本發(fā)明涉及汽車零件載荷譜采集與精密儀器測(cè)量技術(shù)，特別涉及汽車底盤橡膠襯套三維力傳感器。

背景技術(shù)：

作為汽車懸架系統(tǒng)中重要的減振元件，襯套在車輛操縱穩(wěn)定性、舒適性以及NVH性能中扮演重要的角色。然而，襯套在汽車行駛過程中長(zhǎng)期承受交變載荷的作用，往往會(huì)出現(xiàn)疲勞失效。準(zhǔn)確獲取襯套的載荷譜是研究其疲勞耐久性的前提，工程中常采用力傳感器獲取零件載荷譜。

傳感器獲取零件的載荷譜的方式，比較典型的有兩種：1、將標(biāo)準(zhǔn)傳感器直接嵌入零件結(jié)構(gòu)中；2、在所測(cè)零件上直接貼應(yīng)變片。兩種方式存在一定的缺點(diǎn)：方式1需要更改相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)，不僅對(duì)汽車整體性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，而且周期長(zhǎng)、成本較高；方式2測(cè)試精度不高，難以滿足多維力測(cè)試。對(duì)于零件結(jié)構(gòu)空間充足的情況，一般可以采取直接嵌入標(biāo)準(zhǔn)傳感器的方式獲得零件的載荷譜信號(hào)；但橡膠襯套的安裝空間狹小，而且需滿足多維力測(cè)試，目前國(guó)內(nèi)外尚無較好的解決襯套三維力采集問題的傳感器，只能通過設(shè)計(jì)特殊的傳感器結(jié)構(gòu)，獲得零件的載荷譜信號(hào)。

多維力傳感器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于彈性體的設(shè)計(jì)、應(yīng)變計(jì)的貼片和組橋方法。彈性體的結(jié)構(gòu)，貼片、組橋方案以及制造加工誤差等因素，使得傳感器各輸出通道之間存在相互耦合。耦合輸出對(duì)多維力傳感器測(cè)量精度和靈敏度等有一定影響，因此需要進(jìn)行解耦。根據(jù)解耦方法的不同，多維力傳感器可分為結(jié)構(gòu)解耦型多維力傳感器和算法解耦型多維力傳感器。其中，結(jié)構(gòu)解耦是指通過傳感器的彈性體設(shè)計(jì)和貼片、組橋方法消除維間耦合，傳感器的輸出信號(hào)即為實(shí)際加載信號(hào)。算法解耦是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)之間耦合較大，無法和實(shí)際載荷相對(duì)應(yīng)，必須通過特定的算法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行解耦才能獲得實(shí)際載荷。某些情況下受加工誤差的限制導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解耦不徹底，也可通過算法解耦進(jìn)一步提高傳感器的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決襯套三維力采集問題，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度好、維間耦合小、靈敏度高的襯套三維力傳感器。

為了達(dá)到上訴目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種襯套三維力傳感器，包括襯套外管、橡膠、襯套內(nèi)管、應(yīng)變計(jì)和對(duì)稱設(shè)置在襯套內(nèi)管兩端的一對(duì)彈性體，所述襯套內(nèi)管設(shè)置在所述襯套外管內(nèi)，所述橡膠硫化到所述襯套內(nèi)管與襯套外管之間，所述襯套內(nèi)管嵌入到所述橡膠中，所述彈性體一端與襯套內(nèi)管過盈連接，另一端通過螺栓固定，所述應(yīng)變計(jì)貼在彈性體上，用于測(cè)量橫向、縱向和軸向受力產(chǎn)生的應(yīng)變，其中襯套外管是襯套三維力傳感器中的受力體，作用力經(jīng)襯套外管、橡膠到襯套內(nèi)管傳至彈性體。

作為一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述彈性體均包括吊耳、一對(duì)測(cè)力柱、圓盤、底柱，彈性體呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，吊耳一端通過螺栓固定，另一端與測(cè)力柱固連；所述測(cè)力柱的橫截面呈矩形，關(guān)于底柱軸線呈左右、上下對(duì)稱；底柱與襯套內(nèi)管過盈連接，通過圓盤將力傳遞到測(cè)力柱上。

