JPH0921709A - トルク計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸体にトルクと共に曲げ力が加えられて
も正確にトルク測定ができる。 【解決手段】 4(n+1)個の歪みゲージ２を回転軸体１の
周面に等間隔に張り付け、歪みゲージ２のうち１つの同
じ方向に傾いて配置されているもの同士を抵抗ブリッジ
回路の相対する２辺の抵抗とし、歪みゲージのうち別の
同じ方向に傾いて配置されているもの同士を抵抗ブリッ
ジ回路のもう一つの相対する２辺の抵抗とするブリッジ
回路を組み、回転軸体にトルクをかけた状態で、ブリッ
ジ回路の入力端子間に所定の大きさの入力電圧ｅｉを印
加する。そしてブリッジ回路の出力端子間に見出される
出力電圧ｅｏから当該回転軸体にかけられたトルクの大
きさを算出する。これにより、曲げモーメントにより発
生するせん断応力を１８０度反対の位置の歪みゲージ間
で互いに打ち消し合い、正確にトルクのみを測定するこ
とができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸体にかかる
トルクを歪みゲージを利用して計測するトルク計測方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の設計、試験では回転駆動系の特
性評価のために各部の回転軸のトルク測定が必要であ。

【０００３】従来から回転軸体のトルク測定には、その
周面にいくつかの歪みゲージを張り付け、その歪みゲー
ジを抵抗とする抵抗ブリッジ回路を組み、回転軸体にか
かるトルクによって回転軸体の表面に生じるせん断応力
の大きさを歪みゲージで検出し、抵抗ブリッジ回路によ
って現れる出力電圧の入力電圧に対する変化の大きさを
トルクに換算する歪みゲージを利用したトルク計測装置
が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の歪み
ゲージを利用したトルク計測装置の場合、回転軸体の周
面に張り付ける歪みゲージの数が多くても４個であり、
回転軸体にトルクと共に軸に垂直な方向の曲げモーメン
トが働く場合にその曲げモーメントによってトルクによ
るせん断応力が影響を受け、正確なトルク測定ができな
い問題点があった。

【０００５】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、回転軸体にトルクと共に曲げモーメン
トが働くときには正確にトルク測定できるトルク計測方
法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明のトルク
計測方法は、トルク測定すべき回転軸体の周面に沿っ
て、次の各条件を満たすように４（ｎ＋１）［ｎは自然
数］個の歪みゲージを配置し、 １）各歪みゲージの回転軸体の中心軸に対する傾き角度
が４５度である、 ２）隣接する歪みゲージ間で傾きが互いに逆向きであ
る、 ３）隣接する歪みゲージ間の中心軸に対する中心角が３
６０度／４（ｎ＋１）をなす、 歪みゲージのうち１つの同じ方向に傾いて配置されてい
るもの同士を抵抗ブリッジ回路の相対する２辺の抵抗と
し、歪みゲージのうち別の同じ方向に傾いて配置されて
いるもの同士を抵抗ブリッジ回路のもう一つの相対する
２辺の抵抗とするブリッジ回路を組み、回転軸体にトル
クをかけた状態で、ブリッジ回路の出力端子間に見出さ
れる出力電圧値から当該回転軸体にかけられたトルクの
大きさを算出するものである。

【０００７】この請求項１の発明のトルク計測方法で
は、所定の条件で４（ｎ＋１）個の歪みゲージを回転軸
体の周面に張り付け、歪みゲージのうち１つの同じ方向
に傾いて配置されているもの同士を抵抗ブリッジ回路の
相対する２辺の抵抗とし、歪みゲージのうち別の同じ方
向に傾いて配置されているもの同士を抵抗ブリッジ回路
のもう一つの相対する２辺の抵抗とするブリッジ回路を
組み、回転軸体にトルクをかけた状態で、ブリッジ回路
の入力端子間に所定の大きさの入力電圧値と印加する。
そしてブリッジ回路の出力端子間に見出される出力電圧
値から当該回転軸体にかけられたトルクの大きさを算出
することにより、回転軸体にトルクと共に曲げモーメン
トがかかる場合でも、曲げモーメントにより発生するせ
ん断応力を１８０度反対の位置の歪みゲージ間で互いに
打ち消し合い、ブリッジ回路の出力として得られるトー
タルのトルク計測に影響を及ぼさず、正確にトルクのみ
を測定することができるようになる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の発明のトル
ク計測方法において、歪みゲージの個数を８個としたも
のである。

