CN1178320A - 用于测量扭矩的装置 - Google Patents

Abstract

一种用以测量机器(1)的轴(3)的扭矩的装置,该装置包括一个连接在基座上的第一固定部件(9)。这部件配置有轴承装置(8),轴承装置内安装有第二固定部件(2)因而它可以绕着枢轴心(10)作枢转。机器安置在第二固定部件上。轴承装置这样设计,使得枢轴心(10)基本上与轴心(4)是同轴心的。插入在第一和第二固定装置之间的是一个承载部件(13),该部件配置有测量元件(14)并限制枢转。作用在承载部件上的力或扭矩可以用测量元件(14)来测量。

Description

用于测量扭矩的装置

本发明涉及一种如权利要求1前序部分提出的用以测量通过一根轴的扭矩输入或输出的装置，即一种用以测量通过机器或设备的特别是一种设置在一个固定基座上和通过固定装置固定使其不能活动的发动机或机器的一根轴(3)的扭矩输入或输出的装置。

通过一根轴传递的扭矩是可传送力的一个直接表示，而当轴的角速度为已知时，所传输的动力也就知道了。通过测量这扭矩和角速度，例如在电动机和齿轮电动机的情况下，所递送的机械动力就能够精确地和连续地予以确定，而与电效率、相位移和由于摩擦的损失无关。

一种已知的测量扭矩的可能方法，例如，在于将一根扭矩杆插入到扭矩从中传递的轴中。这个扭矩杆上配置有适当放置的电阻应变仪，其输出电压差别，经在一个桥路中计值和放大后，给出一个对应变的比例值，因而可揭示出扭矩。电阻应变仪只提供非常弱的信号，这些信号必须送至一个计值装置。这种传送例如通过滑环或者由无线电装置来完成，也有可能通过在轴上共同转动的适当的电子器件来将信号放大。这被传送的信号于是在一个适当的装置中计值。经由滑环或无线电的信号传送要求昂贵的装置，它不可能完全排除干扰。

另一种用以测量扭矩的已知装置，由此避免了从一个旋转轴至一个静止装置的信号传递，还是包括一根其上设置有两个相互间隔开一定距离的齿环的扭矩杆。这两个齿环各配合一个同心设置的定子，其上配置有传感器，可以通过感应记录下从旁经过的齿的脉冲。当扭矩杆由于所要传递的扭矩而转动时，一个环的脉冲相对于另一个环的脉冲将经历一个与杆的应变成比例的相移。这相移可以予以计值作为对扭矩的测量。由于扭矩杆不可能随意的长，并由于它必须制成得具有相当的刚度，因此所要测量的相移非常小。结果是非常高的要求落在测量电子器件上，因而这些电子器件必然具有昂贵的设计构造。这种装置的另一缺点是当轴处于静止不动时，就不能测量扭矩。

因此本发明的目的就是提出一种这样设计的装置使通过一根轴传递的扭矩的测量可以简单地和以最低成本进行，而前述的缺点可以避免。

根据本发明，这一目的可以通过权利要求1的特征部分中所示特征来达成，而本发明的特征在于该固定装置包括至少一个第一固定部件，该第一固定部件基本上牢固地连接在基座上并且配置有轴承装置，在这轴承装置上至少装有一个第二固定部件，该机器或设备就放置在这第二固定部件上，该轴承装置是设计成这样的，即至少一个的第二固定部件绕着一根枢轴心相对于至少一个的第一固定部件作枢转，该枢轴心基本上与轴绕其转动的轴心为同轴心，还在于插在至少一个的第一固定部件和至少一个的第二固定部件之间的是一个承载部件，该承载部件设置有测量元件并且限制枢转。

使用这个装置并不是直接测量在轴上具有作用的扭矩，而是测量与所述扭矩有相反作用的同样大的反作用扭矩，反作用扭矩通过相应的机器部件作用在一个空间固定的基座上。测量元件因此就可以同样地容纳在这固定基座内，因而信号的传送就能无问题地进行。

