CN104155037A - 扭矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扭矩测量装置，包括转轴、测距仪和连接所述测距仪的数据处理单元。基于所述扭矩测量装置，本发明还提供一种扭矩测量方法，数据处理单元能通过所述测距仪测得的两个环线的距离变化，从而得出所述转轴受到的扭矩。本发明提供的扭矩测量装置由于在所述转轴上不加装任何设备，仅设置两个环线，因此消除了现有技术中测量过程对转轴的影响，且测量精度高，可实施性强。

Description

扭矩测量装置及方法

技术领域

本发明涉及力学领域，尤其涉及一种扭矩测量装置及方法。 

背景技术

目前测转轴的扭矩的方法有多种，比如依赖于在转轴上贴附应变片的方式，而应变片信号的传递方式主要有滑环和遥测的方法等。滑环保证在轴转动时，应变片信号不间断的传递到采集电路中。而遥测的方法需要在转轴上安装一种通过滑动电池提供电力的发射器，发射器将应变片的电流变化通过无线信号传递到采集电子电路中。 

一些较新的系统采用了霍尔传感器。这一方案一般是在转轴上相距一定距离处安装两个大齿轮来拾取信号。在两个大齿轮上的测量敏感处分别设置两个霍尔传感器，在轴转动过程中两个霍尔传感器能输出相同宽度的脉冲。当轴被施加负载后，两个脉冲之间的相位差会发生变化。可以通过检测两路脉冲之间的相位差来计算受载轴的扭转角。 

还有一种方法是利用激光光纤和激光检测器检测转轴扭矩的系统。它是在转轴上相距适当距离处分别安装两个转动码盘。一束激光通过光纤照射到第一个码盘上，然后被与第一个码盘对应的光调制器接收并调制成激光脉冲，再提过光纤传输照射到第二个码盘上，经过第二个码盘后被第二个激光传感器接收并转化成电脉冲信号，这时的电脉冲宽度代表了两个码盘之间的相位差。当转轴被加上负载后，最终输出的电脉冲宽度会增加，通过这一相位差就可以计算出转轴扭转的角度，从而可以计算出转轴在加上负载后的扭矩。 

但是，无论是上述哪种测量方法，都需要在转轴上安装测量装置，会对转 轴本身的应用造成一定的影响。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能实时测量轴扭矩，而且测量扭矩对转轴不会带来影响的测量方案。基于此，本发明提供一种扭矩测量装置，其特征在于，包括： 

转轴； 

两个围绕所述转轴的环线，两个所述环线围成的平面互相平行，且垂直于所述转轴的轴心线； 

测距仪，用于实时测量两个环线的距离； 

数据处理单元，连接所述测距仪，用于根据所述测距仪测得的两个环线的距离变化，得出所述转轴受到的扭矩。 

进一步的，所述数据处理单元通过如下公式得出所述转轴受到的扭矩： 

$M=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{GD}}^4}{32}\frac{2\sqrt{{d1}^2-{d2}^2}}{d2\·D};$

其中，M为扭矩，G所述转轴的剪切模量，G与所述转轴的材料特性有关，D为所述转轴的直径，所述G和D均为已知量，d1和d2分别为所述转轴受到扭矩作用前后两个环线之间的距离。 

进一步的，所述转轴为圆柱形，所述环线为圆周线。 

进一步的，所述测距仪为激光测距仪，所述环线由可被激光感知的材料制成。 

进一步的，所述环线的材料为激光粉。 

本发明还提供一种扭矩测量方法，包括以下步骤： 

在一转轴上设置两个围绕所述转轴的环线，两个所述环线围成的平面互相平行，且垂直于所述转轴的轴心线； 

利用一测距仪测量两个所述环线的第一距离d1； 

当所述转轴受到一扭矩的作用时，利用所述测距仪测量两个所述环线的第 二距离d2； 

根据第一距离d1和第二距离d2的值，由一连接所述测距仪的数据处理单元得出所述扭矩的值。 

进一步的，所述数据处理单元通过如下公式得出所述转轴受到的扭矩： 

$M=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{GD}}^4}{32}\frac{2\sqrt{{d1}^2-{d2}^2}}{d2\·D};$

