车轮端部监测装置、紧固件和方法与流程

车轮端部监测装置、紧固件和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2019年10月9日提交的美国临时申请号62/912,955的权益，在此通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
2.本公开涉及车辆车轮端部，并且更具体地，涉及对车轮端部的夹紧部件的监测。


背景技术：

3.紧固件(例如螺钉、螺栓和螺柱)用于在物体之间形成连接。物体通过紧固件内产生的张力保持在一起。如果释放张力(例如，如果螺柱上的螺母松动)，物体可能会分离并可能导致连接失效。例如，在商业卡车运输中，螺柱用于将车轮(包括车轮轮辋和一个或多个轮胎)连接到车轮轮毂。具体而言，将车轮定位在轮毂的螺柱上，其中凸耳螺母与螺柱接合，并且将凸耳螺母向下扭转以将车轮固定到轮毂上。向螺母施加扭矩的过程会张紧螺柱，并导致螺柱的柄部或主体略微伸长。
4.施加到商用卡车的凸耳螺母上的扭矩，以及由此产生的螺柱中的张力，对于提供耐用的车轮和轮毂的结构非常重要。如果张力太低，则车轮可能会断开连接，或可能发生渐进式故障，例如配合表面的磨损、轮毂导向器的磨损，和/或螺柱疲劳。如果张力太高，则轮毂的螺柱可能会屈服和/或断裂。此外，过大的螺柱张力可能会导致轮毂中出现不希望的应力。
5.由于在将车轮安装到轮毂上时所施加的初始扭矩，商用车辆轮毂的螺柱中的张力可能过高或过低。在其他情况下，尽管凸耳螺母以适量的扭矩拧紧，但螺柱中的张力可能会随着时间的推移而变化。有许多环境因素可能导致螺柱中的张力随着时间的推移而释放，该因素包括例如振动、冲击和温度变化。
6.螺柱张力指示系统可供驾驶员车队操作员监控螺柱张力。例如，在重型卡车车轮端部的情况下，一些系统包括螺母旋转指示器，其允许驾驶员视觉识别车轮轮毂的螺母的旋转方向的变化，这将指示螺柱张力的损失。更具体地说，如果车轮上的任何螺母松动，螺母旋转指示器将明显与车轮上的其他螺母旋转指示器不对齐。从而提醒驾驶员注意由于螺柱上的螺母松动，而导致的螺柱中的张力的可能损失。然而，这些螺母旋转指示器无法在车辆运行期间向驾驶员或车队操作员提供实时张力信息。这些螺母旋转指示器不指示具体的张力值。此外，如果车轮轮毂的螺柱已经屈服并且已经开始塑性变形(这可能是由于相关联的螺母的过度拧紧而发生的)，这些螺母旋转指示器无法提醒驾驶员。


技术实现要素：

7.根据本公开的一个方面，提供了一种用于车辆的车轮端部监测装置。该车轮端部监测装置包括车轮轮毂，该车轮轮毂被配置为接收车轮轮辋并与其一起被夹紧。该车轮轮毂可包括例如车轮轮毂主体、螺柱和螺母。该车轮端部监测装置还包括电源、至少一个传感
器和通信电路，它们可与夹紧的车轮轮毂和车轮轮辋一起旋转。至少一个传感器被配置为检测夹紧的车轮轮毂和车轮轮辋的至少一个特性。至少一个特性指示夹紧的车轮轮毂和车轮轮辋的夹紧。通信电路被配置为将与至少一个特性相关联的数据无线地通信到外部设备。由通信电路通信的数据可以包括，例如从至少一个传感器的换能器输出的信号(例如电压)、夹紧的车轮轮毂和车轮轮辋的至少一个特性、警报和/或从至少一个特性得出的结论(例如车轮轮毂部件的预计寿命)。以这种方式，车轮端部监测装置可以便利于在车辆运行期间当车轮轮毂和车轮轮辋处于静止或旋转时，通过车载系统和/或远程基于云的计算系统对夹紧的车轮轮毂和车轮轮辋实时监测。
8.此外，外部设备可以包括车辆的网关。从通信电路到外部设备的无线通信可以是需要有限能耗的短程无线通信。网关可以连接到车辆的电气系统，并且利用来自车辆的电力来为到广域无线网络(例如蜂窝电话网络)的远程无线通信提供电力。因此，该网关通过经由短程无线信号从通信电路接收数据，并使用来自车辆的电力将数据传输到广域无线网络，而允许由电源提供的电力最小化。
