CN114264406B - 自校准力偶式扭矩标准机、其自校准方法及扭矩测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自校准力偶式扭矩标准机、其自校准方法及扭矩测试方法，该扭矩标准机包括机体、杠杆及扭矩输入装置，杠杆与机体转动连接，杠杆连接有用于使杠杆与被测产品同轴连接的第一连接件，扭矩输入装置连接有用于连接被测产品与扭矩输入装置的第二连接件；杠杆两端均可拆卸连接有重量可设定的施力件，两个施力件沿杠杆的旋转轴对称分布；机体上设置有两个测力件，测力件的水平高度可调节，工作时有且仅有一测力件的感应面与转动至水平位置的杠杆抵接，测力件用于检测杠杆对测力件的作用力的力值；测力件与施力件对杠杆的合扭矩方向与所述扭矩输入装置输入的扭矩方向相反。本申请具有提升扭矩测量的量程范围及提高精度的效果。

Description

自校准力偶式扭矩标准机、其自校准方法及扭矩测试方法

技术领域

本申请涉及扭矩标准机的领域，尤其是涉及自校准力偶式扭矩标准机、其自校准方法及扭矩测试方法。

背景技术

目前，扭矩标准机是一种用于力学、工程与技术科学基础学科、机械工程、产品应用相关工程与技术领域的物理性能测试仪器，用于对扭矩传感器或者具有扭矩传感器的标准扭矩扳子等产品进行校准。

扭矩标准机一般包括机体、杠杆、轴承、扭矩输入装置及砝码，被测产品与扭矩输入装置连接，被测产品与杠杆同轴连接，轴承与杠杆连接以实现杠杆相对机体的自由转动，扭矩输入装置可采用减速电机等。减速电机驱动被测产品输出扭矩，砝码挂于杠杆端部，当杠杆转动至水平位置时工作人员依据砝码的总克数及力臂长度即可计算出扭矩，方便校准产品。

针对上述中的相关技术，砝码具有精度高的特点，但受限于砝码数量设置，其测量的级数有限，从而限制了其测量范围。

发明内容

第一方面，为了提升扭矩测量范围，降低测量时的工作量，本申请提供一种自校准力偶式扭矩标准机。

本申请提供的一种自校准力偶式扭矩标准机，采用如下的技术方案：

一种自校准力偶式扭矩标准机，包括机体、杠杆及扭矩输入装置，所述杠杆与机体转动连接，所述杠杆连接有用于使杠杆与被测产品同轴连接的第一连接件，所述扭矩输入装置连接有用于连接被测产品与扭矩输入装置的第二连接件；

所述杠杆两端均可拆卸连接有重量可设定的施力件，两个施力件沿所述杠杆的旋转轴对称分布；

工作时有且仅有一施力件作用于杠杆；

所述机体上设置有两个测力件，所述测力件的水平高度可调节，所述测力件用于检测杠杆对测力件的作用力的力值；

工作时有且仅有一测力件的感应面与转动至水平位置的所述杠杆抵接；

所述测力件与施力件对杠杆的合扭矩方向与所述扭矩输入装置输入的扭矩方向相反。

通过采用上述技术方案，工作时，当扭矩输入装置输入的扭矩方向为顺时针时，一侧施力件的重力对杠杆的作用力和杠杆另一端的测力件对杠杆的反作用力组成一对力偶，并与扭矩输入装置输入的扭矩进行平衡。而当扭矩输入装置输入的扭矩方向为逆时针时，另一侧施力件的重力对杠杆的作用力和杠杆另一端的测力件对杠杆的反作用力组成一对力偶，并与扭矩输入装置输入的扭矩平衡；若施力件的拉力小于被测产品的当前扭力，则测力件可继续提供支撑力，使杠杆持平，以此方便校准扭矩传感器；且施力件可提供阶梯式的拉力，测力件提供高精度的力值，以此提升扭矩测量范围，并降低测量时的工作量；且施力件可提供阶梯式的拉力，测力件提供高精度的力值，以此提升扭矩测量范围，并降低测量时的工作量。

