CN214138129U - 车辆轮胎工作状态监测传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种车辆轮胎工作状态监测传感装置。该装置包括动态敏感元件、动态应变测量电路模块、数据处理模块、无线通信模块、供电模块和稳流蓄电模块。本实用新型装置可获取轮胎内表面横向、纵向和垂向三个方向的应变信息，提供更全面的数据来反映轮胎的工作状态；本实用新型根据应变信息，获取车辆轮胎接触应力、接地面积、驱动力、驱动力矩、侧向力和滑转率等工作状态参数；本实用新型装置体积小、安装方便、节能减排，实现了轮胎工作状态参数的无源供电和无线传输，为车辆安全性和动力性的提高提供基础数据。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器测量领域，具体地涉及一种车辆轮胎工作状态监测传感装置。
背景技术
目前的大多数车辆轮胎只作为被动的橡胶零件，在行驶中轮胎所提供信息的缺乏是该行业和研究领域的热点问题。针对轮胎内压力、温度等参数的检测与传感技术都比较成熟，而通过检测应变获取轮胎与地面或土壤接触的其它工作状态参数是一个难点。
国外的研究机构在“智能轮胎”参数采集方面做了大量研究。日本的普利司通公司发布了一项名为“智能应变传感器”的新技术，用于测量轮胎与路面接触时的应力变化，通过专有算法估算轴荷和轮胎磨损情况，而这一技术在海外处于封锁保密状态。江苏大学的研究人员采用聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜作为敏感材料，开发出轮胎表面动态应变传感器，而该技术尚未成熟。目前常用的轮胎检测方法或装置存在的缺点有：(1)多数方法局限于试验台测试，难以实现车辆行驶中的检测；(2)轮胎工作状态监测参数单一；(3)应变传感器多采用有线传输，空间布置不方便；(4)测试装置采用电池供电，监测时长有限。
发明内容
针对上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种车辆轮胎工作状态监测传感装置，通过检测轮胎内表面应变获取车辆行驶中轮胎接触应力、接地面积、驱动力、驱动力矩、侧向力和滑转率等信息，以解决车辆行驶中轮胎工作状态参数检测的问题，为车辆安全性、动力性的提高提供基础数据。
为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：
一种车辆轮胎工作状态监测传感装置，包括：
动态敏感元件，用于轮胎内表面接触应变的检测，通过内置电阻将轮胎内表面的应变转化为电压信号输出至动态应变测量电路模块。
动态应变测量电路模块，通过导线将其内置的应变桥路单元与轮胎表面的动态敏感元件相连；在车辆轮胎与地面接触挤压时，将应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至数据处理模块。
数据处理模块，将应变的电压信号进行处理、封装后发送至无线通信模块。
无线通信模块，用于监测信号与PC端的通讯，将监测信号无线发送至与PC端相连的信号接收器。
供电模块，作为整个监测传感装置的电源，由压电材料1和导线构成；在轮胎垂向挤压力的作用下，利用压电材料的发电特性，向稳流蓄电模块输送电量，间接对动态应变测量电路模块、数据处理模块和无线通信模块供电。
稳流蓄电模块，用于接收供电模块所产生的电流，直接与动态应变测量电路模块、数据处理模块和无线通信模块相连，对整个装置起到稳压、稳流和蓄能的作用。
所述动态敏感元件包括粘贴在贴于轮胎内表面的硫化胶片基底5上的垂向单轴应变片3、纵向单轴应变片6和横向单轴应变片7；其中，多个纵向单轴应变片6和横向单轴应变片7在轮胎胎体2的内表面均匀布置，分别采集轮胎内表面的纵向和横向的应变信号；多个垂向单轴应变片3沿轮胎周向均匀地设置在两侧的轮胎胎侧4的内表面上，采集轮胎内表面的垂向的应变信号。
所述垂向单轴应变片3的个数为偶数个。
所述压电材料1呈条带状，沿轮胎周向均匀地设置在两侧的轮胎胎侧4的内表面上。
所述动态应变测量电路模块包括依次连接的应变桥路单元、信号放大器、信号滤波器以及数模转换单元。
所述压电材料1为二维过渡金属碳/氮化物或钛酸钡。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型的车辆轮胎工作状态监测传感装置可获取轮胎内表面横向、纵向和垂向三个方向的应变信息，为轮胎的工作状态反映提供更全面的数据；且体积小，布置方便，并实现了信号的无线传输。
