用于可旋转轴的扭矩监测系统的制作方法

本申请要求于2014年6月16日提交的题为“TORQUE MONITORING FEEDBACK DEVICE(扭矩监测反馈装置)”的美国临时申请No.62/012,744的优先权，其内容以引用方式全文并入本文中。

背景技术：

许多类型的系统包括旋转轴。例如，电动机和内燃机驱动车辆、航空器、制造系统和其他装置的轴和/或传动装置。虽然旋转轴可能会面临正常发生的阻性负载，但是循环力和间歇力可从其他部件和负载反馈至轴和传动装置。这种附加力与正常发生的力相结合可能缩短旋转轴的使用寿命。此外，这种异常的力和振动也可能导致轴的故障，该故障可能损坏其他部件。

技术实现要素：

在一个实施例中，扭矩监测系统包括可旋转测量接口和固定数据接收器。测量接口配置为附接至可旋转轴。测量接口包括应变仪、处理器和近场通信(NFC)收发器线圈。固定数据接收器相对于旋转轴是固定的。固定数据接收器包括处理器和NFC收发器线圈。可旋转测量接口经由其NFC收发器线圈接收源自由固定数据接收器中的NFC收发器线圈无线地发送的无线电信号的操作功率。可旋转测量接口中的处理器配置为从应变仪接收表示可旋转轴上的扭矩的应变仪信号，并且通过NFC收发器线圈将表示应变仪信号的数字数据无线地发送至固定数据接收器中的处理器。

在另一个实施例中，扭矩监测和反馈系统包括可旋转驱动轴，可旋转测量接口、固定数据接收器和电子控制单元(ECU)。可旋转测量接口附接至可旋转驱动轴，以便与可旋转驱动轴一致地旋转。测量接口包括应变仪、处理器和收发器线圈。固定数据接收器包含在壳体中并相对于旋转驱动轴固定。固定数据接收器包括处理器和收发器线圈。ECU配置为与固定数据接收器通信。可旋转测量接口经由其收发器线圈接收源自由固定数据接收器中的收发器线圈无线地发送的无线电信号的操作功率。可旋转测量接口中的处理器配置为从应变仪接收应变仪测量数据，并且通过收发器线圈将表示测量数据的数据无线地发送至固定数据接收器中的处理器。

在又一个实施例中，系统包括主驱动轴、平行驱动轴和将主驱动轴机械地连结至平行驱动轴的传动装置。第一可旋转测量接口附接至主驱动轴，以便与主驱动轴一致地旋转。第一测量接口包括应变仪和收发器线圈。第一固定数据接收器包含在壳体中并相对于主驱动轴固定。第一固定数据接收器包括用于与第一可旋转测量装置的收发器线圈进行无线通信的收发器线圈。第二可旋转测量接口附接至平行驱动轴，以便与平行驱动轴一致地旋转。第二测量接口包括应变仪和收发器线圈。第二固定数据接收器包含在壳体中并相对于平行驱动轴固定。第二固定数据接收器包括用于与第二可旋转测量装置的收发器线圈进行无线通信的收发器线圈。第一可旋转测量接口和第二可旋转测量接口经由其相应的收发器线圈从其各自的第一固定数据接收器和第二固定数据接收器接收电力并向其各自的第一固定数据接收器和第二固定数据接收器提供数据通信。

附图说明

图1示出了根据各实施例的扭矩监测和反馈系统。

图2示出了根据各实施例的可旋转测量接口。

图3示出了根据各实施例的固定数据接收器。

图4示出了根据各示例的包括开关电抗元件的扭矩监测和反馈系统的实施例。

图5示出了根据各实施例的可用于数据通信的电容分压器网络的示例。

图6示出了根据各实施例的扭矩监测和反馈系统的一部分的剖视图。

图7示出了根据实施例的包括多对可旋转测量接口和固定数据接收器的传动装置。

具体实施方式

本公开涉及用于监测在多种系统中的任何一种中使用的一个或多个可旋转轴的扭矩的系统和方法。这种系统的示例包括制造系统和驱动系统。驱动系统的一个非限制性示例是直升飞机的驱动转子。在一些系统中，循环力和/或间歇力和/或振动可从其他部件反馈至轴和/或传动装置，使得轴和/或传动装置不仅受到驱动阻性旋转负载的正常预期力，而且还受到旋转加载时的循环变化和/或间歇变化。在一些系统中，随着诸如轴承的部件磨损或以其他形式劣化，旋转轴所需的力可逐渐增加。本文公开的系统和方法以被配置为提供与扭矩负载的循环、瞬态或逐渐改变中的变化有关的通知和/或信息的方式来监测施加到轴和传动装置的力的影响，使得对与轴和/或传动装置的负载有关的数据的监测和收集可用于减轻循环疲劳故障、谐振负载故障、低效操作或其它类型的与轴的不期望的扭矩负载相关的不期望的结果。因此，下文公开了可根据本文所述的各种方法和实施例操作的扭矩监测和反馈系统。

