旋转轴扭矩测量装置及扭矩测量方法与转速测量方法

摘要

本发明公开了一种旋转轴扭矩测量装置及扭矩测量方法与转速测量方法，属于动力机械测量控制技术领域。它由左半轴、右半轴、检测块、位置检测传感器组成。把右半轴（7）与传动轴串联，左半轴（1）和右半轴（7）通过扭簧（4）连接传递扭矩，左半轴（1）和右半轴（7）可相对周向运动，扭簧体随传动轴一起转动，传递扭矩时扭簧被压缩，使两半轴相对角度发生变化，变化的角度与扭矩成正比；通过分析两半轴的相对角度变化，从而得到相应的扭矩。本发明有效解决了其他装置测量高速旋转轴扭矩时可靠性低、分辨率低、工作范围窄的问题，并能兼做转速传感器，降低测量系统成本。

说明书

技术领域

本发明涉及动力装置传动轴旋转状态下的扭矩测量，尤其是一种采用扭簧的 相位法测量传动轴扭矩的装置，属于动力机械测量控制技术领域。

背景技术

转速和转矩能反映机械传动系统性能，是旋转轴最重要的测量参数。如何准 确、快速、可靠和廉价地测量这两个量,同时又不会因为引入了测量反馈环节而 影响旋转轴的工作状态,是扭矩测量的难点。

目前国内对旋转轴扭矩测量的方法主要有两种，应用广泛是相位法测扭矩。 相位法测扭矩是在旋转轴的同轴方向上加装柔性扭杆,当在旋转轴上施加的扭 矩越大，柔性扭杆在轴向两个不同位置间的相对角度变化就越大，通过传感器检 测轴向两个不同位置的相对角度变化，就可以得到相应的旋转轴扭矩。根据测量 传感器的不同可以分为电磁式、光电式、激光式和电容式等。此方法对旋转轴的 强度与刚度要求高，因而成本较高，并且轴受扭时的扭转角较小，因而测量误差 较大，另外此方法由于柔性扭杆为一次成型结构件，互换性较差。

第二种方法为应变法，在旋转轴上安装应变电桥，通过测量旋转轴表面的应 力应变值，再将测量值代入相应的力学公式计算得到旋转轴上承受的扭矩大小。 由于应变电桥安装在高速旋转轴上，应变电桥与外部调理电路间需通过无线传输 或导电滑环进行能量与信号的交换。采用导电滑环法属于接触式测量法，导电滑 环长期接触高速旋转轴极易造成扭矩测量装置和被测装置的损坏；而无线传输法 输电设备复杂，抗干扰能力差，在恶劣环境中无法正常工作。

发明内容

本发明旨在解决当前扭矩测量中存在的诸多不足，发明一种旋转轴扭矩测量 装置及扭矩测量方法与转速测量方法，具有互换性好、通用性强、可靠性好和精 度高的特点。

一种旋转轴扭矩测量装置，其特征在于：包括左半轴、右半轴、保持架、 扭簧；上述右半轴的左端具有中心盲孔，左半轴的右端伸入该中心盲孔中；上述 左半轴的右端具有中心通孔；上述保持架的右端固定于右半轴的中心盲孔中，保 持架的左端伸入到左半轴的中心通孔中并通过滑动轴承安装在中心通孔中；上述 扭簧安装在保持架上，其右端与右半轴相连，其左端与左半轴相连；上述左半轴 右端周向均匀分布N个第一检测块，右半轴左端周向均匀分布N个第二检测块； 初始状态时第一检测块和第二检测块沿周向间隔均匀布置；N为2-5；该旋转轴 扭矩测量装置还包括位于右半轴的左端侧方的位置检测传感器；上述第一检测块、 第二检测块到系统中心轴线的径向距离相等，上述第一检测块、第二检测块、位 置检测传感器到右半轴右端面所在平面的距离相等。

利用所述的旋转轴扭矩测量装置的扭矩测量方法，其特征在于：把右半轴与 传动轴串联，左半轴和右半轴通过扭簧连接传递扭矩，左半轴和右半轴可相对周 向运动，扭簧体随传动轴一起转动，传递扭矩时扭簧被压缩，使两半轴相对角度 发生变化，变化的角度与扭矩成正比；通过分析两半轴的相对角度变化，从而得 到相应的扭矩。

所述的扭矩测量方法，其特征在于：当轴传递的扭矩变化时，第一检测块与 第二检测块的相对位置发生变化，当转轴旋转时，第一检测块与第二检测块使位 置检测传感器产生脉冲电压信号，转轴旋转一周产生2N个电压脉冲波形，对应 2N个检测块在圆周上分布的位置，通过分析电压脉冲波形中相邻脉冲的相位变 化，得到两半轴的相对角度变化，从而得到相应的扭矩。

所述的扭矩测量方法，其特征在于：当轴旋转时，在无扭矩加载情况下，均 匀分布的N个第一检测块与N个第二检测块使位置检测传感器产生2N个时间 间隔相同的电压脉冲波形，相邻脉冲的相对相位为零；当加载扭矩为T时，相 邻脉冲的相对相位变化为a；事先标定不同的a与T的对应关系，就可从相位变 化a得到T；为了解决N个第一检测块与N个第二检测块由于安装制造误差使 检测块周向间隔在初始状态时不能完全均匀布置，从而带来相角检测误差的问题， 在相角计算中，分别计算2N个电压脉冲波形中相邻2个脉冲之间的时间间隔 t₁,t₂,…,t_2N，并将其从大到小排序为t₁',t₂',…,t_2N'，电压脉冲波形中相邻2个脉 冲相位计算公式为：

