CN101852663A - 扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扭矩测量装置，包括：阶梯轴，沿其轴向分为贴片部位和设有外花键的部位；感应元件，设于所述阶梯轴的贴片部位；轴套，与所述阶梯轴连接，呈内部镂空的形状，镂空结构具有内花键；调理单元及无线发射单元，均设在所述轴套的上侧，与所述全桥电路连接，所述调理单元用于将全桥电路输出电压转变为其幅值与所受扭矩相对应的数字信号，所述无线发射单元用于发射所述数字信号。本发明大大降低了扭矩测试的现场工作，无需更改现有设备，无需在被测轴上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，使得现场安装及扭矩测试作业更加简单，避免了现场贴片带来的测试误差，并且可以重复利用。

Description

扭矩测量装置

技术领域

本发明涉及动力机械旋转轴的扭矩测量装置，具体涉及一种拖拉机等动力装置的动力输出轴的扭矩测量装置。

背景技术

拖拉机的动力输出轴用来驱动播种机、施肥机、收割机、旋耕机和固定作业机具等。GB-T 1592.3-2008规定了农业拖拉机后置动力输出轴的轴头类型和尺寸。扭矩，又称转矩，是动力输出轴的重要工作参数之一(检测标准见GB/T 3871.3-2006)。通过测量各传动轴的扭矩，能够对传动轴载荷的确定和控制提供参考依据，以免出现“大马拉小车”的情况。

目前应用最广泛的旋转轴扭矩测量方法是应变式测量法，在已有的旋转轴上粘贴电阻应变片，搭建惠斯通全桥电路，当旋转轴传递扭矩时产生变形，应变片也随之形变，其阻值发生改变，从而导致电桥失衡。依据材料力学中扭矩与轴表面应变之间的关系，获得测量转矩。电阻应变片的信号通常利用集流环或无线模块进行传输。这种扭矩测量装置，消除了轴向力和弯矩的影响，测量精度高，适应性广。

参考文献1包含了一个基于无线传输的旋耕机扭矩测量的例子，采用应变式扭矩测量原理，将信号通过无线传输模块WAP200C对外发射。参考文献2包含了一个旋转扭矩传感器无线传输技术的例子，采用集成型扭矩传感器，提供了无线测试系统的硬件构成。

但是，现有技术有以下不足。

1、集流环采用滑环、电刷等作为引电装置，轴的高速旋转易造成接触部位的磨损和局部过热，信号的信噪比比较差，且影响工作寿命。所以这种方法并不适用于高速旋转的轴。

2、每测试一根旋转轴就要重新粘贴应变片，不能重复应用于其他被测轴。贴片过程操作繁琐，且误差难以避免。

3、农机具在田间工作时经常上下或左右摆动，若传动万向节与动力输出轴安装或使用不当，往往会顶断动力输出轴轴头，损坏万向节。

参考文献：

[1]安英博，卢博友，孟彩茹，等.基于无线传输的旋耕机扭矩测量系统设计[J].农机化研究，2009，3(3)：95-97

[2]孙颖，陈柯行，柴继新，等.旋转扭矩传感器无线传输技术[J].电子产品世界，2005，8：86-89。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的问题就是提供一种能够重复使用、操作简单、不损坏动力输出轴及万向节且适用于高速旋转轴的扭矩测量装置。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的技术方案是采用一种扭矩测量装置，包括：阶梯轴，沿其轴向分为贴片部位和设有外花键的部位；感应元件，设于所述阶梯轴的贴片部位；轴套，与所述阶梯轴连接，呈内部镂空的形状，镂空结构具有内花键；调理单元及无线发射单元，均设在所述轴套的上侧，与所述全桥电路连接，所述调理单元用于将全桥电路输出电压转变为其幅值与所受扭矩相对应的数字信号，所述无线发射单元用于发射所述数字信号。

其中，所述感应元件由四个电阻应变片组成的全桥电路构成，四个电阻应变片均贴于所述阶梯轴的贴片部位。

其中，所述阶梯轴的外花键的截面形状与待连接的万向节的内花键的截面形状相匹配；所述轴套的内花键的截面形状与待连接的动力装置动力输出轴的外花键的截面形状相匹配。

其中，在所述轴套上设有限位孔，该限位孔通过插入其中的螺栓，限制所述动力装置的动力输出轴在轴方向的位移；在所述阶梯轴的设有外花键的部位设有凹槽，该凹槽通过与之配合的螺栓，限制所述万向节在轴方向的位移。

