專利名稱：扭矩測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種扭矩測量裝置，并且更具體地說涉及一種利用具有低采樣率的控制器的扭矩測量裝置。
背景技術(shù)：
在動力供給裝置中，諸如農(nóng)業(yè)機(jī)械，發(fā)動機(jī)的動力被傳給所述農(nóng)業(yè)機(jī)械的幾個方面并且所述動力的傳遞通常由旋轉(zhuǎn)軸完成。由發(fā)動機(jī)供給的扭矩通常通過變速器系統(tǒng)傳遞，所述變速器系統(tǒng)可以被用來增加施加于負(fù)載上的扭矩。當(dāng)所述負(fù)載變得太大時，所述發(fā)動機(jī)供給所述負(fù)載動力的能力可能超過所述軸的能力或者緊隨的被驅(qū)動項的能力。已知通過具有止動彈簧的撥盤測量扭矩，通過該止動彈簧，扭矩從所述撥盤被傳遞至一從動盤。當(dāng)扭矩通過連接撥盤與從動盤的彈簧被傳遞時，所述撥盤與所述從動盤之間的差動位置被用于計算通過所述撥盤/從動盤布置施加的扭矩。當(dāng)扭矩通過所述盤傳遞時，所述彈簧被壓縮，指針從所述從動盤相對所述從動盤上的一基點移動。隨后該差動可被一傳感器檢測，且該信息被傳輸給一顯示系統(tǒng)以提供信息給所述農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作員。美國專利號5，596，153 包含了此類測量裝置的一個例子，其包括一種用于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及由撥盤傳遞至從動盤的扭矩的測量裝置。本領(lǐng)域需要的是一種成本有效的扭矩測量系統(tǒng)，其可利用農(nóng)業(yè)機(jī)械可用的計算性能被容易且便宜地引入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種扭矩測量裝置與方法，其利用一具有一低采樣率的控制器測量農(nóng)用車輛中至少一個驅(qū)動組件上的扭矩。本發(fā)明一方面包括一種扭矩測量裝置，該扭矩測量裝置與一具有動力供給裝置和負(fù)載的動力驅(qū)動地面接合裝置相關(guān)聯(lián)，所述扭矩測量裝置包括一可旋轉(zhuǎn)軸、一第一可檢測部件、一第二可檢測部件、多個傳感器及一電氣控制器，所述可旋轉(zhuǎn)軸具有一縱軸、一第一端及一第二端，所述第一端與所述動力供給裝置連接，所述第二端與所述負(fù)載連接；所述第一及第二可檢測部件分別與所述可旋轉(zhuǎn)軸上的一第一縱向位置和一第二縱向位置相關(guān)聯(lián)； 所述的多個傳感器包括一第一傳感器和一第二傳感器，所述第一傳感器緊鄰所述第一可檢測部件，所述第二傳感器緊鄰所述第二可檢測部件，當(dāng)所述可旋轉(zhuǎn)軸圍繞所述縱軸旋轉(zhuǎn)時， 所述第一傳感器產(chǎn)生一第一信號，及所述第二傳感器產(chǎn)生一第二信號；所述電氣控制器以一采樣率對所述第一信號和第二信號采樣。所述第一信號具有一第一頻率且所述采樣率小于所述第一頻率的兩倍，所述電氣控制器利用所述第一信號和所述第二信號計算一扭矩量值，該扭矩量值表示所述可旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩。


圖I是利用本發(fā)明的所述裝置和方法的拖拉機(jī)的側(cè)視32/5頁圖2是圖I的拖拉機(jī)中利用的本發(fā)明的扭矩測量裝置的實施例圖示表示；圖3是圖I的拖拉機(jī)中利用的本發(fā)明的扭矩測量裝置的另一實施例圖示表示；圖4是圖I的拖拉機(jī)中利用圖2或3裝置的方法的實施例的圖示表示。