优选的，所述测力件包括力传感器及位置调节机构，所述位置调节机构用于调节测力件的水平高度，所述施力件包括可产生不同力级的一组砝码组。

通过采用上述技术方案，力传感器，例如压电式、电容式、电感式力传感器都具有测量较小的力时比较精准，而当测量较大的力时误差也会增大的问题，同时力传感器可测的量程一般较小，因此采用力传感器与砝码组合的方式来增加扭矩标准机的量程，且砝码虽然单个精度高，但是不易细化组合，因此用于提供较大的拉力，提供较大的基数，而力传感器则负责测量补足多余的部分，测量较小的力，以保障力传感器的测量精度，相互配合，既减少了砝码细化组合的工作量，也提升了整体的精度；位置调节机构则可以切换所使用的测力件，方便被测产品的逆时针测试或顺时针测试。

优选的，所述杠杆的转动中心位于其中部，两个所述测力件对称分布于杠杆的两端，两个所述施力件对称分布于杠杆的两端，所述测力件的感应面朝上且位于杠杆端部的下方。

通过采用上述技术方案，杠杆的转动中心位于其中部，以此抵消杠杆自身重量对其平衡的影响，测力件与施力件分别位于杠杆的两端，方便测量和计算扭矩。

优选的，所述测力件与施力件位于杠杆的同一端且分别位于杠杆的上方与下方，所述测力件的感应面朝下且与杠杆端部相对。

通过采用上述技术方案，测力件与施力件位于杠杆的同一端，杠杆一端位于测力件与施力件之间，以此使测力件的支撑力与施力件的拉力与扭力方向相同，方便测量和计算扭矩。

优选的，所述测力件的感应面与杠杆为线接触，以减少工作时力臂的变化。

通过采用上述技术方案，通过线接触，可以减少受力的跨度区域，以此使得测力件的力臂变化减小，方便得到精确的力臂长度，从而方便计算扭矩。

优选的，所述杠杆的转动中心位于其中部，所述杠杆的两端均设置有安装件，所述安装件用于与施力件连接。

通过采用上述技术方案，杠杆的两端均设置有安装件，因此可在杠杆的两端均安装施力件，在不重新安装被测产品的情况下，可通过更换施力件的安装位置的方式，或通过提前准备两组对称的施力件的方式测量被测产品反向的可承受扭矩值。

优选的，所述杠杆与机体之间连接有转动支撑结构，所述转动支撑结构包括刀承结构及低阻轴承中的一种。

通过采用上述技术方案，刀承结构由于支点接触面小，以此减小了杠杆受外力的影响，而低阻轴承则可以通过减小自身摩擦力的方式提升扭矩计算的精度。

第二方面，为了提升扭矩测量的精度，降低工作量，本申请提供一种自校准方法，采用如下的技术方案：

一种自校准方法，应用上述自校准力偶式扭矩标准机，包括如下步骤：

启用杠杆一端的砝码组，砝码组包含多个质量相等的砝码；

通过位置调节机构使与所启用的砝码组位于同一侧的测力件的感应面与水平位置的杠杆抵接，同时使另一测力件与杠杆分离；

对测力件信号清零；

逐级加载所启用的砝码组的砝码，通过砝码组产生的多级扭矩校准测力件的扭矩。

通过采用上述技术方案，基于砝码的重力G有非常高的准确度，加载杠杆力臂L保持恒定，根据扭矩公式（T=GL），可以通过砝码产生的扭矩定期对测力件产生的扭矩进行自校准，即通过砝码组校准同一侧的测力件，以使得测力件能保证高精度，从而提升扭矩标准机整体的精度。

第三方面，为了提升扭矩测量的精度，降低工作量，本申请提供一种扭矩测试方法，采用如下的技术方案：

一种扭矩测试方法，应用上述自校准力偶式扭矩标准机，包括如下步骤：

准备：安装被测产品与杠杆、扭矩输入装置；

调平：使一测力件调节至其感应面与水平位置的杠杆抵接，使另一测力件与杠杆分离，对测力件信号清零；

测试：启用与抵接于杠杆的测力件位于杠杆不同端的砝码组，逐级加载砝码组的砝码，使所加载砝码所产生的扭矩T1接近被测产品扭矩值目标值T的1/2；同步启动扭矩输入装置，增加对被测产品的扭矩输出，直至测力件的扭矩值T2达到（T-T1），完成被测产品一个扭矩测量点的检测；

