CN105352643A - 一种传动轴转矩标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传动轴转矩标定方法，包括如下步骤：1）将待测传动轴安装于测试台架上；2）在传动轴上安装应变计无线测量系统；3）对传动轴施加转矩，通过应变计无线测量系统输出对应的电压值；4）建立传动轴转矩标定模型，解算得到标定系数。通过本发明公开的标定方法，能够方便快捷、准确可靠地标定传动轴的转矩。

Description

一种传动轴转矩标定方法

技术领域

本发明涉及传动轴检测技术领域，尤其涉及一种传动轴转矩标定方法。

背景技术

转矩测量是轴类零部件进行实际工作载荷检测及试验参数监控的重要内容，在进行汽车传动轴载荷测试及相关试验时，需要对传动轴进行转矩标定，根据标定结果获得实时的传动轴及传动系的载荷信息。目前，传动轴转矩标定较多采用静态转矩标定的方法，采用杠杆原理设计的静态转矩标定台逐级加载标准砝码来对传动轴进行标定。也有的采用标准力矩扳手测试几个固定的值，然后描绘出一条折(曲)线，根据折(曲)线来计算电动执行机构的转矩值。但这类静态标定方法，需要手动施加力矩，并通过肉眼读数，使得所测出的数据精度差，可靠性低；而且，由于点数的限制，标定的曲线是否合理得不到保证，不能适应工业自动化生产的要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决传动轴转矩检测精度差，可靠性低，且标定麻烦的问题，提供一种传动轴转矩标定方法，能够方便快捷、准确可靠地标定传动轴的转矩。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种传动轴转矩标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将待测传动轴安装于测试台架上，将待测传动轴安装于测试台架上，该测试台架上具有加载电机、固定座、转矩传感器以及角度编码器；

2)在传动轴上安装应变计无线测量系统，用于将传动轴的变形量通过应变桥测量后转换为电压信号，并通过无线方式为输出；

3)通过控制加载电机逐级对传动轴施加转矩，通过转矩传感器和角度编码器测量所施加的转矩值以及传动轴的扭转角度,通过应变计无线测量系统输出对应的电压值；

4)建立传动轴转矩标定模型：

控制加载电机对待测传动轴施加转矩，将施加的转矩分为n级，则加载和卸载均可以得到n个测量点；

设M_i(i＝1,2,……n)为加载过程中各级的转矩值，θ_i(i＝1,2,……n)为加载过程中各级的扭转角度，U_i(i＝1,2,……n)为各级加载过程中应变计无线测量系统测得的电压值，则在标定范围内待测传动轴的传递转矩，即加载转矩与待测传动轴输出应变的关系为：M＝a₁U+a₀，其中，a₀，a₁为常数，即加载过程的标定系数；为获取精确的标定系数，采用最小二乘法，计算方差

$e_i^2={\[M_i-(a_0+a_{1}U)\]}^2$

将方差求和：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{e}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[M_i-(a_0+a_{1}U)\]}^2---\left(1\right)$

为使方差和S最小，则令式(1)分别对a₀和a₁求偏导数等于0有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂S}{\∂a_0}=0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}-2\[M_i-(a_0+a_1{U}_i)\]\\ \frac{\∂S}{\∂a_1}=0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}-2U_i\[M_i-(a_0+a_1{U}_i)\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

从而得到加载过程中待测传动轴的标定系数a_o和a₁值：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\underset{n=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i-a_1\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i\\ a_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i{U}_i-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i}{n}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i\right)}^2}{n}}\end{array}\right.$

同理，得到卸载过程中待测传动轴的标定系数a'₀和a′₁值：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0^{\′}=\underset{n=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}-a_1^{\′}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}\\ a_1^{\′}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}{U}_i^{\′}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}}{n}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′2}-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}\right)}^2}{n}}\end{array}\right.;$

通常，传动轴在使用过程中加载过程占了80％左右，卸载过程占了20％左右，因此通过加权得到待测传动轴的最终标定系数b和k,即：

$\left\{\begin{array}{c}b=0.8a_0+0.2a_0^{\′}\\ k=0.8a_1+0.2a_1^{\′}\end{array}\right..$