2、本实用新型的车辆轮胎工作状态监测传感装置利用轮胎胎侧部位在行驶中垂向的压力，基于压电材料的发电特性，提出了对整个监测传感装置的供电解决方案，相对传统轮胎应变获取装置有突破性进展。
3、实现了轮胎接触应力、接地面积、驱动力、驱动力矩、侧向力和滑转率等参数的监测与传输。
附图说明
图1是本实用新型的车辆轮胎工作状态监测传感装置的结构示意图；
图2是本实用新型的供电模块材料的发电原理图；
图3是本实用新型的动态应变测量电路模块的结构示意图；
图4a～图4c是本实用新型的轮胎内表面动态敏感元件的布置示意图。
其中的附图标记为：
1 压电材料 2 轮胎胎体
3 垂向单轴应变片 4 轮胎胎侧
5 硫化胶片基底 6 纵向单轴应变片
7 横向单轴应变片
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步说明。
如图1所示，本实用新型的车辆轮胎工作状态监测传感装置包括动态敏感元件、动态应变测量电路模块、数据处理模块、无线通信模块、供电模块和稳流蓄电模块。
动态敏感元件，用于轮胎内表面接触应变的检测。通过内置电阻将轮胎内表面的应变转化为电压信号输出至动态应变测量电路模块。
动态应变测量电路模块，通过导线将其内置的应变桥路单元与轮胎表面的动态敏感元件相连。在车辆轮胎与地面接触挤压时，将应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至数据处理模块。
如图3所示，所述动态应变测量电路模块包括依次连接的应变桥路单元、信号放大器、信号滤波器以及数模转换单元。所述应变桥路单元与动态敏感元件连接，数模转换单元与数据处理模块连接。
数据处理模块，将应变的电压信号进行处理、封装后发送至无线通信模块。
无线通信模块，用于监测信号与PC端的通讯。将监测信号无线发送至与PC端相连的信号接收器。
供电模块，作为整个监测传感装置的电源，由压电材料1和导线构成。如图2所示，在轮胎垂向挤压力的作用下，利用压电材料的发电特性，向稳流蓄电模块输送电量，间接对动态应变测量电路模块、数据处理模块和无线通信模块供电。
所述压电材料1为二维过渡金属碳/氮化物(MXene)或钛酸钡。
如图4a所示，所述压电材料1呈条带状，沿轮胎周向均匀地设置在两侧的轮胎胎侧4的内表面上。
稳流蓄电模块，用于接收供电模块所产生的电流，直接与动态应变测量电路模块、数据处理模块和无线通信模块相连，对整个装置起到稳压、稳流和蓄能的作用。
如图4a至图4c所示，所述动态敏感元件包括通过胶水粘贴在贴于轮胎内表面的硫化胶片基底5上的垂向单轴应变片3、纵向单轴应变片6和横向单轴应变片7；其中，所述纵向单轴应变片6和横向单轴应变片7在轮胎胎体2的内表面均匀布置，分别采集轮胎内表面的纵向和横向的应变信号；所述垂向单轴应变片3沿轮胎周向均匀地设置在两侧的轮胎胎侧4的内表面上，采集轮胎内表面的垂向的应变信号。优选地，所述垂向单轴应变片3的个数为偶数个。
本实用新型的车辆轮胎工作状态监测过程如下：
S1、在车辆行驶过程中，轮胎与地面接触挤压时，监测传感装置的动态应变测量电路模块，将动态敏感元件的横向单轴应变片7、纵向单轴应变片6和垂向单轴应变片3的应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至数据处理模块，数据处理模块将应变的电压信号进行处理、封装后经无线通信模块发送至与PC端相连的信号接收器，分别获取轮胎横向的接触应变εx、纵向的接触应变εy和垂向的接触应变εz；
S2、轮胎接触应力监测。
通过公式(1)～公式(3)分别计算获得轮胎横向的接触应力σx、轮胎纵向的接触应力σy和轮胎垂向的接触应力σz：
σx＝Eεx 公式(1)
σy＝Eεy 公式(2)
σz＝Eεz 公式(3)
式中，E为轮胎材料的弹性模量，单位为GPa；εx、εy、εz分别为轮胎的横向、纵向和垂向的接触应变，单位为με，通过监测传感装置直接读取；σx、σy和σz分别为轮胎横向的接触应力、轮胎纵向的接触应力和轮胎垂向的接触应力，单位为MPa。
S3、轮胎接地面积监测。
车辆轮胎在地面行驶时，其接触面横向宽度可近似视为轮胎宽度；接触面纵向长度根据车辆负荷、行驶速度和路面状况的变化而变化。
通过公式(4)计算获得轮胎接地面积S：
