CN102980708B - 一种数字式扭力扳手及测量扭矩值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扭力扳手，公开了一种数字式扭力扳手及测量扭矩值的方法，包括施拧头、力臂和指示仪表，力臂前端是测量区，且与施拧头连接，力臂的测量区的上表面从左至右分布有A组、B组、C组3组应变片组；与上表面对应位置的测量区的下表面从左至右分布有A’组、B’组、C’组3组应变片组；每组应变片组由2片应变片组成；A组应变片组到施拧头中心的距离等于B组应变片组到C组应变片组的距离；12个应变片通过导线连接成惠斯通电桥，利用计算公式得到扭矩测量值。本发明通过弯矩来测量扭矩，利用特殊测量电桥来提高扭力扳手的测量精度，它的测量精度可优于1%，且结构简单，便于制造，方便使用。

Description

一种数字式扭力扳手及测量扭矩值的方法

技术领域

本发明涉及扭力扳手，尤其涉及了一种数字式扭力扳手及测量扭矩值的方法。

背景技术

扭力扳手广泛应用于建筑、汽车、船泊及各种动力机械制造行业，它可分成机械式和数字式两大类；按用途可分为施工用扭力扳手和测量用扭力扳手；施工用扭力扳手通常精度在3％以下；测量用扭力扳手精度通常在3％以上。由于扭力扳手使用过程中除了受到力矩作用外还受到剪力干扰影响，制约了测量精度的提高。

发明内容

本发明针对现有技术中精度在3％以上的扭力扳手，针对其测量过程中受到剪力干扰的缺点，提供了一种数字式扭力扳手及测量扭矩值的方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种数字式扭力扳手，包括施拧头、力臂和指示仪表，所示的力臂前端是测量区，且与施拧头连接，所述力臂测量区的上表面从左至右分布有A组、B组、C组3组应变片组；与上表面对应位置测量区的下表面从左至右分布有A’组、B’组、C’组3组应变片组；每组应变片组由2片应变片组成。

作为优选，所述A组应变片组到施拧头中心的距离为L₁，B组应变片组到C组应变片组的距离为L₃，且L₁＝L₃，A组应变片组到B组应变片组的距离为L₂。

作为优选，所述的每组应变片组的2个应变片前后排列，应变片上设有丝栅，丝栅方向与力臂轴向一致。

作为优选，所述的A组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_A1、R_A2，B组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_B1、R_B2，C组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_C1、R_C2；A’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_A3、R_A4，B’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_B3、R_B4，C’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_C3、R_C4；所述的12个应变片通过导线连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出端与指示仪表连接，指示仪表连有激励电源，惠斯通电桥的输入端连接激励电源，其中应变片R_A1、R_B1和R_C3组成一个电桥臂，应变片R_A2、R_B2和R_C4组成一个电桥臂，应变片R_A3、R_B3和R_C1组成一个电桥臂，应变片R_A4、R_B4和R_C2组成一个电桥臂。

作为优选，所述的施拧头和力臂刚性连接，指示仪表设置在力臂上或设置在力臂外。

作为优选，所述的施拧头为方头；施拧头设置在施拧段上。

作为优选，所述的力臂后端是非测量区；测量区的横截面为矩形。

一种测量扭矩值的方法，需要测量的扭矩为M＝PL，其中L是施拧头中心到力P的距离，在力臂的非测量区施加一个力P，利用惠斯通电桥进行扭矩测量；扭矩与惠斯通电桥的输出值S之间的关系按公式计算；得出惠斯通电桥的输出值S与扭矩M的大小成正比；其中h为力臂横截面的高度，b为力臂横截面的宽度，K为应变片系数，E为弹性模量，R_i为惠斯通电桥输出电阻，R_o为惠斯通电桥输入电阻。

作为优选，在测量区上应变片所对应的A-A’、B-B’、C-C’对应横截面的弯矩分别为M_A＝P(L-L₁)，M_B＝P(L-L₁-L₂)，M_C＝P(L-L₁-L₂-L₃)；测量区(21)A-A’、B-B’、C-C’对应横截面的最大弯曲应变分别为：

