專利名稱：汽車車輪多維力測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種工業(yè)現(xiàn)場測控儀，尤其是一種汽車道路試驗系統(tǒng)中的智能測量裝置器。
背景技術(shù)：
汽車運動是地面與車輪的作用產(chǎn)生的，因此，汽車行駛過程中車輪力的動態(tài)測量技術(shù)是汽車道路試驗系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。車輪多維力測量裝置的使用可以使汽車道路試驗從定性分析到定量分析，具體作用如下(1)研究汽車的制動性能。通過汽車車輪力和轉(zhuǎn)速測量，可以定量分析和評價汽車制動系統(tǒng)的性能，改進(jìn)設(shè)計。
(2)測量汽車在實際行駛中的驅(qū)動扭矩、速度和減速度，對汽車動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和評價。
(3)測量汽車在行駛過程中的軸荷變化，進(jìn)一步可以推算出整車參數(shù)(重心高度、懸架特性等)。
(4)進(jìn)行多維道路路譜的采集，在汽車試驗臺架上再現(xiàn)，從而達(dá)到在室內(nèi)進(jìn)行汽車性能研究的目的。
目前車輪力傳感器和測量裝置的結(jié)構(gòu)及安裝形式有兩種第一種為使用標(biāo)準(zhǔn)輪輞，傳感器通過過渡法蘭與輪轂相聯(lián)，此種安裝方式的優(yōu)點為對輪輞不進(jìn)行改動，缺點為由于車輪與輪鼓之間安裝了過渡法蘭和傳感器，車輪距會發(fā)生很大的變化，一般要增加20cm左右，重量會增加30kg左右。既影響汽車的通過性，又改變了汽車的行駛工況，尤其是轉(zhuǎn)向特性和方向穩(wěn)定性。因此，該種安裝方式主要用于汽車后輪作汽車動力性方面的試驗。
第二種安裝方式采用專用輪輞，在這種安裝方式中，傳感器彈性體通過一個過渡法蘭與汽車輪轂相連，另一側(cè)直接與專用汽車輪輞相連。這種安裝方式的特點是加工與傳感器相匹配的輪輞，使傳感器安裝不需要多個過渡法蘭；優(yōu)點是不改變車輪距，附加重量小。由于要對輪輞要進(jìn)行重新加工，需要在車輪制造廠專門進(jìn)行制造，因此制造成本較高，而且此種方式?jīng)]有通用性。國外資料表明，由于傳感器彈性體沒有讓軸頭的孔，只能通過一個過渡法蘭使傳感器在安裝時讓出軸頭，對于某些軸頭較長的輪鼓會使過渡法蘭厚度增加，造成安裝重量增加，同時對輪輞改動難度增加。目前國內(nèi)尚沒有專用的汽車車輪多維力測量裝置，國外技術(shù)則不外內(nèi)公開。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實用新型的目的是提供一種汽車車輪多維力測量裝置，在不改變車輪距的前題下，達(dá)到既適用于單胎，也適用于雙胎安裝要求?？蓪崟r測量實車道路試驗工況下的汽車車輪多維力載荷。
技術(shù)方案本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是汽車車輪多維力測量裝置由信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件和信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器所組成，信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件包括轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件，軸承，外電感線圈，內(nèi)電感線圈，測速齒輪，光電發(fā)射管，光電接收管，測速傳感器，電源輸入/信號輸出接口，信號耦合器轉(zhuǎn)動軸；轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件與信號耦合器轉(zhuǎn)動軸軸向連接，信號耦合器轉(zhuǎn)動軸固定在軸承上，內(nèi)電感線圈和測速齒輪分別固定在信號耦合器轉(zhuǎn)動軸的外圓周上，外電感線圈固定在內(nèi)電感線圈外的外殼上，測速傳感器固定在測速齒輪外的外殼上，電源輸入/信號輸出接口固定在測速傳感器旁并與之相連接，在信號耦合器轉(zhuǎn)動軸的另一端設(shè)有光電發(fā)射管，在光電發(fā)射管旁與光電發(fā)射管同軸線設(shè)有光電接收管并固定在外殼內(nèi)的一端；信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器的信號輸入端與光電接收管相接。信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器由輸入輸出接口“CON5、CON10”、放大器“U1、U2”、單片機“U3”、電源轉(zhuǎn)換電路組成，接口“CON10”的“13、14”腳接放大器“U1”的輸入端，接口“CON10”的“3、4”腳接放大器“U2”的輸入端，放大器“U1”的輸出端接單片機“U3”的“A0”端，放大器“U2”的輸出端接單片機“U3”的“A5”端，單片機“U3”的“17”腳接晶體管“T1”的基極，晶體管“T1”的發(fā)射極“K”和電源端“A”分別接接口“CON5”的“5、4”腳。
