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扭矩传感器的选择


作者:admin 录入:admin 2006-07-07 22:03:04 减小字体增大字体

振动扭矩

谈到振动扭矩,下面将了解,时间恒定的或变化缓慢的扭矩(扭矩中值) 与扭矩的交替负载部分 (动态 部分叠加,这些部分可以而不必呈周期性。 本节着重于引起这类扭矩时间变化的原因。当存在随时间变化的 矩时,对关系到整个力学 系统反应的 扭性振动有不同 的观察。对振动的研究请看4.6节。图4.2 显示振动扭矩原理。 图中扭矩中值是常量, 动态部分是周期性的。这个至少似周期性的动态部分对实践中遇到的效应 是典型的:

·         活塞式机器的气体压力

·         曲轴连杆合力

·         传动结构齿轮力

·         周期性空气动力,带固定导向叶片的抽风机或涡轮共同作用

 

振动扭矩重要性的第1 个理由是,通过与动态部分的叠加,最大扭矩明显高于扭矩中值。这意味着 设计轴 系统时,尤其在选择扭矩传感器时,动态矩部分或者已知,或者必须估计。

 

4.2        中值扭矩与动态扭矩的叠加 

4.3 显示了2个实际的例子,测量技术上中值扭矩是通过低通滤波显明的,在此要指出,从业员常常 使用 滤波器 而不清楚,由此掩盖了决定性的动态部分。力学的低通滤波作用也是一样,测试机的一个 部分实 际上并未 经历高的动 态部分。

 

4.3  实测动态扭矩曲线

相对于有效中值扭矩,对振动扭矩的定量尺度是冲击因子,它被定义为最大扭矩除以中值扭矩之商。

k =   Mdmax / Mdmittel

推及一般,可以说内燃机的冲击因子在210 之间,它的背景和与气缸数及原理(汽油或柴油机) 的关 系将在后面叙述。

振动扭矩重要性的第2个理由是它会激起扭性振动。除动态扭矩的振幅外,尤其它的频率也很重要。要注意,周期性的振动扭矩,只要不 是简单的纯简谐振动,除了基本频率以外,还包含数倍于基频 的 部分。

一种很频繁的,带有特别强烈显著的振动扭矩的应用是内燃机。与扭矩测量相联系,例如在各种汽车制造工业的测试机上也碰到这种应用。扭矩振动的原因,是曲轴连杆的运动转化为转动。其中出现的力是通过连杆的机制转化为扭矩 的,一方面是使曲轴运动的气体压力,另一方面是使振动质量加速 必须 的 质量力。 图4.4 显示4气缸柴油机 在涡轮轴旋转2周的扭矩曲线(全工作循环)

4.4  4气缸柴油机扭矩

有时候,扭矩能与扭矩中值作用方向相反。在操作时,振动的影响通过飞轮的应用大大减小。因此在扭矩测量时具有决定性的意义的是,扭矩传感器是在发动机和飞轮之间,还是在飞轮的另一边。在发动机和飞轮之间振动扭矩最大。

考虑到振动扭矩,在评判不同发动机型时下列说法是有根据的:

·         振动部分振幅除以扭矩中值的商对气缸数较少的发动机比气缸数较多的发动机高

·         柴油机的振动部分比汽油机为高

·         转速小的时候,气体压力占上风,而转速高的时候,振动质量的加速影响占上风。对典型的4气缸汽油机而言,两者在大约 4000 /分钟 交换。

电机的启动扭矩和换档过程

不管发动机还是刹车,电机的特征曲线显示作用扭矩对转速的相依性。这些机器的称为额定扭矩的扭矩是额定转速下的扭矩。例如启动时的矩峰值显著更高。

如图4.5显示的特征曲线所示,机器在转速为零时能获得的启动矩通常大于额定扭矩。以上所示带分路特点 的机器特征曲线,还有一个进一步的最大扭矩,即转速略小于额定转速时的极限扭矩。例子是直流 分路电机,3相分路电机,鼠笼转子,滑动转子。下面显示的例子,带串联电机的机器相反用上升的转速降低扭矩。例子是直流串激电机,交流串激电机,3相串激电机,推斥电机。两种情况都要考虑到,机器启动和制动时,其作用扭矩比其额定扭矩大。

