專利名稱：力轉(zhuǎn)換器以及包括該力轉(zhuǎn)換器的臺(tái)秤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳遞和測(cè)量沿著三個(gè)正交軸線的線性力和關(guān)于三個(gè) 正交軸線的力矩的裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種特別適用于測(cè)量在 諸如風(fēng)道的測(cè)試環(huán)境中的測(cè)試樣品上的力和力矩。
背景技術(shù)：
下面的討論僅僅提供一般的背景信息，而并不意味著作為確定所要求 的主題內(nèi)容的范圍的輔助內(nèi)容。
精確和準(zhǔn)確的力和力矩的負(fù)荷測(cè)量，對(duì)許多應(yīng)用來說是非常重要的。 需要測(cè)量數(shù)個(gè)力矩和力的常見應(yīng)用是在風(fēng)道中的樣品的測(cè)試中。測(cè)試樣品 可放置在位于風(fēng)道的凹坑中的臺(tái)秤上。該臺(tái)秤適用于接納車輛或其它大型 測(cè)試樣品，而不僅僅是車輛的比例(按比例縮小的)模型。實(shí)際車輛，而 不是車輛的比例模型，允許設(shè)計(jì)者確定原型體的實(shí)際測(cè)量值，而不僅僅是 推理測(cè)量值。如果測(cè)試樣品是帶有車輪的車輛，那么臺(tái)秤就可裝設(shè)有旋轉(zhuǎn) 車輪的滾動(dòng)帶，這樣才能夠顯著地提高測(cè)量的精度。
力和力矩的六個(gè)分量作用于風(fēng)道中的臺(tái)秤上的測(cè)試樣品上。這六個(gè)分 量已知為升力、拉力、側(cè)力、俯仰力矩、偏轉(zhuǎn)力矩和滾動(dòng)力矩。這些作用 于測(cè)試樣品上的力矩和力通常由對(duì)這些分量靈敏的轉(zhuǎn)換器分解為力的三 個(gè)分量和力矩的三個(gè)分量。每個(gè)轉(zhuǎn)換器裝有傳感器，如應(yīng)變計(jì)，它們組合
連接而形成惠斯通(Wheatstone)橋電路。通過適當(dāng)?shù)剡B接這些傳感器， 形成的惠斯通電橋電路的不平衡能夠分解為力三個(gè)分量和力矩三個(gè)分量 的讀數(shù)。
臺(tái)秤往往易于受到不同測(cè)試環(huán)境的物理特性的影響，測(cè)試環(huán)境在沒有 附加補(bǔ)償?shù)那闆r下可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不精確性。例如，風(fēng)道中溫度的瞬變 能夠?qū)е屡_(tái)秤的熱膨脹，這樣會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不利的影響。此外，大型測(cè)
試樣品易于對(duì)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生較大的推力負(fù)荷，這樣就能產(chǎn)生不精確的測(cè)量。 因此，就存在一種持續(xù)的需求，來開發(fā)出一種適用于大型測(cè)試樣品的臺(tái)秤。

發(fā)明內(nèi)容
以下的概括和總結(jié)是為了以簡(jiǎn)單的形式介紹一些構(gòu)思，所述構(gòu)思將在 后面的詳細(xì)說明中進(jìn)一步描述。這里的概括和總結(jié)不是為了確定所要求的 主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不是作為確定所要求的主題的范圍的輔助 內(nèi)容。此外，這里所提供的說明內(nèi)容和所要求的主題不應(yīng)當(dāng)被解釋為旨在 解決所討論的背景技術(shù)的任何缺點(diǎn)。
本發(fā)明涉及一種適于使用具有以下特征的轉(zhuǎn)換器在多個(gè)方向上傳遞 力和力矩的臺(tái)秤。所述臺(tái)秤適用于支撐諸如風(fēng)道的測(cè)試環(huán)境中的諸如大型 車輛的測(cè)試樣品。所述臺(tái)秤包括框形支架和至少三個(gè)與框形支架相連接的 間隔開的轉(zhuǎn)換器。每個(gè)轉(zhuǎn)換器對(duì)于兩個(gè)正交的傳感軸線是靈敏的。轉(zhuǎn)換器 配合用于提供表示相對(duì)于至少兩個(gè)正交軸線的力和力矩的信號(hào)。在一個(gè)例 子中，框形支架包括第一周邊框架和第二周邊框架。該例子中的臺(tái)秤包括 將第一周邊框架與第二周邊框架相連接的四個(gè)間隔開的轉(zhuǎn)換器。對(duì)兩個(gè)正 交傳感軸線靈敏的轉(zhuǎn)換器不會(huì)受到框形支架的熱膨脹的影響，并抑制在對(duì) 三個(gè)正交傳感軸線靈敏的轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的較大推力負(fù)荷。
本發(fā)明還涉及一種轉(zhuǎn)換器主體，該轉(zhuǎn)換器主體具有沿著柔量
