裝配圖變速器扭矩測量及其標(biāo)定裝置設(shè)計（有cad圖）

裝配圖變速器扭矩測量及其標(biāo)定裝置設(shè)計（有cad圖）,裝配,變速器,扭矩,測量,丈量,及其,標(biāo)定,裝置,設(shè)計,cad 1 變速器扭矩測量及其標(biāo)定裝置設(shè)計 摘 要 本說明書主要是設(shè)計變速器一軸扭矩測量及標(biāo)定裝置，而扭矩傳感器的選擇 和傳輸方式的選擇是本次設(shè)計的重點。 扭矩傳感器選擇了電阻應(yīng)變片式，傳輸方式選擇了軸通式，而四個應(yīng)變片接 成全橋，然后引出線接到四個集流環(huán)上，集流環(huán)與軸一起轉(zhuǎn)動，電信號再通過電 刷（設(shè)計成起落架式電刷，為了減少磨損）傳輸給 PCM 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？紤]到該 設(shè)備所用的領(lǐng)域，對應(yīng)變片處的直徑進行了計算，額定扭矩小于 100N.m 的變速 器一軸均可測量。 本次設(shè)計參考了以往的設(shè)計，并進行了改進，后邊附有相關(guān)內(nèi)容的參考文 獻和附錄。 由于設(shè)計過程中貫穿了三化，大大的提高了其使用壽命和維修性。 標(biāo)定裝置的設(shè)計主要考慮到如何加載的問題，選擇了一端用花鍵連接并用螺 栓固定在實驗臺上，另一端用花鍵連接并與加載杠桿一起轉(zhuǎn)動，通過這種方式產(chǎn) 生扭轉(zhuǎn)，并測試其軸的扭矩，繪制標(biāo)定曲線。 關(guān)鍵詞：應(yīng)變片式扭矩傳感器，集流環(huán)，PCM3132 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，標(biāo)定裝置 2 DESIGN OF A TRANSMISSION SHAFT TORQUE MEASUREMENT AND CALIBRATION DEVICE ABSTRACT Summary of the manual transmission design is a shaft torque measurement and calibration equipment home, and torque sensor choice and the choice of the transmission mode of this design is the key. Torque Sensor choose strain gage type, the choice of the transmission mode shaft formula, and then four strain gauge make full bridge, then connect leading-out wire to four slip rings. Slip rings rotate with the axis. Electric signal transmitted to the PCM data acquisition system through brush. Taking into account the equipment used in the fields of the strain gauge the diameter, Rated torque less than 100 Nm fixation of a transmission shaft can be measured. The design references the previous design, and has an improvement, afterward with the relevant content of the references and appendices. As the design process through the three and greatly improved its service life and maintainability. Calibration device design mainly to the problem of how to feed one-end connected with spline and fixed on experimental stage with bolt and the other connected to spend bond with the loading lever rotation together, in this way have reversed, and test its axis torque, Drawing calibration curve. Key words: strain gages-torque sensor, slip ring, PCM3132 data acquisition system, calibration device 目 錄 3 第一章 前言.......................... ..................1 第二章 概述 ............................................3 第三章 扭矩傳感器方案分析 ..............................4 §3.1 用電力測功器測扭矩.............................. 4 §3.1.1 直流電力測功器測量扭矩..................... 4 §3.1.2 交流電力測功器測量扭矩..................... 5 §3.1.3 電渦流測功器測量扭矩....................... 