汽車車輪多維力測量傳感器的製作方法
2023-10-05 18:17:39
專利名稱：汽車車輪多維力測量傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種汽車行駛工況檢測系統中的力傳感器，屬於力測量傳感器製造的技術領域。
技術背景為了測量汽車在各種行駛工況條件下車輪所承受的多維動態載荷(垂直力、側向力、縱向力、制動扭矩、傾側彎矩、橫擺彎矩，稱為Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，需在車輪上安裝多維力傳感器。
車輪多維力傳感器設計的難點①測量範圍寬力載荷的量程為±幾千牛頓至幾萬牛頓；②各分力之間具有相互耦合的特性一般要求傳感器的輸出能對各分力進行解耦或近似解耦；③使用環境惡劣行駛工況下的振動、野外測量；④空間尺寸及安裝要求高傳感器直接安裝在車輪上且不改變車輪距，其附加重量必須輕。
工業檢測中的常規多維力傳感器不能滿足要求。
目前國內尚無專用的車輪多維力測量傳感器。國外的車輪多維力測量傳感器，其技術嚴格保密，不對外公開。
發明內容
技術問題為了能將車輪多維力載荷進行解耦後對應電橋輸出，同時滿足傳感器在車輪上安裝的空間、形狀和尺寸要求，本實用新型的發明目的是提供一種能將車輪多維動態載荷(垂直力、側向力、縱向力、制動扭矩、傾側彎矩、橫擺彎矩進行解耦輸出，能應用於汽車行駛工況下車輪多維力測量的汽車車輪多維力測量傳感器。
技術方案本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是設計一輪輻式結構的傳感器彈性體，由內環、外環、變形梁組成，內環、外環間均布變形梁，彈性體內外環尺寸可根據實際車輪尺寸變化。彈性體內環與車輪輪轂相聯接，外環與車輪輪輞相聯接，變形梁在車輪載荷作用下產生形變。在變形梁的上、下、側表面合理選取測量點貼應變片。利用傳感器彈性體結構特點，以及輪輻式結構受力引起的變形梁變形的類型，將各測量點的應變片按一定規則進行編組，構成測量電橋，使每路電橋的輸出只對應一種載荷量，彈性體上作用的各分力與各組電橋的輸出一一對應，實現了多維力的直接測量。
具體的方案為該傳感器由一輪輻式結構的傳感器彈性體和應變片所組成，輪輻式結構的傳感器彈性體由外環、內環、變形梁組成，內環位於外環的中央，外環與內環之間由變形梁連接，應變片固定在變形梁的四周，在外環的圓周側面均布有輪輞聯接孔，在內環的圓周側面均布有輪轂過渡法蘭聯接孔。對各維載荷，選取在該載荷下變形趨勢相反的應變片對，用低阻抗導線將其互連，組成差動電橋，則每個電橋的差動輸出對應於一維載荷，實現多維力的直接測量。
有益效果1.採用簡單的輪輻式結構，通過應變片的合理布片和巧妙組橋，實現了多維力的直接輸出和相互解耦輸出，滿足傳感信號輸出要求，同時減少了後端採集軟體的大量運算工作；2.採用了輪輻式結構的傳感器彈性體，徑向和軸向尺寸可根據實車尺寸變化，滿足測量環境的安裝要求；3.採用輪輻式結構和應變片布片組橋的方式測量車輪多維力，結構簡單易行，機械加工要求低。
4.能將車輪多維動態載荷(垂直力、側向力、縱向力、制動扭矩、傾側彎矩、橫擺彎矩進行解耦輸出，能應用於汽車行駛工況下車輪多維力測量的汽車車輪多維力測量傳感器。
圖1是本實用新型傳感器彈性體結構示意圖。
圖2是圖1的A-A向剖視結構示意圖。
圖3是傳感器彈性體在車輪上的安裝示意圖。
圖中有，外環1、內環2、變形梁3、輪輞聯接孔4、輪轂過渡法蘭聯接孔5、輪轂6、內輪輞7、外輪輞8、輪輞聯接螺栓9、應變片10。