(compliance)的軸線與傳感器主體連接的支架。所述傳感器主體適于關(guān) 于兩個(gè)正交的傳感軸線偏轉(zhuǎn)，所述傳感軸線與柔量的軸線相互正交。在一 個(gè)方面中，支架包括沿著柔量的軸線設(shè)置在傳感器主體相反側(cè)的一對(duì)半 鉤。撓曲組件連接到傳感器主體和一個(gè)或多個(gè)支架上。每個(gè)撓曲組件沿著 柔量的軸線是柔性的，而沿著與柔量的軸線相互正交的軸線是剛性的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的臺(tái)秤的平面圖。
圖2是具有附加特征并適用于接納測(cè)試樣品的圖1所示臺(tái)秤的正視圖。
圖3是圖2所示臺(tái)秤的正視圖，并具有示例性測(cè)試樣品。
圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的并包含于圖1所示臺(tái)秤中的轉(zhuǎn)換器的俯視圖。
圖5是圖4所示轉(zhuǎn)換器的前視圖。
圖6是圖4所示轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖。
圖7是圖4所示轉(zhuǎn)換器的局部放大視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的另一個(gè)轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的另一個(gè)轉(zhuǎn)換器的前視圖。
圖10是圖9所示的轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的又一個(gè)轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖。
圖12是典型的扭矩傳感電路。
圖13是撓性樞軸承的透視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的公開涉及傳遞和測(cè)量沿著三個(gè)正交軸線方向的線性力和關(guān) 于三個(gè)正交軸線的力矩的裝置和結(jié)構(gòu)。包括附圖在內(nèi)的公開內(nèi)容參考了多 個(gè)解釋性實(shí)例描述了一種臺(tái)秤和所包含的轉(zhuǎn)換器。例如，該公開相對(duì)于固 定于下面所述的多部分轉(zhuǎn)換器組件上的框形支架進(jìn)行。但是，應(yīng)當(dāng)注意本 發(fā)明也可以在其它的裝置或結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換器中實(shí)施。本發(fā)明相對(duì)于框形支架 和轉(zhuǎn)換器組件進(jìn)行描述僅用于示例說明的目的。可以構(gòu)思其它的例子，并 在下面提及，或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想象得到其它的例子。本發(fā)明的 保護(hù)范圍并不僅限于這些少量的示例，即本發(fā)明所述的實(shí)施例。相反，本 發(fā)明的保護(hù)范圍通過參考權(quán)利要求進(jìn)行限定。可對(duì)包括沒有公開的可替換 的設(shè)計(jì)的例子進(jìn)行修改，仍然落在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
本發(fā)明的臺(tái)秤10的典型的實(shí)施例如圖l一3所示。在所示的實(shí)施例中， 臺(tái)秤10可包括第一框形支架12和第二框形支架14。多個(gè)轉(zhuǎn)換器組件16 (這里為四個(gè)，但是可以使用三個(gè)或更多個(gè)的任何數(shù)量)將第一框形支架 12與第二框形支架14相連接。臺(tái)秤10可用于測(cè)量作用于標(biāo)稱上較大重 量或質(zhì)量的諸如車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)等的測(cè)試樣品上的力和力矩?？蛐沃?架12和14是標(biāo)稱上無(wú)應(yīng)力的反作用框架，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括雙軸力轉(zhuǎn) 換器。在臺(tái)秤10中可設(shè)置不同等級(jí)的撓曲隔離以能提供增強(qiáng)的靈敏性，
同時(shí)標(biāo)稱上支撐較大的質(zhì)量。
參考圖4一6，其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器組件用40表示，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器組件 16優(yōu)選相似地構(gòu)成。轉(zhuǎn)換器組件40包括傳感器主體42和掛鉤組件44。 掛鉤組件44包括第一半鉤46和第二半鉤48。傳感器主體42設(shè)置在半鉤 46和48之間，并用合適的緊固件連接在一起。在圖示的實(shí)施例中，緊固 件包括螺栓或螺桿50，所述螺栓或螺桿50分別延伸通過半鉤48、傳感器 主體42和半鉤46的孔48A， 42A和46A。螺母51設(shè)置在螺桿50的端部 53上，特級(jí)螺母52擰到螺桿50的端部54上。多個(gè)固定螺釘56延伸通 過螺母52中的孔以接合半鉤46的端部。固定螺釘56的緊固允許有效地 實(shí)現(xiàn)高的夾緊壓力，并且在每個(gè)固定螺釘56上具有減小的轉(zhuǎn)矩值，而不 是通過使用螺母52本身。應(yīng)當(dāng)注意雖然掛鉤46和48的中心部分圍繞 孑L46A、 42A和48A接合或接觸傳感器主體42的中心部分，但是另一方 面空隙設(shè)置在半鉤46和48中和每一個(gè)與傳感器主體42之間，從而允許 傳感器主體42能夠相對(duì)于半鉤46和48移動(dòng)。
