用於旋轉體的轉換器的製作方法

2023-09-10 08:28:35

專利名稱：用於旋轉體的轉換器的製作方法
用於旋轉體的轉換器
背景技術：
用於沿三個正交軸線測量力或繞三個正交軸線測量力矩的輪子力轉 換器或載荷單元是己知的。輪子力轉換器典型地安裝在車輛主軸與車輛輪 輞的一部分之間並安裝到車輛主軸和車輛輪輞的一部分。當車輛運行時， 轉換器測量通過輪子組件在主軸處作用的力和力矩。
已經受到基本成功和中肯稱讚的一種形式的輪子力轉換器是由美國
明尼蘇達州伊甸普賴利市的MTS系統公司出售的SWIFT轉換器，並在美國 專利第5，969，268號和第6,038,933號中詳細說明。通常，這種轉換器包括具 有剛性中心構件的載荷單元體、剛性環狀環和徑向延伸並將中心構件連接 到環狀環的多個管狀構件。多個感測電路安裝到多個管狀構件。剛性中心 構件安裝到車輛主軸，而環狀環連接到車輛輪輞。編碼器測量載荷單元體 的角位置，所述載荷單元體允許通過徑向管狀構件傳遞的力相對於正交固 定坐標系被分解。外部滑環組件將動力提供給載荷單元體上的傳感器，並 從載荷單元體上的傳感器接收信號。

發明內容
本發明的多個方面涉及測量和/或感測施加到例如諸如但不限於摩託 車的車輛的輪子的旋轉體的力和/或力矩。
第一方面包括一種用於感測由框架支撐的旋轉體上的力和/或力矩分 量的載荷單元組件。所述組件包括具有連接到框架的相對端部的輪軸。輪 轂由輪軸支撐並可繞所述輪軸的縱向軸線旋轉。連接到輪轂和旋轉體的載 荷單元體用於感測輪轂與旋轉體之間的力和/或力矩分量。
第二方面包括一種由摩託車或類似輪子組件的框架部分和載荷單元 組件組成的組合，所述載荷單元組件用於感測摩託車或類似輪子組件上的 力和/或力矩分量。載荷單元組件包括輪軸和由輪軸支撐的輪轂，所述輪軸 在每一個端部處安裝到框架部分。設置輪輞，並且輪胎支撐在輪輞上。載荷單元體操作性地連接到輪轂和輪輞。
第三方面包括一種用於感測由框架支撐的旋轉體上的力和/或力矩分 量的載荷單元組件。所述組件包括輪軸，所述輪軸在該輪軸的至少一個端 部上連接到框架。輪轂由輪軸支撐並可繞輪軸的縱向軸線旋轉。載荷單元 體連接到輪轂和旋轉體，以感測輪轂與旋轉體之間的力和/或力矩分量。滑 環組件設置在輪轂內，所述滑環組件具有可相對於第二構件移動的第一構 件，第一構件可與輪轂一起旋轉。


圖1A是具有載荷單元系統的摩託車後輪的側視圖1B是沿線1B-1B截得的圖1A的摩託車後輪的剖視圖2A是具有載荷單元系統的摩託車前輪的側視圖2B是沿線2B-2B截得的圖2A的摩託車前輪的剖視圖3是載荷單元的側視圖4是沿線4-4截得的圖3的載荷單元的剖視圖5是在部件被分離的情況下的滑環和電刷組件的透視圖； 圖6A是具有載荷單元系統的另一個摩託車後輪的側視圖6B是沿線6B-6B截得的圖6A的摩託車後輪的剖視圖； 圖6C是在移除輪輞和輻條的情況下的圖6B的放大部分；
圖7A是具有載荷單元系統的另一個摩託車前輪的側視圖7B是沿線7B-7B截得的圖7A的摩託車前輪的剖視圖； 圖7C是在移除輪輞的情況下的圖7B的放大部分；以及 圖8是用於圖6A的摩託車後輪的輪轂組件的分解透視圖。
具體實施例方式
本文所給出的

適用於測量旋轉體的力和力矩分量的載荷單 元系統，並且在一個實施例中，旋轉體位於在每一個端部處被支撐的輪軸 上並繞著該輪軸旋轉。這種旋轉體的一個示例是例如在拖車、推車或例如 但不限於摩託車的車輛上的滾動輪。在本文所述的圖示的實施例中，由於 其具體的有效性，將採用摩託車應用。圖1A和1B示出了當應用到摩託車的後輪組件13時的載荷單元系統
