JP7025981B2

JP7025981B2 - トルク計測装置

Info

Publication number: JP7025981B2
Application number: JP2018077012A
Authority: JP
Inventors: 和宏市川
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2038-04-12
Also published as: JP2019184466A

Description

本発明は、トルク計測装置に関する。

近年、自動車のトランスミッションの性能評価を行ううえで、エンジンとトランスミッションとを連結した状態でエンジンのトルクを高精度に測定できることが求められている。このトルク計測の従来技術として、エンジンのクランクシャフトとトランスミッションのトルクコンバータとの間に介設されるドライブプレートをトルク計として利用したものが知られている（例えば特許文献１～３参照）。これらの特許文献には、トルクの検出素子としてひずみゲージを用いることが記載されている。

特開２００５－８４０００号公報特許第３６６９４２１号公報特許第６２６３５５６号公報

ドライブプレートはエンジンルーム内に配置されるため、高温の環境下に曝露されている。ドライブプレートの温度が高温になると、ひずみゲージの抵抗値が変化するため、正確なトルク測定ができないおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであり、ひずみゲージに対する温度の影響を低減して、トルクの計測精度を向上させることを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、中心部および外周部の一方が入力側回転体に連結し他方が出力側回転体に連結し、肉抜き孔が複数形成された円板回転体に作用するトルクの計測装置であって、前記円板回転体の起歪部に配置されるひずみゲージと、温度による前記ひずみゲージの抵抗値の変化を補償する温度ゲージと、を備え、前記ひずみゲージと前記温度ゲージとが、隣り合う前記肉抜き孔に接する外側接線と内側接線との間の範囲であって、かつ、前記円板回転体の同一円周線上に配置される、ことを特徴とするトルク計測装置とした。

本発明によれば、ひずみゲージと温度ゲージとを円板回転体の同一円周線上に配置することにより、円板回転体の温度分布が放射状の温度勾配を持つ場合において、ひずみゲージと温度ゲージとを互いに等価温度下に配することができる。これにより、温度ゲージの補償精度を高めることができるので、ひずみゲージに対する温度の影響を低減してトルクの計測精度を向上させることができる。

また、本発明は、前記ひずみゲージの抵抗値の誤差を補償する補償導線が、前記同一円周線上に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ひずみゲージの微小な抵抗値の誤差を補償する補償導線の温度がひずみゲージの温度と略同じになるので、ブリッジ回路の平衡状態の誤差を低減できる。

また、本発明は、前記円板回転体には肉抜き孔が複数形成され、前記ひずみゲージと前記温度ゲージと前記肉抜き孔とが、回転対称に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ひずみゲージおよび温度ゲージに対する肉抜き孔の影響のばらつきを低減して、ひずみゲージのトルク検出精度と温度ゲージの補償精度とを高めることができる。

また、本発明は、前記円板回転体に遮熱コーティング剤が塗布されていることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝達および熱放射の影響を抑えて、円板回転体における伝熱を主に熱伝導のみにさせることができる。したがって、円板回転体において放射状の温度勾配が明確に表れ、ひずみゲージに対して温度ゲージや補償導線を同一円周線上に配置したことによる補償精度を一層高めることができる。

また、本発明は、前記ひずみゲージと前記温度ゲージとの間に熱伝導シートが貼着されていることを特徴とする。

本発明によれば、ひずみゲージと温度ゲージとを等価温度に一層近づけることができるので、温度ゲージの補償精度をより高めることができる。

本発明によれば、ひずみゲージに対する温度の影響を低減して、トルクの計測精度を向上させることができる。

本発明のトルク計測装置を備えたドライブプレートの正面図である。図１におけるＩＩ－ＩＩ断面図である。図２におけるＩＩＩ拡大図である。図１におけるひずみゲージ周りの拡大図である。ひずみゲージのブリッジ回路の基本構成図および送信機、受信機のブロック回路図である。熱伝導シミュレーションによるドライブプレートの温度分布図である。ひずみゲージのブリッジ回路および温度ゲージ、補償導線の接続回路図である。

