CN110333023A - 应变式胎路三向应力测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应变式胎路三向应力测量装置及其测量方法，装置包括:弹性敏感元件,其包括基座、设置在基座上的基台以及设置在基台上的受力部件,受力部件侧壁上开设有贯穿径向的结构孔；盖子,其与基座配合,盖子上设置有与受力部件对应的通孔；多组惠斯通电桥,包括测量应变片和温度补偿应变片,测量应变片设置在受力部件的外侧壁上；应变测量仪,其与多组惠斯通电桥的输出端分别通过线路连通；以及数据处理装置,其包括与应变测量装置电气连接的处理器以及与处理器电气连接的显示器；以及利用上述装置测量三向应力的方法。本发明减少了三向接触应力分布不均匀对测量结果的影响，同时受力部分为接近连续的平整表面，测量方法消除了维间耦合。

Description

应变式胎路三向应力测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及测力传感的技术领域，具体涉及一种应变式胎路三向应力测量装置及其测量方法。

背景技术

车辆的载重、牵引、操作所需要的力都发生在轮胎与路面的接触面上，要找到轮胎与路面最有利的接触条件、评定胎面花纹的结构性能、降低胎面磨耗、提高车辆操作稳定性等，都必须分析轮胎接触地面产生的三向力，即牵引力、侧向力、垂直力。车辆行驶过程中轮胎与道路接触区域的三向应力分布情况与汽车工业和道路交通有直接的关系，是汽车整车性能研究、零部件开发和路面结构设计、寿命延长的重要参数。

轮胎—道路三向接触应力在接触区域的分布是不均匀的，为了减少应力分布不均匀对测量结果的影响，测量装置的受力面积应尽可能地小(这样也使得单位面积上可以布置更多数目的传感器)；同时为了更好地模拟轮胎与道路之间的接触，装置的受力部分应能尽可能地为连续的平整表面。

轮胎—道路三向接触应力测量的难点之一在于传感器测量三向力时的维间耦合，即任一方向的分力会影响到其他两个方向分力的输出信号。专利申请号为201810687655.9的发明专利公开了一种《轮胎—道路三向力测量传感器》，该传感器属于应变式传感器，设计了一种一体化的弹性体，这种设计没有完全消除三向力之间的维间耦合，且其受力部分不是为连续平整的表面。专利申请号为201710735135.6的发明专利公开了一种《轮胎—路面三向力测量装置及其测量方法》，该测量装置采用是光栅光纤传感器，光栅光纤传感器结构紧凑，测量接触应力时可在单位面积上布置更多数目的传感器，不过传感器没有完全消除维间耦合的影响。

综上所述，传感器的弹性敏感元件往往是一体化设计，仅仅从结构方面考虑来消除维间耦合使得设计变得复杂，难以得到结构紧凑，适宜于轮胎—道路三向接触应力的装置。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种应变式胎路三向应力测量装置，该胎路三向应力测量装置能为轮胎提供连续的平整表面且能尽可能地消除三向力之间的维间耦合。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种应变式胎路三向应力测量装置，包括:

弹性敏感元件,其包括基座、设置在所述基座上的基台以及设置在所述基台上并向上延伸且凸出于所述基座顶面的受力部件,所述基座、所述基台以及受力部件一体化连接，所述受力部件为柱体且其侧壁上开设有贯穿径向的结构孔；

盖子,其形状与所述基座的形状配合,所述盖子上设置有与所述受力部件对应的通孔,当所述盖子盖合在所述基座上,所述受力部件从所述通孔中露出且所述受力部件的顶面与所述盖子的顶面平齐；

多组惠斯通电桥,每组所述惠斯通电桥包括测量应变片和温度补偿应变片,所述测量应变片设置在所述受力部件结构孔之间的外侧壁上,所述温度补偿应变片设置在所述基台的顶面上；

应变测量仪,其与所述多组惠斯通电桥的输出端分别通过线路连通；以及

数据处理装置,其包括处理器以及与所述处理器电气连接的显示器,所述处理器还与所述应变测量装置电气连接,用于接收所述应力测量仪测量获得的数据。

进一步地，所述基座的顶面和所述盖子上与所述基座顶面相对的底面之间设置有凸台，在所述盖子盖合在所述基座上时，所述凸台将所述基座的顶面和所述盖子上与所述基座顶面相对的底面连接。

