TWI258576B - Apparatus and method of belt dynamic tension measurement - Google Patents

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TWI258576B
TWI258576B TW093115737A TW93115737A TWI258576B TW I258576 B TWI258576 B TW I258576B TW 093115737 A TW093115737 A TW 093115737A TW 93115737 A TW93115737 A TW 93115737A TW I258576 B TWI258576 B TW I258576B
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Description

1258576 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種帶動態張力測量之裝置及方法，及 更特別地是有關於一種針對使用一輪轂負荷轉換器 (hubload transducer)及一力 矩轉換 器（torque t r a n s d u c e r )之傳動效率測量的帶動態張力測量之裝置及 方法。 【先前技術】 已知有各種不同之應力測量裝置。它們通常包括一可應 變構件（s t r a i n a b 1 e m e m b e r )，其中將一負荷提供給上述可 應變構件及將一應變規（strain gauge)固定至其上。在這 些裝置中有包括一具有多個可應變連桿構件（s t r a i n a b 1 e beam members) Sl 多個彎曲連桿構件(flexing beam in embers)之環形規環（annular gauge ring)，其中彎曲連 桿構件與環狀部分互連。 在這些已知裝置中有雙連桿感測構件（dual beam sensing members)，其包括以整體方式藉由平行分隔連桿 構件（parallel spaced beam members)來連接之分隔力耑另嗇 構件（spaced end wall members)，其中該平行分隔連桿構 件只在一方向上為相對可撓性的或可彎曲的。上述端牆中 之一通常係安裝至一支撐結構上以及其它端牆係有效地或 直接地安裝至一軸上。 此技藝之代表係 L e h t 〇 v a a r a之美國專利第 6，2 1 6，5 4 7 號（2 0 0 1 )，其揭露一包括一環形規環之負荷感測器，其中 5 3 12/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 該環形規環包括一環形内環部分及一環形外環部分以及 有多個可應變連桿構件及多個彎曲連桿構件。彎曲連桿 件則與環狀部分互連。 亦可參考2002年9月30日申請人所提出同為審查中 美國專利申請序號第1 0 / 2 6 2 , 0 3 5號，其揭露一具有可應 環之輪轂負荷轉換器，其係以一共面方式設置在一内環 一外環間。 亦已知用以測量力矩負荷之滑輪，其包括一具有應變 安裝於其上之圓柱形狀，其中該圓柱形狀連接至一滑輪 而另一端係連接至一軸上。 此技藝之代表係日本專利申請公告第 2 0 0 1 0 9 9 2 7 1號 其揭露一圓柱形狀，其連接至一滑輪，而其另一端連接 一軸上，以及具有安裝至上述圓柱形狀之應變規。 習知技藝並未教示：結合輪轂負荷轉換器及力矩轉 器，以操作於一系統基礎上。再者，輪轂負荷轉換器係 當地複雜，其包括彎曲連桿構件及可應變連桿構件。習 技藝之力矩轉換器缺少以扭轉方式使圓柱部分與其它支 結構隔離之手段。 所需要的是一種使用一輪轂負荷轉換器及一力矩轉 器以測量一操作帶節距張力（b e 1 t s p a n t e n s i ο η )之方法 裝置。所需要的是一種使用一輪轂負荷轉換器及一力矩 換器以測量一帶傳動效率之方法及裝置。本發明符合這 需求。 【發明内容】 3 12/發明說明書(補件)/93-08/93115737 具 構 之 變 與 規 至 換 相 知 撐 換 及 轉 些 1258576 本發明之主要態樣在於提供一種使用一輪轂負荷轉換 器及一力矩轉換器以測量一操作帶節距張力之方法及裝 置。 本發明之另一態樣在於提供一種使用一輪轂負荷轉換 器及一力矩轉換器以測量一帶傳動效率之方法及裝置。 本發明之其它態樣可藉由本發明下列說明及所附圖式 來指出及使其更易了解。 本發明包括一種使用一輪轂負荷轉換器及一力矩轉換 器以測量一運作中之前端配件帶張力之方法及裝置。該輪 轂負荷轉換器包括多個同心環，並具有一以共面方式設置 於内環及外環間之可應變構件。該輪轂負荷轉換器與一非 力矩傳送惰車(non-torque transmitting idler pul ley) 一起使用。該力矩轉換器包括一連接至一傳動帶軸承表面 與一旋轉軸之可應變圓柱構件。該力矩轉換器將一力矩傳 送至一受傳動配件（driven accessory)。上述力矩轉換器 係使用於一些配件（例如：一空調壓縮機或動力轉向泵浦） 上。使用來自上述輪轂負荷轉換器及力矩轉換器之信號， 以計算一傳動效率及傳動器及受傳動配件間之帶節距張 力。 【實施方式】 (輪轂負荷轉換器） 圖1係輪轂負荷轉換器之立體圖。該輪轂負荷轉換器係 相對輕小，且可使用於一滑輪中，以測量一軸負荷或軸動 態行為。此包括測量一輪轂負荷及藉此測量一帶節距張 7 3 12/發明說明書® 件)/93-08/93115737 1258576 力。一輪轂係在一帶傳動系統中藉由一帶張力施加至一滑 輪及其軸上之負荷 轉換器1 0 0通常包括一拱形内部構件或輪轂環1 0 1、感 測環1 0 2以及拱形外部構件或外環1 0 3。