Датчик крутящего момента

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть применена для измерения медленно меняющихся крутящих моментов.
Общие подходы к созданию средств измерения крутящего момента изложены в монографии: Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. - М.: Энергия, 1967. - 120 с. Структурно во всех средствах для измерения крутящего момента можно выделить общие функциональные элементы - корпус, в подшипниках которого установлен входной вал, сопряженное с валом упругое звено, преобразующее измеряемый крутящий момент в угол поворота вала, и преобразователь угла поворота в электрический сигнал. Конструктивные реализации общей структуры позволяют получить требуемые свойства изделия - метрологические, потребительские и т.п.
В качестве упругого звена применяют вал, работающий на кручение - торсионный вал (авт. свид. SU 1357731 А1, опубл. 07.12.87), винтовые пружины, работающие на кручение (патент RU 200984 U1, опубл. 21.11.2020), плоские пружины (патент RU 2658142 С1, опубл. 10.06.2018).
Преобразование угла поворота вала в электрический сигнал осуществляют с применением модуляторов оптического луча. Известны модуляторы на основе зубчатого ротора с электроприводом (патент RU 84550 U1, опубл. 10.07.2009). В датчике по патенту RU 197698 U1, опубл. 21.05.2020, модулятор выполнен на основе автоколебательной системы баланс - пружина с магнитоэлектрическим приводом.
Анализ известных технических решений показывает низкую технологичность вышеупомянутых конструкций, прежде всего за счет большого количества сложных деталей. В ряде случаев предполагается высокая трудоемкость операций юстировки.
В качестве прототипа принят моментомер для статических измерений по патенту RU 2659180 С1 МПК G0L 3/04, опубл. 28.06.2018 Бюл. №19.
В моментомере для статических измерений, содержащим корпус, в котором с помощью подшипников размещен вал с преобразователем крутящего момента в угол поворота и функционально связанный с ним содержащий модулятор оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал, каждый подшипник вала выполнен в виде двух плоских пружин, расположенных под углом 90° друг другу, образуя преобразователь крутящего момента в угол поворота, при этом первые концы плоских пружин закреплены на валу, а вторые - на корпусе, при этом оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал составлен из оптического канала и непрозрачной шторки, оптический канал содержит соосные источник света и фотоприемник преобразователя, оптическое окно которого выполнено в форме круга, шторка выполнена в виде пластины, одним концом закрепленной на валу моментомера, а второй ее конец размещен между источником света и фотоприемником преобразователя и имеет радиальный паз, ширина которого равна диаметру оптического окна фотоприемника, а модулятор оптического преобразователя угла поворота в электрический сигнал выполнен на основе автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом, составленной из баланса с упругим элементом и фотоприемника модулятора, который имеет одинаковое оптическое окно с фотоприемником преобразователя и установлен по другую сторону источника света, баланс выполнен в форме крыла в виде плоской ленты, на одном конце которой смонтирована магнитная система магнитоэлектрического привода, в ее зазоре размещена неподвижная бифилярная электрическая катушка, подключенная к схеме формирования импульсов привода, а на втором конце крыла баланса выполнена вилочная часть с параллельными пазами, равными пазу непрозрачной шторки, при этом плоскости вилочной части размещены по разные стороны источника света.
Конструкция моментомера для статических измерений содержат большое количество сложных по форме деталей, что снижает ее технологичность. Расчетную чувствительность преобразования «крутящий момент - угол поворота вала» можно реализовать либо за счет жестких допусков на параметры деталей подшипников, либо доработкой этих деталей на этапе метрологической аттестации, что также снижает технологичность конструкции.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности конструкции датчика крутящего момента.
Решаются задачи:
1. Разработка высокотехнологичной конструкции датчика крутящего момента. Датчик должен содержать достаточно малое количество простых по форме деталей.
2. Датчик крутящего момента должен обеспечивать низкую трудоемкость операции юстировки и метрологической аттестации.
3. Обоснование принимаемых технических решений.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в датчике крутящего момента, содержащем корпус, в котором посредством подшипникового узла установлен вал, и преобразователь угла поворота вала в электрический сигнал, вал снабжен равноплечим рычагом, подшипниковый узел выполнен в виде призматической опоры, одна часть которой закреплена на равноплечем рычаге, а другая - на корпусе, преобразователь угла поворота вала в электрический сигнал выполнен на основе двух струн в форме лент прямоугольного сечения из магнитопроводного материала, первые концы которых закреплены на торцах равноплечего рычага, а вторые - на концах регулируемой по изгибу упругой балки корпуса, при этом каждая струна, снабжена системой возбуждения автоколебаний; при этом каждая система возбуждения автоколебаний содержит блок магнитной цепи, который составлен из двух плоских магнитопроводов, первые концы которых соединены посредством магнитопроводной стяжки через отверстие каркаса бифилярной электрической катушки, а вторые образуют со струной одинаковые зазоры, электрическая катушка входит в состав схемы формирования импульсов привода, которая содержит биполярный транзистор, конденсатор и резистор, при этом первые выводы конденсатора, резистора и первой секции электрической катушки подключены к базе транзистора, второй вывод резистора и первый вывод второй секции электрической катушки подключены к шине электропитания, второй вывод второй секции электрической катушки, второй вывод конденсатора соединены с коллектором транзистора с образованием выходной шины, а второй вывод первой секции электрической катушки соединен с эмиттером транзистора с образованием общей шины.