采用輪輻式結(jié)構(gòu)、應(yīng)變式的車輪多維力傳感器。傳感器通過過渡法蘭直接與車輪輪鼓聯(lián)接，使得在車輪加載的情況下，傳感器的應(yīng)變輸出對應(yīng)于多維力載荷。
信號耦合器由旋轉(zhuǎn)部件和非旋轉(zhuǎn)部件組成。采用電感耦合，實現(xiàn)供電電源從非旋轉(zhuǎn)件至旋轉(zhuǎn)件的傳遞；采用光電耦合，實現(xiàn)測量信號從旋轉(zhuǎn)件至非旋轉(zhuǎn)件的傳遞。
信號耦合器的旋轉(zhuǎn)部件通過聯(lián)接法蘭與多維力傳感器聯(lián)接，隨車輪一起平移和旋轉(zhuǎn)。其內(nèi)嵌的信號采集電路，對多維力傳感器輸出的多維力信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將多維力信號轉(zhuǎn)化為單路數(shù)字信號，以光電耦合的方式傳遞給后端的非旋轉(zhuǎn)部件，提供給上位的信號采集系統(tǒng)。
信號耦合器的非旋轉(zhuǎn)部件通過軸承支撐在信號耦合器的旋轉(zhuǎn)軸上。將交流電源以電感耦合的方式傳遞給旋轉(zhuǎn)部件和前端傳感器，以供給相關(guān)電路的工作電源。
交流電源的接口和信號輸出的接口，均位于信號耦合器的非旋轉(zhuǎn)部件上，作為整個測量裝置的輸入輸出接口。
有益效果1.使用標(biāo)準(zhǔn)輪輞，多維力傳感器通過過渡法蘭與輪轂和輪輞相聯(lián)，信號耦合器通過過渡法蘭和傳感器相聯(lián)，此種安裝方式的優(yōu)點為對車輪輪輞無需進(jìn)行改動，且基本不改變車輪輪距，不影響汽車的行駛工況。
2.采用內(nèi)嵌式信號采集電路，把傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化后，使用光電耦合的非接觸式方式進(jìn)行信號傳輸。解決了測量信號從旋轉(zhuǎn)部件至非旋轉(zhuǎn)部件的傳輸問題，同時避免了模擬信號傳輸?shù)姆N種問題?？煽啃愿撸垢蓴_能力強，且大大減小了信號耦合器的空間尺寸。
3.采用電感耦合的方式，解決了供電電源從非旋轉(zhuǎn)部件至非旋轉(zhuǎn)部件的傳輸問題。
4.在不改變車輪距的前題下，達(dá)到既適用于單胎，也適用于雙胎安裝要求?？蓪崟r測量實車道路試驗工況下的車輪多維力載荷。


圖1是本實用新型與車輪相結(jié)合的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實用新型信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件7的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中有輪轂聯(lián)接螺栓1，軸頭2，車輪多維力傳感器3，車輪輪輞4，輪輞聯(lián)接螺栓5，信號耦合器旋轉(zhuǎn)部件6，信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件7，內(nèi)嵌式信號采集電路8，過渡法蘭9，轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件10，軸承11，外電感線圈12，內(nèi)電感線圈13，測速齒輪14，光電發(fā)射管15，光電接收管16，測速傳感器17，電源輸入/信號輸出接口18，信號耦合器轉(zhuǎn)動軸19。
圖3是信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器電路原理圖。
具體實施方式
本測量裝置采用的傳感器是專用的輪輻結(jié)構(gòu)應(yīng)變式車輪多維力傳感器3。該傳感器由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、以及內(nèi)外環(huán)之間均布的變形梁構(gòu)成。傳感器內(nèi)環(huán)通過輪轂聯(lián)接螺栓1直接與車輪輪轂聯(lián)接，傳感器外環(huán)通過輪輞聯(lián)接螺栓5直接與車輪輪輞4聯(lián)接，這樣傳感器就相當(dāng)于一個聯(lián)接法蘭，將車輪與輪轂聯(lián)接起來，而沒有改變車輪的結(jié)構(gòu)特性。
信號耦合器通過過渡法蘭9與多維力傳感器3相聯(lián)接，信號耦合器的旋轉(zhuǎn)部件6和傳感器3一起隨車輪轉(zhuǎn)動，信號耦合器的非旋轉(zhuǎn)部件7通過軸承支撐在信號耦合器的旋轉(zhuǎn)軸上，不轉(zhuǎn)動。
傳感器的供電接口和信號輸出接口，通過導(dǎo)線連接至信號耦合器旋轉(zhuǎn)部件6腔內(nèi)的內(nèi)嵌式信號采集電路8。內(nèi)嵌式采集電路的供電接口和信號輸出接口，通過導(dǎo)線連接至信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件。
整個測量裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號耦合器由旋轉(zhuǎn)部件和非旋轉(zhuǎn)部件組成。信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