调整被测产品扭矩值目标值T的大小，重复上述步骤，完成被测产品多个扭矩测量点的检测。

通过采用上述技术方案，增加对被测产品的扭矩输出，使被测产品达到某个测量点，即被测产品扭矩值目标值T，同时增加砝码组的重量，直至测力件与砝码组整体的扭矩与被测产品的扭矩接近，以此完成被测产品一个扭矩测量点的检测，通过调整被测产品扭矩值目标值T的大小，则多次校准，提高校准精度。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.工作时，当扭矩输入装置输入的扭矩方向为顺时针时，一侧施力件的重力对杠杆的作用力和杠杆另一端的测力件对杠杆的反作用力组成一对力偶，并与扭矩输入装置输入的扭矩进行平衡。而当扭矩输入装置输入的扭矩方向为逆时针时，另一侧施力件的重力对杠杆的作用力和杠杆另一端的测力件对杠杆的反作用力组成一对力偶，并与扭矩输入装置输入的扭矩平衡；且施力件可提供阶梯式的拉力，测力件提供高精度的力值，以此提升扭矩测量范围，并降低测量时的工作量；

2.采用力传感器与砝码组合的方式来增加扭矩标准机的量程，且砝码虽然单个精度高，但是不易细化组合，因此用于提供较大的拉力，提供较大的基数，而力传感器则负责测量补足多余的部分，测量较小的力，以保障力传感器的测量精度；

3.通过测力件的感应面与杠杆之间的线接触，可以减少受力的跨度区域，以此使得测力件的力臂变化减小，方便得到精确的力臂长度，从而方便计算扭矩；

4.由于测力件和施力件对杠杆的施力方式为力偶式，可大幅降低转动支撑结构的摩擦扭矩，提高测量精度。

附图说明

图1是本申请实施例1的自校准力偶式扭矩标准机的整体结构示意图。

图2是本申请实施例1的自校准力偶式扭矩标准机的侧面结构示意图，主要展示测力件与施力件。

图3是本申请实施例2的自校准力偶式扭矩标准机的部分结构示意图，主要展示低阻轴承。

附图标记说明：1、机体；11、杠杆；12、施力件；13、测力件；14、安装件；15、扭矩传感器；16、减速电机；2、低阻轴承；21、轴承套；22、第一通孔；23、第二通孔；24、空心腔；25、承压内圈；26、转轴；3、支撑组件；31、供给源；32、传输件；4、位置调节机构；41、滑座。

具体实施方式

以下结合全部附图对本申请作进一步详细说明。

本实施例的被测产品采用扭矩传感器15，例如可采用KR-803型号的动态扭矩传感器15，其具有一输入轴与一输出轴，扭矩传感器15的读数即输入轴相对输出轴的扭矩。

实施例1：

一种自校准力偶式扭矩标准机，参照图1、图2，自校准力偶式扭矩标准机包括机体1、杠杆11、低阻轴承2及扭矩输入装置，杠杆11与机体1通过低阻轴承2转动连接，杠杆11通过第一连接件与扭矩传感器15一端同轴固定，扭矩输入装置通过第二连接件与扭矩传感器15另一端连接。杠杆11两端均连接有施力件12及测力件13，施力件12重量可设定，杠杆11端部抵接于测力件13的感应面，此时测力件13显示力值，通过测力件13采集的力值与施力件12的重量可校准扭矩传感器15的扭矩。

杠杆11的转动中心位于其中部，杠杆11的中部同轴固定有固定轴，扭矩输入装置可采用减速电机16，减速电机16与机体1通过螺栓固定。第一连接件与第二连接件均采用联轴器，减速电机16的输出轴通过联轴器与扭矩传感器15的输入轴同轴固定，扭矩传感器15的输出轴通过联轴器与固定轴同轴固定，以此方便扭矩传感器15的拆装。杠杆11上设置有水平仪，水平仪与杠杆11通过螺栓固定，水平仪采用分度值不大于0.05/1000的型号，例如RSL-AA2002型号，可用于测量杠杆11是否产生倾斜，是否保持在水平位置，在水平位置时才可测量和计算扭矩，以此减小力臂变化产生的误差。

