Введение
Всем известно, что крутящий момент – это сила, при которой происходит деформация вала, только не на изгиб, а скручивание, при котором отдельные сечения вала не повторяют друг друга, а оказываются повернутыми друг относительно друга на определённые углы, тем большие, чем больше приложенная сила. При этом не следует заблуждаться, что мы увидим эту закрутку стального вала, нанеся на поверхность вала линии, параллельные его оси. Величина закрутки будет в реальности настолько мала, что её непросто измерить даже с помощью специальных датчиков существующих измерительных системах.
Для понимания привожу усреднённые значения максимально допустимой “крутки” классического стального вала исходя из его усреднённых прочностных характеристик:
0 3- для каждого метра вала при статической нагрузке,
0 25 – для каждого метра вала при переменной нагрузке,
0 15, для каждого метра вала при ударной нагрузке.
В настоящее время разработано большое количество датчиков и измерительных систем для решения таких задач, но все они имеют один существенный недостаток.
Измерительный элемент любого датчика непосредственно не участвует в процессе измерения деформации измеряемого объекта, а только через так называемую подложку. В качестве подложки в существующих измерительных системах, всегда выступает какой – либо промежуточный материал, защищающий сам чувствительный элемент от различных внешних воздействий, например – электрод датчика. Такой материал, как правило, имеет свои механические свойства, которые не позволяют непосредственно передавать значения деформации в сам измерительный элемент и влияют на чувствительность всей системы.
Чувствительность такой измерительной системы всегда зависит от механических свойств такой подложки.
Исходя из выше изложенного, предлагается непосредственный способ измерения крутящего момента приводных валов, основывающийся на классическом пьезоэфекте в полупроводниках.
В заявляемом способе предлагается полностью отказаться от каких-либо подложек между измерительным элементом и объектом измерения – стальным валом.
Сам измерительный элемент в виде плёнки из полупроводника предлагается химическим или гальваническим способом нанести непосредственно на сам шпиндель в виде кольца, спирали или полоски по всей длине шпинделя.
Способов нанесения полупроводникового слоя химическим или гальваническим способом достаточно много.
Рассмотрим самый простой и технологичный (хорошо повторяемый) химический способ нанесения полупроводникового слоя, который был опубликован ещё во времена СССР в школьных факультативах старших классов по химии – изготовление солнечной батареи и термоэлемента. Например, тиомочевина из расчёта 114 грамм на 1 литр воды, ацетат свинца из расчёта 345 грамм на 1 литр воды и едкий натр из расчёта 40 грамм на 1 литр воды даже в любительских условиях позволяют получить достаточно прочную полупроводниковую плёнку толщиной 5 микрон на стальном основании.
Сверху полупроводникового слоя, но только с обоих концов вала, также, например, химическим способом необходимо нанести уже кольцевой слой проводника. Такие два кольца проводника поверх общего полупроводникового слоя с обоих сторон вала будут являться двумя электродами измерительной системы.
В такой химически нанесённой плёнке из полупроводника получаются одинаковые величин продольных и поперечных коэффициентов пьезосопротивления.
Этого вполне достаточно для непосредственной фиксации пьезоэффекта при малейшем сдвиге на кручение в шпинделе, передающем крутящий момент.