輪轂環1 0 1包括 一孔（b 〇 r e ) 1 0 4，其用以做為將轉換器安裝至一安裝表面的 手段。一緊固物（例如：螺栓（b ο 1 t ))經由孔1 0 4接合輪轂 環1 0 1，以將轉換器連接至一安裝表面上。輪轂環1 0 1係 相對剛硬，以提供一將轉換器連接至安裝表面之牢固裝 置。輪轂1 0 1亦可包括一整體式軸，用以將輪轂環1 0 1附 著至一安裝表面上。輪轂輪1 0 1係藉由連接部分或連接構 件1 0 8而連接至感測環1 0 2。 在輪轂環1 0 1每一側之隙縫1 2 0及1 2 1可提供進入至感 測環1 0 2之内表面1 2 2及1 2 3。經由隙缝1 2 0及1 2 1進入 可將應變規3 0 2及3 0 3安裝至感測環1 0 2。隙缝1 2 0及1 2 1 之使用係相依於一狹縫5 1 1之寬度。該隙縫1 2 0及1 2 1之 合併可允許狹縫5 1 1之寬度最小化至使感測環1 0 2在一輪 轂環橫向移動範圍限制上剛好可避免接觸輪轂環 1 0 1，藉 此相對於習知技藝可減小轉換器之整個直徑。例如：在狹縫 5 1 1特別窄之情況中（例如：約小於2毫米），大大地限制應 變規安裝至感測環1 0 2之進入，以及在欠缺隙縫1 2 0及1 2 1 的情況中不可能將一應變規安裝至感測環1 0 2。 感測環1 0 2係連接於輪轂環1 0 1與外環1 0 3之間。感測 環1 0 2包括一拱形可應變構件，其係以同軸心方式與内輪 轂環1 0 1與外環1 0 3配合。輪轂環、感測環及外環之同軸 8 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 60 1258576 心關係允許發明之轉換器具有一最小直徑（例如：小於 毫米），以便使用於局限區域（例如：一滑輪）中。 狹縫5 1 0係設置於感測環1 0 2與外環1 0 3之間。狹縫5 係設置於感測環1 0 2與内環1 0 1之間。在有負荷情況下 感測環1 0 2會變形成為長形或橢圓形，其在A - A方向上 有一主軸（mainaxis)，而在B-B方向上具有一次軸（min a X 1 s )(見圖3 )。狹縫5 1 1之寬度係由感測環1 0 2在負荷 於B - B方向上之所需全部變形來決定。狹縫5 1 1之寬度 可以是感測環1 0 2之厚度T的函數。厚度（T )係由感測環 暴露之動態條件（包括：最大設計負荷）來決定。使用有限 素分析（finite element analysis)最佳化厚度（T)，以 所期望負荷條件下提供一好的動態範圍。 至少一應變規係安裝於圖3所述之感測環。一輪轂力 量係由向量 6 0 0 來表示。在將一輪轂負荷施加至輪轂 時，感測環1 0 2有足夠的可撓性，以造成一表面應變於 應變規上。感測環1 0 2係經由一拱形連接構件5 1 2而連 至外環1 0 3及一部分1 0 7。該部分1 0 7及連接構件1 0 8 設置於感測環1 0 2之大致相對側上。當受到沿著軸A - A 輪轂力6 Ο 0時，構件5 1 2將感測環1 Ο 2連接至外環1 Ο 3 增強感測環之變形，因此會增強在感測環1 0 2中之表面 變。雖然向量6 0 0係顯示具有一特定方向，但是轉換器 偵測具有任何方向之負荷。當然，整個靈敏度係相依於 量6 0 0與上述應變規位置間之空間關係。因此，依據相 於部分1 0 7與構件1 0 8、應變規之位置及感測環1 0 2之 312/發明說明書(補件)/93-08/93 ] 15737 11 5 具 〇r 下 亦 所 元 在 向 環 接 係 之 會 應 能 向 關 厚 9 1258576 度的向量600之方向來最佳化轉換器之靈敏度。 當轉換器處於負荷之情況下，與感測環1 0 2連接之每一 連接構件5 1 2會部分變形。構件5 1 2具有一預定彈簧速率， 其為轉換器（更特別為感測環 1 0 2 )所承擔之動態負荷的函 數。預定彈簧速率會反過來決定每一構件5 1 2之拱形形狀。 可以了解的是，在操作期間，感測環1 0 2將不斷地承受 振動及週期性的負荷。此反過來將應力強加於感測環 102 與外環1 0 3間之連接部分。因此，構件5 1 2之拱形形狀會 藉由分佈及分散來增強一轉換器操作壽命，藉此減少可能 出現在感測環1 0 2與外環1 0 3間之連接部分上的之應力上 升面（stress riser)。此反過來會最小化可能由連接部分 之應力上升面所造成的潛力疲勞龜裂（potential fatigue cracking) 〇 可使用外環1 0 3中之隙縫1 0 5及1 0 6，以有助於將應變 規3 0 1及3 0 4安裝在感測環1 0 2上（見圖3 )。可經由隙縫 1 0 5及1 0 6進入，以將應變規3 0 1及3 0 4安裝至感測環1 0 2 上。隙縫1 0 5及1 0 6之使用係相依於一狹縫5 1 0之寬度。 隙縫1 0 5及1 0 6之合併可允許狹縫5 1 0之寬度最小化至使 感測環1 0 2在一輪轂環橫向移動範圍限制上剛好可避免接 觸外環 1 0 3，藉此相對於習知技藝可減少轉換器之整個直 徑。例如：在狹縫 5 1 0特別窄之情況中（例如：約小於 2毫 米），大大地限制了將一應變規安裝至感測環1 0 2之進入， 以及在欠缺隙縫1 0 5及1 0 6的情況中不可能將一應變規安 裝至感測環1 0 2。 10 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 支架 5 0 0 可用來接受一應變規信號調節器 (strain-gauge signal conditioner)。該支架 500 係安裝 至外環1 0 3上。亦可將支架5 0 0形成或鑄造成為外環1 0 3 之一整體部分。 外環1 0 3提供結構強度給上述裝置，同時亦提供一將轉 換器接合至一軸承及滑輪之手段。