一种转矩测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种转矩测量装置及方法 (Torque measuring device and method ) 是由 陶建华 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种转矩测量装置及方法,包括壳体、蜗轮蜗杆减速机构和传力部件。蜗轮蜗杆减速机构的涡轮和蜗杆相互啮合,且安装在壳体内；蜗杆的左侧设置左圆柱滚子轴承和左油封闷盖,右侧设置右圆柱滚子轴承和右轴承盖；传力部件中的传力钢珠一端通过过盈配合固定在蜗杆内,另一端与传力轴的端面接触；传力轴和传力螺丝通过推力球轴承连接,传力螺丝与力传感器相连。所述转矩测量装置可通过机械补偿或者软件补偿的方式来弥补测量过程中蜗轮与蜗杆传动的摩擦力所造成的测量值偏小的问题。该装置具有结构简单,便于拆卸,测量频率,精度高,体积小巧的特点,能够运用到小体积实验用设备之中。(The invention relates to a torque measuring device and a torque measuring method. The worm wheel and the worm of the worm wheel and worm speed reducing mechanism are meshed with each other and are arranged in the shell; the left side of the worm is provided with a left cylindrical roller bearing and a left oil seal blank cap, and the right side of the worm is provided with a right cylindrical roller bearing and a right bearing cap; one end of a force transmission steel ball in the force transmission component is fixed in the worm through interference fit, and the other end of the force transmission steel ball is in contact with the end face of the force transmission shaft; the force transmission shaft is connected with the force transmission screw through a thrust ball bearing, and the force transmission screw is connected with the force sensor. The torque measuring device can make up for the problem of small measured value caused by the friction force of the worm wheel and the worm in the measuring process through a mechanical compensation mode or a software compensation mode. The device has simple structure, convenient to detach, frequency of measurement, and the precision is high, small in size's characteristics, can apply among the equipment for the small volume experiment.)
技术领域
本发明涉及转矩的测量装置，尤其是涉及利用拉压力传感器，来检测转矩的装置及方法。
背景技术
机械元件在转矩作用下，会产生一定程度的扭转变形，故转矩又称为扭矩。所述转矩，是各种工作机械传动轴的基本载荷。因此，其（负载的大小）与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素有关。所述转矩的测量，对传动轴的载荷确定与控制、传动系统工作零件的强度设计，以及原动机容量的选择等，都具有重要的意义。但是，现有技术的转矩测量，大多是针对旋转体上转矩，以及其所造成的弹性体的应变、相位差、磁通量或电容变化等来测量的。
现有技术中，转矩的测量装置是利用蜗杆传动来测量的。姚汉樑教授在《聚合物性能常用测试技术及自动化》一书中的，关于“转矩流变试验技术”的章节中，提出了利用一种拉压力来进行转矩检测的方法。所述拉压力转矩检测法，是采用电动机和减速器相结合的方法；其中，所述减速器采用齿轮系减速箱，使电动机转轴和减速器输出轴不在同一直线上，形成偏心轴。假设：减速器输出轴的偏心距为L1，压力传感器受力点至偏心轴的平行线为L2，偏离电机轴线右侧。关键在于：静态平衡时，由于电动机和减速器的两输出轴偏移；因此，作用在压力传感器上的转矩，可通过试验直接得到。
