Design of a torque sensor on the shafts of a wheeled tractor

Full Text

Введение Повышение топливной экономичности и тяговых свойств колесного трактора можно достичь, если правильно управлять топливоподачей двигателя. Для этого необходимо знать подводимый к нему от движителя момент сопротивления. Его можно измерить датчиками момента, устанавливаемыми на упругих валах трансмиссии и привода различных механизмов. Текущая информация с них может быть использована в системах автоматического управления движением трактора или субъективно водителем (например, для предотвращения перегрузки двигателя путем своевременного переключения передачи на более низшую по отношению к исходной). Кроме того, датчики крутящего момента могут использоваться для диагностирования различных агрегатов на стендах (например, при определении технического состояния коробок передач по их КПД, технического состояния двигателя по развиваемой мощности и др.). Цель исследования Разработка методики проектирования датчика крутящего момента, работа которого основана на использовании статической характеристики упругого вала. Материалы и методы Для преобразования крутящего момента, передаваемого упругим валом, в пропорциональное напряжение, используется свойство упругого вала, которое заключается в том, что его статическая характеристика, представляющая собой зависимость угла закручивания ψ упругого вала от передаваемого им крутящего момента М, имеет линейный характер (рис. 1). При этом необходимо выбирать упругий вал с наибольшей чувствительностью. Рис. 1. Статическая характеристика упругих валов (вал 1 в сравнении с валом 2 обладает большей чувствительностью) Для создания датчика крутящего момента на валах колесного трактора авторами использовано такое свойство упругих валов следующим образом. Было предложено установить по концам вала 1 тонкие металлические диски 2, 3 (рис. 2) с радиальными выступами и впадинами (рис. 3) и катушки индуктивности 4, 5, сердечники которых установлены на расстоянии около 1 мм от дисков 2 и 3. Диски устанавливаются на вал с высокой точностью совпадения момента прохождения передних кромок выступов обоих дисков относительно катушек индуктивности при вращении вала без его нагружения. Рис. 2. Установка дисков и катушек индуктивности относительно вала Рис. 3. Схема дисков и их углового смещения при нагружении вала При нагружении вала 1 крутящим моментом диски 2 и 3, а следовательно, и их выступы и впадины вследствие закручивания вала смещаются на угол ψ, который пропорционален крутящему моменту М. Работоспособность и чувствительность датчика крутящего момента (рис. 4) зависит от правильного выбора угла закручивания вала и количества выступов и впадин дисков, что определяется расчетом. Их выбор производится по следующей методике. При вращении упругого вала трактора и передаче им момента к ведущим колесам он закручивается на угол, пропорциональный величине передаваемого валом момента в соответствии с формулой: , (1) где М - крутящий момент, Н·м; l - длина упругого вала, м; G - модуль упругости, Па; J - момент инерции, кг·м2. Рис. 4. Установка для нагружения вала: 1 - упругий вал; 2, 3 - диски; 4, 5 - катушки индуктивности Приведем пример расчета вала и дисков. Примем наружный и внутренний диаметры вала соответственно из ГОСТ 8732 равными D = 0,054 м и d = 0,050 м. Крутящий момент примем равным М = 1000 Н·м. Тогда напряжение кручения вала равно (2) Так как расчетное напряжение кручения вала меньше допустимого, равного 200 МПа, то вал удовлетворяет условию прочности. Угол закручивания вала длиной l = 0,7 м под действием крутящего момента М равен: (3) где G - модуль упругости второго рода, Па. Определим модуль упругости второго рода: , (4) где Е - модуль упругости первого рода, Е = 2,1 · 1011 Па; μ - коэффициент Пуассона (μ = 0,3…0,4). Количество выступов и впадин на каждом диске должно быть по возможности наибольшим, что повышает точность измерения крутящего момента. Угловая ширина выступа и впадины ψд принимается из условия, что она должна быть больше расчетного угла закручивания вала. Так как для рассматриваемого примера ψ = 2,38°, то угловую ширину впадин и дисков следует принять 5°. Тогда общее количество z0 выступов и впадин одного диска будет равно 72 (5), а, соответственно, количество впадин и выступов на диске будет по 36. . (5) Работает и устроен датчик крутящего момента следующим образом. При прохождении выступов дисков 2 и 3 (рис. 2), установленных на концах упругого вала 1 возле магнитных сердечников катушек 4 и 5 индуктивности, на выводах катушек возникает непрерывное переменное напряжение U (рис. 5, а, 5, б), определяемое по формуле: (6) где k - коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w - число витков обмотки; n - частота вращения диска; dФ/dα - изменение потока Ф в зависимости от угла поворота. Характер изменения этого напряжения не позволяет применить его для создаваемого датчика крутящего момента. Его основным элементом которого является триггер с двумя входами, для работы которого необходимы импульсы напряжения. Импульсы напряжения (рис. 5, в, 5, г) можно получить дифференцированием и выпрямлением полученного переменного напряжения (рис. 5, а, 5, б) на выходах индуктивных катушек 4 и 5 с последующей подачей его на входы транзисторов триггера. Таким образом, на выходах катушек появляются положительные импульсы напряжения (соответственно, рис. 5, в и 5, г) с периодом следования импульсов напряжения, равным τ (рис. 5, в). Так как диски 2 и 3 (рис. 