CN100453990C - 皮带动态张力测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法和装置，用于应用轮毂负载传送器和扭矩传送器测量正在运转中的前端附属设备皮带的张力。轮毂负载传送器(100)包括多个同轴环，这些环具有共平面地设置在内环(101)与外环(103)之间的可应变构件(102)。轮毂负载传送器应用于非扭矩传送的惰轮。扭矩传送器包括可应变圆柱形构件，它连接至皮带支承表面和旋转轴。扭矩传送器将扭矩传送给被驱动附属设备。它被用在诸如空调压缩机或功率控制泵的附属设备上。来自轮毂负载传送器和扭矩传送器的信号被用于计算驱动效率以及驱动与被驱动附属设备之间皮带跨距的张力。

Description

皮带动态张力测量的装置和方法
发明的技术领域
本发明涉及皮带动态张力测量的装置和方法，更具体的讲，涉及应用轮毂负载传送器和扭矩传送器为驱动效率测量而进行的皮带动态张力测量的装置和方法。
发明的背景
已知各种应变测量装置。它们通常可包括可应变构件，在其上给予负载并固定着应变片。在已知装置中有一些装置包括环形的计量环，它具有可应变的杆构件和挠曲杆构件。挠曲杆构件相互连接环的各部分。
已知装置中还有双杆传感构件，它们包括被平行隔开的杆构件整体加以连接的隔开的端壁构件，这些杆构件只在一个方向较为挠曲或可弯曲。端壁之一通常连接至支承结构，而另一端壁则运转时连接至轴上，或直接连接至轴上。
该技术的代表性装置是Lehtovaara的美国专利No.6216547(2001)，它披露了一种负载传感器，这种负载传感器包括环形计量环，该环形计量环包括环形内环部分和环形外环部分，并具有可应变杆构件和挠曲杆构件。可挠曲杆构件连接在环部分之间。
还可参考2002.9.30存档的本申请人的未审定美国专利申请列序号10/262 035，它披露了一种轮毂负载传送器，该传送器具有可应变环，该可应变环则共平面地设置在内环与外环之间。
还知道测量扭矩负载用的皮带轮，它包括连接至皮带轮的圆柱形形状，而另一端则连接至轴上，并具有连接至圆柱形形状的应变片。
该技术有代表性的是日本专利申请公开号2001099271，它披露了连接至皮带轮的圆柱形形状，而另一端则连接至轴上，且具有连接至圆柱形形状的应变片。
现有技术并未认识到将轮毂负载传送器和扭矩传送器结合起来在系统基础上进行运转。此外，轮毂负载传送器也较为复杂，它包括挠曲杆构件和可应变杆构件。现有技术的扭矩传送器还缺少将圆柱形部分在扭转上与其它支承结构隔绝的手段。
需要一种方法和装置，它应用轮毂负载传送器和扭矩传送器来测量正在运转中的皮带跨距的张力。需要一种方法和装置，它应用轮毂负载传送器和扭矩传送器来测量皮带驱动效率。而本发明符合这些需要。
发明的内容
本发明的主要方面是提出一种应用轮毂负载传送器和扭矩传送器，测量正在运转中的皮带跨距的张力和曲轴的扭矩的方法和装置。
本发明的另一方面是提出一种应用轮毂负载传送器和扭矩传送器，测量皮带驱动效率的方法和装置。
本发明的其它方面将由下述本发明的说明书及附图指出或变得清晰。
本发明包括一种方法和装置，用于应用轮毂负载传送器和扭矩传送器测量正在运行中的前端附属设备皮带的张力。轮毂负载传送器包括同心环，它们具有共平面地设置在内环与外环之间的可应变构件。轮毂负载传送器应用于非扭矩传送的惰轮。扭矩传送器包括可应变圆柱形构件，它连接至皮带支承表面和旋转轴。扭矩传送器将扭矩传送给被驱动附属设备。它被用在诸如空调压缩机或功率控制泵的附属设备上。来自轮毂负载传送器和扭矩传送器的信号被用于计算驱动效率以及驱动与被驱动附属设备之间皮带跨距的张力。
附图简述
结合于说明书中，并构成其一部分的附图展示了本发明的较优实施例，并连同说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是轮毂负载传送器的透视图。
图2是轮毂负载传送器的透视图。
图3是轮毂负载传送器的传感器环的平面图。
图4A是轮毂负载传送器的平面图。
图4B是沿图4A中直线B-B的横截面图。
图4C是沿图4B中4C-4C的侧视图。
图5是轮毂负载传送器的分解透视图。
图6是轮毂负载传送器的自对准部分的局部平面图。
图7是轮毂负载传送器的自对准部分的局部平面图。
图8是皮带附属设备驱动的示意图。
图9是扭矩传送器的横截面图。
图10是扭矩传送器替代性实施例的横截面图。
图11是扭矩传送器替代性实施例的横截面图。
图12是设置在可应变构件上的单整桥应变片配置的示意图。
