智能型轮毂轴承单元系统的制作方法

本实用新型涉及轮毂轴承单元结构，尤其是一种智能型轮毂轴承单元系统。

背景技术：

轮毂轴承是汽车的关键零部件之一,它的主要作用是承载重量和为轮毂的转动提供精确引导,这就要求它不仅能承受轴向载荷还要承受径向载荷。现有的轮毂轴承无法智能得判断车辆的运行状态，无法对车辆做出安全预警和状态监测，存在缺陷。

技术实现要素：

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种可监控、可预紧的智能型轮毂轴承单元系统。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种智能型轮毂轴承单元系统，主要包括车轮、减震器、制动盘、轮毂轴承单元、驱动轴、转向节、拉杆和下臂，车轮与制动盘均通过螺栓与轮毂轴承单元锁紧连接，轮毂轴承单元通过螺栓与转向节锁紧连接，轮毂轴承单元通过中心螺母与驱动轴锁紧连接，转向节通过螺栓锁紧连接减震器，转向节通过螺栓与拉杆锁紧连接，转向节通过螺栓与下臂锁紧连接，从而构成了车轮总成，减震器、拉杆和下臂均与车辆底盘相连接，轮毂轴承单元包括外圈与法兰盘，外圈与转向节连接于车辆底盘，法兰盘与制动盘、车轮连接。所述外圈上设有温度传感器和振动加速度传感器，温度传感器位于外圈的上方位，靠近于车辆的底盘端，振动加速度传感器包括振动加速度传感器a、振动加速度传感器b和振动加速度传感器c，振动加速度传感器c位于外圈的下方位，靠近于车辆的底面端，振动加速度传感器a和振动加速度传感器b分别位于外圈靠近车身前段的前方位和靠近车身后端的后方位。

所述法兰盘上设有载荷传感器，载荷传感器包括载荷传感器a、载荷传感器b、载荷传感器c和载荷传感器d，载荷传感器a、载荷传感器b、载荷传感器c和载荷传感器d均匀布置于每两个螺栓孔之间。

所述转向节上设有位移传感器。

本实用新型有益的效果是：本实用新型结构通过多个传感器的集成，满足了对车辆轮端的速度、加速度、温度、载荷、刚度等的全方位监控，从而识别车辆的运行状态，实现对车辆做出安全预警、状态监测与底盘的动力状态优化等控制，使得车辆的安全性更高，操控性更好。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是轮毂轴承单元结构示意图；

图3是温度传感器和振动加速度传感器装配示意图；

图4是载荷传感器装配示意图；

图5是外圈集成传感器位置图；

图6是法兰盘上传感器布置图；

图7是位移传感器布置图；

图8是4个载荷传感器的载荷与应变的标定曲线图；

图9是载荷传感器标定示意图；

图10是电阻式应变传感器标定方法安装示意图；

图11是直线撞击示意图；

图12是侧向撞击示意图；

图13是车辆在不同路面行驶示意图；

图14是车辆在不同路面像是载荷波形对比图；

图15是轮速信号测量原理图；

图16是依据载荷监测轮端是否被抱死示意图。

附图标记说明：车轮1，减震器2，制动盘3，轮毂轴承单元4，外圈4-1，法兰盘4-2，驱动轴5，转向节6，拉杆7，下臂8，温度传感器9，振动加速度传感器10，振动加速度传感器a10-1，振动加速度传感器b10-2，振动加速度传感器c10-3，载荷传感器11，载荷传感器a11-1，载荷传感器b11-2，载荷传感器c11-3，载荷传感器d11-4，位移传感器12，车轮总成13。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图所示，这种智能型轮毂轴承单元系统，主要包括车轮1、减震器2、制动盘3、轮毂轴承单元4、驱动轴5、转向节6、拉杆7和下臂8，车轮1与制动盘3均通过螺栓与轮毂轴承单元4锁紧连接，轮毂轴承单元4通过螺栓与转向节6锁紧连接，轮毂轴承单元4通过中心螺母与驱动轴5锁紧连接，转向节6通过螺栓锁紧连接减震器2，转向节6通过螺栓与拉杆7锁紧连接，转向节6通过螺栓与下臂8锁紧连接，从而构成了车轮总成13，减震器2、拉杆7和下臂8均与车辆底盘相连接，轮毂轴承单元4包括外圈4-1与法兰盘4-2，外圈4-1与转向节6连接于车辆底盘，属于非旋转类零件，法兰盘4-2与制动盘3、车轮1连接，属于旋转类零件。外圈4-1上设有温度传感器9和振动加速度传感器10，温度传感器9位于外圈4-1的上方位，靠近于车辆的底盘端，温度传感器9通过埋入式固定在外圈4-1上，采用有线连接方式，把测量到的轮毂轴承单元温度信号传输出去。振动加速度传感器10包括振动加速度传感器a10-1、振动加速度传感器b10-2和振动加速度传感器c10-3，振动加速度传感器c10-3位于外圈4-1的下方位，靠近于车辆的底面端，振动加速度传感器a10-1和振动加速度传感器b10-2分别位于外圈4-1靠近车身前段的前方位和靠近车身后端的后方位，3个振动加速度传感器10通过粘贴式或磁吸式固定在外圈4-1上，均采用有线连接方式，把测量到的振动信号传输出去。

