CN102119324B - 具有冗余扭矩传递路径和故障安全防护机构的扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

一种扭矩传递和监控装置，包括联轴器，其具有轮毂部分；第一轮辋部分；第一组轮辐，其径向延伸在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间；第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开；和第二组轮辐，其径向延伸在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间。所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开。多个销固定到所述第一轮辋部分。每一个销具有定位在形成于所述第二轮辋部分中的孔中的一部分。当所述联轴器处于未加载状态时，所述销与所述第二轮辋部分具有间隙。当超过预定值的扭矩通过所述联轴器被传递时，所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一和第二轮辋部分之间传递载荷。

Description

具有冗余扭矩传递路径和故障安全防护机构的扭矩测量装置

技术领域

本公开涉及用于监控在旋转轴之间传递的扭矩的扭矩计。具体地，本公开的扭矩计提供双载荷路径，以确保所需大小的扭矩通过扭矩计可被传递。

背景技术

Kop-Flex(康福来思)已经成功销售根据名称为Flexible Coupling withTorque Measuring and Detecting Device(具有扭矩测量和检测装置的挠性联轴器)的美国专利No.5,969,269构造的扭矩计，该专利的全部内容以引用的方式并入本文中。另一种共同所有的扭矩计是通过美国专利No.5,450,761取得专利权的，该专利以引用的方式并入本文中。现有的Kop-Flex扭矩计典型地用于具有低威胁的高瞬间扭矩的扭矩传递应用中。最近，扭矩计正被安装和/或需要用于范围更广的应用中。很多新应用使扭矩计经受相对大的瞬间扭矩。

新应用标准造成设计挑战。为了提供在额定扭矩水平下具有所需精度的扭矩计，扭矩计必须展示出可测量量的扭转扭矩。这样，扭矩计必须具有相对的扭转柔软性。与需要传递大的瞬间扭矩相矛盾的要求出现。如果大的瞬间扭矩通过设计用于低得多的额定扭矩的扭矩计来传递，则部件可能处于过应力，并且可能不再传递扭矩。另一方面，如果扭矩计设计用于传递完全的最大瞬间扭矩，则不会出现可测量量的扭转扭矩，并且扭矩测量充其量将是不准确的。

而且，新应用要求一些除了扭矩计之外的构件在扭矩传递动力传动系统中为最弱环节。例如，一些涡轮机械用户要求挠性元件为动力传动系统中的最弱环节。在不大可能的灾难性故障事件中，破坏挠性元件部件可能更容易控制。这样，扭矩计必须定额来传递至少大于动力传动系统中最弱环节的扭矩的扭矩大小。而且，与早期设计相比较，近期设计的涡轮机械在更高的动力和增大的旋转速度下操作。这样，限定来在小于8000rpm的应用中操作的扭矩计不可能满足用户的需要。

因此，为了解决涡轮机械要求和应用中对于扭矩计的变化，可能需要提供改善的扭矩计。

发明内容

扭矩传递和扭矩监控装置包括：单件联轴器，其具有轮毂部分；第一轮辋部分，其适于被固定来与旋转驱动构件一起旋转；第一组轮辐，其径向延伸在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间；第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开，并且适于被固定来与旋转从动构件一起旋转；和第二组轮辐，其径向延伸在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间。所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开。多个销固定到所述第一轮辋部分。每一个销具有定位在形成于所述第二轮辋部分中的孔中的一部分。当所述联轴器处于未加载状态时，所述销与所述第二轮辋部分具有间隙。当超过预定值的扭矩通过所述联轴器被传递时，所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一和第二轮辋部分之间传递载荷。

