CN1445519A - 测量液力装置中扭矩的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在壳体内的液力装置，它具有一与动力机构相关的动力轴。一适于测量扭矩的传感器安装在壳体内。该传感器的静止部分以相对于轴的非接触方式安装着。一种测量液力装置中的扭矩的方法涉及把传感器置于所述的位置上。

Description

测量液力装置中扭矩的方法和装置

(1)技术领域

本发明涉及一种测量液力装置中扭矩的方法和装置。

(2)背景技术

测量作用在转轴上的旋转力，特别是动力轴上的旋转力是人们所经常需要的。这种轴往往存在于液力装置之中。液力装置，诸如泵，马达，传动装置被用于在多种类型的设备的装置之间转换及传送动力。例如，一液压泵可以将内燃机或其他来源动力转换成流动的高压液压油，此液压油可以用来在机器中执行有用的功能。此流动的高压液压油可以用作液压马达的动力使该液压马达推动车辆中例如拖拉机，推土机或起重机中的轮子或履带。此外，这种流动的高压液压油还可以用于液压缸，该液压缸可转动反向铲挖土机上的挖斗或运行其他装置。

对测定性能和控制液力装置要用的主要的测量是液压系统的压力、液体流量、轴的旋转速度及轴的转矩或扭矩。压力，流量，轴的旋转速度可以用容易获得的传感器进行常规测量。在过去，压力及流量传感器都是结合在液力装置例如静压泵，静压马达之中的。使用速度传感器的例子则可以参阅第5,325,055号的美国专利。

有一些技术可以用来测量旋转轴的扭矩。在一种通常的技术中，一系列应变片粘结在转轴的经选定的位置上。应变片或应变传感器所产生的电信号则往往通过一系列汇流环从转轴被传送到一机器的固定部位。在测量扭矩的另外的例子中，使用旋转变压器以为旋转电路提供电源，并把测得的扭矩信号从旋转转轴传送到机器的不旋转的部分。还有一些扭矩测量系统是把小的无线电发射器和电源安装在旋转轴上。在这种用无线电的遥测系统中，扭矩通常是用应变片测量的，然后通过模拟或数字无线电信号被传送到位于一机器的静止部位的接收器上。

过去曾用于液力装置中诸如静液压泵或电动机等的扭矩测量系统一般都有如下所述的缺点：

    ·成本高

    ·尺寸大

    ·不宜于成批生产

    ·可靠性差

    ·与液力装置不能结合成一体

过去，当转轴型扭矩传感器用于液力装置中诸如静液压泵及电动机时，它们的高的制造成本及很大的尺寸限制了它们在生产试制阶段中作测试之用。非接触扭矩传感器既没有在液力装置中结合起来也没有被采用在液力装置的成批生产中。

在上述的已有技术中，所有扭矩测量系统大多是″接触式″方法而不是″非接触式″的。在这些情况下，一电子传感器，并且往往是信号调节或转换电子线路附着于转轴上。这种接触式测量方法都有以上所述的缺点。

在已有技术中，也研制出了非接触扭矩传感器。这种非接触式传感器的一个例子可以参阅美国第5,052,232号专利。在该专利的系统中，旋转轴是成圆形地磁化的，在转轴的外部产生了一个轴向磁场，从此磁场可以知道轴的转矩的大小。虽然此系统提供了一种非接触式扭矩测量方法，这种扭矩传感器使用于液力装置时只是作为外部组件来使用，它是与液力装置分开而不是结合进液力装置中的，它可以连接于任何动力装置以进行实验室测量或供其他目的之用。已有技术中没有揭示过可以把磁弹性扭矩传感器与液力装置结合在一起使用。

在另一已有技术中，液力装置的转轴的扭矩是用下列式子估计的： $\mathrm{\τ}\≈\frac{a\·\mathrm{\Δp}}{2\·\mathrm{\Π}\·e}$

此式用于估计扭矩，其中d是已知或经测量而得到的。压差Δp是测得的，e是液力装置的效率。

此式只能提供一个扭矩的估计值，因为在运行中，″e″受到多种因素的影响，它们都不是容易确定的。所以，要用它来决定、控制或限制液压机构中的转轴的扭矩是会有种种问题的。

