CN102721500B - 用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置及其电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置，包括：固定装置，所述固定装置在使用的情况下，固定在被检测部件上，被检测部件产生的启动摩擦力矩传递给所述固定装置；连接臂，所述连接臂与所述固定装置转动连接；力传感器，所述力传感器设置在所述连接臂上，所述力传感器通过设置的连接部检测所述固定装置接收到的启动摩擦力矩；手柄，所述手柄与所述连接臂连接，通过所述手柄施加一个约束所述力传感器的力矩。通过本发明的测量装置的使用，具有较好测量精度。

Description

用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置及其电路系统

技术领域

本发明公开的一个实施例涉及一种用于检测汽车后桥主动锥齿轮总成启动摩擦力矩的手持测量装置及其电路系统。

背景技术

主减速器主动锥齿轮包括锁紧螺母，凸缘总成，油封，上轴承，轴承座，下轴承，主动锥齿轮，调整垫片。主减速器的减速传动机为一对准双曲面圆锥齿轮，为保证主动锥齿轮有足够的支承刚度，主动锥齿轮与轴制成一体。在互相贴近而小端相向的两个圆锥滚子轴承上，形成骑马式支承，骑马式支承使支承刚度大为增加，使齿轮在载荷作用下的变形大为减小。

汽车后桥主动锥齿轮总成（主锥总成）是汽车传动系统的关键部件，其装配质量的好坏直接影响到动力在主减速器中的传递。在主锥总成的装配过程中，为了减小在锥齿轮传动过程中产生的轴向力所引起的轮轴的轴向位移，提高轴的支承刚度，保证锥齿轮副的正常啮合，圆锥滚子轴承应有一定的装配预紧度，即在消除轴承间隙的基础上，再给予一定的压紧力。圆锥滚子轴承预紧力的大小是综合反映工艺效果的关键指标。预紧力过大，汽车运行时发热严重甚至烧坏轴承，预紧不足，降低了轴系的回转精度，影响锥齿轮副的使用寿命，噪声也增大。因此对圆锥滚子轴承预紧力的精确测量就显得十分重要。由于主齿轴承启动摩擦力矩与主齿轴承预紧力成线性关系，可以通过测量主齿轴承启动摩擦力矩获取主齿轴承预紧力。

目前常用的圆锥滚子轴承预紧力的测量方法主要有以下几种：

（1）经验检测法

经验检测主要依靠熟练技术工人长时间积累的对力矩的感知能力来判断轴承预紧力矩大小是否达到要求力矩范围。通常是在主锥总成装好之后由有丰富经验的技术工人先将主锥总成固定好，使夹具和主动锥齿轮无切向移动，有经验工人用双手转动轴承座，使其旋转，从而根据双手所受的阻力矩大小来判断产品是否符合要求，这里双手所受到的阻力矩就是主锥轴承的预紧力矩。

（2）弹簧秤检测法

弹簧秤一般用来测量拉力，其一端与被测物体相连接另一端用手或者施力设备向相反的方向施加力，当读数处于稳定状态时即为最终测量结果。用弹簧秤测量轴承预紧力矩时，先将主锥齿轮轴固定好，并保证轴承座能旋转，然后将弹簧秤的一端钩在轴承座的螺纹孔中，或者用细绳的一端绑在螺纹孔处，另一端拴在弹簧秤的挂钩上，用手握住弹簧秤另一端，并一直沿轴承座螺纹孔中心所在的圆的切线方向施加拉力，使轴承座跟随旋转，记下此时弹簧秤的值F，测出来的值为力的大小，再乘以轴承座螺纹孔中心到主锥齿轮轴轴线的距离值r即为主锥轴承预紧力矩值。

（3）力矩扳手法

力矩扳手法是利用力矩与变形成正比的原理，将扳手的手柄做成弹性结构，用百分表监测变形，人工转动扳手使突缘转动时测出主齿轴承的预紧力。

（4）连续检测法

连续检测法主要依赖于传感器检测技术，随着现代传感器技术的高速发展，测量力便显得越来越简单方便。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。敏感元件，它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量关系的元件。转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。转换电路，将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。测量预紧力用到的转矩传感器是将四只专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成全桥形式（全桥接法可以获得高的灵敏度），工作中四个桥臂随被测物理量而变化，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号，将该应变信号放大后，此信号经过处理便可显示出转矩值。