在另一种布置方式中，扭矩传递和扭矩监控装置包括单件联轴器，其具有轮毂部分；第一轮辋部分，其适于被固定来与旋转驱动构件一起旋转；第一组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间径向延伸；第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开，并且适于被固定来与旋转从动构件一起旋转；和第二组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间径向延伸。所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开。销固定到所述第一轮辋部分。所述销具有定位在形成于所述第二轮辋部分中的孔中的一部分。当所述联轴器处于未加载状态中时，所述销与所述第二轮辋部分具有间隙。当超过预定值的扭矩通过所述联轴器被传递时，所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一和第二轮辋部分之间传递载荷。第一指示器被固定到所述第一轮辋部分和所述第一组轮辐之一。第二指示器被固定到所述第二轮辋部分和所述第二组轮辐之一。设置用于检测所述第一和第二指示器之间的相对运动的传感器。

还公开了传递和监控扭矩的方法。所述方法提供单件联轴器，所述联轴器包括轮毂部分；第一轮辋部分；第一组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间径向延伸；第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开；和第二组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间径向延伸。所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开。所述方法包括将销固定到所述第一轮辋部分和将所述销的一部分定位在形成于所述第二轮辋部分中的尺寸过大的孔中，其中，当所述联轴器处于未加载状态中时，所述销与所述第二轮辋部分具有间隙。通过所述单件联轴器经由第一载荷路径传递扭矩，所述第一载荷路径包括所述第一组轮辐、所述轮毂部分和所述第二组轮辐。当超过预定值的扭矩通过联轴器被传递时，所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一和第二轮辋部分之间沿第二载荷路径传递载荷。

通过本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应可理解，描述和具体示例仅旨在用于示例的目的，不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图是仅出于示例目的的，不是旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是表现配备有根据本公开的教导构造的扭矩计的示例性动力传动系统的示意图；

图2是扭矩计的局部立体视图；

图3是扭矩计的局部剖视立体视图；

图4是供选择的扭矩计的局部立体视图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅为示例性的，不旨在限制本公开、应用或用途。应可理解，整个附图中，相应的附图标记标示相似或相应的部件和特征。

参照图1，动力传动系统以附图标记10示出。动力传动系统10包括连接到驱动机械(未显示)输出轴的驱动轮毂12。动力传动系统10还包括连接到从动机械(未显示)输入轴的从动轮毂14。动力传动系统10包括将驱动轮毂12驱动连接到从动轮毂14的第一挠性联轴器16、驱动轴套18、垫片20、扭矩计22、从动轴套24和第二挠性联轴器26。

第一挠性联轴器16将驱动轮毂12固定到驱动轴套18，以进行旋转，同时允许驱动轮毂12和驱动轴套18之间错位。驱动轴套18包括凸缘28，其被固定用于与垫片20的第一凸缘30一起旋转。垫片20的第二凸缘31被固定用于与扭矩计22的径向向外延伸的凸缘32一起旋转。扭矩计22的径向向里延伸的凸缘33被固定到从动轴套24。应意识到，扭矩计22可构造成具有其他凸缘布置方式，以便于连接到除了径向向外延伸的凸缘32和径向向里延伸的凸缘33之外的相邻的部件。扭矩计22的凸缘的位置可改变来与连接到其的任意大小的凸缘尺寸和形状的相邻部件结合。第二挠性联轴器26在从动轴套24和从动轮毂14之间传递扭矩，同时允许从动轮毂14相对于从动轴套24错位。

参照图2，扭矩计22大体成形为轮，并且构造成在垫片20和从动轴套24之间传递扭矩。扭矩计22包括动力轮34、第一指示器35和第二指示器36。动力轮34包括第一组轮辐38和轴向间隔开的第二组轮辐40。中心轮毂41与第一组轮辐38和第二组轮辐40的径向向里的端部一体形成。第一轮辋42与第一组轮辐38的径向向外的端部一体形成。第一凸缘44从第一轮辋42径向延伸，并且也与动力轮34的其他部分一体形成。

第二轮辋48与第二组轮辐40的径向向外的端部一体形成。第二凸缘50从第二组轮辐40径向延伸，并且也与第二组轮辐40一体形成。第一凸缘44基本上平行于第二凸缘50延伸，并且与第二凸缘50间隔开。