図１において、本発明に係るトルク計測装置１は、ドライブプレート２に作用するトルクを計測する装置である。ドライブプレート２は、図２に示すように、入力側回転体としてのエンジンのクランクシャフト２１と、出力側回転体としてのトルクコンバータ２２との間に介設される円板回転体である。図１に示すように、ドライブプレート２の中心部周りには、軸心Ｏを中心として複数（本実施形態では８個）の第１ボルト通し孔３が形成され、外周部周りには複数（本実施形態では６個）の第２ボルト通し孔４が形成されている。ドライブプレート２は、図２に示すように、一面側の中心部がクランクシャフト２１の端面に突き当てられて、第１ボルト通し孔３を通した第１ボルト２３により締結され、他面側の外周部がトルクコンバータ２２に突き当てられて、第２ボルト通し孔４を通した第２ボルト２４により締結される。

図１に示すように、ドライブプレート２の外周縁には、図示しないセルモータのピニオンギヤと噛合するリングギヤ５が形成されている。ドライブプレート２の中心には、クランクシャフト２１に嵌合してドライブプレート２を芯出しする芯出し孔６が形成されている。また、ドライブプレート２の外周部寄りには、複数の肉抜き孔７が円周方向に等間隔で形成されている。前記したように本実施形態では６個の第２ボルト通し孔４が形成されており、計６個の肉抜き孔７のそれぞれが、隣り合う第２ボルト通し孔４同士の間に位置するように形成されている。

ドライブプレート２には、入力側の中心部から出力側の外周部に回転力が伝達される際に、ひずみを積極的に生じさせるための起歪部８が形成されている。起歪部８は、円周方向に等間隔で６カ所形成されており、各起歪部８は隣り合う肉抜き孔７同士の間に配置されている。起歪部８は、隣り合う肉抜き孔７間の中心を通る径方向線Ｌを挟んで形成された一対のスリット９と、一対のスリット９間に形成された矩形状の薄肉部１０と、を備えて構成されている。スリット９は、径方向線Ｌに沿って延びるように形成されており、ドライブプレート２の表裏を貫通する長孔として形成されている。薄肉部１０は、図３から判るように、ドライブプレート２の表裏のそれぞれに凹部が設けられるように薄肉状に形成されている。

「ひずみゲージ１１」
図１において、各薄肉部１０の表裏にはひずみゲージ１１（図１では１１Ａ～１１Ｆで示す）が取り付けられている。すなわち、ドライブプレート２には、一面側と他面側にそれぞれ同一円周線上に等間隔で６個ずつ配置された計１２個のひずみゲージ１１が接着材等により取り付けられている。ひずみゲージ１１は、その中央部が径方向線Ｌ上に位置するように配置されている。図１では、一面側の６個のひずみゲージ１１Ａ，１１Ｂ，…，１１Ｆが順に配置され、その各裏には、ひずみゲージ１１Ｇ，１１Ｈ，…，１１Ｌが配置されている。

ひずみゲージ１１は抵抗素子として機能し、外部からの引張力や圧縮力によって伸縮してその抵抗値を変化させる。図５に示すブリッジ回路３１により、抵抗素子Ｒ１～Ｒ４の抵抗値の変化でＡ点－Ｂ点間に電圧を生じさせる。これにより、当該電圧をトルクに応じた出力電圧として取り出すことができる。ひずみが生じていない場合、ブリッジ回路３１は「Ｒ１・Ｒ４＝Ｒ２・Ｒ３」で平衡状態となり、出力電圧はゼロとなる。出力電圧は、例えばアンプ３２、Ａ／Ｄコンバータ３３、ＣＰＵ３４を備えた送信機３５を介して送信される。送信機３５はドライブプレート２の所定部に取り付けられる。送信された信号は、ＣＰＵ３６、Ｄ／Ａコンバータ３７、アンプ３８を備えた受信機３９で受信され、トルク出力装置４０でトルク計測値が表示、保存される。なお、各ひずみゲージ１１は、それぞれ２つの抵抗素子を備えて構成されている。