参照图1、图2，测力件13位于杠杆11中心与施力件12之间，测力件13与施力件12均位于杠杆11的下方，左侧的测力件13与右侧的施力件12对杠杆11的合扭矩方向与扭矩输入装置输入的扭力方向相反，同样的，右侧的测力件13与左侧的施力件12对杠杆11的合扭矩方向与扭矩输入装置输入的扭矩方向相反。在扭矩标准机工作时，有且仅有一组扭矩方向相反的测力件13与施力件12投入使用。

本实施例中的施力件12采用可产生不同力级的砝码组，砝码数量为至少一个，在测量准确度级别在0.03时，砝码质量的最大允许误差为±0.003%。砝码可采用砝码标定机进行砝码挂载，杠杆11的两端均设有安装件14，安装件14包括与杠杆11用刀承连接的挂环，砝码组顶部的砝码的挂钩与该挂环连接，相邻砝码之间再通过挂钩连接，当砝码标定机的自动升降平台承接下方的砝码时，杠杆11一端所承受的来自砝码的拉力相应减少，减少的拉力即被自动升降平台承接的砝码的重力。由于杠杆11两端均有挂环，因此砝码的挂载位置可变换，启用砝码组时，仅需要在挂环上挂载砝码即可，以此实现在不重新安装被测产品的情况下测量被测产品反向的扭矩值，提升扭矩标准机的适用性。

测力件13采用力传感器，力传感器可采用例如压电式压力传感器、电容式压力传感器，具体选择视量程与精度而定。两组力传感器的测量点至杠杆11转动轴线的间距相等，且砝码组的施力点与力传感器的测量点的连线垂直于杠杆11转动轴线。

测力件13的感应面朝上，且机体1上设置有位置调节机构4，每一个测力件13对应一组位置调节机构4，位置调节机构4用于测力件13的水平高度，位置调节机构4采用液压缸、气缸或电缸等，本实施例以液压缸为例，液压缸的缸体与机体1螺栓固定，其活塞杆上固定有滑座41，滑座41一侧与机体1侧壁上开设的燕尾槽滑移配合，以此实现滑座41的竖直滑动。力传感器固定于滑座41顶面上，通过液压缸可调节滑座41的高度，以此调节力传感器的高度，以此可选择启用的力传感器。

如图2中示例，若需要校准扭矩传感器15沿图2顺时针方向的扭矩，则启用左侧的砝码组，并控制右侧的力传感器抬升至与水平位置的杠杆11抵接的高度，同步降低左侧的力传感器。若需要校准扭矩传感器15沿图2逆时针方向的扭矩，则启用右侧的砝码组，并控制左侧的力传感器抬升至与水平位置的杠杆11抵接的高度，同步降低右侧的力传感器。同一时间，有且仅有一个力传感器与水平位置的杠杆11抵接，且液压缸的每次的伸缩行程固定，以避免杠杆11失衡。

扭矩传感器15的扭矩计算公式为：

扭矩值（δ）=F1*L2+F2*L1，砝码组的力臂长度为L1，力传感器的力臂长度均为L2，F1为远离砝码侧的力传感器的所测力值，F3为靠砝码侧的力传感器的所测力值， F2为砝码的重力。

当力传感器产生数值变化时，表示杠杆11处于水平位置，以此可以减少前期调平的工作量，即便不调平也可进行测量，方便检测杠杆11是否在水平位置，提升测量效率。

参照图1、图3，杠杆11与机体1通过转动支撑结构转动连接，以实现杠杆11的自由转动，转动支撑结构可采用刀承结构或低阻轴承2，刀承结构较为传统，此处不做赘述，本实施例仅对低阻轴承2进行解释：