傳感器主體42優(yōu)選是整體的，由單個(gè)整體材料塊形成。傳感器主體 42包括脊形中心轂60，在此包括孔42A，和與中心轂60同心或圍繞中心 轂60設(shè)置的脊形周邊主體62。多個(gè)撓曲結(jié)構(gòu)64 (這里是撓曲梁64，但 是可以使用其它的形式)將中心轂60與周邊主體62相連接。在圖示的實(shí) 施例中，多個(gè)撓曲梁64包括四個(gè)帶條71、 72、 73和74。每個(gè)帶條71 — 74沿著相對(duì)應(yīng)的縱向軸線71A、 72A、 73A和74A從中心轂60徑向延伸 到周邊主體62。優(yōu)選地，軸線71A與軸線73A對(duì)準(zhǔn)，而軸線72A與軸線 74A對(duì)準(zhǔn)。此外，軸線71A和73A垂直于軸線72A和74A。雖然圖示中 的撓曲梁64的數(shù)量為四個(gè)，但是應(yīng)該理解三個(gè)或更多個(gè)的任何數(shù)量的帶 條可用于連接中心轂60和周邊主體62。優(yōu)選地，撓曲梁64繞85所示的
中心軸線以等角度的間隔間隔開。
撓曲部件81、 82、 83和84分別將每個(gè)撓曲梁71—74的端部與周邊 主體62相連接。撓曲部件81—84沿著相對(duì)應(yīng)的縱向軸線71A—74A相對(duì) 每個(gè)相對(duì)應(yīng)的撓曲梁71—74的移位是柔性的。在圖示的實(shí)施例中，撓曲 部件81 — 84是相同的，并且包括一體形成的撓曲帶條86和88。撓曲帶 條86和88位于每個(gè)縱向軸線71A—74A的相反側(cè)，并連接到相對(duì)應(yīng)的撓 曲梁71 — 74和周邊主體62。
傳感裝置測(cè)量傳感器主體42的部分的移位或變形。在圖示的主體中， 多個(gè)應(yīng)變傳感器90安裝在撓曲梁64上以感應(yīng)其中的應(yīng)變。雖然多個(gè)傳感 器90可位于多個(gè)撓曲梁64上以提供剪切應(yīng)力的指示，在圖示實(shí)施例中， 應(yīng)變傳感器按傳統(tǒng)安裝以提供表示撓曲梁64中的彎曲應(yīng)力的輸出信號(hào)。 在圖示的實(shí)施例中，在每個(gè)轉(zhuǎn)換器40的傳感器主體42上設(shè)置八個(gè)應(yīng)變傳 感器，其中形成兩個(gè)常規(guī)的惠斯通電橋。第一惠斯通電橋或傳感電路按慣 例由設(shè)置在撓曲梁71和73上的應(yīng)變傳感器形成，而第二惠斯通電橋或傳 感電路是由設(shè)置在撓曲梁72和74上的應(yīng)變傳感器形成的。在另一個(gè)實(shí)施 例中，獨(dú)立的惠斯通電橋可在在每個(gè)撓曲梁71-74上形成，所述電橋的輸 出可以按照本領(lǐng)域內(nèi)的公知技術(shù)被組合。多個(gè)傳感器90可包括阻抗應(yīng)變 儀(resistive strain gauge)。但是，其它形式的傳感裝置，如基于光學(xué)或基 于電容的傳感器也可以用于測(cè)量撓曲梁64的變形或移位，如果需要也可 測(cè)量傳感器主體42的其它部分，如每個(gè)帶條86和88的變形或移位。
來自傳感裝置的輸出信號(hào)表示在中心轂60和周邊主體62之間以兩個(gè) 自由度傳遞的力分量。出于解釋的目的，可以定義一個(gè)坐標(biāo)系97，其中X 軸線97A與縱向軸線71A和73A對(duì)準(zhǔn)；Z軸線97B與垂直軸線72A和74A 對(duì)準(zhǔn)，Y軸線97C與軸線85對(duì)準(zhǔn)。
在圖示的實(shí)施例中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器組件16測(cè)量?jī)蓚€(gè)力。更具體地說， 沿X軸線的力被測(cè)量作為在撓曲梁72和74中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，因?yàn)閾锨?梁71和73端部上的撓曲部件81和83在這個(gè)方向上是柔性的(compliant)。 同樣，沿Z軸線的力被測(cè)量作為在撓曲梁71和73中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，因 為撓曲梁72和74端部上的撓曲部件82和84在這個(gè)方向上是柔性的。
