CN115265456A - 一种汽车列车获取车间夹角的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车列车获取车间夹角的装置与方法，包括安装支架Ⅰ、安装支架Ⅱ、连杆、悬臂、角度测量装置，所述安装支架Ⅰ和安装支架Ⅱ分别固定于列车相邻的两节车厢上，相邻的两节车厢之间铰接，连杆的一端与安装支架Ⅱ铰接，连杆的另一端与悬臂的一端铰接，悬臂的另一端与角度测量装置的转轴固定连接，角度测量装置固定于安装支架Ⅰ上，所述悬臂带动角度测量装置的转轴转动时，角度测量装置能够记录当前测量位置的角度值。本发明能够根据机械结构的运动变换关系间接测量胶轮列车的车间夹角，该装置结构简单并且实用性强，在精准测量车间夹角的同时能够有效保护传感器，增加传感器的实际使用寿命。

Description

一种汽车列车获取车间夹角的装置与方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体来说是一种汽车列车获取车间夹角的装置与方法。

背景技术

近年来我国公共交通的快速发展，轨道交通公路化逐渐成为轨交新车型的发展方向。中运量交通系统安全、准时、舒适，使之成为人们出行的首选。中运量交通系统建设灵活、成本低、审批手续简洁等优点，也使其受到很多小型发达城区的青睐。作为全新的中运量交通工具制式，智轨列车是胶轮纯电驱动的长编组胶轮列车。该制式拥有“两动一拖”三编组结构，已成功商业化。与单体客车、单铰双节客车相比，胶轮列车存在严重的内轮差问题，且车身越长，内轮差越大。故对于胶轮列车，由于车体长度和编组节数增加，胶轮列车在转弯过程中存在占路宽度大、灵活性差、转向不及时和误差大等劣势，易导致挂车偏离驾驶员操纵意图的行驶轨迹，出现甩尾、偏移车道、车厢折叠现象。

胶轮列车的车间夹角指列车相邻车厢连接后所成的夹角。在目前已有的技术中，胶轮列车需要根据车间夹角判断车身姿态及自身的运动情况，实时调整运动参数避免出现危险。因此胶轮列车对车间夹角进行精准获取是实现自身控制的基础，也是保证自身安全行驶的重要步骤。现有的角度传感器一般需要直接固定在待测物体上，当遇到进水、震动或者和其他物体发生碰撞时传感器容易损坏。如果需要精确测出胶轮列车的车间夹角，角度传感器应当安装在相邻车厢的铰接位置。但是在实际工程中这种直接安装传感器的方法存在困难，首先胶轮列车的铰接位置的空间不足，不足以安装一个角度传感器；另外胶轮列车在转向时，相邻车厢会产生较大的冲击力导致传感器受到破坏；其次多节车厢由于路面激励的影响相对位置在不断变化，这会影响传感器的精准度。因此胶轮列车需要一种间接测量车间夹角的装置，在精准测量车间夹角的同时保证装置能有较长的寿命。

在间接测量角度方面，专利“CN109795554A”提出了一种可调节的角度传感器的安装结构，包括连杆支撑件、连杆、摇杆和角度传感器。连杆具有多种形式以便于调整力臂部分的长度和力矩部分，最终通过摇杆和连杆位置关系准确反映车间夹角。专利“CN112740000”利用两个传感器间接测量转向轴角度，评估单元可以通过处理两个传感器的信号来计算扭矩，通过扭矩判断待测角度。这些方法在一定程度上能够测量角度，但是都比较复杂并且制作成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车列车获取车间夹角的装置与方法，能够根据机械结构的运动变换关系间接测量胶轮列车的车间夹角，该装置结构简单并且实用性强，在精准测量车间夹角的同时能够有效保护传感器，增加传感器的实际使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种汽车列车获取车间夹角的装置，包括安装支架Ⅰ、安装支架Ⅱ、连杆、悬臂、角度测量装置，

所述安装支架Ⅰ和安装支架Ⅱ分别固定于列车相邻的两节车厢上，所述相邻的两节车厢之间铰接，所述连杆的一端与安装支架Ⅱ铰接，所述连杆的另一端与悬臂的一端铰接，所述悬臂的另一端与角度测量装置的转轴固定连接，所述角度测量装置固定于所述安装支架Ⅰ上，所述悬臂带动角度测量装置的转轴转动时，角度测量装置能够记录当前测量位置的角度值。

进一步地，还包括两个鱼眼轴承，所述连杆为鱼眼轴承连杆，两个鱼眼轴承镶嵌于鱼眼轴承连杆的两端。

进一步地，所述鱼眼轴承连杆的一端与安装支架Ⅱ通过安装支架Ⅱ上的连接支柱连接在安装支架Ⅱ上，所述连接支柱穿过对应的鱼眼轴承的内圈后被紧固螺母固定，鱼眼轴承连杆的另一端通过悬臂连接轴与悬臂连接，悬臂连接轴的上端穿过对应的鱼眼轴承与悬臂上紧固螺母连接，悬臂连接轴的下端穿过悬臂与悬臂下紧固螺母连接。