信號耦合器的非旋轉(zhuǎn)部件為一個腔體結(jié)構(gòu)，腔體的中間為轉(zhuǎn)動軸19。信號耦合器的旋轉(zhuǎn)部件通過轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件10與轉(zhuǎn)動軸19相聯(lián)接，構(gòu)成完整的信號耦合器。信號耦合器的整個非旋轉(zhuǎn)腔體結(jié)構(gòu)通過軸承11支撐于轉(zhuǎn)動軸19之上，保證電源輸入/信號輸出接口18方向朝上。內(nèi)電感線圈13繞制在內(nèi)磁芯上，內(nèi)磁芯固定套在轉(zhuǎn)動軸19上。外電感線圈12繞制在外磁芯上，外磁芯則固定在非旋轉(zhuǎn)的腔體壁上。外電感線圈用導(dǎo)線連接至電源輸入接口18。內(nèi)外磁芯均為硅鋼或其它強磁材料制造，兩磁芯同軸布置，互不接觸，中間留有約0.15mm的氣隙。由此構(gòu)成一個電感集流環(huán)，用以從信號耦合器的非旋轉(zhuǎn)部件向旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)遞交流供電電源。
在轉(zhuǎn)動軸19末端的軸心位置，安裝了一個光電發(fā)射管15，與之同軸相對的腔體壁上，安裝了一個光電接收管16。由此構(gòu)成一對光電耦合，用以從信號耦合器的旋轉(zhuǎn)部件向非旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)遞采集得到的多維力數(shù)字信號。
轉(zhuǎn)動軸19和轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件10是空心的，中間穿以導(dǎo)線，從而將內(nèi)電感線圈感應(yīng)得到的交流電源引至內(nèi)嵌式信號采集電路；同時將內(nèi)嵌式信號采集電路輸出的多維力數(shù)字信號引至光電發(fā)射管。
電源輸入/信號輸出接口18在腔體的最上方，包括交流電源輸入引腳、多維力數(shù)字信號輸出引腳。實際試驗時，前者用電纜連接至汽車供電模塊，后者用電纜連接至信號采集系統(tǒng)的上位機模塊。
信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件主要為內(nèi)嵌式信號采集電路，如圖3。
內(nèi)嵌式信號采集電路的任務(wù)是對前端車輪多維力傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字信號以串行編碼方式輸出。內(nèi)嵌式信號采集電路主要由輸入輸出接口、儀器放大器芯片、MCU芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片組成。
信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器由輸入輸出接口“CON5、CON10”、放大器“U1、U2”、單片機“U3”、電源轉(zhuǎn)換電路組成，接口“CON10”的“13、14”腳接放大器“U1”的輸入端，接口“CON10”的“3、4”腳接放大器“U2”的輸入端，放大器“U1”的輸出端接單片機“U3”的“A0”端，放大器“U2”的輸出端接單片機“U3”的“A5”端單片機“U3”的“17”腳接晶體管“T1”的基極，晶體管“T1”的發(fā)射極“K”和電源端“A”分別接接口“CON5”的“5、4”腳。
接口CON5的1、2引腳用導(dǎo)線連接至信號耦合器的內(nèi)電感線圈13，輸入18V交流電源。接口CON5的4、5引腳用導(dǎo)線連接至信號耦合器的光電發(fā)射管15，輸出多維力數(shù)字信號。接口CON10用導(dǎo)線連接至多維力傳感器，為傳感器提供+5V的供電電壓，同時接收傳感器輸出的多維力模擬信號。
多維力模擬信號經(jīng)放大器“U1、U2”(AD620)進(jìn)行信號放大調(diào)理后，單片機U3(PIC16C773)對多維力信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再編碼為串行數(shù)字信號，由單片機自帶的串行口輸出，該串行數(shù)字信號經(jīng)三極管8550驅(qū)動后，輸出至CON5接口。整個電路的供電由CON5輸入的交流電源，經(jīng)整流橋BRIDGE1進(jìn)行整流，再經(jīng)78L05和78L08穩(wěn)壓，輸出直流+5V、+8V、-8V供給本電路，以及前端的多維力傳感器。其工作過程如下本實用新型多維力測量裝置以及前端的多維力測量傳感器安裝在車輪上后，車輪轉(zhuǎn)動時，多維力測量傳感器3、信號耦合器的旋轉(zhuǎn)部件6、信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)的轉(zhuǎn)動軸19、內(nèi)電感線圈13、光電發(fā)射管15隨車輪一起轉(zhuǎn)動，其余部件不旋轉(zhuǎn)。
