CN102788654A - 一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械传动的旋转动力的测量及其数据的应用。它利用现有的柔性联轴器并在其主动半和被动半分别设置信号测试点，通过对应两个联轴半上的信号测试点设置的信号接收器，非接触地获取主动半和被动半在转动时的相对位置及其运动(转速转向)信号，同时通过信号处理电路获取扭矩和转速数据，并根据轴功率与扭矩、转速的关系推导出机械传动的即时轴功率。它可以使机械传动中扭矩、转速、轴功率的测量更简单方便、相关设备结构更简单、体积更小、重量更轻、制造成本更低，有益于提高机械设备的智能化、轻便化，有益于智能机械设备的普及，有益于优化机械设备之间匹配的契合度，有益于提高机械传动效率，有益于节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及机械传动的旋转动力的测量及其数据的应用。
背景技术
扭矩、转速和轴功率的测量应用范围很广泛，它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源等各个领域。
扭矩、转速和轴功率是旋转动力机械的重要工作参数，是机械量测量中一个重要组成部分。若能准确、可靠、方便地测出受试机械的平均或瞬时的扭矩值、转速和功率，这将有利于改进和提高机械设备的性能。同时，装置测试系统可作旋转动力机械日常运行的监视装置，起到故障诊断或可用作自动控制系统的检测装置。
目前，常用的旋转扭矩测量系统的架构如图1所示，它比体积较庞大、机构复杂且笨重、成本高，，不利于在要求空间紧凑以及要求轻量化的机械系统中应用。
随着社会的发展，动力机械的发展越来越快，非常需要简洁、紧凑的测量系统，这样才能使动力机械的智能化程度越来越高。人们迫切的需要一种简洁、紧凑、易用、低成本、耐用的旋转动力测量设备。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单紧凑、成本低、应用方便，能够同时测量旋转动力系统的转矩、转速和转向从而推导出轴功率的测量设备。
本发明所述的非接触动态转矩、转速暨轴功率信号传感器包括：
一柔性联轴器(弹性联轴器)：包括联轴器主动半、联轴器被动半(主动半和被动半统称为联轴半)、联轴器弹性部件等；
若干信号测试点：分别设置在柔性联轴器两端(两个联轴半上)，若连轴半上有可以利用的信号测试点则不用专门设置；
一个或两个信号接收器：它对应两个联轴半上的信号测试点设置；
一信号处理电路。
其特征是：
本发明利用现有的柔性联轴器(可以是任何类型的柔性联轴器)获取传动信号，而该联 轴器仍然用作动力传递(充分利用原有部件，可以节省空间、降低成本)。该联轴器的主动半和被动半分别设置信号测试点，并通过对应两个联轴半上的信号测试点设置的信号接收器，非接触地获取主动半和被动半在转动时的相对位置及其运动(转速转向)信号。
应用柔性联轴器在动力传递动力时主动半与被动半之间有相对位移，且传递的扭矩越大其相对位移也越大的原理，制作该联轴器的静态扭矩与主动半和被动半之间相对位移的关系图表，将该关系表输入信号处理电路作为基础数据。
对比由信号接收器获取的主动半与被动半的位置信号，获得机械传动时两个连接半的相对位移的参数(图7、图8中的δ和δ’)。该参数与基础数据对比可得到该机械传动的瞬时扭矩数据。
在两个连接半相应的点上各设置信号测试点，并在信号测试点相应位置各设置一个信号接收器(如图3、图4、图5所示)；或者，当主动半与被动半的部分能够共在同一段轴断面时(如图6所示的梅花形柔性联轴器)，可以只设置一个信号接收器，该信号接收器设置在这段断面的相应位置。
信号接收器可采用光感应、电磁感应等各种类型。推荐采用电磁类型，它具有结构更简单和获取信号更可靠和高效的特点。当信号接收器采用电磁信号，信号测试点可以是凸点(如图3所示)也可以是凹点(如图5所示)，只要微凸或微凹即可；还可以利用柔性联轴器上原有的凹凸点作为信号测试点(如图4所示)。
梅花形柔性联轴器或类同的联轴器，不需要专门设置信号测试点，其主动半和被动半相互插入的梅花爪本身就是很好的电磁信号测试点。但是，为了区别主动半的信号与被动半的信号，也可以专门在其中的一个连轴半上设置凹点或凸点(如图6是以凹点作为主动半的信号测试点)。
