УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, ПРИЛОЖЕННОГО К ВАЛУ Российский патент 1996 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к силоизмерительной технике к устройству измерения момента на вращающемся валу, на котором устанавливаются два многополюсных магнита, закрепленные в двух смещенных по оси поперечных сечениях вала, включая неподвижное средство отсчета, чувствительное к прохождению магнитов, и которое подает сигнал, обработанный пропорционально моменту.

Изобретение относится также к устройству измерения скорости вращения вала и мощности, передаваемой указанным валом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, в котором угловое положение каждого магнита считывается датчиком с выходным дискретным сигналом, а крутящий момент вала измеряется путем сдвига фазы фронтов обработанных сигналов, подаваемых одним или другим датчиком /I/.

Техническим результатом изобретения является возможность измерения момента на валу, даже когда этот вал блокирован или когда изменяется его скорость вращения устройством простой и экономичной конструкции, которое позволяет измерять небольшие углы кручения.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения крутящего момента, приложенного к валу, состоящего из приводного участка, соединенного соосным торсионом с неподвижным участком вала, содержащем подшипник качения, два установленных соосно в двух поперечных разнесенных по оси сечениях вала многополюсных магнита, один из которых жестко связан с неподвижным участком вала, а другой жестко связан с приводным участком вала, неподвижный датчик углового смещения участков вала, размещенный между многополюсными магнитами, выполнен в виде двух идентичных элементов, расположенных на половине расстояния между многополюсными магнитами перпендикулярно синусоидальным полям магнитной индукции, создаваемым этими магнитами, и измеряющих результирующую этих полей, при этом центры этих элементов смещены по углу на расстояние d, равное нечетному числу, кратному четверти периода синусоидальных полей магнитной индукции. Кроме того технический результат достигается тем, что многополюсные магниты снабжены средством регулирования их углового смещения, выполненным в виде втулки с заплечиком, установленной свободно на приводном участке вала, при этом один из многополюсных магнитов жестко связан с заплечиком втулки и опорной поверхностью, выполненной на втулке в поперечном сечении приводного участка вала.

Кроме того технический результат достигается за счет того, что устройство снабжено кожухом с двумя уплотнениями, в котором размещены многополюсные магниты, неподвижный датчик углового смещения участков вала и подшипник качения, жестко закрепленный на неподвижном участке вала, причем один из торцов внутреннего кольца подшипника качения является опорой одного из многополюсных магнитов, одно из уплотнений размещено между наружными внутренним кольцами подшипника качения, а другое между кожухом и втулкой.

На фиг. 1 показан вид в продольном разрезе устройства на вращающемся валу, несущем упругую связь, образованную торсионом; на фиг.2- схематическое представление измерительных компонентов устройства; на фиг.3 распределение магнитных полей индукции перед датчиком; на фиг.4 диаграмма изменения результирующего поля и полей магнитной индукции, подаваемых магнитами; на фиг.5 диаграмма изменения результирующего поля и полей магнитной индукция с фазовой согласованностью; на фиг.4 диаграмма изменения результирующего поля и полей магнитной индукции с фазовой разностью; на фиг,7 диаграмма изменения результирующего поля под действием различных значений крутящего момента; на фиг. 8 схематическое представление датчика в результирующем магнитном поле; на фиг.9 кривая изменений выходного сигнала в зависимости от углового смещения вала; на фиг.10 и 11- диаграммы изменения выходного сигнала в зависимости от изменений момента для двух распределительных регулировочных значений полей индукции.

Согласно фиг.1 приводной участок вала 1 соединен с неподвижным участком вала 2 посредством деформируемой упругой связи, образованной торсионом 3. Участок 1 условно названный входным валом, соединен с не показанным на чертеже органом-двигателем. Участок 2, условно названный выходным валом, соединен с не показанным на чертеже органом-приемником. Торсион 3, расположенный соосно и концентрично участкам 1 и 2, позволяет передавать движение вращения указанных участков вала и деформацию кручения торсиона 3, когда орган-приемник противопоставляет механическое сопротивление вращению, вызванному органом-двигателем.

