摘要：通过选择敏感原件材料，设计敏感元件结构以及选取应变片黏贴位置等几个步骤，根据所测结构的具体情况完整地介绍了应变式扭矩传感器中敏感元件的设计过程。并且运用ansys软件分析了结构的应力应变，根据应力应变情况选取了应变片的黏贴位置。

　　关键词：扭矩传感器;敏感元件;应变片;ansys

　　Abstrsct:Completely designing ptocess of torque sensor’s sensitive componen was recommended in this paper by sevral sreps such as selecting materials of sensitive component and desingning structure of sensitive components and selecting the location.And stress and strain of structure was analysed using ansys software,and the location of strain gauges was selected according to the situation of stress and strain.

　　Keywords: torque sensor; sensitive components; strain gauges; ansys

　　在机械传动系统中，扭矩(Torque)是反映系统性能最典型的机械量之一。因此利用合适的扭矩传感器及其配套装置实时地检测和控制扭矩，对于保障整个系统稳定安全的运行具有十分重要的意义[1]。扭矩传感器直接获取被测物体的扭矩值，并把它转换成便于传输的物理量，出于传输方便考虑，一般都是转换为电参量。而在扭矩传感器的设计中，弹性敏感元件的材料，结构以及应变片的黏贴位置则是决定测量结果准确程度的重要因素。在此我们用直径为60mm,所受力矩为2000N·m的转轴设计扭矩传感器中的敏感元件。

　　1 敏感元件的材料选择

　　传感器的长期稳定性受其灵敏度影响很大，所以选择合理的弹性材料和结构参数对提高传感器灵敏度，进而提高其长期稳定性至关重要。敏感元件的设计既考虑到有较高的灵敏度,也保证有足够大的安全系数。

优质弹簧钢常用作力臂材料,能够承受较大的变形。弹簧钢60Si2Mn有很好的机械性能，其化学成分：含C为0.56～0.64%含Si为1.5～2%，含Mn为0.6～0.9%，含P≤0.035%,含S≤0.035%等[2]。故选优质弹簧钢作为扭矩传感器敏感元件材料。弹簧钢60Si2Mn的弹性模量E为206MPa，泊松比为0.26，摩擦系数0-3，最大许用应力为1200MPa，材料密度为7800kg/m^3[3]。

　　2 敏感元件的结构设计

　　弹性梁作为整个传感器的一个关键部位，起着至关重要的作用。在轴承受扭矩的同时，弹性梁作为其并联元件，几乎不承受扭矩，但可以感受扭矩的大小[4]。考虑到空间狭窄以及为了使变形量相对大一些,在设计中选用了弧形截面梁作为敏感元件。现拟将弹性梁的弧度定为20°，长度46mm。现对相关数据分析如下：

已知被测轴扭矩大小为：

　　考虑到旋转轴为45钢，查得G=80GPa，截面极惯性矩为

　　单位长度扭转角为

故弹性梁两端扭转角大小为

弹性梁两端相对扭转弧长为

　　整个弹性梁的变形简化为并联的两根悬臂梁，在梁的中点处，应力为零。每根悬臂梁的挠度为

变形后的长度为

　　故应变片的微应变为

　　3 应变片具体粘贴部位的确定

利用ANSYS软件对敏感元件——弹性梁进行应力分析，如图1、图2、图3、图4、图5所示，

　　图1 对轴加扭矩的模型图

　　图2 主应力分析图

　　图3 位移分析图

　　图4 弹性梁所受主应力分析图

　　图5 弹性梁变形位移图

　　通过分析可知，一般最大应变都发生在受力构件的表面，所以对弹性梁外表面主应力进行分析如图6、表1所示。

　　图6为弹性梁外表面主应力编码图，表1为对应于图6各点的应力值，寻找应力值较大，且适合粘贴应变片的位置，以提高传感器的灵敏度。通过比较选择点12193、12194、12195、12211、12212、12218、12219所组成的区域。

　　图6 弹性梁外表面主应力编码图

　　表1 弹性梁外表面主应力值 点 应力值 点 应力值 点 应力值 点 应力值 1881 0.20335E+08 12175 0.12318E+08 12197 0.12318E+08 12210 0.82047E+08 1882 -0.15337E+08 12176 0.89511E+07 12198 0.22653E+08 12211 0.41308E+08 1883 -0.20529E+07 12177 0.79127E+07 12199 0.28364E+08 12212 0.30889E+08 1884 0.10956E+09 12178 0.30782E+07 12200 0.40124E+08 12213 0.22198E+08 1885 0.52670E+08 12188 0.19632E+08 12201 0.50825E+08 12214 0.14720E+08 3262 -0.12672E+08 12189 0.20696E+08 12202 0.44258E+07 12215 0.97076E+07 3263 0.15407E+08 12190 0.22844E+08 12203 -0.20887E+07 12216 0.81812E+07 3264 0.23808E+06 12191 0.23007E+08 12204 0.12791E+07 12217 0.24987E+07 3265 0.10053E+09 12192 0.22933E+08 12205 0.50570E+07 12218 0.36556E+08 3266 0.46424E+08 12193 0.23067E+08 12206 0.62773E+07 12219 0.63759E+08 12172 0.81083E+08 12194 0.18630E+08 12207 0.11608E+08 12173 0.49448E+08 12195 0.73694E+07 12208 0.30292E+08 12174 0.29481E+08 12196 0.98787E+07 12209 0.51388E+08 4.选择应变片

　　经研究分析，本设计适合采用直角应变花(45°应变花)测量，如图5所示。应变花的三个方向分别为弹性梁的轴向，弹性梁的回转方向和与这两个方向互成45°的方向[5]。

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