由于設(shè)置在掛鉤組件44上的撓曲的緣故，轉(zhuǎn)換器40沿著軸線85也 是柔性的。在圖示的實(shí)施例中，掛鉤組件44是由大體上相同的半鉤46和 48形成的。在圖示的實(shí)施例中，傳感器42是轉(zhuǎn)換器主體的"內(nèi)部部件"， 可以構(gòu)思其它實(shí)施例。例如，也可以使用單個(gè)半鉤本身。而且，可以使用 作為與兩個(gè)傳感器相連接的內(nèi)部部件的單個(gè)半鉤，這也將在下面參考圖8 進(jìn)行描述。
在圖示的實(shí)施例中，每個(gè)半鉤46和48包括中心轂102和剛性外部主
體104，在圖示的實(shí)施例中，孔46A和48A穿過中心轂102。撓曲機(jī)構(gòu)將 剛性中心轂102與外部主體104相連接。在圖示的實(shí)施例中，多個(gè)撓曲帶 條106設(shè)有從中心轂102延伸到外部主體104的第一部分104A的第一對(duì) 撓曲帶條111和112，和從中心轂102延伸到主體104的第二部分104B 的第二對(duì)撓曲帶條113和114。但是，應(yīng)當(dāng)注意，如果需要，其它形式的 撓曲部件或機(jī)構(gòu)可用在剛性轂102和外部主體104之間，以允許沿軸線 85的柔量。這些形式可包括諸如隔膜的其它的整體撓曲機(jī)構(gòu)，或具有諸如 滑動(dòng)或樞軸連接等柔性連接的多部件組件。
參考圖l一3，每個(gè)轉(zhuǎn)換器組件40的傳感器主體42連接到框形支架 12，而每個(gè)轉(zhuǎn)換器組件40的每個(gè)半鉤46和48連接到框形支架14。在圖 示的實(shí)施例中，安裝板120用于將傳感器主體42連接到框形支架12，而 安裝板122用于將半鉤46和48連接到框形支架14。這樣，框形支架12 提供了內(nèi)周邊框架，而框形支架14提供了外周邊框架。安裝板120和122 的使用允許框形支架12和14被嵌套，由此減小了臺(tái)秤IO的整體高度。
每個(gè)框形支架12和14包括形成在周邊中的連續(xù)中空盒形梁，以提供 相應(yīng)的剛性組件?？蛐沃Ъ?2將傳感器主體42相對(duì)于彼此保持在適當(dāng)?shù)?位置，而框形支架14將掛鉤組件44相對(duì)于彼此保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。剛?盒形框架部件124也可以如圖所示設(shè)置在支撐框架12中。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，來自每個(gè)轉(zhuǎn)換器組件16的每個(gè)雙軸傳 感電路的輸出能夠進(jìn)行組合以感應(yīng)或提供表示在六個(gè)自由度上作用于臺(tái) 秤上的力和力矩的輸出。應(yīng)當(dāng)注意掛鉤組件44的撓曲機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)換器16 以與撓曲部件81 — 84在傳感器主體42中提供柔性的方式相似的方式進(jìn)行 操作。
用于臺(tái)秤10的坐標(biāo)系在圖1和2中用131表示。來自轉(zhuǎn)換器組件40A 和40C的輸出信號(hào)用于測(cè)量沿X軸的力，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器組件40B和40D在 這個(gè)方向上是柔性的。同樣，來自轉(zhuǎn)換器組件40B和40D的輸出信號(hào)用 于測(cè)量沿Y軸的力，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器組件40A和40C在這個(gè)方向上是柔性的。 來自所有轉(zhuǎn)換器組件40A—40D的輸出用于測(cè)量沿Z軸的力。關(guān)于X軸 的傾覆力矩從來自轉(zhuǎn)換器40A和40C的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；而關(guān)于Y軸 的傾覆力矩從來自轉(zhuǎn)換器40B和40D的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；關(guān)于Z軸的
傾覆力矩從來自轉(zhuǎn)換器40A—40D的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。處理器180接收 來自轉(zhuǎn)換器40的傳感電路的輸出信號(hào)以根據(jù)需要通常相對(duì)于正交坐標(biāo)系 131計(jì)算力和/或力矩。