Устройство датчика крутящего момента поясняется чертежами:
Фиг. 1. Общий вид датчика
Фиг. 2. Вид А по фиг. 1.
Фиг. 3. Вид Б по фиг. 2 (без технологических винтов)
Фиг. 4. Вид В по фиг. 2 (без технологических винтов)
Фиг. 5. Форма вала
Фиг. 6. Конструкция сборочной единицы «Кронштейн системы возбуждения автоколебаний»
Фиг. 7. Схема формирования импульсов привода
Принятые обозначения
1. Корпус
2. Верхняя плита
3. Нижняя плита
4, 5. Боковые стенки
6, 7. Винты соединения элементов корпуса
8. Вал
9. Опорная пластина
10. Винты крепления опорной пластины
11. Винты крепления равноплечего рычага
12. Равноплечий рычаг
13. Технологические винты
14. 15. Струны
16. Упругая балка
17, 18. Опорные винты упругой балки
19. Крепежный винт упругой балки
20. Накладка крепления струны 14 на равноплечем рычаге
21. Винты накладки 20
22. Накладка крепления струны 14 на упругой балке
23. Винты накладки 22
24. Накладка крепления струны 15 на равноплечем рычаге
25. Винты накладки 24
26. Накладка крепления струны 15 на упругой балке
27. Винты крепления накладки 26
28. Технологическое окно стенки 4
29. Резьбовые отверстия крепления датчика
30. Кронштейн системы возбуждения автоколебаний
31, 32. Плоские магнитопроводы
33. Электрическая катушка
34, 35. Плоские магнитопроводы
36. Электрическая катушка
37. Магнитопроводная стяжка
38. Электрический разъем
Корпус 1 датчика коробчатого типа; в его состав входят верхняя плита 2, нижняя плита 3 и боковые стенки 4, 5. Соединение элементов корпуса осуществляется группой винтов 6, 7.
В корпусе посредством подшипникового узла установлен вал 8. Подшипниковый узел выполнен в виде призматической опоры. Вал 8 (фиг. 5) выполнен из ступенчатой заготовки, на его конце образована внешняя часть опоры. Внутренняя часть опоры выполнена на опорной пластине 9, которая винтами 10 закреплена на верхней плите 2 корпуса. При выполнении призматической опоры необходимо обеспечить малый радиус притупления рабочего ребра внешней части и несколько больший радиус впадины внутренней части. При этом условии в опоре не будет трения скольжения, а будет трение качения.
С применением резьбовых отверстий вала (фиг. 5) на нем винтами 11 закреплен равноплечий рычаг 12. Для удобства выполнения монтажных работ предусмотрены технологические (съемные) винты 13, которые входят в отверстия рычага 12 и фиксируются посредством резьбы на верхней плите 2.
Торцовые поверхности равноплечего рычага являются элементами связи с преобразователем угла поворота вала в электрический сигнал. Основу этого преобразователя составляют две струны 14, 15, которые выполнены из ленточных заготовок прямоугольного сечения из магнитопроводного материала. Для обеспечения работы струн в характерном для них частотном диапазоне предусмотрена упругая балка 16. Упругая балка размещена в пазу нижней пластины 3 корпуса. Средняя часть балки за счет пониженного сечения имеет упругий (пружинный) участок. Рабочая (деформированная) форма балки определяется двумя опорными винтами 17, 18 и крепежным винтом 19. Струны закреплены на торцовых поверхностях равноплечего рычага и упругой балки однотипно: струна 14 посредством накладки 20 и винтов 21 - на равноплечем рычаге, с помощью накладки 22 и винтов 23 - на упругой балке, соответственно струна 15 с помощью накладки 24 и винтов 25 закреплена на равноплечем рычаге, а с помощью накладки 26 и винтов 27 на упругой балке. Для удобства операции сборки и юстировки в боковой стенке 5 предусмотрено технологическое окно 28. Крепление датчика на объекте исследования осуществляется за резьбовые отверстия 29.
