CN108700478B - 用于测量牵引钩和牵引钩装置上的载荷的方法 - Google Patents

用于测量牵引钩和牵引钩装置上的载荷的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于测量用于车辆的牵引钩装置(10)的牵引钩/或牵引杆附件上所施加的载荷的方法，以及一种用于车辆的牵引钩装置(10)。所述牵引钩装置(10)包括布置在牵引杆(11)上的牵引钩(12)和/或牵引杆附件，所述牵引钩装置(10)还包括具有至少一个致动器(21，21')和至少一个传感器(22，22')的传感器装置(20)，所述传感器装置适于检测给予牵引杆(11)上的振动并使用检测到的所给予的振动来确定牵引钩(12)和/或牵引杆附件上所施加的载荷。

Description

用于测量牵引钩和牵引钩装置上的载荷的方法
技术领域
一种用于测量牵引钩装置的牵引钩上所施加的载荷的方法，以及一种牵引钩装置，其包括牵引钩和可连接到车辆的牵引杆。所述方法包括向牵引杆给予振动并检测牵引钩装置如何对所给予的振动作出反应的步骤。
背景技术
确定车辆上的牵引钩上所施加的载荷长期以来一直对于车主是个麻烦。当将拖车连接到车辆并且随后用载荷(例如砾石、木材、家具或类似物)给车辆加载时，难以确定位于拖车上的载荷量是否超过拖车制造商所允许的载荷量。同样，难以知道位于拖车上的载荷量是否给予牵引钩超过牵引杆规格、拖车规格或车辆规格所允许的载荷量。
为了测量牵引钩上所施加的载荷，可以使用应变计。然而，应变计是有问题的，因为它们可能具有热、电漂移和结构完整性问题。它们感知刚性物体上的较小载荷也不是很好。测量载荷的一种方法公开在转让给Abnaki Systems Inc的已公布的美国专利申请No.US 2008/011091 A1。Abnaki文件中公开的装置使用谐振式力传感器并且据称能够测量所有形式的结构预应力，包括轴向压缩和拉伸载荷、施加的弯矩、施加的扭矩、重力质量载荷。
然而，该文件的不足之处在于它没有公开这种传感器应该如何应用于车辆以测量载荷。
发明内容
本发明的一个目的是提供针对上述缺点的解决方案，或者至少减少缺点或提供有用的替代方案。该目的至少部分是通过一种用于测量牵引钩装置的牵引钩和/或牵引杆附件上所施加的载荷的方法来满足的。所述牵引钩装置包括布置在牵引杆上的牵引钩和/或牵引杆附件。牵引钩装置还包括具有至少一个致动器和至少一个传感器的传感器装置。所述方法包括以下步骤：
a)使用至少一个致动器向牵引杆给予振动，借此所述至少一个致动器定位于所述牵引杆上；
b)使用布置在所述牵引杆上的至少一个传感器检测所给予的振动；以及
c)使用检测到的所给予的振动来确定牵引钩和/或牵引杆附件上所施加的载荷。
该方法提供了一种用于检测施加到牵引钩装置的牵引钩和/或牵引杆附件的甚至相对少量的载荷的便宜且精确的方法。牵引钩装置可以位于或可以不位于车辆上。
该方法可以在牵引钩装置已经被安装到车辆之后或者在被安装到车辆之前执行。如果在安装在车辆上之前执行，则可以存储来自至少一个传感器的数据并且在牵引钩装置已经被安装到车辆时的稍后阶段进行比较。该方法可以在由用户请求时启动(例如通过车辆接口)，或者在车辆启动时或在可牵引物体(例如拖车)的附接时、或者在将插头附接到牵引钩装置的插座中(例如插头被附接到拖车)时自动地启动。
术语“可牵引物体”在此是指可以被附接到牵引钩的任何物体，例如拖车、大篷车，自行车托架、行李托架或类似物。因此，所述可牵引物体不一定需要被牵引，而是可以简单地由牵引钩托载，而仍然是可牵引物体。
此外，所述目的至少部分是通过一种牵引钩装置来满足的，该牵引钩装置包括牵引钩和/或牵引杆附件以及可连接到车辆的牵引杆。所述牵引钩和/或牵引杆附件被附接到牵引杆。牵引钩装置还包括传感器系统，用于检测牵引钩和/或牵引杆附件上所施加的载荷。所述传感器系统包括至少一个致动器和至少一个传感器，所述至少一个致动器适于给予牵引杆振动，并且所述至少一个传感器适于检测所述振动。
该装置提供了一种用于检测施加到牵引钩装置的牵引钩的甚至相对较小量的载荷的便宜且精确的装置。牵引钩装置可以位于或可以不位于车辆上。牵引钩装置可以相对于车辆单独地组装并作为单独的部件出售给车辆并且因此可以被认为是独立单元。作为独立单元，甚至在牵引钩装置被安装到车辆之前(例如其被送往车辆制造商用于与车辆组装之前)在牵引钩装置上校准和执行测量可能是重要的。对于这种情况，传感器装置也是良好的传感器装置。应该注意，所施加的载荷可以是正载荷或负载荷(例如当提升牵引钩时)。