Участок вала 1 направляется при вращении подшипником качения 4 на несущей поверхности торсиона 3.

Насадка 5 с каннелюрами и с угловым зазором устанавливается между входным валом 1 и выходным валом 2 и позволяет получать свободное угловое перемещение вала 3 на угол, совместимый с зазором насадки. При превышении этого углового значения, вал 1 и вал 2 контактируют боковыми поверхностями каннелюр и непосредственно соединяются при вращении.

Шарикоподшипник 6 устанавливается зажатым на выходном валу 2 и имеет внутреннее кольцо 7 и наружное кольцо 8. Внутренняя сторона 9 внутреннего кольца 7 составляет опору многополюсного магнита 10, жестко связанного в поперечном сечении вала 2, например, путем одновременного наклеивания на поверхности 11 вала 2 и стороне 9 кольца 7.

Втулка 12, установленная со свободной пригонкой на входном валу 1, имеет заплечик 13 удерживания многополюсного магнита 14, жестко связанного, например, путем одновременного приклеивания к заплечику 13 и поверхности 15, выполненной на втулке 12 в поперечном сечении вала 1.

Расстояние между многополюсными магнитами 10 и 14 частично задается длиной поверхности 15 втулки 12, сторона 16 которой находится в скользящем контакте со стороной 17 поверхности 11 приемного вала.

Втулка 12 содержит также блокировочную связь посредством винта 18 на приводном валу 1.

Датчик 19 с эффектом Холла или с магнитосопротивлением устанавливается на опорной пластине 20, несущей электрические соединения и выводы 21.

Опорная пластина 20 вставлена в неподвижную коробку 22 между заплечикам 23 указанной коробки, в которой выполнены, кроме того, отверстие для прохода проводников 24 и кольцевая распорка 25, упироющаяся в сторону наружного кольца 8 подшипника 6. Коробка 22 содержит, таким образом, комплект многополюсных магнитов 10, 14, неподвижный датчик 19 и подшипник 6 и содержит на своем конце 26 край 27 для осевого удерживания подшипника 6.

Устройство содержит, кроме того, уплотнения 28 и 29, соответственно установленные между кольцом 8 и кольцом 7 подшипника качения и между коробкой 22 и втулкой 12, которые закрывают коробку 22.

На фиг.2 показаны измерительные компоненты. Магниты 10 и 14 выполнены из ферромагнитного материала, такого как пластоферрит, образованный из ферромагнитных частиц и пластичного вяжущего. Магниты одинаково намагничены на одной из их сторон 101 и 141 по известному способу многополюсного намагничивания.

Магнитные стороны 101 и 141 обращены друг к другу. Датчик 19 с эффектом Холла или с магнитосопротивлением размещается между двумя сторонами 101 и 141 без контакта с одной или с другой из указанных магнитных сторон.

Каждый магнит 10 и 14 создает магнитное поле индукции Н 10 и Н 14 в направлении, перпендикулярном сторонам 101 и 141.

Магнитная индукция Н 10 и Н 14, измеренная на половине расстояния сторон 101 и 141 в направлении, перпендикулярном указанным сторонам, имеет профиль синусоидальной циклической функции. Датчик 19 измеряет величину магнитной индукции в виде результата комбинации поля магнитной индукции Н 10 и Н 14.

Фиг. 4 развернутое представление полей магнитной индукции Н 10 и Н 14 со сдвигом фазы на значение S в одной точке измерения, расположенной на половине расстояния между магнитами 10 и 14 в зависимости от ее положения на директрисе, параллельной сторонам 101 и 141.

Результирующее поле магнитной индукции НR в каждой точке директрисы равно алгебраической сумме синусоидальных полей Н 10 и Н 14. Поле HR является синусоидальной функцией того же периода Р, что и два поля Н 10 и Н 14.

