CN102037339B - 一种测量动力轴传递的扭矩的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扭矩测量装置，包括：动力轴(12)，用来绕动力轴的轴线(A)传递旋转扭矩；第一轮(18)，其带有角度标记，所述轮固定到动力轴上；基准轴(20)，该轴上提供有带角度标记的第二轮；传感器(26)，布置成面对至少其中一个所述轮，以便测定动力轴传递的扭矩。第一轮(18)带有第一和第二系列的角度标记；第二轮(22)带有第三和第四系列的角度标记，第一和第三系列的标记相互平行，而第二和第四系列的标记相互平行并相对于含轴线(A)的第一轴向平面而倾斜，第一系列的标记相对于第二系列的标记倾斜，于是，所述传感器(26)提供的信号也表示动力轴(12)的温度。

Description

一种测量动力轴传递的扭矩的装置

技术领域

本发明涉及发动机轴传递的扭矩测量装置，例如飞机涡轮发动机的轴。 

背景技术

人们应该知道，轴的旋转扭矩测量在直升机发动机领域特别重要，因为扭矩通常是飞行员驾驶直升机时必须考虑的数据之一。一旦直升机旋翼提供恒定转速时，直升机的动力只依靠扭矩。 

为了测量这个扭矩，人们设想了各种解决方案。其中，有些方案基于测量轴扭转时的变形情况，具体来讲，这种变形是所传递扭矩的函数。 

本发明提出的装置就是基于测量轴扭转时的变形情况。 

更具体地说，本发明提供了一种扭矩测量装置，其包括： 

·动力轴，用于绕动力轴轴线传递旋转扭矩； 

·第一轮，其带有角度标记，所述第一轮固定到动力轴上；以及 

·基准轴，该轴带有固定到动力轴一端的第一端和自由第二端，该自由第二端上装有带角度标记的第二轮，所述第二轮与第一轮处在同一轴线上； 

·传感器，其面对至少其中一个所述轮布置并可提供代表第一和第二轮之间角度变化的信号，所述信号被传递到计算部件，该计算部件根据传感器提供的信号测定动力轴传递的扭矩。 

FR 2 595 821文件的图1示出了这种测量装置。磁性传感器面对音轮的齿布置，用来检测音轮之间的角度变化，这样，就能使计算部件测定动力轴扭转时的变形情况，以便随后推断旋转扭矩。 

然而，正如该文件所强调的那样，动力轴扭转时的刚性与轴的构成材料的 杨氏模量值相关，而该模量值是温度的函数。换句话说，在计算扭矩时，必须考虑动力轴的温度，因为否则所获得的值会存在巨大误差。 

为了测定轴的温度，FR 2 595 821文件设想使用附加传感器来测量动力轴相对于基准轴的纵向膨胀，并推断由此而产生的温度。因此，FR 2 595 821的测量装置由于带有多个磁性传感器，所以操作复杂，而且体积大。 

发明内容

本发明的目的是提出一种动力轴传递的扭矩测量装置，该装置要求使用的部件较少，因而，缩小了体积，减轻了重量，降低了成本。 

本发明通过如下部件可实现该目的： 

·第一轮，其包括第一和第二系列的角度标记；以及 

·第二轮，其带有第三和第四系列的角度标记，第一和第三系列的标记相互平行，而第二和第四系列的标记相互平行，同时相对于含动力轴轴线的第一轴向平面倾斜，第一系列标记相对于第二系列标记倾斜； 

·为此，所述传感器提供的信号也代表了动力轴的温度。 

优选地，第一和第二轮为音轮，第一、第二、第三和第四系列的角度标记由齿构成。 

音轮的这种独特布置可以通过一个传感器方便地测定动力轴的角度变形，以及该轴的温度，以便随后可以推断出动力轴实际正在传递的扭矩。 

本发明的优点是，它只需要一个传感器。而现有技术装置需要多个传感器，这样，所获得的扭矩值便考虑了动力轴的温度。 

本发明的工作原理如下所述。 

在动力轴旋转期间，磁性传感器探测到有齿通过，该齿是音轮各个系列的齿。磁性传感器所产生的代表信号从而构成一串脉冲信号，在这些信号中，概括地说，每个“尖峰”对应于一个齿。 

计算部件的程序编制是其能够识别与信号中每个尖峰相关的齿。 

为此，传感器所传递的信号串用来测定第一系列齿和第三系列齿之间的第一角度差，以及第二系列齿和第四系列齿之间的第二角度差，可从连续尖峰之间的持续时间来测定这些角度差。 

