扭矩计量知识

扭矩计量

第一节基本概念

扭矩是一个综合反映机械特性的机械量，是动力机械外特性中的主要参数，也是判断旋转机械质量优劣的关键性指标。

使机械构件产生转动效应并伴随扭转变形的力偶或力矩称为扭矩，符号为T。

力偶由作用在同一物体上、大小相等、方向相反的两个平行力形成图6—1(a)。力偶的大小用偶矩T 来度量，它等于力F与力偶臂L的乘积，即：

T=F·L (6—1) 式中：F——作用力，N；

L——力偶臂，m。

(a)力偶； (b)力矩

图6—1 力偶与力矩的作用

力矩是偏离物体旋转中心O的作用力F对物体形成的力矩图6—1(b)。力矩M的大小等于作用力F与力臂L的乘积，即：

M=F·L， (6—2) 式中：L——力臂，m，是旋转中心O到作用力F之间的距离。

力偶与力矩的表达式相同，但它们是有区别的。力偶对旋转轴无径向力作用，产生纯扭矩；力矩是构件单边受力，相当于径向力F’和力偶F·l的复合作用效应，构件在径向力F’的作用下，将受到弯矩作用，使轴承摩擦阻力增加。

第二节扭矩的测量方法

扭矩测量的方法多种多样，下面仅列数较常用的几种扭矩测量方法，相信随着科学的进步，将会有越来越多的测量方法。

一、变形式扭矩测量方法

变形式扭矩测量方法被大量地应

用在一些简单，准确度较低的场合中，

在扭矩扳手上也被非常广泛的使用，

但也可以用变形式扭矩测量方法制造

出精度较高的扭矩测量仪，原理如图

6-2。

工作原理为：当固定扭矩扳手头

部的四方扳头时，在手柄4上施加力，

弹性杆3将产生变形，固定在扳手头

部1上的百分表2可以测量出其变形量，1扳手头部；2百分表；3弹性杆；4手柄。

根据变形量和力的关系可以得到扭矩的大小。图6-2变形式扭矩测量示意图

在使用过程中，如果作用在手柄4上的力的位置发生变化，弹性杆3的变形系数也将随之发生变化。所以在使用过程中应保证加在扭矩扳手手柄上的力的位置与其在制造和标定时的位置保持一致，因此不能在扭矩扳手的手柄4上接加长套管。

二、杠杆式预置扭矩测量方法

1扳手头部；2固定轴；3扳手外壳（钢管）；4杠杆；5调整螺栓（杠杆支点）；6滑动轴承；7连杆；8推力杆；9推力弹簧。

图6-3杠杆式预置扭矩测量示意图

杠杆式预置扭矩测量方法被大量地应用在预置式扭矩扳手上，特点是提供特定的一个扭矩量值，精度较低，价格便宜，原理如图6-3。工作原理为：当方榫扳手头部 1有顺时针方向的扭矩时，杠杆4的平衡被打破，将沿着调整螺栓（杠杆支点）5 逆时针转动，连杆7将推动推力杆8压迫弹簧9，当扳手头部 1与杠杆4成一直线时，此时弹簧9受到最大的推力，此时的扭矩即为希望得到的扭矩量值，如果再增加扭矩，杠杆4将失稳而迅速敲击扳手外壳（钢管）3而产生

响声。

三、液压式扭矩测量方法

液压式扭矩测量方法主要用于相对较大的扭矩测量

中，准确度一般不高，原理如图6-4。

工作原理为：方榫1上施加以顺时针的扭矩，便在力

臂2上产生一个向上的力，此力作用到活塞3上，油缸4

中的液压油便产生一个压强，此压强用压力表5测量出来，

压力表现时的压强与方榫1上施加的扭矩有线性关系，因

此可以依靠这种关系测量扭矩量值。

四、应变式扭矩测量方法

自1938年首次出现金属电阻丝粘贴式传感元件至今，

已采用电阻应变片，粘贴在被测对象构件表面指定点上，

由于构件受力产生表面应变，致使电阻应变片的相对电阻

发生变化，通过惠斯顿电桥，准确而又敏捷地转换成电压

(或电流)信号，实现非电量电测。 1方榫；2力臂；3活塞；4油缸；5压力表。

图6-4 液压式扭矩测量原理图应变扭矩测量仪不仅普遍应用于各机械实验室，而且由于被测机械的结构可以不作或少作变动，且能承受复杂环境条件，所以应变扭矩测量仪也用于现场测试。