將外環1 0 3壓合至一滑 輪軸承，使該軸承與一滑輪接合，以便接合一傳動帶。外 環1 0 3具有足夠剛性，以允許一滑輪在一帶傳動系統中繞 著轉換器來旋轉。 輪轂環1 0 1、感測環1 0 2及外環1 0 3大致上係共面的。 更特別地，每一個環係以同軸心方式套入其它的環中。相 互套入這些環可最小化本發明裝置之厚度，藉此可允許在 例如一現有運輸工具前段配件傳動器（其設備空間係有限 的）之一滑輪中使用該轉換器。在一帶傳動系統中，本發明 轉換器可用以取代一現有滑輪，因此在更新設備安裝時， 幾乎不會或者不會修改一現有系統。轉換器亦可使用於一 張力調節器滑輪軸（tensioner pulley shaft)上之一張力 調節器滑輪（t e n s i ο n e r p u 1 1 e y )與一張力調節器臂 (tensioner arm)間之一張力調節器（tensioner)中，以便 測量一軸動態行為或一張力調節器臂動態行為。 在較佳實施例中，本發明之轉換器可以一材料（例如：金 屬，其包括銘、鋼、鈦、錢或上述金屬之結合或合金）以一 體成型方式來進行機械加工。依據轉換器所承受之負荷而 定，上述裝置亦可由一合適塑膠（例如：塑膠、陶瓷、酚樹 11 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 脂（p h e η ο 1 i c )或粉狀金屬）來鑄造、切割或塑造。 在另一實施例中，轉換器可包括藉由黏著劑或螺絲釘來 結合之三個部分（亦即，輪轂環、感測環及外環）（見圖 4 a )。在此實施例中，該輪轂環及外環包括一陶瓷材料，以 及該感測環包括一金屬材料。在另一實施例中，該輪轂環 及外環在一特別低負荷應用中可包括一塑膠材料。該塑膠 只需要有一足夠模數及能充分抗拒引擎之操作溫度及設計 負荷，其中轉換器係安裝至該引擎之上。 在另一實施例中，感測環及外環包括一單一機械加工之 部分，其中該輪轂環係藉由螺絲釘或黏著劑而安裝至感測 環上。在此實施例中，感測環與外環可包括一金屬材料， 而輪轂環則包括一陶瓷材料。在一相對低負荷應用中，輪 轂環亦可包括一塑膠材料。塑膠只需要有一足夠模數及能 充分抗拒引擎之操作溫度，其中轉換器係安裝至該引擎上。 圖2係轉換器1 0 0之立體圖。所顯示之轉換器1 0 0係包 含於一滑輪2 0 0中。一轴承或多個轴承2 0 5係壓入外環1 0 3 之外側，以佔據外環1 0 3與滑輪2 0 0間之環形空間。支架 5 0 0係藉由緊固物5 0 1及5 0 2而安裝至轉換器1 0 0。該滑輪 2 0 0可具有習知技藝所知之任何傳動帶軸承輪廓。 圖3係轉換器之感測環之平面圖。所顯示之感測環1 0 2 係具有應變規301、302、303、304，其中應變規301、302、 3 0 3、3 0 4係以全橋式結構安裝於感測環1 0 2上。應變規係 藉由導線4 0 1、4 0 2、4 0 3及4 0 4來連接。將導線4 0 2及4 0 3 之路徑導引至支架 5 0 0，以便連接至一設備導線。應變規 12 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 以便將向量與軸A - A對齊，藉此使應變規與軸B - ϊ 圖3 )。此可使用一自我對準構件7 Ο 0來完成。 更特別地，將一偏心自我對準構件 7 0 0設置 1 0 4。做為一範例（但並非用以限制之用），將不 7 0 0壓合至上述孔1 0 4，亦可了解到，構件7 0 0亦 包括一拱形内部構件之整體部分 1 0 1，亦即拱形 包括一具有一中心705之孔701，其中孔701並 換器幾何中心對齊。 偏心7 0 0包括孔7 0 1，該孔7 0 1之中心7 0 5以 設置於離一偏心構件幾何中心7 0 4有一個距離， 幾何中心7 0 4亦與一轉換器幾何中心及與感測環 一致。將軸承 7 0 2壓入孔 7 01，一固定構件（f m e m b e r ) 7 0 3 (例如：螺栓）經由軸承 7 0 2 突出且將 安裝至一安裝表面（未顯示）上，以及藉此將轉換 安裝表面上。藉由軸承702之動作，可使上述轉 地以固定構件7 0 3為中心旋轉。 在一範例情況中，顯示一輪轂負荷向量6 0 0作 器上。輪轂負荷由一具有張力之傳動帶BT所造成 結構中，起初向量6 0 0從孔中心7 0 5橫向地偏离丨 離。一旦施加一輪轂負荷6 0 0，構件7 0 0之自我 會運作，以適當地對齊轉換器。距離（D )係做為一 其會造成一施加至偏心構件7 0 0之力矩。力矩促 件7 0 0 (進而促使轉換器1 0 0及感測環1 0 2 )以軸承 心，直到向量6 0 0與中心7 0 5對齊為止，藉此可 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 丨對齊（見 在内環孔 偏心構件 可簡單地 内部構件 未與一轉 偏心方式 偏心構件 幾何中心 a s t e n i n g 軸承 7 0 2 器安裝至 換器自由 用於轉換 。在範例 i ( D )的距 對準結構 連桿臂， 使偏心構 7 0 2為中 去除自我 14 1258576 對準力矩及恢復平衡。不論向量6 Ο 0之方向為何，應用此 自我對準操作之方式。 圖7係該自我對準部分的部分平面圖。向量6 0 0與孔中 心 7 0 5對齊。該方位會導致應變規3 Ο 1、3 0 2、3 0 3及3 0 4 處於一適當感測位置，亦即與軸Β - Β對齊（如圖3所述）。 可以了解的是，轉換器可以在有或者沒有自我對準構件 7 0 0的情況下操作（如圖6及圖7所述）。自我對準構件7 0 0 之使用係相依於轉換器之所期望靈敏度及操作條件。自我 對準構件7 0 0之使用亦可部分相依於操作期間向量6 0 0之 移動範圍。轉換器之靈敏度係應變規與一負荷向量6 0 0對 齊之函數。