了解齿之间的差的初始值之后，就可以推断出第一系列齿和第三系列齿之间的第一角度差变化，和第二系列齿和第四系列齿之间的第二角度差变化。 

第一和第二角度差变化均含有与扭转时变形相关的信息，此外，至少其中一个测定的变化值还包括与温度相关的信息。 

一旦第二和第四系列平行齿的齿本身相对于含动力轴轴线的第一轴向平面倾斜，与基准轴线相关的动力轴的轴向热膨胀就会引起这两个系列两个齿之间角度差的改变，这种修正代表温度。 

换句话说，由于温度而出现的角度差变化被加到由于轴扭转时变形而出现的角度差变化上，轴扭转时的变形是因为传递扭矩所致。 

了解了齿的倾斜角后，就可以从第一和第二角度差变化中测定出只因为动力轴扭转而产生的角度变化，以及只因为两个轴之间轴向偏移而产生的角度变化，两个轴之间轴向偏移是膨胀的结果，为此，正是从这个表示轴向偏移的变化中来测定温度。 

然后，将温度和因扭转时变形而出现的角度差变化送到计算部件，该计算部件根据预先存储的图表可以计算动力轴实际正在传递的扭矩值。 

此外，在本发明的说明中，一个系列的齿可以包括单个齿，或优选地，多个齿。 

优选地，第一和第二音轮的布置是这样的，即，第一音轮的齿与第二音轮的齿在角度上呈交替状态。 

于是，在信号串中，两个连续的“尖峰”属于两个不同音轮的两个齿。然后，通过考虑任何两个连续齿之间的持续时间便可以测定角度差。 

还是优选地，在沿动力轴的周向上看去，顺序依次是：第一系列的齿、第 三系列的齿、第二系列的齿，和第四系列的齿。 

有利的是，计算部件的程序编制成可识别这种特别顺序。 

在本发明的第一个特别方便的实施例中，在沿动力轴周向看去，第一和第三系列的齿与动力轴的轴线相平行。为此，第一和第三系列的齿在轴向平面上延伸，而第二和第四系列的齿则在相对于第一轴向平面倾斜的平面上延伸。 

因为第一和第三系列的齿与动力轴的轴线平行，第一角度差变化则只代表动力轴扭转时的变形。由于膨胀而出现的轴向偏移并没有对与轴线平行的两个齿之间的角度差进行修正。 

换句话说，根据该第一角度差变化，可以测定出只是因为扭转时变形而产生的角度变化。 

此外，如上所述，扭转变形所引起的角度变化与因轴向膨胀而出现的角度修正一起构成了第二角度差变化。 

因为所述角度变化已经根据第一角度差变化测定，所以，可以很方便地通过了解第二和第四系列齿的齿倾斜角来测定温度。 

最后，温度和因为扭转变形而导致的角度变化被送到计算部件，后者再测定出动力轴实际正在传递的扭矩值。 

在本发明的第二个特别方便的实施例中，沿动力轴的周向看去，第一和第三系列齿相对于含动力轴轴线的第二轴向平面倾斜一个预定角度，而第二和第四系列齿则相对于含动力轴轴线的第一轴向平面倾斜一个角度，该角度与所述预定角度相反。 

在这个实施例中，第一和第二角度差变化含有与温度和动力轴扭转变形相关的信息。 

因为第一和第三系列的倾斜角度与第二和第四系列倾斜角度正好相反，第一和第二变化的半和(half-sum)与半差(half-difference)分别提供期望温度和角度变化。 

在这两个实施例中，基准轴优选轴向延伸入动力轴内部。 

有利的是，这些系列的齿在音轮的圆周部分上有角度地布置。 

最后，本发明还提供一种涡轮发动机，该发动机包括了本发明的动力轴传递扭矩测量装置。 

附图说明

通过阅读如下以非限制性示例给出的两个实施例的说明，可以更好地理解本发明，本发明的优点会更清楚地显现出来。说明参照附图，附图如下： 

·图1示出了安装本发明扭矩测量装置的直升机涡轮发动机； 

·图2为本发明测量装置轴向剖面半视图； 

·图2A为图1所示开口详图，该开口位于动力轴上，第二音轮的齿经由该开口延伸； 

·图2B为图2所示装置的另一种形式的轴向半视图，在该图中，基准轴延伸到动力轴的外部； 

·图3为径向剖面图，示出了第一和第二音轮的齿的相对位置； 

·图4A示出了本发明第一实施例的第一和第二音轮的齿的相对位置，所示为当动力轴处于静止位置时，沿音轮周向看去的相对位置； 

·图4B示出了当动力轴传递扭矩时图4A第一和第二音轮的齿的相对位置； 

·图5A示出了本发明第二实施例的第一和第二音轮的齿的相对位置，所示为当动力轴未传递扭矩时，沿音轮周向看去的相对位置；及 

·图5B示出了当动力轴传递扭矩时图5A第一和第二音轮的齿的相对位置。 

具体实施方式

本发明的扭矩测量装置，又称之为扭矩计或扭力指示器，可以在需要了解轴传递的扭矩的众多环境下使用。如下详细说明具体介绍了该测量装置，但示例并非仅限于直升机涡轮发动机，诸如图1所示燃气涡轮发动机9。 

