Устройство для измерения крутящего момента

(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промьппленности,сельском хозяйстве и.на транспорте(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 547656, кл., Р 16 В 21/09, 1975.2. Тогз 1 оп МеазигешепС Зузееш,Мойе 1 1200 А Асотех АиСойайа, перевод ТПП В 8202-1, 1977.(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯКРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, состоящее извращающейся передающей части, неподвижной приемной части и электровного блока, содержащее в передающей части упругий вал, источникнапряжения постоянного тока, входа-.ми соединенный с подвижной обмоткойвращающегося трансформатора, авыходом - с модулятором-передатчиком, связанным через .канал передачи информации с приемником-демодулятором, установленным в неподвижнойчасти и связанным с индикатороммомента через фильтр-усилительэлектронного блока, при этом в электрронном блоке размещены второй источник напряжения постоянного тока,связанный с сетью переменного тока,и генератор частоты, связанный через согласующий трансформатор с неподвижной обмоткой вращающегося трансформатора, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности и надежности работы устройства, вращающаяся часть снабжена последовательно включенными преобразователем.крутящего момента в силу, преобразователем силы в частоты . импульсов кварцевых генераторов и смесителем частот генераторов, элект" ронный блок дополнительно снабжен преобразователем частота - аналог, причем преобразователь момента в силу жестко связан с валом, выход смесителя частот соединен с модулятором-передатчиком, а.преобразова-. тель частота - аналог первым входом Б соединен с выходом приемника-демоду= лятора, вторым входом - с генератором частоты, а выходом - с фильтром- усилителем электронного блока.2. Устройство по п, 1, о т л йч а ю щ е е с я тем, что преобразователи момента в силу и силы в час.тоты импульсов выполнены в виде соосного и жестко соединенного с упругим валом шунтирующего торсио- на, связанного с рычагом преобразо.вателя силы в частоту, образованного силочувствительными пьеэокварцевыми резонаторами, включенньви дифференциально и жестко связаниымн одними сторонами с рычагом, а другими - с основанием преобразователя момента в силу и расположенными в плоскости оси вращения торсиона так, что их продольная силочувствительная ось перпендикулярна оси вращения торсиона и параллельна плоскости рычага.зовано для измерения крутящего момента, например, в механическихтрансмиссиях вертолетов, содержащихполые металлические и неметаллические валы.Известно устройство, используемое для измерения крутящего момента в трансмиссии вертолета, состоящее 10 из вращающейся передающей и неподвижной приемной частей и содержащее трансмиссионный вал с зубчатыми возбудителями, индукторы, преобразователь относительного фазового 15 угла поворота возбудителя во временной интервал и фильтр нижних частот с усилителем, причем выход индуктора соединен с входом преобразователя относительного фазового угла 20 поворота возбудителей зо временной интервал, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот. Сигнал с выхода фильтра нижних частот подается на вход усилителя, 25 к которому подключен индикатор 13 .Однако данное устройство не обеспечивает заданной точности измерения крутящего момента, особенно в зоне малых частот вращения, где индукторы генерируют измерительные сигналы низкой частоты., В этом случае для удовлетворительной фильтрации выходного сигнала требуется увеличение постоянной времени фильт- З ра., что приводит к недопустимым фазовым запаздываниям выходного сигнала. При отсутствии вращения трансмиссии данное устройство становится нерабоспособным.40Наиболее близкой к предлагаемому устройству по технической сущности является система для измерения крутящего момента на вращающихся валах, состоящая из вращающейся части, включающей в себя Ф качестве измерительного торсиона участок упру-. гого рабочего вала с наклеенным тен.-,зомостом и вращающийся модуль, имеющий усилитель-модулятор, передат чик с антенной-трансФорматором и источник питания, а также из неподвижной части, включающей в себя не.подвижный элемент антенны-трансформатора, блок разделения мощнос ти и сигнала, генератор частоты, демодулятор. фильтр и усилитель, цифровой индикатор и блок питания. 79 2Передача энергии на вращающуюся часть и съем информации с нее осуществляются посредством вращающегося трансформатора-антенны 21 .