荷称的试验方法，这是关于动态车辆称重系统的最早文献，它奠定了动态车辆称重系统的基础。但是早期对于动态车辆称重系统的研究都注重从硬件上提高精度，并且很难走出这个圈子，直到年，同本的小野敏郎在第七届厂会议上发表了论文动态称重问题估算理论的应用，标志着对动态车辆称重系统的研究己由硬件向软件转变。在世纪，许多国家的道路运输普遍存在超载现象，据调查，德国大型载货车辆中超载车辆数量达到，日本达到，美国达到。为了避免超载车辆对公路造成早期破坏，欧共体成员国和美国、日本、加拿大等国在世纪年代就开始对车辆

13、动态称重系统进行研究并取得了相应的成剁。年，美国开始了为期年的动态称重系统研究。年，南非取得了第一个电容式动态称重传感器专利。西德的公司也在这一年开始了平板式动态车辆称重器的研究。年，美国首次在车辆载荷研究中使用动态称重系统；同年，法困取得了一项压第一章绪论电缆动态车辆称重器的专利，即。年，美国的、英国的公司在南非专利基础上采用先进电子技术，使性能大大提高。年，动态称重系统首次在法国投入使用。同时压电材料用作动态称重的研究在美国开始。同年九月，美国联邦公路管理总署（）提议研究“低成本动态车辆称重系统。年，美国的个州均安装了动态称重系统。年，美国的“低成本动态称重系统”在现场投入运行并提交美国联

14、邦公路部署推广使用。年，英国研制了一种性能优于的新型称重压电传感器。年改型。年，在美国举行的“国际交通数据采集技术会议”上，西德的平板式传感器性能较理想。同时展示数种低成本的动态称重系统，它们主要基于压电缆、压电膜和电容传感技术。在安装条件很好的情况下，能使统计平均误差控制在左右。年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟（）发起，按照欧盟运输委员会（）拘程序框架进行了计划。该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行的为期个月的系统实际应用测试。年，欧盟开始进行（）计划从年月到年月在瑞典气候寒冷条件下进行产品系统测试，即著名的（）沏试。结果表明德

15、国、瑞士、美国等公司的产品在测量性能方面处于领先水平。同年，在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上，德国展示了采用平板式传感器的动态称重系统及其在自动收费站的应用。年年会上展出了一种由美国公司开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速、车轴数、轴距并进行车型分类和动态称重。由于动态称重系统的用途各异，目自仃的国外产品的单轴载称重平均误差从±±不等，相应置信度为或，最好的动态称重系统单轴载称重误差可以优于±，但成本太昂贵仅适应于低速场合。对大量用于轴载调查的称量系统的误差一般控制在±±之内【】，置信度为。长：人学硕：学位论义国内动态称重系统的发

16、展伴随着国家法规的不断颁饰，国内有关科研机构直未停止过对车辆动态称重技术的研究。我国对车辆的动念称重研究起步较晚，始于年代初期，研究较早的为重庆公路研究所，目前国内约有多家相关单位从事这方面研究，引进或研制的系统大部分是国外换代的产品，主要问题有：适应速度范围小（低速范围），测量精度不高，传感器过于庞大，安装施工及维护不便【引。我国“七五”期间丌始引进和消化国外动态称重系统，同时也开始对动态称重系统进行研制。世纪年代出现了电子汽车衡，它包括带基坑和无基坑两种。年一种动、静念两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静态轨道衡的优点于一身，较好地解决了检测精度与车辆通过速度之间的矛盾

17、。作为国家“八五期间重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态车辆称重系统，该系统由一套称重传感器和一台电子测量仪器构成，每车道布置两只传感器，每台仪器可测量个车道，轴重误差小于±，置信度为【铆。年，德国载荷监控产品开始进入中国市场，云南航天新技术工程有限公司引进其技术并于年月获得了国家技术监督局颁发的计量器具型式批准证书。国内动态称重系统的研究起步晚、时问短，在研究过程中未能对行驶车辆的干扰因素作深入系统的分析，对动态检测信号处理简单，为了提高检测精度，往往要求信号在经过一定时间衰减并达到稳定后开始测量。这些使得这类产品往往需要较长的受荷板或受制于较低的车辆通过速度