如图1所示，本发明的扭矩测量装置10为一般形式的轴的一部分，该轴的端部耦合到其它轴上或涡轮发动机的齿轮上。 

换句话说，扭矩测量装置10包括空心动力轴12，该轴用来围绕其轴线A传递旋转扭矩。该扭矩就是需要测量的扭矩。 

在图1所示示例中，动力轴12在其第一端12a处装有齿轮14，并在位于第一端对面的第二端12b处装有传动构件16。显然，动力轴的两端可以以其它方式安装。 

此外，在第二端12b附近，动力轴12带有第一轮18，即共轴安装在该轴上的音轮18，音轮18包括多个角度标记，即齿19。 

从图2中可以看出，测量装置还包括轴向延伸到动力轴12内的基准轴20，基准轴通过动力轴12第二端12a附近的第一端20a固定到动力轴上，而其自己的第二端20b是自由的。图2b示出了测量装置的另一种布置形式，按照这个布置形式，基准轴20′轴向延伸到动力轴12′的外部，基准轴通过动力轴12′第一端12a′附近的第一端20a′固定到动力轴上，而其自己的第二端20b′是自由的。 

再参照图2，可以看出，基准轴20的第二端20b位于第一端20a的对面，该第二端装有第二轮22，即音轮，该轮与第一音轮18位于同一轴线上。第二音轮22上设有多个角度标记，即齿23，从图2A中可以清楚地看到，齿23径向延伸过动力轴20上的开口24。 

面对第一和第二音轮18和22的齿，有一个磁性传感器26，每当在传感器的前方有齿通过时，传感器就会产生电信号，该信号然后被发送到计算部件28，后者用来计算动力轴12传递的扭矩值。 

图3示出了第一和第二音轮18和22的齿的角分布。在这个示例中，白齿属于第一音轮18，黑齿属于第二音轮22。 

根据本发明，第一音轮18带有第一系列的齿D1和第二系列的齿D2，齿D1彼此相同，齿D2彼此相同，而第二音轮22带有第三系列的齿D3和第四系列的齿D4，齿D3彼此相同，齿D4彼此相同。 

如图所示，第一和第二音轮以这样一种方式布置，即第一音轮18的齿D1、D2与第二音轮22的齿D3、D4呈角度交替。 

在此处所述示例中，还可以看出，每个系列的齿都由两个齿组成。 

更确切地说，当沿动力轴12的圆周或“直辐射”方向OR看去时，如图4A到图5B所示，顺序依次是：第一系列的齿D1、第三系列的齿D3、第二系列的齿D2、以及最后是第四系列的齿D4。 

当动力轴处于静止位置时，即，当其不传递扭矩时，分别属于第一和第三系列的齿D1和D3呈现已知的第一角度差x₀，而分别属于第二和第四系列的齿D2和D4呈现已知第二角度差y₀。 

相反，当动力轴12传递扭矩时，它会趋于在扭转时变形，变形幅度的大小取决于正在传递的扭矩的幅度和动力轴的温度。 

因此，在动力轴12传递扭矩期间，第一和第二音轮的齿趋于相对彼此移动，这样，第一和第二角度差的值就会发生变化，如前面介绍中所述。 

参照图4A和4B，介绍本发明第一实施例。这些图都是沿音轮的周向OR示出。因此，它们示出了齿的相对位置，好像音轮的圆周是直的。 

根据本发明，第一和第三系列的齿D1和D3相互平行，而第二和第四系列的齿D2和D4相互平行，同时又相对于第一轴向平面P1而倾斜，第一轴向平面P1含动力轴12的轴线A，第一系列的齿D1相对于第二系列的齿D2而倾斜。 

在这个具体实施例中，第一和第三系列的齿D1和D3与动力轴12的轴线A平行，即，它们在两个轴向平面上延伸，而第二和第四系列的齿D2和D4以相对于第一轴向平面P1的角度θ倾斜。换句话说，齿D2和D4均在相对于第一轴向平面P1构成角度θ的平面上延伸。 