【０００９】この請求項２の発明では、請求項１の発明
のトルク計測方法でｎ＝１とすることにより歪みゲージ
の個数を８個にし、トルクと共に曲げモーメントが働い
ている回転軸体に対して、トルクのみを正確に測定す
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１及び図２は起歪体である一端に
スプロケット１ａが取り付けられている回転軸体１を示
している。この回転軸体１のスプロケット１ａの接続基
部は起歪部１ｂとされ、ここに周方向に等角度間隔に一
般式４（ｎ＋１）［ｎ：自然数］を満たす８本（つま
り、ｎ＝１）のビーム１ｃが形成されている。

【００１１】各ビーム１ｃには歪みゲージ２が次の条件
を満たす位置関係で張り付けられている。

【００１２】１）図３及び図４に示すように、各歪みゲ
ージ２の回転軸体１の中心軸に対する傾き角度が４５度
であり、 ２）隣接する歪みゲージ２，２間で傾きが互いに逆向き
であり、 ３）回転軸体１の中心軸に対して隣接する歪みゲージ
２，２間のなす角（中心角）が３６０度／４（ｎ＋１）
＝３６０度／８＝４５度である。

【００１３】尚、この配置関係では、図３に示すように
スプロケット１ａ側、つまり図において左端部側が矢印
ａ方向に回転トルクを加えられるとき、図４に示すよう
に左上がりの傾きの歪みゲージｇ１，ｇ３，ｇ５，ｇ７
は引張歪み（Ｔ）を計測し、左下がりの傾きの歪みゲー
ジｇ２，ｇ４，ｇ６，ｇ８は圧縮歪み（Ｃ）を計測す
る。

【００１４】そして図５に示すように、トルク計測のた
めの抵抗ブリッジ回路３がこれらの８個の歪みゲージ２
で組み立てられ、引張歪み（Ｔ）を検出する２（ｎ＋
１）＝４個の歪みゲージｇ１，ｇ３，ｇ５，ｇ７はブリ
ッジの第１と第３辺に（ｎ＋１）＝２個ずつ組み込ま
れ、圧縮歪み（Ｃ）を検出する他の２（ｎ＋１）＝４個
の歪みゲージｇ２，ｇ４，ｇ６，ｇ８はブリッジの第２
と第４辺に（ｎ＋１）＝２個ずつ組み込まれる。

【００１５】このブリッジ回路３では、入力端ｉ１，ｉ
２に入力電圧ｅｉを印加し、出力端ｉ３，ｉ４の出力電
圧ｅｏを測定し、これらの入力電圧ｅｉとｅｏとの関係
から、後述する方法によって回転軸体１の起歪部１ｂに
働くトルクを計測する。

【００１６】次に、上記構成のトルク計測方法の動作に
ついて説明する。回転軸体１の起歪部１ｂに図３、図４
に示す位置関係で８個の歪みゲージを張り付け、図５に
示すブリッジ回路３を組む。そして、スプロケット部１
ａにチェーンを巻き掛けて回転力を付勢する。これによ
り、回転軸体１の起歪部１ｂには回転力による回転トル
クによるせん断応力と共に、スプロケット部１ａに巻掛
けられたチェーンによる引っ張り力による曲げモーメン
トに起因する応力によって歪みが発生する。