早期，在扭矩传感器与电阻应变仪之间必须要有一套集流装置，为了解决由于两者之间电源供电和信号传输而影响测量精度和工作寿命的问题，近年来，无接触集流环及无线电应变测量技术得到了较快的发展，遥测扭矩仪得到了广泛的应用。

电阻应变式扭矩仪归类于传递法(又称扭轴法)。当扭矩作用于被测轴时，轴发生扭转变形，在与轴线成±45°夹角方向上产生最大的剪应变，在此方向上粘贴电阻应变片就能测出施加扭矩的大小。

为：

扭矩引起被测轴剪应力，在轴表面处的最大剪应力

m ax

(6—3) 我们采用电阻应变片，对应于τmax的应变ω，即式(6—4)：

(6—4) 就能测出扭矩T。这就是电阻应变式扭矩仪的测量原理。

应变的测量是利用应变片的应变效应，达到非电量电测法的目的。对于电阻应变片，其机理是单位应变会引起电阻相对变化。半导体应变片是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。只要我们将应变片和弹性体粘贴在一起，就可以将弹性体的应变值，通过应变片转换成电阻量的变化。应变片成为非电量电测技术中非常重要的传感元件。

注：图6-5所示的是电阻丝应变片的结构示意图，它是用直径约为0．025mm左右的、具有高电阻率

的金属丝组成的。为了获得高的阻值，电阻丝排列成栅网形式称为敏

感栅，放置并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出导线。

敏感栅上面粘贴有覆盖片(保护片)。图中l称为应变片的标距，或称

工作基长；b称为应变片的基宽。lXb称为应变片的使用面积。应变

片的规格一般是以使用面积和电阻值来表示的，如3×10mm2，120Ω。

应用应变片测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在弹性体表面

上。当弹性体受扭矩变形时，应变片的敏感栅也随同变形，随之电阻图6-5电阻丝应变片的基本结构也发生相应变化，通过测量电路，最终将其转换为电压或电流变化。1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引线。

五、滑环式扭矩测量方法

(一)组成及性能特点

滑环式扭矩测量方法是由应变式扭矩传感器和应变仪两部分组成，由于信号传输采用接触式集流环，所以称为滑环式扭矩测量方法。这种扭矩测量方法结构简单，制造方便，能直接与电阻应变仪配套使用，因而可以不必配置专用二次仪表，所以在目前一般测量中用得较多。然而，接触式集流环最大的问题是，在集流环中固定部分和旋转部分之间存在着接触电阻，这个接触电阻不是恒定的，而是在较大范围内变化，接触电阻变化的信号势必和测量信号混在一起，造成很大的噪声干扰，故更不适宜使用在高速和大振动场合。

(二)扭矩传感器的安装

如图6-3所示，当A、B为刚性联轴节时，则输入、输出装置

C、D之间的同轴度要求较高，应调整到0．02-0．03mm范围内，

一般较难做到；当A、B为弹性联轴节时，则C、D之间的同轴度

要求降低，允差0.5mm。图中F为绳子，用于拉住传感器外壳，防

止外壳转动。调试时切勿使传感器受到初扭矩，可用手来回转动

联轴节，调节机械间隙，使传感器处在无扭矩状态，否则基准零 A、B-联轴节；C、D-输入输出装置；点不对，易产生误差。 E-传感器；F-绳子。

图6-6扭矩传感器的安装

六、耦合变压器式扭矩测量方法

耦合变压器式扭矩测量方法是滑环式扭矩测量方法的改进型，在扭矩信号的传输方面不用滑环传输而改用变压器耦合传输，从而提高测量的可靠性。该类扭矩仪由扭矩传感器和载波放大器两部分组成。按扭矩传感器分类，又可分为电感集流环扭矩测量方法和电容—电感集流环扭矩测量方法，二者都是非接触式集流器。由于这类传感器采用了非接触式激励电压和测量信号传送，故无磨损、无磨擦、无升温发热的影响，适用于长期测量。此外，由于壳体的质量不产生任何影响，故动平衡问题及振动问题易于解决。国产DNC型的转速范围为0～3000r／min，德国T32FN型容许转速可高达20000r／min，T34FN型最高转速为40000r/min。