9.在一个实施例中，电源被配置为从车轮轮毂的旋转收集电力。例如，车辆主轴可以具有安装到其上的磁体，并且电源包括安装在车轮轮毂上的线圈，当车轮轮毂围绕车辆主轴旋转时，该线圈旋转通过磁体的磁场。作用在线圈上的变化的磁场感应出电能在线圈中流动。电源可以包括用于存储收集的电能的电池，以及向传感器和通信电路供电的电源电路。因此，该电源在车轮轮毂上提供电源，以供至少一个传感器和通信电路使用。
10.在另一方面，提供了一种车轮端部监测装置，其包括具有安装部分的车轮轮毂以及车轮轮毂的多个螺柱，该螺柱从安装部分突出以将车轮轮辋安装到车轮轮毂上。车轮端部监测装置包括车轮轮毂的螺母，该螺母被配置为螺纹接合螺柱，并将车轮轮辋和车轮轮毂安装部分夹紧在一起。螺柱具有可操作地联接到车轮轮毂的电源的传感器，该传感器被配置为检测螺柱的至少一个特性，该特性指示车轮轮辋和车轮轮毂的夹紧。因为在夹紧车轮轮辋和车轮轮毂的期间螺柱处于承受张力的状态，所以螺柱的至少一个特性可以是用于车轮轮辋和车轮轮毂之间的夹紧的一个或多个特性的高度准确的来源。车轮端部监测装置还包括通信电路，该通信电路被配置为将与至少一个特性相关联的数据通信到外部设备(例如车辆的网关)。
11.还提供了一种紧固件，其包括具有头部和主体的紧固件外壳。紧固件外壳的主体在主体张紧时伸长。紧固件外壳具有内部隔室和位于内部隔室中的位移构件。位移构件在主体张紧时移动。紧固件还包括位于内部隔室中的电容传感器，该电容传感器被配置为检测电容传感器和位移构件之间的电容。电容随着位移构件在主体张紧时的移动而变化。紧固件还包括通信电路，该通信电路可操作地联接到电容传感器，并且被配置为将与电容相关联的数据通信到远程设备。紧固件可用于多种应用，例如车轮轮毂的螺柱、用于将制动转子固定到车轮轮毂的紧固件，或用于将驱动轴连接到车轮轮毂的紧固件。
12.根据另一方面，提供了一种用于监测车辆的车轮端部部件的方法。车轮端部部件包括夹紧在一起的车轮轮毂和车轮轮辋。该方法包括通过电源为与车轮端部部件相关联的至少一个传感器供电。至少一个传感器和电源可与车轮端部部件一起旋转。该方法还包括通过至少一个传感器检测至少一个特性，该特性指示夹紧的车轮轮毂和车轮轮辋之间的夹紧。该方法还包括通过与车轮端部部件相关联并且可随其一起旋转的通信电路，将与至少
一个特性相关联的数据无线地通信到至少一个外部设备。以这种方式，该方法便利于使用在夹紧的部件上的传感器、电源和通信电路来监测车轮端部的可旋转的夹紧的部件的至少一个特性。
附图说明
13.图1示出了具有多个螺柱的车轮轮毂。
14.图2示出了在一个端部处具有螺母的螺柱。
15.图3示出了在图2的印刷电路板和螺柱的位移销之间产生的空气间隙。
16.图4是示出了图3的印刷电路板的实施例的框图，其具有电容传感器和单独的处理器。
17.图5是示出了图3的印刷电路板的实施例的框图，其具有电容传感器而没有单独的处理器。
18.图6、图7和图8示出了示例的印刷电路板架构。
19.图9是实现图2的螺柱的监控系统的系统图。
20.图10是螺柱的剖面图，螺柱具有内部位移销和接收在螺柱的内部隔室中的电路。
21.图11是图10的螺柱的分解图，其示出了夹在图10的电路的传感器电路板和数据通信电路板之间的电池。
22.图12是具有螺柱的车轮轮毂的示意图，每个螺柱具有传感器以检测螺柱中的张力，车轮轮毂还包括中央电源和通信电路，该通信电路向螺柱供电并将数据从螺柱通信到车轮轮毂外部的设备。
23.图13是具有带传感器的螺柱和不带传感器的螺柱的车轮轮毂的示意图。
具体实施方式
24.根据本公开的一个方面，提供了一种紧固件监测装置，其允许对例如车轮轮毂和车轮之间的连接的一个或多个紧固件的一个或多个特性进行数据确定，以及能够将关于一个或多个紧固件特性的数据无线传递给用户。一个或多个紧固件特性可以包括例如张力、应变、扭矩和/或长度。紧固件监测装置可以简化行前检查以及安装质量验证。
