ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ВАЛА Российский патент 2005 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами, и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электрическим усилителем руля.

Известно устройство [1], в котором крутящий момент на валу определяется с помощью контактного потенциометра, устанавливаемого на частях вала, соединенных торсионом. Недостатком его является низкая надежность, обусловленная наличием трущихся деталей.

Устройства, основанные на принципе детектирования магнитного поля [2], сложно применять в многооборотных системах из-за проблемы снятия информации с вращающегося датчика поля.

Наиболее близким по технической сущности является датчик крутящего момента вала по описанию изобретения к патенту Российской Федерации №2152600, взятое за прототип [3].

Датчик содержит торсионный вал, соединяющий части контролируемого вала, на торцах которого установлены дисковые электропроводящие экраны с вырезанными в них окнами, смещающимися друг относительно друга при закрутке торсиона.

На неподвижном относительно контролируемого вала корпусе установлен дисковый каркас с катушками индуктивности, вплотную через антифрикционную прокладку прилегающий к одному из экранов.

При появлении крутящего момента на контролируемом валу происходит скручивание торсиона и механическое перемещение окон одного экрана относительно другого, что приводит к изменению индуктивности катушек, которая и является информационным параметром.

Недостатками датчика являются его конструктивная и технологическая сложность из-за большого числа деталей, необходимость прецизионной сборки для обеспечения параллельности экранов и каркаса катушек индуктивности, наличие трущихся частей (экрана и каркаса), снижающих эксплуатационную надежность датчика.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение технологичности датчика крутящего момента вала, повышение его эксплуатационной надежности за счет устранения трущихся деталей.

Указанные задачи в датчике крутящего момента вала, содержащем торсионный вал, связывающий части контролируемого вала и корпус, внутри которого установлены две катушки индуктивности, решаются тем, что торсионный вал выполнен в виде втулки, на внешней цилиндрической поверхности которой жестко закреплен чувствительный элемент из магнитоупругого материала в форме цилиндра со спиральными прорезями, причем в одной его половине прорези выполнены под углом +45 градусов к образующей, а в другой под углом -45 градусов таким образом, что оставшийся между прорезями материал образует в каждой половине цилиндра части витка соответственно правовинтовой и левовинтовой спирали, а торсионный вал с чувствительным элементом расположен концентрически внутри цилиндрических катушек индуктивности. Возможен вариант исполнения, когда торсионным валом является участок контролируемого вала, на котором жестко закреплен чувствительный элемент.

В частном случае торсионный вал может быть изготовлен из магнитоупругого материала в виде цилиндрической втулки со спиральными прорезями, выполняющей роль чувствительного элемента.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез датчика, на фиг.2 показан внешний вид цилиндра чувствительного элемента с контролируемым валом без корпуса и катушек индуктивности. На фиг.3 показан вариант исполнения, когда торсионным валом является участок контролируемого вала, на фиг.4 - вариант исполнения чувствительного элемента, когда им является сам торсионный вал с прорезями.

Датчик крутящего момента вала 1, 2 содержит торсионный вал 3, выполненный в виде втулки, на внешней цилиндрической поверхности которой жестко закреплен чувствительный элемент 4 в форме цилиндра из магнитоупругого материала со спиральными прорезями 5, материал 6 между которыми образует части витка спирали. Прорези 5 в одной половине цилиндра образуют угол +45 градусов с его образующей, а в другой половине -45 градусов. Соответственно материал 6 между прорезями образует части витка левовинтовой и правовинтовой спирали в разных половинах цилиндра. Торсионный вал 3 с чувствительным элементом 4 установлен концентрически внутри двух цилиндрических катушек индуктивности 7, закрепленных на неподвижном относительно контролируемого вала 1, 2 корпусе 8.

Концы торсионного 3 и контролируемого 1, 2 валов крепятся между собой при помощи, например, штифов 9.

На фиг.3 показан вариант исполнения, когда участок контролируемого вала сам является торсионным валом, на котором жестко закреплен чувствительный элемент 4.