信号处理电路可以根据从信号接收器获得的位移和运动信号，通过对比和换算获得扭矩和转速数据，并且根据轴功率与扭矩、转速的关系推导出机械传动的即时轴功率。
本发明和现有技术相比具有以下优点：
本发明可以使机械传动中扭矩、转速、轴功率的测量更简单方便、相关设备结构更简单、体积更小、重量更轻、制造成本更低，有益于提高机械设备的智能化、轻便化，有益于智能机械设备的普及，有益于优化机械设备之间匹配的契合度，有益于提高机械传动效率，有益于节能减排。通过图像直观的表示：以图2的测量系统架构替代了图1的测量系统架构。
附图说明
图1是目前常用的旋转扭矩测量系统的架构
图2是本发明的旋转扭矩、转速、转向暨轴功率测量系统的架构
图3是本发明以轮胎式柔性联轴器为基础设立专门信号测试点的示意
图4是本发明以轮胎式柔性联轴器为基础并且以其原有的螺栓为信号测试点的示意
图5是本发明以改进的梅花柔性联轴器为基础设置两个信号接收器的示意
图6是本发明以改进的梅花柔性联轴器为基础设置单个信号接收器的示意
图7是设置了两个测试点的本发明的信号处理电路的电原理框图
图8是设置了单个测试点的本发明的信号处理电路的电原理框图
图中：
1是机座(壳)
2是柔性联轴器
2-1是联轴器主动半
2-2是联轴器被动半
2-3是联轴器弹性部件
2-4是固定螺栓
2-5是联轴器信号测试点
3是信号接收器
4是信号接收器支架
e是单个信号接收器经过放大整形后输出的波形
e1是主动半对应的信号接收器经过放大整形后输出的波形
e2是被动半对应的信号接收器经过放大整形后输出的波形
L是单个信号接收器经过放大整形后主动半输出的波峰与被动半前波中心线的距离
L’是单个信号接收器经过放大整形后主动半的波峰与被动半后波中心线的距离
δ是联轴器主动半的波形与被动半的波形前角的变量
δ’是联轴器主动半的波形与被动半的波形后角的变量
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步的描述：
结合附图5和附图7描述一种以改进的梅花柔性联轴器为基础设置两个信号接收器的非接触动态扭矩、转速暨轴功率传感器。首先，制作该联轴器的静态扭矩与主动半和被动半之间相对位移的关系图表，将该关系表输入信号处理电路的第一个数据处理器作为基础数据。在主动轴转动并通过柔性联轴器带动被动轴转动时，当被动轴空载，扭矩为零(或接近零)，两个联轴半之间的相对位移为零，两个信号接收器从信号测试点分别获得波动信号，这两个信号经过信号处理电路放大、整形和比相可以获得两个相位一致波形，此时相位差δ为零，这两个信号中的任一个经放大进入计数器与时钟信号对比获得转速数据(以下同，不重复叙述)；当被动轴有实际负载，扭矩为正数值，两个联轴半之间产生相对位移，两个信号接收器从信号测试点分别获得波动信号，这两个信号经过信号处理电路放大、整形和比相可以获得两个相位不一致波形，此时相位差δ为正数值，该数值对比第一个数据处理器中的基础数据可以获得具体的即时扭矩数据，第二个数据处理器根据轴功率与扭矩、转速的关系推导出即时轴功率；当之前的负载输出动力带动之前的主动轴(如汽车挂挡滑行时，车轮通过传动机构带动发动机转动)，δ为负数，推导出的轴功率为负值。转速、转向、扭矩、轴功率均可以通过显示电路和相应器件显示，相关数据还可以通过无线电、计算机网络实现远距离传输，其中通过计算机网络可以实现远程遥测遥控。第一个数据处理器和第二个数据处理器可以合并为一个，这里分成两个只是为了方便描述。
结合附图6和附图8描述一种以改进的梅花柔性联轴器为基础设置单个信号接收器的非接触动态扭矩、转速暨轴功率传感器。同样，先制作该联轴器的静态扭矩与主动半和被动半之间相对位移的关系图表，将该关系表输入信号处理电路的第一个数据处理器作为基础数据。在主动轴转动并通过柔性联轴器带动被动轴转动时，当被动轴空载，扭矩为零(或接近零)，两个联轴半之间的相对位移为零，这个信号接收器从信号测试点分别获得两个联轴半的波动信号，这两个信号经过信号处理电路放大、整形和比相可以获得主动半波峰与被动半前波和后波距离(L和L’)相同，此时相位差δ为零(δ＝L’-L)，这个信号经放大进入计数器与时钟信号对比获得转速数据(以下同，不重复叙述)；当被动轴有实际负载，扭矩为正数值，两个联轴半之间产生相对位移，这信号接收器从信号测试点获得波动信号经过信号处理电路放大、整形和比相可以获得主动半波峰与被动半前波和后波距离(L和L’)不同，此时相位 差δ为正数值，该数值对比第一个数据处理器中的基础数据可以获得具体的即时扭矩数据，第二个数据处理器根据轴功率与扭矩、转速的关系推导出即时轴功率；当之前的负载输出动力带动之前的主动轴(如汽车挂挡滑行时，车轮通过传动机构带动发动机转动)，δ为负数，推导出的轴功率为负值。