CN116005083A

CN116005083A - 一种用于扭矩轴的非晶材料、扭矩轴及扭矩传感器

Info

Publication number: CN116005083A
Application number: CN202310292134.4A
Authority: CN
Inventors: 徐承义; 雷卫武; 唐彪; 徐建; 周纯
Original assignee: Songnuomeng Technology Co ltd
Current assignee: Songnuomeng Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-23
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2043-03-23
Also published as: CN116005083B

Abstract

本发明公开了一种用于扭矩轴的非晶材料、扭矩轴及扭矩传感器，涉及非晶材料技术领域；该非晶材料包括以下重量分数的元素：Zr 40%~60%、Cu 5%~30%、Ni 5%~10%、Ti 0%~15%、Al 0%~15%、Hf 0%~20%、Be 0%~25%和Si 0%~5%。本发明采用一种非晶材料制造扭矩轴，它的弹性模量只有常规弹性钢的40%，灵敏度将提高4倍以上。另外，它具有高的机械强度，是常规弹性钢的2倍以上，因此在制造同等量程扭矩产品时，体积可减小50%，重量减轻、加工难度降低。

Description

一种用于扭矩轴的非晶材料、扭矩轴及扭矩传感器

技术领域

本发明属于非晶材料技术领域，具体是一种用于扭矩轴的非晶材料、扭矩轴及扭矩传感器。

背景技术

目前国内外扭矩传感器领域，其扭矩轴是一种金属材料，如17-4PH、630S、40CrNiMoA、SUS316、SUS630等，这些金属材料制造的扭矩轴，材质弹性模量大，弹性应变小，灵敏度低。另外由于材料强度低，制造大量程扭矩产品时，需要使用大体积轴，重量大、加工难度高。这种方式制造的扭矩传感器（体积大、重量重）不利于在航空航天装备上使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于扭矩轴的非晶材料，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

本发明还提供了一种扭矩轴。

本发明还提供了一种扭矩传感器。

具体如下，本发明第一方面提供了一种用于扭矩轴的非晶材料，包括以下重量分数的元素：

Zr 40%~60%、Cu 5%~30%、Ni 5%~10%、Ti 0%~15%、Al 0%~15%、Hf 0%~20%、Be 0%~25%和Si 0%~5%。

根据本发明非晶材料技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：

本发明采用一种非晶材料制造扭矩轴，它的弹性模量只有常规弹性钢的40%，灵敏度将提高4倍以上。另外，它具有高的机械强度，是常规弹性钢的2倍以上，因此在制造同等量程扭矩产品时，体积可减小50%，重量减轻、加工难度降低。

根据本发明的一些实施方式，所述非晶材料为ZrCuNiTiHfSi非晶合金。

根据本发明的一些实施方式，所述非晶材料为ZrCuNiAl非晶合金。

根据本发明的一些实施方式，所述非晶材料为ZrCuNiTiAl非晶合金。

根据本发明的一些实施方式，所述非晶材料为ZrCuNiTiBe非晶合金。

根据本发明的一些实施方式，所述非晶材料包括以下重量分数的元素：

Zr 40%~60%、Cu 5%~30%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%、Al 10%~15%、Hf 10%~15%、Be 5%~10%和Si 3%~5%。

Zr 40%~45%、Cu 5%~10%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%、Al 10%~15%、Hf 10%~15%、Be 5%~10%和Si 3%~5%。

Zr 40%~60%、Cu 5%~10%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%、Hf 15%~20%和Si 2%~5%。

Zr 50%~60%、Cu 25%~30%、Ni 5%~10%和Al 10%~15%。

根据本发明的一些实施方式，所述非晶材料，包括以下重量分数的元素：

Zr 40%~50%、Cu 10%~15%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%和Be 20%~25%。

Zr 45%~50%、Cu 5%~10%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%、Hf 15%~20%和Si 2%~5%。

Zr 48%、Cu 7%、Ni 10%、Ti 12%、Hf 18%和Si 5%。

Zr 50%~60%、Cu 25%~30%、Ni 5%~10%和Al 10%~15%。

Zr 56%、Cu 26%、Ni 7%和Al 11%。

Zr 40%~45%、Cu 10%~15%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%和Be 20%~25%。

Zr 41.2%、Cu 14.5%、Ni 10%、Ti 13.8%和Be 20.5%。

本发明第二方面提供了一种扭矩轴，制备原料包括所述的非晶材料。

本发明第三方面提供了上述扭矩传感器，包括扭矩轴，所述扭矩轴的四面均设置有两组应变电阻；

两组所述应变电阻的夹角为40°~50°；

两组所述应变电阻串联设置。

根据本发明的一些实施方式，两组所述应变电阻的夹角为45°。

根据本发明的一些实施方式，所述传感器设置有八个应变电阻。

根据本发明的一些实施方式，所述传感器由R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41和R42组成。

