CN116183087A - 一种六分力传感器及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道交通车辆车轮测力技术领域，尤其涉及一种六分力传感器及其制造工艺，通过将传统六分力传感器中的轮毂适配器、轮辋适配器和测量单元设置为一体式成型结构，将整个一体化轮毂作为弹性体，更能承载大量程的轨道交通车辆测量使用，且相对于传统分体式车轮传感器安装更加简便，通过六个分量测力的惠斯通电桥设计和应变芯片组桥贴片可精确测量大量程的车轮行驶中带来的微弱的信号变化，通过设置滑环总装，机车在行驶中，车轮旋转，滑环可进行保持不转，保证了传感器外接信号线不被缠绕在轮轴上。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通车辆车轮测力技术领域，尤其涉及一种六分力传感器及其制造工艺。
背景技术
车轮毂六分力传感器是用于实现车轮所受六分力的实时动态同步精密测量的仪器，目前已广泛应用于道路路谱数据采集、汽车制动系统的研究、汽车道路耐久性评估等领域中，其测量的六分力包括车轮在其接地区域产生的纵向力(Fx)、侧向力(Fy)、法向力(Fz)以及翻转阻力矩(Mx)、滚动阻力矩(My)和回正力矩(Mz)，传统车轮毂六分传感器为分体式，其弹性体安装于车轮轮毂和轮辋之间，它的外环和内环分别通过螺栓与轮辋和轮毂相连，承载力有限，不适合轨道交通车辆大量程使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种六分力传感器及其制造工艺，以解决传统六分力传感器承载力有限，不适合轨道交通车辆大量程使用的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种六分力传感器，包括一体式轮辋和滑环总装；
所述一体式轮辋为一体化成型，包括：
用于与车辆车轮轮辋适配的主体；
设置在所述主体第一侧，用于与车辆车轮轮毂适配的法兰；
设置在所述法兰周侧的，用于安装贴片传感器的四组双孔式T型梁，四组双孔式T型梁在所述主体中轴线周边呈环形阵列分布，分别为第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变梁，所述第一应变梁和第三应变梁相对，第二应变梁和第四应变梁相对，各应变梁均包括两个平行于主体中轴线的第一贴片面和两个垂直于主体中轴线的第二贴片面，每个T型梁的两个第一贴片面上沿贴片面长度方向分别固定有两个应变片，且两个应变片相对于贴片面的中线对称，分别构成第一应变片组、第二应变片组、第三应变片组和第四应变片组，每个T型梁的两个第二贴片面上分别固定有两个应变片，分别构成第五应变片组、第六应变片组、第七应变片组和第八应变片组，各应变片组之间分别电连接形成用于测量纵向力Fx的第一全桥电路、用于测量侧向力Fy的第二全桥电路、用于测量法向力Fz的第三全桥电路、用于测量翻转阻力矩Mx的第四全桥电路、用于测量滚动阻力矩My的第五全桥电路和用于测量回正力矩Mz的第六全桥电路；
所述滑环总装包括滑环、滑环连接器和滑环适配器，所述滑环适配器通过多根连接杆固定在所述主体内部，所述滑环连接器一端固定在所述滑环适配器上，另一端与所述滑环连接。
优选地，第五应变片组和第七应变片组之间分别电连接形成用于测量Fx的第一全桥电路，第一应变片组、第二应变片组、第三应变片组和第四应变片组之间分别电连接形成用于测量Fy的第二全桥电路，第六应变片组和第八应变片组之间分别电连接形成用于测量Fz的第三全桥电路，第一应变片组和第三应变片组之间分别电连接形成用于测量Mx的第四全桥电路，第五应变片组、第六应变片组、第七应变片组和第八应变片组之间分别电连接形成用于测量My的第五全桥电路，第二应变片组和第四应变片组之间分别电连接形成用于测量Mz的第六全桥电路。
优选地，不同贴片面上应变片的位置相对应。
优选地，一体式轮辋采用40crmo合金钢进行锻打工艺制成，表面硬度为40～42HRC。
优选地，应变片采用BF350-3HA-T4型应变片。
优选地，滑环连接器内部安装有角速度传感器和加速度传感器。
