Ведущий показатель, по которому судят о возможностях и применимости мотора, это МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ. Уже потом идут его экономичность, моторесурс, массогабаритные показатели и пр.

Мощность в свою очередь складывается из произведения двух главных параметров:

частота (скорость) вращения вала двигателя;

крутящий момент на этом валу;

Момент на валу работающего двигателя определяют либо путем измерения равного ему момента реакции статора тормоза, либо путем измерения угла закручивания соединительного вала под действием передаваемого момента. В любом случае испытатели сталкиваются с определенными трудностями в получении достоверных результатов измерений в связи с тем, что динамометры тормозных установок действуют в условиях повышенной вибрации и резко изменяющихся нагрузок, граничащих иногда с ударными, особенно на неустановившихся режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Для определения величины крутящего момента, развиваемого испытуемым двигателем, используют различные механические, гидравлические и электрические динамометры. Структурная схема их, так же как и других из мерительных устройств, состоит из первичного, промежуточного и выходного звеньев. По самому характерному из звеньев и классифицируют разновидности динамометров. Часто только это характерное звено и считают динамометром, что не является правильным.

Механические динамометры находят самое широкое применение. Выполняют их в виде рычажных систем с маятниковыми, реже с пружинными весами. Ранее для этих целей в основном служили многорычажные весы десятичного типа. И теперь они находят еще применение при испытании мощных тихоходных стационарных двигателей.

Динамометр с рычажными весами Поскольку такие весы не реверсивны, то в промежуточном звене динамометра предусматривают специальное реверсное устройство, работающее следующим образом. Когда сила Р, приложенная к рычагу тормоза, направлена вверх, то, действуя на тягу 8, через рычаг 7 она передается на тягу 6, перемещая ее вниз, а через рычаг 5 и тягу 4 нагружает коромысло 2 весов. При направлении вниз сила Р, минуя реверсное устройство, непосредственно действует на тягу 6 в том же направлении, нагружая, следовательно, коромысло весов независимо от направления вращения ротора, тормоза. Груз 3 обеспечивает уравновешивание коромысла весов при положении гири \ на нулевом делении ее идеалы, а уравновешивание силы Р и определение ее величины достигают путем перемещения гири / по коромыслу. В современных весовых устройствах этого типа гирю-рейтер / перемещают с помощью специального следящего механизма, позволяющего автоматически уравновешивать нагрузку и вести дистанционное наблюдение за показаниями весов.

Чтобы уменьшить потери на трение, рычажную систему выполняют на призмах, чувствительных к толчкам и подверженных износу. Поэтому в нерабочем состоянии и особенно при пуске двигателя рекомендуется блокировать рычажную систему специально предусмотренным для этого устройством.

Точность и чувствительность рычажных весов значительно превосходят требуемые от механизмов для определения усилия на рычаге тормоза. Однако надежность и маневренность их невелики даже с наличием автоматической следящей системы. Поэтому в лабораториях автомобильных и тракторных двигателей исключительное предпочтение отдают менее точным и не. столь чувствительным, но более прочным, быстродействующим и стабильным в отношении показаний маятниковым весам и основанным на них динамометрам.

Маятниковые динамометры отличаются компактностью, наглядностью, простотой в эксплуатации и позволяют автоматически, не перемещая гирю-груз, уравновешивать действующую силу Р.

Маятниковые весы не искажают показаний под влиянием остаточных деформаций, как, например, пружинные, и, будучи реверсивными позволяют измерять нагрузку при любом направлении вращения ротора тормоза. Обладая свойствами поглощать незначительные колебания, маятник не затрудняет отсчета при случайных колебаниях нагрузки, что присуще рычажным весам. Но так же, как и для других аналогичных приборов, для них важно уменьшение трения в сочленениях и уравновешивание собственного веса тяг маятника.

Однако в таком простейшем исполнении маятниковый механизм не совсем удобен, так как имеет неравномерную шкалу отсчета. Поэтому для выравнивания отсчетной шкалы сектор-квадрант профилируют по закону r=a sin а/а, принимая а за исходную величину.

Динамометры с весовой головкой в сравнении с обычными маятниковыми обладают большей точностью измерения (погрешности не превышают 0,1-5-0,2%) и достаточно чувствительны, что позволяет применять их при выполнении научно-исследовательских работ.