术语“牵引杆附件”在此是指以下中的至少一个：自行车托架、行李托架、行李箱、绞盘、运动器材托架、建筑材料托架或类似物。一些牵引钩装置具有可替换的牵引钩，其可用牵引杆附件(例如自行车托架)替换。这种系统允许使用者替换牵引钩，该牵引钩在这种情况下在特别适于牵引杆附件或适于一个特定附件的连接位置处被连接到牵引杆。
术语“牵引钩”在此是指连接构件，其通常具有颈部元件和耦合元件。所述耦合元件是大体球形的，但是可以提供其它形状的耦合元件。耦合元件适于被连接到可牵引物体。耦合元件优选地布置在颈部元件的一端处。颈部元件还具有相反的端部，该相反的端部旨在被连接到牵引杆，牵引杆又旨在被连接到车辆的后部。
牵引钩上的测量通常非常困难，因为牵引钩由于其性质，非常容易由于所连接的可牵引物体(例如拖车)而磨损。下文将描述所述方法和装置。应该注意，关于该方法描述的各特征可以很好地可应用于牵引钩装置，反之亦然。
该方法还可以包括以下步骤：确定牵引钩装置的固有频率的一组谐波并使用牵引钩装置的固有频率的该组谐波来确定牵引钩上所施加的载荷。所述一组谐波优选地包括2个或更多谐波，例如2-10、5-20、2-20、2-50或5-50个谐波。该方法可以可选地或另外地包括以下步骤：确定牵引钩装置的固有频率的一次或更高次谐波并使用该牵引钩装置的固有频率的所确定的一次或更高次谐波来确定牵引钩上所施加的载荷。固有频率的一次或更高次谐波的变化可用于确定所施加的载荷。该确定优选在将牵引钩装置安装到车辆之后完成。已经发现，当检测牵引钩装置或本系统的固有频率的一次或更高次谐波时，可以提供非常精确的读数，该读数取决于向牵引钩施加的载荷而变化。甚至可以检测施加到牵引钩的相对较小的载荷。这是非常有利的，因为牵引钩装置由于其性质而非常坚固。
在谐振频率下，当具有该频率的输入源被提供给阻尼系统时，该阻尼系统以相对于输入源的可能的最高的作用力振荡。谐振频率下的最大作用力由可作为振动能量存储在系统中的能量的量来确定；系统松弛的能量的量由系统的阻尼确定。随着增加的阻尼系数，阻尼系统的谐振频率降低；因此，当系统没有阻尼时，可以得到可能的最高的谐振频率；该频率被称为固有频率或本征频率。对于具有非常低的阻尼的系统，如牵引钩装置，谐振频率近似等于固有频率，因此当提及固有频率时，固有频率和谐振频率都优选适用。
本发明使用的事实是，通过向系统给予受迫振动，可以增加系统的固有频率的振幅。当受迫频率等于固有频率时，振动的振幅有时会大量增加。
牵引钩装置的固有频率的一次或更高次谐波可以通过以下步骤确定：当牵引钩和/或牵引杆附件无载荷时，向牵引杆给予振动；以及使用至少一个传感器检测所给予的振动。无载荷意味着没有载荷(例如拖车、自行车托架、行李架或类似物)位于例如牵引钩上。出于牵引杆附件的目的，无载荷意味着没有载荷被给予牵引杆附件。
至少一个致动器可以位于牵引杆上。至少一个传感器可以被布置在牵引杆上。已经发现，如果所述至少一个致动器和/或至少一个传感器被布置在牵引杆上则是有利的。这将振动直接给予牵引杆，这产生了所给予的频率的良好传递。当振动以低损耗在牵引杆中传播时直接在牵引杆上测量也是有利的。因此，所述至少一个致动器和至少一个传感器可以被直接连接到牵引杆上。优选地，所述至少一个致动器和至少一个传感器相对于彼此对齐。已经发现，牵引杆提供了将至少一个致动器和至少一个传感器彼此对齐的良好可能性，因为牵引杆总体上具有伸长范围和纵向延伸范围。因此，振动可以被直接给予到牵引杆上，并且传感器可以直接测量到牵引杆上。可以存在比传感器(多个传感器)多至少一个的致动器或者比致动器(多个致动器)多至少一个的传感器。
牵引钩和/或牵引杆附件可以被布置在至少一个致动器和至少一个传感器之间。优选地，牵引钩和/或牵引杆附件位于牵引钩装置第一和第二连接构件之间。如果牵引钩和/或牵引杆附件位于至少一个致动器和至少一个传感器之间，则认为提供了更精确的测量。
可以使用至少一次频率扫描来执行该方法。所述频率扫描可以是频率扫荡。扫荡意味着致动器在从低-高或高-低频率的频率范围内以连续增加或降低的频率点产生振动。另外或可替代地，可以使用固定数量的相对较少的频率点，这样的步骤可以被称为频率逐步扫描。这种测量不一定需要为递增或递减的顺序。然而，这些方法都被认为是频率扫描。
至少一个致动器可以在步骤a)中启动第一次频率扫描和/或扫荡；并且该方法还包括以下步骤：执行第二次频率扫描和/或扫荡。目的是找到本系统的(即考虑了具有特定载荷的牵引钩装置的)固有频率的一次或更高次谐波。通过扫描频率范围，可以将牵引钩装置的固有频率的一次或更高次谐波检测为峰值(频率峰值)。通过使用独立的频率点，可以完成较少的测量，并且可以估计频率峰值的位置，并且可以执行第二次频率扫描和/或扫荡以更详细的方式定位和测量频率峰值。
