扭矩测量方法及应用-车辆发动机载荷谱及其应用

发动机在工作时，曲轴向传动轴传递扭矩。发动机工作循环中，气缸内的压力呈周期性变化，导致曲轴的扭矩也周期性变化，只是随气缸数目不同其频率大小不一样。从发动机曲轴输出端直到车辆传动和行动部分都受这个交变扭矩的作用。对于发动机扭矩的检测，不同的测试目的其测试方法有所不同。如果是为了最终测取发动机的有效功率而测量发动机输出扭矩，可以使用各种类型的测功机，这些测功机测量的是曲轴的平均输出扭矩。如果要通过曲轴输出扭矩检测发动机的技术状况或通过扭矩测试的方法对整个车辆轴系的扭转振动状况进行测量，则需要使用能够测试瞬时扭矩的测量系统。

1.扭矩传感器基本原理

扭矩传感器的基本工作原理：在扭矩作用下，轴段产生相应于扭矩大小的变形，传感器通过不同的方式感受此变形量，一般将其转换为电信号，经处理后显示、记录并可传送到需要扭矩信息的测试系统或计算机中。按工作原理分，扭矩传感器可分为应变式与相位差式两类。

2.应变式扭矩传感器

应变式扭矩传感器是利用应变原理来测量扭矩的。被测轴承受扭矩作用时，会产生切应力，最大应力发生在轴的外圆表面，两个主应力轴线沿轴外表面成45°和135°角（图3－4）。因此，在轴外表面上沿主应变方向粘贴应变片，最大限度地感受轴的应变，将扭矩变化转换为应变片的电信号输出。为了提高测量的灵敏度，可用4个应变片按承受的拉压应力平均分配，在轴外表面相对位置各贴两个应变片，一处承受拉应变，另一处承受压应变。4个应变片组成全桥回路，输出信号不受温度影响，为纯扭矩信号。

电桥信号的输出方式有滑环接触式与非接触感应式两种。滑环接触式的电刷接触电阻对测试精度的影响较大，且安装较为复杂。旋转变压器非接触感应式的发射机外形尺寸较小，可以装在轴上，通过环形天线向外发射应变片的电信号，由接收装置接收，经处理后最终传送到显示屏或计算机。在具有较好抗干扰设施的情况下，非接触感应式的测量精度较高。

图3－4　应变式扭矩传感器应变片的贴片方式

3.相位差式扭矩传感器

相位差式扭矩传感器是利用被测轴在弹性变形范围内，其相隔一定距离的两个截面上所产生的相位差与扭矩大小成正比的原理制造的。根据感受元件的不同，相位差式传感器可分为光电式和磁电式两类。

1）光电式扭矩传感器

在被测轴上安装两个光栅盘，将光栅盘沿径向做成放射状黑白相间的图形，黑色表示不能透光部分，白色表示能透光部分，如图3－5所示，图中的两个光栅盘相对位置处于光通量通过最大位置。在两个光栅盘外侧方向分别设置一个光源和一个光电管。当轴不受扭矩作用时，两个光栅盘的周向位置为黑白色交错状态，即光不能透过两个光栅盘，光电管感受不到光源的照射，输出电流为零。当轴受扭矩作用发生扭转变形时，两个光栅盘在圆周方向相对错开一个角度，形成一个透光口，光源发出的光能够穿过两个光栅盘照射到光电管上。扭矩越大，透光口的开度就越大，光电管被照射的时间就越长。将反映扭矩大小的光电管输出电流信号送至显示仪表，就可知道被测轴所受扭矩的大小。

2）磁电式扭矩传感器

在被测轴上相距一定距离的两个截面上安装两个带齿的圆盘以及构造与性能均相同的磁电式传感器（图3－6），轴每转一圈，传感器就产生数目与齿数相同的脉冲信号。当轴受扭矩作用发生扭转变形时，从两个磁电式传感器上得到的两列脉冲波形间将产生一个与扭转角度成正比的相位角，将此相位差信号输入测量电路并进行数据处理，即可求出扭矩的大小。

图3－5　两个光栅盘(www.xing528.com)

（a）两个光栅盘正视图；（b）两个光栅盘侧视图

图3－6　磁电式扭矩传感器

4.扭矩测试

扭矩的测试在实车和实验室条件下大不相同。一般实车测试发动机的扭矩要受到诸多限制，尤其是装甲车辆。一方面，暴露在外部的轴段部分很短，轴段扭转角度小，无法使用相位差式扭矩传感器测量扭矩；另一方面，可供测量的轴段一般较粗，应变有限，使用应变式传感器测量的扭矩存在一定误差。若要彻底解决实车发动机扭矩测量问题，就必须在发动机及车辆的设计阶段予以考虑，预留传感器的安装位置或直接将传感器设计为发动机的一部分。

在实验室条件下，扭矩的测试要容易一些。一般将扭矩传感器与测量轴一起制成一个扭矩仪，安装在发动机的输出轴和传动轴之间，这样测量轴与发动机输出轴的转速和扭矩均相等，就可实时测定发动机的瞬时输出扭矩。图3－7所示就是采用光电式转速传感器的扭矩仪的例子。

图3－7　光电式扭矩仪

1，5—套筒；2—光源；3—光栅盘；4—光电管；6—扭转轴

在实车条件下，一般可采用应变式扭矩传感器测量发动机输出扭矩。图3－8所示为应变式扭矩传感器的实物。传感器采用4个应变片组成全桥回路，按承受的拉压应力平均分配，并制作成一体。两个承受拉应力的应变片粘贴在曲轴动力输出端0°、180°外圆处，并与轴线成135°夹角；两个承受压应力的应变片粘贴在曲轴动力输出端90°、270°外圆处，并与轴线成45°夹角。

由于在实车测量时，曲轴是旋转的，因此可设计成存储式扭矩测试系统，通过存储器对传感器的桥压信号进行实时存储，存储式扭矩测试系统及其安装如图3－9所示。

图3－8　应变式扭矩传感器

图3－9　存储式扭矩测试系统及其安装