其中，该扭矩测量装置还包括：供电单元，设于所述轴套的下侧，用于向感应元件、调理单元及无线发射单元供电。

其中，所述供电单元由电池组构成。

其中，所述轴套呈立方体形状。

(三)有益效果

本发明大大降低了扭矩测试的现场工作，无需更改现有设备，无需在被测轴上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，使得现场安装及扭矩测试作业更加简单，避免了现场贴片带来的测试误差，并且可以重复利用。另外，可以保护被测拖拉机动力输出轴轴头和万向节，防止因安装和使用不当造成的损坏。

附图说明

图1是本发明的电阻应变片测量扭矩的布片和组桥示意图；

图2是本发明的扭矩测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中标识有长度的扭矩测量装置的示意图；

图4是图2的左视图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本实施例的扭矩测量装置，其组成包括：轴套1a、与该轴套1a焊接在一起的阶梯轴1b、感应元件、无线发射单元及调理单元2、供电单元3。轴套1a为内部镂空结构的立方金属体，该镂空结构具有内花键，该内花键的截面形状与待连接的动力装置动力输出轴的外花键的截面形状相匹配。该内花键的高度H1＝被测拖拉机等动力装置动力输出轴的外花键齿顶圆直径φD_EE+(20～30mm)；宽度B1＝被测拖拉机等动力装置动力输出轴的外花键齿顶圆直径φD_EE+(30～40mm)；长度L2＝被测拖拉机等动力装置动力输出轴的花键有效部分B+(3～5mm)。并且，内花键的齿数、齿形及尺寸选取国家标准系列(GB/T 1592.3-2008)。

在轴套1a上设有两个限位孔5a，该限位孔5a通过插入其中的螺栓，限制拖拉机等动力装置的动力输出轴在轴方向的位移。限位孔5a到与阶梯轴1b的焊接面的距离L6＝被测拖拉机等动力装置动力输出轴圆槽到轴端的距离A+(3～5mm)。将被测拖拉机等动力装置动力输出轴插入轴套1a后，用螺栓M＝2×被测拖拉机等动力装置动力输出轴的圆槽半径R+(1～2mm)进行固定，其中，M在计算值中选取国家标准系列(GB/T 5782-2000)。

如图2所示，阶梯轴1b沿其轴向分为贴片部位4和设有外花键的部位(花键轴部分)，花键轴部分的截面形状与万向节的内花键有效部分相同，即长度L4＝万向节的内花键有效部分B。并且，在花键轴部分上设有凹槽5b，该凹槽5b通过与之配合的螺栓，限制与之配合的万向节在轴方向的位移。阶梯轴1b的外花键的齿数，齿形及尺寸，凹槽5b的定位及尺寸等均选取国家标准系列(GB/T 1592.3-2008)。

其中，贴片部位4为用于粘贴电阻应变片的部位，其截面成圆形，直径D1＝被测拖拉机等动力装置动力输出轴的花键齿根圆直径φD_IE-(3～4mm)，长度L3＝(5～7mm)。为了焊接方便，且保证有效的扭矩传递，设计了的方形轴座6，其截面尺寸与轴套1a相同。

所以，该扭矩测量装置的全长L1＝L2+L3+L4+(8～10mm)。

如图2所示，无线发射单元及调理单元2设在轴套1a的上侧，供电单元3设在轴套1a的下侧。供电单元由电池组构成，具体可以采用两节五号电池供电，或选取其它等效直流电压源，为无线发射单元和调理电路提供工作电压，如Zigbee模块的工作电压需要维持在2.7V～3.6VDC之间。

图1(a)为粘贴电阻应变片的贴片部位4的主视图，图1(b)为图1(a)的侧视图，图1(c)为四个电阻应变片构成全桥电路的电路图。如图1所示，感应元件由四个电阻应变片组成的全桥电路构成，电阻应变片贴于阶梯轴1b的贴片部位4。图1中，M为弯矩，P为轴向力，M_k为被测轴扭矩，R₁、R₂、R₃、R₄分别为四个电阻应变片，A、B、C、D组成全桥电路，U为供桥电压。

本实施例的扭矩测量装置采用应变式测量方式，即用应变片检测轴套受到扭力作用而发生的微小变形，并将其转变为电阻应变片形变与所受扭矩成比例的电信号。根据材料力学，在圆轴受扭转时，沿齐表面与母线成45°角的方向，产生最大的拉、压应力，相应的应变也最大。扭矩M_k与电阻应变片形变之间的关系为：

$M_k=\frac{{\mathrm{\πR}}^3}{2}\·\frac{E}{1+\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}_1$

其中，R为被测圆轴半径，E为被测圆轴材料的弹性模量，μ为被测圆轴材料的泊松比，ε₁为被测圆轴的扭转形变，即电阻应变片的扭转形变。

为了消除弯矩M和轴向力P的影响，按图1示进行布片和组桥，电阻应变片由4片组成，粘贴于同一截面，其中R₁与R₃相对，R₂与R₄相对，R₁与中心轴线呈45°角，R₂与中心轴线呈-45°角。可得到应变ε₁的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{U_{\mathrm{BD}}}{\mathrm{KU}}$

