CN111537122A - 一种扭矩检测传感器检测轴以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩检测传感器检测轴以及制备方法，其通过将覆层直接焊接在扭矩传递轴表面，并在覆层上形成有若干斜纹。本发明提供的扭矩传感器检测轴方案通过焊接结构将覆层直接固定在扭矩传递轴上，整体为机械结构，靠性高，能耐受各种应力冲击，适用于各种恶劣复杂的应用环境。同时本扭矩传感器检测轴方案制作简易，成本低廉，实用性强。

Description

一种扭矩检测传感器检测轴以及制备方法

技术领域

本发明涉及传感技术，具体涉及扭矩检测传感技术。

背景技术

扭矩检测传感器广泛应用于汽车、动力机械、电机、机床设备等，现有扭矩检测传感技术中，感应元件主要有扭矩传递轴上贴附应变片和在轴表面磁控溅镀高性能磁致材料两种。

贴附应变片的方案一般用胶水贴附，成本较低，但是对胶水和贴附工艺都要求非常高，而且产品一致性很差，产品需要逐渐校准。而且，胶水的物理性能和金属轴相差大，胶水能承受的剪切应力有限，无法在高力下工作，可靠性差。除此之外，应变片无法实现非接触感应，应用于旋转轴检测时，需包含无线充电和无线信号传输，结构复杂，体积庞大，价格高，整体实用性非常的差。

磁控溅镀的设计方案较好的解决了表层和扭转传递轴间结合力的问题，而且可以实现非接触感应，但是该设计方案镀层极薄，为保持感应信号强度，必须使用稀土等高性能材料，稀土材料的磁控溅镀工艺都价格昂贵，成本昂高。

由此可见，提供一种适用于各种复杂检测环境，经济且性能稳定可靠的扭矩传感器检测轴方案是本领域亟需解决的问题。

发明内容

针对现有扭矩检测传感技术所存在的问题，需要一种经济、易制作且性能稳定可靠的扭矩检测传感方案。

为此，本发明的目的在于提供一种扭矩检测传感器检测轴，其结构紧凑简单，易制作，可靠性高，可实现非接触感应，可适用于各种复杂检测环境；针对该扭矩检测传感器检测轴，本发明还提供一种制备方法，以实现该扭矩传感器检测轴经济高效地加工制作。

为了达到上述目的，本发明提供的扭矩检测传感器检测轴，包括扭矩传递轴和焊接在扭矩传递轴表面的感应覆层，所述感应覆层上形成有若干斜纹。

进一步的，所述扭矩传递轴由导电金属或合金材料制成。

进一步的，所述感应覆层由具有磁致效应的导电的金属或合金材料构成。

进一步的，所述感应覆层材料以电磁脉冲焊接方式直接焊接在扭矩传递轴上。

进一步的，所述的感应覆层在焊接前的初始状态为厚度为0.1mm～3mm的管材状。

进一步的，所述的感应覆层上的若干斜纹呈两组对称分布，每组斜纹分别绕感应覆层周向分布，每组斜纹中的斜纹与扭矩传递轴轴向成30°～60°且两组中相对的斜纹方向相反。

进一步的，所述的每组斜纹中斜纹的宽度和相邻斜纹之间的间距均为0.2mm～5mm。

进一步的，所述的斜纹的长度不短于4mm。

进一步的，所述的斜纹的深度为0.1mm～2mm。

为了达到上述目的，本发明提供的扭矩传感器检测轴的制备方法，将感应覆层直接焊接在扭矩传递轴表面，并在感应覆层上形成有若干斜纹。

进一步的，所述制备方法以电磁脉冲焊接方式将感应覆层直接焊接在扭矩传递轴上。

进一步的，所述制备方法包括：

将扭矩传递轴和待焊接感应覆层安放于螺线管中，并使扭矩传递轴与待焊接感应覆层的轴线方向和螺线管轴线方向一致；

固定扭矩传递轴位置并调整感应覆层位置使其与扭矩传递轴径向方向间隙一致；

向螺线管内通以超高压电磁脉冲，完成感应覆层和扭矩传递轴之间的焊接；

在焊接在扭矩传递轴上的感应覆层表面形成若干斜纹。

进一步的，所述的感应覆层在焊接前与扭矩传递轴间留有0.2mm～3mm间隙。

本发明提供的扭矩传感器检测轴方案通过焊接结构将感应覆层直接固定在扭矩传递轴上，整体为机械结构，靠性高，能耐受各种应力冲击，适用于各种恶劣复杂的应用环境。同时本扭矩传感器检测轴方案制作简易，成本低廉，实用性强。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本实例中提供的扭矩检测轴设计方案示意图；

