汽车实验学 转矩与扭矩

第九章转速和扭矩的测量9.1转速的测量•转速是指旋转部件圆周运动的瞬时角速度。一般动力和机械试验时所测量的大多都是平均转速。•发动机曲轴转速是测功必不可少的数据，它表征了发动机在单位时间内所进行的工作循环数。离心式转速仪磁性转速仪电动势转速仪闲光式转速仪电子式转速仪转速仪种类转速测量仪根据测量原理分为5类1.离心式转速仪•离心式转速仪是最传统的转速测量工具•工作原理：基于与回转轴偏置的重锤在回转时产生的离心力与回转轴的角速度的平方成正比，即：•式中：m是重锤的质量，r是重锤至被测轴的垂直距离。•按结构不同分：重块式和圆环式。2mrQ2mrQ2.磁性转速仪•磁性转速仪利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速的。•其结构较简单，目前较普遍用于摩托车和汽车以及其他机械设备中。3.电动势转速仪•电动势转速仪一般由传感器和指示器两部分组成，其传感器安装在发动机上。工作原理•发动机运转时，传感器输出三相电动势，该三相电动势通过导线送到指示器，驱动指示器内的三相同步电动机旋转，同步电动机的扭矩通过磁性离合器传递到指针部件，带动指针偏转，游丝产生一反向的平衡力距，控制指针的转角，准确指示被测转速，指示器与发送器间用导线连接，故可用来远距离测量发动机的转速。4.闲光式转速仪•闲光式转速仪利用已知频率的闲光去照射被测物体，当转动物体频率与闲光的频率同步时，则转动物体看起来好像不动。即人的眼睛能在一段时间内保持已经从视野中消失物体的视觉能力。•广泛用于机电设备的测量，因为它采用不接触的测量方法，所以不消耗被测物体的动能。5.电子式转速仪•电子式转速仪是以现代电子技术为基础而设计制造的转速仪测量工具。一般由传感器和显示器组成，有的还有信号输出和控制，因为传感器和显示器和测量方法的多样性而难以分类。•按安装使用方式来分：就地安装式、台式、柜装式、便携式和手持式。9.1.2电子式转速仪•1.转速传感器•数字式转速传感器属于间接式测量装置，其输出信号频率与转速成正比，或其信号峰值间隔与转速成反比。按原理来分有：磁电感应式、光电效应式、霍尔效应式按间接测量转速来分：加速度传感器、位移传感器等。1）光电转速传感器•其功能：将被测转速通过光电转换的原理，转换成为电脉冲信号，供数字式转速表显示。分：透光式和反射式。•透光式光电转速传感器•反射式光电转速传感器：光源发出的光束经半透膜后，被凸透镜1聚焦在旋转轮上。旋转轮转动时，由于黑白条纹对光的反射率不同，反射率变大时，反射光线经过半透膜聚焦光敏元件上，光敏元件即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号，在一定时间内对信号计算便可测出转轴的转速值。2）磁电式转速传感器•其由永磁铁、激励线圈和转子组成。•当轴旋转时，由永磁铁、空气隙和转子组成磁路的磁阻。磁阻随着永磁铁和空气隙大小不断变化，使得检测线圈的磁通也不断变化，从而产生交变电动势，形成与轴的转速相应的电信号。，电信号的频率f正比于被测轴的转速n，即•式中z是转子上齿轮的齿数；n是被测轴转速。60nzf2.转速测量方法1）测频法1）测频法1）测频法1）测频法1）测频法2）测周法•测周法是以标准时钟脉冲填充待测脉冲，计数器累计一个待测脉冲信号周期T内的标准时钟脉冲数N，从而求得待测转速n。3）等精度法•其是指在直接测频方法的基础上发展起来的，它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号同步，消除了对被测信号计数所产生的+1和-1误差，且达到了在整个测试频段的等精度测量，测频原理如图。3.转速显示器•（1）指针式•1)动圈式：线圈、游丝指针联于一旋转轴上，给线圈输入电流，线圈感应出磁力。•2）动磁式：正交线圈中电流的变化导致合成磁场方向的变化，而指针附着在单对极的永磁体上，指针反映电流的变化。•3）电动式：双向旋转的电动机带动电位器的旋转，电位器的取样值与输入信号电压比较，决定双向旋转电动机正转、反转或停止，与电位器联动的指针正确反映输入信号的大小。