毕业设计（论文）-变速器扭矩测量及其标定装置设计（全套图纸） .pdf

1 变速器扭矩测量及其标定装置设计变速器扭矩测量及其标定装置设计 摘 要 本说明书主要是设计变速器一轴扭矩测量及标定装置，而扭矩传感器的 选择和传输方式的选择是本次设计的重点。 扭矩传感器选择了电阻应变片式，传输方式选择了轴通式，而四个应变 片接成全桥，然后引出线接到四个集流环上，集流环与轴一起转动，电信号 再通过电刷（设计成起落架式电刷，为了减少磨损）传输给 pcm 数据采集系 统。考虑到该设备所用的领域，对应变片处的直径进行了计算，额定扭矩小 于 100n.m 的变速器一轴均可测量。 本次设计参考了以往的设计，并进行了改进，后边附有相关内容的参考 文献和附录。 由于设计过程中贯穿了三化，大大的提高了其使用寿命和维修性。 标定装置的设计主要考虑到如何加载的问题，选择了一端用花键连接并 用螺栓固定在实验台上，另一端用花键连接并与加载杠杆一起转动，通过这 种方式产生扭转，并测试其轴的扭矩，绘制标定曲线。 关键词：应变片式扭矩传感器，集流环，pcm3132 数据采集系统，标定装置 全套图纸，加 153893706 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. 3 key words: strain gages- torque sensor, slip ring, pcm3132 data acquisition system, calibration device 目目 录录 第一章第一章 前言前言 1 第二章第二章 概述概述 3 第三章第三章 扭矩传感器方案分析扭矩传感器方案分析 4 3.1 用电力测功器测扭矩 4 3.1.1 直流电力测功器测量扭矩. 4 3.1.2 交流电力测功器测量扭矩. 5 3.1.3 电涡流测功器测量扭矩. 5 3.2 用扭矩仪测扭矩 . 6 3.2.1 电阻应变片式扭矩仪. 6 3.2.2 相位差扭矩仪. 9 3.2.3 频闪观测式扭力计 10 3.2.4 钢弦式扭矩仪 11 3.3 辅助装置. 12 3.3.1 传输装置分析12 3.3.2 数据分析与采集系统.12 第四章第四章 设计计算及结构分析设计计算及结构分析 14 4.1 零部件的设计计算.14 4.1.1 离合器轴上贴应变片处直径的确定.14 4.1.2 离合器轴和变速器一轴矩形花键连接长度的计算.14 4.1.3 一轴上薄弱截面强度校核计算15 4.1.4 电桥输出电压的计算.15 4.1.5 标定装置力和扭矩曲线图.16 4 4.2 零部件的结构特点及加工工艺性分析.18 4.2.1 测 量 装 置 .18 4.2.2 标 定 装 置 .18 第五章第五章 结论结论. 20 参考文献参考文献.21 致谢致谢.22 第一章 前 言 本次设计的课题是变速器扭矩测量及其标定装置设计，课题类型属于工 程设计，课题来源科学研究。 目前对汽车的性能要求越来越高，检验和试验是一项必不可少的程序， 也是一项很重要的环节。 对一个测试系统来说，首先要获取信息，并且要求选出有用的信号，而 无用的被过滤掉，恰恰传感技术能执行和替代其任务。为了更好的采集和分 析被测信号，需要放大，调质，解调等一系列环节。变速器扭矩测量仪就是 通过这种方式设计的，即将非电量信号（扭矩）变成电量信号，通过对电量 信号的分析和处理，最后达到测量扭矩的目的。 测试系统的意义不仅可以用来做检验仪器，还可以用来做研究设计的辅 助工具，是其具有很强的实践性意义。 国内外同类设计（或同类研究）的概况： （1）使用单片机的扭矩测量系统 其组成单元：单片机，磁电式扭矩传 感器和简单的电路其实现对扭矩的测量，其特点结构简单，性能稳定，抗干 扰，精度高等。 （2） 使用测扭器 它是通过两个连轴器将其连接到要测量的轴系中进行 轴扭矩的测量，目前有两种方案。 测扭器 一段已知轴的直径和弹性摸量的轴，将应变片贴在它的侧面， 通过应变片的应变计算出传递扭矩的大小。 