应变片上的丝栅的电阻因测量区变形而发生改变，产生的电阻变化量分别为ΔR_A、ΔR_B、ΔR_C；惠斯通电桥的输出值S可表示成：

$\begin{array}{c}S=K(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_A}{R_A+R_B+R_C}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_B}{R_A+R_B+R_C}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_C}{R_A+R_B+R_C})\frac{R_i}{R_o}\\ =K(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_A}{{3R}_A}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_B}{{3R}_B}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_C}{{3R}_C})\frac{R_i}{R_o}\\ =K(\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PA}}+\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PB}}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PC}})\frac{R_i}{R_o}\\ =\frac{{6\mathrm{KR}}_i}{{3\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}(M_A+M_B-M_C)\\ =\frac{{2\mathrm{KR}}_i}{{\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}P(L-L_1+L_3)\end{array};$

令其中L₁＝L₂，R_A＝R_B＝R_C。

按本发明技术方案，能够通过弯矩来测量扭矩，利用特殊测量电桥来提高扭力扳手的测量精度，它的测量精度可优于1％，且结构简单，便于制造，方便使用。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的仰视图。

图4是应变片组成的惠斯通电桥电路图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中1—施拧头、2—力臂、3—指示仪表、4—应变片、11—施拧段、21—测量区、22—非测量区、41—丝栅、211—上表面、212—下表面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1

一种数字式扭力扳手，如图1所示，包括施拧头1、力臂2和指示仪表3，力臂2前端是测量区21，且与施拧头1连接，所述力臂2的测量区21的上表面211从左至右分布有A组、B组、C组3组应变片组；与上表面211对应位置的测量区21的下表面212从左至右分布有A’组、B’组、C’组3组应变片组；每组应变片组由2片应变片4组成；A组与A’组轴向对称分布，B组与B’组轴向对称分布，C组与C’组轴向对称分布。

如图2至图3所示，所述A组应变片组到施拧头1中心的距离为L₁，B组应变片组到C组应变片组的距离为L₃，且L₁＝L₂，A组应变片组到B组应变片组的距离为L₂。所述的每组应变片组的2个应变片4前后排列，应变片4上设有丝栅41，丝栅41方向与力臂2轴向一致。所述的A组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_A1、R_A2，B组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_B1、R_B2，C组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_C1、R_C2；A’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_A3、R_A4，B’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_B3、R_B4，C’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_C3、R_C4。

如图4所示，所述的12个应变片通过导线连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出端与指示仪表3连接，指示仪表3连有激励电源，惠斯通电桥的输入端连接激励电源，其中应变片R_A1、R_B1和R_C3组成一个电桥臂，应变片R_A2、R_B2和R_C4组成一个电桥臂，应变片R_A3、R_B3和R_C1组成一个电桥臂，应变片R_A4、R_B4和R_C2组成一个电桥臂。

所述的施拧头1和力臂2刚性连接，指示仪表3设置在力臂2上或设置在力臂2外。所述的施拧头1为方头,施拧头1设置在施拧段11上。所述的力臂2后端是非测量区22；测量区21的横截面为矩形。

一种测量扭矩值的方法，需要测量的扭矩为M＝PL，其中L是施拧头1中心到力P的距离，在力臂2的非测量区22施加一个力P，利用惠斯通电桥进行扭矩测量；扭矩与惠斯通电桥的输出值S之间的关系按公式计算；得出惠斯通电桥的输出值S与扭矩M的大小成正比；其中h为力臂横截面的高度，b为力臂横截面的宽度，K为应变片系数，E为弹性模量，R_i为惠斯通电桥输出电阻，R_o为惠斯通电桥输入电阻。

在测量区21上应变片4所对应的A-A’、B-B’、C-C’对应横截面的弯矩分别为M_A＝P(L-L₁)，M_B＝P(L-L₁-L₂)，M_C＝P(L-L₁-L₂-L₃)；测量区21A-A’、B-B’、C-C’对应横截面的最大弯曲应变分别为：

应变片4上的丝栅41的电阻因测量区21变形而发生改变，产生的电阻变化量分别为ΔR_A、ΔR_B、ΔR_C；惠斯通电桥的输出值S可表示成：

$\begin{array}{c}S=K(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_A}{R_A+R_B+R_C}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_B}{R_A+R_B+R_C}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_C}{R_A+R_B+R_C})\frac{R_i}{R_o}\\ =K(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_A}{{3R}_A}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_B}{{3R}_B}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_C}{{3R}_C})\frac{R_i}{R_o}\\ =K(\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PA}}+\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PB}}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PC}})\frac{R_i}{R_o}\\ =\frac{{6\mathrm{KR}}_i}{{3\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}(M_A+M_B-M_C)\\ =\frac{{2\mathrm{KR}}_i}{{\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}P(L-L_1+L_3)\end{array};$