18、，检测精度也不高，一般平均误差为±（）。目前国内如京珠高速公路、南京长江二桥等高等级公路和桥梁上安装的高精度车辆动态称重系统主要来自国外，这类产品存在价格昂贵、超限标准与国内法规不一致等问题。动态称重系统在国内外应用现状目前，各种性能的动态称重系统在世界各地使用，其价格差异很大，所得到的精度基本与价格成正比。研究人员在不断地探索降低那些具有高精度的系统成本的技术和方法。车辆动态称重设备也是随着全国整治超载行动的丌展而广为人知的。实际上，公路动态称重系统在全世界的交通领域早已有着广泛的应用，不仅仅局限于公路超限超载的检测。目前动态称重系统主要应用为：、道路的交通量调查。利用动态称重系统

19、及附属的车辆传感器统计某一条路的车第一章绪论流量和车辆的重量分布，根据统计数据得到某一条路的车辆行驶状况，作为依据制定道路规划设计、路面的养护以及路面大修的计划。、超限运输治理。公路管理者设置公路超限执法站，通过密集、严格的对超限车辆的执法，有效地保护了路面，提升了交通安全。、用于计重收费。利用动态称重系统对公路通行车辆实施按实载收费，充分体现了公平合理的原则，多载多缴费，少载少缴费，对超限运输加重收费，有效地遏止车辆超载超限运输；保护了高速公路路面和桥梁，避免了不断增长的超载运输车辆对路面、桥梁的过度损坏，同时也提高了车辆行驶的安全性。、用于公路匝道、弯道的货车安全提示系统，这种应用国内目前

20、还没有。一般在公路匝道或弯道处，对于不熟悉路况的货车司机容易造成翻车倾覆，在匝道和弯道提前埋设称重设备和检测设备，根据车重和车速计算出转弯的离心力，并得出转弯安全车速，同时，在路前方电子屏上自动显示出速度，提示司机不要超速，安全行车。国内的动态称重系统主要应用在道路交通调查、超限运输管理和计重收费方面。年以来，国内部分省市尝试采用计重收费这一经济手段治理超限运输。先是在天津，然后是江苏、四川、河南、青海、山东等省在局部范围内试行。实践证明，采取以计重收费与行政手段相结合的办法，能有效治理超限运输。计重收费虽然取得了一定的成就，但也暴露了一些问题，尤其是在计重收费应用方面，以称重误差较大的问题尤

21、为突出【】，而且极易引起征缴矛盾，进一步加大收费站拥堵的严重程度，引发社会的质疑和不满，大大降低了高速公路的服务水平。主要表现在以下几方面：、设备安装对已建成的收费广场开挖面积大，施工难度大，设备安装周期长，维护复杂。、设备稳定性影响费额。系统检测到数据与实际车型相比主要表现为：一是多轮胎或者少轮胎，例如称重设备将车辆双轮胎判成单轮胎。二是多轴或少轴，是指称重信息少一个轴或多一个轴的情况。对于少轮胎或少轴车辆，比如限载从吨改成吨，称重报价就从三四百元变成一二百元，司机听了从多到少的两次报价，会产生怀疑。而对于多轮胎或多轴车辆，收费员改成正确限载后费额会增加，多的甚至增加几百元，很多司机认为是人

22、为操作，极易引发收费员与司机矛盾。、称重差异成为新的矛盾焦点。货车不仅在省与省收费站之间，即使在本省内不同高速公路、桥梁，更甚者在同一高速公路不同收费站称出来的数据也经常有差异，而计重收费实施后称重差异正是司机与收费站最容易产生矛盾的地方。称量系统的准确性安人学形！学位论文使得计重收费严肃性受到质疑，有时相隔一两吨超限率就超过了或，对费额影响非常大，容易引发矛盾。、偷逃通行费。在计重收费实施过程中发现了司机的一些逃费伎俩，例如：走型通过秤台，走型能把轮胎向下的压力部分分解为横向扭矩；卡住称芯，用螺栓等卡住称芯会造成称台称重下沉不灵敏，减轻轴重，偷逃通行费。论文的研究内容虽然目前国内运行的动态称

