CN102620875A - 一种扭矩测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩测量仪，包括行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮、外齿圈，和行星架；所述太阳轮和所述行星架二者中，一者为扭矩输入端，另一者为扭矩输出端；还包括检测所述外齿圈切向压力的压力检测元件。该扭矩测量仪对转轴的输入或输出扭矩进行测量时，可以将旋转扭矩的测量转化为压力的测量，相较于应变测量、相位角测量、压磁式测量等方法，该扭矩测量仪的测量方式具有操作简单、成本低廉、重复性好、可靠性高等优点，且压力测量方式的技术更为成熟，能够保证较高的测量精度。此外，该扭矩测量仪对扭矩的测量与转速无关，故可实现从静扭矩测量到高速动扭矩测量，且测量范围与测量精度不受转速影响。

Description

一种扭矩测量仪

技术领域

本发明涉及动力传输技术领域，特别涉及一种扭矩测量仪。

背景技术

扭矩是机械量中的一个重要参数，现有的旋转扭矩测量方式主要包括应变法测量、相位差法测量和压磁法扭矩测量。

应变法扭矩测量：当转轴受扭矩作用时转轴表面会发生形变，通过应变片对形变的测量可以得到转轴表面剪应力状态，进而可获得转轴上的扭矩。该种方式中，应变片随转轴旋转，而测量记录装置是固定的，因而需要将应变片获得的测量值传输至测量记录装置上，而无论是接触式还是无线式的传输方式，都容易引入干扰和误差，导致最终记录的应力与实际应力存在偏差，由此获得的扭矩也存在偏差。

相位差法扭矩测量：当转轴承受扭矩时，转轴的两端会产生正比于扭矩的扭转角，通过对扭转角的测量能够获得转轴上的扭矩信息。该测量设备主要采用一短轴，短轴安装于被测的转轴上，短轴的两端均安装齿轮，齿轮的外侧安装检测线圈，短轴带动齿轮旋转时，两齿轮齿顶和齿谷交替周期性地扫过线圈底部，使得线圈磁通量产生周期性变化，可以获得波形。短轴受到扭矩作用时，两线圈的波形的相位差会发生变化，通过相位差变化的分析即可获取扭转角。该测量方式依靠齿轮相位差获取转轴的扭转角，而齿轮相位信号在低转速时输出信号的幅值变低，会带来较大的测量误差，故该种检测方式不适合低速转轴的扭矩测量。此外，为了获得较好的波形，提高分辨率，短轴、齿轮等构件的尺寸不能太小，故该类型的测量设备存在着体积较大、不易安装、低速性能不理想的缺点。

压磁式扭矩测量：转轴受扭矩的扭转作用时，转轴的导磁率会发生变化，通过测量磁导率的变化来测量轴上扭矩的变化。该测量方式要求转轴旋转过程不出现径向跳动，否则铁芯与转轴间隙改变，会造成较大的测量误差。

有鉴于此，如何提供一种测量精度高的扭矩测量仪，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种扭矩测量仪，该扭矩测量仪通过检测外齿圈的切向压力即可获得扭矩，提高了测量精度和可靠性。

为达到本发明的第一目的，本发明提供一种扭矩测量仪，包括行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮、外齿圈，和行星架；所述太阳轮和所述行星架二者中，一者为扭矩输入端，另一者为扭矩输出端；还包括检测所述外齿圈切向压力的压力检测元件。

优选地，还包括壳体和基座，所述壳体相对于所述基座固定；所述外齿圈嵌套于所述壳体内，所述外齿圈的外周和所述壳体的内壁二者中的一者设有凹槽，另一者连接插销，所述插销插入所述凹槽内；所述压力检测元件设于所述插销的侧面与所述凹槽侧壁之间，且所述压力检测元件沿所述壳体或所述外齿圈的周向设置。

优选地，还包括基座，所述外齿圈的外周和所述基座二者中的一者设有凹槽，另一者连接插销，所述插销插入所述凹槽内；所述压力检测元件设于所述插销的侧面与所述凹槽侧壁之间，且所述压力检测元件沿所述壳体或所述外齿圈的周向设置。

