Магнитострикционный датчик крутящего момента и способ его изготовления Советский патент 1993 года по МПК G01L3/10 

ч

8

со

Сущность изобретения: магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения (6), замыкается по перемычкам между пазами, При действии на вал (1) крутящего момента Т перемычки, расположенные под одной из сигнальных обмоток (8). испытывают напряжения сжатия, а под другой - растяжения. Поскольку обмотки (8) включены последовательно-встречно, на выходе появится сигнал, пропорциональный величине крутящего момента Т, который фиксируется измерительным прибором (9). Благодаря наличию мелких зубцов, образованных на поверхности магнитоанизотропных зон А, почти полностью устраняются такие дефекты, как заусенцы и микротрещины, образованные в процессе механической обработки вала, что приводит к увеличению точности измерения крутящего момента. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил. 7 РХЛ

Фиг 4

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения крутящего момента на вращающихся валах электрических двигателей, инструментов, автомобилей и т.п.

Известен магнитострикционный датчик крутящего момента, содержащий упругий вал с ферромагнитным участком в виде кольцевой полосы, систему приложения к ферромагнитному участку переменного магнитного поля и систему преобразования изменения магнитной проницаемости этого участка в электрический сигнал.

Недостатком этого датчика является низкая точность из-за влияния на выходной сигнал биений вала, микротрещин, заусенец и других мелких дефектов, образованных на стадиях механической обработки.

Известен также магнитострикционный датчик крутящего момента, содержащий упругий вал с ферромагнитным участком, на котором образованы магнитоанизотропные зоны в виде кольцевых полос, состоящих из множества спиральных пазов, образованных по периферии на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу, систему приложения к магнитоанизотропным зонам переменного магнитного доля и систему преобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал.

Известен способ изготовления магнитострикционного датчика крутящего момента, заключающийся в формировании магнито- анизотропной зоны с последующим упрочнением.

Недостатком такого датчика крутящего момента и способа его изготовления является низкая точность и чувствительность вследствие влияния на выходной сигнал мелких дефектов, как заусенцы и микротрещины, которые были образованы на стадии механической обработки и выполнения спиральных пазов.

Цель изобретения - повышение точности и чувствительности.

Эта цель достигается тем, что в маг- нитострикционном датчике крутящего момента, содержащем упругий вал с ферромагнитным участком, на котором образованы магнитоанизотропные зоны в виде кольцевых полос, состоящих из множества спиральных пазов, образованных по периферии на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу, систему приложения к магнитоанизотропным зонам переменного магнитного поля и систему преобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал, на поверхности каждой магнитоанизотропной зоны выполнены мелкие зубцы, равномерно распределенные по всей зоне, причем участок магни- тоанизотропной зоны, занятый мелкими зубцами, составляет не менее 70% общей

площади зоны.

Кроме того, при изготовлении магнито- анизотропного датчика крутящего момента, заключающегося в формировании магнито- анизотропной зоны с последующим упрочпением, упрочненный слой формирует вместе с мелкими зубцами, причем мелкие зубцы образуют обдувкой дробью или накаткой.

Благодаря наличию мелких зубцов, об5 разованныхна поверхности магнитоанизот- ропной зоны, почти полностью устраняются такие дефекты, как заусенцы и микротрещины, образованные в процессе механической обработки вала, что приводит к увеличению

0 точности за счет уменьшения гистерезиса с одновременным увеличением чувствительности датчика. Этот эффект особенно значительный, когда мелкие зубцы образованы обдувкой дробью или накаткой.

5 На фиг. 1 показан вращающийся вал с кольцевой ферромагнитной зоной, на поверхности которой выполнены мелкие зубцы; на фиг.2 - .вращающийся вал с ферромагнитным участком, на котором об0 разована магнитоанизотропная зона, имеющая множество спиральных пазов и мелких зубцов; на фиг.З - устройство магнитност- рикционного датчика крутящего момента с валом, имеющим спиральные пазы; на фиг.4

5 - схема соединения обмоток датчика крутящего момента; на фиг.5 - выходная характеристика магнитострикционного датчика крутящего момента; на фиг.6 - выходная характеристика прототипа; на фиг.7 - уст-0 ройство магнитострикционного датчика момента с валом, показанным на фиг, 1,

Магнитострикционный датчик крутящего момента содержит упругий вал 1 с ферромагнитными кольцевыми участками А. на

5 поверхности которых равномерно распределено множество мелких зубцов 2 и образованных по периферии на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу спиральных пазов 3. и системы 4 приложения к маг0 нитоанизотропным зонам переменного магнитного поля и преобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал. Системы 4 содержат цилиндрический магнйтопровод 5, обмотку

5 возбуждения 6, подключенную к источнику . питания 7, две встречно включенные сигнальные обмотки 8; подключенные к измерительному прибору 9.

В другом варианте выполнения магнитострикционный датчик крутящего момента

(фиг.7) содержит упругий вал 1 с ферромагнитным кольцевым участком А. на поверхности которого равномерно распределено множество мелких зубцов 2, и системы 10 приложения к ферромагнитному участку переменного магнитного поля и-преобразова- ния изменения магнитной проницаемости этого участка в электрический сигнал. Системы 10 содержат П-образный магнитопро- вод 11, на вертикальных стержнях которого расположены включенные последовательно согласно обмотки возбуждения 12 и расположенный перпендикулярно П-образный магнитопровод 13, на вертикальных стержнях которого расположены включенные последовательно встречно сигнальные обмотки 14. Обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения 15, а сигнальные обмотки - к измерительному прибору 16.