第二次频率扫描和/或扫荡可以相对于第一次频率扫描和/或扫荡不同。差异优选为扫荡不同的(例如较小的)频率范围。第二次频率扫荡可以横跨比第一次频率扫荡更小的频率范围执行。第二次频率扫荡可以以比第一次频率扫荡更小的步长执行。较小的频率范围优选在第一次频率扫荡内，但是重叠频率扫荡也是可能的。可选地或另外地；其它差异可以是第二次频率扫荡或随后的频率扫荡以更高的强度、更小的步长、不同占空比、更大的频率范围或类似方式完成。这样，容易看出该方法允许将任意数量的不同频率扫荡调制在一起以执行精确测量，或者执行适于牵引钩装置与之组装的特定车辆的测量。当然可以重复频率扫荡。
该方法可以包括以下步骤：从第一次频率扫荡检测第一频率峰值，由此横跨所检测到的第一频率峰值执行第二次频率扫荡。通过将频率扫荡调整到第一检测的峰值，可以以更高的精度完成第二次频率扫荡，最终提供给出更好读数的方法。
牵引杆可以具有用于布置在所述至少一个致动器和至少一个传感器之间的所述牵引钩和/或所述牵引杆附件的附接部段。因此，该方法可以包括振动在到达至少一个传感器之前通过附接部段的步骤。在另一个术语中，致动器可以位于所述附接部段的上游并且传感器可以位于附接部段的下游。
可选地或另外地，用于牵引钩和/或所述牵引杆附件的附接部段被布置在所述至少一个致动器和至少一个传感器的侧部。因此，出于振动在到达至少一个传感器之前不通过附接部段的目的，该振动直接指向所述至少一个传感器。在这种情况下，附接部段被同时布置在致动器和传感器的上游。
牵引钩可以是在牵引位置和缩回的存储位置之间可移位的可缩回牵引钩。可替代地，牵引钩可以被固定到牵引杆或者为可拆卸的牵引钩。通过固定到牵引杆，意味着牵引钩以不允许牵引钩从牵引杆移除而不重新配准牵引钩装置的方式或者以限制牵引钩装置的所允许的使用的其它方式被焊接或以其它方式附接到牵引杆。
当牵引钩处于存储位置和/或牵引位置时，可以将振动给予牵引杆。提供参考测量可能是有利的：这样，当牵引钩处于缩回位置时，可以选择允许测量。当牵引钩处于缩回位置时，可能期望牵引钩没有被给予载荷；因此，缩回位置是执行零载荷测量的非常好的位置。
传感器装置可以适于检测或确定给予牵引杆的扭矩。当向牵引钩施加载荷时，主力方向总体上在竖直方向上(即向下)。这样，牵引钩可以向牵引杆给予旋转(即扭矩)，特别是如果牵引钩位于牵引钩的第一和第二连接构件之间，在该位置处牵引钩可被连接或者被连接到车辆。已经惊人地发现，该方法也可适用于经由牵引钩对牵引杆给予的这类应力。
所述至少一个致动器可以适于向牵引杆给予具有10-2000Hz，优选10-500Hz，更优选10-200Hz的频率的振动。致动器优选为低频致动器，其适于给予牵引杆低频。低频意味着低于500Hz的频率。认为高于500Hz的频率可能更容易受到其它高频噪声的影响，并且甚至可能其本身也是噪声源。然而，在某些情况下，给予牵引杆高频(例如500Hz或更高的频率)可能是有利的。
所给予的振动可以对应于牵引钩装置的固有频率的一次或更高次谐波。这样，所给予的振动可以特别适于找到牵引钩装置(即被测量的系统)的固有频率的一次或更高次谐波。这可以独立于施加到牵引钩的载荷来完成。不受理论束缚，预期高频噪声和连接到牵引杆的达到接近于牵引杆的固有频率的其自身相应的固有频率的附加部分(例如插座、支架和车辆部件)之间的平衡确定了最有利的固有频率的谐波。
牵引杆可以具有纵向轴线，并且牵引钩可以相对于牵引杆的纵向轴线布置在至少一个致动器和至少一个传感器之间。已经发现这给出了准确的读数。它还提供相对较低的损失或所给予的振动的阻尼。
如上所述，牵引杆可以具有纵向轴线，至少一个致动器和至少一个传感器可以彼此对齐并且相对于牵引杆的纵向轴线对齐。所述至少一个致动器和至少一个传感器优选地沿着假想的直线对齐，优选地使得致动器的中心和传感器的中心与假想的直线相交。这提供了以相对低的损耗将振动传递到传感器的良好传递。
牵引钩可以在附接部段处被附接到牵引杆，并且其中从附接部段到至少一个致动器和/或至少一个传感器的距离为2-100cm，优选为5-50cm。
所述至少一个致动器和至少一个传感器之间的距离可以为2-200cm，优选为10-80cm。牵引钩装置可设置有至少一个附接点，优选两个附接点。所述附接点(多个附接点)可以是连接构件的形式。优选地，沿着牵引杆的纵向轴线测量到连接构件或附接点的距离。根据一个方面，致动器和传感器可以位于彼此附近的位置，即近于2cm，可选地，它们可以彼此相邻定位。
