Способ определения крутящего момента на вращающемся валу
METHOD OF DETERMINING THE TORQUE ON ROTATING SHAFT

Изобретение относится к методам измерения параметров, в частности вращающего момента, на валах, вращающихся относительно неподвижного основания.
Известен способ определения крутящего момента на вращающемся валу, реализуемый устройством для измерения угла закручивания вращающегося вала (пат. 1795312 SU), включающем размещение на нем измерительных колес с угловыми метками и измерение времени их прохождения относительно неподвижных датчиков, а измерения угла закручивания вращающегося вала обеспечивается электронным преобразователем в виде усилителя-ограничителя.
Недостатком известного способа является сложность электронного преобразователя и погрешность, обусловленная значительным количеством преобразований сигналов от датчиков.
Известен также способ для измерения крутящего момента, реализуемый устройством для измерения крутящего момента (двигателя внутреннего сгорания), содержащем вал, диск и упругий элемент, в котором маховик жестко соединен с ведущим диском, в котором запрессованный подшипник является опорой для одного из концов ведомого вала, другой конец которого закреплен в подшипниковой опоре, упругий элемент выполнен в виде прямоугольной газонаполненной рамки, расположенной между наружным, жестко соединенным с ведущим диском, и внутренним, жестко соединенным с ведомым валом, квадратными кожухами, первое зубчатое измерительное колесо жестко соединено с внешней стороной наружного квадратного кожуха, а второе зубчатое измерительное колесо - с ведомым валом, напротив которых расположены соответственно два индукционных датчика, закрепленных на кожухе маховика и электрически соединенных с фазометром (пат. RU 39949 U1, 20.08.2004 г.).
Недостатком известного способа является сложность конструкции, требующей использования дополнительного упругого элемента и его кинематической связи.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ измерения крутящего момента, реализуемый устройством для измерения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, содержащее вал отбора мощности для передачи крутящего момента вращения вокруг оси; первое колесо, содержащее угловые метки, причем первое колесо прикреплено к валу отбора мощности; опорный вал, имеющий первый конец, прикрепленный к одному концу вала отбора мощности, и свободный второй конец, который содержит второе колесо с угловыми метками, которое расположено на той же оси, что и первое колесо; и датчик, расположенный напротив, по меньшей, мере, одного из колес и предназначенный для обеспечения сигнала, представляющего собой угловое изменение (Δх, Δу) между первым и вторым колесами, причем сигнал предназначен для передачи в вычислительный элемент и для определения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, на основе сигнала датчика; отличающееся тем, что первое колесо включает в себя первую и вторую последовательности угловых меток; и второе колесо включает в себя третью и четвертую последовательности угловых меток, причем метки первой и третьей последовательностей взаимно параллельны, а метки второй и четвертой последовательностей взаимно параллельны и наклонены относительно первой осевой плоскости, содержащей ось вала отбора мощности, при этом метки первой последовательности наклонены относительно меток второй последовательности, посредством чего сигнал датчика характеризует также температуру вала отбора мощности (Пат. 2497087 РФ, МПК G01L 3/10, 27.10.2013). Таким образом, способ-прототип для определения крутящего момента на вращающемся валу включает размещение на валу нескольких измерительных колес с угловыми метками и измерение времени их прохождения относительно неподвижных датчиков.
Недостатком принятого за прототип способа является сложность конструктивно-технологической реализации, требующий наличия двух соосных валов.
Задача, решаемая предполагаемым изобретением - упрощение измерительных операций при определении крутящего момента на вращающемся валу.
Технический результат - упрощение конструктивно-технологической реализации способа.
Указанный технический результат достигается способом определения крутящего момента на вращающемся валу, включающим размещение на нем измерительных колес с угловыми метками и измерение времени их прохождения относительно неподвижных датчиков, отличающийся тем, что второе измерительное колесо закрепляют на участке того же вала со смещением относительно первого в направлении продольной оси, и фиксируют отметки времени прохождения меток относительно каждого из датчиков, а вращающий момент на валу определяют по изменению времени между прохождением меток относительно каждого из датчиков, согласно математической зависимости, представленной в формуле изобретения.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлена схема размещения датчиков, на фиг. 2 - запись импульсов от каждого из датчиков при вращении вала без крутящего момента, а на фиг. 3 - запись импульсов от каждого из датчиков при наличии измеряемого крутящего момента на валу.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
На участке вращающегося вала 1 устанавливают по крайней мере два смещенных в направлении продольной оси вала индикаторных колеса 2 и 3 с угловыми метками 4, взаимодействующими с неподвижно закрепленными вблизи каждого из колес бесконтактными датчиками 5 и 6 (фиг. 1), например, индукционного типа. Импульсы 9 отметок времени на линии (осциллограмме) 7 соответствуют датчику 5 первого измерительного колеса 2, а на линии 8 - датчику 6 второго измерительного колеса 3 (фиг. 2 и 3).
При вращении вала измеряют моменты времени прохождения меток 4 измерительных колес 2 и 3 относительно своих неподвижных датчиков 5 и 6 и фиксируют изменение времени импульсов 9 на линиях 7 и 8 (фиг. 2) прохождения меток 4 относительно каждого из датчиков 5 и 6, меняющееся при изменении вращающего момента на валу вследствие его закручивания вокруг продольной оси (фиг. 3).
Угол закручивания участка вала 1 (фиг. 1), определяющий изменение времени между прохождением меток 4 относительно каждого из датчиков 5 и 6, определяется как величиной крутящего момента (М), так и геометрическими (Jρ, ) и упругой характеристикой (G) участка вала. Отсюда измеряемую величину вращающего момента на валу определяют по изменению времени между прохождением меток относительно каждого из датчиков, согласно зависимости
где М - измеряемый крутящий момент, Нм;
2
G - модуль сдвига материала вала, Н/м:
4
Jρ - полярный момент инерции поперечного сечения вала, м;
τ - изменение времени между прохождением меток относительно каждого из датчиков, с;
Т- время прохождения двумя соседними метками относительно датчика первого колеса, с;
- расстояние между дисками, м;
n - количество меток на каждом измерительном колесе, шт.
Пример расчета величины крутящего момента для различных значений т.представлен в таблице.
Таким образом, за счет того, что величину вращающего момента на валу определяют по изменению времени между прохождением меток пары измерительных дисков относительно соответствующих сопряженных с каждым из них датчиков с использованием предложенной математической зависимости, обеспечивается достижение технического результата -упрощение конструктивно-технологической реализации способа.