Бесконтактный датчик крутящего момента

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Михайлов Валерий Валерианович Басалаев Владимир Николаевич Карпыза Сергей Антониевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Бесконтактный датчик крутящего момента, включающий деформируемый силовой элемент, по краям которого установлены бесконтактные датчики частоты вращения, связанные между собой через дифференциальный усилитель, отличающийся тем, что дифференциальный усилитель и деформируемый силовой элемент выполнены в виде эпициклического зубчатого механизма с замкнутым контуром..-. (дата обращения 25.01.2011). 4. Патент Республики Беларусь на полезную модель 5462 , 2009.06.30. Устройство определения оценочных показателей процесса переключения передач механической трансмиссии мобильной машины. 5. А.с. СССР 1820063, 1993.06.07. Упругая муфта высокой податливости. 6.5046372, 1991.09.10.. Полезная модель относится к области машиностроения и может использоваться для бесконтактного измерения крутящего момента в приводах и трансмиссиях самоходных машин, а также для повышения надежности, точности и эффективности измерений с использованием более простых датчиков частоты вращения. Предложенный принцип может быть положен в основу конструкций автономных датчиков измерения механических величин для одновременного определения значений крутящего момента, частоты вращения и уровня передаваемой мощности. Для движения современных транспортных средств и приводов различного назначения характерна изменчивость кинематических и силовых параметров. Частоту вращения силовых элементов (или угол поворота) измеряют достаточно просто путем применения бесконтактных датчиков Холла. По количеству пройденных меток(обычно зубьев) судят об угле поворота вращающегося элемента и его частоте вращения. Более сложно обстоит дело с измерением крутящего момента. Обычно для этого измеряют деформацию поверхности силового элемента при нагружении, преимущественно вала, как имеющего большую величину относительных угловых смещений наружных поверхностей. Для определения уровня нагрузок, возникающих в трансмиссии или приводе, крутящий момент на силовых элементах измеряют при помощи наклеенных тензорезисторов,которые изменяют свое сопротивление при деформации. При этом изменяются и фиксируются отдельные электрические параметры в схеме, которые передаются с вращающихся деталей контактными токосъемными устройствами 1. В другом случае в качестве источника сигнала используют специальные вставки из магнитоупругих материалов, либо наносят подобный материал на поверхность силового элемента в виде слоя с целью получения более качественного сигнала 2. Однако такие датчики обладают ползучестью, т.к. изменяют свои свойства под действием постоянно действующих циклических напряжений. Получение качественного сигнала - это первая проблема. Вторая проблема заключается в передаче напряжения питания и измерения контролируемого сигнала либо контактным (указан выше), либо бесконтактным путем, например посредством телеметрии 3. Такую задачу можно решить применением двух датчиков частоты вращения (угла поворота) и контроллера 4 для малых углов поворота деформируемых элементов. Однако недостатком такого устройства является обязательное наличие контроллера, обрабатывающего сигналы датчиков. 75862011.10.30 В другом случае могут быть использованы в силовых контурах упругие устройства высокой податливости, позволяющие обеспечить значительные относительные перемещения полумуфт в десятки и более оборотов без потери прочности, например, как в 5. Принципиально такой деформируемый силовой элемент, выполненный в виде упругой муфты высокой податливости, содержит ведущую и ведомую полумуфты, между которыми установлен эпициклический зубчатый механизм с валами, образующими замкнутый контур. Ведущая полумуфта, к примеру, может быть связана с зубчатыми передачами замкнутого контура, а ведомая - с водилом (корпусом) эпициклического механизма. При передаче момента и вращении одной из полумуфт, крутящий момент одновременно передается на обе зубчатые пары эпициклического механизма. Из-за неодинакового поворота шестерен каждой зубчатой пары в замкнутом контуре возникает упругий реактивный крутящий момент, нарастание которого происходит до тех пор, пока момент на водиле (корпусе) не будет уравновешен внешним моментом. При этом углы относительного поворота ведущей и ведомой полумуфт могут достигать значительных величин без потери прочности, поскольку в передаче момента участвуют зубчатые передачи. В изобретении предложено конструктивно использовать большие углы поворота элементов,получив новые отличительные положительные признаки бесконтактного датчика крутящего момента. Наиболее близким к заявляемой полезной модели является конструкция бесконтактного датчика крутящего момента 6, которая принята в качестве прототипа. Бесконтактный