CN112857632A - 一种轴向力测量设备 - Google Patents
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Abstract
一种测量传动轴轴向力的设备，其中包括应变片，所述应变片在力作用下产生应变，从而引起自身电阻改变；电源，所述电源用于提供输入电压；电压传感器，所述电压传感器用于测量输出电压；以及安装于所需测量的轴上的主体结构，所述主体结构用于相应布置所述应变片及所述电压传感器。
Description
技术领域
本发明涉及测量轴向力测量的领域，更具体地涉及测量车辆传动轴轴向力的领域，并且还提供了用于测量车辆传动轴轴向力的设备。
背景技术
传动轴是汽车传动系统的重要组成部分，由于其主要功能是实现扭矩的传输，因此在传统意义上传动轴的载荷测量和耐久试验主要关注于扭矩的承载能力和耐久性。然而由于传动轴两端通常带有万向节、联轴器等柔性连接件，在传动轴两端连接的零部件（诸如车轮、变速箱、车桥）发生剧烈运动时，可能会出现传动轴或半轴脱出的故障。目前国内尚没有专门针测量车辆传动轴轴向力的设备。而传统的测量方法由于受到轴类零件旋转工作时扭矩和弯矩的影响，都需要对车身结构进行部分破坏来完成测量，从而改变了其强度、刚度等状态，使得测量结果不准确。
因此存在有开发一种轴向力测量设备的需要。
发明内容
本文公开了一种测量传动轴轴向力的设备，其中包括：应变片，所述应变片在力作用下产生应变，从而引起自身电阻改变；电源，所述电源用于提供输入电压；电压传感器，所述电压传感器用于测量输出电压；以及安装于所需测量的轴上的主体结构，所述主体结构用于相应布置所述应变片及所述电压传感器。
根据本申请的一些实施例所公开的轴向力测量设备，其中：所述主体结构上设置有弱化槽，以用于放大所述应变片对轴向力的应变效应。
根据本申请的一些实施例所公开的轴向力测量设备，其中：所述弱化槽为两排，所述应变片安装在所述两排弱化槽之间。
根据本申请的一些实施例所公开的轴向力测量设备，其中：所述应变片依顺序形成惠斯通电桥，以用于精确测量轴向力变化。
根据本申请的一些实施例所公开的轴向力测量设备，其中：所述惠斯通电桥四个桥壁上均布置有应变片，四个桥壁上的应变片相应放大轴向力应变，抵消扭矩应变。
根据本申请的一些实施例所公开的轴向力测量设备，其中：组成所述惠斯通电桥的所述应变片数量相应为4片、8片、16片。
根据本申请的一些实施例所公开的轴向力测量设备，其中：所述传动轴轴向力测量设备还包括遥测设备和数据采集设备，所述遥测设备将所述传动轴轴向力测量设备测量的轴向力信号发送到所述数据采集设备，所述数据采集设备将轴向力信号进行标定。
本文还公开了一种传动轴，其中所述传动轴安装有根据以上所述的轴向力测量设备。
本公开所涉及的测量传动轴轴向力的设备可以用于在产品开发早期准确预测传动轴的轴向载荷，并对相应传动轴连接件的设计提供依据。同时在开发后期一旦出现此类故障，也可以借助该设备快速定位故障原因，减少后期试验的重复次数并缩短产品开发周期。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是根据本公开的实施例的轴向力测量设备的简要示意图；
图2是示出四个桥壁上均采用可变电阻的应变片的惠斯通电桥的简要电路图；
图3示出了根据本公开的实施例的轴向力测量设备中的惠斯通电桥的电桥圆周展开图；
图4是示出根据本公开的实施例的由多组应变片组成的惠斯通电桥的简要电路图。
具体实施方式
出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本发明的原理。但是，本领域技术人员将容易地认识到相同的原理可等效地应用于所有类型的轴向力测量设备，并且可以在其中实施这些相同或相似的原理，任何此类变化皆不背离本专利申请的真实精神和范围。
