一种衬套三维力传感器的制作方法

本发明涉及汽车零件载荷谱采集与精密仪器测量技术，特别涉及汽车底盘橡胶衬套三维力传感器。

背景技术：

作为汽车悬架系统中重要的减振元件，衬套在车辆操纵稳定性、舒适性以及NVH性能中扮演重要的角色。然而，衬套在汽车行驶过程中长期承受交变载荷的作用，往往会出现疲劳失效。准确获取衬套的载荷谱是研究其疲劳耐久性的前提，工程中常采用力传感器获取零件载荷谱。

传感器获取零件的载荷谱的方式，比较典型的有两种：1、将标准传感器直接嵌入零件结构中；2、在所测零件上直接贴应变片。两种方式存在一定的缺点：方式1需要更改相关零部件结构，不仅对汽车整体性能会产生一定影响，而且周期长、成本较高；方式2测试精度不高，难以满足多维力测试。对于零件结构空间充足的情况，一般可以采取直接嵌入标准传感器的方式获得零件的载荷谱信号；但橡胶衬套的安装空间狭小，而且需满足多维力测试，目前国内外尚无较好的解决衬套三维力采集问题的传感器，只能通过设计特殊的传感器结构，获得零件的载荷谱信号。

多维力传感器的设计关键在于弹性体的设计、应变计的贴片和组桥方法。弹性体的结构，贴片、组桥方案以及制造加工误差等因素，使得传感器各输出通道之间存在相互耦合。耦合输出对多维力传感器测量精度和灵敏度等有一定影响，因此需要进行解耦。根据解耦方法的不同，多维力传感器可分为结构解耦型多维力传感器和算法解耦型多维力传感器。其中，结构解耦是指通过传感器的弹性体设计和贴片、组桥方法消除维间耦合，传感器的输出信号即为实际加载信号。算法解耦是指传感器的输出信号之间耦合较大，无法和实际载荷相对应，必须通过特定的算法对输出信号进行解耦才能获得实际载荷。某些情况下受加工误差的限制导致结构解耦不彻底，也可通过算法解耦进一步提高传感器的精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决衬套三维力采集问题，提供了一种结构简单、线性度好、维间耦合小、灵敏度高的衬套三维力传感器。

为了达到上诉目的，本发明采用以下技术方案：

一种衬套三维力传感器，包括衬套外管、橡胶、衬套内管、应变计和对称设置在衬套内管两端的一对弹性体，所述衬套内管设置在所述衬套外管内，所述橡胶硫化到所述衬套内管与衬套外管之间，所述衬套内管嵌入到所述橡胶中，所述弹性体一端与衬套内管过盈连接，另一端通过螺栓固定，所述应变计贴在弹性体上，用于测量横向、纵向和轴向受力产生的应变，其中衬套外管是衬套三维力传感器中的受力体，作用力经衬套外管、橡胶到衬套内管传至弹性体。

作为一种优选的结构，每个所述弹性体均包括吊耳、一对测力柱、圆盘、底柱，弹性体呈左右对称结构，吊耳一端通过螺栓固定，另一端与测力柱固连；所述测力柱的横截面呈矩形，关于底柱轴线呈左右、上下对称；底柱与衬套内管过盈连接，通过圆盘将力传递到测力柱上。

作为一种优选的结构，所述测力柱包括上壁面、下壁面、外壁面和内壁面，其中，上壁面和下壁面是两个相对的壁面，外壁面和内壁面是两个相对的壁面。

作为一种优选的结构，所述应变计贴在测力柱的壁面上，用于测量横向、纵向和轴向受力产生的应变。

作为一种优选的结构，各个测力柱的壁面共贴有20片初始电阻值相等的应变计R1～R20，分为a、b、c三组用于检测三维力信号Fx、Fy、Fz的电桥，a组和b组电桥由8片应变计构成，c组电桥由4片应变计构成，其中：

所述应变计R1～R8构成a组电桥用于检测Fx，所述a组电桥的应变计R1、R2、R3、R4在测力柱的同侧横向方向平行贴放；应变计R5、R6、R7、R8在测力柱的同侧横向方向平行贴放；应变计R9～R16构成b组电桥用于检测Fy，所述b组电桥的应变计R9、R10、R11、R12在测力柱的同侧横向方向平行贴放；应变计R13、R14、R15、R16在测力柱的同侧横向方向平行贴放；应变计R17、R18、R19、R20构成c组电桥用于检测Fz，所述c组电桥的应变计R17、R18、R19、R20在测力柱的横向方向平行贴放；

