Устройство для измерения крутящего момента

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения крутящего момента. Сущность изобретения: устройство для измерения крутящего момента содержит механическую передачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами качения, силоизмерительный датчик , при этом одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности двух радиально-упорных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с силоизмерительным датчиком, при этом опора выполнена с возможностью осевого перемещения 5 ил.

СОЮЗ CORF ГСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1774196 А1 (я)з G 01 1 3/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

4ulggjQQg

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4874293/10 (22) 15,10.90 (46) 07.11.92. Бюл. ¹ 41 (71) Белорусский политехнический институт (72) А.И, Бобровник (56) Флик 3,П. Механические приводы сельскохозяйственных машин. M.: Машиностроение, 1984, с.237, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения крутящего момента. Сущность

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения крутящего момента, Известны способы и устройства для измерения сил, деформаций и перемещений, возникающих под действием нагрузок. Силоизмерительное устройство содержит силовоспринимающую и измерительную части. Силовоспринимающая часть содержит элементы для восприятия реакций механической системы и ее передачи на динамометр. Известны также датчики силы; индукцион н ы й, ем костной, виброчастотный и др. Однако эти устройства сложны, требуют и рименения специал ьн ых устройств при замерах крутящих моментов в механических передачах. Они не надежны и не долговечны и применяются только в исследовательских цепях, Для контроля момента нагружения во время испытаний механических передач они оборудуются тензометрическими устизобретения: устройство для измерения крутящего моменга содержит механическую передачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами качения, силоизмерительный датчик, при этом одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности двух радиально-упорных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с силоизмерительным датчиком, при этом опора выполнена с возможностью осевого перемещения. 5 ил, ройствами, а при исследованиях нагруженности вращающихся деталей используют тензорезисторы, соединенные по мостовой схеме, изолированные от попадания смазки и от механических повреждений слоем эпоксидной смолы с последующей передачей информации, Однако такие устройства для замера крутящего момента не могут длительно работать в механических передачах при значительных колебаниях температур, наличии запыленности, при вибрационной нагрузке, и требуют постоянного ухода и контроля. Поэтому современные механические приводы не имеют надежных систем управления скоростными режимами.

Целью изобретения является повышение надежности, долговечности, расширение диапазона измерения крутящего момента.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве замера крутящего момента, содержащем механическую пере1774196 в зависимости от конструкции вала и опор приводятся к оси вала (см, фиг.1).

Нагрузка на первую и вторую опору ведущего вала от окружной Ри радиальной Т сил составит соответственно

I2

Р" =Р + Р =Р 1 +1

I2, И

Т1 Т г Т2=Т (3)

Результирующая с учетом угла трения р между зубьями (2) дачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами качения, и силоизмерительный датчик, одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности . 5 двух радиально-упорных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с силоизмерительным датчиком, при этом опора 10 выполнена с возможностью осевого перемещения, Использование одной из опор механической передачи в качестве силовоспринимающего элемента беэ нарушения 15 функциональной работы передачи позволяет отказаться от сложных датчиков и повысить надежность и долговечность системы.

Применение одной из опор в виде установленных в парной зеркальной последова- 20 тельности двух радиально-упорных шариковых, либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения позволяет регулировать величину замеряемой осевой силы. Выполнение этой опоры с воэможностью осевого перемещения дает воз- 25 можность передать осевое усилие, пропорциональное крутящему моменту, регистрирующему устройству.

На фиг.1 показаны действующие в зуб-. чатой передаче силы; на фиг,2 — нагрузки на 30 опоры вала; на фиг.З вЂ” опоры промежуточного вала; на фиг,4 — кинематическая схема редуктора с цилиндрическими колесами; на фиг,5 — схема действия сил на шариковый радиально-упорный подшипник. 35

Известно, что крутящий момент на валу механической передачи (редуктора, мультипликатора) различен и связан для прямоэубых цилиндрических колес соотношением

M1= 2, F, = F 19 а,„>

Fg d1 (1)

40 где F< — окружная сила; Fr — радиальная сила; о„,,- угол зацепления.

Действующие в зубчатой передаче силы (7) Тогда

М Pd3F V а+Ь d3

Мз

2 4Ь или

P аз РЗ и<<а . - Ь аз

2 4а

Известно, что в качестве опор редукторов широко применяют шариковые радиальное упорные и роликовые конические подшипники. Также известно, что у шариковых радиально-упорных и роликовых конических подшипников под действием радиальной нагрузки А возникает внутренняя осевая составляющая $, разгружающая их в осевом направлении

S= 1,3А19ф (10) где P — угол контакта тел качения.

