扭矩测量方法指导

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1、扭矩测量的方法原理引言：扭矩是工厂场地上大多数设备的重要被测量对象之一。测量扭矩常常被误解，这就可能导致对测量系统的过度设计或设计不足。本文介绍多种用于扭矩测量的技术和折衷方法。   扭矩可以分为两大类，静态扭矩或动态扭矩。用于测量扭矩的方法可以被进一步分为两类，反扭矩和联机扭矩测量。被测扭矩的类型以及现有各类传感器，对所测的数据精度及测量的成本有重要影响。在讨论静态和动态扭矩的比较中，最容易入手的是首先了解静力和动力的差异。简而言之，动力包括加速度，而静力则没有。动力和加速度之间的联系被描述为牛顿第二定律：F=ma(力等于物质质量乘以加

2、速度)。以汽车自身物质(质量)把车停下所需要的力就是动力，因为汽车必须被减速。由刹车卡钳施加以停止汽车的力就是静力，因为所涉及的刹车垫没有加速度。扭矩只是旋转力或通过一定距离产生的力。根据前面的讨论，它被认为是静力，如果它没有角加速度的话。时钟弹簧施加的扭矩就是静态扭矩，因为没有旋转，因而也就没有角加速度。当汽车以匀速在高速公路上巡航的时候，通过汽车传动轴传输的扭矩就是一个旋转静态扭矩的例子，因为即使存在旋转，以匀速行驶也没有加速度。汽车引擎产生的扭矩有静态和动态扭矩，取决于测量的部位。如果在机轴中测量扭矩，当汽缸每一次燃烧且活塞旋转机轴

3、的时候，就有大的动态扭矩波动。如果在传动轴测量扭矩，那几乎就是静态扭矩，因为调速轮和传动系统要阻尼引擎产生的动态扭矩。用曲柄提升车窗所需要的扭矩就是静态扭矩的例子，尽管涉及到旋转加速度，因为曲柄的加速和旋转惯性很小，与车窗运动有关的摩擦力相比，所产生的动态扭矩(扭矩=旋转惯性*旋转加速度)可以忽略不计。最后一个例子描述了一个事实，大多测量应用都在某种程度上涉及静态和动态扭矩。如果动态扭矩是整个扭矩的主要组成部分或是感兴趣的扭矩，那么，要特别考虑何时对其作出最佳的测量。反扭矩与联机扭矩的比较通过在扭矩支撑零件之间插入一种扭矩传感器，可以做联

4、机扭矩测量，非常类似于在套筒和套筒扳手之间插入延长杆。旋转套筒所需要的扭矩直接由套筒延长杆支撑。该方法容许扭矩传感器被放置在尽可能与感兴趣的扭矩靠近的地方，并避免可能出现的测量误差，如寄生扭矩(轴承等等)、无关负载和具有大的旋转惯性的零件(会阻尼动态扭矩)。图1：简单的扭矩测量方法。根据上面的例子，通过在机轴和调速轮之间插入联机扭矩传感器，可以测量引擎所产生的动态扭矩，避免调速轮的旋转惯性和传动损失。为了测量驱动车轮的、几乎静态的恒稳态扭矩，要把联机传感器放置在汽车的轮缘和盘毂之间，或放置在主动轴中。由于典型的扭矩传动轴(drivelin

5、e)的旋转惯性和其它相关的零件(的原因)，联机测量常常是恰当地测量动态扭矩的唯一方式。反扭矩传感器利用了牛顿第三定律：‘两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等而方向相反。’为了测量电动机产生的扭矩，我们可能采用如上所述的联机测量方法，或我们可能测量需要多大的扭矩才能阻止电动机的旋转，通常称为反扭矩。图2：扭矩传感器的放置是重要的。在旋转的应用中，对传感器做电气连接显然是一个问题，测量反扭矩就可以避免电气连接；但是，这样做也有缺陷。反扭矩传感器常常需要支撑重要的无关负载，如电动机的重量或至少驱动轴的部分(重量)。这些负载可能引起耦合误差

6、(传感器除了对已确定待测的反扭矩作出响应之外，还对其它力引起的反扭矩也作出了响应)，有时侯会降低灵敏度，因为不得不加大传感器以支撑无关的负载。对静态扭矩测量，采用联机和反扭矩这两种方法将得到相同的测量结果。传感器的连接在旋转应用中做联机测量，对用户来说，把传感器从旋转的零件连接到固定的零件将永远是一个要面对的挑战。传感器的连接有几种方法，每一种都有其优缺点。在旋转的传感器和固定的电子部件之间建立连接，最常见的方法是采用滑环(slipring)。它由一组跟传感器一起旋转的导电环、一连串与导电环接触的导电刷和发送传感器信号的(电极)构成。滑环

7、是一种在各种应用中获得广泛应用、性能良好和经济的解决方案。相对而言，这种直截了当的测量方法缺点很少，是一种在大多数应用中经受了时间考验的方案。但是，导电刷和不太宽的导电环是消耗品，寿命有限，不适用于长期测试之用，也不适用于要定期保养的应用(改写)。图3：滑环是一种经济的解决方案。在中低速(旋转的情形下)，导电环和导电刷之间的电气连接相对而言没有噪声，然而，在较高速(旋转引起)的噪声将严重降低它们的性能。滑环的最大旋转速度(rpm)由导电刷/导电环接触表面的速度决定。因此，对于较大的、典型的(具有)较高扭矩力的传感器，由于滑环的直径较大，因

8、而在给定的rpm条件下表面速度就较高，从而导致最大工作速度较低。对于力的大小为中等的扭矩传感器，典型的最大速度在5,000rpm范围内。导电刷/导电环界面的拖曳力矩可能引起问题，特别是对非常小