CN112284601B - 组合式六分力传感器及六分力测量方法 - Google Patents

组合式六分力传感器及六分力测量方法 Download PDF

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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges

Abstract

本发明实施例提供一种组合式六分力传感器及六分力测量方法，所述传感器包括：固定板、安装于所述固定板下方用于与轮胎的轮轴固定连接的连接件、安装于所述固定板上用于对所述轮胎在滚动时受到的方向力进行测量的测力装置及安装于所述固定板内侧的测量板，所述测量板平行于所述主板设置且与所述连接件相连用于将所述轮胎在滚动时受到的方向力传递至所述测力装置，通过测力装置测量的单分力进行换算得到传感器解算中心的六分力，再通过传感器解算中心的六分力进行解算进从而得出轮胎所受六分力。本发明能够测量大受力范围内的轮胎六分力，同时有效降低测量轮胎六分力所需的单个传感元件的量程。

Description

组合式六分力传感器及六分力测量方法
技术领域
本发明实施例涉及轮胎六分力传感器技术领域，尤其涉及一种组合式六分力传感器及六分力测量方法。
背景技术
车辆在行驶过程中，会产生制动、加速、转向、直线行驶等工况，车轮是车辆行驶过程中唯一与地面接触产生相互作用力的部件，包含车轮垂向力、纵向力、侧向力和回正力矩、翻转力矩、滚动力矩(简称六分力)，车轮六分力参数准确反映车辆振动、悬架、转向、制动、动力传递的运动性能，是分析和评价车辆及车轮动力学性能的基础，在汽车道路试验中具有非常重要的意义。通过检测车轮六分力可得到以下参数：地面制动力是衡量地面制动力大小及平衡状态的参数，制动力矩是衡量车轮制动器制动力大小的参数，车轮动态载荷是衡量车轮处于不同姿态下载荷状态的参数。对识别路面状态、预防车辆制动性能故障有决定性的影响，避免车辆制动、驱动时产生跑偏、侧滑、丧失转向等危险工况导致车辆方向不稳引发严重的交通事故，对保证汽车平顺性、操纵稳定性和行驶安全，具有十分重要的作用。
现有对轮胎六分力的测量一般通过在轮胎上直接安装单个六分力传感器来完成，六分力传感器上安装有灵敏的应变片，轮胎在滚动中受力会使得六分力传感器的应变片受到震动从而引发相应的形变以进行检测。但对于六分力较大的轮胎而言，如航空轮胎，测量六分力所需的传感器量程很大，而以现有的技术难以制造出满足需求量程的六分力传感器，给对受力较大的轮胎的六分力测量造成困扰。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种组合式六分力传感器，能够有效测量大受力范围内的轮胎六分力，满足测量所需的量程需求。
本发明实施例进一步要解决的技术问题在于，提供一种六分力测量方法，能够有效测量大受力范围内的轮胎六分力，满足测量所需的量程需求。
为了解决上述技术问题，本发明实施例采用一种组合式六分力传感器，包括：固定板、安装于所述固定板下方用于与轮胎的轮轴固定连接的连接件、安装于所述固定板上用于对所述轮胎在滚动时受到的方向力进行测量的测力装置及安装于所述固定板内侧的测量板，所述固定板包括垂直所述轮胎的轮轴轴向设置的主板、与所述主板上端相连且垂直于所述主板设置的盖板及位于所述主板一侧垂直于所述主板设置的侧板，所述测量板平行于所述主板设置且与所述连接件相连用于将所述轮胎在滚动时受到的方向力传递至所述测力装置，所述测力装置包括垂直于所述盖板安装的竖向测力组、垂直于所述主板安装的轴向测力组及垂直于所述侧板安装的横向测力组，所述竖向测力组、轴向测力组及横向测力组由若干个测力件组成，所述测力件包括有设置于中部的传感元件、位于所述传感元件的轴向两端用于使所述传感元件只受轴向方向力的关节轴承及设置于所述关节轴承外侧的第一固定座与第二固定座，所述关节轴承分别适配安装于所述第一固定座与所述第二固定座内，所述传感元件轴向与所述测力件安装方向平行，所述第一固定座的一端与所述第二固定座的一端分别与所述传感元件连接固定，所述第二固定座的另一端连接于所述测量板上。
