Устройство для измерения крутящего момента
TORQUE MOMENT MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к оборудованию для испытания, и может быть использовано для измерения крутящего момента в силовых установках, например в двигателях внутреннего сгорания.
Известные устройства для измерения крутящего момента представляют собой систему, состоящую из датчика и вторичного прибора. Первичным преобразователем в датчиках обычно используется вал (часть вала) цилиндрической формы, работающий на кручение - торсионный вал. Преобразование угла закручивания тормозного вала осуществляется чаще всего с применением зубчатых дисков (авт. свид. SU 546798, Бюл №6 от 15.02.1977; авт. свид. SU 647561, Бюл №6 от 15.02.1979; авт. свид. SU 773463, Бюл. №39 от 23.10.1980). Дальнейшее преобразование обеспечивают оптическим каналом (авт. свид. SU 1265498, Бюл. №39 от 23.10.1986; авт. свид. SU 1357731, Бюл. №45 от 07.12.1987), индуктивными датчиками (патент RU 2029273, опубл. 20.02.1995). Информативный сигнал формируют в форме частоты биений (патент RU 2196309, опубл. 10.01.2003.).
Общим недостатком известных устройств для измерения крутящего момента на основе торсионных валов является их низкая технологичность. В качестве материала валов используют либо высокоуглеродные, либо легированные стали. В любом случае для снижения внутренних потерь в материале за счет гистерезиса валы подвергают закаливанию. При закалке появляются коробление и окалина. Поэтому далее валы подвергаются шлифованию. После предварительной сборки и проверки работоспособности следует юстировка, в процессе которой жесткость торсионной части вала доводится до расчетного значения. Эта процедура предусматривает дополнительные разборку и шлифование торсионной части. Учитывая, что подшипники качения должны устанавливаться с натягом, суммарная технологичность устройства оказывается низкой.
В качестве прототипа принято устройство для измерения крутящего момента по патенту на полезную модель RU 84550 U1, МПК GOIL 3/04, опубл. 10.07.2009, Бюл. №19. Устройство, содержащее размещенный в корпусе вал с торсионной средней частью, на концах которого установлены втулки с зубчатыми дисками, на внутренних торцах этих втулок выполнены диаметрально расположенные соответственно выступы и впадины в форме кольцевых секторов, между зубчатыми дисками размещен источник света, а с внешней стороны - два фотоприемника, снабжено демпфером крутильных колебаний, элементы которого размещены на цилиндрических поверхностях выступов втулок, торсионная часть вала выполнена съемной и соединена со втулками посредством беззазорных муфт, при этом кольцевые части вала выполнены заодно со втулками. Торсионная часть вала выполнена в виде винтовой цилиндрической пружины.
При анализе конструкции заметим, что втулки с выступами и зубчатые диски фактически являются единой деталью. Потребность в демпфере определяется характеристиками исследуемого источника крутящего момента и потребителя. Может оказаться, что диссипативные потери энергии в этих составляющих достаточно велики, тогда крутильные колебания невозможны и потребность демпфирования отсутствует. Например, проводится испытание поршневого двигателя внутреннего сгорания (источник крутящего момента) с применением фрикционного тормоза(потребитель). При таких испытаниях устройство для измерения крутящего момента устанавливается в разрыв кинематической цепи двигатель-тормоз.
Съемность первичного преобразователя (винтовой пружины) снижает трудоемкость операции разборки и сборки. Однако, доводка первичного преобразователя до расчетной жесткости в этом случае возможна только за счет длины проволоки пружины, а это предполагает переформирование концов предварительно закаленной пружины. Эта операция предполагает отжиг концов с последующей закалкой. Для пружин невысокой твердости материала возможна формовка закаленных концов, но и в этом случае требуется последующая термообработка для снятия внутренних напряжений. Таким образом, прототипу, как и аналогам, свойственна низкая технологичность.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности устройства для измерения крутящего момента.
Решаются задачи:
1. Разработка конструкции устройства для измерения крутящего момента высокой технологичности за счет исключения операций термообработки первичного преобразователя(торсионной части вала) на этапе юстировки.
2. Обоснование принимаемых решений.
Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения крутящего момента, содержащее вал со съемной торсионной частью, по разные стороны которой на валу закреплены зубчатые диски, между зубчатыми дисками размещен источник света, а с внешней стороны - два фотоприемника, зубчатые диски снабжены диаметрально расположенными встречными выступами, при этом выступы первого зубчатого диска с радиальным зазором входят в пазы выступов второго зубчатого диска, съемная торсионная часть вала выполнена в виде плоской пружины, при этом плоская пружина защемлена серединой на одной части вала, а ее концы расположены в зазорах наружных колец пар подшипников качения, закрепленных внутренними кольцами в плоскости плоской пружины на торцах выступов зубчатого диска с другой части вала.
Устройство для измерения крутящего момента поясняется чертежами:
фиг. 1 - кинематическая схема;
фиг. 2 - осевой разрез;
фиг. 3 разрез А-А по фиг. 2.