图4A示出了齿D1、D2、D3和D4静止状态时的相对位置，此时，动力轴12未传递扭矩。 

在静止状态时，第一角度差等于x₀，而第二角度差等于y₀。 

图4B示出了动力轴传递扭矩时这些齿的相对位置，此时规定动力轴12处于温度T状态。 

从图中可以看出，齿D1在角度上偏离齿D3一个值Δx，称之为第一角度差变化，而齿D2在角度上偏离齿D4一个值Δy，称之为第二角度差变化。 

此外，因为发动机温度上升和各个轴的膨胀系数而出现差分温度膨胀现象，动力轴12轴向偏离基准轴20。 

因为齿D4的倾斜，第二角度差变化Δy等于第一角度差变化Δx加上只对应于热膨胀的膨胀角度变化Δz。这后一种变化值与参考符号d所示的轴向膨胀差成正比。于是，膨胀角度变化Δz是动力轴的温度T的函数，因为轴向膨胀d本身就是温度的函数。 

相反，第一角度差变化Δx只测量两个音轮18、22之间的角度变形，因为第一和第三系列齿与因膨胀而轴向变形的方向相平行，所以，该膨胀对齿D1和D3之间的角度变化没有影响。 

产生信号序列的磁性传感器26将该信息发送到计算部件28，计算部件可以在各种信号之间进行识别并能够计算第一和第二角度差变化。此后，通过减去第二和第一角度变化，就可以获得膨胀角度变化Δz，根据该变化，可以推断出温度T。 

最后，计算部件28根据所计算的温度T和对应于两个音轮之间扭转变形的第一角度差变化Δx，使用预先存储的图表来测定动力轴12所传递的扭矩值。所述图表可以为含有扭矩值的数据库形式，作为温度的函数和角度差变化的函数。这可以在车间预先制定。 

图5A和5B示出了与第一个实施例不同的第二个实施例，不同之处是，第一和第三系列的齿D1和D3与动力轴12的轴线X不平行，而是以相对于第二 轴向平面P2倾斜角度θ，第二轴向平面P2含有动力轴12的轴线A。这样，角度θ则与第二和第四系列齿D2和D4的倾斜角度θ′相反。 

图5A示出了齿D1、D2、D3和D4的相对位置，此时，动力轴12并未传递扭矩。 

在静止状态时，第一角度差等于x₀，而第二角度差等于y₀。 

图5B示出了动力轴传递扭矩时相同齿之间的相对位置，规定此时动力轴12处于温度T状态。 

此时，第一和第二角度差变化Δx和Δy均等于两个音轮之间角度变化加上因膨胀而形成的角度差分量。因为成对的D1&D3和D2&D4倾斜相反的角度，因而，包含在第一和第二角度差变化内的因膨胀而出现的角度差分量是相反的，这样，通过加上第一和第二角度差变化，结果是两个音轮之间角度变形的两倍，而通过减去第一和第二角度差变化，结果是因膨胀而出现的角度差分量的两倍，根据该分量，可以推断出温度T。 

这样，使计算部件能够计算动力轴传递的扭矩所需要的两个信息项目可再次获得。 

Claims (9)

1.一种扭矩测量装置，其包括： 

·动力轴，用于绕轴线传递旋转扭矩； 

·第一音轮，带有角度标记，所述第一音轮固定到动力轴上； 

·基准轴，该轴带有固定到动力轴一端的第一端和自由第二端，自由第二端上提供带有角度标记的第二音轮，该第二音轮与第一音轮处于同一轴线上；及 

·传感器，该传感器布置成面对至少其中一个所述音轮，并用来提供表示第一音轮和第二音轮之间角度变化的信号，所述信号被传递到计算部件，计算部件根据传感器提供的信号适于测定动力轴传递的扭矩； 

其特征在于： 

·第一音轮包括第一和第二系列角度标记； 

·第二音轮包括第三和第四系列的角度标记，第一和第三系列的角度标记相互平行，而第二和第四系列的角度标记相互平行，同时又相对于含动力轴轴线的第一轴向平面而倾斜，第一系列的标记相对于第二系列的标记而倾斜，为此，所述传感器提供的信号也代表动力轴的温度。 

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，角度标记是齿。 

3.根据权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于，第一和第二音轮是这样布置的，即第一音轮的齿与第二音轮的齿成角度地交替。 

4.根据权利要求3所述的扭矩测量装置，其特征在于，沿动力轴的周向看去，顺序依次是，第一系列的齿，第三系列的齿，第二系列的齿和第四系列的齿。 

5.根据权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于，沿动力轴的周向看去，第一和第三系列的齿与动力轴的轴线相平行。 

6.根据权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于，沿动力轴的周向看去，第一和第三系列的齿相对于含动力轴的轴线的第二轴向平面倾斜一个预定角度，而第二和第四系列的齿相对于含动力轴的轴线的第一轴向平面倾斜一个角度，该角度与所述预定角度相反。 

7.根据权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于，各个系列的齿在各个音轮圆周部分上成角度形式。 

8.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，基准轴轴向地延伸到动力轴内部。 

9.一种涡轮机，包括根据权利要求1所述的扭矩测量装置。 

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