Магнитострикционный датчик крутящего момента и способ его изготовления

(51)5 6 01 1 3/1 ЕТЕНИЯ ПАТЕНТУ мура и Еси Г.Е. Средства а - М,; МашиЙ ДАТЧИПОСОБ ЕГ гнитное полждения (6) э ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(54) МАГНИТОСТРИКЦИОНКРУТЯ ЩЕ ГО МОМЕ Н ТА ИИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Сущность изобретения: мсоздаваемое обмоткой возбу мыкается по перемычкам между пазами, При действии на вал (1) крутящего момента Т перемычки, расположенные под одной из сигнальных обмоток (8), испытывают напряжения сжатия, а под другой - растяжения.Поскольку обмотки (8) включены последовательно-встречно, на выходе появится сигнал, пропорциональный величине крутящего момента Т. который фиксируется измерительным прибором (9), Благодаря наличию мелких зубцов, образованных на поверхности магнитоанизотропных зон А, почти полностью устраняются такие дефекты, как заусенцы и микротрещины, образованные в процессе механической обработки вала, что приводит к увеличению точности измерения крутящего момента. 2 с. и 2 з,п. флы,7 ил.Цель изобретения - повышение точно сти и чувствительности.Эта цель достигается тем, что в магнитострикционном датчике крутящего момента, содержащем упругий вал с ферромагнитным участком, на котором образова ны магнитоанизотропные зоны в виде кольцевых полос, состоящих из множества спиральных пазов, образованных по периферии на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу, систему приложения к 55магнитоанизотропным зонам переменного магнитного поля и систему преобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал, на поверхности каждой магнитоанизотропной зоны выполИзобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения крутящего момента на вращающихся валах электрических двигателей, инструментов, автомобилей и т.п,Известен магнитострикционный датчик крутящего момента, содержащий упругийвал с ферромагнитным участком в видекольцевой полосы, систему приложения к ферромагнитному участку переменного магнитного поля и систему преобразования изменения магнитной проницаемости этогоучастка в электрический сигнал, Недостатком этого датчика являетсянизкая точность из-за влияния на выходнойсигнал биений вала, микротрещин, заусенец и других мелких дефектов, образованных на стадиях механической обработки.Известен также магнитострикционныйдатчик крутящего момента, содержащий упругий вал с ферромагнитным участком, накотором образованы магнитоанизотропныезоны в виде кольцевых полос, состоящих из множества спиральных пазов, образованных по периферии на расстоянии друг отдруга и параллельно друг другу, систему приложения к магнитоанизотропным зонам переменного магнитного поля и системупреобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигНдл Известен способ изготовления магнитострикционного датчика крутящего момента, заключающийся в формировании магнитоанизотропной зоны с последующим упрочнением.Недостатком такого датчика крутящегомомента и способа его изготовления является низкая точность и чувствительностьвследствие влияния на выходной сигналмелких дефектов, как заусенцы и микротрещийы, которые были образованы на стадиимеханической обработки и выполненияспиральных пазов,101520303540 нены мелкие зубцы, равномерно распределенные по всей зоне, причем участок магнитоанизотропной зоны, занятый мелкими зубцами, составляет не менее 70 общей площади зоны,Кроме того, при изготовлении магнитоанизотропного датчика крутящего момента, заключающегося в формировании магнитоанизотропной зоны с последующим упрочнением, упрочненный слой формирует вместе с мелкими зубцами, причем мелкие зубцы образуют обдувкой дробью или накаткой.Благодаря наличию мелких зубцов, образованных на поверхности магнитоанизотропной зоны, почти полностью устраняются такие дефекты, как заусенцы и микротрещины, образованные в процессе механической обработки вала, что приводит к увеличению точности за счет уменьшения гистерезиса с одновременным увеличением чувствительности датчика. Этот эффект особенно значительный, когда мелкие зубцы образованы обдувкой дробью или накаткой.