Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений

Авторы патента:

G01L1 - Измерение силы или механического напряжения вообще (измерение силы удара G01L 5/00; измерение давления жидкостей и газов G01L 7/00-G01L 27/00; измерение деформации твердых тел в результате напряжения с использованием измерительных приборов G01B)

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в измерительной технике для измерения сил, создаваемых давлением упругих деталей, например поршневых колец на стенку цилиндра. Технический результат - повышение точности измерения и достоверности воспроизведения эпюры радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра двигателя. Для этого в упругом элементе, по образующей тела вращения выполнены окна минимальной ширины в виде прорезей, позволяющие увеличить количество разделяющих их перемычек с тензорезисторами, которые являются измерительными элементами, причем прорези выполнены в торцевой части тела вращения и перемычки представляют собой консольные балки, кроме того, прорези выполнены в средней части тела вращения, а перемычки жестко заделаны с двух сторон, кроме того, прорези выполнены в торцевой части тела вращения переменного сечения при этом перемычки представляют собой консольные балки L-образной формы.

Известна конструкция устройства для определения распределения радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра, которая выполнена в виде тела вращения Н-образной формы в осевом сечении, с фланцем в основании, кожуха, охватывающая тело вращения так, что между поверхностями образована кольцевая камера, и крышки, а в качестве измерительных элементов использованы тензометрические балки, установленные в камере, причем каждая из них контактирует со штифтом и с регулировочным винтом, измеряемое кольцо у наружной поверхности опирается на штифты, а они передают усилия на тензометрические балки, которые являются измерительными элементами устройства, представляющими собой отдельные независимые друг от друга элементы (см. патент СССР №323924 от 25.09.69 г.).

Недостатком данной конструкции является сложность конструкции, требующая значительного времени на настройку при измерении, а также недостаточная достоверность воспроизведения эпюры давления из-за ограниченного числа измерительных элементов.

Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является упругий элемент тензометрического эпюромера, выполненный в виде полого тела вращения цилиндрической формы, внутренний диаметр которого равен диаметру цилиндра, с расположенными по окружности на его поверхности

прямоугольными окнами и с разделяющими их перемычками, представляющими собой балочки равного сечения по всей длине, с наклеенными на них тензорезисторами, при этом каждая балочка является измерительным элементом (см. авт.свид. СССР №171636 от 02.12.63 г.).

Недостатком данной конструкции является относительная сложность изготовления окон, а также недостаточная точность измерения и воспроизведения эпюры радиальных давлений, из-за ограниченного количества измерительных элементов.

Сущность полезной модели заключается в разработке конструкции упругого элемента, которая позволяет повысить точность измерения и достоверность воспроизведения эпюры радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра за счет увеличения количества измерительных элементов.

Технический результат - повышение точности измерения и достоверности воспроизведения эпюры радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра, выполненный в виде полого тела вращения цилиндрической формы, внутренний диаметр которого равен диаметру цилиндра, с расположенными по окружности на его поверхности окнами и с разделяющими их перемычками, с закрепленными на них тензорезисторами, достигается за счет того, что окна расположены по образующей тела вращения, причем выполнены минимальной ширины в виде прорезей, что позволяет увеличить количество разделяющих их перемычек с тензорезисторами, которые являются измерительными элементами, причем прорези выполнены в торцевой части тела вращения, а перемычки представляют собой консольные балки, кроме того, прорези выполнены в средней части тела вращения, а перемычки жестко заделанные с двух сторон, кроме того, прорези выполнены в торцевой

части тела вращения переменного сечения при этом перемычки представляют собой консольные балки L-образной формы.

На чертежах представлено: фиг.1 - упругий элемент с прорезями, выполненными в торцевой части тела вращения с перемычками в виде консольных балок; фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; фиг.3 - упругий элемент с прорезями, выполненными в средней части тела вращения с перемычками жестко заделанными с двух сторон; фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3; фиг.5 - упругий элемент с прорезями, выполненными в торцевой части тела вращения переменного сечения, с перемычками в виде консольных балок L-образной формы; фиг.6 - сечение В-В на фиг.5; фиг.7 - пример построения эпюры радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на стенки цилиндра, полученной при помощи устройства с предлагаемым упругим элементом.

Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом 5 на поверхность цилиндра, выполненный в виде полого тела вращения цилиндрической формы 1, внутренний диаметр которого равен диаметру цилиндра, с расположенными по окружности на его поверхности окнами, выполненными минимальной ширины в виде прорезей 2, с перемычками 3 с закрепленными на них тензорезисторами 4, причем прорези 2 (фиг.1) выполнены в торцевой части тела вращения 1, а перемычки 3 представляют собой консольные балки; кроме того, прорези 2 (фиг.2) выполнены в средней части тела вращения 1, а перемычки 3 жестко заделанные с двух сторон с закрепленными на них тензорезисторами 4; кроме того, прорези 2 (фиг.3) выполнены в торцевой части тела вращения переменного сечения 1 с перемычками 3 в виде консольных балок L-образной формы с закрепленными на них тензорезисторами 4.