进一步地，所述受力部件的直径小于所述盖子上的通孔的内径，在所述盖子盖合在所述基座上时，所述受力部件与所述通孔的内壁不接触。

进一步地，所述受力部件为空心的圆柱体形。

进一步地，所述基座上设置有向下延伸的定位槽，所述基台设置在所述定位槽内，所述基台的直径小于所述定位槽的内径，所述盖子上与所述基座顶面相对的底面上设置有向下延伸且与所述定位槽对应的定位环，所述定位环的外径与所述定位槽的内径相同。

进一步地，所述基座上还设置有用于收容测量应变片连接线路的走线槽。

进一步地，所述结构孔与水平方向的夹角为45°。

本发明的另一个目的是提供一种应变式胎路三向应力测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1：建立O-XYZ的三维坐标系，在所述受力部件上逐级加载X方向的压力P_x，通过上述胎路三向应力测量装置测量得到多组惠斯通电桥的测量值分别为u_1x，u_2x，…和u_nx，建立P_x与u_1x，u_2x，…，u_nx的传递关系，得到增益系数k_1x，k_2x，…和k_nx；

S2:在所述受力部件上逐级加载Y方向的压力P_y，通过上述胎路三向应力测量装置测量得到多组惠斯通电桥的测量值分别为u_1y，u_2y，…和u_ny，建立P_y与u_1y，u_2y，…和u_ny的传递关系，得到增益系数k_1y，k_2y，…和k_ny；

S3:在所述受力部件上逐级加载Z方向的压力P_z，通过上述胎路三向应力测量装置测量得到多组惠斯通电桥的测量值分别为u_1z，u_2z，…和u_nz，建立P_z与u_1z，u_2z，…和u_nz的传递关系，得到增益系数k_1z，k_2z，…和k_nz；

S4:建立轮胎接触应力P'与多组惠斯通电桥的测量值u'₁，u'₂，…和u'_n之间的

向量关系，U'＝KP'，其中，

u'₁，u'₂，…和u'_n为在轮胎对所述受力部件的受力面施加三向接触应力P'时，通过上述应力测量装置测量得到的多组所述惠斯通电桥的测量值；

p'_x，p'_y，p'_z为三向接触应力P'分别在X，Y，Z方向上的分力；

S5：矩阵形式的解为P'＝K+U'，其中K⁺为K的伪逆，将多组惠斯通电桥的测量值u'₁，u'₂，…和u'_n代入到该求解公式中计算出轮胎三向接触应力P'。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明的测量装置结构紧凑、受力面积小，减少了轮胎—道路三向接触应力分布不均匀对测量结果的影响，同时测量装置的盖子顶面与受力部件顶面平齐是的受力部分为接近连续的平整表面，能更好地模拟轮胎与道路之间的接触；本发明的测量方法是利用该三向应力测量装置测量的多组惠斯通电桥的测量值利用数值方法反演实现三向接触应力的高度解耦，完全消除了维间耦合的影响，大大提高了数据的准确性。

附图说明

图1为本发明的三向应力测量装置的结构示意图；

图2为本发明的弹性敏感元件的结构示意图；

图3为本发明的盖子的结构示意图；

图4为本发明的惠斯通电桥的结构示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1、图2、图3和图4共同所示，本发明提供一种应变式胎路三向应力测量装置，包括弹性敏感元件1、盖子2、多组惠斯通电桥3、应变测量仪4以及数据处理装置5。弹性敏感元件1包括基座11、设置在基座11上的基台12以及设置在基台12上并向上延伸且凸出于基座顶面的受力部件13,其中基座11、基台12以及受力部件13一体化连接。基座11的中心位置处设置有一个向下延伸的定位槽14，基台12位于该定位槽14中，且基台12的直径小于定位槽14的内径以使得基台12与定位槽14的侧壁不接触，定位槽14的深度与基台12的厚度大体相同。基座11上还设置有与定位槽14连通的多个走线槽15，该走线槽15用于收容多组惠斯通电桥3的线路，以保护线路。受力部件13为圆柱体，其设置在基台12的顶面上且受力部件13的侧壁上开设有贯穿径向的多个结构孔16。结构孔16的设置能够降低受力部件13的刚度，从而使得在轮胎对其施力时，受力部件13的变形更明显，从而大大提高该三向应力测量装置的测量输出响应的灵敏度。此外，为了使得在任何X，Y，Z单向压力的情况下，受力部件13的外侧壁各处的受力更加均匀，结构孔16的设置方向与水平方向成45°，以提高测量的准确性。当然，受力部件13设置为空心的圆柱体再在上设置结构孔，其测量输出相应的灵敏度更高。

