CN109141933B - 一种轮毂式传感器测力系统 - Google Patents

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Abstract

一种轮毂传感器测力系统，将其代替原有车轮安装于全尺寸样车上进行路面测试，该系统包括：轮毂、与该轮毂相连的六分量轮毂测力传感器、转子盖适配器、十字槽支架、数据采集系统，将六分量轮毂测力传感器的一端与轮毂固定，另一端通过转子盖适配器与转子盖固定，这种结构可以直接测量运动过程中地面和汽车悬挂的相互作用力，且同轴结构使其刚度和测量精度更高，采用带有加速度传感器和温度传感器的无线数据采集系统可对测力数据进行修正，提高了测试的准确性。

Description

一种轮毂式传感器测力系统
技术领域
本发明涉及一种轮毂传感器测力系统，主要应用于汽车、摩托车、飞机轮胎在道路测试过程中受到的力学载荷，包括重力、地面的支撑力、摩擦力和气动力。
背景技术
汽车结构设计和优化需要掌握在各个工况条件下外界对汽车及其部件的作用力。这些载荷可以通过理论分析或测力试验两种方法获得，由于汽车结构、路况、环境条件的复杂性，理论分析得到的载荷数值可信度较低，因此现代汽车设计广泛使用测力试验方法开展相关研究工作。
汽车测力试验分为两类，一类是在风洞、试验台等试验系统中进行环境模拟同时进行载荷测量，另一类是使用实车在各种试验场和各种运动工况条件下进行载荷测量。第一类比较适用于早期的研究工作，只要模拟流场、路面起伏等条件就可以开展相关研究，无法进行动力学模拟；第二类一般在汽车研制的后期开展，使用全尺寸样车开展路面测试，可以进行完整的模拟。
目前，国际上对于汽车轮毂进行全载荷测量的测试技术只有发达国家的少数几个公司具备，国内则没有这项技术能够实际应用。国内汽车企业目前进行轮毂路试载荷测量，则需要按照轮毂型号成套进口测试系统，由于该系统具有测量位置离力作用点近，设计中不能改变原系统的结构和力学特性，受空间尺寸的限制,对结构和安装要求较高；以及，传感器与车轮一同旋转，需实现信号解耦、旋转件与非旋转件间实现能量和信号的传输等，研究难度大的问题，我国一直未能实现对该技术的突破。
发明内容
本发明的目的是提供一种轮毂传感器测力系统，解决无法完整模拟汽车在真实路况中受力情况的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种轮毂传感器测力系统，包括：轮毂、六分量轮毂测力传感器、转子盖适配器、十字槽支架以及数据采集系统；
中空结构的六分量轮毂测力传感器的一侧固定在轮毂上，转子盖适配器的固定端穿过六分量轮毂测力传感器的中空结构，与车轮转轴固定在一起，转子盖适配器的测试端与六分量轮毂测力传感器的另一侧固定连接，十字槽支架固定在转子盖适配器的测试端上，数据采集系统固定在十字槽支架上，用于采集六分量轮毂测力传感器采集到的数据。
所述轮毂、六分量轮毂测力传感器以及转子盖适配器同轴。
所述六分量轮毂测力传感器包括上法兰、下法兰、弹性梁和测量单元；
上法兰和下法兰之间通过均匀分布的四个弹性梁连接为一体，四个弹性梁分为第一和第二组，每一组弹性梁包括相对的两个弹性梁；
上法兰与转子盖适配器的测试端连接，下法兰与轮毂固连；测量单元设置在弹性梁上，当轮毂转动时，测量单元通过弹性梁的形变进行测量。
上法兰、下法兰以及弹性梁一体成型。
所述弹性梁为工字形，包括长梁、短梁和纵梁；长梁和短梁通过纵梁连接为一体；长梁与上法兰连接，短梁与下法兰连接。