Предусмотрен режим автоколебаний струн. Системы возбуждения автоколебаний струн независимы, но конструктивно основные элементы обеих систем смонтированы на общем кронштейне 30 в виде сборочной единицы «Кронштейн системы возбуждения автоколебаний» - фиг. 6. Имеется блок магнитной цепи. Для одной струны в него входят плоские магнитопроводы 31, 32 и намотанная на каркас бифилярная (в два провода) электрическая катушка 33. Соответственно для другой струны - магнитопроводы 34, 35 и катушка 36. Магнитопроводы 31 и 35 выполнены в виде единой детали. Через отверстия в магнитопроводах и каркасах катушек пропущена магнитопроводная стяжка 37, объединяющая указанные элементы. Кронштейн 30 выполнен из диэлектрического немагнитопроводного материала, имеет крепежные резьбовые отверстия, его передняя часть имеет форму разновысокой вилки. Блок магнитной цепи размещен на вилочной части кронштейна и закреплен винтами 38.
Каждая электрическая катушка входит в состав схемы формирования импульсов привода (СФИП) - фиг. 7. Элементы обеих СФИП (два транзистора, два резистора и два конденсатора) методом навесного монтажа установлены на кронштейне 30 (на чертеже не показано) и соединены монтажными проводами с электрическим разъемом 38. Рассмотренная сборочная единица винтами 39 закреплена на стенке 4 корпуса.
0
u
u
Схема формирования импульсов привода выполнена на биполярном транзисторе VT, эмиттер которого соединен с общей шиной. Она содержит резистор R и конденсатор С, первые выводы которых подключены к базе транзистора. Резистор R предназначен для смещения рабочей точки транзистора в середину его активной области, а конденсатор С - для сбоя высокочастотной генерации. Первая секция электрической катушки (катушка освобождения W) блока магнитной цепи включена между базой транзистора и эмиттером. Первый вывод второй секции электрической катушки (катушка импульса W) и второй вывод резистора подключены к шине электропитания Е, а второй вывод катушки W и второй вывод конденсатора подключены к коллектору транзистора с образованием выходной шины.
0
OB
Системы возбуждения автоколебаний струн работают автономно. При включении электропитания Е фронтом тока в катушках блока магнитной цепи создается магнитный импульс по цепи - магнитопроводная стяжка 37 - плоские магнитопроводы - зазоры - струна. Взаимодействие поля с магнитопроводной струной обеспечивает ее смещение. Далее начинающиеся колебания струны модулируют магнитный поток φ и в катушках индуцируется ЭДС. ЭДС катушки освобождения е имеющей ω витков равна
u
Положительной полуволной ЭДС открывается транзистор и по катушке Wпроходит импульс тока компенсирующий потери энергии струны.
Таким образом, датчик структурно представляет собой две автоколебательные системы, построенные на одинаковых струнах, заделки которых смещены от осевой линии вала на одинаковое расстояние, равное плечу рычага 12.
При сборке датчика посредством винтов 17, 18, 19 обеспечивают расчетное значение начальных частот струн. Заметим, что при этом равенство начального натяжения обеспечивается автоматически. Из уравнения равнодействующих сил, приведенных на ось вращения, следует, что возможное неравенство приведет к изменению исходного фазового положения вала. Но исходное фазовое положение вала не влияет на точность измерения. Указанное обстоятельство снижает трудоемкость первичной настройки, т.е. повышает технологичность.
Начальные частоты струн равны
где m, l - соответственно масса и длина струны;
0
F - сила предварительного натяжения.
Приложим к валу 8 внешний (измеряемый) крутящий момент М. Примем направления момента М против часовой стрелки (ориентация по фиг. 1).
Текущее натяжение составит
12
где l - плечо равноплечего рычага 12.
Соответственно, текущее значение частот будет равно
Искомое значение крутящего момента может быть получено совместным решением уравнений (4), (5) или через разность квадратов частот
Как показывают приведенные формулы при смене направления измеряемого момента М, изменится знак разности, т.е. входной сигнал датчика несет информацию как о величине (модуле) крутящего момента, так и о направлении.
0
Обратимся к влиянию внешних возмущающих факторов. К ним относятся: температура, старение материала, эффект «выползания» струны из заделки. Эти факторы влияют одинаково на обе струны, и их влияние приводит к изменению начального натяжения F и соответственно к одинаковому смещению начальных частот - формула (2). Важно то, что при этом разность частот остается неизменной. Этим фактом подчеркиваются высокие помехоустойчивость и точность измерения, в широком смысле высокая технологичность конструкции, поскольку нет необходимости вводить компенсирующие цепи.
Пользуются датчиком крутящего момента следующим образом. С помощью резьбовых отверстий 29 корпуса 1 закрепляют датчик на объекте исследования и обеспечивают кинематическую связь с валом 8 датчика. Через электрический разъем 38 подводят электропитание уровня Е. Проводят эксперимент. Результаты эксперимента получают на соответствующих контактах электрического разъема 38 датчика.
Таким образом, предлагаемый датчик крутящего момента высокотехнологичен. Конструкция датчика содержит малое количество простых по форме деталей, что обеспечивает низкие трудозатраты на изготовление, обслуживание и метрологическую аттестацию. Дифференциальная схема построения преобразователя угла поворота вала в электрический сигнал реализует высокую помехоустойчивость.