CN103630278B - 一种电涡流缓速器扭矩测量方法 - Google Patents

Abstract

一种电涡流缓速器扭矩测量方法，包括：将多个应变片粘贴在电涡流缓速器支架的悬臂上，其中将多个电阻应变片按间隔地与电涡流缓速器的输出扭矩轴向成45°和135°度方向的方式进行布置，然后按全桥模式将所述多个应变片接线端接入电阻应变仪；将电涡流缓速器安装到客车上之后启动客车并启动电阻应变仪以采集电涡流缓速器支架悬臂外侧表面的剪切应变，此后将客车的传动轴转速加到预定转速后，启动电涡流缓速器，然后重新将客车的发动机转速加到所述预定转速，并保持预定时间，然后关闭缓速器；根据电阻应变仪采集到的电涡流缓速器支架悬臂外侧表面的剪切应变，然后根据第一公式和第二公式算出所述预定转速下缓速器对应的电涡流缓速器的扭矩。

Description

一种电涡流缓速器扭矩测量方法

技术领域

本发明涉及机械、材料、汽车领域，更具体地说，本发明涉及一种电涡流缓速器扭矩测量方法。

背景技术

我国《营运客车类型划分及等级评定》标准中规定，高二级以上的客车必须安装制动缓速装置。电涡流缓速器因其安全性、经济性和环保性等方面的优越性，成为大型客车的主要辅助制动装置。电涡流缓速器主体由定子、转子及固定支架组成，该装置安装在汽车驱动桥与变速箱之间，通过电磁感应原理实现无接触制动。缓速器工作时，定子线圈内通电产生磁场，而转子随传动轴一起旋转，转子切割定子产生的磁力线，从而在转子盘内部产生涡旋状的感应电流，定子就会向转子施加一个阻碍转子旋转的电磁力，从而产生制动力矩，实现减速。输出扭矩是反映缓速器性能最主要的工作指标。目前，输出扭矩主要是在设计过程中通过理论计算获得，但是输出扭矩受实际的线圈线径、转盘气隙、转子转速等因素影响，实际输出扭矩与理论计算存在偏差。因此，为了保证电涡流缓速器的可靠性，需采用实验测试技术测量实际输出扭矩。

现有技术中，许沧粟等人在《机床与液压》（2005（1）：119-121）上发表的“电涡流缓速器测试台架的研究”中设计了一种能够评价电涡流缓速器性能的试验台架，可以评定车速、励磁电流及转子温度与电涡流缓速器制动扭矩的关系，可以测定电涡流缓速器在不同汽车上的工作情况，大大提高了应用范围和检测效率。但是该套测试系统结构复杂，制造成本和使用成本高，而且无法完全模拟大客车使用过程中的各种工况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种基于电阻应变计法的电涡流缓速器扭矩测试系统，以大客车为载荷施加体，设计大客车不同使用工况，测量电涡流缓速器实际输出扭矩。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种电涡流缓速器扭矩测量方法，其包括：

第一步骤：将多个应变片粘贴在电涡流缓速器支架的悬臂上，其中将多个电阻应变片按间隔地与电涡流缓速器的输出扭矩轴向成45°和135°度方向的方式进行布置，然后按全桥模式将所述多个应变片接线端接入电阻应变仪；

第二步骤：将电涡流缓速器安装到客车上之后启动客车并启动电阻应变仪以采集电涡流缓速器支架悬臂外侧表面的剪切应变，此后将客车的传动轴转速加到预定转速后，启动电涡流缓速器，然后重新将客车的发动机转速加到所述预定转速，并保持预定时间，然后关闭缓速器；

第三步骤：根据电阻应变仪采集到的电涡流缓速器支架悬臂外侧表面的剪切应变，然后根据第一公式和第二公式算出所述预定转速下缓速器对应的电涡流缓速器的扭矩；

其中第一公式为： $M=\frac{{2\mathrm{GI}}_p\mathrm{\γ}}{d};$

第二公式为： $I_p={\∫}_A{r}^2\mathrm{dA}={\∫}_{R_1}^{R_2}{4\mathrm{hr}}^2\mathrm{dr};$

其中，M为电涡流缓速器的扭矩，G为悬臂的剪切弹性模量，I_P为悬臂的极惯性矩，γ为悬臂的剪切应变，d为支架的外径，R₁和R₂分别为支架的内半径和外半径。

优选地，在设定的不同预定转速下重复执行第二步骤和第三步骤。

优选地，所述电涡流缓速器扭矩测量方法还包括第四步骤：对电涡流缓速器支架进行标定实验，建立支架剪切应变与扭矩的对应关系。

优选地，将电阻应变仪采样频率设置不小于50Hz。

优选地，在第一步骤中将多个应变片粘贴在电涡流缓速器支架的悬臂的特定位置上，其中所述特定位置处的应变最大且应变最大值和应变最小值之差小于预定应变变化阈值。

优选地，所述电阻应变仪为静态电阻应变仪。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法的流程图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法的应变片布置位置示意图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法的全桥电路连接示意图。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法的电涡流缓速器支架结构示意图。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法得到的小支架标定试验结果。