因为其上安置有带轴的机器或设备的第二固定部件能绕着一根枢轴心作枢转，而该枢轴心与该轴绕其转动的轴心基本上是同轴心的，所以作用在该轴上的其它外力，例如皮带传动力或链传动力等等并不干扰所测量的反作用扭矩。因此不需要在测量装置上采取任何其它措施来保证不受这种附加力的任何影响。这可以简化测量装置的构造。

本发明装置的优点在于当轴处于静止的时候也可以测量通过轴的扭矩输入或输出。

两个固定部件最好是各自设计成基本上是板形的并且一个置于另一个之上。因此这两个固定部件可以简单地设置在一个相应的装备内。也有可能根据此改装一个已经存在的装备，因为这个装置可以无问题地插入在机器部件和，例如，基座之间。

因此，可以使枢轴心与轴绕其转动的轴心同轴心，中间元件最好插在机器或设备和第二固定部件之间。此外，这些中间元件能够，例如，以已知的方法使其高度可以得到调节。因此就不需要为每一种用途设立一个专门的装置，而是该装置可以具有某种尺寸上的分级。

本发明的一个优选实施例在于用以支承相对于第一固定部件的第二固定部件的轴承装置各设置在这两个固定部件的端头区域内。这个装置因此具有一块板的形状，可以容易地例如插入在机器或设备和基座之间。以这种方式可以完全避免耦合在机器或设备的轴上的机器元件的任何空间阻碍。轴承装置可以在两个固定部件中之一上设置有导槽形式的导引件，紧固在两个固定部件中的另一个上的其配对物可以导入其中。导槽最好这样形成使得绕着瞬时枢轴心形成的枢转至少接近于与轴绕其转动的轴心同轴心。

为了使轴承装置的结构简单化，两个支撑杆在每种情况都可以用来代替导槽。它们的一端耦合在第一固定部件的端头区域上而它们的另一端耦合在第二固定部件的端头区域上。每个支撑杆的耦合点各位于一条直线上，该直线在固定部件处于不枢转状态时，基本上穿过轴绕其转动的轴心。特别是，对于导引件的这种设计形式，在一个固定部件相对于另一个固定部件的非常小的枢转运动情况下，瞬时枢轴心不会离开轴绕其转动的轴心过分的远，其它外力对所测量的数值的干扰小到足以忽略不计。

为了获得尽可能精确的测量结果，并防止轴承装置除了那些径向地指向该轴的力外再必须吸收其它的力，设置了另外的导引装置，这些导引装置可吸收相对于该轴基本上在纵向上起作用的侧向力。

本发明另一个优选的实施例在于其承载部件是一个抗弯梁形式的可弹性变形的元件。这个梁以可以卸下和更换的方式以其一端紧固在两个固定部件中之一个上；另外的一端则突出在紧固在两个固定部件中之另一个上的两个挡块之间。通过这样的安排，就可以使用一个具有适合于所预期扭矩的抗弯强度的抗弯梁。这样，使用带有不同抗弯梁的同一装置就可以以最佳的方式测量出不同强度的扭矩。

承载部件也可以有一个外壳，其中装有压电晶体形式的测量元件。这里的变形据知悉是很小的，由此所得的优点是固定部件的相互枢转也同样非常小。

当然，其它的测量力或扭矩的测量元件也可以使用，例如那些基于感应测量技术的元件。

本发明的其它优选实施例从其它的从属权利要求中可以得知。

下面将对本发明装置的实施例参照附图以举例的方式作较详细的描述，附图中：

图1示意地显示出本发明装置的主要构造；

图2显示出以一个抗弯梁形式出现的配置有测量元件的承载部件；

图3显示出介于第一和第二固定部件之间的轴承装置的第一实施例以及测量元件布置的第一实施例，部分以截面示出；

图4是介于第一和第二固定部件之间的轴承装置第二实施例的截面图；

图5是图4中装置的顶视平面图，部分以截面示出；

图6是图4和5中实施例的前视图，部分以截面示出；

图7显示出另一个介于第一和第二固定部件之间的轴承装置实施例；和

图8是图7中实施例的前视图，部分以截面示出。

在图1中系统地示出的本发明装置的第一实施例中，机器或设备1(在图中是以一个电动机示出)是安装在一个第二固定部件2上。机器或设备1具有一根绕着轴心4转动的轴3。轴3被驱动。一些另外的单元(未显示)可以借助一条皮带5被传动。