(3)发明内容

因此，本发明的一个主要目的是提供一种改进的系统和方法，用以测量诸如液压泵、液压马达、轴向活塞泵、轴向柱塞马达、径向活塞泵、径向柱塞马达、齿轮泵、叶轮泵、叶片式液力马达、滚子叶片泵、滚子叶片马达、转子泵、转子马达、齿轮滚子泵、齿轮滚子马达、旋转斜盘，阀或种种液压驱动器等液力装置的扭矩。

本发明的另一个目的是提供一种将非接触扭矩传感器结合在上述种种类型液力装置中的系统和方法。

本发明的再一个目的是提供一种将非接触扭矩传感器结合进液力装置中的方法。

本发明还有一个目的是提供一种方法，将一磁弹性扭矩传感器结合进液力装置之中。

本发明再有一个目的是提供在液力装置中的转轴的特定区域，这些特定区域可以被成圆形地磁化以用作磁弹性扭矩传感器的一部分。

本发明的另一个目的是提供把一扭矩传感器与一速度传感器相结合的系统和方法，随后把它们结合进一液力装置之中。

本发明的又一个目的是把一扭矩传感器与一速度探测器结合在一个单一的探测器之中。

本发明还有一个另外的目的是提供一种系统和方法，用以将扭矩传感器与一滚珠轴承、滚柱轴承、套筒轴承、普通滑动轴承或其他轴承相结合的系统和方法。

本发明的又一个目的是提供一种系统和方法，用以生产一速度及扭矩探测传感器，此传感器将结合进一滚珠轴承、滚柱轴承、轴颈轴承，普通滑动轴承或其他轴承之中。

本发明另一个目的是提供一种方法，用以在生产时将一种材料的环形成于转轴适当位置上，而不是另外生产该环，然后再将该环装在转轴上。

本发明涉及一种装置，该装置是一种诸如具有结合在一起的非接触扭矩传感器的一液压泵、液压马达或一传动装置等的液力装置。这里所用的″结合″一词，意味着传感器包含在结构里面。在生产时传感器就作为机构的一部分来生产。此外，本发明还提供一种方法，用以将一成圆形地磁化扭矩传感器结合入液力装置。本发明还涉及将一扭矩探测器和一速度检测器结合入这样一种液动压力结构之中。此外，本发明还涉及一种方法用以将一扭矩传感器结合进一轴承之中。最后，本发明涉及一种制造扭矩传感器的提高方法。

本发明是一种液力装置，例如一种结合有非接触扭矩传感器的液压泵或一液压马达。所结合的扭矩探测器使用磁弹性、磁致伸缩、应力线、″吉它弦线″元件、应变片、表面声波、声波、光线、光学、电容、电感、电阻、磁阻、无线遥测、应变件，电荷耦合器件或微匹配以进行非接触式转轴的转矩或扭矩的测定。此器件可以测量诸如静压泵或马达等的液力装置的转轴的扭矩，并且还可以适于测量液力装置的旋转的速度或瞬时的旋转位置。本发明还涉及一种控制系统，它能够探测扭矩传感器的测量值或者其他可以用来控制液力装置的扭矩的信息。当测量出一液力装置的有关扭矩及速度的附加信息时，就可以获得控制及其他方面的改进或提高。

在本发明的较佳实施例中，使用了一种磁弹性扭矩测量技术。在磁弹性测量技术中，制成转轴的一个合适的磁性材料区域或者连接在转轴上的一合适的磁性材料区域被成圆形地磁化。在扭矩引发的应变之下，成圆形地磁化的习性材料会在磁畴中发生畸变。此磁畴的畸变产生一轴向磁场，其大小和方向就可反映出加在其上的扭矩的大小和方向。

在本发明的较佳实施例中，还使用了一系列结构特征，这些结构特征间隔地围绕在转轴圆周周围。一适当的探测装置用来在转轴旋转时探测这些结构特征的经过。通过探测这些结构特征经过之间的时间，或者测量这些结构特征经过探测装置的频率，就可以测出转轴的转速。在美国专利第5,325,055号中描述了不测量扭矩而是探测液力装置中的速度的例子。在美国专利第5,591,925号中则揭示了一种速度及扭矩相结合地探测的例子。但是这些专利都没有考虑把非接触扭矩及速度探测器结合进液力装置中去。

从结合的非接触扭矩及速度探测器得到的数据可以以几种方式来改进机器的操作。首先，用这种信息来限制一液力装置的扭矩。限制扭矩的目的是保护负载免受损伤，或防止内燃机的失控或停车。其次，此信息可用于加强控制。测得的扭矩信息在多种控制方案中是有用的。这类控制方案有时候是用于增加牵引力以及减少或防止轮子的打滑或其他目的的。

