CN1568422A - 用于测量旋转构件上的载荷的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量载荷且尤其是在旋转构件上的转矩、弯矩和轴向力的测量装置，该旋转构件例如是轴、芯轴或轴颈，通过该装置并借助至少一个固定在该构件上的电阻应变片来测量并无接触地掌握在载荷作用下产生的长度变化。为了保证对应变片的无接触供电以及使测量值同样无接触地被传送给一个分析处理单元而设有一个旋转电子装置，它布置在一个或多个包围这些应变片的保护环(1)里。为提高测量装置的测量结果的准确性和判断能力，这个或这些保护环(1)在一侧上可支承该构件上或被构造成相对该构件来说易变形。

Description

用于测量旋转构件上的载荷的装置

本发明涉及用于测量在旋转构件如轴、芯轴或轴颈上的载荷且尤其是转矩、弯矩和轴向力的测量装置，通过该装置并借助至少一个固定在该构件上的应变片来测量并无接触地掌握在载荷作用下产生的长度变化，其中为了对应变片无接触地供电以及同样也是无接触地将测量值传给一个分析处理单元设有一个旋转电子装置，它布置在一个或多个包围这些应变片的环里。

一个构件因载荷而产生的弹性变形导致一个或多个固定在该构件上的应变片(DMS)长度发生变化。借助其成比例的电阻变化，一个一起旋转的旋转电子装置测量出该载荷，在这里，测量值被无接触地传给一个静态分析处理单元并且要无接触地向旋转电子装置供电。旋转电子装置、附属的发送和接收无线以及如这些部件的电缆接线都布置在一个或多个包围DMS的环里。这个或这些环既有系统支承功能，也具有保护功能。

如果不能使用其它测量方法的话，这往往是由于环境条件比较恶劣造成的，这一类型的测量装置就被用在旋转构件如轴、芯轴或轴颈上。在测量技术中，通常借助DMS来测量印在一个构件里的有效作用力而造成的弹性形状变化，其做法是测量应变片电阻。与构件相连的(一般为粘结的、夹紧的或焊接的)DMS的长度变化在构件产生弹性形变时造成电阻变化，电阻变化大小是有效载荷和构件弹性变形的尺度。与载荷成正比的电阻变化借助一个电桥电路来测量。

这种众所周知的测量方法也被用于测量转矩，其方法是将应变片贴在有关构件的表面上并通过与载荷成正比的电阻变化来检测因剪切应力而在与圆周方向成45°地产生的长度变化。弯曲力矩和轴向力可以类似地测量，应变片定位和对应的测量电桥连接是不同的。在构件载荷和测得的DMS电阻变化之间的比例则借助一种在构件几何尺寸和构件材料基础上的变形计算来估算，或者可以借助标定来求得，也就是通过施加一个规定的载荷并平衡该测量结果。作为变形计算，在构件几何形状简单的情况下，可用强度理论中的已知的公式，或在其它构件几何形状的情况下，可用有限元方法算出。

通常用缆线将应变片与旋转电子装置连接起来，它们布置在一个或多个环里，这些环保卫DMS且同时保护它以免受环境影响。为了对测量系统提供足够的机械保护，这些环由塑料、复合材料或金属加工成实新的，在特殊使用情况下总是由钢或铝制成，其中至少装有天线的环必须由非导电材料制成。承载在构件上的环的首要任务就是包围DMS并因此加以保护。此外，它装有测量装置的电子元件。然而，这些电子元件也可以根据结构方面和运行方面的要求被装入一个或多个附加的环里。这些环可以同心地设置在包围DMS的第一环上，或者轴向偏置地直接装在该构件上。同样一个测量电桥的DMS根据测量任务的不同也可以分布在多个环上。这个或这些环在构件侧有一个密封面作为阻止液体如润滑剂或水侵入的防护层。在装配时，该环被放在构件周围并被夹紧，从而使密封面压到构件表面上。通常在密封面和构件之间采用密封材料，如粘稠的硬化硅树胶或弹性体垫。为获得足够大的密封作用并阻止环在设备运行时滑动，形成了足够大的密封面并在夹紧时在密封面和构件之间建立一个相当大的表面比压。为了夹紧，该环一般一次或多次地被分成环段。这些环段相互夹紧，一般用螺钉拧紧，以建立起夹紧力。

业已表明，在过去所用的环中，由于被这个或这些包围DMS的环和构件夹紧住而存在传力路线，由此导致构件刚度的进一步加强。这种刚度加强可以根据构件几何关系达到原始构件刚度的100％以上。构件弹性变形对应于刚度加强在包围环内的变化，而且，所测的DMS电阻变化即测量结果由于这个或这些加上的环而失真。这些环的加强刚性的影响一般无法精确求得，这是因为所出现的传力无法在这个或这些环上定量测得，所述传力随着每次装配而发生变化，而且传力由于接合间隙里的情况变化如由于密封材料的老化、材料蠕变、接触腐蚀或由于安置过程而随着时间而变化。