进一步的，所述竖向测力组包括有用于测量竖直垂直于轮轴轴向的方向力的竖向第一测力件与竖向第二测力件，所述轴向测力组包括有用于测量平行于轮轴轴向的方向力的轴向第一测力件、轴向第二测力件及轴向第三测力件，所述横向测力组包括用于测量水平垂直于轮轴轴向的方向力的横向第一测力件，所述竖向第一测力件、竖向第二测力件及横向第一测力件的传感元件中心均位于与所述主板相平行的同一平面内，所述轴向第一测力件、轴向第二测力件及轴向第三测力件的传感元件轴向均与所述平面相垂直。
进一步的，所述关节轴承包括固定环、安置于所述固定环内部的转动环及穿设于所述转动环内部的受力杆，所述固定环的内环面呈内凹形球状面，所述转动环的外环面呈外凸形球状面，所述固定环的内环面与所述转动环的外环面相适配，所述固定环的外环面与所述第一固定座、第二固定座相固定。
进一步的，所述连接件包括有平行于所述主板设置的安装板、由所述安装板上端向所述测量板延伸连接于所述测量板的连接块及垂直于所述安装板设置的连接杆，所述连接杆的一端与所述轮胎的轮轴相连接。
为了进一步解决上述技术问题，本发明实施例还采用一种六分力测量方法，包括以下步骤：
以轮胎的接地印迹中心为原点，水平垂直于轮胎轮轴轴向的方向为Xw轴，平行于轮胎轮轴轴向的方向为Yw轴，竖直垂直于轮胎轮轴轴向的方向为Zw轴建立接地印迹坐标系；
设所述竖向第一测力件、竖向第二测力件与横向第一测力件的传感元件中心所在的平面为传感器解算平面，所述轮胎的轮轴中心在所述传感器解算平面的投影为解算中心，以所述解算中心为原点，接地印迹坐标系的Xw轴在所述传感器解算平面的投影作为Xs轴，平行接地印迹坐标系的Yw轴方向作为Ys轴，接地印迹坐标系的Zw轴在所述传感器解算平面的投影作为Zs轴建立传感器解算坐标系；
将解算中心的六分力Fxs、Fys、Fzs、Mxs、Mys及Mzs通过关系式进行解算来得出接地印迹中心的六分力Fxw、Fyw、Fzw、Mxw、Myw及Mzw，所述解算中心的六分力与所述接地印迹中心的六分力存在以下关系式：
Fxs＝Fxw；Fys＝Fyw；Fzs＝Fzw
Mxs＝Mxw+Fyw·b+Fzw·a
Mys＝Myw-Fxw·b
Mzs＝Mzw-Fxw·a
其中，a为所述接地印迹中心与所述解算中心的Yw轴距离，b为所述接地印迹中心与所述解算中心的Zw轴距离。
进一步的，所述解算中心的六分力Fxs、Fys、Fzs、Mxs、Mys及Mzs由竖向第一测力件、竖向第二测力件测量得到的单分力Fs1、Fs2，轴向第一测力件、轴向第二测力件、轴向第三测力件测量得到的Fs3、Fs4、Fs5，横向第一测力件测量得到的Fs6解算求得，所述测力装置测量的单分力与所述解算中心的六分力存在以下关系：
Figure BDA0002738830140000031
采用上述技术方案后，本发明实施例至少具有如下有益效果：本发明实施例通过固定板上设置与轮胎轮轴呈几何空间关系布置的测力件来对轮胎所受单分力进行测量，测力件由传感元件与两端的关节轴承组成，传感元件用于测量其轴向方向的力，关节轴承用于使整个测力件测量时不受其他方向的力的影响，通过各测力件测量轮胎受到的单分力，并解算为最终轮胎所受的六分力，使得传感器能够测量大受力范围内的轮胎六分力，同时使每个测力件的传感元件所需要的量程减小，方便制造。
附图说明
图1是本发明的一个可选实施例的组合式六分力传感器立体图。
图2是本发明的一个可选实施例的组合式六分力传感器安装有轮胎时的立体图。
图3是本发明的一个可选实施例的组合式六分力传感器分解示意图。
图4是本发明的一个可选实施例的组合式六分力传感器的沿轮轴轴向的横截面示意图。
图5是本发明的一个可选实施例的组合式六分力传感器的单个测力件的分解示意图。
图6是本发明的一个可选实施例的传感器解算坐标系与接地印迹坐标系关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。应当理解，以下的示意性实施例及说明仅用来解释本发明，并不作为对本发明的限定，而且，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
