Гаечный ключ с измерением крутящего момента

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Гаечный ключ с измерением крутящего момента, содержащий рукоятку с одной захватывающей головкой и каналом, проходящим вдоль рукоятки, встроенные в канал рукоятки микропроцессор с электронным дисплеем, жесткий клинообразный стержень с прижатыми к более острому концу двумя пружинками, магнитную систему, состоящую из двух постоянных миниатюрных магнитов, установленных с зазором, в котором размещен элемент Холла с возможностью относительных микроперемещений в зазоре относительно 45832008.08.30 магнитов при приложении крутящего момента к рукоятке, электронную плату, аккумуляторную батарею, клавиши управления электроникой, сигнализатор тревоги, срабатывающий при превышении допустимого уровня крутящего момента, и крышку, защищающую электронику, отличающийся тем, что магнитная система содержит дополнительно еще пару постоянных миниатюрных магнитов, установленных с зазором друг к другу и практически без зазора к первым двум таким образом, что ближайшие магниты намагничены попарно противоположно друг другу и образуют квадрупольную магнитную линзу с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль перемещения элемента Холла, а в центре тяжести гаечного ключа выполнено сквозное отверстие, через которое проходит держатель, изготовленный, например, в виде отрезка гибкого троса замкнутым, и в рукоятке размещен индикатор горизонтального положения, состоящий из столбика жидкости с пузырьком воздуха в прозрачной трубке, причем гаечный ключ оснащен радиопередающим устройством типаи адаптером 220 В переменного напряжения / 5 В постоянного напряжения, а электронная плата снабжена преобразователем интерфейса 232.(56) 1..202004017879.2005-01-05. 2..2006027058.2006-02-09. 3..2005118955.2005-05-12. 4..00064640.2000-11-02. 5..0005037.2000-02-03 (прототип). 6. Сайт в Интернете / . . . Программа расчета 4. Полезная модель относится к орудиям труда, а именно к гаечным ключам, и может найти применение преимущественно в железнодорожном и авиастроении, где нормировано предельное значение крутящего момента. Известно устройство гаечного ключа с измерением крутящего момента 1, содержащее рукоятку с гаечной головкой, пьезоэлектрическую фольгу, воспринимающую деформацию рукоятки при приложении крутящего момента, селективный частотный усилитель сцепью, электрический фильтр, микропроцессорную систему, обеспечивающую фазовую и амплитудную коррекцию динамического пьезоэлектрического сигнала. Основными недостатками устройства являются следующие непосредственное силовое воздействие на чувствительный элемент (пьезоэлектрик) ограничивает срок службы чувствительного элемента невозможность измерения при статическом приложении крутящего момента, необходима динамика требуется усилитель с очень высоким входным сопротивлением, что обуславливается возникновением заряда, а не тока на выходе фольги, и, следовательно, устройство обладает низкой помехоустойчивостью. Известно устройство электронного гаечного ключа 2, в котором для измерения крутящего момента используются изменения электросопротивления при деформации, когда чувствительный элемент размещается в области от 1/8 до 3/16 длины ручки ключа. Недостатком устройства является непосредственное силовое воздействие на чувствительный элемент (тензорезистор), что ограничивает число циклов воздействия, величину предельной деформации, что приводит к временной нестабильности чувствительного элемента. Известно устройство электронного гаечного ключа 3, в котором для измерения крутящего момента используется бесконтактный съем информации. Устройство функциони 2 45832008.08.30 рует на эффекте Холла, и связь между микроперемещением постоянного магнита относительно элемента Холла при воздействии крутящего момента осуществляется по магнитному полю. Относительные перемещения магнита и элемента Холла вызывают в последнем генерацию ЭДС Холла, которая имеет трапецеидальную форму в зависимости от перемещения. Электронные позиционные ключи с помощью микропроцессора позволяют формировать выходной тревожный сигнал при превышении допустимого уровня крутящего момента. Основным недостатком устройства является низкая чувствительность к крутящему моменту, а следовательно, и точность измерений, из-за использования только одного магнита (неоптимальность конструкции) и, как следствие, невозможность измерений крутящего момента до предельно допустимого уровня. Устройство фиксирует только предельно допустимый уровень крутящего момента. Кроме того, вследствие резонанса в системе возможно возникновение затухающих механических колебаний элемента Холла относительно магнитной