图1是根据本公开的实施例的轴向力测量设备的简要示意图。如图1所示出，该轴向力测量设备主体结构为圆筒形，沿所述圆筒圆周加工有弱化槽，在弱化槽之间粘贴有应变片。应变片具有初始电阻值，并且其在应变作用下电阻值将相应发生变化。同时轴向力测量设备内配备有电源及电压测量传感器。所述应变片、电源及电压测量传感器共同组成了测量电路。所述电源用于提供输入电压而所述电压测量传感器用于测量测量电路的输出电压。当传动轴在轴向力方向上运动时，应变片将受轴向力影响而产生形变，由此导致测量电路内的电阻产生改变。依据输入电压及输出电压之比可得出初始电阻值与所改变电阻值之比，以此计算出测量电路的所改变电阻值。通过实时采集处于改变状态下的电阻值信号，将该信号与在此时刻的力进行标定，就可计算出实时状态下的轴向力。
以下将具体描述本发明的实施例。
如图1中所示，圆筒形主体结构的外径范围优选为60至100mm，其中圆筒形壁厚5至10mm。在该圆筒表面沿圆周加工两排弱化槽。弱化槽加工位置为圆筒形主体结构中部，优选为圆筒长度的二分之一处。所述两排弱化槽中每排具有四个弱化槽，并且在两排之间每个弱化槽以45°角相互错开。弱化槽宽度优选为5至10mm，开槽角度优选为75°，其中两排弱化槽以一定距离间隔开，所述距离优选为13mm，该间隔距离用于安装应变片。弱化槽作用在于，其可以在轴向力的方向上放大被安装在其间的应变片对轴向力的灵敏度，当轴向力测量设备受轴向力时应变片产生的形变精准对应于该轴向力的幅度。
如上文所述，圆筒形主体结构沿圆周加工有两排弱化槽，并在其间留有间隔距离。在该间隔部分粘贴多片应变片，多片应变片以特定方式组成特殊的惠斯通电桥，其构成轴向力测量电路的主体部分。惠斯通电桥是用于精确测量微小电阻值变化的电路。惠斯通电桥由四个桥壁组成，其通常采用三个固定电阻的电阻器及一个可变电阻的应变片。该应变片由于受到诸如弯曲、剪切或扭转应力影响电阻产生变化，由此通过测量该应变片的变化的电阻来标定某方向上的应变力。
由于轴向力是绕轴转动时产生的力，因此圆筒形轴向力测量设备整体均为受力部分。然而，在转动时，圆筒形轴向力测量设备除了受到轴向力作用，还受到了扭矩的作用。为了更精确地测量轴向力方向上的轴向力，所要求的是，放大轴向力产生的应变，同时消除扭矩产生的应变。因此本公开在四个桥壁上均采用了可变电阻的应变片，其应用了惠斯通电桥的邻变相减原理实现了该要求。
图2是示出四个桥壁上均采用可变电阻的应变片的惠斯通电桥的简要电路图。如图2中所示，电源、电压测量传感器及四个可变电阻的应变片共同组成了惠斯通电桥。根据电路分析，当四个桥壁上的应变片的电阻分别引起R1+△R1、R2+△R2、R3+△R3、R4+△R4的电阻变化时，输出电压为：
假设四片应变片完全相同，应变常数为K，并且所受应变分别为ε1、ε2、ε3、ε4，则输出电压可以表达如下：
由此可以得出，在由四个可变电阻的应变片组成的惠斯通电桥中，以R1所在桥壁为基准，相邻桥壁R1、R2上所受的应变ε1、ε2相减抵消，而相对桥壁R1、R3上所受的应变ε1、ε3相加放大。此效应完全对应于轴向力测量设备上所受的轴向力与扭矩，由此设备上所受的轴向力应变相加放大而所受的扭矩应变相减抵消。根据此原理布置的圆周表面上的各处应变片将尽可能实际反应轴向力。在该实施例中，应变片为四组4片，而应变片也可为四组8片，八组16片等不同组合。根据CAE（computer aided engineering）计算机辅助工程分析结果，八组16片的应变片组合将为优选的应变片布置，以下将按照八组16片的应变片布置来说明本发明，然而将理解的是，本发明并不限于八组16片的应变片布置。