具體實施方案現(xiàn)在參考圖1，更具體參考圖1-3，表示一地面接合車輛10，也稱為拖拉機(jī)10。拖拉機(jī)10包括一提供動力給車輪14的發(fā)動機(jī)/變速器系統(tǒng)12，所述車輪14可以被理解成一負(fù)載16。發(fā)動機(jī)/變速器系統(tǒng)12可以被理解成一動力供給裝置12，動力由此被分配給貫穿拖拉機(jī)10的機(jī)械負(fù)載，甚至通過聯(lián)動動力軸分配給其它的農(nóng)用設(shè)備，未示出。為了說明的目的及為了更易理解，車輪14可以被認(rèn)為是一負(fù)載16，盡管進(jìn)一步理解所述負(fù)載16可以是由所述發(fā)動機(jī)變速器系統(tǒng)12驅(qū)動的任何機(jī)械負(fù)載。圖2和3分別是具有動力供給裝置12的扭矩測量系統(tǒng)40或42的實施例的示意表示，所述動力供給裝置12通過軸18將機(jī)械動力傳送給負(fù)載16。扭矩由動力供給裝置12 提供并通過軸18傳遞。齒輪20、22、24和26如所述兩個實施例中所示布置，其中在圖2的實施例中只利用齒輪20和22。齒輪20、22、24和26被理解成可檢測部件，且并不必是齒輪，此處所述是為了更易說明本發(fā)明。例如可檢測部件20、22、24和26也可以是與沿軸18 的各個縱向位置相關(guān)聯(lián)的光源或磁源。圖2中，傳感器28和30被分別設(shè)置成與齒輪20和22相關(guān)聯(lián)。在圖3中傳感器 32和34另外分別與齒輪24和26相關(guān)聯(lián)。傳感器28、30、32和34與控制器36通信連接， 所述控制器36接收齒輪20、22、24和26與相應(yīng)的傳感器28、30、32和34交互作用產(chǎn)生的信號。當(dāng)扭矩由動力供給裝置12通過軸18被提供給負(fù)載16時，軸18圍繞縱軸38旋轉(zhuǎn)， 使齒輪20和22隨其旋轉(zhuǎn)。當(dāng)所述負(fù)載通過負(fù)載16增加時，通過動力供給裝置12提供附加的動力，軸18繞縱軸38彎曲導(dǎo)致來自傳感器28和30的信號的變化，這導(dǎo)致可檢測的軸 18的撓曲隨后被測量，軸18的剛度被用于計算通過軸18傳遞的扭矩。所述計算由控制器 36承擔(dān)，為了更易理解，其是一與拖拉機(jī)10相關(guān)聯(lián)并具有此類控制器固有的較低的采樣率的一控制器/計算機(jī)?？刂破?6被用于控制拖拉機(jī)10中的各種系統(tǒng)和顯示器，并通常不僅僅用于圖2和3所示的扭矩的測量。盡管典型的控制器36被用于拖拉機(jī)10上的其它功能，但是應(yīng)當(dāng)理解，單獨的控制器36也是本發(fā)明人想到的。諸如軸18的傳動組件中扭矩量值的測量允許發(fā)動機(jī)燃油配送系統(tǒng)的調(diào)節(jié)及拖拉機(jī)的變速器的調(diào)節(jié)，因此當(dāng)保護(hù)此處所示的代表性的軸18的傳動系及被驅(qū)動的此處表示為負(fù)載16的裝置時，可以盡可能多產(chǎn)。通過能夠以有效成本測量各種傳動組件上的扭矩， 允許發(fā)動機(jī)在較高的動力水平運行，而在每一個所述被驅(qū)動組件上的扭矩被監(jiān)測時，扭矩被提供給諸如動力輸出軸(PTO)和拖拉機(jī)10的軸的各種組件。通過知道多少動力被分配給地面或前它被驅(qū)動組件也改善了變速器的換檔，從而優(yōu)化換檔的適時以及最優(yōu)齒輪比的選擇?？刂破?6可以包括該信息，因此當(dāng)使用動力輸出軸(PTO)和/或液壓技術(shù)時，可以根據(jù)不同的被驅(qū)動組件消耗的動力水平修正所述換檔算法。此外，知道甚至記錄給具體被驅(qū)動組件分配的發(fā)動機(jī)扭矩有助于保證測定，例如，如果用戶安裝用于提高發(fā)動機(jī)動力的未授權(quán)車用動力箱，這可能產(chǎn)生損壞的被驅(qū)動組件，接著
4這可能在用戶弄錯時被評估。在過去，當(dāng)負(fù)載變得太大時，齒輪插銷或其它裝置被用來破裂以防損壞所述被驅(qū)動組件的其它部分。這種保護(hù)盡管有效，但由于所述齒輪插銷或破裂的零件不得不被替換以恢復(fù)運行，所以導(dǎo)致不期望的停機(jī)時間。本發(fā)明提供來自被提供給各種組件的扭矩的信息的利用，因而通過監(jiān)測和限制通過各種輸出軸18傳遞的扭矩以防止對被驅(qū)動組件的損壞。盡管可以通過各種技術(shù)測量軸扭矩，諸如應(yīng)變儀和結(jié)構(gòu)聲波，這些技術(shù)需要滑環(huán)或遙測技術(shù)以獲得來自所述軸的信號，并且不是具有固有穩(wěn)健性的系統(tǒng)及不適用于非公路車輛。磁致伸縮和渦流技術(shù)是穩(wěn)健且低成本的，但是對于原有的設(shè)備制造應(yīng)用太昂貴?