「温度ゲージ１２、補償導線１３」
図１において、トルク計測装置１は、温度によるひずみゲージ１１の抵抗値の変化を補償する温度ゲージ１２（図１では１２Ａ～１２Ｆで示す）と、ひずみゲージ１１の抵抗値の誤差を補償する補償導線１３とを備えている。温度ゲージ１２は、温度と相関する抵抗素子を備えている。ひずみゲージ１１の温度抵抗係数に合わせた仕様の温度ゲージ１２を、図５に示すように、ブリッジ回路３１に対して直列に接続することで、温度が変化した際のひずみゲージ１１の抵抗値の変化を相殺し、同一のひずみに対して同一の電圧が出力されるように補償することができる。

補償導線１３は、ひずみゲージ１１の抵抗素子の間の誤差を補償する抵抗素子であり、ひずみゲージ１１と略同じ電気抵抗の温度係数を有している。補償導線１３を、図５に示すように、ブリッジ回路３１の一辺に直列に接続し、後記するように補償導線１３をひずみゲージ１１の温度と等価にすることで、ブリッジ回路３１の平衡状態の誤差を低減できる。

ここで、温度ゲージ１２、補償導線１３と、ひずみゲージ１１との間に温度差が存在すると、その温度差によって補償精度にずれが生じ、ひずみゲージ１１を正しく補償できない。そのため、補償精度を高めるためには、温度ゲージ１２や補償導線１３をひずみゲージ１１の温度と略等価の温度下に配置する必要がある。

本発明者は、ドライブプレート２の使用環境に基づく温度分布に着目し、以下のように解析を行った。ドライブプレート２はエンジンルーム内に配置されるため、高温の環境下に曝露されている。熱の伝わり方には、熱伝導、熱伝達、熱放射の３種類があるが、エンジンルーム内の雰囲気温度から伝わる熱伝達および熱放射については、雰囲気温度の分布に極度な偏りはさほど生じないことから、ドライブプレート２全体に略一様に熱が伝わるとみなすことができる。また、例えば遮熱コーティング剤をドライブプレート２の表面に塗布することで、熱伝達および熱放射の影響を抑えることができる。したがって、ドライブプレート２の温度分布は、クランクシャフト２１およびトルクコンバータ２２からの熱伝導の影響が支配的となる。

通常、エンジンのクランクシャフト２１とトルクコンバータ２２とでは、クランクシャフト２１の温度の方が高い。したがって、クランクシャフト２１とトルクコンバータ２２の温度差から、ドライブプレート２では、クランクシャフト２１との連結部である中心部から外側に放射状に熱伝導する。つまり、ドライブプレート２の温度分布は、軸心Ｏから離れるにしたがい低温となり、任意の円周線上では全周にわたり均一温度となる放射状の温度勾配の分布となる。

図６は、熱伝導シミュレーションによるドライブプレート２の温度分布を示す。この図６から、中心部から放射状に高温域４１、中高温域４２、中温域４３、低温域４４が分布していることが判る。肉抜き孔７が存在する中温域４３については、肉抜き孔７からの放熱の影響により、厳密に円周方向に沿わずに、隣り合う肉抜き孔７間で概ね直線状に延びており、全体として六角形状の温度分布となっている。しかし、肉抜き孔７の数が６個程度かそれ以上であれば、多角形状も略真円形に近いものとなるので、若干の温度の違いは無視して、中温域４３の温度分布も円周方向に均一とみなすことができる。

以上から、ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２と補償導線１３とを軸心Ｏから等距離に配置することで、すなわち、ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２と補償導線１３とをドライブプレート２の同一円周線上に配置することで、各者を互いに略等価の温度下におくことができ、温度ゲージ１２や補償導線１３の補償精度を高めることができる。

