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测功机有关扭矩、速度、力的测量

1.简介

本章的大部分涉及转矩和测量功率的计算，通过使用一个测功机耦合到被测试的原动机可以测量转矩在动力总成时原动机在其内部运作的情况。在第17章，底盘测功机测量的是轮胎/辊界面，而不是发动机飞轮的转矩。但扭矩传感器发展，意味着他们可以安装在动力总成系统中，通常以无线方式传送数据扩大测试工程师的数据收集范围。然而,在现实的操作条件下,要想精确地控制速度和转矩,即使仅在一个底盘测功机,实际上是不可能的,大部分引擎开发工作所需的水平和这样的测试通常是保留记录跟踪数据供以后研究所用。

在测功机的测试中，有几种不同的测量类型，包括所有的扭矩以及被测单元产生的扭矩。测功机吸收和测量转矩以及控制转速的精度是所用的功率测量和测试单元中所有其他派生性能数据的基础。也许最困难的问题是工程师怎样设定一个大小及类型都适合的测功机。在本章讨论的问题中，发动机、电机或涡轮机的功率和转矩的吸收特性以及功率和转矩的匹配关系着测功机数据和控制的准确性。在传输模块测试被测单元不产生力矩的原动机可以将电机构成的测力系统的一部分，在“冷发动机测试的情况下，本身可以是测功机。

所有的现代商用功率仪器测量速度，如果不是一个显示的数据通道，那么就可以作为其控制系统的一部分。

扭矩的单位是牛顿米，有时联用牛顿计和书面符号为nm或N元。一个牛顿米等于扭矩产生的力一牛顿施加在一米长的垂直力臂：

T = r times; F

扭矩与转速以及力之间的关系

Pkw = ƮNm times;omega;Nm

在英制的单位，在英语世界的一些地区仍然使用，转矩是英尺磅的测量，这是一个力1磅力（磅）通过1英尺的位移（从支点）。在英制单位的扭矩和功率之间的关系：

测功机轴的安装方式以及校准装置都影响着扭矩计算公式。r是测量臂的有效长度，满足要求的作用力垂直于手臂,它的中心连接必须水平,如图10.1所

固定支架

手臂必须是水平的，而且必须垂直

耳轴轴承在支架上的固定座

原动机的旋转方向

力矢量

位移矢量：r

T：对架子的扭矩反应

架子：自由旋转臂的限制长度R

图10.1

典型的现代耳轴式电涡流测功机安装图与负载电池。扭矩可以被校准和测量在任一旋转方向与负载部件的任一压缩或张力。（图10.2）

2.耳轴式测功机

耳轴的基本特征是在安装时功率吸收机器元件安装在耳轴轴承与电机轴同轴的地方。所产生的力矩使耳轴有自转的倾向，但同时它也会产生一个反作用力（如图１０．１、图１０．2所示），到二十一世纪初，测功机绝大多数仍使用这种扭矩测量方法。由于应变式传感器或“负载单元”的优点太过僵硬，所以没有位置调整是必要的。而反弹和“迟滞”自由安装对于外壳和底座之间的传感器是至关重要的。

这种机器设计于上世纪70年代中期，如今仍在使用，如弗劳德闸机图 ，如图１０．2，转矩测量是通过机器本身平衡的一个组合的-重量和一个弹簧平衡对转矩的吸收。但由于天平的刚度较低，需要根据力矩来调整它的位置，以确保测量的力是准确切向的。耳轴的轴承是一个组合：由一个球轴承（轴向位置）和滚子轴承或静压式组成。

流体静力设计，需要一个加压的油进料，需要更复杂和昂贵的比滚动轴承，但可得到较高的校准精度。

如果耳轴轴承运行在不利条件下，会因为角运动和滚动式运动而容易出现压痕，以及产生轻微的震动。这些震动会传到发动机那里，所以应该定期检查外轴承的情况，以避免出现不精确的校准。

用同轴的轴或转矩法兰测量转矩

测量原动机的转矩的另一种方法：通过使用一个在线扭矩轴（图10.4）或扭矩法兰（图10.5）。扭力轴安装在发动机和制动装置之间的传动轴上。它由一个双法兰，轴承座以及以扭矩轴应变计安装组成。设计既有防滑环又有射频信号传输。

在汽车测试中比较常见的是“磁盘”式的扭矩传感器，通常称为扭矩法兰，该法兰直接连接到制动输入和发送数据的静态天线环绕输入装置。在线扭矩测量装置的一个优势是它避免了一些不必要的选项。下面讨论，施加扭矩修正在瞬态工况下的转矩测量。然而，使用施加扭矩修正、使用已知的常数、以及现代计算机控制的琐碎系统，也会带来严重的问题，那就是有可能会降低固有的精度。（图10.3典型的现代风扇冷却，耳轴安装，交流测功机和柜住房的电力电子）

