CN103017876A - 一种基于应变放大的间接式车载称重装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变放大的间接式车载称重装置，包括由应变计、应变检测电路和基于应变放大原理的弹性体组成的车载检重传感器，车载检重传感器固定在车辆车轴上，所述的弹性体为长条状结构，弹性体沿长度方向两端为对称结构的非应变区，中间为应变区，非应变区固定在车轴上，应变计固定在弹性体的应变区上，并通过弹性体感测车辆车轴重力方向的形变，以此来间接获取车辆的载重重量。本发明的间接式车载称重装置将车辆车轴的形变集中到弹性体应变区，并实现应变放大，间接获取货车载重量，提高了测量灵敏度，确保了测量准确性，具有成本低、通用性强、可靠性性高、对车辆的改动较小及推广应用前景广泛等优点。

Description

一种基于应变放大的间接式车载称重装置

技术领域

本发明涉及一种车辆称重装置，特别是一种基于应变放大的间接式车载称重装置。

背景技术

随着市场经济的发展以及物流、交通、运输等行业的快速增长，车辆超限超载、道路拥堵、基础设施安全等一系列问题也随之而来，这些都对超限检测、计重收费等应对措施提出了新的要求，由此引出的对于能够满足称重精度与通行效率之间的平衡的车载称重新技术的探索业已被提上日程。目前的对载重车辆计重的方式大都采用“秤在地上”(即车辆静止状态下称重)的方式，实现定点集中称重，这类方式在应用过程均存在称重精度与通行效率之间的平衡问题，难以实现从源头治超及货车ETC(电子不停车收费)。

为克服车辆静态称重方式存在的缺陷，目前本领域相继有设计者推出车载称重的方案。车载称重装置将秤直接安装在车上，实现了“秤在车上”、“秤随车走”，为源头治超及货车ETC提供了一种新型的解决方案，同时车载称重系统和物联网技术相结合，满足了物流企业、司乘人员、货主对载重车辆实时运行状态数据服务的需求，为相关的市场提供了更大的拓展空间。

传统的车载称重装置一般采用直接测量载荷的方式，通常采用将称重传感器直接串联在货车重力的传递环节上，再通过组秤的方式实现货车称重。常用直接测量载荷的安装形式主要包括：在车厢和底盘之间、车轴和板簧之间或者在板簧和U型螺栓之间安装称重传感器的方式。以上安装方式虽然在原理上可行，但是实施过程却存在较多的问题。主要表现在：一、改变原车辆车厢和底盘的受力状态(底盘受力状态从均布载荷变为局部载荷)，对车辆的安全性影响较大；二、升高了货车箱体的高度，提升了装载货物的重心，对货车的自身安全性带来较大的影响，且改装过程复杂，需要对传感器安装部位进行局部加固，改造周期长，改造费用高，一般情况仅适用于特种车辆的改造或新车型；三、直接测量载荷的称量方式对称重传感器可靠性要求较高，要求其能抗冲击、抗偏载、疲劳特性、密封性、易安装等，此外，目前国产货车传感器安装位置零部件标准化较差，这些也限制了直接称重传感器的广泛应用。

目前公知的间接车载称重方式的实施步骤是可通过将电阻应变计直接粘贴到车轴的适当位置，进而实现对车轴局部应力的测量分析。由于载重车货车轴本身采用非制造传感器弹性体的材质做成，这种方式在实践中存在以下问题：一、应变太小，货车在设计时，出于安全性考虑，货车的车轴设计安全系数裕度较大，因此车轴受载荷作用后，车轴的应变及变形非常微小；在应力应变测试过程，力传递环节边界刚性及应变区与非应变区强度等原因，导致传感器感受到的应力应变继续衰减，因此传统的应变测量或位移测量方法很难实现高精度间接测量；二、车轴光洁度、平面度等难以满足传统贴片的工艺要求，即便是勉强贴上应变计,也难以满足贴片工艺(需要高温失效及固化)及温度补偿工艺(放入烘箱进行温度补偿)要求。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于应变放大的间接式车载称重装置，解决现有间接式车载称重装置中存在的应变计难以直接安装在车轴上且直接测量灵敏度不够等问题，并满足后续应变计高温固化、温度补偿等工艺的要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于应变放大的间接式车载称重装置，包括由应变计、应变检测电路和基于应变放大原理的弹性体组成的车载检重传感器，车载检重传感器固定在车辆车轴上，所述的弹性体为长条状结构，弹性体沿长度方向两端为对称结构的非应变区，中间为应变区，非应变区固定在车轴上，应变计固定在弹性体的应变区上，并通过弹性体感测车辆车轴重力方向的形变，以此来间接获取车辆的载重重量。