基本上是板形的第二固定部件2在两侧的每一端各设置一个托架6。固定在每个托架端6上的是一个轴颈7，轴颈放置在第一固定部件9的轴承装置8上，这里仅示意地示出。这样，通过轴颈7，第二固定部件2可枢转地绕着一根枢轴线10设置，枢轴线10与轴心线4同轴地对齐。

作用在轴3上的扭矩形成作用在第二固定部件2上的反作用扭矩。所述反作用扭矩的大小相当于作用在轴3上扭矩的大小，但是旋转方向相反。第二固定部件2被防止绕着枢轴线10转动，下文中将予叙述。

例如通过皮带5引起的张力被吸收在轴承装置8中，并且因为轴心4和枢轴心10是同轴的，这些力对反作用扭矩不起作用。

固定在第二固定部件2上的是两个挡块11和12，两者之间突出有一个承载部件13，如图2中也能特别看清楚。这承载部件13被设计成抗弯梁37。这抗弯梁37固定在第一固定部件9上。

通过作用在第二固定部件2上的反作用扭矩，这个抗弯梁37会经由挡块11和12而折弯。以电阻应变仪14形式出现的测量元件紧固在这抗弯梁37上。这些电阻应变仪14通过连接线15连接在一个控制装置16上。

抗弯梁37的弯曲可以以已知的方法通过这些电阻应变仪而予以确定，该电阻应变仪给出作用在其上的力的信息，通过这信息并考虑抗弯梁37离枢轴心10的间距R，扭矩就能以寻常已知的方法在控制装置16中计算和显示出来。

利用传感器17形式的另外的测量装置就能测量出轴3的角速度，所述传感器17同样通过连接线43连接在控制装置16上。以这样的方式，通过相应配置的控制装置16就能确定出功率并且也将其显示出来。

图3中显示出根据图1所示系统的轴承装置8中之一的结构。第一固定部件9牢固地连接在一个基座18上。第一固定部件具有一个支承部件19突出在机器或设备1的轴3区域内。支承部件19上设置有一个通道20供轴3从中穿过。一个轴承21插入在通道20内。可枢转地设置在这轴承21内的是一个套筒22，该套筒固定在第二固定部件2的托架6上。

机器或设备1固定在第二固定部件2上，也有可能在设备和固定部件2之间插入中间元件23。以寻常的方式可以使用不同厚度的这种中间元件，因而机器或设备1可以被调整成这样一种方式，即轴3绕着其转动的轴心4可以与托架6绕着轴承装置8作枢转的枢轴心10同轴心。

在第一固定部件9内设置有一凹槽24，凹槽内容纳有其上带有电阻应变仪14的抗弯梁37。这抗弯梁37固定在第一固定部件9上，并且，如在关于图1和2曾叙述过的，突出在两个挡块11和12之间，挡块安装在第二固定部件2上。

这个区域的设计对于图4至6中和图7和8中所示的发明装置实施例是完全相同的。同样地，凹槽24也是设置在第一固定部件9内。抗弯梁37以其一端25通过可拆卸螺钉26固定在第一固定部件9上。抗弯梁37的另一端27突出在两个挡块11和12之间，挡块安装在第二固定部分2上。拧入两个挡块11和12内的是调节螺钉28，通过该螺钉，相对于抗弯梁37的停止点可以被调整。

