CN109406029A - 一种用于车轮的测力装置、测力系统和测量车轮力的方法 - Google Patents

Abstract

一种测力装置、测力系统和测力方法，涉及车轮力测量领域。装置包括第一测力组件和第二测力组件。第一测力组件包括由多个第一检测器间隔设置构成的第一线性检测组，第二测力组件包括多个第二检测器间隔设置构成的第二线性检测组。第一线性检测组和第二线性检测组二者的设置方向相垂直。当车轮垂向力保持恒定，第一线性检测组和第二线性检测组的输出分别为以车轮的旋转周期为周期的正弦、余弦信号。其能对车轮力进行实时精确监控，保证车轮持续稳定、安全地运行。测力系统和测力方法基于测力装置进一步提升对车轮力的监控效果。

Description

一种用于车轮的测力装置、测力系统和测量车轮力的方法

技术领域

本发明涉及车轮力测量领域，具体而言，涉及一种用于车轮的测力装置、测力系统和测量车轮力的方法。

背景技术

车轮行进时所受到的力是车辆安全性重要指标，对于车轮力的监测以及监测的准确度直接关系到车辆的运行安全，特别是对于轨道列车等运行精度要求高、载客量大的特殊运载工具而言，安全保障直接关系到乘客的生命财产安全，高精度、实时地监控车轮力变化变得尤其重要。

以轨道列车为例，对铁道车辆的脱轨安全性进行有效的监测和评价是确保车辆安全运行的关键所在，而其车轮力（轮轨力）作为计算脱轨安全性指标的参数，准确、便捷的测量显得尤为重要。但我国轮轨力测量经常采用简化的间断测力轮对方法，并不能满足连续实时精确监控的需求，而且在测试轮轨力时，需在轮轴打孔，使得车轮的正常使用受到了影响。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于车轮的测力装置，其能够对车轮力进行实时、精确监控，并且不会对车轮造成额外的损伤，有助于保证车轮持续稳定、安全地运行。

本发明的第二个目的在于提供一种用于车轮的测力系统，其能够对车轮力进行实时、精确监控，并且不会对车轮造成额外的损伤，能够在车辆运行的过程中对车轮的受力进行实时跟踪，有助于保证车辆持续稳定、安全地运行。

本发明的第三个目的在于提供用于测量车轮力的方法，其能够方便的对车轮的车轮力进行监控。

本发明的实施例是这样实现的：

一种用于车轮的测力装置，其包括：第一测力组件和第二测力组件。第一测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第一检测器间隔设置构成的第一线性检测组，第二测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第二检测器间隔设置构成的第二线性检测组。第一线性检测组和第二线性检测组二者的设置方向相垂直。其中，当车轮的垂向力保持恒定时，第一线性检测组和第二线性检测组的输出分别为以车轮的旋转周期为周期的正弦、余弦信号。

进一步地，第一线性检测组和第二线性检测组均为多个，多个第一线性检测组和多个第二线性检测组均分别沿车轮的多条半径线设置。多个第一线性检测组沿第一直径线呈对称分布，多个第二线性检测组沿第二直径线呈对称分布，第一直径线同第二直径线相垂直。

进一步地，多个第一线性检测组中的一部分沿第三直径线呈对称分布，剩余部分沿第四直径线呈对称分布，第三直径线和第四直径线沿第一直径线对称设置。多个第二线性检测组中的一部分沿第五直径线呈对称分布，剩余部分沿第六直径线呈对称分布，第五直径线和第六直径线沿第二直径线对称设置。

进一步地，对称分布于第三直径线两侧的多个第一线性检测组之间分别为均匀间隔设置，对称分布于第四直径线两侧的多个第一线性检测组之间也分别为均匀间隔设置。对称分布于第五直径线两侧的多个第二线性检测组之间分别为均匀间隔设置，对称分布于第六直径线两侧的多个第二线性检测组之间也分别为均匀间隔设置。

进一步地，对沿第三直径线对称的第一线性检测组而言，位于第三直径线同一侧的相邻第一线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°。对沿第四直径线对称的第一线性检测组而言，位于第四直径线同一侧的相邻第一线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°。对沿第五直径线对称的第二线性检测组而言，位于第五直径线同一侧的相邻第二线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°。对沿第六直径线对称的第二线性检测组而言，位于第六直径线同一侧的相邻第二线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°。