上述间接式车载称重装置中，所述的弹性体非应变区有效长度和应变区有效长度之比为1:1～5:1(非应变区总有效长度和应变区长度比值，直接影响称重信号输出的大小，一般情况下，在弹性体总长度一定的前提下，非应变区总有效长度与应变区长度之比越大，输出信号越大)，弹性体非应变区抗弯截面模量和应变区抗弯截面模量之比为10:1～1:1。

上述间接式车载称重装置中，所述的车载检重传感器可以为为一只，固定在车辆车轴中部的正上方位置或靠近正上方位置。此方案适合货车装载位置靠近轴中心线的条件下使用或者对称重精度要求不高的条件下使用，不能补偿偏离轴向的载荷位置误差。

上述间接式车载称重装置中，所述的车载检重传感器也可以是两只，对称固定在车轴靠近板簧底板(3)的内侧的位置或靠近正上方位置。此方案可实现重力作用点沿轴向(两侧弹性体传感器之间)变化时，测试值的一致性，消除了沿轴向的位置误差。具体实施中将两只车载检重传感器并联接入应变处理电路中，实现车辆偏载情况下的补偿校正。

上述间接式车载称重装置中，车载检重传感器焊接或粘接在车轴上。

上述间接式车载称重装置中，应变计粘接在弹性体上，所述的应变计为溅射薄膜应变计或电阻应变片。

上述间接式车载称重装置中，车载检重传感器的外部安装有保护罩。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1、本发明避开传统车载称重传感器的常规设计思想，将车载检重传感器固定在车轴上，通过测量车轴的形变来间接获得货车载重量，测量方法成本低、通用性强、可靠性性高，且对车辆的改动较小，具有广泛的应用前景；

2、本发明的应变放大间接式车载称重装置通过基于弹性体结构的形变放大方法，将车辆车轴的形变集中到弹性体应变区，并实现应变放大，以间接获取货车载重量，克服了传统直接测量方法存在的难以获取信号的不足，提高了测量灵敏度，确保了测量准确性；

3、本发明在车轴靠近板簧底板的内侧的正上方对称设置两只车载检重传感器，且两只车载检重传感器上的两只应变计输出信号并联接入应变检测电路中，通过补偿校正，确保了重力作用点沿车轴轴向变化(即车辆偏载)时测试值的一致性。

附图说明

图1为本发明安装在车轴上的称重装置示意图(主视图)。

图2为本发明安装在车轴上的称重装置示意图(俯视图)。

图3为本发明应变计和弹性体结构示意图(主视图)。

图4为本发明应变计和弹性体结构示意图(俯视图)。

图5为本发明单只车载检重传感器安装位置示意图。

图6为本发明两只车载检重传感器安装位置示意图。

图7为车辆载重重力传递至车轴的示意图。

图8为车轴受载荷后变形量沿车轴方向的分布示意图。

其中：1－车轴，2－车轮，3－板簧底板，4－车载检重传感器，5－悬挂系统，6－车身，7－底盘，8－应变计，9－弹性体，10－保护罩。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明所述的基于应变放大的间接式车载称重装置包括由应变计8、应变检测电路和弹性体9组成的车载检重传感器4，其中基于应变放大的原理的弹性体9为长条状结构，弹性体9沿长度方向两端为对称结构的非应变区，中间为应变区，非应变区固定在车轴1上，应变计8固定在弹性体9的应变区上，并通过测量弹性体9的形变感测车辆车轴1重力方向的形变。为了防止灰尘、泥土等外界条件的干扰，称重装置4的外部还安装有保护罩10。

为了实现应变放大，在图3所示的弹性体9中，非应变区有效长度L1和应变区L2有效长度之比介于1:1和5:1之间，非应变区A或B截面抗弯模量和应变区C截面抗弯模量之比介于10:1和1:1之间，这样可以实现有效的应变放大，克服由于载重车辆车轴1设计中强度冗余大、重力引起车轴1的形变太小而难以测量的不足。

称重装置在车轴1的安装位置分别如图5和图6所示。图5中车载检重传感器4为一只，固定在车辆车轴1的中部正上方位置，适合货车装载位置靠近轴中心线的条件下使用或者对称重精度要求不高的条件下使用，不能补偿偏离轴向的载何位置误差，但传感器使用量减半，降低成本。图6中车载检重传感器4为两只，对称固定在车轴1靠近板簧底板的内侧的正上方，也就是车轴1上两个载重施力点内侧的正上方，通过两只传感器电气并联方式，实现力作用点沿轴向(两侧传感器之间)变化时测试值的一致性，即沿轴向偏载时测试值的一致性，消除了轴向的位置误差。

为了便于传感器安装，可采用将车载检重传感器4用螺栓连接、直接焊接或胶粘到车轴1上的方式，也可以通过焊接底座后再将车载检重传感器4固定。通过以上措施解决了传统车载称重系统存在的问题，具有不影响原车辆安全性、可靠性高、通用性强、维护性好、低成本等优点。

