Устройство для измерения крутящего момента

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, состоящее из врапрющейся передающей части, неподвижной приемной части и электронного блока, содержащее 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 4яшьтр-усилитель электронного блока, при этом в элект-роннрм блоке размещены второй источник напряжения постоянного тока, связанный с сетью переменного тока, и генератор частоты, связанный через согласующий трансформатор с неподвижной обмоткой вращающегося &.: . :,/- : tj-.r;H /;iiJ;iAI трансформатора, отличающееся тем, что, с целью повьшения 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, электронный блок дополнительно снабжен преобразователем частота - аналог, причем преобразователь момента в силу жестко связан с валом, выход смесителя частот соединен с модулятором-передатчиком , а преобразовав тель частота - аналог первым входсж соединен с выходом приемника-демодут лятора, вторьм входом - с генератос ром частоты, а выходом - с фильтромусилителем электронного блока. 2. Устройство по п 1, о т л йчающееся тем, что преобразователи момента в силу и силы в час ,тоты импуль,сов выполнены в виде ел соосного и жестко соединенного эо с упругим валом шунтирующего торсиоX ) на, связанного с рычагом преобразо вателя силы в частоту, образованно;о го силочувствительными пьезокварцевыми резонаторами, включенными дифференциально и жестко связанмыьо 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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (! >) 415)) G 01 L 3/ 30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3665465/24-10 (22) 23.11.83 (46) 30.05.85. Бюл ° Р 20 (72) М.В. Волков, Г.М. Иванов, . В.И. Новиков и В.В. Хмелев (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт Но автоматизированному электроприводу в промьппленности, сельском хозяйстве и-на транспорте . (53) 531. 781 (088 ..8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 547656, кл., Р 16 В 21/09, 1975.

2..Тогsion Measurement System, ModeI 1200А Aeurex Autodata, перевод ТПП )) 8202- 1, 1977. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА,. состоящее из вращающейся передающей части, неподвижной приемной части и электровного блока, содержащее в передающей части упругий вал, источник напряжения постоянного тока, входа-. ми 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 электр ронном 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, электронный 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 соединен с выходом приемника-демоду= лятора, вторым входом — с генератором частоты, а выходом — с фильтромусилителем электронного блока.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что преобразователи момента в силу и силы в частоты импульсов выполнены в виде соосного и жестко соединенного с упругим валом шунтирующего торсио- на, связанного с рычагом преобразователя силы в частоту, образованного силочувствительными пьеэокварцевыми резонаторами, включенньячи 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.

11588

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь-1 зовано для измерения крутящего момента, например, в механических трансмиссиях вертолетов, содержащих полые 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 1) .

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

pa., что приводит к недопустимым фазовым запаздываниям выходного сигнала. При отсутствии вращения трансмиссии данное устройство становится нерабоспособным.

Наиболее 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- 50 чик с антенной-трансформатором и источник питания, а также из неподвижной части, включающей в себя неподвижный элемент антенны-трансформатора, блок разделения мощнос- 55 ти и сигнала, генератор частоты, демодулятор. фильтр и усилитель, цифровой индикатор и блок питания.

79 2

Передача энергии на вращающуюся часть и съем информации с нее осуществляются посредством вращающегося трансформатора-антенны (2) .

Недостатками известной системы являются ползучесть во времени основы тензорезисторов. необходимость индивидуальной подгонки тензомоста для обеспечения термокомпенсации выходного сигнала, дрейф нуля примененного усилителя постоянного то-. ка. Кроме того, система обладает недостаточной помехозащищенностью радиоканала передачи информации, что ведет к снижению точности.

Цель изобретения — повышение точности при одновременном повышении 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, а преобразователь частотааналог первым входом соединен с вы ходом приемника-демодулятора, а вторым входом и выходом — соответственно с генератором частоты и фильтромусилителем электронного блока. з 1158

Преобразователи 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- !О эанными одними сторонами с рычагом, а другими †. с основанием преобразователя момента в силу и расположенными в плоскости оси вращения торсио. на так, что их продольная сило- 15 чуствительная ось перпендикулярна оси вращения торсиона и параллельна плоскости рычага. 1

На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство на фиг. 2 — преобразователь крутящего момента; на фиг. 3. — передающий узел; на фиг. 4 — приемный узел.

Устройство содержит упругий вал

1, преобразователь 2 крутящего момен.

25 та в силу, преобразователь 3 силы в частоты импульсов кварцевых генераторов, смееитель 4 частот, модулятор-передатчик 5, источник

6 напряжения, подвижную обмотку 7 вращающегося трансформатора, неподвижную обмотку 8 вращающегося трансформатора, согласующий трансформатор

9 неподвижной приемной части, приемник-демодулятор 10, преобразователь 35

1i частота-аналог, усилитель 12 электронного блока с фильтром, индикатор 13 величины крутящего момента, источник 14 постоянного напряжения, генератор 15 частоты элект-. 40 ронного блока, диск 16 крепления шунтирующего торсиона, шунтирующий торсион 17, рычаг 18 преобразователя крутящего момента в силу, ьезокварцевые резонаторы 19 и 20, осно- ©5 вание 21 преобразователя момента в силу, опору 22 основания преобразователя момента в силу, винты 23 крепления, упругий шарнир 24 и радиальный шарнир. 25. SO

Измерительный торсион 1, в качестве которого использован участок упругого трансмиссионного вала, .жестко соединен двумя сечениями выбранной базы с преобразователем 55

2 момента в силу, воспринимающим незначительную часть крутящего мо-. мента. Шунтирующий торсион упомяну.