Участок магнитоанизотропной зоны А вращающегося вала, занятый мелкими зубцами 2, составляет не менее 70% общей площади зоны, диаметр мелких зубцов 2 от 0,1 до 1 мм при глубине не более 0,1 мм. Учитывая, что глубина проникновения переменного магнитного потока при частоте ID- 50 кГц не превышает 0,1 мм, можно образовать на поверхности вала пленку с магнитоанизотропной зоной и мелкими зубцами. Вращающийся вал 1 датчика обычно выполняется из ферромагнитных материалов, таких как углеродистая сталь, хромистая сталь, никель-хромистая сталь, хром-молибденовая сталь, никель-хром-молибденовая сталь и мартенситностареющая сталь. Однако если вал 1 выполнен из материала, имеющего незначительный или вообще не имеющий магнитострикционного эффекта, то на таком валу жестко крепится муфта из материала, имеющего значительный магнито- стрикционный эффект, В этом случае магнитоанизотропная зона с мелкими зубцами выполняется на поверхности муфты.

Мелкие зубцы 2, образуемые на поверхности магнитоанизотропной зоны (методом обдувки дробью), могут быть выполнены после требуемых стадий отпуска, таких как термообработка и цементация, а также после признания необходимой магнитной анизотропии.

Однако когда магнитная анизотропия достигается путем прокатки или накатки, спиральные пазы 3 и мелкие зубцы 2 могут быть образованы одновременно.

Магнитоанизотропный датчик крутящего момента работает следующим образом.

При включении источника переменного напряжения 7 обмотка возбуждения б создает в упругом валу 1 продольное магнитное поле, магнитные потоки которого замыкаются по перемычкам между спиральными пазами 3. которые при наличии крутящего момента Т испытывают напряжения сжатия или растяжения, причем под одной из сигнальных обмоток 8 они сжимаются, а под другой растягиваются. Тогда магнитное сопротивление одной из зон А увеличивается, а другой уменьшается, следовательно, электродвижущие силы, наводимые в сигнальных обмотках 8, изменяются: в одной обмотке увеличиваются, а в другой уменьшаются. Обмотки 8 соединены встречно-последовательно так, что их начальные

сигналы вычитаются, а изменения сигналов от действия крутящего момента Т складываются и на выходе появляется сигнал, пропорциональный крутящему моменту Т. который фиксируется измерительным прибором 9.

Были изготовлены и испытаны два датчика крутящего момента (фиг.З), причем упругий вал 1 диаметром 30 мм выполнен из никель-хром-молибденовой стали (4,3% никеля) и подвергнут термообработке по следующему режиму: первичная закалка 930°С. вторичная закалка 850°С, затем отпуск (175°С, выдержка 4 ч), охлаждение воздушное. В двух слитных зонах А на поверхности

вала были образованы прокаткой спиральные пазы 3 с наклоном ±45° относительно оси вала. Глубина пазов около 1 мм, интервалы между пазами около 2 мм, длина паза около 10 мм, на валу одного из датчиков

выполнены мелкие зубцы 2, образованные обдувкой дробью, глубина зубцов около 0,1 мм, охват обдувкой (процент площади) составил 95-98%. Вал второго датчика выполнен аналогично, но без мелких зубцов,

Обмотка возбуждения запитывалась током 40 мА частотой 10 Гц. Результаты испытаний первого датчика, на валу которого в зонах А выполнены мелкие зубцы, приведены на фиг.5. Результаты испытаний второго датчика, вал которого не имеет мелких зубцов, приведены на фиг.6.

Гистерезис, определяемый как отношение выходного сигнала, а при нулевом моменте Т Та к выходному сигналу А при

приложении максимального момента Т -Тмакс (ai-32)/(Ai-A2) 100%, для первого датчика составил 0,7%, для второго датчика - 3,5%.

Чувствительность, определяемая как

отношение приращения выходной величины (ДмВ) к приращению приложенного крутящего момента (Д кгс м) для первого датчика составила 37 мВ/(кгс м), для второго датчика - 18 мВ/(кгс м).

Таким образом, как показали результаты испытаний, применение изобретения позволяет уменьшить гистерезис в 5 раз и одновременно в два раза повысить чувствительность датчика крутящего момента, что повышает точность измерения момента.

Принцип изобретения может быть использован и в других случаях, например, при исследовании различных конструкций магнитострикционными датчиками, путем образования мелких зубцов в точках, где проводятся измерения.

Формула изобретени я

1, Магнитострикционный датчик крутящего момента, содержащий упругий вал с ферромагнитным участком, на котором образованы магнитоанизотропные зоны в виде кольцевых полос, состоящих из множества спиральных пазов, образованных по периферии на расстоянии друг от. друга и параллельно друг другу, систему приложения к магнитоанизотропным зонам переменного магнитного поля и систему преобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения гистерезиса и увеличения чувствительно- сти, на поверхности каждой магнитоанизот- ропной зоны выполнены мелкие зубцы, равномерно распределенные по всей зоне,

магнитоанизотропной зоны с последующим упрочнением, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения гистерезиса и увеличения чувствительности, упрочненный слой формирует

вместе с мелкими зубцами.

физ.1

Фиг.6