Способ определения крутящего момента и устройство для его осуществления

Г Ее ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДИТЕЛЬСТВУ л, сДй" Мф,-10 соединением заявки Х аеударственный кюматат СССР а делам кзюбрвтвек я еткриткк(088,8)14 Дата опубликования описания 04,79. М Е. Шаршунов околин, В, А. Сидякин Ярославское объединение по производству автомобдизельных двигателей и Проектно технологическиисследовательский институт НПО "Темп" ьных аучноявите(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯставляюще статочную создают по го вала. Одер при иэмемашинах и Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности и народного, хозяйства для бесконтактного определения крутящего момента, передаваемого через стальной вал машины или ме ханизма.Известны способы измерения крутящего момента, основанные на магнитоупругом эффекте, при котором ферромагнитный вал - чувствительный элемент помещают то в переменное магнитное поле, а значениеткрутящего момента определяют по изменению магнитной проницаемости вала либо на основной частоте Я, либо на гармониках частоты переменного поля 121 .Наиболее близким по технической сушности к предлагаемому способу являетсяспособ определения крутяшего момента,основанный на магнитоупругом эффекте,20при котором вал - чувствительный элемент предварительно циркулярно намагничивают, пропуская через него постоянный ток, а значение крутяшего момента опое. -деляют по величине осевой с остаточного потока 31 .Согласно этому способу о циркулярную намагниченность всему объему магнитоупруго нако в ряде случаев, наприм рении моментов в различных механизмах, дополнительное включение в силовую передачу отдельного магнитоупругого элемента недопустимо по конструктивным условиям. В этих случаях возникает необходимость в непосредственном использовании сушествуюших стальных ва,лов машин и механизмов в качестве магчитоупругих чувствительных элементов,Однако, как показывавт практика, умногих стальных валов поверхностныйслой вследствие механической, термической или иной обработки не проявляетмагнитоупругого эффекта, что делает неприемлемыми известные способы определения крутяшего момента.Белью изобретения является расширениобласти применения способа на стальных657281 валах, не проявляющих магнитоупругий эффект в поверхностном слое.Цель в способе основанном на магнитоудругом эффекте и включающем предварительное циркулярное намагничивание ферромагнитного вала с помощью постоянного тока, достигается за счет того, что вал с остаточной циркулярной намагничен-. ностью помещают в переменное магнитное поле, а значение крутящего момента определяют по величине четных гармоник переменного поля.Такой способ может быть осушествлен устройством, содержащим ферромагнитный вал с остаточной циркулярной намагниченностью, концентричный валу неподвижный магнитопривод с полесоздающей и измерительной обмотками и измерительный прибор, в которое дополнительно введен генератор переменного тока и блок выделения четных гармоник, включенный между измерительной обмоткой и измерительным прибором, а блок вьщеления гармоник содержит частотно избирательный усилитель, настроенный на одну из четных гармоник частоты генератора, предпочтительно вторую, . а также фазочувствительный детектор и корректор нудь-пункте, который, вы полнен в виде двухполупериодного выпрямителя с регулятором величины выходного напряжения, включенного через фаэоврашатель между генератором переменного тока и входом частотно-избирательно го усилителя. Вследствие этого вектор остаточнойнапряженности Н г. (фиг. 1) поворачивается в направлении бр и получает осевую составляюшую Йо, пропорциональную 3 величине крутящего момента Мк . Этотпроцесс происходит во всех элементарных объектах вала, в которых отсутствуют значительные остаточные механические напряжения или деформации структуры металла.ф У остальных валов, у которых поверхностный слой вследствие механической, термической или иной обработки не проявляет магнитоупругого эффекта, процесс магнитоупругого преобразования происходит в средней части вала. Однако деформированный поверхностный слой 2 (фиг. 1) служит магнитным экраном, не выпуская осевую составляющую Й, от средних слоев наружу и делая ее недоступ- Юной для непосредственного измерения. На фиг 1 дана иллюстрация предлагаемого способа определения крутящего момента;,на фиг. 2 - схема устройства на фиг. 3 ( а,б,в) - диаграммы, поясняю шие работу корректора нуль-пункта.Существо способа заключается в следующем,Через стальной вал 1 в осевом направлении кратковременнЬ (в течение нескольких секунд) пропускают постоянный ток 1 , который,достаточен:для циркулярного намагничивания вала до насьпцения,Напряженность остаточного поля после такого намагничивания при изотропностимагнитных свойств вала имеет только циркулярную составляющую Й (фиг. 1), т.е. вектор остаточной намагниченности, Йсовпадает с Н ).Под действием кру щего момента М возникают напряжения растяжения 6 Р и сжатия бС, направленные соответствено оно под углом + 45 и - 45 к оси вала. Для получения инфоцмации о величине осевой составляющей вал помешают в пе, ременное магнитное поле Й. (фиг. 1)Таким образом, в поверхностномслоесуществуют одновременно два поля: постоянное - Йо и переменное Й . Взаимодействие двух таких полей в ферромагнитном материале приводит к появлению четных гармоник переменного поля.Амплитуды четных гармоник, в частности второй, пропорциональны напряженностипостоянного поля Н е , т.е. в данном случае величине .крутящего момента, фаза четных гармоник зависит от направления Нд, т.е. от знака момента. Устройство для определения крутяшэ.