23、重设备基本良好，能基本满足计重收费系统的运营要求，但还或多或少的存在着以上几种问题，可以通过改进称重系统设计，有效的避免上述问题的出现。本文针对上节提出的问题，拟通过以下几方面对动态称重系统进行改进：、分析动态称重的主要误差来源，选择合适的称重传感器，有效的提高动态称重系统的精度，减少系统安装施工难度；、利用蓝牙技术对动态称重数据传输系统进行改进；、针对动态称重系统信号的特点利用奇异谱分析（，简称）设计相关算法，并对采集的轴重数据进行处理，再对处理后的数据利用位移积分法计算出车辆重量。小结本章对动态称重系统的研究目的和意义进行论述，介绍了动态称重系统国内外发展概括，分析了现有动态称重系统在使用

24、中存在的问题，针对存在的问题提出了本文的研究内容。第二章动态称重系统概述第二章动态称重系统概述为了抑制车辆超载给道路设施造成损害，国外从世纪年代后期就丌始对车辆超载检测技术进行研究，到世纪年代基本上形成了成熟产品，产品也由静态的整车测量发展到了动态的轴重检测，这就是人们熟知的动态称重技术。本章主要介绍动态称重系统的构成，分析动态称重的主要误差来源。动态称重系统概述对于车辆的称重，传统的方法都是在静态下进行的，这种整车测量方法准确度虽然很高，但是存在称重时日长，工作效率低的缺点，不能满足对高速公路行驶车辆的称重，另外，在实际应用中停车进行重量测量也是不现实的。因此，近年来许多国家都对车辆动态称重

25、技术进行了研究，并有实际的应用。动态称重系统的基本组成车辆动态称重主要有两种方式：整车测量和轴重测量。整车测量方式需要比较大的秤台，这大大增加了工程造价和难度，所以这种方式使用的越来越少了。目前动态称重系统多数是轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车重量。在静态称重时，车辆的轮胎平稳地作用于汽车衡上，除真实轴重外，无其他外力干扰，因此容易实现高准确度测量。但在动态称重时，车辆以一定的速度通过称重设备，不仅轮胎对秤台的作用时间很短（在几百毫秒以内），而且作用在秤台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如车速、车辆自身振动、路面激励、轮胎力等。可以说真实轴重往往被淹没在

26、各种干扰力中【】，这些干扰所造成的附加载荷可达真实轮重值的【】，给提高动态称重系统精度研究造成很大的困难。目前使用的动态称重系统主要由称重传感器、信息采集系统（包括数据中心处理器、信号处理器）、轮轴识别器、红外光栅车辆分离器、地感线圈车辆检测器等组成，如图所示。、称重仪：由固定式称重平台、称重传感器、数据采集卡、整体框架、信号电缆和安装部件等构成；、轮胎识别器：由轮胎检测、识别装置、安装部件、数据采集卡等构成；直学学位论卫、红外车辆分离器：由成对配置的红外线光幕发射和接收装置、控制器等构成、地感线圈：由埋设于车道的环形感应线圈、线圈检测器、信号电缆等构成、室外控制柜：由称重数据中心处理器、嵌入

27、式控制器、信号处理器和接口单元电源单元、电缆接线、机柜等构成。画目：卜曼三：一图动态称重系统组成使用者还可根据需要扩展图像监控和车号识别系统、报警指示系统、数据远程监控系统等。动态称重系统工作流程当车辆通过称台时，传感器信号输入到数据处理中心，对车辆每轴重量数据进行处理，计算出每个轴的重量和总重，当车辆驶出称量区时，地感线圈与红外光栅按顺序发出信号，表示辆车称量工作结束。信号处理器根据轮轴识别传感器的信号判断出每轴的轮胎数、轴型及车型，从而得到轴型及规定的枷、准值，与实测值比较得出超限结果。地感线圈信号为车辆称量收尾信号，保证车辆连续进入称量区时，准确的区分每辆年的检测数据。地感线圈与红外光栅