图1示出了根据各实施例的扭矩监测和反馈系统100。在示出的非限制性示例中，扭矩监测和反馈系统100包括附接到可旋转轴90的可旋转测量接口102。可旋转轴可为任意类型的旋转轴，比如，可用在例如车辆或制造系统中的驱动轴。可旋转测量接口102刚性地附接至轴90，使得可旋转测量接口随轴旋转。可旋转测量接口90可包括多个部件，比如应变仪、处理器和收发器线圈。在一些实施例中，可旋转测量接口102的部件可相对于轴90径向分布，以使可旋转测量接口102与轴一起旋转可能产生的不平衡力最小化。

系统100还包括固定数据收发器104，其可围绕轴90的圆周，但不是刚性地附接至轴。因此，当轴90旋转时，固定数据收发器不旋转。固定数据收发器104可包含在与可旋转轴90分离的单独壳体中。固定数据收发器104可包括各种部件，比如，处理器和收发器线圈。

固定数据收发器104相对于可旋转测量接口102纵向地保持在固定位置，从而使得尽管轴和可旋转测量接口相对于固定数据收发器旋转，但固定数据收发器和可旋转测量接口之间的间距L1大体恒定。

固定数据收发器104和可旋转测量接口102的收发器线圈用于将电力从固定数据收发器传送至可旋转测量接口，用以为可旋转测量接口的各部件提供操作功率。收发器线圈还用作可旋转测量接口和固定数据收发器之间的无线数据通信链路。例如，可旋转测量接口102可将应变仪的数字数据编码信息发送至固定数据接收器104。

还示出了与固定数据接收器104通信的电子控制单元(ECU)110。固定数据接收器104可向ECU 110转发与固定数据接收器和/或可旋转测量接口102的操作以及固定数据接收器和/或可旋转测量接口102检测到的事件相关的数据、警报等。这种检测到的事件的示例包括振动事件、拉伸事件、压缩事件、弯曲事件、谐振事件和扭转事件中的一个或多个。可旋转测量接口102可包括能够检测这些事件的多个应变仪和其他类型的传感器。这些各种事件可以是检测到的超过相应阈值的振动、张力、压缩、弯曲、谐振或扭矩水平。例如，应变仪可输出与测量仪检测到的应变成比例的电压。随后，该电压可以由处理器126、136转换为应变测量。随后，可以将该测量与用户指定的阈值应变水平进行比较。作为可旋转测量接口102和转而耦接至ECU110的固定数据接收器104之间的无线通信的结果，这些事件中的任何一个可由可旋转测量接口102中的处理器126、固定数据接收器104中的处理器136和/或ECU 110确定为存在。阈值可由系统设计者确定，并且可以被加载至固定数据接收器104和/或可旋转测量接口102中的存储器中(例如，加载至集成在处理器126、136中的存储器中)。轴上的应变可由上述事件(振动、拉伸等)中的任何一个引起。根据测量仪配置(例如，测量仪如何安装至轴90)，可以测量不同的事件。从测量仪输出的电压将与事件的幅度成比例，并且该输出电压将被转换为应变测量。

例如，可旋转测量接口102中的处理器126可处理应变仪信号并确定机械事件已经发生或正在发生。随后，可旋转测量接口102中的处理器126可以通过NFC接口向固定数据接收器104发送机械事件已经发生或正在发生的信号。随后，通过ECU 110，固定数据接收器104可使得驱动单元115调节驱动轴90的电机的扭矩和/或速度(在轴被主动驱动的示例中)。作为替代，固定数据接收器104向其他系统逻辑发送机械事件已经发生的信号，并且该系统逻辑将采取与特定系统的特性相称的适当的动作。在其他实施例中，可旋转测量接口102通过NFC接口将表示应变仪信号的数字数据发送至固定数据接收器104，固定数据接收器104处理该数据以确定机械事件已经发生或正在发生。此外，表示应变仪信号的数字数据可从可旋转测量接口发送至固定数据接收器，进而传输到ECU 110(或其他系统逻辑)，以供ECU 110处理和确定机械事件是已经发生还是正在发生。

