專利名稱：扭矩測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動(dòng)力機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)量裝置，具體涉及一種拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置的動(dòng)力輸出軸的扭矩測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸用來(lái)驅(qū)動(dòng)播種機(jī)、施肥機(jī)、收割機(jī)、旋耕機(jī)和固定作業(yè)機(jī)具 等。GB-T 1592. 3-2008規(guī)定了農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出軸的軸頭類型和尺寸。扭矩，又稱 轉(zhuǎn)矩，是動(dòng)力輸出軸的重要工作參數(shù)之一(檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見GB/T 3871. 3-2006)。通過(guò)測(cè)量各傳 動(dòng)軸的扭矩，能夠?qū)鲃?dòng)軸載荷的確定和控制提供參考依據(jù)，以免出現(xiàn)“大馬拉小車”的情 況。目前應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)量方法是應(yīng)變式測(cè)量法，在已有的旋轉(zhuǎn)軸上粘貼 電阻應(yīng)變片，搭建惠斯通全橋電路，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸傳遞扭矩時(shí)產(chǎn)生變形，應(yīng)變片也隨之形變，其 阻值發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電橋失衡。依據(jù)材料力學(xué)中扭矩與軸表面應(yīng)變之間的關(guān)系，獲得測(cè) 量轉(zhuǎn)矩。電阻應(yīng)變片的信號(hào)通常利用集流環(huán)或無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸。這種扭矩測(cè)量裝置，消 除了軸向力和彎矩的影響，測(cè)量精度高，適應(yīng)性廣。參考文獻(xiàn)1包含了一個(gè)基于無(wú)線傳輸?shù)男麢C(jī)扭矩測(cè)量的例子，采用應(yīng)變式扭矩 測(cè)量原理，將信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊WAP200C對(duì)外發(fā)射。參考文獻(xiàn)2包含了一個(gè)旋轉(zhuǎn)扭矩 傳感器無(wú)線傳輸技術(shù)的例子，采用集成型扭矩傳感器，提供了無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。但是，現(xiàn)有技術(shù)有以下不足。1、集流環(huán)采用滑環(huán)、電刷等作為引電裝置，軸的高速旋轉(zhuǎn)易造成接觸部位的磨損 和局部過(guò)熱，信號(hào)的信噪比比較差，且影響工作壽命。所以這種方法并不適用于高速旋轉(zhuǎn)的 軸ο2、每測(cè)試一根旋轉(zhuǎn)軸就要重新粘貼應(yīng)變片，不能重復(fù)應(yīng)用于其他被測(cè)軸。貼片過(guò) 程操作繁瑣，且誤差難以避免。3、農(nóng)機(jī)具在田間工作時(shí)經(jīng)常上下或左右擺動(dòng)，若傳動(dòng)萬(wàn)向節(jié)與動(dòng)力輸出軸安裝或 使用不當(dāng)，往往會(huì)頂斷動(dòng)力輸出軸軸頭，損壞萬(wàn)向節(jié)。參考文獻(xiàn)[1]安英博，盧博友，孟彩茹，等.基于無(wú)線傳輸?shù)男麢C(jī)扭矩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，3 (3) 95-97[2]孫穎，陳柯行，柴繼新，等.旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器無(wú)線傳輸技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界， 2005,8 :86-89。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的問(wèn)題就是提供一種能夠重復(fù)使用、操作簡(jiǎn)單、不損壞動(dòng)力輸出軸 及萬(wàn)向節(jié)且適用于高速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)量裝置。
(二)技術(shù)方案 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用一種扭矩測(cè)量裝置，包括階梯軸，沿 其軸向分為貼片部位和設(shè)有外花鍵的部位；感應(yīng)元件，設(shè)于所述階梯軸的貼片部位；軸套， 與所述階梯軸連接，呈內(nèi)部鏤空的形狀，鏤空結(jié)構(gòu)具有內(nèi)花鍵；調(diào)理單元及無(wú)線發(fā)射單元， 均設(shè)在所述軸套的上側(cè)，與所述全橋電路連接，所述調(diào)理單元用于將全橋電路輸出電壓轉(zhuǎn) 變?yōu)槠浞蹬c所受扭矩相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，所述無(wú)線發(fā)射單元用于發(fā)射所述數(shù)字信號(hào)。其中，所述感應(yīng)元件由四個(gè)電阻應(yīng)變片組成的全橋電路構(gòu)成，四個(gè)電阻應(yīng)變片均 貼于所述階梯軸的貼片部位。