Недостатками известной системы являются ползучесть во времени основы тензорезисторов. необходимость индивидуальной подгонки тензомоста для обеспечения термокомпенсации выходного сигнала, дрейф нуля примененного усилителя постоянного тока. Кроме того, система обладает недостаточной помехозащищенностью радиоканала передачи информации, что ведет к снижению точности. Цель изобретения - повышение точности при одновременном повьдпении надежности работы устройства,Указанная цель достигается тем, что в устройстве, состоящем из вращающейся передающей части, неподвижной приемной части и электронного блока, содержащем в передающей части упругий вал, источник напряжения постоянного тока, входами соединенный с подвижной обмоткой вращающегося трансформатора, а выходом - с модулятором-передатчиком, связанным через канал передачи информации с приемником-демодулятором, установленным в неподвижной части и связанным с индикатором момента через Фильтр-усилитель электронного блока, при этом в электронном блоке размещены второй источник напряжения постоянного тока, связанный с сетью переменного тока и генератор частоты, связанный через согласующий трансформатор с неподвижной обмоткой вращающегося трансформатора, вращающаяся часть дополнительно снабжена последовательно . включенными преобразователем крутящего момента в силу, преобразователем силы в частоты импульсов кварцевых генераторов и смесителем частот генераторов, электронный блок дополнительно снабжен преобразователем частота-аналог, причем преобра" зователь момента в,силу, жестко связан с валом, а выход смесителя частот соединен с модулятором-передатчиком, апреобразователь частота- аналог первым входом соединен с выходом приемника-демодулятора, а вторым входом и выходом - соответственно с генератором частоты и фильтромусилителем электронного блока.з 1158Преобразователи момента в силу и силы в частоты импульсов выполнены в виде соосного и жестко соединенного с упругим валом шунтирующего торсиона, связанного с рычагом преобразователя силы в частоту, образованного силочувствительными пьезокварцевыми резонаторами, включенными относительно приложенной силы дифференциально и жестко свя эанными одними сторонами с рычагом, а другими в . с основанием преобразователя момента в силу и расположенными в плоскости оси вращения торсио на так, что их продольная сило чуствительная ось перпендикулярна оси вращения торсиона и параллельна плоскости рычага, 1На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство наФиг. 2 - преобразователь крутящегомомента; на фиг. 3. - передающийузел; на фиг. 4 - приемный узел.Устройство содержит упругий вал1, преобразователь 2 крутящего момен25та в силу, преобразователь 3 силыв частоты импульсов кварцевыхгенераторов, смееитель 4 частот,модулятор-передатчик 5, источник6 напряжения, подвижную обмотку 7 З 0вращающегося трансформатора, неподвижную обмотку 8 вращающегося трансФорматора, согласующий трансформатор9 неподвижной приемной части, приемник-демодулятор 10, преобразователь 3511 частота-аналог, усилитель 12электронного блока с фильтром, индикатор 13 величины крутящего момента, источник 14 постоянного напряжения, генератор 15 частоты элект-. 40ронного блока, диск 16 крепленияшунтирующего торсиона, шунтирующийторсион 17, рычаг 18 преобразователя крутящего момента в силу, пьезокварцевые резонаторы 19 и 20, основание 21 преобразователя момента всилу, опору 22 основания преобразователя момента в силу, винты 23крепления, упругий шарнир 24 и радиальный шарнир. 25. 50Измерительный торсион 1, в качестве которого использован участокупругого трансмиссионного вала,.жестко соединен двумя сечениямивыбранной базы с преобразователем 552 момента в силу, воспринимающимнезначительную часть крутящего мо-,мента. Шунтирующий торсион упомяну 879 4того преобразователя с одной стороны жестко прикреплен к первому сечению измерительного торсиона 1, а с другой - сочленен с рычагом преобразователя 2 крутящего момента в силу. С рычагом и основанием преобразователя 2 жестко связаны силочувствительные кварцевые резонаторы, основание преобразователя . жестко прикреплено к второму сечению измерительного торсиона 1. Кварцевые резонаторы соединены с входами соответствующих генераторов 3 частот, подключенных к общему смесителю 4, вырабатывающему разностный частотныЯсигнал.Выход%юесителя 4 соединен с входом модулятора-передатчика 5, выполненного на нескольких светодиодах, излучающих инфракрасный частотно- модулированный сигнал.Узлы 4 и 5 получают питание от источника 6 напряжения постоянного . тока, соединенного с подвижной обмоткой 7, входящей в состав вращаю- . щегося трансформатора. Неподвижная обмотка 8 этого трансформатора соединена с выходной обмоткой согласующего трансформатора 9.1Сигнал с вращающейся части устройства воспринимается приемником- демодулятором 10, выполненным на фотодиодах инфракрасного диапазона, и далее поступает на вход нреобразователя 11 разностного частотного сигнала в импульсное напряжение. Выход узла 11 соединен с входом фильтра нижних .частот и масштабирующим усилителем 12, первый выход которого соединен с индикатором 13, а второй служит для подключения регулятора. Все узлы электронного блока и неподвижной части получают питание от источника 14 напряжения постоянного тока, связанного с сетью промышленной частоВращающаяся часть получает питание от генератора 15 частоты через согласующий трансформатор 9 и указанный вращающийся трансформатор.Преобразователь 2 момента в силу (фиг, 2) состоит из шунтирующего торсиона 17, жестко соединенного посредством диска 16 крепления одной стороной с упругим взлом 1., а другой сочлененного с рычагом 185преобразователя 2 момента в силу.