，F(xiàn)在，另外參考圖4，表示利用扭矩測量系統(tǒng)40或42的要素的方法100。為了易于理解，扭矩測量系統(tǒng)40所描述的相關(guān)聯(lián)的所有屬性和要素同樣可應(yīng)用于扭矩測量系統(tǒng) 42。齒輪20和22具有若干位于其上的齒，當(dāng)它們移動時改變磁場，其可被傳感器28和30 檢測。傳感器28、30、32和34具有可包含一磁源的磁通量敏感裝置。傳感器28和30測量齒輪20和22上鐵材料的齒經(jīng)過所造成的磁場變化。當(dāng)齒輪20和22上的齒分別經(jīng)過傳感器28和30時，產(chǎn)生兩個信號并被傳輸給控制器36?？刂破?6具有一米樣率,該米樣率小于兩倍的傳感器28和30檢測的齒經(jīng)過頻率，以使所述信號被混疊。在一典型的應(yīng)用中，所述控制器36的采樣率大大小于所述齒經(jīng)過頻率。控制器36接收來自傳感器28和30的信號，所述信號可以被理解成在頻率上大致相關(guān)但是具有與應(yīng)用至軸18的扭矩相關(guān)聯(lián)的相位變化的兩信號。在方法100的步驟102中，控制器36計算兩個齒輪中的至少一個的所述頻率。在步驟104中，控制器36確定用于獲得最佳信噪比的采樣率。如前所示，所述兩個信號是分別表示齒輪20和22上的齒的通過的脈沖串的信號，因此在步驟106中獲取兩個脈沖串信號。在步驟108中，計算所述兩個脈沖串中每一個的傅里葉系數(shù)，且在步驟110中所述系數(shù)被用于計算所述兩個信號的相對相位。在步驟112中，接著比較所述兩個信號的所述相對相位與一空載相位差，相對相位的差乘以軸18的剛度以得到扭矩。所述空載相位差的測定作為安裝或校準(zhǔn)過程的一部分并在旋轉(zhuǎn)軸18無負(fù)載應(yīng)用于其上或可選擇地具有一預(yù)定的負(fù)載時測定。通過計算與在步驟102為每一脈沖串測定的頻率匹配的傅里葉級數(shù)項并以另一個的復(fù)共軛乘以一個系數(shù)，沿軸18的縱軸38的所述兩個測量位置的相對相位被確定。該方法的好處是它利用了具有有限數(shù)據(jù)采樣率的現(xiàn)有的拖拉機(jī)控制器并只有兩個磁性傳感器28和30，因此得到穩(wěn)健的低成本扭矩測量系統(tǒng)40。現(xiàn)在將要描述所述扭矩測量的混疊方法是如何工作的。首先所述扭矩計算的方法知道進(jìn)行所述兩個脈沖串的相移，接著此處包含計算所述相移的兩種方法。所述第一種方法利用內(nèi)積并可更易理解。所述第二種方法是傳統(tǒng)的離散傅里葉變換方法并更符合進(jìn)行頻率分析通常所看到的。接著討論當(dāng)軸18的速度在無相速時可能發(fā)生什么，此時所述運算法則不能夠確定相位差和那種情形的一些創(chuàng)造性問題，這在使用低采樣率控制器時是固有的。扭轉(zhuǎn)負(fù)載的軸18的偏轉(zhuǎn)是0=TL/JG其中0=角偏轉(zhuǎn)[弧度]T =扭矩L =軸長度
J =慣性的極矩G =軸18剛度的模數(shù)所述軸剛度K是T/ =JG/L并且對于任何給定軸是一常數(shù)。然而也應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)溫度的一些改變是可以預(yù)想到的，可以利用一溫度傳感器修正前述的軸剛度計算。軸18以長度L間隔裝配有齒輪20和22。當(dāng)軸18以足夠的速度旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪20與傳感器28以及齒輪22與傳感器30之間的交互作用產(chǎn)生兩個正弦波形，得到兩個信號，以X1⑴和X2⑴表示。一般方程是Xi (t) = XiSinO 31,其中Xi=正弦曲線幅值f =齒經(jīng)過頻率[Hz]Oi=相位[弧度]，及f = ΖΩ其中Z =齒輪上齒的數(shù)量Ω =軸速[Hz]齒輪20和22被設(shè)計成使磁性傳感器28和30產(chǎn)生通常的正弦信號。此外，齒輪20盒22具有相同數(shù)量的齒，當(dāng)沒有負(fù)載應(yīng)用至軸18時，所述脈沖串的相對相位Otl = (CD2-CD1)是常數(shù)。當(dāng)軸18由于扭矩而扭曲時，Φ = (O2-O1)按比例改變。