Приведенная радиальная нагрузка Rn для двух подшипников с осевыми составляющими нагрузок Я1 и Яг

R и = А + m (Q — SI + S2 ) (11) где А — радиальная нагрузка на подшипник;

m — коэффициент приведения, учитывающий неодинаковое влияние на долговечность подшипника радиальной и осевой нагрузок;

0 — осевая нагрузка на подшипник.

При отсутствии осевой нагрузки

Rr =- А + m(S2 - S1). (12)

Радиальная нагрузка А при известной внутренней осевой S1 равна

S1

1,3 т9 Р 1 (13) Frz=lfPP+T) + (l -Fl )(5I где I1, Iz — расстояния колеса до опор, Отсюда

Fr1 cos (а„) +р ) (I1 + 1г ) (б)

P d1

Тогда крутящий момент M1—

Fr1 cos (а„+р)(I1+ I2) d1

61 2

Аналогично через результирующую реакцию второй опоры:

М1

Frz сов (а +р) (11+!г ) d1 2 2 (8)

Таким образом крутящий момент прямо пропорционален величине результирующих реакций опор.

В зависимости от кинематической схемы передачи можно всегда определить величину крутящего момента через значение результирующей реакции одной из опор.

Значения нагрузки на опоры вала промежуточного колеса (фиг,3) прямозубой цилиндрической передачи

Frч =2Р + Fгvl =2Р

b . а а+Ь а+Ь

1774196

Один подшипник (радиально-упорный) применять нельзя, так как с увеличением радиальной нагрузки он будет разгружаться под действием осевой составляющей. Поэтому для опоры из двух подшипников применяют парную зеркальную установку с обязательной осевой затяжкой и расположением подшипников, когда оси качения шариков или роликов скрещиваются между подшипниками (схема Х) или располагаются вне подшипников,,цля правильнпй работы радиальноупорных подшипников главное значение имеет осевой п редва рительн ый натяг. Правильно выбранный натяг обеспечивает плотное прилегание шариков к беговым дорожкам, уменьшает износ поверхностей качения, повышает нагружаемость и долговечность подшипников, предупреждает вращение шариков под действием гироскопических моментов и снижает коэффициент трения.

Необходимый натяг зависит от формы поверхностей качения, частоты вращения, температуры узла, коэффициента трения, величины рабочей нагрузки (радиальной и осевой).

При пружинном предварительном натяге в систему вводят спиральные или тарельчатые пружины, обеспечивающие натяг практически постоянной величины, почти независимо от износа поверхностей качения, колебаний линейных размеров и тепловых деформаций.

При установке парных подшипников с одинаковым углом контакта тел качения и равномерной нагрузке подшипников радиальной силой суммарная составляющая сил равна нулю.

S =S1 — S2=0; (14)

Для получения разности осевой составляющей опоры необходимо устанавливать подшипники с различными углами контакта тел качения /3. Тогда

Я»,= Я1 — S2 = 1,3A1tg P1 - 1,3А2Щ Д (1 5)

Если принять, что радиальная нагрузка

А1 А1

A=A1+A2 = — +—

2 2

TO S» = — А1(tgр1 — tgД) =

1,3

0,65 А (tg 31 — tg Pz ) ) отсюда

S 1

6 -(-;. Р,— Р;-1- K1 s (16)

1 где К1 0,65 (tg Р1 — @57

Радиальная нагрузка в опоре А равна результирующей реакции, Е,1, тогда (17) т,е. М1= К1К25,, .

15 то $2=

Отсюда

Аг

20 где

К1

0,65 tg 1 — tg/4) 2 где Кг—

2

Крутящий момент прямо пропорционален величине разности осевых составляющих опоры из 2-х подшипников.

Этой формулой можно воспользоваться если замеряется разность осевых составляющих подшипника. Если замеряется сумма осевых сос .авляющих, то формула (16) имеет вид -, Sg 2 = S1+ 32 =1,3A1tg Р1 + 1,3A2tg PZ

А2 А2

Если А = А1+ А2 = — +—

2 2

М=К2 К2 Q. (18)

Крутящий момент прямо пропорционален величине суммы осевых составляющих опоры из 2-х подшипников. Крутяьций момент может быть эамерен при установке 2-х подшипников с одинаковыми углами контакта тел качения ф путем замера сжимаю-. щих или растягивающих сил на втулках, где устанавливаются внутренние или наружные кольца парных подшипников.

В этом случае А1 определяется по формуле (13), а момент равен 1COS а-+ l1+l2 d1

1,3tg 1I2 2

Механическая передача с прямозубыми цилиндрическими колесами представлена двухступенчатым редуктором, кинематическая схема которого представлена на фиг,4.