Ъ,К рычагу 18 жестко прикреплены квар.цевые резонаторы 19 и 20, которыетакже жестко соединены с основанием21 указанного преобразователя. Осно"ванне 21 соединено с опорой 22 посредством винтов 23. Центром вращения рычага 18 является упругий шарнир 24. Резонаторы 19 и 20 расположены в плоскости оси вращения так,что их продольная силочувствительная ось перпендикулярна упомянутойоси и параллельна плоскости рычага,Ось шунтирующего торсиона 17 за -фиксирована относительно опср 22радиальным шарниром 25. Опор% 22жестко связана с вторым сечением измерительного торсиона 1,Модулятор-передатчик 5 (фиг, 3)состоит иэ входного регулятора К,составного эмиттерного повторителяна транзисторах Ч 1 и Ч 2 и нескольких последовательно включенных вэмиттер транзистора 72 светодиодовСД 1, , СД 1, образующих светоизлучающее кольцо, концентричноеоси. вращения.Приемник-демодулятор,10 (фиг. 4) состоит из группы параллельно соединенных фотодиодов Фотодиоды установлены на неподвижной части концентрично упомянутым светодиодам так, что световые потоки светодиодов перекрываются фотодиодами при любом положении упругого трансмиссионного вала 1,Устройство работает следующим образом.Измерительный торсион 1 под воздействием приложенного к нему крутящего момента Мк (кг.см) закручивается на угол 1, величина которого прямо пропорциональна приложенному крутящему моменту Мк, дли не измерительной базы Ь (см) и обратно пропорциональна модулю упругости С (кгсм рад " ) материала торсиона и полярному моменту инерции 2 Р (см ) измерительного торсио.на 1, те,фк 1раЬй ЭрНа такой же угол закручиваетсяи шунтирующий торсион, но так какжесткость его меньше основного,58879 то и передаваемый им момент М, меньше измеряемого момента в К,раэМ: - мк ккЭтот момент, приложенный в узле 2 к рычагу длины К (см), преобразуется в силу Р (кг)1 О Р=И РкПри отсутствии измеряемой силына входе преобразователя 3 пьезокварцевые резонаторы 19 и 20 совершают колебания сдвига по толщине,частота которых определяется соотношением26где Ь - толщина пьезорезонатора;Сь - действующая константа уп-,ругости;- плотность материала резо 25 натора.Начальные частоты колебанияпри отсутствии измеряемой силысоставляют й= 9970 и й= 9960 кГц, а начальная разностьчастот на выходе преобразователясоставляетК = Г - Е = 10 кГц.Под действием измеряемой силы д происходит увеличение частоты колебаний одного резонатора ь Г, и уменьшение частоты второго- дй, т.е. частота первого становится равной Г+ д , а частота вто рого 2 вЯГ н частота новогооа ара.эностного сигнала становится рав-.ной .+ а Г ,(2) ф где М = М Г + Ы .В случае реверса крутящего момента и, следовательно, изменения знака силы частоты первого резонатора фф уменьшается, а второго увеличивается, т.е,(й -) - ( + дй,)Е - . д Е (3)роПоэтому зависимость между разностной частотой на выходе преобра"зователя и измеряемой силой определится соотношением- ЮЕ = Г + К.Р (4)К К 7где К = К + К " статическийкоэффициентпреобразованиядифференциального преобраэователя 3 силачастота.коэффициент силовой чувствие тельности резо наторов, дляиспользуемоготипа резонаторов Кг1,6 Гц/Г. 15Таким образом, общее выражение, связывающее частоту выходного сигнала после смесителя 4 и измеряемый крутящий момент, запишетсяК = Е + КфМ при 1 Г 1) 1 ьВ (5) 20) где К = - - - коэффициент пропорК 1 .ф циональности междукрутящим моментом ичастотой сигналаЗнак +, стоящий перед вторым членом уравнения (5), берется при условно выбранном положительном наПравлении действия крутящего момента, а знак - при отрицательном. 30Разностный частотный сигнал после узла 4 подается на вход модулятора-передатчика 5, которЫй представ. ляет собой составной эмиттерный повторитель, нагрузкой. которого являют ся несколько последовательно вклю 879 8ченных светодиодов СД 1,., СДп,мощность излучения которых устанавливается регулятором Е. Частотномодулированный световой сигнал инф"ракрасного диапазона излучейия воспринимается фотодиодами ФД 1,ФДК, согласованными с излучателямипо спектру, демодулируется схемой10 и в виде частоты прямоугольныкимпульсов Г подается на вход цифровойчасти преобразователя 11частота-аналог и далее на аналоговую часть (фильтр и усилитель) .Положительное выходное напряжение на выходе схемы 12 соответствует положительному направлениюизмеряемого момента, отрицательное - отрицательному моменту.Двуполярный индикатор 13 на выходе схемы 12 индицирует величину измеряемого крутящего момента, Выходной сигнал измерителя подключается по входам регистрирующей аппаратуры и регуляторам.функционирование устройства независимо от частоты вращения трансмиссии позволяет дать более объективную оценку работы ее агрегатов в режимах запуска и остановки. Хорошая помехозащищенность, высокая точность, простота монтажа и эксплуатации устройства, а также незначительная масса вращающейся части делают ее наиболее приемлемым для условий работы в трансмиссиях летательных аппаратов.ИИПИ Заказ 3577/42 Тираж 8 Передаю ГЗ а. Я аа ППП фПат 1158879 Г Узгоро