扭矩测量在高速应用中的挑战

高速应用中扭矩测量技术面临的挑战

在汽车行业，从内燃机向电机的逐渐转变对试验台测量技术产生了深远的影响，这种影响在不久的将来将变得更加明显。与传统的内燃机相比，电驱动系统具有更小的尺寸和更低的重量，因而具有更高的功率密度。电机的热损失已降低到10%左右，90%以上的电能转化为机械能。此外，车辆中的电驱动装置需要以相当高的转速运行，这也给电动汽车试验台的扭矩测量技术带来了挑战。

2004年T11扭矩传感器为高转速扭矩测量设立了新标准。T11长期以来一直被用于赛车运动，由于其较小的转子质量和较低的质量惯性矩，因此转速可高达30000rpm。该传感器于2016年被T40系列取代。下表概述了 HBM 扭矩传感器以及可以达到的转速，在某些应用中，T40HS系列的最高转速可以提高到60000 rpm。

除了转速外，电驱动的高动态特性对未来试验台测量技术也提出了很高的要求。因此，进一步降低质量和质量惯性矩，同时确保高刚度，是扭矩传感器未来发展的方向。

减少重量和质量惯性矩

扭矩传感器的重量可以通过两种方式减轻：一种是通过传感器的设计； 另一种是通过选择替代材料，材料对重量减轻的影响最大。

选择合适的材料是一个挑战，因为它不仅必须有较低的比重，也必须比钢具有更优异的计量性能。由于抗交变负载能力较差，所以铝不是扭矩传感器制造商的选择。钛几乎具有与钢相同的抗拉强度和计量特性，并且在不影响疲劳强度和测量性能的情况下具有较轻重量，钛成为高速扭矩传感器的优选材料。HBK T40HS、T40MS 和 T40CB 高速扭矩传感器均采用 钛制造 。

图1 与钢的相对重量百分比

由于 更小的尺寸 和 更紧凑的设计 ，因此产生的质量惯性矩较低（例如在电驱动应用或航空工业的部件测试中）。这些应用比传统内燃机的应用具有更高的动态性。试验台上使用扭矩传感器时必须考虑这些因素。从用户的角度来看，重要的方面是传感器刚度和测量性能/精度不得受到负面影响。

旋转物体的行为不仅取决于它的质量，而且还取决于它在旋转轴上的分布。

其中，r 表示质量点到旋转轴的距离。在所有可能的力矩中，力矩是最重要的。 因此，转动惯量定义了刚体对其运动变化的阻力。

图2 质量点绕旋转轴的旋转

 

单个质量点的质量惯性矩[J]为：

这意味着质量点越靠近旋转轴（轴），其质量惯性矩越小。并意味着转动扭矩传感器需要较小的力。

图3 显示了1kNm范围内不同扭矩传感器的质量惯性矩及其最大转速比较

结论 

除了通过选择合适的材料（如钛）来减轻重量外，实际测量体的设计在减少质量惯性矩方面也起着重要作用。在高速和动态应用中使用，HBK扭矩传感器惯性矩比传统传感器大幅减小，且不会影响刚度或测量性能。因此，我们的传感器非常适合于测试非常紧凑的驱动系统，或者用于模拟车辆驾驶条件的动态负载测试台。

一般来说，日益增强的环保意识和可持续性的趋势将影响交通的进一步发展。基于应变的扭矩传感器在未来将继续发挥重要作用，并成为优化机器、飞机和车辆部件过程中不可或缺的一部分。

官网：

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