图13是具有双极激励的单整桥应变片配置的示意图。
图14是设置在可应变构件上的双桥应变片配置的示意图。
图15是具有双极激励的双桥应变片配置的示意图。
图16是试验皮带驱动系统的示意图。
图17是对试验皮带驱动系统测得的轮毂负载和扭矩图。
图18是对试验皮带驱动系统在每一时间步骤计算获得的部件张力图。
轮毂负载传送器的较优实施例的详细说明
图1是轮毂负载传送器的透视图。此类轮毂负载传送器较为紧凑，可用于皮带轮中以测量轴负载或轴的动态性能。这包括测量轮毂负载，从而测量皮带跨距的张力。轮毂负载是一种负载，它通过皮带驱动系统中的皮带张力作用于皮带轮及其轴上。
传送器100一般包括弧形内构件或轮毂环101、传感器环102和弧形外构件或外环103。轮毂环101包括孔104，其作用如同将传送器连接至安装表面的装置。诸如螺栓的紧固件啮合轮毂环101通过孔104将传送器连接至安装表面。轮毂环101较为刚硬以形成一个坚实的装置，将传送器连接至安装表面。轮毂环101也可包括整体轴，用于将轮毂环连接至安装表面。轮毂环101通过连接部分或构件108连接至传感器环102。
开口120和121处于轮毂环101的两侧，它们形成通向传感器环102的内表面122、123的入口。通过开口120和121的入口被用于将应变片302和303安装至传感器环102上。开口120和121的应用依赖于狭缝511的宽度。开口120和121的引入使狭缝511的宽度得以减小至在轮毂环横向运动范围的极限处，传感器环102将正好避免接触轮毂环101的最小量，从而使传送器的总直径得以减小至比现有技术的小。例如，当狭缝511特别狭窄时，如小于约2mm，用于将应变片安装在传感器环102上的入口将十分有限，如不存在开口120、121，恐怕不可能安装。
传感器102连接在轮毂环101与外环103之间。传感器环102包括弧形可应变构件，它同轴地与内轮毂环101和外环103的弧形形状相配合。轮毂环、传感器环与外环之间的同轴关系使本发明的传送器具有最小的直径，例如小于60mm，以便用于受限制的区域，如皮带轮内。
狭缝510设置在传感器环102与外环103之间。狭缝511设置在传感器环102与内环101之间。在负载作用下，传感器环102变形伸长或成椭圆形状，具有在A-A方向的长轴和在B-B方向的短轴，见图3。狭缝511的宽度取决于在负载作用下，传感器环102在B-B方向的要求的总变形。狭缝511的宽度也是传感器环102的厚度T的函数。厚度(T)确定于传感器环处于的动力学条件，包括最大的设计负载。应用有限元分析，可对厚度(T)加以优化，得出在要求的加载条件下优异的动力学范围。
如图3所示，至少有一片应变片连接至传感器环上。轮毂负载力向量用向量600表示。传感器环102的挠曲度是以在轮毂负载作用至轮毂环上时，在应变片的位置引起表面应变的产生。传感器环102通过弧形连接构件512连接至外环103和部分107。部分107和连接构件108设置在传感器环102的基本为相对的两侧上。在构件512处将传感器环102连接至外环103加强了传感器环102的变形，因此在受到轮毂负载力600沿轴线A-A的作用时，也就加强了传感器环102中的表面应变。虽然向量600表示成具有特定的方向，但传送器能检测具有任何方向向量的负载。当然，总敏感度可能依赖于向量600与相对于此的应变片(应变片组)位置之间空间关系而受到影响。因此，传送器的敏感度根据向量600相对部分107和构件108的方向、应变片的位置，以及传感器环102的厚度而加以优化。
当传送器在负载作用之下时，每一连接构件512连同传感器环102一起部分地变形。构件512具有预定的弹性率，它是由传送器，更具体的讲，由传感器环102支承的动负载的函数。预定弹性率转而又决定每一构件512的弧形形状。
人们能意识到，运行期间传感器环102将经常经受振动和周期性加载。这转而又将应力施加在传感器环102与外环103之间的连接上。因此，构件512的弧形形状通过分布和分散，从而降低应力提升器，强化传送器运行寿命，不然的话应力提升器可能呈现于传感器环102与外环103之间的连接上。这转而又使潜在的疲劳裂缝降至最低，不然的话它可能被连接上的应力提升器引起。