本发明的一个可选实施例提供一种组合式六分力传感器，如图1-图6所示，包括：固定板1、安装于所述固定板1下方用于与轮胎3的轮轴30固定连接的连接件5、安装于所述固定板1上用于对所述轮胎3在滚动时受到的方向力进行测量的测力装置7及安装于所述固定板1内侧的测量板9，所述固定板1包括垂直所述轮胎3的轮轴30轴向设置的主板10、与所述主板10上端相连且垂直于所述主板10设置的盖板12及位于所述主板10一侧垂直于所述主板10设置的侧板14，所述测量板9平行于所述主板10设置且与所述连接件5相连用于将所述轮胎3在滚动时受到的方向力传递至所述测力装置7，所述测力装置7包括垂直于所述盖板12安装的竖向测力组70、垂直于所述主板10安装的轴向测力组72及垂直于所述侧板14安装的横向测力组74，所述竖向测力组70、轴向测力组72及横向测力组74由若干个测力件76组成，所述测力件76包括有设置于中部的传感元件761、位于所述传感元件761的轴向两端用于使所述传感元件761只受轴向方向力的关节轴承763及设置于所述关节轴承763外侧的第一固定座765与第二固定座767，所述关节轴承763分别适配安装于所述第一固定座765与所述第二固定座767内，所述传感元件761轴向与所述测力件76安装方向平行，所述第一固定座765的一端与所述第二固定座767的一端分别与所述传感元件761连接固定，所述第二固定座767的另一端连接于所述测量板9上。
本发明实施例通过固定板1上设置与轮胎3轮轴30呈几何空间关系布置的测力件76来对轮胎3所受单分力进行测量，测力件76由传感元件761与两端的关节轴承763组成，传感元件761用于测量其轴向方向的力，关节轴承763用于使整个测力件76测量时不受其他方向的力的影响，通过各测力件76测量轮胎3受到的单分力，并解算为最终轮胎3所受的六分力，使得传感器能够测量大受力范围内的轮胎六分力，同时使每个测力件76的传感元件761所需要的量程减小，方便制造。
在本发明的又一个可选实施例中，如图1-图3所示，所述竖向测力组70包括有用于测量竖直垂直于轮轴30轴向A的方向力的竖向第一测力件701与竖向第二测力件703，所述轴向测力组72包括有用于测量平行于轮轴30轴向A的方向力的轴向第一测力件721、轴向第二测力件723及轴向第三测力件725，所述横向测力组74包括用于测量水平垂直于轮轴30轴向A的方向力的横向第一测力件741，所述竖向第一测力件701、竖向第二测力件703及横向第一测力件741的传感元件761中心均位于与所述主板10相平行的同一平面内，所述轴向第一测力件721、轴向第二测力件723及轴向第三测力件725的传感元件761轴向均与所述平面相垂直。
本实施例通过将竖向第一测力件701、竖向第二测力件703及横向第一测力件741的传感元件761中心设置在与主板10平行的平面上，使得在以轮胎3的轮轴30中心在该平面的投影为中心建立的传感器解算坐标系S中，竖向测力组70的传感元件761轴向能够对应传感器解算坐标系S的Zs轴，横向测力组74的传感元件761轴向能够对应传感器解算坐标系S的Xs轴，轴向测力组72能够对应传感器解算坐标系S的Ys轴，保持竖向测力组70、横向测力组74及轴向测力组72与轮胎3的轮轴30之间的空间位置关系，方便进行轮胎六分力的解算。
在本发明的又一个可选实施例中，如图5所示，所述关节轴承763包括固定环7630、安置于所述固定环7630内部的转动环7632及穿设于所述转动环7632内部的受力杆7634，所述固定环7630的内环面呈内凹形球状面，所述转动环7632的外环面呈外凸形球状面，所述固定环7630的内环面与所述转动环7632的外环面相适配，所述固定环7630的外环面与所述第一固定座765、第二固定座767相固定。
本实施例通过设置固定环7630的内环面与转动环7632的外环面适配固定，能够在测力件76受到非传感元件761轴向的力时，第一固定座765、第二固定座767进行力传递，使转动环7632带动关节轴承763中的受力杆7634活动，不会对传感元件761造成影响，从而使测量轮胎3所受的单分力结果更准确，提高六分力测量的精确性。
在本发明的又一个可选实施例中，所述连接件5包括有平行于所述主板10设置的安装板50、由所述安装板50上端向所述测量板9延伸连接于所述测量板9的连接块52及垂直于所述安装板50设置的连接杆54，所述连接杆54的一端与所述轮胎3的轮轴30相连接。
本实施例通过设置连接杆54与轮胎3的轮轴30进行连接，在具体实施时，轮胎3的轮轴30穿设于连接杆54中以形成连接固定，使得轮胎3的轮轴30中心的受力能够有效传递给连接杆54，再由连接杆54传递至测量板9及测力装置7中，保证了力的传递效率，使测量结果更准确。