системы, могущих вызвать ложное оповещение о достижении критического уровня крутящего момента. Известно также устройство электронного гаечного ключа 4, в котором для измерения крутящего момента используется бесконтактный съем информации при помощи элемента Холла. В нем элемент Холла расположен между двумя постоянными магнитами, намагниченными противоположно друг другу. Микроперемещения элемента Холла в такой магнитной системе из-за приложения крутящего момента к рукоятке ключа вызывают изменения ЭДС Холла на первоначальной стадии по линейной зависимости от величины перемещения, а в дальнейшем со значительными отклонениями от линейности. Использование микропроцессорной обработки позволяет определять величину крутящего момента во всем диапазоне измерений. Недостатки устройства 4 почти аналогичны недостаткам устройства 3, а именно почти такая же низкая чувствительность, а следовательно, и точность измерений крутящего момента, обусловлена использованием системы из двух противоположно намагниченных магнитов, имеющих невысокий градиент магнитной индукции в области перемещения элемента Холла (т.е. неоптимальность конструкции), и не устранена причина возникновения механических колебаний элемента Холла относительно магнитной системы, которые искажают результаты измерений, в том числе могут вызвать ложное оповещение о достижении критического уровня крутящего момента. Наиболее близкое техническое решение к предлагаемому описано в 5 (прототип). Устройство содержит рукоятку с одной захватывающей головкой и каналом, проходящим вдоль рукоятки, встроенные в канал рукоятки микропроцессор с электронным дисплеем,жесткий клинообразный стержень с прижатыми к более острому концу двумя пружинками, магнитную систему, состоящую из двух постоянных миниатюрных противоположно намагниченных магнитов, установленных с зазором, в котором размещен элемент Холла с возможностью относительных микроперемещений в зазоре относительно магнитов при приложении крутящего момента к рукоятке, электронную плату, аккумуляторную батарею, клавиши управления электроникой, сигнализатор тревоги, срабатывающий при превышении допустимого уровня крутящего момента, и крышку, защищающую электронику. В данном устройстве устранена возможность возникновения механических колебаний элемента Холла относительно магнитной системы из-за демпфирующего действия пружинок. Для измерения крутящего момента используется бесконтактный съем информации посредством магнитного поля. Однако, как и в 4, используется простейшая магнитная система, состоящая из двух противоположно намагниченных магнитов, которая обладает небольшим градиентом индукции магнитного поля В при смещении элемента Холла на расстояние , следовательно, и низкой чувствительностью к перемещению, которая пропорциональна. Таким образом, конструкция магнитной системы далека от оптимальной, что в итоге выражается в заниженной чувствительности к измерению крутящего 45832008.08.30 момента. Изменив конструкцию магнитной системы, можно кардинально увеличить чувствительность, а следовательно, и точность измерений крутящего момента. В предлагаемом устройстве (полезной модели) решается задача увеличения точности определения крутящего момента и расширения функций устройства на область взвешивания груза. Предлагается следующее устройство (полезная модель). Устройство гаечный ключ с измерением крутящего момента, содержащее рукоятку с одной захватывающей головкой и каналом, проходящим вдоль рукоятки, встроенные в канал рукоятки микропроцессор с электронным дисплеем, жесткий клинообразный стержень с прижатыми к более острому концу двумя пружинками, магнитную систему, состоящую из двух постоянных миниатюрных магнитов, установленных с зазором, в котором размещен элемент Холла с возможностью относительных микроперемещений в зазоре относительно магнитов при приложении крутящего момента к рукоятке, электронную плату, аккумуляторную батарею, клавиши управления электроникой, сигнализатор тревоги, срабатывающий при превышении допустимого уровня крутящего момента, и крышку, защищающую электронику, отличающееся тем, что магнитная система содержит дополнительно еще пару постоянных миниатюрных магнитов, установленных с зазором друг к другу и практически без зазора к первым двум таким образом, что ближайшие магниты намагничены попарно противоположно друг другу и образуют квадрупольную магнитную линзу с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль перемещения элемента Холла, а в центре тяжести гаечного ключа выполнено сквозное отверстие, через которое проходит держатель, изготовленный, например, в виде отрезка гибкого троса замкнутым, и в рукоятке размещен индикатор