专利名称：汽车车轮多维力测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种工业现场测控仪，尤其是一种汽车道路试验系统中的智能测量装置器。
背景技术：
汽车运动是地面与车轮的作用产生的，因此，汽车行驶过程中车轮力的动态测量技术是汽车道路试验系统中的关键技术。车轮多维力测量装置的使用可以使汽车道路试验从定性分析到定量分析，具体作用如下(1)研究汽车的制动性能。通过汽车车轮力和转速测量，可以定量分析和评价汽车制动系统的性能，改进设计。
(2)测量汽车在实际行驶中的驱动扭矩、速度和减速度，对汽车动力系统、传动系统的性能进行分析和评价。
(3)测量汽车在行驶过程中的轴荷变化，进一步可以推算出整车参数(重心高度、悬架特性等)。
(4)进行多维道路路谱的采集，在汽车试验台架上再现，从而达到在室内进行汽车性能研究的目的。
目前车轮力传感器和测量装置的结构及安装形式有两种第一种为使用标准轮辋，传感器通过过渡法兰与轮毂相联，此种安装方式的优点为对轮辋不进行改动，缺点为由于车轮与轮鼓之间安装了过渡法兰和传感器，车轮距会发生很大的变化，一般要增加20cm左右，重量会增加30kg左右。既影响汽车的通过性，又改变了汽车的行驶工况，尤其是转向特性和方向稳定性。因此，该种安装方式主要用于汽车后轮作汽车动力性方面的试验。
第二种安装方式采用专用轮辋，在这种安装方式中，传感器弹性体通过一个过渡法兰与汽车轮毂相连，另一侧直接与专用汽车轮辋相连。这种安装方式的特点是加工与传感器相匹配的轮辋，使传感器安装不需要多个过渡法兰；优点是不改变车轮距，附加重量小。由于要对轮辋要进行重新加工，需要在车轮制造厂专门进行制造，因此制造成本较高，而且此种方式没有通用性。国外资料表明，由于传感器弹性体没有让轴头的孔，只能通过一个过渡法兰使传感器在安装时让出轴头，对于某些轴头较长的轮鼓会使过渡法兰厚度增加，造成安装重量增加，同时对轮辋改动难度增加。目前国内尚没有专用的汽车车轮多维力测量装置，国外技术则不外内公开。
发明内容
技术问题本实用新型的目的是提供一种汽车车轮多维力测量装置，在不改变车轮距的前题下，达到既适用于单胎，也适用于双胎安装要求。可实时测量实车道路试验工况下的汽车车轮多维力载荷。
技术方案本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是汽车车轮多维力测量装置由信号耦合器非旋转部件和信号耦合器内嵌式信号采集器所组成，信号耦合器非旋转部件包括转动轴联接件，轴承，外电感线圈，内电感线圈，测速齿轮，光电发射管，光电接收管，测速传感器，电源输入/信号输出接口，信号耦合器转动轴；转动轴联接件与信号耦合器转动轴轴向连接，信号耦合器转动轴固定在轴承上，内电感线圈和测速齿轮分别固定在信号耦合器转动轴的外圆周上，外电感线圈固定在内电感线圈外的外壳上，测速传感器固定在测速齿轮外的外壳上，电源输入/信号输出接口固定在测速传感器旁并与之相连接，在信号耦合器转动轴的另一端设有光电发射管，在光电发射管旁与光电发射管同轴线设有光电接收管并固定在外壳内的一端；信号耦合器内嵌式信号采集器的信号输入端与光电接收管相接。信号耦合器内嵌式信号采集器由输入输出接口“CON5、CON10”、放大器“U1、U2”、单片机“U3”、电源转换电路组成，接口“CON10”的“13、14”脚接放大器“U1”的输入端，接口“CON10”的“3、4”脚接放大器“U2”的输入端，放大器“U1”的输出端接单片机“U3”的“A0”端，放大器“U2”的输出端接单片机“U3”的“A5”端，单片机“U3”的“17”脚接晶体管“T1”的基极，晶体管“T1”的发射极“K”和电源端“A”分别接接口“CON5”的“5、4”脚。
采用轮辐式结构、应变式的车轮多维力传感器。传感器通过过渡法兰直接与车轮轮鼓联接，使得在车轮加载的情况下，传感器的应变输出对应于多维力载荷。
信号耦合器由旋转部件和非旋转部件组成。采用电感耦合，实现供电电源从非旋转件至旋转件的传递；采用光电耦合，实现测量信号从旋转件至非旋转件的传递。
信号耦合器的旋转部件通过联接法兰与多维力传感器联接，随车轮一起平移和旋转。其内嵌的信号采集电路，对多维力传感器输出的多维力信号进行采样和模数转换，将多维力信号转化为单路数字信号，以光电耦合的方式传递给后端的非旋转部件，提供给上位的信号采集系统。
信号耦合器的非旋转部件通过轴承支撑在信号耦合器的旋转轴上。将交流电源以电感耦合的方式传递给旋转部件和前端传感器，以供给相关电路的工作电源。