外环103中的开口105、106被用于加速应变片301和304在传感器环102上的安装，见图3。通过开口105和106的入口被用于将应变片301和304安装至传感器环102上。开口105、106的应用依赖于狭缝510的宽度。开口105和106的引入使狭缝510的宽度得以减小至在传感器环横向运动范围的极限处，传感器环102将正好避免接触环103的最小量，从而使传送器的总直径得以减小得比现有技术的小。例如，当狭缝510特别狭窄时，如小于约2mm，用于将应变片安装在传感器环102上的入口将十分有限，如不存在开口105、106，恐怕不可能安装。
托架500可用于接受应变片信号调节器。托架500连接至外环103。托架也可成形或浇注成外环103的一个整体部分。
外环103向装置提供结构强度，也提供一个将传送器啮合至轴承和皮带轮的手段。外环103被压配至皮带轮轴承中，该轴承转而又与啮合皮带的皮带轮相啮合。外环103足够刚硬，使皮带驱动系统中的皮带轮得以围绕传送器进行旋转运转。
轮毂环101、传感器环102和外环103基本上是共平面的。更具体的讲，每个环同轴地嵌套在另一环内。将环进行嵌套使本发明的装置厚度降至最小，从而使传送器得以应用在皮带轮中，例如，在现存的机动车前端附属设备的驱动中，那里设备的空间有限。本发明传送器可用以替代皮带驱动系统中现存的皮带轮，从而使仪表的安装只需对现存系统作少量或不作修改。传送器也可应用于在张紧器中张紧器皮带轮与张紧器臂之间的张紧器皮带轮轴上，以便测量轴的动态性能或张紧器臂的动态性能。
在较优实施例中，本发明传送器能由单块材料，诸如金属，包括铝、钢、钛、镁或它们的组合或合金机加工而成。装置也可根据由传送器支承的负载，由诸如塑料、陶瓷、酚醛或粉末金属的合适材料浇注、切割或模压制成。
在另一实施例中，它可包括三件零件，即轮毂环、传感器环和外环，并由粘接剂或螺丝联接，见图4A。在此实施例中，轮毂环和外环包括陶瓷材料，而传感器环包括金属材料。在又一实施例中，在特别低的负载应用中，轮毂环和外环可包括塑料。塑料只需具有足够的模量，并对其安装所在的发动机的运行温度有足够的抗热性，还对设计负载有足够的强度。
在又另一实施例中，传感器环和外环包括单件的机加工零件，而轮毂环由螺丝或粘接剂连接至传感器环上。在此实施例中，传感器环和外环可包括金属材料，而轮毂环可包括陶瓷材料。在较低负载应用中，轮毂环也可包括塑料。塑料只需具有足够的模量，并对其安装所在的发动机的运行温度有足够的抗热性。
图2是传送器的透视图。所示传送器100包含于皮带轮200内。轴承或多个轴承205压入在外环103的外侧以占据外环103与皮带轮200之间的环形空间。托架500用紧固件501、502连接至传送器100上。皮带轮200可具有现有技术中已知的任何皮带支承剖面。
图3是传送器传感器环的平面图。所示传感器环102具有以整桥布置安装于其上的应变片301、302、303、304。应变片由电线401、402、403、404加以连接。电线402和403发送至托架500，用于连接至仪表引线。应变片301和304可通过开口105和106连接至传感器环102上。应变片302和303则通过开口120、121安装至传感器环102上。应变片指向成，力向量轴线A-A垂直于应变片之间的虚线B-B。应变片整桥结构基本如在图12和图14中所述的。
图4A是轮毂负载传送器的平面图。此实施例是如本文别处描述的应用分离的轮毂环101、传感器环102和外环103的实施例。应用螺丝203和204将传感器环102紧固至外环103上。应用螺丝201和202将轮毂环101紧固至传感器环102上。紧固环用的其它手段可包括焊接、粘接、铆接或现有技术中已知的其它合适手段。螺丝201、202、203、204如所示的相对轮毂负载轴线A-A而指向。
图4B是沿图4A中直线B-B的横截面图。所示螺丝201和204将传感器环102连接至外环103。如本文别处所述，托架500提供将应变片电线连接至仪表引线的手段。
图4C是沿图4B中4C-4C的侧视图。所示螺丝203和204将外环103连接至传感器环102。
图5是传送器的分解透视图。轴承205压在传送器100的外环103上。皮带轮200压在轴承205上。开口120和121提供了将应变片安装在传感器环102上的入口。
图6是自对准部分的局部平面图。为了优化传送器的敏感度，要求传感器环这样地相对轮毂负载向量600而放置，以使向量600对准轴线A-A，从而使应变片对准轴线B-B，见图3。这可应用自对准构件700而得到实现。
更具体地讲，偏心的自对准构件700放置在内环孔104中。为了举例而不是限制，偏心构件700被压配在孔104中。人们还可意识到，构件700也可简单地包括弧形内构件101的一件整体零件，也即，弧形内构件包括孔701，其中心705不对准传送器的几何中心。