进一步地，对沿第三直径线对称的第一线性检测组而言，位于第三直径线两侧的第一线性检测组均为5个，且一侧最中间的第一线性检测组同另一侧最中间的第一线性检测组位于同一直线。对沿第四直径线对称的第一线性检测组而言，位于第四直径线两侧的第一线性检测组均为5个，且一侧最中间的第一线性检测组同另一侧最中间的第一线性检测组位于同一直线。对沿第五直径线对称的第二线性检测组而言，位于第五直径线两侧的第二线性检测组均为5个，且一侧最中间的第二线性检测组同另一侧最中间的第二线性检测组位于同一直线。对沿第六直径线对称的第二线性检测组而言，位于第六直径线两侧的第二线性检测组均为5个，且一侧最中间的第二线性检测组同另一侧最中间的第二线性检测组位于同一直线。

进一步地，第三直径线和第四直径线之间的夹角为60°，第五直径线和第六直径线之间的夹角也为60°。

进一步地，每个第一线性检测组所具有的第一检测器的数量和每个第二线性检测组所具有的第二检测器的数量相同。第一检测器和第二检测器均位于多个同心圆的圆周上，多个同心圆的圆心位于车轮的转动轴心线。

进一步地，第一检测器和第二检测器均为应变片，第一检测器和第二检测器之间电连接并构成惠更斯全桥。

进一步地，测力装置还包括第三测力组件和第四测力组件。第三测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第三检测器间隔设置构成的第三线性检测组，第四测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第四检测器间隔设置构成的第四线性检测组。第三线性检测组和第四线性检测组二者的设置方向相垂直。

其中，当车轮仅有垂向力作用且垂向力作用点发生变化时，至少有一个第三测力组件的第三检测器之间的检测值相等或至少有一个第四测力组件的第四检测器之间的检测值相等。且车轮有横向力作用时，至少有一个第三测力组件的第三检测器或至少有一个第四测力组件的第四检测器处于高应力分布区。

进一步地，第三线性检测组和第四线性检测组均为多个，多个第三线性检测组和多个第四线性检测组均分别沿车轮的多条半径线设置。多个第三线性检测组沿第二直径线呈对称分布，多个第四线性检测组沿第一直径线呈对称分布。

进一步地，第三检测器和第四检测器均为应变片，第三检测器和第四检测器之间电连接并构成惠更斯全桥。

一种用于车轮的测力系统，其包括：数据处理装置、数据传输装置和上述的测力装置。数据传输装置分别同数据处理装置和测力装置通讯连接，以将由测力装置测得的数据传输至数据处理装置。

进一步地，数据传输装置包括：信号调制器、信号拾取头和信号解调器。信号调制器同测力装置通讯连接以对由测力装置测得的原始数据进行无线调制输出，信号调制器同信号拾取头通讯连接以利用信号拾取头接收由信号调制器输出的无线数据信号，信号拾取头同信号解调器通讯连接以将接收到的无线数据信号传输至信号解调器进行数据解调输出原始数据。

进一步地，测力系统的供电装置包括：电信号调制器、无线电力传送头和电信号解调器。电信号调制器同外部电源电连接，电信号解调器分别同数据处理装置、数据传输装置及测力装置电连接以对其进行供电。

一种利用上述测力装置测量车轮力的方法，其包括对信号做统一处理：

；

其中，为第一测力组件的输出信号，为第二测力组件的输出信号，为总的 输出信号。

一种利用上述测力装置测量车轮力的方法，其包括对信号做统一处理：

；

其中，为第三测力组件的输出信号，为第四测力组件的输出信号，为总的 输出信号。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的测力装置利用第一检测器和第二检测器对车轮进行径向监测，能够有效地反映出车轮所受到的垂向力以及垂向力的变化情况。由于第一线性检测组和第二线性检测组二者的设置方向相垂直，使得第一测力组件和第二测力组件能够全面地反映车轮在整个转动周期中所受到的垂向力情况，对车轮的车轮力的监控更加全面可靠。

在设置第一线性检测组的第一检测器和第二线性检测组的第二检测器时，使其满足“当车轮的垂向力保持恒定时，第一线性检测组和第二线性检测组的输出分别为以车轮的旋转周期为周期的正弦、余弦信号”这一条件，不仅能够使测量的数据准确度更高，同时还让后续的数据处理变得方便，使由测力装置测得的数据能够顺利解耦，以顺利反映出车轮力的变化。

