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。

扭矩引起被测轴剪应力，在轴表面处的最大剪应力

为：

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。

七、遥测扭矩方法

遥测扭矩方法是运用近距离遥测技术，克服前面阐述的滑环传输中存在的摩擦、磨损、升温、接触电阻不恒定等弊病而研制的新型扭矩方法。

遥测扭矩方法由扭矩传感器、发射机、接收机三部分组成。根据发射机调制方法的不同，存在下述遥测体制：

调频；调幅—调频(AM-FM)；调频-调频(FM-FM)；脉频调制-调幅(PFM-AM)以及脉宽调制(PCM)。根据遥测系统传递信号的多少，可分单通道和多通道遥测系统。我国生产的RTM-1数字遥测扭矩仪属于FM-FM遥测体制。它的特点是：

(一)卡环式扭矩传感器能方便地安装在被测轴上，而不需要更改主轴的任何布置，因此适用于实况测量。

(二)信号传输通过发射、接收形式，采用FM-FM传输体制，实现无接触式传输，提高了可靠性。

(三)传感器安装位置极小，仅需1．50mm长的测量棒，使许多难以用其他方法器测量的部位得以测量。

八、相位差扭矩测量方法

相位差式扭矩测量方法也是一种利用具有机械弹性的被测轴在扭矩作用下产生弹性变形来测量扭矩的方法。根据信号变换器的类型不同，相位差扭矩传感器有两类：磁电式相位差扭矩传感器和光电式相位差扭矩传感器。根据二次仪表以及数据处理类型不同，相位差扭矩测量仪又可分为：相位扭矩测量仪(模拟量电路、表针式指示)、相位数字式扭矩测量仪(逻辑电路、数字显示)和微机型扭矩测量仪(智能化测量仪)。由于相位数字式扭矩测量仪问世早、应用面广、数量多，至今还与后起的微机型扭矩测量仪并列而行。

九、永磁转盘扭矩测量方法

前面介绍的各种相位扭矩测量方法的共同缺点是不能测量低转速扭矩和静止扭矩。永磁转盘扭矩测量方法装有可以旋转的辅助圆盘，能够测量低转速扭矩和静止扭矩。永磁转盘扭矩测量方法是利用在永磁场

中导磁介质的规律变化引起磁阻的规律变化，从而将引起磁路的磁通产生变化，利用磁通的变化得到易测量电压或电流的规律变化。

这种扭矩测量方法的工作转速范围是0～10000r／min，测量精确度为±2%；温漂误差在0～40℃范围内时为0.5％／10℃。

第三节扭矩测量仪器的检定

一、扭矩计量器具检定系统

扭矩计量器具检定系统适用于扭矩(或转矩)计量器具的检定和量值传递。它规定了扭矩值的单位牛[顿]米(N·m)国家基准的用途，基准所包括的全套基本计量器具，基准的计量学参数和借助于计量标准向工作计量器具传递扭矩单位量值的程序，并指明其不确定度和基本检定方法等。

在整个扭矩检定系统中，扭矩标准器可分为两类。第一类为产生(或复现)扭矩值的固定式标准器。第二类为传递扭矩值的各种便携式标准器。后者按其测量原理可分为百分表式、应变式、光学式、磁电式、电容式、钢弦式、机械式、磁弹式、光弹式扭矩仪等。

(一)计量基准器具

1、扭矩值国家基准：根据我国目前情况，它们由1kNm和5kNm两台静重式扭矩基准机组成，其主要技术数据见表6-1。

2、静重式扭矩基准机是以砝码产生的重力作为标准负荷，通过准确测量其力臂的杠杆机构将力矩按预定顺序自动地加到被检扭矩仪上。这种扭矩机的计量学性能主要取决于力值的不确定度，力臂的不确定度等．前者又取决于砝码质量的不确定度，安装地点的重力加速度的测量不确定度，砝码和空气密度的测量不确定度以及砝码的加卸方式，机械结构和质量稳定度等。后者与力臂杠杆的构造，刀刃和刀承的构造以及加工安装质量等密切相关。此外，还与力臂杠杆的水平控制程度有关。

(二)计量标准器具

1、标准扭矩仪作为传递基(标)准扭矩值的扭矩仪有两个主要技术指标，其一是重复性R，其二是稳定度Sb。根据目前标准扭矩值的准确度水平，作为基准扭矩值与标准扭矩值之间的传递和比对工具的标

准

表6-1 扭矩值国家基准技术数据

扭矩仪被分为三级：0.03级，0.05级和0.1级．根据R和Sb一般均应不大于被检扭矩标准机的扭矩值不确定度的三分之一的要求，应尽可能用0.03级标准扭矩仪检定0.1级的扭矩标准机。在该条件达不到时，也允许用0．05级标准扭矩仪对其进行比对，这时应考虑上级标准有关技术指标对下级标准相应技术指标的影响。借助并联法，0.05级和0.1级标准扭矩仪可用于0.3级大型扭矩标准机的检定。

作为标准扭矩值与工作计景器具的扭矩值的传递工具的标准扭矩仪也分为三级：0.3级，0.5级和1级。0.3级标准扭矩仪用于检定扭矩值总不确定度不超过1％的扭转试验机或其它转矩测量装置。各级标准扭矩仪均可用于平衡扭矩测量装置和能量转换转矩测量装置的扭矩值比对和检定中。

2、扭矩标准机，目前国内已有的扭矩标准机同扭矩基准机一样皆属静重式。它们的最大扭矩值范围为20Nm-120kNm。最大扭矩值不超过5kNm的机器的扭矩值总不确定度δ不超过1×10-3，最大扭矩值超过5kNm的机器的扭矩倌的总不确定度δ不超过3×10-3。这类机器的不确定度的影响因素与静重式扭矩基准机相同。一般用相应等级的标准扭矩仪对其进行检定，确定它的扭矩总不确定度(或示值误差)。对于要求较高的扭矩标准机，可以借助部件检定，由测量和计算确定扭矩值的总不确定度，同时用重复性和稳定度尽可能小的标准扭矩仪，将其与扭矩国家基准进行量值比对，以保证扭矩值的准确一致。