令其中L₁＝L₂，R_A＝R_B＝R_C，则可以得到：惠斯通电桥输出值S与扭矩M之间的对应关系：

$S=\frac{{2\mathrm{KR}}_i}{{\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}\mathrm{PL}.$

在力臂2上施加一个力P，通过惠斯通电桥，在指示仪表3上的显示值即惠斯通电桥的输出值S，利用公式可得出扭矩Mn＝PL与S成正比，利用该公式可得出扭矩的大小，这种方式的测量精度可优于1％；因此利用特殊测量电桥可以方便有效地提高扭力扳手的测量精度。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种数字式扭力扳手，包括施拧头(1)、力臂(2)和指示仪表(3)，其特征在于，力臂(2)前端是测量区(21)，且与施拧头(1)连接，所述力臂(2)的测量区(21)的上表面(211)从左至右分布有A组、B组、C组3组应变片组；与上表面(211)对应位置的测量区(21)的下表面(212)从左至右分布有A’组、B’组、C’组3组应变片组；每组应变片组由2片应变片(4)组成；所述A组应变片组到施拧头(1)中心的距离为L₁，B组应变片组到C组应变片组的距离为L₃，且L₁＝L₃，A组应变片组到B组应变片组的距离为L₂；所述的A组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_A1、R_A2，B组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_B1、R_B2，C组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_C1、R_C2；A’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_A3、R_A4，B’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_B3、R_B4，C’组应变片组的2个应变片从前到后为应变片R_C3、R_C4；所述的12个应变片通过导线连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出端与指示仪表(3)连接，指示仪表(3)连有激励电源，惠斯通电桥的输入端连接激励电源，其中应变片R_A1、R_B1和R_C3组成一个电桥臂，应变片R_A2、R_B2和R_C4组成一个电桥臂，应变片R_A3、R_B3和R_C1组成一个电桥臂，应变片R_A4、R_B4和R_C2组成一个电桥臂。

2.根据权利要求1所述的一种数字式扭力扳手，其特征在于，所述的每组应变片组的2个应变片(4)前后排列，应变片(4)上设有丝栅(41)，丝栅(41)方向与力臂(2)轴向一致。

3.根据权利要求1所述的一种数字式扭力扳手，其特征在于，所述的施拧头(1)和力臂(2)刚性连接，指示仪表(3)设置在力臂(2)上或设置在力臂(2)外；所述的施拧头(1)为方头；所述的力臂(2)后端是非测量区(22)；测量区(21)的横截面为矩形。

4.一种测量扭矩值的方法，其特征在于，包括权利要求1所述的扭力扳手，需要测量的扭矩为M＝PL，其中L是施拧头(1)中心到力P的距离，在力臂(2)的非测量区(22)施加一个力P，利用惠斯通电桥进行扭矩测量；扭矩与惠斯通电桥的输出值S之间的关系按公式计算；得出惠斯通电桥的输出值S与扭矩M的大小成正比；其中h为力臂横截面的高度，b为力臂横截面的宽度，K为应变片系数，E为弹性模量，R_i为惠斯通电桥输出电阻，R_o为惠斯通电桥输入电阻；在测量区(21)上应变片所对应的A-A’、B-B’、C-C’对应横截面的弯矩分别为M_A＝P(L-L₁)，M_B＝P(L-L₁-L₂)，M_C＝P(L-L₁-L₂-L₃)；测量区(21)A-A’、B-B’、C-C’对应横截面的最大弯曲应变分别为：

应变片(4)上的丝栅(41)的电阻因测量区(21)变形而发生改变，产生的电阻变化量分别为ΔR_A、ΔR_B、ΔR_C；惠斯通电桥的输出值S可表示成：

$\begin{array}{c}S=K(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_A}{R_A+R_B+R_C}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_B}{R_A+R_B+R_C}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_C}{R_A+R_B+R_C})\frac{R_i}{R_o}\\ =K(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_A}{{3R}_A}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_B}{{3R}_B}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_C}{{3R}_C})\frac{R_i}{R_o}\\ =K(\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PA}}+\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PB}}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{PC}})\frac{R_i}{R_o}\\ =\frac{{6\mathrm{KR}}_i}{{3\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}(M_A+M_B-M_C)\\ =\frac{{2\mathrm{KR}}_i}{{\mathrm{bh}}^2{\mathrm{ER}}_o}P(L-L_1+L_3)\end{array};$

令其中L₁＝L₂，R_A＝R_B＝R_C。