4.5  电机的典型特征曲线

要注意的是,上面讨论的特征曲线总是给出各自转速的扭矩中值。除此以外,电机产生动态扭矩部分。所有由电网供电的3相电机,由于电磁平衡过程出现伴随电网频率的振动扭矩。所有同步电机,扭矩在启动过程中随双倍的 瞬时转差频率摆动。因此50赫兹电机开头时,在同步转速下从100赫兹到0赫兹的 频率连续运 转。电机的过高的动态扭矩源是其换档过程,当电机处于启动到正常运转之间时,换到另 一操作模式 。这包括电动电机由星型变为三角连接。为此可出现高的冲击式扭矩。

4.3.3 寄生负载

定义和意义

寄生负载指除了预定的测量量以外,所有可能的作用在传感器上的力和扭矩。对扭矩传感器而言这些被称为侧向力,轴向力和弯曲矩。定义列举在附录 A中。

扭矩传感器是这样设计的,由寄生负载产生的形变很理想地对测量信号没有影响。这是通过对应变片的特别的布设和连接达到的,它的作用是,只要形变是由扭矩产生的,单个应变片的形变信号相加,而若形变由寄生负载引起,则信号相互抵销。

但大的寄生负载可能对扭矩信号有串扰,因为总是存在制造偏差。

因为这种误差呈统计性分布,因此引起扭矩信号中察觉到的确定的寄生负载的信号不能预测。当对扭矩信号有串扰时,信号的量和符号通常取决于弯曲矩的轴的方向,或侧向力的方向。

寄生负载常常如此之大,以致于它导致毁坏扭矩传感器。尽管对扭矩信号的一定串扰,通过观察扭矩信号 ,寄生负载往往不易察觉,或不能估计出它的真实的大小,因而使这一危险更形尖锐。

形成

寄生负载的原因一方面来自由扭矩传感器承载的直接的外部力和扭矩。例如万向轴的重量或皮带轮上的拉力。另一方面,所有列举的寄生负载也可以通过安装过紧引起,缺失的平衡元件(离合器,万向轴),再 加上传动轴系部分对中不够引起。

5章还将更详细地讨论各种扭矩传感器安装情况的影响。

允许的寄生负载

扭矩传感器的测量能力只有在寄生负载一定程度上得到限止才能保证。

注意,上界的完全利用已能对测量信号产生一定的影响。进一步必须考虑,不同寄生负载的影响是互相叠加的,当一种负载对各种其他负载起 作用时,可容忍的各单个种类的寄生负载 (弯曲矩,侧向力,轴 向力) 应减小。

HBM 的扭矩传感器 的允许上界(极限寄生负载)已在技术数据中给出。详细定义和解释列举于附录 A

空间固定且随同旋转的寄生负载

与扭矩一样,寄生负载一般也是动态的。然而把两种理想特例区分开是有意义的,许多情况下重复最重要的时间变化的性质。

一方面存在随扭矩传感器一起旋转的寄生负载。转速恒定时,寄生负载对扭矩传感器的作用是静态的,在转速缓慢变化的操作中准静态的。当这一情况下,出现对扭矩信号的串扰,则对扭矩似乎添加一 衡量。

其他寄生负载作用在与转动角无关的衡定方向,因而是空间固定的。这些负载在转速恒定时以旋转的负载形式作用在扭矩传感器上。若出现对扭矩信号的串扰,上面提及的方向依赖性导致,寄生负载显得象随着转速振动的信号部分。

这个分类既可用于径向力也可用于弯曲矩。对轴向力则没有意义。

直接的外力或矩,通常容易弄清,负载随之旋转还是空间固定的。经典的随之旋转的例子是失衡力,典型的空间固定力是重力或皮带的牵引力。

由于安装扭曲引起的寄生负载也出现两种情况。当两个要联系的轴的部分,轴是对中了,但联系元件不是在轴的中间或与轴的角度不精确,于是安装强加了随着旋转的变形,因而引起随着旋转的力或矩。对旋转部分如扭矩传感器的作用是静态负载的作用。这一情势应称为法兰盘误差或对中误差(见图 4.6)。 

4.6  由于径向对中误差引起的弯曲变形

当反过来,两个要连接的传动轴部分的轴之间没有对中,于是安装强加了空间固定的变形,随之旋转的部分在这一变形下运动下去,它滚动。由此它受到旋转力或弯曲扭矩作用。这一情势是通过安装中不可完全避免的静态错位出现的。


本文章来自于:北京中瑞能仪表技术有限公司



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