Гаечный ключ

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Гаечный ключ, 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 противоположно намагниченных миниатюрных магнитов, установленных параллельно с зазором, в котором размещен магниточувствительный элемент 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, отличающийся тем, что магнитная 91272013.04.30 система дополнительно содержит две пары магнитопроводов, установленных попарно с зазором друг к другу и попарно прижатых к указанным магнитам таким образом, что ближайшие к зазору концы магнитопроводов намагничены попарно противоположно друг другу и образуют квадрупольную магнитную линзу с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль перемещения магниточувствительного элемента, 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 переменное /5 постоянное напряжение, а электронная плата снабжена преобразователем интерфейса 232, кроме того, магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом с-образной вольтамперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами и подключен через резистор к аккумуляторной батарее.(56) 1.2006027058, 2006. 2.202004017879, 2005. 3.2005118955, 2005. 4.00064640, 2000. 5.0005037, 2000 (прототип). 6. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 7. А.с.1739402, МПК 01 29/06, 1992. Заявляемая полезная модель относится к орудиям труда, а именно к электронным гаечным ключам, и может найти применение преимущественно в железнодорожном и авиастроении, где нормировано предельное значение крутящего момента. Известно устройство электронного гаечного ключа 1, 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 гаечного ключа с измерением крутящего момента 2, 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. Можно выделить следующие недостатки гаечного ключа, а именно непосредственное силовое воздействие на чувствительный элемент (пъезоэлектрик) ограничивает срок службы чувствительного элемента практически невозможно проводить измерения при статическом приложении крутящего момента, необходима динамика необходимо использовать усилитель с очень высоким входным сопротивлением, что обуславливается возникновением заряда,а не тока на выходе фольги, и, следовательно, устройство обладает низкой помехоустойчивостью. Из уровня техники известно устройство электронного гаечного ключа 3, в котором для измерения крутящего момента используется бесконтактный съем информации. Устройство функционирует на эффекте Холла. Связь между микроперемещением постоянного магнита относительно элемента Холла при воздействии крутящего момента осуществля 2 91272013.04.30 ется по магнитному полю. Относительные перемещения магнита и элемента Холла вызывают в последнем генерацию ЭДС Холла, которая имеет трапециидальную форму в зависимости от перемещения. Электронные позиционные ключи с помощью микропроцессора позволяют формировать выходной тревожный сигнал при превышении допустимого уровня крутящего момента. Главным 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, которое при использовании микропроцессорной обработки позволяет определять величину крутящего момента во всем диапазоне измерений. В нем для измерения крутящего момента используется бесконтактный съем информации при помощи элемента Холла, который размещен 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. Недостатком устройства 4 является 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. Кроме того, 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 близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому, по мнению авторов является устройство 5. Оно 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 магниточувствительный элемент, функционирующий на эффекте Холла,установленный с возможностью 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 поляпри 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 момента. Изменив конструкцию магнитной системы можно кардинально увеличить чувствительность, а следовательно, и точность измерений крутящего момента. Кроме того,выходной сигнал с магниточувствительного элемента является аналоговым и имеет не 3 91272013.04.30 большую величину ЭДС, следовательно подвержен воздействию низкочастотных и квазистатических магнитных полей, которые отрицательно влияют на результаты фиксации крутящего момента. Обязательным является использование усилительных устройств. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является увеличение точности определения крутящего момента в сложных условиях эксплуатации, а именно при присутствии больших ферромагнитных масс, близкорасположенных проводов с током и низкочастотных электромагнитных помех. Гаечный ключ 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 противоположно намагниченных миниатюрных магнитов, установленных параллельно с зазором, в котором размещен магниточувствительный элемент 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. Устройство отличается тем, что магнитная система дополнительно содержит две пары магнитопроводов, установленных попарно с зазором друг к другу и попарно прижатых к указанным магнитам таким образом, что ближайшие к зазору концы магнитопроводов намагничены попарно противоположно друг другу и образуют квадрупольную магнитную линзу с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль перемещения магниточувствительного элемента, 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 переменное /5 постоянное напряжение, а электронная плата снабжена преобразователем интерфейса 232, кроме того, магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей- эффектом 6, 7 с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, и подключен через резистор к аккумуляторной батарее. Анализ элементов устройства, приведенных в отличительной части, 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 анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. По мнению авторов, гаечный ключ содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи, следовательно заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлен общий вид гаечного ключа с измерением крутящего момента. На фиг. 2 изображено продольное сечение - гаечного ключа. На фиг. 3 приведена схема магнитной системы с магниточувствительным элементом,используемая для генерации частотно-импульсного сигнала при приложении крутящего моментак рукоятке. На фиг. 4 приведена электрическая схема подключения магниточувствительного элемента, выполненного в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом. 4 91272013.04.30 На фиг. 5. приведена зависимость частоты выходного сигналаот величины крутящего моментаи величины индукции магнитного поля 0 в зазоре магнитной системы вдоль оси . Гаечный ключ содержит рукоятку 1 с одной захватывающей головкой 2 и каналом 3,проходящим вдоль рукоятки, встроенные в канал рукоятки микропроцессор с электронным дисплеем 4, жесткий клинообразный стержень 5 с прижатыми к более острому концу двумя пружинками 6, магнитную систему 7, состоящую из двух постоянных миниатюрных магнитов 8, 9 и двух пар магнитолроводов 10, 11, установленных с зазором таким образом, что магниты 8 и 9 намагничены противоположно друг другу, а ближайшие к зазору концы магнитопроводов намагничены попарно противоположно друг другу и образуют квадрупольную магнитную линзу 7 с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль перемещения по осимагниточувствительного элемента 12, провода от которого идут к электронной плате 13, снабженной преобразователем интерфейса 232 и через резистор н к аккумуляторной батареей 14. Под передвижной крышкой 15, защищающей электронику и дисплей 4, находятся клавиши управления электроникой 16, 17 (16 - кнопка вкл/выкл, 17 - выбор функций калибровки или измерений крутящего момента ), 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 (полезен при затяжке гаек и болтов в горизонтальной плоскости), состоящий из столбика жидкости с пузырьком воздуха 22 в прозрачной трубке. Дополнительно гаечный ключ оснащен радиопередающим устройством типа(не изображен) и адаптером 220 переменного напряжения /5 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. Миниатюрный винт 27 установлен заподлицо и служит для смещения магнитной системы 7, например, по полозьям (не изображены) по осии фиксации в заданном положении. Магниточувствительный элемент 12 выполнен в виде полупроводниковой структуры,обладающей -эффектом 6, 7 с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами. Плюс аккумуляторной батареи 14 подключен к -области элемента 12. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 7. Вектор индукция магнитного поляприкладывается в плоскости параллельной плоскости раздела - и -областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия, г. Москва (Институт проблем управления). Магнитопровод должен быть выполнен из материала с высокой индукцией технического насыщения , превышающей 1 Тл, например из армко-железа. -максимальная величина магнитной индукции в месте расположения магниточувствительного элемента при которой наблюдается линейная зависимость частоты выходного сигнала магниточувствительного элемента от индукции магнитного поля 0. Гаечный ключ работает следующим образом. Сначала устройство калибруется. 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 калибровка. Устройство калибруется при отсутствии приложенного крутящего моментак рукоятке (0). Для этого миниатюрным винтом 27 смещают магнитную систему 7 вдоль осии фиксируют ее в положении, при котором величина индукции 5 91272013.04.30 магнитного поля В 0 в месте расположения магниточувствительного элемента 12 чуть превышает 50 мТл, т.е. такую величину, при которой магниточувствительный элемент 12 переходит в режим генерации частотно-импульсного сигнала (при меньшей величине индукции магнитного поля сигнал - аналоговый). Это явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувтвительного элемента 12 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. На фиг. 5 изображена типичная зависимость частотывыходного сигнала от индукции магнитного поля в зазоре при приложении крутящего моментак рукоятке (градуировочная линия). При этом зависимостьлинейная, т.е., где- чувствительность к измеряемому крутящему моменту, поскольку магнитная система 7 характеризуется постоянством градиента индукции магнитного поля или линейной зависимостью компонентыот величины смещения по оси . Далее клавишей 16 включается электроника, а клавишей 17 выбирается режим измерение. При приложении силык рукоятке (приложении крутящего моментак рукоятке) магниточувствительный элемент 12 смещается по осиотносительно ранее установленного положения при калибровке в область с большой величиной магнитной индукции (при затяжке), равной(компонента магнитного полянаправлена вдоль осии зависит от координаты смещения по оси ). При этом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный сигнал частотой . Следует отметить, что при приложении крутящего моментаупругая часть рукоятки 1, проходящая вдоль канала 3 изгибается упруго, приводя к микроперемещению магниточувствительного элемента 12 относительно жестко закрепленной в трапециодальном стержне 5 магнитной системы 7, состоящей из двух постоянных магнитов 8, 9 и двух пар магнитопроводов 10, 11. Поскольку угол вращения магниточувтвительного элемента 12 очень мал, то дугу перемещения элемента 12 можно считать отрезком вдоль оси . В случае нелинейности функцииона заносится в память микропроцессора при калибровке. По частотемикропроцессор вычисляет величину крутящего момента ,заложенного в память при калибровке. Две пружины 6 выполняют роль демпфера и тем самым устраняют причину возникновения длительных механических колебаний элемента 12 относительно магнитной системы 7, 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 с памяти микропроцессора и затем просматривать историю функционирования гаечного ключа. При необходимости передачи данных включается радиопередающее устройство типа. Дополнительно гаечный ключ оснащен адаптером 220 переменного напряжения /5 постоянного напряжения, выход которого подключается к гнезду 23 (при необходимости 6 91272013.04.30 подзарядки аккумуляторной батареи 14). Индикатор уровня заряда аккумуляторной батареи 14 высвечивается на дисплее 4. Таким образом, решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с -эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования и вследствие конструкции магнитной системы с высоким градиентом индукции магнитного с высокой точностью вычисляется значение крутящего момента 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 электронным гаечным ключам, и может найти применение преимущественно в железнодорожном и авиастроении, где нормировано предельное значение крутящего момента для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано ниже и в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов 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. 8