Основу таких динамометров составляет весовая головка, чаще, всего двухмаятниковая, в сочетании с рычажными весами. Однако двухмаятниковые головки не реверсивны, поэтому в промежуточное звено динамометра вводят такое же ревёрсное устройство, как в обычные динамометры с рычажными весами (см. рис. IV.2). В сущности динамометры с' весовой головкой представляют собой механизмы с рычажными весами, к коромыслу 1 которых подсоединена циферблатная весовая головка. Головка воспринимает только часть измеряемой силы, не уравновешиваемую передвижной гирей 2,. и благодаря этому позволяет наблюдать за изменением нагрузки в пределах ее циферблата. Гирю 2 используют иногда для расширения диапазона измерений, как, например, в весовых устройствах типа ВКМ.

Весовые головки с циферблатным отсчетным устройством удобны и весьма надежны в эксплуатации, хотя требуют тщательной защиты их сочленений и шарниров от влаги и пыли и еще более тщательного устранения в них люфтов.

Чтобы обеспечить необходимую точность измерении, весовые устройства выбирают, сообразуясь с мощностью испытуемого объекта. Так, весовые устройства типа ВКМ снабжают циферблатными головками, позволяющими измерять усилия до 10, 25, 40, 80 и 120 кгс и более, а использование передвижной гири 2 расширяет пределы измерения ими до 20, 40, 50, 100 и 170 кгс. Выбор нужной единицы измерения в кгс или кгс-м зависит от того, какая из них была положена в основу градуировки шкалы весового устройства тормоза. Цена деления шкалы весовой головки может выражать как доли произведения Р1, так и Р. Иногда на циферблат наносят одновременно обе шкалы.

Конструкция весовых головок, как правило, допускает поворачивание их около вертикальной оси в любое положение. Это позволяет наблюдать за показаниями под наиболее выгодным углом зрения независимо от места нахождения испытателя. Сравнительно большие размеры циферблата и отсчетных делений не затрудняют наблюдений даже на некотором расстоянии. При необходимости применяют подсветку циферблата лампочками, используют бинокли, а также специальные оптические устройства с аналогово-цифровыми преобразователями, с помощью которых обеспечивается надежная дистанционная передача или считывание показаний.

мощность двигатель мотор крутящий момент

Гидравлические динамометры, или месдозы, как именуют их часто по названию основного измерительного звена, отличаются подкупающей простотой.

Основу их составляет корпус 5, заполненный жидкостью и закрытый упругой диафрагмой 4, уплотняемой с помощью прижимного кольца 2. На диафрагму давит поршень 3 под действием измеряемой силы Р, а возникающее давление фиксируется манометром 6.

При измерении давлений до 10 кгс/см2 диафрагму месдозы изготовляют из высокопрочной прорезиненной ткани толщиной 0,3-0,8 мм или из берйллиевой бронзы толщиной 0,05-0,06 мм, имеющей линейную характеристику и не отягощенной гистерезисными явлениями. Для измерения более высоких давлений применяют маслобензостойкую резину толщиной 2-3 мм или тонколистовую сталь. В качестве рабочей жидкости используют различные масла, технический глицерин и другие жидкости.

Непроточные месдозы кроме простоты отличаются широким диапазоном измерения включая очень высокие давления. Однако на показания месдоз существенное влияние оказывает температура окружающей среды вследствие того, что объемный коэффициент расширения жидкостей больше, чем у металлов. При изменении внешних условий из жидкости может к тому же освобождаться воздух, который растворяется в ней в количестве примерно до 10% при нормальных условиях, а С увеличением давления растворимость его возрастает по линейной зависимости. Поэтому перед каждым испытанием месдозу необходимо тарировать и возможно чаще проливать, используя для этого краны.

Указанные недостатки непроточных месдоз удается устранить путем использования более сложных гидравлических устройств, так называемых проточных и компенсационных диафрагменных месдоз.

Электрические динамометры в общем случае представляют собой приборы, в которых деформация упругого элемента вызывает изменение определенного электрического параметра, положенного в основу измерения, крутящего момента или окружного усилия.

Для этих целей пригодны многие из рассмотренных выше электрических методов измерений неэлектрических величин, функционально связывающих измеряемые величины с посылаемыми в измерительную цепь. Но в практике испытания двигателей чаще других используют измерительные преобразователи, основанные на изменении омического сопротивления, емкости, индуктивности, индукционное и фотоэффекта под действием входной неэлектрической величины. Входной механической величиной служат при этом скручивание соединительного вала тормозной установки, угловое перемещение деталей измерительных муфт или же деформация упругого элемента, так называемого динамометрического звена, на которое действует рычаг тормоза. Чаще других используют способ, связанный с измерением угла закручивания соединительного вала. Динамометры этого типа называют также торсионными.