如此，在系统运行时，其转矩为：M=L（F-F1）
式中： M-动力输出力矩，单位是N·m；
L- 动力输出轴轴线至压力传感器受力点的距离，单位是m；
F- 压力传感器的输出，单位是N；
F1-静态平衡时，压力传感器的输出，单位是N。参见图1所示。
现有技术中，还有非接触式的光电扭矩传感器。其工作原理是：测量转轴在受到转矩时，转轴的两端面会绕轴中心线，扭转一定角度，通过采集光电扭矩传感器传回的电脉冲信号，并经过计算机处理，得出转矩。
所述非接触式光电转矩传感器的缺点是测量频率低；因此，具有测量精度低的缺陷。且上述两种转矩测量装置的缺点是结构复杂，拆装不便；而且又需要机构的平衡。因此，所述转矩测量装置不适用于高分子材料的实验设备小型化。主要体现在，所述转矩测量装置，拆装不便，结构复杂，且精度低。
发明内容
本发明的目的之一是，针对现有技术中结构复杂且精度低的缺陷，提供一种结构简单、方便安装、体积小巧、测试频率高和精度高的转矩测量装置。
为实现上述的目的，本发明目的之一是这样实现的，一种转矩测量装置，包括壳体（1）、蜗轮蜗杆减速机构（2）和传力部件（3），其特征在于：
所述涡轮蜗杆减速机构（2）由涡轮（21）、蜗杆（22）、左圆柱滚子轴承（23）、左油封闷盖（24）、右圆柱滚子轴承（25）和右轴承盖（26）构成；所述蜗轮蜗杆减速机构（2）的涡轮（21）和蜗杆（22）相互啮合，且安装在壳体（1）内；在所述蜗杆（21）的左侧，依次设置左油封闷盖（24）和左圆柱滚子轴承（23）；在右侧设置右圆柱滚子轴承（25）和右轴承盖（26）。
所述左油封闷盖（24）的中心上，设有通孔（240）；在蜗杆（22）的左端面的中心，所述通孔（240）的对应位置，设有凹槽（220）。
所述传力部件（3）包括传力钢珠（31）、推力球轴承（32）、传力轴（33）、传力螺丝（34）和力传感器（35）；所述传力钢珠（31）一端通过过盈配合固定在蜗杆（31）内，另一端与传力轴（33）的端面接触；所述传力轴（33）和传力螺丝（34）通过推力球轴承（32）连接，所述传力螺丝（34）与力传感器（35）相连。
所述传力钢珠（31）的一端设置在所述通孔（240）和凹槽（220）内，另一端与传力轴（33）的端面点接触。
所述传力钢珠（31）进入凹槽（220）的距离超过传力钢珠（31）的半径。
所述推力求轴承（32）为单向轴向运动的轴承；所述推力求轴承（32）可替换成圆柱滚子轴承。
所述传力螺丝（34）的第一段（341）端面设有为阶梯沉孔（3411）结构，所述阶梯沉孔（3411）与传力轴（33）配合；其中，所述传力螺丝（34）第一段（342）的阶梯沉孔（3411）与传力轴（33）的小直径段上的推力球轴承（32）座圈紧密配合；所述传力螺丝（34）的第二段的外表面设有螺纹，该螺纹与传感器（35）的中心螺纹孔配合；并通过螺母，与力传感器（35）固定。
所述传力螺丝(34)可通过在力传感器(35)的螺纹孔中旋转，来调节轴向距离，所述传力螺丝(34)末端有一个六角螺母可固定传力螺丝(34)位置；所述传力螺丝(34)螺纹段末端面有一个正六角型凹槽。
所述力传感器（35）可通过连接件（4）与壳体（1）相对固定。
本发明的转矩测量装置，可通过机械补偿或者软件补偿的方式，来弥补测量过程中，蜗轮（13）与蜗杆（1）传动的摩擦力，所造成的测量值偏小的误差问题。
本发明的另一个目的是，提供一种利用蜗轮蜗杆传动特点的转矩测量方法。
本发明的另一技术方案是，一种利用本发明的一种转矩测量装置进行转矩测量的方法，包括如下步骤：
步骤1：根据蜗杆传动设计数据，记录蜗轮（21）的分度圆半径r；
步骤2：使用内六角扳手旋转传力螺丝（34）调节传力部件间的间隙，直到力传感器（35）显示仪表归零值；
步骤3：采用机械补偿或者软件补偿的方式，测算蜗轮蜗杆传动的摩擦力F0；
步骤4：输入动力，使蜗杆（22）旋转，带动蜗轮（21）旋转，此时记录力传感器（35）的输出数值F；
步骤5：根据转矩公式对数据进行处理：T=（F+F0）·r,即可求得转矩值。
本发明的原理是：利用蜗轮蜗杆在传动时，所述蜗轮边缘上受到圆周力而转动；同时，会给予蜗杆一个反作用力，这个反作用力，依次作用在传力部件的各个零件上；再作用在，力传感器上的敏感元件，使其发生形变，不同的力会产生不同的形变效果，产生不同的电信号；最后，由显示仪表输出力的值。
由于整个过程只发生弹性形变，力在各个位置都是相同的，可以由力传感器测出该反作用力。值得注意的是，该装置要通过软件或机械装置，测算出蜗轮蜗杆传动的摩擦力，再将两个力的和，与蜗轮分度圆半径求积，就可以求出转矩值。若，没有补偿手段则会造成测量值偏小。
本发明其有益效果是：可用于测量动态扭矩，也可测量静态扭矩；同时，它避免了直接将力传感器与蜗杆接触，而采用间接的方式来测量轴力，它结构简单，方便拆卸，体积小巧，测量频率，精度高，可以避免使用昂贵的转矩传感器来测量转矩。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本专利作进一步详细的说明。
