CN103822748B - 悬架k＆c试验台六分力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬架K&C试验台六分力传感器，旨在克服存在应变片数量越多测量引入的误差也就越大与软件解耦也不容易解决实际测量时轮胎的压偏情况的问题，其由上圆盘（1）、下圆盘（6）、支柱组件、应变片组件与补偿片组件组成。上圆盘（1）与下圆盘（6）为圆形平板类结构件，直径为300mm～500mm；支柱组件包括1号支柱（2）、2号支柱（3）、3号支柱（4）与4号支柱（5）；支柱组件安装在上圆盘（1）与下圆盘（6）之间，1号支柱（2）、2号支柱（3）、3号支柱（4）与4号支柱（5）的两端分别和上圆盘（1）与下圆盘（6）固定连接，应变片组件粘贴在支柱组件上，补偿片组件粘贴在支柱组件中的1号支柱（2）上。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够直接测出轮胎所受三个方向的力和三个方向的力矩的传感器，更确切地说，本发明涉及一种悬架K(kinematics)&C(compliance)试验台六分力传感器。
背景技术
悬架K&C试验台(K代表悬架几何运动特性，C代表悬架弹性运动特性)需要运用六分力传感器测出车辆车轮所受各个方向的力和力矩，以便和其他测量量一起来评价车辆的性能。为了完成该测量工作，对于悬架K&C试验台六分力的测量精度则显得尤为重要。目前，对于悬架K&C试验台六分力的测量一般采用应变片法。将应变片粘贴于六分力传感器上，并将轮胎安装于传感器上，传感器即输出轮胎六分力。
目前，广泛用于悬架K&C试验台的六分力传感器有一个共同的特点，即所用应变片数目较多，其没有实现物理解耦而采用与软件结合进行解耦。应变片数量越多测量引入的误差也就越大，而且软件解耦也不容易解决实际测量时轮胎的压偏情况，其只能通过别的方式定位初始车轮，而这必将会给测量进一步引入误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在应变片数量越多测量引入的误差也就越大与软件解耦也不容易解决实际测量时轮胎的压偏情况的问题，提供了一种悬架K&C试验台六分力传感器。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的悬架K&C试验台六分力传感器由上圆盘、下圆盘、支柱组件、应变片组件与补偿片组件组成。
支柱组件安装在上圆盘与下圆盘之间，支柱组件的两端分别和上圆盘与下圆盘固定连接，应变片组件粘贴在支柱组件上，补偿片组件粘贴在支柱组件中的1号支柱上。
所述的应变片组件由1号应变片、2号应变片、3号应变片、4号应变片、5号应变片、6号应变片、7号应变片和8号应变片组成。所述的支柱组件由1号支柱、2号支柱、3号支柱与4号支柱组成。1号应变片与2号应变片对称地粘贴在1号支柱的上半部分，并且1号应变片与2号应变片的纵轴分别和1号支柱的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；3号应变片与4号应变片对称地粘贴在2号支柱的上半部分，并且3号应变片与4号应变片的纵轴分别和2号支柱的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；5号应变片与6号应变片对称地粘贴在3号支柱的上半部分，并且5号应变片与6号应变片的纵轴分别和3号支柱的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；7号应变片与8号应变片对称地粘贴在4号支柱的上半部分，并且7号应变片与8号应变片的纵轴分别和4号支柱的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比。
所述的补偿片组件由1号补偿片与2号补偿片组成。1号补偿片与2号补偿片粘贴在1号支柱表面的任意位置上，且不和1号支柱上的1号应变片与2号应变片相重叠。
所述的应变片组件中的3号应变片、4号应变片、7号应变片与8号应变片首尾通过导线依次连接组成1号电桥。所述的应变片组件中的1号应变片、2号应变片、6号应变片与5号应变片首尾通过导线依次连接组成2号电桥。所述的应变片组件与补偿片组件中的1号应变片、2号应变片、1号补偿片、5号应变片、6号应变片与2号补偿片首尾通过导线依次连接组成3号电桥。所述的应变片组件中的3号应变片、7号应变片、4号应变片与8号应变片首尾通过导线依次连接组成4号电桥。所述的应变片组件中的1号应变片、5号应变片、2号应变片与6号应变片首尾通过导线依次连接组成5号电桥。所述的应变片组件中的1号应变片、2号应变片、5号应变片与6号应变片首尾通过导线依次连接组成6号电桥。