На фиг.4 показан вариант исполнения торсионного вала 3, выполненного из магнитоупругого материала в виде цилиндрической втулки со спиральными прорезями, который сам является чувствительным элементом.

Выводы обмоток катушек индуктивности 7 могут быть в частном случае включены в мостовую измерительную цепь переменного тока.

Устройство работает следующим образом. Аксиальные составляющие (вдоль оси чувствительного элемента) намагниченности от переменного тока в обмотках катушек индуктивности в левых и правых частях винтовых спиралей 6 одинаковы и направлены в противоположные стороны. Импедансы катушек индуктивности 7 при этом одинаковы и мостовая схема находится в состоянии баланса.

При приложении между частями 1 и 2 контролируемого вала крутящего момента в частях витков спиралей 6 возникают сдвиговые напряжения, которые изменяют аксиальную составляющую намагниченности, причем в одной половине цилиндра 4 она увеличивается, а в другой уменьшается [4]. Это приводит к увеличению импеданса в одной катушке и уменьшению его во второй, а значит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и появлению в диагонали моста сигнала, величина которого пропорциональна крутящему моменту.

В случае приложения крутящего момента противоположного направления происходит также разбаланс мостовой измерительной цепи, а выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180 градусов относительно предыдущего сигнала.

Выполнение прорезей 5 под углом ±45 градусов к образующей цилиндра обеспечивает максимальную чувствительность аксиальной составляющей намагниченности к сдвиговым напряжениям, а именно изменение этой составляющей регистрируется цилиндрическими катушками индуктивности 7.

Известно, что если в магнитоупругом цилиндрическом стержне реализуются значительные сдвиговые крутильные напряжения в упругой области, то намагниченность его ориентируется в направлениях под углом ±45 градусов к образующей чувствительного элемента, поэтому максимальное изменение намагниченности при нагрузке будет реализовываться вдоль оси катушек индуктивности [5].

Таким образом, с помощью заявленного устройства определяется направление и величина крутящего момента вала.

ЛИТЕРАТУРА

1. GB Патент №1395954, опубл. 29.05.1975.

2. USA Патент №4173265, опубл. 06.11.1979.

3. RU Патент №2152600, опубл. 10.07.2000.

4. Бородин В.И., Остапин В.В., Жаков С.В. Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках при деформациях кручения. I. Эсперимент. ФММ-1985. Т. 59, вып. 5, 921-928.

5. Lambeck M. “Measuring mechanical properties of ferromagnetic materials bu internal induction” J.of Mag. End Mag/Mat. №2, 1976, 300-302.

Изобретение относится к автомобилестроению и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля. Устройство содержит жестко закрепленный на валу чувствительный элемент из магнитоупругого материала. Элемент состоит из цилиндра, на котором выполнены спиральные прорези, причем в одной его половине прорези выполнены под углом +45 градусов, а в другой половине под углом -45 градусов. Таким образом, оставшийся между прорезями материал образует части витка соответственно правовинтовой и левовинтовой спирали. Две катушки индуктивности концентрически охватывают обе половины чувствительного элемента. Технический результат заключается в упрощении конструкции, повышении технологичности датчика и повышении его эксплуатационной надежности за счет устранения трущихся деталей. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик крутящего момента вала, содержащий торсионный вал, связывающий части контролируемого вала и корпус, внутри которого установлены две катушки индуктивности, отличающийся тем, что торсионный вал выполнен в виде втулки, на внешней цилиндрической поверхности которой жестко закреплен чувствительный элемент из магнитоупругого материала в виде цилиндра со спиральными прорезями, причем в одной его половине прорези выполнены под углом +45 градусов к образующей, а в другой половине под углом -45 градусов таким образом, что оставшийся между прорезями материал образует в каждой половине цилиндра части витка соответственно правовинтовой и левовинтовой спирали, а торсионный вал с чувствительным элементом расположен концентрически внутри цилиндрических катушек индуктивности.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что торсионным валом является участок контролируемого вала, на котором жестко закреплен чувствительный элемент.3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что торсионный вал выполнен из магнитоупругого материала в виде цилиндрической втулки со спиральными прорезями и сам является чувствительным элементом.