•（2）数字式、图形机器混合式•（3）虚拟仪表9.2扭矩的测量•扭矩是旋转动力机械的重要参数，•扭矩测量分：传递型、平衡力法和能量转换法•吸收型测功器是根据平衡力法，借助水、磁电等介质吸收动力机械输出轴的能量并指示扭矩。（水力测功机、电力测功机和电涡流测功机）•传递型测功器是根据弹性元件在传递扭矩时，其物理参数发生变化，从而测量扭矩的，它不能吸收被测机械输出的能量。（主要有相位差法和电阻应变法）9.2.1传递型测功器•工作原理是当一段弹性轴在扭矩M的作用下产生弹性变形时，其扭转角与扭矩M有下列关系：•式中，G为材料的剪切弹性模量，J为轴截面的轴极惯矩，L为轴段长度。•分类：光学式、光电式和磁电式。其中磁电式是最常用的方法.•磁电式相位差扭矩仪一般由信号发生器和测量电路组成。1.相位差扭矩仪•采取初始相位差的原因是：–存在制造和安装误差，使两个正弦信号的初始相位差不能做到完全相等；–如果A\B两个信号相位十分接近，则它们的相位差的脉冲宽度即近似为零，这样会使下一级的双稳态触发电路不能稳定的工作；–为了使扭矩测量仪能够测量正、反两个方向的扭矩，初始相位差应该有较大的数值，这样在扭矩的正、负量检测范围内，才不会出现相位差为零的情况。2.电阻应变式扭矩仪•根据应变原理测量扭矩的，处于动力机械和负荷之间的被测轴承受扭矩产生切应力，且最大应力发生在轴的外圆周上，两个主应力与轴线成45和135的夹角。因此把应变片粘贴在测点的主应力方向上测出应变值，这时可根据下式测的扭矩，即：•式中：E为轴材料的弹性模量；D为轴的直径；为轴材料的泊松比；为测的应变值。•为了提高测量灵敏度，可用4个应变片按承受的拉、压应力平均分配，具体位置及测量电路见图•电桥信号的输出方式基本上有滑环接触式和旋转变压器无接触感应式两种。2.电阻应变式扭矩仪2.电阻应变式扭矩仪9.2.2平衡力法测扭矩•测功机是根据平衡力法来测量扭矩的，测功机有机械式、水力式、电力式和电涡流式。9.2.2平衡力法测扭矩1.水力测功机：1.水力测功机：1.水力测功机：•根据转子结构的不同，水力测功机分为：圆盘式、柱销式、叶轮式和涡流式。•水涡流测功机•主要组成：水力制动器、测力机构、进排水部件、校正部件、电动排水阀、自动调节装置、润滑系统等。1.水力测功机：)(9549kwnTp2.电涡流测功机2.电涡流测功机2.电涡流测功机2.电涡流测功机3.电力测功机：3.电力测功机：3.电力测功机：3.电力测功机：•1.）直流测功机•直流测功机的控制方式（通常根据其作为发动机时负荷方式的不同分为两种：负荷电阻方式和自动馈网控制方式。•负荷电阻控制方式：直流电力测功机负荷电阻控制方式如图。•自动馈网控制方式：主变流机组由一个三相交流异步发电机和直流发电机组成。3.电力测功机：•2.）交流测功机•工作原理与直流电力测功机一样，交流电力测功机吸收和发出的都是交流电。可直接由外电网供电，吸收能量可在负荷电阻上转换为热能，可直接输出到供电电网上加以利用。交流电力测功机采用同步电机和异步电机。3.电力测功机：（1）同步电机测功机•由同步电机的运行原理可知，同步电机的转速等于旋转磁场的转速，即：•在极对数z不变的情况下，改变定子供电频率是同步电机调速唯一可行的方法。•一般测功机应精确控制供电频率，以防电机在过载情况下工作时发生失步现象。（2）异步电机测功机•采用鼠笼三相异步电机作为加载设备，由变频器提供可变频率的驱动电源，运用直接转矩控制技术实行转矩控制。•用交流测功机测试发动机时，其系统组成框图如图9.29所示，当其工作频率对应的同步转速高于被测机时，测功机为电动状态，驱动被测机；低于时，测功机是发电状态，为被测机提供负荷。表9-1几种测功机的性能对比三种测功机的优缺点•水力测功机：工作噪声大，且在转速高、制动扭矩小的区段几乎不能稳定工作。电涡流测功机只能吸收发动机的功，将其全部转化为热能消耗而不能回收，且不能反拖发动机工作。•直流测功机：结构上存在机械结构上存在机械换向器和电刷，其造价高、维护困难、寿命短等，导致在高速测功系统中难以广泛应用。•交流测功机：测功范围宽，在测定原动机性能参数的同时，还以发电的形式回收能量，转矩控制响应迅速而且测量精度高。