正确地测量扭矩

Rainer Schicker 和 Georg Wegener 博士在 272 页 的著作中对扭矩传感器的使用做了经典的陈述.描述了扭矩测量的基本原理以及如何设计和应用扭矩传感器(采用应变技术).

清晰的排版,并容易理解. 描述了扭矩测量的基本原理,以及基于应变原理的扭矩传感器的机械和电配置情况. 包含可大量如何解决应用中所遇到的问题,是扭矩测量工程师的有效工具.

此书不论对于专家还是初学者都有很大帮助I. 包括传感器选择,配置,安装,调试以及振动过程分析,标定和测量原理.

作者避免了对原理的大量讨论 本书对振动工程学进行了解释,以及提供了大量的图表。并对HBM的扭矩传感器进行了介绍.

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扭力传感器结构

基本上扭力测量弹性体是可以有任何形状的,但无论何种形状,它都必须有光滑的表面用来贴应变计来测量其形变。常见的轴式测量弹性体的形状有:实心式、空心式、笼式、和方形轴式,当使用这些设计时,弹性体只会产生扭转应力。

相比之下,具有相同截面积的管状(空心)测量弹性体能够提供较大的弯矩,特别是一些扭力测量范围很大的传感器,通常是使用一个实心的正方形截面轴,这种方式简单而且贴片方式非常容易。

其它测量弹性体的形式有:轮辐式、径向剪切式等,所施加的扭力会在测量弹性体上生成剪切方向的应力,特别是对一些较小的扭力而言,十字型的测量弹性体能够提供更好的应变和更大的抗弯刚度。

如今,以上的这些弹性体的测量形式已经无法满足扭力传感器在功率测试台上的要求。这就是为什么在上个世纪90年代,HBM作为首家扭力传感器的制造商,引入了扭力传感器的剪切原理的原因。见图1右侧第二行,这种特有的原理被称为半梁,此种剪切形式则可以用于专业计量使用。四个放射状的I型(轮辐剪切)的梁被设计在T10F扭力法兰中。这不仅在测量技术方面有较大的优点,并在垂直于测量方向的横向刚性也给出了很好的比例关系。图1给出了如今最常见的测量弹性的形状。

利用剪切原理,谨慎的选择应变片的位置和弹性体的几何形状,在可调整范围内充分利用扭力法兰的特性。图2HBM公司的T10F系列扭力传感器测量弹性体。

HBM公司的T10FS扭力法兰式弹性体则代表着未来扭力传感器的发展方向,也改变了以往的扭力测量模式。这种具有U型的剪切方式被安排在轴向内部,而不是呈放射状,应变计则被贴在弹性体的内部。这种形式的弹性体具有了密封的可能性。HBM已经为新的放射-剪切型弹性体和内部轴向剪切型测量弹性体分别申请了专利,并已获得批准。图3T10FS系列的测量弹性体。

扭力传感器安装

在扭力传感器的联接上,HBM提供了3中联接方式。

· DIN 3121 标准(机动套筒扳手转动四方头)

·夹紧联接

法兰螺栓联接

HBM 提供不同型号扭力传感器的联轴器,结合实际的测试,HBM也提供更多的快速联接方式。为了让客户方便的进行扭力传感器联接,HBM还有许多不同的摩擦锁紧和防松锁紧设计,以减少纵向力、径向力、弯矩对扭力传感器的影响。

安装扭力传感器和联轴器后必将会导致系统动平衡的改变,这在高速运行时可能会出现问题。尽可能的在准备运行之前的情况下调首先调整动平衡。

四方头套筒联接

HBM扭力传感器的联接接头是遵照DIN 3121标准设计的,这个标准所包含的规格主要涉及到机动套筒扳手转动四方头的规格,国际标准尺寸遵照ISO 1174-2的标准。目前可用的联接有 F外方头,G内方头, H内方头,并且同时带有销钉孔。这些方头都是锁定联接,因此它们不适合扭力方向发生改变的扭力测量。(详细见HBM扭力传感器T4 技术资料)

夹紧联接

夹紧联接是建立在摩擦型锁紧的基础上,根据设计和应用要求的不同,HBM 建议此类联接用于径向紧力单一的场合,这里对传感器轴端的要求也是比较严格的。

法兰螺栓锁紧

法兰联接是在HBM扭力传感器上通过摩擦锁紧而施加扭力,这不仅确保了法兰传导超大扭力时不会有任何问题,而且特别重要的是-------动态扭力被正确的施加在了扭力传感器上。紧固螺栓被按一定的间隔均匀的分布在法兰上,以确保压力的均匀,所有的扭力能够作为一个整体进行传输。

紧固螺栓的数量取决于扭力传感器的额定扭力,由于需要进行标准化,法兰扭力轴上的螺栓孔远比实际需要的要多。这种情况下,一些孔位就被空闲出来,但必须间隔相同的孔位插入紧固螺栓。

带轴承的扭力传感器

对于带轴承的扭力传感器定子,由轴承将弹性体在轴向和径向进行固定,这种形式被使用在:

运行速度能够在滚珠轴承的承受范围之内

很多轴式扭力传感器的设计必须带有轴承

后一种情况基本适用于带滑环的轴式扭力传感器。T20WN型号的轴式传感器则大大减少了非接触式传输测量信号和供电电源时所需要的成本。由于传输的间隙非常小,这使的电源传输不会改变。

当正确的安装扭力,把要测的扭力应用到指定的位置(测量点),轴承的滚动摩擦对测量结果的影响是非常小的。在T20WN/2N.m的扭力传感器中,轴承摩擦产生的扭力大约为0.00005N.m。

带轴承的轴式扭力传感器的定子只要很轻的力就可以防止它转动,内置的轴承通常只支撑定子的重量,因此轴承不会受到很大的磨损。然而,根据相关设备的联接类型,轴承的负载能力也是会被标出的,其中一边会让其作为支撑轴承使用。特质的低摩擦系数的轴承可以保证其在很长一段时间内免维护运行(T20WN的运行时间至少为20,000小时以上)。

非接触式和无轴承的扭力传感器

在高速运行的扭力传感器,定子和旋转测量弹性体是没有任何机械接触的。测量弹性体被恰当的安装在轴系中,定子则被安装在台架上。由于结构中没有了磨损件,所以除了光学的测速系统意外,扭力传感器是免维护和无磨损的。

在运输过程中,一些紧固件环绕在T32FN的定子上,以保证传感器的运输安全并在安装过程中起到辅助作用。T34FN也有一些对中元件在装备中起到一定的辅助作用。同样,辅助装配也被在T10FS的法兰式扭力传感器上得到应用。辅助装配不会导致定子和转子在安装后变形或拉伸。

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  • 扭矩测量理论
  • 扭矩传感器结构
  • 如何选择扭矩传感器
  • 使用和安装扭矩传感器
  • 振动过程分析
  • 扭矩传感器校准

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