例如：如果針對一窄範圍方向之向量6 0 0，使本 發明之轉換器與空轉輪一起使用，則自我對準構件之使用 可以是不重要的。在另一情況中，在轉換器係使用於一具 有一相對大範圍移動之張力調節器的情況下，自我對準構 件之使用係有助於保持上述轉換器之所需靈敏度，其中相 對大範圍移動係由一張力調節器臂移動所造成。 圖 8 係一傳動帶配件傳動之示意圖。有了多楔帶 (multiple-ribbed belts)之發展，一單一蛇形帶之實行及 使用以傳動整個配件（包括：空調、動力轉向、交流發電機 及水泵浦）已廣泛地被自動工業所採用。傳動使用該帶（B ) 之多楔側及背側。此免除複數個帶之需求，其中該複數個 帶係用以傳動每一配件組成，及反過來會減少整個正面及 背面引擎尺寸。一帶傳動之典型配置係顯示於圖8中。更 特別地，該輪之記號如下：交流發電機「A L」、動力輔助轉 15 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576
Tl = T2 = H/[2sm(0/2)] ( 1 ) 其中 H係輪轂負荷轉換器所測量之帶輪轂負荷力，以及θ 係此滑輪處之具有度數大小的帶纏繞角（w r a p a n g 1 e )。可 從配置之幾何來測量該帶纏繞角。轉換器所測量到之輪轂 負荷力 Η 稱之為 「基線張力測量（b a s e 1 i n e t e n s i ο η m e a s u r e m e n t )」。如圖1 - 7所述，在輪轂負荷轉換器上之應 變規產生一要饋入習知技藝所知之設備（例如一信號調節 器/放大器及示波器或數位電錶）的信號，其中這些設備會 以牛頓單位來顯示輪轂負荷力。一範例應變規信號調節器/ 放大器係一 I 0技術應變規組件（D B K 4 3 Aτ M 8 -通道應變規組 件），其顯示於網路上之不變資源定位址 (URL)http://www. iotech.com/catalog/dag/catdbk43.ht m 1 〇 不像上述輪轂負荷轉換器，力矩轉換器可傳送及測量一 力矩。當一滑輪（針對上述水泵浦WP之滑輪）傳送力矩時， 力矩轉換器上之力矩差為： Γ3~Γ2 = 2*ρ/Ζ) ( 2 ) 其中Q係力矩轉換器所測量到之力矩（牛頓/公尺），以及D 係力矩轉換器之滑輪節圓直徑（公尺）。通常，為了有最大 摩擦力，使力矩轉換器連接至一多楔滑輪 (m u 1 t i ρ 1 e - r i b b e d p u 1 1 e y )。力矩轉換器所測量到之力矩 值稱之為「增量張力測量」。 上述帶傳動之效率係定義為： η = ([Ρ output]/[P iηput ] ) * 1 00 % 17 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 其中P i n p u t係動力輸入5以及P 〇 u t p u t係動力輸出。上 述P input及P output係定義為： P input 二 Qcr氺 cocr P 〇 u t p u t = ( Q λ c * ω λ c) + ( Q λ l * ω λ l ) + ( Q p λ * ω p λ ) + ( Q "氺 ω w i)) 力矩 Q C R、Q A C、Q Λ L、Q P Λ及 Q W P係在每一對應轴上以力矩· 轉換器來直接測量。同時亦在每一對應軸上測量旋轉速率 (R P Μ )。由於主傳動帶滑輪系統之相對高效率，因而可完成 準能量守十亘狀態（quasi-energy conservation state)。 在理想情況（假設在上述系統中沒有摩擦）下，能量守恒 要求總動力輸入相等於總動力輸出。
QcrCOcr 二 QacCOac + QalCOal + QpaCOpa + QwpCOwp 其中ω代表具有弧度/秒尺寸單位之旋轉速率。 假設傳動帶與每一滑輪間沒有任何滑動，然後：
COcr 氺 Dcr = COac*Dac COcr^Dcr^COal^Dal CO C R ^ D C R = CO Ρ Λ ^ D Ρ Λ CO C I? ^ D w P = CO Λ C ^ D W P 使用無滑動方程式以解出能量守恒方程式，結果曲軸力 矩QCR可以組成力矩項來表示成為： Q C R = Q Λ C * D C R / D Λ C + Q Λ L * D C I" D Λ L + Q Ρ Λ * D C R / D 丨)Λ + Q * D C R / D ( 3 ) 應注意的是，當使用方程式（2 )及（3 )時，傳動力矩及受 傳動力矩將分別以「+」及「-」來表示。傳動力矩係一曲 車由阻尼器力矩（c r a n k s h a f t damper torque),以及受傳動 力矩係特定組成（例如：空調壓縮機、交流發電機等）之力 18 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 矩。曲軸力矩係使用方程式（3 )來計算。在節距1及2上之 基線張力係使用基線張力方程式（1 )來計算。相鄰節距張力 (例如：節距 3至節距6 )係以增量張力方程式（2 )使用力矩 轉換器測量來計算。 為了描述上述計算程序之目的，隨機選取及提供下列假 設值（但並非用以做為限制之用）。 曲軸阻尼器，節圓直徑D c r = 2 0 0 [毫米] 在A C處所測量之力矩Q λ c = - 3 0 [牛頓-公尺] 節圓直徑D a c = 1 8 0 [毫米] 在A L處所測量之力矩Q λ l = - 2 0 [牛頓-公尺] 節圓直徑Dal = 60[毫米] 在P A處所測量之力矩Q p a = - 1 5 [牛頓-公尺] 節圓直徑Dpa = 150[毫米] 在W P處所測量之力矩Q ” - 5 [牛頓-公尺] 節圓直徑D w p = 1 0 0 [毫米] 如上述所提，上述「+」符號代表一傳動力矩，以及「- _ 符號代表一受傳動配件力矩。 使用上述方程式（3 )來計算傳動力矩（曲軸力矩）：
