CN112649136A

CN112649136A - 用于测量作用于物体的力的组件

Info

Publication number: CN112649136A
Application number: CN202011087273.6A
Authority: CN
Inventors: 凯尔·R·阿奇博尔德
Original assignee: Independent Testing Service Center
Current assignee: Independent Testing Service Center
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2021-04-13
Also published as: US11320341B2; DE102020212852A1; US20210108989A1; JP2021063806A

Abstract

本发明涉及一种用于对物体进行双轴试验的组件。该组件包括具有内部的壳体以及具有台架的主轴台架组件。主轴的一部分与台架套叠，并通过轴承与台架联接，以使主轴旋转。在双轴试验期间，外壳连接至主轴，用于支撑并连接主轴与物体。转换器联接至台架，并与主轴配合，用于测量作用于主轴的力。主轴台架组件与壳体联接，台架设置在壳体的内部并与壳体间隔开，其中作用于物体和壳体的力被直接转移到主轴上，并由转换器测量。

Description

用于测量作用于物体的力的组件

相关申请的交叉引用

本申请不要求在先申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于测量作用于物体的力的组件，用于测量在双轴试验中作用于物体的力和力矩。本发明在物体(例如车轮-轮胎组件)的双轴疲劳和耐久性试验中具有更高的效率和准确性。

背景技术

双轴试验用于确定物体的疲劳和耐久性能。更具体地说，双轴试验在物体上模拟真实条件，并且传感器对处于这种条件下的物体进行测量，以提供物体的疲劳和耐久性能。例如，对汽车的各个部分进行双轴测试，来确定这些部分的疲劳寿命。一个常见的被测部分是汽车的车轮-轮胎组件以及其中的部件，例如轮辋、轮毂、轴承、螺栓以及其他紧固件。当然，双轴试验也应用在许多其他行业中，例如航空航天和海洋行业。

在汽车行业，著名的双轴车轮试验组件用来对车轮-轮胎组件或车轮组件进行双轴试验，以确定在真实道路条件下的疲劳寿命以及车轮组件中裂缝的位置。在2011年5月3日签发给奥莱克斯等人的美国专利第7,934,421号(“‘421专利”)中描述了一种现有的双轴车轮试验组件。其他现有技术的双轴车轮测试组件也在SAEJ2562中进行了描述，SAEJ2562通过引用并入本文。参考图1，其示出了‘421专利的示例性现有技术的组件，该现有技术的组件包括一个基座以及安装在该基座上的可旋转滚筒。滚筒具有内表面，并沿圆柱轴延伸以限定一个空腔。电机与基座和可旋转滚筒相连，并引起或驱动滚筒旋转。尾座组件与底座相连，用于支撑车轮组件。更具体地说，尾座组件的主轴接收并支撑车轮组件。主轴连接至尾座组件，使得主轴可以让车轮组件绕垂直于圆柱轴的轴线枢转，并允许车轮组件绕其中心自由旋转。相对于滚筒，尾座组件的致动器促进主轴的横向、垂直和枢轴运动，并反过来促进车轮组件的运动。

在双轴试验中，电机旋转滚筒，尾座组件的致动器将车轮组件定位于滚筒的空腔中，以使车轮与滚筒的内表面接触，从而使力作用于车轮组件。正如下面将进一步详细介绍的，多个转换器设置在车轮组件和致动器中，以测量在双轴试验中作用于车轮组件和致动器的力。转换器与试验组件的处理器电连通，并向其提供力测量信号。处理器通常通过计算机的显示器接收并处理力测量信号以输出力读数。另外，力测量用于控制由致动器驱动的车轮组件的横向、垂直和枢轴运动。