所述的扭矩测量方法，其特征在于：上述N＝2；轴旋转一周产生4个电压脉 冲波形，对应四个检测块在圆周上分布的位置，通过分析电压脉冲波形中相邻2 个脉冲相位变化的方法可得到两半轴相对变化的角度，进而得到与角度成正比的 扭矩；当扭矩为零时，分别计算电压脉冲波形中相邻4个脉冲之间的时间间隔 t₁,t₂,t₃,t₄,并将其从大到小排序为t₁',t₂',t₃',t₄'，电压脉冲波形中相邻2个脉冲相 位计算公式为：

当扭矩为某个不为零的值T时，计算电压脉冲波形中相邻4个脉冲之间的 时间间隔t₅,t₆,t₇,t₈,并将其从大到小排序为t₅',t₆',t₇',t₈'，电压脉冲波形中相邻2 个脉冲相位计算公式为：

因此，当扭矩为T时，相对扭矩为零时的两个半轴角度变化为a₁-a₀；通过 标定可以得到两个半轴角度变化与扭矩之间的关系。

所述的旋转轴扭矩测量装置的转速测量方法，其特征在于：当轴旋转时，N 个第一检测块与N个第二检测块使位置检测传感器产生2N个电压脉冲波形，分 别计算电压脉冲波形中相邻2N个脉冲的之间的时间间隔t₁,t₂,…,t_2N，转速n的 计算公式为：

式中t₁,t₂,…,t_2N的单位为秒。

本发明一体化高速旋转轴扭矩测量装置是一种基于扭簧的测扭方法，扭簧常 用于机械中的平衡机构，其扭角正比于扭矩。将扭簧应用于转子扭矩测量，通过 测量扭角大小，可以很好地感受扭矩的大小，并且可以根据测量范围选择适当的 扭簧，使扭角变化处于合适的范围，提高测量精度，并具有较好的互换性。为了 解决传感器的可靠性问题，在结构设计上，巧妙地设计了滑动轴承、硬质套和保 持架机构，使扭簧安装可靠，接触部位的应力分布均匀，并减小周向摩擦。

本发明具有的明显优势是：本发明是一种非接触式扭矩测量方法，结构简单 可靠，转子上无需安装电子元件和线路，能够满足恶劣环境下高速旋转轴的扭矩 测量要求，测量快速，结果精确。本发明的测量装置内部采用扭簧感受扭矩大小， 具有线性度好、精度高、互换性强、易于制作的特点，通过更改扭簧可以改变传 感器量程，工作范围宽广。本发明有效解决了其他装置测量高速转子扭矩时可靠 性低、分辨率低、工作范围窄的问题，并能兼做转速传感器，降低测量系统成本。

附图说明

图1是一体化高速旋转轴扭矩测量装置外部示意图；

图2是一体化高速旋转轴扭矩测量装置内部结构示意图；

图3是扭矩为零时金属凸台位置传感器波形图；

图4是扭矩不为零时金属凸台位置传感器波形图；

图中标号名称：1.左半轴，2.滑动轴承，3.左半轴用硬质套，4.扭簧，5.保 持架，6.右半轴用硬质套，7.右半轴，8.第一检测块，9.第二检测块，10.位 置检测传感器，1-1.中心通孔，7-1.中心盲孔。

具体实施方式

如图1所示，一体化高速旋转轴扭矩测量装置，由左半轴1与右半轴7以及 非接触式金属检测块位置传感器10组成，左半轴1上有两个第一检测块8，右 半轴7上有两个第二检测块9。

如图2所示，一体化高速旋转轴扭矩测量装置内部结构包括左半轴1、滑动 轴承2、左半轴用硬质套3、扭簧4、保持架5、右半轴用硬质套6、右半轴7。 左半轴1和右半轴7之间通过扭簧4连接，连接部位分别采用硬质套固定在左半 轴1和右半轴7上，使接触部位的应力均匀分布。保持架5位于扭簧4中间，并 与右半轴7连为一个整体，保持架5与左半轴1之间通过滑动轴承2连接，以减 小周向摩擦，提高测量精度。

一体化高速旋转轴扭矩测量装置与传动轴串联，左半轴1和右半轴2可相 对周向运动，两传动半轴通过扭簧4连接传扭，扭簧体随转轴一起转动，传递扭 矩时扭簧被压缩，使两半轴相对角度发生变化，第一检测块8和第二检测块9 的相对位置也同时发生变化。转子旋转时，第一检测块8和第二检测块9使位置 检测传感器10产生脉冲电压信号。

如图3和图4所示，转子旋转一周产生4个电压脉冲波形，对应四个检测块 在圆周上分布的位置，通过分析电压脉冲波形中相邻2个脉冲相位变化的方法可 得到两半轴相对变化的角度，进而得到与角度成正比的扭矩。图3为扭矩为零时， 分别计算电压脉冲波形中相邻4个脉冲的周期t₁,t₂,t₃,t₄,并将其从大到小排序为 t₁',t₂',t₃',t₄'，电压脉冲波形中相邻2个脉冲相位计算公式为：

图4为扭矩为某个不为零的值T时，计算电压脉冲波形中相邻4个脉冲的 周期t₅,t₆,t₇,t₈,并将其从大到小排序为t₅',t₆',t₇',t₈'，电压脉冲波形中相邻2个脉 冲相位计算公式为：

因此，当扭矩为T时，相对扭矩为零时的两个半轴角度变化为a₁-a₀。通过 标定可以得到两个半轴角度变化与扭矩之间的关系。

一体化高速旋转轴扭矩测量装置还可以兼作转速传感器，转速n的计算公式 为：

式中t₁,t₂,t₃,t₄的单位为秒。