盖子2的形状与基座11的形状配合,盖子3上设置有与受力部件13对应的通孔21,当盖子2盖合在基座11上,受力部件13从通孔21中露出且受力部件13的顶面与盖子2的顶面平齐。由于受力部件13高于基座11的顶面，为了防止轮胎在盖子2顶面滚过时由于盖子2与基座11之间架空而导致盖子2出现较大程度的下凹变形而无法保证受力面的连续平整，在基座11顶面上设置多个第一凸台17，在盖子2的底面上设置与多个第一凸台17对应的多个第二凸台22，在盖子2盖合在基座11上时，第一凸台17与第二凸台22一一对应接触连接，且第一凸台17与第二凸台22的厚度之和等于在盖子2盖合在基座11上时基座11顶面与盖子2的底面之间的高度差。盖子2的底面上设置有向下延伸且与定位槽14对应的定位环23，定位环23的外径与定位槽14的内径相同，在将盖子2盖合在基座11上时，定位环23向下延伸卡设在定位槽14中，从而对盖子2进行定位，使得盖子2能准确地罩合在基座11上。在盖子2盖合在基座11上后，通过螺栓等紧固件将盖子2与弹性敏感元件1固定连接。此外，盖子2的底面上也开设有与走线槽15对应的凹槽24，以便走线用。

在本实施例中多组惠斯通电桥为四组惠斯通电桥3，当然也可以为三组、五组、六组等，此处为了方便说明以四组惠斯通电桥为例进行说明。每组惠斯通电桥3包括一个测量应变片31、一个温度补偿应变片32以及两个平衡应变片33。四组惠斯通电桥3的测量应变片31分别粘贴在受力部件13的外侧壁上，为了减小测量应变片31之间的互相影响，两两相邻的测量应变片31被结构孔16隔开。四组惠斯通电桥3的温度补偿应变片32设置在基台12的顶面上，用于对测量过程中的温度补偿。四组惠斯通电桥3的输出端再分别通过电路与应变测量仪4连通，用于测量在对受力部件13施力时，各惠斯通电桥3的测量应变片31的测量值。数据处理装置5包括处理器51以及与处理器51电气连接的显示器52。该处理器51还与应变测量仪4电气连接,用于接收应力测量仪4测量获得的数据，显示器52用于显示处理器51处理得到的数据。

下面对上述应变式胎路三向应力测量装置测量的测量方法进行说明，该测量方法以静态应力测量为例，通过标定方式和应变反演的测量方法进行说明说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

一种应变式胎路三向应力测量装置的测量方法，包括如下步骤：

建立O-XYZ的三维坐标系，可以以水平方向为X轴，垂直于水平方向为Y轴以及垂直于X轴、Y轴所在的平面且指向基座底部的方向为Z轴，标定X方向压力p_x与4个惠斯通电桥测量值u_1x，u_2x，u_3x和u_4x的传递关系，得到增益系数k_1x，k_2x，k_3x和k_4x，其具体做法为：在弹性敏感元件1的受力部件13的线弹性范围内，在受力部件的受力表面的X方向逐级加载压力p_x，例如在1-10MPa范围内，以1MPa为间隔进行加载，通过应变测量仪4和数据处理装置5分别得到每组惠斯通电桥的10组测量数据，再分别对4组惠斯通电桥的10组标定的数据，利用最小二乘法得到其对应的增益系数k_1x，k_2x，k_3x和k_4x的值，p_x和4组惠斯通电桥的测量值u_1x，u_2x，u_3x和u_4x间的传递关系用向量表示为：

接着标定Y方向压力p_y与4个惠斯通电桥测量值的传递关系，其做法与步骤S1中X方向的标定方法相同，即在受力部件13的受力表面的Y方向逐级加载压力p_y，通过上述三向应力测量装置得到4组惠斯通电桥的多组标定数据，利用最小二乘法得到其对应的增益系数k_1y，k_2y，k_3y和k_4y，p_y和4组惠斯通电桥的测量值u_1y，u_2y，u_3y和u_4y间的传递关系用向量表示为：

再标定Z方向压力p_z与4个惠斯通电桥测量值的传递关系，其做法也与步骤S1中X方向的标定方法相同，即在受力部件13的受力表面的Z方向逐级加载压力p_z，通过上述三向应力测量装置得到4组惠斯通电桥的多组标定数据，利用最小二乘法得到其对应的增益系数k_1z，k_2z，k_3z和k_4z，p_z和4组惠斯通电桥的测量值u_1z，u_2z，u_3z和u_4z间的传递关系用向量表示为：