牵引钩装置还包括电子控制单元和可选的显示单元。电子控制单元可以包括：处理单元(CPU)、信号发生器、放大器、转换器、用于内部和/或外部通信的通信单元和/或快速傅立叶变换器。内部通信意味着例如与车辆或牵引钩装置的其它部分的通信。外部通信意味着与车辆外部的服务器、移动电话单元、计算机、车辆或类似物的通信。电子控制单元可以例如是车载计算机，或者是布置到牵引钩装置的电子控制单元，即相对于车辆车载计算机的分离的电子单元。显示单元可以是各种类型。优选地，显示单元是触摸屏，电子控制单元可以从该触摸屏显示和接收数据。在其最简单的形式中，显示单元只是一个指示信号，例如发出红光或绿光的信号。牵引钩可以经由显示单元操作，例如经由移动电话或触摸平板(例如ipad)。
牵引钩装置可以包括附加传感器。至少一个传感器可以布置在牵引钩上，优选地布置在牵引钩的颈部上。这种附加传感器可以适于作为辅助传感器操作，例如，检测拖车是否被连接到牵引钩、拖车是否被恰当地连接到牵引钩。因此，该方法可以具有以下步骤：使用辅助传感器检测二级参数，所述二级参数不是向牵引钩施加的载荷。附加传感器可以是温度传感器、加速度计、压电传感器或类似物。来自附加传感器的输入可用于提高测量的准确度，例如，作为给电子控制单元(如果存在的话)的输入。
牵引钩装置可以具有适于连接到车辆的至少一个附接点，例如第一和第二连接构件。至少一个致动器和/或至少一个传感器可以布置在所述第一和第二连接构件之间。牵引钩也优选地布置在所述第一和第二连接构件之间。已经发现，如果牵引杆经由第一和第二连接构件悬挂到车辆，则可以更好地测量给予牵引杆的振动，主要是因为允许牵引杆在这些所谓的节点之间振动。优选地，致动器或传感器不被定位成与第一和/或第二连接构件近于10cm，因为认为连接构件提供给牵引杆的刚度的区域性增加可能以消极的方式影响由致动器给予的振动。同样地，认为传感器可能以相同的方式受到消极影响。
牵引杆可以包括一个或多个温度传感器。所述一个或多个温度传感器优选地定位成使得它们测量至少一个致动器和至少一个传感器之间或者至少一个传感器附近的温度。
所述至少一个致动器和至少一个传感器布置在所述牵引杆上，并且优选地，所述牵引杆至少在所述至少一个致动器和至少一个传感器所处的部段处由一整块材料制成。如果致动器和传感器位于同一块材料上则是有利的，因为认为焊接可能影响所给予的振动，并且可能阻尼振动。焊条或类似物可能受到与牵引杆本身不同的温度变化的影响。因此，如果所述至少一个致动器和至少一个传感器布置在同一块材料上，则可以更容易地考虑温度差异。
附图说明
将参考附图描述本发明的非限制性实施例，其中：
图1示出了包括牵引杆和牵引钩的牵引钩装置，所述牵引钩是可缩回类型；
图2示出了包括牵引杆和牵引钩的牵引钩装置，所述牵引钩是可拆卸类型；
图3示出了包括牵引杆和牵引钩的牵引钩装置，所述牵引钩是固定类型；
图4示出了包括牵引杆和牵引杆附件的牵引钩装置，所述牵引杆附件是自行车托架；
图5以沿着垂直于牵引杆的纵向线的线的视图更详细地示出了图2的牵引杆、布置在牵引杆上的致动器和传感器的一部分；
图6以透视图更详细地示出了图2的牵引杆、布置在牵引杆上的致动器和传感器的一部分；
图7示出了不同脉冲宽度调制的不同占空比；
图8a-8c示出了频率峰值可以如何识别以及如何与施加到牵引钩的不同载荷相对应；以及
图9示出了相对于所施加的载荷绘制的占空比百分比PWM。
具体实施方式
图1示出了适于安装在车辆(例如汽车、货车、休闲车(RV)、全地形车(ATV)或类似物)(未示出)上的牵引钩装置10。所述牵引钩装置10包括牵引杆11，牵引钩12在附接部段12A处被安装到该牵引杆11。尽管本文中使用牵引钩来描述本发明，但是应该注意，可以替代地或者在一些情况下除了牵引钩之外使用牵引杆附件。
牵引杆，例如本文中所公开的牵引杆(例如牵引杆11)是对于牵引钩或牵引杆附件的支撑元件，牵引钩通常从该支撑元件从车辆延伸。牵引杆通常被附接到底盘并且优选地在对于底盘的主方向的横向方向上被附接到底盘的后部。牵引杆优选地具有纵向延伸范围，该纵向延伸范围通常在相对于牵引钩和/或牵引杆附件的延伸范围的横向方向上延伸。牵引杆可适用于特定车辆，而牵引钩和牵引杆附件通常是标准化的。
牵引钩12就其可以从牵引位置(如图所示)缩回到存储位置(未示出)而言是可缩回类型。当处于牵引位置时，牵引钩12处于准备好接收和牵引可牵引物体(例如拖车、自行车托架或类似物)的位置。当处于存储位置时，牵引钩12通常被牵引钩装置10被安装到的车辆的一部分从视图中隐藏。在存储位置中，牵引钩12不能被连接到可牵引物体，至少为了牵引可牵引物体的目的。牵引钩12可以经由电动机被移位，如图1所示，或者被手动地移位。牵引钩12具有适于与可牵引物体连接的牵引球13、球窝接头元件14以及在所述牵引球13与球窝接头元件14之间延伸的颈部15。第一和第二连接构件31、32例如通过螺栓和螺母、焊接或类似方式被布置成耦合到车辆。
