JPS63157026A - トルクを測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は結合された回転軸の間で伝達されるトルクを
７１１１定する方法と装置、更に具体的に云えば、同軸
に回転する軸の動力継手の間に配置されて、該継手に於
ける接線方向の駆動力を直接的に決定する荷重セルを用
いるトルクの測定に関する。

従来技術の説明 機械的な駆動タービン及びその他の機械の従来の設計に
使える様なトルク測定継手を改善しようとして、多くの
方式が試みられている。一般的に、従来の装置は較正が
困難であったり、正確に使える期間が短かったり、或い
は使用寿命が長くても、精度が低かったりする。更に、
この様な従来のトルク測定装置はトルクを間接的に測定
する。例えば、被動軸の撓み角の測定や、トルク伝達部
材中の捩れ応力の測定によってトルクを測定する。測定
値が極く小さい数値であるから、比較的大きな力及びト
ルクを測定しようとする時、不正確さが起り得る。更に
、捩れ共娠に対する影響を最小限抑える為に、うまい設
計の１つの条件が捩れに対する高いスチフネスを保つこ
とであるから、無限小の撓みを測定しようとしても困難
であることは明らかである。この様な小さな撓みを用い
て、±１／４％の精度以内までトルクをＡＦＬ定しよう
としても、一般的には困難であった。

発明の要約 この発明の目的は、回転継手を介して伝達されるトルク
を高い精度、感度、及び信頼性で測定する方法と装置を
提供することである。

この目的並びにその他の目的が、こ＼で例示する実施例
では、駆動軸と被動軸の間のトルク結合機構で達成され
る。駆動軸及び被動軸が軸方向に整合していて、共通の
回転軸線の周りに一緒に回転し得る。第１の円筒形結合
部材が駆動軸に軸方向に結合され、第２の円筒形結合部
材が被動軸に軸方向に結合される。これらの円筒形結合
部材は直径が異なっていて、一方が部分的に他方の中に
入る様に同心に配置される。外側の結合部材の内面及び
内側の結合部材の外面に軸受を同心に固定して、外側の
部材を内側の部材の周りに支持し、揺動を最小限に抑え
て同軸に回転□する様にする。

複数個のトルク伝達片又はフィンガが一方の結合部材か
ら伸びており、各フィンガが他方の結合部材に形成され
た対応する溝孔に入込む。フィンガが溝孔の側面に対し
て接線方向の力を加え、結合部材を一緒に回転させる。

フィンガと溝孔の側面の間の界面に荷重セルを配置して
、波動部材を回転させるのに要する接線方向の駆動力を
直接的に感知する。電子式センサが、荷重セルの半径方
向の位置、荷重セルの数及び感知された接線方向の駆動
力に応答して、回転中の結合部材の間に発生したトルク
を決定する。

この発明の性格、目的及び利点が更によく理解される様
に、次に図面について詳しく説明する。

発明の詳細な説明 第１図、第２図及び第３図について全体的に説明すると
、２つの軸１０．１２が共通の回転軸線１４の周りに一
緒に回転する様に結合されている。

軸１０がタービン１６又はその他の原動機から伸びる駆
動軸を表わす。軸１２が動力を受ける負荷１８に結合さ
れた被動軸を表わす。軸１０．１２が中間部材又は結合
装置２０によって一緒に結合される。結合装置の中には
対称的に配置された複数個の荷重セル２４がある。好ま
しい実施例ではその数は３個であるが、任意の数を用い
ることが出来る。こういう荷重セルが、回転運転中に軸
の間の円周方向又は接線方向の駆動力を感知して決定す
る。荷重セル２４は、それに加えられた圧縮力に応答す
る出力信号を発生する市場で入手し得るセンサである。

電気的な励振を必要とするものを含めて、周知の任意の
センサを使うことが出来る。荷重セル２４を回転伝達装
置２６と、必要であれば、軸の回転中の動作の為に、結
合装置２０内に遠心スイッチを備えた回転電池バック又
は回転変圧器の様な電源に結合することが出来る。図面
に示してないが、周知の形式の遠隔電子式変換装置が、
無線遠隔測定装置又はやはり周知のスリップリングの様
なその他の電気的な結合部品を通じて、荷重セル２４か
ら可変の出力情報を受ける。