第一管状部分52从第一轮辋42轴向延伸，以将径向向外延伸的凸缘32与第一轮辋42相互连接。类似地，第二管状部分54从第二轮辋48轴向延伸，以将径向向里延伸的凸缘33与第二轮辋48相互连接。动力轮34为单件部件，使每一个前面描述的部分彼此一体形成。动力轮34可由塑料或金属形成。对于更高扭矩的应用，考虑动力轮34由钛形成。

第一组轮辐38和第二组轮辐40的每一个轮辐包括第一对相对的锥形壁60，62和第二对相对的锥形壁64，66。每一个锥形壁在中心轮毂41和第一及第二轮辋42，48之间的径向位置处会聚。每一个轮辐的该部分限定最小横截面积。在扭矩传递经过动力传动系统10过程中，锥形轮辐设计有利于第一组轮辐38和第二组轮辐40之间的相对扭转运动。

第一指示器35包括第一带状部分70和多个轴向延伸并且沿圆周间隔开的齿72。齿72彼此一体形成，从而使得第一指示器35为单件部件。第一指示器35由铁磁性材料构造。

第二指示器36基本上与第一指示器35相同。第二指示器36包括圆柱状带76和多个轴向延伸并且沿圆周间隔开的与带76一体形成的齿78。第一指示器35和第二指示器36可被加热来增大带70，76的尺寸。当动力轮34和指示器35，36之间存在温度差时，指示器安装在动力轮34上。具体地，第一指示器35设置成使齿72在第二凸缘50的一部分上方轴向延伸。第一指示器35的内圆柱表面80与第一凸缘44的外圆柱表面82接合地设置。形成在带70上的止动面84与形成在第一凸缘44上的分型面86接合。当第一指示器35冷却到与动力轮34相同的温度时，带70将收缩，并且保持与动力轮34热套配合的偏压接合。

第二指示器36相似地结合到第二凸缘50。第二指示器36的齿78设置成在第一凸缘44的一部分上方轴向延伸。齿78与齿72交错，以使齿72和齿78沿圆周等间距地彼此间隔开。第二指示器36也是由铁磁性材料构造的单件部件。

如图3中最佳所示，第一凸缘44包括多个沿圆周间隔开的贯穿其的第一孔90。多个销92中的每一个具有第一端94和第二端96。销92具有基本上恒定的直径。销92的第一端94设置在第一孔90中，并且固定到第一凸缘44。可使用任意数量的机械固定装置，包括螺纹接合、焊接、压装配合、附着粘合等。销92不必是圆柱状的，可以是锥形或具有其他形状。

多个第二孔98沿圆周彼此间隔开，并且构造成延伸穿过第二凸缘50。每一个第二孔98与孔90的相应孔同轴对准。第二孔98具有比第一孔90更大的内径，以使每一个销92的外表面100和每一个第二孔98的内圆柱状侧壁102之间存在间隙。计算间隙的大小来与第一轮辋42和第二轮辋48之间的最大扭转变形对应。

基于该布置方式，扭矩计22具有两种操作模式。在第一操作模式过程中，扭矩从径向向外延伸的凸缘32经过第一管状部分52、第一轮辋42、第一组轮辐38、中心轮毂41、第二组轮辐40、第二轮辋48、第二管状部分54和径向向里延伸的凸缘33被传递。只要传递的扭矩值低于预定值，则扭矩通过扭矩计22沿该单个流动路径传递。此时，每一个销92与第二孔98的侧壁102间隔开。因此，此时没有载荷通过销92传递。