偏心构件700包括孔701。孔701的中心705偏心地设置在与偏心构件几何中心704相距一段距离处。偏心构件几何中心704也是与传送器几何中心及传感器环几何中心相重合的。轴承702压入在孔701中。诸如螺栓的紧固构件703通过轴承702突出，并连接轴承702，从而将传送器连接至安装表面(未表示)。通过轴承702的作用，传送器可围绕紧固构件703自由地转动。
在一个实例情况中，所示轮毂负载向量600作用在传送器上。轮毂负载是由具有张力的皮带BT造成的。在实例结构中，向量600最初横向偏离孔中心705距离(D)。在施加轮毂负载600的瞬间，构件700的自对准特征起作用以适当地对准传送器。更具体地讲，距离(D)起杠杆臂的作用，它形成施加至偏心构件700上的扭矩。扭矩引起偏心构件700，从而引起传送器100和传感器环102围绕轴承702转动，直至向量600对准中心705，从而消除自对准扭矩，恢复平衡。这种自对准运行方式的应用，与向量600的方向无关。
图7是自对准部分的局部平面图。向量600与孔中心705相对准。此指向造成应变片301、302、303、304处于最优检测位置，也即如图3所述的与轴线B-B相对准。
人们能理解的是，传送器可采用或不采用如图6和7中所述的自对准构件700而进行运转。自对准构件700的应用依赖于要求的敏感度和传送器的运转条件。这还部分依赖于运转期间向量600的移动范围。传送器的敏感度是应变片(多个应变片)与负载向量600相对准程序的函数。例如，如果本发明的传送器是在惰轮上应用，且向量600的指向范围很狭窄，自对准构件的需要就不太重要。另一方面，当传送器应用于张紧装置上，且张紧装置具有由张紧装置臂移动引起的较大的移动范围，则应用自对准构件能优异地保持传送器的要求的敏感度。
图8是皮带附属装置驱动的示意图。随着多楔皮带的发展，单根蛇形皮带驱动全部附属装置的实践和应用，包括空调、功率控制、交流发电机和水泵，已被汽车工业广为采用。本文描述的驱动既应用皮带(B)的多楔侧，也应用背侧。这就消除了在需要驱动每一附属部件时对多根皮带的需求，转而又缩小了总体前端至后端的发动机尺寸。皮带驱动的典型布置如图8所示。更具体的讲，皮带轮的标记是：交流发电机为“AL”、功率辅助控制泵为“PA”、非扭矩、无扭矩负载传送张紧装器惰轮为“IDL”、水泵为“WP”，曲轴为“CR”和空调压缩机为“AC”。皮带轮之间的每一段皮带跨距标记是：PA至IDL为“1”、IDL至WP为“2”、WP至CR为“3”、CR至AC为“4”、AC至AL为“5”、AL至PA为“6”。为说明起见，轮毂负载传送器安装在张紧装置IDL上。扭矩传送器安装在AC、AL、PA和WP上。扭矩在每一附属设备和CR上传送。
进行皮带张力动态测量意味着测量是在发动机和皮带处于运转时进行的。这与所谓的皮带张力静态测量相对，这是在发动机和皮带处于停止时进行的。在静态测量时，应用张力计，通过激发每一皮带跨距中的振荡就能应用现有技术中已知的跨距振动频率测量技术估计每一皮带跨距的张力。
本文图1-7中描述的轮毂负载传送器安装在惰(IDL)皮带轮上。在惰(IDL)皮带轮上没有负载(扭矩)传送。典型的单根蛇形皮带附属设备驱动系统至少具有一个惰轮，或是为了皮带迂回，或是为了皮带张力控制。当惰轮安装在张紧装置上时，这称为“自动张力控制”。另一方面，当惰轮安装在螺旋千斤顶组合件上时，它称为“固定中心张力控制”。
从原则上讲，当没有扭矩被皮带轮传送时，皮带轮两侧的皮带跨距张力不会与初始安装张力发生改变。由于没有扭矩能被轮毂负载传送器传送，在轮毂负载传送器两侧上的跨距张力可计算如下：
T1＝T2＝H/[2sin(θ/2)]    (1)
其中，H是由轮毂负载传送器测得的皮带轮毂负载力，而θ是皮带包角，其因次是在此皮带轮上的度。皮带包角可从设计的几何图形上直接测得。由传送器测得的轮毂负载力，H，称为“基线张力测量”。如按图1-7所述，在轮毂负载传送器上的应变片产生信号，它被输入至现有技术中已知的仪表中，如信号调节器/放大器和示波器或数字测量仪，用于显示以牛顿为单位的轮毂负载力。一个实例的应变片信号调节器/放大器是显示于URL的网上的IO Tech应变片模块DBK43ATM8通道应变片模块http://www.iotech.com/catalog/dag/catdbk43.html。
与轮毂负载传送器不同，扭矩传送器能传送和测量扭矩。当扭矩由皮带轮传送时，例如由水泵WP的皮带轮传送时，在扭矩传送器的张力差是：
T3-T2＝2＊Q/D    (2)