技术方案中所述的支柱组件安装在上圆盘与下圆盘之间，支柱组件的两端分别和上圆盘与下圆盘固定连接是指：1号支柱、2号支柱、3号支柱与4号支柱为结构相同的横截面均为矩形的长方体式结构件，1号支柱、2号支柱、3号支柱与4号支柱均匀地分布在上圆盘与下圆盘上，1号支柱、2号支柱、3号支柱与4号支柱的上端和上圆盘焊接或铆接连接，1号支柱、2号支柱、3号支柱与4号支柱的下端和下圆盘焊接或铆接连接，上圆盘与下圆盘相互平行。
技术方案中所述的上圆盘为圆形平板类结构件，直径为300mm～500mm，下圆盘为圆形平板类结构件，下圆盘的直径为300mm～500mm，下圆盘上均布有用于将悬架K&C试验台六分力传感器安装在悬架K&C试验台上的螺栓通孔。
技术方案中所述的补偿片组件中的1号补偿片与2号补偿片的结构完全相同，并和应变片组件中的1号应变片、2号应变片、3号应变片、4号应变片、5号应变片、6号应变片、7号应变片与8号应变片的结构完全相同。
技术方案中所述的上圆盘、下圆盘、支柱组件均采用的是钢质材料。
技术方案中所述的1号电桥至6号电桥的输出电压分别记为UO1、UO2、UO3、UO4、UO5和UO6，则1号电桥至6号电桥的输出电压的计算公式为：
Uo1＝uk1[(S3-S4)+(S7-S8)]Uo2＝uk2[(S1-S2)+(S6-S5)]
Uo3＝uk3[(S1+S2)+(S5+S6)]Uo4＝uk4[(S3+S4)-(S7+S8)]
Uo5＝uk5[(S1+S2)-(S5+S6)]Uo6＝uk6[(S1-S2)-(S5-S6)]
式中：u为供桥电压；ki为输出系数，i＝1～6；Si为1号电桥至6号电桥输出的应变值，通过UoiUOi(i＝1～6)反推出Si，i＝1～6。
技术方案中所述的1号电桥至6号电桥的测量轮胎受到的水平力Fx，侧向力Fy、垂向力Fz、水平力矩Mx、侧向力矩My和垂向力矩Mz的计算公式为：
Fx＝G1[(S3-S4)+(S7-S8)]Fy＝G1[(S1-S2)+(S6-S5)]
Fz＝G3[(S1+S2)+(S5+S6)]Mx＝G4[(S3+S4)-(S7+S8)]
My＝G5[(S1+S2)-(S6+S5)]Mz＝G6[(S1-S2)-(S6-S5)]
式中：GI为1号电桥至6号电桥的标定系数，Si为1号电桥至6号电桥输出的应变值，通过Si计算出上述轮胎的六分力,i＝1～6。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器可以很好的消除传感器弹性体结构设计与应变片布片及解耦之间的矛盾。
2.本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器结构简单，且误差较小，此外还可以直接输出六维力信号。
3.本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器坚固耐用、寿命长，且成本低、易于市场化，信号灵敏度高、精度高。
4.本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器可移植性较好，其他需要直接输出应力测量结果的零部件也可使用该传感器，可方便的改造传感器，来适应不同零部件的应力测量。
附图说明
图1是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的轴测投影图；
图2-a是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的1号支柱的布片示意图；
图2-b是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的2号支柱的布片示意图；
图2-c是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的3号支柱的布片示意图；
图2-d是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的4号支柱的布片示意图；
图3-a是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的Fx向力的桥路图；
图3-b是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的Fy向力的桥路图；
图3-c是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的Fz向力的桥路图；
图3-d是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的Mx向力矩的桥路图；