5 §3.2 用扭矩儀測扭矩............................ ..... 6 §3.2.1 電阻應(yīng)變片式扭矩儀......................... 6 §3.2.2 相位差扭矩儀............................... 9 §3.2.3 頻閃觀測式扭力計.......................... 10 §3.2.4 鋼弦式扭矩儀.............................. 11 §3.3 輔助裝置..................................... 12 §3.3.1 傳輸裝置分析..............................12 §3.3.2 數(shù)據(jù)分析與采集系統(tǒng).........................12 第四章 設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)分析........ .. ..................14 §4.1 零部件的設(shè)計計算...............................14 §4.1.1 離合器軸上貼應(yīng)變片處直徑的確定.............14 §4.1.2 離合器軸和變速器一軸矩形花鍵連接長度的計算.14 §4.1.3 一軸上薄弱截面強度校核計算................15 §4.1.4 電橋輸出電壓的計算.........................15 §4.1.5 標(biāo)定裝置力和扭矩曲線圖.....................16 §4.2 零部件的結(jié)構(gòu)特點及加工工藝性分析...............18 §4.2.1 測量裝置.........................18 §4.2.2 標(biāo)定裝置.........................18 第五章 結(jié)論....................................... ....20 參考文獻...............................................21 致謝...................................................22 第一章 前 言 4 本次設(shè)計的課題是變速器扭矩測量及其標(biāo)定裝置設(shè)計，課題類型屬于工程設(shè) 計，課題來源科學(xué)研究。 目前對汽車的性能要求越來越高，檢驗和試驗是一項必不可少的程序，也是 一項很重要的環(huán)節(jié)。 對一個測試系統(tǒng)來說，首先要獲取信息，并且要求選出有用的信號，而無用 的被過濾掉，恰恰傳感技術(shù)能執(zhí)行和替代其任務(wù)。為了更好的采集和分析被測信 號，需要放大，調(diào)質(zhì)，解調(diào)等一系列環(huán)節(jié)。變速器扭矩測量儀就是通過這種方式 設(shè)計的，即將非電量信號（扭矩）變成電量信號，通過對電量信號的分析和處理， 最后達到測量扭矩的目的。 測試系統(tǒng)的意義不僅可以用來做檢驗儀器，還可以用來做研究設(shè)計的輔助工 具，是其具有很強的實踐性意義。 國內(nèi)外同類設(shè)計（或同類研究）的概況： （1）使用單片機的扭矩測量系統(tǒng) 其組成單元：單片機，磁電式扭矩傳感 器和簡單的電路其實現(xiàn)對扭矩的測量，其特點結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾，精 度高等。 （2）使用測扭器 它是通過兩個連軸器將其連接到要測量的軸系中進行軸 扭矩的測量，目前有兩種方案。 測扭器 一段已知軸的直徑和彈性摸量的軸，將應(yīng)變片貼在它的側(cè)面，通過 應(yīng)變片的應(yīng)變計算出傳遞扭矩的大小。 測扭器 一段軸通過測量兩端的變形差來確定傳遞扭矩大小，軸的兩端有齒 圈/盤，齒盤外廁有電磁線圈，轉(zhuǎn)動時齒盤和線圈之間的磁場會有正弦的信號輸出， 校準(zhǔn)時記錄已知扭矩和測扭器兩端齒盤產(chǎn)生信號的相位差，構(gòu)成校準(zhǔn)曲線，使用 中，設(shè)備自動讀出相位差，通過校準(zhǔn)曲線與扭矩量聯(lián)系，這樣就測出了扭矩。 （3）扭矩測量設(shè)備的發(fā)展 近年來，國內(nèi)頻繁出現(xiàn)用靜力學(xué)難以解釋的重 大軸斷裂事故，由于缺乏當(dāng)時工況的動態(tài)參數(shù)記錄，給事故分析和責(zé)任判定造成 了很大的困難，隨著技術(shù)的進步和機械系統(tǒng)設(shè)計制造運行的完備化需求，扭矩測 量及其信號傳輸越來越成為當(dāng)務(wù)之急。其中信號傳輸?shù)闹饕騼蓚€方向發(fā)展，模 擬式傳輸，數(shù)字式傳輸，故扭矩測量設(shè)備具有很大的發(fā)展前景。 （4）扭矩測量設(shè)備在設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題：在搜集和接受信號時，精 確地判斷出信號的真實性，即將有用的信號傳輸處理和顯示設(shè)備中，無用的信號 5 過濾掉，故要有較好的抗干擾裝置。 設(shè)計的總體內(nèi)容及其步驟：傳感技術(shù)及其該設(shè)計相關(guān)內(nèi)容的概述；各部分方 案分析；主要設(shè)備參數(shù)的計算；；主要結(jié)構(gòu)元件的分析；總裝圖布局繪制；總結(jié) 及其心得體會等。 