总体而言，本发明实施例提供的测力装置能够对车轮力进行实时、精确监控，并且不会对车轮造成额外的损伤，有助于保证车轮持续稳定、安全地运行。

本发明实施例提供的测力系统能够对车轮力进行实时、精确监控，并且不会对车轮造成额外的损伤，能够在车辆运行的过程中对车轮的受力进行实时跟踪，有助于保证车辆持续稳定、安全地运行。

本发明实施例提供用于测量车轮力的方法能够方便的对车轮的车轮力进行监控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的测力装置的第一测力组件（第一部分）的示意图；

图2为本发明实施例提供的测力装置的第一测力组件（第二部分）的示意图；

图3为本发明实施例提供的测力装置的第二测力组件（第一部分）的示意图；

图4为本发明实施例提供的测力装置的第二测力组件（第二部分）的示意图；

图5为本发明实施例提供的测力装置的第一测力组件所对应的电桥示意图；

图6为本发明实施例提供的测力装置的第二测力组件所对应的电桥示意图；

图7为本发明实施例提供的测力装置的第三测力组件和第四测力组件的示意图；

图8为本发明实施例提供的测力装置的第三测力组件所对应的电桥示意图；

图9为本发明实施例提供的测力装置的第四测力组件所对应的电桥示意图；

图10为本发明实施例所提供的测力系统（部分）的示意图。

图标：P’1~12-半径线；1~8-第三检测器；9~16-第四检测器；17~96-第一检测器；97~176-第二检测器；200-信号调制器；300-信号拾取头；400-信号解调器；500-电信号调制器；600-无线电力传送头；700-电信号解调器；800-应变调理器；A、B、C、D、E、F-圆周。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1~4，本实施例提供一种用于车轮的测力装置。测力装置包括：第一测力组件和第二测力组件。

第一测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第一检测器间隔设置构成的第一线性检测组，第二测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第二检测器间隔设置构成的第二线性检测组。第一线性检测组和第二线性检测组二者的设置方向相垂直。

其中，当车轮的垂向力保持恒定时，第一线性检测组和第二线性检测组的输出分别为以车轮的旋转周期为周期的正弦、余弦信号。

测力装置利用第一检测器和第二检测器对车轮进行径向监测，能够有效地反映出车轮所受到的垂向力以及垂向力的变化情况。由于第一线性检测组和第二线性检测组二者的设置方向相垂直，使得第一测力组件和第二测力组件能够全面地反映车轮在整个转动周期中所受到的垂向力情况，对车轮的车轮力的监控更加全面可靠。

在设置第一线性检测组的第一检测器和第二线性检测组的第二检测器时，使其满足“当车轮的垂向力保持恒定时，第一线性检测组和第二线性检测组的输出分别为以车轮的旋转周期为周期的正弦、余弦信号”这一条件，不仅能够使测量的数据准确度更高，同时还让后续的数据处理变得方便，使由测力装置测得的数据能够顺利解耦，以顺利反映出车轮力的变化。

需要说明的是，“第一线性检测组和第二线性检测组二者的设置方向相垂直”并不仅仅包括第一线性检测组和第二线性检测组二者绝对处于垂直关系的情况，还包含存在一定误差的情况，这个误差控制在二者夹角增/减5°的范围（即：85°~95°）。

总体而言，测力装置能够对车轮力进行实时、精确监控，并且不会对车轮造成额外的损伤，有助于保证车轮持续稳定、安全地运行。

进一步地，第一线性检测组和第二线性检测组均为多个，多个第一线性检测组和多个第二线性检测组均分别沿车轮的多条半径线设置。多个第一线性检测组沿第一直径线呈对称分布，多个第二线性检测组沿第二直径线呈对称分布，第一直径线同第二直径线相垂直。

通过以上设计，使得第一检测器和第二检测器的有效检测范围更广，以全面真实地反映整个车轮所受到的垂向力情况，能够真实地体现出车轮所受到的垂向力的综合作用情况，反映出车轮的安全和稳定状态。

需要说明的是，“第一直径线同第二直径线相垂直”也并不仅仅包括二者绝对处于垂直关系的情况，还包含存在一定误差的情况，这个误差控制在二者夹角增/减5°的范围（即：85°~95°）。

此外，多个第一线性检测组中的一部分沿第三直径线呈对称分布，剩余部分沿第四直径线呈对称分布，第三直径线和第四直径线沿第一直径线对称设置。多个第二线性检测组中的一部分沿第五直径线呈对称分布，剩余部分沿第六直径线呈对称分布，第五直径线和第六直径线沿第二直径线对称设置。