图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法得到的大支架标定试验结果。

图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法得到的大支架扭矩与转子转速之间的关系

图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法得到的小支架扭矩与转子转速之间的关系。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

本发明的目的在于设计一种简便的大型客车电涡流缓速器扭矩测量方法，建立转子转速与扭矩之间的关系，实现电涡流缓速器产品的检测，为电涡流缓速器的优化设计及安全运行提供有力的数据支持。根据电涡流缓速器的工作原理和牛顿第三定律，定子产生的扭矩与转子产生的扭矩大小相等，而定子与固定支架连接在一起，从而可以通过测量固定支架上的扭矩获得转子的输出扭矩。

本发明基于电阻应变计法，测量固定支架上的剪切应变，从而计算得出电涡流缓速器的输出扭矩。将多个电阻应变片按间隔地与电涡流缓速器的输出扭矩轴向成45°和135°度方向的方式进行布置，如图2所示。将应变片粘贴在固定支架四个悬臂对应的位置上，然后按全桥模式（见图3）将应变片接线端接入电阻应变仪。

为了保证采集到电涡流缓速器工作瞬间的应变值，选用的电阻应变仪采样率最好不低于50Hz。电阻应变仪可采用现有的任意合适的电阻应变仪；例如，电阻应变仪包括应变采集器、控制器、测试软件和数据采集线。采集器与控制器连接，控制器为采集器提供电源，同时采集器的信号经过控制器中的放大滤波电路对电压信号进行放大。电脑与控制器采用以太网连接，读取和存储数据。

扭矩测量基于电阻应变计法，应变片粘贴在缓速器支架的悬臂上。图4是支架结构示意图。支架与定子通过螺栓固定。对于等截面圆轴，最大切应力发生在扭矩最大截面的周边各点。

扭矩计算公式为：

$M=\frac{{2\mathrm{GI}}_p\mathrm{\γ}}{d}$ 第一公式（1）

$I_p={\∫}_A{r}^2\mathrm{dA}={\∫}_{R_1}^{R_2}{4\mathrm{hr}}^2\mathrm{dr}$ 第二公式（2）

其中，M为电涡流缓速器的扭矩，G为悬臂的剪切弹性模量，I_P为悬臂的极惯性矩，γ为悬臂的剪切应变，d为支架的外径，R₁和R₂分别为支架的内半径和外半径。

以下对本发明优选方法实施例作进一步的说明，根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法基于电阻应变计法，通过电阻应变仪（例如，静态电阻应变仪）来测量电涡流缓速器上应变最大又比较均匀（即，应变最大值和应变最小值之差小于预定应变变化阈值）的位置处（例如悬臂的特定位置处）的应变来计算缓速器的扭矩，并采用标定的方法得到扭矩的简化计算公式。图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法的流程图。

如图1所示，根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法包括：

第一步骤S1：首先将多个应变片粘贴R1、R2、R3和R4（例如，用强力胶水粘贴）在电涡流缓速器支架的悬臂（例如，悬臂的特定位置）上，其中将多个电阻应变片按间隔地与电涡流缓速器的输出扭矩轴向成45°和135°度方向的方式进行布置，如图2所示，然后按全桥模式将所述多个应变片接线端接入电阻应变仪。例如，如图3所示，多个应变片粘贴R1、R2、R3和R4中相邻的两个应变片之间的连接点A、B、C和D分别连接至第一电势Eg+、第一电压Vi+、第二电势电势Eg-和第二电压Vi-。

优选地，电阻应变仪采样频率设置为50Hz。优选地，电阻应变仪采样频率设置不小于50Hz。

第二步骤S2：将电涡流缓速器安装到客车上之后启动客车并启动电阻应变仪以采集电涡流缓速器支架悬臂外侧表面的剪切应变，此后将客车的传动轴转速加到预定转速后，启动电涡流缓速器，然后加客车的油门重新将发动机转速加到所述预定转速，并保持预定时间（例如，10-20s的时间），然后关闭缓速器。

其中，所需的发动机的预定转速可具体根据电涡流缓速器的转子转速进行确定。

第三步骤S3：根据电阻应变仪采集到的电涡流缓速器支架悬臂外侧表面的剪切应变，然后根据第一公式（1）和第二公式（2）就可计算出所述预定转速下缓速器对应的扭矩。

而且，采用不同的转速进行第二步骤S2和第三步骤S3的试验，就可得到缓速器扭矩与转子转速之间的关系曲线。因此，优选地，在设定的不同预定转速下重复执行第二步骤S2和第三步骤S3。

