高速应用中扭矩测量技术面临的挑战

在汽车行业,从内燃机向电机的逐渐转变对试验台测量技术产生了深远的影响,这种影响在不久的将来将变得更加明显。与传统的内燃机相比,电驱动系统具有更小的尺寸和更低的重量,因而具有更高的功率密度。电机的热损失已降低到10%左右,90%以上的电能转化为机械能。此外,车辆中的电驱动装置需要以相当高的转速运行,这也给电动汽车试验台的扭矩测量技术带来了挑战。

2004年,T11扭矩传感器为高转速扭矩测量设立了新标准。T11长期以来一直被用于赛车运动,由于其较小的转子质量和较低的质量惯性矩,因此转速可高达30000rpm。该传感器于2016年被T40系列取代。下表概述了 HBM 扭矩传感器以及可以达到的转速:

 

 

扭矩传感器

转速 RPM 

T40HS45,000
T40MS30,000
T40CB - 带37.5 mm, 46.5 mm 中心孔 30,000
T40B24,000
T12HP22,000

在某些应用中,T40HS系列的最高转速可以提高到60000 rpm。

除了转速外,电驱动的高动态特性对未来试验台测量技术也提出了很高的要求。因此,进一步降低质量和质量惯性矩,同时确保高刚度,是扭矩传感器未来发展的方向。

 

必须减少重量和质量惯性矩!

扭矩传感器的重量可以通过两种方式减轻。一种是通过传感器的设计,另一种是通过选择替代材料,材料对重量减轻的影响最大。

选择合适的材料是一个挑战,因为它不仅必须有较低的比重,也必须比钢具有更优异的计量性能。由于抗交变负载能力较差,所以铝不是扭矩传感器制造商的选择。钛几乎具有与钢相同的抗拉强度和计量特性,并且在不影响疲劳强度和测量性能的情况下具有较轻重量,钛成为高速扭矩传感器的首选材料。HBK T40HS、T40MS 和 T40CB 高速扭矩传感器均采用钛制造。

由于更小的尺寸和更紧凑的设计,因此产生的质量惯性矩较低(例如在电驱动应用或航空工业的部件测试中)。这些应用比传统内燃机的应用具有更高的动态性。试验台上使用扭矩传感器时必须考虑这些因素。从用户的角度来看,重要的方面是传感器的刚度和测量性能/精度不得受到负面影响。

旋转物体的行为不仅取决于它的质量,而且还取决于它在旋转轴上的分布。

其中,r 表示质量点到旋转轴的距离。在所有可能的力矩中,只有力矩是重要的

因此,转动惯量定义了刚体对其运动变化的阻力。

Fig. 2: Rotation of a point mass about a rotational axis

图2:质量点绕旋转轴的旋转

 

单个质量点的质量惯性矩[J]为:

这意味着质量点越靠近旋转轴(轴),其质量惯性矩越小。并意味着转动扭矩传感器需要较小的力。

图3显示了1kNm范围内不同扭矩传感器的质量惯性矩及其最大转速比较。

结论:

除了通过选择合适的材料(如钛)来减轻重量外,实际测量体的设计在减少质量惯性矩方面也起着重要作用。在高速和动态应用中使用,HBK 扭矩传感器惯性矩比传统传感器大幅减小,且不会影响刚度或测量性能。因此,我们的传感器非常适合于测试非常紧凑的驱动系,或者,用于模拟车辆驾驶条件的动态负载测试台。

一般来说,日益增强的环保意识和可持续性的趋势将影响交通的进一步发展。基于应变的扭矩传感器在未来将继续发挥重要作用,并成为优化机器、飞机和车辆部件过程中不可或缺的一部分。

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