其中，M为扭矩，G所述转轴的剪切模量，G与所述转轴的材料特性有关，D为所述转轴的直径，所述G和D均为已知量。 

进一步的，所述转轴为圆柱形，所述环线为圆周线。 

进一步的，所述测距仪为激光测距仪，所述环线由可被激光感知的材料制成。 

进一步的，所述环线的材料为激光粉。 

本发明提供的扭矩测量装置，包括转轴、测距仪和连接所述测距仪的数据处理单元。基于所述扭矩测量装置，本发明还提供一种扭矩测量方法，所述数据处理单元通过所述测距仪测得的两个环线的距离变化，从而得出所述转轴受到的扭矩。本发明提供的扭矩测量装置由于在所述转轴上不加装任何设备，仅设置两个环线，因此消除了现有技术中测量过程对转轴的影响，且测量精度高，可实施性强。 

附图说明

图1为本发明一实施例所述的扭矩测量装置在转轴空载时的侧视图。 

图2为本发明一实施例所述的扭矩测量装置在转轴受到一扭矩作用时的侧视图。 

图3为本发明一实施例所述扭矩测量装置的转轴在受到一扭矩作用前后的各角度和距离变化示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。 

如图1所示，本发明所述的扭矩测量装置包括转轴10，在所述转轴10上具有两个围绕所述转轴10的环线11和12，两个所述环线11和12围成的平面互相平行，且垂直于所述转轴10的轴心线13。所述转轴10即为被测轴，所要测量的扭矩为使所述转轴10沿其轴心线13转动的扭矩(图1中箭头1的方向)。由于所述环线11和12围成的平面互相平行，因此两环线11和12围成的平面之间的距离处处相等，且均与轴心线13垂直。 

在本实施例中，转轴10为圆柱形，所述环线11和12为围绕转轴10的圆周线，但本发明不以此为限。 

扭矩测量装置还包括测距仪20，位于转轴10的下方且不接触转轴10，用于实时测量两环线11和12之间的距离。在本实施例中，所述测距仪20为激光测距仪，所述环线11和12由可被激光感知的材料构成。具体的，所述环线11和12的材料为激光粉。所述转轴10空载时，测距仪20能通过其发出的激光测得环线11和12之间的第一距离d1。当所述转轴10受到一扭矩作用时，环线11和12之间的距离发生变化，此时测距仪能通过其发出的激光测得环线11和12之间的第二距离d2，如图2所示。 

扭矩测量装置还包括数据处理单元30，连接所述测距仪20，用于根据所述测距仪20测得的两个环线11和12的距离变化，得出所述转轴10受到的扭矩。两个环线11和12的距离变化，即转轴10受到一扭矩作用时，两个环线11和12的距离从第一距离d1到第二距离d2的变化。 

下面以一实施例详细说明扭矩测量方法的实现过程。 

空载时，转轴10上没有扭矩，在理想状态下，摩擦力矩为零，转轴10没有发生扭转形变，此时测距仪20测得两环线11和12之间距离为第一距离d1，即初始距离，是一个固定的数值，如图1所示。当转轴10上有扭矩时会发生扭 转形变，使得两个环线11和12之间的距离发生变化，但是两环线11和12所在平面之间的距离仍处处相等。此时，利用测距仪20测出两个环线11和12之间新的距离为第二距离d2，如图2所示。很明显，第二距离d2小于第一距离d1。 

测距仪20将测得的数据第一距离d1和第二距离d2传输到数据处理单元30，数据处理单元30根据两个圆周线之间距离的变化和轴的材料力学性质，就可以得到转轴10的扭矩。 

数据处理单元30的具体的计算方法如下，由第一距离d1和第二距离d2可以得到轴扭转的弧长轴的半径R或直径D已知，则可得在第二距离d2长度上旋转轴扭转的角度进而可得单位长度上轴扭转的角度如图3所示。 