具体的，对称分布于第三直径线两侧的多个第一线性检测组之间分别为均匀间隔设置，对称分布于第四直径线两侧的多个第一线性检测组之间也分别为均匀间隔设置。对称分布于第五直径线两侧的多个第二线性检测组之间分别为均匀间隔设置，对称分布于第六直径线两侧的多个第二线性检测组之间也分别为均匀间隔设置。

请具体参照图1~4，对沿第三直径线（半径线P’5和半径线P’11所在直径线）对称的第一线性检测组而言，位于第三直径线两侧的第一线性检测组均为5个。一侧分别为：

包含第一检测器17、第一检测器18、第一检测器19和第一检测器20的第一线性检测组（沿半径线P’4设置）；

包含第一检测器21、第一检测器22、第一检测器23和第一检测器24的第一线性检测组（沿半径线P’3设置）；

包含第一检测器25、第一检测器26、第一检测器27和第一检测器28的第一线性检测组（沿半径线P’2设置）；

包含第一检测器29、第一检测器30、第一检测器31和第一检测器32的第一线性检测组（沿半径线P’1设置）；以及

包含第一检测器33、第一检测器34、第一检测器35和第一检测器36的第一线性检测组（沿半径线P’12设置）。

以上5个第一线性检测组之间的夹角均为30°。

另一侧分别为：

包含第一检测器37、第一检测器38、第一检测器39和第一检测器40的第一线性检测组（沿半径线P’10设置）；

包含第一检测器41、第一检测器42、第一检测器43和第一检测器44的第一线性检测组（沿半径线P’9设置）；

包含第一检测器45、第一检测器46、第一检测器47和第一检测器48的第一线性检测组（沿半径线P’8设置）；

包含第一检测器49、第一检测器50、第一检测器51和第一检测器52的第一线性检测组（沿半径线P’7设置）；以及

包含第一检测器53、第一检测器54、第一检测器55和第一检测器56的第一线性检测组（沿半径线P’6设置）。

以上5个第一线性检测组之间的夹角均为30°（相邻两条半径线之间的夹角为30°）。

其中，半径线P’2和半径线P’8位于同一直线，且半径线P’2和半径线P’8均同第三直径线垂直。

进一步地，对沿第四直径线（半径线P’3和半径线P’9所在直径线）对称的第一线性检测组而言，位于第四直径线两侧的第一线性检测组均为5个。一侧分别为：

包含第一检测器57、第一检测器58、第一检测器59和第一检测器60的第一线性检测组（沿半径线P’2设置）；

包含第一检测器61、第一检测器62、第一检测器63和第一检测器64的第一线性检测组（沿半径线P’1设置）；

包含第一检测器65、第一检测器66、第一检测器67和第一检测器68的第一线性检测组（沿半径线P’12设置）；

包含第一检测器69、第一检测器70、第一检测器71和第一检测器72的第一线性检测组（沿半径线P’11设置）；以及

包含第一检测器73、第一检测器74、第一检测器75和第一检测器76的第一线性检测组（沿半径线P’10设置）。

以上5个第一线性检测组之间的夹角均为30°。

另一侧分别为：

包含第一检测器77、第一检测器78、第一检测器79和第一检测器80的第一线性检测组（沿半径线P’8设置）；

包含第一检测器81、第一检测器82、第一检测器83和第一检测器84的第一线性检测组（沿半径线P’7设置）；

包含第一检测器85、第一检测器86、第一检测器87和第一检测器88的第一线性检测组（沿半径线P’6设置）；

包含第一检测器89、第一检测器90、第一检测器91和第一检测器92的第一线性检测组（沿半径线P’5设置）；以及

包含第一检测器93、第一检测器94、第一检测器95和第一检测器96的第一线性检测组（沿半径线P’4设置）。

以上5个第一线性检测组之间的夹角均为30°（相邻两条半径线之间的夹角为30°）。

其中，半径线P’12和半径线P’6位于同一直线，且半径线P’12和半径线P’6均同第四直径线垂直。

进一步地，对沿第五直径线（半径线P’2和半径线P’8所在直径线）对称的第二线性检测组而言，位于第五直径线两侧的第二线性检测组均为5个。一侧分别为：

包含第二检测器97、第二检测器98、第二检测器99和第二检测器100的第二线性检测组（沿半径线P’1设置）；

包含第二检测器101、第二检测器102、第二检测器103和第二检测器104的第二线性检测组（沿半径线P’12设置）；

包含第二检测器105、第二检测器106、第二检测器107和第二检测器108的第二线性检测组（沿半径线P’11设置）；

