ДАТЧИК ДЛЯ СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 1995 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений реактивных сил и крутящих моментов авиационных двигателей, преимущественно ТВД и ТВВД, при испытании на станке и в полете.

На силоизмерительных устройствах, которые применяются на испытательных станциях, двигатель прикреплен к динамометрической платформе, подвешенной к опорным стойкам на упругих лентах или шатунах. Вектор тяги двигателя и вектор силы, действующий на датчик силоизмерительного устройства (СИУ), находятся в различных горизонтальных плоскостях, расстояние между которыми достигает значительных размеров. Так для двигателей с тягой 100-120 кН это расстояние достигает 2 м. Эти станки имеют погрешность порядка 0,5% и ряд эксплуатационных недостатков, вызванный различными факторами [1].

Известен датчик силоизмерительного устройства, ближайший по технической сущности к предлагаемому и принятый за прототип [2], в котором упругий элемент выполнен в виде полого цилиндра с буртом, который снабжен тензорезисторным элементом. Работа тензорезисторного силоизмерителя основана на преобразовании деформации изгиба упругого элемента в электрический сигнал, пропорциональный измеряемой нагрузке. Тензорезисторы собираются по схеме электрического моста. Такой датчик предназначен для измерения силы, вектор которой строго совпадает с его осью.

Недостатками прототипа являются низкая точность и эффективность из-за невозможности измерения силы тяги в полете.

Целью изобретения является повышение точности и эффективности за счет возможности измерения силы тяги в полете, а также расширение функциональных возможностей за счет измерения крутящего момента.

Это достигается тем, что в датчике для силоизмерительного устройства, содержащем размещенные на упругом элементе тензорезисторы, включенные в схему электрического моста, упругий элемент выполнен в виде усеченного полого конуса с фланцем у основания и ступицей при вершине, диаметры усеченного конуса связаны между собой соотношением
D42

- = D41 а углы при вершинах наружной и внутренней поверхностей выбраны из соотношения
tg = tg где D₁ и D₂ - диаметры внутренней и наружной поверхностей большего основания усеченного полого конуса;
d₁ и d₂ - диаметры внутренней и наружной поверхностей малого основания усеченного полого конуса;
α₁ и α₂ - углы при вершинах конусов внутренней и наружной поверхностей,
l₁ и l₂ - расстояния от места приложения силы Р до кольцевых сечений конуса у ступицы и фланца соответственно,
при этом тензорезисторы закреплены по образующим внутренней поверхности конуса диаметрально противоположно относительно друг друга, а их оси расположены в одной плоскости с осью датчика и двигателя, ось которого перпендикулярна оси двигателя. Кроме того, датчик снабжен дополнительными тензорезисторами, размещенными диаметрально противоположно по образующим внутренней поверхности усеченного полого конуса, причем оси тензорезисторов и ось датчика расположены в плоскости, перпендикулярной оси двигателя.

На фиг.1 представлен разрез датчика для силоизмерительного устройства; на фиг.2 и 3 - схемы расположения датчиков на двигателе для измерения тяги соответственно с одной силовой подвесной и с двумя подвесками; на фиг.4 - схема расположения датчиков для измерения крутящего момента.

Датчик для силоизмерительного устройства содержит упругий элемент 1, выполненный в виде полого усеченного конуса с фланцем 2 у основания и ступицей 3 при вершине. Фланцем 2 датчик крепится к двигателю 4, а ступицей 3 жестко закрепляется к станку или мотораме самолета 5.

Усеченный полый конус с постоянным напряжением от изгиба по его высоте обеспечивает равномерную деформацию при изменении силы тяги, которая воспринимается тензорезисторами 6 (фиг.1), установленными по образующим внутренней поверхности усеченного конуса, диаметрально противоположно друг другу. Оси тензорезисторов 6 и датчика 1 расположены в одной плоскости с осью двигателя 4, причем ось датчика 1 перпендикулярна оси двигателя 4. Кроме того, по образующим внутренней поверхности конуса диаметрально противоположно друг другу, установлены дополнительные тензорезисторы 7, оси которых и ось датчика расположены в плоскости, перпендикулярной оси двигателя 4. Тензорезисторы 6 и 7 собраны по схемам электрического моста.

Работает силоизмерительное устройство следующим образом.

При приложении силы Р к ступице 3 упругий элемент 1 испытывает деформацию (фиг.1). Эта деформация передается тензорезисторам 6 и вызывает сжатие задний по направлению вектора силы и растяжение передних тензорезисторов 6, что изменяет их электрическое сопротивление. В электрическом мосте возникает напряжение разбаланса, по величине которого можно судить о приложенной нагрузке. Аналогично работают тензорезисторы 7, измеряющие крутящий момент.

Выполнение датчика 1 в виде усеченного полого конуса позволяет его одновременно использовать в качестве силовой цапфы, форма которой (усеченный полый конус) обеспечивает условие необходимой прочности.

Постоянство напряжения по высоте конуса обеспечивает равномерную деформацию упругого элемента датчика 1 и, следовательно, повышает точность измерения силы. Расположение осей тензорезисторов 6 и датчика 1 в одной плоскости с осью двигателя 4 (ось датчика 1 перпендикулярна оси двигателя) также повышает точность замера тяги.

Датчик для силоизмерительного устройства позволяет замерять тягу тензорезисторами 6 и крутящий момент тензорезистора 7 двигателя как при испытании на стенде, так и в полете.

Использование: для измерений реактивных сил и крутящих моментов авиационных двигателей при испытании на станке и в полете. Сущность изобретения: датчик содержит упругий элемент 1 в виде полого усеченного конуса с фланцем 2 у основания и ступицей 3 при вершине. Фланцем 2 датчик крепится к двигателю 4, а ступицей 3 жестко крепится к станку или к моторам самолета. Деформация от действия силы тяги и крутящего момента воспринимается тензорезисторами 6, 7, установленными по образующим внутренней поверхности усеченного конуса. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ДАТЧИК ДЛЯ СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, содержащий размещенные на упругом элементе тензорезисторы, включенные в схему электрического моста, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и эффективности путем обеспечения измерения силы тяги в полете, упругий элемент выполнен в виде усеченного полого конуса у основания и ступицей при вершине, диаметры усеченного конуса связаны между собой соотношением

а углы при вершинах наружной и внутренней проверхностей выбраны из соотношения

где D₁ и D₂ - диаметры внутренней и наружной поверхностей большого основания усеченного полого конуса;
d₁ и d₂ - диаметры внутренней и наружной поверхностей малого основания усеченного полого конуса;
α₁ и α₂ - углы при вершинах конусов внутренней и наружной поверхностей;
l₁ и l₂ - расстояния отточки приложения силы до кольцевых сечений конуса у ступицы и фланца соответственно,
при этом тензорезисторы закреплены по образующим внутренней поверхности конуса диаметрально противоположно относительно друг друга, а их оси расположены в одной плоскости с осью датчика и двигателя, ось которого перпендикулярна оси двигателя. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения измерения крутящего момента, он снабжен дополнительными тензорезисторами, размещенными диаметрально противоположно по образующим внутренней поверхности усеченного полого конуса, причем оси тензорезисторов и ось датчика расположены в плоскости, перпендикулярной оси двигателя.