图3是示出轴向力测量设备中的惠斯通电桥的电桥圆周展开图。如图3中所示，在本实施例中，八组16片应变片绕圆筒形主体结构圆周对称地安装在两排弱化槽之间，应变片2个一组根据响应的串联并联关系组成惠斯通电桥。具体连接关系如下文所述。
图4是示出根据本公开的实施例的由八组16片应变片组成的惠斯通电桥的简要电路图。应变片1-16通过如图4中所示的特定设计被排列和连接成惠斯通电桥，以用于消除传动轴扭矩方向上的影响，从而准确测量传动轴轴向力的大小。具体而言，应变片1、3串联，应变片2、4串联，同时再将串联而成的两者并联组成惠斯通电桥的一个桥臂。以相同方式，应变片5、7与应变片6、8，应变片9、11与应变片10、12，应变片13、15与14、16形成另外三个桥臂，所获得的四个桥壁共同组成了一个完整的惠斯通电桥。在传动轴轴向力的作用下桥臂产生相反的剪切应变，而在传动轴扭矩的作用下桥臂产生同向的剪切应变。根据上文所述的惠斯通电桥的桥路邻边相减原理，在四个桥壁都产生应变的情况下，相邻桥臂上的应变相减，而相对桥臂上的应变相加。此效应使得轴向力的应变被相加放大，而扭矩的应变被相减抵消。由此通过以下已知值：应变片初始电阻值、输入电压和输出电压，可精确计算出应变片受轴向力而改变的电阻值。通过对该轴向力测量设备的改变的电阻值信号与力进行标定，可以获得轴上实时的轴向力。
由于轴类零件在工作时会以较高的速度旋转，轴向力测量设备的信号采集可以使用目前市场上已有的遥测设备进行信号的传输和采集。在优选实施例中，遥测设备将轴向力测量设备的电信号采集并传输至数据采集设备，数据采集设备将实时接收所采集的电信号（轴向力测量设备的改变的电阻值）和所施加的力，并对力与电信号进行标定，由此获得轴上实时的轴向力。
本发明的实施例经过多次实际实施，验证结果准确有效。所公开的轴向力测量设备可以用于不同车型的多种轴类零件进行轴向力测量，并且结构简单，方便重复使用，节省成本。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种测量传动轴轴向力的设备，其特征在于，包括：
应变片，所述应变片在力作用下产生应变，从而引起自身电阻改变；
电源，所述电源用于提供输入电压；
电压传感器，所述电压传感器用于测量输出电压；以及
安装于所需测量的轴上的主体结构，所述主体结构用于相应布置所述应变片及所述电压传感器。
2.根据权利要求1所述的轴向力测量设备，其特征在于：
所述主体结构上设置有弱化槽，以用于放大所述应变片对轴向力的应变效应。
3.根据权利要求2所述的轴向力测量设备，其特征在于：
所述弱化槽为两排，所述应变片安装在所述两排弱化槽之间。
4.根据权利要求3所述的轴向力测量设备，其特征在于：
所述应变片依顺序形成惠斯通电桥，以用于精确测量轴向力变化。
5.根据权利要求4所述的轴向力测量设备，其特征在于：
所述惠斯通电桥四个桥壁上均布置有应变片，四个桥壁上的应变片相应放大轴向力应变，抵消扭矩应变。
6.根据权利要求5所述的轴向力测量设备，其特征在于：
组成所述惠斯通电桥的所述应变片数量相应为4片、8片、16片。
7.根据权利要求6所述的轴向力测量设备，其特征在于：
所述传动轴轴向力测量设备还包括遥测设备和数据采集设备，所述遥测设备将所述传动轴轴向力测量设备测量的轴向力信号发送到所述数据采集设备，所述数据采集设备将轴向力信号进行标定。
8.一种传动轴，其特征在于：
所述传动轴安装有根据以上权利要求所述的轴向力测量设备。
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