汽車實(shí)驗(yàn)學(xué) 轉(zhuǎn)矩與扭矩

1、第九章第九章 轉(zhuǎn)速和扭矩的測量轉(zhuǎn)速和扭矩的測量 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是指旋轉(zhuǎn)部件圓周運(yùn)動的瞬時(shí)角速度。是指旋轉(zhuǎn)部件圓周運(yùn)動的瞬時(shí)角速度。一般動力和機(jī)械試驗(yàn)時(shí)所測量的大多都是一般動力和機(jī)械試驗(yàn)時(shí)所測量的大多都是平均轉(zhuǎn)速。平均轉(zhuǎn)速。 發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速是測功必不可少的數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速是測功必不可少的數(shù)據(jù)，它表征了發(fā)動機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所進(jìn)行的工它表征了發(fā)動機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所進(jìn)行的工作循環(huán)數(shù)。作循環(huán)數(shù)。離心式轉(zhuǎn)速儀離心式轉(zhuǎn)速儀磁性轉(zhuǎn)速儀磁性轉(zhuǎn)速儀電動勢轉(zhuǎn)速儀電動勢轉(zhuǎn)速儀閑光式轉(zhuǎn)速儀閑光式轉(zhuǎn)速儀 電子式轉(zhuǎn)速儀電子式轉(zhuǎn)速儀離心式轉(zhuǎn)速儀是最傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量工具工作原理工作原理：基于與回轉(zhuǎn)軸偏置的重錘在回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力與回轉(zhuǎn)

2、軸的角速度的平方成正比，即：式中：m是重錘的質(zhì)量，r是重錘至被測軸的垂直距離。按結(jié)構(gòu)不同分：重塊式重塊式和和圓環(huán)式圓環(huán)式。2mrQ 2mrQ 磁性轉(zhuǎn)速儀利用旋轉(zhuǎn)力與游絲力的平衡來指示轉(zhuǎn)速的。其結(jié)構(gòu)較簡單，目前較普遍用于摩托車和汽車以及其他機(jī)械設(shè)備中。電動勢轉(zhuǎn)速儀一般由電動勢轉(zhuǎn)速儀一般由傳感器傳感器和和指示器指示器兩部分組兩部分組成，其傳感器安裝在發(fā)動機(jī)上。成，其傳感器安裝在發(fā)動機(jī)上。工作原理工作原理發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器輸出三相電動勢，該三相電動勢通過導(dǎo)線送到指示器，驅(qū)動指示器內(nèi)的三相同步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，同步電動機(jī)的扭矩通過磁性離合器傳遞到指針部件，帶動指針偏轉(zhuǎn)，游絲產(chǎn)生一反向的平衡力距，控制指針的

3、轉(zhuǎn)角，準(zhǔn)確指示被測轉(zhuǎn)速，指示器與發(fā)送器間用導(dǎo)線連接，故可用來遠(yuǎn)距離測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。遠(yuǎn)距離測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。閑光式轉(zhuǎn)速儀利用已知頻率的閑光去照射被測物體，當(dāng)轉(zhuǎn)動物體頻率與閑光的頻率同步時(shí)，則轉(zhuǎn)動物體看起來好像不動。即人的眼睛能在一段時(shí)間內(nèi)保持已經(jīng)從視野中消失物體的視覺能力。廣泛用于機(jī)電設(shè)備機(jī)電設(shè)備的測量，因?yàn)樗捎貌唤佑|的測量方法，所以不消耗被測物體的動能。電子式轉(zhuǎn)速儀是以現(xiàn)代電子技術(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)速儀測量工具。一般由傳感一般由傳感器和顯示器組成器和顯示器組成，有的還有信號輸出和控制，因?yàn)閭鞲衅骱惋@示器和測量方法的多樣性而難以分類。按安裝使用方式來分：就地安裝式、臺式、柜裝式、便攜式和手

4、持式。1.1.轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器屬于間接式測量裝置，數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器屬于間接式測量裝置，其輸出信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比，或其信號其輸出信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比，或其信號峰值間隔與轉(zhuǎn)速成反比。峰值間隔與轉(zhuǎn)速成反比。按原理來分有：按原理來分有：磁電感應(yīng)式、光電效應(yīng)式、磁電感應(yīng)式、光電效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式霍爾效應(yīng)式按間接測量轉(zhuǎn)速來分：按間接測量轉(zhuǎn)速來分：加速度傳感器、位移加速度傳感器、位移傳感器等。傳感器等。 其功能：將被測轉(zhuǎn)速通過光電轉(zhuǎn)換的原理，轉(zhuǎn)換成為電脈沖信號，供數(shù)字式轉(zhuǎn)速表顯示。分：透光式和反射式。 透光式透光式光電轉(zhuǎn)速傳感器 反射式反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器： 光源發(fā)出的光束經(jīng)半透膜后，

