一种拖拉机驱动轮力矩测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种拖拉机驱动轮力矩测量装置及测量方法，将拖拉机驱动桥的半轴与太阳轮齿轮通过花键联接，太阳轮齿轮与行星齿轮一侧外啮合，行星齿轮通过轴销固定在行星架上，行星架通过花键与驱动轴联接，行星齿轮能够绕轴销转动，行星齿轮另一侧与齿圈内啮合，齿圈上设有凸缘，所述凸缘安装在驱动桥壳体上的凹槽内，在凸缘两侧和凹槽面之间各安装一个压力传感器，用于检测行星减速机构中齿圈对驱动桥壳的作用力信息；数据采集和计算模块采集压力传感器的信号，并根据行星减速机构的结构尺寸参数和压力传感器位置尺寸计算出驱动轮轴的力矩，即驱动轮力矩。本发明对拖拉机驱动桥的结构改动量小，易实现批量生产和产业化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种拖拉机驱动力矩测量装置及测量方法。

背景技术

在拖拉机的牵引功率测试和农田作业控制中，需要获得拖拉机的工作负荷信号。测量拖拉机牵引负荷常用的方法有两种，一种方法是通过测拖拉机的牵引力方式获得牵引负荷，这种方法可进行随车作业测量；另一种方法测量出拖拉机的驱动轮的驱动力矩信号。测量拖拉机的驱动轮驱动力矩可通过试验台架进行，通过试验台架上的加载装置对驱动轮加载测出，但这种方式不能在拖拉机机组作业中进行，驱动轮的力矩测量也可以直接测量驱动轮驱动半轴的力矩获得，例如：马国瑞提出在驱动轴和车轮之间安装了测量驱动半轴力矩的力矩传感器，通过力矩传感器测量出驱动轮力矩；牛毅提出将转矩传感器串联在驱动半轴和驱动轮之间，直接获得驱动力矩。以上这两种测试方法虽然可以直接测出驱动力矩，但是增加了驱动轴和驱动轮之间增加力矩传感器部件，改变了驱动轴的尺寸。管贤平等提出在驱动轮的驱动轴上贴应变片，将应变信号处理模块和无线通讯模块安装在驱动轴上，通过接受无线通讯模块的应变信号得驱动力矩，这种测试方法对应变片在驱动轴上的黏贴位置和质量要求很高，不易进行技术推广和产业化生产。

本发明根据中马力、大马力驱动桥的结构提出一种用于驱动轮驱动力矩直接测量的方法，对驱动桥改动较小，可用于拖拉机机组随车作业测量。

发明内容

本发明提供了拖拉机驱动轮驱动力矩测量装置及测量方法，可用于拖拉机驱动轮驱动力矩的测量，获得拖拉机作业时的驱动轮驱动负荷。目前一些中马力，大马力拖拉机驱动桥的最终减速采用行星减速机构方式进行减速增扭，行星减速机构的行星架将动力通过驱动轴驱动拖拉机的驱动轮。本发明的测量原理是测量出拖拉机行星齿轮中齿圈的反作用力，再根据行星减速机构的结构参数计算获得驱动轮驱动力矩。传统的拖拉机行星减速机构的齿圈与驱动桥壳体通过花键配合联接，行星减速机构中齿圈的转动自由度被限制。本发明中对齿圈和驱动桥壳不通过花键配合联接，而是通过齿圈外表面上的凸缘和驱动桥壳内表面的凹槽配合安装，在齿圈上设计凸缘，在驱动桥壳体设计个凹槽，齿圈和驱动桥壳体安装时，齿圈上的凸缘和驱动桥壳体上的凹槽配对安装，在齿圈的凸缘两侧与驱动桥壳体凹槽侧面之间各装一个压力传感器，在行星减速器工作时，通过凸缘两侧的压力传感器检测出齿圈作用在桥壳上的作用力，然后根据作用力信号和行星齿轮结构参数计算出行星减速机构中行星架的力矩，即驱动轮轴的力矩，从而获得拖拉机驱动轮的驱动力矩信号。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种拖拉机驱动轮的驱动力矩测量装置，包括驱动桥半轴、驱动桥壳体、太阳轮齿轮、行星齿轮、齿圈、压力传感器、行星架、驱动轮轴、齿圈凸缘、轴销、驱动桥壳凹槽、驱动桥壳体。拖拉机驱动桥的半轴与太阳轮齿轮通过花键联接，太阳轮齿轮与行星齿轮一侧外啮合，行星齿轮通过轴销固定在行星架上，行星架通过花键与驱动轴联接，行星齿轮可绕销轴转动，行星齿轮另一侧与齿圈内啮合，齿圈上的凸缘安装在驱动桥壳体上的凹槽中间，在凸缘两侧与凹槽侧面之间各安装一个压力传感器。驱动桥壳体上的凹槽通过压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ限定齿圈的转动自由度；数据采集和计算模块采集压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的力信号，并且通过计算方法获得驱动轮轴输出驱动力矩值。驱动轮轴与驱动轮刚性联接，因此，驱动轮轴的驱动力矩就是驱动轮的驱动力矩。