10，其中沒有整體示出摩託車，但是可以視為由鏈輪11和擺臂17表示。同 樣，圖2A和2B示出了當應用到摩託車的前輪組件19時的載荷單元系統10'， 其中沒有整體示出摩託車，但是可以視為由框架部分(前叉)15表示。載 荷單元系統IO'基本上類似於載荷單元系統IO。因此，採用相同附圖標記的
部件具有相同的功能。
在具體參考圖1A和圖1B的情況下，載荷單元系統10大致包括輪轂和 輪軸組件12、轉換器14以及輪胎和輪輞組件16。在此實施例中，輪轂組件 12和連接到所述輪轂組件的元件繞著輪軸18的縱向軸線旋轉，當被用於支 撐摩託車的後輪時，所述輪軸在框架的多個部分之間延伸並連接到框架的 多個部分。
驅動組件操作性地連接到輪轂組件12，雖然可以使用諸如軸和齒輪組 件、帶等其它形式的驅動設備，但是在此使用驅動鏈輪ll。制動盤30也被 示出為安裝到輪轂組件12的另一端部。典型地，鏈輪11以及制動盤30的大 小和位置將對應於由製造商所製造的大小和位置，其中載荷單元系統10可 以容納這些元件。這樣，載荷單元系統10可以由此準確地記錄摩託輪子組 件上存在的實際的力和力矩。
輪轂組件12在此大致沿輪子組件的中心線被分開並包括部分40和42。 利用緊固件43將輪轂部分40和42與位於輪轂部分40與42之間的轉換器14 連接在一起。在一個實施例中，可以設置耦合齒46，以通過由配合齒提供 的增加的表面積增加摩擦有效地傳遞耦合齒46之間的載荷。通常，轉換器 具有中心輪轂64和環狀環66。輪轂部分40和42連接到中心輪轂64，而輪輞 適配器組件67利用緊固件65連接到環狀環66 (所述環狀環可以包括配合 齒)且利用緊固件75連接到輪輞69。
在一個實施例中，轉換器14是與輪輞適配器組件67和一個或兩個輪轂 部分40、 42分離的部件，這便利地允許轉換器14在不同類型的輪子組件的 情況下使用多次，其後僅輪轂部分40、 42和/或輪輞適配器組件67需要具體 地設計成特定的輪子組件。
用於測量力和力矩分量的轉換器14固定到輪轂組件12和輪輞適配器 組件67，並用於支撐輪輞69上的輪胎。轉換器14因此代替輪輞的一部分，並承載輪轂12與輪胎之間的力和力矩載荷。應該理解的是可以使用各種形 式的轉換器，並以如在此所教導的方式組裝各種形式的轉換器；然而，美
國專利5，969,268中說明了一種特別便利的轉換器，該專利的內容在此整體 併入本文供參考，其中實際尺寸可以改變以適應期望的載荷、尺寸限制和 靈敏度。
在圖3中所示的示例性實施例中，轉換器14包括由單塊材料製造的一 體式載荷單元體62。載荷單元體62包括剛性中心輪轂64和與中心輪轂64同 心的剛性環狀環66。多個徑向管70將中心輪轂64連接到環狀環66。在所述 的實施例中，多個徑向管70包括四個管71、 72、 73和74。管71-74中的每一 個均沿相應的縱向軸線從中心輪轂64朝向環狀環66徑向延伸。雖然圖中所 示的多個徑向管70等於四，但是應該理解的是可以使用三個或更多個的任 何數量的管將中心輪轂64連接到環狀環66。優選地，多個徑向管70關於由 76表示的中心軸線以相等的角間隔被間隔開。
在所述的實施例中，撓性構件81、 82、 83和84將每一個徑向管71-74 的端部分別連接到環狀環66。撓性構件81-84沿相應的徑向軸線適應每一個 相應的徑向管71-74的位移。