低阻轴承2包括与机体1通过螺栓固定的轴承套21、与杠杆11键连接的转轴26、与转轴26连接的承压内圈25及支撑组件3。轴承套21外轮廓上圆下方，其内开设有空心腔24，承压内圈25呈圆形，且转动穿设于空心腔24内，由于空心腔24呈椭圆状，因此承压内圈25顶部与空心腔24顶部内壁留有间隙，且承压内圈25底部与空心腔24底部内壁也留有间隙。轴承套21两侧侧壁上均开设有圆孔，转轴26穿过轴承套21两侧的圆孔且与承压内圈25周向固定，使得承压内圈25与轴承套21转动连接。

支撑组件3与轴承套21连接，用于对承压内圈25施加径向且竖直向上的作用力，以使承压内圈25与空心腔24内壁之间的压力降低，以此降低两者的摩擦力，减小承压内圈25的转动阻力，以此减少了对杠杆11受力的影响，提升了扭矩标准机的精度。本实施例的支撑组件3包括供给源31及传输件32，供给源31可采用空气压缩机或高压泵站，传输件32可采用传输管。轴承套21的底部开设有与传输管连通的第一通孔22，空气压缩机或高压泵站用于产生高压气体或高压液体，而传输管用于将高压气体或高压液体注入第一通孔22内，第一通孔22的一侧开口与承压内圈25相对，以此通过气压或液压支撑承压内圈25。

在其他实施例中，第一通孔22可具有两个，均与传输管连通，且均位于承压内圈25下方，且沿穿过承压内圈25圆心的竖直线对称分布。两个第一通孔22向承压内圈25喷射气流，支撑承压内圈25以减小摩擦力，从而减少杠杆11与机体1之间的摩擦力对扭矩测量的误差影响。且两个第一通孔22同时推动承压内圈25，可以使承压内圈25两侧受力均衡，使承压内圈25保持居中，以此减小承压内圈25侧壁与空心腔24内侧壁的摩擦力。同时摩擦力的减小也可降低轴承套21与承压内圈25的磨损，延长低阻轴承2的使用寿命，解决常规轴承使用寿命不高的缺陷。

基于砝码的重力G有非常高的准确度，加上杠杆力臂L保持恒定，根据扭矩公式（T=GL），可以通过砝码产生的扭矩定期对测力件13 产生的扭矩进行自校准，因此本申请实施例1 还提供一种自校准方法，其具体步骤如下：

以图2中左侧的测力件13校准为例：

假定砝码组由10块质量相等的砝码组合，10块砝码可按顺序逐级加载，则其可产生10级扭矩，分别为0.1T、0.2T、0.3T、0.4T、0.5T、0.6T、0.7T、0.8T、0.9T、1T。

将图2中左侧的测力件13通过其位置调节机构4调节至感应面与水平位置杠杆11抵接的位置，控制右侧的位置调节机构4使右侧测力件13与杠杆11分离；

对测力件13信号清零；

此时逐级加载图2中左侧砝码组的砝码，通过左侧砝码组12产生的10级扭矩校准测力件的扭矩。

同样的方式可以适用于对右侧的测力件13进行自校准。

本申请实施例1还提供一种扭矩测量方法，其具体步骤如下：

以校准扭矩传感器15沿图2中顺时针方向的扭矩为例：

S1：准备：安装扭矩传感器15与杠杆11、扭矩输入装置。

具体的，先通过联轴器连接扭矩传感器15的输入轴与减速电机16的输出轴，通过联轴器连接扭矩传感器15的输出轴与杠杆11的固定轴，使得三者的转动轴线相互重合。在准确度级别在0.03时，三者的同轴度不高于0.05mm。当承压内圈25上浮至空心腔24的中间位置时，转轴26与扭矩传感器15、减速电机16、固定轴四者同轴。

S2：调平：将图2中右侧的测力件13通过其位置调节机构4调节至感应面与水平位置的杠杆11抵接，而左侧的测力件13与杠杆11分离，对测力件13信号清零。

S3：测试：逐级加载左侧的砝码组的砝码，使所加载砝码所产生的扭矩T1接近被测产品扭矩值目标值T的1/2，同步启动扭矩输入装置，增加对扭矩传感器15的扭矩输出，直至右侧的测力件13的扭矩值T2达到（T-T1）时，保持扭矩输入装置的输出扭矩。