本发明所述技术方案的益处：

1、可用于拖拉机驱动轮驱动力矩的测量，对拖拉机驱动桥的结构改动量小，易实现批量生产和产业化。

2、驱动轮力矩测量原理和方法可以实现拖拉机田间作业时的在线实时测量，为拖拉机作业的控制提供驱动轮负荷信号。

附图说明

图1为一种拖拉机驱动轮力矩测量装置结构图。

图2为一种拖拉机驱动轮力矩测量装置A向结构图。

图3为图2测量装置中行星减速机构的受力分析。

图4驱动轮逆时针旋转示意图。

图5为一种拖拉机驱动轮驱动力矩测量方法原理示意图。

图6一种拖拉机驱动轮驱动力矩测量方法原理图案例示意图。

附图标记说明如下：

1-驱动桥半轴 2-驱动桥壳体 3-太阳轮齿轮 4-行星齿轮 5-齿圈 6-压力传感器7-行星架 8-驱动轮轴 9-齿圈凸缘 10-驱动桥壳凹槽 11-压力传感器 12-数据采集和计算模块13-轴销 14-驱动轮 15-差速器 16-小锥齿轮轴 17-右驱动轮 18-左驱动轮。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

1)一种拖拉机驱动轮力矩测量装置的结构与联接

图1、图2是一种拖拉机驱动轮力矩测量装置结构图，图4是拖拉机驱动轮力矩测量装置原理示意图。如图1、图2所示，本发明的装置包括驱动桥半轴1、驱动桥壳体2、太阳轮齿轮3、行星齿轮4、齿圈5、压力传感器Ⅰ6、行星架7、驱动轮轴8、齿圈凸缘9、驱动桥壳凹槽10，压力传感器Ⅱ11、数据采集和计算模块12、轴销13。

具体的联接如图1、图2所示，驱动桥半轴1与太阳轮齿轮3通过花键联接，太阳齿轮3与行星齿轮4外啮合，行星齿轮4与齿圈5内啮合，行星架7通过轴销13与行星齿轮4联接，行星齿轮4能够在销轴13上转动，行星架7与驱动轮轴8通过花键联接，这样，动力输出轴1、太阳齿轮3、行星齿轮4、齿圈5，行星架7和驱动轮轴8组成一个行星减速装置，驱动桥半轴1是动力输入端，驱动轮轴8是动力输出端，将齿圈5安装在驱动桥壳体2中，通过齿圈凸缘9和驱动桥壳体2上的凹槽10配合安装，在凸缘9两侧和驱动桥壳凹槽10侧面之间各安装压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11，驱动桥壳体2上的凹槽10通过压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11限定齿圈5的转动自由度；数据采集和计算模块12采集压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11的力信号，并且通过计算方法获得驱动轮轴8输出驱动力矩值。如图3所示，驱动轮轴8与驱动轮14刚性联接，因此，驱动轮轴8的驱动力矩就是驱动轮14的驱动力矩。

2)一种拖拉机驱动轮力矩测量装置工作原理及测量方法

如图1、图2所示，由于驱动桥壳体2上的凹槽10中的压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11限制了齿圈5上的凸缘9的位移，因此齿圈5的转动自由度被安装在驱动桥壳体2凹槽内压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11的限制，根据行星减速机构的运动原理看出，行星架7的转动方向与驱动桥半轴1的转动方向相同。图3是太阳轮齿轮3、行星齿轮4、齿圈5和行星架7的受力分析图，设驱动桥半轴1的输入转矩为T₁，行星架7的输出转矩为T₂，齿圈的转矩为T₃，太阳轮齿轮齿数为z₁，行星齿轮齿数为z₂，齿圈齿数为z₃，各齿轮模数都为m，如图3所示，太阳轮齿轮3和行星齿轮4在啮合点的切向作用力为F；根据力平衡原理，行星齿轮4和齿圈5在啮合点的切向作用力为F；根据力的平移定理，行星架7与行星齿轮4中心的铰接点受到力为2F，力偶为0，因此，T₁，T₂,T₃可写为：

