CN104655335B - 用于汽车控制臂的球销传感器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于汽车控制臂的球销传感器及其加工方法，球销传感器包括连接为一体的球头和球轴，球轴上开设有径向槽、轴向孔和径向孔，径向槽环绕所述球轴，且位于球轴上靠近所述球头处，轴向孔沿着球轴的中心轴延伸至径向槽内，径向孔沿着径向槽延伸至与轴向孔贯穿；径向槽内贴设有应变片，轴向孔和径向孔内穿设有信号线，使得信号线的一端与相应的应变片连接，另一端用于连接至外部设备。所述加工方法包括布线设计、球销接头预处理、应变片布置、传感器标记和标定。本发明所述球销传感器及其加工方法可以保护应变片和便于信号线的引线及固定，使得信号的信噪比更好，且应变片信号可靠稳定。

Description

用于汽车控制臂的球销传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及汽车领域的球销传感器，特别是涉及一种用于汽车控制臂的球销传感器及其加工方法。

背景技术

控制臂是汽车悬架系统的一种导向和传力元件，其主要用于将作用在车轮上的各种力传递给车身，同时保证车轮按一定轨迹运动。通常，现有技术中的控制臂分别通过球铰或者衬套把车轮和车身弹性地连接在一起。控制臂(包括与其相连的衬套及球头)应当具有足够的刚度、强度和使用寿命。

在实际操作中，由于汽车转向时车轮绕主销进行轴线回转，同时车轮在垂直面内有位移，要求控制臂与转向节的连接位置能够完成一定的空间运动。因此，球销式接头目前已经成为汽车控制臂与转向节连接的主要部件。这种部件主要将转向节上因轮胎转向或各种路面产生的受力传递至控制臂上，即为主要的受力部件。

然而，在汽车行驶过程中，这种部件主要受到纵向力和侧向力。如果球头所受到的侧向力和纵向力过大，则容易发生球头销断裂(螺纹根部)、或球头脱落(从球碗中脱出)，并造成半轴脱落轮胎飞出等危险工况。

目前，大部分主机厂家对球头的强度等的受力情况较为重视，不仅采用了有限元分析理论分析，而且还采用了贴应变片的方式测量球销在实际工况中的受力情况，并做比对分析。然而，由于球销安装空间位置的影响，限制了球头的贴应变和信号线的布线引线空间，使得球销接头传感器的制作成为了一大难题。

实际上，球销传感器是其它类型贴片传感器中失效最快的。这主要是由于没有一种可靠且合理的球销传感器制作方法。具体地说，由于不同车型的汽车控制臂球销形状大小各异，目前市场上并无现成和广泛适用的球销传感器。大部分主机厂商最常用的方式就是简单地在球销根部贴片，将信号线直接引出。

这种制作方式主要存在的问题有以下几点：

一、这种球销传感器将应变片直接粘贴于球头根部表面，无沟槽保护，应变片容易在安装过程中被磕碰而破坏。即使应变片的表面含有涂敷层，但由于该涂敷层高于球头根部表面，更容易受到磕碰破坏。

二、球销空间狭小，除了贴片空间和信号接线端的空间，无多余的空间用于固定信号线。当信号线难以固定时，这就有可能导致信号接触不良，或信号线在使用过程中被扯断。球头在实际工况中是动态运动的，倘若信号线固定不良将导致信号不良甚至在使用过程中信号线被拉断。

三、许多自制球销传感器，通常仅用应变片观察球销受力后的应变情况，而不标定应变和球销的受力。导致在实际分析球销在实际工况下的受力情况，局限于微应变。

四、应变片的选择和组桥方式的选定无可遵循的一致原则，不同的应变片和组桥布置方式，将导致信号质量差异很大。

五、球销传感器制作完成后，通常无标记，难以辨别X、Y方向的受力。由于球头可以旋转，若安装位置不正确，则将导致不能正确记录实际的受力情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中球销传感器容易失效等缺陷，提供一种用于汽车控制臂的球销传感器及其加工方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于汽车控制臂的球销传感器，包括连接为一体的球头和球轴，其特点在于，所述球轴上开设有径向槽、轴向孔和径向孔，所述径向槽环绕所述球轴，且位于所述球轴上靠近所述球头处，所述轴向孔沿着所述球轴的中心轴延伸至所述径向槽内，所述径向孔沿着所述径向槽延伸至与所述轴向孔贯穿；