包含第二检测器109、第二检测器110、第二检测器111和第二检测器112的第二线性检测组（沿半径线P’10设置）；以及

包含第二检测器113、第二检测器114、第二检测器115和第二检测器116的第二线性检测组（沿半径线P’9设置）。

以上5个第二线性检测组之间的夹角均为30°。

另一侧分别为：

包含第二检测器117、第二检测器118、第二检测器119和第二检测器120的第二线性检测组（沿半径线P’7设置）；

包含第二检测器121、第二检测器122、第二检测器123和第二检测器124的第二线性检测组（沿半径线P’6设置）；

包含第二检测器125、第二检测器126、第二检测器127和第二检测器128的第二线性检测组（沿半径线P’5设置）；

包含第二检测器129、第二检测器130、第二检测器131和第二检测器132的第二线性检测组（沿半径线P’4设置）；以及

包含第二检测器133、第二检测器134、第二检测器135和第二检测器136的第二线性检测组（沿半径线P’3设置）。

以上5个第二线性检测组之间的夹角均为30°（相邻两条半径线之间的夹角为30°）。

其中，半径线P’11和半径线P’5位于同一直线，且半径线P’11和半径线P’5均同第五直径线垂直。

进一步地，对沿第六直径线（半径线P’6和半径线P’12所在直径线）对称的第二线性检测组而言，位于第六直径线两侧的第二线性检测组均为5个。一侧分别为：

包含第二检测器137、第二检测器138、第二检测器139和第二检测器140的第二线性检测组（沿半径线P’11设置）；

包含第二检测器141、第二检测器142、第二检测器143和第二检测器144的第二线性检测组（沿半径线P’10设置）；

包含第二检测器145、第二检测器146、第二检测器147和第二检测器148的第二线性检测组（沿半径线P’9设置）；

包含第二检测器149、第二检测器150、第二检测器151和第二检测器152的第二线性检测组（沿半径线P’8设置）；以及

包含第二检测器153、第二检测器154、第二检测器155和第二检测器156的第二线性检测组（沿半径线P’7设置）。

以上5个第二线性检测组之间的夹角均为30°。

另一侧分别为：

包含第二检测器157、第二检测器158、第二检测器159和第二检测器160的第二线性检测组（沿半径线P’5设置）；

包含第二检测器161、第二检测器162、第二检测器163和第二检测器164的第二线性检测组（沿半径线P’4设置）；

包含第二检测器165、第二检测器166、第二检测器167和第二检测器168的第二线性检测组（沿半径线P’3设置）；

包含第二检测器169、第二检测器170、第二检测器171和第二检测器172的第二线性检测组（沿半径线P’2设置）；以及

包含第二检测器173、第二检测器174、第二检测器175和第二检测器176的第二线性检测组（沿半径线P’1设置）。

以上5个第二线性检测组之间的夹角均为30°（相邻两条半径线之间的夹角为30°）。

其中，半径线P’9和半径线P’3位于同一直线，且半径线P’9和半径线P’3均同第六直径线垂直。

在本实施例中，第三直径线和第四直径线之间的夹角为60°，第五直径线和第六直径线之间的夹角也为60°。第一检测器和第二检测器均为应变片，第一检测器和第二检测器之间电连接并构成惠更斯全桥。其中，第一检测器17~96的电路示意图如图5所示，第二检测器97~176的电路示意图如图6所示。

在本实施例中，每个第一线性检测组所具有的第一检测器的数量均为4个，每个第二线性检测组所具有的第二检测器的数量也均为4个。其中，第一检测器和第二检测器分布于多个同心圆的圆周D、圆周F、圆周C和圆周E上，多个同心圆的圆心位于车轮的转动轴心线。

通过以上设计，能够全面、准确、高精度地对整个车轮所受到的垂向力进行实时监 控和测量。其中，第一测力组件所对应的电桥和第二测力组件所对应的电桥二者在几何上 的夹角和信号的相位差为90°，将第一测力组件所对应的电桥的输出记作，将第二测力 组件所对应的电桥的输出记作，定义总的输出信号为：。其中，仅包含车轮转频20倍以上的高次误差，圆周 方向的低阶误差被有效消除，保证了监控的精度。当垂向力保持恒定时，为定值；如果 车轮的垂向力发生变化，也将发生变化，此时只需通过监控的变化程度即可知晓 垂向力的变化情况，并对车轮的安全性做出对应判断。

