Устройство для измерения крутящего момента Советский патент 1992 года по МПК G01L3/04 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения крутящего момента.

Известны способы и устройства для измерения сил, деформаций и перемещений, возникающих под действием нагрузок. Си- лоизмерительное устройство содержит си- ловоспринимающую и измерительную части. Силовоспринимающая часть содержит элементы для восприятия реакций механической системы и ее передачи на динамометр. Известны также датчики силы: индукционный, емкостной, виброчастотный и др. Однако эти устройства сложны, требуют применения специальных устройств при замерах крутящих моментов в механических передачах. Они не надежны и недолговечны и применяются только в исследовательских цепях

Для контроля момента нагружения во время испытаний механических передач они оборудуются тензометрическими устройствами а при исследованиях нагруженное™ вращающихся деталей используют тензорезисторы, соединенные по мостовой схеме, изолированные от попадания смазки и от механических повреждений слоем эпоксидной смолы с последующей передачей информации Однако такие устройства для замера крутящего момента не могут длительно работать в механических перемачах при значительных колебаниях температур, наличии запыленности, при вибрационной нагрузке, и требуют постоянного ухода и контроля. Поэтому современные механические приводы не имеют надежных систем управления скоростными режимами.

Целью изобретения является повышение надежности, долговечности, расширение диапазона измерения крутящего момента.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве замера крутящего момента, содержащем механическую пере(Л

С

х| XI

Ь

ю о

дачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами качения, и силоизмерительный датчик, одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности двух радиально-упорных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с сило- измерительным датчиком, при этом опора выполнена с возможностью осевого перемещения.

Использование одной из опор механической передачи в качестве силовосприни- мающего элемента без нарушения функциональной работы передачи позволяет отказаться от сложных датчиков и повысить надежность и долговечность системы.

Применение одной из опор в виде установленных в парной зеркальной последова- тельности двух радиально-упорных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения позволяет регулировать величину замеряемой осевой силы. Выполнение этой опоры с возможностью осевого перемещения дает воз- можность передать осевое усилие, пропорциональное крутящему моменту, регистрирующему устройству.

На фиг. 1 показаны действующие в зубчатой передаче силы; на фиг.2 - нагрузки на опоры вала; на фиг.З - опоры промежуточного вала; на фиг.4 - кинематическая схема редуктора с цилиндрическими колесами; на фиг.5 - схема действия сил на шариковый радиально-упорный подшипник.

Известно, что крутящий момент на валу механической передачи (редуктора, мультипликатора) различен и связан для прямозубых цилиндрических колес соотношением

Ml TL;Fr (1)

где Ft - окружная сила; Fr - радиальная сила; o,j-угол зацепления.

Действующие в зубчатой передаче силы в зависимости от конструкции вала и опор приводятся к оси вала (см. фиг.1).

Нагрузка на первую и вторую опору ведущего вала от окружной Ри радиальной Т сил составит соответственно

Результирующая с учетом угла трения между зубьями

рfi2

cos (а +рТ Ц + 2

Frl VPl+T t

-)

г2

+ W

(

р -.

cos () Н +J2 где Н, 12 - расстояния колеса до опор. Отсюда

РП cos( +/3)(h +I2) 11

т -„, Р di

Тогда крутящий момент Mi

Fricos(g.i+p)(li +I2) di

h 2

Аналогично через результирующуюрцию второй опоры:

Fr2cos(«j,-l-/o)(li +I2) di

Таким образом крутящий момент прямо пропорционален величине результирующих реакций опор.

В зависимости от кинематической схемы передачи можно всегда определить величину крутящего момента через значение результирующей реакции одной из опор. Значения нагрузки на опоры вала промежуточного колеса (фиг.З) прямозубой цилиндрической передачи

а а +Ь

или

0 5

°

5

0

5

О)

Известно, что в качестве опор редукторов широко применяют шариковые радиальное упорные и роликовые конические подшипники. Также известно, что у шариковых радиально-упорных и роликовых конических подшипников под действием радиальной нагрузки А возникает внутренняя осевая составляющая S, разгружающая их в осевом направлении

S 1 ,3 Atg/5(10)

где угол контакта тел качения.