горизонтального положения, состоящий из столбика жидкости с пузырьком воздуха в прозрачной трубке, причем гаечный ключ оснащен радиопередающим устройством типаи адаптером 220 В переменного / 5 В постоянного напряжения, а электронная плата снабжена преобразователем интерфейса 232. Анализ элементов устройства, приведенных в отличительной части формулы, показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. На фиг. 1 представлен общий вид гаечного ключа с измерением крутящего момента,на фиг. 2 изображено продольное сечение А-А гаечного ключа, на фиг. 3 приведена схема магнитной системы с элементом Холла, используемая для генерации ЭДС Холла при приложении крутящего момента к рукоятке, на фиг. 4 - зависимость величины индукции магнитного поля В, воздействующей на элемент Холла, как функция перемещения на расстояниеотносительно друг друга, причем линиясоответствует предложенной магнитной системе, состоящей из 4-х магнитов, а линия- магнитной системе, состоящей из 2-х противоположно намагниченных магнитов (расчет с использованием программы 4 6), на фиг. 5 - схема измерения веса тела при помощи гаечного ключа. Устройство содержит рукоятку 1 с одной захватывающей головкой 2 и каналом, 3 проходящим вдоль рукоятки, встроенные в канал рукоятки микропроцессор (не изображен) с электронным дисплеем 4, жесткий клинообразный стержень 5 с прижатыми к более острому концу двумя пружинками 6, магнитную систему 7, состоящую из четырех постоянных миниатюрных магнитов 8, 9, 10, 11, установленных с зазором таким образом, что ближайшие магниты 8, 9 и 10, 11 намагничены попарно противоположно друг другу и образуют квадрупольную магнитную линзу 7 с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль перемещения элемента Холла 12, провода от которого идут к электронной пла 4 45832008.08.30 те 13, снабженной преобразователем интерфейса 232, и аккумуляторную батарею 14. Под передвижной крышкой 15, защищающей электронику и дисплей 4, находятся клавиши управления электроникой 16, 17 (16 - кнопка вкл/выкл, 17 - выбор режима измерений крутящего момента/веса тела), сигнализатор тревоги 18, срабатывающий при превышении допустимого уровня крутящего момента. В центре тяжести гаечного ключа выполнено сквозное отверстие 19, через которое проходит держатель 20, изготовленный, например, в виде отрезка гибкого троса замкнутым, и в рукоятке размещен индикатор горизонтального положения 21, состоящий из столбика жидкости с пузырьком воздуха 22 в прозрачной трубке. Дополнительно гаечный ключ оснащен радиопередающим устройством типа(не изображен) и адаптером 220 В переменного напряжения / 5 В постоянного напряжения (не показан), выход которого подключается к гнезду 23 при необходимости подзарядки аккумуляторной батареи 14. Индикатор уровня заряда аккумуляторной батареи 14 высвечивается на дисплее 4. В устройстве предусмотрено гнездо 24 интерфейса 232, который предназначен для обмена информацией с внешними устройствами, например стационарным компьютером. Резиновая манжета 25 расположена на конце рукоятки гаечного ключа и служит для удобства и повышения фрикционных свойств связи рукоятки с рукой. Миниатюрный постоянный магнит 26 выделяется из рукоятки и находится вблизи держателя 20, и служит для его крепления, чтобы не мешал при закручивании болтов. Устройство функционирует следующим образом. Защитную крышку 15 сдвигают вдоль рукоятки, открывая доступ к дисплею 4 и клавишам управления 16 и 17. Клавишей 16 включается электроника, а клавишей 17 выбирается режим измерения. Пусть выбран основной режим Измерение крутящего момента. В начальном состоянии при крутящем моменте М 0 элемент Холла установлен в центре симметрии магнитной системы 7, где В 0 при 0 и ЭДС Холла равна нулю. При приложении крутящего момента М упругая часть рукоятки 1, проходящая вдоль канала 3, изгибается упруго, приводя к микроперемещению элемента Холла 12 относительно жестко закрепленной в трапецеидальном стержне 5 магнитной системы 7, состоящей из четырех постоянных магнитов 8, 9, 10, 11. Поскольку угол вращения элемента Холла очень мал, то дугу перемещения элемента Холла можно считать отрезком длины . Сигнал с элемента Холла, где- чувствительность к перемещению. Если зависимость, то. В случае нелинейности функции В она заносится в память микропроцессора при калибровке. Повсегда можно вычислить , и по зависимости крутящего момента М от , заложенной в память при калибровке, микропроцессор однозначно вычисляет величину крутящего момента М. Две пружины 6 выполняют роль демпфера и тем самым устраняют причину возникновения длительных механических колебаний элемента Холла относительно магнитной системы, что