T₁＝F·m·z₁/2；(1)

T₂＝F·m·(z₁+z₂)；(2)

T₃＝F·m·z₃/2·；(3)

由式(2)和式(3)得到：

由式(4)可知，如果已知齿圈5承受的力矩T₃，可以计算出行星架7的力矩T₂，即驱动轮轴8的输出力矩。齿圈5力矩T₃的测量方案可见图2，如图2所示，齿圈5的转动自由度被安装在驱动桥壳体2凹槽里面的压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11限制，压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的安装位置距离太阳轮齿轮的中心为l，压力传感器Ⅰ6的力信号为F₁，压力传感器Ⅱ11力信号为F₂；

当驱动轮14为顺时针旋转时，如图2所示，此时齿圈承受逆时针转矩T₃，压力传感器Ⅰ6受力，压力传感器Ⅱ11不受力，即：压力传感器Ⅱ11的力信号为F₂＝0；可得到：

T₃＝F₁·l＝(F₁+F₂)·l；(5)

当驱动轮14为逆时针旋转时，如图4所示，此时齿圈5承受顺时针转矩T₃，压力传感器Ⅰ不受力，压力传感器Ⅱ受力，即：压力传感器Ⅰ力信号为F₁＝0；可得到：

T₃＝F₂·l＝(F₁+F₂)·l；(6)

根据式(5)和式(6)得出，驱动轮顺时针旋转和逆时针旋转时，齿圈5所承受转矩T₃的计算式可写为：

T₃＝(F₁+F₂)·l(7)

由式(4)，(7)整理得到：

式(8)中，F₁、F₂是压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的力信号检测量，l、z₁，z₂，z₃是驱动力矩测量装置的结构参数，由此，根据式(8)计算出驱动轴转矩值T₂。图5是驱动轮驱动力矩测量装置原理示意图，图中驱动轴与驱动轮14通过花键联接在一起，因此，T₂为驱动轮的驱动力矩。数据采集和计算模块12采集压力传感器Ⅰ6力信号F₁和压力传感器Ⅱ11的力信号F₂，并且通过式(8)计算出驱动轮的驱动力矩T₂。

应用案例

本发明所述一种拖拉机驱动轮力矩测量装置及测量方法应用案例

拖拉机驱动轮力矩测量装置及测量方法应用

例如，某型号中马力拖拉机的驱动桥上的单侧驱动轮最大转矩为T_2max，对该型号拖拉机驱动轮驱动力矩的测量可采用本发明提出的测量装置和测量方法，如图6所示，图中的驱动轮轴与右驱动轮通过花键联接。其驱动桥的动力来自变速箱和传动箱的小锥齿轮轴，通过小锥齿轮轴将动力传递给驱动桥内的差速器，由差速器将动力传递给左右驱动桥半轴1，动力通过驱动桥半轴1、太阳齿轮3、行星齿轮4，行星架7传递给驱动轮轴8，最终传递给右驱动轮17，此时驱动轮轴8的转矩为右驱动轮17的驱动力矩。设太阳齿轮3齿数为z₁、行星齿轮4齿数为z₂，齿圈齿数5齿数为z₃，压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11的安装位置距离太阳轮齿轮3中心的为l。根据T_2max和式(8)计算出压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11最大受力载荷为：

根据计算出的压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11最大载荷，对图5中压力传感器Ⅰ6和压力传感器Ⅱ11选择微型压力传感器型号(量程大于F_1max和F_2max)。在根据所选微型压力传感器的外形尺寸，设计图1中齿圈5上的凸缘9和驱动桥壳体2上的凹槽10的尺寸，数据采集和计算模块12可通过飞思卡尔单片机为核心器件进行搭建，也可采用数据采集卡和PC机搭建。

当拖拉机进行向前行走或者倒退时，即右驱动轮17顺时针或逆时针旋转时，通过数据采集和计算模块12采集压力传感器Ⅰ6力信号F₁和压力传感器Ⅱ11的力信号F₂，根据测量装置的结构参数l、z₁，z₂，z₃由式(8)计算获得出右驱动轮16的驱动力矩。

利用同样装置和原理，可以获得左驱动轮18的驱动力矩。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。