Приведенная радиальная нагрузка Rn для двух подшипников с осевыми составляющими нагрузок Si и $2

R п А +m (Q -Si +S2)(11)

где А - радиальная нагрузка на подшипник;

т коэффициент приведения, учитывающий неодинаковое влияние на долговечность подшипника радиальной и осевой нагрузок;

Q - осевая нагрузка на подшипник.

При отсутствии осевой нагрузки

+ m(S2-Si).(12)

Радиальная нагрузка А при известной внутренней осевой Si равна Si

Ai

(13)

Один подшипник (радиалыно-упорный) применять нельзя, так как с увеличением радиальной нагрузки он будет разгружаться под действием осевой составляющей. Поэтому для опоры из двух подшипников применяют парную зеркальную установку с обязательной осевой затяжкой и расположением подшипников, когда оси качения шариков или роликов скрещиваются между подшипниками (схема X) или располагаются вне подшипников.

Для правильной работы радизльно- упорных подшипников главное значение имеет осевой предварительный натяг. Правильно выбранный нзтяг обеспечивает плотное прилегание шариков к беговым дорожкам, уменьшает износ поверхностей ка- чения, повышает нагружаемость и долговечность подшипников, предупреждает вращение шариков под действием гироскопических моментов и снижает коэффициент трения.

Необходимый натяг зависит от формы поверхностей качения, частоты вращения, температуры узла, коэффициента трения, величины рабочей нагрузки (радиальной и осевой).

При пружинном предварительном натяге в систему вводят спиральные или тарельчатые пружины, обеспечивающие натяг практически постоянной величины, почти независимо от износа поверхностей качения, колебаний линейных размеров и тепловых деформаций.

При установке парных подшипников с одинаковым углом контакта тел качения / и равномерной нагрузке подшипников радиальной силой суммарная составляющая сил равна нулю.

S Si-S2 0;(14)

Для получения разности осевой составляющей опоры необходимо устанавливать подшипники с различными углами контакта тел качения /3. Тогда

Sg Si-S2 1,3A1tg ft- 1,3A2tg$z (15)

Если принять, что радиальная нагрузка

A Ai + A2 f+Ј

70 ЬЧ -irAi09/ i-tg/32) 0,65A(tg# -tg#0)

отсюда

(16)

1 гдем 0.65( -tg#)

Радиальная нагрузка в опоре А равна результирующей реакции, РП .тогда

- 008(0,,+

0,65 (tgft

J1 + 2

tgflz

di 2

(П)

0

5

0

5

0

5

0

5

т.е. Mi KiK2Sfel ;.

где К2 cos(gJ+/)(ti+l2)dL

Крутящий момент прямо пропорционален величине разности осевых составляющих опоры из 2-х подшипников.

Этой формулой можно воспользоваться если замеряется разность осевых составляющих подшипника. Если замеряется сумма осевых составляющих, то формула (16) имеет вид --,

SЈ 2 Si + 82 1,3Aitg ft + 1 .SAatg ft

11 A A Если A Ai + Aa .

то$;2 (tg/Si +tg#) Отсюда

gx 2

0,65 ( + tgf32 ) K2Si2 где

K2

0

5

1

Mi

0,65(tg0i+tg/fe)

M K2 K2IIS.(18)

Крутящий момент прямо пропорционален величине суммы осевых составляющих опоры из 2-х подшипников. Крутящий момент может быть замерен при установке 2-х подшипников с одинаковыми углами контакта тел качения ft путем замера сжимающих или растягивающих сил на втулках, где устанавливаются внутренние или наружные кольца парных подшипников.

В этом случае AI определяется по формуле (13), а момент равен

Si cos ()(-| +I2 ) di 1,3tg#l22

Механическая передача с прямозубыми цилиндрическими колесами представлена двухступенчатым редуктором, кинематическая схема которого представлена на фиг.4. Здесь 1 - ведущий вал, 2, 3 - соответственно промежуточный и выходной вал. На валах жестко закреплены шестерни 4 и 6 и зубчатые колеса 5,7. Валы устанавливают на опорах 8,9,10,11,12,13. Предложенное устройстоо позволяет замерить крутящий момент на любом из валов 1,2,3. В качестве силовоспринимающего элемента может быть использована одна из опор 8,9,10,11,12,13. Для этого одна из опор, например 8, должна быть выполнена с возможностью передачи радиальной нагрузки и перемещения опоры в осевом направлении. При приложении нагрузки вторая опора этого вала 7 должна исключать осевое перемещение вала.