如果軸18被扭轉(zhuǎn)所述齒輪的齒的一個完整的圓周齒節(jié)，則 =2π/Ζ，這是磁性傳感器波形發(fā)生的2 π相移，因此Φ_Φ( = 2 π。關(guān)系式0=( Φ-Φ())/Ζ和(<J>-C>o)=Z0=TLZ/JG用于求解扭矩，我們得到T = (JG/LZ) (Φ-Φ0)或者更一般地，對于任何彈性件的剛度K，T = (Κ/Ζ) (Φ-Φ0)。在步驟102中，控制器36讀取磁性傳感器28和30，計算齒輪20和22的齒的經(jīng)過頻率?？刂破?6不能獲得快到足以在時域內(nèi)估算相對相位的模擬信號。例如，假設(shè)齒輪20 和22的所述齒經(jīng)過頻率是1，500Hz，則控制器36將必須以超過15，OOOHz的采樣以合理地測定所述時域內(nèi)的相位。通過在所述頻域內(nèi)工作，所需要的采樣率是所述帶寬的兩倍。因為所述模擬信號頻率集中在所述齒經(jīng)過頻率并從這里改變很小，所以低至200Hz時可以成功地采樣。該信號被高度混疊(每7. 5齒經(jīng)過采樣一次)，但是該信號可以被完全地重構(gòu)， 因為我們知道該信號的頻率。下文中提出兩種測定所述相位的方法。第一種被稱為內(nèi)積法，第二種計算所述離散傅里葉變換(DFT)的單線。每一方法假定所述齒經(jīng)過頻率Z Ω是已知的，并且已經(jīng)獲得 fs采樣率下每一脈沖串Xi (η)的N樣本。所述內(nèi)積法計算所述向量Xi (η)和頻率ΖΩ的正弦曲線的內(nèi)積。諸如反正切(此處為ΑΤΑΝ2)的三角函數(shù)被用于獲得所述相位。
m-tχ)= Σ, X刺(稱為傅里葉系數(shù))
■wO.Xi是一復(fù)數(shù)，每一脈沖串的相位是Φ i = ATAN2 [lm (Xi)，Re (Xi) ] ·所述兩個信號之間的相對相位是φ = ATAfslZifinIXzXi), Re(XgX1)].現(xiàn)在描述使用離散傅里葉變換法。該方法計算所述DFT的單線，該單線最好地表示所述脈沖串。為了簡化所述方程式，提出三個新的變量。第一個是頻比Y =ΖΩ/ 5θ第二個是k，是一整數(shù)，其與所述齒經(jīng)過頻率大于采樣頻率的倍數(shù)有關(guān)系并被用于標(biāo)識所述特征頻率在0-(1/2) fs范圍內(nèi)是正的頻率或負(fù)的頻率。第三個是m，是一位于O與N/2之間的整數(shù)，標(biāo)識所述DFT的哪一條線是我們感興趣計算的。其它的線是用于計算所述信號之間的相對相位的偽碼。
if FLOOR(V)級 CEiL (y - Vz)
comment: k/s <. ZQ. < (k + Yz)fn
K ^ FLOOR(y) m ^ (y-k)N
else
comment (k~l/2)/s c. ZO < k ^ CEit(Y) m ^ (k- y)N end if
K j
Σ· Xf{n)
丁AN2pm(X2^t}, Re{X^)]處理前述的無相速，對于通過使用混疊的信號計算扭矩，所述低采樣率固有的是， 有限數(shù)量的可預(yù)知速度其中相位不可知。審查第一個求和方程，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)2ΖΩ/ ；是一整數(shù)時，Ρ_2πΖΩ(η/ 3)對所有η是實數(shù)并且沒有相位信息獲得。該情形正好與所述第二方程中當(dāng)m = O或Ν/2時相同。因為所述齒輪上齒的數(shù)量和所述采樣率可以固定，所述相位信號丟失的間隔是Δ Ω = fs/2Z[Hz] = 30fs/Z [rpm]。為了避免該問題，在規(guī)定的速度范圍內(nèi)，可以選擇另一采樣率或選擇觀察來自具有與齒輪20和22不相同齒數(shù)的第二對齒輪24和26的脈沖串。所述兩組齒輪上齒數(shù)的選擇是認(rèn)真的選擇，以使所述問題區(qū)域不重疊。圖3表示具有兩對齒輪20和22以及24和26 及隨同的傳感器28、30、32和34以解決潛相的軸的示意。另一解決該問題的方法是使用至少兩個認(rèn)真選擇頻率的單獨的采樣率，以使所述問題區(qū)域不重疊。這在步驟104中舉例說明，其中為了更好的信噪比選擇一采樣率。