转速、转向、扭矩、轴功率均可以通过显示电路和相应器件显示，相关数据还可以通过无线电、计算机网络实现远距离传输，其中通过计算机网络可以实现远程遥测遥控。这里还可以通过信号处理电路中的调相电路将输入的信号调成为在空载时两个同相位的波形信号(e1和e2)，在有负载时可以直接对比出δ。
Claims (7)
1.一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，包含柔性联轴器、信号测试点、信号接收器、信号处理电路，其特征在于：应用现有的柔性联轴器并在柔性联轴器的主动半和被动半分别设置信号测试点，通过对应两个联轴半上的信号测试点设置的信号接收器，非接触地获取主动半和被动半之间在转动时的相对位置及其运动(转速转向)信号，经信号处理电路获得机械传动的实时扭矩、转速和轴功率数据。
2.根据权利要求1所述的一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，其特征是：用于获取传动信号的柔性联轴器仍然用作动力传递。
3.根据权利要求1所述的一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，其特征是：信号接收器可采用光感应、电磁感应等各种类型，特别保护采用电磁类型的信号接收器。
4.根据权利要求1所述的一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，其特征是：信号测试点可以利用柔性联轴器各联轴半上原有的凹凸点或凹凸形状而不专门设置。
5.根据权利要求1所述的一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，其特征是：先制作柔性联轴器的静态扭矩与主动半和被动半之间相对位移的关系图表，将该关系图表输入信号处理电路作为基础数据，用于对比实时信号而得出实时转动扭矩的数据。
6.根据权利要求1所述的一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，其特征是：当主动半与被动半的部分能够共在同一段轴断面时，可以只设置一个信号接收器。
7.根据权利要求1所述的一种非接触动态扭矩、转速暨轴功率信号传感器，其特征是：信号处理电路可以根据从信号接收器获得的位移和运动信号，通过对比和换算获得扭矩和转速数据，并且根据轴功率与扭矩、转速的关系推导出机械传动的即时轴功率。
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Cited By (3)
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| CN103983388A (zh) * | 2014-04-25 | 2014-08-13 | 苏州市计量测试研究所 | 一种实时在线式轴功率测量方法 |
| CN105606282A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-25 | 东北大学 | 一种非接触式传动轴扭矩的测量装置与方法 |
| CN107340088A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-11-10 | 广东工业大学 | 一种曲轴扭矩测量系统 |
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2012
- 2012-07-23 CN CN2012102574745A patent/CN102788654A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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