879 4 того 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%месителя 4 соединен с входом модулятора-передатчика 5, выполненного на нескольких светодиодах, излучающих инфракрасный частотномодулированный сигнал.

Узлы 4 и 5 получают питание от источника 6 напряжения постоянного . тока, соединенного с подвижной обмоткой 7, входящей в состав вращающегося трансформатора. Неподвижная обмотка 8 этого трансформатора соединена с выходной обмоткой согласующего трансформатора 9.

Сигнал с вращающейся части устройства воспринимается приемникомдемодулятором 10, выполненным на фотодиодах инфракрасного диапазона, и далее поступает на вход преобразователя 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 частоTbE

Вращающаяся 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 валом 1., а другой сочлененного с рычагом 18

5 преобразователя 2 момента в силу.

\, К рычагу 18 жестко прикреплены квар.цевые резонаторы 19 и 20, которые .также жестко соединены с основанием

21 указанного преобразователя. Основание 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 упомянутой оси и параллельна плоскости рычага.

Ось шунтирующего торсиона 17 за— фиксирована относительно опсфр 22 радиальным шарниром 25. Опор% 22 жестко связана с вторым сечением измерительного торсиона 1.

Модулятор-передатчик 5 (фиг. 3) состоит иэ входного регулятора К,, составного эмиттерного повторителя на транзисторах V1 и V2 и нескольких последовательно включенных в эмиттер транзистора 72 светодиодов

СД 1, ..., СД 5, образующих светоизлучающее кольцо, концентричное оси. вращения.

Приемник-демодулятор,i 0 (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 М„ (кг.см) закручивается на угол 1, величина которого прямо пропорциональна приложенному крутящему моменту М, дли не измерительной базы L (см) и обратно пропорциональна модулю упругости С (кг см рад " ) материала торсиона и полярному моменту инерции 2р (см ) измерительного торсио-. .на 1, т ° е. к реЬ

6 3р

На такой же угол закручивается и шунтирующий торсион, но так как жесткость его меньше основного, 58879 то и передаваемый им момент М, меньше измеряемого момента в К, раэ г м = — м к К к

Этот момент, приложенный в узле 2 к рычагу длины К (см), преобразуется в силу F (кг)

10 F =М -Р к

При отсутствии измеряемой силы на входе преобразователя 3 пьезокварцевые резонаторы 19 и 20 совершают колебания сдвига по толщине, частота которых определяется соотношением с о

20 где h — толщина пьезорезонатора;.

С ь — действующая константа уп-, ругости; — плотность материала резо25 . натора.

Начальные частоты колебания при отсутствии измеряемой силы составляют f „ = 9970 и fo

= 9960 кГц, а начальная разность частот на выходе преобразователя составляет

f = f — Е = 10кГц.

Под действием измеряемой силы происходит увеличение частоты колебаний одного резонатора ь f, и уменьшение частоты второго- nf, т.е. частота первого становится равной f,„ „+ af„, а частота вто40 рого f — ЯЕ н частота нового од а ра.эностного сигнала становится рав-. ной . (f, + df„ ) — (Е„ — М ) и + юГ, (2) где Д1 = Д f„+

В случае реверса крутящего момента и, следовательно, изменения знака силы частоты первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается, т.е. (f„- Ь4) — (f, + f,) =

f —. ЬЕ ро (3)

Поэтому зависимость между разностной частотой на выходе преобра" зователя и измеряемой силой определится соотношением

К = К„ аа = fÄ+ К„- F (4) К „К

7 где К„ = К, + К вЂ” статический коэффициент преобразования дифференциального преобраэо- 5 вателя 3 силачастота. коэффициент силовой чувствиФ тельности резо-1 наторов, для используемого типа резонаторов Kg

1, 6 Гц/Г. 15

Таким образом, общее выражение, связывающее частоту выходного сигнала после смесителя 4 и измеряемый крутящий момент, запишется

fp = f + К М при 1 fp1) !ела! (5) 2р

1 где К = — Р- — коэффициент пропорК1 . циональности между крутящим моментом и частотой сигнала °

Знак +, стоящий перед вторым членом уравнения (S), берется при условно выбранном положительном наПравлении действия крутящего момента, а знак — при отрицательном. 30

Разностный частотный сигнал после узла 4 подается на вход модулятора-передатчика 5, которЫй представляет собой составной эмиттерный повторитель, нагрузкой. которого являют- 3S ся несколько последовательно вклю879 8 ченных светодиодов СД1 СДп мощность излучения которых устанавливается регулятором Е „ . Частотномодулированный световой сигнал инф"

l. ракрасного диапазона излучейия воспринимается фотодиодами ФД1, ФДК, согласованными с излучателями по спектру, демодулируется схемой

10 и в виде частоты прямоугольнык импульсов f+ подается на вход цифровой части преобразователя 11 частота-аналог и далее на аналоговую часть (фильтр и усилитель) .

Положительное выходное напряжение на выходе схемы 12 соответствует положительному направлению измеряемого 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.

1158879

++ Or (ж !

Vn r

Приемный узел, Передающий узел

Рие. Я

ВНКИПИ Заказ 3577/42 Тираж 897 Подписное

Фалаад ППП "3Ьвтевт", г. Ужгород, Уд.Проектная,4