请参阅图7，测力装置还包括第三测力组件和第四测力组件。第三测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第三检测器间隔设置构成的第三线性检测组，第四测力组件包括用于沿车轮的径向设置并由多个第四检测器间隔设置构成的第四线性检测组。第三线性检测组和第四线性检测组二者的设置方向相垂直。

其中，当车轮仅有垂向力作用且垂向力作用点发生变化时，至少有一个第三测力组件的第三检测器之间的检测值相等或至少有一个第四测力组件的第四检测器之间的检测值相等。且车轮有横向力作用时，至少有一个第三测力组件的第三检测器或至少有一个第四测力组件的第四检测器处于高应力分布区。

通过以上设计，能够利用第三测力组件和第四测力组件对车轮的横向力进行有效、实时、精准监控。

第三线性检测组和第四线性检测组均为多个，多个第三线性检测组和多个第四线性检测组均分别沿车轮的多条半径线设置。多个第三线性检测组沿第二直径线呈对称分布，多个第四线性检测组沿第一直径线呈对称分布。

具体的，如图7所示，对沿第二直径线（半径线P’4和半径线P’10所在直径线）对称的第三线性检测组而言，位于第二直径线两侧的第三线性检测组均为2个。一侧分别为：

包含第三检测器1和第三检测器2的第三线性检测组（沿半径线P’2设置）；

包含第三检测器3和第三检测器4的第三线性检测组（沿半径线P’12设置）。

以上2个第三线性检测组之间的夹角为60°。

另一侧分别为：

包含第三检测器5和第三检测器6的第三线性检测组（沿半径线P’8设置）；

包含第三检测器7和第三检测器8的第三线性检测组（沿半径线P’6设置）。

以上2个第三线性检测组之间的夹角为60°。

进一步地，对沿第一直径线（半径线P’1和半径线P’7所在直径线）对称的第四线性检测组而言，位于第一直径线两侧的第四线性检测组均为2个。一侧分别为：

包含第四检测器9和第四检测器10的第四线性检测组（沿半径线P’11设置）；

包含第四检测器11和第四检测器12的第四线性检测组（沿半径线P’5设置）。

以上2个第四线性检测组之间的夹角为60°。

另一侧分别为：

包含第四检测器13和第四检测器14的第四线性检测组（沿半径线P’9设置）；

包含第四检测器15和第四检测器16的第四线性检测组（沿半径线P’3设置）。

以上2个第四线性检测组之间的夹角为60°。

其中，第三检测器和第四检测器均为应变片，第三检测器和第四检测器之间电连接并构成惠更斯全桥。其中，第三检测器1~8的电路示意图如图8所示，第四检测器9~16的电路示意图如图9所示。第三检测器和第四检测器分布于两个同心圆的圆周A和圆周B上，两个同心圆的圆心位于车轮的转动轴心线。

通过以上设计，能够全面、准确、高精度地对整个车轮所受到的横向力进行实时监 控和测量。其中，第三测力组件所对应的电桥和第四测力组件所对应的电桥二者在几何上 的夹角和信号的相位差为90°，将第三测力组件所对应的电桥的输出记作，将第四测力组 件所对应的电桥的输出记作，定义总的输出信号为：。 其中，在车轮横向力保持恒定时，保持恒定，即其在圆周方向与车轮旋转角度解耦。于 是实现了对车轮所受的横向力的实时监控。如果车轮的横向力发生变化，也会相应发 生变化，此时只需通过监控的变化程度即可知晓横向力的变化情况，并对车轮的安全 性做出对应判断。

在本实施例中，应变片均直接粘贴在车轮的内侧。在本实施例中，使用的应变片的长度为5mm，宽度为2mm。当让，应变片的尺寸可以不同，可以根据车轮的实际大小来进行适应性调整。

综上所述，本发明实施例提供的测力装置能够对车轮力（横向力和垂向力）进行实时、精确监控，应变片的设置也不会对车轮造成额外的损伤，能够最大程度地保证车轮持续稳定、安全地运行。

请参阅图10，本实施例还提供一种用于车轮的测力系统。测力系统包括：数据处理装置、数据传输装置和上述的测力装置。数据传输装置分别同数据处理装置和测力装置通讯连接，以将由测力装置测得的数据传输至数据处理装置，以便于数据处理装置能够对由测力装置测得的数据进行统计分析，以全面直观地展现车轮力的变化情况，从而对车轮的运行状况和安全性实时作出判断。