另一方面，如图2-图6所示，本发明的一个可选实施例还提供一种六分力测量方法，包括以下步骤：
以轮胎3的接地印迹中心Ow为原点，水平垂直于轮胎轮轴30轴向的方向为Xw轴，平行于轮胎轮轴30轴向的方向为Yw轴，竖直垂直于轮胎轮轴30轴向的方向为Zw轴建立接地印迹坐标系W；
设所述竖向第一测力件701、竖向第二测力件703与横向第一测力件741的传感元件761中心所在的平面为传感器解算平面，所述轮胎3的轮轴30中心在所述传感器解算平面的投影为解算中心Os，以所述解算中心Os为原点，接地印迹坐标系的Xw轴在所述传感器解算平面的投影作为Xs轴，平行接地印迹坐标系W的Yw轴方向作为Ys轴，接地印迹坐标系W的Zw轴在所述传感器解算平面的投影作为Zs轴建立传感器解算坐标系S；
将解算中心Os的六分力Fxs、Fys、Fzs、Mxs、Mys及Mzs通过关系式进行解算来得出接地印迹中心Ow的六分力Fxw、Fyw、Fzw、Mxw、Myw及Mzw，所述解算中心Os的六分力与所述接地印迹中心Ow的六分力存在以下关系式：
Fxs＝Fxw；Fys＝Fyw；Fzs＝Fzw
Mxs＝Mxw+Fyw·b+Fzw·a
Mys＝Myw-Fxw·b
Mzs＝Mzw-Fxw·a
其中，a为所述接地印迹中心Ow与所述解算中心Os的Yw轴距离，b为所述接地印迹中心Ow与所述解算中心Os的Zw轴距离。
本实施例中的关系式为不考虑惯性影响时的解算中心Os六分力与接地印迹中心Ow六分力(轮胎六分力)的解算关系，通过设置位置一一对应的传感器解算坐标系S与接地印迹坐标系W，将解算中心Os的六分力带入关系式中进行解算，能够方便的计算出轮胎3的接地印迹中心Ow的六分力，从而实现六分力的测量。
在本发明的又一个可选实施例中，所述解算中心Os的六分力Fxs、Fys、Fzs、Mxs、Mys及Mzs由竖向第一测力件701、竖向第二测力件703测量得到的单分力Fs1、Fs2，轴向第一测力721件、轴向第二测力件723、轴向第三测力件725测量得到的Fs3、Fs4、Fs5，横向第一测力741件测量得到的Fs6解算求得，所述测力装置7测量的单分力与所述解算中心Os的六分力存在以下关系：
Figure BDA0002738830140000061
本实施例中，设单个测力件76受拉时为正，受压为负，则解算中心Os的六分力与测力装置7的各测力件76测量的单分力之间的矩阵关系推导过程如下：
(1)Fxs加载
Fs6+Fxs＝0
-Fxs·z6-Fs1·x1-Fs2·x2＝0
其中
Fs1+Fs2＝0
x1+x2＝0
则有
Fs6＝-Fxs
Figure BDA0002738830140000071
(2)Fys加载
Fys-Fs3-Fs4-Fs5＝0
Fs3·z3+Fs4·z4+Fs5·z5＝0
其中
-Fs5·x5-Fs4·x4＝0
x5＝-x4
z4＝z5
则有
Figure BDA0002738830140000072
Figure BDA0002738830140000073
(3)Fzs加载
Fzs+Fs1+Fs2＝0
-Fs1·x1-Fs2·x2＝0
其中
x1＝-x2
则有
Figure BDA0002738830140000074
(4)Mxs加载
Mxs+Fs3·z3+Fs4·z4+Fs5·z5＝0
Fs3+Fs4+Fs5＝0
其中
-Fs5·x5-Fs4·x4＝0
x5＝-x4
z4＝z5
则有
Figure BDA0002738830140000081
Figure BDA0002738830140000082
(5)Mys加载
Mys-Fs1·x1-Fs2·x2＝0
Fs1+Fs2＝0
其中
x1+x2＝0
则有
Figure BDA0002738830140000083
(6)Mzs加载
Mzs-Fs5·x5-Fs4·x4＝0
Fs4+Fs5＝0
其中
x4+x5＝0
则有
Figure BDA0002738830140000084
(7)六分力耦合加载
Figure BDA0002738830140000085
Figure BDA0002738830140000086
Figure BDA0002738830140000087
Figure BDA0002738830140000088
Figure BDA0002738830140000089
