動態扭矩傳感器在機械傳動中的應用研究...

摘要：扭矩傳感器應用在汽車電動助力轉向、鉆探扭桿、試驗臺等機械傳動中需要測量扭矩和計算功率的場合。介紹了動態扭矩傳感器常見的工作原理和典型的安裝結構，分析了不同扭矩傳感器安裝時的不對中誤差和同軸度調整方法；針對扭矩傳感器安裝方式的不同，給出了聯軸器最佳選擇方案，為扭矩傳感器的工程應用及軸系設計提供參考。

0 引言

    扭矩傳感器是精密的測量儀器，用于檢測軸系的扭矩，具體分為靜態和動態兩類。動態扭矩傳感器可連續測量正反轉扭矩，也可以用于靜態測量，如動態扭矩傳感器標定時就采用靜態測量的方式，標定試驗機采用懸臂結構，通過增加砝碼改變力矩檢測量程內幾個不同的扭矩值，來標定扭矩傳感器的精度，并出具檢定合格證書；而靜態扭矩傳感器則不能用于動態測量。另外，動態扭矩傳感器可以選擇轉速測量功能，這樣就能夠進行功率的計算。

    目前高品質的扭矩傳感器均采用進口，國內扭矩傳感器也有質量較好的品牌。但無論進口還是國產，安裝使用不當，都可能造成測量結果精度不高，甚至損壞扭矩傳感器。因此，本文對扭矩傳感器的工作原理、安裝方式，尤其對不同安裝方式扭矩傳感器的聯軸器選用進行了探討，為工程設計人員使用扭矩傳感器提供指導。

1 常見扭矩傳感器工作原理

    動態扭矩傳感器按信號傳輸方式可分為接觸測量和非接觸測量，兩者都要克服旋轉絞線問題。動態測量時，測量元件在轉軸上，需要將信號線從旋轉軸引出到固定殼體的控制電路中進行信號處理，如果通過集流環和碳刷( 類似電機電刷) 引出，就是接觸式；如果采用電、磁、光感應原理，不采用集流環和碳刷，直接將信號傳出，就是非接觸測量，以下會詳細說明。根據材料力學可知，當一根軸施加扭矩，會引起扭轉變形，包括兩個物理量，一個是扭轉角，另一個是最大剪切應力，或者應變；只要測量這兩者中的一個，根據相關的計算公式，就可以得到軸系的扭矩，因此按這種測量原理又分為扭轉角測量和應變測量[1-4]。

1.1 應變式測量原理

    應變式測量最傳統的測量方式就是粘貼電阻應變片，隨著科技的進步，測量表面應變的方式除了電阻應變片，還有聲表面波測應變、壓電式測應變、逆磁致伸縮效應測應變等許多新興的手段，但其測量本質都是獲得應變值[2]。

    式中，τm ax 為最大剪切應力；T 為需要測量的扭矩值；W t 為抗扭截面系數，由軸系的直徑決定；E為材料彈性模量，由材料本身決定；ε為應變；D 為軸系的直徑。上式可以看出，只要把軸的應變ε測出，就可測出扭矩值T [5]。

    傳統電阻應變片扭矩傳感器在彈性軸上45°和135°方向粘貼應變片組成橋，當彈性軸受扭矩時，扭轉變形引起電橋電阻變化，應變電橋電阻的變化轉變為電壓信號的變化。其信號從轉動軸傳遞到固定殼體的方法主要有碳刷式接觸方式和電磁感應式、無線傳輸等非接觸方式。

1) 碳刷式扭矩傳感器

    如圖1 所示，殼體5 固定，刷絲3 固定在殼體5上；應變片6 粘貼在旋轉軸1 上，與滑道4 相連，滑道4 與旋轉軸1 固聯，旋轉軸1 依靠軸承2 旋轉，刷絲3 與滑道4 靠滑動接觸摩擦傳遞信號。導電滑環即刷絲3 和滑道4 的可靠性直接影響著扭矩傳感器信號的穩定性。

2) 電磁感應式扭矩傳感器

    圖2 是電磁感應、非接觸、應變式測量扭矩傳感器原理圖。與圖1 相比，其應變測量原理相同，但信號傳遞不是靠接觸摩擦的刷絲和滑道，而是通過線圈的電磁感應，非接觸方式傳遞。

    初級變壓器線圈7 與應變片一起固定在旋轉軸上，次級變壓器線圈8 固定在殼體上，當有扭矩時，次級變壓器線圈8 會有信號輸出。

3) 無線傳輸式扭矩傳感器

    無線傳輸式扭矩傳感器工作原理與圖1 和圖2相同，都是應變片貼在旋轉軸上，信號處理電路和發射模塊也與旋轉軸固聯，一起旋轉；圖3 所示的應變信號經過處理電路后，通過發射模塊發射出去，而接收模塊和顯示模塊與殼體固聯，實現信號的無線傳輸[3-4]。

1.2 轉角式測量原理

    式中，θ為扭轉角；T 為扭矩值；l 為軸長度；G 為剪切彈性模量，由材料的性質決定；I p 為截面極慣性矩，由軸直徑D 決定，因此只要測得了扭轉角就能測得扭矩值。

1) 磁感式測量原理

    如圖4 所示，齒盤1 與扭轉軸2 固聯，磁電傳感器3 主要由線圈、鐵芯、永磁體組成。當扭轉軸2 上施加扭矩時，齒盤1 會引起磁電傳感器3 磁通量的變化，輸出兩個相位差的電壓U 1、U 2，經過測量電路處理后顯示扭矩值。