测量单元包括侧向力测量元件、法向力测量元件、地面切向反作用力测量元件、扭矩测量元件、回正力矩测量元件以及翻转力矩测量元件；
法向力测量元件、扭矩测量元件以及回正力矩测量元件设置在第一组弹性梁上，用于测量车轮受到地面的法向力、扭矩以及回正力矩；
侧向力测量元件、地面切向反作用力测量元件、扭矩测量元件以及翻转力矩测量元件设置在第二组弹性梁上，用于测量车轮受到地面的侧向力、切向反作用力、扭矩以及翻转力矩。
在第一组弹性梁上，法向力测量元件设置在纵梁两侧靠近短梁的位置，扭矩测量元件设置在纵梁两侧靠近长梁的位置，回正力矩测量元件设置在长梁上。
在第二组弹性梁上，地面切向反作用力测量元件设置在纵梁两侧靠近短梁的位置，扭矩测量元件设置在纵梁两侧靠近长梁的位置，翻转力矩测量元件和侧向力测量元件均设置在长梁上。
回正力矩测量元件以及翻转力矩测量元件距离六分量轮毂测力传感器中心轴线的距离相同，小于侧向力测量元件距离六分量轮毂测力传感器中心轴线的距离。
还包括保护套，套在六分量轮毂测力传感器上，用于保护传感器上的测量元件。
所述十字槽支架中间为通孔，内侧有十字形凹槽，用于六分量轮毂测力传感器上测量元件信号线缆的铺设。
数据采集系统包括三轴加速度传感器和温度传感器，无线采集并输出轮胎三轴加速度、温度及六分量轮毂测力传感器测量得到的三个力和三个力矩。
六分量轮毂测力传感器材质采用合金结构钢或钛合金。
所述数据采集系统采样频率不低于100Hz。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)汽车在运动过程中，受到重力、支撑力、摩擦力、气动力等多种因素的影响，要模拟汽车真实受力情况，仅仅靠汽车试验台、风洞模拟实现载荷测量是不可靠的，为实现真实汽车动力学模拟，本发明设计轮毂传感器测力系统，将其代替原有车轮安装于全尺寸样车上进行路面测试，在此思路下，将六分量轮毂测力传感器的一端与轮毂固定，另一端通过转子盖适配器与转子盖固定，这种结构可以直接测量运动过程中地面和汽车悬挂的相互作用力，且同轴结构使其刚度和测量精度更高，采用带有加速度传感器和温度传感器的无线数据采集系统可对测力数据进行修正，使其测试结果更加准确。
(2)轮毂传感器的材料可选用优质的合金结构钢或钛合金，具有较强的结构刚度和强度。
(3)轮毂传感器形式设计为轮式结构，使其一端与轮毂相连，另一端与汽车转子盘固定，弹性梁布置于两个固定法兰之间,并通过特殊的组桥方式构成六路惠斯通电桥，实现对三维空间中三维力和三维力矩信息的获取以及六分力测量通道间信号的直接解耦输出,使得各维间的耦合达到最小。
(4)测量元件布置于传感器两两对称的弹性梁上，保证力和力矩测量元件的对称性，减小了其他分量载荷产生的应变量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明六分量轮毂测力传感器示意图；
图3为本发明传感器弹性梁示意图；
图4为本发明传感器弹性梁测量元件布置图；
图5为本发明转子盖适配器示意图；
图6为本发明十字槽支架示意图；
图7为本发明无线数据采集系统示意图；
图8为本发明传感器保护罩示意图；
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
本发明针对全尺寸样车测试技术，研制六分量轮毂测力传感器，同时设计同轴测量方案，设计无线数据采集系统，可以进行完整的模拟，其结果相对于理论计算来说更为可靠。