进一步地，在本实施例中，测力装置的每个电桥还配置有一个应变调理器800。而数据传输装置包括：信号调制器200、信号拾取头300和信号解调器400。测力系统的供电装置包括：电信号调制器500、无线电力传送头600和电信号解调器700。其中，电信号调制器500同外部电源电连接，电信号调制器500将外部电源供给的电流调制成高频电，经无线电力传送头600通过电磁场方式无线传送至电信号解调器700，电信号解调器700解调出相应的电流为应变调理器800、信号调制器200、信号拾取头300和信号解调器400进行供电。当然，以上的一种或多种装置均可以选择其他的供电方式，例如：利用外部电源直接有线供电。

应变调理器800用于对其对应的桥路进行供电，并对桥路所输出的信号进行放大。由应变调理器800放大后的信号经信号调制器200进行调制，对输出信号进行高频载波处理（例如45MHz）并向外传送。信号拾取头300接收信号调制器200发出的高频信号传入信号解调器400。信号解调器400对高频信号解调输出原始桥路信号。原始桥路信号则被输入到数据处理装置进行数据统计分析，以供分析人员参考，实现对车轮的车轮力的实时监控。

其中，对车轮的转动角度的测量可以利用窄带反光条、反射式传感器和旋转编码器来实现，将窄带反光条设置在轮轴部，利用反射式传感器捕捉到的反射信号来对旋转编码器的转动角度进行实时导出，以确定车轮的实时旋转角度。

综上所述，测力系统能够对车轮力进行实时、精确监控，并且不会对车轮造成额外的损伤，能够在车辆运行的过程中对车轮的受力进行实时跟踪，有助于保证车辆持续稳定、安全地运行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种用于车轮的测力装置，其特征在于，包括：第一测力组件和第二测力组件；所述第一测力组件包括用于沿所述车轮的径向设置并由多个第一检测器间隔设置构成的第一线性检测组，所述第二测力组件包括用于沿所述车轮的径向设置并由多个第二检测器间隔设置构成的第二线性检测组；所述第一线性检测组和所述第二线性检测组二者的设置方向相垂直；

其中，当所述车轮的垂向力保持恒定时，所述第一线性检测组和所述第二线性检测组的输出分别为以所述车轮的旋转周期为周期的正弦、余弦信号。

2.根据权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述第一线性检测组和所述第二线性检测组均为多个，多个所述第一线性检测组和多个所述第二线性检测组均分别沿所述车轮的多条半径线设置；多个所述第一线性检测组沿第一直径线呈对称分布，多个所述第二线性检测组沿第二直径线呈对称分布，所述第一直径线同所述第二直径线相垂直。

3.根据权利要求2所述的测力装置，其特征在于，多个所述第一线性检测组中的一部分沿第三直径线呈对称分布，剩余部分沿第四直径线呈对称分布，所述第三直径线和所述第四直径线沿所述第一直径线对称设置；多个所述第二线性检测组中的一部分沿第五直径线呈对称分布，剩余部分沿第六直径线呈对称分布，所述第五直径线和所述第六直径线沿所述第二直径线对称设置。

4.根据权利要求3所述的测力装置，其特征在于，对称分布于所述第三直径线两侧的多个所述第一线性检测组之间分别为均匀间隔设置，对称分布于所述第四直径线两侧的多个所述第一线性检测组之间也分别为均匀间隔设置；对称分布于所述第五直径线两侧的多个所述第二线性检测组之间分别为均匀间隔设置，对称分布于所述第六直径线两侧的多个所述第二线性检测组之间也分别为均匀间隔设置。

5.根据权利要求4所述的测力装置，其特征在于，对沿所述第三直径线对称的所述第一线性检测组而言，位于所述第三直径线同一侧的相邻所述第一线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°；对沿所述第四直径线对称的所述第一线性检测组而言，位于所述第四直径线同一侧的相邻所述第一线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°；对沿所述第五直径线对称的所述第二线性检测组而言，位于所述第五直径线同一侧的相邻所述第二线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°；对沿所述第六直径线对称的所述第二线性检测组而言，位于所述第六直径线同一侧的相邻所述第二线性检测组之间所对应的圆心角的角度为30°。