在得到轴的单位长度扭转角θ后，根据轴的材料力学性质，即可得到轴扭矩M。具体公式如下： 

根据转轴10材料的性质，直径为D的旋转轴的极惯性矩为J_p，则有 

$J_p=\frac{\mathrm{\π}{D}^4}{32}---\left(1\right)$

直径D的单位为m，旋转轴的极惯性矩J_p的单位为m⁴。 

依据虎克定律，可知单位长度相对扭转角和扭矩、极惯性矩之间的关系 

$\mathrm{\θ}=\frac{M}{G{J}_p}---\left(2\right)$

GJ_p称为旋转轴截面的抗扭刚度，G为轴的剪切模量，与轴的材料特性有关，单位为N/m²，对于钢材料来说，剪切模量在7.5845*10¹¹-8.274*10¹¹N/m²之间，单位长度相对扭转角θ的单位为弧度每米。 

由式(2)可得扭矩和单位长度扭转角的关系 

$M=G{J}_p\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\πG}{D}^4\mathrm{\θ}}{32}---\left(3\right)$

至此，代入前述单位长度扭转角θ的计算公式即可得到扭矩M 

即 $M=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{GD}}^4}{32}\frac{2\sqrt{{d1}^2-{d2}^2}}{d2\·D}.$

本发明提供的扭矩测量装置，包括转轴、测距仪和连接所述测距仪的数据处理单元。基于所述扭矩测量装置，本发明还提供一种扭矩测量方法，所述数据处理单元能通过所述测距仪测得的两个环线的距离变化，得出所述转轴受到的扭矩。本发明提供的扭矩测量装置由于在所述转轴上不加装任何设备，仅设置两个环线，因此消除了现有技术中测量过程对转轴的影响，且测量精度高，可实施性强。 

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。 

Claims (10)

1.一种扭矩测量装置，其特征在于，包括：

转轴；

两个围绕所述转轴的环线，两个所述环线围成的平面互相平行，且垂直于所述转轴的轴心线；

测距仪，用于实时测量两个环线的距离；

数据处理单元，连接所述测距仪，用于根据所述测距仪测得的两个环线的距离变化，得出所述转轴受到的扭矩。

2.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述数据处理单元通过如下公式得出所述转轴受到的扭矩：

$M=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{GD}}^4}{32}\frac{2\sqrt{{d1}^2-{d2}^2}}{d2\·D};$

其中，M为扭矩，G所述转轴的剪切模量，G与所述转轴的材料特性有关，D为所述转轴的直径，所述G和D均为已知量，d1和d2分别为所述转轴受到扭矩作用前后两个环线之间的距离。

3.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述转轴为圆柱形，所述环线为圆周线。

4.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述测距仪为激光测距仪，所述环线由可被激光感知的材料制成。

5.如权利要求4所述的扭矩测量方法，其特征在于：所述环线的材料为激光粉。

6.一种扭矩测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在一转轴上设置两个围绕所述转轴的环线，两个所述环线围成的平面互相平行，且垂直于所述转轴的轴心线；

利用一测距仪测量两个所述环线的第一距离d1；

当所述转轴受到一扭矩的作用时，利用所述测距仪测量两个所述环线的第二距离d2；

根据第一距离d1和第二距离d2的值，由一连接所述测距仪的数据处理单元得出所述扭矩的值。

7.如权利要求6所示的扭矩测量方法，其特征在于，所述数据处理单元通过如下公式得出所述转轴受到的扭矩：

$M=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{GD}}^4}{32}\frac{2\sqrt{{d1}^2-{d2}^2}}{d2\·D};$

其中，M为扭矩，G所述转轴的剪切模量，G与所述转轴的材料特性有关，D为所述转轴的直径，所述G和D均为已知量。

8.如权利要求6所述的扭矩测量方法，其特征在于：所述转轴为圆柱形，所述环线为圆周线。

9.如权利要求6所述的扭矩测量方法，其特征在于：所述测距仪为激光测距仪，所述环线由可被激光感知的材料制成。

10.如权利要求9所述的扭矩测量方法，其特征在于：所述环线的材料为激光粉。