供電電源傳輸信號耦合器的電源輸入/信號輸出接口18輸入18V交流電源，以非接觸的電感耦合的方式，經(jīng)電感集流環(huán)傳輸至內(nèi)電感線圈13，再由轉(zhuǎn)動軸19內(nèi)的導(dǎo)線傳輸至內(nèi)嵌式信號采集電路8。內(nèi)嵌式信號采集電路8對交流電源進(jìn)行整流和穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)換為直流電源，供給本電路和前端的多維力測量傳感器。
采集信號傳輸多維力測量傳感器輸出多維力模擬信號，內(nèi)嵌式信號采集電路8對該信號進(jìn)行信號放大調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行編碼，輸出至CON5的A、K引腳，再由轉(zhuǎn)動軸19內(nèi)的導(dǎo)線傳輸至信號耦合器內(nèi)的光電發(fā)射管15。以非接觸的光電耦合的方式，將串行編碼信號傳輸至光電接收管16，最終傳輸至信號耦合器的電源輸入/信號輸出接口18，提供給后端的信號采集系統(tǒng)使用。
權(quán)利要求1.一種汽車車輪多維力測量裝置，由信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件和信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器所組成，其特征是信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件(7)包括轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件(10)，軸承(11)，外電感線圈(12)，內(nèi)電感線圈(13)，測速齒輪(14)，光電發(fā)射管(15)，光電接收管(16)，測速傳感器(17)，電源輸入/信號輸出接口(18)，信號耦合器轉(zhuǎn)動軸(19)；轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件(10)與信號耦合器轉(zhuǎn)動軸(19)軸向連接，信號耦合器轉(zhuǎn)動軸(19)固定在軸承(11)上，內(nèi)電感線圈(13)和測速齒輪(14)分別固定在信號耦合器轉(zhuǎn)動軸(19)的外圓周上，外電感線圈(12)固定在內(nèi)電感線圈(13)外的外殼上，測速傳感器(17)固定在測速齒輪(14)外的外殼上，電源輸入/信號輸出接口(18)固定在測速傳感器(17)旁并與之相連接，在信號耦合器轉(zhuǎn)動軸(19)的另一端設(shè)有光電發(fā)射管(15)，在光電發(fā)射管(15)旁與光電發(fā)射管(15)同軸線設(shè)有光電接收管(16)并固定在外殼內(nèi)的一端；信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器的信號輸入端與光電接收管(16)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車車輪多維力測量裝置，其特征在于信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器由輸入輸出接口“CON5、CON10”、放大器“U1、U2”、單片機“U3”、電源轉(zhuǎn)換電路組成，接口“CON10”的“13、14”腳接放大器“U1”的輸入端，接口“CON10”的“3、4”腳接放大器“U2”的輸入端，放大器“U1”的輸出端接單片機“U3”的“A0”端，放大器“U2”的輸出端接單片機“U3”的“A5”端單片機“U3”的“17”腳接晶體管“T1”的基極，晶體管“T1”的發(fā)射極“K”和電源端“A”分別接接口“CON5”的“5、4”腳。
專利摘要汽車車輪多維力測量裝置是一種用于汽車行駛工況下的車輪受力狀態(tài)的實時測量的裝置，由信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件和信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器所組成，信號耦合器非旋轉(zhuǎn)部件中的轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接件與信號耦合器轉(zhuǎn)動軸軸向連接，信號耦合器轉(zhuǎn)動軸固定在軸承上，內(nèi)電感線圈和測速齒輪分別固定在信號耦合器轉(zhuǎn)動軸的外圓周上，外電感線圈固定在內(nèi)電感線圈外的外殼上，測速傳感器固定在測速齒輪外的外殼上，電源輸入/信號輸出接口固定在測速傳感器旁并與之相連接，在信號耦合器轉(zhuǎn)動軸的另一端設(shè)有光電發(fā)射管，在光電發(fā)射管旁與光電發(fā)射管同軸線設(shè)有光電接收管并固定在外殼內(nèi)的一端；信號耦合器內(nèi)嵌式信號采集器的信號輸入端與光電接收管相接。實時測取汽車行駛工況下的車輪受力狀態(tài)。
文檔編號G01D21/02GK2650103SQ20032011071
公開日2004年10月20日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者張為公, 秦文虎, 唐俊, 沈飛, 周木子 申請人:東南大學(xué)