多個傳感器(例如，應變傳感器)可以安裝在多個管70上以感測多個 管70內的應變。雖然多個傳感器可以位於多個徑向管70上，以提供對多個 徑向管70內的彎曲應力的指示，但是在一個實施例中，通常安裝應變傳感 器，以提供指示多個徑向管70的壁內的剪切應力的輸出信號。在所述的實 施例中，四組應變傳感器優選地在每一個管的縱向長度的大致中心處設置 在每一個管71-74上。如美國專利5,969,268中所述，第一對應變傳感器設置 在每一個徑向管71-74的面向上方的部分上。第二對應變傳感器與第一對應 變傳感器大約成180度地安裝在面向下方的表面上。每一個管71-74上的第 一對和第二對應變傳感器以傳統的惠斯通電橋(Wheatstone bridge)連接， 以在每一個徑向管71-74上形成第一感測電路。第三對應變傳感器與第一對 應變傳感器大約成90度地安裝，而第四對應變傳感器與第三對應變傳感器 大約成180度地安裝。每一個管71-74上的第三對和第四對應變傳感器也以 傳統的惠斯通電橋連接，以在每一個徑向管71-74上形成第二感測電路。通 常，所述多個傳感器包括阻抗應變儀。多個傳感器可以用作剪切傳感器，
8以提供對徑向管70內生成的剪切應力的指示。如果需要，所述多個傳感器
可以安裝到徑向管70以用作彎曲傳感器，以便提供對徑向管70內的彎曲應
力的指示。在此實施例中，彎曲傳感器可以位於管的根部處，或者位於將
每一個管71-74連接到中心輪轂64的圓角(fillet)的開始處。此外，也可以
使用諸如但不限於基於光學的傳感器或基於電容的傳感器的其它形式的 感測設備。此外或者可選地，撓性件81-84可以用作具有適當的感測設備的 感測結構，所述感測設備檢測該撓性件的應變或位移。
在所述具有四個徑向管71-74的實施例中，可以使用8個單獨的剪切感
測惠斯通電橋。感測電路的數量可以增加或減少，這取決於所使用的徑向 管的數量。
來自於傳感器或感測電路的輸出信號指示在中心輪轂64與環狀環66 之間傳遞的、自由度等於六的力和力矩分量。應該理解的是，如果期望測 量的力和力矩的自由度小於六，則可以減小應變傳感器的數量和感測電路 的數量。美國專利5，969,268中說明了關於分解作為力和力矩測量結果的、 來自於轉換器14的傳感器的信號的進一步細節；然而，還應該理解的是可 以使用其它形式的轉換器。
在一個實施例中，當輪輞69、轉換器14和具有連接到其上的元件的輪 轂12在軸承120上旋轉時，通過滑環組件114由控制器和/或記錄器112將動
力供應給多個傳感器，並從多個傳感器獲得輸出信號。
參照圖5，滑環組件114的第一實施例包括外構件130，所述外構件固 定到中心輪轂64，從而例如通過銷通過孔132與所述中心輪轂一起旋轉。 內構件134固定到輪軸18並與所述輪軸保持靜止。例如，可以設置鍵136以 與設置在輪軸18內的相應的徑向溝槽138配合，所述輪軸18可以是實心的。 電刷和滑環組件139在構件130和132之間的環狀空間內可操作地連接到構 件130和132。如果需要，編碼器組件140也可以設置在環狀空間內。來自 於電刷組件139的電纜144可以相對於內構件134沿溝槽138的長度延伸，而 來自於電刷組件139的電纜146可以相對於外構件130布線到轉換器14的電 路。
滑環組件114和軸承120通過環繞輪軸18的同心載荷組件151沿輪軸18 徑向地保持在適當的位置。同心載荷組件151包括隔離件150、 152和154(每一個均具有使輪軸18延伸通過的孔)，當通過輪軸螺母156使輪軸18承受拉
力時，隔離件150、 152和154與軸承120的內座圈和內構件134—起被壓縮。 應該注意的是，輪軸18上的滑環組件114的位置允許使用密封件162以保護 軸承120以及滑環組件114，同時當需要修理時，整個設計允許獲取電刷組 件139。
如果需要，可以使用監測輪子組件的角位置的外部編碼器170。例如， 可以使用鏈輪或類似旋轉構件176，以驅動安裝在摩託車上的別的地方的 編碼器的驅動輪。
