重载小量程扭矩传感器设计*

孙 刚，靳进鹏，祖永亮

(北京新能源汽车技术创新中心有限公司，北京100176)

0 引言

动态扭矩传感器在应用过程中，扭矩测量精度受到附加弯矩和安装误差影响[1-3]，现有的扭矩传感器，承受垂直于轴线方向的重力或附加弯矩力与扭矩的大小成比例。对小量程扭矩传感器，在测量对象较重或有附加的弯矩载荷时，需要另外设计轴承支座承受重力或弯矩，中间串接弹性联轴器，造成结构较为复杂，尺寸增加，部件之间的安装对中精度要求高。

为解决上述问题，设计一种扭矩传感器，在弹性轴变形结构两端布置成对安装的精密轴承，用于承受附加重力或弯矩载荷。传感器在扭矩作用下，产生应变部分的弹性轴仅承受单纯的扭矩载荷，从而实现较大附加重力或弯矩下的小量程扭矩测量。

在汽车整车台架测试时，需要测试车轮制动拖滞力矩，此时汽车悬置，制动拖滞力矩较小，需要使用小量程的扭矩传感器以满足扭矩测量精度要求[4]，与轮毂串接的小量程扭矩传感器应能够承受整车重量，是重载小量程扭矩传感器的一种典型应用场景。

1 扭矩测量原理分析

利用弹性轴变形测量扭矩的原理基于以下公式：

(1)

σ1=-σ3=τmax

(2)

σ=Eε

(3)

(4)

式(1)中，τ为切应力，T为扭矩，Wn为抗扭截面系数，Wn=πd3/16；

式(2)中，在扭转轴表面，沿轴线45°方向粘贴应变片时，测得的应力σ与最大切应力τmax相等；

式(3)中，σ为应力，E为材料弹性模量，ε为材料应变；

式(4)中，ΔR为图1所示全桥惠斯通电路中电阻变化值，R为应变片电阻值，K为电阻片灵敏系数，ε为材料应变。

综合以上各式，如图1所示在扭转轴轴线45度方向粘贴应变片，组成全桥电路，由测得的电阻值变化，进行放大和换算可得到与扭转应变成正比的扭矩信号，从而实现扭矩的测量[5-8]。

图1 应变测扭矩原理

由式(1)可知，对小量程扭矩传感器，同样扭矩情况下减小承受扭矩产生应变部分轴径尺寸，则更易测得轴的变形并转换成扭矩值。

2 传感器设计

2.1 轴尺寸计算

轴端承受重力负载情况下，所设计传感器的受力如图2所示。

图2 传感器受力分析

垂直扭矩传感器轴线方向的力以传感器轴左端承受整车1/4质量时的7500 N计算，根据拖滞力矩测试需求，传感器额定量程20 Nm，以最大测量扭矩Tmax为50 Nm进行传感器结构尺寸计算并确认尺寸。

轴在重力作用下，传感器两端轴为弯扭载荷，按前述载荷条件校核轴径尺寸为：

(5)

式中：M为弯矩，450 Nm；α为扭应力转换系数，取0.6；T为扭矩：50 Nm；[σ-1]为材料许用疲劳应力，取195×106N/m2。代入以上各值，得到两端轴径d1≥28.5 mm。

传感器扭转变形部分的轴假设只受到纯扭矩作用，按扭转强度校核公式如下：

(6)

则轴径d为：

(7)

式中：T为扭矩，50 Nm，[τ-1]为材料需用扭应力，取60×106N/m2，代入式(7)，得到扭转变形部分的轴径d2≥16 mm。

根据校核计算，取两端轴径d1=30 mm，扭转变形部分的轴径d2=16 mm。

2.2 结构设计

根据计算结果所设计的T2H型扭矩传感器外形如图3所示。

图3 扭矩传感器外形图

图4是扭矩传感器结构剖视图，弹性轴4直径d2段在被测扭矩作用下产生扭转变形，通过弹性轴上所贴的电阻应变片组成的电桥测量变形并输出信号到放大器，放大器将信号进行转换和放大后，通过无线传输的方式将信号传送到读数头，读数头向外输出扭矩信号，并通过感应方式为放大器供电。读数头通过支架安装在传感器支座内壁，通过移动支架或读数头，可以微调读数头距离放大器的相对位置。

图4 传感器结构设计

弾性轴两端各安装一对成对安装的精密角接触球轴承，当传感器轴一端受到较大的重力或附加力矩时，两个轴承承受力并将其传递到传感器支座上，从而能够有效提高传感器承受重力或附加弯矩能力。锁紧螺母在弹性轴上旋紧，可以消除角接触球轴承游隙，从而保证重力或力矩由轴承承载而不传递到弹性轴中间部分。

3 传感器变形分析

以额定扭矩20 Nm常用的T21扭矩传感器尺寸及性能参数为对应，对设计的T2H传感器在重载情况下的变形情况进行有限元分析[9-10]，与对应T21传感器变形情况进行比较。

3.1 轴承支承影响

额定扭矩20 Nm的T21轴式扭矩传感器单轴承支承模式下，考虑轴承游隙影响，在两端轴承支承位置的径向和轴向，设置轴承间隙0.03 mm，在左侧轴端施加7500 N的向下力，仿真结果如图5所示。

图5 T21传感器轴受力分析

分析结果显示，在7500 N载荷作用下最大应力410 MPa，轴承右侧扭矩测量轴段在垂直方向力的作用下，产生应力为47 MPa，应变为0.000188。

本文设计扭矩传感器T2H在轴两端安装成对角接触轴承情况下，预紧后轴承游隙消除，在两端安装轴承部位定义轴和轴承的接触，左侧轴外圆施加垂直方向7500 N负载力，产生的应力及应变如图6所示。

图6 T21H传感器受力分析

图6中在轴径左侧根部的最大应力271 MPa，低于轴的材料许用应力，左端轴承右侧的应力显著减小，在测量扭矩变形的d2轴径处，弯矩造成的应力为4.5 MPa，应变为0.000013，其影响可以忽略不计。

3.2 扭矩负载有限元分析

在20 Nm扭矩作用下，对两种传感器轴进行受力分析，在轴的两端轴承支承位置，设置轴承约束类型，左侧轴端加载20 Nm扭矩负载，生成网格后进行运算，T21扭矩传感器的分析结果如下。

图7 T21传感器扭矩负载分析

对T21扭矩传感器，20 Nm扭矩作用下测量段轴的应力为71 MPa，应变为0.00027。

图8 T2H扭矩传感器扭矩分析

对T2H扭矩传感器，在轴左侧施加20 Nm扭矩情况下，扭矩测量段轴应力为105 MPa，应变为0.00037。与T21传感器相比同样扭矩作用下轴的应变增大，有利于提高扭矩测量精度，并且与扭矩产生的应变相比，弯矩产生应变的比值仅为3.5%，基本可以忽略不计。

4 结论

本文设计的重载小量程扭矩传感器，采用双轴承支承后，较好的降低了弯矩对扭矩测量部位产生应变的影响，满足承受垂直轴线方向重载的使用条件。降低弯矩影响后传感器扭矩变形部分的轴径尺寸能够设置更小，在扭矩作用下的应变更明显，从而提高扭矩测量精度。

对所设计传感器结构有限元分析结果表明，弯矩在扭矩测量轴段的影响与扭矩产生的应变相比量值较低，可以忽略不计，扭矩作用下产生的应力及应变满足传感器测量要求。

所设计传感器为汽车整车台架试验拖滞力矩测量提供了一种可行方案，并且可应用于诸多附加重力较大的小扭矩测量工况。