- го момента, реализующее предлагаемый способ содержит вал - чувствительный элемент 1 (фиг. 2), который может иметь поверхностный слой 2, не проявляющий магнитоупругого эффекта. Вал выполнен с остаточной циркулярной намагниченностью и помешен внутри полесоздаюшей 3 и измерительной 4 обмоток с обшим магнитопроводом 5. Полесоздающая обмотка присоединена к генератору 6-цеременного тека. Измерительная обмотка подключена к блоку выделения четньж гармоник, кото рый содержит: фазовращатель 7 двухполупериодный выпрямитель 8 с регулируемой величиной выходного напряжения, ча стотно-избирательный усилитель 9, настроенный на одну из четных гармоник - предпочтительно вторую, фазочувствите. - ный детектор 10 измеряемой гармоники.На выходе блока выделения четных гармоник включен измерительный прибор (милливольтметр) 11,Переменный ток от генератора 6, проходя через обмотку 3, создает переменноемагнитное поле, которое замыкается черезнаружный слой 2 вала и мвгнитопровод 5В измерительной обмотке 4 при этом наводится ЭДС, содержащая первую гармонику, в также высшие гармоники, в основ ном третью, которые появляются вследствие нелинейных свойств магнитной цепи.При скручивании вала в его поверхностном слое 2 в результате взаимодействияпостоянного и переменного магнитных полей возникают четные гармоники перемен-,ного поля, Для измерения нх ЭДС служитблок выделения четных. гармоник, которыйв простейшем случае может представлятьсобой частотно-избирательный усилитель Юили фильтр, настроенный на одну из нетырех гармоник. Такой простейший блок непозволяет корректировать нуль-пункт, т.е.начальное положение указателя измерительного прибора, в также не позволяет определять напряжение (знвк) крутящего момента,Вследствие несимметричности тока,анизотропности магнитных свойств вала идругих причин в измерительной обмоткепри ненагруженном вале наводится ЭДСчетных гармоник порядка от 5 до 50 максимального значения измеряемой гармоники, Такой начальный уровень недопустим, поэтому измерительное устройст 35во содержит корректор нуль-пункта, который выполнен ь виде двухполупериодноговыпрямителя 8 с регулируемой величинойвыходного напряжения, включенного через40фаэовращвтель 7 между генератором 6переменного тока и входом частотно-избирательного усилителя 9. На фиг. Засхематически показана ЭДС измерительной обмотки (сплошная линия). Содержашаяся в этой ЭДС вторая гармоника данапунктиром. На фиг, Зб показано нвлряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя 8 (сплошная линия). Это напряжение включено последовательно с ЭДС обмотки 4. С помощью фазовращателя 7 ирегулятора величины напряжения выпрямителя устанавливается такое значение напряжения, при котором гармоника, содержащаяся в нем (пунктир фиг. Зб), равна по уамплитуде и противоположна по фазе второй гармонике в измерительной обмотке,Возможность регулирования амплитуды ифазы второй гармоники показана условно с помощью вертикальных и горизонтальныхстрелок на фиг. Зб. После такой компенсации напряжения на входе частотно-избирательного усилителя не содержит второйгармоники (пунктир на фиг. Зв), и стрелка измерительного прибора 11 при этомустанавливается в нулевое положение,фазочувствительный детектор 10 служит для определения направления (знака) крутящего момента. При изменении знака момента меняется фаза измеряемой четной гармоники, что приводит к отклонению указателя измерительного прибора в другую сторону от нулевого положения. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволит применять магнитоупругие преобразователи для измерения крутящего момента, передаваемого через стальные валы, в том числе и такие, поверхностный слой которых вследствие механической, термической или иной обработки не проявляет мвгнитоупругих свойств, например через стальные валы различных машин и механизмов.По сравнению с известными способами, основанными на магнитоупругом эффекте, предлагаемое решение обладает существенно более широкой областью применения,Формула изобретения 1. Способ определения крутящего момента, основанный на;магнитоупругом эффекте и включающий предварительное циркулярное намагничивание ферромагнитногоцала с помощью постоянного тока, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюрасширения области применения способана стальных валах, не проявляющих мвгнитоупругий эффект в поверхностном слое,ввл с остаточной циркулярной намагниченностью помешают в переменное магнитноеполе, а значение крутящего момента определяют по величине четных гармоникпеременного поля,2. Устройство для осуществления способа определения крутящего момента пои, 1, содержащее ферромагнитный вал состаточной циркулярной намагниченностью,концентричный валу неподвижный магнитопривод с полесоздаюшей и измерительнойобмотками и измерительный прибор, о тл и ч в ю ш е е с я тем, что в него дополнительно введен генератор переменного тока и блок выделения четных гармоник, включенный между измерительной обмоткой и измерительным прибором.3, Устройство по и. 2, о т л и ч а юц е е с я тем, что блок выделения гармоник содержит частотно-избирательный уси литель, настроенный на одну из четных гармоник частоты генератора, предпочтительно вторую, а также фазочувствительный детектор и корректор нуль-пункта.4. Устройство по пп. 2 и 3, о т л и ч а ю ц 1 е е с я тем, что корректор нуль- пункта выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя с регулятором величины выходного напряжения, включенного через фазоврашатель между генераторомпеременного тока и входом частотно-избирательного усилителя. Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРМо 148932 кл б 01 1 а 3/10 1 9602, Авторское свидетельство СССРМо 286294, кле 6 013/10) 1969 е3. Заявка И 2134346/10,кл. б 01. Ь 3/24, 1975, по которойпринято положительное решение о выдачеавторского свидетельства.657281 реив едактор И. 40 Тиоаж 1089ЦНИИ ПИ Государственногопо делам изобретени 35, Москва, Ж, Раушская Заказ 1 Подписное комитета ССС и открытий наб., д. 4/5