测扭器 一段轴通过测量两端的变形差来确定传递扭矩大小，轴的两端 有齿圈/盘，齿盘外厕有电磁线圈，转动时齿盘和线圈之间的磁场会有正弦的 5 信号输出，校准时记录已知扭矩和测扭器两端齿盘产生信号的相位差，构成 校准曲线，使用中，设备自动读出相位差，通过校准曲线与扭矩量联系，这 样就测出了扭矩。 （3）扭矩测量设备的发展 近年来，国内频繁出现用静力学难以解释的 重大轴断裂事故，由于缺乏当时工况的动态参数记录，给事故分析和责任判 定造成了很大的困难，随着技术的进步和机械系统设计制造运行的完备化需 求，扭矩测量及其信号传输越来越成为当务之急。其中信号传输的主要向两 个方向发展，模拟式传输，数字式传输，故扭矩测量设备具有很大的发展前 景。 （4）扭矩测量设备在设计过程中应注意的问题：在搜集和接受信号时， 精确地判断出信号的真实性，即将有用的信号传输处理和显示设备中，无用 的信号过滤掉，故要有较好的抗干扰装置。 设计的总体内容及其步骤：传感技术及其该设计相关内容的概述；各部 分方案分析； 主要设备参数的计算； ； 主要结构元件的分析； 总装图布局绘制； 总结及其心得体会等。 本设计参考了以往的设计，并进一步的改进，使其设计更加的完善，并 在设计过程中贯穿了三化：标准化，通用化，系列化。此系统具有良好的更 换性和和实用性。 设计过程中得到了指导老师和同学们的帮助，在此一并表示感谢。 由于本人设计的水平有限，设计过程中不可避免出现错误和疏漏，恳请 指导老师以及审批老师给予批评和指正。 6 第二章第二章 概概 述述 变速器扭矩测量及其标定装置设计是用来测量变速器第一轴的扭矩以及 转速，如果安装有辅助计算功率的设备，还可以测量功率。设计该装置的目 的是：为了在变速器工作的情况下，能够保证轴的强度，设计轴之前可以做 一个样本，然后通过该设备进行模拟测量，是否达到其要求，保证其后期使 用过程中不出现质量缺陷；可以当研究设计轴的辅助工具；也可以做检验工 具。该装置的转速要求不得超过 2500r/min。 对该装置提出如下要求： （1）测量过程中要保证其信号不失真，灵敏度要高 ； （2）测量过程中对外界的抗干扰性能好，即要有屏蔽，隔离，干扰，抑 制装置； （3）测量时，工作电流不得超过 25ma（静态） ，动态时不得超过 75100ma； （4）该装置工作时应注意环境温度（范围- 4080）最好保持在 20，并 且温度对测量影响很大，要有补偿与修正措施，故应变片采用全桥式连接； 该装置要进行动态和静态分析，使系统保证测量工程中稳定，所得图形不失 真，数据准确； （5）具有良好的线性度，高的重复度，滞后性底等； 应用的范围广，并且满足要求的情况下，轮廓尺寸和质量小，制造成本低， 维修方便，操作轻便等要求。 该装置主要有测扭传感器，实验台，数据采集和分析系统（pcm3132） ， 以及执行机构组成。扭矩测量仪按扭矩处理的方式分为两大类：平衡式（也 7 叫吸收型） ，它是用水，电，空气等制动动力机构的功率输出轴，同时吸收它 的扭矩；传递型 它是根据动力机输出功率时，传动轴的扭转情况来测定扭 矩的。它有机械式的，电的和光学的等不同形式。 计算机技术发展的娴熟以及单片机等的发展，扭矩测量正在向智能化方 向发展。 第三章第三章 矩扭传感器方案分析矩扭传感器方案分析 测定扭矩通常用扭矩仪进行。根据扭矩的处理方法，扭矩仪分为两大类： 平衡式（也叫吸收型） ，它是用水，电，空气等制动动力机的功率输出轴，同 时吸收它的扭矩。传递型，它是根据动力机械输出功率时，传动轴的扭转情 况来测定扭矩。有机械式，电的和光学的等不同形式。 3.1 用电力测功器测扭矩 3.1.1 直流电力测功器测量扭矩直流电力测功器测量扭矩 它实际上是一台直流电机， 如图 3-1 所示(来源于非电量电测工程手册)， 与一般直流电机的区别是：定子绕组及外壳并非固定不动，而是支承在轴承 之上可以转动。