Датчик крутящего момента

Авторы патента:

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к средствам измерения одного из основных параметров тепловых двигателей - эффективного крутящего момента - при стендовых и эксплуатационных испытаниях двигателей внутреннего сгорания Полезная модель решает задачу повышения точности измерения эффективного крутящего момента малой мощности и частичных нагрузок ДВС большой мощности. При вращении коленчатого вала, крутящий момент через упругую муфту 12 передается от маховика 13 на ведущий вал 2, на ведущий диск 3 и далее на пружины 6. Пружины 6 вторым концом закреплены на ведомом диске 5 вала 4, и через муфту 14 момент сопротивления передается на тормоз или в трансмиссию. При отсутствии нагрузки пазы 8 и 10 на дисках 3 и 5 регулировкой предварительного натяжения пружин 6 совпадают. При увеличении момента сопротивления паз 10 ведомого диска 5 начинает отставать от паза 8 на ведущем валу. На выходе обоих индуктивных датчиков 15 образуются мгновенные одинаковые значения токов с амплитудой, пропорциональной числу оборотов валов, но сдвинутых по фазе. Сигналы подаются на фазовый детектор и через фильтр на измерительный прибор. Выходной сигнал чувствительного элемента в виде сдвига фаз одинаковых мгновенных значений амплитуд токов датчиков положения ведущего и ведомого дисков, пропорциональный M_e, определяется неограниченным углом закрутки. Выходной сигнал не зависит от амплитуды, позволяет применять ДКМ для измерения больших значений эффективного крутящего момента на частичных режимах ДВС большой мощности и ДВС малой мощности при малых относительных погрешностях. Заявляемый датчик крутящего момента конструктивно прост, имеет минимальные осевые и радиальные размеры и вес.

Известен торсионный датчик крутящего момента с проволочными преобразователями (Туричин А.М. Электрические измерения. Ленинград: Издательство Энергия. 1975), в котором на упругий (торсионный) вал изолированного от его поверхности, наклеиваются датчики сопротивления до 200 Ом, собранные в полумостовую или мостовую схему. Мостик питается постоянным или переменным током стабилизированного напряжения для исключения погрешности измерения тока в измерительной диагонали. Подвод и передача сигнала осуществляется через изолированные токосъемники, состоящие из колец и щеток. Через скользящие токосъемники мостик соединяется с источником питания и усилителями.

Недостатки этого датчика: низкая чувствительность проволочных преобразователей; зависимость относительной погрешности не только от M_e, но и от величины измеряемого M_emax , технологическая сложность изготовления мостовой схемы; существенное влияние случайной погрешности в скользящих контактах. Все это вместе с систематическими погрешностями первичных преобразователей и инструментальной погрешностью регистрирующего прибора делает торсиограф малопригодным для измерения эффективного крутящего момента ДВС малой мощности.

Известен бесконтактный торсионный тензометрический датчик крутящего момента с косвенным чувствительным преобразователем - фотоэлектрическим датчиком (Фарафонтов М.Ф. Испытания двигателей: учебное пособие. Челябинск: ЧПИ. 1983), состоящий из торсионного вала, на котором закреплены базовый и ведомый диски. Ведомый диск расположен на дистанционной трубе, длина которой до места крепления на валу определяется расчетной чувствительностью первичного преобразователя. На периферии дисков выполнено одинаковое количество равномерно расположенных отверстий. Между дисками устанавливается лампочка, а с наружных сторон дисков фотодиоды (или фоторезисторы). Фотоэлектрический датчик крутящего момента обеспечивает независимость выходного сигнала, отсутствие случайных погрешностей, связанных с бесконтактной передачей сигнала первичного преобразователя в цепь, возможность использования зависимости амплитуды силы фототока от частоты вращения торсионного вала датчика.

Основные недостатки этого устройства: большие габариты и вес торсионного вала, необходимость балансировки вала с дисками при большом числе оборотов для исключения дисбаланса.

Известен датчик крутящего момента (Туричин А. М. Электрические измерения. Ленинград: Издательство Энергия. 1975) типа T10FS фирмы AVL (Австрия), в котором применение материала вала с повышенным модулем упругости позволило увеличить допустимый угол закрутки до 2° на метр; уменьшить расстояние между базовым и вторичным сечениями, увеличить диаметр ротора, на наружную поверхность которого устанавливаются тензодатчики, и еще больше уменьшить длину ротора.