牵引钩装置10包括传感器装置20。所述传感器装置20适于检测是否有载荷被施加到牵引钩12。另外地或可选地，传感器装置20可以适于确定施加到牵引钩12的载荷的量。其还可以适于检测如下将述的牵引钩装置是否被错误地安装到车辆。优选地，牵引钩装置10适于确定经由牵引钩12给予牵引杆11的扭矩的量和施加到牵引钩12的载荷。
牵引钩装置10(以及传感器装置20)包括至少一个致动器21和至少一个传感器22。所述致动器21适于向牵引杆11给予振动。所述振动可以被给予为频率扫荡。致动器21在牵引杆11的固有频率周围激发频带。传感器22在激发带范围中检测对激发的结构响应。换句话说，当响应于牵引钩装置(即系统本身)的固有频率时，振动作为受迫频率被给予牵引钩装置10，将以可检测的方式增强牵引钩装置的频率。
如图1所示，致动器21和传感器22布置在牵引钩12的任一侧上，或者更确切地说，在附接部段12A的任一侧上，牵引钩12在该附接部段12A处被附接到牵引杆11。应该注意，术语附接部段包括单独的附接点或者在两个或更多附接点之间形成的部段。在示出的实施例中，牵引钩12经由附接部段12A布置到牵引杆11，所述附接部段12A由牵引钩12和电动机两个附接凸缘形成。然而，已经发现，牵引钩12到牵引杆11的特定附接不太相关，因为传感器装置20可以被调整到牵引钩装置10的特定构造。
传感器装置20还可以设置有电子控制单元(ECU)25和显示单元26。如果需要，ECU25可以包括处理单元(CPU)、信号发生器、放大器、转换器和/或快速傅立叶变换器。如果需要，传感器装置20可以被直接连接到车辆车载计算机，或者与现有的ECU(例如ECU 25)配合或作为其替代品。至少一个致动器21和/或至少一个传感器22可以经由有线、无线(例如经由无线网络)与ECU 25通信。这在图1中用虚线表示。在图1中还用虚线箭头表示了由致动器21朝向传感器22给予的传播频率。
本文中描述的牵引钩装置10可以设置有至少一个附加传感器23。所述附加传感器(多个附加传感器)可以被设置在牵引钩12上并且优选地在牵引钩12的颈部15上或者在牵引杆附件(如果存在)上。附加传感器23可以是温度传感器、加速度计、压电传感器或类似物。因此，传感器装置20可以被提供有附加的传感器功能。例如，附加传感器可以用作用于提供增加的精度的输入。附加传感器(多个附加传感器)的其它位置当然是可能的，例如在牵引杆11上或者在电动机中。
图1还示出了可替代的致动器和传感器位置21'、22'，在图1中用虚线示出。致动器和传感器21'、22'在这种情况下相对于牵引钩12位于同一侧上，并且牵引钩12附接部段12A位于牵引杆11上。因此，附接部段12A没有将致动器和传感器21'、22'分离开，而是位于致动器和传感器21'、22'的侧部上。
图2-4示出了根据本发明的各实施例的牵引钩装置，其中：图2是具有可拆卸牵引钩的牵引钩装置；图3是具有固定牵引钩12的牵引钩装置。图4示出了具有牵引杆和牵引杆附件的牵引钩装置。牵引杆附件被布置在牵引杆上而不是在牵引钩上，如图1-3所示。如所注意到的，牵引杆附件可以经由颈部元件被布置到牵引杆，但是如果需要可以被直接耦合到牵引杆本身上。图2-4中所示的每一个牵引钩装置可以设置有如本文中所公开的传感器装置20。例如以上所公开的，传感器装置20可以设置有电子控制单元(ECU)25和/或显示单元26。
图2-4还示出了可选的致动器和传感器位置21、21'、22、22'。所述致动器和传感器21、21'、22、22'可以相对于牵引钩12或牵引杆附件以及附接部段12A位于牵引杆11的同一侧上，如虚线所示。因此，附接部段12A不会将致动器和传感器21'、22'分离开。可选地，致动器和传感器可以位于附接部段12A的任一侧上，如附图标记21、22所示。这些构造之间的组合当然是可能的，即可以存在致动器与传感器在附接部段12A的任一侧上配合，以及致动器与传感器同时地或间歇地在附接部段12A的同一侧上配合。如上所述，ECU 25和显示单元26可以与致动器21和/或传感器22通信。
本文中所公开的牵引杆可以可选地或另外地设置有具有方形横截面的接收构件，其符合例如美国标准SAE牵引类，用于接收牵引杆附件或用于连接到牵引钩。
下文将更详细地描述传感器装置的一些一般方面。图5示出了具有可拆卸牵引钩12的牵引钩装置10。图5还示出了牵引杆11的部分、牵引钩12的部分、包括致动器21、传感器22的传感器装置20。就像图1中所示的实施例一样，固定牵引钩12经由附接部段12A被布置到牵引杆，所述附接部段12A以类似的方式由两个附接凸缘形成。还示出了ECU 25和显示单元26。如上所述，ECU可以与致动器21和/或传感器22通信。尽管关于图5描述了仅一个致动器和仅一个传感器，但是应该注意，传感器装置20当然可以设置有两个或更多致动器或者两个或更多传感器。
