CN100487403C - 张合式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明张合式扭矩传感器，属于扭矩传感器技术领域，要解决的问题是：提供一种采用了集流环技术，敏感梁置于传感器内部的用于高速重载转轴扭矩测量的扭矩传感器，采用的技术方案为：它由两个结构相同的半圆环状的主体通过螺钉对称固定在传动轴上，主体的结构为：外半壳的内侧上下端面均套装有紧固半环，紧固半环中间固定有内半环，内半环外端自内向外套装有小绝缘半环、小导电半环、大导电半环和大绝缘半环，内半环内端的凹槽内固定有放大与转换元件，紧固半环的端面固定有连接半环，连接半环之间设置有敏感梁，敏感梁的侧面固定有应变片，连接半环固定连接选配半环，选配半环的内表面与传动轴相接触，本发明可以广泛应用到各种轴向扭矩测量领域。

Description

张合式扭矩传感器

技术领域

本发明张合式扭矩传感器，属于扭矩传感器技术领域。

背景技术

为了解决大型履带车辆发动机、传动箱的扭矩测试问题，针对轴端无法安装传感器、动力舱空间狭小，并且裸露轴尺寸小的转轴扭矩测试问题，提出张合式紧凑型扭矩测量方案，将集流环技术引入扭矩传感器设计中，将粘贴在敏感梁上的应变片的引线引至测量电路的输入端，放大调理后，采用集流环装置传递微弱信号。通常，当轴受到扭矩作用时，只要轴的尺寸、材料确定，则轴的剪应变和轴的两个端面的相对转角就只与轴所承受的扭矩有关，且成正比例关系。一般扭矩的测试方法正是基于这种关系，用各种传感器将轴的剪应变或两端面的相对转角变换成电量，再经测量电路进一步处理，实现对扭矩的测量。常见的扭矩测量方法可分为应变式及相对转角式。对于旋转轴扭矩的测量，采用相对转角法则比较困难，故多采用简单可靠的电阻应变式测量方法。目前的应变型扭矩传感器，是将应变片粘贴在被测轴上或特制的弹性轴上，利用应变片将轴由于扭矩产生的剪应变转换成电量进行测量。为了提高灵敏度，并消除其他参数的影响，通常在轴圆周方向每隔90°布置一个应变片，其贴片方向与轴成45°或135°夹角，把它们接成全桥测量形式，这样应变片感受转轴在扭矩作用下产生的剪应变，并经集流环与测试电路相连，即可对旋转轴的扭矩进行测量。这种测量方案在测试时必须在转轴上粘贴应变片，传感器的适应性差，人为误差大，设计敏感梁置于传感器内部，可解决这一方案的不足。现有的扭矩传感器采用电刷式集流环，其转子是一系列紧套在旋转轴上的金属滑环，滑环与轴以及滑环自身之间，均用绝缘材料隔开，定子是一系列装有压紧弹簧的电刷。测量时，首先用联轴器把集流环联结在转轴上，使集流环的转子能随轴转动，定子固定并与转子紧密接触。然后分别用导线把应变片和转子连通、把测试电路与定子连通，靠电刷与滑环的紧密贴合进行应变信号的传递。装有压紧弹簧的电刷结构容易磨损，可靠性较差，信号传输的信噪比低。另一方面，现有的扭矩传感器大都采用轴端安装方式，其应用具有一定的局限性。

发明内容

本发明张合式扭矩传感器所要解决的问题是：提供一种采用了集流环技术，敏感梁置于传感器内部的用于高速重载转轴扭矩测量的扭矩传感器。

为了解决上述问题，本发明张合式扭矩传感器采用的技术方案为：张合式扭矩传感器，其结构是：它由两个结构相同的半圆环状的主体11通过螺钉对称固定在传动轴12上，其中，主体12主要包括：小导电半环1、大导电半环2、大绝缘半环3、小绝缘半环10、外半壳4、内半环5、紧固半环6、选配半环7、连接半环8、敏感梁9、应变片13和放大与转换元件14，其结构为：外半壳4的内侧上下端面均套装有紧固半环6，紧固半环6通过凸台18在两个紧固半环6中间固定有内半环5，内半环5外端的外凹槽15内自内向外套装有小绝缘半环10、小导电半环1、大导电半环2和大绝缘半环3，大绝缘半环3套装在外半壳4内侧中间位置的内凹槽16中，内半环5内端的凹槽17内固定有放大与转换元件14，紧固半环6通过端面上的螺钉固定有连接半环8，上下两个连接半环8之间的四周环面上设置有敏感梁9，敏感梁9的侧面固定有应变片13，连接半环8的通过端面上的定位销固定有选配半环7，选配半环7的内表面与传动轴12相接触。