所述径向槽内贴设有应变片，所述轴向孔和所述径向孔内穿设有信号线，使得所述信号线的一端与相应的所述应变片连接，另一端用于连接至外部设备。

较佳地，所述径向槽的宽度为7-10mm，所述径向槽的深度为1.5-2mm。

较佳地，所述轴向孔和所述径向孔的直径小于3-5mm。

较佳地，在所述径向槽内涂覆有填充物，且所述填充物填满所述径向槽。

较佳地，所述径向槽内贴设有两组相对设置的应变片，每组应变片包括两个并排设置的应变片。

较佳地，所述应变片采用单轴应变片组全桥的方式布置，在相邻两个所述应变片之间设置接线端子，所述接线端子用于连接所述应变片间的组桥连线和外部的信号线端子。

较佳地，所述应变片之间的组桥采用漆包线焊接，所述漆包线的直径为0.05-0.15mm。

较佳地，所述信号线分别固定至所述轴向孔和所述径向孔的出口处。

本发明还提供了一种球销传感器的加工方法，其特点在于，所述球销传感器如上所述，所述加工方法包括以下步骤：

S₁、在所述球销传感器的球轴上开设径向槽、轴向孔和径向孔；

S₂、在所述径向槽内贴设应变片；

S₃、在所述轴向孔和所述径向孔内穿设信号线，将述信号线的一端与相应的所述应变片连接，另一端连接至外部设备；

S₄、对所述球销传感器的球轴的端部标记所述应变片的测点位置；

S₅、通过作动器和万能试验机对所述球销传感器进行测点的受力值和应变的标定。

较佳地，所述步骤S₃和步骤S₄之间还包括以下步骤：

S₃₁：在所述应变片之间设置接线端子，通过所述接线端子连接相应的所述接线端子的连接应变片间的组桥连线和外部信号线端子；

S₃₂：将所述信号线分别固定至所述轴向孔和所述径向孔的出口处。

S₃₃：在所述径向槽内涂覆填充物，将所述填充物填满所述径向槽。

S₃₄：在所述应变片的表层涂敷防潮防水的涂层。

本发明的积极进步效果在于：本发明用于汽车控制臂的球销传感器及其加工方法，针对球销传感器专门设计了用于贴应变片的径向槽和用于布置信号线的轴向孔和径向孔，分别起到了保护应变片和便于信号线的引线及固定。本发明在球销传感器的敏感部位四周分别布置了应变片，并采用了温度补偿等应变片组桥方式，使得信号的信噪比更好。而且对信号线的固定和封装做了较为牢固的特殊处理，使得应变片信号可靠稳定。

附图说明

图1为本发明用于汽车控制臂的球销传感器的结构示意图。

图2为图1中沿A-A线剖开的剖视图。

图3为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中应变片的布置位置示意图。

图4为本发明用于汽车控制臂的球销传感器与汽车的转向支架安装的位置示意图。

图5为本发明用于汽车控制臂的球销传感器与汽车的转向支架安装时的主要受力示意图。

图6为根据图5的球销传感器的主要受力示意图。

图7为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中应变片的布置方式示意图。

图8为图7沿B-B线剖开的剖视图。

图9为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中应变片的组桥方式示意图。

图10为本发明用于汽车控制臂的球销传感器所采用的传感器温度补偿的原理示意图。

图11为本发明用于汽车控制臂的球销传感器所采用的高灵敏度的原理示意图。

图12为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中测点布置方式示意图。

图13为图12沿C-C线剖开的剖视图。

图14为本发明用于汽车控制臂的球销传感器的封装结构示意图。

图15为图14中D部分的放大图。

图16为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中信号线固定位置的示意图。

图17为本发明球销传感器的加工方法中对球销传感器进行标记的示意图。

图18为本发明球销传感器的加工方法中对球销传感器标定后的应变-受力线性关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明用于汽车控制臂的球销传感器的结构示意图。图2为图1中沿A-A线剖开的剖视图。图3为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中应变片的布置位置示意图。