其中，Q是以牛-米[N-m]为单位在扭矩传送器测得的扭矩，而D是以米[m]为单位的扭矩传送器的皮带轮节圆直径。通常，扭矩传送器为了得到最大的摩擦能力而连接至多肋皮带轮。由扭矩传送器测得的扭矩值称作“增量张力测量”。
皮带驱动的效率(η)定义为：
η＝([P输出]/[P输入])＊100％
其中P输入是功率输入，而P输出是功率输出。它们分别定义为：
P输入＝QCR＊ωCR
P输出＝(QAC＊ωAC)+(QAL＊ωAL)+(QPA＊ωPA)+(QWP＊ωWP)
扭矩QCR、QAC、QAL、QPA和QWP用扭矩传送器直接在每根相应轴上测量。以转/分(RPM)为单位的旋转速度也在每根相应轴上测量。由于讨论的皮带轮系统的相当高的效率，准能量守恒状态能精确地达到。因此，要求的扭矩传送器总数可以是扭转部件总数减去1。
能量守恒要求总功率输入在理想情况下，即假定系统中没有摩擦损失，等于总功率输出。
QCRωCR＝QACωAC+QALωAL+QPAωPA+QWPωWP
其中ω代表旋转速度，以弧度/秒为因次单位。
假定在皮带与每一皮带轮之间没有滑动，于是：
ωCR＊DCR＝ωAC＊DAC
ωCR＊DCR＝ωAL＊DAL
ωCR＊DCR＝ωPA＊DPA
ωCR＊DWP＝ωAC＊DWP
应用无滑动方程组解能量守恒方程得出以各部件扭矩表示的曲轴扭矩QCR为：
QCR＝QAC＊DCR/DAC+QAL＊DCR/DAL+QPA＊DCR/DPA+QWP＊DCR/DWP    (3)
应指出的是，当应用方程(2)和(3)时，驱动扭矩和被驱动扭矩将分别用“+”和“-”标注。其中驱动扭矩是曲轴阻尼器扭矩，而被驱动扭矩是各具体部件的扭矩，例如空调压缩机、交流电动机等。曲轴扭矩应用方程(3)加以计算。在跨距1和跨距2的基线张力应用基线张力方程(1)加以计算。相邻跨距的张力，如跨距3至6的，则采用扭矩传送器测量，应用增量张力方程(2)加以计算。
以下假设值是随机选取的，只是为了展示计算过程而提供，而不是限制。
曲轴阻尼器，节圆直径DCR＝200[mm]
在AC测得的扭矩，QAC＝-30[N-m]
节圆直径DAC＝180[mm]
在AL测得的扭矩，QAL＝-20[N-m]
节圆直径DAL＝60[mm]
在PA测得的扭矩，QPA-15[N-m]
节圆直径DPA＝150[mm]
在WP测得的扭矩，QWP＝-5[N-m]
节圆直径DWP＝100[mm]
如先前指出的，“+”号表示驱动扭矩，而“-”号表示被驱动的附属设备扭矩。
应用方程(3)计算驱动扭矩(曲轴扭矩)，得
QCR＝200/180＊30+200/60＊20+200/150＊15+200/100＊5＝+130[N-m]
应用方程(2)计算各皮带跨距上的增量张力，得
T34＝2＊130＊1000/200＝+1300[N]
T45＝2＊30＊1000/180＝-333[N]
T56＝2＊20＊1000/60＝-667[N]
T61＝2＊15＊1000/150＝-200[N]
T23＝2＊5＊1000/100＝-100[N]
“1000”这一项是简单地从单位换算导出的，即：1.0N-m＝1000.0N-mm。
张紧装置惰轮IDL上的包角θ＝60°。由轮毂负载传送器在IDL上测得的轮毂负载H＝350[N]。
应用方程(1)，计算得到在跨距1和跨距2上的皮带张力为：
T1＝T2＝H/[2＊sin(θ/2)]＝350[N ]
因此，可算得相邻跨距的张力为：
T3＝T2+T23＝350-100＝250[N]
T4＝T3+T34＝250+1300＝1550[N]
T5＝T4+T45＝1550-333＝1217[N]
T6＝T5+T56＝1217-667＝550[N]
T1＝T6+T61＝550-200＝350[N]
扭矩传送器
图9是扭矩传送器的横截面图。所示扭矩传感器1000连接至轴1001。轴1001是一根旋转轴，用于将功率(扭矩)输入至诸如AC、AL、WP、PA的被驱动附属设备，或从诸如曲轴CRK的驱动器输出功率(扭矩)。传感器1000包括环1002，它被用于通过螺纹紧固件1003将传送器紧固至轴1001。环1002还紧固至可应变圆柱体1005。可应变圆柱体1005转而又紧固至皮带啮合环1007。皮带啮合环1007还包括皮带啮合部分1008。所示部分1008具有多楔剖面。但根据皮带驱动系统中应用的皮带，部分1008也可包括平面的或单一凹槽(V-皮带)的剖面。