25.紧固件监测装置可以利用一个或多个紧固件的一个或多个特性来确定或促进远程计算机确定，车轮和车轮轮毂的构造的当前或预测的故障机制。例如，紧固件监测装置可以检测屈服螺柱失效模式，其中螺柱的材料由于螺柱拉伸过度而已经屈服。作为另一个示例，紧固件监测装置可以检测到张紧不足或过度张紧的螺柱，并提供用于车轮脱落、紧固件的渐进式故障、断裂的紧固件和高轮毂应力的早期警告系统。紧固件监测装置允许在相关联车辆处或远程地确定紧固件的一个或多个特性(包括在车辆运行期间)，从而改进维护计划，并有助于避免计划外的停机。
26.在一个实施例中，紧固件监测装置包括带有嵌入式电子器件的螺柱，该电子器件被设计成测量螺柱上的张力。这样的测量可以无线地通信到本地设备，例如手持设备或车辆电子控制单元(ecu)，或通信到远程计算机。作为一些示例，该通信可以是直接的的通信、通过本地网状网络的间接的的通信、和/或通过广域网的间接的通信。
27.在一个实施例中，紧固件监测装置包括商用卡车的车轮轮毂的多个螺柱，并且可
以通过一个或多个其他设备与车辆驾驶员和/或车队管理者通信。例如，在8级车辆中，或任何私人或车队卡车中，螺柱可以代替传统的车轮螺柱。在其他实施例中，紧固件监测装置可以在各种应用中代替传统的紧固件来使用。例如，紧固件监测装置可以用于重型装备、发电和配电装备、风力涡轮机装备和/或采矿装备。紧固件监测装置还可用于商用车辆的不同部件中，例如用于将制动转子连接到车轮轮毂的螺柱和/或用于将驱动轴连接到车轮轮毂的螺柱。
28.在使用紧固件监测装置的一种方法中，如果车辆的任何被监测紧固件的张力超过指定的阈值，则驾驶员就会接收到警报。例如，当螺柱的螺母已松动时，螺柱中的张力可能超过下限阈值。作为另一个示例，当张力接近可能导致螺柱屈服的张力时，螺柱中的张力可能超过上限阈值。然后，驾驶员可以采取措施纠正问题，例如使用扳手对与螺柱相关联的螺母施加扭矩。或者，可以按需查询车辆的紧固件，以根据外部系统、驾驶员和/或车队机械师的要求提供张力数据。
29.在一个实施例中，紧固件监测装置包括车轮螺柱，其测量、数字化和传输关于螺柱主体的伸长的数据。螺柱包括位于螺柱主体内的位移销，其下端部部分固定于螺柱主体。在车轮安装之前，位移销位于螺柱中的预定深度处。例如，位移销可以直接接触或邻近位于螺柱的头部中的印刷电路板。螺柱主体包括螺纹，螺母被旋拧到该螺纹上。在一个实施例中，车轮轮毂的凸缘和车轮轮辋的一部分被夹在螺柱头部和与螺柱主体螺纹接合的螺母之间。
30.当螺母被拧转到螺柱主体上时，螺柱主体弹性拉伸，直到螺母达到预定扭矩，并且螺柱受到相关联的张力。该张力使螺柱主体根据螺柱主体材料的弹性模量伸长。因为位移销的下端部部分固定于螺柱主体，螺柱主体的伸长使螺柱主体内的位移销远离印刷电路板移动与所施加扭矩成比例的距离。这种分离在印刷电路板的上电容器板部分和位移销的下电容器板部分之间产生或扩大了间隙。上电容器板部分和下电容器板部分之间的电容c可以使用通用的平行板电容公式来估计：
[0031][0032]
其中，ε是两个板之间的电介质的电容率，a是上下电容器板部分的面积，d是上下电容器板部分之间的距离。空气是一种可用于电容测量的介质。其他介质可以包括其他电介质或电介质的组合。
[0033]
对应于空气间隙变化的电容变化用于确定上下电容器板部分之间的距离变化。这种距离变化对应于螺柱主体的伸长或长度变化。从而处理器(其可以是螺柱的部件或在螺柱的外部)可以通过将螺柱主体的长度变化除以螺柱主体的长度，确定螺柱中的应变。处理器还可使用所确定的应变、螺柱材料的杨氏模量和螺柱的横截面积来确定螺柱中的张力。作为一个示例，处理器可以利用查找表，该查找表包含针对不同材料和螺柱尺寸以及相关联的电容值的实验得出的应变值。因此，对于给定类型的螺柱和检测到的电容，处理器可以从该表查找和/或内插应变。
[0034]
作为另一个示例，以下通用电容公式可用于将检测到的电容转换为张力值：
[0035][0036]
其中：
[0037]
c＝两板之间的电容
[0038]
ε＝两板之间的材料的电容率
[0039]
k＝两板之间的材料的介电常数