S4：依据砝码组加载的砝码与测力件13的数值校准扭矩传感器15的数值。

此时完成被测产品一个扭矩测量点的检测，若要多点检测，则调整被测产品扭矩值目标值T的大小，再重复上述S1-S3的步骤。

本实施例的实施原理：通过两组力传感器与两组砝码组可以实现扭矩传感器15沿顺时针方向及逆时针方向的扭矩校准，同时高精度的砝码组可对力传感器进行自校准，提升扭矩标准机整体的精度。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自校准力偶式扭矩标准机，其特征在于：包括机体（1）、杠杆（11）及扭矩输入装置，所述杠杆（11）与机体（1）转动连接，所述杠杆（11）连接有用于使杠杆（11）与被测产品同轴连接的第一连接件，所述扭矩输入装置连接有用于连接被测产品与扭矩输入装置的第二连接件；

所述杠杆（11）两端均可拆卸连接有重量可设定的施力件（12），两个施力件（12）沿所述杠杆（11）的旋转轴对称分布；

工作时有且仅有一施力件（12）作用于杠杆（11）；

所述杠杆（11）的转动中心位于其中部，所述杠杆（11）两边对称设置有两个测力件（13），两个所述测力件（13）分别位于杠杆（11）的转动中心与两个施力件（12）之间，两个所述测力件（13）的感应面朝上且位于杠杆（11）的下方，所述测力件（13）的水平高度可调节，所述测力件（13）用于检测杠杆（11）对测力件（13）的作用力的力值；

其中所述测力件（13）包括力传感器，所述机体（1）上设置有位置调节机构（4），所述位置调节机构（4）用于调节测力件（13）的水平高度，所述施力件（12）包括可产生不同力级的砝码组；

工作时有且仅有一测力件（13）的感应面与转动至水平位置的所述杠杆（11）抵接；

左侧的所述测力件（13）与右侧的施力件（12）对杠杆（11）的合扭矩方向与扭矩输入装置输入的扭力方向相反，同样的，右侧的所述测力件（13）与左侧的施力件（12）对杠杆（11）的合扭矩方向与扭矩输入装置输入的扭矩方向相反。

2.根据权利要求1所述的自校准力偶式扭矩标准机，其特征在于：所述测力件（13）的感应面与杠杆（11）为线接触，以减少工作时力臂的变化。

3.根据权利要求1所述的自校准力偶式扭矩标准机，其特征在于：所述杠杆（11）的转动中心位于其中部，所述杠杆（11）的两端均设置有安装件（14），所述安装件（14）与施力件（12）可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的自校准力偶式扭矩标准机，其特征在于：所述杠杆（11）与机体（1）之间连接有转动支撑结构，所述转动支撑结构包括刀承结构及低阻轴承（2）中的一种。

5.一种自校准方法，应用权利要求2-4中任一项所述的自校准力偶式扭矩标准机实现，其特征在于，包括如下步骤：

启用杠杆（11）一端的砝码组，砝码组包含多个质量相等的砝码；

通过位置调节机构（4）使与所启用的砝码组位于同一侧的测力件（13）的感应面与水平位置的杠杆（11）抵接，同时使另一测力件（13）与杠杆（11）分离；

对测力件（13）信号清零；

逐级加载所启用的砝码组的砝码，通过砝码组产生的多级扭矩校准测力件（13）的扭矩。

6.一种扭矩测试方法，应用权利要求2-4中任一项所述的自校准力偶式扭矩标准机实现，其特征在于，包括如下步骤：

准备：安装被测产品与杠杆（11）、扭矩输入装置；

调平：使一测力件（13）调节至其感应面与水平位置的杠杆（11）抵接，使另一测力件（13）与杠杆（11）分离，对测力件（13）信号清零；

测试：启用与抵接于杠杆（11）的测力件（13）位于杠杆（11）不同端的砝码组，逐级加载该砝码组的砝码，使所加载砝码所产生的扭矩T1接近被测产品扭矩值目标值T的1/2；同步启动扭矩输入装置，增加对被测产品的扭矩输出，直至测力件（13）的扭矩值T2达到（T-T1），完成被测产品一个扭矩测量点的检测；

调整被测产品扭矩值目标值T的大小，重复上述步骤，完成被测产品多个扭矩测量点的检测。

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