可应变圆柱体1005足够的薄，以致当受到运转扭矩负载作用时可扭转应变。体1005可包括任何材料，只要其强度和韧性足以经受扭矩传送使用，同时在运转负载作用下，其柔软度还足以抵挡应变而不会破损。可采用的材料有塑料以及金属材料，包括铝、钢、钛、镁及它们的合金和组合。材料根据系统的运转要求加以选择。
另一方面，环1002、环1007和部分1008与体1005相比，每一件又足够刚硬，以致基本上在环1002、环1007和部分1008中的所有应变与圆柱体1005中的应变相比都微不足道的小。扭矩传送器中所有应变基本上都显现于圆柱体1005中，是符合要求的。这使应变片检测到的应变达到最大，从而使应变片中的电阻改变达到最大，这转而又优化了连接的仪表装置检测到的电压改变。
低摩擦轴承1009设置于环1007和部分1008与圆柱体1005之间。轴承1009同时径向地支承着环1007和部分1008，还阻止环1007相对环1002变得扭转地被固定，从而将要传送的全部扭矩限于通过圆柱体1005。轴承1009可包括现有技术中已知的任何合适的低摩擦轴承，包括而不限于滚珠轴承、滚针轴承和滚柱轴承。润滑的低摩擦滑移表面也可应用以替代轴承。
图10是扭矩传送器替代性实施例的横截面图。应用于本发明扭矩传送器中的信号调节器2002和滑动环2001是现有技术中已知的，如由Michigan Scientific Inc.提供的、零件号(part no.)Short S6/X/SG1的整体组件。所示滑动环2001与连接器2012相配合。部件轴2006应用楔2015连接至连接器2012。连接器2012由紧固件2011连接至可应变圆柱体2009。轴承2003和2004在两端各自支承着皮带支承表面2005，而使应变得以隔绝在圆柱体2009中。连接器平板2010应用紧固件2016将滑动环/信号调整器连接至圆柱体2009。粘接至圆柱形可应变体2009表面上的应变片布置可包括图12至15说明中的任一种。
图11是扭矩传送器替代性实施例的横截面图。轮毂3002应用螺栓3005连接至曲轴3001。曲轴3001是汽车发动机(未表示)的一部分。轮毂3002包括可应变圆柱形或管状部分3006。应变片如文中图12-15中所述的连接至管状部分表面3007。可应变管状部分3006由螺栓3013连接至外环3003。已知的滑动环和信号调节器3011由螺栓3012连接至管状部分3006。部分3006和外环3003也可机加工或生产成一件单独组件，从而消除了对螺栓3012和3013的需要，从而降低了总的部件重量。
轴承3004放置在外环3003与轮毂3002之间的环形空间3015中。环形空间3015和轴承3004径向相距曲轴3001而设置以优化管状部分3006上的扭转应变。当经受扭矩时，轴承3004使外环3003得以相对轮毂3002稍微转动，从而使管状部分3006与施加的扭矩成比例地变形。外环3003的足够高的模量确保所有与扭矩有关的应变基本隔绝至管状部分3006中。轴承3004支承着管状部分3006，用以防止它在负载作用下过分地变形或扭歪。轴承3004包括密封的滚珠轴承。当管状部分3006和外环3003是一件单独组件时，轴承3004通过压配合而安装。
弹性体构件3008设置于外环3003与皮带支承构件3009之间。弹性体构件3008可包括任何的天然橡胶或合成橡胶或它们的任何组合，包括但不限于HNBR和/或EPDM。构件3008通过现有技术中已知的粘结剂夹持于构件3009与外环3003之间，或被压缩在环形空间3014中，或通过它们的组合。弹性体构件3008的压缩位于未压缩厚度的20％至70％的范围内。
弹性体构件3008阻尼由于曲轴旋转和发动机运转引起的曲轴振动。以此方式进行的振动阻尼减少由曲轴驱动的皮带驱动系统上的磨损，从而增加系统部件的有用寿命，并降低不希望有的噪声和振动向汽车框架和乘客的传送。皮带支承构件3009具有多楔剖面3010，用于啮合多楔皮带。
如图10描述的整体滑动环和信号调节器3011应用螺栓3012连接至轮毂3002。本发明扭矩传送器是足够的紧凑，所以它适用于目前要求的曲轴阻尼器相同尺寸的体积中。
图12是如设置在可应变构件上的单整桥应变片配置的示意图。所示圆柱体1005在平面图中“展开”，并将圆柱形位置标记为0°和180°。旋转轴线是R-R。所示的45°应变片对T1C1和T2C2位于在体2005的向外设置的表面上的位置0°和180°处。名词“45°”指每一应变片主轴方向与轴线A-A的角向关系。轴线A-A设置成与轴线R-R成90°角度。此角向关系对检测扭转应变提供最大的敏感度，因为应变片轴线基本对准主要的应变方向。当角度位于约45°-50°的范围内时，其结果是可接受的。图12-15中描述的也是应变片在管状部分3006上的典型配置。