本設(shè)計參考了以往的設(shè)計，并進一步的改進，使其設(shè)計更加的完善，并在設(shè) 計過程中貫穿了三化：標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，系列化。此系統(tǒng)具有良好的更換性和和 實用性。 設(shè)計過程中得到了指導(dǎo)老師和同學(xué)們的幫助，在此一并表示感謝。 由于本人設(shè)計的水平有限，設(shè)計過程中不可避免出現(xiàn)錯誤和疏漏，懇請指導(dǎo) 老師以及審批老師給予批評和指正。 第二章 概 述 變速器扭矩測量及其標(biāo)定裝置設(shè)計是用來測量變速器第一軸的扭矩以及轉(zhuǎn)速， 6 如果安裝有輔助計算功率的設(shè)備，還可以測量功率。設(shè)計該裝置的目的是：為了 在變速器工作的情況下，能夠保證軸的強度，設(shè)計軸之前可以做一個樣本，然后 通過該設(shè)備進行模擬測量，是否達到其要求，保證其后期使用過程中不出現(xiàn)質(zhì)量 缺陷；可以當(dāng)研究設(shè)計軸的輔助工具；也可以做檢驗工具。該裝置的轉(zhuǎn)速要求不 得超過 2500r/min。 對該裝置提出如下要求： （1）測量過程中要保證其信號不失真，靈敏度要高 ； （2）測量過程中對外界的抗干擾性能好，即要有屏蔽，隔離，干擾，抑制 裝置； （3）測量時，工作電流不得超過 25mA（靜態(tài)） ，動態(tài)時不得超過 75~100mA； （4）該裝置工作時應(yīng)注意環(huán)境溫度（范圍-40~80）最好保持在 20，并且溫 度對測量影響很大，要有補償與修正措施，故應(yīng)變片采用全橋式連接； 該裝置要進行動態(tài)和靜態(tài)分析，使系統(tǒng)保證測量工程中穩(wěn)定，所得圖形不失真， 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確； （5）具有良好的線性度，高的重復(fù)度，滯后性底等； 應(yīng)用的范圍廣，并且滿足要求的情況下，輪廓尺寸和質(zhì)量小，制造成本低，維修 方便，操作輕便等要求。 該裝置主要有測扭傳感器，實驗臺，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)（PCM3132） ，以 及執(zhí)行機構(gòu)組成。扭矩測量儀按扭矩處理的方式分為兩大類：平衡式（也叫吸收 型） ，它是用水，電，空氣等制動動力機構(gòu)的功率輸出軸，同時吸收它的扭矩； 傳遞型 它是根據(jù)動力機輸出功率時，傳動軸的扭轉(zhuǎn)情況來測定扭矩的。它有機 械式的，電的和光學(xué)的等不同形式。 計算機技術(shù)發(fā)展的嫻熟以及單片機等的發(fā)展，扭矩測量正在向智能化方向發(fā) 展。 第三章 矩扭傳感器方案分析 測定扭矩通常用扭矩儀進行。根據(jù)扭矩的處理方法，扭矩儀分為兩大類： 7 平衡式（也叫吸收型） ，它是用水，電，空氣等制動動力機的功率輸出軸，同時 吸收它的扭矩。傳遞型，它是根據(jù)動力機械輸出功率時，傳動軸的扭轉(zhuǎn)情況來測 定扭矩。有機械式，電的和光學(xué)的等不同形式。 §3.1 用電力測功器測扭矩 §3.1.1 直流電力測功器測量扭矩 它實際上是一臺直流電機，如圖 3-1 所示(來源于非電量電測工程手冊)，與 一般直流電機的區(qū)別是：定子繞組及外殼并非固定不動，而是支承在軸承之上可 以轉(zhuǎn)動。工作時被測動力機通過聯(lián)軸器與測功器相連，測量時測功器作為發(fā)電機 運轉(zhuǎn)，當(dāng)給定子繞組激勵，動力機帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，則在定子的磁場中，產(chǎn)生一 個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的阻力矩 M ' ，要維持轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，就必須克服這個力 矩。 圖 2-1 直 流 電 力 測 功 器 圖 3-1 直流電力測功器 由于定子及外殼是可以轉(zhuǎn)動的，因此阻力矩 M 使外殼沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生擺 動，大小等于 M '的擺動力矩被安裝于外殼凸緣上的測力計所平衡。另外，轉(zhuǎn)子 在旋轉(zhuǎn)中由于軸承的摩擦及空氣阻力，尚有一個微小的摩擦力矩，動力機輸出軸 的輸出力矩為 M=M '+ M”。同樣被外殼凸緣上的測力計所平衡。因此輸出力矩 的測力計測得。 直流電力測功器的優(yōu)點：轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，工作穩(wěn)定，測量精度高， 負(fù)荷特性好，便于自動化和程序控制；它還可作為一個原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。 8 多用于測定內(nèi)燃機的扭矩和功率。其缺點：測功器的電能不能利用而消耗在負(fù)荷 電阻上。對于大功率內(nèi)燃機長時間試驗時，其經(jīng)濟性較差。 §3.1.2 交流電力測功器測量扭矩 用交流電力測功器制動或驅(qū)動發(fā)動機時，其制動或驅(qū)動力矩是這樣產(chǎn)生的： 當(dāng)測功器調(diào)到某一轉(zhuǎn)速 n1 時，它具有持續(xù)在等速旋轉(zhuǎn)的特性。