由所提出的问题和现有技术的缺点出发，本发明的任务在于改进这一类型的测量装置，从而测量结果不受测量装置且尤其是不受保护环和支承环的影响。

为完成该任务，本发明建议这样来设计保护环，即这个或这些环只是在一侧支承在构件上，或者这个或这些保护环被构造相对构件来说易变形。因而，在保护环上并没有传力路线或力矩传递，而是载荷完全且只由构件来传递。

本发明的一个设计方案在于：在环和构件之间非对称地构成密封面，其中密封面的一边被制造得宽一些，以便保证保护环可靠地安置在构件上并同时借助一个窄的密封间隙来保证密封功能。保护环的另一面作成窄的连板，它只起支承作用，然而由于其外形尺寸小，因而不将载荷从构件传给环。

按照本发明的实施方式，在窄的连板后面，环的内侧面有一个较宽的密封面，它借助一种具有足够密封厚度的密封材料保护这些应变片防止液体流入，然后与构件没有直接接触，而且，因此同样就不能承受构件载荷。由于这个/这些保护环是一侧支承的，因而保证了构件在使用DMS的位置上传递全部载荷并因而使测量结果不失真。

本发明的另一可选的解决方案在于：将这个或这些包围DMS的环通过结构措施或有目的的材料选择或通过完全或局部地集成装入弹性体而被构造成易变形，从而使它们对要检测的载荷来说与构件相比而有可忽略不计的构件强度。为此，有利地使保护环的在一个位置上的横断面显著地减弱，从而使两个密封连板的半环相对易变形。另一可选的结构解决方案则可以使环整个或者其中的一部分由易变形的弹性材料制成。在这两种情况下，这些连板的结构可以与在传统系统中时一样。比较理想地使保护环由一种易变形的但是弹性的材料如聚酰胺或铝制成。本发明允许将由保护环传递的载荷分量降低到可忽略不计的程度并因此得到精确而可重复的测量结果。

在现有技术中，当装配保护环和系统支承环时，构件所传递的传力路线的影响会造成测试结果的明显失真，而借助本发明的测量装置，可以避免这种由原理决定的缺点。保护环的按照本发明的实施形式保证了，全都载荷通过构件引导并因而与载荷成正比地检测到在设置DMS处的作为测量系统设计基础的材料应变。这样，如上所述的那样，明显改善了测量结果的测量精度和判断能力。

概略附图中表示了若干实施例并在以下对此加以说明。所示为：

图1表示带保护环的本发明测量装置，其中的图1a-1c表示用于装配在构件上的非对称密封连板；

图2表示带保护环的本发明测量装置，其中的图2a-2h表示用于装配在构件上的非对称密封连板和一个单独的、同心设置的支承环；

图3表示带保护环的本发明测量装置，其中的图3a-3c表示缩小的、易变形的环横断面和传统的密封连板。

图1a-1c示出一保护环1，它被分成两半以便夹紧在一未示出的驱动轴上。螺钉被用于安装，这些螺钉被装在为其而设的孔1a、1b、1c和1d中。这些螺钉施加了将两个半环壳2a和2b夹紧到驱动轴上所需的力。在夹紧时，密封连板4a和4b的宽的密封面3a和窄的密封面3b紧贴轴的圆周面上。宽的密封连板4a足够牢固地位于轴上，以防止保护环滑动。窄的密封连板4b将保护环支承在轴上，但并不造成传力。环表面5(在窄连板4b旁边靠内的)通过支承而保持了至轴表面的一定距离。这样形成的窄空腔在装配时填满密封材料。保护环还具有铲出的环形沟槽6，在该沟槽里装有旋转电子装置的发射天线或接收天线，一般为铜带。为装入天线，在环面上设有一道附加的凹槽7，在这里，来自旋转电子装置的天线电缆与天线相接。旋转电子装置在一个金属外壳里受到保护，它被固定在环里面的为此而设的表面8上并与DMS电缆相连。

图2a-2h举例表示一双环结构，其中环9、10彼此同心布置。螺钉用于安装，这些螺钉安装在为其而设的内环9孔11a-11d以及外环10孔12a-12d里。这些螺钉施加了在内环9上用于将内半环壳9a、9b夹紧在驱动轴上或将外半环壳10a、10b夹紧在内环9上所需的力。在将内环夹紧在轴上时，内环9的密封连板14a、14b的宽的密封面13a和窄的密封面13b贴在轴的圆周面上。宽的密封连板14a足够牢固地安置在轴上，以防止环9滑动。窄的密封连板14b将环支承在轴上，但并不造成传力。环表面15(在连板之间靠内)通过支承而与轴表面保持一定的距离。这样产生的窄空腔在装配时填满密封材料。