图3-e是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的My向力矩的桥路图；
图3-f是本发明所述的悬架K&C试验台六分力传感器的Mz向力矩的桥路图；
图中：1.上圆盘，2.1号支柱，3.2号支柱，4.3号支柱，5.4号支柱，6.下圆盘，7.1号应变片，8.2号应变片，9.3号应变片，10.4号应变片，11.5号应变片，12.6号应变片，13.7号应变片,14.8号应变片，15.1号补偿片，16.2号补偿片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1、图2，所述的悬架K&C试验台六分力传感器包括上圆盘1、下圆盘6、支柱组件、应变片组件与补偿片组件。
其中：支柱组件由1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5组成，1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5的形状和结构完全相同，为横截面均为矩形的长方体式结构件；应变片组件由1号应变片7、2号应变片8、3号应变片9、4号应变片10、5号应变片11、6号应变片12、7号应变片13和8号应变片14组成；补偿片组件由1号补偿片15和2号补偿片16组成；1号应变片7、2号应变片8、3号应变片9、4号应变片10、5号应变片11、6号应变片12、7号应变片13、8号应变片14、1号补偿片15和2号补偿片16的形状和结构完全相同。上圆盘1、下圆盘6、1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5均采用钢质材料制成。
参阅图1与图2，上圆盘1为一个扁形圆柱体即圆形平板类结构件，其直径为300mm～500mm，用于安装汽车轮胎。下圆盘6也为一个扁形圆柱体即圆形平板类结构件，其直径为300mm～500mm，下圆盘6上均布有螺栓通孔，用于悬架K&C试验台六分力传感器在悬架K&C试验台上的安装。上圆盘1分别与1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5的上端焊接或铆接连接，下圆盘6分别与1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5的下端焊接或铆接。1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5位于上圆盘1与下圆盘6之间而且均和上圆盘1与下圆盘6所在的平面垂直，即1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5的纵向对称轴线相互平行，上圆盘1与下圆盘6的对称轴线共线，1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4与4号支柱5均匀地分布在上圆盘1与下圆盘6上。
1号应变片7与2号应变片8对称地粘贴在1号支柱2横轴的上半部分，并且1号应变片7与2号应变片8的纵轴分别和1号支柱2的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；3号应变片9与4号应变片10对称地粘贴在2号支柱3横轴的上半部分，并且3号应变片9与4号应变片10的纵轴分别和2号支柱3的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；5号应变片11与6号应变片12对称地粘贴在3号支柱4横轴的上半部分，并且5号应变片11与6号应变片12的纵轴分别和3号支柱4的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；7号应变片13与8号应变片14对称地粘贴在4号支柱5横轴的上半部分，并且7号应变片13与8号应变片14的纵轴分别和4号支柱5的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比。1号补偿片15与2号补偿片16粘贴在1号支柱2表面的任意位置上，且不与1号支柱2上的1号应变片7和2号应变片8相重叠。
参阅图3-a，3号应变片9、4号应变片10、7号应变片13与8号应变片14首尾通过导线依次连接，组成1号电桥。
参阅图3-b，1号应变片7、2号应变片8、6号应变片12和5号应变片11首尾通过导线依次连接，组成2号电桥。
参阅图3-c，1号应变片7、2号应变片8、1号补偿片15、5号应变片11、6号应变片12、2号补偿片16首尾通过导线依次连接，组成3号电桥。