5、被凸透鏡1聚焦在旋轉(zhuǎn)輪上。旋轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動時(shí)，由于黑白條紋對光的反射率不同，反射率變大時(shí)，反射光線經(jīng)過半透膜聚焦光敏元件上，光敏元件即發(fā)出一個脈沖信號；反射率變小時(shí)，光敏元件無信號，在一定時(shí)間內(nèi)對信號計(jì)算便可測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速值。 其由永磁鐵、激勵線圈和轉(zhuǎn)子永磁鐵、激勵線圈和轉(zhuǎn)子組成。 當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由永磁鐵、空氣隙和轉(zhuǎn)子組成磁路的磁阻。磁阻隨著永磁鐵和空氣隙大小不斷變化，使得檢測線圈的磁通也不斷變化，從而產(chǎn)生交變電動勢，形成與軸的轉(zhuǎn)速相應(yīng)的電信號。，電信號的頻率f正比于被測軸的轉(zhuǎn)速n，即 式中z是轉(zhuǎn)子上齒輪的齒數(shù)；n是被測軸轉(zhuǎn)速。60nzf 等精度法定數(shù)計(jì)時(shí)法（測周法）定時(shí)計(jì)數(shù)法（測頻法）頻率運(yùn)算法頻率

6、積分法轉(zhuǎn)速的方法 測周法是以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖填充待測脈沖，計(jì)數(shù)器累計(jì)一個待測脈沖信號周期T內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖數(shù)N，從而求得待測轉(zhuǎn)速n。 其是指在直接測頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的閘門時(shí)間不是固定的值，而是被測信號同步，消除了對被測信號計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的+1和-1誤差，且達(dá)到了在整個測試頻段的等精度測量，測頻原理如圖。 （1 1）指針式）指針式 1) 1) 動圈式：線圈、游絲指針聯(lián)于一旋轉(zhuǎn)軸上，給線圈輸動圈式：線圈、游絲指針聯(lián)于一旋轉(zhuǎn)軸上，給線圈輸入電流，線圈感應(yīng)出磁力。入電流，線圈感應(yīng)出磁力。 2 2）動磁式：正交線圈中電流的變化導(dǎo)致合成磁場方向的）動磁式：正交線圈中電流的變化導(dǎo)致合成磁場方向的變化，而

7、指針附著在單對極的永磁體上，指針反映電流的變化，而指針附著在單對極的永磁體上，指針反映電流的變化。變化。 3 3）電動式：雙向旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)帶動電位器的旋轉(zhuǎn)，電位）電動式：雙向旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)帶動電位器的旋轉(zhuǎn)，電位器的取樣值與輸入信號電壓比較，決定雙向旋轉(zhuǎn)電動機(jī)正器的取樣值與輸入信號電壓比較，決定雙向旋轉(zhuǎn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，與電位器聯(lián)動的指針正確反映輸入信號轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，與電位器聯(lián)動的指針正確反映輸入信號的大小。的大小。 （2 2）數(shù)字式、圖形機(jī)器混合式）數(shù)字式、圖形機(jī)器混合式 （3 3）虛擬儀表）虛擬儀表 扭矩是旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械的重要參數(shù)， 扭矩測量分：傳遞型、平衡力法和能量轉(zhuǎn)換法傳遞型、平衡力

8、法和能量轉(zhuǎn)換法 吸收型測功器吸收型測功器是根據(jù)平衡力法，借助水、磁電等介質(zhì)吸收動力機(jī)械輸出軸的能量并指示扭矩。（水力測功機(jī)、電力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)水力測功機(jī)、電力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)） 傳遞型測功器傳遞型測功器是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時(shí)，其物理參數(shù)發(fā)生變化，從而測量扭矩的，它不能吸收被測機(jī)械輸出的能量。（主要有相位差法和電相位差法和電阻應(yīng)變法）阻應(yīng)變法）9.2.1 傳遞型測功器傳遞型測功器 工作原理工作原理是當(dāng)一段彈性軸在扭矩M的作用下產(chǎn)生彈性變形時(shí)，其扭轉(zhuǎn)角與扭矩M有下列關(guān)系： 式中，G為材料的剪切彈性模量，J為軸截面的軸極慣矩，L為軸段長度。 分類：光學(xué)式、光電式和磁電式光學(xué)式、光電式和

9、磁電式。其中磁電式是最常用的方法. 磁電式相位差扭矩儀一般由信號發(fā)生器和測量電路組磁電式相位差扭矩儀一般由信號發(fā)生器和測量電路組成。成。LJGM1.1.相位差扭矩儀相位差扭矩儀 采取初始相位差的原因是：采取初始相位差的原因是：存在制造和安裝誤差，使兩個正弦信號的初始相位差不能做到完全相等；如果AB兩個信號相位十分接近，則它們的相位差的脈沖寬度即近似為零，這樣會使下一級的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路不能穩(wěn)定的工作；為了使扭矩測量儀能夠測量正、反兩個方向的扭矩，初始相位差應(yīng)該有較大的數(shù)值，這樣在扭矩的正、負(fù)量檢測范圍內(nèi)，才不會出現(xiàn)相位差為零的情況。根據(jù)應(yīng)變原理測量扭矩的，處于動力機(jī)械和負(fù)荷之間的被測軸承受扭矩產(chǎn)