式中，R为轮胎半径，单位为m；b为轮胎宽度，单位为m；d为轮胎最大垂向应变值max(εz)对应的下陷深度，单位为m，此关系值由实验得出。
S4、轮胎驱动力、侧向力、驱动力矩监测。
通过公式(5)～公式(7)分别计算获得轮胎驱动力Fy、轮胎侧向力Fx、轮胎驱动力矩M：
Fy＝Sσy 公式(5)
Fx＝Sσx 公式(6)
M＝FyR 公式(7)
式中，S为轮胎接地面积，单位为m2；σy为轮胎纵向的接触应力，单位为MPa；σx为轮胎横向的接触应力，单位为MPa；R为轮胎半径，单位为m；Fy为轮胎驱动力，单位为N·m；Fx为轮胎侧向力，单位为N·m；M为轮胎驱动力矩，单位为N·m。
S5、轮胎滑转率监测。
车辆在松软地面行驶，尤其对于拖拉机等非道路车辆，由于土壤剪切力的作用车辆轮胎相对于地面有向后的滑动。轮胎垂向的接触应力随着车轮滚动位置的变化而变化，根据其应力峰值的变化时间，计算出车辆的理论速度。
所述垂向单轴应变片3的个数为偶数个，轮胎胎侧4的内表面的同直径上有两个相互对称的垂向单轴应变片3；
通过公式(8)和公式(9)计算获得轮胎滑转率Sr：
式中，Vt为车辆的理论速度，单位为m/s；Va为车辆的实际速度，单位为m/s；R为轮胎半径，单位为m；tp为指定计时起点的一个垂向单轴应变片3的接触应力达到所有垂向单轴应变片中的接触应力的最大值时的时间，单位为s；tq为与所述指定计时起点的一个垂向单轴应变片3同直径的一个垂向单轴应变片3的接触应力达到所有垂向单轴应变片中的接触应力的最大值时的时间，单位为s。
上述为本实用新型的最佳实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其它任何在本实用新型的精神实质和原理下所作的改变、修改、替代、简化，均为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种车辆轮胎工作状态监测传感装置，其特征在于，所述监测传感装置包括：
动态敏感元件，用于轮胎内表面接触应变的检测，通过内置电阻将轮胎内表面的应变转化为电压信号输出至动态应变测量电路模块；
动态应变测量电路模块，通过导线将其内置的应变桥路单元与轮胎表面的动态敏感元件相连；在车辆轮胎与地面接触挤压时，将应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至数据处理模块；
数据处理模块，将应变的电压信号进行处理、封装后发送至无线通信模块；
无线通信模块，用于监测信号与PC端的通讯，将监测信号无线发送至与PC端相连的信号接收器；
供电模块，作为整个监测传感装置的电源，由压电材料(1)和导线构成；在轮胎垂向挤压力的作用下，利用压电材料的发电特性，向稳流蓄电模块输送电量，间接对动态应变测量电路模块、数据处理模块和无线通信模块供电；
稳流蓄电模块，用于接收供电模块所产生的电流，直接与动态应变测量电路模块、数据处理模块和无线通信模块相连，对整个装置起到稳压、稳流和蓄能的作用。
2.根据权利要求1所述的车辆轮胎工作状态监测传感装置，其特征在于，所述动态敏感元件包括粘贴在贴于轮胎内表面的硫化胶片基底(5)上的垂向单轴应变片(3)、纵向单轴应变片(6)和横向单轴应变片(7)；其中，多个纵向单轴应变片(6)和横向单轴应变片(7)在轮胎胎体(2)的内表面均匀布置，分别采集轮胎内表面的纵向和横向的应变信号；多个垂向单轴应变片(3)沿轮胎周向均匀地设置在两侧的轮胎胎侧(4)的内表面上，采集轮胎内表面的垂向的应变信号。
3.根据权利要求2所述的车辆轮胎工作状态监测传感装置，其特征在于，所述垂向单轴应变片(3)的个数为偶数个。
4.根据权利要求1所述的车辆轮胎工作状态监测传感装置，其特征在于，所述压电材料(1)呈条带状，沿轮胎周向均匀地设置在两侧的轮胎胎侧(4)的内表面上。
5.根据权利要求1所述的车辆轮胎工作状态监测传感装置，其特征在于，所述动态应变测量电路模块包括依次连接的应变桥路单元、信号放大器、信号滤波器以及数模转换单元。
6.根据权利要求1所述的车辆轮胎工作状态监测传感装置，其特征在于，所述压电材料(1)为二维过渡金属碳/氮化物或钛酸钡。
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Cited By (2)
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