本说明书还提供一种上述任意一项所述的六分力传感器的制造工艺，包括以下步骤：
使用42crmo合金钢进行锻打工艺，得到一体化成型的一体式轮辋，即弹性体；
经调质和表面高频淬火，使一体式轮辋的表面硬度达到40～42HRC，并使一体式轮辋的固有频率提高至2500-3000Hz；
提高一体式轮辋的固有频率；选用BF350-3HA-T4型应变片进行贴片，将各应变片固定在对应的贴片面上；
将贴片后的一体式轮辋放入固化烘箱进行固化；
进行砝码标定，在各个方向按量程过载标定，先过载加压五次，之后上升到空载状态，若零点大则清零再次加压标定，反复操作直到零点为零再记录准确数据，检查传感器的方向是否正确；
按实际标定值进行电阻补偿；
按补偿范围大小±0.05mV进行零点补偿，补偿丝焊接牢固。
本发明的有益效果：通过将传统六分力传感器中的轮毂适配器、轮辋适配器和测量单元设置为一体式成型结构，将整个一体化轮毂作为弹性体，更能承载大量程的轨道交通车辆测量使用，且相对于传统分体式车轮传感器安装更加简便，通过六个分量测力的惠斯通电桥设计和应变芯片组桥贴片可精确测量大量程的车轮行驶中带来的微弱的信号变化，通过设置滑环总装，机车在行驶中，车轮旋转，滑环可进行保持不转，保证了传感器外接信号线不被缠绕在轮轴上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的一体式轮辋结构示意图；
图3为本发明实施例的滑环总装结构示意图；
图4-图5为本发明实施例的应变片贴片位置示意图；
图6为本发明实施例的Fx接桥方式示意图；
图7为本发明实施例的Fy接桥方式示意图；
图8为本发明实施例的Fz接桥方式示意图；
图9为本发明实施例的Mx接桥方式示意图；
图10为本发明实施例的My接桥方式示意图；
图11为本发明实施例的Mz接桥方式示意图；
图12为本发明实施例的各桥路的应变输出示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本说明书实施例提供一种六分力传感器，包括一体式轮辋1和滑环总装2，其中一体式轮辋1为一体化成型，包括用于与车辆车轮轮辋适配的主体11、设置在所述主体11第一侧，用于与车辆车轮轮毂适配的法兰12，以及设置在所述法兰12周侧的，用于安装贴片传感器的四组双孔式T型梁，四组双孔式T型梁在所述主体11中轴线周边呈环形阵列分布，分别为第一应变梁13、第二应变梁14、第三应变梁15和第四应变梁16，所述第一应变梁13和第三应变梁15相对，第二应变梁14和第四应变梁16相对，各应变梁均包括两个平行于主体11中轴线的第一贴片面和两个垂直于主体11中轴线的第二贴片面，每个T型梁的两个第一贴片面上沿贴片面长度方向分别固定有两个应变片，且两个应变片相对于贴片面的中线对称，分别构成第一应变片组、第二应变片组、第三应变片组和第四应变片组，每个T型梁的两个第二贴片面上分别固定有两个应变片，分别构成第五应变片组、第六应变片组、第七应变片组和第八应变片组，各应变片组之间分别电连接形成用于测量纵向力Fx的第一全桥电路、用于测量侧向力Fy的第二全桥电路、用于测量法向力Fz的第三全桥电路、用于测量翻转阻力矩Mx的第四全桥电路、用于测量滚动阻力矩My的第五全桥电路和用于测量回正力矩Mz的第六全桥电路。
滑环总装2包括滑环21、滑环连接器22和滑环适配器23，所述滑环适配器23通过多根连接杆24固定在所述主体11内部，所述滑环连接器22一端固定在所述滑环适配器23上，另一端与所述滑环21连接。
本说明书实施例提供的六分力传感器，通过将传统六分力传感器中的轮毂适配器、轮辋适配器和测量单元设置为一体式成型结构，将整个一体化轮毂作为弹性体，更能承载大量程的轨道交通车辆测量使用，且相对于传统分体式车轮传感器安装更加简便，通过六个分量测力的惠斯通电桥设计和应变芯片组桥贴片可精确测量大量程的车轮行驶中带来的微弱的信号变化，通过设置滑环总装2，机车在行驶中，车轮旋转，滑环21可进行保持不转，保证了传感器外接信号线不被缠绕在轮轴上。
作为一种实施方式，应变片组构成全桥电路的具体形式为：