Известны различные способы измерения крутящих моментов, передаваемых от двигателя к нагрузке посредством вращающегося упругого вала. Среди них широкое распространение получили способы, основанные на преобразовании измеряемого момента в деформацию упругого элемента, выполняемого в виде валов (торс ионов), спиральных пружин, растяжек и др. Преобразование деформации (механического напряжения) упругого элемента в электрический сигнал может осуществляться при помощи тензорезистивных, индуктивных, магнитоупругих и других измерительных преобразователей.

Способы измерения крутящего момента с использованием датчиков вне вращающегося вала, основанные на измерении угла закручивания упругого элемента под действием измеряемого момента, характеризуются более высокой точностью измерения и простотой реализации.

Известен способ измерения крутящего момента [Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента. Библиотека приборостроителя. М.: "Машиностроение", 1977.160 с.], реализованный при помощи торсиометра с магнитной записью, который состоит из упругого элемента, двух магнитных головок, платы с электронными схемами, активного фильтра и фазометра. Упругий элемент закреплен по торцам при помощи двух латунных фланцев, играющих роль магнитных барабанов. Внешние поверхности фланцев покрыты магнитной эмульсией окиси железа (Ре₂О₃). На ферромагнитную поверхность каждого фланца при отсутствии измеряемого момента периодически синхронно записываются импульсы. Под действием измеряемого момента упругий элемент скручивается. Фланцы поворачиваются, возникает фазовое смещение импульсов, считываемых магнитными головками, пропорциональное измеряемому моменту. Величина возникающего фазового смещения преобразуется в напряжение постоянного тока. Значение измеряемого момента считывается по шкале прибора постоянного тока.

Основным недостатком такого способа является сложность его реализации, связанная с необходимостью создания системы строгосоосных магнитных барабанов с ферромагнитным покрытием и считывающими сигнал магнитными головками.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения механического момента, передаваемого вращающимся валом [Патент РФ №2183013, кл. G 01 L 3/04, 1999], в котором на вал устанавливают два идентичных диска с метками (зубчатые венцы), разнесенные на базовое расстояние и жестко связанные с валом, скорость вращения каждого диска (венца) преобразуется с помощью двух независимых магнитных датчиков в два синусоидальных сигнала, регистрируется разность фаз этих сигналов, по изменению которой судят о величине передаваемого валом механического момента, и предварительно устанавливают датчики, используемые в системе измерения момента у одного из дисков, приводят вал во вращение, регистрируют разность фаз синусоидальных сигналов датчиков в зависимости от скорости вращения вала при неизменной нагрузке на валу, полученную разность фаз учитывают при последующем определении разности фаз сигналов от двух датчиков, величина которой пропорциональна передаваемому валом механическому моменту. При этом в лабораторных условиях для конкретной пары датчиков определяется частотная составляющая Ud (n) в регрессионной модели, которая в дальнейшем используется для расчета и введения поправки в конечный результат для конкретного значения частоты вращения вала.

Основным недостатком способа является большая трудоемкость настройки, связанная с необходимостью построения регрессионной модели, а необходимость введения поправок в конечный результат для конкретного значения частоты вращения вала может значительно усложнить электрическую часть устройства, реализующего данный способ. Существенным является также то, что при формировании синусоидального сигнала за счет зубчатых колес невозможно получить одну и ту же форму сигнала при изменении частоты вращения. Гармонический спектр значительно изменяется, особенно в области малых частот вращения. В связи с этим будут появляться дополнительные погрешности при измерении фазы основной гармоники.

Задачей предлагаемого времяимпульсного способа измерения крутящего момента является повышение точности измерения и упрощение технической реализации способа.

Поставленная задача достигается тем, что два соосных вала соединяют через упругий элемент, на вал двигателя и на вал нагрузочного элемента жестко устанавливают по одному зубцу таким образом, что угловое смещение между ними по окружности равно нулю, а параллельно осевой линии этих валов на общем с двигателем и нагрузочным механизмом основании установлены два магнитных датчика, формирующих импульсные двуполярные сигналы в моменты прохождения зубцов вблизи сердечников магнитных датчиков, по которым определяется временной интервал между моментами прохождения через нуль импульсов электродвижущей силы (э. д. с.) магнитных датчиков (t) и период полного оборота вала двигателя (Т), при этом крутящий момент определяют через отношение этих интервалов времени .