6.根据权利要求4所述的测力装置，其特征在于，对沿所述第三直径线对称的所述第一线性检测组而言，位于所述第三直径线两侧的所述第一线性检测组均为5个，且一侧最中间的所述第一线性检测组同另一侧最中间的所述第一线性检测组位于同一直线；对沿所述第四直径线对称的所述第一线性检测组而言，位于所述第四直径线两侧的所述第一线性检测组均为5个，且一侧最中间的所述第一线性检测组同另一侧最中间的所述第一线性检测组位于同一直线；对沿所述第五直径线对称的所述第二线性检测组而言，位于所述第五直径线两侧的所述第二线性检测组均为5个，且一侧最中间的所述第二线性检测组同另一侧最中间的所述第二线性检测组位于同一直线；对沿所述第六直径线对称的所述第二线性检测组而言，位于所述第六直径线两侧的所述第二线性检测组均为5个，且一侧最中间的所述第二线性检测组同另一侧最中间的所述第二线性检测组位于同一直线。

7.根据权利要求4所述的测力装置，其特征在于，所述第三直径线和所述第四直径线之间的夹角为60°，所述第五直径线和所述第六直径线之间的夹角也为60°。

8.根据权利要求4所述的测力装置，其特征在于，每个所述第一线性检测组所具有的所述第一检测器的数量和每个所述第二线性检测组所具有的所述第二检测器的数量相同；所述第一检测器和所述第二检测器均位于多个同心圆的圆周上，多个所述同心圆的圆心位于所述车轮的转动轴心线。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的测力装置，其特征在于，所述第一检测器和所述第二检测器均为应变片，所述第一检测器和所述第二检测器之间电连接并构成惠更斯全桥。

10.根据权利要求1~8任意一项所述的测力装置，其特征在于，所述测力装置还包括第三测力组件和第四测力组件；所述第三测力组件包括用于沿所述车轮的径向设置并由多个第三检测器间隔设置构成的第三线性检测组，所述第四测力组件包括用于沿所述车轮的径向设置并由多个第四检测器间隔设置构成的第四线性检测组；所述第三线性检测组和所述第四线性检测组二者的设置方向相垂直；

其中，当所述车轮仅有垂向力作用且垂向力作用点发生变化时，至少有一个所述第三测力组件的所述第三检测器之间的检测值相等或至少有一个所述第四测力组件的所述第四检测器之间的检测值相等；且所述车轮有横向力作用时，至少有一个所述第三测力组件的所述第三检测器或至少有一个所述第四测力组件的所述第四检测器处于高应力分布区。

11.根据权利要求10所述的测力装置，其特征在于，所述第三线性检测组和所述第四线性检测组均为多个，多个所述第三线性检测组和多个所述第四线性检测组均分别沿所述车轮的多条半径线设置；多个所述第三线性检测组沿所述第二直径线呈对称分布，多个所述第四线性检测组沿所述第一直径线呈对称分布。

12.根据权利要求11所述的测力装置，其特征在于，所述第三检测器和所述第四检测器均为应变片，所述第三检测器和所述第四检测器之间电连接并构成惠更斯全桥。

13.一种用于车轮的测力系统，其特征在于，包括：数据处理装置、数据传输装置和如权利要求1~12任意一项所述的测力装置；所述数据传输装置分别同所述数据处理装置和所述测力装置通讯连接，以将由所述测力装置测得的数据传输至所述数据处理装置。

14.根据权利要求13所述的测力系统，其特征在于，所述数据传输装置包括：信号调制器、信号拾取头和信号解调器；所述信号调制器同所述测力装置通讯连接以对由所述测力装置测得的原始数据进行无线调制输出，所述信号调制器同所述信号拾取头通讯连接以利用所述信号拾取头接收由所述信号调制器输出的无线数据信号，所述信号拾取头同所述信号解调器通讯连接以将接收到的无线数据信号传输至所述信号解调器进行数据解调输出所述原始数据。

15.根据权利要求13所述的测力系统，其特征在于，所述测力系统的供电装置包括：电信号调制器、无线电力传送头和电信号解调器；所述电信号调制器同外部电源电连接，所述电信号解调器分别同所述所述数据处理装置、数据传输装置及所述测力装置电连接以对其进行供电。

16.一种根据权利要求1~9任意一项所述的测力装置测量车轮力的方法，其特征在于，包括利用对信号做统一处理：

；

其中，为所述第一测力组件的输出信号，为所述第二测力组件的输出信号， 为总的输出信号。

17.一种根据权利要求10~12任意一项所述的测力装置测量车轮力的方法，其特征在于，包括对信号做统一处理：

；

其中，为所述第三测力组件的输出信号，为所述第四测力组件的输出信号， 为总的输出信号。