[0040]
ε0＝自由空间的电容率＝8.854e-12
fm-1
[0041]ac
＝电容器板的重叠面积
[0042]
d＝板之间的距离
[0043]
通用电容公式(1)可以重新排列，以求解板之间的距离：
[0044][0045]
螺柱材料的杨氏模量，e定义为，
[0046][0047][0048]
其中，
[0049]
f＝螺柱中的张力
[0050]as
＝螺柱的横截面积
[0051]
δl＝螺柱长度的变化
[0052]
l＝螺柱的原始长度
[0053]
螺柱长度的变化会导致电容器板处的间隙发生变化。假设初始间隙为零，δl＝d。代入并重新排列杨氏模量公式得到：
[0054][0055]
螺柱中的张力由下式给出：
[0056][0057]
从上面的通用电容公式(1)中代入d，可以使用以下公式确定螺柱中的张力(f)：
[0058][0059]
重新排列公式会得到以下公式，该公式可用于从检测到的电容获得张力值：
[0060][0061]
公式(2)中括号中的项对于给定的应用可以是常数。因此，可以基于检测到的电容和螺柱的物理特性来确定螺柱中的张力值。
[0062]
在一个实施例中，印刷电路板被配置为检测和数字化由螺柱拉伸产生的空气间隙(或上下电容器板部分之间的其他电介质)的电容变化。螺柱张力的变化，以及所导致的印刷电路板和位移销的电容器板部分之间的空气间隙的变化，体现为电子电容的变化。然后，该数据读数可以通过螺柱的通信电路从螺柱传输到客户端、云或终端用户。
[0063]
参考图1，示出了车轮轮毂100，其包括用于将车轮轮辋连接到车辆主轴的部件。车
轮轮毂100可包括车轮轮毂主体100a、螺柱103、主轴螺母100b、滚子轴承组件100c和垫片100d。滚子轴承组件100c可以各自包括内圈、外圈和随着车轮轮毂100的旋转沿着内圈和外圈滚动的滚子轴承。
[0064]
车轮轮毂100构造成接收车轮，并使用螺柱103将车轮连接到车轮轮毂。每个螺柱103具有一个头部部分(例如头部110)和一个杆部或主体部分(例如螺柱主体115)。将车轮放置在螺柱103上，并通过将螺母拧到每个螺柱主体115上，直到在螺母和车轮轮毂100的安装部(诸如法兰105)的前表面120之间将车轮紧密地固定就位，而将车轮固定在适当位置。
[0065]
图2示出了一个这样的螺柱103。螺柱103具有螺柱外壳109，该螺柱外壳109包括头部110和螺柱主体115。当螺母280被拧紧到螺柱103的主体115上时，主体115具有可变形部分255，该可变形部分255在头部110和螺母280之间沿轴线252延伸。螺柱103包括传感器201，传感器201被配置为检测螺柱103的一个或多个特性，例如应力、应变、扭矩和/或长度。传感器201可以包括多种换能器，例如电容传感器、应变计、电感传感器、霍尔效应传感器、电换能器和光学传感器中的至少一个。所有的螺柱103可以包括传感器201，或者所有的螺柱103中的一部分可以包括传感器201。
[0066]
例如，传感器201可以通过测量与螺柱主体115的伸长所引起的空气间隙310(参见图3)相关联的电容来检测螺柱103(特别是其螺柱主体115)伸长的距离。螺柱103还包括印刷电路板230和位移构件(例如位移销240)，以测量螺柱103已经拉伸了多远。位移销240具有固定到螺柱主体115的远端或下端部部分242。测量印刷电路板230和位移销240之间的空气间隙310的轴向尺寸，以确定螺柱主体115的轴向伸长。位移销240包括近端的上头部部分342，其带有与印刷电路板230相邻的下电容器板部分344，该下电容器板部分344与印刷电路板230的电容器板部分(例如图6中的电容器板部分615)相互作用，以形成电容器311。因此，随着螺柱103的螺柱主体115拉伸，位移销240轴向地移动远离印刷电路板230，并且空气间隙310的轴向长度增加。当没有张力施加到螺柱103时，位移销240可以被配置为接触或紧邻印刷电路板230。位移销240可以由例如低碳钢制成，螺柱103可以由例如冷轧钢制成，而螺母280可以由例如锻钢制成。应当理解，可以使用其他材料来形成位移销240、螺柱103和螺母280。本公开不应被视为将这些结构仅限于上述材料。