28、完成正常行驶与倒乍的捡测确保数据的准确性，并对车辆咀外的物体或人通过时进行判断，避免出错。当红外车辆分离器与地感车辆检测器磷秽山第二章动态称重系统概述兰塑竺堂兰兰图动态称重系统工作流程图车辆运动和动力分析陋车辆作为动念称重系统的称重对象，是称重的本体，它自身的运动状态十分复杂，在动态称重的过程中其运动状态更加复杂多变。主要表现为：、由于车辆是一个多自由度的复杂动力系统体系，很难用准确而严谨的数学表达式描述它在运动过程中的真实状态。如果要客观全面描述车辆的运动特性，特别是动态称重过程中的运动状态和动力特征，至少需要二十多个自由度】。站在理论的角度这是可行的，但是其分析的复杂程度是很难想象的，因此

29、在实际中往往需要采用简化的模型进行分析。、车辆振动原因相当复杂，在动态称重过程中振动是影响称重的主要形式。引起车辆振动的原因很多，如路面的不平整、车辆自身、轮胎的弹性、发动机工作的颤动以及驾驶员操作的不稳定都会带来车辆的振动。振动来源的复杂性反映了车辆运动的复杂性，特别是在动态称重过程中车辆和称重平台的相互作用使车辆的运动更加复杂多变。、车辆振动来源的复杂性也决定了车辆对路面载荷的多样性。车辆对路面的载荷主要有两种表现形式：稳态载荷和动态载荷，其中动态载荷的产生具有很大的不确定性，从而导致了车辆运动的复杂性。长安人学硕学位论义除此之外，车辆的运动还受到诸多外界因素的影响，如：气候的影响、路面的

30、质地以及驾驶员的驾驶习惯等等，这些都在很大程度上增加了车辆运动的复杂程度，同时也给动态称重系统的设计带来了皆多问题，影响着称重系统的客观性和准确性。从上面的分析可知，正足由于诸多不确定的原因导致了车辆运动的复杂性，从而也决定了车辆称重的不确定性和不可预测性，严重影响测量结果的置信度。车辆整体运动分析动态称重时，车辆以一定的速度通过称重平台，不仅轮胎和称重平台的作用时间很短，而且从上面的分析可知，作用在称重平台上的载荷力除了车辆自身的真实稳态载荷外还有很多因素产生的动态载荷干扰力，车辆的真实重量淹没在各种干扰力之中，这给动态称重实现高精度测量造成了很大的困难。因此，在大量的不确定干扰力作用下如何

31、准确测量出车辆的真实重量就成为了设计动态称重系统的难点和关键。需要对各种干扰力进行分类整理和综合分析，从而找到影响称重效果的主要因素，忽略次要因素。为了继续车辆模型的抽象和简化，需要对车辆的运动进行定义。车辆的运动从狭义上来讲只是其沿行驶方向的移动：广义来讲则不仅仅只是沿行驶方向的移动，还包括在所有方位上都存在着的各种不同形式的运动。从不太严格的意义上来说，运动是力存在的表现形式，有运动就有力的存在，这些力将在多大的程度上影响动态称重的准确性还有待研究。对于两轴式车辆的运动状态和动力特性不论在国内还是在国外都采用图所示的力学模型，从车辆研究部门的大量实验和分析可知此力学模型在研究车辆的运动方面

32、是很成功的】。由图可知，此分析模型采用一个六面体来代表行驶中的车辆，并将其放置一个三维标系之中。下面通过研究其在同方位上运动状态来分析各种干扰力及其对动态称重系统的影响程度。图车辆运动简化模型示意图设方向为行驶方向，运动着的车辆有如下四类运动状态：绕轴的滚动；绕轴第二章动态称重系统概述的俯仰；绕轴的旋转；分别沿、轴的单方向移动。绕轴的滚动运动：表示在同一个轮轴上的重量从一个车轮向另一个车轮上转移。在动态轴重称量中，由于同轴上的两轮同时称重，故绕轴方向的滚动造成的重量分稚变动不会对整车动态称重造成很大影响。绕轴的俯仰运动：表示重量从前轴转移到后轴或者从后轴转移到前轴。由于是属于轮轴之问的重量转移

33、，很可能造成重量读数的偏差。例如，在前轮轴重称量瞬间，车辆突然减速或者其他原因造成车辆的前端下俯，其重量读数会偏大；随后，车辆后轴驶上称重平台，若在后轮轴重称重瞬间，车辆突然加速或者其他原因造成车辆的后端下俯，其重量读数也会偏大，因此其总重量也就偏大。如果遇到与上述情况相反则重量读数偏小。绕轴的旋转运动：表示在水平面上的运动。称重平台对水平力并不敏感，如果称重平台的水平约束较好，即水平约束器在动态称重过程中能保持较好的水平性能，则作用在称重平台上的水平力将不会产生垂直分力而影响称重平台的测量。因此，在称重平台的设计制造过程中一定要保证具有较好的水平约束性能，只有这样才能将旋转运动对车辆称重精度