根据本发明的一些实施方式，R11和R12设置在同一面。

根据本发明的一些实施方式，R21和R22设置在同一面。

根据本发明的一些实施方式，R31和R32设置在同一面。

根据本发明的一些实施方式，R41和R42设置在同一面。

根据本发明的一些实施方式，R11、R21、R31和R41设置在不同面。

根据本发明的一些实施方式，R12和R41串联，形成第一电阻。

根据本发明的一些实施方式，R22和R31串联，形成第二电阻。

根据本发明的一些实施方式，R21和R32串联，形成第三电阻。

根据本发明的一些实施方式，R11和R42串联，形成第四电阻。

根据本发明的一些实施方式，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻形成惠斯通电桥。

根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻采用原子薄膜沉积工艺制备。

本发明采用原子薄膜沉积工艺，在弹性轴上通过高真空镀膜设备沉积纳米功能薄膜，通过光刻技术形成检测电路。没有应变片树脂和粘贴工艺的胶水，因此本发明扭矩测量精度更高、环境适应性更好。

根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻为纳米薄膜。

根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻为NiCr应变电阻。

根据本发明的一些实施方式，所述NiCr应变电阻包括以下重量分数的元素：

Ni 30%~40%和Cr 60%~70%。

根据本发明的一些实施方式，所述传感器包括扭矩轴；

所述扭矩轴表面设有敏感元件；

所述扭矩轴与轴承相连接；

所述扭矩轴与转子线圈相连接；

所述转子线圈与定子线圈相连接；

所述轴承外侧设有外壳；

所述轴承依次还设有挡板；

所述敏感元件与电路板电连接；

所述电路板与接口相连接，用于传输信号。

本发明的非晶弹性轴具有高灵敏度、高强度、灵敏度高、重量轻、体积小；本发明的传感器中应变电阻为沉积纳米薄膜；纳米薄膜与弹性轴原子融合，不需要树脂和胶粘剂；本发明传感器的动态性能好、迟滞误差、重复性误差小、综合精度高和环境适应能力强；纳米薄膜，附着力好、致密、无针孔，内应力小，耐候性及抗蠕变性好；本发明的应变电阻采用类半导体工艺生产，具有微型化的特点，能自动化生产。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为弹性轴四个面上的应变电阻示意图。

图2为本发明电阻组桥方式。

图3为传统扭矩传感器的应变片粘贴方式。

图4为本发明结构示意图。

图5为动态扭矩传感器电路原理图。

附图标记：

100、轴承；101、外壳；102、转子线圈；103、定子线圈；104、挡板；105、扭矩轴；106、电路板；107、接口；108、敏感元件。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施方式中非晶合金采用铜模吸铸法是制备。

铜模吸铸法将金属液直接浇注或压铸到铜模中使其快速冷却获得大块非晶合金（BMG），浇注方式有压差铸造、真空吸铸和挤压铸造等。

铜模吸铸法的基本原理是：将高纯度的母合金置于设备底部具有一定小孔的坩埚中，铜模置于坩埚下面，铜模的下端始终与真空系统相连。采用电弧加热将母合金熔化。母合金完全熔化后，从石英管上端导入氩气，在压力差的作用下，液态母合金从坩埚注入水冷铜模型腔中，由于强的热流和大的传热系数可以提供很高的冷速，液态母合金在水冷铜模型腔中快速冷却形成非晶。

吸铸法的优点是，液态金属填充好，熔体充型速度快，玻璃形成能力就高，可直接制备较复杂形状的大尺寸非晶合金。采用高频或中频感应加热，合金熔化速度快，电磁搅拌使合金成分更加均匀。通过反复熔炼数次，提高了熔体纯度，消除了非均质形核点，使合金的临界冷却速度将明备。

实施例1

本实施例为一种用于扭矩轴的非晶材料，由以下重量分数的元素组成：

Zr 40%、Cu 8%、Ni 6%、Ti 12%、Al 13%、Hf 11%、Be 6%和Si 4%。

本实施例中的扭矩传感器，如图2所示，包括扭矩轴，扭矩轴的四面均设置有两组应变电阻；

两组应变电阻的夹角为45；

两组应变电阻串联设置。

本实施例中传感器中应变电阻由R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41和R42组成。

如图1所示，R11和R12设置在同一面（见图1中a），R21和R22设置在同一面（见图1中b），R31和R32设置在同一面（见图1中c），R41和R42设置在同一面（见图1中d），R11、R21、R31和R41设置在不同面。

如图2所示，R12和R41串联，形成第一电阻，R22和R31串联，形成第二电阻，R21和R32串联，形成第三电阻，R11和R42串联，形成第四电阻，第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻形成惠斯通电桥。

本实施例中应变电阻采用原子薄膜沉积工艺制备。

本实施例中应变电阻为NiCr应变电阻。

根据本发明的一些实施方式，NiCr应变电阻由以下重量分数的元素组成：Ni 40%和Cr 60%。

如图4所示，本实施例中传感器包括扭矩轴105；

扭矩轴105表面设有敏感元件108；

扭矩轴105与轴承100相连接；

扭矩轴105与转子线圈102相连接；

转子线圈102与定子线圈103相连接；

轴承100外侧设有外壳101；

轴承100还设有挡板104；

敏感元件108与电路板106电连接；

电路板106与接口107相连接，用于传输信号。

本实施例中弹性轴二端固定二个轴承，一起安装于外壳内，用二端的档板固定。弹性轴上绕制有转子线圈，相应位置的外壳内安装有定子线圈，通过线圈产生交变磁场将外部电源向弹性轴的电桥供电。传感器敏感测量电桥输出电信号经电路处理后无线向外壳上电路（图中电路板）发射，电路板中的电路无线接收到发射信号，经处理由接口向外输出，整体电路工作原理图如图5所示。