作為一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述測(cè)力柱包括上壁面、下壁面、外壁面和內(nèi)壁面，其中，上壁面和下壁面是兩個(gè)相對(duì)的壁面，外壁面和內(nèi)壁面是兩個(gè)相對(duì)的壁面。

作為一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述應(yīng)變計(jì)貼在測(cè)力柱的壁面上，用于測(cè)量橫向、縱向和軸向受力產(chǎn)生的應(yīng)變。

作為一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，各個(gè)測(cè)力柱的壁面共貼有20片初始電阻值相等的應(yīng)變計(jì)R1～R20，分為a、b、c三組用于檢測(cè)三維力信號(hào)Fx、Fy、Fz的電橋，a組和b組電橋由8片應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，c組電橋由4片應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，其中：

所述應(yīng)變計(jì)R1～R8構(gòu)成a組電橋用于檢測(cè)Fx，所述a組電橋的應(yīng)變計(jì)R1、R2、R3、R4在測(cè)力柱的同側(cè)橫向方向平行貼放；應(yīng)變計(jì)R5、R6、R7、R8在測(cè)力柱的同側(cè)橫向方向平行貼放；應(yīng)變計(jì)R9～R16構(gòu)成b組電橋用于檢測(cè)Fy，所述b組電橋的應(yīng)變計(jì)R9、R10、R11、R12在測(cè)力柱的同側(cè)橫向方向平行貼放；應(yīng)變計(jì)R13、R14、R15、R16在測(cè)力柱的同側(cè)橫向方向平行貼放；應(yīng)變計(jì)R17、R18、R19、R20構(gòu)成c組電橋用于檢測(cè)Fz，所述c組電橋的應(yīng)變計(jì)R17、R18、R19、R20在測(cè)力柱的橫向方向平行貼放；

應(yīng)變計(jì)R1、R3、R5、R7貼于測(cè)力柱內(nèi)壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R2、R4、R6、R8貼于測(cè)力柱內(nèi)壁面中部靠近圓盤的位置；應(yīng)變計(jì)R9、R11貼于測(cè)力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R13、R15貼于測(cè)力柱下壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R10、R12貼于測(cè)力柱上壁面的中部靠近圓盤位置；應(yīng)變計(jì)R14、R16貼于測(cè)力柱下壁面的中部靠近圓盤位置；應(yīng)變計(jì)R17、R18貼于測(cè)力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R19、R20貼于測(cè)力柱下壁面中部靠近吊耳的位置。

作為一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)彈性體的測(cè)力柱共包括有第一測(cè)力柱、第二測(cè)力柱、第三測(cè)力柱、第四測(cè)力柱，其中所述應(yīng)變計(jì)R1、R2、R9、R10、R13、R14貼在所述第一測(cè)力柱上，所述應(yīng)變計(jì)R3、R4、R11、R12、R15、R16貼在所述第二測(cè)力柱上，所述應(yīng)變計(jì)R7、R8、R18、R20貼在所述第三測(cè)力柱上，所述應(yīng)變計(jì)R5、R6、R17、R19貼在所述第四測(cè)力柱上。

作為一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述a、b、c三組電橋分別構(gòu)成全橋檢測(cè)電路，其中所述a組電橋的應(yīng)變計(jì)R1與R2、R3與R4、R5與R6、R7與R8分別置于相對(duì)應(yīng)的橋臂上，b組電橋的應(yīng)變計(jì)R9與R10、R11與R12、R13與R14、R15與R16分別置于相對(duì)應(yīng)的橋臂上，c組電橋的應(yīng)變計(jì)R17與R18、R19與R20分別置于相對(duì)應(yīng)的橋臂上。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理：

所述傳感器的彈性體的測(cè)力柱受力發(fā)生彎曲變形，測(cè)力柱上的應(yīng)變計(jì)也隨之變形產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)的變形使得惠斯頓平衡電橋的電阻值改變，從而使輸出電壓改變，通過建立輸出電壓與輸入力(力矩)之間的關(guān)系獲取傳感器的標(biāo)定系數(shù)。為避免維間耦合，除設(shè)計(jì)解耦結(jié)構(gòu)外，還需采用特定的貼片和組橋方式，測(cè)力柱受力時(shí)產(chǎn)生彎曲變形，相對(duì)壁面的應(yīng)變計(jì)表現(xiàn)出拉、壓變形，相應(yīng)的橋路阻值也會(huì)增加或減少。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1、本發(fā)明在襯套原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)傳感器彈性體，與斷開與其相連接的部件加裝傳感器的方式相比，縮短了開發(fā)周期、減小了成本；也避免了采用在零部件上直接貼片的方式引起的測(cè)試精度不高和難以同時(shí)滿足多維力測(cè)試的問題。此外，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝方便等特點(diǎn)。