而实际上轮胎—道路接触应力属于一个组合的受力状态，同时存在三个方向的分力，即：X方向的压力p'_x，Y方向的压力p'_y和Z方向的压力p'_z，该轮胎—道路接触应力对应上述三向应力测量装置的4组惠斯通电桥的测量值u'₁，u'₂，u'₃和u'₄，其关系为：

也可以表示为：

写成矩阵形式为：

U'＝KP'，其中

矩阵形式的解为P'＝K⁺U'，其中K⁺为K的伪逆(Moore-Pensose逆)。对于轮胎—道路静态接触应力测量而言，P'即为三向接触应力。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，包括:

弹性敏感元件,其包括基座、设置在所述基座上的基台以及设置在所述基台上并向上延伸且凸出于所述基座顶面的受力部件,所述基座、所述基台以及受力部件一体化连接，所述受力部件为柱体且其侧壁上开设有贯穿径向的结构孔；

盖子,其形状与所述基座的形状配合,所述盖子上设置有与所述受力部件对应的通孔,当所述盖子盖合在所述基座上,所述受力部件从所述通孔中露出且所述受力部件的顶面与所述盖子的顶面平齐；

多组惠斯通电桥,每组所述惠斯通电桥包括测量应变片和温度补偿应变片,所述测量应变片设置在所述受力部件结构孔之间的外侧壁上,所述温度补偿应变片设置在所述基台的顶面上；

应变测量仪,其与所述多组惠斯通电桥的输出端分别通过线路连通；以及

数据处理装置,其包括处理器以及与所述处理器电气连接的显示器,所述处理器还与所述应变测量装置电气连接,用于接收所述应力测量仪测量获得的数据。

2.根据权利要求1所述的应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，所述基座的顶面和所述盖子上与所述基座顶面相对的底面之间设置有凸台，在所述盖子盖合在所述基座上时，所述凸台将所述基座的顶面和所述盖子的底面连接。

3.根据权利要求1所述的应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，所述受力部件的直径小于所述盖子上的通孔的内径，在所述盖子盖合在所述基座上时，所述受力部件与所述通孔的内壁不接触。

4.根据权利要求1所述的应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，所述受力部件为空心的圆柱体形。

5.根据权利要求1所述的应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，所述基座上设置有向下延伸的定位槽，所述基台设置在所述定位槽内，所述基台的直径小于所述定位槽的内径，所述盖子上与所述基座顶面相对的底面上设置有向下延伸且与所述定位槽对应的定位环，所述定位环的外径与所述定位槽的内径相同。

6.根据权利要求1所述的应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，所述基座上还设置有用于收容测量应变片连接线路的走线槽。

7.根据权利要求1所述的应变式胎路三向应力测量装置，其特征在于，所述结构孔与水平方向的夹角为45°。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的应变式胎路三向应力测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立O-XYZ的三维坐标系，在所述受力部件上逐级加载X方向的压力P_x，通过上述胎路三向应力测量装置测量得到多组惠斯通电桥的测量值分别为u_1x，u_2x，…和u_nx，建立P_x与u_1x，u_2x，…，u_nx的传递关系，得到增益系数k_1x，k_2x，…和k_nx；

S2:在所述受力部件上逐级加载Y方向的压力P_y，通过上述胎路三向应力测量装置测量得到多组惠斯通电桥的测量值分别为u_1y，u_2y，…和u_ny，建立P_y与u_1y，u_2y，…和u_ny的传递关系，得到增益系数k_1y，k_2y，…和k_ny；

S3:在所述受力部件上逐级加载Z方向的压力P_z，通过上述胎路三向应力测量装置测量得到多组惠斯通电桥的测量值分别为u_1z，u_2z，…和u_nz，建立P_z与u_1z，u_2z，…和u_nz的传递关系，得到增益系数k_1z，k_2z，…和k_nz；

S4:建立轮胎接触应力P'与多组惠斯通电桥的测量值u′₁，u′₂，…和u′_n之间的向量关系，U′＝KP′，其中，

u′₁，u′₂，…和u′_n为在轮胎对所述受力部件的受力面施加三向接触应力P'时，通过上述应力测量装置测量得到的多组所述惠斯通电桥的测量值；

p′_x，p′_y，p′_z为三向接触应力P'分别在X，Y，Z方向上的分力；

S5：矩阵形式的解为P'＝K⁺U'，其中K⁺为K的伪逆，将多组惠斯通电桥的测量值u′₁，u′₂，…和u′_n代入到该求解公式中计算出轮胎三向接触应力P'。