应变计R1、R3、R5、R7贴于测力柱内壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R2、R4、R6、R8贴于测力柱内壁面中部靠近圆盘的位置；应变计R9、R11贴于测力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R13、R15贴于测力柱下壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R10、R12贴于测力柱上壁面的中部靠近圆盘位置；应变计R14、R16贴于测力柱下壁面的中部靠近圆盘位置；应变计R17、R18贴于测力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R19、R20贴于测力柱下壁面中部靠近吊耳的位置。

作为一种优选的结构，两个弹性体的测力柱共包括有第一测力柱、第二测力柱、第三测力柱、第四测力柱，其中所述应变计R1、R2、R9、R10、R13、R14贴在所述第一测力柱上，所述应变计R3、R4、R11、R12、R15、R16贴在所述第二测力柱上，所述应变计R7、R8、R18、R20贴在所述第三测力柱上，所述应变计R5、R6、R17、R19贴在所述第四测力柱上。

作为一种优选的结构，所述a、b、c三组电桥分别构成全桥检测电路，其中所述a组电桥的应变计R1与R2、R3与R4、R5与R6、R7与R8分别置于相对应的桥臂上，b组电桥的应变计R9与R10、R11与R12、R13与R14、R15与R16分别置于相对应的桥臂上，c组电桥的应变计R17与R18、R19与R20分别置于相对应的桥臂上。

本发明的实现原理：

所述传感器的弹性体的测力柱受力发生弯曲变形，测力柱上的应变计也随之变形产生应变，应变计的变形使得惠斯顿平衡电桥的电阻值改变，从而使输出电压改变，通过建立输出电压与输入力(力矩)之间的关系获取传感器的标定系数。为避免维间耦合，除设计解耦结构外，还需采用特定的贴片和组桥方式，测力柱受力时产生弯曲变形，相对壁面的应变计表现出拉、压变形，相应的桥路阻值也会增加或减少。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、本发明在衬套原有结构的基础上设计传感器弹性体，与断开与其相连接的部件加装传感器的方式相比，缩短了开发周期、减小了成本；也避免了采用在零部件上直接贴片的方式引起的测试精度不高和难以同时满足多维力测试的问题。此外，该传感器具有结构简单、成本低、安装方便等特点。

2、本发明结合橡胶元件制作出具有断开式弹性体的传感器，突破了传统上采用整体式弹性体制作传感器的局限，从空间布局上提高了传感器的应用范围。通过对传感器的性能分析，断开式弹性体结构在满足良好重复性、线性度、耦合度和灵敏度的同时具有更高的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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介绍。

图1为衬套传感器三维力传感器结构示意图。

图2为衬套传感器三维力传感器弹性体结构示意图。

图3为衬套传感器三维力传感器弹性体上应变计的贴片示意图。

图4为衬套传感器三维力传感器信息获取中a组电桥的示意图。

图5为衬套传感器三维力传感器信息获取中b组电桥的示意图。

图6为衬套传感器三维力传感器信息获取中c组电桥的示意图。

图7为衬套传感器三维力传感器弹性体受力分析图。

图8为衬套传感器三维力传感器弹性体信息获取示意图。

图中标号与名称如下：1-弹性体；1-1-吊耳；1-2-测力柱；1-2-1-第一侧力柱；1-2-2-第二侧力柱；1-2-3-第三侧力柱；1-2-4-第四侧力柱；1-3-圆盘；1-4-底柱；2-衬套内管；3-衬套外管；4-橡胶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例

如图1至图2所示，一种衬套三维力传感器，包括衬套外管3、橡胶4、衬套内管2、应变计和对称设置在衬套内管两端的一对弹性体1，所述衬套内管2设置在所述衬套外管3内，所述橡胶4硫化到所述衬套内管2与衬套外管3之间，所述衬套内管2嵌入到所述橡胶4中，所述弹性体1一端与衬套内管2过盈连接，另一端通过螺栓固定，所述应变计贴在弹性体1上，用于测量横向、纵向和轴向受力产生的应变，其中衬套外管3是衬套三维力传感器中的受力体，作用力经衬套外管3、橡胶4到衬套内管2传至弹性体1。