2、本發(fā)明結(jié)合橡膠元件制作出具有斷開式彈性體的傳感器，突破了傳統(tǒng)上采用整體式彈性體制作傳感器的局限，從空間布局上提高了傳感器的應(yīng)用范圍。通過對(duì)傳感器的性能分析，斷開式彈性體結(jié)構(gòu)在滿足良好重復(fù)性、線性度、耦合度和靈敏度的同時(shí)具有更高的靈活性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單介紹。

圖1為襯套傳感器三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為襯套傳感器三維力傳感器彈性體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為襯套傳感器三維力傳感器彈性體上應(yīng)變計(jì)的貼片示意圖。

圖4為襯套傳感器三維力傳感器信息獲取中a組電橋的示意圖。

圖5為襯套傳感器三維力傳感器信息獲取中b組電橋的示意圖。

圖6為襯套傳感器三維力傳感器信息獲取中c組電橋的示意圖。

圖7為襯套傳感器三維力傳感器彈性體受力分析圖。

圖8為襯套傳感器三維力傳感器彈性體信息獲取示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)與名稱如下：1-彈性體；1-1-吊耳；1-2-測(cè)力柱；1-2-1-第一側(cè)力柱；1-2-2-第二側(cè)力柱；1-2-3-第三側(cè)力柱；1-2-4-第四側(cè)力柱；1-3-圓盤；1-4-底柱；2-襯套內(nèi)管；3-襯套外管；4-橡膠。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

實(shí)施例

如圖1至圖2所示，一種襯套三維力傳感器，包括襯套外管3、橡膠4、襯套內(nèi)管2、應(yīng)變計(jì)和對(duì)稱設(shè)置在襯套內(nèi)管兩端的一對(duì)彈性體1，所述襯套內(nèi)管2設(shè)置在所述襯套外管3內(nèi)，所述橡膠4硫化到所述襯套內(nèi)管2與襯套外管3之間，所述襯套內(nèi)管2嵌入到所述橡膠4中，所述彈性體1一端與襯套內(nèi)管2過盈連接，另一端通過螺栓固定，所述應(yīng)變計(jì)貼在彈性體1上，用于測(cè)量橫向、縱向和軸向受力產(chǎn)生的應(yīng)變，其中襯套外管3是襯套三維力傳感器中的受力體，作用力經(jīng)襯套外管3、橡膠4到襯套內(nèi)管2傳至彈性體1。

每個(gè)所述彈性體1均包括吊耳1-1、一對(duì)測(cè)力柱1-2、圓盤1-3、底柱1-4；彈性體1呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，吊耳1-1一端通過螺栓固定，另一端與測(cè)力柱1-2固連；其中測(cè)力柱1-2的橫截面呈矩形，關(guān)于襯套外管3呈左右、上下對(duì)稱；吊耳1-1與測(cè)力柱1-2之間形成小凸臺(tái)，用以減小吊耳1-1和圓盤1-3處的應(yīng)力集中產(chǎn)生的影響；底柱1-4與襯套內(nèi)管2過盈連接，通過圓盤1-3將力傳遞到測(cè)力柱1-2上；

圖3為襯套三維力傳感器測(cè)力柱1-2上應(yīng)變計(jì)的貼片示意圖，兩個(gè)彈性體1的測(cè)力柱1-2共包括有第一測(cè)力柱1-2-1、第二測(cè)力柱1-2-2、第三測(cè)力柱1-2-3、第四測(cè)力柱1-2-4，四個(gè)測(cè)力柱共貼有20片初始電阻值相等的應(yīng)變計(jì)R1-R20，分為a、b、c三組，其中第一測(cè)力柱1-2-1上貼有應(yīng)變計(jì)R1、R2、R9、R10、R13、R14；第二測(cè)力柱1-2-2上貼有應(yīng)變計(jì)R3、R4、R11、R12、R15、R16；第三測(cè)力柱1-2-3上貼有R7、R8、R18、R20；第四測(cè)力柱1-2-4上貼有應(yīng)變計(jì)R5、R6、R17、R19。所有應(yīng)變計(jì)均沿著所在壁面橫向方向平行貼放，其中：