法兰盘4-2上设有载荷传感器11，载荷传感器11包括载荷传感器a11-1、载荷传感器b11-2、载荷传感器c11-3和载荷传感器d11-4，载荷传感器a11-1、载荷传感器b11-2、载荷传感器c11-3和载荷传感器d11-4均匀布置于每两个螺栓孔之间，载荷传感器11通过粘贴式固定在法兰盘4-2上，采用无线方式进行信号传输。在转向节6上布置了无线信号接收器，进行法兰盘4-2上无线信号通讯接收。

转向节6上设有位移传感器12，位移传感器12通过螺栓拧紧固定于转向节6上，位移传感器测量为激光式非接触式测量，测量光路直接与制动盘3的盘面相对，该传感器与车轮中间线的间距为l，在车轮总成13受载时能够进行车轮端的位移变形或倾角的测量。

集成的温度传感器9属于一种绝对测量，直接测量轮端的温度，直接信号传输至中央处理器。集成的振动加速度传感器10直接进行采集，直接测量轮端的振动加速度，直接信号传输至中央处理器。

集成的载荷传感器11采用电阻式应变片，载荷传感器a11-1、载荷传感器b11-2、载荷传感器c11-3和载荷传感器d11-4粘贴于旋转类法兰盘4-2上，进行标定的方法步骤如下：

(1)把智能轮毂轴承单元系统安装于所应用的汽车底盘上，如图9所示，旋转车轮，使得电阻式应变片载荷传感器a11-1位于竖直方向正上方，如图10所示。

(2)在车轮方向逐步施加轴向载荷f，形成一个弯矩载荷m＝f*r，其中r为车轮半径，从而逐步获得m值与应变ε的关系式：

m＝aε+b

式中，a、b为标定系数

如图8所示，为4个载荷传感器的载荷与应变的标定曲线

(3)依据上式获得m值与应变ε的关系后，可直接对轮端载荷m进行实时测量，当电阻式应变片c3-1随着车轮法兰盘一起旋转时，在竖直方向受载荷最大，其他方位逐渐减小。

载荷呈现正弦曲线变化：

m＝mo*sin((2π/t)*t)

式中：mo为弯矩幅值，t为转速周期，t为实时时间。

(4)同理，其他载荷传感器b11-2、载荷传感器c11-3、载荷传感器d11-4应变片也是按此方法进行标定后应用。

集成的位移传感器12属于一种绝对测量，直接测量轮端的位移，直接信号传输至中央处理器。

本实用新型是一个采用轮毂轴承单元上集成的多传感器进行轮端工况信号的采集、传送至中央处理器分析、反馈控制的闭环系统。该系统所涵盖的功能包括如下：

1、安全预警

(1)制动问题预警

在轮端进行制动的过程中，因异常制动或制动失效带来异常高温，通过温度传感器9能够被感知，正常制动范围内的轮毂轴承单元测量工作温度to＝170℃，当制动过程中短暂时间段范围内实测温度超出170+30＝200℃，预示着制动出现异常，通过中央处理器进行安全预警提示，需要对制动器进行检修，以防因制动异常带来安全事故。