第五应变片组和第七应变片组之间分别电连接形成用于测量Fx的第一全桥电路，第一应变片组、第二应变片组、第三应变片组和第四应变片组之间分别电连接形成用于测量Fy的第二全桥电路，第六应变片组和第八应变片组之间分别电连接形成用于测量Fz的第三全桥电路，第一应变片组和第三应变片组之间分别电连接形成用于测量Mx的第四全桥电路，第五应变片组、第六应变片组、第七应变片组和第八应变片组之间分别电连接形成用于测量My的第五全桥电路，第二应变片组和第四应变片组之间分别电连接形成用于测量Mz的第六全桥电路。
通过以上6个分量测力的惠斯通电桥设计和应变芯片组桥贴片加上矩阵解耦算法可精确的测量大量程的车轮行驶中带来微弱的信号变化。
具体来说，应变片共32个，分别为1103-1106、1303-1306、2103-2106、2303-2306、3103-3106、3303-3306、4103-4106、4303-4306，其布局如图4和图5所示，图中示出的为四个应变梁的贴片位置示意，其全桥连接图如图6-11所示。
作为一种实施方式，不同贴片面上应变片的位置相对应。
作为一种实施方式，一体式轮辋1采用40crmo合金钢进行锻打工艺制成，材料充分得到延展性、韧性和抗腐蚀性会降低、锻件使金属内部金属元素分布均匀，金属纤维成编制状有利于材料受力。表面硬度为40～42HRC。
作为一种实施方式，应变片采用BF350-3HA-T4型应变片，应变片精度高，耐疲劳，耐低温负30到正85度。
本说明书实施例还提供一种上述六分力传感器的制造工艺，包括以下步骤：
使用40crmo合金钢进行锻打工艺，得到一体化成型的一体式轮辋1，即弹性体，材料充分得到延展性、韧性和抗腐蚀性会降低、锻件使金属内部金属元素分布均匀，金属纤维成编制状有利于材料受力；
经调质和表面高频淬火，使一体式轮辋1的表面硬度从原先的30～32HRC达到40～42HRC，具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，更适合作为传感器弹性体本体的应用，可制造较高精度的传感器，并使一体式轮辋1的固有频率从原先的300-500Hz提高至2500-3000Hz，传感器信号无滞后，精度更好，传感器通过数据采集器信号响应速率更快，更准；
选用BF350-3HA-T4型应变片进行贴片，将各应变片固定在对应的贴片面上；
将贴片后的一体式轮辋1放入固化烘箱进行固化；
进行砝码标定，在各个方向按量程过载标定，先过载加压五次，之后上升到空载状态，若零点大则清零再次加压标定，反复操作直到零点为零再记录准确数据，检查传感器的方向是否正确；
按实际标定值进行电阻补偿；
按补偿范围大小±0.05mV进行零点补偿，补偿丝焊接牢固。
具体来说，本实施例提出了一种新型的六分力传感器，该传感器可以感知三维空间坐标系下x，y，z三个方向的力Fx，Fy，Fz，和力矩Mx，My，Mz该结构相对简单，具有良好的各向同性特性，测量精度高，维间耦合误差小。
分别在结构上加载六个单维力，分析其应变分布情况。由于结构对称，Fy与Fx的受力情况等效，My与Mx的受力情况等效，故不在此列出。
根据分析结果可知：在Fx＝实际量程单独作用下，上下T型梁两侧的应变较大；在单维力Fz＝实际量程单独作用下，T型梁的上下表面应变较大；在Mx＝实际量程单独作用下，上下T型梁表面应变较大；在Mz＝实际量程单独作用下，T型梁两侧的应变较大。根据结构变形特点，选取应变较大区域作为单维传感器测量桥路的贴片位置。
应变片布片与组桥：
在弹性体贴片区域选取16条路径，对单维传感器的贴片区域沿路径方向各点的应变进行分析，从而确定应变片的最佳贴片位置。各路径的位置和应变片的分布情况图所示。
各桥路的输出电压为：
各桥路的应变输出如图12所示。
进行维间辐合分析：
根据结构力学特征选取了贴片点。进一步分析六分力传感器的维间耦合效应。表2给出了多维力/力矩传感器弹性体各桥路的输出情况，其中“一”表示不敏感。根据表2可知，Fx主要影响桥路1的输出，Fy主要影响桥路2的输出，Fz主要影响桥路3的输出，Mx主要影响桥路4的输出，My主要影响桥路5的输出，Mz主要影响桥路6的输出，各维力之间耦合误差小。由以上分析可知，设计的传感器自身具有解耦功能，维间耦合小。