其中，所述階梯軸的外花鍵的截面形狀與待連接的萬(wàn)向節(jié)的內(nèi)花鍵的截面形狀相 匹配；所述軸套的內(nèi)花鍵的截面形狀與待連接的動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出軸的外花鍵的截面形狀 相匹配。其中，在所述軸套上設(shè)有限位孔，該限位孔通過(guò)插入其中的螺栓，限制所述動(dòng)力裝 置的動(dòng)力輸出軸在軸方向的位移；在所述階梯軸的設(shè)有外花鍵的部位設(shè)有凹槽，該凹槽通 過(guò)與之配合的螺栓，限制所述萬(wàn)向節(jié)在軸方向的位移。其中，該扭矩測(cè)量裝置還包括供電單元，設(shè)于所述軸套的下側(cè)，用于向感應(yīng)元件、 調(diào)理單元及無(wú)線發(fā)射單元供電。其中，所述供電單元由電池組構(gòu)成。其中，所述軸套呈立方體形狀。(三)有益效果本發(fā)明大大降低了扭矩測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)工作，無(wú)需更改現(xiàn)有設(shè)備，無(wú)需在被測(cè)軸上進(jìn) 行打磨、清洗、貼應(yīng)變片以及組橋等工作，使得現(xiàn)場(chǎng)安裝及扭矩測(cè)試作業(yè)更加簡(jiǎn)單，避免了 現(xiàn)場(chǎng)貼片帶來(lái)的測(cè)試誤差，并且可以重復(fù)利用。另外，可以保護(hù)被測(cè)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸軸頭 和萬(wàn)向節(jié)，防止因安裝和使用不當(dāng)造成的損壞。


圖1是本發(fā)明的電阻應(yīng)變片測(cè)量扭矩的布片和組橋示意圖；圖2是本發(fā)明的扭矩測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中標(biāo)識(shí)有長(zhǎng)度的扭矩測(cè)量裝置的示意圖；圖4是圖2的左視圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖2所示，本實(shí)施例的扭矩測(cè)量裝置，其組成包括軸套la、與該軸套Ia焊接在 一起的階梯軸lb、感應(yīng)元件、無(wú)線發(fā)射單元及調(diào)理單元2、供電單元3。軸套Ia為內(nèi)部鏤空 結(jié)構(gòu)的立方金屬體，該鏤空結(jié)構(gòu)具有內(nèi)花鍵，該內(nèi)花鍵的截面形狀與待連接的動(dòng)力裝置動(dòng) 力輸出軸的外花鍵的截面形狀相匹配。該內(nèi)花鍵的高度Hl =被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力 輸出軸的外花鍵齒頂圓直徑ΦDee+(20 30mm)；寬度Bl =被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力輸 出軸的外花鍵齒頂圓直徑ΦDee+(30 40mm)；長(zhǎng)度L2 =被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出 軸的花鍵有效部分B+(3 5mm)。并且，內(nèi)花鍵的齒數(shù)、齒形及尺寸選取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列(GB/T 1592. 3-2008)。
在軸套Ia上設(shè)有兩個(gè)限位孔5a，該限位孔5a通過(guò)插入其中的螺栓，限制拖拉機(jī)等 動(dòng)力裝置的動(dòng)力輸出軸在軸方向的位移。限位孔5a到與階梯軸Ib的焊接面的距離L6 = 被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出軸圓槽到軸端的距離A+(3 5mm)。將被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力 裝置動(dòng)力輸出軸插入軸套Ia后，用螺栓M = 2X被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出軸的圓槽 半徑R+(l 2mm)進(jìn)行固定，其中，M在計(jì)算值中選取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列(GB/T 5782-2000)。如圖2所示，階梯軸Ib沿其軸向分為貼片部位4和設(shè)有外花鍵的部位(花鍵軸部 分)，花鍵軸部分的截面形狀與萬(wàn)向節(jié)的內(nèi)花鍵有效部分相同，即長(zhǎng)度L4 =萬(wàn)向節(jié)的內(nèi)花 鍵有效部分B。并且，在花鍵軸部分上設(shè)有凹槽5b，該凹槽5b通過(guò)與之配合的螺栓，限制與 之配合的萬(wàn)向節(jié)在軸方向的位移。階梯軸Ib的外花鍵的齒數(shù)，齒形及尺寸，凹槽5b的定位 及尺寸等均選取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列(GB/T 1592.3-2008)。其中，貼片部位4為用于粘貼電阻應(yīng)變片的部位，其截面成圓形，直徑Dl=被測(cè)拖 拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出軸的花鍵齒根圓直徑Φ ΙΕ-(3 4mm)，長(zhǎng)度L3 = (5 7mm)。為 了焊接方便，且保證有效的扭矩傳遞，設(shè)計(jì)了的方形軸座6，其截面尺寸與軸套Ia相同。所以，該扭矩測(cè)量裝置的全長(zhǎng)Ll = L2+L3+L4+(8 IOmm)。如圖2所示，無(wú)線發(fā)射單元及調(diào)理單元2設(shè)在軸套Ia的上側(cè)，供電單元3設(shè)在軸 套Ia的下側(cè)。