优选地，所述压力检测元件为压力传感器，所述插销的两侧和所述凹槽侧壁之间均设有所述压力传感器。

优选地，所述凹槽设于所述壳体的内壁，所述插销设置于所述外齿圈的外周。

优选地，所述插销沿所述外齿圈的径向延伸。

优选地，所述插销的数目为两个或两个以上，且沿所述外齿圈的外周均布；所述壳体的内壁设有与各所述插销对应的所述凹槽。

优选地，所述插销的数目为八个。

本发明提供的扭矩测量仪，包括行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮、外齿圈，和行星架；所述太阳轮和所述行星架二者中，一者为扭矩输入端，另一者为扭矩输出端；还包括检测所述外齿圈切向压力的压力检测元件。该发明将转轴的输入或输出扭矩通过扭矩测量仪进行测量时，可以将旋转扭矩的测量转化为压力的测量，相较于应变测量、相位角测量、压磁式测量等方法，该扭矩测量仪的测量方式具有操作简单、成本低廉、重复性好、可靠性高等优点，且压力测量方式的技术更为成熟，能够保证较高的测量精度。此外，该扭矩测量仪对扭矩的测量与转速无关，故可实现从静扭矩测量到高速动扭矩测量，且测量量程和测量精度不受转速影响。另，还可以通过增加压力检测元件数目的方式提高扭矩测量仪的测量量程，在不影响测量精度的前提下，实现高扭矩的测量。

附图说明

图1为本发明所提供扭矩测量仪一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1中A部位的局部放大示意图；

图3为图1中外齿圈受到顺时针扭矩时压力传感器的受力分析原理图。

图1-3中：

21基座、22壳体、221凹槽、23太阳轮、24行星架、25行星齿轮、26外齿圈、261插销、27压力传感器。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种扭矩测量仪，该扭矩测量仪通过检测外齿圈的切向压力即可获得扭矩，提高了测量精度和可靠性。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供扭矩测量仪一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1中A部位的局部放大示意图。

该实施例中的扭矩测量仪包括行星齿轮机构，该行星齿轮机构包括行星架24、太阳轮23，以及外齿圈26。行星架24上的行星齿轮25与太阳轮23啮合，外齿圈26与行星齿轮25啮合，图1和图2为结构简图，并未示出用于啮合的齿结构。测量扭矩时，扭矩自太阳轮23输入、行星架24输出，或自行星架24输入、太阳轮23输出。

该扭矩测量仪还包括基座21和壳体22，外齿圈26嵌套于壳体22内，图中，整个行星齿轮机构均位于壳体22的内部。外齿圈26的外周设有四个插销261，插销261可以与外齿圈26加工为一体，或将插销261固定在外齿圈26上。壳体22的内壁设有四个凹槽221，四个插销261可以分别插入与之位置对应的凹槽221内。插销261的侧面和凹槽221的侧壁之间设有压力传感器27。

当太阳轮23和行星架24分别与输入轴、输出轴，或输出轴、输入轴连接时，外齿圈26会受到扭矩作用。假设太阳轮23、行星架24、外齿圈26的转速分别为N1、N2、N3，扭矩分别为T1、T2、T3，外齿圈26与太阳轮23齿数比为a，由行星齿轮机构的特性易知转速和扭矩有如下关系：

$\frac{T_3}{T_1}=\mathrm{\α}...\left(1\right)$

$\frac{T_2}{T_1}=1+\mathrm{\α}...\left(2\right)$

N₁+αN₃＝(1+α)N₂...(3)

由于插销261插入于壳体22的凹槽221内，外齿圈26受到限制而无法自由转动，故N3＝0。式(3)可化简为：

N₁＝(1+α)N₂...(4)

式(1)与式(2)不变。此处，由式(4)可知，则扭矩自太阳轮23输入、行星架24输出时，N2的数值相对于N1减小，扭矩测量仪相当于进行了一次减速；扭矩自行星架24输入、太阳轮23输出时，N1的数值相对N2增加，扭矩测量仪相当于进行了一次增速，即该扭矩测量仪测量传动系统中转轴的扭矩时，还能够省去传动系统中需要设置的减速器或加速器，从而简化了传动系统。