致动器21和传感器22之间的距离d1、d2可以如图5所示被导出。例如，如果距离d1为20cm，附接部段12A为10cm并且距离d2为20cm，则致动器21和传感器22被分隔开50厘米的距离。
传感器装置20的传感器22优选地被直接布置到牵引杆11上。传感器22也可以位于相对于牵引钩12被附接到牵引杆11的一侧的相反侧上。在所示的实施例中，致动器21和传感器22被布置在牵引钩12被附接到牵引杆11的附接部段12A的相反侧上。牵引杆11具有纵向中心线L1并且致动器21和/或传感器22可以优选地布置在附接部段12A的相反侧上，在该附接部段12A处牵引钩12相对于牵引杆11的纵向中心线L1被附接到牵引杆11。
如可以看出的，牵引钩装置的牵引钩可以是可缩回的、固定的、可拆卸的或以其它方式可操作的。用于测量牵引钩上所施加的载荷的方法可以有利地应用在具有用于支撑牵引钩或牵引杆附件的牵引杆的任何牵引钩装置上。
图6更详细地并且以透视图示出了图5的牵引杆11、致动器21和传感器22的一部分。如从图6可以看出的，致动器21和/或传感器22被布置成紧贴地配合牵引杆11的形状。在所示实施例中，牵引杆11具有圆柱形状、具有圆形横截面。致动器21和传感器22设置有配合部，该配合部具有与牵引杆11的一部分的对应形状，在这种情况下为大致弧形部30。
通常，致动器可以经由卡扣连接被夹紧、胶合或附接。致动器和传感器优选地经由振动传递连接(即不会使用于测量所给予的载荷的振动衰减过高程度的连接)被附接。因此优选相对刚性的连接，其允许由于振动产生的传播频率波的传递。作为示例，致动器和/或传感器可以经由螺栓连接、搭扣连接、粘合剂/胶水、压制连接、焊接连接、系带或包裹连接或者形成朝向牵引杆的锁定连接而被附接。
出于校准目的，所述至少一个传感器和/或至少一个致动器可以优选地沿着牵引杆被移位，即可移位地布置到牵引杆。所述传感器和/或致动器可以例如位于一个或多个壳体中。可选地，致动器和/或传感器可以被可移位地布置在壳体(多个壳体)的内部，以允许例如经由来自电子控制单元(如果存在)的信号对传感器装置调节或校准。
致动器(多个致动器)和传感器(多个传感器)优选地彼此对齐。它们可以有利地与牵引杆的纵向轴线对齐。已经发现，如果牵引杆的横截面是圆形、椭圆形、方形等或类似形状(即对称的)，则是有利的。牵引杆的横截面优选地沿着至少一个致动器和至少一个传感器之间的大部分长度、优选地整个长度具有恒定的横截面。
已经发现，如果使用致动器21(例如使用振动电机)执行频率扫描或频率扫荡，将观察到突然的振幅峰值。所观察到的峰值表示系统的固有频率(本征频率)的一次或更高次谐波的位置。当更多的质量(即更高的载荷)被施加到牵引钩时，检测到固有频率的一次或更高次谐波的变化。已经发现，这是一种令人惊讶的有效方式来经由牵引钩上所施加的载荷检测向牵引杆给予的扭矩。
致动器21可以是振动电机。所述振动电机本质上可以是不同的，但是合适的振动电机可以是旋转电机、基于螺线管的振动电机、精密微型驱动器(PMD)320-102、无刷振动电机、线性谐振致动器、振动器式致动器、振动齿轮电机、基于压电的电机、能够以一个或多个频率激励系统的机械激励机构。原则上，可以使用任何给予冲击的致动器。一种类型的旋转电机通常具有旋转元件，该旋转元件在旋转时向牵引杆并且因此向系统给予所期望的振动。所示实施例中的致动器21是旋转电机。传感器22可以是压电传感器。通常，旋转电机以低电平启动，例如零转每分钟(RPM)到可以预先确定(例如经由选定的RPM、所给予的功率水平或时间)的上限。因此，通过从零RPM到高数值的RPM，在对压电信号采样时，可以检测固有频率峰值的系统一次或更高次谐波。当然可以在对压电信号采样时从高数值的RPM到零RPM或者到较低量的RPM。在两种方式中，都可以检测固有频率峰值的系统一次或更高次谐波。
当通过振动电机(即致动器21)执行扫荡时，使用了脉冲宽度调制(PWM)。使用PWM的目的是更有效地控制振动电机。因此，在一般方面中，PWM可以用于控制致动器。PWM快速地打开和关闭振动电机或者至少将振动电机在激活或待机状态之间切换。这有效地调节了作用在振动电机上的电压。因此可以使用PWM来调整振动电机的RPM。
图7示出了不同的脉冲宽度调制。通过设定占空比的百分比，可以控制振动电机的速度。生成电机的PWM输入。通过测量占空比的百分比以及压电元件的电流振幅均方根(RMS)，可以发现所施加的载荷与系统的固有频率的一次或更高次谐波的峰值位置之间的关系。所述占空比的百分比可以从相关性中导出：