其中，U_BD为电桥输出电压，U为电桥供电电压，K为电阻应变片的灵敏系数。综合上面两式，可得到被测圆轴所受扭矩M_k与电桥输出电压U_BD之间的关系为：

$M_k=\frac{{\mathrm{\πR}}^3}{2}\·\frac{E}{1+{\mathrm{\μ}}_1}\·\frac{1}{\mathrm{KU}}{U}_{\mathrm{BD}}$

此电桥输出电压信号经调理单元转变为其幅值与所受扭矩相对应的数字信号。该数字信号经无线发射单元以电磁波形式向空间辐射。当接收到此高频载波后经解调恢复为原来的数字信号，并将此数字信号转换为与所测扭矩相对应的电压信号。利用电压与扭矩之间的线性关系计算得到扭矩值。

其中，无线传输协议可以选择多种类型，包括电子电气工程师协会(IEEE)目前已开发并制定的IEEE 802.11无线局域网规范(目前已有IEEE 802.11、IEEE 802.11b即WiFi、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g)和IEEE802.15无线个域网规范(目前已有IEEE 802.15.1即蓝牙、IEEE802.15.2、IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4即ZigBee)，及将来可能开发的各种协议，均可适用本发明。

下面，对本发明的工作过程进行说明。

本发明的轴套1a与被测拖拉机等动力装置动力输出轴轴头采用花键配合连接，利用螺栓限位。阶梯轴1b与万向节采用花键连接，同样利用螺栓限位。轴套1a传递扭矩时会产生一个微小的扭转变形，导致贴片部位4上的应变片发生变化而使电桥产生不平衡电势，通过处理该电势即可测得动力输出轴传递的扭矩。

图3中，L5为凹槽5b距离花键轴1b右端轴头的长度，L6为轴套1a内花键立方金属体限位孔距离焊接面的长度，D1为阶梯轴1b的贴片部位4的直径，D2为阶梯轴1b的花键轴部位的齿顶圆的直径。

图4中，B1为轴套1a内花键立方金属体的宽度，H1为轴套1a内花键立方金属体的厚度。

本发明的扭矩检测装置具有以下优点。

(1)利用力学原理将动力输出轴的扭转变形转化为传感器的扭转形变进行扭矩测试，测试精度高，信号稳定。

(2)大大降低了扭矩测试的现场工作，无需更改现有设备，无需在被测轴上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，使得现场扭矩测试更加简单。

(3)测量数据采用无线传输方式，减少连接线缆数量，测试者可以远程接收数据，测试更加安全。

(4)安装简便可靠，适于田间试验，可以重复利用。

(5)传感器可以标准化制作。根据国家标准GB/T1592.3-2008制作最多三型即可适用于标准化拖拉机动力输出轴，避免了现场贴片带来的测试误差。

(6)可以保护被测拖拉机动力输出轴轴头和万向节，防止因安装和使用不当造成的损坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种扭矩测量装置，其特征在于，包括：

阶梯轴，沿其轴向分为贴片部位和设有外花键的部位；

感应元件，设于所述阶梯轴的贴片部位；

轴套，与所述阶梯轴连接，呈内部镂空的形状，镂空结构具有内花键；

调理单元及无线发射单元，均设在所述轴套的上侧，与所述全桥电路连接，所述调理单元用于将全桥电路输出电压转变为其幅值与所受扭矩相对应的数字信号，所述无线发射单元用于发射所述数字信号。

2.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述感应元件由四个电阻应变片组成的全桥电路构成，四个电阻应变片均贴于所述阶梯轴的贴片部位。

3.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，

所述阶梯轴的外花键的截面形状与待连接的万向节的内花键的截面形状相匹配；

所述轴套的内花键的截面形状与待连接的动力装置动力输出轴的外花键的截面形状相匹配。

4.如权利要求3所述的扭矩测量装置，其特征在于，

在所述轴套上设有限位孔，该限位孔通过插入其中的螺栓，限制所述动力装置的动力输出轴在轴方向的位移；

在所述阶梯轴的设有外花键的部位设有凹槽，该凹槽通过与之配合的螺栓，限制所述万向节在轴方向的位移。

5.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，该扭矩测量装置还包括：供电单元，设于所述轴套的下侧，用于向感应元件、调理单元及无线发射单元供电。

6.如权利要求5所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述供电单元由电池组构成。

7.如权要求1～6中任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述轴套呈立方体形状。

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