На фиг,1 показан вращающийСя вал с кольцевой ферромагнитной зоной, на поверхности которой выполнены мелкие зубцы; на фиг,2 - вращающийся вал с ферромагнитным участком, на котором образована магнитоанизотропная зона, имеющая множество спиральных пазов и мелких зубцов; на фиг,3 - устройство магнитнострикционного датчика крутящего момента с валом, имеющим спиральные пазы; на фиг.4 - схема соединения обмоток датчика крутящего момента; на фиг,5 - выходная характеристика магнитострикционного датчика крутящего момента; на фиг.б - выходная характеристика прототипа; на фиг,7 - устройство магнитострикционного датчика момента с валом, показанным на фиг,1,Магнитострикционный датчик крутящего момента оодержит упругий вал 1 с ферро.- магнитными кольцевыми участками А, на поверхности которых равномерно распределено множество мелких зубцов 2 и образованных по периферии на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу спиральньх пазов 3, и системы 4 приложения к магнитоанизьтропным зонам переменного магнитного поля и преобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал. Системы 4 содержат цилиндрический магнитопровод 5, обмотку возбуждения 6. подключенную к источнйку питания 7, две встречно включенные сигнальные обмотки 8; подключенные к измерительному прибору 9,В другом варианте выполнения магнитострикционный датчик крутящего момента10 15 20 на таком валу жестко крепится муфта иэ материала, имеющего значительный магнито 45 50(фиг,7) содержит упругий вал 1 с ферромагнитным кольцевым участком А, на поверхности которого равномерно распределено множество мелких зубцов 2, и системы 10 приложения к ферромагнитному участку переменного магнитного поля и преобразования изменения магнитной проницаемости этого. участка в электрический сигнал. Системы 10 содержат П-образный магнитопровод 11, на вертикальных стержнях которого расположены включенные последовательно согласно обмотки возбуждения 12 и расположенный перпендикулярно П-образный магнитопровод 13, на вертикальных стержнях которого расположены включенные последовательно встречно сигнальные обмотки 14. Обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения 15, а сигнальные обмотки - к измерительному прибору 16. Участок магнитоанизотропной зоны А вращающегося вала, занятый мелкими зубцэми 2, составляет не менее 70% общей площади зоны, диаметр мелких зубцов 2 от 0,1 до 1 мм при глубине не более 0,1 мм. Учитывая, что глубина проникновения переменного магнитного потока при частоте 10- 50 кГц не превышает 0,1 мм, можно образовать на поверхности вала пленку с магнитоанизотроп ной зоной и мелкими зубцами. Вращающийся вал 1 датчика обычно выполняется из ферромагнитных материалов, таких как углеродистая сталь, хромистая сталь, никель-хромистая сталь, хром-молибденовая сталь, никель-хром-молибденовая сталь и мартенситностареющая сталь, Однако если вал 1 выполнен из материала, имеющего незначительный или вообще не имеющий магнитострикционного эффекта, то стрикционный эффект, В этом случае магнитоанизотропная зона с мелкими зубцами выполняется на поверхности муфты,Мелкие зубцы 2, образуемые на поверхности магнитоанизотропной зоны (методом обдувки дробью), могут быть выполнены после требуемых стадий отпуска, таких как термообработка и цементация, а также после признания необходимой магнитной анизотропии,Однако когда магнитная анизотропия достигается путем прокатки или накатки, спиральные пазы 3 и мелкие зубцы 2 могут быть образованы одновременно,Магнитоанизотропный датчик крутящего момента работает следующим образом,При включении источника переменного напряжения 7 обмотка возбуждения 6 создает в упругом валу 1 продольное магнит 25 30 35 ное поле, магнитные потоки которого замыкаются по перемычкам между спиральными пазами 3, которые при наличии крутящего момента Т испытывают напряжения сжатия или растяжения, причем под одной из сигнальных обмоток 8 они