特别是本发明可以控制—液力系统，该系统包括一结合在内的扭矩传感器，它能够测量出实际的扭矩而不是根据别的测量及估计量通过计算而获得的估计值。由于扭矩是直接由本发明的装置测量出来的，因此马上可用于改进控制和进行监控。

下面将对本发明作详细叙述，通过以下的叙述，本发明的以上这些目的和其他目的将变得更为一清二楚。

(4)附图说明

图1是采用非接触传感器的轴向柱塞泵液力装置的剖视图，其中非接触扭矩传感器结合在三个不通的位置上。

图2是用于制造在转轴上的磁环的部件的分解图。

(5)具体实施方式

图1是可变排量(可变位移式)轴向柱塞液力装置100及其壳体的截面图。此轴向柱塞液力装置的一般工作过程是众所周知的，因此在这里不再赘述。此图示出了非接触扭矩传感器安装入装置中的三个不同的位置上，即区域110，120和130上。在大多数实施例中，很可能只用一只扭矩传感器。因为本发明的关键目的之一是把非接触性扭矩传感器结合进一液力装置，因此揭示了几个非接触性扭矩传感器的几个位置。在图中，液力装置采用了一花键轴101。该花键轴101是该液力装置连接到外部机械动力源及被外部机械动力源驱动的部分(例如一内燃机，图中未示出)。这种轴为让一液力装置连接到负载或需要机械动力的装置而提供了一种部件，例如一轮子上。通常人们希望测出液力装置内花键轴101和汽缸组件105之间的扭矩。

扭矩传感器区域110示出了扭矩传感器是如何装在花键轴101及轴密封件102之间的区域之内的。在较佳实施例中，在花键轴101及轴密封件102之间的转轴的区域内将一个或多个区域进行成圆形地磁化。

图中扭矩传感器区域120示出了一扭矩传感器是如何安装在转轴的轴密封件102和前轴承103之间的。在较佳实施例中，在轴的轴密封件102和前轴承103之间的区域内对一个或多个区域进行成圆形地磁化。

图中的扭矩传感器区域130示出了一扭矩传感器是如何安装在转轴前轴承103和汽缸组件105之间的轴上的。在较佳实施例中，对转轴的前轴承103及汽缸组件105之间的区域内有一个或多个区域进行了成圆形地磁化。

在较佳实施例中，扭矩传感器110、120、130可使用磁弹性探测技术。在该较佳实施例中，转轴被成圆形地磁化，具有一个或多个极化截面112、122、132。一个或多个段截面114、124、134则被进行对向极化。多个探测器113，115，123，125、133、135被用来探测由成圆形地磁化轴发出的轴向磁场。在轴的附近设置了支承件111、121、131以支承磁场探测器113、115、123、125、133、135。磁场探测器的类型、数目、安排及设置可以是多种多样的，视需要而定。

磁化轴的区域的方法可以多种多样，被磁化的轴的区域的几何形状也可以有变化而没有限制。在此较佳实施例中，使用的是单个成圆形地磁化实心转轴。在另一个实施例中，用的是安装在轴上的合适的磁性材料的环。在又一个实施例中用的是成圆形地磁化的中空轴。

在扭矩传感器的较佳实施例中用了一种测量轴的旋转速度或轴的瞬时位置的方法。在实施例中，速度或位置指示器上形成了一系列围绕在轴圆周上的间隔开的机械结构或特征。这些结构或特征可以是一均匀分布也可以是不均匀分布的。在一个实施例中，它们被加工成了齿或齿轮状的突出部作为轴的一部分。在另一种安排中，用一具有一系列突出部的齿轮状环安装在轴上。或者用一分段磁化的环安装在轴上。安装在轴圆周周围的不论是何种样的部件如环141都用一个探测器142来探测这些特征的位置或经过的速率。

在较佳实施例中，探测器定位环121、131安装在轴承103上。在较佳实施例中，速度指示环141安装在轴承的内座圈上。这种安装反映了本发明的另一个目的：提供一种速度和扭矩探测轴承。