変換装置が荷重セルの数、回転軸線までの荷重セルの距
離、及び適当な数学的な定数を用いて、荷重セルからの
可変情報を積分し、軸の間に発生されたトルクを表わす
読取値を発生する。軸の回転速度は、例えばパルス・カ
ウンタ、軸に結合されたタコメータ又はその他の周知の
手段を使うと云う様な任意の普通の方法によって測定す
ることが出来る。トルクに軸の測定された速度から得ら
れる荷重セルの回転速度を乗じ、適当な数学的な定数で
除して、伝達された馬力を表わす読増値を発生すること
が出来る。電子式装置は、荷重セル２４からの信号をト
ルク表示に変換するのに必要な受信機、増幅器及びその
他の回路で構成することが出来る。マイクロプロセッサ
をベースにした装置又はマイクロコンピュータ装置を構
成して、回転軸線と荷重セルの間の異なる距離及び異な
る荷重セルに対処するパラメータを変更して選択するの
は容易に出来る。荷重セル２４からのデータの伝送及び
収集と、このデータのトルク測定値への変換は、幾つか
の普通の方法によって行うことが出来るが、これは当業
者に容易に明らかであろう。

この信号、即ちこの装置から得られた瞬時トルク信号に
変調があれば、それはトルク又は馬力の過渡状態を表わ
し、そのデータのスペクトル解析を使って捩れ共振状態
を検出することが出来る。

信号の平均値が定常状態トルクを表わす。

荷重セル２４に隣接して、駆動軸１０に固定することが
出来る複数個の動力を加える而３０と、波動１ｄｌ１２
に対して固定し得る複数個の動力を受取る面３２とがあ
る。この実施例では、面３０が円筒形結合部材３８から
伸びる複数個の突片又はフィンガ３６の面である。部材
３８は、駆動軸ｌＯに設けられた対応するフランジ４２
に取付けられる歯車又はダイヤフラム形の様な任意の普
通のたわみ継手４０を有する。部材３８はそれより若干
大きな円筒４４内にはまる寸法になっている。

円筒４４が１端にフランジ４６を持っていて、それを被
動軸重２の対応するフランジ４Ｂに結合することが出来
る。この代りに、円筒４４は被動軸１２に取付けられる
任意の普通の継手を有する様にしてもよい。

円筒４４が溝孔５０を持ち、この溝孔の中にフィンガ３
６がはまる。フィンガ３６が溝孔５０から半径方向に突
出することが判る。面３２は、フィンガ３６の面３０と
接触する溝孔５０に沿った面である。軸１０が回転する
と、部材３８が回転し、フィンガ３６及び溝孔５０の間
の接触により、円筒４４及び被動軸１２が回転する。

動力を加える面３０には、フィンガ３６の面内に凹部５
２（ｍ３図に一番よく示されている）を設けることが好
ましい。荷重セル２４がこの凹部内に配置される。こう
することにより、予想されない過負荷状態になっても、
荷重セルの周囲の面が隣接する而３２と接触して、荷重
セルの過大な圧縮を制限し、こうして荷重セルがつぶれ
る様な損傷を防止するので、荷重セルには害がない。然
し、動力が荷重セル２４を介して伝達されるから、通常
の運転中に力を伝達する面３０の唯一の部分は、凹部５
２の底にある部分であることが理解されよう。面３０の
残りの部分は、突然の過負荷があった場合にだけ動力を
伝達し、この場合、過負荷によって、セル２４は面３０
の上側部分すなわち引込んでない部分の下に圧縮される
。