据此本实施例设计了一种新型的具有自解耦功能的六分力传感器轨道交通车辆大量程使用的一体的弹性体结构。该弹性体结构简单，对称性好，刚度较大。根据传感器的力学特性确定了弹性体的布片和组桥方式。最后，对传感器的维间耦合效应进行了分析，结果表明:新型六维力/力矩传感器的具有自解耦功能，各维力的输出之间影响较小。通过以上分析优化，使设计的传感器具有灵敏度高、维间耦合小等优点，具有较好的应用前景。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种六分力传感器，其特征在于，包括一体式轮辋和滑环总装；
所述一体式轮辋为一体化成型，包括：
用于与车辆车轮轮辋适配的主体；
设置在所述主体第一侧，用于与车辆车轮轮毂适配的法兰；
设置在所述法兰周侧的，用于安装贴片传感器的四组双孔式T型梁，四组双孔式T型梁在所述主体中轴线周边呈环形阵列分布，分别为第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变梁，所述第一应变梁和第三应变梁相对，第二应变梁和第四应变梁相对，各应变梁均包括两个平行于主体中轴线的第一贴片面和两个垂直于主体中轴线的第二贴片面，每个T型梁的两个第一贴片面上沿贴片面长度方向分别固定有两个应变片，且两个应变片相对于贴片面的中线对称，分别构成第一应变片组、第二应变片组、第三应变片组和第四应变片组，每个T型梁的两个第二贴片面上分别固定有两个应变片，分别构成第五应变片组、第六应变片组、第七应变片组和第八应变片组，各应变片组之间分别电连接形成用于测量纵向力Fx的第一全桥电路、用于测量侧向力Fy的第二全桥电路、用于测量法向力Fz的第三全桥电路、用于测量翻转阻力矩Mx的第四全桥电路、用于测量滚动阻力矩My的第五全桥电路和用于测量回正力矩Mz的第六全桥电路；
所述滑环总装包括滑环、滑环连接器和滑环适配器，所述滑环适配器通过多根连接杆固定在所述主体内部，所述滑环连接器一端固定在所述滑环适配器上，另一端与所述滑环连接。
2.根据权利要求1所述的六分力传感器，其特征在于，所述第五应变片组和第七应变片组之间分别电连接形成用于测量Fx的第一全桥电路，第一应变片组、第二应变片组、第三应变片组和第四应变片组之间分别电连接形成用于测量Fy的第二全桥电路，第六应变片组和第八应变片组之间分别电连接形成用于测量Fz的第三全桥电路，第一应变片组和第三应变片组之间分别电连接形成用于测量Mx的第四全桥电路，第五应变片组、第六应变片组、第七应变片组和第八应变片组之间分别电连接形成用于测量My的第五全桥电路，第二应变片组和第四应变片组之间分别电连接形成用于测量Mz的第六全桥电路。
3.根据权利要求1所述的六分力传感器，其特征在于，不同贴片面上应变片的位置相对应。
4.根据权利要求1所述的六分力传感器，其特征在于，所述一体式轮辋采用40crmo合金钢进行锻打工艺制成，表面硬度为40～42HRC。
5.根据权利要求1所述的六分力传感器，其特征在于，应变片采用BF350-3HA-T4型应变片。
6.根据权利要求1所述的六分力传感器，其特征在于，所述滑环连接器内部安装有角速度传感器和加速度传感器。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的六分力传感器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
使用42crmo合金钢进行锻打工艺，得到一体化成型的一体式轮辋，即弹性体；
经调质和表面高频淬火，使一体式轮辋的表面硬度达到40～42HRC，并使一体式轮辋的固有频率提高至2500-3000Hz；
提高一体式轮辋的固有频率；选用BF350-3HA-T4型应变片进行贴片，将各应变片固定在对应的贴片面上；
将贴片后的一体式轮辋放入固化烘箱进行固化；
进行砝码标定，在各个方向按量程过载标定，先过载加压五次，之后上升到空载状态，若零点大则清零再次加压标定，反复操作直到零点为零再记录准确数据，检查传感器的方向是否正确；
按实际标定值进行电阻补偿；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |