датчик-измеритель крутящего момента

Формула изобретения

1. Датчик-измеритель крутящего момента, содержащий соединенные парно, укрепленные на стержне и испытывающие напряжения сжатия-растяжения два упругих элемента, к каждому из которых подсоединено по одному преобразователю частоты в код крутящего момента, отличающийся тем, что на упругом стержне в его теле выполнены три сквозные прорези, образующие вдоль оси стержня сквозную щель в форме удлиненной буквы П, в результате этого на стержне образовано два упругих элемента и между ними указательная стрелка, направленная вдоль оси стержня к точке закрепления одного конца стержня, при этом под воздействием приложенной к другому концу стержня силы в плоскости расположения указательной стрелки конец указательной стрелки при изгибе стержня имеет возможность углового смещения относительно закрепленного конца стержня и соответственно своей емкостью изменять емкость установленного у закрепленного конца на стержне по меньшей мере одного датчика-преобразователя емкости в код крутящего момента.

2. Датчик-измеритель по п.1, отличающийся тем, что датчик-преобразователь емкости в код крутящего момента содержит генератор колебаний, подсоединенный к преобразователю частота-код крутящего момента, при этом роль емкости колебательного контура генератора колебаний выполняет изменяющаяся емкость между подложкой платы генератора колебаний и емкостью смещающегося конца указательной стрелки относительно датчика-преобразователя емкости в код крутящего момента.

3. Датчик-измеритель по п.1, отличающийся тем, что упругий стержень выполнен сборным и содержит укрепленные между двумя упругими пластинами указательную стрелку и у конца указательной стрелки корпус крепления головки ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве чувствительного элемента динамометрических ключей, динамометров, измерителей крутящего момента. Кроме этого, может быть использовано также в других отраслях промышленности и народного хозяйства.

Известен "Магнитострикционный датчик крутящего момента и способ его изготовления" по описанию изобретения к патенту СССР №1797698, класс МПК G 01 L 3/10, опубликовано в БИ №7 23.02.93 г. (1).

Сущность этого изобретения заключается в следующем. Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, замыкается по перемычкам между пазами. При действии на вал крутящего момента перемычки, расположенные под одной из сигнальных обмоток, испытывают напряжение сжатия, а под другой - растяжения. Поскольку обмотки включены последовательно-встречно, на выходе появится сигнал, пропорциональный величине крутящего момента, который фиксируется измерительным прибором.

Благодаря наличию мелких зубцов, образованных на поверхности магнитоанизотропных зон, почти полностью устраняются такие дефекты, как заусенцы и микротрещины, образованные в процессе механической обработки вала, что приводит к увеличению точности измерения крутящего момента.

Недостатком данного датчика является то, что он достаточно сложный как конструктивно, так и в технологии изготовления.

Известен также "Моментомер Г.Л.Никулина" по описанию изобретения к патенту РФ №2006009, класс МПК G 01 L 3/10, опубликовано в БИ №1 от 15.01.94 г. (2).

Данное устройство содержит две полумуфты. соединенные упругими элементами и установленные на соосных ведущем и ведомом валах. Полумуфты кинематически связаны зубчатым зацеплением, один элемент которого жестко связан с одной полумуфтой, а другой расположен на оси электромашинного преобразователя угла, жестко закрепленного на торце другой полумуфты. Измеритель крутящего момента выполнен в виде второго электромашинного преобразователя угла.

Недостатком данного моментомера является сложность и некоторая громоздкость конструкции устройства.

Известен датчик крутящего момента по книге "Sensortechnik": Sensorwirkprinzipien und Sensorsysteme / Harry Herold. - Heidelberg; , 1993, ISBN 3-7785-2138-1, стp.259-260 (3).

В данном устройстве два упругих элемента подвергаются напряжениям сжатия-растяжения.

Недостатками данного устройства являются:

1) нетехнологичность изготовления данного датчика;

2) трудно осуществлять съем показаний значения частоты колебаний упругих элементов датчика.

Кроме вышеназванных устройств датчиков широко используются простейшие тарированные динамометрические ключи для закручивания резьбовых соединений гаек и болтов; в них роль упругих элементов, как правило, выполняют два упругих стержня, укрепленных парно.

Целью предлагаемого изобретения "Датчик-измеритель крутящего момента" является разработка и создание очень простого по конструкции, а также надежного и эффективного в работе измерительного прибора.

Указанный технический результат достигается следующим образом. На упругом стержне в его теле выполнены три сквозные прорези, образующие вдоль оси стержня сквозную щель в форме удлиненной буквы П, в результате этого на стержне образованы два упругих элемента и между ними указательная стрелка, направленная вдоль оси стержня к точке закрепления одного конца стержня, при этом под воздействием приложенной к другому концу стержня силы в плоскости расположения указательной стрелки конец указательной стрелки при изгибе стержня имеет возможность углового смещения относительно закрепленного конца стержня и соответственно своей емкостью изменять емкость установленного у закрепленного конца на стержне одного или двух датчиков-преобразователей емкости в код крутящего момента.

А датчик-преобразователь емкости в код крутящего момента содержит генератор колебаний, подсоединенный к преобразователю частота - код крутящего момента, при этом роль емкости колебательного контура генератора колебаний выполняет изменяющаяся емкость между подложкой платы генератора колебаний и емкостью смещающегося конца указательной стрелки.

Выходным сигналом предлагаемого датчика-измерителя является код, который обрабатывается во внешней системе и показывает конкретное значение измеренного крутящего момента, например, на цифровом индикаторе.

Упругий стержень датчика-измерителя крутящего момента может быть выполнен в сборном варианте. В этом случае упругий стержень содержит две упругие, например, стальные пластины, между которыми жестко закреплена указательная стрелка и корпус крепления головки ключа.

Близкого аналога предлагаемому "Датчику-измерителю крутящего момента" в доступной научно-технической и патентной информации не установлено.

В качестве отдаленного аналога предлагаемому техническому решению можно принять датчик по источнику научно-технической информации (3).

Перечень фигур на чертежах.

На фиг.1 изображен предлагаемый "Датчик-измеритель крутящего момента", вид спереди и сверху с частичным вырезом.

На фиг.2 изображена структурная схема датчика-преобразователя частоты в код крутящего момента с двумя генераторами колебаний.

На фиг.3 изображена электрическая схема измерительного контура преобразователя емкости в частоту.

На фиг.4 изображен датчик-измеритель крутящего момента со сборным упругим стержнем.

Предлагаемый "Датчик-измеритель крутящего момента" состоит из следующих узлов и деталей.

На упругом стержне 1, изготовленном, например, из высокопрочной пружинной стали, на одном конце укреплена рукоятка 2, а на другом конце, - например, головка ключа 3, предназначенная для заворачивания-отворачивания резьбовых гаек или болтов (фиг.1). На этом же конце стержня 1 недалеко от места крепления головки ключа 3 в стержне выполнены три сквозные прорези 4, образующие вдоль оси стержня сквозную щель в форме удлиненной буквы П. В результате этого на стержне 1 образованы два упругих элемента 5, а между ними указательная стрелка 6, направленная вдоль оси стержня к точке закрепления стержня 1 (к головке ключа 3).

В плоскости, перпендикулярной к П-образной щели 4, на стержне 1 выполнены две лыски с двух сторон стержня и параллельные друг другу, а на этих поверхностях с помощью винтов укреплены два датчика-преобразователя 7 емкости в код крутящего момента.

На конкретном заданном участке стержня 1 с лысками при воздействии усилия Р на стержень происходит упругая деформация двух упругих элементов 5, поскольку плошадь поперечного сечения у них несколько меньше тех участков стержня, где не образованы лыски.

На каждом датчике-преобразователе 7 с внутренней стороны по отношению к концу указательной стрелки 6 укреплены медные подложки 8, являющиеся обкладкой измерительного конденсатора 11 (преобразователя усилия изгиба-деформации стержня 1 в емкость).

Параллельно измерительному конденсатору 11 подсоединена паразитная емкость 12 (фиг.3), к которой подсоединена катушка индуктивности 13 генератора индуктивной трехточки.