故當(dāng)發(fā)動機剛要 使轉(zhuǎn)速提高到 n1 以上時，測功器就使發(fā)動機轉(zhuǎn)速有下降的趨勢，測功器的定子 沿發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)方向擺動，所吸收的扭矩可由外殼的測力計測得。反之，當(dāng)發(fā)動 機轉(zhuǎn)速要降低到 n1 以下時，測功器就有使發(fā)動機轉(zhuǎn)速增高的傾向，定子向發(fā)動 機相反的轉(zhuǎn)向擺動。測力計測出驅(qū)動扭矩。吸收或驅(qū)動扭矩的大小，與發(fā)動機轉(zhuǎn) 速和測功器轉(zhuǎn)速 n1 之間的差值成正比。為了能用一個測量吸收扭矩和驅(qū)動扭矩， 而且指針總向一個方向擺動，在定子外殼力臂頂端與測力計之間裝有 H 型鉸鏈機 構(gòu)。 交流電力測功器的特點：可用普通三相交流電源供電，并吸收發(fā)動機負(fù)荷而 發(fā)出電力輸送給原來的電源。所以經(jīng)濟性，操縱簡單，只要簡單地操縱速度調(diào)節(jié) 器，即可制動或驅(qū)動發(fā)動機，測定也比較方便。其缺點：具有速度特性，對于往 復(fù)史內(nèi)燃機，因瞬時扭矩在不斷變化，容易損壞發(fā)動機與測功器之間的聯(lián)軸器， 測試時指針的擺動一般也較大。 §3.1.3 電渦流測功器測量扭矩 它主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。當(dāng)給激磁線圈通以交流電時，在轉(zhuǎn)子與鐵心間隙 處就有磁力線通過。該間隙的磁通分布是：在轉(zhuǎn)子磁頂處的磁通密度大，而通過 齒根處的磁通密度則很小。當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速順時針方向旋轉(zhuǎn)時，則在此時磁通就減 少。由電磁感應(yīng)定律可知，此時將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電勢力圖阻止磁通的減少， 于是就有電渦流產(chǎn)生。P 力使定子轉(zhuǎn)動，再通過與定子相連的力臂引入稱量機構(gòu) （測力計） ，便可進行扭矩的測量。 電渦流測功器測量扭矩的特點：精度高振動小，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速及功率的測 量范圍寬，轉(zhuǎn)速自 1000~25000r/min 甚至更高，功率可達到 4474kw：激磁電流只 需變動數(shù)安培就可自由控制吸收扭矩，可比較容易實現(xiàn)自動化。因此，作為發(fā)動 9 機程序控制預(yù)定規(guī)范運轉(zhuǎn)以及耐久試驗用無人運轉(zhuǎn)裝置，發(fā)動機模擬試驗等的吸 收負(fù)荷裝置是很合適的。但這種測功器測量扭矩只能消耗發(fā)動機的功率而不能發(fā) 出電力，也不能作為電動機倒拖發(fā)動機。 §3.2 用扭矩儀測扭矩 扭矩儀的基本工作原理，是通過測量動力機械輸出軸，中間軸或特殊的聯(lián)軸 節(jié)，在扭矩作用下的變形，由變形的大小來決定扭矩值 由材料力學(xué)可知，在圓軸上扭矩為 M 時，其表面的剪應(yīng)力為 Wn/?? 在彈性范圍內(nèi)，對應(yīng)的剪應(yīng)力為 （3—1）)/(/G? 式中 Wn—圓周抗扭截面摸量； G—剪切彈性摸量。 同時，相距 L 的兩端面之間產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角 , 值由下式?jīng)Q定：? （3—2）)/(JLM?? 只要軸的尺寸確定，材料的剪切彈性摸量一定，轉(zhuǎn)軸的剪應(yīng)力及相距 L 的兩 斷面的相對角，就只與扭矩有關(guān)，且成正比關(guān)系。因此現(xiàn)有的扭矩儀都是將著兩 個參量通過機電變換器轉(zhuǎn)換成電量，然后測定。 §3.2.1 電阻應(yīng)變片式扭矩儀 它是利用應(yīng)變片將扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)變（通過某中裝置轉(zhuǎn)變成正應(yīng)變）轉(zhuǎn)換成 電量而進行測量。應(yīng)變片可以直接貼在需要測量的扭矩傳動軸上，也可以帖在一 根特制的傳動軸上制成應(yīng)變式扭矩儀 1. 應(yīng)變式扭矩儀工作原理 對于常用的圓轉(zhuǎn)軸，由材料力學(xué)可知，在扭矩 軸表面上，與軸線成 45o 和 135o 夾角的螺旋線為其主應(yīng)力線，在主力線上的拉 應(yīng)力為和壓應(yīng)力為在數(shù)值上與扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力相等。即 由此可得應(yīng)變與扭矩的關(guān)系： （3—3）nnEWMG)1(21354 ????? 10 式中 M—扭矩軸的扭矩； —抗扭斷面摸量；nW E—彈性摸量； G—材料的剪切彈性摸量。 由式可知，當(dāng)我們在軸的某一點上沿軸線成 45o 和 135o 的方向粘貼應(yīng)變片， 可以通過這兩方向上測得的應(yīng)變值算出剪應(yīng)變值。 1354???? 當(dāng)這兩個應(yīng)變片分別接在電橋相鄰的兩個橋臂中，從電橋的加減特性可知， 應(yīng)變儀的讀數(shù)就是剪應(yīng)變值。再根據(jù)標(biāo)定曲線即可算出扭矩值， 為了提高測量靈敏度和精度，消除其它力學(xué)參數(shù)的影響，通常在傳動軸上選 取適當(dāng)?shù)慕孛妫诮孛娴膱A周方向每隔 90o 布置一個應(yīng)變片，其貼片方向仍沿與 軸線成 45o 和 135o 的方向，并將它們接成全橋的測量形式。