如上所述，臺(tái)秤可包括四個(gè)雙軸轉(zhuǎn)換器組件。這種特別的設(shè)計(jì)比具有 四個(gè)三軸線(或更多軸線)轉(zhuǎn)換器組件的實(shí)施例具有優(yōu)勢(shì)。除了抑制在實(shí) 驗(yàn)室或風(fēng)道溫度瞬變過程中框架12和14相對(duì)于彼此的熱膨脹外，臺(tái)秤10 不必抑制作用在四個(gè)轉(zhuǎn)換器組件中每一個(gè)上的相對(duì)較大的推力負(fù)荷(掛鉤 撓曲組件在推力(沿著軸線86)下都非常柔軟，因此在施加X或Y側(cè)負(fù) 荷時(shí)將負(fù)荷散布到兩個(gè)正交的雙軸轉(zhuǎn)換器組件上)。與在三個(gè)或三個(gè)以上 軸線的轉(zhuǎn)換器組件中，如果組件試圖反作用于和測(cè)量關(guān)于臺(tái)秤在四個(gè)轉(zhuǎn)換 器組件位置處的推力相比，這允許臺(tái)秤10對(duì)于在每個(gè)雙軸傳感器主體42 中的四個(gè)傳感撓曲帶條更加優(yōu)化地進(jìn)行調(diào)整。這種設(shè)計(jì)允許橫軸尺寸和正 交撓曲梁的I/c獨(dú)立地改變以便最優(yōu)化靈敏度。例如，兩個(gè)帶條的厚度可 以比其它兩個(gè)帶條的厚度厚，并且厚度是可改變的。如果轉(zhuǎn)換器組件是三 軸線轉(zhuǎn)換器，并且這種情況發(fā)生時(shí)，相互成一直線的兩個(gè)梁將會(huì)更具剛性， 并從正交的一對(duì)中產(chǎn)生不同的輸出，因此使傳感器異常地運(yùn)轉(zhuǎn)且具有偏離 軸線或組合負(fù)載。因?yàn)闆]有第二彎曲應(yīng)力張量——所述第二彎曲應(yīng)力張量 將會(huì)在與內(nèi)中心轂連接的梁根上在附加軸線上增加彎曲，所以不需要測(cè)量 推力和對(duì)推力反作用也允許較高的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。而且以更大的絕對(duì)和 測(cè)量的分量相對(duì)于彼此的可量測(cè)性的跨距，提供更高的靈敏度、更高的分 辨率和更高的信噪比。
在另一個(gè)實(shí)施例中，超程停止機(jī)構(gòu)設(shè)置在每個(gè)轉(zhuǎn)換器組件16中以便 防止對(duì)傳感器主體42或掛鉤組件44的撓曲機(jī)構(gòu)產(chǎn)生損害?；貋韰⒖紙D4 一6，設(shè)置一個(gè)或更多個(gè)銷140，以便限制傳感器主體42相對(duì)于掛鉤組件 44的移位。在圖示的實(shí)施例中，孔46B、 48B、 42B分別設(shè)置在半鉤46 和48以及傳感器主體42中。例如，銷140通過例如壓配合固定到傳感器 主體42上以便銷140的延伸部分延伸到半鉤46和48的孔46B和48B中， 并標(biāo)稱上與其內(nèi)壁間隔開。如果傳感器主體42的可位移部分的位移超過 相對(duì)于半鉤46和48的主體的期望位移，銷140的延伸部分將會(huì)接觸設(shè)置 在半鉤46和/或48中的孔46B和/或48B的內(nèi)壁，由此將傳感器主體
42的周邊主體62與半鉤46和48的外部主體104相連接，以便防止對(duì)撓 曲帶條或機(jī)構(gòu)的損壞。注意周邊主體62可適當(dāng)?shù)嘏c半鉤46和/或48 間隔開，以便提供超程保護(hù)。特別是，如果沿軸線85的移位超過所選擇 的距離時(shí)，周邊主體62會(huì)接合半鉤46和/或48。
雖然傳感器主體42和半鉤46和48可以用任何合適的材料形成，但 是，在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器主體42由鋼制成，而半鉤由鋁制成。每個(gè) 銷140可由硬化的鋼形成，如果必要，硬化襯套可設(shè)置在半鉤46和48的 孔46B和48B內(nèi)，以接合銷140的遠(yuǎn)端部分。應(yīng)當(dāng)注意銷140的延伸部 分可設(shè)有相對(duì)于柄部153的彎曲或球形表面151，如圖7所示，以保證銷 140與形成在半鉤46和48中的孔46B和48B的內(nèi)壁的分布接觸。
還應(yīng)當(dāng)注意根據(jù)期望的應(yīng)用，傳感器主體42和半鉤可形成單個(gè)整體。
圖8示出了轉(zhuǎn)換器，即轉(zhuǎn)換器40'和相應(yīng)主體的可選實(shí)施例。同樣的 部件用相同的附圖標(biāo)號(hào)表示。在本實(shí)施例中，圖4一6中的其中一個(gè)半鉤 46變?yōu)閮?nèi)部部件。圖4一6中的兩個(gè)傳感器部件42變?yōu)榘脬^。在該例子 中，與前面例子不同，內(nèi)部部件沒有安裝儀器(instruments相反，前面
例子中的傳感器部件結(jié)構(gòu)安裝有傳感器，但是在本實(shí)施例中，用作半鉤。 合適的傳感器，如應(yīng)變儀90仍然連接到部件42。圖示的例子包括的傳感 器90的數(shù)量是圖4一6的實(shí)施例中的兩倍。為了提供可使用的輸出，在每 個(gè)轉(zhuǎn)換器中傳感器信號(hào)能夠被組合，例如通過在惠斯通電橋中將信號(hào)組合 或求和，像在本領(lǐng)域公知的一樣。圖8中的構(gòu)造比圖4一6所示的實(shí)施例 在Y方向(如坐標(biāo)系所示)上更有剛性。但是，圖4一6所示的實(shí)施例在 關(guān)于X軸的力矩上比圖8中的實(shí)施例的力矩更具剛性。