进一步地，所述角度测量装置为角度编码器。

进一步地，所述角度编码器通过角度编码器紧固螺钉固定于所述安装支架Ⅰ上。

进一步地，所述悬臂的另一端通过悬臂连接螺母与角度测量装置的转轴固定连接。

进一步地，所述安装支架Ⅰ和安装支架Ⅱ位于同一水平面上。

进一步地，所述安装支架Ⅰ和安装支架Ⅱ由不锈钢板冲压而成。

进一步地，所述汽车列车为胶轮列车。

采用上述的汽车列车获取车间夹角的装置获取车间夹角的方法，

列车在运动的过程中列车车间夹角变化带动安装支架Ⅰ和安装支架Ⅱ旋转，安装支架Ⅰ和安装支架Ⅱ带动连杆和悬臂运动，以所述连杆与安装支架Ⅱ的铰接点为第一顶点A，所述连杆与悬臂的铰接点为第二顶点B，角度测量装置的转轴中心为第三顶点C，相邻两节车厢之间的铰接点为第四顶点D构建四边形ABCD，∠BCD即为角度测量装置测出的角度值

，∠ADC即为车间夹角值

，设边AB长度为

，边BC长度为b，边CD长度为

，边AD长度为

，则车间夹角值

为：

。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明结构简单且实用性强，能够保证车间夹角的数据得到精确测量；本发明将编码器安装在远离列车冲击与振动大的位置，在最大程度延长编码器使用寿命的同时避免了无关因素对编码器采集数据的影响。

附图说明

图1为装置的结构爆炸图。

图2为装置第一视角结构整体图。

图3为装置第二视角结构整体图。

图4为车间夹角测量原理图。

图5为车间夹角测量流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种汽车列车获取车间夹角的装置与方法，可适用于具有铰接车厢的列车，以下以胶轮列车为例具体说明。

一种胶轮列车获取车间夹角的装置如图1-3所示，包括悬臂上紧固螺母1、鱼眼轴承2、悬臂连接轴3、L型悬臂4、悬臂下紧固螺母5、安装支架Ⅰ6、角度编码器7、鱼眼轴承连杆8、连杆上紧固螺母9、安装支架Ⅱ10、角度编码器紧固螺钉11、悬臂连接螺母12。这些部件协调工作最终实现胶轮列车车间夹角的获取。

所述安装支架Ⅰ6和安装支架Ⅱ10固定在胶轮列车相邻的两节车厢上，并且两支架位于同一水平面上，保证所测量的车间夹角的准确性。安装支架主要由不锈钢板冲压而成，能够保证安装支架的强度的同时还能节约成本。当胶轮列车的车间夹角发生变化时，两节车厢之间的相对运动会带动两个安装支架运动，通过支架将运动传递给其他机械结构。这种间接传递运动的方式有效地降低了胶轮列车运动时对整个装置的冲击力。这使装置的材料要求与整体强度要求降低，在节约成本的同时保证了装置能有较长的使用寿命。

所述鱼眼轴承连杆8一端与安装支架Ⅱ10通过安装支架上的连接支柱固定在安装支架上，并且用连杆上紧固螺母9固定以防止脱落。它主要由六角钢制造而成，在保证鱼眼轴承连杆强度的同时还便于安装。鱼眼轴承连杆8的另一端通过悬臂连接轴3与L型悬臂4连接，并且通过悬臂上紧固螺母1和悬臂下紧固螺母5固定。鱼眼轴承连杆8两端镶嵌有鱼眼轴承2，可以使鱼眼轴承连杆8在轴线方向上进行微小转动。该设计可以让从安装支架Ⅰ6上传来的振动和附加力矩不会对整个装置造成破坏，提高整个系统的稳定性，同时也适应了因车辆的点头、摇头等引起的相对位移。

所述L型悬臂4的一端与角度编码器7通过悬臂连接螺母12相连。它主要由铝合金板切割而成，铝合金板能够有效防锈并且实现结构的轻量化。当L型悬臂4转动时带动角度编码器的轴转动，使得车间夹角产生的变化被记录在角度编码器7中。

所述角度编码器7通过角度编码器紧固螺钉11固定在安装支架Ⅰ6上。角度编码器安装时需要保证编码器的防护等级能够符合要求，避免撞击、敲打和腐蚀编码器。角度编码器的防护安全级别为IP67，以防止灰尘渗透进角度编码器。角度编码器在上电后内置的CANopen设备需要进行初始化。CANopen设备在初始化后发送启动信息到主控制器即可进入预运行状态。在预运行状态通过发送指令可以使编码器进入运行状态。在运行状态下，该编码器的所有通讯对象都是有效的，可以通过过程数据对象PDO与服务数据对象SDO发送运行数据。过程数据对象PDO发送的报文由4个CAN数据字节来组成，用来实时传送编码器轴的具体位置以测量角度变化。

该装置测量车间夹角的原理图如图4所示。以所述连杆8与安装支架Ⅱ10的铰接点为第一顶点A，所述连杆8与悬臂4的铰接点为第二顶点B，角度编码器7的转轴中心为第三顶点C，相邻两节车厢之间的铰接点为第四顶点D构建四边形ABCD，∠BCD即为角度编码器7测出的角度值