Датчик-преобразователь 7 емкости в код крутящего момента состоит из датчика 9, преобразующего емкость в частоту, то есть генератора колебаний, а к датчику 9 подсоединен преобразователь 10 частоты в код крутящего момента (фиг.2). На фиг.2 изображена структурная схема датчика-преобразователя с двумя генераторами колебаний.

Упругий стержень датчика-измерителя крутящего момента может быть выполнен и в сборном варианте (фиг.4). В этом случае упругий стержень как таковой содержит две упругие стальные пластины 14, между которыми жестко закреплена на заклепках или винтах указательная стрелка 15 и корпус 16 крепления головки ключа 3.

На корпусе 16 крепления головки ключа 3 и на двух упругих пластинах 14 в двух плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения указательной стрелки, с двух сторон на каждой пластине выполнены по одной лыске, а на полученных поверхностях укреплены два датчика-преобразователя 7 емкости в код крутящего момента.

На участке этих лысок при воздействии усилия Р на рукоятку 2 упругого стержня происходит упругая деформация двух упругих элементов 14 на упругих пластинах 14, поскольку площадь поперечного сечения их на этих участках несколько меньше, чем на тех участках пластин, где не образованы лыски.

Предлагаемый датчик-измеритель крутящего момента работает следующим образом.

Под действием внешней силы Р, например усилия оператора на рукоятку 2 при установленной, например, на головку болта головки ключа 3, стержень 1 изгибается на определенную величину в плоскости расположения сквозной щели 4. При этом, в первую очередь, изгибаются упругие элементы 5 стержня 1, а конец указательной стрелки 6 смещается, то есть поворачивается на определенный угол относительно неподвижно закрепленного конца стержня - головки ключа 3 и конца стержня 1 и относительно подложки платы 8 и укрепленных здесь двух датчиков-преобразователей 7 емкости в код крутящего момента.

Величина смещения конца указательной стрелки 6 зависит от величины прилагаемого усилия Р на рукоятку 2 стержня 1. Таким образом, перемещающийся конец стрелки 6 относительно датчика-преобразователя 7 изменяет его емкость своей емкостью, при этом если емкость одного из датчиков-преобразователей 7 будет увеличиваться, то емкость другого датчика-преобразователя будет уменьшаться.

В результате изменения емкости любого датчика-преобразователя 7 будет изменяться и емкость колебательного контура, состоящего из конденсатора 11, паразитной емкости 12 и катушки индуктивности 13, а вследствие изменения емкости колебательного контура будет изменяться и частота его колебаний.

При этом частота колебаний, снимаемая с генераторов колебаний 9, выполненных, например, по схеме индуктивной трехточки, поступает на преобразователь 10 частоты в код крутящего момента.

Выходным сигналом предлагаемого датчика-измерителя крутящего момента (фиг.2) является код крутящего момента, который обрабатывается во внешней системе.

Любые внешние факторы, например температура, влажность, приводят к синхронному изменению измерительных емкостей всего датчика-измерителя крутящего момента. При этом изменение их разностей минимальное.

Таким образом, предлагаемый датчик-измеритель крутящего момента мало чувствителен к изменению внешних факторов.

Возможно построение системы (прибора) и с одним датчиком-преобразователем 7 емкости в код крутящего момента, но метрологические параметры его будут несколько худшими.

Также возможно построение прибора с количеством датчиков-преобразователей емкости в код крутящего момента и больше двух. Построение такого рода прибора гарантирует повышение метрологической точности всей системы датчиков-измерителей крутящего момента.

Литература

1. "Магнитострикционный датчик крутящего момента и способ его изготовления" по описанию изобретения к патенту СССР №1797698, класс МПК G 01 L 3/10, опубликовано в БИ №7 23.02.93 г.

2. "Моментомер Г.Л.Никулина" по описанию изобретения к патенту РФ №2006009, класс МПК G 01 L 3/10, опубликовано в БИ №1 15.01.94 г.

3. Датчик крутящего момента по книге "Sensortechnik": Sensorwirk-prinzipien und Sensorsysteme / Harry Herold. - Heidelberg: , 1993, ISBN 3-7785-2138-1, с.259-260.