Значение магнитного сдвига фазы S исходно регулируется путем вращения втулки 12 на входном валу 1. Блокировочный винт 18 обеспечивает сохранение этого исходного регулирования.

Фиг. 5 развернутое представление двух полей магнитной индукции Н 10 и Н 14 с фазовой согласованностью, когда сдвиг фазы является нулевым.

В этом случае результирующее поле магнитной индукции НR принимает значение, равное двукратному значению одного из двух составляющих полей в любой измерительной точке.

Фиг. 6 развернутое представление двух полей магнитной индукции Н 10 и Н 14 с фазовой разностью, когда этот сдвиг фазы равен одному полупериоду одного какого-либо из двух полей Н 10 и Н 14. В этом случае результирующее поле магнитной индукции принимает нулевое значение в любой измерительной точке.

После регулирования магнитного сдвига фазы до исходного нулевого значения, подача крутящего момента между участком входного вала 1 и участком выходного вала 2 вызывает угловое перемещение магнитов 10 и 14 посредством крутящего вала 3. Это угловое перемещение выражается в изменении магнитного сдвига фазы S между полями индукции Н 10 и Н 14.

Результирующее поле магнитной индукции HR принимает значение, меньше исходного значения, показанного на фиг.4а. Когда смещение кручения соответствует сдвигу фазы, равному одному полупериоду (S Р/2), магнитное поле НR является нулевым.

Когда момент является нулевым, крутящий вал 3 упруго возвращает участки вала 1 и 2 в исходное положение, а результирующее поле индукции HR снова принимает исходное значение.

На фиг. 7 показано изменение результирующего поля магнитной индукции НR для трех значений крутящего момента с исходной регулировкой, где S О без подачи момента.

Без подачи момента поле магнитной индукции НR сохраняет пиковое значение + 2в, как показано на фиг. 5. Подача промежуточного момента вызывает относительное вращение магнитов 10 и 14 и выражается сдвигом фазы О<S<P/2 полей Н 10 и Н 14, результирующее поле HR принимает пиковое значение /+ а/, меньше /+ 2в/. Подача момента на пределе измерительных возможностей устройства обеспечивает относительное вращение магнитов 10 и 14 и сдвиг фазы полей Н 10 и Н 14 со сдвигом фазы S Р/2. В этом случае, результирующее поле принимает нулевое значение.

/а/ Может принимать все значения между + 2в и О, пропорционально такому S как О<S<Р/2. Значение S зависит только от крутящего момента, поданного на торсион 3 посредством входного вала 1 и выходного вала 2. Соотношение между поданным значением момента и сдвигом фазы S зависит только от физических характеристики и от сопротивления кручению торсиона 3.

Преобразование в электрические сигналы изменений поля магнитной индукции НR в зависимости от крутящего момента выполняется датчиком 19. Датчик 19 состоит из двух одинаковых элементов 301 и 302 с эффектом Холла или с магнитосопротивлением и подает выходные напряжения, пропорциональные полю магнитной индукции HR, которое их пересекает.

Как указано на фиг.8, центры С1, С2 чувствительных элементов 301 и 302 расположены в квадратуре по отношению к синусоидальному полю магнитной индукции НР, то есть на расстоянии d/ /2n+ I/ Р/4 один от другого, причем "n" целое число, положительное или нулевое.

На фиг.9 показано изменение сигнала, представляющего момент, измеренный на вращающемся валу. Для постоянного момента, поданного на торсион 3 и сопровождающегося угловым вращением θ входного вала 1, торсиона 3 и выходного вала 2, каждым чувствительным элементом 301 и 302 подаются электрические сигналы напряжения V 301 и V 302. Амплитуда этих сигналов по отношению к постоянной напряжения V _о пропорциональна значению поля индукции НR, которое пересекает каждый из элементов. Сигналы имеют одинаковую амплитуду и каждый из них имеет изменения одинакового вида, такого же периода Р, что и синусоидальная функция HR, и они сдвинуты по фазе, один относительно другого на Р/4.

