陳金明 鐘文斌

（廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院）

數(shù)值模擬在扭矩傳感器設(shè)計(jì)的應(yīng)用*

陳金明 鐘文斌

（廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院）

針對(duì)現(xiàn)有扭矩傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，根據(jù)材料力學(xué)原理設(shè)計(jì)分析傳感器結(jié)構(gòu)，給出總體設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)圖，利用數(shù)值模擬軟件Ansys對(duì)傳感器的彈性元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，得出傳感器彈性體表面應(yīng)變和整體的受力情況，有針對(duì)性地指導(dǎo)彈性體后期粘貼應(yīng)變片，得到較好的使用效果。傳感器樣品實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)傳感器的線性度可達(dá)0.01%。

扭矩；傳感器；數(shù)值模擬

0 引言

在工業(yè)機(jī)器人、汽車(chē)和機(jī)械加工等行業(yè)迅速發(fā)展的形勢(shì)下，各類(lèi)動(dòng)力機(jī)械設(shè)備需持續(xù)、穩(wěn)定地高效工作，因此，需監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。扭矩量是監(jiān)控機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的重要參數(shù)。準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的扭矩量，可較準(zhǔn)確地控制機(jī)械傳動(dòng)的能耗，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，有利于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為得到理想的扭矩測(cè)量結(jié)果，需準(zhǔn)確度高和性能穩(wěn)定可靠的扭矩傳感器。

本文簡(jiǎn)要介紹扭矩傳感器常用結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及幾種不同原理扭矩傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)；詳細(xì)分析應(yīng)變式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)數(shù)學(xué)模型，建立扭矩傳感器彈性體3D模型；利用Ansys分析軟件進(jìn)行有限元分析和適當(dāng)優(yōu)化。軟件模擬分析的結(jié)果在樣機(jī)制作過(guò)程中對(duì)使用應(yīng)變片類(lèi)型的選擇及應(yīng)變片的粘貼位置都有較好指導(dǎo)意義，因此通過(guò)這種方法可以進(jìn)一步提高扭矩傳感器準(zhǔn)確度，從而提高扭矩測(cè)量精度。

1 常用扭矩傳感器類(lèi)型和工作原理

使用扭矩傳感器測(cè)量時(shí)，需要考慮傳感器的準(zhǔn)確度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電源供給和信號(hào)調(diào)制等方面因素，其中傳感器的準(zhǔn)確度是重點(diǎn)因素。目前常用的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)種類(lèi)較多，按其原理主要可分為磁電式、光電式和應(yīng)變式等。

1) 磁電式扭矩傳感器是利用磁場(chǎng)中導(dǎo)體與所在磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理。測(cè)量軸上均布齒牙與磁體間隙交替變化引起磁通量交替變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位差，根據(jù)測(cè)量軸材料的本構(gòu)關(guān)系，從而得出測(cè)量軸所受扭矩載荷值。這種扭矩傳感器對(duì)于低轉(zhuǎn)速、微小轉(zhuǎn)角測(cè)量靈敏度不高，準(zhǔn)確度較低，且易受環(huán)境電磁干擾。

2) 光電式扭矩傳感器原理是測(cè)量軸的兩端設(shè)置光發(fā)射和反射結(jié)構(gòu)，傳感器內(nèi)置轉(zhuǎn)換器將反射光信號(hào)變換為可測(cè)量的電信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算電路計(jì)算兩路反射信號(hào)的相位差，得到測(cè)量軸兩端相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度，根據(jù)測(cè)量軸材料的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而得到測(cè)量軸所承受的扭矩載荷值。這種傳感器的缺點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確度受反射裝置的精度限制。

3) 應(yīng)變式扭矩傳感器是目前應(yīng)用范圍最廣的一種傳感器，其原理是將應(yīng)變片粘貼在測(cè)量軸表面，測(cè)量軸在受到扭矩作用時(shí)產(chǎn)生形變后引起應(yīng)變片電阻值變化，通過(guò)電橋和解調(diào)電路將應(yīng)變片阻值的變化轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓、電流或頻率等信號(hào)，從而得到測(cè)量軸所承受的扭矩值。應(yīng)變式扭矩傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有：① 適用范圍廣、測(cè)量精度高；② 由于應(yīng)變片自身尺寸小、質(zhì)量輕，此種傳感器對(duì)測(cè)量軸在受載荷時(shí)的應(yīng)力分布沒(méi)有影響。

2 扭矩傳感器設(shè)計(jì)原理

合理的外觀結(jié)構(gòu)是獲得較高準(zhǔn)確度測(cè)量結(jié)果的重要保證。將扭矩與載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)確地反映到彈性元件的應(yīng)力與應(yīng)變成為結(jié)構(gòu)設(shè)置的關(guān)鍵。

應(yīng)變式傳感器利用彈性元件的彎曲、拉伸和剪切等基本形變形式，將形變通過(guò)電橋方式轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量的電信號(hào)量[1]。在扭矩傳感器結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的剪切梁式，可看作是由懸臂梁式或雙固定端梁式的不同貼片位置轉(zhuǎn)化而來(lái)的，剪切梁式結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，根據(jù)材料力學(xué)原理[2-3]，彈性元件在力F作用下產(chǎn)生剪切ε為