[0067]
如图4和图5所示，印刷电路板230可以体现为印刷电路板430或印刷电路板530。印刷电路板430包括例如联接到存储器415的处理器410、电容传感器405和通信电路420。一个或多个上述部件也联接到电池425。例如，电容传感器405可以将测量到的电容转换为指示位移销240和电容传感器405之间的距离的对应的电压电平。然后电容传感器405可以将电压电平通信到处理器410和通信电路420中的至少一个。如以下将更详细描述的，处理器410可以进一步处理接收到的电压电平和/或将电压电平存储在存储器415中。在处理电压电平之后，处理器410可以经由通信电路420传输电压电平数据，例如电压电平本身和/或基于电压电平的信息(例如，应变、应力和/或警报)。通信电路420可以被配置为基于一种或多种通信协议发送和接收数据，作为一些示例，通信协议例如zigbee、z-wave、6lowpan、thread、wifi和/或lorawan。
[0068]
印刷电路板430的电路可以完全在印刷电路板430内完成。这种方式可以减少对螺柱103的电干扰。在另一个实施例中，印刷电路板430的电路可以包括螺柱103的头部110和/或主体115。
[0069]
印刷电路板530包括例如联接到存储器515和通信电路520的电容传感器505。一个或多个上述部件也联接到电池525。印刷电路板530类似于印刷电路板430，除了印刷电路板530上没有单独的处理器，并且电容传感器505包括用于处理电压电平数据的集成处理器。
[0070]
关于图6、图7和图8，印刷电路板230、430、530可各自具有印刷电路板600、700、800的配置之一。在图6中，印刷电路板600包括接地平面625、电源平面620和上电容器板部分615。电容器传感器635和其他电路640(其包括例如通信电路420和处理器410)可以被安装到印刷电路板600。电容传感器635和其他电路640可以连接到接地平面625和电源平面620。电池605可以联接在电源平面620和接地平面625之间。电池605也可以直接连接到电容传感器635的上电容器板部分615，或者通过电源平面620间接连接到电容传感器635的上电容器板部分615。在一个实施例中，电容传感器635包括连接器630，该连接器630将上电容器板部分615连接到电容传感器635的一个或多个其他部件，以允许电容传感器635测量上电容器板部分615和下电容器板部分344之间的电容。
[0071]
关于图2和图3，位移销240的下电容器板部分344形成与上电容器板部分615相互作用的下电容器板。下电容器板部分344的表面可以是大致圆形的。位移销240向下逐渐变细至圆柱形轴260，圆柱形轴260包括嵌入螺柱主体115中的端部部分242。位移销240的端部部分242可以在螺柱103的内部隔室264中通过压配合接合、焊接、粘合剂和/或紧固件(例如，横向销)附接到螺柱主体115。在一个实施例中，内部隔室264包括形成在螺柱103中的盲孔。螺柱的头部110和主体115可以是例如通过焊接连接在一起的两个部件，或者可以具有整体的一体式结构。头部110可以包括内部隔室264的头部部分268，并且主体115可以包括内部隔室264的主体部分261。头部部分268可具有比主体部分261的内径更大的内径。头部110可以包括锥形表面，例如截头圆锥表面270，当位移销头部部分342随着螺柱主体115的伸长而轴向远离印刷电路板230移动时，该锥形表面为位移销头部部分342的下侧提供空隙。在另一个实施例中，位移销240整体包括均匀的宽度，并且不包括头部部分342。
[0072]