Qcr二200/180*30+200/60氺20+200/150*15+200/100*5 二+ 1 3 0 [牛頓-公尺] 使用上述方程式（2 )，以計算每一帶節距中之增量張力 成為： T34 = 2*130*1000/200 = + 1300[牛頓] Τ45 = 2 * 3 0 * 1 0 0 0 / 1 8 0 = - 3 3 3 [牛頓] 19 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 Τ 5 6 = 2 * 2 Ο * 1 Ο Ο Ο / 6 0 二-6 6 7 [牛頓] Τ 6 卜 2 * 1 5 * 1 Ο Ο Ο / 1 5 Ο 二-2 Ο Ο [牛頓] Τ23 = 2*5*1000/100二-100[牛頓] 上述「1 0 0 0」項係從單位轉換所獲得的，亦即： 1 . 0牛頓-公尺=1 0 0 0牛頓-毫米 張力調節器惰輪I D L之纏繞角係Θ = 6 0 ° C。輪轂負荷轉 換器在I D L所測量之輪轂負荷係Η = 3 5 0 [牛頓]。 使用上述方程式（1 )，以計算在節距 1及 2之帶張力成 為：
Tl=T2 = H/ [2*sin(0/2)] = 35O[牛頓] 因此，可將上述相鄰節距張力計算成為： T3二T2 + T23 = 350-100 = 250[牛頓] Τ4 = Τ3 + Τ34 = 250 + 1300 = 1550[牛頓] Τ5 = Τ4 + Τ4 5 = 1 5 5 0 - 3 3 3 = 1217[牛頓] Τ6:Τ5 + Τ56:1217-667 = 550[牛頓] Τ1=Τ6 + Τ61二550-200 = 350[牛頓] (力矩轉換器） 圖9係一力矩轉換器之剖面圖。所顯示之一力矩感測器 1 0 0 0係連接至一軸1 0 0 1。軸1 0 0 1係一旋轉軸，用以將動 力（力矩）輸入至一受傳動配件（例如A C、A L、W Ρ、Ρ Α或者 從一傳動器（例如：一曲軸 C R K )將動力輸出。感測器 1 0 0 0 包括一環 1 0 0 2 ， 其藉由螺紋緊固物 （t h r e a d e d f a s t e n e r s ) 1 0 0 3將轉換器固定至軸1 0 ◦ 1。環1 0 0 2係固定 至一可應變圓柱本體1 0 0 5。而可應變圓柱本體1 0 0 5則固 20 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 一軸承3 Ο Ο 4係設置於外環3 Ο Ο 3與輪轂3 Ο Ο 2間之 形空間3 Ο 1 5中，環形空間3 Ο 1 5及軸承3 Ο Ο 4係朝輻射 遠離曲軸3 Ο Ο 1來設置，以最佳化在管狀部分3 0 0 6上 轉應變。當承受一力矩時，軸承3 0 0 4允許外環3 0 0 3 相對於輪轂3 0 0 2來旋轉，藉此以正比於所供應之力矩 管狀部分3 0 0 6變形。一具有足夠高模數之外環3 0 0 3 保使所有力矩相關應變大致上隔離至管狀部分3 0 0 6， 3 0 0 4支撐管狀部分3 0 0 6，以防止管狀部分3 0 0 6在負 況下過度變形或扭曲，軸承 3 0 0 4 包括一密封式滾珠 (sealed ball bearing)，在管狀部分 3006 與外環 包括單一元件的情況下，可藉由壓合（pressfit)來安 述軸承3 0 0 4。 一彈性構件3 0 0 8係設置於外環3 0 0 3與帶軸承構件 之間。彈性構件3 0 0 8可包括任何天然橡膠或合成橡膠 何其組合，其包括（但不限於）氫化丁橡膠（Η N B R )及/ 元乙丙橡膠（E P D Μ )，構件3 0 0 8係藉由習知之黏著劑或 或，者上述組合而保持於構件3 0 0 9與外環3 0 0 3間之一 空間3 0 1 4中。彈性構件3 0 0 8之壓縮範圍為其未壓縮 之2 0 %至7 0 %間。 彈性構件 3 0 0 8 阻尼曲軸之旋轉及引擎之操作所造 曲軸振動，在此方式中之阻尼振動會減少曲軸所驅動 傳動系統的磨損，藉此增加上述系統組件之使用壽命 減少不受期望噪音之傳送及對運輸工具車架及擁有者 動。帶軸承構件3 0 0 9具有一多楔輪廓3 0 1 0，用以接 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 一環 方向 之扭 稍微 來使 可確 軸承 荷情 軸承 3 0 0 3 裝上 3 0 0 9 或任 ^ 二 壓縮 環形 厚度 成的 之帶 以及 之振 合一 23 1258576 中在本體1 Ο Ο 5之向外設置的表面上具有以Ο °、9 Ο °、1 8 Ο ° 及2 7 0 °所標記之位置。4 5 °應變規對係以下列方式來設置： 在（Γ位置之T1C1、在90°位置之T2C2、在180°位置之T3C3 及在 270° 位置之 T4C4。應變規 ΤΙ、Τ2、Τ3、Τ4、Cl、C2、 C 3及C 4中之每一應變規包括適用於操作之已知電阻。每 一應變規係結合至圓柱本體1 0 0 5之表面（如圖1 3所示）， 藉此測量本體1 0 0 5之應變，其中本體1 0 0 5之應變係正比 於滑輪/感測器結合所傳送之力矩。如圖 1 2 所示，上述 「4 5 °」項係提及每一應變規主軸方向相對於軸A - Α之角度 關係，軸A - A係以相對於軸R - R有9 0度角之方式來設置， 因為應變規軸大致上對齊於一主要應變方向，所以上述角 度關係可提供用以偵測一扭轉應變之最大靈敏度。上述角 度之可接受結果可在大約4 0 ° - 5 0 °範圍内。 圖 1 5 係一具有雙極激發之雙橋式應變規裝置的示意 圖。雙橋式應變規可提供增加用以偵測小應變之靈敏度， 傳送至應變規信號調節器及設備模組之信號係以 S +及 S -來表示，而電壓源係以P +及P -來表示。 