Figure GDA0002719312880000131
可以有利地执行以下原理步骤以找到选定系统的固有频率的一次或更高次谐波。
a)以选定的步长和选定的范围执行PWM扫荡。找到发现最大RMS值处的PWM占空比百分比。
b)以在a)中找到的最大RMS值周围的较小的范围和步长执行新的PWM扫荡。
c)重复步骤b)，直到找到足够的收敛水平。
图8a-8c示出了对于施加在牵引钩上的不同载荷的幅度与时间(多个时间)的关系。图8a示出了当在牵引钩上施加20kg的载荷时的频率模式，图8b示出了当在牵引钩上施加40kg的载荷时的频率模式并且图8c示出了当在牵引钩上施加80kg的载荷时的频率模式。在每种情况下，图8a-8c示出了单次PWM扫荡的结果，从t＝0时的0％占空比开始并且逐步增加PWM信号直到达到20％的占空比。可以看出，由传感器检测到的所得振幅显示出峰值，该峰值是由牵引钩上的不同载荷限定的特定系统的固有频率的一次或更高次谐波造成的。
参考图8a-8c，可以清楚地检测到用虚线a、b、c示出的峰值。返回参考例如图1和图2，尽管如果希望可适用于本文中公开的所有实施例，但是从传感器22采集的数据因此可以用于检测固有频率的一次或更高次谐波的变化，并且确定一个载荷被施加在牵引钩12上，以及确定牵引钩12上所施加的载荷量，即使当载荷作为作用于牵引杆11的扭矩时也是如此。在图8c中，示出了所有的三个峰值a、b、c以示出在向牵引钩12施加不同载荷时形成的频率模式的差异。
图9示出了相对于所施加的载荷绘制的信号的最大均方根(RMS)，即所测量的信号的有效值。图9示出了在牵引钩上所施加的载荷的较宽范围上应用的方法，每个步长以2.55Kg增加载荷。在每个步长处，执行PWM扫荡，并且相对于载荷绘制了发现最大RMS值处的PWM占空比百分比。
从图9可以看出，牵引钩上施加的载荷与牵引钩给予牵引杆上的载荷之间存在直接关系，该关系可以使用所描述的方法检测，而无需在牵引钩本身上进行测量。
大体上，该方法可以包括以下步骤中的一个或多个：
a)经由致动器给予牵引钩装置的牵引杆频率扫荡，优选地在选定的频率范围内；
b)经由传感器检测牵引钩装置的固有频率的一次或更高次谐波；
c)给予牵引钩装置的牵引杆第二次频率扫荡，优选地在第二频率范围内，所述第二频率范围优选地与所述第一频率范围不同；
d)可选地重复步骤a)、b)和/或c)。
在一个实施例中，该方法可以包括以下步骤中的一个或多个：
a)以选定的百分比占空比选择给振动电机的PWM信号；
b)经由传感器(例如压电元件和/或压电传感器)测量RMS值；
c)调节PWM信号占空比百分比或给出相同功能的类似参数，例如通过增加或减少PWM信号占空比百分比；
d)可选地重复步骤a)、b)和/或c)。
应该注意，上述步骤d)可以执行任何次数。
已经发现，本文中公开的方法容易地可应用于牵引钩装置上并且特别是牵引杆上。该方法可以在牵引钩装置已经被安装到车辆之后或之前执行。然而，在牵引钩装置已经被安装到预期的车辆之后，如果作为校准步骤执行零载荷测量则是有利的。因此，该方法可以包括在牵引钩装置已经被安装到车辆之后执行校准步骤的步骤，并且优选地没有载荷被施加到牵引钩和/或牵引杆附件。此后，可以将其它测量值与从校准步骤接收的测量值进行比较。
应该注意，所接收、测量、计算等的数据可以本地存储在牵引钩装置中、在牵引钩装置所布置的车辆中或者被远程存储(例如在远程服务器中或基于数据服务的云中)。为了实现这一点，牵引钩装置并且特别是如上所述的ECU，可以设置有适于与车辆或者与远程CPU、服务器或类似物通信的通信单元。
根据一个方面，牵引钩装置可以设置有至少一个电插座(下文称为插座)，用于从拖车接收电插头(下文称为插头)。所述插座可以适于允许电信号和电力传输到可牵引物体上的电气部件，例如拖车上的灯。如果没有插头被附接到牵引钩装置的插座，则可以防止牵引钩装置被执行测量。牵引钩装置可以设置有传感器，用于检测插头是否被附接到牵引钩装置的插座。因此，可选地或另外地，除非所提到的传感器检测到插头被附接到牵引钩装置的插座，否则不能完成测量。
如果车辆移动、静止、闲置、待机或关闭，则可以进一步独立地完成测量。根据一个方面，在重加速期间可以不执行测量，因为这种加速可能影响经由车辆底盘给予牵引杆的应力。
RMS值可以用于检测例如是否拖车减弱了所给予的振动。这可以用于形成一个或多个补偿因子，以补偿传感器系统可能受到的例如来自不同类型的拖车的阻尼效应。RMS值与峰值的位置相结合可以给出拖车的阻尼对系统的影响的指示。RMS值越低，则预期阻尼越高。
来自至少一个传感器的输出信号可以被滤波。合适的滤波器的一个示例是低频滤波器(低通滤波器)。这减少了可以由至少一个传感器检测的高频噪声。