如图1-3所示，本发明用于汽车控制臂的球销传感器10包括球头11和球轴12，球头11和球轴12连接呈一体。在球轴12上开设径向槽121、轴向孔122和径向孔123。这里的径向槽121环绕球轴12，并且位于球轴12上靠近球头11处，也即是说径向槽121优选为贴近球头11的底部，以免影响球销与转向机支架的安装贴合面124。轴向孔122沿着球轴12的中心轴延伸至径向槽121内，径向孔123沿着径向槽121延伸至与轴向孔122贯穿。在径向槽121内贴设有应变片，轴向孔122和径向孔123内穿设有信号线，使得所述信号线的一端与相应的所述应变片连接，另一端用于连接至外部设备(图中未示)。

如图2所示，径向槽121的宽度c为7-10mm，径向槽121的深度d为1.5-2mm。轴向孔122和径向孔123的直径a、b均小于4mm。这主要根据球销直径大小确定，轴向孔122和径向孔123不能过大，以免影响球销强度；但也不能过小，而导致信号线难以穿过。

具体地，可以在径向槽121内贴设有两组相对设置的应变片R1、R2、R3、R4(如图7所示)，每组应变片包括两个并排设置的应变片。此处，所述应变片的电阻优选为120欧姆或350欧姆。所述应变片最好采用单轴应变片组全桥的方式布置(如图8和图9所示)，即在相邻两个所述应变片之间设置接线端子，所述接线端子用于连接所述应变片间的组桥连线和外部的信号线端子。当然，所述应变片之间的组桥采用漆包线焊接，所述漆包线的直径为优选为0.05-0.15mm。

如图3所示，径向槽121主要用于保护所贴的应变片，当完成所述应变片的粘贴和布线后，在所述径向槽内涂覆相应的填充物，用以填满径向槽121。这样可以有效地保护所述应变片在球销摆动时不被损坏。

此外，将所述信号线分别固定至轴向孔122和径向孔123的出口50、60处(如图16中所示)。这种方式可以有效地保护信号线，防止信号线在安装或者拆卸的过程中会扯坏应变片端子而损坏应变片。

本发明还提供了上述用于汽车控制臂的球销传感器的加工方法，所述加工方法包括以下步骤：

步骤一：在球销传感器10的球轴12上开设径向槽121、轴向孔122和径向孔123，即对球销传感器10进行布线设计及球销接头预处理。这一个步骤主要是根据球销的形状特征以及球销最终的安装位置特点，将球头传感器的信号引线从球头的中心轴引出。如图1所示，就是在沿球销的中心轴打一轴向孔122，使得孔深至球销的径向槽121处。径向槽121位于球销的密封罩覆盖位置。同时，在球销的径向槽121位置处打一径向孔123，使得径向孔123与轴向孔122贯穿，主要用于信号引线的走线。

其中，尺寸a、b分别表示轴向孔122和径向孔123的直径，轴向孔122和径向孔123之间相互贯通。而且，尺寸a、b均小于4mm，这个尺寸的设定主要是根据球销的直径大小来确定的，这里的轴向孔122和径向孔123不能过大，以免影响球销强度，但也不能过小，而导致信号线难以穿过。

此外，径向槽121的宽度c应控制在7～10mm范围内，以不影响球头安装为宜。径向槽121的槽深D为1.5～2mm。值得注意的是，径向槽121的槽位应贴近球头11的底部，以免影响球销与转向支架的安装贴合面124(如图3所示)。

图4为本发明用于汽车控制臂的球销传感器与汽车的转向支架安装的位置示意图。如图4所示，当球销传感器10与汽车前下控制臂20及转向支架30连接时，具有上述径向槽121的球销传感器10可以灵活地连接至转向支架30，有效避免了对安装贴合面的影响。

步骤二：在径向槽121内贴设应变片。径向槽121主要用于保护所贴的应变片，当完成应变片的粘贴和布线后，涂覆相应的填充物填满径向槽121，以此保护应变片在球销摆动时不被损坏。