转到图7，印刷电路板700类似于印刷电路板600，不同之处在于印刷电路板700包括电池705和电池710。电池705和其他电路740连接到印刷电路板700的电源平面720。电容传感器735的上电容器板部分715连接到电池710。包括连接器730和上电容器板部分715的电容传感器735因此从与其他电路740(电池705)不同的电池(电池710)接收电力。这些并联电源可以降低电容测量中的噪声。
[0073]
转向图8，印刷电路板800中相同附图标记的结构与关于图6描述的结构相同。具体地，印刷电路板800包括电容传感器835、其他电路840、电源平面820、连接器830和上电容器板部分815。印刷电路板800可以以关于图6和图7描述的任一方式连接到电池。图8还包括电隔离平面870，以将隔离平面870上方的部件与隔离平面下方的部件所产生的任何噪声隔离开，反之亦然。连接器830延伸穿过隔离平面830。
[0074]
在一些实施例中，上电容器板部分615、715、815形成在印刷电路板600、700、800的底部表面上，靠近相关联的位移销240。上电容器板615、715、815的形状对应于靠近印刷电路板600、700、800的位移销240的下电容器板部分344的形状。例如，上电容器板部分615、715、815和下电容器板部分344可以各自具有平坦的相对表面，或者相对表面可以是凹面/凸面的。
[0075]
关于图9，提供了实施螺柱103的系统900。车轮910a、910b和910c中的每一个具有
带有一个或多个轮胎912的车轮轮辋911。使用车轮轮毂的螺柱103将车轮轮辋911连接到牵引车900的车轮轮毂。螺柱103可以与诸如网关939的外部设备通信。网关可以包括处理器941和通信电路943。在一个实施例中，网关939包括牵引车900的本地服务器和计算机940。螺柱103可以直接或间接通信，例如通过牵引车900的其他螺柱103或其他ecu中的一个或多个。例如，可以根据网状网络拓扑进行通信。
[0076]
螺柱103可以随着牵引车900的车轮轮毂旋转，并且将数据无线传输到相对于牵引车900静止的网关939。螺柱103的通信电路可以利用短程通信协议(诸如蓝牙、低功耗蓝牙和zigbee)，来与网关939通信，同时使能量消耗最小化。作为一些示例，网关939可以通过广域网(诸如蜂窝(例如，3g、4g、4g lte、5g)、wimax或lorawan网络)，与基于云的计算网络通信。网关939可以从牵引车900的电气系统接收电力，以便可以根据特定情况的需要连续和/或间歇地进行从网关939到网络的远程通信。使用网关939来执行远程通信可以保持螺柱103的电池寿命，或者，可以减少螺柱103的能量需求(如果螺柱103使用感应充电系统)。
[0077]
本地服务器和通信计算机940可以被配置为接收一个或多个样本或其他数据(例如来自螺柱103的警告)。本地服务器和通信计算机940可以显示或以其他方式通知用户关于螺柱103的一个或多个特性，例如任何一个螺柱103的张力。例如，本地服务器和通信计算机940可以联接到人机界面(hmi)942，并通过gui和/或扬声器提供螺柱张力信息。
[0078]
与一个或多个螺柱103相关的记录可以存储在本地维护数据库945中。本地服务器和通信计算机940还可以将来自螺柱103的任何或所有数据经由网络937通信到远程服务器计算机930，其中数据可以在远程维护数据库935中处理或存储。远程服务器计算机930可以包括处理器931和通信接口933。网络937可以包括例如蜂窝网络和互联网。远程服务器计算机930可以将数据(诸如关于任何螺柱103的当前张力和/或警告)，传输到本地服务器和通信计算机940。本地服务器和通信计算机940可以通知用户(包括例如驾驶员)关于任何螺柱103的状况或状态。尽管该示例性系统将牵引车900作为示例示出，但应当理解，该系统可以在任何等级的车辆中或在需要监测紧固件张力的任何机器中实施。
[0079]