本发明称重装置实现应变放大的基本原理如下：本系统采用传感器来感知载重货车的车轴变形量，主要是在重力G作用下引起的车轴1的弯曲变形，在车载检重传感器安装区域产生相对挠度δ1。车轴1把弯曲变形传递给车载检重传感器，车载检重传感器受力形变，也产生相对挠度δ2，且在不考虑传递过程损失的条件下，δ1=δ2。车载检重传感器应变区由于受弯矩作用产生正应力，应力产生弯曲正应变，从而改变惠斯通电桥的平衡，产生传感器输出电压。

如图7所示，车载检重传感器装在车轴1的中部或两侧，装载的货物重量为G，重力通过车厢传递到悬挂系统，再通过悬挂系统传递到车轴1上。图8为车轴1受载荷后变形量沿车轴1方向的分布示意图。力值G1、G2直接作用于轴上(其中G1，G2为重量G的部分分量)，车轴1受G1，G2作用产生形变，挠度为δ。通过对轴的应力应变分析，结合将来传感器合适安装部以及位置补偿的需要综合进行分析，在靠近B或C点处，分别选择BB’段和CC'段(其中BB'=CC')作为合适的传感器安装部位。

根据材料力学的相关知识可以计算出，BB'段的相对挠度f1，由于BB'与CC'完全对称，因此CC'段的相对挠度f2=f1。挠度值f1作为车载检重传感器弹性体9在受力方向上的最大弯曲形变量，并依此为依据进行弹性体9的设计。通常情况下弹性体9设计成等截面梁或接近等截面梁，弹性体9在重力方向的挠度的分布近似于均匀分布，弹性体9非应变区域(A区、B区)也将产生挠度，导致传递到应变区的挠度减少，应变值衰减，而最大化的利用相对挠度f1也是本发明传感器弹性体9设计的关键。

本发明通过采用基于应变放大的原理解决了上述问题，有效利用相对挠度f1,使形变量尽可能集中到弹性体9应变区，起到应变放大的作用。实施要点如图3所示，在设计弹性体9时，在满足应变区工艺参数的条件下，尽可能减小应变区的长度L2以及减弱应变区的刚性(通过调整应变梁的界面参数，减少抗弯截面模量)，增大非应变区与应变区的抗弯截面模量的比值，弱化应变区刚性，使车轴1的变形量尽可能的集中产生在弹性体9应变区，减少形变损失，起到了将应变集中在应变区而放大的作用。为进一步提高放大补偿系数，可以通过在保持应变区长度不变的条件下，增加非应变区的长度L1，起到增加相对挠度f1的作用，进而增加传感器弹性体9应变区的应变值。通常情况下取非应变区有效长度和应变区有效长度之比为1:1～5:1，非应变区抗弯截面模量和应变区抗弯截面模量之比为10:1～1:1。

本发明通过有效利用车轴1的形变及减少车轴1上安装传感器带来的应变损失，在弹性体9结构上采用应变放大结构，解决了传统车载装置存在的问题，不影响原车辆的安全性能，具有结构合理、可靠性高、通用性强、维护性好、低成本及推广应用前景广泛等优点。

Claims (9)

1.一种基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：包括由应变计(8)、应变检测电路和弹性体(9)组成的车载检重传感器(4)，车载检重传感器固定在车辆车轴(1)上，所述的弹性体(9)为长条状结构，弹性体(9)沿长度方向两端为对称结构的非应变区，中间为应变区，非应变区固定在车轴(1)上，应变计(8)固定在弹性体(9)的应变区上，并通过弹性体(9)感测车辆车轴(1)重力方向的形变。

2.根据权利要求1所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述的弹性体(9)非应变区有效长度和应变区有效长度之比为1:1～5:1，弹性体(9)非应变区抗弯截面模量和应变区抗弯截面模量之比为10:1～1:1。

3.根据权利要求1所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述的车载检重传感器(4)为一只，固定在车辆车轴(1)中部的正上方位置或靠近正上方位置。

4.根据权利要求1所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述的车载检重传感器(4)为两只，对称固定在车轴(1)靠近板簧底板(3)的内侧的位置或靠近正上方位置。

5.根据权利要求4所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述两只车载检重传感器(4)通过并联方式接入应变检测电路中，实现车辆偏载情况下的补偿校正。

6.根据权利要求1所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述的车载检重传感器(4)焊接或粘接在车轴(1)上。

7.根据权利要求1所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述的应变计(8)粘接在弹性体(9)上。

8.根据权利要求1或7所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述的应变计(8)为溅射薄膜应变计或电阻应变片。

9.根据权利要求1所述的基于应变放大的间接式车载称重装置，其特征在于：所述车载检重传感器(4)的外部安装有保护罩(10)。

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