датчик крутящего момента включает деформируемый силовой элемент, по краям которого установлены бесконтактные датчики частоты вращения, выполненные в виде индукционных катушек фиксирующих изменения ответных пазов,расположенных по краям указанного деформируемого силового элемента. Получение информации от датчиков и обработка полученных показаний крутящего момента осуществляется дифференциальным усилителем, установленным параллельно силовой цепи деформируемого силового элемента. Недостатком известного устройства является относительно невысокие эксплуатационные свойства, вследствие наличия в составе датчика стационарного специального электронного дифференциального усилителя и инерционность системы. Кроме того, точность и качество получаемого сигнала ограничено максимальным углом относительного поворота пазов сечений. Следует иметь ввиду, что паз для каждого сечения может быть выполнен только в пределах одной длины окружности эквивалентного одному обороту вала. Кроме того, у этой конструкции датчика отсутствует возможность непосредственного контроля уровня передаваемого силового потока. Задачей настоящей полезной модели является повышение эксплуатационных свойств датчика крутящего момента путем сочетания бесконтактной передачи сигналов о частоте вращения участков деформируемого силового элемента, величине крутящего момента и,следовательно, позволяет непосредственно также судить о мощности проходящего силового потока. Поставленная задача решается тем, что в бесконтактном датчике крутящего момента,включающем деформируемый силовой элемент, по краям которого установлены бесконтактные датчики частоты вращения (угла поворота), которые связаны между собой через дифференциальный усилитель, упомянутый дифференциальный усилитель и деформируемый силовой элемент выполнены в виде эпициклического зубчатого механизма с замкнутым контуром. Благодаря наличию указанных отличительных признаков, измерение крутящего момента становится возможным производить проще и эффективней. Во-первых, это обеспечивается тем, что дифференциальный усилитель и деформируемый силовой элемент вмонтированы непосредственно в силовую передающую нагрузку цепь и объединены в одном силовом устройстве высокой прочности и значительной крутильной податливости,3 75862011.10.30 что обеспечивает замкнутый контур. Во-вторых, за счет достижения существенного относительного поворота отдельных участков деформируемого силового элемента контроль крутящего момента осуществляется бесконтактными датчиками частоты вращения (угла поворота), что значительно надежней и эффективней сложных телеметрических устройств. На фиг. 1 представлена схема бесконтактного датчика крутящего момента. На фиг. 2 представлен график изменения крутящего момента деформируемого силового элемента муфты в зависимости от разных уровней действующего момента и относительного его угла закручивания. Бесконтактный датчик крутящего момента содержит ведущую 1 и ведомую 2 полумуфты. Между полумуфтами 1 и 2 установлен эпициклический зубчатый механизм, размещенный в корпусе 3, являющемся одновременно водилом эпициклического механизма. При этом корпус 3 связан неподвижно с полумуфтой 2. Эпициклический механизм содержит с шестерни 4 и 5, которые с соответствующими с шестернями 6 и 7 образуют зубчатые передачи. Эти зубчатые передачи с валами 8 и 9 образуют упругий замкнутый контур. Частота вращения полумуфт 1 и 2 фиксируется посредством датчиков частоты вращения 10 и 11 соответственно. Работает упругая муфта следующим образом. В исходном состоянии упругая муфта разомкнута, полумуфты 1 и 2 разобщены между собой, и замкнутый контур не нагружен. На небольших уровнях момента 1 (фиг. 2) суммарный угол относительного поворота упругой муфты, полумуфт 1 и 2 соответствует передаваемому моменту 1 и определяется разницей углов поворота фланцев 1 и 2, фиксируемых соответственно бесконтактными датчиками 10 и 11. При изменении крутящего момента (например, его увеличении до значения 2) упругий момент в замкнутом контуре элементов 4-9 также пропорционально повышается. При этом суммарный угол относительного поворота упругой муфты полумуфт 1 и 2 соответствует другому уровню передаваемого момента 2 и определяется уже большей разницей углов поворота фланцев 1 и 2, фиксируемых также соответственно бесконтактными датчиками частоты вращения 10 и 11. Возвращение на более низкие уровни моментов производится за счет упругих свойств замкнутого контура элементов 4-9. Таким образом, бесконтактный датчик крутящего момента обеспечивает все необходимые требования, предъявляемые к измерению крутящего момента, т.е. бесконтактный режим фиксации данных с деформируемого силового элемента, эффективное и простое в использовании устройство измерения крутящего момента, частоты вращения и мощности,исключая применение телеметрических устройств. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4