2) 光電測量原理

    如圖5 所示，扭轉軸1 上固聯碼盤4 和5，碼盤4 和5 上按一定規則布置孔。當扭轉軸1 上無扭矩時，兩個碼盤相互遮擋，光源2 的光線不會穿過碼盤；當施加扭矩信號時，由于扭轉角的存在，兩個碼盤錯位，光源2 的光線透過碼盤到達光敏元件3，感應出電信號，再經過后續電路處理，顯示出扭矩值[3-4]。

2 扭矩傳感器安裝時注意事項

    不同安裝結構的扭矩傳感器選用聯軸器不同，對其精度及壽命影響很大。

2.1 同軸度的調整

    由于加工基準不同，兩個軸端在裝配過程中，不可避免的會出現軸心偏差問題，包括徑向偏差、軸向偏差和角度偏差，如圖6 所示。

    常見的同軸度測量方法有兩種：一是打表法，二是采用激光對中儀。當然，在結構設計時盡量保證同軸度，如在鏜床上一次裝夾，通過旋轉刀架，保證同軸度，如圖7 所示為一體焊接式結構[6]。

2.2 扭矩傳感器的結構形式

    動態扭矩傳感器主要采用普通鍵連接、法蘭盤連接、光軸配合的夾緊軸套等安裝方式。安裝扭矩傳感器之前，先進行同軸度的調整，雖然彈性聯軸器能補償安裝誤差，但軸系一旦處于工作狀態，受載變形或者高速運轉引起的振動變形，會加劇不同軸度，因此為了使聯軸器工作在可補償的誤差范圍內，也為了延長聯軸器的壽命，同軸度必須調整到一個較好的范圍，一般小于0.05 m m。對于不同結構的扭矩傳感器，所選用聯軸器是不同的。

    常見的聯軸器有剛性聯軸器和撓性聯軸器，剛性聯軸器不具備補償同軸度誤差的能力，而撓性聯軸器具備補償同軸度誤差的能力，包括軸向誤差、徑向誤差、角度誤差。剛性聯軸器連接兩軸之后，如果同軸度不好，會使軸強迫彎曲變形，對軸承等支撐部位施加額外載荷，增加軸系的撓度，高速時會使系統振動增加。撓性聯軸器分為半耦合( 單彈體) 和全耦合( 雙彈體)，半耦合只補償軸向和角度偏差，全耦合可以補償軸向誤差、徑向誤差、角度向差。常見半耦合聯軸器為單膜片聯軸器，其余都為全耦合，見圖8[7-9]。

    圖8 中第一排前兩個為雙膜片聯軸器，后兩個為單膜片聯軸器；第二排依次為梅花聯軸器、彈性柱銷聯軸器、波紋管聯軸器、十字滑塊聯軸器，根據廠家的樣本和補償值選取合適的聯軸器。

    對于不同安裝形式的扭矩傳感器，其聯軸器的選用是不同的，分為軸式不帶底座扭矩傳感器、軸式帶底座扭矩傳感器、法蘭式扭矩傳感器。

1) 軸式不帶底座扭矩傳感器

    圖9 是不帶底座扭矩傳感器，其典型的安裝結構如圖10 所示。圖9 中外殼1 不起支撐作用，圖10 中支撐薄板2 只是為了防止外殼轉動，扭矩傳感器處于懸浮狀態。有兩種安裝方式，一是采用兩個單耦合聯軸器，如單膜片聯軸器，類似組成圖8第一排第二個雙膜片聯軸器的結構。二是扭矩傳感器一端采用剛性連接，另一端采用雙耦合聯軸器，如彈性柱銷聯軸器、梅花聯軸器、雙膜片聯軸器等。

2) 軸式帶底座扭矩傳感器

    如圖11 所示，安裝時，底座用螺釘固定在基座上，扭矩傳感器內部兩端軸承支撐；兩個軸端都是固定約束，存在角偏、徑偏和軸偏，因此每個軸端都需要全耦合( 雙彈體) 聯軸器，如雙膜片聯軸器。

3) 法蘭式扭矩傳感器

    這種扭矩傳感器由一個法蘭盤和外殼組成，兩者分離。法蘭盤和軸系連接，外殼固定于基座，用來傳輸數據。其聯軸器的選用類似于圖10 軸式不帶座扭矩傳感器，即當一端剛性連接時，另一端采用全耦合( 雙彈體) 連軸器，如雙膜片聯軸器；或者兩端都采用半耦合( 單彈體)，圖12 就采用兩個半耦合聯軸器。

    綜上所述，當扭矩傳感器軸端全約束，就選擇全耦合( 雙彈體) 連軸器；軸端自由，可選擇兩個半耦合( 單彈體) 聯軸器，或者將其一端剛性連接，另一端選用全耦合( 雙彈體) 連軸器。

3 結語

1) 對動態扭矩傳感器的工作原理進行了詳細論述，動態扭矩傳感器分為接觸和非接觸測量。都是通過測量應變或者扭轉角獲得扭矩值，通過接觸或者非接觸方式將對扭矩傳感器信號傳出。2) 對不同結構的扭矩傳感器安裝方式進行了說明。有的需要安裝固定底座，有的不需要，兩者對聯軸器的選用不同，必須明確安裝方式，才能選擇正確的聯軸器，保護扭矩傳感器和獲得較高的測量精度。3)通過給出扭矩傳感器典型的安裝方式，得出結論：當扭矩傳感器軸端全約束時，選擇全耦合( 雙彈體)連軸器；當軸端自由時，可選擇兩個半耦合( 單彈體) 聯軸器，或者將其一端剛性連接，另一端選用全耦合( 雙彈體) 連軸器。同時，在伺服系統中，最好選擇伺服膜片聯軸器或者伺服波紋管聯軸器等

扭轉剛度較大的撓性聯軸器，減少遲滯，保持系統較高動態性能。

    共同探討螺栓預緊力測量的相關技術和市場信息，共同推進此產業的發展，實現共贏。

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