является сопутствующим положительным эффектом при определении крутящего момента. Результаты измерения крутящего момента индицируются на дисплее 4. При необходимости передачи данных на расстояние включается радиопередающее устройство типа. Сигнализатор тревоги 18 срабатывает при превышении допустимого уровня крутящего момента. В устройстве предусмотрено гнездо 24 интерфейса 232, который предназначен для обмена информацией с внешними устройствами, например стационарным компьютером, что позволяет скачивать информацию из памяти микропроцессора и затем просматривать историю функционирования ключа. На фиг. 4 приведена зависимость величины индукции магнитного поля В, воздействующей на элемент Холла, как функция перемещения на расстояниеотносительно друг друга, причем линиясоответствует предложенной магнитной системе, состоящей из 4-х магнитов, а линия- магнитной системе, состоящей из 2-х противоположно намагниченных магнитов (расчет с использованием программы 4 6). Из сравнения зависимостейиследует, чтодля конструкции магнитной системы, предлагаемой в 5 45832008.08.30 настоящей полезной модели, не менее чем в 15 раз больше, чем в прототипе и ранее описанных технических решениях. Следовательно, чувствительность к измерению крутящего момента, а значит, и точность измерений значительно повышаются благодаря предложенной конструкции магнитной системы. Тем самым решается задача по увеличению точности определения искомого крутящего момента. Компьютерное моделирование магнитных полей, приведенное на фиг. 4, осуществлено при следующих параметрах. Магниты - самарий-кобальтовые кубики с энергией 27 и размерами 555 мм, установленные с зазором 0,5 мм и 0,1 мм дляи 4 мм для . Размеры выбирались разумными из условия их минимальности, но с учетом того, чтобы в рабочих зазорах мог разместиться и двигаться предельно тонкий элемент Холла, толщина которого не превышает 0,2 мм. Варьирование геометрических размеровив разумных пределах, а также материалов высокоэнергетичных магнитов показало, что отношение градиентов В для этих двух магнитных систем лежит в диапазоне от 10 до 20 единиц, что однозначно указывает на преимущество предложенной системы из четырех магнитов. Следует заметить, что удельная энергия магнитов на основе неодима, которые использовались в прототипе, более низкая, чем самарий-кобальтовых. При выборе клавишей 17 режима измерения веса тела необходимо использовать устройство по схеме, изображенной на фиг. 5. С миниатюрного постоянного магнита 26 снимается держатель 20 и приводится в рабочее положение. К головке ключа подвешивается измеряемый груз. При этом гаечный ключ удерживается горизонтально, причем горизонтальность может фиксироваться индикатором уровня 21 с точностью 2. При этом держатель 20 закрепляется неподвижно или фиксируется одной из рук. Резиновая манжета 25 расположена на конце рукоятки гаечного ключа и служит для удобства и повышения фрикционных свойств связи рукоятки с рукой. Приложением силы другой руки к рукоятке удерживается подвешенный к головке ключа измеряемый груз. Равенство приложенных моментов сил 1 и 2 соответствует горизонтальному расположению рукоятки и рассчитывается микропроцессором. Результаты отображаются на дисплее 4. При необходимости передачи данных включается радиопередающее устройство типа . Дополнительно гаечный ключ оснащен адаптером 220 В переменного напряжения / 5 В постоянного напряжения, выход которого подключается к гнезду 23 (при необходимости подзарядки аккумуляторной батареи 14). Индикатор уровня заряда аккумуляторной батареи 14 высвечивается на дисплее 4. Оценим точность взвешивания груза с помощью предлагаемого устройства. Относительная погрешностьопределения веса груза Р в основном обуславливается отклонением рукоятки гаечного ключа от горизонта на малый угол(1)/(/2 - ),гдеизмеряется в радианах. При 24/3600,035 радиан относительная погрешность, вычисленная по формуле (1), не превышает 3,5 , что является вполне достаточным для бытовых измерений. Следовательно, полностью решена задача по расширению функций гаечного ключа на область взвешивания груза. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении относится к орудиям труда, а именно к гаечным ключам, и может найти применение преимущественно в железнодорожном и авиастроении, где нормировано предельное значение крутящего момента. Кроме того, в устройстве реализована дополнительная функция, а именно возможность взвешивания груза для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в нижеизложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов 6 45832008.08.30 средство, воплощающее заявленное, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7