几种预紧力检测方法的比较：

使用经验法检测过多的依据了人对力矩的感知度，因为是人为判断，具有一定的随意性，其间的错误判断难以察觉，且不同经验的工人所得到的结论很可能不一致，就算同一位工人在不同情况下做出的判断也可能不一致，此时很难评价哪种判断更为准确，因此对于汽车零件的检测来说，不能较好的保证其质量要求。

弹簧秤检测法操作起来比较简便，也可大致得出主锥轴承预紧力矩大小，但其准确性仍值得怀疑。使用弹簧秤测量轴承预紧力矩时难以保证弹簧秤的拉力方向与轴承座螺纹孔中心所在圆的切线方向一致，也难以读取当弹簧秤拉动轴承座旋转时弹簧秤的稳定拉力值，另外，所测拉力值还受弹簧秤本身精度的限制。

力矩扳手法的缺点在于手握在手柄上的位置不同时，测出的力矩值将受到影响（在后文中进行论证），还有要在轴承转动的那一瞬间进行读数，很难保证读数的准确性。

连续测量法，测量时能够保证转速恒定和连续传动。这种测量方法的缺点是成本高、劳动强度大、操作复杂，另外此方法只能用于测量恒定摩擦力矩，不能测量启动摩擦力矩。

由以上几种检测方法可以看出，国内汽车行业在主齿轴承启动力矩检测方面的手段依然很落后，达不到对力矩检测的高精度要求。这样就很难保证装配完成后的后桥的质量，从而影响到汽车产品的整体质量。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有较好测量精度的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置，包括：

固定装置，所述固定装置在使用的情况下，固定在被检测部件上，被检测部件产生的启动摩擦力矩传递给所述固定装置；

连接臂，所述连接臂与所述固定装置转动连接；

力传感器，所述力传感器设置在所述连接臂上，所述力传感器通过设置的连接部检测所述固定装置接收到的启动摩擦力矩；

手柄，所述手柄与所述连接臂连接，通过所述手柄施加一个约束所述力传感器的力矩。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

作为优选，所述固定装置包括连接盘、拨盘和拨销，所述拨盘连接在所述连接盘周围，所述拨销设置在所述拨盘上，所述拨销至少为两颗。

作为优选，所述连接盘与所述连接臂转动连接。

作为优选，所述连接盘为圆形。

作为优选，所述拨销为两颗，所述两颗拨销以连接盘的中心呈中心对称结构。

作为优选，所述连接部为垫块。

作为优选，所述垫块固定在所述拨盘上。

本发明还可以是：

一种如上述用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的电路系统，包括：

力传感单元，所述力传感单元通过放大处理模块与单片机系统连接；

放大与处理模块，所述放大处理模块用于完成力传感单元的输出信号的放大；

单片机系统，所述单片机系统完成信号的采集与处理，控制信号的发出，以及力矩测量值的显示控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

通过本发明的技术方案，在使用中具有较好测量精度，（1）结构支撑功能与变形检测功能相分离，确保了测量精度；（2）采用定力臂结构，克服手握位置不同而带来的误差。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1所示为弹性材料安装在横杆上的示意图；

图2为横杆上的弯矩分布图的示意图；

图3为横杆受力情况简化模型的示意图；

图4为弹性材料安装在回转中心的示意图；

图5为受力示意简图；

图6力F的分解示意图；

图7示出了根据本发明一个实施例的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的结构示意图；

图8示出了根据本发明另一个实施例的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的结构示意图；

图9示出了根据本发明一个实施例的电气系统框图；

图10示出了根据本发明一个实施例的力传感单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

参考现有技术，发明人在得出本发明的内容之前，还进行了包括如下的考虑或者实验：

弹性材料位置的选择

对于弹性材料位置的选择，有两个要求，一是要产生足够的应变供应变片测量，二是要有足够的精度。经过分析，弹性材料可以选择安装在与手柄相连的横杆上，也可以安装在回转中心处，下面分别进行分析介绍。

