一种衬套三维力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种衬套三维力传感器，其特征在于：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。本发明专利技术克服了现有技术中结构复杂、研发周期长、成本高、精度偏低等问题，具有结构简单、线性度好、耦合误差小、成本低、安装方便等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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。本专利技术的实现原理：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。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：1、本专利技术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、本专利技术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专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种衬套三维力传感器，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种衬套三维力传感器，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的衬套三维力传感器，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的衬套三维力传感器，其特征在于：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。4.根据权利要求2所述的衬套三维力传感器，其特征在于：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。5.根据权利要求3所述的衬套三维力传感器，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡红成，上官文斌，郑国峰，叶必军，韩鹏飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44