図１において、本実施形態では、計１２個の温度ゲージ１２のそれぞれが、ドライブプレート２の一面側および他面側で、各起歪部８の一方のスリット９の脇に接着材等により取り付けられている。一面側のひずみゲージ１１Ａ～１１Ｆの各隣に温度ゲージ１２Ａ～１２Ｆが配置され、他面側のひずみゲージ１１Ｇ～１１Ｌの各隣に温度ゲージ１２Ｇ～１２Ｌ（図７）が配置されている。図４において、符号Ｐ１は、ひずみゲージ１１の径外側の辺の中央点を示し、符号Ｐ２は、ひずみゲージ１１の径内側の辺の中央点を示す。符号Ｃ１は、中央点Ｐ１を通る円周線であり、符号Ｃ２は、中央点Ｐ２を通る円周線である。本発明において、「ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２とが同一円周線上に配置される」とは、温度ゲージ１２の少なくとも一部が、円周線Ｃ１と円周線Ｃ２との間の範囲に位置している関係を意味する。補償精度を高めるうえで、温度ゲージ１２の面積の半分以上、望ましくは８０％以上が円周線Ｃ１と円周線Ｃ２との間の範囲にかかるように温度ゲージ１２を配置することが好ましい。

補償導線１３についても同様であり、本発明において、「補償導線１３が同一円周線上に配置されている」とは、補償導線１３の少なくとも一部が、円周線Ｃ１と円周線Ｃ２との間の範囲に位置している関係を意味する。

また、隣合う肉抜き孔７同士に接する外側の接線を外側接線Ｓ１、内側の接線を内側接線Ｓ２とすると、本実施形態では、ひずみゲージ１１が外側接線Ｓ１と内側接線Ｓ２との間の範囲に位置している。外側接線Ｓ１と内側接線Ｓ２との間の温度分布は、厳密には軸心Ｏを中心とする放射状ではなく、図６のシミュレーション結果から、肉抜き孔７同士をむすぶ直線、すなわち径方向線Ｌとの直交線に沿いつつ径外方向に次第に低温となる温度勾配になると推察される。したがって、径方向線Ｌ１と直交しかつ中央点Ｐ１を通る直線をＳ３、径方向線Ｌ１と直交しかつ中央点Ｐ２を通る直線をＳ４とすると、温度ゲージ１２の少なくとも一部が、直線Ｓ３と直線Ｓ４との間の範囲に配置されるようにすれば、肉抜き孔７間にひずみゲージ１１を配置した場合の補償精度をより高めることができる。補償精度を一層高めるうえで、温度ゲージ１２の面積の半分以上、望ましくは８０％以上が直線Ｓ３と直線Ｓ４との間の範囲にかかるように温度ゲージ１２を配置することが好ましい。本実施形態では、温度ゲージ１２の略全体が直線Ｓ３と直線Ｓ４との間の範囲に位置するように配置されている。補償導線１３についても、その一部が直線Ｓ３と直線Ｓ４との間の範囲に配置されるようにしてもよい。

図１に示すように、ひずみゲージ１１、温度ゲージ１２、補償導線１３からの配線１４は、ブリッジ回路３１を構成して円周状に引き回されたうえで、送信機３５（図１では図示せず、図５参照）に接続されている。図７に、本実施形態で用いたブリッジ回路３１の具体例を示す。符号１１Ａ１、１１Ａ２は、図１のひずみゲージ１１Ａの抵抗であり、同様に、１１Ｂ１，１１Ｂ２…１１Ｌ１，１１Ｌ２はそれぞれひずみゲージ１１Ｂ…１１Ｌの抵抗を示している。

ブリッジ回路３１の一方の分岐路には、１１Ｇ１，１１Ａ１，１１Ｋ１，１１Ｅ１，１１Ｉ１，１１Ｃ１，補償導線１３，１１Ｌ２，１１Ｆ２，１１Ｊ２，１１Ｄ２，１１Ｈ２，１１Ｂ２が直列に接続されている。他方の分岐路には、１１Ｇ２、１１Ａ２，１１Ｋ２，１１Ｅ２，１１Ｉ２，１１Ｃ２，１１Ｂ１，１１Ｈ１，１１Ｄ１，１１Ｊ１，１１Ｆ１，１１Ｌ１が直列に接続されている。１１Ｃ１－補償導線１３間のＡ点と、１１Ｃ２－１１Ｂ１間のＢ点との間の電圧が、トルクに応じた電圧として出力される。正電源電圧Ｖｃｃとブリッジ回路３１との間に温度ゲージ１２Ｇ，１２Ａ,１２Ｈ，１２Ｂ，１２Ｉ，１２Ｃが直列に接続され、ブリッジ回路３１とグランドＧＮＤとの間に温度ゲージ１２Ｄ，１２Ｊ,１２Ｅ，１２Ｋ，１２Ｆ，１２Ｌが直列に接続されている。以上の接続例はあくまで一例であり、配線１４の引き回し等により適宜に設計変更してよい。