图2为本实例中提供的扭矩检测轴主体剖视图；

图3为本实例中提供的扭矩传感器检测轴焊接前零件状态示意图；

图4为本实例中电磁脉冲焊接时零件和螺线管状态示意图；

图5为本实例中覆层材料斜纹示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明方案为规避现有应变片和稀土材料磁控溅镀的各种弊端，创新地将选用具有磁致效应管状合金材料作为感应覆层材料，并以电磁脉冲焊接的方式将覆层材料牢固地焊接在扭矩传递轴上，在扭矩传递轴外表面上形成感应覆层，再以物理或化学方式在覆层材料上加工出若干斜纹，由此扭矩传递轴受扭力作用时，由于斜纹的分割，轴表面根据扭矩方向不同，覆层材料根据扭矩不同而表现出不同的磁性能状态，通过对覆层材料磁性能状态的检测即可实现扭矩的非接触感应。

特别是，本发明创新地使用电磁脉冲方式焊接金属合金覆层材料，完美实现了大厚度覆层材料与扭矩传递轴的紧密可靠结合，从而实现了以低性能材料实现高感度，降低了材料、工艺要求和成本。

为此，本发明方案通过金属材质的扭矩传递轴和焊接在其上的覆层材料构成相应的扭矩检测轴。

其中，扭矩传递轴优选由导电金属或合金材料构成；而覆层材料优选用具有磁致效应的导电的合金管材制成，利用轴和覆层材料的良好导电性，易于产生较大感应涡流，从而方便焊接制作。

如此，本发明方案在制备扭矩检测轴时，将扭矩传递轴和覆层材料管放置于螺线管中，并使合金管(即覆层材料管)套在扭矩传递轴外；

接着，向螺线管中通以超高压电磁脉冲，随着螺线管中电流变化，覆层材料管内感应出涡电流，该涡电流在螺线管内磁场的作用下使合金管(即覆层材料管)受均匀的、指向轴心方向的洛伦兹力的挤压；在洛伦兹力达到足够大时，覆层材料管被压溃并高速向轴心收缩，与传递轴表面剧烈碰撞而实现材料的紧密焊接。

进一步的，焊接后，在焊接在扭矩检测轴上的覆层表面蚀刻若干斜纹，由此可使制备而成的扭矩检测轴的导磁率随扭矩大小而规律变化，从而可通过检测轴导磁率变化即可实现对扭矩的检测。

由上可知，本方案通过材料、形状、加工方式的配合，巧妙地利用电磁脉冲实现表层材料和轴的焊接；尤其是，使用该方法可焊接材料的厚度可达毫米级，在该厚度下，即使普通性能的磁致材料也有明显的感度表现；在此基础上，本方案根据磁致材料在特殊形状下受扭矩作用时物性发生变化的特点，将不易检测的扭矩转化为可非接触检测的导磁率变化，从而实现扭矩的检测。

针对上述方案，以下通过具体实例进一步说明本方案的实现过程。

参见图1和图2，其所示为基于上述原理形成的一种扭矩检测轴的组成示例图。

由图可知，该扭矩检测轴主要包括扭矩传递轴100和固定套设在扭矩传递轴100上的覆层200这两部分。

其中，扭矩传递轴100为力学结构件，其材质为碳素结构钢，也可以是其他合金钢。

覆层200为感应元件，其材质为具有磁致效应的金属或合金。作为举例，可以是铁镍合金，也可以是非晶合金或其他具有磁致效应的金属和合金，如此巧妙地解决了信号强度和应力疲劳的问题。

本实例中的覆层200以初始状态为管材状结构焊接在扭矩传递轴100上。

如图3所示，本实例中的扭矩传递轴100与覆层200焊接形式扭矩检测轴时，在初始状态，覆层材料200(即管材状材料)内径大于扭矩传递轴100，将覆层材料200整体同轴套设在扭矩传递轴100焊接部位上后，使得两者间留有一定间隙。

对于该间隙优选为扭矩传递轴100的轴径的1％～15％，同时不小于0.3mm。本实例在装配焊接时预留如此大小的间隙，一方面，通过该间隙方便焊接时覆层材料200与扭矩传递轴100的装配，即使轴上有一些大于焊接部位尺寸的结构也可以轻松装入，轴设计时更具灵活性；同时，焊接时为覆层材料200预留了一定的运动空间，使覆层材料200加速以后冲击扭矩传递轴100；另一方面，过大间隙将导致焊接表面起皱，产品精度下降。

与此同时，本实例中的覆层材料200的厚度优选为0.1mm～2mm。覆层200若过薄，感应层材料偏薄，维持同等感度需要使用高性能的材料，成本增加；覆层材料200若过厚，管件的强度大，所需焊接电流增大，增加工艺难度。

进一步如图4所示，在覆层材料200与扭矩传递轴100同轴装配后，将扭矩传递轴100和套设在其外部的覆层材料200整体放入螺线管300内，并使扭矩传递轴100与覆层材料200的轴线方向与螺线管的轴线方向一致以使螺线管脉冲电流的利用效率最大化，同时固定扭矩传递轴100，并调整覆层材料200的位置，使其与扭矩传递轴100之间的径向间隙均匀。