在第一操作模式中，扭矩计22用作提供通过动力轮34传递的扭矩值指示的测量计。如图1中所示，一个或多个传感器104沿扭矩计22的圆周设置。传感器104是可操作的以输出指示传感器104的位置附近存在或不存在齿72，78中的一个的信号。在扭转未加载的情况下，齿72和78之间的周向间距限定预定的样式。当通过动力轮34传递的扭矩值增大时，第一轮辋42相对于第二轮辋48旋转。齿72和78之间的间距将不再与未加载的情况下相同。控制器106评估由一个或多个传感器104输出的一个或多个信号，并且根据齿72相对于齿78的位置变化确定通过动力轮34传递的扭矩值。显示器108收到来自控制器106的信号，并且提供指示由扭矩计22传递的扭矩的视觉输出。

根据该应用，通过动力传动系统10，扭矩值变化可能发生。在典型稳定状态的操作模式中，扭矩通过动力轮34在小于前面描述的预定值的扭矩水平下被传递。销92此时不与第二凸缘50接合。如果通过动力轮34传递的扭矩值超过预定的最大扭矩，则每一个销92与第二凸缘95驱动接合。更具体地，销92的每一个外表面100与孔98的相应内圆柱状侧壁102驱动接合。此时，载荷通过扭矩计22沿前面描述的第一路径以及包括第一凸缘44、每一个销92和第二凸缘50的多重冗余路径被传递。以这种方式，可适应瞬时扭矩的波动而没有将过度的应力施加到第一组轮辐38、中心轮毂41和第二组轮辐40。当由扭矩计22传递的扭矩值减小到小于预定值的水平时，销92不再与第二凸缘50接合，并且扭矩计22返回到第一操作模式，在第一操作模式中载荷沿首先描述的单个载荷路径通过动力轮34被传递。

在图4中示出的另一种布置方式中，扭矩计118包括动力轮34’，其具有第二凸缘50’，第二凸缘50’包括多个沿圆周间隔开的槽120，代替圆柱状孔98。扭矩计118的其余部分基本上类似于扭矩计22。这样，类似的元件将保留其之前介绍的包括原有下标的附图标记。槽120沿弧延伸，以使销92’可与限定槽120的侧壁122保留间隙，同时扭矩计118以第一模式操作，所述第一模式类似于前面关于扭矩计22描述的第一模式。当已经超过预定值的扭矩时，销92’的每一个外表面100’与槽120的侧壁122接合。此时，除了前面描述的第一载荷路径，通过销92’还存在多重冗余载荷路径。通过提供细长的弧形槽120，可适应第一轮辋42’和第二轮辋48’之间的大角度的相对旋转。

而且，前面的讨论仅公开和描述了本公开的示例性实施例。本领域技术人员从这些讨论和从附图和权利要求中将容易地意识到，在不偏离如下面权利要求中限定的公开的精神和范围的情况下，可在其中进行多种改变、修改和变形。

Claims (20)

1.一种扭矩传递和扭矩监控装置，包括：

单件联轴器，其包括：

轮毂部分；

第一轮辋部分，其适于被固定来与旋转驱动构件一起旋转；

第一组轮辐，其径向延伸在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间；

第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开，并且适于被固定来与旋转从动构件一起旋转；

第二组轮辐，其径向延伸在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间，所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开；和

多个销，其固定到所述第一轮辋部分，所述多个销中的每一个销具有定位在形成于所述第二轮辋部分中的孔中的一部分，当所述联轴器处于未加载状态时，所述销与所述第二轮辋部分具有间隙，当超过预定值的扭矩通过所述联轴器被传递时，所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一轮辋部分和第二轮辋部分之间传递载荷。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