在期望轴90主动旋转的实施例中，提供驱动单元115以主动地转动轴90。在其他实施例中，轴90不是主动旋转的，因此，这些实施例中可不包括驱动单元115。对于主动驱动的轴90的示例，一旦检测到上述列出的事件中的任何一个，ECU 110就可使得驱动单元115控制轴90的旋转速度和/或轴上的扭矩。例如，轴90可在检测到轴上的过度的振动、张力等时完全停止，而不去冒损坏轴90和轴附近的其他部件的风险。特别是由于与NFC接口耦接的处理器126和136的速度，导致这个系统的从应变仪接收信号、检测轴的问题、调节轴的速度和/或扭矩之间的等待时间相对较小。在一些实施方式中，等待时间在1ms至20ms的范围内。由此，等待时间足够小，使得可以实时或接近实时地调节轴的操作。由此，系统可以足够快地反应以提供例如定时馈送和部件同步时的微小调节，从而避免代价高的阻塞(jam)和错送(misfeed)。

图2示出了根据各实施例的可旋转测量接口102的框图。如图2的示例所示，可旋转测量接口102包括应变仪、放大器(AMP)122、模数转换器(ADC)124、处理器126、整流器128和收发器线圈130。应变仪120可为扭转应变仪。可旋转测量接口102中可包括多于一个的应变仪，并且可为每个应变仪提供单独的放大器122，以增加来自相应的应变仪的信号的幅度。ADC 124将来自应变仪120的模拟信号转变为数字等效值，并且将该数字等效值提供至处理器126。

可旋转测量接口102中的收发器线圈130从固定数据接收器102中的相应的收发器线圈接收辐射能量。整流器128对接收到的交流(AC)能量进行整流，并且向可旋转测量接口102中被有源地供电的那些部件(比如，处理器126)提供整流后的电力。ADC 124和放大器以及应变仪120自身也可接收整流后的电力用于其操作。整流器可为半桥整流器或全桥整流器(比如，基于二极管的整流器)。如果需要的话可包括电压调节器，用以调节提供至可旋转测量接口102的各个部件的电力。

处理器126也可通过收发器线圈130将数据传输回固定数据接收器104。因此，收发器线圈130从固定数据接收器104接收辐射用于为可旋转测量接口102供电，并且以相反方向从可旋转测量接口102向固定数据接收器104发送数据。

图3示出了固定数据接收器104的框图的示例。如图所示，固定数据接收器104包括耦接至收发器线圈140的处理器136。处理器136还包括针对ECU 110的数据接口。固定数据接收器104可为电池供电的，可具有专用电源连接，或可通过与ECU 110连接而被供电。

在一个实施例中，固定数据接收器104和可旋转测量接口102根据近场通信(NFC)彼此之间无线地连接。由此，收发器线圈130和136是NFC收发器线圈。也可以使用其他无线接口标准。

图4示出了扭矩监测和反馈系统100的示例。参照图4，数据接收器104在左侧示出，可旋转测量接口102在右侧示出。数据接收器104包括耦接至收发器线圈140的处理器136。也可提供附加部件。

可旋转测量接口102包括如上所述的收发器线圈130以及处理器126和整流器128。ADC 124(图4中未具体示出)可被包括为处理器126的一部分，或者可为单独的部件。电容器C1被示出为并联地连接在收发器线圈130两端。收发器线圈130和电容器C1的组合形成储能电路，其起到以储能电路的谐振频率存储从收发器线圈140接收的能量的电子谐振器的作用。通过将收发器线圈130和136调谐到以相同频率谐振，将电力从固定数据接收器104传送至可旋转测量接口102。

可通过利用阻抗随谐振频率的改变来实现来自远程供电的可旋转测量接口102的通信。将收发器线圈130的串联谐振朝向串联谐振或朝向并联谐振转变提供了由收发器线圈130汲取的电能的实质性改变，这进而改变固定数据接收器104中的收发器线圈136上的负载。当调谐至串联谐振时，收发器线圈130处于其在收发器线圈140上施加重负载的吸收状态，这降低了其谐振的Q值，并降低了收发器线圈140两端的电压。当调谐到并联谐振时，收发器线圈130处于其减少固定数据接收器104中的收发器线圈140上的负载的反射状态，这提高其谐振的Q值，并且增大了收发器线圈140两端的电压。因此，通过改变可旋转测量接口102中的收发器线圈130相对于固定数据接收器104中的收发器线圈136的电抗(以及因此而导致的谐振频率)，可以使固定数据接收器的收发器线圈140两端的电压改变，以便对由可旋转测量接口102的处理器126发送的数字数据进行编码。