稳态测试，一个更加精确的扭矩测量，理由如下：

所测得的测功机的额定值和较大的信号的分辨率是较低的，在该行转矩传感器则是过大。换能器必须被高估，因为它必须有能力处理所述发动机的瞬时扭矩峰。

直列式传感器是驱动轴系统的一部分，安装时必须非常小心，以避免来自其他组件或其自身的夹紧装置的扭力感测元件所产生的弯曲或轴向应力。

同轴装置很难保护来自内部和周围传动系统的温度波动。

图10.4. 发动机与“制动器”之间的轴线安装的无刷力矩轴。A=安装法兰

Ｂ＝扭矩法兰

１＝转子

２＝ＳＣＧ应用

３＝主轴轴承

４＝定子

５＝弹性密封

６＝电容式变速器

７＝感应式传输　　　　　９＝速度检测器

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　８＝速度测量齿环　　　　１０＝电缆接线盒

作为一个固定式机器，它的校准检验并不容易；在水平位置上，它需要一种锁定的方法，而不施加固定弯曲应力的校准臂的测功机轴。

不像环抱机器和负载单元，它不可能在操作期间，验证一个在线装置的测量扭矩。

需要注意的是，在现代交流测功系统的情况下，扭矩测量和转矩控制的任务可以使用不同的数据采集路径。

在许多装置中的交流电机的控制系统可使用其自己的扭矩计算，而数据采集值可以从一个在线传感器或反应性负载单元输出。

一些测试设备配合这两种类型的转矩测量，可以协助相关的高瞬态发动机测试。

3.扭矩测量的校准和错误评估

我们已经看到，传统的测功机转矩T是衡量扭矩臂半径R和传感器力F的一个产物。

校准总是通过机器本身以及校准臂来进行的，制造商又确定了重量吊架轴承的轴和测功机的轴之间的距离。为了能够进行精确的校准，只能建立一个精心设计的夹具来实现。因此，校准臂应该有自己的校准规格，并与它自身的有效长度相配合。对于高精度的研发机器校准臂要加上盖子，并与特定的机器相匹配。

事实上，“静负荷”更应该被称为“标准质量”，他们应该通过一个适当的标准权威认证。不管是怎样的已经标记的认证重量，它们的重量并不一定直接与它们施加的力相等。虽然质量，以千克或磅计量，在世界各地作为一个常量，但他们施加的校准臂的力量是他们的质量和“克”，这是一个不恒定的局部值产品。“G”的值，通常被假定为9.81米/秒2，但这个值仅在海平面和大约47纬度2 N正确。随着经度和纬度的变化，这个值也会随着变化。举个例子，一台机器校准，在伦敦，其匹配的砝码为gfrac14;9.81米/ S2，但如果在悉尼， 则又有不同的标准。在想法设法提高进度的同时，这些都是一些不可了忽略的因素。

所以校准在测功机的过程并不是这么简单。我们面临的问题是，没有传感器的响应是完全线性的，也没有哪个联动之间是无摩擦的。然后我们会面临系统调整的问题，以便确保不可避免的误差在控制在最小的范围内。使用典型的应变计称重传感器转矩来测量机器校准程序如下。

测功机不应该耦合到发动机，因为该系统在已经通电预热的情况下，传感器输出的是零。静负载大约等于机器的最大转矩，该转矩会被计算和数字显示器设置为最初值。读数表指出，静负载被移除之后又再次增加，但所得的度数都在十个优选的等量之中。以相反顺序减少和增加的静负载读数会被再次检测到。

上面所描述的过程意味着负载单元指示被设置为在任何负载被施加之前读取零（它不必返回到零的静负载已被添加和删除），而它被调整为读取正确的最大扭矩时，静负载已被添加完成。

让我们假设在应用此过程我们具有额定值600 Nm扭矩的机器，而且我们有六个相等的静负载，各计算施以100 Nm的扭矩对校准臂的情况。

表10.1显示了两种增加和减小载荷所指示的扭矩读数，以及由静负载施加所计算的转矩。相应的一些误差，或由校准静负载和指示转矩读数施加的转矩之间的差异，被绘制在图10.6和10.7中。

该机器准确的额定值可以在0.25%以内，在这个例子中，该机器符合要求的精度限制，并可被视为令人满意的校准。

应用扭矩Nm

误差

图10.6测功器的校准误差百分比（%），如图

在不确定的情况下，它通常是假定的，这种滞后的效应，通

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