Здесь 1 — ведущий вал, 2, 3 — соответственно промежуточный и выходной вал, На валах жестко закреплены шестерни 4 и 6 и э 5ча- тые колеса 5,7. 8алы устанавливают на опорах 8,9,10,11, t2, l3. Предложенное устройство позволяет замеоить крутящий момент на любом из валов 1,2,3. В качестве силовоспринима ощего элемента может быть использована одна из опор

8,9,10,11,12,13. Для этого одна из опор, например 8, должна быть выполнена с воэможностью передачи радиальной нагрузки и перемещения опоры в осевом направле. нии. При приложении нагрузки вторая опора этого вяла 7 должна исключать осевое перемещение вала.

1774196

Для возможности замера крутящего момента в подвижной опоре устанавливаем передаточную систему преобразованием радиальной нагрузки в осевую составля ощую. Если рассмотреть схему действия сил на шариковый радиально-упорный подшипник (фиг.5), то на внутренние 14 и наружные

15 кольца и тело качения 16 действуют соответственно Gr Gr Gz радиальные силы и

Ь н осевые силы С1а, Оа, Qa.

Ь и

На фиг.3 представлена одна из опор вала для преобразования радиальной силы в разность осевых составляющих двух радиально-упорных подшипников. Здесь 17 — левый подшипник, l8 — правый подшипник, имеющий соответственно внутренние и наружные кольца 19, 20, 21, 22, 24 имеет специальный рабочий участок N для наклейки незодатчиков с целью замера усилий сжатия лли растяжения между подшипниками

17 и 18 устанавливается распорная упругая втулка 25, а подшипники стягиваются гайкой 26, На фиг.4 представлена схема действия сил в опоре. состоящей из 2-х радиальноупорных подшипников. Здесь $-осевые со. ставляющие, Рн-радиальные составляющие.

Сумма осевых составляющих опоры из 2-х подшипников может быть в зависимости ат схемы установки для внутренних или наIt ружных колец равна сумме или разности этих сил: 1 + 3; 2= 31+ Sg, На фиг.5 представлена конструкция ведущего вала редуктора с подвижкой опорой

8, состоящей из поцшипников 17, 18. Втулка

24 имеет наружный шлицевой участок с целью осевого пеэемещения без ее проворачивания в корпусе. Второй конец втулки— плава ащий, опирается на шип 27, устанавливаемый в крышке подшипниковога узла

28. С технологических соображений и возможности ремонта в корпусе установлена шлицевач втулка 29. На крышке 28 зацепляется индикатор„замеряющий осевое перемещение втулки 24. При небольших нагрузках осевое усилие воспринимается пружиной индикатора, à npv. значительных нагрузках устанавливаются тарельчатые

5D пружины между торцами втулки 24 и шипа

27, При работе редуктора под действием передаваемого крутящего момента будет возникать в опоре 8 суммарная реакция радиальных сил определяемая пол формулам

5,8, Так как под действием радиальной нагрузки в шариковых радиально-упорных подшипниках t7, 18 будут возникать внутренние осевые составляющие, то внутренняя втулка 23 (или правый конец вала 1) будут растягиваться, а в наружном кольце

24 кроме радиальных сил воспринимаемых втулкой 29 и шипом 27 будут возникать осевые составляющие, направленные навстречу друг другу. Под действием осевой составляющей рабочий упругий участок втулки 24 будет сжиматься, и его правый конец переместится влево, а вместе с ним и чувствительный элемент индикатора, В формулу для замера крутящего момента 17, 18 нужна ввести масштабный коэффи циент,и, учиты ва ющий чувствительность индикатора

М =,и К1К2 Ti, где Ti — показания индикатора (регистрирующего устройства).

По величине показаний индикатора судят о величине крутящего момента, Преимущество данного устройства заключается в том, что наружное кольцо не вращается.

Возможны и другие схемы, когда неподвижно внутреннее кольцо.

Формула изобретения

Устройства для измерения крутящего момента, содержащее механическую передачу с закрепленными на валах прямозубыми цилиндрическими колесами и опорами качения, и силоизмерительный датчик, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и долговечности одна из опор выполнена в виде установленных в парной зеркальной последовательности двух радиально-упорных шариковых либо роликовых подшипников с неравными углами контакта тел качения, а наружное или внутреннее кольцо опоры соединено с силоизмерительным датчиком, при этом опора выполнена с возможностью осевого перемещения, 1774196

Siу !

pub. 5

Составитель Т. Ишкова

Редактор С. Кулакова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Мимокова

Заказ 3920 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Г!роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101