参考‘421专利的试验组件，可旋转的第一转换器位于主轴和车轮组件之间，以测量施加在车轮组件上的力(可能包括力矩)。第一转换器与处理器电连通。然而，在这些试验组件中，第一转换器随车轮组件旋转，即转换器不是固定的。正如本领域技术人员所理解的，第一转换器的旋转存在三个问题。第一，使用了滑环来促进第一转换器与处理器之间的电连通。正如在滑环中所常见的，电信号可能会滞后，导致力测量不准确。第二，在旋转过程中不跟踪第一转换器的角度位置，则第一转换器测量的力的位置无法获知。因此，现有技术的试验组件还包括多个与处理器电连通的位置传感器。进而，在给定的时间点，位置传感器与处理器通信以提供第一转换器的位置或角度位置，并且第一转换器将表示力测量的信号发送给处理器。然后，处理器计算并输出作用于车轮组件的力的位置和测量结果。然而，这种力的测量并不能准确反映施加在车轮组件上的真实的力，这导致了电干扰的第三个问题。由于滑环与第一转换器之间的低电压通信，轻微的电干扰就会引起滑环与第一转换器之间的通信中断。例如，电干扰可能由为电机和致动器供电的高电压引起，或者由房间里的灯打开时的低电压引起。

由于第一转换器在主轴和车轮组件之间，第一转换器测量的力受到通过致动器作用于车轮组件的力的影响。更具体地说，第一转换器测量由车轮组件与滚筒内表面接触引起的力，以及由致动器引起的力。因此，附加的转换器与各致动器相连，来测量由致动器引起的力。这些转换器通常是不旋转的，并且每个转换器均与处理器电连通。由于力测量值来自这些转换器和第一转换器，然后处理器通过将转换器的力测量值汇总来计算施加在车轮组件上的真实的力。正如本领域技术人员所理解的，这种处理利用了复杂的数学公式，并且可能会由于转换器和处理器之间的电连通滞后或干扰而导致不准确。另外，这些试验组件需要一致的校准和重新校准来降低不准确性。其结果是增加了双轴试验的持续时间。

基于上述原因，由于旋转的转换器、滑环、位置传感器以及与每个致动器相连的转换器，本领域需要一种能够提高双轴试验的效率的装置。

发明内容

为了解决上述双轴试验中的问题，本发明提供了一种具有主轴台架组件的用于测量作用于物体的力的组件，主轴台架组件包括一个非旋转转换器，用于测量作用在车轮组件上的旋转轴的力、力矩和/或扭矩。该主轴台架组件可以改装到现有技术的车轮试验组件中来代替主轴，并联接至尾座。通过下面的讨论将理解，主轴台架组件的单个非旋转转换器测量作用于车轮-轮胎组件(“车轮组件”)的所有力。结果表明，在计算作用于车轮组件的力时，误差较小且效率较高，提高了双轴试验的效率。

在本发明的示例性实施例中，主轴台架组件包括圆柱形的台架，并且该台架与轴线A同轴对准。台架具有第一空腔、第一和第二端、以及从第一端径向延伸的唇缘。一对轴承设置在空腔中，并联接至与相应的第一和第二端相邻的台架。主轴沿轴线A延伸并与轴线A同轴对准，同时通过第一和第二轴承可旋转地连接至台架。主轴具有头部以及从头部延伸的轴部，其中，轴部设置在台架的空腔中并与台架套叠，头部与台架的唇缘间隔开。

主轴台架组件的转接板与轴线A同轴对准，并联接至主轴的头部。另外，一个外壳(silhouette)与轴线A同轴对准，并联接至转接板。该外壳设计用于在双轴试验期间接收并支撑车轮组件。在本发明的可选实施例中，转接板和外壳与主轴的头部一体成型。

转换器与轴线A同轴对准，其设置在台架周围并联接至台架。更具体地说，转换器设置在台架的第一端周围并围绕第一端，同时与唇缘连接，使得转换器的一部分设置在主轴的头部和唇缘之间。转换器的传感器与主轴协同作用，来感应可能作用于主轴的力。

主轴台架组件的安装板与轴线A同轴对准，其设置在主轴轴部的一部分周围并围绕该部分。另外，安装板与转换器相联接。安装板将主轴台架组件联接至一壳体，使得台架的一部分和主轴的轴部设置在该壳体的内部。对本发明的该实施例来说，重要的是，台架设置在壳体的内部，使其不接触壳体或与壳体相间隔，以允许其在壳体的内部“浮动”。通过在内部“浮动”，作用在壳体上的力通过转换器被直接转移到主轴上，使得转换器测量作用在车轮组件上的真实的，也是，汇总的力。

本发明的壳体是上述背景技术部分中现有技术的双轴车轮试验组件的尾座组件的示例性或代表性的一部分。主轴台架组件的设计是为了便于改装至现有技术的双轴车轮试验组件中，以对其进行改进。然而，主轴台架组件不限于与现有技术的双轴车轮试验组件一起使用。