工作时被测动力机通过联轴器与测功器相连，测量时测功器 作为发电机运转，当给定子绕组激励，动力机带动转子旋转时，则在定子的 磁场中，产生一个与转子转向相反的阻力矩 m ，要维持转子的旋转速度， 就必须克服这个力矩。 8 图 3- 1 直流电力测功器 由于定子及外壳是可以转动的， 因此阻力矩 m 使外壳沿转子旋转方向产 生摆动，大小等于 m 的摆动力矩被安装于外壳凸缘上的测力计所平衡。另 外，转子在旋转中由于轴承的摩擦及空气阻力，尚有一个微小的摩擦力矩， 动力机输出轴的输出力矩为 m=m + m”。同样被外壳凸缘上的测力计所平 衡。因此输出力矩的测力计测得。 直流电力测功器的优点：转速和负荷调节范围大，工作稳定，测量精度 高，负荷特性好，便于自动化和程序控制；它还可作为一个原动机带动发电 机旋转。多用于测定内燃机的扭矩和功率。其缺点：测功器的电能不能利用 而消耗在负荷电阻上。对于大功率内燃机长时间试验时，其经济性较差。 3.1.2 交流电力测功器测量扭矩交流电力测功器测量扭矩 用交流电力测功器制动或驱动发动机时，其制动或驱动力矩是这样产生 的：当测功器调到某一转速 n1 时，它具有持续在等速旋转的特性。故当发动 机刚要使转速提高到 n1 以上时，测功器就使发动机转速有下降的趋势，测功 器的定子沿发动机的旋转方向摆动，所吸收的扭矩可由外壳的测力计测得。 反之，当发动机转速要降低到 n1 以下时，测功器就有使发动机转速增高的倾 向，定子向发动机相反的转向摆动。测力计测出驱动扭矩。吸收或驱动扭矩 的大小，与发动机转速和测功器转速 n1 之间的差值成正比。为了能用一个测 量吸收扭矩和驱动扭矩，而且指针总向一个方向摆动，在定子外壳力臂顶端 与测力计之间装有 h 型铰链机构。 9 交流电力测功器的特点：可用普通三相交流电源供电，并吸收发动机负 荷而发出电力输送给原来的电源。所以经济性，操纵简单，只要简单地操纵 速度调节器，即可制动或驱动发动机，测定也比较方便。其缺点：具有速度 特性，对于往复史内燃机，因瞬时扭矩在不断变化，容易损坏发动机与测功 器之间的联轴器，测试时指针的摆动一般也较大。 3.1.3 电涡流测功器测量扭矩电涡流测功器测量扭矩 它主要由转子和定子组成。当给激磁线圈通以交流电时，在转子与铁心 间隙处就有磁力线通过。该间隙的磁通分布是：在转子磁顶处的磁通密度大， 而通过齿根处的磁通密度则很小。当转子以转速顺时针方向旋转时，则在此 时磁通就减少。由电磁感应定律可知，此时将产生感应电动势，该电势力图 阻止磁通的减少，于是就有电涡流产生。p 力使定子转动，再通过与定子相 连的力臂引入称量机构（测力计） ，便可进行扭矩的测量。 电涡流测功器测量扭矩的特点：精度高振动小，结构简单，转速及功率 的测量范围宽，转速自 100025000r/min 甚至更高，功率可达到 4474kw：激 磁电流只需变动数安培就可自由控制吸收扭矩，可比较容易实现自动化。因 此，作为发动机程序控制预定规范运转以及耐久试验用无人运转装置，发动 机模拟试验等的吸收负荷装置是很合适的。但这种测功器测量扭矩只能消耗 发动机的功率而不能发出电力，也不能作为电动机倒拖发动机。 3.2 用扭矩仪测扭矩 扭矩仪的基本工作原理，是通过测量动力机械输出轴，中间轴或特殊的 联轴节，在扭矩作用下的变形，由变形的大小来决定扭矩值 由材料力学可知，在圆轴上扭矩为 m 时，其表面的剪应力为 wnm /= 在弹性范围内，对应的剪应力为 )/(/gmnmg = （31） 式中 wn圆周抗扭截面摸量； g剪切弹性摸量。 10 同时，相距 l 的两端面之间产生相对扭转角,值由下式决定： )/(gjlm= （32） 只要轴的尺寸确定，材料的剪切弹性摸量一定，转轴的剪应力及相距 l 的两断面的相对角，就只与扭矩有关，且成正比关系。因此现有的扭矩仪都 是将着两个参量通过机电变换器转换成电量，然后测定。 3.2.1 电阻应变片式扭矩仪 它是利用应变片将扭矩产生的剪应变（通过某中装置转变成正应变）转 换成电量而进行测量。应变片可以直接贴在需要测量的扭矩传动轴上，也可 以帖在一根特制的传动轴上制成应变式扭矩仪 1. 