而圖9和圖10示出轉(zhuǎn)換器，即轉(zhuǎn)換器40"和相應(yīng)主體的另一個(gè)實(shí)施例。 相同的部件用相同的附圖標(biāo)號(hào)表示。傳感器主體42置于半鉤46C和48C 之間，所以轉(zhuǎn)換器40"類似于上述轉(zhuǎn)換器40;然而，在本實(shí)施例中，半鉤 46C和48C是其中不含撓曲部件的堅(jiān)固的剛性支撐結(jié)構(gòu)。正如上述實(shí)施例 所述，轉(zhuǎn)換器40"為兩軸感應(yīng)組件，所述兩軸感應(yīng)組件用于當(dāng)給傳感器主 體42提供了適合的傳感器裝置時(shí)，感應(yīng)沿著X軸97A和Z軸97B的力， 同時(shí)對(duì)沿著Y軸97C的力不敏感或是柔性的。尤其，撓曲組件147A和
147B(這里體現(xiàn)為相對(duì)薄的撓曲板)，允許傳感器主體42和半鉤46C、 48C 沿著Y軸97C自由移動(dòng)，在該方向上是柔性的，但對(duì)于沿著X軸97A和 Z軸97B方向傳遞力負(fù)載基本上是剛性的。如圖所示，盡管能夠使用一個(gè) 或任意數(shù)量的板，但是每個(gè)撓曲組件147A、 147B可包括兩個(gè)柔性板153。 撓曲組件147A通過安裝塊155與傳感器主體42相連接，并例如通過安裝 塊147與框形支架12相連接。相似地，撓曲組件147B通過掛鉤連接塊 159與半鉤46C、 48C相連接，并通過例如安裝塊161與框架14相連接。 如果需要，撓曲組件147A和147B可用于這里所述的所有實(shí)施例。在另 一個(gè)實(shí)施例中，撓曲組件147A和147B還可包括橫向撓曲組件169 (與板 153垂直地安裝在塊147、 155、 159和161上)，這允許柔性板153更薄 并因此更柔性化。
緊固件(例如包括螺桿50和上述其他部件的緊固件)將半鉤46C、 48C與傳感器主體42相連接。應(yīng)當(dāng)注意到盡管半鉤46C和48C的中心部 分將接合或接觸傳感器主體42的中心部分，另一方面在半鉤46C和48C 中的每個(gè)與傳感器主體42之間設(shè)置間隙，以便允許傳感器主體42相對(duì)于 半鉤46C和48C移動(dòng)。在所示的一個(gè)實(shí)施例中，半鉤46C、 48C和連接塊 159是緊固在一起的分立部件，以便當(dāng)半鉤46C、 48C與傳感器主體42相 連接時(shí)半鉤46C、 48C不產(chǎn)生彈力。尤其，傳感器主體42首先通過緊固 件與半鉤46C、 48C相連接，然后半鉤與連接塊159連接在一起。
如果需要，這里所述的任何實(shí)施例都能夠包括扭矩傳感器，以測(cè)量關(guān) 于通過將傳感器主體與一個(gè)掛鉤或多個(gè)掛鉤相連接的連接器延伸的軸的 扭矩。如果需要，感測(cè)到的扭矩值可用于補(bǔ)償，以減小傳感器的串?dāng)_或補(bǔ) 償梁的剛度或轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，。
以示例的方式參考圖9和圖10的實(shí)施例，扭矩可包括適用于測(cè)量傳 感器主體42的彎曲應(yīng)變的傳感器。例如，傳感器可包括以如圖12所示的 惠斯通電橋形式連接的應(yīng)變計(jì)170。然而，應(yīng)當(dāng)理解，任何公知的以電、 機(jī)械和/或光為基礎(chǔ)的傳感器的形式都可采用。
圖ll示出轉(zhuǎn)換器，即轉(zhuǎn)換器40，"和相應(yīng)主體的可替代的實(shí)施例。相 同的部件用相同的附圖標(biāo)號(hào)表示。在本實(shí)施例中，在圖9-10中的兩個(gè)傳 感器部件42變?yōu)榘脬^。在本示例中，與之前的示例不同，內(nèi)部組件163
沒有裝備儀器，并且也是剛性的。與圖8的實(shí)施例相類似，傳感器部件結(jié) 構(gòu)42裝備有傳感器并用作半鉤，撓性組件147A和147B提供在前面的實(shí) 施例中所述的橫向柔性，但是不包括橫向撓曲件169 (如果需要也可以包 括橫向撓曲件169)。合適的傳感器(例如應(yīng)變計(jì)90)仍與部件42相連接。 在每個(gè)上述實(shí)施例中，傳感器主體42在其中心部分與相應(yīng)的一個(gè)或 多個(gè)支撐掛鉤牢固地連接。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，可在傳感器主體42 和一個(gè)掛鉤或多個(gè)掛鉤之間設(shè)置樞軸連接。所述樞軸連接消除了轉(zhuǎn)換器的 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。
在如圖13所示的一個(gè)實(shí)施例中，撓性樞軸承171可代替緊固件50使 用，以允許傳感器主體42關(guān)于通過傳感器主體42和一個(gè)或多個(gè)支撐掛鉤 延伸的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然而，如上所述，傳感器主體42感應(yīng)在兩個(gè)正交方向上 的力。撓性樞軸承是己知的，例如由美國(guó)紐約的Riverhawk Company of New Hartford出售的撓性樞軸承。撓性樞軸承171適合用于連接到部分 173A的傳感器主體，同時(shí)單個(gè)支撐掛鉤與部分173B相連接。在存在兩個(gè) 支撐掛鉤(傳感器主體)的實(shí)施例中，使用雙端撓性樞軸承(doubled ended flexure pivot bearing),其中兩個(gè)部分173B設(shè)置在部分173A的每一側(cè)并 與掛鉤(傳感器主體)固定。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其他形式的樞 軸連接也可以采用，例如(但不限于)空氣軸承、滾針軸承和液體靜壓軸 承。
