高速應(yīng)用中扭矩測(cè)量技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

在汽車(chē)行業(yè)，從內(nèi)燃機(jī)向電機(jī)的逐漸轉(zhuǎn)變對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，這種影響在不久的將來(lái)將變得更加明顯。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更小的尺寸和更低的重量，因而具有更高的功率密度。電機(jī)的熱損失已降低到10%左右，90%以上的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。此外，車(chē)輛中的電驅(qū)動(dòng)裝置需要以相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這也給電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)臺(tái)的扭矩測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2004年T11扭矩傳感器為高轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)量設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)。T11長(zhǎng)期以來(lái)一直被用于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)，由于其較小的轉(zhuǎn)子質(zhì)量和較低的質(zhì)量慣性矩，因此轉(zhuǎn)速可高達(dá)30000rpm。該傳感器于2016年被T40系列取代。下表概述了 HBM 扭矩傳感器以及可以達(dá)到的轉(zhuǎn)速，在某些應(yīng)用中，T40HS系列的最高轉(zhuǎn)速可以提高到60000 rpm。

除了轉(zhuǎn)速外，電驅(qū)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)特性對(duì)未來(lái)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量技術(shù)也提出了很高的要求。因此，進(jìn)一步降低質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩，同時(shí)確保高剛度，是扭矩傳感器未來(lái)發(fā)展的方向。

減少重量和質(zhì)量慣性矩

扭矩傳感器的重量可以通過(guò)兩種方式減輕：一種是通過(guò)傳感器的設(shè)計(jì)； 另一種是通過(guò)選擇替代材料，材料對(duì)重量減輕的影響最大。

選擇合適的材料是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗粌H必須有較低的比重，也必須比鋼具有更優(yōu)異的計(jì)量性能。由于抗交變負(fù)載能力較差，所以鋁不是扭矩傳感器制造商的選擇。鈦幾乎具有與鋼相同的抗拉強(qiáng)度和計(jì)量特性，并且在不影響疲勞強(qiáng)度和測(cè)量性能的情況下具有較輕重量，鈦成為高速扭矩傳感器的優(yōu)選材料。HBK T40HS、T40MS 和 T40CB 高速扭矩傳感器均采用 鈦制造 。

圖1 與鋼的相對(duì)重量百分比

由于 更小的尺寸 和 更緊湊的設(shè)計(jì) ，因此產(chǎn)生的質(zhì)量慣性矩較低（例如在電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用或航空工業(yè)的部件測(cè)試中）。這些應(yīng)用比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用具有更高的動(dòng)態(tài)性。試驗(yàn)臺(tái)上使用扭矩傳感器時(shí)必須考慮這些因素。從用戶的角度來(lái)看，重要的方面是傳感器剛度和測(cè)量性能/精度不得受到負(fù)面影響。

旋轉(zhuǎn)物體的行為不僅取決于它的質(zhì)量，而且還取決于它在旋轉(zhuǎn)軸上的分布。

其中，r 表示質(zhì)量點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的距離。在所有可能的力矩中，力矩是最重要的。 因此，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定義了剛體對(duì)其運(yùn)動(dòng)變化的阻力。

圖2 質(zhì)量點(diǎn)繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)

 

單個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量慣性矩[J]為：

這意味著質(zhì)量點(diǎn)越靠近旋轉(zhuǎn)軸（軸），其質(zhì)量慣性矩越小。并意味著轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩傳感器需要較小的力。

圖3 顯示了1kNm范圍內(nèi)不同扭矩傳感器的質(zhì)量慣性矩及其最大轉(zhuǎn)速比較

結(jié)論 

除了通過(guò)選擇合適的材料（如鈦）來(lái)減輕重量外，實(shí)際測(cè)量體的設(shè)計(jì)在減少質(zhì)量慣性矩方面也起著重要作用。在高速和動(dòng)態(tài)應(yīng)用中使用，HBK扭矩傳感器慣性矩比傳統(tǒng)傳感器大幅減小，且不會(huì)影響剛度或測(cè)量性能。因此，我們的傳感器非常適合于測(cè)試非常緊湊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，或者用于模擬車(chē)輛駕駛條件的動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試臺(tái)。

一般來(lái)說(shuō)，日益增強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)和可持續(xù)性的趨勢(shì)將影響交通的進(jìn)一步發(fā)展。基于應(yīng)變的扭矩傳感器在未來(lái)將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并成為優(yōu)化機(jī)器、飛機(jī)和車(chē)輛部件過(guò)程中不可或缺的一部分。

官網(wǎng)：

<HBM應(yīng)變片：應(yīng)力測(cè)試測(cè)量?jī)?yōu)選>

<HBM稱重傳感器：稱重精度，久經(jīng)驗(yàn)證>

<HBM力傳感器： 應(yīng)變和壓電兩種測(cè)量技術(shù)>

<HBM扭矩傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器>

<電功率測(cè)試 - 從部件到車(chē)輛能源管理>

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