当主轴台架组件改装到现有技术的双轴车轮试验组件中，转换器和传感器彼此电连接，并与双轴车轮试验组件的处理器电连接。为了启动双轴试验，车轮组件由外壳接收并支撑。双轴车轮试验组件的电机启动滚筒的转动，尾座组件的致动器将车轮组件定位在滚筒的空腔中，使车轮与滚筒的内表面接触，从而使力作用于车轮组件。在这种接触过程中，车轮组件随着主轴自由旋转，作用在车轮-轮胎组件上的力被转移到主轴上。通过接触转移到主轴的力以及来自壳体的力随后由转换器的传感器感应。这种主轴台架组件，通过消除旋转的转换器、滑环、位置传感器以及与每个致动器相连的转换器的需要，而在双轴试验期间计算作用于车轮组件的力时，使得误差更小且效率更高。另外，该双轴试验可在更短的时间内进行。

附图说明

图1示出了示例性现有技术的车轮试验组件的透视图；

图2示出了主轴台架组件的透视图，其中孔以虚线示出；

图3示出了沿图2中线3-3截取的台架组件的侧面剖视图；以及

图4示出了台架组件的爆炸图。

具体实施方式

参考图2-图4，本发明提供了一种用于对物体(例如车轮组件)进行双轴或三轴试验的主轴台架组件20。另外，该主轴台架组件20用于测量作用在车轮组件上的围绕一旋转轴的力、力矩和/或扭矩(本文统称为“力和力矩”和/或“力”)。参考图3和图4，主轴台架组件20包括具有圆柱形且与轴线A同轴对准的台架22。台架22限定第一空腔24，并具有第一端26以及与第一端26相对的第二端28。唇缘30在第一端26从台架22沿径向延伸。台架22的内表面32分别在第一和第二端26、28处限定了第一和第二凹槽34、36。第一轴承38设置于第一凹槽34中并与其联接，第二轴承40设置于第二凹槽36中并与其联接。

主轴台架组件20还包括主轴42，主轴42沿轴线A延伸并与轴线A同轴对准，同时可旋转地联接至台架22。更具体地说，主轴42具有头部44以及从头部44延伸的轴部46，其中，轴部46设置在台架22的空腔24中并与台架22套叠，同时头部44与台架22的唇缘30间隔开。进一步地，轴部46与第一和第二轴承38、40相联接，其中轴承38、40支撑并使得主轴42绕轴线A旋转。进一步地，密封件54设置在主轴的头部44和台架22的唇缘30之间，以及轴部46和台架22的第二端之间。通常，主轴42连接至车轮组件。然而，更具体地说，主轴42的一端可以连接至车轮组件，以在双轴试验期间支撑车轮组件。在另一实施例中，主轴42的头部44可以连接至车轮组件，以在双轴试验期间支撑车轮组件。

主轴台架组件20的转接板48与轴线A同轴对准，并联接至主轴42的头部44。然而，转接板48还可与主轴42一体成型。另外，外壳(silhouette)50与轴线A同轴对准，并联接至转接板48。在图2-图4示出的实施例中，转接板48通过例如螺栓的紧固件与头部44联接。然而，外壳50可与头部44直接联接。进一步地，外壳50可与转接板48和/或头部44一体成型。外壳50如图所示，其具有与车轮组件的轮廓互补的轮廓。更具体地说，外壳50的轮廓被成形为连接至车轮组件，并在双轴试验期间承载和支撑车轮组件。然而，本领域技术人员容易理解，外壳50的轮廓可以是用于接收、联接和/或支撑将要进行双轴试验的物体的任何形状。进一步地，转接板48可设计为联接在各种实施例的壳体60和外壳50之间。