在磁弹性扭矩传感器领域里，使用专门的、有时候很贵的材料来形成磁性作用区域。一般不是整个轴都用这些专门或昂贵的材料来制成，而是在轴上安装一个用合适材料制成的环。

已有技术使用多种制造工艺来制造这种环。

在本发明中，环上面可以有一些凹口或凹槽(这是传统凹口或凹槽)。当轴旋转时，把探测这些凹口或凹槽的通过作为测量轴的旋转速度和手段。在已有技术中，先形成环，然后再在环上进行凹口或凹槽的加工，切割，拉削等工序，而本发明的一个新颖的方面是在轴上适当形成环。本发明的新颖之处在于和已有技术不同，已有技术是先分别形成环，然后把换装到轴上去。本发明的另一个新颖之处是使用诸如粉末冶金、金属注射成型或模铸工艺等精确成形或净成形制造工艺来在环中形成凹口或凹槽。

环上可以有测量速度的凹口或凹槽，此环上的速度测量凹口或凹槽可以用接近的净成形制造工艺直接形成在轴上。在一种工艺中，环是用粉末冶金工艺制在轴上的，然后在轴上进行烧结。在另一种工艺中，环是先用金属注射成型法形成在轴上，然后在轴上进行烧结的。本发明的新颖之处在于环是直接形成在轴的周围而不是先形成环，然后再装到轴上去的。制造这种环的装置揭示在以下对图2的叙述中。

图2示出了在轴上形成环的改进的方法。环是用于磁弹性或类似的扭矩传感器等上面的。环直接形成在轴上而不是先另外形成环然后再安装到轴上去的。轴210插入第一个半模220中。该第一个半模密封在轴221的一部分的周围并具有一空腔222。一类似的第二个半模(图中未示出)放在第一个半模220的上面，材料用压力送入轴210及两半模220之间的空腔222中。之后，把两个半模分开，取出上面形成了环250的轴240，轴240可能还需要用另外的加工诸如烧结，钎焊，热处理或其他加工等。

本发明的这一系统至少包括一个结合扭矩传感器的液力装置，及一系统控制器。控制器(图中未示出)可以使用从扭矩探测器来的信息进行如下的工作：

    ·监控液力装置的运行性能。

    ·控制液力装置，限制扭矩或动力源的功率。一个例子是降低压力和/或降低液力装置的排量以防止动力源过荷，对内燃机进行过载保护。

    ·控制液力装置以提高控制，使车轮打滑减少或防止打滑。

    ·为机器操作人员显示工作扭矩或功率或用于其他目的。

    从上述可以看出，本发明至少可以实现以上所有的目的。

Claims (10)

1.一种液力装置，包括一壳体，一液力机构，以及与液力机构相关的动力转轴，其特征在于，该装置包括：

    一适于测量扭矩的传感器，该传感器在壳体内以与轴的非接触方式安装在轴的具有磁场的一部分附近。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该液力装置选自以下的一组中：液压泵、液压马达、轴向柱塞泵、轴向柱塞马达、径向柱塞泵、径向柱塞马达、齿轮泵、齿轮马达、叶轮泵、叶片式液力马达、滚子叶片泵、滚子叶片马达、转子泵、转子马达、齿轮滚子泵、齿轮滚子马达、旋转斜盘，阀或液压驱动器等。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，扭矩传感器包括一单元部分，此单元部分中有一个或多个区域是成圆形地磁化的。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转轴的一部分是一环，该环是在轴上适当位置形成的。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该环是用粉末冶金形成在轴的适当位置上。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，轴在轴的一个或多个区域内是成圆形地磁化的，所述一个或多个区域是：

    ·在轴花键外和轴密封件之间的区域；

    ·在轴密封件和轴的轴承之间的区域；

    ·在轴承和汽缸组件之间的区域。

7.一种测量液力装置中的扭矩的方法，该装置包括一壳体、一液力机构、一与液力机构相关的转轴，其特征在于，该方法包括把一适于在壳体内测量扭矩的传感器以相对于轴以非接触方法置于具有磁场的轴的附近。

8.一安装在一壳体内的液力装置，其特征在于，它包括：

    一可旋转地安装在静液压动力装置中的动力轴，该动力轴在正运行中受到一扭矩的作用，

    一传感器，该传感器相结合地安装在壳体内轴的附近，用于测量扭矩，该传感器不和轴接触。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，转轴安装在至少一个轴承中，而传感器就安装在此轴承中。

10.一种液力装置，包括一壳体，一液力机构以及一与该液力机构相关的动力轴，其特征在于，该液力装置还包括一用于测量扭矩的磁性传感器，该磁性传感器安装在壳体内具有磁场的轴的轴的那一部分的附近。

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