可旋转测量接口102中的收发器线圈130的谐振频率可以通过开关电抗元件来调谐。在图4中示出的实施例中，电容器C2是这种开关电抗元件的示例。通过开关SW2将电容器C2接入和切出储能电路，开关SW2的状态由处理器126经由控制信号129控制。当开关SW2闭合时，使得电容器C2并联，以将线圈调谐至反射状态。当开关SW2断开时，电容器C2从储能电路中移除，储能电路处于吸收状态。二进制数据以这种方式发送，并且在固定数据接收器的线圈中引起二进制编码幅度调制。开关电抗元件可包括可选电容器(或电容分压器网络)中的至少一个。

图5示出了电容分压器网络的示例，如图所示，其包括串联连接在收发器线圈130两端的电容器C3和C4以及电容器C5。根据是要发送逻辑1还是逻辑0，处理器126可以选择是否包括电容器C5，由此可以改变收发器线圈两端的电容。还可实施用于改变收发器线圈130和电容器C1的谐振储能电路两端的阻抗的其他技术。

图4还示出了为了阻抗匹配而使用的多个可选抽头66。可以通过处理器126向开关SW1传达控制信号131来选择任一抽头66，以向整流器128提供所选择的抽头。通过选择期望的抽头，可以改变收发器线圈130的有效长度。

现参照图6，示出了示出可旋转轴90和围绕该轴设置的壳体210的剖视图。壳体210包括固定数据接收器104。可旋转测量接口102示出为附接至轴90。

现参照图7，示出了驱动系统300的表示。在一些实施例中，驱动系统300可包括例如直升飞机的一部分。驱动系统300通常包括主驱动轴302、从主驱动轴302获取动力的平行驱动轴304，以及类似地获取动力以向负载308提供动力的多个中间驱动轴306。负载可包括转子轮毂部件、发电机、风扇、鼓风机、泵或任何其他旋转电阻性负载。图7中的附图标记100表示成对的可旋转测量接口102和相对应的固定数据接收器102。每个可旋转测量接口/固定数据接收器100所示出的位置表示将与驱动系统300一起使用以确保这种驱动系统300的所有各分支的正确操作的非限制性可能的位置。每个可旋转测量接口/固定数据接收器对中的每个固定数据接收器可通信地耦接至ECU 110(图7中未示出)。通过包括多个可旋转测量接口/固定数据接收器对，可以通过ECU 110来监测传动系统的各分支(例如，驱动轴302、并行驱动轴304和中间驱动轴306中的每一个)的相对扭矩水平。这种数据可以提供关于包括轴承状况、部件对准、润滑状况、不适当的轴速度和/或老化变速箱在内的多个动力传动系统参数的实时或接近实时的信息。类似地，可旋转测量接口/固定数据接收器对可应用于通过驱动系统在多个点处结合并划分所提供的旋转动力的任何其他复杂的机器、汽车、飞机、生产线系统和/或动力传输系统。

可以基于来自各应变仪的信号来计算传动系统的效率。传动效率可由ECU 110基于从至少两对可旋转测量接口102和固定数据接收器104接收的应变仪数据来计算。

在一些实施例中，系统300的操作的管理可包括对系统进行操作以避免和/或减少以下两者之间的重叠：(1)驱动系统300的一个或多个部件的谐振频率/固有频率和/或谐振频率/固有频率的谐波；以及(2)潜在的损害应力、张力、力、扭矩、动力等的频率。在替代实施例中，可旋转测量接口/固定数据接收器对和相关联的部件可利用所测量的应力和估算的传动扭矩连同关于轴旋转速度的信息来估算轴的传动功率，使得传动功率数据可被操作者和/或电子器件106和/或计算机使用，以评估如何更有效地操作驱动系统300，从而潜在地节省操作驱动系统300的燃料和/或其他能量成本。

本文所述的实施例仅为示例而非限制。本文描述的系统、设备和处理的许多变化和修改是可能的，并且在本公开的范围内。因此，保护范围不限于本文所描述的实施例，而仅由所附权利要求限制，其范围将包括权利要求的主题的所有等同物。