Для возможности замера крутящего момента в подвижной опоре устанавливаем передаточную систему с преобразованием радиальной нагрузки в осевую составляющую. Если рассмотреть схему действия сил на.шариковый радиально-упорный подшипник (фиг.5), то на внутренние 14 и наружные 15 кольца и тело качения 16 действуют соответственно Qrb, QrM, Qz радиальные силы и осевые силы Qab, QaM, Qa.

На фиг.З представлена одна из опор вала для преобразования радиальной силы в разность осевых составляющих двух ради- ально-упорных подшипников. Здесь 17-левый подшипник, 18 - правый подшипник, имеющий соответственно внутренние и наружные кольца 19, 20, 21, 22, 24 имеет специальный рабочий участок N для наклейки незодатчиков с целью замера усилий сжатия или растяжения между подшипниками 17 и 18 устанавливается распорная упругая вгулка 25, а подшипники стягиваются гайкой 26,

На фиг.4 представлена схема действия сил в опоре, состоящей из 2-х радиально- упорных подшипников. Здесь Si-осевые составляющие, Fri-радиальные составляющие. Сумма осевых составляющих опоры из 2-х подшипников может быть в зависимости от схемы установки для внутренних или наружных колец равна сумме или разности этих сил:

S Ј 1 SH + Siz ;

S Ј 2 Si { + 812 ;

Нз фиг.5 представлена конструкция ведущего вала редуктора с подвижной опорой 8, состоящей из подшипников 17, 18. Втулка 24 имеет наружный шлицевой участок с целью осевого перемещения без ее проворачивания в корпусе. Второй конец втулки - плавающий, опирается на шип 27, устанавливаемый в крышке подшипникового узла 28. С технологических соображений и возможности ремонта в корпусе установлена шлицевал втулка 29. На крышке 28 зацепляется индикатор, .замеряющий осевое перемещение втулки 24, При небольших нагрузках осевое усилие воспринимается пружиной индикатора, a npt значительных нагрузках устанавливаются тарельчатые

пружины между торцами втулки 24 и шипа 27.

При работе редуктора под действием передаваемого крутящего момента будет

возникать в опоре 8 суммарная реакция радиальных сил определяемая пол формулам 5,8.

Так как под действием радиальной нагрузки в шариковых радиально-упорных

подшипниках 17, 18 будут возникать внутренние осевые составляющие, то внутренняя втулка 23 (или правый конец вала 1) будут растягиваться, а в наружном кольце 24 кроме радиальных сил воспринимаемых

втулкой 29 и шипом 27 будут возникать осевые составляющие, направленные навстречу друг другу. Под действием осевой составляющей рабочий упругий участок втулки 24 будет сжиматься, и его правый

конец переместится влево, а вместе с ним и чувствительный элемент индикатора.

В формулу для замера крутящего момента 17, 18 нужно ввести масштабный коэффициент/л, учитывающий

чувствительность индикатора

М IJL Ki K2 Ti,

где Ti - показания индикатора (регистрирующего устройства).

По величине показаний индикатора судят о величине крутящего момента, Преимущество данного устройства заключается в том, что наружное кольцо не вращается. Возможны и другие схемы, когда неподвижно внутреннее кольцо.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента, содержащее механическую передачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами

качения, и силоизмерительный датчик, о т- ли чающееся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности двух радиально-упорных шариковых либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с силоизмерительным датчиком, при этом

опора выполнена с возможностью осевого перемещения.

Фие. i

Qn - JB /

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения крутящего момента. Сущность изобретения: устройство для измерения крутящего момента содержит механическую передачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами качения, силоизмерительный датчик, при этом одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности двух радиально-упор- ных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с силоизмерительным датчиком, при этом опора выполнена с возможностью осевого перемещения 5 ил.

гз

фг/г. З

cpue.2.

21

22

Т Li

Siг

фигЛ