连接线15可以穿过一个通孔从第一固定部件9的凹槽24内引出。

本实施例的轴承装置8由一个侧杆30构成，侧杆通过螺钉(未显示)紧固在第二固定部件2的两端上。在这侧杆30中相对于第一固定部件9的端头32处开有一条狭槽形的导槽引。被导引在导槽31中的是辊轴33，辊轴可枢转地安装在第一固定部件9上。

如从图6中可以看到，导槽31被设计成一个圆形，其中心位于枢轴心10上。因此，还是在这个实施例中，第二固定部件2可相对于第一固定部件9绕着枢轴心10作枢转，对扭矩的测量与先前描述的完全相同。

此外，这也是可以设想的，即图6中所示的导槽31的形状不是圆形的，而是由两条放在一起的切向延伸的直线组成。这可以应用在第二固定部件2相对于第一固定部件9有非常小的枢转运动的情况，因为这样从圆形路径的偏斜将是最小的。

通过第二固定部件2相对于第一固定部件9的最好只是非常小的枢转运动，导槽31在枢转方向上长度的大小可以保持非常小，从而使制造简便成本降低。

如果辊轴33只须吸收径向的力，则扭矩测量的精确性将更大。为了达到这一点，在第一固定部件9和第二固定部件2之间还设置有另外的导引装置34。这些另外的导引装置包括两个能枢转地固定在第二固定部件2上的辊轴35，该辊轴与在第一固定部件9上相应设置的导槽36相啮合。这些导槽36主要在枢转方向上延伸。通过这些另外的导引装置34，在机器或设备1的轴3的主要是纵向方向上具有作用的力就可以被吸收了。

当然，导引装置34可以是与本实施例中所指的不同的已知结构。

对这实施例也可以设想在第二固定部件9的一侧设置两个辊轴33，而在其另一侧如果所描述的另外导引装置34存在的话就只需要一个辊轴33。如果辊轴33和导槽31能够被制成得使推力也可以被吸收则另外的导引装置34也可以省免。

图4至6中所示的本发明第二实施例比第一实施例具有的优越性就是机器或设备1的轴3的区域是完全空着的。

还可以设想在装置的一侧设置一个轴承装置，如就图1至3所述，而在装置的另一侧则轴承装置可以设计成如图4至6所示。

如已提及过的，抗弯梁37是可以更换的，使其可以根据预计的扭矩大小来使用不同柔韧度的抗弯梁。

图7和8显示出轴承装置8的另一实施例。这里的导引件36包括两个支撑杆38。每个所述支撑杆38的一端39通过一个插入到第一固定部件9内的螺杆40连接在第一固定部件9上，而其另一端41则通过另一个插入到第二固定部件2内的螺杆42连接在第二固定部件2上。在第二固定部件2相对于第一固定部件9的一个中间未枢转状态中，两个支撑杆38是以这样的方式对齐的，即由每个支撑杆38的螺杆40和42的轴心所形成的连接点位于一条穿过轴3绕其转动的轴心4的一条直线上。在第二固定部件2相对于第一固定部件9的枢转非常小的情况下，从理想的圆形路径的偏斜将非常小。因此瞬时枢转轴心不会偏离轴3绕其旋转的轴心4太远，从而使其它外力对所测量的数值的干扰小至可以忽略不计。在大部分情况下这种测量足够精确。

前述的实施例以及在本发明范围之内但本文中未予描述的实施例都可以广泛适用，并且可以简便地测量出作用在机器或设备上的有效扭矩。

Claims (14)