主轴台架组件20还包括转换器52，转换器52与轴线A同轴对准，设置在台架22周围并与台架22联接。更具体地说，转换器52设置在台架22的第一端24周围并围绕第一端24，同时联接至唇缘30，使得转换器52的一部分设置在主轴42的头部44和唇缘30之间。在图示的实施例中，转换器52通过螺栓或其他紧固件连接至台架22的唇缘30。本发明的转换器52是现成的转换器，例如密歇根科技公司出售的车轮力转换器。然而，本领域技术人员能够理解可使用许多可代替的转换器52。还应当预想到的是，还可以使用其他测力装置来代替转换器52。进一步地，转换器的传感器56与主轴42协同作用，来感应可能作用于主轴的力和/或力矩。在本发明的实施例中，传感器56是应变仪，其感应可能作用于主轴42的力。本领域技术人员能够理解，任何用于测力的传感器都可以用于传感器56。例如，可以使用压电传感器。

主轴台架组件20的安装板58与轴线A同轴对准，其设置在主轴42轴部46的一部分的周围并围绕该部分。另外，安装板58连接至转换器54。此外，当与转换器54联接时，安装板58将主轴台架组件联接到壳体60上，使得台架22的一部分和主轴的轴部46设置在壳体60的内部62中。安装板58通过螺栓联接至转换器54和壳体60。然而，可使用任何可替代的装置来将安装板58连接至转换器和/或壳体60。例如，安装板58和/或转换器可以与壳体60一体成型。对本发明的该实施例来说，重要的是，如图2-图4所示，台架22设置在壳体60的内部62中，使其不接触壳体60或与壳体60间隔，从而使其能够在壳体60的内部62中“浮动”。通过在内部62中“浮动”，可能作用在壳体60上的力被直接转移到主轴42上。

本发明的壳体60是上述背景技术部分中现有技术的双轴车轮试验组件的尾座组件的示例性或代表性的一部分。主轴台架组件20的设计是为了改装至现有技术的双轴车轮试验组件中，以对其进行改进。更具体地说，正如下面将进一步阐述的，当集成到现有技术的车轮试验组件的尾座组件中时，不需要旋转的转换器、滑环、位置传感器以及与每个致动器相连的多个转换器，并且可以将它们移除。

尽管下面讨论了主轴台架组件20在改装到现有技术的车轮试验组件中时的使用，但应当意识到，主轴台架组件20可被设计用于许多不同的行业，以便于对物体进行双轴或三轴测试。例如，可以设想主轴台架组件20可用于航空航天行业，对直升机的喷气发动机或螺旋桨进行试验。进一步地，主轴台架组件20可用于测试或用于船舶和船只的螺旋桨、涡轮机或风车。另外，主轴台架组件20可以改装成汽车的轴，以测量汽车行驶时的力。最后，主轴台架组件20可以改装为三轴测试组件。正如本领域技术人员所理解的，主轴台架组件可使用在许多不同的行业和应用中，用于进行双轴测试或者测力。

由于主轴台架组件20改装至现有技术的双轴车轮试验组件，转换器52和传感器56彼此电连接，并连接至双轴车轮试验组件的处理器。为了启动双轴试验，车轮组件由外壳50接收并支撑。双轴车轮试验组件的电机启动滚筒的旋转，尾座组件的致动器将车轮组件定位在滚筒的空腔中，使车轮与滚筒的内表面接触，从而使力作用于车轮组件。在这种接触过程中，车轮组件与主轴42自由旋转，作用在车轮组件上的力被转移到主轴42上。然后由转换器52的传感器56感应转移到主轴42上的力。

主轴42由台架22支撑并在其中自由旋转，使得来自车轮组件的力被直接转移到主轴42上。进一步地，由于台架22在壳体60的内部62中“浮动”，在双轴试验期间，作用于壳体60以移动车轮组件的力直接通过转换器52转移到主轴42上。因此，作用在主轴42上的力，以及由转换器52的传感器56感测到的力等于作用在车轮组件上的所有力，或所有力的总和。因此，通过消除旋转的转换器、滑环、位置传感器以及与每个致动器相连的转换器的需要，主轴台架组件20在双轴试验期间计算作用于车轮组件的力时，使得误差减小且效率更高。

本文描述的实施例的说明和附图旨在提供对各种实施例的结构的一般理解。说明和附图并不旨在作为对使用本文描述的结构或方法的设备和系统的所有元件和特征的详尽、全面的描述。在本发明公开后，许多其他的实施例对于本领域技术人员是显而易见的。另外，还可从本发明中使用并派生出其他实施例，使得可以在不偏离本发明范围的情况下进行结构替换、逻辑替换或其他改变。因此，本文应视为说明性的，而非限制性的。