これまでの説明から判る様に、結合装置２０は、駆動軸
１０に軸方向に結合された第１の円筒形結合部材３８と
、被動軸１２に軸方向に結合された同様な形の第２の円
筒形結合部材４４とで構成されている。円筒形結合部材
３８は第２図及び第３図に示す様に中空円筒であること
が好ましい。部材３８．４４は、ある程度の縦方向の撓
みを許しながら、回転トルクを伝達する同心の重り合う
スペーサとして作用する。これらの結合部材はその範囲
の大部分にわたって略管状であるが、直径が異なる。こ
れらは一方が部分的に他方の中に同心に配置されている
。最小限の撓みで同心の回転が容易に出来る様にする為
に、部材３８．４４は例えば軸受部材５４．５６の様な
１つ又は更に多くの軸受によって、回転出来る様に軸支
されている。

軸受は部材３８．４４の間の摩擦係合をもなくする。

軸受部材５４．５６はころ軸受集成体であり、好ましい
実施例では２個あり、結合された結合部材及び軸を、こ
れらの部材の間の回転の間、整合させる様に設計され且
つ位置ぎめされている。軸受集成体は円筒形であって、
その外レースが外側の又は２番目の結合部材４４の内面
に固定されている。内レースは内側の又は１番目の結合
部材３８の外面に固定されている。

フランジ４０．４６が複数個の開口を持ち、これらの開
口が軸１０．１２の自由端にあるフランジ４２．４８の
対応する開口と整合している。これらの開口を通抜ける
ボルト及びナツト５８により、結合部材に対する軸の並
びに相互の着脱自在の結合が行なわれる。スリーブ３８
．４４が対応する軸１０．１２に固着された場合が示さ
れているが、角度方向の撓み及び軸方向の動きに対処す
ることが出来る様なたわみ継手を介して軸の接続を行な
うのが望ましい多くの用途がある。形式の異なる継手を
市場で入手し得ることが出来るが、それらの説明はこの
発明の範囲外である。こういう形式についての説明は、
デザイン・エンジニアリング誌１９８１年１０月号、第
６４頁乃至第６６頁を参照されたい。

第３図について説明すると、フィンガ３６が内側の円筒
形部材３８に取付けられていて、それから伸びることが
判る。２つのフィンガしか示してないが、種々の異なる
トルク負荷を支える為に数を変えることが出来る。フィ
ンガ３６が溝孔５０に入込み、フィンガ３６と溝孔５０
の間の係合によってトルクを伝達する。切欠き又は溝孔
５０は、フィンガ３６のアームの末端及びそれに支持さ
れた荷重セルを受入れる様な寸法である。溝孔５０の円
周方向の範囲は、結合部材の間、従って軸の間の限られ
た範囲の回転振動が出来る様になっている。溝孔５０は
何れも１つの平坦な面３２が回転軸線に対して半径方向
に伸び、これが荷重セル２４に接触する様に配置されて
いる。この平坦面が動力を受取る面を構成する。駆動軸
の回転により、動力を加える面３０が回転し、回転する
荷重セル２４を通じて、動力を受取る面３２を回転させ
、従って被動軸１２を回転させる。上に述べた様な結合
関係が得られる様に、結合部材は部分的に一方が他方の
中に配置される。

トルクの正確な測定を保証する為に、トルク計はその全
容量の７０％乃至１００％で使うのが普通である。現在
のトルク計の設計では、実際の装置のトルクをトルク計
の利用し得る範囲に整合させる為には、結合部全体の交
換を必要とする。この発明は、結合部全体をそのま−に
しておいて、一群の荷重セルから選ばれた荷重セルだけ
を交換することにより、異なる運転状態に合う様に装置
を調節できるので、装置に対してトルク計を容易に整合
させることが出来る。

上に述べた様な装置の利用者が当面する１つの問題は、
装置が所定速度になった時の遠心力の作用による較正の
ドリフト又は読みの変化である。

静止状態に於ける較正は、既知の大きさを持つ真のトル
クを加える簡単な平衡てこ装置を用いて達成することが
出来る。荷重セルを圧縮して、トルク負荷によって発生
されるものと比肩し得る様な荷重セルの歪みを発生する
ことにより、荷重セルを撓ませる模擬トルクを発生する
ことが出来、これに対して所定速度に於ける無負荷運転
により、遠心力の影響があるとすれば、その大きさを示
すことが出来る。荷重セルを較正するこういう方法は周
知である。