如图1、5、7所示，本发明提出了一种轮毂传感器测力系统，包括：轮毂1、六分量轮毂测力传感器2、转子盖适配器3、十字槽支架4以及数据采集系统5；
中空结构的六分量轮毂测力传感器2的一侧固定在轮毂1上，转子盖适配器3的固定端(直径小的一端)穿过六分量轮毂测力传感器2的中空结构，与车轮转轴固定在一起，转子盖适配器3的测试端(直径大的一端)与六分量轮毂测力传感器2的另一侧固定连接，十字槽支架4固定在转子盖适配器3的测试端上，数据采集系统5固定在十字槽支架4上，用于采集六分量轮毂测力传感器2采集到的数据。轮毂1、六分量轮毂测力传感器2以及转子盖适配器3同轴。
如图8所示，本发明测力系统还包括保护套6(保护罩)，套在六分量轮毂测力传感器2上，用于保护传感器上的测量元件。
如图2所示，六分量轮毂测力传感器2包括上法兰7、下法兰8、弹性梁9和测量单元10；
上法兰7和下法兰8之间通过均匀分布的四个弹性梁9连接为一体，四个弹性梁9分为第一和第二组，每一组弹性梁包括相对的两个弹性梁9；
上法兰7与转子盖适配器3的测试端连接，下法兰8与轮毂1固连；测量单元10设置在弹性梁9上，当轮毂1转动时，测量单元10通过弹性梁9的形变进行测量。上法兰7、下法兰8以及弹性梁9一体成型。
六分量轮毂测力传感器2采用合金结构钢或钛合金，具有较强的结构刚度和强度。
如图3所示，弹性梁9为工字形，包括长梁91、短梁92和纵梁93；长梁91和短梁92通过纵梁93连接为一体；长梁91与上法兰7连接，短梁92与下法兰8连接。
如图4所示，测量单元10包括侧向力测量元件11、法向力测量元件12、地面切向反作用力测量元件13、扭矩测量元件14、回正力矩测量元件15以及翻转力矩测量元件16；
法向力测量元件12、扭矩测量元件14以及回正力矩测量元件15设置在第一组弹性梁上，用于测量车轮受到地面的法向力、扭矩以及回正力矩；
侧向力测量元件11、地面切向反作用力测量元件13、扭矩测量元件14以及翻转力矩测量元件16设置在第二组弹性梁上，用于测量车轮受到地面的侧向力、切向反作用力、扭矩以及翻转力矩。
在第一组弹性梁上，法向力测量元件12设置在纵梁93两侧靠近短梁92的位置，扭矩测量元件14设置在纵梁93两侧靠近长梁91的位置，回正力矩测量元件15设置在长梁91上。
如图3所示，纵梁93可以为单根，也可以为两根平行；
在第二组弹性梁上，地面切向反作用力测量元件13设置在纵梁93两侧靠近短梁92的位置，扭矩测量元件14设置在纵梁93两侧靠近长梁91的位置，翻转力矩测量元件16和侧向力测量元件11均设置在长梁91上。
回正力矩测量元件15以及翻转力矩测量元件16距离六分量轮毂测力传感器2中心轴线的距离相同，小于侧向力测量元件11距离六分量轮毂测力传感器2中心轴线的距离。
本发明测力系统中设置坐标系如下：
X轴与车轮及传感器中心轴同轴并指向车轮内部，Y轴垂直于车轴及地面指向上，Z轴与地面平行，根据右手定则可知Z轴方向。
如图6所示，十字槽支架4中间为通孔，内侧有十字形凹槽，用于六分量轮毂测力传感器2上测量元件信号线缆的铺设。
数据采集系统5包括三轴加速度传感器和温度传感器，无线采集并输出轮胎三轴加速度、温度及六分量轮毂测力传感器2测量得到的三个力和三个力矩。
工作原理：
汽车在行驶过程中，受到地面的摩擦产生驱动力，驱动车轮转动，汽车车轮受到的力通过定制轮毂1传递给六分量轮毂测力传感器2，六分量轮毂测力传感器2通过转接法兰将力传递到汽车转子盖上，再由汽车转子盖将力传递给汽车悬挂和主轴。在此装配结构下，六分量轮毂测力传感器2可测量汽车在运行状态下车轮产生的三个方向上的力和力矩。