特别地，当球销的信号引线孔(即轴向孔122和径向孔123)加工完成后，用酒精清洗加工表面，去除油脂和污垢，保证应变片在洁净的环境中粘贴。

步骤三：在所述轴向孔和所述径向孔内穿设信号线，将述信号线的一端与相应的所述应变片连接，另一端连接至外部设备。这一步骤即是对所述应变片进行具体布置。

这里，可以选用标准的应变片，例如120欧姆或350欧姆，通常采用350欧姆。当然，所述应变片尽量选用小尺寸，以便于能够贴在狭小径向凹槽表面上。

图5为本发明用于汽车控制臂的球销传感器与汽车的转向支架安装时的主要受力示意图。图6为根据图5的球销传感器的主要受力示意图。如图5和图6所示，考虑到球销主要受力方向为侧向力Fy和纵向力Fx，即球销主要受到弯曲应力。本实施例中所述应变片可以采用单轴应变片组全桥的方式，这样既可以提高传感器的敏感性，又可以达到温度补偿的稳定性。

图7为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中应变片的布置方式示意图。图8为图7沿B-B线剖开的剖视图。如图7和图8所示，具体地应变片的布置方式为设置两组相对设置的应变片R1、R2、R3、R4，并且每组应变片包括两个并排设置的应变片。

图9为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中应变片的组桥方式示意图。如图9所示，特别地本实施例中所述应变片的布置方式可以采用组桥方式。结合图9，其具体的计算方式为：

其中，K为应变片系数；E为信号的激励电压；ε为应变；R1、R2、R3、R4为应变片阻值；ΔE为应变片阻值变化而引起的电压变化，即信号。通过该方法可以指导应变片组桥的选择。

图10为本发明用于汽车控制臂的球销传感器所采用的传感器温度补偿的原理示意图。图11为本发明用于汽车控制臂的球销传感器所采用的高灵敏度的原理示意图。如图10和图11所示，本实施例中所述应变片的布置方式还运用到了温度补偿原理，其具体的推导方式为：

若以ε_MECH表示机械变形引起的应变；ε_THERM表示温度引起的应变。则：

由于这里所采用的组全桥的应变片的型号相同，则在相同的环境温度下，其温度引起的应变都相同。同时，在F力作用下。各应变的伸长量(即应变片1和应变片3)或压缩量(即应变片2和应变片4)相同。那么该组桥所测的应变，相当于一个单片所产生信号的四倍量，使得信号的信噪比提高了很多倍。因此，也得到了该组桥的桥路系数为4。

图12为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中测点布置方式示意图。图13为图12沿C-C线剖开的剖视图。如图12和图13所示，设定在某一径向位置处，用于测量侧向力引起的应变。则在该径向位置处的90度位置处设定为纵向引起的应变测点，即测点a与b为180度布置，两测点组成一组全桥，用于测量侧向力造成的应变。测点c与d为180度布置，两测点组成一组全桥，用于测量纵向力造成的应变。

此外，在所述应变片之间设置接线端子，通过所述接线端子连接相应的所述接线端子的连接应变片间的组桥连线和外部信号线端子。具体地说，在所述应变片间布置接线端子(图中未示)，用所述接线端子连接应变片间的组桥连线和外部信号线端子。由于接线端子被牢固的粘贴在球销的凹槽内，若外部信号线稍有拉力，则由接线端子承担了大部分的力，而不会破坏所述应变片的连线或出现所述应变片被扯坏的现象。

特别地，凹槽内的应变片间的组桥可以采用直径0.1mm的漆包线焊接。由于漆包线比常用的跳线更为细小，这样可以保证接线完成后，所有的连线都不会高出凹槽的高度，这样有利于贴完成后的传感器的封装整齐美观。当组桥线路连接好，需用万用表检查组桥线路是否正确。

图14为本发明用于汽车控制臂的球销传感器的封装结构示意图。图15为图14中D部分的放大图。如图14和图15所示，由于试验汽车在行驶中可能会涉水，倘若有水珠溅入球销的应变片或接线端子上，将会造成应变片的损坏。若应变片受潮后，也将引起应变片的损坏或精度降低等情况。因此，需要对应变片表层涂敷防潮防水涂层40，可以更好的保护应变片和连线。涂层可以用常用的中性硅胶，也可以采用特殊防潮放水材料。当然优选透明的涂敷材料，以便于后续应变片和连线的检查。

图16为本发明用于汽车控制臂的球销传感器中信号线固定位置的示意图。如图16所示，在对所述球销传感器进行封装的同时，应将信号线分别固定至轴向孔122和径向孔123的出口50、60。这里可以采用AB胶固定，以此作为信号线的保护端点，能够有效地防止信号线在安装或拆卸的过程中扯坏应变片的端子，从而损坏应变片。