参阅图3-d，3号应变片9、7号应变片13、4号应变片10和8号应变片14首尾通过导线依次连接，组成4号电桥。
参阅图3-e，1号应变片7、5号应变片11、2号应变片8和6号应变片12首尾通过导线依次连接，组成5号电桥。
参阅图3-f，1号应变片7、2号应变片8、5号应变片11和6号应变片12首尾通过导线依次连接，组成6号电桥。
参阅图3-a至3-f，所述的1号电桥至6号电桥的输出电压分别记为UO1、UO2、UO3、UO4、UO5与UO6，输出电压UO1、UO2、UO3、UO4、UO5与UO6的计算公式为：
Uo1＝uk1[(S3-S4)+(S7-S8)]Uo2＝uk2[(S1-S2)+(S6-S5)]
Uo3＝uk3[(S1+S2)+(S5+S6)]Uo4＝uk4[(S3+S4)-(S7+S8)]
Uo5＝uk5[(S1+S2)-(S5+S6)]Uo6＝uk6[(S1-S2)-(S5-S6)]
式中：u为供桥电压，ki(i＝1～6)为输出系数，Si(i＝1～6)Si(i＝1～6)为各桥路输出的应变值，通过UOi(i＝1～6)UOi(i＝1～6)可以反推出Si(i＝1～6)。
参阅图3-a至图3-f，所述的1号电桥至6号电桥的测量轮胎受到的水平力Fx，侧向力Fy、垂向力Fz、水平力矩Mx、侧向力矩My和垂向力矩Mz的桥路计算公式如下：
Fx＝G1[(S3-S4)+(S7-S8)]Fy＝G1[(S1-S2)+(S6-S5)]
Fz＝G3[(S1+S2)+(S5+S6)]Mx＝G4[(S3+S4)-(S7+S8)]
My＝G5[(S1+S2)-(S6+S5)]Mz＝G6[(S1-S2)-(S6-S5)]
式中，Gi(i＝1～6)为1号电桥至6号电桥的标定系数，Si(i＝1～6)为1号电桥至6号电桥输出的应变值。通过Si(i＝1～6)即可计算出上述轮胎的六分力。
下面对照附图对本实用新型各零部件的功能和工作原理作进一步的说明。
试验时，将车辆的轮胎安放在所述的悬架K&C试验台六分力传感器的上圆盘1上，1号支柱2轴线和3号支柱4轴线所组成的平面与轮胎中性面垂直，2号支柱3轴线和4号支柱5轴线所组成的平面位于轮胎中性面重合。1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5随即受到上圆盘1传递的轮胎力并产生应变，安装在其上的1号支柱2、2号支柱3、3号支柱4和4号支柱5上的1号应变片7、2号应变片8、3号应变片9、4号应变片10、5号应变片11、6号应变片12、7号应变片13、8号应变片14输出相应电压。根据计算公式，即可直接得出轮胎受到的六分力。此传感器的应变片布片和组桥方案能够从原理上消除耦合，从而保证了在弹性体结构简单的基础上，实现六维力信号的直接输出。
Claims (7)
1.一种悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的悬架K&C试验台六分力传感器由上圆盘(1)、下圆盘(6)、支柱组件、应变片组件与补偿片组件组成；
支柱组件安装在上圆盘(1)与下圆盘(6)之间，支柱组件的两端分别和上圆盘(1)与下圆盘(6)固定连接，应变片组件粘贴在支柱组件上，补偿片组件粘贴在支柱组件中的1号支柱(2)上；
所述的应变片组件由1号应变片(7)、2号应变片(8)、3号应变片(9)、4号应变片(10)、5号应变片(11)、6号应变片(12)、7号应变片(13)和8号应变片(14)组成；
所述的支柱组件由1号支柱(2)、2号支柱(3)、3号支柱(4)与4号支柱(5)组成；
1号应变片(7)与2号应变片(8)对称地粘贴在1号支柱(2)的上半部分，并且1号应变片(7)与2号应变片(8)的纵轴分别和1号支柱(2)的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；3号应变片(9)与4号应变片(10)对称地粘贴在2号支柱(3)的上半部分，并且3号应变片(9)与4号应变片(10)的纵轴分别和2号支柱(3)的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；5号应变片(11)与6号应变片(12)对称地粘贴在3号支柱(4)的上半部分，并且5号应变片(11)与6号应变片(12)的纵轴分别和3号支柱(4)的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；7号应变片(13)与8号应变片(14)对称地粘贴在4号支柱(5)的上半部分，并且7号应变片(13)与8号应变片(14)的纵轴分别和4号支柱(5)的纵轴线所成的角度为其中μ为泊松比；
所述的补偿片组件由1号补偿片(15)与2号补偿片(16)组成；