圖6A、 6B和6C示出了應用到摩託車的另一個後輪組件13'的載荷單元 系統10"，其中沒有整體示出摩託車，但是可以視為摩託車由鏈輪ll和擺臂 17表示。同樣，圖7A、 7B和圖7C示出了應用到摩託車的另一個前輪組件 19'的載荷單元系統10'"，其中沒有整體示出摩託車，但是可以視為摩託車 由框架部(前叉)15表示。載荷單元系統10"和10"'彼此基本相似，而且 還具有與以上關於載荷單元系統10和10'所討論的部件類似的部件。因此， 使用相同的附圖標記的部件具有與以上所述的功能相同的功能。
在具體參考圖6A、 6B和6C的情況下，載荷單元系統10"大致包括分開 的輪轂(部分40、 42)和輪軸組件12、轉換器14以及輪胎和輪輞組件16， 所述輪胎和輪輞組件16繞著輪軸18並在該輪軸上旋轉，當被用於支撐摩託 車的後輪時，所述輪軸在框架的多個部分之間延伸並連接到框架的多個部 分。在此實施例中，輪轂部分40、 42分別連接到鏈輪11和制動盤30，以及 連接到轉換器14的中心輪轂64。使用輻條組件200將轉換器14的環狀環66 連接到輪輞69，所述輻條組件包括輻條輪轂支撐件202和多個輻條204。在 所述實施例中，輻條輪轂支撐件202包括部分206和208，部分206和208在 環狀環66的相對側上例如通過螺栓被適當地緊固到環狀環66。這種結構有 利地允許轉換器14在不同類型的輪子組件的情況下被多次使用，在所述不 同類型的輪子組件中，輪轂部分40、 42和/或輻條組件200需要具體設計成 特定的輪子組件。
如上述實施例中，當輪輞69、轉換器14和輪轂組件12旋轉時，通過安 裝在輪轂組件12內的滑環組件214將動力供應給轉換器14，並從轉換器14 獲得輸出信號。還參照圖8，滑環組件214包括外構件216，所述外構件固定到中心輪 轂64，以便通過例如銷通過孔218與所述中心輪轂一起旋轉。內構件220固 定到輪軸18並與所述輪軸保持靜止。例如，可以在內構件220內設置鍵槽 221，以配合如下所述的隔離件上的鍵元件。
電刷和滑環組件(未示出，但是類似於滑環114的電刷和滑環組件) 可操作地連接到構件216和220(所述構件216和220在圖6B和6C中示意地分 幵)。連接器230和232連接到轉換器14，而線234朝向輪軸18的端部向外延 伸。如果需要，編碼器組件可以設置在滑環組件214內，或者可以使用外 部編碼器。合適的滑環組件可由美國密西根州夏洛瓦的Michigan Scientific Corporation貝勾得。
滑環組件214通過環繞輪軸18的同心載荷組件250縱向地沿著輪軸18 被保持在適當的位置。在所述的實施例中，同心載荷組件250包括輪軸隔 離件259、 260和載荷隔離件262，且它們的端部彼此共同作用以安裝和支 撐軸承組件264。應該注意的是，輪軸隔離件260包括平行於輪軸18的縱向 溝槽280，線234延伸通過所述縱向溝槽，然後穿出孔282，並被引導通過 擺臂17附近的線引導件286內的通道284。
同樣，在輪軸18的相對側上，輪軸隔離件266和載荷隔離件268具有端 部，所述端部共用作用以安裝和支撐軸承組件270。套筒271可以沿輪軸從 內構件220徑向向內設置。套筒271的厚度允許由輪軸支撐的各部件適於不 同輪軸的直徑。在輪軸螺母275擰緊並且輪軸18受拉的情況下，輪軸隔離 件260， 266、載荷隔離件262, 268、軸承264, 270的內滾道以及內構件220 (每
一個均具有輪軸18延伸通過的孔)受壓地被裝載。每一個端部進一步包括 密封件272和274，以防止水和其它汙染物到達滑環組件214。
應該注意的是，滑環組件114、 214在軸承之間位於輪軸18上，並且位 於優選地與中心輪轂64在一條直線上的輪轂12內，或者被規定另一方式以 與載荷單元體62的中心平面相交。