具有半环壳10a、10b的外环包含铲出的环绕沟槽16，在该沟槽里装有旋转电子装置的发射天线或接收天线，一般为铜带。为装入天线，环表面上设有一道附加的凹槽17，在该凹槽里，旋转电子装置的天线电缆被接在天线上。旋转电子装置在一个金属外壳里受到保护并被固定在内环外表面上的为此而设的表面18上并且与装在凹槽17里的DMS电缆连接。另一种可选方案也可以把旋转电子装置固定在外环的内侧面上。环绕布置在内环上的沟槽20用于铺设电缆。内环的外表面在两侧还有封闭连板21。外环具有与此配合的车削部分22。这样，避免了这些环的不希望有的轴向相对移动。此外，在外环上设有一个防转机构23，它嵌入内环上的凹槽24里。

图3a-3c示出单个环，它被分成两半以便夹在未示出的驱动轴上。螺钉用于安装，这些螺钉装在为其而设的孔1a、1b、1c和1d里。这些螺钉施加将两个半环壳2a和2b夹紧在轴上所需的力。在夹紧时，密封连板4a和4b的两个密封面3a和3b贴在轴的周面上。两个密封连板4a、4b足够牢固地装在轴上，以防止环滑动。借助制出的沟槽25，保护环内侧面的强度被目的明确地削弱，从而在轴中心26的承载的环横断面小于轴横断面。环还具有铲出的环绕沟槽6，在沟槽里装有旋转电子装置的发送天线或接收天线，一般是铜带。为装入天线，在环表面上设有一道附加的凹槽7，在该凹槽里，旋转电子装置的天线电缆被接到天线上。旋转电子装置在一个金属外壳里受到保护并被固定在环内的为此而设的表面8上并与DMS电缆连接。

附图标记一览表

1                保护环

1a，1b，1c，1d   螺钉用孔

2a，2b           半环壳

3a               宽的密封面

3b               窄的密封面

4a               宽的密封连板

4b               窄的密封连板

5                内环面

6                铲出的沟槽

7                天线用凹槽

8                用于旋转电子装置的表面

9a，9b           内环的半环壳

10a，10b         外环的半环壳

11a至11d         螺钉用孔

12a至12d         螺钉用孔

13a              宽的密封面

13b              窄的密封面

14a              宽的密封连板

14b              窄的密封连板

15               环表面

16               铲出的沟槽

17               凹槽

18               用于旋转电子装置的表面

19               DMS用的凹槽

20               用于铺设电缆的环绕沟槽

21               封闭连板

22               车削部分

23               防转机构

24               用于防转机构的凹槽

25               削弱沟槽

26               轴中心

Claims (9)

1.一种用于测量在旋转构件如轴、芯轴或轴颈上的载荷且尤其是转矩、弯矩和轴向力的装置，通过该装置并借助至少一个固定在构件上的应变片来测量且无接触地掌握在载荷作用下产生的长度变化，其中，为了给应变片无接触地供电以及同样也是无接触地将测量值传给一个分析处理单元而设置一个施转电子装置，它布置在一个或多个包围应变片的保护环(1)里，其特征在于，这个或这些保护环(1)在一侧可以支承在该构件上或所述保护环被构造成相对该构件易变形。

2.按权利要求1所述的测量装置，其特征在于，这个或这些应变片由一个形状稳定的、从两侧使应变片与该构件隔开的保护环(1)包围住，其中，该保护环的设置在该应变片的两侧的密封连板(4a，4b)成不对称形状，从而使一片连板(4a)建立传力路线并因而建立与该构件的可靠连接，而另一连板(4b)则以最小的支承面(3b)将该保护环支承在该构件上。

3.按权利要求1所述的测量装置，其特征在于，包围这些应变片的保护环通过逐点缩小环横断面(25)、通过有目的地选择材料或通过全部或部分地集成装入弹性体而被构造成是易变形和弹性的，因而，该保护环(1)所承受的载荷相对构件来说小到可忽略不计的程度。

4.按权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，这个或这些保护环(1)密封地围绕封闭应变片。

5.按权利要求1-4之一或多项所述的测量装置，其特征在于，该保护环(1)由两个或多个环段组成，所述环段被设计成借助螺钉连接和/或铰接而可绕一个构件夹紧和松开。

6.按权利要求1-5之一或多项所述的测量装置，其特征在于，多个保护环(9，10)彼此同心地或轴向并排地围绕该构件布置。

7.按权利要求1-6之一或多项所述的测量装置，其特征在于，旋转电子装置安置在该保护环内以免受环境影响。

8.按权利要求1-7之一或多项所述的测量装置，其特征在于，在该保护环的一个铲出的环绕沟槽(6)里装有该旋转电子装置的发射天线和接收天线，这些天线可以从这些沟槽(6)里被取出来，以便进行拆卸，即打开保护环。

9.按权利要求1-8之一或多项所述的测量装置，其特征在于，所述保护环的在一预定位置(5)上的横断面被显著地并以这样的方式被削弱，这两个密封连板的半环容易相对变形。

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