МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ВАЛА
MAGNETO-ELASTIC TRANSDUCER OF SHAFT TURNING TORQUE

Изобретение относиться к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами, и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля.
Известно устройство [RU Патент №2152600, опубл. 10.07.2000 [1]], содержащее торсионный вал, соединяющий части контролируемого вала, на торцах которых установлены дисковые электропроводящие экраны с вырезанными в них окнами, смещающимися друг относительно друга при закрутке торсиона, и катушки индуктивности.
Смещение окон при появлении момента и закручивании торсиона приводит к изменению индуктивности катушек, которая и является информационным параметром.
Недостатками датчика являются его конструктивная и технологическая сложность, наличие большого числа деталей, необходимость прецизионной сборки для обеспечения параллельности экранов и каркаса катушек, что приводит к низкой эксплутационной надежности датчика.
Наиболее близким по технической сущности является датчик крутящего момента вала по описанию изобретения к патенту Российской Федерации №2244907, взятый за прототип [2].
Более того, за прототип взят вариант технического решения в указанном патенте, когда отсутствует торсион как таковой, а чувствительный элемент закрепляется на участке контролируемого вала. Чувствительный элемент из магнитоупругого материала представляет собой одну правовинтовую и одну левовинтовую спирали, а участок вала со спиралями располагается концентрически внутри цилиндрических катушек индуктивности.
В прототипе описана работа датчика, когда катушки индуктивности включены в мостовую измерительную цепь переменного тока. В отсутствие крутящего момента аксиальные составляющие намагниченности (вдоль оси вала) от переменного тока в обмотках катушек индуктивности в левых и правых частях винтовых спиралей одинаковы и направлены в противоположные стороны. Импедансы катушек при этом одинаковы и мостовая схема находиться в состоянии баланса. При приложении к валу крутящего момента в частях витков спиралей возникают сдвиговые напряжения, которые изменяют аксиальную составляющую намагниченности, а следовательно, и магнитную проницаемость, причем в одной спирали, положим в правовинтовой, она увеличивается, а в другой (левовинтовой) уменьшается. Это приводит к увеличению импеданса в одной катушке и к уменьшению его во второй, а значит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и появлению в диагонали моста сигнала, величина которого пропорциональна крутящему моменту. Недостатками этого устройства являются:
- низкая чувствительность, т.к. фактически работает полумост, т.е. в мостовой схеме только два плеча активные, только в двух плечах изменяется импеданс от приложенного крутящего момента, а два других плеча - это не изменяющие импеданс элементы. Кроме того, используются катушки индуктивности большой длины, длина катушки больше размера спиралей в осевом направлении. Это приводит к тому, что в обмотках каждой катушки наводиться ЭДС как от изменения аксиальной намагниченности одной спирали, так и ЭДС обратного знака от второй спирали. В результате датчик имеет низкую чувствительность и при большой длине катушек не достигается полный баланс моста;
- наличие гистерезиса, т.е. разные уровни остаточного напряжения в измерительной диагонали моста при наложении и снятии крутящих моментов разных направлений. Это приводит к неоднозначности в определении величины крутящего момента. Данное явление обусловлено неодинаковой величиной остаточной магнитной проницаемости спиралей - сердечников при наложении и снятии механических напряжений разных знаков [3]. Проницаемость же в основном определяет величину индуктивности катушек, которая, в свою очередь, определяет сдвиг фаз напряжений на двух активных плечах мостовой схемы, питаемой переменным током различных частот. Из-за разного сдвига фаз напряжений отдельных плеч моста нельзя его полностью сбалансировать даже при строго одинаковых катушках и спиралях.
Задачей изобретения является повышение чувствительности датчика и устранение гистерезисных явлений.
Согласно изобретению указанные задачи в датчике крутящего момента вала, содержащем чувствительный элемент в виде право- и левовинтовых спиралей из магнитоупругого материала, жестко закрепленный на участке контролируемого вала, а участок вала с чувствительным элементом расположен концентрически внутри цилиндрических катушек индуктивности, решаются тем, что чувствительный элемент состоит из чередующихся право- и левовинтовых спиралей, причем число спиралей одного типа должно быть кратно 2, катушки, длина которых значительно меньше размера спиралей в осевом направлении, а число равно полному числу спиралей, установлены таким образом, что их середина совпадает с серединой соответствующих спиралей и включены в схему полного моста, питаемого переменным током резонансной частоты.
Изобретение поясняется схематично на чертежах. На фиг.1 приведен разрез датчика с минимальным числом спиралей и катушек, но возможны варианты с числом спиралей и катушек 4n, где n=1,2,3… На фиг.2 показана схема включения катушек в полный мост, питаемый переменным током резонансной частоты. Датчик крутящего момента вала (фиг.1) содержит вал 1, на участке которого жестко закреплен чувствительный элемент 2 в виде право- и левовинтовых спиралей, и катушки индуктивности 3.
Устройство работает следующим образом. В отсутствие крутящего момента изменением частоты питающего напряжения настраивается система в резонанс по минимальному напряжению в измерительной диагонали моста. Резонанс определяется индуктивностью и межвитковой емкостью катушек датчика. При этом аксиальные составляющие намагниченности (вдоль оси вала) от переменного тока в обмотках катушек в право- и левовинтовых спиралях 2 одинаковы и направлены в противоположные стороны. На резонансе схема имеет чисто активное сопротивление, поэтому сдвиги фаз скомпенсированы и мост хорошо балансируется.
При приложении к валу крутящего момента в частях винтовых спиралей 2 возникают сдвиговые напряжения, которые изменяют аксиальную составляющую намагниченности, причем в правовинтовой спирали она, например, увеличивается, а в левовинтовой уменьшается. Это вызывает изменения магнитной проницаемости и, следовательно, приводит к увеличению импеданса пары катушек (например, I и III) и уменьшению импеданса катушек II и IV. Такие изменения приводят к разбалансу мостовой измерительной схемы и появлению в измерительной диагонали моста напряжения, величина которого пропорциональна крутящему моменту.
В случае приложения крутящего момента противоположного направления происходит также разбаланс мостовой измерительной цепи, а выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно предыдущего сигнала.
Предлагаемый датчик крутящего момента имеет большую чувствительность, т.к. вклад в информативный сигнал вносят четыре спирали (как минимум).
Выполнение катушек длиной, значительно меньшей размера спирали вдоль оси, также приводит к увеличению чувствительности, т.к. теперь в них не наводятся ЭДС противоположного знака от намагниченности соседней спирали другого направления. При таких узких катушках точным их позиционированием над спиралями достигается и более полный баланс моста.
Использование питающего напряжения моста с частотой, равной резонансной частоте, устраняет влияние фазовых сдвигов напряжений в элементах схемы, поскольку на резонансе сопротивление становиться чисто активным и влияние реактивностей исключается. Поэтому и гистерезисные явления при таком режиме работы датчика не имеют места, достигается более полный баланс моста приводящий и к увеличению чувствительности, и к однозначности определения величины крутящего момента.
ЛИТЕРАТУРА
1. RU Патент №2152600, опубл. 10.07.2000.
2. RU Патент №2244907, опубл. 27.04.2004.
3. Бородин В.И., Останин В.В., Жаков С. В. Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках при деформациях кручения. I. Эксперимент. ФММ-1985. Т 59 вып.5 921-928.