上に述べた装置と軸は、共通の回転軸線１４の周りに一
緒に回転する駆動軸１０及び被動軸１２の間のトルクを
測定する新規な方法を実施することが出来る装置を例示
するものである。この方法は、回転軸線１４から相等し
い予定の距離の所で駆動軸１０及び被動軸１２に対して
固定された罠数個の動力を加える而３０及び動力を受取
る面３２を用意する工程を含む。動力を加える面及び動
力を受取る面の各々が、回転軸線に対して略平行に、そ
れに対して半径方向にそしてそれから予定の距離の所に
配置され、従って、運転及び使用中、回転軸線に対して
駆動力を接線方向に伝達する様になっている。動力を加
える面３０を関連する軸と結合する為に管状結合部材３
８．４４を設ける。

更にこの方法は、軸受集成体５４．５６によって、管状
部材３８及び４４を一方が他方の中に入る様に軸支する
工程、及び動力を加える面３０と動力を受取る面３２の
間の界面に予定数の荷重セルを配置して駆動力を伝達し
、その間の接線方向の駆動力を直接的に感知する工程を
含む。位置ぎめする工程は、動力を加える面３０に隣接
した四部に荷重セルを着脱自在に挿入することを含む。

荷重セル２４は、伝達されると予想されるトルクの関数
として、予定の特性を持つ様に選ばれる。更にこの方法
は、予定の距離、荷重セルの予定数、及び感知された接
線方向の駆動力の関数として、その回転中の駆動軸１０
及び被動軸１２の間の界面に於けるトルクを決定する工
程を含む。