扭矩测量时，扭矩从太阳轮23输入、行星架24输出，或太阳轮23输出、行星架24输入，以扭矩自太阳轮23输入为例，此时，输入转速N_in＝N1，输出转速N_out＝N2，输入扭矩T_in＝T1，输出扭矩T_out＝T2，外齿圈26的T_ring＝T3，则由以上分析可知，

输入转速N_in、输出转速N_out存在如下关系：

N_in＝(1+α)N_out...(5)

输入扭矩T_in，输出扭矩T_out存在以下关系：

T_out＝(1+α)T_in...(6)

外齿圈26的扭矩T_ring与输入扭矩T_in存在以下关系：

T_ring＝αT_in...(7)

外齿圈26在扭矩作用下，会对压力传感器27施加压力，压力传感器27能够检测该压力。

请参考图3，图3为图1中外齿圈受到顺时针扭矩时压力传感器的受力分析原理图。

外齿圈26上插销261的中心距太阳轮23中心的距离为l，当系统测量一个顺时针旋转的扭矩T_in时，插销261顺时针方向的一侧面压紧四个位于顺时针一侧的压力传感器27，如图1所示，假设四个压力传感器27的测量值分别为F1、F2、F3、F4，对系统进行受力分析可知：

T_ring＝F₁l+F₂l+F₃l+F₄l...(8)

结合式(6)、式(7)则有

$T_{\mathrm{in}}=\frac{l}{\mathrm{\α}}(F_1+F_2+F_3+F_4)...\left(9\right)$

$T_{\mathrm{out}}=\frac{l(1+\mathrm{\α})}{\mathrm{\α}}(F_1+F_2+F_3+F_4)...\left(10\right)$

以上两式中α、l均可由扭矩测量仪的设计参数决定。

由上述内容可知，将转轴的输入或输出扭矩通过该实施例中的扭矩测量仪进行测量时，可以将旋转扭矩的测量转化为压力的测量，测量数据的传输不易受干扰，获得的数据较为准确，且压力测量的方法相较于应变测量、相位角测量、压磁式测量等方法，具有操作简单、成本低廉、重复性好、可靠性高等优点，此外，压力测量方式的技术更为成熟，能够保证较高的测量精度。另，由上述扭矩计算公式可知，该扭矩测量仪对扭矩的测量与转速无关，故可实现从静扭矩测量到高速动扭矩测量，且测量精度和测量量程不受转速影响。

另外，该实施例中沿外齿圈26外周均布四个插销261，壳体22上与各插销261对应的凹槽221内均设置压力传感器27，假设四个压力传感器27的量程为Tmax，由式(9)易知转轴扭矩测量的量程为：

$T_{\max }=\frac{4l}{\mathrm{\α}}{F}_{\max }...\left(11\right)$

即F1、F2、F3、F4均达到最大值Fmax。

为了增大该扭矩测量仪的量程，可以增加压力传感器27的数目。比如，采用同样的压力传感器27，外齿圈26每间隔45°设置一插销261，与插销261对应的壳体22的凹槽221内布置压力传感器27，则扭矩测量时，共有8个压力传感器27受力，相应地，包括8个扭矩测量仪的测量量程变为：

$T_{\max }=\frac{8l}{\mathrm{\α}}{F}_{\max }...\left(12\right)$

由此可见，相较于设置四个压力传感器27的实施例，该扭矩测量仪的量程增大了一倍，即通过增加压力传感器27的数目即可实现增大扭矩测量仪量程的目的，从而通过简单的方式实现高扭矩的测量。

需要说明的是，上述实施例中，在插销261的两侧分别设置压力传感器27，实际上，也可以设置拉力传感器或拉压传感器，则无论外齿圈26受到顺时针扭矩还是逆时针扭矩作用，均存在相应的传感器检测受力，进而计算出所测扭矩。当然，仅在插销261的一侧设置拉压传感器也是可以的，在插销261两侧均设置压力传感器27或拉力传感器，仅检测一个方向的受力，可以检测地更为精确。装配插销261与压力传感器27时，从减小设备的振动与噪音的角度考虑，在保证插销261与传感器27间不产生装配压力的前提下，可以尽可能地减小插销261与两侧的压力传感器27的间隙。