图13是具有双极激励的单整桥应变片配置的示意图。每片应变片T1、T2、C1、C2均包括适合于使用的已知电阻。每片应变片粘接至如图11所示的圆柱体1005的表面上。体1005的变形正比于皮带轮/传感器组合传送的扭矩。输送至应变片信号调节器和被连接的仪表装置模块的信号用S+和S-表示。电压源用P+和P-表示。
图14是设置在可应变构件上的双桥应变片配置的示意图。所示圆柱体1005在平面图中“展开”，并在体1005的向外设置的表面上将圆柱形位置标记为0°、90°、180°和270°。45°应变片对设置如下：T1C1在0°，T2C2在90°，T3C3在180°，而T4C4在270°。每片应变片T1、T2、T3、T4、C1、C2、C3、C4均包括适合于使用的已知电阻。每片应变片如图13所示地粘接至圆柱体1005的表面上，从而体1005的应变被测量，它们正比于由皮带轮/传感器组合传送的扭矩。如图12中指出的，名词“45°”指每一应变片主轴方向与轴线A-A的角向关系。轴线A-A设置成与轴线R-R成90°角度。此角向关系对检测扭转应变提供最大的敏感度，因为应变片轴线基本对准主要应变方向。当角度位于约40°-50°的范围内时，其结果是可接受的。
图15是具有双极激励的双桥应变片配置的示意图。双极应变片为检测小应变提供增加的敏感度。输送至应变片信号调节器和仪表装置模块的信号用S+和S-表示。电压源用P+和P-表示。
本发明的系统和部件可应用于现存的汽车前端附属设备驱动中，并只需最小的修改。轮毂负载传送器装配在惰轮内。扭矩传送器呈现很大的灵活性，因为每一扭矩传送器或可作为原型设备加以安装，或加以改装以适合现存的扭矩传送附属设备皮带轮和曲轴。
图16是试验的皮带驱动系统的示意图。在此实施系统中，扭矩传送器安装在P-S，功率控制和ALT，交流发电机皮带轮上。轮毂负载传送器安装在惰(IDL)皮带轮上。皮带由曲轴皮带轮CRK沿方向D加以驱动。当然，使用者可应用一个轮毂负载传送器和多个扭矩传送器测试(n-1)个皮带轮，其中(n)是皮带轮的总数。图15的系统中包括n＝8个皮带轮。
图16中试验系统设计的数据如下：
皮带驱动系统的几何形状
Figure C20048001541800192
相应张力按以下方程进行计算：
Hidler＝测得的 T 3 = T 4 = H idler 2 sin ( wrap idler 2 )
H Alt = sin ( θ Alt 2 ) ( T idler + T Alt ) T 2 = T 3 + Q Alt φ Alt / 2
H = sin ( θ PS 2 ) ( T Alt + T PS ) T 1 = T 2 + Q PS φ PS / 2
T＝张力，H＝轮毂负载，Q＝扭矩，φ＝直径，θ＝包角
为了展示而不是限制，实例计算包括：
T 3 = T 4 = 192.63 N 2 sin ( 34.4 2 ) = 325.7 N
T 2 = 325.7 + 5.206 0.05331 / 2 = 521.0 N
T 1 = 521.0 + 16.372 0.13997 / 2 = 754.9 N
为计算驱动效率，还需测量旋转速度以确定此量。如对上实例，曲轴上的扭矩应应用扭矩传送器直接测量以替代计算：
Qcr＝+135[N-m]，在曲轴的旋转速度CR＝1000rpm
Qac＝-30[N-m]，在空调器的旋转速度AC＝1100rpm
Qal＝-20[N-m]，在交流发电机的旋转速度AL＝3300rpm
Qpa＝-15[N-m]，在功率控制的旋转速度PA＝1300rpm
Qwp＝-5[N-m]，在水泵的旋转速度WP＝2000rpm
驱动效率计算如下：
η＝abs([QAC＊AC+QAL＊AL+QPA＊PA+QWP＊WP]/[QCR＊CR])＊100％
＝|(30＊1100+20＊3300+15＊1300+5＊2000)/(135＊1000)＊100|
η＝95.19％
图17是对试验皮带驱动系统测得的轮毂负载和扭矩图。以上进行的抽样皮带跨距张力计算取于23秒的时间步骤。虽然扭矩T1、T2、T3和T4可在每一时间步骤计算，因此时间步骤23是随时抽取。曲线(A)是惰轮轮毂负载。曲线(B)是交流发电机扭矩，而曲线(C)是功率控制泵(P/S)扭矩。每一部件的值均由此说明书中描述的仪表设备加以测量，并如图16所展示。