На фигуре 1 приведена осциллограмма импульса э. д. с. магнитного датчика (е_мд).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Два соосных вала соединяют через упругий элемент. На вал двигателя и на вал нагрузочного элемента жестко устанавливают по одному зубцу. При отсутствии крутящего момента угловое смещение по окружности между первым и вторым зубцами равно нулю. Параллельно осевой линии валов на общем с двигателем и нагрузочным механизмом основании установлены два магнитных датчика таким образом, что при вращении валов в момент прохождения любого из зубцов через магнитное поле соответствующего датчика последний вырабатывает двуполярный импульс напряжения (импульсы положительной и отрицательной полярности, как известно, всегда имеют одно и то же значение вольт-секундных площадей, а момент перехода импульса э. д. с. через нуль соответствует минимальному расстоянию между вершиной зубца и сердечником магнитного датчика).

Если крутящий момент не равен нулю, упругий элемент деформируется (скручивается), а угол между первым и вторым зубцами становится отличным от нуля. Интервал времени между импульсами первого и второго магнитных датчиков будет прямо пропорционален углу скручивания упругого элемента (т.е. крутящему моменту) и обратно пропорционален круговой скорости вращения зубцов. Как видно из изложенного, данный интервал времени t будет определяться следующим выражением:

где dl - длина сектора окружности между первым и вторым зубцами, определяемая углом скручивания упругого элемента;

круговая скорость вращения зубцов;

R_д - радиус окружности, описываемой вершиной зубца;

Т - период вращения вала двигателя.

Угол скручивания упругого элемента зависит от приложенного к нему момента и от его жесткости, тогда

где М - крутящий момент двигателя;

K₁ - коэффициент, зависящий от упругих свойств упругого элемента, его геометрии и радиуса R_д.

Выразив величину измеряемого крутящего момента из выражения (3) с учетом (1) и (2), получим:

где - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, измеряя промежутки времени t и Т с помощью электронных хронометров по известному К₂ по формуле (4), определяют крутящий момент.

На фигуре 2 представлен один из возможных вариантов практической реализации предлагаемого способа. Устройство содержит магнитные датчики 1 и 2, формирователи коротких импульсов 3 и 4, R-S-триггер 5, сглаживающий R-C-фильтр 6 и кнопку сброса 7.

Устройство работает следующим образом. Перед запуском установки нажимается кнопка сброса 7 для перевода R-S-триггера 5 в исходное состояние. При вращении валов двуполярные импульсы напряжения магнитных датчиков 1 и 2 подаются на формирователи коротких импульсов 3 и 4, на выходах которых появляются прямоугольные импульсы отрицательной полярности, причем моменты образования передних фронтов импульсов соответствуют моментам перехода через нуль соответствующих двуполярных импульсов магнитных датчиков. Сигналы с выходов формирователей прямоугольных импульсов 3 и 4 управляют работой R-S-триггера 5 таким образом, что длительность положительного импульса на его выходе соответствует интервалу времени t между моментами перехода через нуль импульсов магнитных датчиков. Выход R-S-триггера 5 соединен со входом сглаживающего R-C-фильтра 6, постоянная времени которого r=R·C>T. Если этот фильтр не нагружен (ток нагрузки равен нулю), то, как известно, среднее значение напряжения на выходе R-C-фильтра (U_cp) будет равно

Из (5) получаем

где U₀ - амплитудное значение импульса напряжения на выходе R-S-триггера 5 (U₀ должно быть стабильным); - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, измеряя среднее значение выходного напряжения R-С-фильтра, можно определить величину крутящего момента по известному значению коэффициента К₃.

Предлагаемый способ, как видно из изложенного выше, позволяет измерять величину крутящего момента независимо от скорости вращения вала. По метрологическим характеристикам предлагаемый способ имеет преимущества по сравнению с известными. Это обусловлено тем, что измерение крутящего момента сводится к измерению интервалов времени, что может быть осуществлено с высокой точностью. Кроме того, для реализации этого способа требуется более простая и надежная конструкция датчика крутящего момента.

Средства измерения крутящего момента двигателя