此外，載荷單元體62對沒有與載荷單元體62的環狀環66 (即，輪胎胎 面接觸塊(tire contact patch))作用的載荷(諸如摩託車上的鏈條或制動 載荷)不敏感，所述載荷分流到軸承內。
類似的結構用於圖7A-7C的前輪組件中，其中相同的附圖標記已經用於表示與如上所述的功能元件類似的功能元件。
雖然上述輪軸18被支撐在框架的兩個端部處，但是在此所述的多個方
面可以用於其中框架從一側支撐諸如輪子的旋轉體的框架上。例如，本發 明的多個方面可以用於如在某些摩託車上發現的單側擺臂上。而且，輪胎
試驗機和卡車輪軸通常具有空心軸(quill shaft)以驅動旋轉體。在所有這
些其它實施例中，可以安裝滑環組件，使得第一構件與輪轂(所述輪轂沒 必要總是被分開) 一起旋轉，而第二構件保持靜止，其中，如上所述，線 沿輪軸內的溝槽和/或通過形成於輪軸隔離件內的通道朝向框架退出。同
樣，對於具有中空或部分中空的輪軸(例如，圖6C)的所有實施例來說， 孔291可以沿線234從滑環組件可以延伸到的長度並從而沿所述滑環組件 內的孔的輪軸而設置在任一點處。如果需要，滑環組件的環或電刷也可以 直接連接到輪軸或形成於輪軸上。
雖然己經參照優選的實施例說明了本發明，但是本領域的技術人員將 認識到在不脫離本發明的精神和保護範圍的情況下可以在形式和細節方 面對本發明做改變。
1權利要求
1. 一種用於感測由框架支撐的旋轉體上的力和/或力矩分量的載荷單元組件，所述組件包括輪軸，所述輪軸具有連接到所述框架的相對端部；輪轂，所述輪轂由所述輪軸支撐，並能夠繞著所述輪軸的縱向軸線旋轉；載荷單元體，所述載荷單元體連接到所述輪轂和所述旋轉體，以感測所述輪轂與所述旋轉體之間的力和/或力矩分量。
2. 根據權利要求l所述的載荷單元組件，進一步包括設置在所述輪轂 內的滑環組件，所述滑環組件具有能夠相對於第二構件移動的第一構件， 所述第一構件能夠與所述輪轂一起旋轉。
3. 根據權利要求2所述的載荷單元組件，進一步包括連接到所述輪轂並由所述輪軸支撐的軸承。
4. 根據權利要求3所述的載荷單元組件，進一步包括第二軸承，所述 第二軸承連接到所述輪轂並由所述輪軸支撐，所述第二軸承在所述輪軸上 與第一次提及的軸承間隔開。
5. 根據權利要求4所述的載荷單元組件，其中，所述滑環組件設置在 所述第一次提及的軸承與所述第二軸承之間。
6. 根據權利要求5所述的載荷單元組件，其中，所述輪轂包括第一部 分和第二部分，所述第一部分連接到所述第一次提及的軸承和所述載荷單 元體，而所述第二部分連接到所述第二軸承和所述載荷單元體。
7. 根據權利要求6所述的載荷單元組件，其中，所述第二構件包括孔，所述輪軸延伸通過所述孔。
8. 根據權利要求7所述的載荷單元組件，進一步包括一對隔離件，所 述輪軸延伸通過所述一對隔離件，其中隔離件設置在所述軸承中的每一個 與所述第二構件之間。
9. 根據權利要求8所述的載荷單元組件，其中，所述輪軸包括溝槽，線通過所述溝槽從所述第二構件延伸到所述輪軸的端部。
10. 根據權利要求7所述的載荷單元組件，其中，所述輪軸包括溝槽，線通過所述溝槽從所述第二構件延伸到所述輪軸的端部。
11. 根據權利要求7所述的載荷單元組件，其中，線通過形成於所述 隔離件中的一個與所述輪軸之間的通道從所述第二構件延伸到所述輪軸 的端部。
12. 根據權利要求3所述的載荷單元組件，進一步包括位於所述輪軸 的每一個端部處的密封件，其中所述第一次提及的軸承、所述第二軸承和 所述滑環組件設置在所述密封件之間。