其中μ為材料的泊松比。

圖1 剪切梁式結(jié)構(gòu)

以剪切輪輻式扭矩傳感器彈性元件（圖2）為例進(jìn)行實(shí)際模擬測(cè)試。彈性元件的每條輪輻臂都可以看作兩端固定的剪切梁，因此使用這種結(jié)構(gòu)的傳感器測(cè)量時(shí)，可看成是用4條剪切梁作為敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)有利于提高傳感器測(cè)量精度和敏感度[2]。

圖2 剪切輪輻式彈性元件結(jié)構(gòu)

剪切輪輻式結(jié)構(gòu)的彈性體在扭矩T作用下，彈性體彈性轉(zhuǎn)角和應(yīng)變參數(shù)分別為

其中，B為彈性梁橫截面寬/mm；H為彈性梁橫截面高/ mm；R為彈性梁橫截面中心分布圓半徑/ mm；L為彈性梁長(zhǎng)度/ mm；E為彈性體材料的彈性模量/Pa。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果討論

使用Ansys軟件對(duì)傳感器彈性體在受到扭矩載荷時(shí)，表面形變及應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真模擬和分析。Ansys是一款成熟的CAE軟件。對(duì)模型分析時(shí)，在程序中設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)和約束條件，提交給求解器進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果返回Ansys程序進(jìn)行結(jié)果顯示。若對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案所模擬出的結(jié)果不滿意，可重新設(shè)置參數(shù)后再分析，直到對(duì)設(shè)計(jì)方案滿意為止。

上述輪輻式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)及受力狀況，為應(yīng)變片粘貼位置的選擇提供指導(dǎo)依據(jù)。在模擬分析中，設(shè)定扭矩傳感器所受最大測(cè)量扭矩T = 150 Nm，材料力學(xué)性能參數(shù)設(shè)置為劃分有限元網(wǎng)格后計(jì)算得到變形云圖，模型變形情況如圖3所示。

圖3 模型變形云圖

從變形云圖表面形變模擬結(jié)果情況來(lái)看，輪輻式彈性體結(jié)構(gòu)在受到扭矩載荷后，在4條輪輻臂梁上產(chǎn)生較好的剪應(yīng)變效應(yīng)。這個(gè)分析對(duì)實(shí)際測(cè)量中安裝布置電阻應(yīng)變片具有較好的指導(dǎo)意義。參考輪輻式彈性體模擬的變形云圖結(jié)果，在實(shí)物樣品上布置安裝電阻應(yīng)變片，貼片組橋，組成測(cè)試橋路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。使用0.03級(jí)扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)連續(xù)實(shí)測(cè)得到一組數(shù)據(jù)（如表1所示），通過(guò)計(jì)算該傳感器線性度接近0.01%，得到較好的測(cè)試結(jié)果。

表1 輪輻式扭矩傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)代3D數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和性能，縮短傳感器開(kāi)發(fā)周期。在扭矩測(cè)試過(guò)程中扭矩傳感器和測(cè)量?jī)x表易受環(huán)境中溫度、電磁等因素干擾，所測(cè)的扭矩值可能會(huì)偏離真實(shí)值。應(yīng)變式扭矩傳感器從原理上將扭矩測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)彈性形變敏感材料的性能研究，建立扭矩與彈性材料相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，設(shè)計(jì)適用、合理的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)，完善扭矩測(cè)量方案，同時(shí)從原理分析著手，使用模擬仿真軟件加以輔助驗(yàn)證，設(shè)計(jì)研制出精度較高的、適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)變式扭矩傳感器。

[1] 張家全.靜動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的設(shè)計(jì)方案[J].中國(guó)電子學(xué)會(huì)力敏專(zhuān)業(yè)論文集,2000:69-73.

[2] 吳吉利,楊明亮,梁應(yīng)選.四梁式扭矩傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,27(4):1-6.

[3] 林福嚴(yán),周寧聞,付朝英,等.輪輻結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器式扭矩傳感器研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(11):40-42,46.

The Application of Mechanical Simulationin the Design of Torque Sensor

Chen Jinming Zhong Wenbin
(Guangzhou Institute of Measurement and Testing Technology)

For existing torque sensor design, this paper introduced the principle of mechanical design analysis, given the overall design and structure diagrams, using simulation software ansys elastic sensor element structural analysis and optimization, obtained elastic sensor surface strain and overall stress situation, targeted guidance of the late adhesive elastomer strain gauge to obtain better results. And sensor samples were measured by actual tests show that the linearity of the sensor was 0.01%.

Torque; Sensors; Mechanical Analysis

陳金明，男，1979年生，工程師，碩士，主要研究方向：力學(xué)計(jì)量和測(cè)試等。E-mail: Chenjinming000@163.com

廣東省質(zhì)監(jiān)局科研項(xiàng)目“標(biāo)準(zhǔn)扭力扳手研發(fā)”（2014PJ04）

鐘文斌，男，1979年生，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：力學(xué)計(jì)量和質(zhì)量技術(shù)管理等。