34、的影响减少到最小，此时在、方向上的单方向运动也不会对车辆的称重精度产生较大影响。沿轴的单方向运动：表示沿轴的上下起伏运动。很明显这种起伏运动将影响车辆的称重精度，因为它会像俯仰一样产生垂直的分力。通过分析可以看出，在这四类运动中只有绕轴的俯仰运动和沿轴的单方向起伏运动是影响车辆称重精度的主要因素，其他运动都是较为次要的因素【】。车辆动力载荷分析设有车辆沿轴以速度运动，车辆对路面的作用力：（，）（）。（一，），（）（）式（）中矽）描述载荷大小随时问变化的规律（。）砌以一函数，其定义为：。，；三耋三二二：且二。长安人学颀学位论文（）为动力荷载，由稳念荷载）和动态荷载比（）组成，）为车辆自身重量引起

35、的静荷载，暇（）为各种原凼引起的动载荷干扰。目前，由于应用的不同，动力载荷（）有以下四种类型的模型：、恒定载荷；、冲击载荷：、简谐振动；、随机振动。如果地表的平整度很好，当车辆振动很小的时候，我们就可以把车辆载荷简化为恒定载荷；如果发生了相当剧烈的振动，甚至跳离了地面，为了研究车辆落地之后的这种振动对结构的破坏作用，便可以考虑用冲击载荷作为车辆的载荷数学模型；如果希望描述车辆的波动情况，但是又不希望模型过于复杂，可以考虑用简谐振动来进行载荷分析；随机振动载荷模型是比较完善的模型，因为路面的凹凸不平是随机的。、车辆稳态载荷分析为了具体分析车辆的稳态轴载，下面分别绘制了车辆前后轮在称重平台上的受力

36、见图和图所示。图车辆前轮位于称重传感器示意图图车辆后轮位于称重传感器示意图第二章动态称重系统慨述图和图表示了两轴式车辆前轮和后轮分别通过称重平台时所受的主要外力，中主要有：空气动力阻力厂，厂，：，前后车轮的驱动力。、：和吒，、瓦：，（对于只有后驱动的车辆。且：，对于只有前轮驱动的车辆瓦。且吒：）、前后车轮的动阻力。，：，和九，厂：。由于在车辆动态称重过程中轮轴的垂直载荷是需要关注的重点，为了获得车辆轮轴的垂载荷可以采用如下方法：当前轮通过称重平台时（如图所示），对后轮取力矩，则有：名，。乞。，（）同理，当后轮通过称重平台时（如图所示），对前轮取力矩，则有：名兀，吒。（）上式中：车辆前轴与车辆重

37、心的距离，车辆后轴与车辆重心的距离车辆轴足巨，称重平台高度厅，。前轮通过称重平台时空气阻力作用点距离地面的高度，：前轮通过称重平台时空气阻力作用点距离地面的高度口车辆其中一轴通过称重平台时与水平路面的夹角，将式（）和（）改写后得到作用在前后轴上的垂直荷载为：坠：！：！竺！皇±墨！：垒二厶！：垒二！（）“：竖：刍：竺旦±厶：垒±厶！：垒！：二墨：垒（）虽然采用轴重称量方式进行动态称重，但是前后轴通过称重平台时还是需要一定的时间（尽管很短），因此上面的参数是统计量而非瞬时量。将式（）（），得：宜人学形¨学位论文睨；（，），（）下面通过对上式进行具体研究来分析