13. —種由摩託車或類似輪子組件的框架部分和載荷單元組件組成的 組合，所述載荷單元組件用於感測摩託車或類似輪子組件上的力和/或力矩 分量，所述載荷單元組件包括輪軸，所述輪軸在每一個端部處安裝到所述框架部分；由所述輪軸支撐的輪轂；輪輞；支撐在所述輪輞上的輪胎；以及載荷單元體，所述載荷單元體操作性地連接到所述輪轂和所述輪輞。
14. 根據權利要求12所述的組合，進一步包括連接到所述輪轂的第一 軸承和連接到所述輪轂的第二軸承，所述第二軸承在所述輪軸上與所述第 一軸承分隔開。
15. 根據權利要求14所述的組合，其中，所述輪轂包括第一部分和第 二部分，所述第一部分連接到所述第一軸承和所述載荷單元體，所述第二 部分連接到所述第二軸承和所述載荷單元體。
16. 根據權利要求15所述的組合，其中，所述載荷單元包括中心輪轂 和環狀輪輞，其中所述中心輪轂連接到每一個輪轂部分。
17. 根據權利要求16所述的組合，進一步包括滑環組件，所述滑環組件具有能夠相對於第二構件移動的第一構件，所述第一構件能夠與所述載 荷單元體一起旋轉。
18. 根據權利要求17所述的組合，其中，所述第二構件包括孔，所述 輪軸延伸通過所述孔。
19. 根據權利要求17所述的組合，其中，線沿著所述輪軸的長度從所 述第二構件延伸到所述輪軸的一個端部。
20. 根據權利要求13所述的組合，進一步包括設置在所述輪轂內的滑 環組件，其中所述輪軸延伸通過所述滑環組件的一部分。
21. —種用於感測由框架支撐的旋轉體上的力和/或力矩分量的載荷 單元組件，所述組件包括輪軸，所述輪軸在該輪軸的至少一個端部上連接到所述框架；輪轂，所述輪轂由所述輪軸支撐，並能夠繞著所述輪軸的縱向軸線旋轉；載荷單元體，所述載荷單元體連接到所述輪轂和所述旋轉體，以感測所述輪轂與所述旋轉體之間的力和/或力矩分量；以及設置在所述輪轂內的滑環組件，所述滑環組件具有能夠相對於第二構 件移動的第一構件，所述第一構件能夠與所述輪轂一起旋轉。
22. 根據權利要求21所述的載荷單元組件，其中，所述載荷單元包括 中心輪轂和環狀輪輞，其中所述中心輪轂連接到每一個輪轂部分。
23. 根據權利要求22所述的載荷單元組件，進一步包括滑環組件，所 述滑環組件具有能夠相對於第二構件移動的第一構件，所述第一構件能夠 與所述載荷單元體一起旋轉。
24. 根據權利要求23所述的載荷單元組件，其中，所述第二構件包括 孔，所述輪軸延伸通過所述孔。
25. 根據權利要求23所述的載荷單元組件，其中，線沿著所述輪軸的 長度從所述第二構件延伸到所述輪軸的一個端部。
26. 根據權利要求23所述的載荷單元組件，進一步包括具有孔的至少 一個隔離件，所述輪軸延伸通過所述孔，其中，所述第二構件包括孔，所 述輪軸延伸通過所述孔，並且其中，當所述輪軸受到拉力時，通過給所述 第二構件和所述隔離件施加壓縮力而將所述第二構件保持在所述輪軸上 的適當位置處。
全文摘要
本發明公開了一種用於感測由框架(15，17)支撐的旋轉體(69)上的力和/或力矩分量的載荷單元組件(10，10′，10″，10′″)，所述載荷單元組件包括輪軸(18)，所述輪軸具有連接到框架(15，17)的相對端部。輪轂(12)由輪軸(18)支撐，並可繞輪軸(18)的縱向軸線旋轉。連接到輪轂(12)和旋轉體(69)的載荷單元體(62)用於感測輪轂(12)與旋轉體(69)之間的力和/或力矩分量。
文檔編號G01L5/16GK101501467SQ200780029695
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月8日 優先權日2006年8月8日
發明者伊恩·T·孔塞, 理察·A·邁耶, 羅伯特·利奧·約瑟夫森, 道格拉斯·J·奧爾森 申請人:Mts系統公司