例如， 如果所述采樣率在200Hz，且軸18以一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)以使一無相速被經(jīng)歷，這所述控制器轉(zhuǎn)換至另一諸如175Hz的采樣頻率，從而允許該系統(tǒng)接著進(jìn)行扭矩測量。本發(fā)明人預(yù)想到的所述信號處理的另一個考慮是使用一窗函數(shù)，其被應(yīng)用于通過控制器獲取數(shù)據(jù)的時間，所述窗口是一預(yù)定間隔的零值的外部。例如，以一函數(shù)指矩形窗， 該函數(shù)在所述預(yù)定間隔內(nèi)部是常數(shù)而在其它地方是零，其描述了其代表圖形的形狀。但所述獲得數(shù)據(jù)的時間乘以所述窗函數(shù)時，所述積是所述預(yù)定間隔的零外部。除了使用矩形窗技術(shù)，諸如漢明(Hamming)窗和漢納(Hann)窗的異形窗也可以被用作窗口。這些函數(shù)有利于幫助求解所述信號和提高測量的精度。以優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離所附權(quán)利要求限制的本發(fā)明范圍內(nèi)可進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種扭矩測量方法，包括步驟獲得包括一第一脈沖串和一第二脈沖串的多個脈沖串；計算所述第一脈沖串及所述第二脈沖串二者各對于一已知頻率的傅里葉系數(shù)；及利用與所述第一脈沖串相關(guān)聯(lián)的所述傅里葉系數(shù)以及與所述第二脈沖串相關(guān)聯(lián)的所述傅里葉系數(shù)確定扭矩量值。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的已知頻率與一軸的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的第一脈沖串與在一第一縱向位置連接至所述軸的至少一個可檢測部件相關(guān)聯(lián)，所述的第二脈沖串與在一第二縱向位置連接至所述軸的至少一個可檢測部件相關(guān)聯(lián)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的已知頻率由對于一預(yù)定周期所述第一脈沖串和所述第二脈沖串其中之一中的脈沖的數(shù)量確定。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括步驟利用與所述第一脈沖串相關(guān)聯(lián)的所述傅里葉系數(shù)以及與所述第二脈沖串相關(guān)聯(lián)的所述傅里葉系數(shù)計算所述第一脈沖串與所述第二脈沖串的一相對相位。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述確定步驟包括比較所述的相對相位與一空載相位以得到一比較值的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述確定步驟還包括用所述軸的一剛度乘以所述的比較值以獲得所述的扭矩量值的步驟。
全文摘要
扭矩測量方法與裝置。與具有動力供給裝置和負(fù)載的動力驅(qū)動地面接合裝置相關(guān)聯(lián)的扭矩測量裝置，包括可旋轉(zhuǎn)軸、第一和第二可檢測部件、多個傳感器及電氣控制器；可旋轉(zhuǎn)軸具有縱軸、第一和第二端，第一端連接至動力供給裝置，第二端連接至負(fù)載；第一和第二可檢測部件分別與軸上第一、第二縱向位置相關(guān)聯(lián)。多個傳感器包括第一和第二傳感器，第一傳感器緊鄰第一可檢測部件，第二傳感器緊鄰第二可檢測部件；當(dāng)可旋轉(zhuǎn)軸繞縱軸旋轉(zhuǎn)時，第一傳感器產(chǎn)生第一信號，第二傳感器產(chǎn)生第二信號；電氣控制器以一采樣率對第一、第二信號采樣，第一信號具有第一頻率且采樣率小于第一頻率的兩倍，電氣控制器利用第一、第二信號計算表示可旋轉(zhuǎn)軸上扭矩的扭矩量值。
文檔編號G01L3/00GK102589771SQ20121004519
公開日2012年7月18日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者羅伯特·J·懷特, 蒂莫西·J·科爾沃斯 申請人:迪爾公司