當(dāng)軸徑很小貼片位 置受到限制且僅承受扭矩時，可沿軸線在不同的截面上貼片。 當(dāng)被測扭矩較小時，除采用空心軸外，還可采用其它形式的結(jié)構(gòu)，不過其應(yīng) 變值計算復(fù)雜，一般是采用試驗標(biāo)定的方法來確定扭矩值。 2. 應(yīng)變式扭矩傳感器 圖 3–2 為常見的扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)和接橋方式圖 （來源于非電量電測工程手冊） 。測扭彈性軸安裝在軸承中，傳感器外殼安裝在 試驗臺架上，軸的兩端銑有花鍵槽。用花鍵與動力機和負(fù)載相連，彈性軸的最敏 感段貼有四應(yīng)變片，貼片處軸徑尺寸的確定，既要保證足夠的輸出靈敏度，又要 保證足夠的剛度，按下式計算： d = 33 ][20/]/[16???。M? 式中 M—承受的最大扭矩； ]—許用剪應(yīng)力。?[ 通常用 40 合金銅或青銅制成彈性軸。為保證貼片的長度?。?~1.5）d 彈rC 性軸其它各處的直徑視結(jié)構(gòu)而定，但必須大于貼片出的直徑。 為了傳遞信號，軸上裝有碳刷式集流環(huán)（由銅環(huán)，絕緣環(huán)，電刷及電刷支架 等構(gòu)成） 。 3. 電扭矩儀 這種的工作原理是基于被測扭矩的變化，使不旋轉(zhuǎn)的外 11 圖 2-應(yīng) 變 式 扭 矩 傳 感 器 圖 3-2 應(yīng)變式扭矩傳感器 殼產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸變形，經(jīng)調(diào)制型直流放大器放大后，可在指示儀表上直接讀數(shù) 或用記錄器記錄 圖 2-3 電 扭 矩 儀 的 簡 圖 圖 3-3 電扭矩儀簡圖 它是一種不需要集流環(huán)等中間傳輸環(huán)節(jié)的扭矩儀。由傳感器，放大器，指示 器等部分組成。圖 3–3 為該儀器傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖， （來源于非電量電測工程 手冊）它相當(dāng)于一個聯(lián)軸器，測扭矩時將其連接于主動軸和被動軸之間，傳感器 具有兩個結(jié)構(gòu)相同的半軸，端部均做成法蘭盤狀，盤的端面上鑲有六個均布的錐 孔座，在座中分別放入 6 個鋼球。當(dāng)有扭矩作用時，主動半軸通過鋼球帶動被動 半軸旋轉(zhuǎn)，這和切向力 沿軸向推壓錐孔座，并通過推力軸承作用于軸承的外殼 上，使其產(chǎn)生軸向拉伸變形。由應(yīng)變片測得外殼的變形，即可求出扭矩。 12 傳感器上共貼有四張應(yīng)變片（R1，R2 豎貼，R3，R4 橫貼） ，接成全橋，這 樣可消除彎矩的影響。 §3.2.2 相位差扭矩儀 1. 基本工作原理 如前所述，在扭矩 M 的作用下，軸上間隔一定距離的 兩個斷面之間，將產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)角 ，如果在兩個斷面上各安裝一個機電信號? 變換器，則兩個信號變換器之間將有一個相位差 ，由于角正比于扭矩 M，測?? 出相位差 后，根據(jù)標(biāo)定曲線就可獲得扭矩值。?? 2. 相位差扭矩傳感器 （1） 磁電式扭矩傳感器 又叫感應(yīng)式傳感器。圖 3–4 為這類傳感器的工作 原理圖。在彈性軸的兩端，安裝有兩個相同的齒輪，在齒輪上方分別安裝有兩個 相同的繞有信號線圈的磁鋼。彈性軸兩端分別與動力軸和被測軸固定。彈性軸轉(zhuǎn) 動時，由于磁鋼和齒輪之間空氣間隙導(dǎo)致磁率的交替變化，在兩個信號線圈中分 別感應(yīng)出兩個交變電勢 U1,U2，此兩個電勢有一個恒定的初始相位差，這個初始 相位差只有與兩個齒輪在軸上的安裝相位位置及兩磁鋼的相對位置有關(guān)。當(dāng)彈性 軸受到扭矩作用時，產(chǎn)生扭矩變形，兩齒輪將有如上式所示的相對轉(zhuǎn)角 。在彈? 性范圍內(nèi) M。在扭轉(zhuǎn)角度變化的同時，U1 和 U2 的相位差 亦發(fā)生相應(yīng)的???? 變化，借助二次儀表測出，即可求出扭矩 M。圖 2-4磁 電 式 扭 矩 傳 感 器 簡 圖 圖 3-4 磁電式扭矩傳感器簡圖 該傳感器的優(yōu)點是不需要電源和集流環(huán)等中間傳輸環(huán)節(jié)，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高 速時，動平衡較困難。一般轉(zhuǎn)角在 2o~5o 時使用。 13 （2） 電容式扭矩傳感器 利用扭矩變形時，電容極板之間間隙或有效工作 面積的改變，引起電容的變化來測量扭矩的。圖 3–5 為這種電容扭矩傳感器的結(jié) 構(gòu)示意圖。在彈性軸 1 上有兩片由金屬薄板制成的圓板。左邊圓板靠軸套固定在 扭矩軸上，上面開有八個扇形孔，每個扇形夾角為 22.5o。右邊圓板的形狀與左 邊的圓板相同。它通過套管及軸套與彈性軸相連接。套管一端內(nèi)裝有塑料軸承， 增加了系統(tǒng)的剛度，防止套管在運動中顫動。 當(dāng)彈性軸不傳遞扭矩時，圓板 2 和 3 的位置相互錯開 11.5o 在殼體上靠近兩 圓板的兩側(cè)，固定著兩塊由絕緣材料制成的槽中。在絕緣板上各裝有一塊金屬圓 板，金屬圓板之間的距離大致是 12.5~32.5 mm。