试验系统经受三种负载/卸载循环的作用。从时间0至约时间4秒，交流发电机扭矩和惰轮轮毂负载基本为常数。在约时间2秒，功率控制扭矩增加，对应负载增加。负载保持基本为常数直至约时间11秒。从约时间4秒至时间5秒，交流发电机扭矩下降。在时间5秒时，交流发电机扭矩稳步增加直至时间9秒，在此达到平衡。在约时间4秒时，轮毂负载下降直至时间6秒。在时间6秒时，它突然增加至在时间4秒时测得的值。在时间11秒时，循环重复直至时间25秒，并再一次重复直至时间37+秒。
图18是在每一时间步骤对试验皮带驱动系统进行计算获得的张力图。光标X放置在23秒标记上以对比和展示由图16得到的结果。曲线(A)是惰轮张力，T4。曲线(B)是交流发电机张力，T3，而曲线(C)是功率控制泵(P/S)张力，T2。文中描述的计算最好由编程计算机进行。计算机编程应用已知方法完成。
图17中描述的每一循环的进展可在图18中清楚地看到。例如，由于惰轮不传送扭矩，在图16中所示的跨距3和跨距4上的惰轮皮带跨距张力对应图17所示的惰轮轮毂负载。在跨距2中的皮带张力(曲线(B))是交流发电机扭矩的函数，见图17。在跨距1中的皮带张力(曲线(C))是交流发电机扭矩和功率控制扭矩的函数，见图17。
人们可想到，本文描述的系统和方法可应用扭矩传送器用于检测所有皮带轮，但装备有轮毂负载传送器的惰轮除外，因为惰轮不传送扭矩。
虽然文中已描述了发明的形式，但对该技术的技术人员而言，显然，只要不偏离文中描述的发明的精神和范围，可对结构和各部件之间的关系进行改变。

Claims (12)

1.一种扭矩传送器，此扭矩传送器包括：
圆柱形可应变构件，具有表面和第一部分与第二部分；
所述第一部分可连接至一轴；
所述第二部分连接至一皮带支承部分；
一低摩擦轴承，设置在所述皮带支承部分与圆柱形可应变构件之间，用于将扭矩感生的应变隔绝在所述表面上；以及
至少一片应变片，安装在所述表面上，所述应变片产生一个信号，正比于扭矩感生的应变。
2.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，此扭矩传送器还包括：
滑动环，啮合圆柱形可应变构件，用于接收信号；和
信号调节器，电设置在应变片与滑动环之间。
3.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，所述低摩擦轴承包括滚珠轴承。
4.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，所述皮带支承部分包括多楔剖面。
5.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，此扭矩传送器还包括多个应变片，这些应变片安装至所述表面上，并按整桥电学布置而设置。
6.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，此扭矩传送器还包括一第二应变片，该第二应变片安装至所述表面上，并配合地连接至上述至少一片应变片。
7.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，一应变片轴线与圆柱形可应变构件的旋转轴线(R-R)成角度设置，该角度在40°-50°的范围内。
8.如权利要求1所述的扭矩传送器，其特征在于，此扭矩传送器还包括一阻尼构件，设置在皮带支承部分与圆柱形可应变构件之间。
9.如权利要求8所述的扭矩传送器，其特征在于，所述阻尼构件包括弹性体材料。
10.正在运转的皮带驱动系统中皮带动态张力的一种测量方法，该方法包括的步骤有：
使皮带啮合驱动轮和被驱动轮；
用驱动轮驱动皮带和被驱动轮；
应用轮毂负载传送器测量在惰轮上的轮毂负载；
应用根据权利要求1-9中任一项的扭矩传送器测量在被驱动轮上的被驱动轮扭矩；
测量被驱动轮旋转速度；以及
应用测得的被驱动轮扭矩和测得的轮毂负载，计算皮带跨距张力。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，此方法还包括的步骤有：
应用轮毂负载传送器和扭矩传送器检测n-1个皮带轮，其中n是皮带轮的总数。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，此方法还包括的步骤有：
应用被驱动轮扭矩和驱动旋转速度计算驱动效率。
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