螺柱103可以包括处理器(例如处理器410)或电容传感器(例如电容传感器405、505)，其可操作以通过电容感测模块对螺柱主体115的一个或多个特性进行采样，并以固定的时间间隔通过通信接口(诸如通信电路420、520)传输采样数据(例如，张力、距离、应变)。电容传感器检测到的电容可以根据例如平行板公式来确定。采样间隔和传输间隔无需相同。例如，采样间隔可能比传输间隔更频繁，在给定传输期间，可以将多个样本作为一个批次发送。在其他实施例中，处理器可以在给定传输期间，在发送经处理的数据之前，对样本进行平均或以其他方式统计处理，以减小被传输的数据的大小并减少电力的使用。
[0080]
螺柱103可以包括处理器(例如处理器410)或电容传感器(例如电容传感器405、505)，其可操作以增加检查频率，以提高即时和短期的精度。例如，如果在螺柱103中检测到的张力正在快速变化或高于/低于上限/下限阈值，则处理器410可以增加处理器410对印刷电路板430和位移销240之间的电容进行采样的速率。在这种情况下，螺柱103还可以增加通过通信电路420传输数据的速率。如果螺柱103中的张力正在较慢变化，螺柱103可以减少采样和传输间隔。此外，如果螺柱103中的张力以给定应用的理想张力为中心在给定范围内变化，则螺柱103可以忽略(即，不改变采样间隔)张力的这些变化，因为处理器410认识到该变化对于给定的应用是正常的。例如，如果样本是正态分布的，并且所有样本都在离平均值可
接受的统计方差之内，则张力的变化可能不会导致处理器调整采样率。
[0081]
螺柱103可以被编程以传送表明已经达到适当张力的指示。例如，当处理器确定已经达到适当张力时，螺柱103的通信电路可以向外部设备发送通知已经达到适当张力。例如，当维护人员已将螺母在螺柱103上拧转到正确扭矩时，螺柱103可以将“达到正确扭矩”消息通信到维护人员的便携式电子设备。在一些实施例中，螺柱103可以被配置为与用于产生张力(例如，通过向螺母280施加扭矩)的工具自动配对，并且在达到适当的张力时向工具发送通信。该通信可能导致工具停止向螺母280施加扭矩。
[0082]
螺柱103的采样和传输速率可以由外部设备通过螺柱103的通信电路来控制。例如，外部设备可以无线联接到螺柱103，并且使螺柱103对螺柱103上的张力进行采样。然后，螺柱103可以基于功率约束将测量结果分别地报告给外部设备，通过网状网络拓扑或者通过两者的结合。例如，在行前检查的情况下，外部设备(诸如智能手机、平板电脑、膝上型计算机或台式计算机)的用户可以启动车辆的行前检查。外部设备可导致产生信号，当该信号被螺柱103接收时，其使螺柱103对其张力进行采样。这种报告可以节省行前检查的时间，并减少延误。
[0083]
在螺柱103中的采样张力超过紧急阈值的情况下，可以向用户发送紧急报告，指示需要立即采取行动。螺柱103可以首先尝试使用其最低功率通信模式进行通信。螺柱103将把通信的功率电平增加到其最大能力，直到接收到紧急通信的确认。例如，螺柱103可以等待本地服务器和通信计算机440确认接收到紧急通信，随后螺柱103停止发送紧急通信。
[0084]
螺柱103可以在低功率模式下正常操作，除非螺柱103中的张力超过紧急阈值。例如，处理器410可以包括主处理器和辅助处理器。辅助处理器以预定或随机间隔确定螺柱103中的张力。如果张力超过紧急阈值，则辅助处理器唤醒主处理器，并且主处理器操作通信电路520以发送紧急通信。
[0085]
关于图10和图11，提供了在许多方面与上面讨论的螺柱103相似的另一个螺柱1000。螺柱1000包括螺柱外壳1002，螺柱外壳1002具有头部1004和螺柱主体1006。螺柱外壳1002包括接收位移销1010和电路1012的内部隔室1008。头部1004具有上部开口1014(见图11)和封闭构件，例如帽1016，其固定到头部1004以封闭上部开口1014。在一个实施例中，帽1016是由环氧树脂或另一选择材料制成的包覆成型件以形成合适密封。