1、弹性材料安装在横杆上

如图1所示为弹性材料安装在与手柄相连的横杆上的情形。在横杆上不同位置处弯矩按线性变化，在回转中心处为最大值，在横杆末端为最小值，弯矩分布情况如图2所示。

因此，由弯矩分布图可以得出，只需要改变弹性材料在横杆上的相对位置，就可以改变其上面所受的弯矩，直到使应变片上产生测量所要求的应变量。

当弹性材料安装在横杆上时，力矩测量仪的结构可以简化成下面的模型，如图3所示。

图中，M₀为要测出的预紧力矩；F为人手施加的驱动力；ΔL为弹性材料上的检测点离回转中心的距离；L为力的作用点离回转中心的距离。

因此，弹性材料上的检测点受的弯矩为

M₁＝M₀-F×ΔL    （1）

弹性材料上的检测点受的弯曲应力为

$\mathrm{\σ}=\frac{M_1}{W}=\frac{M_0-F\×\mathrm{\ΔL}}{W}---\left(2\right)$

式（2）中，W为弹性材料的抗弯截面系数。

由式（2）可以看出，通过测量应变片上的应变，得出应力，便可以进一步得到作用力F，所以预紧力矩

M₀＝F×L    （3）

这便是弹性材料安装在横杆上时的测量原理。

但是经过分析，这个模型存在明显的人为误差。当手作用在手柄上时，其力的作用点不是固定不变的，即实际中的力作用点离回转中心的距离L是变化的。由式（3）可得，预紧力矩M₀是固定值，因此作用力F是变化的。再由式（1）弹性材料上所受的弯矩发生变化，最终导致应变片上测得的应力为变化后的应力。但是在测量中，力的作用点离回转中心的距离L是默认不变的，因此，经过计算后所得出的预紧力矩会存在较大的误差。

2、弹性材料安装在回转中心

如图4所示为弹性材料安装在回转中心处的示意图。在这种结构设计下，弹性柱体始终只受到扭矩的作用。而且不论手在手柄上的位置如何变化，弹性柱体所受的扭矩都不受影响。

在理想状态下，弹性柱体只受到摩擦力矩的作用，但在实际测量中，由于人为因素，会引入一个轴向分力。下面分析轴向分力对测量的影响。根据受力，将力矩测量仪简化成如图5所示模型。

在测量中，通过手来施加力F，因此，并不能保证F始终与回转中心的轴线相垂直。实际中，会产生一个沿轴线方向的轴向分力，如图6所示。

由材料力学知识可知，对于中间的弹性柱体，若中间钻孔，可降低其抗扭截面系数，增加其应变量，从而提高测量的灵敏度，但是钻孔同时也会降低柱体的强度，沿轴线方向的轴向分力会对测量产生较大影响。

为了避免以上两种设计方案的不足，克服测量过程中人为引入的误差，在本设计中采用定力臂机构，并将结构支撑功能与变形检测功能分离。

图7示出了根据本发明一个实施例的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的结构示意图。图8示出了根据本发明另一个实施例的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的结构示意图。

参考图7和图8所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的一个实施例，包括：

固定装置，所述固定装置在使用的情况下，固定在被检测部件上，被检测部件产生的启动摩擦力矩传递给所述固定装置；

连接臂7，所述连接臂7与所述固定装置转动连接；

力传感器8，所述力传感器8设置在所述连接臂7上，所述力传感器8通过设置的连接部检测所述固定装置接收到的启动摩擦力矩；

手柄6，所述手柄6与所述连接臂7连接，通过所述手柄6施加一个约束所述力传感器8的力矩。

本实施例中，根据作用力与反作用力平衡的工作原理，通过有效地测量约束力传感器8所需的力矩，就能很好地测量出主齿轴承的启动摩擦力矩。本发明公开的一个实施例主要用于检测汽车后桥主动锥齿轮总成启动摩擦力矩，当然根据本发明公开的其它实施例也可以用于其它部件或者装置的启动摩擦力矩。

参考图7所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的另一个实施例，所述固定装置包括连接盘4、拨盘2和拨销1，所述拨盘2连接在所述连接盘4周围，所述拨销1设置在所述拨盘2上，所述拨销1至少为两颗。本实施例中，力传感器8的一端通过圆头螺钉9与连接臂7相接触，传感器8的另一端通过连接部固定于拨盘2上。测量时，主齿外壳固定于随行夹具上而被限制转动，在手柄6上施加力矩，拨盘2转动主齿上的凸缘时，主齿轴承的启动摩擦将反作用于力传感器8上。