，∠ADC即为车间夹角值

，设边AB长度为

（即鱼眼轴承连杆的长度值），边BC长度为b（即L型悬臂的长度值），边CD长度为

，边AD长度为

，其中角度编码器测出的角度值

、鱼眼轴承连杆的长度值

、L型悬臂的长度值

与两条辅助边的长

和

均已知。则车间夹角值

的推导和计算公式如下：

连接由BD形成的直线得到

与

，令

为

，

为

。利用余弦定理求得BD的长度为：

在求得BD的长度后，在

与

中利用余弦定理得到：

由于

，因此可以得到：

由计算公式可知鱼眼轴承连杆与L型悬臂的长度对于车间夹角数值的计算有一定的影响。由于装置主要通过机械结构连接，机械结构自身就存在安装误差等相对误差。在不提高材料精度的情况下，角度编码器需要在上电前对装置测得的车间夹角进行调零位工作，确保最后测得的车间夹角准确。

装置工作的具体流程图如图5所示。

S1、胶轮列车在运动的过程中不可避免地会由于路面的不平、自身的控制问题或者列车转向会导致车间夹角发生变化。对列车运动过程中需要对车间夹角限定在一定的范围内，以保证列车行驶的安全。列车车间夹角变化的过程中会带动安装支架旋转，作为整个装置的动力源。

S2、安装支架带动鱼眼轴承连杆和L型悬臂运动。由于连杆和悬臂等部件形成的四边形的边长是固定的，四边形的内角会发生变化。L型悬臂带动角度编码器的转轴转动，角度编码器记录当前测量位置的角度值。

S3、角度编码器在记录角度值后，利用过程数据对象PDO发送报文给CAN总线，主控制器通过算法得到车间夹角数值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (10)

1.一种汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，包括安装支架Ⅰ（6）、安装支架Ⅱ（10）、连杆（8）、悬臂（4）、角度测量装置（7），

所述安装支架Ⅰ（6）和安装支架Ⅱ（10）分别固定于列车相邻的两节车厢上，所述相邻的两节车厢之间铰接，所述连杆（8）的一端与安装支架Ⅱ（10）铰接，所述连杆（8）的另一端与悬臂（4）的一端铰接，所述悬臂（4）的另一端与角度测量装置（7）的转轴固定连接，所述角度测量装置（7）固定于所述安装支架Ⅰ（6）上，所述悬臂（4）带动角度测量装置（7）的转轴转动时，角度测量装置（7）能够记录当前测量位置的角度值。

2.根据权利要求1所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，还包括两个鱼眼轴承（2），所述连杆（8）为鱼眼轴承连杆，两个鱼眼轴承（2）镶嵌于鱼眼轴承连杆的两端。

3.根据权利要求2所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述鱼眼轴承连杆的一端与安装支架Ⅱ（10）通过安装支架Ⅱ（10）上的连接支柱连接在安装支架Ⅱ（10）上，所述连接支柱穿过对应的鱼眼轴承（2）的内圈后被紧固螺母（9）固定，鱼眼轴承连杆的另一端通过悬臂连接轴（3）与悬臂（4）连接，悬臂连接轴（3）的上端穿过对应的鱼眼轴承（2）与悬臂上紧固螺母（1）连接，悬臂连接轴（3）的下端穿过悬臂（4）与悬臂下紧固螺母（5）连接。

4.根据权利要求1所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述角度测量装置（7）为角度编码器。

5.根据权利要求4所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述角度编码器通过角度编码器紧固螺钉（11）固定于所述安装支架Ⅰ（6）上。

6.根据权利要求4所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述悬臂（4）的另一端通过悬臂连接螺母（12）与角度测量装置（7）的转轴固定连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述安装支架Ⅰ（6）和安装支架Ⅱ（10）位于同一水平面上。

8.根据权利要求7所述的汽车列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述安装支架Ⅰ（6）和安装支架Ⅱ（10）由不锈钢板冲压而成。

9.根据权利要求7所述的列车获取车间夹角的装置，其特征在于，所述汽车列车为胶轮列车。

10.采用权利要求1-9任一项所述的汽车列车获取车间夹角的装置获取车间夹角的方法，其特征在于，

列车在运动的过程中列车车间夹角变化带动安装支架Ⅰ（6）和安装支架Ⅱ（10）旋转，安 装支架Ⅰ（6）和安装支架Ⅱ（10）带动连杆（8）和悬臂（4）运动，以所述连杆（8）与安装支架Ⅱ （10）的铰接点为第一顶点A，所述连杆（8）与悬臂（4）的铰接点为第二顶点B，角度测量装置 （7）的转轴中心为第三顶点C，相邻两节车厢之间的铰接点为第四顶点D构建四边形ABCD，∠ BCD即为角度测量装置（7）测出的角度值

，∠ADC即为车间夹角值

，设边AB长度为

，边 BC长度为b，边CD长度为d，边AD长度为c，则车间夹角值

为：

。

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