本发明实施方式中将常规弹性钢扭矩轴改成非金合金钢扭矩轴制作弹性体，非晶合金弹性体弹性模量小、灵敏度高；强度高、体积小、重量轻；

本发明实施方式中使用原子薄膜沉积工艺制造敏感电路，替代传统应变片粘贴工艺（敏感电路与弹性体原子融合），不使用树脂和胶水（受力时不通过胶水和树脂传递），产品受力时不易相对滑动而产生零点漂移、蠕变、迟滞、老化缺陷，测量精度高、稳定性好、温度适应范围宽（传统应变片粘贴式产品-20℃~100℃，本发明-55℃~175℃）；同时抗振动和冲击能力强。

本发明实施方式中弹性轴上四面均制造应变电阻，每个面2个电阻，且成45°角分布；本发明实施例组桥方式的优点是：

1）、灵敏度高2倍，相当于二个电桥串联使用，灵敏度是二个电桥灵敏度之和，更利于小量程产品的开发应用；

2）、抗干扰能力强，可以互相补偿非线性误差和蠕变误差，抵消各种外界噪声而引入的干扰，提高产品的综合精度和稳定性。

实施例2

Zr 41%、Cu 6%、Ni 7%、Ti 11%、Al 14%、Hf 11%、Be 6%和Si 4%。

本实施例中扭矩轴和扭矩传感器的结构及制备方法参照实施例1中。

实施例3

Zr 40%、Cu 8%、Ni 6%、Ti 12%、Al 13%、Hf 11%、Be 5%和Si 5%。

实施例4

Ti 12%、Zr 48%、Hf 18%、Cu 7%、Ni 10%、和Si 5%。

实施例5

Zr 56%、Al 11%、Ni 7%和Cu 26%。

实施例6

Zr 41.2%、Ti 13.8%、Cu 14.5%、Ni 10%和Be 20.5%。

对比例1

本对比例中扭矩轴的制备原料为SUS316。

对比例2

本对比例中扭矩轴的制备原料为SUS630。

本发明实施例1~6和对比例1~2中制得的扭矩轴中机械性能（抗拉强度和弹性模量）测试结果和传感器性能（灵敏度）测试结果见表1。

表1 本发明实施例1~6和对比例1~2中制得的扭矩轴性能和传感器的性能测试结果

本发明实施例4中Ti12Zr48Hf18Cu7Ni10Si5非晶合金，外径16mm，长度200mm，用来制作扭矩传感器，其灵敏度是SUS316材料的28.5倍；本发明实施例5中Zr56Al11Ni7Cu26为非晶合金，直径大于30 mm，抗拉强度大于2570 MPa；用它来制作传感器弹性体，其灵敏度是SUS630材料的3.8倍；本发明实施例6中Zr41.2Ti13.8Cu14.5Ni10Be20.5非晶合金，用来制作传感器，其灵敏度是SUS630材料的5.3倍。

综上，本发明采用一种非晶材料制造扭矩轴，它的弹性模量只有常规弹性钢的40%，灵敏度将提高4倍以上。另外，它具有高的机械强度，是常规弹性钢的2倍以上，因此在制造同等量程扭矩产品时，体积可减小50%，重量减轻、加工难度降低。本发明的非晶弹性轴具有高灵敏度、高强度、灵敏度高、重量轻、体积小；本发明的传感器中应变电阻为沉积纳米薄膜；纳米薄膜与弹性轴原子融合，不需要树脂和胶粘剂；本发明传感器的动态性能好、迟滞误差、重复性误差小、综合精度高和环境适应能力强；纳米薄膜，附着力好、致密、无针孔，内应力小，耐候性及抗蠕变性好；本发明的应变电阻采用类半导体工艺生产，具有微型化的特点，能自动化生产。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于扭矩轴的非晶材料，其特征在于，包括以下重量分数的元素：

2.根据权利要求1所述的用于扭矩轴的非晶材料，其特征在于，所述非晶材料包括以下重量分数的元素：

Zr 45%~50%、Cu 5%~10%、Ni 5%~10%、Ti 10%~15%、Al 10%~15%、Hf 10%~15%、Be 5%~10%和Si 3%~5%。

3.一种扭矩轴，其特征在于，制备原料包括如权利要求1至2任一项所述的非晶材料。

4.一种扭矩传感器，其特征在于，包括如权利要求3所述的扭矩轴，所述扭矩轴的四面均设置有两组应变电阻；

两组所述应变电阻的夹角为40°~50°；

两组所述应变电阻串联设置。

5.根据权利要求4所述的扭矩传感器，其特征在于，所述应变电阻为NiCr应变电阻。

6.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，所述NiCr应变电阻包括以下重量分数的元素：

Ni 30%~40%和Cr 60%~70%。