[0086]
电路1012包括具有电容传感器的传感器电路板1020，该电容传感器与位移销1010的头部1022相互作用。当螺柱1000不处于张力作用下，头部1022可以接触传感器电路板1020的电介质涂层电极。当螺柱1000处于承受张力状态时，头部1022可能移动远离传感器电路板1020的电极。
[0087]
电路1012还包括电源，例如电池1024。在一个实施例中，电池1024包括一个或多个纽扣电池。电路1012还包括数据传输电路板1026，其包括通信电路。电池1024夹在传感器电路板1020和数据传输电路板1026之间。传感器电路板1020和数据传输电路板1026具有一个或多个电触点，其与电池1024形成电路，并允许电池1024为传感器电路板1020和数据传输电路板1026供电。在另一个实施例中，螺柱1000的电源可以包括线圈，该线圈被配置为从安装在相关联车辆轮毂上的感应电源接收电力。
[0088]
参考图11，位移销1010包括轴1030，轴1030具有远端、下端部部分1032，其例如通过环氧树脂或粘合剂1034固定到螺柱外壳1002。关于图10，在螺柱1000组装后，位移销1010
的头部1022包括与传感器电路板1020的上电容器板部分1042相邻的下电容器板部分1040。
[0089]
关于图12，提供了车轮轮毂1200，其包括与上面讨论的螺柱103相类似的螺柱1202。每个螺柱1202包括一个传感器，该传感器被配置为检测例如螺柱1202中的张力。螺柱1202从电源1204(诸如电池、感应电源、和/或太阳能电源)接收电力。车轮轮毂1200包括通信电路1206，该通信电路1206被配置为将数据从螺柱1202通信到车轮轮毂1200外部的设备(例如安装在车辆上的网关)。通信电路1206可以包括在将数据通信到外部设备之前对数据执行预处理的处理器。在一些实施例中，车轮轮毂1200包括可操作地联接到通信电路1206和螺柱1202的处理器，处理器对来自螺柱1202的信号执行操作并且操作通信电路1206。在一些实施例中，通信电路1206可能能够从网关接收通信。
[0090]
关于图13，提供了车轮轮毂1300，其包括螺柱1301，每个螺柱1301具有传感器1301a、通信电路1301b和集成电源1301c(诸如电池)。车轮轮毂1300还包括常规螺柱1301。车轮轮毂1300包括电源1304。在一个实施例中，电源1304包括不可充电电池。在另一个实施例中，电源1304从车轮轮毂1300的旋转中收集能量并将电能提供给电源1304的电池。车轮轮毂1300包括与车轮轮毂1300的一个或多个外围传感器1308(诸如温度、振动、速度和/或加速度)通信的处理器1306。车轮轮毂1300还包括可操作地联接到电源1304和处理器1306的中央通信电路1310。中央通信电路1310可以接收来自螺柱1301的通信电路1301b的无线通信，并且处理器1306控制通信电路1310，以将来自螺柱1301的数据无线地通信到外部设备(诸如车辆网关)。中央通信电路1310因此可以作为有源中继器操作，该中继器使用收集的电力，从而使得由螺柱1301的通信电路1301b使用的信号强度最小化，以使螺柱1301的电源1301c的电池的寿命最大化。
[0091]
除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则使用诸如“一”、“一个”之类的单数术语旨在涵盖单数和复数。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”将被解释为开放式术语。如本文所用的短语“至少一个”旨在以分离的意义进行解释。例如，短语“a和b中的至少一个”旨在涵盖a、b或a和b。
[0092]
虽然已经说明和描述了本发明的特定实施例，但是应当理解，本领域技术人员会想到许多变化和修改，并且本发明旨在涵盖所有落入所附权利要求的范围内的变化和修改。