устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вала

Формула изобретения

1. Устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вала, содержащее торсионный вал, электропроводящие экраны с перфорированными в них окнами и корпус, внутри которого размещен каркас катушек индуктивности с обмотками, отличающееся тем, что экраны установлены у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, причем один экран охватывает другой, окна в первом экране выполнены в два ряда со смещением, а во втором экране окна выполнены в один ряд, захватывающий по ширине оба ряда окон первого экрана.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус установлен концентрично контролируемому валу.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обмотки катушек индуктивности включены в мостовую измерительную цепь переменного тока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый экран охвачен вторым экраном.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что окна экранов выполнены прямоугольного сечения, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана.

6. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что в первом экране окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда.

7. Устройство по любому из пп.1 и 4 - 6, отличающееся тем, что экраны выполнены из меди и/или медных сплавов.

8. Устройство по любому из пп.1 и 4 - 6, отличающееся тем, что экраны выполнены из алюминия и/или алюминиевых сплавов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами, и может использоваться в качестве устройства для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля.

Известен сервомеханизм электроусилителя руля, описанный в заявке Великобритании N 1395954 (публ. 29.05.75 г.), содержащий торсионный элемент, соединяющий две части рулевого вала. Крутящий момент замеряется на торсионе посредством следящего выключателя, выполненного в виде потенциометра, установленного на частях рулевого вала.

Недостатком конструкции является ее недостаточная надежность, вызванная наличием трущихся частей в потенциометре. Кроме того, чувствительность потенциометра не позволяет производить точное измерение на малых перемещениях.

Из патента США N 4173265 (публ. 06.11.79 г.) известно устройство для измерения крутящего момента на валу, выполненное на принципе детектирования магнитного поля. Устройство содержит две части вала, соединенные торсионом, на одной части вала установлен постоянный магнит, а на другой части вала, напротив магнита, расположен пластинчатый датчик магнитного поля. При скручивании торсиона магнит перемещается относительно датчика, который детектирует изменение магнитного поля.

Однако чувствительность устройства также недостаточна, поскольку измерения осуществляются в зоне малых перемещений постоянных магнитов, имеющих, как правило, большой разброс параметров.

Известен датчик крутящего момента, описанный в заявке PCT N 88/05742 (публ. 11.08.88 г.). Указанный датчик состоит из индуктивных катушек, установленных на одной части вала, и кольцевого элемента, установленного на другой части вала с возможностью осевого смещения при скручивании торсиона, соединяющего обе части вала. В результате перемещения кольцевого элемента в индуктивных катушках, связанных с ним, индуцируется соответствующий сигнал.

Недостатком рассмотренного технического решения является снижение надежности датчика в процессе эксплуатации из-за наличия механического трения и, соответственно, износа кольцевого элемента.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вращающегося вала, описанное в авторском свидетельстве СССР N 1781566 (публ. 15.12.92 г.), взятое за прототип.

Устройство содержит корпус, внутри которого размещены каркас катушек индуктивности с обмотками и торсионный вал с установленными на нем подшипниками. На валу закреплена центральная двусторонняя зубчатая втулка и боковые односторонние зубчатые втулки, обращенные зубцами к центральной втулке, а на концах вала установлены экраны с выполненными в них окнами, простирающиеся в зазоре между втулками и катушками индуктивности. Боковые втулки выполнены из чередующихся слоев материала с различной магнитной проницаемостью, причем количество слоев соответствует числу окон экранов.

Однако в известном устройстве экраны, закрепленные на концах торсионного вала, при возникновении крутящего момента поворачиваются относительно втулок только на половину угла скручивания вала, таким образом чувствительность устройства невысока, следовательно, невысока точность измерения. Кроме того, размещение экранов между втулками и катушками увеличивает длину магнитной цепи и ее магнитное сопротивление, что также снижает чувствительность устройства. К недостаткам можно также отнести конструктивную и технологическую сложность устройства из-за большого числа деталей и необходимости изготовления втулок из чередующихся слоев материала с различной магнитной проницаемостью, что затрудняет его изготовление в массовом производстве.

Задачей изобретения является повышение чувствительности, точности измерения и упрощение конструкции устройства для бесконтактного измерения крутящего момента вала.

Указанная задача в устройстве для бесконтактного измерения крутящего момента вала, содержащем торсионный вал, электропроводящие экраны с перфорированными в них окнами и корпус, внутри которого размещен каркас катушек индуктивности с обмотками, решается тем, что экраны установлены у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, причем один экран охватывает другой, окна в первом экране выполнены в два ряда со смещением, а во втором экране окна выполнены в один ряд, захватывающий по ширине оба ряда окон первого экрана.

Корпус установлен преимущественно концентрично контролируемому валу.

Обмотки катушек индуктивности включены, в частном случае, в мостовую измерительную цепь переменного тока.

Как правило, первый экран охвачен вторым экраном.

Окна экранов могут иметь прямоугольное сечение, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана.

В первом экране окна одного ряда расположены преимущественно напротив межоконных перемычек другого ряда.

Экраны изготовлены предпочтительно из меди, медных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез устройства; на фиг. 2 дана развертка экранов; на фиг. 3 показан вариант включения измерительных катушек в мостовую схему переменного тока.

Устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вала 1, 2 содержит торсионный вал 3, корпус 4, внутри которого размещен каркас 5 катушек индуктивности с обмотками 6, и экраны 7, 8 с перфорированными в них окнами 9, 10, как правило, прямоугольного сечения.

Часть вала 1 и часть вала 2 соединены торсионным валом 3, у обращенных друг к другу торцов частей вала 1, 2 установлены экраны 7, 8, причем один экран охватывает другой, преимущественно первый экран 7, с двумя рядами окон 9, охвачен вторым экраном 8, с одним рядом окон 10. Окна 9 в рядах первого экрана 7 выполнены со смещением, как правило окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда. Ряд окон 10 второго экрана 8 захватывает по ширине оба ряда окон 9 первого экрана 7, наиболее предпочтителен вариант, когда ряд окон 10 охватывает оба ряда окон 9. Экраны 7, 8 изготовлены из электропроводящего материала, преимущественно из меди, медных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов.

Корпус 4 установлен концентрично контролируемому валу 1, 2, через него проходят электрические выводы обмоток 6 катушек индуктивности, включенных, как правило, в мостовую измерительную цепь переменного тока.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии крутящего момента напротив каждого окна 10 внешнего экрана 8 симметрично устанавливают части окон 9 обоих рядов внутреннего экрана 7. При этом под каждой катушкой индуктивности расположение окон 9, 10 одинаково, соответственно равны просветы совместного окна под каждой катушкой. В результате индуктивности катушек L1 и L2 одинаковы, и мостовая измерительная цепь переменного тока находится в состоянии баланса.

При приложении между частями контролируемого вала 1, 2 крутящего момента окна 9, 10 экранов 7, 8 взаимно смещаются, просвет совместного окна под одной катушкой увеличивается, а под другой уменьшается. Индуктивности катушек L1 и L2 изменяются в противоположных направлениях, что приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и генерации сигнала U_вых, величина которого пропорциональна моменту скручивания. При этом, меняя конфигурацию окон 9, 10, можно получить различные виды характеристик выходного сигнала.

В случае приложения к контролируемому валу крутящего момента противоположного направления мостовая измерительная цепь разбалансируется и выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180 эл.град. Таким образом, с помощью заявляемого устройства определяется направление и величина крутящего момента вала.