1.一种用以测量通过机器或设备(1)的特别是一种设置在一个固定基座上和通过固定装置固定使其不能活动的发动机或机器的一根轴(3)的扭矩输入或输出的装置，其特征在于该固定装置包括至少一个第一固定部件(9)，该第一固定部件基本上牢固地连接在基座(18)上并且配置有轴承装置(8)，在这轴承装置上至少装有一个第二固定部件(2)，该机器或设备(1)就放置在这第二固定部件上，该轴承装置(8)是设计成这样的，即至少一个的第二固定部件(2)绕着一根枢轴心(10)相对于至少一个的第一固定部件(9)作枢转，该枢轴心(10)基本上与轴(3)绕其转动的轴心(4)为同轴心，还在于插在至少一个的第一固定部件(9)和至少一个的第二固定部件(2)之间的是一个承载部件(13)，该承载部件设置有测量元件(14)并且限制枢转。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一固定部件(9)和第二固定部件(2)各设计成基本上为板形的并且基本上一个安置在另一个之上，还在于第一固定部件(9)上设置有用于紧固在基座(18)上的装置，而第二固定部件(2)上设置有用于可拆卸地连接在机器或设备(1)上的装置。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一固定部件(9)和第二固定部件(2)各设计成板形并基本上是一个置于另一个之上，还在于第一固定部件(9)设置有用于紧固在基座(18)上的装置，而第二固定部件(2)被设计成为机器或设备(1)上的一个固定构件。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于可插入在机器或设备(1)和放置有机器或设备(1)的第二固定部件(2)之间的是中间元件(23)，通过这个中间元件，轴(3)绕着其转动的轴心(4)和枢轴心(10)可以被校正成同轴心的。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于轴承装置(8)包括至少一个第一支承部件(19)，该第一支承部件固定在第一固定部件(9)上并且突出于轴(3)的区域内并且还具有一条通道(20)备轴(3)从中穿入，还在于插入在该通道(20)内的是一个轴承(21)，在其内一个紧固在第二固定部件(2)上的托架(6)可以绕着枢轴心(10)作枢转。

6.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于轴承装置(8)包括至少一个设置在两个固定部件(2或9)中之一上的导引件，还在于在两个固定部件中之另一个上(9或2)配置有配对物(33)，配对物各引过导引件。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于每个导引件被制成为在一个侧杆(30)上的狭槽形的导槽(31)，侧杆(30)以这样的方式固定在端头部位(32)的第二固定部件(2)上使导槽(31)邻接第一固定部件(9)的端头部位(32)，还在于配对物由辊轴(33)构成，各自能转动地紧固在端头部位的第一固定部件(9)上并且咬合在相关的导槽(31)内。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于每个导引件被制成为两个支撑杆(38)其一端(39)耦合在第一固定部件(9)的端头部位处而其另一端(41)耦合在第二固定部件(2)的端头部位处，还在于在固定部件(2，9)的非枢转位置中每个支撑杆(38)的耦合点各位于一条直线上，该直线基本上穿过轴(3)绕其转动的轴心(4)。

9.如权利要求5至8中任一项所述的装置，其特征在于另外的导引装置(34)设置在第一固定部件(9)和第二固定部件(2)之间以吸收横向的力，该横向力基本上作用在轴(3)绕着其转动的轴心(4)的纵向方向上。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于承载部件(13)被设计成一个可弹性变形的元件，还在于测量元件(14)由多个电阻应变仪组成，应变仪设置在可弹性变形的元件上。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于可弹性变形元件是一个抗弯梁(37)，该抗弯梁以其一端(25)可拆卸地和可更换地紧固在两个固定部件中之一(9或2)上，而另外一端(27)则突出于两个挡块(11，12)之间，该两个挡块安装在两个固定部件中之另一个(2或9)上，并且被设计成可以调节的。

12.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于承载部分(13)包括一个外壳，还在于测量元件(14)由放置在外壳内的至少一个压电晶体组成。

13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于设置在承载部件(13)上的测量元件(14)通过连接线(15)连接在一个测量装置(16)上，测量装置将由测量元件(14)传递过来的测量信号转变成相当于扭矩的数值并将它们显示出来。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于另外还设置有一个测量装置(17)，通过该测量装置可以测量可转动轴(3)的角速度，还在于为了将测量到的数值传送到控制装置(16)上，所述测量装置(17)通过另外的连接线(43)连接在其(16)上。

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