Датчик силы

 

Изобретение м.б. использовано в устр-вах для взвешивания подвижных объектов и позволяет повысить точность измерений. Датчик состоит из двух торсионных валов, представляющих собой соосно размещенные один в другом упругие чувствительные элементы 1 и 2. При соединении элементов 1 и 2 они предварительно закручиваются относительно друг друга на угол, соответствующий макс, расчетному значению касательных напряжений в их рабочей части. С момента приложения внешней силы она складывается с потенциальной энергией деформированного состояния элементов 1 и 2. На рабочей части элементов 1,2 наклеены тензорезисторы 3. 4 ил. с $ (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК йи4 С 01? 1/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4083684/24-10 (22) 03.07.86 (46) 07.01.88. Бюл. !! I (7!) Специальное конструкторско-технологическое бюро весоиэмерительной техники (72) А.И. Апасеев, Г.М. Гурьев и В.И. Ковалев (53) 531.78!(088.8) (56) Макаров P.À. и др. Тенэометрия в машиностроении, М.: Машиностроение, 1975, с. 141-142.

Авторское свидетельство СССР

В 351104, кл. G Ol Ь 5/24, 13.09.72.

Патент ГДР В 31838, кл. 42 К 34/01, G О1 Ь 5/00, 1965.

ÄÄSUÄÄ 3 64916 А1 (54) ДАТЧИК СИЛЫ (57) Изобретение м.б. использовано в устр-вах для взвешивания подвижных объектов и позволяет повысить точность измерений. Датчик состоит из двух торсионных валов, представляю-, щих собой соосно размещенные один в другом упругие чувствительные элементы 1 и 2. При соединении элементов I и 2 они предварительно закручиваются относительно друг друга на угол, соответствующий макс. расчетному значению касательных напряжений в их рабочей части. С момента приложения внешней силы она складывается с потенциальной энергией деформированного состояния элементов 1 и 2.

На рабочей части элементов 1,2 наклеены тенэорезисторы 3. 4 ил.

1364916

Изобретение относится к устройствам для измерения сил, крутящих моментов и веса объектов, например в устройствах для взвешивания подвиж5 ных объектов: автомобилей, железнодорожного состава и других объектов в статическом положении и при движении.

Цель изобретения — повышение точ- 10 ности.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика в равновесном напряженном состоянии; на фиг. 2 — эпюра напряжений в упругих элементах в равно- 1 . весном напряженном состоянии, сечечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — эпюра напряжений при действии наибольшего момента внешней силы или крутящего момента; на фиг. 4 — график тео- 20 ретической характеристики датчика

U=f(F).

Датчик состоит из двух торсионных валов, представляющих собой внутренний упругий чувствительный элемент 1, выполненный в виде сплошного или полого стержня, соосно расположенный внутри внешнего цилиндрического упругого элемента 2.

На рабочей части одного или обоих 30 упругих элементов наклеены тензорезисторы 3.

К одному или обоим концам упругих элементов прикреплены силовводящие элементы 4, к которым прикладывается внешняя сила F или крутящий момент 1 р .

Внутренний 1 и внешний 2 упругие элементы скреплены между собой по концам. Сначала упругие элементы 40 скрепляются между собой на одном конце любым известным способом: шпоночным соединением, шлицевым, сваркой и т.д. Затем этот конец закрепляется в жесткой неподвижной опоре, а к од- 45 ному из свободных концов упругого элемента 1 или 2 прикладывается внешняя сила F или крутящий момент М„р . В результате приложения силы или крутящего момента производится закручивание первого упругого элемента относительно второго на угол, соответствующий максимальному расчетному значению касательных напряжений в рабочей части этого упругого элемента. 55

После достижения закручивания первого упругого элемента на заданный угол оба урпугих элемента скрепляются между собой со стороны конца, к которому были приложены внешняя сила

F или момент М р, а затем эта сила F или момент М„, снимаются.

В результате освобождения упругих элементов от действия внешней силы часть потенциальной энергии деформирования закрученного упругого элемента передается на второй и производит его закручивание в противоположном направлении до равновесного состояния обоих элементов. Оба упругих чувствительных элемента становятся предварительно напряжены внутренними силами противоположного знака.

Такое состояние упругих элементов повышает точность измерения за счет уменьшения величины гистерезиса и уменьшения времени затухания упругих колебаний датчика.

Работа датчика заключается в следующем.

Скрепленные между собой упругие элементы 1 и 2 находятся в равновесном напряженном состоянии. При этом в рабочих частях возникают касательные напряжения разного знака, т.е. упругие элементы находятся в закрученном состоянии на определенный угол, но каждый в противоположном состоянии.

В теле упругих элементов возникает потенциальная энергия деформированного состояния, величина которой соответственно пропорциональна углу закручивания каждого элемента и величине касательных напряжений в состоянии равновесия.

На фиг. 2 изображена эпюра напряжений в упругих элементах в состоянии равновесия, при этом C — касательные напряжения рабочей части упругого элемента 1, Г, — касательные напряжения рабочей части упругого элемента 2. Эпюра показывает, что касательные напряжения направлены в противоположные стороны, т.е. имеют разные знаки.

При приложении внешней силы или момента М„р в направлении, укаэанном на фиг. 3, напряжения, увеличиваются до максимального расчетного значения, а напряжения t второго упругого элемента уменьшаются и достигают в определенный момент нулевого значения.

С момента приложения внешней силы или момента M потенциальная энергия деформированного состояния упруз )36491 гого элемента 2, высвобождаясь, складывается с внешними силами, что увеличивает чувствительность на самых начальных этапах нагружения. Дейст5 вие потенциальной энергии деформирования будет происходить до тех пор, пока в упругом элементе 2 касательные напряжения будут равны "0". При дальнейшем приложении внешней части F или момента М„р упругий элемент

2 будет закручиваться в ту же сторону, что и упругий элемент 1, следовательно жесткость при кручении будет увеличена на жесткость упругого элемента 2, а следовательно, характеристика изменится.

На фиг. 4 показана теоретическая градуировочная характеристика датчика, определяемая зависимостью 20

V=(F Veg, где U — выходная величина, выраженная в относительных единицах угловой деформации для определенной жесткости упругих 25 элементов.

В нашем случае G — собственная жесткость упругих элементов 1 и 2, Gq — суммарная жесткость обоих упру- 30 гих элементов. Прямая а показывает характеристику упругих элементов при их жесткости G, прямая Ь вЂ” суммарную характеристику обоих упругих элементов при суммарной жесткости G З5 прямая с — разностную характеристику, когда упругие элементы закручены в разные стороны.

Точка на прямой а характеризиует предварительный момент M закрутки одного из упругих элементов, а точка И вЂ” выходную величину при значении М.

Точка 4 на прямой а характеризует равновесное состояние упругого ( элемента 1, а точка a(z — равновесное состояние упругого элемента 2, точки

U u Ut — соответственно их выходные

I величины при остаточных значениях М

1 и M> °

Точка Р на прямой с характеризует разностное значение выходной величи— ны, переходящее в суммарное значение.

Это состояние, когда в упругом элементе 2 касательные напряжения Г становятся равными нулю, после чего они возрастают с одинаковым знаком в обоих упругих элементах. формула изобретения

Датчик силы, содержащий два соосно размещенных один в другом торсионных вала, жестко связанных между собой по концам, и тензорезисторы, размещенные на валах, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, торсионные валы соединены с предварительным закручиванием один относительно другого на заданный угол.

6 =0

l 36491 6

Составитель И. Мальгинова

Редактор В. Данко Техред М.Ходанич

Корректор А. Зимокосов

Заказ 6587/34 Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4