【００１７】そこで、抵抗ブリッジ回路３の入力端ｉ
１，ｉ２間に所定入力電圧ｅｉを印加し、出力端ｉ３，
ｉ４間の出力電圧ｅｏを測定する。

【００１８】この出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉとの間に
は、

【数１】 ここで、ｅｉ，ｅｏは入、出力電圧、κｓはゲージ率、
εｉは各ゲージにおける検出歪みである。

【００１９】の関係があり、ここではｎ＝１であるの
で、

【数２】 となる。これを次の数３の式に基づいてトルク換算する
ことにより、起歪部１ｂに発生するトルクを算出する。

【００２０】Ｔ＝Ｋ・ｅ_ｏ 尚、比例定数Ｋは実験的に決定されるべきもので、ブリ
ッジ回路３の入力端ｉ１，ｉ２間に所定の入力電圧ｅｉ
を印加し、既知のトルクＴ_cal を起歪部１ｂにかけた時
に入力端ｉ３，ｉ４に見出される出力電圧ｅ_cal を計測
することで、比例定数Ｋ＝Ｔ_cal ／ｅ_cal を割り出す
ことができる。

【００２１】このトルク測定の場合、スプロケット部１
ａに巻掛けるチェーンにより起歪部１ｂに曲げモーメン
トに起因する歪みがトルクによる歪みに重畳されること
が考えられるが、本発明のトルク計測方法では、曲げモ
ーメントによる歪みの影響を次の理由によって打ち消す
ことができ、トルクに起因する歪みのみを検出して正確
なトルク計算ができる。

【００２２】図６（ａ）に示すように起歪部１ｂの各ビ
ームｂ１〜ｂ８に図中左回りのトルクＴｒをかけると共
に上向きの引張力Ｆをかけると、同図（ｂ）に示すよう
に各ビームｂ１〜ｂ８にほぼ均等なトルク相当の荷重が
かかるが、これと共に同図（ｃ）に示すように起歪部１
ｂの下半分に位置するビームｂ３〜ｂ７には曲げモーメ
ントがかかる。

【００２３】ここでビームｂ３について注目すると、ト
ルク相当の荷重と引張力とが同一方向に作用してこの点
の主歪みは大きくなる。反対にビームｂ７について注目
すると、トルク相当の荷重と引張力とがちょうど反対向
きに働き、打ち消し合って主歪みが減少する。このこと
は他の位置のビームについても当てはまり、結局、中心
軸について対称な位置にある各ビームｂ１とｂ５、ｂ２
とｂ６、ｂ３とｂ７、ｂ４とｂ８それぞれの間では曲げ
による影響を互いに打ち消し合い、全体として引張力の
影響のほとんどない結果が得られることになるのであ
る。

【００２４】次に、実験例について説明する。図１及び
図２に示す回転軸体１として内径φ３６mm、外径φ４２
mmの炭素鋼材を用い、起歪部１ｂに肉厚１．５mm（円筒
体の肉厚の半分相当）、長さ９mm、幅６．６mmのビーム
１ｃを８本形成した。そして、この回転軸体１の右端を
固定し、スプロケット部１ａに５kgf ・m のトルクをか
け、各位置のビームの最大主歪みを測定し（曲げな
し）、また上記トルクと共に最大１０kgf の引張力を図
４に示すｘ軸方向にかけ、各位置のビームの最大主歪み
を測定した（曲げあり）。

【００２５】得られた結果は、表１に示すものであっ
た。

【００２６】

【表１】 この表１から、本実施の形態では、曲げモーメントが働
いている場合と働いていない場合とでブリッジ回路３の
出力が等しく、その出力は１０１２．０５μεであり、
曲げモーメントの影響がキャンセルされていることが分
かる。

【００２７】これに対して、主歪みの検出ポイントを図
６に示すように９０度ごとのビームｂ１，ｂ３，ｂ５，
ｂ７の４ポイントにした場合のブリッジ出力は１００
９．４μεであり、軸が回転し、これらのビームｂ１，
ｂ３，ｂ５，ｂ７が回転して元のビームｂ２，ｂ４，ｂ
６，ｂ８の位置になったときのブリッジ出力は１０１
４．７μεとなり、＋５．３με＝５．３％の感度変動
が起こる。

【００２８】また曲げモーメントが働いていない場合の
ブリッジ回路３の出力は１００９．４［με］であり、
働いている場合の出力は１００９．８μεであり、曲げ
モーメントの影響によって０．４μεの変動が発生す
る。