38、车辆绕轴的俯仰运动对车辆动态称重的影响。、如果能选择在路面平整度较好（表面凹凸小于）以及风向和风力稳定的时间、地点进行动态称量，则有理由认为前轮和后轮通过称重平台时车辆的重心高度、空气阻力大小和作用点高度基本一致，则有：厂。厂，：，。，：，由式（）可得：睨睨；坠竺盟生坐量尘五尘生生五坐（）“”、如果车辆行驶平稳，没有明显的速度变化，那么车辆重心不会发生移动且厂口，吒。厂，因此由式（）可得：睨（）因此，当前轮驶上称重平台时，车辆突然减速则重心前移，偏大，由上述分析可知，测量值偏大，反之则：偏小，睨，测量值偏小：同理，当后轮驶上称重平台时，车辆突然减速则重心前移，偏小，由上述分析可知睨，测量值偏小

39、，反之则。偏大，形睨，测量值偏大。通过以上的分析可知，当满足条件：路面平整度较好以及风向和风力稳定，车辆行驶平稳时，式（）成立。可见，前一个条件可以通过测量人员仔细选择称重的地点和时间解决，而后一个条件也可以通过限制驾驶人员的操作来实现并通过测量车辆速度变化估计出测量值的偏向。因此，可以先分别测量出车辆的轴重进而得出整车的重量。、车辆动态载荷分析从车辆的整体运动分析可知绕轴的滚动运动和绕轴的旋转运动都是影响动态称重的次要因素，从车辆的静态轴载分析可知通过一定的技术手段可以将绕轴的俯仰运动对动态称重的精度影响降低到最低。但是，沿轴的上下起伏运动是影响称重精度的关键因素之一，而造成车辆沿轴上下起伏

40、运动的很大一部分原因是垂直振动而产生的动态载荷，本节将具体研究车辆的动态载荷对动态称重的影响。引起车辆振动的原因有很多，但是主要由以下三类构成：（）由车辆自身的各种原因造成的振动。其中包括发动机偏心转动引起的周期性第一二章动态称重系统概述振动，车轮不圆引起的周期性振动；燃料不均匀，驾驶员操作不稳定引起的随机振动等等。（）由路面不平而造成的振动。地面表面的凹凸不平和高低起伏给行驶在上面的车辆轮胎施加位移扰动而产生的振动，由于地面不平的随机性决定了这种振动的随机性。（）由车辆一地表耦合而产生的振动。当车辆在地表运动时，对地表施加了外力，地表在外力的作用下发生运动，这种运动反过来又会影响到在它上面行

41、驶的车辆，从而产生藕合振动，显然这种振动也是随机的。产生的所有这些振动会由于车辆的悬挂系统、轮胎状况以及路面的不同而产生不同的效果。正是由于这种原因，目前车辆对路面产生的载荷还缺乏全面的研究，这也正是造成动态车辆的称量精度一直很难提高的主要原因。由于振动的形式及产生的原因是纷繁复杂的，而且各种载荷对动态车辆称重的影响程度难以预测，因此无法做出精确的定量分析。其中一些载荷的影响极其严重，如车轮跳离称重平台，如果在动态称重的过程中发生了这种现象，无论采用何种措施都无法精确获得车辆的静态轴重。为了通过动态称量来获得比较精确的车辆静态轴重，在动念称重过程中必须采取一定的措施（主要包括在较好的气候条件下

42、选择适宜的称量时间、选取合适的称量地点、采取下确的称量操作过程以及限制车辆的通过速度等等方面）来有效地消除和减小各种动态载荷的影响。根据对车辆的结构分析：当运动车辆经过路面时，由于车辆减振弹簧以上部分发生振动，输出的轴重信号在一个恒定值上下波动，这个波动信号的频率与车辆的自重、载重以及弹簧的刚度等因素有关，大约为，振幅则与车辆的速度和路面状况有关，其峰一峰值一般为恒定分量的左右，最大值甚至为恒定分量的¨。除了减振弹簧以上部分发生振动外，车辆减振弹簧以下部分与称重平台同时也将发生振动，这个输出的轴重信号频率和振幅与车辆的轮胎状况和称重平台的特性有关，频率大约为，振幅大约为恒定分量的左右

43、。另外，通过给出的轮载功率谱可以很容易看出：轮载的功率谱具有明显的峰值，且能量大部分集中于，除次之外，还有一些随机的单个脉冲信号进入整体的输出波形。根据以上分析，可以将传感器的输出信号分成三个部分，设传感器的输出信号为（），则：形（）（）（）（）宜人学硕：学位论文稳念输出为：（。其他（）著删卢（）善删（）（）（）州归豇红巍式（）中：）由该轴的重量所引起的传感器稳态输出值。称重平台加载时间（即车轴在台面上的停留时间）正第个振动频率第个频率成分的振幅第个频率成分的初始相位角显然，采用上面的分析方法时，（）表达式中的取值为，即有两个频率分量，它们分别是车辆减振弹簧以上部分发生的振动和车辆减振弹簧以下