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、应用电控加载装置可精准测出加载转矩，同时可以准确的测出传动轴扭转角度；有效克服了采用砝码加载时因砝码锈蚀及质量偏差造成的标定误差，同时可以测出传动轴的扭转刚度。

2、传动轴标定过程中去除了反复调平过程、加载标准砝码的过程，减少了实际标定过程中的人力投入，加载与卸载过程实现全自动化，更为快捷，且系统重复性更好，极大的提高传动轴标定效率。

3、采用该标定方法可以有效扩大转矩标定范围，为不同类型车辆传动轴的标定创造了条件，提高了标定设备的利用效率和通用性。

附图说明

图1为本法明所采用的测试台架的结构示意图。

图中：1—底板，2—加载电机，3—转矩传感器，4—角度编码器，5—待测传动轴，6—应变计无线测量系统，7—固定座，8—第一连接轴，9—第二连接轴。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1，一种传动轴转矩标定方法，标定过程中需采用专用的传动轴转矩标定测试台架，所述测试台架包括底板1、加载电机2、转矩传感器3、角度编码器4、待测传动轴5、应变计无线测量系统6以及固定座7。所述加载电机2通过电机座安装于底板1的一端，所述固定座7安装于底板1的另一端；具体实施时，在底板1上沿其长度方向设有导向槽，所述导向槽贯穿底板1远离加载电机2的一端；所述固定座7通过滑块与导向槽配合相连，并能够与底板1固定。所述加载电机2的电机轴与转矩传感器3的测量轴相连，转矩传感器3的测量轴通过第一连接轴8与待测传动轴5的一端相连，该待测传动轴5的另一端通过第二连接轴9与固定座7固定连接；其中，转矩传感器3与第一连接轴8的连接处套设有轴承，该轴承由一轴承座支撑，从而使测量稳定性更好。所述角度编码器4套设在第一连接轴8上，所述应变计无线测量系统6套设在待测传动轴5上。在测试台架上还设有工控机，该工控机同时与加载电机2、转矩传感器3、角度编码器4相连，同时与应变计无线测量系统6无线连接。

具体包括如下步骤：

1)将待测传动轴安装于测试台架上，该测试台架上具有加载电机和固定座，该测试台架上具有加载电机、固定座、转矩传感器以及角度编码器；通过角度编码器测量扭转角，结合转矩，可以检查传动轴在标定过程中是否处于正常的弹性变形范围内；其中，加载电机的电机轴经转矩传感器后通过第一连接轴与待测传动轴的一端相连，待测传动轴的一端通过第二连接轴与固定座固定连接，所述角度编码器套设在第一连接轴上。

2)在传动轴上安装应变计无线测量系统，用于将传动轴的变形量通过应变桥测量后转换为电压信号，并通过无线方式为输出。

3)通过工控机控制加载电机逐级对传动轴施加转矩，通过转矩传感器和角度编码器测量所施加的转矩值以及传动轴的扭转角度,通过应变计无线测量系统输出对应的电压值。

4)建立传动轴转矩标定模型，解算得到标定系数：

M＝kU+b；

式中：M为加载转矩，k和b为标定系数，U为应变计无线测量系统输出的电压值；

工控机控制加载电机对待测传动轴施加转矩，将施加的转矩分为n级，则加载和卸载均可以得到n个测量点；

设M_i(i＝1,2,……n)为加载过程中各级的转矩值，θ_i(i＝1,2,……n)为加载过程中各级的扭转角度，U_i(i＝1,2,……n)为各级加载过程中应变计无线测量系统测得的电压值，则在标定范围内待测传动轴的传递转矩，即加载转矩与待测传动轴输出应变的关系为：M＝a₁U+a₀，其中，a₀，a₁为常数，即加载过程的标定系数；为获取精确的标定系数，采用最小二乘法，计算方差

