【導(dǎo)讀】 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 1 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄

　　

【正文】 成正比。 其公式表示為 : R=ρ L/A （ 22） 從而當(dāng)金屬絲受力變形改變其長(zhǎng)度與橫截面積而改變電阻值，而引起電壓值變化。 電阻應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)，它主要由電阻敏感柵、基底和面膠 (或覆蓋層 )、粘 結(jié)劑、引出線五部分組成?；资菍鞲衅鲝椥泽w表面的應(yīng)變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質(zhì)，并起到敏感棚和彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)敏感柵的作用，粘結(jié)劑是將敏感柵和基底粘接在一起，引出線是作為聯(lián)接測(cè)量導(dǎo)線之用。電阻敏感柵可以將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)如下： 圖 22 電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu) 1覆蓋層； 2基底； 3引出線； 4粘合劑； 5敏感柵 多數(shù)應(yīng)變式傳感器都是將應(yīng)變計(jì)粘貼于彈性元件表面彈性元件表面的變形通過基底和粘結(jié)列傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感。由于基底和粘貼劑的彈性模量與敏感柵材料的彈性模量 之間有差別等原因．彈性元件表面的應(yīng)變不可能全部均勻地傳遞到敏感柵。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 10 扭矩測(cè)量的基本原理 如圖 23所示，當(dāng)彈性軸受到扭轉(zhuǎn)時(shí)，傳遞的扭矩是剪應(yīng)力對(duì)橫截面扭心的合成力矩。 圖 23扭軸橫截面上的剪應(yīng)力分布 轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)時(shí)切應(yīng)力處在縱向軸的徑向平面上，在軸表面用兩個(gè)橫截面，兩個(gè)徑向縱截面及兩個(gè)軸向縱截面截取出一個(gè)單元平行六面體來(lái)研究，因邊長(zhǎng)均為微量，故此六面體非常接近于正六面體。由圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力分析可知，此單元體處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。所以軸表面任何單元平面的法向應(yīng)力值都符合平面應(yīng)力狀態(tài)理論。可將應(yīng)變片沿 轉(zhuǎn)軸軸線 45和 45方向粘貼在轉(zhuǎn)軸表面，就會(huì)受到相應(yīng)的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用，將應(yīng)變片組成全橋電路。如圖 24所示，初始條件應(yīng)變片電阻 R1=R2=R3=R4=R0，當(dāng)彈性軸受力矩 M作用時(shí)，工作應(yīng)變片 R R R R4 分別產(chǎn)生最大正負(fù)應(yīng)變。 圖 24電阻應(yīng)變片全橋電路 當(dāng)彈性軸受到如圖所示的剪切力作用時(shí)， R R3 應(yīng)變片受拉應(yīng)力； R R4 受壓 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 11 應(yīng)力。其應(yīng)變?yōu)椋? （實(shí)心） （ 23） （空心） （ 24） 式中：， D軸外徑（ mm）； d軸內(nèi)徑（ mm）； M扭矩（）； 軸材料泊松比； E軸材料彈性模量。 當(dāng)電橋的供電電壓是 Ui時(shí)，其輸出電壓 Uo為： （ 25） 式中， K應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 根據(jù)式（ 23），（ 24），（ 25），可以得出： (實(shí)心 ) （ 26） (空心 ) （ 27） 式中， E— 軸材料彈性模量； M軸材料泊松比； D軸外徑（ mm）； d軸內(nèi)徑（ mm）； 圓周率； K應(yīng)變片的靈敏系數(shù)； 輸出電壓； 輸入電壓。 顯然，只要能確定輸出電壓，選取合適的彈性軸材料，就能確定所測(cè)彈性軸的扭矩。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 12 圖 25 系統(tǒng)總體框圖 （ 1）測(cè)量電橋 實(shí)現(xiàn)扭矩信號(hào)到與之呈線性關(guān)系的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電橋電路采用 LM 型硅擴(kuò)散力敏全橋應(yīng)變片搭成，具有良好的一致性和對(duì)稱性，很小的非線性和較高的靈敏度。 (2)信號(hào)放大 由于應(yīng)變電橋輸出的電壓只有 mV 級(jí)，所以必須對(duì)其放大，放大電路由高性能運(yùn)算放大器搭成差動(dòng)放大電路，其放大倍數(shù)在 80～ 120之間可調(diào)。 （ 3）低通濾波電路： 本系統(tǒng)選用的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換測(cè)量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在電路，以濾去高頻噪聲。 （ 4） A/D轉(zhuǎn)換：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為 數(shù)字信號(hào)。 （ 5）單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)扭矩傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)組合在一起就構(gòu)成了扭矩測(cè)量?jī)x，這部分電路主要完成的功能是：將扭矩傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形后用計(jì)數(shù)器對(duì)高頻脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的被測(cè)扭矩值，將數(shù)據(jù)直接傳送給驅(qū)動(dòng)顯示器顯示。 （ 6） 液晶顯示：液晶顯示部分直觀地顯示出所測(cè)彈性軸的扭矩，是整個(gè)系統(tǒng)的作用完整顯現(xiàn)。 （ 7） 電源電路為應(yīng)變電橋、運(yùn)算放大器、 A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)提供穩(wěn)定的直流電源電測(cè)量電橋 測(cè)量放大電路 低通濾波電路 A/D轉(zhuǎn)換 51單片機(jī) 液晶顯示 變壓器 交流電源 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 13 壓。