圖4是傳感器彈性體應變片布片結構示意圖。
圖5是圖4的A-A向剖視結構示意圖。
圖6是圖4的後視圖。
圖中有應變片1-32。
圖7是應變片組橋方式結構示意圖。圖中有應變片等效電阻R1-R32。
具體實施方式
1.傳感器彈性體該傳感器由一輪輻式結構的傳感器彈性體和應變片所組成，輪輻式結構的傳感器彈性體由外環1、內環2、變形梁3組成，內環2位於外環1的中央，外環1與內環2之間由變形梁3連接，應變片10固定在變形梁3的四周，在外環1的圓周側面均布有輪輞聯接孔4，在內環2的圓周側面均布有輪轂過渡法蘭聯接孔5。
傳感器彈性體採用鋁合金材料，輪輻式結構，主要由外環1、內環2、變形梁3組成。彈性體的軸向和徑向尺寸可根據汽車車輪的具體結構形式和實際安裝尺寸而變化。彈性體結構如圖1、2所示。
應用時，傳感器彈性體內環2，通過內法蘭與車輪輪轂6相聯接。傳感器彈性體外環1，通過外法蘭與車輪內輪輞7、外輪輞8相聯接。其在車輪上的安裝示意如圖3。
傳感體的輪輻式結構，以及其在車輪上的安裝方式，決定了車輪各維載荷的作用力最終反映在變形梁的形變上。
現以對稱設有8個變形梁A、B、C、D、E、F、G、H的傳感器彈性體為例由於彈性體結構對稱，因此變形梁A、B、C、D、E、F、G、H受力後對稱點的應力也具有對稱性或反對稱的特點。在六維分力作用下，彈性體變形梁將產生壓縮、拉伸、彎曲、側彎曲及扭轉變形，變形梁表面軸線上點的應力狀態為二向應力狀態，即由沿應變梁軸線的正應力和與軸線垂直的剪應力組成。從而，各分力載荷所對應的所有應力均可以由應變片來檢測。
2.布片方式測量點選取及應變片貼片布置如下
傳感器彈性體應變片布片結構如圖4、5、6所示。
3.組橋方式對各維載荷，選取在該載荷下變形趨勢相反的應變片對，用低阻抗導線將其互連，組成六個差動電橋。則每個電橋的差動輸出對應於一維載荷。六個電橋的組橋方式如圖4所示。
上述應變片布片和組橋方案，實現了多維力直接解耦測量。車輪力傳感器各個力和力矩與電橋輸出應變的關係為Fx＝G1[(S5+S6)-(S13+S14)]Fy＝G2[(S18+S20+S22+S24)-(S26+S28+S30+S32)]F2＝G3[(S1+S2)-(S9+S10)]Mx＝G4[(S17+S29)-(S21+S25)]My＝G5[(S3+S7+S11+S15)-(S4+S8+S12+S16)]Mz＝G6[(S19+S31)-(S23+S27)]其中，Gi(i＝1，2....6)為對應橋路的標定係數，Si(i＝1～32)為應變片輸出應變。
測量車輪縱向力FxFx為地面對車輪的摩擦力，在Fx的作用下，C梁沿X軸方向拉伸變形，G梁沿X軸方向壓縮變形。C、G梁側表面中間軸線處，應力狀態為單一的正向應力。此時，應變片5、6拉伸變形，應變片13、14壓縮變形，其電橋的差動輸出大小直接反映了Fx載荷大小。而此時其他梁的彎曲變形和拉壓變形，在其他應變片對上產生的變形是對稱的，故其他電橋無差動輸出。
測量車輪側向力FyFy為車輪的軸向載荷，在Fy的作用下，B、D、F、H梁沿Y軸方向彎曲變形。B、D、F、H梁上下表面根部軸線處，應力狀態為單一的正向應力。此時，應變片18、22、20、24拉伸變形，應變片26、30、28、32壓縮變形，其電橋的差動輸出大小直接反映了Fy載荷大小。而此時其他梁的彎曲變形，在其他應變片對上產生的變形是對稱的，故其他電橋無差動輸出。
