赖纳·席克
乔治 ·韦格纳
正确测量扭矩
目录
1 介绍 6
1.1 扭矩作为测量量的意义 7
2 扭矩测量方法 9
2.1 从电功率计算 9
2.2 测量反作用力矩 10
2.2.1 测量杠杆臂上的反作用力 10
2.2.2 反作用扭矩传感器 12
2.3 测量在线扭矩 13
2.4 扭矩测量中的 SG 14
3 扭矩传感器的结构 15
3.1 机械结构 16
3.1.1 测量体设计 16
3.1.2 扭矩连接 20
3.1.3 带轴承的扭矩轴 21
3.1.4 非接触式和无轴承扭矩传感器 22
3.2 测量信号传输 23
3.2.1 通过滑环传输测量信号 23
3.2.2 非接触式能量和测量信号传输 24
3.3 速度和旋转角度的测量系统 27
3.3.1 磁转速采集 28
3.3.2 光学旋转速度和旋转角度获取 29
3.3.3 参考脉冲 31
3.4 电气输出信号类型 32
3.4.1 mV/V 扭矩信号 32
3.4.2 转矩频率信号 32
3.4.3 模拟扭矩输出±10 V 36
3.4.4 速度和旋转角度的频率输出信号 36
4扭矩传感器的选择标准和应用环境 37
4.1 尺寸和基本力学性能 39
4.1.1 机械安装 39
4.1.2 质量、质量惯性矩 39
4.1.3 刚度 41
4.2 运行条件及设备特点 43
4.2.1 最大运行速度 43
4.2.2 测量旋转速度和角度 43
4.2.3 维护要求 43
4.3 测量范围和最大扭矩 44
4.3.1 应用中扭矩的初步粗略估计 44
4.3.2 动态扭矩 45
4.3.3 寄生负载 54
4.4 准确性 58
4.5 环境影响 59
4.5.1 灰尘和异物 59
4.5.2 液体 59
4.5.3 化学品 60
4.5.4 热条件 60
4.5.5 湿度 61
4.5.6 电磁兼容性（EMC） 62
4.6 振动 62
4.6.1 扭转振动 63
4.6.2 弯曲振动 76
5 使用和安装扭矩传感器 85
5.1 机械前提 85
5.1.1 安装原理 85
5.1.2 检查扭矩传感器 89
5.1.3 尺寸 90
5.1.4 机械连接类型 91
5.1.5 平衡 97
5.2 在轴系中的安装 99
5.2.1 轴系中的补偿元件 99
5.2.2 轴系几何误差的影响 107
5.2.3 设计包含扭矩传感器的轴系 113
5.2.4 对中轴系 119
5.3 电气连接 121
5.3.2 屏蔽 123
5.4 测量放大器 125
5.4.1 测量放大器的特点 126
5.4.2 来自 HBM 的组合频率计数/周期持续时间方法 128
5.5 调整测量链 132
5.5.1 调整测量链的目的 132
5.5.2 基本测量放大器设置 133
5.5.3 输入扭矩测量的特性曲线 135
5.5.4 输入用于测量速度和旋转角度的特性曲线 139
6 振动过程分析 141
6.1 振动分析的目的 141
6.2 测量旋转机械的振动 142
6.2.1 合适的换能器类型及排列方式 142
6.2.2 数据调节和记录 144
6.3 数据分析 147
6.3.1 时域 147
6.3.2 频域 153
6.4 振动问题诊断表 161
6.5 评估振动 165
7 校准扭矩传感器 166
7.1 定义概念 166
7.1.1 校准 166
7.1.2 经常与校准混淆的术语 168
7.2 扭矩传感器标定机设计 169
7.3 校准中的排序——校准金字塔 171
7.4 不同等级的测试证书和校准证书 174
7.4.1 生产测试和制造商测试证书 174
7.4.3 DKD 校准 184
7.5 在测试台上校准 198
7.5.1 定义任务和解决方法 198
7.5.2 用于试验台的校准技术和设备 200
7.5.3 在工业环境中使用传输传感器和参考传感器 206
7.6 动态校准 208
7.6.1 定义 208
7.6.2 定义动态校准的概念 208
A 用于指定扭矩传感器的术语和表达式 210
A.1 扭矩测量系统的计量特性 210
A.2 环境条件和负载限制 221
B 振动工程小结 226
B.1 振动系统示例 226
B.2 自由振动 228
B.2.1 无阻尼自由振动 228
B.2.2 阻尼自由振动 230
B.3 强制振动 231
B.4 多自由度系统 236
B.4.1 自由振动 238
B.4.2 强迫振动 240
B.5 进一步的振动激励机制 240
B.5.1 非线性系统中的振动 240
B.5.2 参量激发振动 241
B.5.3 自激振动 242
C 方程式和表格 244
C.1 扭矩和力矩 244
C.2 转轴的功率 245
C.3 机械效率系数 245
C.4 弹性轴或轴截面的扭转刚度 245
C.5 弹性轴的弯曲刚度 246