Fs6＝-Fxs
表达为矩阵形式为：
Figure BDA0002738830140000091
同理可得解算中心加载力与单个测力件示数之间的关系
Figure BDA0002738830140000092
令
Figure BDA0002738830140000093
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种组合式六分力传感器，其特征在于，所述传感器包括：固定板、安装于所述固定板下方用于与轮胎的轮轴固定连接的连接件、安装于所述固定板上用于对所述轮胎在滚动时受到的方向力进行测量的测力装置及安装于所述固定板内侧的测量板，所述固定板包括垂直所述轮胎的轮轴轴向设置的主板、与所述主板上端相连且垂直于所述主板设置的盖板及位于所述主板一侧垂直于所述主板设置的侧板，所述测量板平行于所述主板设置且与所述连接件相连用于将所述轮胎在滚动时受到的方向力传递至所述测力装置，所述测力装置包括垂直于所述盖板安装的竖向测力组、垂直于所述主板安装的轴向测力组及垂直于所述侧板安装的横向测力组，所述竖向测力组、轴向测力组及横向测力组由若干个测力件组成，所述测力件包括有设置于中部的传感元件、位于所述传感元件的轴向两端用于使所述传感元件只受轴向方向力的关节轴承及设置于所述关节轴承外侧的第一固定座与第二固定座，所述关节轴承分别适配安装于所述第一固定座与所述第二固定座内，所述传感元件轴向与所述测力件安装方向平行，所述第一固定座的一端与所述第二固定座的一端分别与所述传感元件连接固定，所述第二固定座的另一端连接于所述测量板上。
2.如权利要求1所述的组合式六分力传感器，其特征在于，所述竖向测力组包括有用于测量竖直垂直于轮轴轴向的方向力的竖向第一测力件与竖向第二测力件，所述轴向测力组包括有用于测量平行于轮轴轴向的方向力的轴向第一测力件、轴向第二测力件及轴向第三测力件，所述横向测力组包括用于测量水平垂直于轮轴轴向的方向力的横向第一测力件，所述竖向第一测力件、竖向第二测力件及横向第一测力件的传感元件中心均位于与所述主板相平行的同一平面内，所述轴向第一测力件、轴向第二测力件及轴向第三测力件的传感元件轴向均与所述平面相垂直。
3.如权利要求1所述的组合式六分力传感器，其特征在于，所述关节轴承包括固定环、安置于所述固定环内部的转动环及穿设于所述转动环内部的受力杆，所述固定环的内环面呈内凹形球状面，所述转动环的外环面呈外凸形球状面，所述固定环的内环面与所述转动环的外环面相适配，所述固定环的外环面与所述第一固定座、第二固定座相固定。
4.如权利要求1所述的组合式六分力传感器，其特征在于，所述连接件包括有平行于所述主板设置的安装板、由所述安装板上端向所述测量板延伸连接于所述测量板的连接块及垂直于所述安装板设置的连接杆，所述连接杆的一端与所述轮胎的轮轴相连接。
5.一种基于权利要求2所述的组合式六分力传感器的六分力测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
以轮胎的接地印迹中心为原点，水平垂直于轮胎轮轴轴向的方向为Xw轴，平行于轮胎轮轴轴向的方向为Yw轴，竖直垂直于轮胎轮轴轴向的方向为Zw轴建立接地印迹坐标系；
设所述竖向第一测力件、竖向第二测力件与横向第一测力件的传感元件中心所在的平面为传感器解算平面，所述轮胎的轮轴中心在所述传感器解算平面的投影为解算中心，以所述解算中心为原点，接地印迹坐标系的Xw轴在所述传感器解算平面的投影作为Xs轴，平行接地印迹坐标系的Yw轴方向作为Ys轴，接地印迹坐标系的Zw轴在所述传感器解算平面的投影作为Zs轴建立传感器解算坐标系；
将解算中心的六分力Fxs、Fys、Fzs、Mxs、Mys及Mzs通过关系式进行解算来得出接地印迹中心的六分力Fxw、Fyw、Fzw、Mxw、Myw及Mzw，所述解算中心的六分力与所述接地印迹中心的六分力存在以下关系式：
Fxs＝Fxw；Fys＝Fyw；Fzs＝Fzw
Mxs＝Mxw+Fyw·b+Fzw·a
Mys＝Myw-Fxw·b
Mzs＝Mzw-Fxw·a
其中，a为所述接地印迹中心与所述解算中心的Yw轴距离，b为所述接地印迹中心与所述解算中心的Zw轴距离。
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