【００２９】以上から、本発明の場合、曲げモーメント
の影響をキャンセルして正確にトルク測定できることが
分かる。

【００３０】尚、上記実施の形態では一般式４（ｎ＋
１）においてｎ＝１の場合について説明したが、これに
限定されず、図７に示すようにｎ＝２として１２個の歪
みゲージｇ１〜ｇ１２を３６０度／４（ｎ＋１）＝３６
０度／１２＝３０度ずつ等角度間隔に配置し、各歪みゲ
ージが回転軸体１の軸心に対して４５度をなし、かつ隣
接する歪みゲージ間で互いに逆向きの傾斜となるように
配置し、これらの歪みゲージｇ１〜ｇ１２に対して、図
８に示す抵抗ブリッジ回路３を組む構成とすることもで
きる。さらにｎ＝３以上に設定することもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
所定の条件で４（ｎ＋１）個の歪みゲージを回転軸体の
周面に張り付け、歪みゲージのうち１つの同じ方向に傾
いて配置されているもの同士を抵抗ブリッジ回路の相対
する２辺の抵抗とし、歪みゲージのうち別の同じ方向に
傾いて配置されているもの同士を抵抗ブリッジ回路のも
う一つの相対する２辺の抵抗とするブリッジ回路を組
み、回転軸体にトルクをかけた状態で、ブリッジ回路の
入力端子間に所定の大きさの入力電圧値と印加し、ブリ
ッジ回路の出力端子間に見出される出力電圧値から当該
回転軸体にかけられたトルクの大きさを算出するように
しているので、回転軸体にトルクと共に曲げモーメント
がかかる場合でも、曲げモーメントにより発生するせん
断応力を１８０度反対の位置の歪みゲージ間で互いに打
ち消し合い、ブリッジ回路の出力として得られるトータ
ルのトルク計測に影響を及ぼさず、正確にトルクのみを
測定することができる。

【００３２】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
のトルク計測方法でｎ＝１とすることにより歪みゲージ
の個数を８個にし、トルクと共に曲げモーメントが働い
ている回転軸体に対してもその回転軸体に働くトルクの
みを正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に用いる回転軸体の斜視
図。

【図２】上記実施の形態におけるＩＩ部の拡大図。

【図３】上記実施の形態における歪みゲージの配置関係
を示す斜視図。

【図４】上記実施の形態における歪みゲージの回転軸体
の軸心に対する配置関係を示す説明図。

【図５】上記実施の形態で用いるブリッジ回路。

【図６】上記実施の形態における各ビームに働くトルク
荷重と引張力の分布を示す説明図。

【図７】本発明の他の実施の形態の歪みゲージの回転軸
体の軸心に対する配置関係を示す説明図。

【図８】上記実施の形態で用いるブリッジ回路。

【符号の説明】

１ 回転軸体 １ａ スプロケット部 １ｂ 起歪部 １ｃ ビーム ２ 歪みゲージ ３ ブリッジ回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルク測定すべき回転軸体の周面に沿っ
   て、次の各条件を満たすように４（ｎ＋１）［ｎは自然
   数］個の歪みゲージを配置し、 １）各歪みゲージの前記回転軸体の中心軸に対する傾き
   角度が４５度である、 ２）隣接する歪みゲージ間で傾きが互いに逆向きであ
   る、 ３）隣接する歪みゲージ間の前記中心軸に対する中心角
   が３６０度／４（ｎ＋１）をなす、 前記歪みゲージのうち１つの同じ方向に傾いて配置され
   ているもの同士を抵抗ブリッジ回路の相対する２辺の抵
   抗とし、前記歪みゲージのうち別の同じ方向に傾いて配
   置されているもの同士を前記抵抗ブリッジ回路のもう一
   つの相対する２辺の抵抗とするブリッジ回路を組み、 前記回転軸体にトルクをかけた状態で、前記ブリッジ回
   路の出力端子間に見出される出力電圧値から当該回転軸
   体にかけられたトルクの大きさを算出することを特徴と
   するトルク計測方法。
2. 【請求項２】 前記歪みゲージの個数を８個としたこと
   を特徴とする請求項１記載のトルク計測方法。