交流电源的接口和信号输出的接口，均位于信号耦合器的非旋转部件上，作为整个测量装置的输入输出接口。
有益效果1.使用标准轮辋，多维力传感器通过过渡法兰与轮毂和轮辋相联，信号耦合器通过过渡法兰和传感器相联，此种安装方式的优点为对车轮轮辋无需进行改动，且基本不改变车轮轮距，不影响汽车的行驶工况。
2.采用内嵌式信号采集电路，把传感器输出的模拟信号进行数字化后，使用光电耦合的非接触式方式进行信号传输。解决了测量信号从旋转部件至非旋转部件的传输问题，同时避免了模拟信号传输的种种问题。可靠性高，抗干扰能力强，且大大减小了信号耦合器的空间尺寸。
3.采用电感耦合的方式，解决了供电电源从非旋转部件至非旋转部件的传输问题。
4.在不改变车轮距的前题下，达到既适用于单胎，也适用于双胎安装要求。可实时测量实车道路试验工况下的车轮多维力载荷。
图1是本实用新型与车轮相结合的整体结构示意图。
图2是本实用新型信号耦合器非旋转部件7的结构示意图。
其中有轮毂联接螺栓1，轴头2，车轮多维力传感器3，车轮轮辋4，轮辋联接螺栓5，信号耦合器旋转部件6，信号耦合器非旋转部件7，内嵌式信号采集电路8，过渡法兰9，转动轴联接件10，轴承11，外电感线圈12，内电感线圈13，测速齿轮14，光电发射管15，光电接收管16，测速传感器17，电源输入/信号输出接口18，信号耦合器转动轴19。
图3是信号耦合器内嵌式信号采集器电路原理图。
具体实施方式
本测量装置采用的传感器是专用的轮辐结构应变式车轮多维力传感器3。该传感器由内环、外环、以及内外环之间均布的变形梁构成。传感器内环通过轮毂联接螺栓1直接与车轮轮毂联接，传感器外环通过轮辋联接螺栓5直接与车轮轮辋4联接，这样传感器就相当于一个联接法兰，将车轮与轮毂联接起来，而没有改变车轮的结构特性。
信号耦合器通过过渡法兰9与多维力传感器3相联接，信号耦合器的旋转部件6和传感器3一起随车轮转动，信号耦合器的非旋转部件7通过轴承支撑在信号耦合器的旋转轴上，不转动。
传感器的供电接口和信号输出接口，通过导线连接至信号耦合器旋转部件6腔内的内嵌式信号采集电路8。内嵌式采集电路的供电接口和信号输出接口，通过导线连接至信号耦合器非旋转部件。
整个测量装置的整体结构如图1所示。信号耦合器由旋转部件和非旋转部件组成。信号耦合器非旋转部件的结构如图2所示。
信号耦合器的非旋转部件为一个腔体结构，腔体的中间为转动轴19。信号耦合器的旋转部件通过转动轴联接件10与转动轴19相联接，构成完整的信号耦合器。信号耦合器的整个非旋转腔体结构通过轴承11支撑于转动轴19之上，保证电源输入/信号输出接口18方向朝上。内电感线圈13绕制在内磁芯上，内磁芯固定套在转动轴19上。外电感线圈12绕制在外磁芯上，外磁芯则固定在非旋转的腔体壁上。外电感线圈用导线连接至电源输入接口18。内外磁芯均为硅钢或其它强磁材料制造，两磁芯同轴布置，互不接触，中间留有约0.15mm的气隙。由此构成一个电感集流环，用以从信号耦合器的非旋转部件向旋转部件转递交流供电电源。
在转动轴19末端的轴心位置，安装了一个光电发射管15，与之同轴相对的腔体壁上，安装了一个光电接收管16。由此构成一对光电耦合，用以从信号耦合器的旋转部件向非旋转部件转递采集得到的多维力数字信号。
转动轴19和转动轴联接件10是空心的，中间穿以导线，从而将内电感线圈感应得到的交流电源引至内嵌式信号采集电路；同时将内嵌式信号采集电路输出的多维力数字信号引至光电发射管。
电源输入/信号输出接口18在腔体的最上方，包括交流电源输入引脚、多维力数字信号输出引脚。实际试验时，前者用电缆连接至汽车供电模块，后者用电缆连接至信号采集系统的上位机模块。
信号耦合器非旋转部件主要为内嵌式信号采集电路，如图3。
内嵌式信号采集电路的任务是对前端车轮多维力传感器输出的模拟信号进行采样和模数转换，将得到的数字信号以串行编码方式输出。内嵌式信号采集电路主要由输入输出接口、仪器放大器芯片、MCU芯片、电源转换芯片组成。
信号耦合器内嵌式信号采集器由输入输出接口“CON5、CON10”、放大器“U1、U2”、单片机“U3”、电源转换电路组成，接口“CON10”的“13、14”脚接放大器“U1”的输入端，接口“CON10”的“3、4”脚接放大器“U2”的输入端，放大器“U1”的输出端接单片机“U3”的“A0”端，放大器“U2”的输出端接单片机“U3”的“A5”端单片机“U3”的“17”脚接晶体管“T1”的基极，晶体管“T1”的发射极“K”和电源端“A”分别接接口“CON5”的“5、4”脚。