$e_i^2={\[M_i-(a_0+a_{1}U)\]}^2$

将方差求和：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{e}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[M_i-(a_0+a_{1}U)\]}^2---\left(1\right)$

为使方差和S最小，则令式(1)分别对a₀和a₁求偏导数等于0有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂S}{\∂a_0}=0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}-2\[M_i-(a_0+a_1{U}_i)\]\\ \frac{\∂S}{\∂a_1}=0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}-2U_i\[M_i-(a_0+a_1{U}_i)\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

从而得到加载过程中待测传动轴的标定系数a_o和a₁值：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\underset{n=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i-a_1\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i\\ a_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i{U}_i-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i}{n}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i\right)}^2}{n}}\end{array}\right.$

同理，得到卸载过程中待测传动轴的标定系数a'₀和a₁'值：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0^{\′}=\underset{n=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}-a_1^{\′}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}\\ a_1^{\′}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}{U}_i^{\′}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}}{n}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′2}-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}\right)}^2}{n}}\end{array}\right.;$

通常，传动轴在使用过程中加载过程占了80％(左右)，卸载过程占了20％(左右)，即：车辆在驾驶过程中，加载过程占了80％(左右)，制动过程占了20％(左右)；因此通过加权得到待测传动轴的最终标定系数b和k,即：

$\left\{\begin{array}{c}b=0.8a_0+0.2a_0^{\′}\\ k=0.8a_1+0.2a_1^{\′}\end{array}\right..$

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种传动轴转矩标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将待测传动轴安装于测试台架上，该测试台架上具有加载电机、固定座、转矩传感器以及角度编码器；

2)在传动轴上安装应变计无线测量系统，用于将传动轴的变形量通过应变桥测量后转换为电压信号，并通过无线方式为输出；

3)通过控制加载电机逐级对传动轴施加转矩，通过转矩传感器和角度编码器测量所施加的转矩值以及传动轴的扭转角度,通过应变计无线测量系统输出对应的电压值；

4)建立传动轴转矩标定模型：

控制加载电机对待测传动轴施加转矩，将施加的转矩分为n级，则加载和卸载均可以得到n个测量点；

设M_i(i＝1,2,……n)为加载过程中各级的转矩值，θ_i(i＝1,2,……n)为加载过程中各级的扭转角度，U_i(i＝1,2,……n)为各级加载过程中应变计无线测量系统测得的电压值，则在标定范围内待测传动轴的传递转矩，即加载转矩与待测传动轴输出应变的关系为：M＝a₁U+a₀，其中，a₀，a₁为常数，即加载过程的标定系数；为获取精确的标定系数，采用最小二乘法，计算方差

$e_i^2={\[M_i-(a_0+a_{1}U)\]}^2$

将方差求和：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{e}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[M_i-(a_0+a_{1}U)\]}^2---\left(1\right)$

为使方差和S最小，则令式(1)分别对a₀和a₁求偏导数等于0有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂S}{\∂a_0}=0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}-2\[M_i-(a_0+a_1{U}_i)\]\\ \frac{\∂S}{\∂a_1}=0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}-2U_i\[M_i-(a_0+a_1{U}_i)\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

从而得到加载过程中待测传动轴的标定系数a_o和a₁值：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\underset{n=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i-a_1\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i\\ a_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i{U}_i-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i}{n}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^2-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i\right)}^2}{n}}\end{array}\right.$

同理，得到卸载过程中待测传动轴的标定系数a'₀和a₁'值：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0^{\′}=\underset{n=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}-a_1^{\′}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}\\ a_1^{\′}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}{U}_i^{\′}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i^{\′}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}}{n}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′2}-\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_i^{\′}\right)}^2}{n}}\end{array}\right.;$

通常，传动轴在使用过程中加载过程占了80％，卸载过程占了20％，因此通过加权得到待测传动轴的最终标定系数b和k,即：

$\left\{\begin{array}{c}b=0.8a_0+0.2a_0^{\′}\\ k=0.8a_1+0.2a_1^{\′}\end{array}\right..$