1号补偿片(15)与2号补偿片(16)粘贴在1号支柱(2)表面的任意位置上，且不和1号支柱(2)上的1号应变片(7)与2号应变片(8)相重叠；
所述的应变片组件中的3号应变片(9)、4号应变片(10)、7号应变片(13)与8号应变片(14)首尾通过导线依次连接组成1号电桥；
所述的应变片组件中的1号应变片(7)、2号应变片(8)、6号应变片(12)与5号应变片(11)首尾通过导线依次连接组成2号电桥；
所述的应变片组件与补偿片组件中的1号应变片(7)、2号应变片(8)、1号补偿片(15)、5号应变片(11)、6号应变片(12)与2号补偿片(16)首尾通过导线依次连接组成3号电桥；
所述的应变片组件中的3号应变片(9)、7号应变片(13)、4号应变片(10)与8号应变片(14)首尾通过导线依次连接组成4号电桥；
所述的应变片组件中的1号应变片(7)、5号应变片(11)、2号应变片(8)与6号应变片(12)首尾通过导线依次连接组成5号电桥；
所述的应变片组件中的1号应变片(7)、2号应变片(8)、5号应变片(11)与6号应变片(12)首尾通过导线依次连接组成6号电桥。
2.按照权利要求1所述的悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的支柱组件安装在上圆盘(1)与下圆盘(6)之间，支柱组件的两端分别和上圆盘(1)与下圆盘(6)固定连接是指：
1号支柱(2)、2号支柱(3)、3号支柱(4)与4号支柱(5)为结构相同的横截面均为矩形的长方体式结构件，1号支柱(2)、2号支柱(3)、3号支柱(4)与4号支柱(5)均匀地分布在上圆盘(1)与下圆盘(6)上，1号支柱(2)、2号支柱(3)、3号支柱(4)与4号支柱(5)的上端和上圆盘(1)焊接或铆接连接，1号支柱(2)、2号支柱(3)、3号支柱(4)与4号支柱(5)的下端和下圆盘(6)焊接或铆接连接，上圆盘(1)与下圆盘(6)相互平行。
3.按照权利要求1或2所述的悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的上圆盘(1)为圆形平板类结构件，直径为300mm～500mm，下圆盘(6)为圆形平板类结构件，下圆盘(6)的直径为300mm～500mm，下圆盘(6)上均布有用于将悬架K&C试验台六分力传感器安装在悬架K&C试验台上的螺栓通孔。
4.按照权利要求1所述的悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的补偿片组件中的1号补偿片(15)与2号补偿片(16)的结构完全相同，并和应变片组件中的1号应变片(7)、2号应变片(8)、3号应变片(9)、4号应变片(10)、5号应变片(11)、6号应变片(12)、7号应变片(13)与8号应变片(14)的结构完全相同。
5.按照权利要求1所述的悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的上圆盘(1)、下圆盘(6)、支柱组件均采用的是钢质材料。
6.按照权利要求1所述的悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的1号电桥至6号电桥的输出电压分别记为UO1、UO2、UO3、UO4、UO5和UO6，则1号电桥至6号电桥的输出电压的计算公式为：
Uo1＝uk1[(S3-S4)+(S7-S8)]Uo2＝uk2[(S1-S2)+(S6-S5)]
Uo3＝uk3[(S1+S2)+(S5+S6)]Uo4＝uk4[(S3+S4)-(S7+S8)]
Uo5＝uk5[(S1+S2)-(S5+S6)]Uo6＝uk6[(S1-S2)-(S5-S6)]
式中：u为供桥电压；ki为输出系数，i＝1～6；Si为1号电桥至6号电桥输出的应变值，通过Uoi反推出Si，i＝1～6。
7.按照权利要求1所述的悬架K&C试验台六分力传感器，其特征在于，所述的1号电桥至6号电桥的测量轮胎受到的水平力Fx，侧向力Fy、垂向力Fz、水平力矩Mx、侧向力矩My和垂向力矩Mz的计算公式为：
Fx＝G1[(S3-S4)+(S7-S8)]Fy＝G1[(S1-S2)+(S6-S5)]
Fz＝G3[(S1+S2)+(S5+S6)]Mx＝G4[(S3+S4)-(S7+S8)]
My＝G5[(S1+S2)-(S6+S5)]Mz＝G6[(S1-S2)-(S6-S5)]
式中：GI为1号电桥至6号电桥的标定系数，Si为1号电桥至6号电桥输出的应变值，通过Si计算出上述轮胎的六分力,i＝1～6。
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