步骤四：对所述球销传感器的球轴的端部标记所述应变片的测点位置。由于，球销可以绕着轴心线旋转，而且当球销传感器制作完成之后，需要重新安装球头密封罩。倘若不在轴头标记测点位置，则球销旋转后无法得知应变测点的位置。图17为本发明球销传感器的加工方法中对球销传感器进行标记的示意图。如图17所示，标记可以用油漆笔在球销端面划线，或者直接球销端面开细槽的方式，将Fx与Fy方向上的应变片组对应标记。如果球销测点未正确安装，则所测的测点信号将有偏差。

步骤五：通过作动器和万能试验机对所述球销传感器进行测点的受力值和应变的标定。经过检查和密封后的球销传感器需要经过标定，即测量传感器在多少大的受力下，应变片的应变值为多少。

图18为本发明球销传感器的加工方法中对球销传感器标定后的应变-受力线性关系示意图。如图18所示，经过多点测定可以形成球销应变-受力线性关系曲线。实际测得的应变值根据该关系曲线，即可获得该测点的受力值为多少。通常，采用精度较高的作动器或万能试验机进行测点的力值和应变的标定。对所得的球销应变-受力线性关系曲线进行最小二乘方法拟合，得类似Y＝aX+b的函数，其中Y为加载力，X为所测的应变，a、b为系数。

最后，在所述球销传感器上安装球头密封罩，整个球销传感器制作成品。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于汽车控制臂的球销传感器，包括连接为一体的球头和球轴，其特征在于，所述球轴上开设有径向槽、轴向孔和径向孔，所述径向槽环绕所述球轴，且位于所述球轴上靠近所述球头处，所述轴向孔沿着所述球轴的中心轴延伸至所述径向槽内，所述径向孔沿着所述径向槽延伸至与所述轴向孔贯穿；

所述径向槽内贴设有应变片，所述轴向孔和所述径向孔内穿设有信号线，使得所述信号线的一端与相应的所述应变片连接，另一端用于连接至外部设备。

2.如权利要求1所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，所述径向槽的宽度为7-10mm，所述径向槽的深度为1.5-2mm。

3.如权利要求1所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，所述轴向孔和所述径向孔的直径为3-5mm。

4.如权利要求1所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，在所述径向槽内涂覆有填充物，且所述填充物填满所述径向槽。

5.如权利要求1所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，所述径向槽内贴设有两组相对设置的应变片，每组应变片包括两个并排设置的应变片。

6.如权利要求5所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，所述应变片采用单轴应变片组全桥的方式布置，在相邻两个所述应变片之间设置接线端子，所述接线端子用于连接所述应变片间的组桥连线和外部的信号线端子。

7.如权利要求6所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，所述应变片之间的组桥采用漆包线焊接，所述漆包线的直径为0.05-0.15mm。

8.如权利要求1所述的用于汽车控制臂的球销传感器，其特征在于，所述信号线分别固定至所述轴向孔和所述径向孔的出口处。

9.一种球销传感器的加工方法，其特征在于，所述球销传感器如权利要求1-8任意一项所述，所述加工方法包括以下步骤：

S₁、在所述球销传感器的球轴上开设径向槽、轴向孔和径向孔；

S₂、在所述径向槽内贴设应变片；

S₃、在所述轴向孔和所述径向孔内穿设信号线，将述信号线的一端与相应的所述应变片连接，另一端连接至外部设备；

S₄、对所述球销传感器的球轴的端部标记所述应变片的测点位置；

S₅、通过作动器和万能试验机对所述球销传感器进行测点的受力值和应变的标定。

10.如权利要求9所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S₃和步骤S₄之间还包括以下步骤：

S₃₁：在所述应变片之间设置接线端子，通过所述接线端子连接相应的所述接线端子的连接应变片间的组桥连线和外部信号线端子；

S₃₂：将所述信号线分别固定至所述轴向孔和所述径向孔的出口处；

S₃₃：在所述径向槽内涂覆填充物，将所述填充物填满所述径向槽；

S₃₄：在所述应变片的表层涂敷防潮防水的涂层。