第一指示器，其固定到所述第一轮辋部分和所述第一组轮辐中的一个；

第二指示器，其固定到所述第二轮辋部分和所述第二组轮辐中的一个；

传感器，其用于检测所述第一指示器和第二指示器之间的相对运动。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一组轮辐中的每一个轮辐具有定位在所述第一轮辋部分和所述轮毂部分之间的减小的横截面积。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述联轴器包含钛。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一指示器和第二指示器包含铁磁性材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个销沿圆周间隔开。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二轮辋部分的接收销的孔以弧状成形，以允许所述第一轮辋部分在通过所述多个销传递载荷之前相对于所述第二轮辋部分旋转。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一指示器包括第一环，该第一环具有多个沿轴向延伸并且沿圆周间隔开的齿。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二指示器包括第二环，该第二环具有多个沿轴向延伸并且沿圆周间隔开的齿。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一环的齿与所述第二环的齿交错。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，当由所述联轴器传递的扭矩超过所述预定值时，所述轮毂和所述销同时在所述第一轮辋部分和所述第二轮辋部分之间传递载荷。

12.一种扭矩传递和扭矩监控装置，包括：

单件联轴器，其包括：

轮毂部分；

第一轮辋部分，其适于被固定来与旋转驱动构件一起旋转；

第一组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间径向延伸；

第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开，并且适于被固定来与旋转从动构件一起旋转；

第二组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间径向延伸，所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开；和

销，其固定到所述第一轮辋部分，所述销具有定位在形成于所述第二轮辋部分中的孔中的一部分，当所述联轴器处于未加载状态中时，所述销与所述第二轮辋部分具有间隙，当超过预定值的扭矩通过所述联轴器被传递时，所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一轮辋部分和第二轮辋部分之间传递载荷；

第一指示器，其固定到所述第一轮辋部分和所述第一组轮辐中的一个；

第二指示器，其固定到所述第二轮辋部分和所述第二组轮辐中的一个；

传感器，其用于检测所述第一指示器和第二指示器之间的相对运动。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一指示器包括沿轴向延伸的第一齿，其与所述第二轮辋部分的一部分重叠。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二指示器包括沿轴向延伸的第二齿，其与所述第一轮辋部分的一部分重叠。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一指示器包括第一环，所述第一环具有多个沿轴向延伸并且沿圆周间隔开的齿。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第二指示器包括第二环，所述第二环具有多个沿轴向延伸并且沿圆周间隔开的齿。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一环的齿与所述第二环的齿交错。

18.根据权利要求12所述的装置，其中，当由所述联轴器传递的扭矩超过所述预定值时，所述轮毂和所述销同时在所述第一轮辋部分和所述第二轮辋部分之间传递载荷。

19.一种传递和监控扭矩的方法，包括：

提供单件联轴器，所述联轴器包括轮毂部分；第一轮辋部分；第一组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第一轮辋部分之间径向延伸；第二轮辋部分，其与所述第一轮辋部分间隔开；和第二组轮辐，其在所述轮毂部分和所述第二轮辋部分之间径向延伸，所述第二组轮辐与所述第一组轮辐沿轴向间隔开；

将销的第一端固定到所述第一轮辋部分的第一孔；

将所述销的第二端定位在形成于所述第二轮辋部分中的第二孔中，其中，所述第二孔具有比所述第一孔更大的内径，当所述联轴器处于未加载状态中时，所述销的第二端与所述第二轮辋部分具有间隙，计算所述间隙的大小来与所述第一轮辋和第二轮辋之间的最大扭转变形对应；

通过所述单件联轴器经由第一载荷路径传递扭矩，所述第一载荷路径包括所述第一组轮辐、所述轮毂部分和所述第二组轮辐；和

当超过预定值的扭矩通过联轴器被传递时，将所述销与所述第二轮辋部分接合，以在所述第一轮辋部分和第二轮辋部分之间沿第二载荷路径传递载荷，所述第二载荷路径包括所述第一载荷路径和多重冗余路径，所述多重冗余路径包括从所述第一轮辋径向延伸的第一凸缘、销和从所述第二组轮辐径向延伸的第二凸缘。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括检测固定到所述第一轮辋部分和所述第一组轮辐中的一个的第一指示器与固定到所述第二轮辋部分和所述第二组轮辐中的一个的第二指示器之间的相对运动。

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