C.7 质量惯性矩 248
C.8 物理量及其单位 250
C.9 常用材料的材料常数 252
1 介绍
尽管扭矩在机械制造领域无疑是一个重要的机械量，但其意义并不仅限于该领域。 扭矩的精确测量，尤其是发生在旋转部件中的扭矩，对测试台的制造商和用户提出了很高的要求。 通过提高现代发动机的转速来改善现代发动机的机械性能的趋势，以及在效率测量等领域对更高准确性的渴望，使情况变得更加复杂。
考虑到应用领域的不断进步，通过不断发展来应对这一挑战。 虽然根据原始设计原理的扭矩轴仍用于某些应用，但现在全系列传感器包括扭矩测量轮毂和扭矩法兰。 非接触式扭矩传感器的创新涉及从定子到转子的功率传输以及测量信号的传输。
但即使是最先进的测量技术，也只有遵循特定的规则才能显示出它的实力。 本书是对 1989 年 HBM 出版物“扭矩传感器的正确使用”的全面修订。 它概述了有关使用扭矩传感器的重要方面，并为解决影响应用的问题提供了参考来源。
每个使用扭矩测量设备的人都可以调整和应用所提供的信息。 另一方面，不可能为高度专业化的问题提出建议的综合设计。 有许多扭矩测量确保任务只有在明确定义问题并考虑所有参数后才能解决。 但是，这不属于组件供应商的职责范围。 因此，本书不能就法律意义上的特定特性或用途的适用性作出任何保证，也不对所投放的产品的使用承担任何责任。
这本书描述了扭矩测量的主要方法，特别是基于当今最常用的应变计原理（也称为 SG 原理）的扭矩传感器的机械和电气配置。
本出版物涵盖的主要领域是选择标准、应用程序运行的环境、安装、启动、振动分析、校准以及适用于使用扭矩传感器进行测量的计量原理。 对于那些在扭矩测量方面没有太多实践经验的读者来说应该是特别有益的。
避免了深入的理论讨论。 但是，对于那些刚接触该主题的人来说，附录列出了扭矩传感器规格的技术术语。 还有一个振动工程的简要概述，以及表格形式的最重要的关系和一组带有简短说明的方程。
1.1 扭矩作为测量量的意义
在高度机械化的世界中，扭矩是所有测量量中最重要的。 它不仅在诸如在 8000 rpm 时额定扭矩为 50 kN m 且机械输出超过 40 MW 的燃气轮机或额定扭矩在 1 至 2 kN m 范围内的一级方程式试验台等产品中发挥着非常重要的作用。 20,000 rpm，但实际上几乎所有东西，包括药瓶上的螺帽。 对于许多产品，允许的公差是强制性的。
扭矩测量在试验台工程、过程监控和控制、驱动和输送机工程、质量保证和研发中有无数的应用。
近年来，市场增长迅速。 面对消费者对提供更低油耗、更高舒适度、更高操作安全性和更持久可靠性的车辆的需求，汽车行业高度重视创新。 因此，该行业对计量和测试技术的需求与此需求相匹配，并且还在不断增长。 越来越严格的低排放法律要求正在加速这一趋势。
越来越重视可靠和可重复地获取相关数据。 扭矩是所有研究和改进操作中的关键量，特别是对于内燃机和变速器的开发，因为它与转速相结合，提供了计算机械功率的可能性。 曾经，特别是在发动机试验台的情况下，这项测量任务是通过使用具有测量能力的制动装置来完成的，而现在的趋势是借助旋转扭矩传感器进行在线扭矩测量。
其主要原因是过程始终是动态的，并且在优化方面，发动机和变速箱等机构之间的相互作用正成为越来越重要的考虑因素。 在用于功率和功能测试台的扭矩传感器方面，HBM 是全球市场领导者。
HBM 在机械量的电气测量方面拥有超过 50 年的经验。 第一个用于测量旋转轴系扭矩的传感器的生产始于 40 多年前。 图 1.1 显示了第一代扭矩轴与现代扭矩传感器的对比。 即使在今天，第一代传感器仍然被送到 HBM 进行测试、检修或校准，三十多年来一直忠实地执行他们的任务。 这证明了 HBM 产品的质量和耐用性。
图 1.1 不同代的扭矩传感器
早在 1977 年，HBM 就被认可为 DKD 测量力校准实验室。这使得 HBM 成为第一个被 DKD（德国校准服务）认可的校准实验室。 1990 年 7 月 13 日，扭矩测量值获得认证。多年来，HBM 是德国唯一的扭矩校准机构，并实际上设定了国家标准。
HBM 现在提供从 2 N m 到 20 kN m 的校准步骤，这是 DKD 中可用的最宽范围。 由于质量杠杆系统，所使用的设备具有极高的精度，其中力是由地球引力场中质量的作用直接产生的。
作为精密测量仪器和坚固工业试验传感器的制造商，HBM 非常重视质量和可靠性的责任。 从逻辑上讲，这只是迈向满足相关标准要求的质量管理体系的一小步。 1986 年，HBM 是德国第一家获得 ISO 9001 认证的公司。然后在 1996 年，在为期一年的积极环保运动的背景下，HBM 的环境管理体系获得了 ISO 14001 认证。
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