本發明系統及組件可以最小修改方式使用於現有運輸 工具前段配件傳動中，輪穀負·荷轉換器安裝於一惰輪中， 因為每一力矩轉換器可安裝成為原始設備或改裝至現存力 矩傳送配件滑輪及曲軸中，所以力矩轉換器可提供大的彈 性。 圖1 6係一測試帶傳動系統之示意圖。在此範例系統中， 一力矩轉換器係安裝至動力轉向裝置P_S及交流發電機滑 25 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 輪 A L T。一輪轂負荷轉換器係安裝至惰輪（i d 1 e r ( I D L ) p u 1 1 e y )。藉由曲軸滑輪C R K朝方向D來傳動上述傳動帶。 然而，一使用者可裝設使用一輪穀負荷轉換器及多個力矩 轉換器之（η - 1 )個滑輪，其中η係滑輪整數。圖1 5中之系 統包括η = 8之滑輪。 圖1 6中之測試系統的配置資料如下： 配置資料[毫米] 配置# 1 X軸 Y軸 平面直徑 節圓直徑 有效直徑 CRK 0.00 0.00 170. 31 168. 31 P_S 191.20 19.80 139. 97 137.97 AL 1 -7.00 335. 00 53.3 1 5 1.31 I DR -158. 00 253. 50 76.00 78.40 80.40 I DR -266. 60 139. 25 78.71 76.71 A_C - 2 0 7. 1 0 -7.40 116.01 114.01 TEN -142. 96 160. 56 76.00 78.40 80.40 W_P 22.00 172.00 129.00 131.40 133.40 傳動帶傳動系統結構 節距長度[毫 米] 纏繞角加速度 速度比（參考 引擎） CRK 19 1.6 168.2 1.000 P_S 3 6 9.8 118.4 1.217 AL1 158.4 102.1 3.195 I DR 136.7 34.4 2.172 I DR 157.2 88.8 2.164 A_C 15 1.3 176.5 1.468 TEN 163.2 88.6 2.172 W_P 85.5 170.9 1.296 使用下列方程式以計算上述各別張力。 =所測量値 w —^—— 2漏(，·.) 2 2 φΑΙ(/2 26 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576
PS /2
UPS Η = ύη{-γ){ΤΑΙί ^ΤΡ8) Γ =張力，// =輪轂負荷，β =力矩，4 =直徑 θ =纏繞角 為了描述之目的（但並非用以限制），一實例計算包括： W 192.63ff : 325·7牛頓 2sin(了） T2 = 325.7 + 5.206 0.05331/2 =521.0牛頓 Τ' = 521.0 + 16.372 0.13997/2 =754.9牛頓 為了計算上述傳動效率，亦需要測量其旋轉速度，以決 定此數量。至於上述範例，可直接使用力矩轉換器來測量 在曲軸上之力矩，以取代計算：
Qcr = + 135[牛頓-公尺];在曲軸CR上之旋轉速度=1000轉/ 分
Qac = -30[牛頓-公尺];在空調裝置 AC上之旋轉速度=1100 轉/分 Q a卜-2 0 [牛頓-公尺];在交流發電機 A L 上之旋轉速度 二3 3 0 0轉/分
Qpa = -15[牛頓-公尺];在動力轉向裝置 PA上之旋轉速度 =1 3 0 0轉/分
Qwp = -5[牛頓-公尺];在水泵浦WP上之旋轉速度=2000轉/ 分 27 312/發明說明書(補件)/93-08/93 Π 5737 1258576 傳動效率可計算成為： ” = abs([Q/\c*AC + QAL*AL + QpA*PA + Qwp*WP]/[QcR*CR])*100%=l( 30木1100 + 20氺3300 + 1 5氺 1300 + 5氺2000 )/( 1 35氺1 000 )氺100 I η = 9 5 . 1 9 % 圖 1 7係顯示測試帶傳動系統之所測量的輪轂負荷及力 矩的圖示。上述所實施之實例傳動節距張力計算係在時步 (t i m e s t e ρ )為2 3秒時執行的。雖然可在每一時步計算力 矩 T!、T 2、T 3及 T 4，該 2 3秒之時步係隨機選取的。曲線 (A )為惰輪輪轂負荷。曲線（B )係交流發電機力矩，以及藉 由曲線（C )係動力轉向泵浦（P / S )力矩。藉由此說明書中所 述之指示及如圖1 6所述來測量上述每一個值。 上述測試系統經歷三個負荷/無負荷週期。在時間從 0 至4秒時，交流發電機力矩及惰輪輪轂負荷大致上係固定 的。在時間大約2秒時，動力轉向力矩增加，而負載減少。 而在時間約為1 1秒時，負載大致上維持固定。在時間從4 至5秒時，交流發電機力矩減少。在時間為5秒時交流發 電機力矩穩定地增加至時間為9秒時，，其中交流發電機力 矩在時間為9秒時達到平衡。在時間約為4秒時，輪轂負 荷減少至時間為6秒時。在時間為6秒時，輪轂負荷突然 增加至時間為4秒時所測量到之值。在時間為1 1秒時，週 期重複至時間為2 5秒時，以及再次重複至時間為3 7 +秒時。 圖 1 8係測試帶傳動系統之每一時步所計算出的張力之 圖示。將游標放置在2 3秒標號上，以便相關聯於以及描述 圖1 6之結果。曲線（A )係惰輪張力，曲線（B )係交流發 28 3丨2/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 電機張力Τ 3，以及曲線（C )係動力轉向泵浦（P / S )張力Τ 2。 上述計算最好使用一電腦來實施，其中上述電腦係經程式 化，以實施上述計算。而該電腦程式化係使用已知方法來 達成的。 圖 17中所述之每一週期的進行可清楚地在圖 18中看 到。