为了清晰起见，在本文各自的实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合设置。相反，为了简洁起见，在单个实施例的文中描述的各种特征也可单独设置或设置在任何子组合中。进一步地，对数值的引用视为非限制示例。

Claims

1.一种用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，该组件包括：

壳体，其限定一内部，并且所述壳体与一轴线同轴对准；

主轴台架组件，包括：

台架，设置在所述内部并与所述轴线同轴对准，且所述台架限定第一空腔；

主轴，与所述轴线同轴对准，在所述空腔中部分套叠，并与所述台架可旋转地联接，且所述主轴连接并支撑物体；

转换器，与所述轴线同轴对准，设置在邻近所述主轴端部的台架周围并与所述台架联接，所述转换器与所述主轴配合以感应和测量作用于主轴的力；

所述主轴台架组件与所述壳体联接，所述台架设置在所述壳体内部并与所述壳体间隔开，其中，作用于物体和所述壳体的力被转移到所述主轴上，并由所述转换器测量。

2.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，所述主轴具有轴部，所述轴部与所述空腔部分地套叠，并可旋转地将所述主轴与所述空腔联接。

3.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，所述主轴具有头部，所述头部设置在所述端部并与所述台架相邻，以接收和支撑物体。

4.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，还包括轴承，所述轴承设置在所述第一空腔中并与所述台架以及所述主轴联接，以使所述主轴绕所述轴线旋转。

5.根据权利要求4所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，所述台架具有内表面，所述内表面限定一凹槽，所述轴承设置在所述凹槽中。

6.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一安装板与所述轴线同轴对准，并围绕所述主轴的一部分设置，所述安装板联接至所述转换器和所述壳体，以将所述主轴台架组件联接至所述壳体。

7.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一转接板与所述轴线同轴对准，并联接至所述主轴的端部。

8.根据权利要求7所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，紧固件将所述转接板联接至所述主轴的端部。

9.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一转接板与所述轴线同轴对准，并与所述主轴一体成型。

10.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一外壳与所述轴线同轴对准，并联接至所述主轴，以连接所述主轴与物体，并接收和支撑物体。

11.根据权利要求10所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，紧固件将所述外壳联接至所述主轴。

12.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一外壳与所述轴线同轴对准，并与所述主轴一体成型，以连接所述主轴与物体，并接收和支撑物体。

13.根据权利要求9所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一外壳与所述轴线同轴对准，并与所述转接板一体成型，以连接所述主轴与物体，并接收和支撑物体。

14.根据权利要求1所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，所述转换器具有至少两个传感器，所述传感器与所述主轴配合，以感应和测量作用在所述主轴上的至少一个力和力矩。

15.根据权利要求14所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，所述传感器为应变仪。

16.根据权利要求14所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，所述转换器具有四个传感器。

17.一种用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，该组件包括：

壳体，其限定一内部，并且所述壳体与一轴线同轴对准；

主轴台架组件，包括：

台架，设置在所述内部并与所述轴线同轴对准，所述台架限定第一空腔，且所述台架的内表面限定一凹槽；

轴承，设置在所述凹槽中并与所述台架联接；

主轴，与所述轴线同轴对准，并与所述台架部分地套叠设置，以及与所述台架可旋转地连接，以使所述主轴绕所述轴线旋转，且所述主轴连接并支撑物体；

转换器，与所述轴线同轴对准，设置在邻近所述主轴头部的台架周围并与所述台架联接，所述转换器与所述主轴配合以感应和测量作用于主轴的力；

所述主轴台架组件与所述壳体联接，所述台架设置在所述壳体内部，并与所述壳体间隔开，其中，作用于物体和所述壳体的力被转移到所述主轴上，并由所述转换器测量。

18.根据权利要求17所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一安装板与所述轴线同轴对准，并设置在所述主轴的一部分周围，所述安装板联接至所述转换器和所述壳体，以将所述主轴台架组件联接至所述壳体。

19.根据权利要求17所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一转接板与所述轴线同轴对准，并与所述主轴一体成型。

20.根据权利要求19所述的用于测量作用于物体的力的组件，其特征在于，一外壳与所述轴线同轴对准，并联接至所述转接板，以连接所述主轴与物体，并接收和支撑物体。