[发明专利]一种基于轴承受力的转矩检测结构和方法

说明书

技术领域

本发明属于电动汽车驱/传动系统领域，具体涉及一种基于轴承受力的转矩检测结构和检测方法。

背景技术

转矩是各种工程机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等元素紧密联系，转矩检测对传动轴承受动载荷的监测与控制、传动系统各零部件的强度设计、故障的诊断、原动机容量的选择等都具有重要的意义。

目前转矩检测方法主要包括平衡力法、能量转换法和传递法。平衡力法转矩测量装置又称作测功器，一般由旋转机、平衡支承和平衡力测量机构组成，按照安装在平衡支承上的机器种类，可分为电力测功器、水力测功器等。平衡支承有滚动支承、双滚动支承、扇形支承、液压支承及气压支承等。平衡力法直接从机体上测扭矩，不存在从旋转件到静止件的扭矩传递问题，但它仅适合检测匀速工作情况下的扭矩，不能测量动态扭矩。能量转化法是依据能量守恒定律，通过测量其他形式的能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而获得与扭矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测扭矩大小的方法，测量误差比较大，一般只在电机和液机扭矩测量方面有较多的应用。传递法大多采用非接触式测量，使用方便，结构简单，但非接触式测量由于温度、算法等因素的影响以及相关信号的采集困难，精度还需进一步提高。

电动汽车的车辆稳定系统和动力驱动系统都需要使用转矩信号。电动汽车转矩信号的获得通常是根据电机电压、电流及转速信号，按照能量转换法间接估计出电机瞬时转矩，精度较差。到目前为止，对动力驱动系统的转矩检测研究很少。

发明内容

本发明提出一种基于轴承受力的转矩检测结构。通过在轮边减速器上合理布置转矩检测机构，在保证基本传动要求的前提下，可实时检测出轮边减速器输入轴的转矩，并以电信号的形式输出，从而用于驱动系统的控制，具有测量精度高、结构简单、成本低等优点。

本发明还提出一种基于轴承受力的转矩检测方法。

本发明的技术方案是：

该基于轴承受力的转矩检测方法所应用的转矩检测机构包括减速器壳体、

中间齿轮轴、第一级从动齿轮、偏心套筒、力传感器、支承轴承等。

中间轴与第二级主动齿轮作为一体设计成齿轮轴的形式，第一级从动齿轮与中间齿轮轴通过键联接，中间齿轮轴右端通过轴承内圈支撑于减速器壳体，左端通过轴承内圈支撑于偏心套筒的内孔。

偏心套筒通过偏心套筒轴承内圈支撑于减速器壳体。偏心套筒内孔轴线与其外圈轴线并不重合，两者在中间轴齿轮受到的径向力方向存在偏心距e，该方向既可以沿径向力方向，也可以沿周向力方向，这是本发明可实现转矩检测的关键。力传感器两端都有螺柱，可分别拧入偏心套筒和减速器壳体相应的螺纹孔内。力传感器可同时承受拉力和压力，当其受到力的作用时，将会有电压信号输出。减速器工作时，偏心套筒会受到来自中间齿轮轴左端轴承、偏心套筒轴承和力传感器的力，使其始终保持静止状态，因此中间轴始终绕其自身轴线转动，而没有其它运动，从而保证齿轮的正常传动。

本发明的特殊之处在于中间齿轮轴左端轴承的外圈并不像其它轴承一样支撑在减速器壳体上，而是支撑于偏心套筒的内孔，内孔轴线为，该轴线同样为中间齿轮轴左端轴承的轴线。偏心套筒通过偏心套筒轴承支撑在减速器壳体上，偏心套筒外轴轴线为，该轴线同样为偏心套筒轴承的轴线。由此可知，中间齿轮轴左轴承的轴线与偏心套筒轴承的轴线并不重合，两者在齿轮受到的径向力方向存在偏心距。

根据中间齿轮轴受力及力矩平衡关系，可得中间齿轮轴左端轴承处的受力：

式中——中间齿轮轴左轴承受到的与齿轮周向力平行的力

——中间齿轮轴左端轴承受到的与齿轮径向平行的力

——齿轮分度圆半径

——齿轮受到的周向力

——齿轮受到的径向力

——齿轮受到的轴向力

——中间齿轮轴左右轴承宽度中心距离

——第一级从动齿轮齿宽中心到中间齿轮轴右轴承宽度中心距离

——第一级从动齿轮齿宽中心到中间齿轮轴右轴承宽度中心距离

在本发明中，中间齿轮轴受到的轴向力全部由中间齿轮轴右端轴承承受，中间齿轮轴左端轴承不承受轴向力。中间齿轮轴左端轴承受到来自中间齿轮轴的作用力将由偏心套筒平衡，由此可得到偏心套筒的受力情况。

根据作用力与反作用力的关系，可得偏心套筒受到的中间齿轮轴左轴承的力为和，其分别与、大小相等，方向相反，和的方向必通过点。偏心套筒通过偏心套筒轴承内圈支撑于减速器壳体，故偏心套筒受到的来自偏心套筒轴承的力必通过点，同时也将其分解为与。