每个所述弹性体1均包括吊耳1-1、一对测力柱1-2、圆盘1-3、底柱1-4；弹性体1呈左右对称结构，吊耳1-1一端通过螺栓固定，另一端与测力柱1-2固连；其中测力柱1-2的横截面呈矩形，关于衬套外管3呈左右、上下对称；吊耳1-1与测力柱1-2之间形成小凸台，用以减小吊耳1-1和圆盘1-3处的应力集中产生的影响；底柱1-4与衬套内管2过盈连接，通过圆盘1-3将力传递到测力柱1-2上；

图3为衬套三维力传感器测力柱1-2上应变计的贴片示意图，两个弹性体1的测力柱1-2共包括有第一测力柱1-2-1、第二测力柱1-2-2、第三测力柱1-2-3、第四测力柱1-2-4，四个测力柱共贴有20片初始电阻值相等的应变计R1-R20，分为a、b、c三组，其中第一测力柱1-2-1上贴有应变计R1、R2、R9、R10、R13、R14；第二测力柱1-2-2上贴有应变计R3、R4、R11、R12、R15、R16；第三测力柱1-2-3上贴有R7、R8、R18、R20；第四测力柱1-2-4上贴有应变计R5、R6、R17、R19。所有应变计均沿着所在壁面横向方向平行贴放，其中：

应变计R1、R3、R5、R7贴于测力柱内壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R2、R4、R6、R8贴于测力柱内壁面中部靠近圆盘的位置。

应变计R9、R11贴于测力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R13、R15贴于测力柱下壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R10、R12贴于测力柱上壁面的中部靠近圆盘位置；应变计R14、R16贴于测力柱下壁面的中部靠近圆盘位置。

应变计R17、R18贴于测力柱上壁面中部靠近吊耳的位置；应变计R19、R20贴于测力柱下壁面中部靠近吊耳的位置。

图4至图6为衬套三维力传感器信息获取中应变计组桥的示意图。a、b、c三组电桥分别构成全桥检测电路，其中a组电桥的应变计R1与R2、R3与R4、R5与R6、R7与R8分别置于相对应的桥臂上用于检测Fx；b组电桥的应变计R9与R10、R11与R12、R13与R14、R15与R16分别置于相对应的桥臂上用于检测Fy；c组电桥的应变计R17与R18、R19与R20分别置于相对应的桥臂上用于检测Fz。采用的组桥方式，形成3个通道的信号输出，分别为ΔUFx、ΔUFy、ΔUFz。具体如下：

应变计R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8组成图6左侧所示的桥路，当弹性体受力产生应变时，应变计R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8的阻值变化分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4、ΔR5、ΔR6、ΔR7、ΔR8，将应变转换为电信号，从而获得信号ΔUFx。

应变计R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16组成图5中所示的桥路，当弹性体受力产生应变时，应变计R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16的阻值变化分别为ΔR9、ΔR10、ΔR11、ΔR12、ΔR13、ΔR14、ΔR15、ΔR16，将应变转换为电信号，从而获得信号ΔUFy。

应变计R17、R18、R19、R20组成图6所示的桥路，当弹性体受力产生应变时，应变计R17、R18、R19、R20的阻值变化分别为ΔR17、ΔR18、ΔR19、ΔR20，将应变转换为电信号，从而获得信号ΔUFz。

得到传感器的3个通道的输出ΔUFx、ΔUFy、ΔUFz之后，通过输入与输出的关系，能够获得加载到传感器上的力信号的值。本实施例通过如下矩阵运算获得标定矩阵：[U]＝[C][F]，其中[U]矩阵包含电压信号ΔUFx、ΔUFy、ΔUFz；[F]矩阵包含力信号Fx、Fy、Fz，力信号Fx是指图7所示的X轴方向的力信号，信号Fy是指图7所示的Y轴方向(右手定则确定)的力信号，信号Fz是指图7所示的Z轴方向的力信号；[C]矩阵为标定矩阵，来源于传感器标定。具体是通过标定设备给传感器施加特定的已知力，记录传感器3个通道的输出信号，根据输入与输出的关系得到标定矩阵[C]，考虑到结构解耦的不彻底性，为了进一步提高传感器的精度再通过特定的解耦算法得到耦合量较小的标定矩阵[C]。

图8为衬套三维力传感器信息获取与处理流程图。传感器采集与处理的步骤如下：开始采集，设定三维力信息中Fx信号取自a组电桥，Fy信号取自b组电桥，Fz信号取自c组电桥，将各桥路检测到的电压信号经调零、放大、模拟滤波、模数转换、数字滤波和输出。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。