为什么卡车自己称量载重这么难？(附解决方案)

本文来自微信公众号： 孔夫子百科 ，作者：newtonian6

（这是一篇半专业文章，也有些科普性质，涉及一些不复杂的力学以及传感器工作原理，没有数学公式，确定对这个问题答案感兴趣可以往下看）

在矿山港口这些卡车扎堆的地方经常可以看到一条长长的卡车队伍，经常这样的队伍并不是在等待装卸货，而是在等着开上地磅称重。

这可以说是卡车司机非常痛恨的一件事情，排个队称个重半小时没了，这半小时少说跑几十公里，对于竞争激烈的物流行业这是妥妥滴浪费，但不称一下又没法核对货物重量，更重要的是万一超载被罚个两千块，这一趟就赔了。排队的时候很多司机很自然就会想到：为什么卡车不能自己称一下拉了多少货呢？

这当然不是什么新的问题，很早就有人提出来，并且国内和国外也都有人尝试去解决了。那为什么现在我们还没有看到卡车上有这样的功能呢？主要还是因为解决这个问题比看起来要难太多了。

给卡车货物称重拍脑壳的方案确实简单，不就是给车厢下面垫个秤吗？没错，确实有人这么做，还是国内某家行业头部上市公司提供的方案。这个方法确实可行，而且精度很高，唯一的问题是安装需要对车辆大动干戈，要把货箱连接全部断开，在下面装上四个称重传感器把货箱支撑起来。且不说四个几十吨量程的称重传感器价格，单单是这一顿折腾，耗费的成本就不是一般卡车可以承受的，而且大幅度改变货箱的支撑结构也极容引入安全隐患。

既然这条最直观的路走不通，那第二条路是什么呢？来看一下下面这个简化的两轴卡车模型：

绿色的是简化的卡车大梁，通过红色的板簧支撑在蓝色的车桥上，最后通过车轮支撑在路面。细心的人很容易观察到一个现象：支撑货箱的板簧是一个弹性零件，装货时随着货物的增加货箱会被逐步下压。那下一个想到的方案是不是就可以利用这个特点呢？

没错，确实有不少公司试图用这个方法来解决卡车称重问题，方法也简单，准确测量出货箱到车轴的距离，根据不同重量被下压的距离就能换算出货物的重量。测量这个距离的方法就五花八门了，有用滑线变阻器的，有用激光测距，还有用电涡流传感器。测距是都能测出来，精度也足够，但是实际使用发现新问题来了：

1.板簧存在严重的非线性，这导致重量-距离变化往往是一条十分诡异的曲线，如果想精确称重就需要进行多点标定，导致实际使用中变得不可行。

2.叠片板簧之间有巨大的摩擦力，从而会导致载重和板簧形变出现卡顿现象，例如一辆车从5吨增加到8吨，车厢高度可能一点都没变，当加到第9吨时却突然咔嚓往下沉了很多，并且每次这种突变发生的点还不一样，这也就导致称量完全不可重复。

3.卡车板簧是个消耗品，尤其是一些经常重载超载的用户，可能半年就要更换板簧。板簧一旦更换整个系统之前标定的数据就完全失效了需要重新标定，这也导致测距的方案变得实际上不可用。

测量货箱和车桥距离的这条路走不通，还有人想到了测量板簧倾斜部分的倾角。原理也好理解：空车时板簧两端倾角大，而满载时板簧被压平了，倾角就会减小。这个方案实际使用的问题，除了上面提到的板簧非线性、卡顿和寿命之外，还有一个致命伤：测量倾角没有办法分辨是由于装货压平导致的还是因为停在了斜坡上导致的角度变化。由于板簧本来倾角就很小，因此这种方法哪怕停在一个坡度很小的斜坡上也会对测量结果产生巨大的影响。

既然测距和测角都靠不住，那还有什么其它的路径可以测量呢？比较专业的工程师想到了测量应变，简单说就是结构件在受力时产生的微小变形量。这个变形量越小越难测量，因此一般会选择变形大的地方，这自然又很容易想到板簧。卡车的板簧在承载时变形量可以超过2‰到3‰，也就是说一米长的板簧会伸缩2-3毫米，这对于应变的测量是一个非常大的数值，应该说很容易进行测量。

但走这条路的方案也最终被证明不可行，原因还是板簧那几个硬伤：非线性、卡顿和失效。还有没有别的位置可以利用应变进行测量呢？还真有一个特别完美的位置，那就是车桥上。货箱的所有重量都通过车桥压在轮胎上，并且车桥、车身和轮胎这种结构是一个典型的两端支撑横梁结构。车桥在使用过程中变形微乎其微，因而结构几何参数可以认为是恒定的，这带来的好处是车桥上发生的应变和载荷是高度线性的，无论从哪个方面来说测量车桥的应变都是完美的解决方案：

根据上面这个受力分布图，只要将测量车轮和支撑板簧之间、靠近板簧处的应变量，就可以很容易换算出相邻车轮承受的载荷；再将所有车轮的载荷相加就得到总的重量，不会有任何遗漏。并且这种结构线性度还非常高，因此对于载重系统的标定也是非常友好的，只要找到空载和满载的输出电压，其它任何重量就都在同一条直线上，简直是天大的喜讯。

只有一个问题——这地方应变太小了，比板簧小了一个数量级还多，这对常规的应变测量方案带来了极大的挑战。当应变达到2-3‰以上时，温度变化、线路噪声、放大器漂移带来的影响都还可以接受。然而面对小于0.1‰的变形量（车桥差不多就是这样的量级），这些问题就变得非常致命了。当然，在卡车上使用要抵抗恶劣环境也是常规应变片难以胜任的。这也是为什么一些国内外行业巨头走在这条路上，但却一直得不到理想的结果。