сжимаются, а под другой растягиваются. Тогда магнитное сопротивление одной из зон А увеличивается, а другой уменьшается, следовательно, электродвижущие силы, наводимые в сигнальных обмотках 8, изменяются: в одной обмотке увеличиваются, а в другой уменьшаются. Обмотки 8 соединены встречно-последовательно так, что их начальные сигналы вычитаются, а изменения сигналов от действия крутящего момента Т складываются и на выходе появляется сигнал, пропорциональный крутящему моменту Т, который фиксируется измерительным прибором 9,Были изготовлены и испытаны два датчика крутящего момента (фиг,3), причем упругий вал 1 диаметром 30 мм выполнен иэ никель-хром-молибденовой стали (4,3% никеля) и подвергнут термообработке по следующему режиму: первичная закалка 930 С, вторичная закалка 850 С, затем отпуск (175 С, выдержка 4 ч), охлаждение воздушное, В двух слитных зонах А на поверхности вала были образованы прокаткой спиральные пазы 3 с наклоном + 45 относительно оси вала. Глубина пазов около 1 мм, интервалы между пазами около 2 мм, длина паза около 10 мм, на валу одного иэ датчиков выполнены мелкие зубцы 2, образованные обдувкой дробью, глубина зубцов около 0,1 мм, охват обдувкой (процент площади) составил 95 - 98%, Вал второго датчика выполнен аналогично, но без мелких зубцов, Обмотка возбуждения запитывалась током 40 мА частотой 10 Гц, Результаты испытаний первого датчика, на валу которого в зонах А выполнены мелкие зубцы, приведены на фиг,5, Результаты испытаний второго датчика, вал которого не имеет мелких зубцов, приведены на фиг.6.Гистерезис, определяемый как отношение выходного сигнала, а при нулевом моменте Т = Тк выходному сигналу А при приложении максимального момента Т = Тмакс (а 1-а 2)/(А 1-А 2) 100%, для первого датчика составил 0,7%, для второго датчика - 3,5%.Чувствительность, определяемая как отношение приращения выходной величины (ЛмВ) к приращению приложенного крутящего момента (Ь кгс м) для первого датчика составила 37 мВ/(кгс м), для второго датчика - 18 мВ/(кгс м).Таким образом, как показали результаты испытаний, применение изобретения позволяет уменьшить гистерезис в 5 раз иодновременно в два раза повысить чувстви-,тельность датчика крутящего момента, что 5повышает точность измерения момента,Принцип изобретения может быть использован и в других случаяхнапример,при исследовании различных конструкциймагнитострикционными датчиками, путем 10образования мелких зубцов в точках, гдепроводятся измерения,Формула изобретения1, Магнитострикционный датчик крутящего момента, содержащий упругий вал с 15ферромагнитным участком, на котором образованы магнитоанизотропные зоны в виде кольцевых- полос, состоящих измножества спиральных пазов, образованных по периферии на расстоянии друг от 20друга и параллельно друг другу, системуприложения к магнитоанизотропным зонампеременного магнитного поля и системупреобразования изменения магнитной проницаемости этих зон в электрический сигнал, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения гистерезиса и увеличения чувствительности, на поверхности каждой магнитоанизотропной зоны выполнены мелкие зубцы, равномерно распределенные по всей зоне,2. Датчик по и 1, о т л и ч а ю щи й с я тем, что участок магнитоанизотропной зоны, занятый мелкими зубцами, составляет не менее 0,7 общей площади зоны.3, Способ изготовления магнитострикционного датчика крутящего момента, заключающийся в формировании магнитоанизотропной зоны с последующим упрочнением, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения гистерезиса и увеличения чувствительности, упрочненный слой формирует вместе с мелкими зубцами. 4. Способ поп.З,отл ича ющийсятем, что мелкие зубцы образуют обдувкойдробью или накаткой1797698 Фур Составитель В.РодинТехред М,Моргентал Редактор 0 ректор П.Гереш ина изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 669 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, ЖПодписноебретейиям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб., 4/5