測量車輪垂直力FzFz為地面對車輪的支承力，在Fz的作用下，A梁沿Z軸方向拉伸變形，E梁沿Z軸方向壓縮變形。A、E梁側表面中間軸線處，應力狀態為單一的正向應力。此時，應變片1、2拉伸變形，應變片9、10壓縮變形，其電橋的差動輸出大小直接反映了Fz載荷大小。而此時其他梁的彎曲變形和扭轉變形，在其他應變片對上產生的變形是對稱的，故其他電橋無差動輸出。
測量車輪側傾力矩MxMx為車輪側向傾覆的力矩載荷，在Mx的作用下，A梁沿X軸方向正向扭轉變形，E梁沿X軸方向反向扭轉變形。A、E梁上下表面根部軸線處，應力狀態為單一的正向應力。此時，應變片21、25拉伸變形，應變片17、29壓縮變形，其電橋的差動輸出大小直接反映了Mx載荷大小。而此時其他梁的彎曲變形和拉壓變形，在其他應變片對上產生的變形是對稱的，故其他電橋無差動輸出。
測量車輪扭矩MyMy為傳動軸對車輪的驅動扭矩和制動扭矩載荷，在My的作用下，B、D、F、H梁沿Y軸方向扭轉變形。B、D、F、H梁側表面根部軸線處，應力狀態為單一的正向應力。此時，應變片3、7、11、15拉伸變形，應變片4、8、12、16壓縮變形，其電橋的差動輸出大小直接反映了My載荷大小。而此時其他梁的扭轉變形，在其他應變片對上產生的變形是對稱的，故其他電橋無差動輸出。
測量車輪橫擺力矩MzMz為車輪橫向擺動的力矩載荷，在Mz的作用下，C梁沿Z軸方向正向扭轉變形，G梁沿Z軸方向反向扭轉變形。C、G梁上下表面根部軸線處，應力狀態為單一的正向應力。此時，應變片19、31拉伸變形，應變片23、27壓縮變形，其電橋的差動輸出大小直接反映了Mz載荷大小。而此時其他梁的扭轉變形，在其他應變片對上產生的變形是對稱的，故其他電橋無差動輸出。
後端信號採集模塊對各電橋輸出進行調理放大，實現了各維載荷的直接解耦測量。
權利要求1.一種汽車車輪多維力測量傳感器，其特徵在於該傳感器由一輪輻式結構的傳感器彈性體和應變片所組成，輪輻式結構的傳感器彈性體由外環(1)、內環(2)、變形梁(3)組成，內環(2)位於外環(1)的中央，外環(1)與內環(2)之間由變形梁(3)連接，應變片(10)固定在變形梁(3)的四周，在外環(1)的圓周側面均布有輪輞聯接孔(4)，在內環(2)的圓周側面均布有輪轂過渡法蘭聯接孔(5)。
2.根據權利要求1所述的汽車車輪多維力測量傳感器，其特徵在於在內環(2)、外環(1)間均布有8根變形梁(3)，每一根變形梁(3)的四周固定一個應變片(10)，共32個應變片(10)。
3.根據權利要求1所述的汽車車輪多維力測量傳感器，其特徵在於對各維載荷，選取在該載荷下變形趨勢相反的應變片(10)對，用低阻抗導線將其互連，組成差動電橋，則每個電橋的差動輸出對應於一維載荷，實現多維力的直接測量。
專利摘要車輪多維力測量傳感器是一種汽車行駛工況檢測系統中的力傳感器，該傳感器由一輪輻式結構的傳感器彈性體和應變片所組成，輪輻式結構的傳感器彈性體由外環1、內環2、變形梁3組成，內環2位於外環1的中央，外環1與內環2之間由變形梁3連接，應變片10固定在變形梁3的四周，在外環1的圓周側面均布有輪輞聯接孔4，在內環2的圓周側面均布有輪轂過渡法蘭聯接孔5。本實用新型主要涉及測量汽車在各種行駛工況條件下車輪所承受的多維動態載荷(垂直力、側向力、縱向力、制動扭矩、傾側彎矩、橫擺彎矩等)技術，利用傳感器彈性體的結構、應變片的合理布片、應變電橋的巧妙組橋，實現多維分力的解耦測量。
文檔編號G01L5/16GK2650092SQ20032011071
公開日2004年10月20日 申請日期2003年11月13日 優先權日2003年11月13日
發明者張為公 申請人:東南大學