この発明を特定の実施例について説明したが、当業者に
は種々の変更が考えられよう。例えば、結合装置２０を
フィンガ及び溝孔を持つ同軸の同心部材として示したが
、第４図に示す様な１対のＵ字形継手を用いて結合を行
なうことが出来ることが理解されよう。従って、この様
な全ての変更は、この発明の範囲内に属することを承知
されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従って構成されたトルク測定装置を
示す概略構成図、第２図は第１図に示すトルク測定装置
を回転軸線に沿って切った断面図、第３図は第１図及び
第２図に示すトルク測定装置を第２図の線３−３に沿っ
て切った断面図、第４図は別の形のトルク測定用継手の
構成図である。 ［主な符号の説明コ １０：駆動軸 １２：駆動軸 １４：回転軸線 ２４：荷重セル ３０：動力を加える面 ３２：動力を受取る面 ３ｇ、４４：円筒形結合部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）駆動軸と被動軸が同軸に整合していて、共通の回転
   軸線の周りに一緒に回転し得るようになっている場合に
   、駆動軸から被動軸に伝達されるトルクを測定する装置
   に於て、駆動軸に軸方向に結合された第１の円筒形結合
   部材と、被動軸に軸方向に結合された第２の円筒形結合
   部材とを有し、これらの結合部材は直径が異なると共に
   一方が部分的に他方の中に同心に配置されており、更に
   、外側の結合部材の内面及び内側の結合部材の外面に同
   心に固定されていて、回転中に両結合部材の間の摩擦を
   防止する軸受手段と、一方の結合部材に形成されていて
   、何れも回転軸線から相等しい予定の距離の所に配置さ
   れて回転軸線に対して接線方向に力を加える様になって
   いる複数個の動力を加える手段と、他方の結合部材に形
   成されていて、何れも前記回転軸線から前記予定の距離
   に等しい半径方向の距離の所に配置されていて、該回転
   軸線に対して接線方向に力を受取る様になっている複数
   個の動力を受取る手段と、前記動力を加える手段及び前
   記動力を受取る手段の間の界面に配置された荷重セルで
   あって、結合部材及び軸の回転により当該荷重セル及び
   隣接する動力面が係合する時、前記両手段の間の接線方
   向の駆動力を直接的に感知する荷重セルと、前記予定の
   距離、荷重セルの数及び感知された接線方向の駆動力に
   応答して、回転中に両結合部材の間に発生したトルクを
   決定する手段とを有する装置。 ２）特許請求の範囲１）に記載した装置に於て、前記の
   荷重セル及びトルクを決定する手段を結合する遠隔測定
   手段を有する装置。 ３）特許請求の範囲１）に記載した装置に於て、何れも
   荷重セルを受入れる様に支持する凹面を持つ対称的に配
   置された複数個のフィンガを有し、各々の荷重セルが動
   力を加える手段を構成している装置。 ４）特許請求の範囲３）に記載した装置に於て、２番目
   の結合部材の自由縁に形成された複数個の溝孔を有し、
   該溝孔は関連するフィンガ及び荷重セルを受入れる様に
   対称的に配置されていて、各々の溝孔の一方の半径方向
   の縁が動力を受取る手段を構成している装置。 ５）特許請求の範囲３）に記載した装置に於て、前記軸
   受手段が前記支持手段から隔たり且つそれと同心の減摩
   軸受集成体を持っている装置。 ６）共通の回転軸線の周りに一緒に回転し得る駆動軸及
   び被動軸の間の界面に於ける合計の駆動力を感知し易く
   する集成体に於て、同心の重なる１対のスペーサを有し
   、各々のスペーサは１端が対応する一方の軸に結合され
   、一方のスペーサには、動力を加える面を形成した半径
   方向に伸びる複数個のフィンガが形成され、他方のスペ
   ーサには、動力を受取る面を形成した対応する複数個の
   開口が形成されており、前記フィンガが前記開口内に入
   込み、更に、動力を加える面及び動力を受取る面の間の
   界面に配置されていて、軸を回転させる為に、一方のス
   ペーサから他方のスペーサに結合された接線方向の駆動
   力を感知する力検出手段を受入れて支持する手段を有す
   る集成体。 ７）特許請求の範囲６）に記載した集成体に於て、各々
   の動力を加える面がフィンガの中に引込んでいて、力検
   出手段を着脱自在に受入れる集成体。 ８）特許請求の範囲６）に記載した集成体に於て、各々
   の動力を受取る面が他方のスペーサに形成された溝孔の
   一方の半径方向の縁である集成体。 ９）軸方向に整合していて、共通の回転軸線の周りに一
   緒に回転する駆動軸及び被動軸の間のトルクを測定する
   方法に於て、前記回転軸線から相等しい予定の距離の所
   で駆動軸に対して固定された複数個の動力を加える面を
   持つ第１の管状結合部材を用意し、前記回転軸線から前
   記予定の距離に等しい距離の所で前記被動軸に対して固
   定された複数個の動力を受取る面を持つ第２の管状結合
   部材を用意し、前記管状部材を一方が他方の中に入る様
   に軸支し、前記動力を加える面及び動力を受取る面の間
   の界面に予定数の荷重セルを配置して、その間の接線方
   向の駆動力を直接的に感知し、前記予定の距離、前記荷
   重セルの予定数及び感知された接線方向の駆動力の関数
   として、軸の回転中に駆動軸及び被動軸の間の界面に於
   けるトルクを決定する工程を含む方法。 １０）特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、前記
   位置ぎめする工程が動力を加える面に隣接した凹部に荷
   重セルを着脱自在に挿入することを含み、該荷重セルは
   伝達が予想されるトルクの関数として予定の容量を持つ
   方法。 １１）駆動軸と被動軸が軸方向に整合していて共通の回
   転軸線の周りに一緒に回転し得る時、駆動軸から被動軸
   に伝達されるトルクを測定する装置に於て、前記回転軸
   線から予定の相等しい半径方向の距離の所で駆動軸に対
   して固定された複数個の動力を加える面と、前記予定の
   距離に等しい半径方向の距離の所で前記被動軸に対して
   固定された複数個の動力を受取る面と、予定数の動力を
   加える面及び動力を受取る面の間の界面に配置されて、
   当該荷重セル及び隣接する動力面が軸の回転によって係
   合する様に移動する時、その間の接線方向の駆動力を直
   接的に感知する荷重セルとを有し、該荷重セルが、その
   回転中の駆動軸と被動軸の間に発生するトルクを表わす
   出力信号を発生する装置。