44、部分与称重平台发生的振动所引起的波动分量，其波动分量的频率分别为：，。卢（）则可以看成是各种随机振动的信号组合。由此可见，在动态称重过程中采集到的数据并不是汽车的静态重量，而是包含复杂振动分量的复合数据，因此在实际称重过程中一定要避免冲击、减缓同期振动和随机振动，即消除（）和（），这样才能使静态轴载。）客观比较准确地反映出来。通过以上分析可以清楚的看到车辆振动是影响车辆动态称重精度的最关键因素之一，车辆的振动使真实的静态轴载信号淹没在各种复杂的振动轴载信号之中。因此要想使静念轴载信号客观、真实的反映出来，就必须根据振动产生的原因有效消除或减缓振动，减弱其在动态称重过程中对称量精度的影响。动态称

45、重过程中的精度影响因素分析动态称重要求称重系统能检测车辆的真实重量，就要能排除其中的动念干扰因素。第二章动态称重系统慨述为了进一步提高动态称重时的车辆速度，同时提高车辆测量精度，必须详细分析车辆动态过程对精度的影响因素。车辆动态称重时，车辆以一定的速度通过称重台面，不仅有真实车重的作用，还会有车辆运动的复杂性带来的很多干扰信号。这样，真实的重量就容易淹没在各种干扰当中，因此为了得到真实的车重，除了提高系统静态测量的精度外，还必须消除各种干扰，要消除干扰因素，首先分析干扰因素产生的原因。动态精度影响因素分析从上面的分析可知，影响汽车动态称重精度的主要动态因素为：（）汽车的振动由于汽车振动等干扰所

46、造成的载荷最大变化量可达到真实轴重的【，如何去除振动噪声并测出真实轴重，非常重要。引起汽车振动的原因是多种多样的，最重要的是汽车自身造成的，如发动机偏心转动引起的周期性振动，由轮胎花纹引起的周期性振动，由油料燃烧不均匀引起的随机振动以及驾驶员操纵不稳定引起的不均匀振动。上述几种汽车振动属于自激振动形式。由于汽车的振动会直接传递到车轮直至称重台的受荷板，从而影响检测精度。（）路面的不平整度或称重平台造成的不平整度汽车振动还有强迫振动形式，比如因路面不平整度导致的振动。地面表面的崎岖不平在公路和机场工程中被称为不平整度【。它是因施工过程中一些难以人为控制的偶然因素，如施工、材料、气候、环境等以及交

47、通重复荷载的作用而形成的地表不规则起伏的影响造成的。实际上，从空间尺度上来讲，任何不规则的外形，小至材料颗粒表面几个毫米的不平整，大至地面纵向成百上千米的高低起伏部应属于不平整度的范畴。当车轮与路面接触时，由于轮胎的弹性碾平作用，使得路面不平整度的高频成份对汽车的振动影响甚微，因而低频信号在汽车的振动中起着主导作用。（）汽车的行驶速度车辆与路面的相互作用可以分为动态载荷和静态载荷。静态载荷是指汽车静态时对路面的负荷，可以认为是汽车的静态称量的重量。动态载荷是汽车行驶时对路面的负荷。汽车行驶时，动态载荷可以简化分为四种典型动力荷载【。）地面相当平整，当车辆振动很小时，我们就可以把车辆荷载简化为恒定荷载，如图所示。）如果在车辆行驶过程中发生了相当剧烈的振动当然这种振动不是频繁地发生而艮宜人学硕学位论义只是偶然出现的，但为了描述车辆荷载的波动情况，但又不希望这种描述过于复杂，那么可以取图所示的稳态荷载柬进行分析。）如果在车辆行驶过程中发生了相当剧烈的振动当然这种振动不是频繁地发生而只是偶然出现的，甚至车辆“跳离”了地面，则为了研究车辆落地之后这种振动对结