本发明张合式扭矩传感器与现有技术相比具有以下有益效果：

该发明所描述的传感器整体结构采用张合式，具体由两个结构相同的半圆环状的主体11通过螺钉对称固定在传动轴12上，结构紧凑，便于在空间狭小的轴上进行直接外卡安装，方便现场在线测量；采用选配半环7，可适用于多种轴颈传动轴的扭矩测量，通用性强；敏感梁9体积小，敏感梁9的侧面固定有应变片13，内半环5内端的凹槽17内固定有放大与转换元件14，应变片13通过导线与放大与转换元件14相连，然后通过小导电半环1和大导电半环2，再通过导线传送到传感器外，这样经过优化设计，放置于传感器内部，安装方便，测量精度高；采用无电刷集流环结构，通过小导电半环1和大导电半环2的结构，实现高速旋转件之间的信号传递，提高了信号的信噪比和可靠性。

附图说明

图1为本发明张合式扭矩传感器的结构示意图；

图2为图1所述张合式扭矩传感器的A—A剖视图；

图3为图1中紧固半环6的结构示意图；

图4为图3所述紧固半环6的俯视图；

图5为图1中2个连接半环8和4个敏感梁9的装配示意图；

图6为图5的俯视图。

具体实施方式

图1为本发明张合式扭矩传感器的结构示意图，图2为图1所述张合式扭矩传感器的A—A剖视图，本发明张合式扭矩传感器由两个结构相同的半圆环状的主体11通过螺钉对称固定在传动轴12上，其中，主体11主要包括：小导电半环1、大导电半环2、大绝缘半环3、小绝缘半环10、外半壳4、内半环5、紧固半环6、选配半环7、连接半环8、敏感梁9、应变片13和放大与转换元件14，其结构为：外半壳4的内侧上下端面均套装有紧固半环6，紧固半环6通过凸台18在两个紧固半环6中间固定有内半环5，内半环5外端的外凹槽15内自内向外套装有小绝缘半环10、小导电半环1、大导电半环2和大绝缘半环3，大绝缘半环3套装在外半壳4内侧中间位置的内凹槽16中，内半环5内端的凹槽17内固定有放大与转换元件14，紧固半环6通过端面上的螺钉固定有连接半环8，上下两个连接半环8之间的四周环面上设置有敏感梁9，敏感梁9的侧面固定有应变片13，连接半环8的通过端面上的定位销固定有选配半环7，选配半环7的内表面与传动轴12相接触。其中小绝缘半环10的外侧设有4个小凹槽，大绝缘半环3的内侧与小绝缘半环10相对应设置有4个相同的小凹槽，小绝缘半环10和大绝缘半环3，可以为尼龙、聚四氟乙烯等材料，小凹槽之间套装有小导电半环1和大导电半环2，小导电半环1和大导电半环2可以为紫铜、黄铜等材料。

图3为图1中紧固半环6的结构示意图，图4为图3所述紧固半环6的俯视图，在半圆环形的紧固半环6的连接端设置有连接端头19，端头19沿径向设置有通孔20，端头19的接触面的外端设置有豁口21，此豁口21用于外半壳4的定位，在紧固半环6中间位置的外侧设置有凸台18，在凸台18上沿轴向设置有连接通孔22。

图5为图1中2个连接半环8和4个敏感梁9的装配示意图，图6为图5的俯视图，上下两个连接半环8之间的四周环面上均匀设置有4个敏感梁9，上下两个连接半环8之间对应设置有4个均匀布置的定位凹槽23，在定位凹槽23之间套装有敏感梁9。

假设敏感梁9的尺寸定为(3×8×34)mm，即截面的尺寸为(3×8)mm。发动机输出轴转速为3000转/分，发动机功率为500马力。由已知数据结合1马力＝735N，可以求得扭矩大小为：

$T=9550\frac{P}{n}=9550\×\frac{500\×735}{3000}=1170N\·M---\left(1\right)$

考虑到旋转轴为45钢，查得G＝80GPa

截面极惯性矩为

$I_p=\frac{\mathrm{\π}{D}^4}{32}=\frac{\mathrm{\π}\×{(50\×{10}^{-3})}^4}{32}=6.13\×{10}^{-7}{m}^4---\left(2\right)$

单位长度扭转角为

故敏感梁9两端扭转角大小为

敏感梁9两端相对扭转弧长为

整个敏感梁9的变形可以简化为并联的两根悬臂梁，在敏感梁9的中点处，应力为零。在敏感梁9的根部应力最大，故将应变片贴于敏感梁根部。每根敏感梁9的挠度为

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}s=\frac{1}{2}\×2.55\×{10}^{-5}=1.275\×{10}^{-5}m=0.01275\mathrm{mm}---\left(6\right)$