例如·.因為惰輪沒有傳送一力矩，所以在圖1 6所述之 節距3及4中的惰輪帶節距張力係對應於圖1 7所示之惰輪 輪轂負荷。在節距2之帶張力（曲線（Β))為上述交流發電機 之函數（見圖17)。在節距1之帶張力（曲線（C))為上述交 流發電機力矩及上述動力轉向力矩之函數（見圖17)。 可以了解的是，上述系統及方法可將力矩轉換器來裝設 至所有的滑輪（除上述惰輪外），其中因為惰輪並沒有傳送 力矩，所以惰輪安裝有一輪轂負荷轉換器。 雖然已描述本發明之形式，但是熟知該項技藝者在不脫 離本發明之精神及範圍内可易於對結構及零件間之關係做 改變。 【圖式簡單說明】 併入此處及做為說明書之一部分的所附圖式描述本發 明之較佳實施例，以及伴隨說明以解釋本發明之原理。 圖1係輪轂負荷轉換器之立體圖。 圖2係輪轂負荷轉換器之立體圖。 圖3係輪轂負荷轉換器之感測器環的平面圖。 圖4 Α係輪轂負荷轉換器之平面圖。 圖4B係圖4A沿著剖面線B-B之剖面圖。 29 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 圖4 C係圖4 B中4 C - 4 C處之側視圖。 圖5係輪轂負荷轉換器之立體分解圖。 圖 6 係輪轂負荷轉換器之自我對準部分的一部分平面 圖。 圖7係輪轂負荷轉換器之自我對準部分的部分平面圖。 圖8係一帶配件傳動之示意圖。 圖9係一力矩轉換器之剖面圖。 圖1 0係力矩轉換器之一替代實施例的剖面圖。 圖1 1係力矩轉換器之一替代實施例的剖面圖。 圖 1 2係設置於一可應變構件上之一單一全橋式應變規 裝置的示意圖。 圖 1 3係一具有雙極激發之單一全橋式應變規裝置的示 意圖。 圖 1 4 係設置於一可應變構件上之一雙橋式應變規裝置 的示意圖。 圖1 5係一具有雙極激發之雙橋式應變規裝置的示意圖。 圖1 6係一測試帶傳動系統之示意圖。 圖 1 7 係顯示測試傳動帶傳動系統之每一步驟所測量到 之輪轂負荷及力矩的圖示。 圖 1 8係測試帶傳動系統之每一步驟所計算出的組成張 力之圖示。 (元件符號說明） 1-6 帶節距 1 00 轉換器 30 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 10 1 拱 形 内 部 構 件 或 輪 轂環 1 02 感 測 環 1 03 拱 形 外 部 構 件 或 外 環 1 04 iL 10 5 隙 縫 10 6 隙 縫 1 07 部 分 1 08 連 接 構 件 1 20 隙 縫 12 1 隙 縫 1 22 内 表 面 1 23 内 表 面 200 滑 輪 20 1 螺 絲 釘 202 螺 絲 釘 203 螺 絲 釘 204 螺 絲 釘 205 軸 承 30 1 應 變 規 302 應 變 規 303 應 變 規 304 應 變 規 40 1 導 線 402 導 線 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737
31 1258576 403 導 線 404 導 線 500 支 架 50 1 緊 固 物 502 緊 固 物 5 10 狹 縫 5 11 狹 縫 5 12 拱 形 連 接 構 件 600 輪 轂 負 荷 700 白 我 對 準 構 件 70 1 孔 702 轴 承 703 固 定 構 件 704 偏 心 構 件 幾 何 中心 705 中 心 1000 力 矩 感 測 器 10 0 1 軸 1002 環 1003 螺 紋 緊 固 物 10 0 5 可 應 變 圓 柱 本 體 1007 帶 接 合 環 1008 帶 接 合-部 分 1009 低 摩 擦 軸 承 2 0 0 1 滑 環 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737
32 1258576 2 0 0 2 信號調節器 2 0 0 3 軸承 2 0 0 4 軸承 2 0 0 5 帶軸承表面 2 0 0 6 組成軸 2 0 0 9 圓柱本體 2010 轉接器板 2 0 11 緊固物 2012 轉接器 2015 栓 2016 緊固物 3 0 0 1 曲軸 3 0 0 2 輪轂 3 0 0 3 外環 3 0 0 4 軸承 3 0 0 5 螺栓 3 0 0 6 可應變圓柱或管狀部分 3 0 0 7 管狀部分表面 3 0 0 8 彈性構件 3 0 0 9 帶軸承構件 30 10 多楔輪廓 30 11 已知滑環及信號調節器 30 12 螺栓 3 0 13 螺栓 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 33 1258576 3 0 14 環 形 空 間 30 1 5 環 形 空 間 AC 空 調 裝 置 AL 交 流 發 電 機 BT 帶 C 1 - C4 應 變 規 CR 曲 軸 CRK 曲 轴 滑 輪 D 偏 離 距 離 I DL 惰 輪 T 1 - T4 應 變 規 P + 及 P- 電 壓 源 PA 動 力 轉 向 裝 置 P_S 動 力 轉 向 裝 置 S + 及 S- 信 號 WP 水 泵 浦 Θ 傳 動 帶 纏 繞 角 34 3 12/發明說明書(補件)/93-08/93115737

Claims (1)