以上のように、ドライブプレート２の起歪部８に配置されるひずみゲージ１１と、温度によるひずみゲージ１１の抵抗値の変化を補償する温度ゲージ１２と、を備え、ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２とをドライブプレート２の同一円周線上に配置すれば、放射状の温度勾配を持つドライブプレート固有の温度分布を利用して、温度ゲージ１２の補償精度を高めることができる。これにより、例えば、定格に対して０．１％程度以下の誤差でエンジンの回転トルクを高精度に測定できる。

ひずみゲージ１１の抵抗値の誤差を補償する補償導線１３を、ひずみゲージ１１と同一円周線上に配置すれば、補償導線１３の温度がひずみゲージ１１の温度と略同じになるので、ブリッジ回路の平衡状態の誤差を低減できる。

本実施形態のように、ドライブプレート２に肉抜き孔７が複数形成され、ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２と肉抜き孔７とを軸心Ｏを中心として回転対称に配置すれば、ひずみゲージ１１および温度ゲージ１２に対する肉抜き孔７の影響のばらつきを低減して、ひずみゲージ１１のトルク検出精度と温度ゲージ１２の補償精度とを高めることができる。さらに、ドライブプレート２の回転バランスを保つことができる。

ドライブプレート２に遮熱コーティング剤を塗布すれば、大気による熱伝達および熱放射の影響を抑えて、ドライブプレート２における伝熱を主に熱伝導のみにさせることができる。したがって、ドライブプレート２において放射状の温度勾配が明確に表れ、ひずみゲージ１１に対して温度ゲージ１２や補償導線１３を同一円周線上に配置したことによる補償精度を一層高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明した。ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２との間に熱伝導シートを貼着すれば、ひずみゲージ１１と温度ゲージ１２とを等価温度に一層近づけることができるので、温度ゲージ１２の補償精度をより高めることができる。

起歪部８の形状例は、ひずみが生じる部位であれば、スリット９や薄肉部１０に限定されるものではない。

１トルク計測装置
２ドライブプレート（円板回転体）
３第１ボルト通し孔
４第２ボルト通し孔
７肉抜き孔
８起歪部
９スリット
１０薄肉部
１１ひずみゲージ
１２温度ゲージ
１３補償導線
２１クランクシャフト（入力側回転体）
２２トルクコンバータ（出力側回転体）

Claims

中心部および外周部の一方が入力側回転体に連結し他方が出力側回転体に連結し、肉抜き孔が複数形成された円板回転体に作用するトルクの計測装置であって、
前記円板回転体の起歪部に配置されるひずみゲージと、
温度による前記ひずみゲージの抵抗値の変化を補償する温度ゲージと、
を備え、前記ひずみゲージと前記温度ゲージとが、隣り合う前記肉抜き孔に接する外側接線と内側接線との間の範囲であって、かつ、前記円板回転体の同一円周線上に配置される、
ことを特徴とするトルク計測装置。
前記ひずみゲージの抵抗値の誤差を補償する補償導線が、前記同一円周線上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトルク計測装置。
前記ひずみゲージと前記温度ゲージと前記肉抜き孔とが、回転対称に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルク計測装置。
前記円板回転体に遮熱コーティング剤が塗布されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトルク計測装置。
前記ひずみゲージと前記温度ゲージとの間に熱伝導シートが貼着されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のトルク計測装置。
前記円板回転体は、前記中心部に前記入力側回転体としてのエンジンのクランクシャフトが連結され、前記外周部に前記出力側回転体としてのトルクコンバータが連結されるドライブプレートであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のトルク計測装置。