六分量轮毂测力传感器设计为轮式结构，使其一端与轮毂相连，另一端与汽车转子盘固定，弹性梁布置于两个固定法兰之间,并通过特殊的组桥方式构成六路惠斯通电桥，实现对三维空间中三维力和三维力矩信息的获取，以及六分力测量通道间信号的直接解耦输出,使得各维间的耦合达到最小。测量元件布置于弹性梁上，保证力和力矩测量元件的对称性，以减小其他分量载荷产生的应变量。
由于轮毂测力传感器和被测汽车的轴系不是固定的，传感器的轴系相对汽车轴系高速旋转，通过温度传感器及同轴布置的位置传感器可对测试结果进行修正和补偿，得到更准确的测量结果。
实施例：
测力系统的结构如上述方案。六分量轮毂测力传感器以17寸轮毂为发明对象，材质采用高强度钢17-4PH，具有较强的结构刚度和强度，重量为24Kg；数据采集系统采样频率不低于100HZ，可同时采集传感器测量出的三维空间中三个力和三个力矩以及内置的温度、加速度数据。六分量轮毂测力传感器测量元件部位采用防水涂层覆盖，并采用防水接插件，使其具有防水防尘特点。
本发明设计的轮毂传感器测力系统，将其代替原有车轮安装于全尺寸真实样车上进行路面测试，在此思路下，将六分量轮毂测力传感器的一端与轮毂固定，另一端通过转子盖适配器与转子盖固定，这种结构可以直接测量运动过程中地面和汽车悬挂的相互作用力，且同轴结构使其刚度和测量精度更高，采用带有加速度传感器和温度传感器的无线数据采集系统可对测力数据进行修正，使其测试结果更加准确。
轮毂传感器形式设计为轮式结构，使其一端与轮毂相连，另一端与汽车转子盘固定，弹性梁布置于两个固定法兰之间,并通过特殊的组桥方式构成六路惠斯通电桥，六路惠斯通电桥分别对应于六个分量(侧向力、法向力、地面切向反作用力、扭矩、回正力矩以及翻转力矩)，每个分量由布置于弹性梁上的对应的测量元件进行测量得到，该类别测量元件数量为4个，比如，测量侧向力分量，则通过四个侧向力测量元件11进行测量，该四个侧向力测量元件11两两一组布置于沿轴线对称的一组弹性梁上，将每个分量对应的四个测量元件组成电桥电路，利用电阻的变化来测量物理量的变化，实现了对三维空间中三维力和三维力矩信息的获取以及六分力测量通道间信号的直接解耦输出，使得各维间的耦合达到最小。
另外，测量元件布置于传感器两两对称的弹性梁上，保证力和力矩测量元件的对称性，减小了其他分量载荷产生的应变量。

Claims (1)

1.一种轮毂传感器测力系统，其特征在于包括：轮毂(1)、六分量轮毂测力传感器(2)、转子盖适配器(3)、十字槽支架(4)以及数据采集系统(5)；
中空结构的六分量轮毂测力传感器(2)的一侧固定在轮毂(1)上，转子盖适配器(3)的固定端穿过六分量轮毂测力传感器(2)的中空结构，与车轮转轴固定在一起，转子盖适配器(3)的测试端与六分量轮毂测力传感器(2)的另一侧固定连接，十字槽支架(4)固定在转子盖适配器(3)的测试端上，数据采集系统(5)固定在十字槽支架(4)上，用于采集六分量轮毂测力传感器(2)采集到的数据；
所述轮毂(1)、六分量轮毂测力传感器(2)以及转子盖适配器(3)同轴；
所述六分量轮毂测力传感器(2)包括上法兰(7)、下法兰(8)、弹性梁(9)和测量单元(10)；
上法兰(7)和下法兰(8)之间通过均匀分布的四个弹性梁(9)连接为一体，四个弹性梁(9)分为第一和第二组，每一组弹性梁包括相对的两个弹性梁(9)；
上法兰(7)与转子盖适配器(3)的测试端连接，下法兰(8)与轮毂(1)固连；测量单元(10)设置在弹性梁(9)上，当轮毂(1)转动时，测量单元(10)通过弹性梁(9)的形变进行测量；