还可以进一步执行第四步骤S4：对电涡流缓速器支架进行标定实验（见实施例一），建立支架剪切应变与扭矩的关系，这样可以非常快捷地依据采集到的应变值计算出缓速器扭矩。

与现有技术相比，本发明具有实质性特点和显著进步，采用简易的电阻应变计法来计算电涡流缓速器的扭矩，并通过标定实验建立支架剪切应变与扭矩的关系，可以非常快捷地通过实验采集到的应变值计算出缓速器的扭矩；本发明采用实际的大客车作为载荷施加体，可以测量电涡流缓速器在不同实际工况下的输出扭矩。

下面将具体描述本发明的优选示例。

<实施例一>

实施例一为电涡流缓速器支架扭矩的标定，利用支架扭矩标定试验的工装，将支架刚性固定在底板和圆形法兰上，扭矩通过扭矩扳手施加传递到支架上，扭矩大小通过扭矩传感器T4A-500Nm和TB1A-5kNm进行实时测量，并通过数字扭矩测试仪实时显示。支架受扭产生应变，通过本发明的测量方法实时测出支架悬臂外侧的应变值，建立应变与扭矩的数学模型。这样，在本实施例中，通过本发明的测量方法实时测出支架悬臂外侧的应变值。将扭矩传感器测得的扭矩和本发明采用的测量方法测得的应变值进行拟合，就可以得出一个简化的扭矩计算公式。

标定支架2个，分别为小支架F7（支架型号）和大支架F8（支架型号），两种支架外径尺寸不同。图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的电涡流缓速器扭矩测量方法的电涡流缓速器支架结构示意图。图5和图6分别是小支架F7和大支架F8标定试验结果，两种支架分别标定两次，从图中可以看出，标定试验具有很好的重复性，扭矩和应变显示出非常好的线性关系。根据线性拟合，取两次标定的平均值，分别得出小支架F7和大支架F8扭矩和应变的公式，见公式（3）和公式(4)。

M=26.46γ公式(3)

M=23.97γ公式(4)

<实施例二>

分别采用大支架和小支架测量两种规格的电涡流缓速器的工作扭矩。将粘贴好应变片的支架安装到客车上。将数据线连接到应变仪，采样率设置为50Hz，对支架的应变变化进行实时采样。

启动客车，将发动机转速加到所需的转速后，启动缓速器，然后加油门重新将发动机转速加到所需的转速，并保持10～20s的时间，然后关闭缓速器。所需的发动机转速根据转子转速进行确定。

在不同转子转速的情况下（200-1500rmp范围内），运行电涡流缓速器，测试支架的应变值，根据公式（3）和公式（4）分别计算采用大支架和小支架测试的电涡流缓速器的工作扭矩，建立扭矩与转速的关系。图7是采用大支架测试的电涡流缓速器工作扭矩与转子转速之间的关系，图8是采用小支架测试的电涡流缓速器工作扭矩与转子转速之间的关系。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种电涡流缓速器扭矩测量方法，其特征在于，包括：

第一步骤：将多个应变片粘贴在电涡流缓速器支架的悬臂上，其中将多个电阻应变片按间隔地与电涡流缓速器的输出扭矩轴向成45°和135°度方向的方式进行布置，然后按全桥模式将所述多个应变片接线端接入电阻应变仪；

第二步骤：将电涡流缓速器安装到客车上之后启动客车并启动电阻应变仪以采集电涡流缓速器支架的悬臂外侧表面的剪切应变，此后将客车的传动轴转速加到预定转速后，启动电涡流缓速器，然后重新将客车的发动机转速加到所述预定转速，并保持预定时间，然后关闭缓速器；

第三步骤：根据电阻应变仪采集到的电涡流缓速器支架的悬臂外侧表面的剪切应变，然后根据第一公式和第二公式算出所述预定转速下缓速器对应的电涡流缓速器的扭矩；

其中第一公式为：

第二公式为： $I_p={\&Integral;}_A{r}^{2}dA={\&Integral;}_{R_1}^{R_2}4{\mathrm{hr}}^{2}dr;$

其中，M为电涡流缓速器的扭矩，G为悬臂的剪切弹性模量，I_P为悬臂的极惯性矩，γ为悬臂的剪切应变，d为支架的外径，A为悬臂垂直于轴向的横截面积，r为微元dA相对于支架中心的距离，h为悬臂的宽度，R₁和R₂分别为悬臂的内半径和外半径；

第四步骤：对电涡流缓速器支架进行标定实验，建立支架剪切应变与扭矩的对应关系。

2.根据权利要求1所述的电涡流缓速器扭矩测量方法，其特征在于，在设定的不同预定转速下重复执行第二步骤和第三步骤。

3.根据权利要求1或2所述的电涡流缓速器扭矩测量方法，其特征在于，将电阻应变仪采样频率设置不小于50Hz。

4.根据权利要求1或2所述的电涡流缓速器扭矩测量方法，其特征在于，在第一步骤中将多个应变片粘贴在电涡流缓速器支架的悬臂的特定位置上，其中所述特定位置处的应变最大且应变最大值和应变最小值之差小于预定应变变化阈值。

5.根据权利要求1或2所述的电涡流缓速器扭矩测量方法，其特征在于，所述电阻应变仪为静态电阻应变仪。