应变式扭矩仪工作原理 对于常用的圆转轴，由材料力学可知，在 扭矩轴表面上，与轴线成 45和 135夹角的螺旋线为其主应力线，在主力线 上的拉应力为和压应力为在数值上与扭转剪切应力相等。即 由此可得应变与扭矩的关系： nn ew m gw m)1 ( 2 13545 + = （33） 式中 m扭矩轴的扭矩； n w 抗扭断面摸量； e弹性摸量； g材料的剪切弹性摸量。 由式可知，当我们在轴的某一点上沿轴线成 45和 135的方向粘贴应变 片，可以通过这两方向上测得的应变值算出剪应变值。 13545 = 当这两个应变片分别接在电桥相邻的两个桥臂中，从电桥的加减特性可 知，应变仪的读数就是剪应变值。再根据标定曲线即可算出扭矩值， 为了提高测量灵敏度和精度，消除其它力学参数的影响，通常在传动轴 上选取适当的截面，在截面的圆周方向每隔 90布置一个应变片，其贴片方 向仍沿与轴线成 45和 135的方向，并将它们接成全桥的测量形式。当轴径 很小贴片位置受到限制且仅承受扭矩时，可沿轴线在不同的截面上贴片。 当被测扭矩较小时，除采用空心轴外，还可采用其它形式的结构，不过 11 其应变值计算复杂，一般是采用试验标定的方法来确定扭矩值。 2. 应变式扭矩传感器 图 32 为常见的扭矩传感器的结构和接桥方 式图（来源于非电量电测工程手册） 。测扭弹性轴安装在轴承中，传感器外壳 安装在试验台架上，轴的两端铣有花键槽。用花键与动力机和负载相连，弹 性轴的最敏感段贴有四应变片，贴片处轴径尺寸的确定，既要保证足够的输 出灵敏度，又要保证足够的刚度，按下式计算： d = 33 20/16。mm 式中 m承受的最大扭矩； 许用剪应力。 通常用 40 r c 合金铜或青铜制成弹性轴。为保证贴片的长度取（11.5）d 弹性轴其它各处的直径视结构而定，但必须大于贴片出的直径。 为了传递信号，轴上装有碳刷式集流环（由铜环，绝缘环，电刷及电刷 支架等构成） 。 3. 电扭矩仪 这种的工作原理是基于被测扭矩的变化，使不旋转的外 图 3- 2 应变式扭矩传感器 壳产生相应的拉伸变形，经调制型直流放大器放大后，可在指示仪表上直接 读数或用记录器记录 12 图 3- 3 电扭矩仪简图 它是一种不需要集流环等中间传输环节的扭矩仪。由传感器，放大器， 指示器等部分组成。图 33 为该仪器传感器的结构示意图， （来源于非电量电 测工程手册）它相当于一个联轴器，测扭矩时将其连接于主动轴和被动轴之 间，传感器具有两个结构相同的半轴，端部均做成法兰盘状，盘的端面上镶 有六个均布的锥孔座，在座中分别放入 6 个钢球。当有扭矩作用时，主动半 轴通过钢球带动被动半轴旋转，这和切向力 沿轴向推压锥孔座，并通过推 力轴承作用于轴承的外壳上，使其产生轴向拉伸变形。由应变片测得外壳的 变形，即可求出扭矩。 传感器上共贴有四张应变片（r1，r2 竖贴，r3，r4 横贴） ，接成全桥， 这样可消除弯矩的影响。 3.2.2 相位差扭矩仪相位差扭矩仪 1. 基本工作原理 如前所述，在扭矩 m 的作用下，轴上间隔一定距 离的两个断面之间，将产生一个相对转角，如果在两个断面上各安装一个 机电信号变换器，则两个信号变换器之间将有一个相位差，由于角正比 于扭矩 m，测出相位差后，根据标定曲线就可获得扭矩值。 2. 相位差扭矩传感器 13 （1） 磁电式扭矩传感器 又叫感应式传感器。图 34 为这类传感器的 工作原理图。在弹性轴的两端，安装有两个相同的齿轮，在齿轮上方分别安 装有两个相同的绕有信号线圈的磁钢。弹性轴两端分别与动力轴和被测轴固 定。弹性轴转动时，由于磁钢和齿轮之间空气间隙导致磁率的交替变化，在 两个信号线圈中分别感应出两个交变电势 u1,u2，此两个电势有一个恒定的 初始相位差，这个初始相位差只有与两个齿轮在轴上的安装相位位置及两磁 钢的相对位置有关。当弹性轴受到扭矩作用时，产生扭矩变形，两齿轮将有 如上式所示的相对转角。在弹性范围内m。