Для измерения эпюры радиальных давлений поршневых колец на поверхность цилиндра с достаточной точностью необходимо выполнить следующие условия: кольцо при измерении должно опираться на максимально возможное количество измерительных элементов, поэтому, чем больше количество измерительных элементов и чем меньше расстояние между ними,

тем ближе давление в каждой точке кольца, помещенного в устройство с упругим элементом, к давлению в каждой точке кольца, помещенного в цилиндр, и тем точнее и достовернее измерение распределения радиального давления по всей окружности поршневого кольца, причем измерительные элементы должны быть расположены на диаметре равном диаметру цилиндра, а опорная поверхность должна иметь минимальные отклонения от круглости; упругие измерительные элементы должны иметь максимальную жесткость, т.е. минимальное «проседание» под нагрузкой. При не выполнении этих условий происходит существенное перераспределение давлений по периметру кольца, что искажает реальную эпюру радиальных давлений. Точность измерения точек эпюры радиальных давлений прямо пропорциональна величине выходного сигнала тензорезистора (пропорциональна относительной деформации или действующему напряжению) и обратно пропорциональна величине прогиба упругого элемента. Точность измерения в каждой точке можно оценить с помощью коэффициента чувствительности измерительного канала:

, где

- коэффициент чувствительности;

- напряжение в месте установки тензорезистора на измерительном элементе;

f - прогиб измерительного элемента в месте установки поршневого кольца; для балок, жестко заделанных с двух сторон, напряжение и прогиб в середине пролета рассчитывается по следующим формулам:

, где

Р - сила давления поршневого кольца на измерительный элемент;

L - длина балки (измерительного элемента);

W - момент сопротивления балки;

Е - модуль упругости материала балки;

J - момент инерции сечения балки;

для консольных балок напряжение в районе заделки и прогиб в месте установки поршневого кольца рассчитываются по следующим формулам:

Таким образом, точность измерения в каждой точке эпюры давлений, не зависит от величины силы на упругом элементе, а зависит только от длины упругого элемента L, его геометрических характеристик сечения J, W и упругих свойств материала Е. Кроме того, точность измерения на каждом измерительном элементе прямо пропорциональна количеству установленных тензорезисторов, работающих в активных плечах электрического тензометрического моста.

Для изготовления прорезей на упругом элементе, выполненном в виде полого тела вращения цилиндрической формы, применяется электроэрозионный проволочно-вырезной станок, позволяющий выполнять прорези минимальной ширины от 0,1 мм, в зависимости от диаметра применяемой проволоки, причем прорези выполняются за один проход. Операция выполнения прорезей проводится как окончательная, после термической обработки, шлифования и хонингования заготовки. Так как обработка ведется в среде охлаждающей жидкости, то на перемычки не воздействуют силы резанья, как при фрезеровании или при шлифовании, и кроме того, отсутствует температурное воздействие, что позволяет получить упругий элемент высокой точности и упростить технологию изготовления.

Работа упругого элемента для устройства измерения радиального давления поршневых колец на поверхность цилиндра осуществляется следующим образом. Для определения эпюры радиального давления измеряемое поршневое кольцо 5 устанавливают в упругий элемент 1 с прорезями 2 до упора. Поршневое кольцо 5 за счет сил упругости деформирует перемычки 3 с закрепленными на них тензорезисторами 4, причем каждая перемычка 3 представляет собой часть измерительного канала. Электрические сигналы с датчиков каждого измерительного канала регистрируются и записываются измерительным прибором, после чего по полученным значениям строится эпюра

радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра. Пример построения эпюры радиальных давлений, полученной при измерении поршневого кольца, изображен на фиг.7. Перед проведением измерений каждый измерительный канал градуируется статическими нагрузками с помощью градуировочного устройства.

Преимущество полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными упругими элементами заявленный упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений, создаваемых поршневым кольцом на поверхность цилиндра позволяет повысить точность измерения и достоверность воспроизведения эпюры радиальных давлений поршневых колец на стенку цилиндра за счет увеличения количества перемычек с тензорезисторами, являющихся измерительными элементами.

1. Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений, содержащий полое тело вращения цилиндрической формы, внутренний диаметр которого равен диаметру цилиндра двигателя, с расположенными по окружности на его поверхности окнами и с разделяющими их перемычками с закрепленными на них тензорезисторами, отличающийся тем, что окна расположены по образующим тела вращения и выполнены в виде прорезей минимальной ширины, увеличивающих количество разделяющих их перемычек.

2. Упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что прорези выполнены в торцевой части тела вращения, а перемычки представляют собой консольные балки.

3. Упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что прорези выполнены в средней части тела вращения, а перемычки жестко заделаны с двух сторон.

4. Упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что прорези выполнены в торцевой части тела вращения переменного сечения, при этом перемычки представляют собой консольные балки L-образной формы.