图1是本实用发明的正面剖视图；
图2是本发明的四分之一剖视的模型视图；
图中：标记1为壳体，2为蜗轮蜗杆减速机构，3为传力部件；其中21为涡轮，22为蜗杆，23为左圆柱滚子轴承A，24为左油封闷盖，25为右圆柱滚子轴承，26为右轴承盖，220为凹槽，240为通孔，31为传力钢珠，32为推力球轴承，33为传力轴，34为传力螺丝，35为力传感器，341为传力螺丝第一段，3411为阶梯沉孔结构，4为连接件。
具体实施方式
本发明的实施例如图1-2所示，所述转矩测量装置由壳体（1）、蜗轮蜗杆减速机构（2）和传力部件（3）三大部分构成。其中，所述涡轮蜗杆减速机构（2）由涡轮（21）、蜗杆（22）、左圆柱滚子轴承（23）、左油封闷盖（24）、右圆柱滚子轴承（25）和右轴承盖（26）构成。
蜗轮蜗杆减速机构（2）的涡轮（21）和蜗杆（22）相互啮合，且安装在壳体（1）内的壳体（1）内，所述蜗杆（22）的两端各设一个圆柱滚子轴承（23、25）；其中，左圆柱滚子轴承（23）设有一个孔用挡圈，用于限制座圈滑动，左圆柱滚子轴承（23）为单向运动轴承；右圆柱滚子轴承（25）为双向运动轴承。所述蜗杆（22）只能做单侧的平移往复运动。
所述蜗轮蜗杆减速机构（2）的右侧输入端，设有右轴承盖（26），用于限定蜗杆（22）一端的位置。
在蜗杆（22）的左端面的中心，所述通孔（240）的对应位置，设有凹槽（220）。
所述传力部件（3）包括传力钢珠（31）、推力球轴承（32）、传力轴（33）、传力螺丝（34）和力传感器（35）。其中，所述传力钢珠（31）通过过盈配合，固定在蜗杆（22）的圆形凹槽220中；所述传力钢珠（31）进入中心圆形凹槽（220）的位置，超过传力钢珠31的半径。
所述传力轴（33）分为两段；其中，大直径段的端面与传力钢珠（31）点接触，其优点是：即使蜗杆（22）上的中心圆形凹槽位置存在加工误差，依然可以准确测量蜗杆（22）所受的轴向力；所述传力轴（33）的小直径段与推力球轴承（32）的轴圈配合；所述传力轴（33）的小直径段，超过推力球轴承（32）的部分，设有轴向沟槽，用于安装轴用挡圈（321）。
所述传力螺丝（34）第一段（341）的端面，设有阶梯沉孔（3411）结构；所述阶梯沉孔（3411）的大直径孔与推力球轴承32的座圈精密配合；其阶梯沉孔（3411）的小直径孔部，留出空间与所述传力轴（33）的小直径段的末端配合。
所述传力螺丝（34）第二段（342）的外径面设有螺纹，所述螺纹与传感器（35）的中心螺纹孔配合，并能通过旋转传力螺丝（34），可调节轴向的间隙；该螺纹段伸出力传感器（35）的端部，与六角螺母紧固配合。
综上所述，所述蜗杆（22）受到蜗轮（21）的反作用力，具有向左运动的趋势。所述反作用力，依次经过传力钢珠（31）、传力轴（33）和推力球轴承（32），传递到传力螺丝（34）上；最后，通过传力螺丝（34）的螺纹，作用在力传感器（35）上。如此，测出该反作用力的值，再通过软件或者加装机械结构，测算蜗轮蜗杆传动时的摩擦力，将两个力求和，才能得出蜗轮圆周力的实际值；上述实际值与蜗轮分度圆半径之积，即可求得转矩。
当传力部件之间存在间隙时，要通过传力螺丝（34）的旋转，调整其轴向的间距，使传力部件各个部件紧密相连。
在图1-2中，所述力传感器（35）与壳体（1）之间，设有一个连接件（4）；在所述连接件4的一个端面上，设有至少三个通孔，所述通孔也加工了沉头孔。所述壳体（1）上，靠近连接件（4）的一侧有螺纹孔。采用螺栓通过通孔，再拧入壳体（1）的螺纹孔中，可将连接件（4）固定在壳体1上；所述力传感器（35）上设有通孔，所述连接件（4）上还有螺纹孔，所述力传感器（35）通过螺栓和螺纹孔固定在连接件（4）上，实现力传感器（35）与箱体（1）的相对固定。
为了提高转矩测量装置的测量精度，可以在测量装置中，添加弹簧装置，或者其他结构来进行数据补偿，也可以使用软件来进行补偿，使转矩数据更加准确。
一种利用本转矩测量装置进行转矩测量的方法。
步骤1：根据蜗杆传动设计数据，记录蜗轮（21）的分度圆半径r；
步骤2：使用内六角扳手，旋转传力螺丝（34），调节传力部件间的间隙，直到力传感器（35）显示仪表归零值，即调节基准值；
步骤3：采用机械补偿或者软件补偿的方式，测算蜗轮蜗杆传动的摩擦力F0；
步骤4：输入动力，使蜗杆（22）旋转，带动蜗轮（21）旋转；此时，记录力传感器（35）的输出数值F；
步骤5：根据转矩公式对数据进行处理：T=（F+F0）·r，即可求得转矩值。
该装置的原理是，利用蜗轮蜗杆在传动时，因所述蜗轮边缘上受到周向力而转动；同时，所述蜗杆会受到一个反作用力，这个反作用力，依次作用在传力部件的各个部件上；再作用在力传感器上，使其发生形变；所述力传感器，对于不同的力，会产生不同的形变效果，即产生不同的电信号；最后，由显示仪表输出力的值。在整个测量过程中，由于只发生弹性形变，力在各个位置都是相同的；因此，力传感器可以测出该反作用力。本发明的转矩测量装置，必须通过软件或机械补偿的方法，测算蜗轮蜗杆传动的摩擦力；作用力与摩擦力之和，再与蜗轮分度圆半径之积，就可以求出转矩值。
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