在完成上述装配工作后，将螺线管300导通超高压(比如数万伏)脉冲电流，螺线管电流急剧上升，致使螺线管内磁场强度和磁通量也急剧上升，使覆层材料200感应出数万安培或更高的涡电流，且其电流方向与螺线管300内电流方向相反。根据左手定则，此时覆层材料200所受的安培力指向轴心方向。瞬间产生的巨大涡电流使覆层材料200温度上升，同时巨大的冲击力使覆层材料压溃收缩并以超高速度冲击扭矩传递轴100，在瞬间高压和高温下，覆层材料200与扭矩传递轴100表面发生材料融合从而实现牢固焊接。

如图5所示，覆层材料200焊接固定在扭矩传递轴100上后，在扭矩传递轴100表面形成相应的磁感应覆层，本实例进一步在覆层上蚀刻若干的斜纹槽。

这里的蚀刻方式既可以用机械加工方式(如CNC加工)，也可以使用化学蚀刻(如化学腐蚀)，或者选用电化腐蚀(如放电)等不同加工方式，这些加工工艺都常见加工工艺，在此不做赘述。

具体的，本实例覆层上的若干的斜纹槽呈两组分布：第一斜纹组201和第二斜纹组201。

第一斜纹组201和第二斜纹组201分别包括若干斜纹槽。第一斜纹组201中的若干斜纹槽和第二斜纹组201中的若干斜纹槽分别沿覆层周向分布。

进一步的，第一斜纹组201中若干斜纹槽之间沿覆层周向等距分布，第二斜纹组201中若干斜纹槽之间也沿覆层周向等距分布，同时第一斜纹组201中若干斜纹槽与第二斜纹组201上的若干斜纹槽之间依次一一对称分布，即第一斜纹组201上的斜纹槽的延伸方向与第二斜纹组201上对应的斜纹槽的延伸方向均与扭矩传递轴100轴线成相同夹角且方向相反；由此传递轴受扭力作用时，覆层材料两段斜纹上磁性能变化量相同而方向相反，可有效提高感应检测精度。

作为优选，本实例中两斜纹组201和202中的斜纹槽的宽度均匀，间距，深度相等。测试表明，两斜纹组201和202中的斜纹槽的延伸方向与扭矩传递轴(1)的夹角优选为30°～60°；同时，斜纹槽的宽度以及相邻斜纹槽之间的间距均优选为0.2mm～5mm，斜纹槽的深度优选为0.1mm～2mm时可较好地实现设计目的。为方便后期检测，而斜纹槽的长度优选为4mm以上。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.扭矩检测传感器检测轴，其特征在于，包括扭矩传递轴和焊接在扭矩传递轴表面的感应覆层，所述感应覆层上形成有若干斜纹。

2.根据权利要求1所述的扭矩检测传感器检测轴，其特征在于，所述的扭矩传递轴由导电金属或合金材料制成。

3.根据权利要求1所述的扭矩检测传感器检测轴，其特征在于，所述的感应覆层由具有磁致效应的导电的金属或合金材料构成。

4.根据权利要求1所述的扭矩检测传感器检测轴，其特征在于，所述的感应覆层以电磁脉冲焊接方式直接焊接在扭矩传递轴上。

5.根据权利要求1所述的扭矩检测传感器检测轴，其特征在于，所述的感应覆层在焊接前的初始状态为管材状。

6.根据权利要求1所述的扭矩检测传感器检测轴，其特征在于，所述的感应覆层上的若干斜纹呈两组对称分布，每组斜纹分别绕覆层周向分布，每组斜纹中的斜纹与扭矩传递轴轴向成30°～60°且两组中相对的斜纹方向相反。

7.扭矩传感器检测轴的制备方法，其特征在于，感应覆层直接焊接在扭矩传递轴表面，并在覆层上形成有若干斜纹。

8.根据权利要求7所述的扭矩传感器检测轴的制备方法，其特征在于，所述制备方法以电磁脉冲焊接方式将感应覆层直接焊接在扭矩传递轴上。

9.根据权利要求8所述的扭矩传感器检测轴的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

将扭矩传递轴和待焊接感应覆层安放于螺线管中，并使扭矩传递轴与待焊接覆层的轴线方向和螺线管轴线方向一致；

固定扭矩传递轴位置并调整感应覆层位置使其与扭矩传递轴径向方向间隙一致；

向螺线管内通以超高压电磁脉冲，完成感应覆层和扭矩传递轴之间的焊接；

在焊接在扭矩传递轴上的感应覆层表面形成若干斜纹。

10.根据权利要求9所述的扭矩传感器检测轴的制备方法，其特征在于，所述的感应覆层在焊接前与扭矩传递轴间留有0.2mm～3mm间隙。

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