1258576 拾、申請專利範圍： 1 . 一種轉換器，其係包括： 一外環構件，具有至少一隙縫； 一輪轂構件，具有至少一隙縫； 一拱形感測構件； 該拱形感測構件係連接於該外環構件與該輪轂構件之 間，該拱形感測構件係藉由一連接構件而連接至該外環構 件，其中該連接構件具有一用以分散應力之拱形形狀；以及 該外環構件及該輪轂構件係共平面的。 2.如申請專利範圍第1項之轉換器，其更包括： 至少一應變規，設置於該拱形感測構件之一表面上。 3 .如申請專利範圍第1項之轉換器，其中，該拱形感測 構件與該外環構件及該輪轂構件係共面的。 4. 如申請專利範圍第1項之轉換器，其中，該内環構件 係描述一用以將該輪轂構件連接至一安裝表面之手段。 5. 如申請專利範圍第1項之轉換器，其中，該外環構件 及該輪轂構件係同軸心的。 6 . —種轉換器，其係包括： 一外部構件，具有一隙縫； 一内部輪轂構件，具有一隙縫； 一拱形可應變構件； 該拱形可應變構件係在一第一位置處連接至該外部構 件及在一第二位置處連接至該内部輪轂構件； 該第一位置及該第二位置係設置於該拱形可應變構件 35 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 之大致相對側上；以及 該外部構件及該内部輪轂構件係共面的。 7 .如申請專利範圍第6項之轉換器，其更包括： 至少一應變規，設置於該拱形可應變構件之每一側。 8 .如申請專利範圍第6項之轉換器，其中，該拱形可應 變構件與該外部構件及該内部輪轂構件係共面的。 9 .如申請專利範圍第6項之轉換器，其中，該内部輪轂 構件係描述一用以容納一緊固物的孔。 1 0.如申請專利範圍第 6項之轉換器，其中，該外部構 件及該内部輪轂構件係同軸心的。 1 1 .如申請專利範圍第 6項之轉換器，其中，該拱形可 應變構件係藉由一連接構件而連接至該外部構件，其中該 連接構件具有一用以分散應力集中之拱形形狀。 1 2 . —種轉換器，其係包括： 一拱形外部構件，具有一隙縫； 一拱形内部構件，具有一隙縫； 一拱形可應變構件； 該拱形可應變構件係連接於該拱形外部構件及該拱形 内部構件之間； 至少一應變規係設置於該拱形可應變構件之一表面上； 該拱形外部構件及該拱形内部構件係共面的；以及 該拱形内部構件包括一偏離一轉換器中心之孔，藉此該 轉換器可以該轉換器中心偏心地旋轉。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之轉換器，其中，該拱形可 36 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 應變構件與該拱形外部構件及該拱形内部構件係共面的。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之轉換器，其中，該拱形内 部構件描述一孔。 1 5 .如申請專利範圍第1 2項之轉換器，其中，該拱形外 部構件及該拱形内部構件係同軸心的。 1 6 .如申請專利範圍第1 2項之轉換器，其更包括一位於 該拱形可應變構件及該拱形外部構件間之拱形連接構件。 1 7 .如申請專利範圍第1 2項之轉換器，其更包括一設置 於該用以接合一緊固物之偏離孔中的軸承。 1 8 . —種力矩轉換器，其係包括： 一圓柱可應變構件，具有一表面及一第一部分與一第二 部分； 該第一部分可連接至一軸上； 該第二部分係連接至一帶軸承部分； 一低摩擦軸承，設置於該帶軸承部分及該圓柱可應變構 件之間，用以大致上隔離在該表面上之一力矩所引起之應 力；以及 至少一應變規，安裝至該表面上，該應變規產生一正比 於該力矩所引起之應力的信號。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其更包括： 一滑環，接合於該圓柱可應變構件，用以接收該信號； 以及 一信號調節器，以電性連接方式設置於該應變規與該滑 環之間。 37 3 12/發明說明書(補件)/93-08/93 Π 5737 1258576 2 〇 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其中，該低 摩擦軸承包括一滾珠軸承。 2 1 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其中，該帶 軸承部分包括一多楔輪廓。 2 2 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其更包括多 個應變規，安裝於該表面上及設置成一全橋式電性結構。 2 3 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其更包括一 第二應變規，安裝至該表面上及互助地連接至該應變規。 2 4 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其中，一應 變軸係設置於一相對於一圓柱可應變構件旋轉軸（R - R )之 大約4 5 ° - 5 0 ◦的範圍中。 2 5 .如申請專利範圍第1 8項之力矩轉換器，其更包括一 阻尼構件，設置於該傳動帶軸承部分及該圓柱可應變構件 之間。 2 6 .如申請專利範圍第2 5項之力矩轉換器，其中，該阻 尼構件包括一彈性材料。 2 7 . —種用以測量一運作中之帶傳動系統之一帶動態張 力的方法，其係包括下列步驟： 將一帶接合至一傳動滑輪及一受傳動滑輪之周圍； 使用該傳動滑輪來傳動該帶及該受傳動滑輪； 使用一輪轂負荷轉換器來測量一惰輪上之一輪轂負荷； 使用一力矩轉換器來測量一受傳動滑輪上之一受傳動 滑輪力矩； 測量一受傳動滑輪旋轉速度；以及 38 312/發明說明書(補件)/93-08/93115737 1258576 使用該所測量到之受傳動滑輪力矩及該所測量到之輪 轂負荷來計算一帶節距張力。 2 8 .如申請專利範圍第2 7之方法，其更包括下列步驟： 使用該輪轂負荷轉換器及力矩轉換器來裝設（η - 1 )個滑 輪，其中（η )係滑輪總數。 2 9 .如申請專利範圍第2 7之方法，其更包括下列步驟： 使用該受傳動滑輪力矩及傳動旋轉速度來計算一傳動 效率。 39 312/發明說明書(補件)/93-08/935737
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