进一步地，插销261优选地沿外齿圈26的径向延伸，则压力传感器27直接测得外齿圈26的切向力，如圈3所示，从而能够采用公式(8)计算外齿圈27的扭矩，当插销261偏离外齿圈26径向一定角度时，偏离的角度需作为考量的因素，故插销261沿外齿圈26径向延伸的方式易于外齿圈26扭矩的计算。

此外，上述实施例中，插销261、凹槽221以及压力传感器27等均设置四个，或八个等，且均沿外齿圈26、壳体22的周向均布，均布的设置方式使得各压力传感器27检测的力能够较为精确地反应出外齿圈26所受的力，进而能够精确地计算获得外齿圈26的扭矩。

当然，仅设置一个插销261、凹槽221以及压力传感器27也可以实现本发明的目的。假设该压力传感器27读取的压力为F，此时，满足下述关系式：

$T_{\mathrm{in}}=\frac{l}{\mathrm{\α}}F...\left(13\right)$

$T_{\mathrm{out}}=\frac{l(1+\mathrm{\α})}{\mathrm{\α}}F...\left(14\right)$

另外，上述实施例中，采用壳体22上的凹槽221、外齿圈26上的插销261、压力传感器27的共同配合，实现对外齿圈26切向力的检测，可以想到，将插销261设于壳体22上，凹槽221设于外齿圈26上也是可以的。实际上，上述方式主要是为了实现检测外齿圈26的切向力，以获取外齿圈26的扭矩，获取切向力的方式并不限于上述方式，比如不设置壳体22，凹槽221和压力传感器27直接设于基座21上，也可以达到测量外齿圈26切向力的目的；或直接沿外齿圈26切向设置与基座21固定的拉杆或制动带，直接测量拉杆和制动带上的拉力也可以获得外齿圈26的切向力。当然，设置如图1所示的容纳行星齿轮机构的壳体22，以及固定壳体22的基座21，使得整个扭矩测量仪的结构更为紧凑，和外齿圈26的配合更为稳定可靠，继而使得获取的外齿圈26扭矩、计算获得的输入或输出扭矩也更为精确。

以上对本发明所提供的一种扭矩测量仪均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种扭矩测量仪，其特征在于，包括行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮、外齿圈，和行星架；所述太阳轮和所述行星架二者中，一者为扭矩输入端，另一者为扭矩输出端；还包括检测所述外齿圈切向压力的压力检测元件。

2.根据权利要求1所述的扭矩测量仪，其特征在于，还包括壳体和基座，所述壳体相对于所述基座固定；所述外齿圈嵌套于所述壳体内，所述外齿圈的外周和所述壳体的内壁二者中的一者设有凹槽，另一者连接插销，所述插销插入所述凹槽内；所述压力检测元件设于所述插销的侧面与所述凹槽侧壁之间，且所述压力检测元件沿所述壳体或所述外齿圈的周向设置。

3.根据权利要求1所述的扭矩测量仪，其特征在于，还包括基座，所述外齿圈的外周和所述基座二者中的一者设有凹槽，另一者连接插销，所述插销插入所述凹槽内；所述压力检测元件设于所述插销的侧面与所述凹槽侧壁之间，且所述压力检测元件沿所述壳体或所述外齿圈的周向设置。

4.根据权利要求2或3所述的扭矩测量仪，其特征在于，所述压力检测元件为压力传感器，所述插销的两侧和所述凹槽侧壁之间均设有所述压力传感器。

5.根据权利要求2所述的扭矩测量仪，其特征在于，所述凹槽设于所述壳体的内壁，所述插销设置于所述外齿圈的外周。

6.根据权利要求5所述的扭矩测量仪，其特征在于，所述插销沿所述外齿圈的径向延伸。

7.根据权利要求5所述的扭矩测量仪，其特征在于，所述插销的数目为两个或两个以上，且沿所述外齿圈的外周均布；所述壳体的内壁设有与各所述插销对应的所述凹槽。

8.根据权利要求7所述的扭矩测量仪，其特征在于，所述插销的数目为八个。

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