通过更换拨盘2可适用于不同型号的产品。

参考图7所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的另一个实施例，所述连接盘4与所述连接臂7转动连接。更为优选的方案是连接盘4与所述连接臂7转动连接处位于连接盘4的中心部。

参考图1所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的另一个实施例，所述连接盘4为圆形。

参考图7所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的另一个实施例，所述拨销1为两颗，所述两颗拨销1以连接盘4的中心呈中心对称结构。

参考图7所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的另一个实施例，所述连接部为垫块5。本实施例中，力传感器8的一端通过圆头螺钉9与连接臂7相接触，传感器8的另一端通过垫块5固定于拨盘2上，通过垫块5来达到检测启动摩擦力矩的目的。

参考图7所示一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的另一个实施例，所述垫块5固定在所述拨盘2上。

根据本发明所述用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的电路系统的一个实施例，包括：

力传感单元，所述力传感单元通过放大处理模块与单片机系统连接；

放大与处理模块，所述放大处理模块用于完成力传感单元的输出信号的放大；

单片机系统，所述单片机系统完成信号的采集与处理，控制信号的发出，以及力矩测量值的显示控制。

结合以上实施例公开的技术方案的一个方面，具体而言：

如附图9所示，力传感单元通过放大处理模块与单片机系统相连接，控制开关和LED显示单元与单片机系统连接。放大与处理模块用于完成力传感单元的输出的信号放大，即将一个mV级的电压信号经两级差分运算放大器放大到后级A/D能够准确采集的V级的放大信号。单片机系统完成信号的采集与处理，控制信号的发出，以及力矩测量值的显示控制。当操作者合上控制开关时，单片机系统即获得信号，将根据预先设置的模式进行力矩的测量。

如附图10所示，力传感单元由力感元件、转换元件、测量电路和辅助电源构成。

如附图7、附图8所示，力传感器8的一端通过圆头螺钉9与连接臂7相接触，传感器8的另一端通过垫块5固定于拨盘2上。测量时，主齿外壳固定于随行夹具上而被限制转动，在手柄6上施加力矩，拨盘2转动主齿上的凸缘时，主齿轴承的启动摩擦将反作用于力传感器8上。

操作步骤如下：

1.待测主齿随夹具到达测量工位后，操作者测量仪通过拨盘2转动主齿上的突缘。

2.操作者按下手柄上的按钮开关，通过在手柄6上施加力矩转动突缘。

3.测量过程结束，操作者将测量仪上提，是拨盘2与主齿突缘脱开，工件流向下一工位。

综合以上实施例，（1）结构支撑功能与变形检测功能相分离，确保了测量精度；（2）采用定力臂结构，克服手握位置不同而带来的误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置，其特征在于，包括：

固定装置，所述固定装置在使用的情况下，固定在被检测部件上，被检测部件产生的启动摩擦力矩传递给所述固定装置；

连接臂，所述连接臂与所述固定装置转动连接；

力传感器，所述力传感器设置在所述连接臂上，所述力传感器通过设置的连接部检测所述固定装置接收到的启动摩擦力矩；所述固定装置包括连接盘、拨盘和拨销，所述拨盘连接在所述连接盘周围，所述拨销设置在所述拨盘上，所述拨销至少为两颗；所述连接部为垫块，所述垫块固定在所述拨盘上；

手柄，所述手柄与所述连接臂连接，通过所述手柄施加一个约束所述力传感器的力矩。

2.根据权利要求1所述的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置，其特征在于，所述连接盘与所述连接臂转动连接。

3.根据权利要求1所述的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置，其特征在于，所述连接盘为圆形。

4.根据权利要求1所述的用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置，其特征在于，所述拨销为两颗，所述两颗拨销以连接盘的中心呈中心对称结构。

5.一种如权利要求1至4任意一项所述用于检测启动摩擦力矩的手持测量装置的电路系统，其特征在于，包括：

力传感单元，所述力传感单元通过放大与处理模块与单片机系统连接；

放大与处理模块，所述放大与处理模块用于完成力传感单元的输出信号的放大；

单片机系统，所述单片机系统完成信号的采集与处理，控制信号的发出，以及力矩测量值的显示控制。

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