接口CON5的1、2引脚用导线连接至信号耦合器的内电感线圈13，输入18V交流电源。接口CON5的4、5引脚用导线连接至信号耦合器的光电发射管15，输出多维力数字信号。接口CON10用导线连接至多维力传感器，为传感器提供+5V的供电电压，同时接收传感器输出的多维力模拟信号。
多维力模拟信号经放大器“U1、U2”(AD620)进行信号放大调理后，单片机U3(PIC16C773)对多维力信号进行模数转换成为数字信号，再编码为串行数字信号，由单片机自带的串行口输出，该串行数字信号经三极管8550驱动后，输出至CON5接口。整个电路的供电由CON5输入的交流电源，经整流桥BRIDGE1进行整流，再经78L05和78L08稳压，输出直流+5V、+8V、-8V供给本电路，以及前端的多维力传感器。其工作过程如下本实用新型多维力测量装置以及前端的多维力测量传感器安装在车轮上后，车轮转动时，多维力测量传感器3、信号耦合器的旋转部件6、信号耦合器非旋转部件内的转动轴19、内电感线圈13、光电发射管15随车轮一起转动，其余部件不旋转。
供电电源传输信号耦合器的电源输入/信号输出接口18输入18V交流电源，以非接触的电感耦合的方式，经电感集流环传输至内电感线圈13，再由转动轴19内的导线传输至内嵌式信号采集电路8。内嵌式信号采集电路8对交流电源进行整流和稳压，转换为直流电源，供给本电路和前端的多维力测量传感器。
采集信号传输多维力测量传感器输出多维力模拟信号，内嵌式信号采集电路8对该信号进行信号放大调理、模数转换、串行编码，输出至CON5的A、K引脚，再由转动轴19内的导线传输至信号耦合器内的光电发射管15。以非接触的光电耦合的方式，将串行编码信号传输至光电接收管16，最终传输至信号耦合器的电源输入/信号输出接口18，提供给后端的信号采集系统使用。
权利要求1.一种汽车车轮多维力测量装置，由信号耦合器非旋转部件和信号耦合器内嵌式信号采集器所组成，其特征是信号耦合器非旋转部件(7)包括转动轴联接件(10)，轴承(11)，外电感线圈(12)，内电感线圈(13)，测速齿轮(14)，光电发射管(15)，光电接收管(16)，测速传感器(17)，电源输入/信号输出接口(18)，信号耦合器转动轴(19)；转动轴联接件(10)与信号耦合器转动轴(19)轴向连接，信号耦合器转动轴(19)固定在轴承(11)上，内电感线圈(13)和测速齿轮(14)分别固定在信号耦合器转动轴(19)的外圆周上，外电感线圈(12)固定在内电感线圈(13)外的外壳上，测速传感器(17)固定在测速齿轮(14)外的外壳上，电源输入/信号输出接口(18)固定在测速传感器(17)旁并与之相连接，在信号耦合器转动轴(19)的另一端设有光电发射管(15)，在光电发射管(15)旁与光电发射管(15)同轴线设有光电接收管(16)并固定在外壳内的一端；信号耦合器内嵌式信号采集器的信号输入端与光电接收管(16)相接。
2.根据权利要求1所述的汽车车轮多维力测量装置，其特征在于信号耦合器内嵌式信号采集器由输入输出接口“CON5、CON10”、放大器“U1、U2”、单片机“U3”、电源转换电路组成，接口“CON10”的“13、14”脚接放大器“U1”的输入端，接口“CON10”的“3、4”脚接放大器“U2”的输入端，放大器“U1”的输出端接单片机“U3”的“A0”端，放大器“U2”的输出端接单片机“U3”的“A5”端单片机“U3”的“17”脚接晶体管“T1”的基极，晶体管“T1”的发射极“K”和电源端“A”分别接接口“CON5”的“5、4”脚。
专利摘要汽车车轮多维力测量装置是一种用于汽车行驶工况下的车轮受力状态的实时测量的装置，由信号耦合器非旋转部件和信号耦合器内嵌式信号采集器所组成，信号耦合器非旋转部件中的转动轴联接件与信号耦合器转动轴轴向连接，信号耦合器转动轴固定在轴承上，内电感线圈和测速齿轮分别固定在信号耦合器转动轴的外圆周上，外电感线圈固定在内电感线圈外的外壳上，测速传感器固定在测速齿轮外的外壳上，电源输入/信号输出接口固定在测速传感器旁并与之相连接，在信号耦合器转动轴的另一端设有光电发射管，在光电发射管旁与光电发射管同轴线设有光电接收管并固定在外壳内的一端；信号耦合器内嵌式信号采集器的信号输入端与光电接收管相接。实时测取汽车行驶工况下的车轮受力状态。
文档编号G01D21/02GK2650103SQ20032011071
公开日2004年10月20日 申请日期2003年11月13日 优先权日2003年11月13日
发明者张为公, 秦文虎, 唐俊, 沈飞, 周木子 申请人:东南大学