圖 2-5 電 容 扭 矩 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 圖 3-5 電容式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 這種傳感器的特點：也需要集流環(huán)，以便把轉(zhuǎn)軸上的電容變化信號與整個測 量電路連接起來，且需要高頻電源，放大器和精密的屏蔽導(dǎo)線等，其主要優(yōu)點是 靈敏度高。 §3.2.3 頻閃觀測式扭力計 這種扭力計的特點：測量精度與各連軸節(jié)安裝的同心度及彈性扭轉(zhuǎn)軸所承受 的載荷大小有關(guān)，一般各聯(lián)軸節(jié)的同心度應(yīng) 在 0.004%以內(nèi)，當(dāng)載荷在半額定載 荷和額定載荷之間時，誤差是最大扭矩的 5%，當(dāng)載荷在 1/4~1/2 之間時，誤差? 約 1%。? 它適宜測量功率約為 22~1500Kw。只要在結(jié)構(gòu)上稍加改變，選擇不同尺寸的 彈性扭轉(zhuǎn)軸即可測量不同范圍的功率。它適宜測量的轉(zhuǎn)速范圍是 14 600~3000r/min。轉(zhuǎn)速低于 600r/min,分度盤上難以得到穩(wěn)定的映象，故不適合于低 速工作。 §3.2.4 鋼弦式扭矩儀 1、基本原理及結(jié)構(gòu) 一般張緊的鋼弦，其橫向的固有頻率為： ?Plf210? 式中 l —鋼弦的有效長度； —鋼弦的材質(zhì)密度；? P —鋼弦的張力。 當(dāng)鋼弦的張力增加 P 時，其頻率將為：? f f0?2 上式表明：鋼弦固有頻率的變化值與張力的增量 P 近似的成正比。? 鋼弦扭矩儀的基本原理在于彈性扭矩軸受到扭變形引起鋼弦的伸長或縮短， 使鋼弦的固有頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。因此測知鋼弦的振動頻率，就可確定扭矩值。 2-6 鋼 弦 式 扭 矩 傳 感 器圖 簡 圖 圖 3-6 鋼弦式扭矩傳感器簡圖 圖 3–6 為鋼弦扭矩儀傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。在彈性軸 1 上相隔一定的距離安 裝兩個卡環(huán)。一卡環(huán)上有凸臺,另一個卡環(huán)上也有兩凸臺，在去前兩凸臺和后兩凸 臺之間各安裝一根鋼弦。在扭矩作用下彈性扭軸 1 變形，兩卡環(huán)之間有一個相對 轉(zhuǎn)角，使凸臺之間的一個鋼弦受拉，另一個鋼弦受壓，將它們差接后，在一定的 范圍內(nèi)其頻率的變化和拉力或壓力成正比，該拉力和壓力與扭轉(zhuǎn)軸的相對轉(zhuǎn)角 成正比，因而也就跟扭矩成正比。? 經(jīng)過上述的分析，在結(jié)構(gòu)工藝性，技術(shù)性能，經(jīng)濟性，可維修性等方面進行 15 比較考慮，選擇電阻式傳感器中應(yīng)變片扭矩傳感器。 §3.3 輔助裝置 §3.3.1 傳輸裝置分析 由于扭矩上一利用旋轉(zhuǎn)軸的變形來進行的，如何將軸的變形信號傳輸?shù)綔y量 顯示儀器，有下面幾種扭矩信號傳輸方式： 1 電刷滑環(huán)型集流裝置與軸連接的方式可分為軸通式和軸端式兩種，前者是 套在軸上的，一般用鎖緊錐套固緊，后者則安裝在軸的一端，通過一個接盤與被 測軸聯(lián)接。按電刷與滑環(huán)的接觸方式分徑向式和端向式兩種。 電刷滑環(huán)型集流裝置的特點：結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，維護方便。但接觸電阻 因振動等而變化，影響測量精度。 2 水銀集流裝置 其特點：接觸電阻穩(wěn)定，噪音小，但制造精度及密封要求 高，并且水銀在高溫下易蒸發(fā)溢出，對人體有害，因而使用受到限制。 3 感應(yīng)式集流裝置 利用電磁感應(yīng)原理將旋轉(zhuǎn)部分的電信號耦合到固定部分 上去，不需要各種接觸點，因而稱非接觸式集流裝置。 特點：無接觸電阻的影響，體積小，慣性小，易外界磁場的干擾。 4 無線傳輸 在被測軸上固定發(fā)射裝置，應(yīng)變片產(chǎn)生的扭矩信號接于發(fā)射裝 置上，通過發(fā)射天線發(fā)射出去，由接收裝置接受放大并顯示。 通過以上分析，傳輸方式選擇 1 方案中軸通式集流環(huán)，其型號為 YJ–30 (來源 于非電量電測工程手冊)。 §3.3.2 數(shù)據(jù)分析與采集系統(tǒng) PCM3132 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能夠保證試驗數(shù)據(jù)模擬量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實時地轉(zhuǎn) 化為數(shù)字量，能便于后端處理設(shè)備進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和儲存。它有信號調(diào)理， 采樣/保持，A/D 轉(zhuǎn)換，D/A 轉(zhuǎn)換，其它實時/計數(shù)器，總線接口等組成，該設(shè)備 可直接插入 IB–MPCAT 總成兼容的計算機內(nèi)任一總線擴展槽中， 結(jié)合計算機軟件的功能，能夠構(gòu)成各種智能化，虛擬/系統(tǒng)化，測量儀器系統(tǒng)。 該裝置的作用：將接受到的信號經(jīng)過放大，調(diào)制，過濾，解調(diào)，轉(zhuǎn)換等后用 曲線顯示并儲存起來。 16 該設(shè)備的特點：各種性能指標(biāo)良好，抗干擾性能強，分辨率高，相應(yīng)時間快， 所允許電壓范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，自動生成所需曲線，為后期的處理提供便利。 