扭矩自检型行星齿轮减速器研究

栾振辉，郑 猛，刘 肖

(安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)

扭矩自检型行星齿轮减速器研究

栾振辉，郑 猛，刘 肖

(安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)

为了提高动态扭矩测量技术水平，在综合分析现有扭矩传感器原理及存在问题的基础上，结合行星齿轮传动理论和压电陶瓷传感器技术，提出了基于行星齿轮传动的扭矩自检型行星齿轮减速器的结构原理，分析了该减速器性能特点和扭矩测量系统的组成。通过对行星齿轮减速器进行改进设计，用压电陶瓷力传感器测量内齿圈所受扭矩，进而计算出输入轴和输出轴的扭矩，将扭矩测量与动力传递融为一体，变复杂的扭矩测量为简单的压力测量，简化了扭矩测量系统，提高了扭矩测量的动态性能。研究结果表明，扭矩自检型行星齿轮减速器具有原理简单、灵敏度高、信噪比高、工作可靠、受环境因素影响小、维护简单方便等特点，能大大提高扭矩测量的检测精度和工作效率，可广泛应用于各种扭矩测量领域。

行星齿轮减速器；压电式传感器；扭矩；自检

扭矩是机械传动系统的主要参数，而动态扭矩测量则是机械系统中技术参数测试的技术难点。扭矩传感器的种类很多，根据其工作原理可归纳为两大类，第一类是基于剪应力的，利用应变片测量传动轴的剪应力来计算扭矩，其缺点是它的测量精度与贴片工艺密切相关，精度较低，另外，还需要集流环、电刷等装置将信号输出，而集流环、电刷容易磨损，导致信号测量准确性不高；第二类是基于扭转变形的，利用扭转轴两端面转角差，通过测量传动轴的扭转变形来计算扭矩，但需要将传动轴断开，使用不便。根据现有扭矩测量技术，不管是基于剪应力的，还是基于扭转变形的，由于温度补偿和初始相位补偿问题较难解决，因此，进行动态扭矩测量时，其准确度都比较低。

1 扭矩测量方法

扭矩测量的方法很多，分类方法也各不相同，按照业界普遍认同的分类方法，可将扭矩测量分为平衡力法、传递法和能量转换法三种类型[1]。

1.1 平衡力法

对于任何一种处于匀速旋转的机械系统，当它的传动轴受到扭矩作用时，其机体上必然产生大小相等、方向相反的平衡力矩，通过对机体上平衡力矩的测量，来求得传动轴上扭矩大小的方法称为平衡力法，也叫作反力法。在用平衡力法对机械系统进行扭矩测量时，应尽可能地将测量装置安装于摩擦力矩相对较小的支撑位置处。这样整个机械装置只有机壳与主传动轴两处与外界有力矩作用。假定作用在传动轴上的扭矩T与作用在机壳上的力矩M平衡，而机械系统内转子与定子间的所有力矩均属于内部力矩，不影响机械系统的力矩平衡。采用平衡力法对被测系统上的扭矩进行测量时，可以用测力机构测得力臂上承受的平衡力，而不需考虑旋转部件到静止部件之间扭矩信号的传送，但此方法只能对匀速旋转传动轴的扭矩进行测量，而对于非匀速状态下的传动轴，其动态扭矩则无法测得。

1.2 传递法

被测系统在受到扭矩作用时，通过弹性元件传送扭矩时产生物理参数的变化，从而实现扭矩测量的方法称为传递法。这里的物理参数既可以是弹性元件所受到的应力或者应变，也可以是弹性元件的扭转变形等，其中通常用于检测的弹性元件称为扭轴。等截面圆柱扭轴的应力可由以下公式得到

(1)

式中：τ为扭轴表面的剪切应力；M为扭矩；d为弹性轴直径。

等截面圆柱扭轴的应变可由以下公式得到

(2)

式中：ε45°、ε135°分别为传动轴表面上与轴母线成45°、135°夹角螺旋线上的主应变值；G为材料的剪切弹性模量。

等截面圆柱扭轴的变形的计算公式如下所示

(3)

式中：φ为弹性轴扭转后的相对角度；L为弹性轴的有效长度。

扭轴的变形可以引起机械、电感、电容、光学、光电以及电阻等参量的变化，从而形成各种各样的变形型的扭矩传感器，进一步，大体上可以分为转角型、磁弹性型、应变型等几类扭矩传感器。

(1)转角型扭矩传感器 转角型扭矩传感器是根据材料力学中圆柱形扭轴的扭矩与其扭转角成正比的关系，从而实现扭矩的测量的[2]。工作长度为L的弹性轴在扭矩作用下产生扭转变形，轴上任意两个横截面会绕中心轴相对转动，从而产生扭转角。