上法兰(7)、下法兰(8)以及弹性梁(9)一体成型；
还包括保护套(6)，套在六分量轮毂测力传感器(2)上，用于保护传感器上的测量元件；
所述十字槽支架(4)中间为通孔，内侧有十字形凹槽，用于六分量轮毂测力传感器(2)上测量元件信号线缆的铺设；
数据采集系统(5)包括三轴加速度传感器和温度传感器，无线采集并输出轮胎三轴加速度、温度及六分量轮毂测力传感器(2)测量得到的三个力和三个力矩；
六分量轮毂测力传感器(2)材质采用合金结构钢或钛合金；
所述数据采集系统(5)采样频率不低于100Hz；
所述弹性梁(9)为工字形，包括长梁(91)、短梁(92)和纵梁(93)；长梁(91)和短梁(92)通过纵梁(93)连接为一体；长梁(91)与上法兰(7)连接，短梁(92)与下法兰(8)连接；
测量单元(10)包括侧向力测量元件(11)、法向力测量元件(12)、地面切向反作用力测量元件(13)、扭矩测量元件(14)、回正力矩测量元件(15)以及翻转力矩测量元件(16)；
法向力测量元件(12)、扭矩测量元件(14)以及回正力矩测量元件(15)设置在第一组弹性梁上，用于测量车轮受到地面的法向力、扭矩以及回正力矩；
侧向力测量元件(11)、地面切向反作用力测量元件(13)、扭矩测量元件(14)以及翻转力矩测量元件(16)设置在第二组弹性梁上，用于测量车轮受到地面的侧向力、切向反作用力、扭矩以及翻转力矩；
在第一组弹性梁上，法向力测量元件(12)设置在纵梁(93)两侧靠近短梁(92)的位置，扭矩测量元件(14)设置在纵梁(93)两侧靠近长梁(91)的位置，回正力矩测量元件(15)设置在长梁(91)上；
在第二组弹性梁上，地面切向反作用力测量元件(13)设置在纵梁(93)两侧靠近短梁(92)的位置，扭矩测量元件(14)设置在纵梁(93)两侧靠近长梁(91)的位置，翻转力矩测量元件(16)和侧向力测量元件(11)均设置在长梁(91)上；
回正力矩测量元件(15)以及翻转力矩测量元件(16)距离六分量轮毂测力传感器(2)中心轴线的距离相同，小于侧向力测量元件(11)距离六分量轮毂测力传感器(2)中心轴线的距离；
汽车在行驶过程中，受到地面的摩擦产生驱动力，驱动车轮转动，汽车车轮受到的力通过定制轮毂传递给六分量轮毂测力传感器，六分量轮毂测力传感器通过转接法兰将力传递到汽车转子盖上，再由汽车转子盖将力传递给汽车悬挂和主轴， 在此装配结构下，六分量轮毂测力传感器测量汽车在运行状态下车轮产生的三个方向上的力和力矩；
将设计为轮式结构的六分量轮毂测力传感器的一端与轮毂固定，另一端通过转子盖适配器与汽车转子盖固定，从而直接测量运动过程中地面和汽车悬挂的相互作用力；弹性梁布置于两个固定法兰之间,并构成六路惠斯通电桥，实现对三维空间中三维力和三维力矩信息的获取，以及六分力测量通道间信号的直接解耦输出,使得各维间的耦合达到最小；六路惠斯通电桥分别对应于六个分量：侧向力、法向力、地面切向反作用力、扭矩、回正力矩以及翻转力矩；
测量元件布置于弹性梁上，保证力和力矩测量元件的对称性，以减小其他分量载荷产生的应变量；
轮毂测力传感器和被测汽车的轴系非固定，传感器的轴系相对汽车轴系高速旋转，通过温度传感器及同轴布置的位置传感器对测试结果进行修正和补偿；
六分量轮毂测力传感器测量元件部位采用防水涂层覆盖，并采用防水接插件。
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