結(jié)論：選擇應(yīng)變片式扭矩傳感器，軸通式集流環(huán)傳輸方式，PCM3132 采集 系統(tǒng)。 第四章 設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)分析 17 §4.1 零部件的設(shè)計計算 §4.1.1 離合器軸上貼應(yīng)變片處直徑的確定 由于設(shè)計任務(wù)書中沒有規(guī)定，因該設(shè)備應(yīng)用的范圍廣些，規(guī)定發(fā)動機額定轉(zhuǎn) 矩不超過 100N.m 的所有汽車的變速器一軸的扭矩都可測量，則： 33 102.][2.0?????Md =17.09976mm 取 d=18mm. 其中 — 許用剪應(yīng)力；][? M — 額定扭矩。 的取值范圍：90~100Mpa。][ §4.1.2 離合器軸和變速器一軸矩形花鍵連接長度的計算 為了保證其工作中不出現(xiàn)斷鍵現(xiàn)象，必須要有足夠的長度，選擇花鍵: Z-D d b —6-28 23 6 ； ?? 因為 ； ][2jypmgjyDlZhT????? 其中 T — 額定扭矩； Z — 花鍵齒數(shù)； — 各齒間載荷不均勻系數(shù)；? — 齒的工作高度；gh — 齒的工作長度；l —花鍵連接許擠壓應(yīng)力。][jyp? =(D-d)/2-2Cgh =(28-23)/2-2 0.4? =0.0017mm； =(D+d)/2=0.0255mm； =30Mpa；mD][jyp? 則： 18 ][2jypmggDZhTl??? 610325.017.68.0??? =32mm。 §4.1.3 一軸上薄弱截面強度校核計算 MPaa dDWn98][8.2510)3(145604max????????? 其中 =100N.m; D=35mm; d=30mm.nM 故： 強度足夠。 §4.1.4 電橋輸出電壓的計算 ;13871084.052 54.2.410)(493934321320???????????????DGMmNkU） ：時 （ 離 合 器 的 后 備 系 數(shù)當(dāng) 扭 矩 選 到 最 大 值 19 其中 — ；橋壓0U K — 應(yīng)變片靈敏系數(shù)。 代上式得 = 8.32mvU? §4.1.5 標(biāo)定裝置力和扭矩曲線圖 最大額定扭矩 M=100N.m，每一千克計算為一次，共計算 20 次，找 20 個 點。最大載荷為 200N，其中每千克計算扭矩得 5N.m。 表 4-1 載荷- 扭矩對應(yīng)表 加載 載荷 /Kg 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 扭矩 值 /N.m 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 計算的理論依據(jù)：T=F ;50??mg 20 500 如圖 4–1 是扭矩與載荷的曲線圖： 圖 4-1 扭矩與載荷曲線圖 21 §4.2 零部件的結(jié)構(gòu)特點及加工工藝性分析 §4.2.1 測量裝置 從裝配圖可以看出，扭矩傳感器裝入過橋殼體之后，對原離合器的改動并不 多，只是有些零件的結(jié)構(gòu)有所改變。 為了使應(yīng)變片能夠均勻快速的反應(yīng)，敏感元件（彈性軸）的貼片處長度取值 的范圍（1~1.5 ）d,且為了區(qū)分和保證軸的強度其它處的直徑都要大于應(yīng)變片處的 直徑，為了避免離合器工作產(chǎn)生的溫度對應(yīng)變片的影響，故采用全橋連接。因軸 與應(yīng)變片一起轉(zhuǎn)動，所以它的引線也要固定在軸上，這樣軸上設(shè)有槽，避免在運 動中斷線或繞線。 由于考慮到設(shè)備的布局以及整體質(zhì)量，把原來的離合器與一軸之間的彈性軸 節(jié)去掉，在其位置上裝上了集流環(huán)，離合器軸與一軸之間的聯(lián)接由花鍵連接代替， 原來的彈性軸節(jié)兼有對離合器軸的軸向定位作用，彈性聯(lián)軸節(jié)去掉后這個作用是 由集流環(huán)來實現(xiàn)的，離合器通過錐套鎖緊在集流環(huán)套筒上，套筒通過滾動軸承支 承在集流環(huán)殼體上，而殼體有通過集流環(huán)支架固定于過橋殼體上。 由于連接的需要離合器軸與一軸在原來的基礎(chǔ)上做了改進，在它們相連接的 一端加工成外花鍵和內(nèi)花鍵，并且為了加工的需要增設(shè)了退刀槽等輔助結(jié)構(gòu)。 集流環(huán)支架是有薄鋼制成的，這樣一方面易制造，另一方面又可利用它的易 變形來補償加工時的誤差，從而減少調(diào)整環(huán)節(jié)。 過橋殼體蓋主要是密封集流環(huán)和將引線引出，上面鉆的孔是為了讓應(yīng)變和 轉(zhuǎn)速信號從中輸出。 §4.2.2 標(biāo)定裝置 為了繪制準(zhǔn)確的標(biāo)定曲線，對各部位配合的精度要求較高，該裝置采用了加 砝碼測扭矩法，且一端固定，另一端要旋轉(zhuǎn)，這個用花鍵來實現(xiàn)的。離合器軸的 大端用花鍵了連接，且通過螺栓與角板連接并固定在實驗臺上，小端用花鍵連接， 可以隨加載機構(gòu)一起轉(zhuǎn)動，為了保持加力杠桿力臂長度不變，其中端部用螺釘軸 向定位，其端部設(shè)置了像天平一樣的刃口。 小端花鍵套通過外圓支承在兩個滾動軸承上，這樣可減少摩擦力矩，同時在 安裝和拆卸時也很方便。 22 大端花鍵套發(fā)蘭板上有三個弧形長孔，主要是用與安裝時把加力杠桿調(diào)整到 水平狀態(tài)，使力矩準(zhǔn)確。 集流環(huán)下面用支架支承，這是為消除重力引起的彎矩對標(biāo)定時的影響。 