由式(3)可以看出，当扭轴的工作长度一定时，可以通过测量扭转角，进而计算出扭轴的扭矩[3]。根据此原理可以制成光电式、磁电式、相位差式等类型的扭矩传感器。

(2)磁弹性型扭矩传感器 磁弹性型扭矩传感器的基本原理是，利用铁磁材料的压磁效应实现对扭矩的测量。如图 1所示，这种传感器由截面相同的两个U形铁芯呈十字交叉布置，测量线圈和激励线圈分别缠绕在两个不同的磁极上，其中激励线圈磁极所在的平面与被测轴线垂直，测量线圈磁极所在的平面与被测轴线平行。被测轴表面与这两组磁极之间存在气隙。在激励线圈接交流电压的情况下，则被测轴表面的对应部分产生特定的磁场，因为被测轴材料的各向同性，当被测轴无扭矩作用时，其磁场具有对称性，所以磁桥处于平衡，从而测量线圈中就会产生相应的感应电势；当被测轴存在扭矩作用时，其表面磁场就会丧失对称性，磁桥上存在的平衡就会被打破，因此在测量线圈中就有相应的感生电动势产生。根据输出的感生电动势的电压与被测轴扭矩的关系就可得到被测轴的扭矩值[4]。被测轴受到扭矩作用时，其表面上单位面积边缘处的法向应力σ为

σ=τsin2α

(4)

式中：τ为被测轴表面剪应力；α为被测轴表面法向应力与被测轴轴线间的夹角。

图1 磁弹性扭矩传感器原理

由式(4)可知， α=45°时，σ最大，有

(5)

式中：Wp为被测轴的抗扭截面模数。

在扭矩作用下，被测轴应力的变化引起材料磁导率的改变，从而使传感器磁路磁阻随之发生改变，进而改变检验线圈中磁通的大小。其参数变化过程如下所示。

M→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

式中：Δσ为被测轴表面最大正应力的变化量；Δμ为被测轴磁导率变化量；ΔRm为被测轴磁阻变化量；ΔV为传感器输出电压变化量。

该传感器受外界电磁干扰很大，而且对屏蔽电磁辐射要求很高，故不太适合长期工作于恶劣环境下。

(3)应变型扭矩传感器 应变型扭矩传感器是基于电阻应变效应的扭矩测量装置，其中电阻应变片是核心元件。当扭轴受到纯扭矩作用时，其表面主应力的方向与轴线成45°和135°，故在这两个方向上各放置两片应变片组成差动全桥，如图2所示，其输出电压正比于扭轴所受扭矩。应变型扭矩传感器测量装置的优点如下：系统简单、操作方便、成本低廉，因此在静态和低速旋转系统的扭矩测量中应用最广泛，但其触头磨损和接触电阻变化影响了使用寿命和测量精度，而且噪声很大[5]。

图2 应变型扭矩传感器原理

1.3 能量转换法

用能量转换法对被测系统进行扭矩测量属于间接测量。根据能量转换的基本原理，制动装置通常把机械能转化为热能(如水力制动器)或者电能(如发电机)；而动力机械通常把电能(如电动机)或者化学能(内燃机)转化为机械能。飞轮能够储存机械动能，当其在驱动扭矩的作用下加速旋转时，飞轮的动能在增加，而在其减速过程中，飞轮的动能在制动扭矩的作用下逐渐减少。液压系统的工作介质可以储存机械能，在驱动扭矩的作用下，工作介质压力与输出液流势能升高，反之高压液流能驱动液压马达使其产生动力输出。通过所测机构的功率和相应工作状态下的效率，即可求得该机构的扭矩。

2 结构原理

NGW型行星齿轮减速器是机械传动系统中广泛使用的一种减速器，它具有同轴、传动比范围大、运转平稳以及传动效率高等一系列特点。针对NGW型行星齿轮减速器的特点，结合扭矩测量的基本原理，作者提出一种扭矩自检型行星齿轮减速器，如图3所示。首先，将减速器中的内齿圈3与壳体2脱开，使内齿圈真正处于浮动状态，并可以相对于壳体转动；其次，壳体2与内齿圈配合部分左侧设计一凸台，右侧设计一挡板4，对内齿圈3进行轴向限位；第三，在壳体2的水平位置处开一凹槽；第四，在内齿圈3上与壳体的凹槽相对应的位置设计一挡块8，该挡块伸入到壳体的凹槽中；第五，在挡块8的下方安装一压电陶瓷传感器9，在挡块8的上方安装一弹簧7；第六，压电陶瓷传感器9通过信号电缆依次连接有电荷放大器10和信号处理器11，以便对信号进行处理，对传动系统进行控制。

进一步的改进，在挡块的上方安装弹簧，以防止内齿圈转动时产生的冲击力影响压电陶瓷传感器的检测精度。

作为再进一步的改进，在挡块8的根部和壳体的内壁之间的缝隙内安装有挡油板，挡油板能够完全覆盖凹槽，可以避免齿轮旋转时油液通过缝隙飞溅到压电陶瓷传感器上，影响传感器的灵敏度，进而影响扭矩检测精度。

作为更进一步的改进，所述凹槽外侧的槽口上设有完全覆盖槽口的盖板，用以将凹槽内的部件与外界隔离，防止外界的灰尘落在传感器上，干扰传感器的正常检测工作，保证传感器的灵敏度和检测精度。