(2)过载荷预警

因驾驶员驾驶不当或路面工况的突变对轮端导致的异常过载，通过载荷传感器11与振动加速度传感器10可被感知到，如下三种异常工况均容易导致过载：

i)车辆自身严重超载

因对车辆的使用不当，超出了车辆的预设承载设计能力，如超出20％的承载能力，通过载荷传感器11能被感知。如mo＝3.6kn.m，当超过该值时，预示着出现了超载现象，需要重新检查，以防带来安全事故。

ii)直线撞击

车轮以非常高速的车速直线行驶撞击路面凹坑或凸起，如图11所示。

这时，对车轮总成可能造成塑性损伤，通过载荷传感器11能够感知到异常的冲击脉冲，该瞬时脉冲载荷一旦超出mo值时，如mo＝4.5kn.m，当超过该值时将作为一个安全预警的前提条件，同时，结合振动加速度传感器10可进行振动加速度分析，当轮端收到损伤，如轮毂轴承单元滚道塑性变形或车轮变形，均会导致振动加速度传感器10所感知的加速度值异常增加，并超出设定范围，如设定要求ao＝5g，超出2倍ao时进行安全预警，需要对轮端进行检修。

iii)侧向撞击

车轮以非常高速的车速直线行驶，因对方向盘的把控不准，导致撞击道路路肩，如图12所示。

这时，对车轮总成可能造成塑性损伤，通过载荷传感器11能够感知到异常的冲击脉冲，该瞬时脉冲载荷一旦超出mo值时，如mo＝4.5kn.m，当超过该值时将作为一个安全预警的前提条件，同时，结合振动加速度传感器10可进行振动加速度分析，当轮端收到损伤，如轮毂轴承单元滚道塑性变形或车轮变形，均会导致振动加速度传感器10所感知的加速度值异常增加，并超出设定范围，如设定要求ao＝5g，超出2倍ao时进行安全预警，需要对轮端进行检修。

(3)裂纹预警

因轮端过载、异常冲击等外部工况均容易导致轮端的结构件发生失效，并形成结构裂纹，例如在车轮1、轮毂轴承单元4或驱动轴5等任意一个部件的裂纹失效，均会导致轮端位移大幅度增加，引起轮端系统的刚度下降，轮端系统的刚度分析计算融合了载荷传感器11与位移传感器12采集到的信号，对该信号的分析方法如下：

i)实时采集的载荷传感器11信号为m，实时采集的位移传感器12信号为s，该传感器与车轮中心线的间距为l

ii)刚度计算:

倾角计算：θ＝arctan(s/l)

刚度计算：k＝m/θ

ii)预警

当实测的刚度值k低于预设的刚度值ko时，进行安全预警，表明裂纹已经萌生，为防止扩展并发生安全事故，应接受到预警后及时停止行驶。

2、舒适性控制

当车辆在平直路面与坑洼路面行驶所带来的乘客舒适性不同，如图13所示为两种不同路面的行驶状态。

当车辆在两种不同的路面下行驶时，载荷传感器11所采集的波形特征会存在显著的差异，如图14所示。

当载荷m的纵坐标超过预设的moo时，由中央控制器发出控制指令，对减震器2的阻尼进行调控，依据如下动力学模型：

w为轮端质量矩阵；

c为轮端阻尼矩阵；

k为轮端刚度矩阵；

f(t)为外界激励，平直路面与坑洼路面所导致的外界激励不同；

x(t)为因外界激励f(t)引起的振动加速度、速度、位移响应；

通过改变减震器2的阻尼，来调整轮端的阻尼c，从而使得在坑洼路面外界激励下所获得的x(t)振幅尽可能的小，该振幅通过振动加速度传感器10也可以被侦测到而进行识别判断阻尼的调整效果。

3、维护提示

依据于第2点中的(3)裂纹预警中的刚度分析功能，具备对整车轮端全运行周期的刚度监测，因车辆在动态运行中轮毂轴承单元4滚道磨损、驱动轴5向预紧的衰减会引起轮端刚度的下降，可设定一个刚度阈值k1，当在整车运行至某个里程数如150000km时，实测刚度k下降低于k1，提示驾驶员进行车辆维护。

4、abs轮速传感器的功能替代

采用载荷传感器11进行轮端实时载荷的监测时，具备提取轮速信号的功能，该功能可替代现有市场上所采用的abs轮速传感器，信号系统识别出安装于法兰盘4上的载荷传感器11的信号特征，载荷信号周期为t，然后根据如下公式可进行轮速计算：

n＝1/t

当制动过程中，因制动轮端不发生旋转时(被载荷传感器11识别抱死特征，如图16所示)，为防止车轮被抱死，可联合制动单元进行防抱死控制。

本实用新型对轮毂轴承单元4进行了多个传感单元模块的集成，使得轮毂轴承单元4具备了对轮端温度、轮端转速、轮端振动加速度、轮端载荷、扭矩、刚度信号的获取采集，并传送车辆中央控制器，进行信号分析，对车辆的运行状态做出调控、安全预警等功能，能够实现对整车进行安全预警、舒适性控制、维护提示、abs轮速传感器的替代。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。