供電單元由電池組構(gòu)成，具體可以采用兩節(jié)五號(hào)電池供電，或選取其它等效 直流電壓源，為無(wú)線發(fā)射單元和調(diào)理電路提供工作電壓，如Zigbee模塊的工作電壓需要維 持在2. 7V 3. 6VDC之間。圖1 (a)為粘貼電阻應(yīng)變片的貼片部位4的主視圖，圖1 (b)為圖1 (a)的側(cè)視圖， 圖1(c)為四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路的電路圖。如圖1所示，感應(yīng)元件由四個(gè)電阻應(yīng)變 片組成的全橋電路構(gòu)成，電阻應(yīng)變片貼于階梯軸Ib的貼片部位4。圖1中，M為彎矩，P為 軸向力，Mk為被測(cè)軸扭矩，R1, R2, R3、R4分別為四個(gè)電阻應(yīng)變片，A、B、C、D組成全橋電路，U 為供橋電壓。本實(shí)施例的扭矩測(cè)量裝置采用應(yīng)變式測(cè)量方式，即用應(yīng)變片檢測(cè)軸套受到扭力作 用而發(fā)生的微小變形，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮钁?yīng)變片形變與所受扭矩成比例的電信號(hào)。根據(jù)材 料力學(xué)，在圓軸受扭轉(zhuǎn)時(shí)，沿齊表面與母線成45°角的方向，產(chǎn)生最大的拉、壓應(yīng)力，相應(yīng)的 應(yīng)變也最大。扭矩Mk與電阻應(yīng)變片形變之間的關(guān)系為
πΕ^ EMk=---ε,
2 l + μ其中，R為被測(cè)圓軸半徑，E為被測(cè)圓軸材料的彈性模量，μ為被測(cè)圓軸材料的泊 松比，ε ！為被測(cè)圓軸的扭轉(zhuǎn)形變，即電阻應(yīng)變片的扭轉(zhuǎn)形變。為了消除彎矩M和軸向力P的影響，按圖1示進(jìn)行布片和組橋，電阻應(yīng)變片由4片 組成，粘貼于同一截面，其中R1與R3相對(duì)，R2與R4相對(duì)，R1與中心軸線呈45°角，R2與中心 軸線呈-45°角?？傻玫綉?yīng)變?chǔ)殴さ挠?jì)算公式為
UBD￡·,=—
1 KU其中，Ubd為電橋輸出電壓，U為電橋供電電壓，K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。綜合 上面兩式，可得到被測(cè)圓軸所受扭矩Mk與電橋輸出電壓Ubd之間的關(guān)系為
此電橋輸出電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理單元轉(zhuǎn)變?yōu)槠浞蹬c所受扭矩相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。該 數(shù)字信號(hào)經(jīng)無(wú)線發(fā)射單元以電磁波形式向空間輻射。當(dāng)接收到此高頻載波后經(jīng)解調(diào)恢復(fù)為 原來(lái)的數(shù)字信號(hào)，并將此數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為與所測(cè)扭矩相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。利用電壓與扭矩 之間的線性關(guān)系計(jì)算得到扭矩值。其中，無(wú)線傳輸協(xié)議可以選擇多種類型，包括電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)目前 已開發(fā)并制定的IEEE 802. 11無(wú)線局域網(wǎng)規(guī)范(目前已有IEEE 802. 11、IEEE 802. Ilb 即 WiFi、IEEE 802. 11a、IEEE 802. llg)和 IEEE802. 15 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)規(guī)范(目前已有 IEEE 802. 15. 1 即藍(lán)牙、IEEE802. 15. 2、IEEE 802. 15. 3、IEEE 802. 15. 4 即 ZigBee)，及將來(lái)可能 開發(fā)的各種協(xié)議，均可適用本發(fā)明。下面，對(duì)本發(fā)明的工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明的軸套Ia與被測(cè)拖拉機(jī)等動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出軸軸頭采用花鍵配合連接， 利用螺栓限位。階梯軸Ib與萬(wàn)向節(jié)采用花鍵連接，同樣利用螺栓限位。軸套Ia傳遞扭矩 時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致貼片部位4上的應(yīng)變片發(fā)生變化而使電橋產(chǎn)生不平衡 電勢(shì)，通過(guò)處理該電勢(shì)即可測(cè)得動(dòng)力輸出軸傳遞的扭矩。圖3中，L5為凹槽5b距離花鍵軸Ib右端軸頭的長(zhǎng)度，L6為軸套Ia內(nèi)花鍵立方金 屬體限位孔距離焊接面的長(zhǎng)度，Dl為階梯軸Ib的貼片部位4的直徑，D2為階梯軸Ib的花 鍵軸部位的齒頂圓的直徑。圖4中，Bl為軸套Ia內(nèi)花鍵立方金屬體的寬度，Hl為軸套Ia內(nèi)花鍵立方金屬體 的厚度。本發(fā)明的扭矩檢測(cè)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)利用力學(xué)原理將動(dòng)力輸出軸的扭轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)化為傳感器的扭轉(zhuǎn)形變進(jìn)行扭矩測(cè) 試，測(cè)試精度高，信號(hào)穩(wěn)定。