Claims (18)

1.一种用于测量用于车辆的牵引钩装置（10）的牵引钩/或牵引杆附件上所施加的载荷的方法，所述牵引钩装置（10）包括布置在牵引杆（11）上的牵引钩（12）和/或牵引杆附件，所述牵引钩装置（10）包括具有至少一个致动器（21，21'）和至少一个传感器（22，22'）的传感器装置（20），所述方法包括以下步骤：a）使用所述至少一个致动器（21，21'）向所述牵引杆（11）给予振动，由此所述至少一个致动器（21，21'）位于所述牵引杆（11）上；b）使用布置在所述牵引杆（11）上的所述至少一个传感器（22，22'）检测所给予的振动；以及c）使用检测到的所给予的振动来确定所述牵引钩（12）和/或所述牵引杆附件上的所施加的载荷。
2.根据权利要求1所述的方法，由此所述方法还包括以下步骤：确定所述牵引钩装置（10）的固有频率的一次或更高次谐波，并使用所确定的所述牵引钩装置（10）的固有频率的一次或更高次谐波来确定在所述牵引钩（12）和/或所述牵引杆附件上所施加的载荷。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定在所述牵引钩装置（10）被安装到车辆之后完成。
4.根据权利要求2所述的方法，由此所述牵引钩装置（10）的固有频率的所述一次或更高次谐波通过以下步骤确定：当所述牵引钩（12）和/或所述牵引杆附件无载荷时，向所述牵引杆（11）给予振动；以及使用所述至少一个传感器（22，22'）检测所给予的振动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，由此所述至少一个致动器（21，21'）在步骤a）中启动第一次频率扫描；并且所述方法还包括步骤：执行第二次频率扫描。
6.根据权利要求5所述的方法，由此所述第二次频率扫描相对于所述第一次频率扫描是不同的。
7.根据权利要求5所述的方法，由此所述频率扫描或多次频率扫描是频率扫荡。
8.根据权利要求7所述的方法，由此所述第二次频率扫荡在比所述第一次频率扫荡横跨更小的频率范围执行。
9.根据权利要求7或8所述的方法，由此所述第二次频率扫荡以比所述第一次频率扫荡更小的步长执行。
10.根据权利要求5所述的方法，由此从所述第一次频率扫描检测第一频率峰值，并且由此横跨所检测到的所述第一频率峰值执行所述第二次频率扫描。
11.一种牵引钩装置（10），其包括牵引钩（12）和/或牵引杆附件以及可连接到车辆的牵引杆（11），所述牵引钩（12）和/或牵引杆附件被附接到所述牵引杆（11），用于检测在所述牵引钩（12）和/或牵引杆附件上所施加的载荷的传感器系统（20），所述传感器系统（20）包括位于所述牵引杆（11）上的至少一个致动器（21，21'）和布置在所述牵引杆（11）上的至少一个传感器（22，22'），所述至少一个致动器（21，21'）适于给予所述牵引杆（11）振动，并且所述至少一个传感器（22，22'）适于检测所述振动。
12.根据权利要求11所述的牵引钩装置（10），其中所给予的振动对应于所述牵引钩装置（10）的固有频率的一次或更高次谐波。
13.根据权利要求11或12所述的牵引钩装置（10），其中所述牵引杆（11）具有纵向轴线（L1），并且所述牵引钩（12）和/或牵引杆附件相对于所述牵引杆（11）的所述纵向轴线（L1）布置在所述至少一个致动器（21，21'）和所述至少一个传感器（22，22'）之间。
14.根据权利要求11或12所述的牵引钩装置（10），其中所述牵引杆（11）具有纵向轴线（L1），所述至少一个致动器（21，21'）和所述至少一个传感器（22，22'）彼此对齐并且相对于所述牵引杆（11）的所述纵向轴线（L1）对齐。
15.根据权利要求11或12所述的牵引钩装置（10），其中所述至少一个致动器（21，21'）具有主平面，所述振动沿着所述主平面被给予所述牵引杆（11），并且所述至少一个传感器（22，22'）相对于所述主平面平行。
16.根据权利要求15所述的牵引钩装置（10），其中所述振动作为传播波沿着所述主平面被给予所述牵引杆（11）。
17.根据权利要求11或12所述的牵引钩装置（10），其中所述至少一个致动器（21，21'）具有主平面，所述振动沿着所述主平面被给予所述牵引杆（11），并且所述至少一个传感器（22，22'）相对于所述主平面对齐。
18.根据权利要求11或12所述的牵引钩装置（10），其中所述传感器装置（20）适于检测或确定给予所述牵引杆（11）的扭矩。
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