在扭转角度变化的同时， u1 和 u2 的相位差亦发生相应的变化，借助二次仪表测出，即可求出扭 矩 m。 图 3- 4 磁电式扭矩传感器简图 该传感器的优点是不需要电源和集流环等中间传输环节，缺点是结构复杂， 在高速时，动平衡较困难。一般转角在 25时使用。 （2） 电容式扭矩传感器 利用扭矩变形时，电容极板之间间隙或有效 工作面积的改变，引起电容的变化来测量扭矩的。图 35 为这种电容扭矩传 感器的结构示意图。在弹性轴 1 上有两片由金属薄板制成的圆板。左边圆板 靠轴套固定在扭矩轴上，上面开有八个扇形孔，每个扇形夹角为 22.5。右 边圆板的形状与左边的圆板相同。它通过套管及轴套与弹性轴相连接。套管 一端内装有塑料轴承，增加了系统的刚度，防止套管在运动中颤动。 当弹性轴不传递扭矩时，圆板 2 和 3 的位置相互错开 11.5在壳体上靠近 两圆板的两侧，固定着两块由绝缘材料制成的槽中。在绝缘板上各装有一块 金属圆板，金属圆板之间的距离大致是 12.532.5 mm。 14 图 3- 5 电容式扭矩传感器结构示意图 这种传感器的特点：也需要集流环，以便把转轴上的电容变化信号与整 个测量电路连接起来，且需要高频电源，放大器和精密的屏蔽导线等，其主 要优点是灵敏度高。 3.2.3 频闪观测式扭力计频闪观测式扭力计 这种扭力计的特点： 测量精度与各连轴节安装的同心度及弹性扭转轴所承 受的载荷大小有关，一般各联轴节的同心度应 在 0.004%以内，当载荷在半 额定载荷和额定载荷之间时，误差是最大扭矩的 5%，当载荷在 1/41/2 之 间时，误差约 1%。 它适宜测量功率约为 221500kw。只要在结构上稍加改变，选择不同尺 寸的弹性扭转轴即可测量不同范围的功率。它适宜测量的转速范围是 6003000r/min。转速低于 600r/min,分度盘上难以得到稳定的映象，故不适合 于低速工作。 3.2.4 钢弦式扭矩仪钢弦式扭矩仪 1、基本原理及结构 一般张紧的钢弦，其横向的固有频率为： p l f 2 1 0 = 式中 l 钢弦的有效长度； 钢弦的材质密度； 15 p 钢弦的张力。 当钢弦的张力增加 p 时，其频率将为： ff0 p p 2 上式表明：钢弦固有频率的变化值与张力的增量 p 近似的成正比。 钢弦扭矩仪的基本原理在于弹性扭矩轴受到扭变形引起钢弦的伸长或缩 短，使钢弦的固有频率发生相应的变化。因此测知钢弦的振动频率，就可确 定扭矩值。 图 3- 6 钢弦式扭矩传感器简图 图 36 为钢弦扭矩仪传感器的结构示意图。在弹性轴 1 上相隔一定的距 离安装两个卡环。一卡环上有凸台,另一个卡环上也有两凸台，在去前两凸台 和后两凸台之间各安装一根钢弦。在扭矩作用下弹性扭轴 1 变形，两卡环之 间有一个相对转角，使凸台之间的一个钢弦受拉，另一个钢弦受压，将它们 差接后，在一定的范围内其频率的变化和拉力或压力成正比，该拉力和压力 与扭转轴的相对转角成正比，因而也就跟扭矩成正比。 经过上述的分析，在结构工艺性，技术性能，经济性，可维修性等方面 进行比较考虑，选择电阻式传感器中应变片扭矩传感器。 3.3 辅助装置 3.3.1 传输装置分析传输装置分析 由于扭矩上一利用旋转轴的变形来进行的，如何将轴的变形信号传输到 测量显示仪器，有下面几种扭矩信号传输方式： 1 电刷滑环型集流装置与轴连接的方式可分为轴通式和轴端式两种，前 者是套在轴上的，一般用锁紧锥套固紧，后者则安装在轴的一端，通过一个 16 接盘与被测轴联接。按电刷与滑环的接触方式分径向式和端向式两种。 电刷滑环型集流装置的特点：结构简单，坚固耐用，维护方便。但接触 电阻因振动等而变化，影响测量精度。 2 水银集流装置 其特点：接触电阻稳定，噪音小，但制造精度及密封 要求高，并且水银在高温下易蒸发溢出，对人体有害，因而使用受到限制。 3 感应式集流装置 利用电磁感应原理将旋转部分的电信号耦合到固定 部分上去，不需要各种接触点，因而称非接触式集流装置。 特点：无接触电阻的影响，体积小，惯性小，易外界磁场