3 性能特点

在扭矩自检型行星齿轮减速器中，关键的结构是在挡块与机壳之间安装一压电陶瓷传感器，用于测量内齿圈的周向力，该周向力反映了内齿圈的扭矩大小，由内齿圈的扭矩可计算输出轴的扭矩和输入轴的扭矩(见图3)。

1.中心轮；2.机壳；3.内齿圈；4.挡板；5.行星轮；6.行星架；7.弹簧；8.挡块；9.压电陶瓷传感器；10.电荷放大器；11.信号处理器

图3 扭矩自检型行星齿轮减速器

设压电陶瓷传感器所受压力为F，传感器中心到内齿圈中心的距离为R，则内齿圈所受扭矩为

M3=RF

(6)

设输入轴传递的扭矩为，输出轴传递的扭矩为，忽略摩擦损失，并且只考虑扭矩的大小而不考虑扭矩的方向，则输入轴的扭矩和输出轴的扭矩为分别为[6]

(7)

(8)

式中：p=Z3/Z1为NGW型行星减速器的特性参数，其中Z1、Z3为太阳轮、内齿圈的齿数。

扭矩自检型行星齿轮减速器中的压电陶瓷传感器属于压力传感器，其具有工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、体积小、质量轻、工作可靠性高等优点[7]，能大大提高所受力的检测精度和工作效率，非常适合于动态力测量[8]。因此，基于压电陶瓷传感器的扭矩自检型行星齿轮减速器，不但可以传递运动和扭矩，而且可以进行输入轴和输出轴的扭矩测量，并且扭矩测量的原理简单可靠，受环境因素影响小，维护简单方便，大大提高了动态扭矩测量的准确性。

4 结论

通过对NGW型行星齿轮减速器的改进设计，结合压电陶瓷传感器的结构及性能特点，设计了扭矩自检型行星齿轮减速器。通过对该减速器的结构原理及性能特点进行研究，可得到以下主要结论。

(1)内齿圈处于浮动状态，与壳体之间可以相对转动，有利于行星齿轮减速器的载荷均衡；

(2)将行星齿轮减速器与扭矩测量合二为一，省去了专门的扭矩检测装置，简化了机械动力传动系统，既可以测量输入轴的扭矩，又可以测量输出轴的扭矩；

(3)扭矩自检型行星齿轮减速器具有原理简单、灵敏度高、信噪比高、工作可靠、受环境因素影响小、维护简单方便等特点，能大大提高扭矩测量的检测精度和工作效率，可广泛应用于各种扭矩测量领域。

[1] 周倩.光电式扭矩测量系统的研究与分析[D].秦皇岛：燕山大学, 2012.[2] 杨文志，冯志斌，何维娜.传动轴扭矩测量装置的结构设计及实验分析[J].中国测试，2015,41(1):120-123.

[3] 逄金鑫，潘海林，张清，等. 基于转角差法的扭矩传感器设计[J]. 仪表技术与传感器，2015(10)：5-7.[4] 文西芹, 李纪明. 基于磁弹性效应的电动转向轴用新型扭矩传感器[J].仪表技术与传感器，2011(1)：5-7.

[5] 廖丽媛.基于应变式扭矩传感器的测量系统的设计[D]. 上海：东华大学，2013.

[6] 饶振纲.行星传动机构设计[M].2nd.北京：国防工业出版社，1994.

[7] 梁丽娉.压电陶瓷传感器力学模型理论与试验研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2011.

[8] 王泽伟.防水式压电陶瓷传感器的设计与应用[J].上海纺织科技，2012，40(3)：57-59.

Research on Planetary Gear Reducer with Torque Self-inspection

LUAN Zhen-hui, ZHENG Meng, LIU Xiao

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

In order to improve the level of dynamic torque measurement techniques, on the basis of comprehensive analysis of the principle and the existing problems of the existing torque sensor, combining the theory of planetary gear transmission and piezoelectric sensor technology, the authors put forward the planetary gear reducer with torque self-inspection based on planetary gear transmission as well as analyzed the torque measuring principle and performance characteristics of the reducer. Through the improved design of planetary gear reducer and use of piezoelectric force sensor in measuring the gear ring of torque, the torque of input shaft and output shaft was calculated, the torque measurement and dynamic transmission were transferred into one, the complex torque measurement was changed into simple pressure measurement, the torque measuring system was simplified, and the dynamic performance of the torque measurement improved. The study indicates that the planetary gear reducer with torque self-inspection has such advantages as the simple principle of measurement, high sensitivity, high signal-to-noise ratio, reliable work, small impact by environmental factors, convenient maintenance and so on. It can greatly improve the detection accuracy and efficiency of torque measurement, and widely used in all kinds of torque measurement fields.

planetary gear reducer; piezoelectric force sensor; torque; self-inspection

2016-05-28

栾振辉(1961-)，男，安徽凤台人，教授，博士，研究方向液压传动与控制、矿山机械的教学与科研工作。

TH132.425

A

1672-1098(2016)06-0061-05