臺(tái)秤10特別適用于測(cè)量在諸如風(fēng)道的環(huán)境中作用在諸如車輛的大型 樣品上的力和/或力矩。在這種或類似的應(yīng)用中，臺(tái)秤10可包括將框形 支架12和14與測(cè)試樣品和地面支撐機(jī)構(gòu)相隔離的撓曲件170。在圖示的 實(shí)施例中，四個(gè)撓曲件170設(shè)置在與板120相連接的各個(gè)轉(zhuǎn)換器組件40 之間。同樣，四個(gè)撓曲件172連接到安裝板122。由此，撓曲件170、 172 隔離框形支架12和14。撓曲件170、 172通常與每個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器組件 40的傳感器主體42對(duì)齊。
通常設(shè)置平衡系統(tǒng)或組件來支撐測(cè)試樣品、操作環(huán)境(諸如路面)的 其它部件以及臺(tái)秤自身的模擬器和元件的標(biāo)稱靜質(zhì)量。平衡系統(tǒng)可采用多 種形式中的任何一種形式，如氣囊，水壓或氣壓裝置，或具有滑輪的纜繩 和配重。平衡系統(tǒng)的重要特征在于它非常具有柔性，以致不會(huì)妨礙轉(zhuǎn)換器
組件40對(duì)力的測(cè)量或靈敏度，從而能夠測(cè)量作用在測(cè)試樣品上的所有力 和力矩。在圖示的實(shí)施例中，平衡系統(tǒng)用致動(dòng)器190示意性地表示。
臺(tái)秤IO特別適用于測(cè)量在風(fēng)道中的車輛或其它大型測(cè)試樣品上的力。 在這種應(yīng)用中，滾動(dòng)通路帶182由與撓曲部件170相連接的中間框架184 支撐。滾動(dòng)通路帶182支撐車輛輪胎。在一些實(shí)施例中，單個(gè)通路帶可用 于車輛的所有輪胎。臺(tái)秤10和滾動(dòng)通路帶組件182位于凹坑中，并安裝 到轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)186上以允許測(cè)試樣品(例如車輛)有選擇地相對(duì)于風(fēng)道中的 風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
已經(jīng)參考幾個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明。盡管主題已經(jīng)由針對(duì)特定的結(jié)構(gòu) 特征和/或方法行為的語(yǔ)言進(jìn)行描述，但應(yīng)當(dāng)理解由所附的權(quán)利要求限定 的主題，正如法庭所支持的，不限于上述特定的特征或行為。相反，上述 特定的特征和行為是作為實(shí)施所述權(quán)利要求的示例形式公開的。
權(quán)利要求
1.一種適于在多個(gè)方向上傳送力和力矩的臺(tái)秤，所述臺(tái)秤包括框形支架；以及與所述框形支架相連接的至少三個(gè)間隔開的轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器關(guān)于兩個(gè)正交的傳感軸線是靈敏的，其中所述至少三個(gè)間隔開的轉(zhuǎn)換器配合用于提供表示相對(duì)于所述至少兩個(gè)正交軸線的力和力矩的信號(hào)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換器主體，包括支架；以及傳感器主體，所述傳感器主體沿著柔量的軸線連接支架，其中傳感器主體適于關(guān)于兩個(gè)正交傳感軸線偏轉(zhuǎn)，其中所述傳感軸線與柔量的軸線相互正交；以及與傳感器主體相連接的第一撓曲組件和與所述支架相連接的第二撓曲組件，每個(gè)所述第一撓曲組件和第二撓曲組件沿著柔量的軸線是柔性的，沿著與柔量軸線相垂直的軸線是剛性的。
2. 如權(quán)利要求l所述的臺(tái)秤，其中所述框形支架包括第一周邊框架 和第二周邊框架，其中所述至少三個(gè)間隔開的轉(zhuǎn)換器包括將第一周邊框架 與第二周邊框架相連接的四個(gè)間隔開的轉(zhuǎn)換器。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的臺(tái)秤，還包括第一組撓曲部件和第二組 撓曲部件，所述第一組撓曲部件與第一周邊框架連接且適于接合地面支 架，所述第二組撓曲部件與第二周邊框架連接且適于接合測(cè)試樣品。
4. 如權(quán)利要求3所述的臺(tái)秤，其中所述第二組撓曲部件與帶框架連 接，所述帶框架適于接合帶輪的測(cè)試樣品。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的臺(tái)秤，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括與第二周邊 框架連接的傳感器主體和與第一周邊框架連接的支架，所述傳感器主體與 所述支架連接，其中所述支架在柔量的軸線上是柔性的，所述柔量的軸線 正交于每個(gè)轉(zhuǎn)換器的傳感軸線。