变形后的长度为

$l\′=\sqrt{{13}^2+{0.01275}^2}=13.00000625\mathrm{mm}---\left(7\right)$

故应变片的微应变为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δl}}{l}=\frac{l\′-l}{l}=\frac{0.00000625}{13}=4.8\×{10}^{-7}---\left(8\right)$

连接半环8材料可选用45钢，测量时连接半环8可直接连接到轴上，也可与选配半环7一起使用来适应不同轴径转轴扭矩的测量，使用选配半环7时将其与连接半环8用圆柱定位销连接来保证它们之间的位置关系，并保证两个环能够与轴同时进行旋转。

在连接半环8外需要再加装一个紧固半环6来起到夹紧作用。通过紧固半环6的作用，当轴受到扭矩作用时，轴带动选配半环7运动，而连接半环8与选配半环7通过定位销来联接一起运动，连接半环8外的紧固环可以保证这三个环同时与轴进行可靠地旋转。紧固半环6起着夹紧两个环的作用，因而其上螺栓必须有一定的强度。因而仍以上述数据为例，对紧固环上的螺孔直径进行相关计算。

扭矩作用到紧固件上的力为

$F=\frac{T}{r}=\frac{1170/2}{55\×{10}^{-3}}=10636N---\left(9\right)$

因而有

F₂＝1.2F＝1.2×10636＝12763N                       (10)

由

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ca}}=\frac{1.3F_2}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]---\left(11\right)$

可得

$d\≥\sqrt{\frac{4\×1.3F_2}{\mathrm{\π}\left[\mathrm{\σ}\right]}}=\sqrt{\frac{4\×1.3\×12763}{3.14\×600}}=5.94\mathrm{mm}---\left(12\right)$

故可取

d＝6mm

因而选用直径为6mm的内六方螺栓。

弹簧钢有较高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度。优质弹簧钢常用于作力臂材料，能够承受较大的受力产生相应变形。因此压紧环可选用弹簧钢材料。

该传感器的信号部分采用集流环结构，对通用的集流环的结构进行了优化设计，不再使用电刷，取而代之的是可以导电的半环状金属材料。内环上固定金属材料，外壳与内环配合时使导电材料相接触，进而起到传递信号的作用。

改进后的结构可以使该传感器更方便地进行扭矩测量。内环作为扭矩传感器的转子部分，其侧面与紧固环采用两个轴向圆柱销连接在一起，紧固环与连接环直接采用螺栓连接；内环外侧布置有多条环形槽，把绝缘材料嵌入其中，同时将导电环嵌入绝缘材料的凹槽里。环形槽的条数需根据所传输信号的数量来确定，导电环的材料可选用黄铜。此结构避免了电刷式集流环的弹簧结构，导电材料间通过绝缘材料隔开，能够有效防止干扰，而且也便于信号的传输。外壳的结构类似于内环，其导电滑环部分布置在环体的内侧，与内环的导电环相配合传输信号，内环与外壳间靠螺栓连接压紧，保证紧密接触。从固结于内环的导电材料底部引线，通过绝缘材料以及内环可以将导线连接至电阻应变片上，这样就可以测得电阻的变化值。同样的方法，从固结于外壳的导电材料底部引线，在绝缘材料上穿孔至外壳就可以和外电源相连，这样就可以从外部获得能量供给。

Claims (1)

1、张合式扭矩传感器，其特征是：两个结构相同的半圆环状的主体(11)通过螺钉对称固定在传动轴(12)上，其中，主体(11)主要包括：小导电半环(1)、大导电半环(2)、大绝缘半环(3)、小绝缘半环(10)、外半壳(4)、内半环(5)、紧固半环(6)、选配半环(7)、连接半环(8)、敏感梁(9)、应变片(13)和放大与转换元件(14)，主体(11)的结构为：外半壳(4)的内侧上下端面均套装有紧固半环(6)，在两个紧固半环(6)的中间位置，紧固半环(6)通过凸台(18)固定有内半环(5)，内半环(5)外端的外凹槽(15)内自内向外套装有小绝缘半环(10)、小导电半环(1)、大导电半环(2)和大绝缘半环(3)，大绝缘半环(3)套装在外半壳(4)内侧中间位置的内凹槽(16)中，内半环(5)内端的凹槽(17)内固定有放大与转换元件(14)，紧固半环(6)通过端面上的螺钉固定有连接半环(8)，上下两个连接半环(8)之间的四周环面上设置有敏感梁(9)，敏感梁(9)的侧面固定有应变片(13)，连接半环(8)通过端面上的定位销固定有选配半环(7)，选配半环(7)的内表面与传动轴(12)相接触。

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