Принятые обозначения
1. Корпус
2, 3. Подшипники полувалов
4, 5. Полувалы
6. Центральный подшипник
7, 8. Зубчатые блоки
9. Накладка
10. Винты накладки
11. Плоская пружина
12, 13. Выступы зубчатого блока 8
14, 15. Подшипники качения (выступов 12)
16, 17. Подшипники качения (выступов 13)
18. Штифты подшипников качения 14-17
19, 20. Выступы зубчатого диска 7
21, 22. Зубцовые зоны дисков
23. Источник света
24, 25. Фотоприемник
26. Модулятор
8
В корпусе 1 с помощью подшипников 2, 3 установлены два полувала 4, 5. Имеется центральный подшипник 6, который размещен в расточке полувала 5 с внутренней стороны и соединен с цапфой полувала 4. Полувалы 4, 5 снабжены зубчатыми дисками 7, 8. В центральной части полувала 4 с помощью накладки 9 и винтов 10 закреплена своей средней частью плоская пружина 11 (торсионная часть вала). На фиг. 2 зона установки накладки для наглядности условно повернута. На зубчатом диске 8 полувала 5 выполнены два выступа 12, 13. На торцовой поверхности выступов 12, 13 установлены по два подшипника качения (шарикоподшипники), соответственно 14, 15 и 16, 17. Каждый подшипник 14-17 установлен посредством ступенчатого штифта 18. Эти штифты запрессованы в выступы 12, 13 до упора ступенчатой частью, а подшипники 14-17 установлены с натягом по внутреннему кольцу на выступающей части штифов 18. Концы плоской пружины 11 размещены между наружными кольцами с некоторым натягом. Две поверхности выступов 12,13 выполнены плоскими в радиальном направлении и образуют угол α. В целом, вал устройства составляют два полувала 4, 5 и сменная торсионная часть в виде плоской пружины 11. Плоская пружина изготавливается из закаленной плоской заготовки и в дальнейшем термообработке не подлежит.
7
7
8
Для взаимодействия с выступами 12, 13 на зубчатом диске 7 предусмотрены выступы 19, 20. Эти выступы имеют радиальные пазы с углом α, при этом осевая длина паза такова, что обеспечивается взаимодействие выступов 12, 13 пазами выступов 19, 20 по плоским граням, которые соответствуют углам α и α. Таким образом, в нештатной ситуации, когда измеряемый крутящий момент превысит допустимые пределы, деформация торсионной части вала (пружины 11) не превысит углового зазора γ
Преобразование деформации пружины 11 в электрический сигнал осуществляется оптическим каналом. Для этого на дисках 7, 8 выполнены одинаковые зубцовые зоны 21, 22, между которыми размещен источник света 23, а снаружи - на общей осевой линии - два фотоприемника 24, 25, например фотодиоды. В процессе вращения при нулевом крутящем моменте(плоская пружина 11 не деформирована) на фотоприемниках 24, 25 формируются одинаковые последовательности прямоугольных электрических импульсов. При появлении крутящего момента плоская пружина 11 изгибается и появляется фазовый сдвиг зубцовых зон дисков, что приводит к временному сдвигу последовательностей импульсов фотоприемников. Измеряемый крутящий момент пропорционален величине относительного временного сдвига последовательностей импульсов фотоприемников
где D- жесткость плоской пружины 11 на кручение;
Т - период последовательностей импульсов фотоприемников;
ΔT - временной сдвиг.
Расчетные значения жесткости D при юстировке устройства получают шлифованием торцов плоской пружины, уменьшая ее ширину. Для статических измерений и марологической аттестации устройства для измерения крутящего момента предусмотрен модулятор светового потока источника света. На фиг. 2, 3 модулятор представлен зубчатым ротором 26, который приводится во вращение от независимого привода. В случае применения устройства для измерения крутящего момента, когда диссипативные потери энергии источника крутящего момента(двигателя) и потребителя(тормоза) малы, в системе могут возникнуть колебания на частоте резонанса
где I - обобщенный момент инерции.
здесь Iдв, Iт - соответственно момент инерции двигателя и тормоза.
В предлагаемом устройстве частично демпфирование колебаний осуществляется за счет потери энергии в подшипниках 2, 3, 6 вала. Дополнительное демпфирование можно увеличить увеличением натяга сопряжения концов плоской пружины 11 с внешними кольцами пар 14-15 и 16-17 подшипников качения.
Работает устройство для измерения крутящего момента следующим образом. При исследовании двигателя предлагаемое устройство устанавливает в разрыв кинематической цепи двигатель-тормоз. В процессе вращения, если крутящий момент двигателя не равен нулю, происходит деформация торсионной части вала (плоской пружины 11), что приводит к фазовому сдвигу зубцовых зон 21, 22 дисков 7, 8. Модулированный световой поток источника света 23 формирует на фотоприемниках 24, 25 последовательности электрических импульсов, сдвинутых одна относительно другой на величину AT. Вторичный прибор преобразует это в значение измеряемого параметра по формуле (2).
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения крутящего момента высокотехнологично за счет конструктивной простоты. Настройка устройства осуществляется уменьшением ширины плоской пружины путем шлифования кромки, что не предусматривает процессов термообработки. Съем и установка плоской пружины не требуют полной разборки устройства.