這里采用變壓器傳輸方式完成電源的傳輸。 本設(shè)計(jì)的扭矩傳感器采用應(yīng)變型扭矩測(cè)量原理來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩信號(hào)的測(cè) 量，從而克服了磁彈性型傳感器和相位差型傳感器可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝調(diào)試?yán)щy、準(zhǔn)確度低等諸多缺點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量中 ,其主要問題是旋轉(zhuǎn)工況下，電源如何可靠地輸入到應(yīng)變橋路及信號(hào)如何可靠地輸出到顯示儀表，本設(shè)計(jì)采用滑環(huán)以及滑臂之間的電刷達(dá)到電源的輸入及輸出。 從而實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)在轉(zhuǎn)子和定子之間的傳輸，解決了動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量中存在的信號(hào)傳輸問題，使得扭矩測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確度和可靠性大大的提高。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的方案是完全可行的。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 14 第三章 扭矩傳感器的設(shè)計(jì) 應(yīng)變式扭矩傳感器可 以分為旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分，該傳感器的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)以及難點(diǎn)在于如何在旋轉(zhuǎn)部分處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能夠準(zhǔn)確的將電橋發(fā)生形變后產(chǎn)生的電壓信號(hào)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳輸出來(lái)。 應(yīng)變片的選用 電阻應(yīng)變片的種類很多，有絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片等。其主要參數(shù)有：應(yīng)變片電阻值、幾何尺寸、靈敏度系數(shù)、絕緣電阻、允許電流、機(jī)械滯后等。電阻應(yīng)變片除了能夠直接測(cè)量試件的應(yīng)力、應(yīng)變外，還可以和彈性敏感元件配合制成各種電阻應(yīng)變式傳感器，用來(lái)測(cè)量力、壓力、扭矩、加速度等物理量。電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理是：直接將電阻應(yīng) 變片被測(cè)軸上，當(dāng)被測(cè)軸受到純扭力時(shí)，其最大剪應(yīng)力 f 不便于直接測(cè)量，但軸表面主應(yīng)力與母線成 45o角，而且在數(shù)值上等于最大剪應(yīng)力，因而應(yīng)變片沿與母線成 45 度角方向粘貼。 本課題采用力敏全橋應(yīng)變片。它具有良好的一致性和對(duì)稱性，很小的非線性和橫向效應(yīng)。，此傳感器轉(zhuǎn)速采用旋轉(zhuǎn)編碼器的方式，它具有高頻響、分辨率能力高、抗振動(dòng)、耗能低、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高和進(jìn)行角度測(cè)量的場(chǎng)合使用，滿足課題設(shè)計(jì)要求，該傳感器的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)如表31。 表 31 傳感器的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù) 產(chǎn)品特點(diǎn) 技術(shù)參數(shù) 可測(cè)量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩及動(dòng)態(tài)過渡過程的旋轉(zhuǎn)扭矩 轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確度： ≤ % FS 可測(cè)量正、反向扭矩且不需調(diào)整零點(diǎn) 過載能力： 150%FS 信號(hào)檢測(cè)采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng) 重復(fù)性： ≤ %FS 輸入電源極性、幅值保護(hù)，輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)保護(hù) 線 性： ≤ %FS 扭矩信號(hào)的提取方式為應(yīng)變電測(cè)技術(shù) 應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波的響應(yīng)時(shí)間： 179。106S 扭矩測(cè)量精度與旋轉(zhuǎn)速度、方向無(wú)關(guān) 正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出： 15KHz 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 15 體積小、重量輕、安裝方便 反向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出 ： 5 KHz 可靠性高、壽命長(zhǎng) 傳感器信號(hào)輸出：方波信號(hào)、幅值為5V、負(fù)載電流＜ 15mA 此傳感器可測(cè)量正、反轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)扭矩，設(shè)計(jì)要求中扭矩檢測(cè)范圍為 2Nm ～ +2Nm，能滿足要求。傳感器信號(hào)檢測(cè)采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，此特點(diǎn)適合傳感器在環(huán)境比較惡劣的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量。傳感器體積小、重量輕、安裝方便， 便于傳感器機(jī)械安裝機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì) 。 電阻應(yīng)變式的彈性元件在傳感器中占據(jù)極其重要的的地位，它首先把力、扭矩信號(hào)等非物理量變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合各種形式 的傳感元件，將被測(cè)量變換成電量。彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；剛性好；有效工作區(qū)具有最大應(yīng)變值和良好的線性；抗干擾能力強(qiáng)；工藝性能好等。 扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu) 圖 31 接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器硬件結(jié)構(gòu) 如圖 31所示，接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的硬件主要有應(yīng)變橋，旋轉(zhuǎn)軸，滑環(huán)，刷 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 16 臂，以及電源組成。 彈性軸材料的選擇和確定 應(yīng)變式扭矩傳感器主要是用于動(dòng)力設(shè)備傳動(dòng)扭矩的在線測(cè)量。在工程中，用于動(dòng)力設(shè)備上的應(yīng)變式扭矩傳感器軸材料通常選擇： 45＃鋼、 40Cr鋼或是 38CrMoAlA合金鋼 ，特殊情況下也可采用電工鋼。 （ 1)確定軸的直徑已知軸上所受最大扭矩為 200Nm，可根據(jù)軸的強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)軸的直徑，從圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)各橫截面之間的距離不變，也即圓軸無(wú)軸向的伸長(zhǎng)或縮短，說(shuō)明圓軸橫截面上沒有正應(yīng)力，只有垂直于半徑的剪應(yīng)力。為保證受扭圓軸能正常工作，要求軸內(nèi)最大剪應(yīng)力必須小于材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 F。因此圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件為 F′ = (31) 式中 , F′ — 扭軸橫截面上的最大剪應(yīng)力 (N/mm) — 轉(zhuǎn)軸橫截面的抗扭極矩 ( ) M─軸所受最大扭矩 (N m)； D— 實(shí)心扭軸直徑 (mm)。 經(jīng)查相關(guān)資料可以計(jì)算出 (32) 式中， 。 已知軸所受的最大扭矩值為 200Nm，則 （ 1） 當(dāng)被測(cè)材料為 45鋼時(shí)，可查得 45鋼的極限應(yīng)力為 294 N/，帶入式（ 31），得： D= （ 2）當(dāng)被測(cè)材料為 40Cr鋼時(shí)，可查得 785 N/， 帶入式（ 31），得： D= （ 3） 當(dāng)被測(cè)材料為 38CrMoAlA合金鋼時(shí)，可查得 38CrMoAlA合金鋼的極限應(yīng)力為539N/，帶入式（ 31），得， D= （ 4），當(dāng)被測(cè)材料為電工鋼時(shí)，可查得電工鋼的極限應(yīng)力為 785 N/，帶入式（ 31），得， D= 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 17 以上得到的分別以 4種材料作為轉(zhuǎn)軸時(shí)，在滿足強(qiáng)度條件下得到的轉(zhuǎn)軸直徑，考慮到材料的成本，以及傳感器的靈敏度，加工的難易程度等方面的要素，選用 45＃鋼作為軸的材料。由此可以確定軸的直徑為 20mm。 聯(lián)軸器的選 用 聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。 聯(lián)軸器種類繁多，按照被聯(lián)接兩軸的相對(duì)位置和位置的變動(dòng)情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，容易制造，且兩軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相同 ， 主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。②可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對(duì)位移的地方，根據(jù)補(bǔ)償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈性可移式聯(lián)軸器。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工作零件間構(gòu)成的動(dòng)聯(lián)接具有某一方向或幾個(gè)方向的活動(dòng)度來(lái)補(bǔ)償，如牙嵌聯(lián)軸器（允許軸向位移）、十字溝槽聯(lián)軸器（用來(lái)聯(lián)接平行位移或角位移很小的兩根軸）、萬(wàn)向聯(lián)軸器（用于兩軸有較大偏斜角或在工作中有較大角位移的地方）、齒輪聯(lián)軸器（允許綜合位移）、鏈條聯(lián)軸器（允許有徑向位移）等，彈性可移式聯(lián)軸器（簡(jiǎn)稱彈性聯(lián)軸器）利用彈性元件的 彈性變形來(lái)補(bǔ)償兩軸的偏斜和位移，同時(shí)彈性元件也具有緩沖和減振性能，如蛇形彈簧聯(lián)軸器、徑向多層板簧聯(lián)軸器、彈性圈栓銷聯(lián)軸器、尼龍栓銷聯(lián)軸器、橡膠套筒聯(lián)軸器等。聯(lián)軸器有些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。選擇時(shí)先應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計(jì)算扭矩和轉(zhuǎn)速，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件作必要的驗(yàn)算。 分類還包括球籠式萬(wàn)向聯(lián)軸器 圓錐碗簧聯(lián)軸器 SWP、 SWC 型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器十字包 94） 矯正機(jī)用十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器（ JB/） 彈簧管聯(lián)軸器 WS、 WSD型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器（ JB/T590191） WSH 型 滑動(dòng)軸承 十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器 ML型薄膜聯(lián)軸器（ SJ212782） SWZ 型整體軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器 93 聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇，用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 18 主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng) 力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接，是機(jī)械產(chǎn)品軸系傳動(dòng)最常用的聯(lián)接部件。 20 世紀(jì)后期國(guó)內(nèi)外聯(lián)軸器產(chǎn)品發(fā)展很快，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如何從品種甚多、性能各異的各種聯(lián)軸器中選用能滿足機(jī)器要求的聯(lián)軸器，對(duì)