Сигналы сцентрированы на значение V_о, которому соответствует напряжение, подаваемое одним или другим чувствительным элементом при отсутствии магнитного поля.

Каждому значению q соответствует одно значение сигнала V 301 и одно значение V₂ сигнала V 302, средняя квадратичная, определенная соотношением V_q= [(V₁-V_о)²+(V₂-V_о) ²] ^1/2 независима от q одновременного угла вращения валов 1, 3 и 2.

Средняя квадратичная V_q зависит только от амплитуды сигналов V301 и VЗ02, следовательно, от пикового значения поля магнитной индукции HR и от значения момента, поданного между валом 1 и выходным валом 2.

Отмечено, что V_q можно непосредственно получать путем измерения напряжения V₁ и V₂, зная значение V, посредством известной электронной или информационной обработки.

Это значение V_q показано на фиг.7, принимая V_о в качестве начала отсчета.

Соотношение между V_q крутящим моментом С_t, поданным на вал 3, когда исходный сдвиг магнитной фазы отрегулирован на q, показан на фиг.10. В этом случае, V_q изменяется обратно пропорционально поданному моменту.

Когда исходный магнитный сдвиг фазы установлен в значении S=P/2, V_q в этом случае изменяется пропорционально поданному моменту, как это показано на фиг.11. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8 ЫЫЫ10

Сущность изобретения: устройство содержит два установленных соосно в двух поперечных смещенных по оси сечениях вала многополюсных магнита. Один многополюсный магнит жестко связан с неподвижным участком вала, а другой жестко связан с приводным участком вала. Оба участка вала соединены между собой соосным торсионом. Неподвижный датчик углового смещения участков вала размещен между многополюсными магнитами и выполнен в виде двух генетических элементов обнаружений синусоидальных полей индукции, подаваемых магнитами. Центры элементов смещены по углу на расстояние d, равное четверти периода синусоидальных полей магнитной индукции. Многополюсные магниты снабжены средством регулирования их углового смещения. Многополюсные магниты, датчик углового смещения и подшипник качения размещены в кожухе. 2 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для измерения крутящего момента, приложенного к валу, состоящему из приводного участка, соединенного соосным торсионом с неподвижным участком вала, содержащее два установленных соосно в двух поперечных разнесенных по оси сечениях вала многополюсных магнита, один из которых жестко связан с неподвижным участком вала, а другой жестко связан с приводным участком вала, а также неподвижный датчик углового смещения упомянутых участков вала, размещенный между многополюсными магнитами, и подшипник качения, отличающееся тем, что неподвижный датчик углового смещения выполнен в виде двух идентичных элементов, расположенных на половине расстояния между многополюсными магнитами перпендикулярно синусоидальным полям магнитной индукции, создаваемым этими магнитами, и измеряющих результирующую этих полей, причем центры упомянутых элементов смещены по углу на расстояние d, равное нечетному числу, кратному четверти периода синусоидальных полей магнитной индукции. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что многополюсные магниты снабжены средством регулирования их углового смещения, выполненным в виде втулки с заплечиком, установленной свободно на приводном участке вала, при этом один из многополюсных магнитов жестко связан с заплечиком втулки и опорной поверхностью, выполненной на втулке в поперечном сечении приводного участка вала. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено кожухом с двумя уплотнениями, в котором размещены многополюсные магниты, неподвижный датчик углового смещения участков вала и подшипник качения, жестко закрепленный на неподвижном участке вала, при этом один из торцов внутреннего кольца подшипника качения является опорой одного из многополюсных магнитов, одно из уплотнений размещено между наружным и внутренним кольцами подшипника качения, а другое между кожухом и втулкой.