(2)大大降低了扭矩測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)工作，無(wú)需更改現(xiàn)有設(shè)備，無(wú)需在被測(cè)軸上進(jìn)行打 磨、清洗、貼應(yīng)變片以及組橋等工作，使得現(xiàn)場(chǎng)扭矩測(cè)試更加簡(jiǎn)單。(3)測(cè)量數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸方式，減少連接線纜數(shù)量，測(cè)試者可以遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)， 測(cè)試更加安全。(4)安裝簡(jiǎn)便可靠，適于田間試驗(yàn)，可以重復(fù)利用。(5)傳感器可以標(biāo)準(zhǔn)化制作。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1592. 3-2008制作最多三型即可 適用于標(biāo)準(zhǔn)化拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸，避免了現(xiàn)場(chǎng)貼片帶來(lái)的測(cè)試誤差。(6)可以保護(hù)被測(cè)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸軸頭和萬(wàn)向節(jié)，防止因安裝和使用不當(dāng)造成 的損壞。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，包括階梯軸，沿其軸向分為貼片部位和設(shè)有外花鍵的部位；感應(yīng)元件，設(shè)于所述階梯軸的貼片部位；軸套，與所述階梯軸連接，呈內(nèi)部鏤空的形狀，鏤空結(jié)構(gòu)具有內(nèi)花鍵；調(diào)理單元及無(wú)線發(fā)射單元，均設(shè)在所述軸套的上側(cè)，與所述全橋電路連接，所述調(diào)理單元用于將全橋電路輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠浞蹬c所受扭矩相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，所述無(wú)線發(fā)射單元用于發(fā)射所述數(shù)字信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，所述感應(yīng)元件由四個(gè)電阻應(yīng)變片 組成的全橋電路構(gòu)成，四個(gè)電阻應(yīng)變片均貼于所述階梯軸的貼片部位。
3.如權(quán)利要求1所述的扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，所述階梯軸的外花鍵的截面形狀與待連接的萬(wàn)向節(jié)的內(nèi)花鍵的截面形狀相匹配； 所述軸套的內(nèi)花鍵的截面形狀與待連接的動(dòng)力裝置動(dòng)力輸出軸的外花鍵的截面形狀 相匹配。
4.如權(quán)利要求3所述的扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，在所述軸套上設(shè)有限位孔，該限位孔通過(guò)插入其中的螺栓，限制所述動(dòng)力裝置的動(dòng)力 輸出軸在軸方向的位移；在所述階梯軸的設(shè)有外花鍵的部位設(shè)有凹槽，該凹槽通過(guò)與之配合的螺栓，限制所述 萬(wàn)向節(jié)在軸方向的位移。
5.如權(quán)利要求1所述的扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，該扭矩測(cè)量裝置還包括供電單 元，設(shè)于所述軸套的下側(cè)，用于向感應(yīng)元件、調(diào)理單元及無(wú)線發(fā)射單元供電。
6.如權(quán)利要求5所述的扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，所述供電單元由電池組構(gòu)成。
7.如權(quán)要求1 6中任一項(xiàng)所述的扭矩測(cè)量裝置，其特征在于，所述軸套呈立方體形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種扭矩測(cè)量裝置，包括階梯軸，沿其軸向分為貼片部位和設(shè)有外花鍵的部位；感應(yīng)元件，設(shè)于所述階梯軸的貼片部位；軸套，與所述階梯軸連接，呈內(nèi)部鏤空的形狀，鏤空結(jié)構(gòu)具有內(nèi)花鍵；調(diào)理單元及無(wú)線發(fā)射單元，均設(shè)在所述軸套的上側(cè)，與所述全橋電路連接，所述調(diào)理單元用于將全橋電路輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠浞蹬c所受扭矩相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，所述無(wú)線發(fā)射單元用于發(fā)射所述數(shù)字信號(hào)。本發(fā)明大大降低了扭矩測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)工作，無(wú)需更改現(xiàn)有設(shè)備，無(wú)需在被測(cè)軸上進(jìn)行打磨、清洗、貼應(yīng)變片以及組橋等工作，使得現(xiàn)場(chǎng)安裝及扭矩測(cè)試作業(yè)更加簡(jiǎn)單，避免了現(xiàn)場(chǎng)貼片帶來(lái)的測(cè)試誤差，并且可以重復(fù)利用。
文檔編號(hào)G01L3/04GK101852663SQ201010176318
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者伍建成, 王書茂, 羅瑞龍 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)