Недостатки этого датчика крутящего момента: сложность конструкции и измерительной схемы, малая чувствительность по сдвигу фаз на входе в измерительный прибор, большая относительная погрешность при измерении.

Полезная модель решает задачу повышения точности измерения эффективного крутящего момента малой мощности и частичных нагрузок ДВС большой мощности.

Это достигается тем, что датчик крутящего момента содержит корпус, в котором аксиально расположены ведущий и ведомый валы с закрепленными на них дисками, соединенными между собой пружинами, один конец каждой из которых закреплен на ведущем диске, а другой на ведомом диске, на ведущем диске имеются паз и стрелка, а на ведомом диске паз и шкала, при этом на корпусе установлены индуктивные датчики, ведущий вал соединен с маховиком посредством упругой муфты, ведомый вал соединен с нагрузкой посредством муфты.

Установка тарированных пружин позволяет получить выходной сигнал в виде угла отставания ведомого диска относительно ведущего, превышающий по величине сдвиг фаз, ограниченный модулем упругости торсионного вала на метр. Изменением количества пружин осуществляется ступенчатая разбивка диапазона измеряемых моментов на несколько более узких диапазонов, при сохранении заданного сдвига фаз. Увеличение сдвига фаз по сравнению с допустимым на один метр для торсионных датчиков исключает необходимость установки усилителя и других передаточных устройств, вносящих инструментальную погрешность, чем обеспечивает достаточную точность измерения малых значений эффективного крутящего момента во всем диапазоне при значительном уменьшении осевых габаритов, массы и упрощении конструкции и измерительной схемы.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство в разрезе, на фиг. 2 - аксонометрическая проекция.

Устройство содержит корпус 1, в котором на подшипниках установлен ведущий вал 2 с закрепленным на нем посадкой ведущим диском 3 и ведомый вал 4 с диском 5. Диски соединены между собой комплектом тарированных пружин 6, один конец каждой из которых закреплен на ведущем диске 3, другой на ведомом диске 5 штифтами 7. На диске 3 выполнен паз 8 и установлена стрелка 9, на диске 5 - паз 10 и шкала 11. Ведущий вал 2 упругой муфтой 12 соединен с маховиком 13, а ведомый вал 4 - с нагрузкой муфтой 14. Сверху на корпусе установлены индуктивные датчики 15. Смещение паза 10 относительно паза 8 на регистрирующем приборе контролируется стробоскопом по положению стрелки 9 на шкале 11.

Устройство работает следующим образом.

При вращении коленчатого вала, крутящий момент через упругую муфту 12 передается от маховика 13 на ведущий вал 2, на ведущий диск 3 и далее на пружины 6. Пружины 6 вторым концом закреплены на ведомом диске 5 вала 4, и через муфту 14 момент сопротивления передается на тормоз или в трансмиссию.

При отсутствии нагрузки пазы 8 и 10 на дисках 3 и 5 регулировкой предварительного натяжения пружин 6 совпадают. При увеличении момента сопротивления паз 10 ведомого диска 5 начинает отставать от паза 8 на ведущем валу. На выходе обоих индуктивных датчиков 15 образуются мгновенные одинаковые значения токов с амплитудой, пропорциональной числу оборотов валов, но сдвинутых по фазе. Сигналы подаются на фазовый детектор и через фильтр на измерительный прибор.

Выходной сигнал чувствительного элемента в виде сдвига фаз одинаковых мгновенных значений амплитуд токов датчиков положения ведущего и ведомого дисков, пропорциональный M_e, определяется неограниченным углом закрутки.

Выходной сигнал не зависит от амплитуды, позволяет применять ДКМ для измерения больших значений эффективного крутящего момента на частичных режимах ДВС большой мощности и ДВС малой мощности при малых относительных погрешностях.

Заявляемый датчик крутящего момента конструктивно прост, имеет минимальные осевые и радиальные размеры и вес.

Датчик крутящего момента, содержащий корпус, в котором аксиально расположены ведущий и ведомый валы с закрепленными на них дисками и соединенными между собой пружинами, один конец каждой из которых закреплен на ведущем диске, а другой на ведомом диске, на ведущем диске имеются паз и стрелка, а на ведомом диске паз и шкала, при этом на корпусе установлены индуктивные датчики, ведущий вал соединен с маховиком посредством упругой муфты, ведомый вал соединен с нагрузкой посредством муфты.