10、生切應(yīng)力，且最大應(yīng)力發(fā)生在軸的外圓周上，兩個主應(yīng)力與軸線成45和135的夾角。因此把應(yīng)變片粘貼在測點(diǎn)的主應(yīng)力方向上測出應(yīng)變值，這時(shí)可根據(jù)下式測的扭矩，即：式中：E為軸材料的彈性模量；D為軸的直徑；為軸材料的泊松比；為測的應(yīng)變值。 為了提高測量靈敏度 ，可用4個應(yīng)變片按承受的拉、壓應(yīng)力平均分配，具體位置及測量電路見圖 電橋信號的輸出方式基本上有滑環(huán)接觸式滑環(huán)接觸式和旋轉(zhuǎn)變旋轉(zhuǎn)變壓器無接觸感應(yīng)式壓器無接觸感應(yīng)式兩種。)1 (642DEM 測功機(jī)是根據(jù)平衡力法來測量扭矩的，測功機(jī)有測功機(jī)是根據(jù)平衡力法來測量扭矩的，測功機(jī)有機(jī)械式、水力式、電力式和電渦流式機(jī)械式、水力式、電力式和電渦流式。1.1.水力

11、測功機(jī)：水力測功機(jī)：1.1.水力測功機(jī)：水力測功機(jī)：1.1.水力測功機(jī)：水力測功機(jī)： 根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，水力測功機(jī)分為：圓盤式、柱銷式、葉輪式和渦流式。圓盤式、柱銷式、葉輪式和渦流式。 水渦流測功機(jī)水渦流測功機(jī) 主要組成：水力制動器、測力機(jī)構(gòu)、進(jìn)排主要組成：水力制動器、測力機(jī)構(gòu)、進(jìn)排水部件、校正部件、電動排水閥、自動調(diào)水部件、校正部件、電動排水閥、自動調(diào)節(jié)裝置、潤滑系統(tǒng)等。節(jié)裝置、潤滑系統(tǒng)等。1.1.水力測功機(jī)：水力測功機(jī)：)(9549kwnTp2.2.電渦流測功機(jī)電渦流測功機(jī)2.2.電渦流測功機(jī)電渦流測功機(jī)2.2.電渦流測功機(jī)電渦流測功機(jī)2.2.電渦流測功機(jī)電渦流測功機(jī)3.3.電力測功機(jī)：

12、電力測功機(jī)：3.3.電力測功機(jī)：電力測功機(jī)：3.3.電力測功機(jī)：電力測功機(jī)：3.3.電力測功機(jī)：電力測功機(jī)： 1.1.）直流測功機(jī)）直流測功機(jī) 直流測功機(jī)的控制方式（通常根據(jù)其作為發(fā)動機(jī)時(shí)負(fù)荷方式的不同分為兩種：負(fù)荷電阻 方式和自動饋網(wǎng)控制方式。 負(fù)荷電阻控制方式負(fù)荷電阻控制方式：直流電力測功機(jī)負(fù)荷電阻控制方式如圖。 自動饋網(wǎng)控制方式：自動饋網(wǎng)控制方式：主變流機(jī)組由一個三相交流異步發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成。3.3.電力測功機(jī)：電力測功機(jī)： 2. 2.）交流測功機(jī)）交流測功機(jī) 工作原理與直流電力測功機(jī)一樣，交流電力測功機(jī)吸收和發(fā)出的都是交流電?？芍苯佑赏怆娋W(wǎng)供電，吸收能量可在負(fù)荷電阻上轉(zhuǎn)換為熱能，

13、可直接輸出到供電電網(wǎng)上加以利用。交流電力測功機(jī)采用同步電機(jī)和異步電機(jī)。3.3.電力測功機(jī)：電力測功機(jī)： 由同步電機(jī)的運(yùn)行原理可知，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即： 在極對數(shù)z不變的情況下，改變定子供電頻率是同步電機(jī)調(diào)速唯一可行的方法。 一般測功機(jī)應(yīng)精確控制供電頻率，以防電機(jī)在過載情況下工作時(shí)發(fā)生失步現(xiàn)象。 zfM/60 采用鼠籠三相異步電機(jī)作為加載設(shè)備，由變頻器提供可變頻率的驅(qū)動電源，運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實(shí)行轉(zhuǎn)矩控制。 用交流測功機(jī)測試發(fā)動機(jī)時(shí)，其系統(tǒng)組成框圖如圖9.29所示，當(dāng)其工作頻率對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速高于被測機(jī)時(shí)，測功機(jī)為電動狀態(tài)，驅(qū)動被測機(jī)；低于時(shí)，測功機(jī)是發(fā)電狀態(tài)，為被測機(jī)提供負(fù)荷。表表9-1幾種測功機(jī)的性能對比幾種測功機(jī)的性能對比 水力測功機(jī)水力測功機(jī)：工作噪聲大，且在轉(zhuǎn)速高、制動扭矩小的區(qū)段幾乎不能穩(wěn)