應(yīng)變計(jì)R1、R3、R5、R7貼于測(cè)力柱內(nèi)壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R2、R4、R6、R8貼于測(cè)力柱內(nèi)壁面中部靠近圓盤的位置。

應(yīng)變計(jì)R9、R11貼于測(cè)力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R13、R15貼于測(cè)力柱下壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R10、R12貼于測(cè)力柱上壁面的中部靠近圓盤位置；應(yīng)變計(jì)R14、R16貼于測(cè)力柱下壁面的中部靠近圓盤位置。

應(yīng)變計(jì)R17、R18貼于測(cè)力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；應(yīng)變計(jì)R19、R20貼于測(cè)力柱下壁面中部靠近吊耳的位置。

圖4至圖6為襯套三維力傳感器信息獲取中應(yīng)變計(jì)組橋的示意圖。a、b、c三組電橋分別構(gòu)成全橋檢測(cè)電路，其中a組電橋的應(yīng)變計(jì)R1與R2、R3與R4、R5與R6、R7與R8分別置于相對(duì)應(yīng)的橋臂上用于檢測(cè)Fx；b組電橋的應(yīng)變計(jì)R9與R10、R11與R12、R13與R14、R15與R16分別置于相對(duì)應(yīng)的橋臂上用于檢測(cè)Fy；c組電橋的應(yīng)變計(jì)R17與R18、R19與R20分別置于相對(duì)應(yīng)的橋臂上用于檢測(cè)Fz。采用的組橋方式，形成3個(gè)通道的信號(hào)輸出，分別為ΔUFx、ΔUFy、ΔUFz。具體如下：

應(yīng)變計(jì)R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8組成圖6左側(cè)所示的橋路，當(dāng)彈性體受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8的阻值變化分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4、ΔR5、ΔR6、ΔR7、ΔR8，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲得信號(hào)ΔUFx。

應(yīng)變計(jì)R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16組成圖5中所示的橋路，當(dāng)彈性體受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16的阻值變化分別為ΔR9、ΔR10、ΔR11、ΔR12、ΔR13、ΔR14、ΔR15、ΔR16，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲得信號(hào)ΔUFy。

應(yīng)變計(jì)R17、R18、R19、R20組成圖6所示的橋路，當(dāng)彈性體受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)R17、R18、R19、R20的阻值變化分別為ΔR17、ΔR18、ΔR19、ΔR20，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲得信號(hào)ΔUFz。

得到傳感器的3個(gè)通道的輸出ΔUFx、ΔUFy、ΔUFz之后，通過輸入與輸出的關(guān)系，能夠獲得加載到傳感器上的力信號(hào)的值。本實(shí)施例通過如下矩陣運(yùn)算獲得標(biāo)定矩陣：[U]＝[C][F]，其中[U]矩陣包含電壓信號(hào)ΔUFx、ΔUFy、ΔUFz；[F]矩陣包含力信號(hào)Fx、Fy、Fz，力信號(hào)Fx是指圖7所示的X軸方向的力信號(hào)，信號(hào)Fy是指圖7所示的Y軸方向(右手定則確定)的力信號(hào)，信號(hào)Fz是指圖7所示的Z軸方向的力信號(hào)；[C]矩陣為標(biāo)定矩陣，來源于傳感器標(biāo)定。具體是通過標(biāo)定設(shè)備給傳感器施加特定的已知力，記錄傳感器3個(gè)通道的輸出信號(hào)，根據(jù)輸入與輸出的關(guān)系得到標(biāo)定矩陣[C]，考慮到結(jié)構(gòu)解耦的不徹底性，為了進(jìn)一步提高傳感器的精度再通過特定的解耦算法得到耦合量較小的標(biāo)定矩陣[C]。

圖8為襯套三維力傳感器信息獲取與處理流程圖。傳感器采集與處理的步驟如下：開始采集，設(shè)定三維力信息中Fx信號(hào)取自a組電橋，F(xiàn)y信號(hào)取自b組電橋，F(xiàn)z信號(hào)取自c組電橋，將各橋路檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)零、放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和輸出。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。