第五章 結(jié) 論 23 本次設(shè)計了變速器一軸扭矩測量及其標(biāo)定裝置，設(shè)計的整體思路：相關(guān)資料 的搜集和該內(nèi)容的學(xué)習(xí)和篩選，將有用信息作出記錄；參考以往的設(shè)計，進行加 工改進；設(shè)計圖過程中貫穿了三化：標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化以及進行相關(guān)計算， 保證其設(shè)計的合理。 該裝置的基本組成單元；被測軸（離合器軸） ，應(yīng)變片式扭矩傳感器，軸通 式集流環(huán)，PCM3132 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而扭矩傳感器的選擇和信號的傳輸方式是本 次設(shè)計的重點。 經(jīng)過本次的設(shè)計，對以往所學(xué)的知識有了一個大概的認(rèn)識和整理，真正的熟 悉了所學(xué)的課程。全面的鍛煉了自己，不僅在獨立工作能力，材料篩選能力，組 織能力，而且在心理素質(zhì)方面得到了鍛煉。我相信這對以后從事的工作是一個最 理想的鍛煉和體驗。 心得體會：在設(shè)計過程中清晰的思路是一個很重要的因素，尤此要有一個合 理的計劃，剛開始就感覺到很盲目，不知道從何開始，這樣很浪費時間，還有勤 問，勤學(xué)，勤想，勤查也很重要，尤其遇到困難時，因為本次設(shè)計是獨立進行的 如果自己不去找指導(dǎo)老師解決問題，那后邊的工作就無法進展下去，還應(yīng)該有一 套配套的資料，這樣至少在設(shè)計中省不必要花費的時間和精力以及由于這個而產(chǎn) 生的浮躁心理。 畢業(yè)設(shè)計是一個很重要的環(huán)節(jié)，它所設(shè)計到的內(nèi)容不僅僅是局限與所學(xué)過的 內(nèi)容，而且還有一大部分是陌生的，這說明了一個道理，無論從事什么工作都要 不斷的去學(xué)習(xí)和總結(jié)，目前所學(xué)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 最后，由于本次設(shè)計中得到指導(dǎo)老師辛勤無私的指導(dǎo)以及同學(xué)們的鼓勵，順 利的完成了該設(shè)計。故誠懇的感謝指導(dǎo)老師和幫助我的同學(xué)們，因本人的知識有 限以及經(jīng)驗的缺乏，設(shè)計中出現(xiàn)錯誤不可避免，懇請指導(dǎo)老師/審閱老師給予批 評和指正，再次表示感謝！ 參考文獻 24 ［1］ 成大先. 機械設(shè)計手冊（單行本）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003 ［2］ 孟憲源. 機械構(gòu)型與應(yīng)用. 北京: 機械工業(yè)出版社，2004 ［3］ 胡向東，劉京城. 傳感技術(shù). 重慶：重慶大學(xué)出版社，2005 ［4］ 朱家誠. 機械設(shè)計、課程設(shè)計. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005 ［5］ 彭文生，李志明，黃華梁. 機械設(shè)計. 北京：高等教育出版社，2001 ［6］ 康宜華. 工程測試技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社，2005 ［7］ 芮延年. 機電一體化原理與應(yīng)用. 蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2004 ［8］ 傅祥志. 機械原理. 武漢：華中理工大學(xué)出版社，1998 ［9］ 黃純潁. 機械創(chuàng)新設(shè)計. 北京: 高等教育出版社，2000 ［10］ 吳宗澤. 機械設(shè)計禁忌 500 例. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 ［11］ 呂庸厚. 組合機構(gòu)設(shè)計. 上海：上海科技出版社，1996 ［12］ 周開勤. 機械零件手冊.第五版. 北京：高等教育出版社，2001 ［13］ 李建勇. 機電一體化技術(shù). 北京：科學(xué)出版社，2004 ［14］ 丁鎮(zhèn)生. 傳感器及傳感器技術(shù)應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，1998 ［15］ 魏永光. 現(xiàn)代傳感技術(shù). 沈陽：東北大學(xué)出版社，2001 ［16］徐國富，田大超. 非電量電測工程手冊. 北京:國防工業(yè)出版社，1987 ［17］ 郭應(yīng)時，袁偉. 汽車實驗學(xué). 北京:人民交通出版社,2006 ［18］華容. 信號分析與處理.北京: 高等教育出版社,2004 致 謝 25 本次設(shè)計非常感謝指導(dǎo)老師：牛毅，牛老師。 本次設(shè)計歷經(jīng)近三個多月，在這段時間中，牛老師勤懇，認(rèn)真無私的指導(dǎo)本 人的設(shè)計。從資料收集到方案確定，從理論學(xué)習(xí)到實物觀察，在自己很忙的情況 下一一耐心的指導(dǎo)。做這次畢業(yè)設(shè)計，既是理論的深化又是邁向?qū)嶋H操作關(guān)鍵的 一步，從中學(xué)習(xí)到了很多有用的知識，更加深刻認(rèn)識到基礎(chǔ)的重要，積累知識的 重要，學(xué)習(xí)的重要。為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。 再此感謝指導(dǎo)老師和幫助我的老師和同學(xué)們！