6. 如權(quán)利要求5所述的臺(tái)秤，其中所述支架包括兩個(gè)半鉤，所述兩 個(gè)半鉤沿著柔量的軸線布置在傳感器主體的相反側(cè)。
7. 如權(quán)利要求6所述的臺(tái)秤，其中所述第一周邊框架連接兩個(gè)半鉤。
8. 如權(quán)利要求5所述的臺(tái)秤，其中所述支架包括單個(gè)掛鉤，所述單 個(gè)掛鉤沿著柔量的軸線布置在傳感器主體的一側(cè)。
9. 如權(quán)利要求2-8所述的臺(tái)秤，其中所述第一和第二周邊框架包括盒 形梁。
10. 如權(quán)利要求2-8所述的臺(tái)秤，其中所述第一和第二周邊框架是嵌 套的。
11. 如權(quán)利要求2-8所述的臺(tái)秤，其中所述框形支架包括與轉(zhuǎn)換器連 接的加強(qiáng)框架。
12. 如權(quán)利要求ll所述的臺(tái)秤，其中所述加強(qiáng)框架直接與第一周邊 框架連接。
13. —種轉(zhuǎn)換器主體，包括 支架；以及傳感器主體，所述傳感器主體沿著柔量的軸線連接到支架，其中傳感 器主體適于關(guān)于兩個(gè)正交傳感軸線偏轉(zhuǎn)，且其中所述傳感軸線與柔量的軸 線相互正交；以及與傳感器主體相連接的第一撓曲組件和與所述支架相連接的第二撓 曲組件，每個(gè)所述第一撓曲組件和第二撓曲組件沿著柔量的軸線是柔性 的，而沿著與柔量軸線相垂直的軸線是剛性的。
14. 如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述支架包括一對(duì)半鉤， 所述一對(duì)半鉤沿著柔量的軸線布置在傳感器主體的相反側(cè)。
15. 如權(quán)利要求13或14所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述傳感器主體包 括圍繞間隔開的中心轂分布的大致為剛性的周邊部件，其中至少三個(gè)撓曲 部件將所述周邊部件連接到所述中心轂，其中所述撓曲部件圍繞中心轂以 大致相等的角度間隔彼此間隔開。
16. 如權(quán)利要求15所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述傳感器主體包括四 個(gè)撓曲部件。
17. 如權(quán)利要求15所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述中心轂連接到所述 支架。
18. 如權(quán)利要求13-17所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述傳感器主體適于接納多個(gè)傳感器。
19. 如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述支架包括柔性部件， 所述轉(zhuǎn)換器主體還包括第二傳感器主體，所述第二傳感器主體沿著柔量的 軸線布置在柔性部件的與所述第一傳感器主體相反的一側(cè)。
20. 如權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述半鉤是剛性的，并 連接在一起。
21. 如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器主體，其中所述支架包括剛性部件， 且所述轉(zhuǎn)換器主體還包括第二傳感器主體，所述第二傳感器主體沿著柔量 的軸線布置在所述剛性部件的與所述第一傳感器主體相反的一側(cè)，所述的 第一傳感器主體與第二傳感器主體連接在一起。
22. 如權(quán)利要求13-21所述的轉(zhuǎn)換器主體，還包括樞軸連接，所述樞軸連接將傳感器主體與所述支架相連接，允許所述傳感器主體相對(duì)于所述 支架關(guān)于通過所述傳感器主體和所述支架延伸的軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)換器(40、40’、40”、40”’)包括具有沿著柔量的軸線與傳感器主體(42)相連接的支架(46、48、46C、48C)的轉(zhuǎn)換器主體。傳感器主體(42)適于關(guān)于兩個(gè)正交傳感軸線偏轉(zhuǎn)，其中所述傳感軸線與柔量的軸線相互正交。撓曲組件(147A、147B)與傳感器主體(42)和一個(gè)或多個(gè)支架(46、48、46C、48C)相連接。每個(gè)撓曲組件(147A、147B)沿著柔量的軸線是柔性的，而沿著與柔量的軸線相垂直的軸線是剛性的。
文檔編號(hào)G01M9/00GK101171502SQ200680014970
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者伊恩·T·孔斯, 理查德·A·邁耶, 道格拉斯·J·奧爾森 申請(qǐng)人:Mts系統(tǒng)公司