2) вращаются вместе с валом 1, то импульсы напряжения появляются при прохождении каждого выступа дисков 2 и 3 соответственно возле катушек индуктивности 4 и 5. При этом на выходе катушки 5 появляется положительный импульс напряжения (рис. 5, г) с запаздыванием во времени на ∆t. Таким образом, для определения крутящего момента на упругом валу 1 (рис. 2) необходимо непрерывно измерять время ∆t отставания второй последовательности положительных импульсов напряжения относительно первой последовательности импульсов напряжения. Далее напряжение в виде прямоугольных импульсов (рис. 5, д, 5, е). формируется триггером 10 с двумя входами, которые подключаются к выходам дифференцирующих цепей 6 и 7 (рис. 6). Среднее значение уровня напряжения можно получить интегрированием прямоугольных импульсов на протяжении периода τ (рис. 5, г) по формуле: . (7) На схеме (рис. 6) датчика крутящего момента операция интегрирования выполняется с помощью интегрирующего элемента 20, состоящего из резистора 21 и конденсатора 22. Полученный уровень напряжения Uвых (рис. 5, ж) на выходе интегрирующего элемента 20 пропорционален передаваемому крутящему моменту. Разработанный датчик крутящего момента (рис. 6) содержит упругий вал 1 с установленными на его концах дисками 2 и 3 с прорезями и впадинами и расположенными рядом с дисками катушки индуктивности 4 и 5, дифференцирующие цепи 6, 7 с отсекающими диодами 8, 9, триггер 10, выполненный на первом 11 и втором 12 транзисторах и четырех резисторах 13, 14, 15, 16; при этом базы транзисторов 11, 12 соединены с выходами дифференцирующих цепей 6, 7 с отсекающими диодами 8, 9. С выходом триггера соединен эмиттерный повторитель 17, выполненный на транзисторе 18 и резисторе 19. К выходу эмиттерного повторителя подсоединена интегрирующая цепь 20, выполненная на резисторе 21 и конденсаторе 22. При этом выход интегрирующей цепи 20 соединен с выходным резистором 23. Каждая из дифференцирующих цепей 6 и 7 включает в себя резисторы 24, 25 и конденсатор 26. Крутящий момент на валу 1 измеряется следующим образом. В исходном состоянии транзистор 11 триггера 10 закрыт, поэтому транзистор 12 на время 0-t1 (рис. 5) открыт. Напряжение на коллекторе транзистора 12 равно нулю (рис. 5, е), а на коллекторе транзистора 11 за это же время принимает максимальное значение (рис. 5, д). При вращении вала 1 и нагружении его крутящим моментом выступы и впадины дисков 2 и 3 проходят возле катушек индуктивности 4 и 5, вследствие чего на их выходах появляется напряжение (рис. 5, а, 5, б) в соответствии с формулой 6. Оно дифференцируется цепями 6, 7, на выходах которых образуются два разнополярных импульса. Выходные сигналы цепей 6 и 7 выпрямляются диодами 8 и 9, образуя положительные импульсы, которые подаются на базу транзисторов 11 и 12. Транзистор 11 открывается, а транзистор 12 закрывается, поэтому на коллекторе транзистора 12 появляется положительное напряжение. На выходе дифференцирующих цепей 6 и 7 после выпрямления диодами 8 и 9 получаем импульсы напряжения в виде двух последовательностей (рис. 5, в, 5, г). При этом вторая последовательность импульсов (рис. 5, г) отстает от первой последовательности импульсов (рис. 5, в) на время ∆t. Далее формирование прямоугольных импульсов на выходе триггера 10 происходит аналогично описанному выше. Полученные прямоугольные импульсы подаются на вход интегрирующей цепи 20 посредством эмиттерного повторителя 17, с помощью которого выполняется согласование высокого сопротивления на выходе триггера 10 с низким сопротивлением интегрирующей цепи 20. На выходе интегрирующей цепи 20 и на выходном резисторе 23 формируется напряжение, уровень которого пропорционален крутящему моменту на валу 1 (рис. 7). Рис. 7. Статическая характеристика разработанного датчика крутящего момента Полученные экспериментально осциллограммы изменения напряжения в цепях разработанного датчика крутящего момента (рис. 8, а, 8, б) соответствуют теоретическим (рис. 5, а, 5, д), что подтверждает работоспособность разработанного датчика крутящего момента. а б Рис. 8. Осциллограммы изменения напряжения в цепях разработанного датчика крутящего момента Результаты и обсуждение Предложенная методика проектирования датчика крутящего момента позволяет выбрать его параметры с учетом величины передаваемого валами трансмиссии момента. Напряжение на выходе датчика момента Uвых пропорционально (с учетом передаточного отношения коробки передач) моменту на валу двигателя трактора и может быть использовано для управления топливоподачей. Особенно это актуально для современных тракторных двигателей с электронными системами управления подачей топлива, так как информация с датчика момента может служить основой для создания автоматизированных систем управления топливоподачей. Выводы Разработана методика проектирования и расчета датчика крутящего момента, работа которого основана на измерении угла закручивания упругого вала. Выполнены примеры расчетов. Рис. 5. Графики сигналов в цепях датчика крутящего момента триггера Рис. 6. Схема датчика крутящего момента

About the authors

V. V Gerashchenko

Belarusian-Russian University

Email: mogilev-kovalenko@rambler.ru
PhD in Engineering Mogilev, republic оf Belarus

V. P Loubach

Belarusian-Russian University

Email: mogilev-kovalenko@rambler.ru
PhD in Engineering Mogilev, republic оf Belarus

N. A Kovalenko

Belarusian-Russian University

Email: mogilev-kovalenko@rambler.ru
PhD in Engineering Mogilev, republic оf Belarus

References

Supplementary files