Как измерить крутящий момент? | Dewesoft

Что такое крутящий момент?

Если вы не пропускали уроки физики в школе, то помните, что сила — это воздействие, приводящее тело в движение в течение времени. Например, простое линейное усилие может толкнуть (или притянуть) массу в состоянии покоя и изменить её скорость путём ускорения. Крутящий момент — сила, которая вызывает вращение тела по своей оси вращения. Так, крутящий момент — это крутящее усилие, которое называют вращающей силой. 

Наиболее очевидный пример крутящего момента — приводной вал автомобиля. Вызываемый двигателем крутящий момент вала приводит автомобиль в движение. Крутящий момент — это вектор: это означает, что он имеет направление. 

Крутящий момент — усилие, вращающее или поворачивающее приводной вал, винт или колесо.

Вращающее усилие

Также крутящий момент называют моментом или моментом силы. Как правило, крутящий момент обозначают символом \(\tau \) (греческой буквой «т»). Единица измерения крутящего момента по системе СИ — \(N⋅m (Н·м)\). 

В США для его выражения используют футо-фунты (\(ft/lbs\)). Для перевода \(N⋅m\) в \(ft/lbs\) достаточно разделить N⋅m на 1,356.

Старшина второй статьи Джеймс Р. Эванс (James R. Evans) осматривает приводной вал хвостового винта вертолёта ВМС США

Для чего измеряют крутящий момент?

Измерение механического крутящего момента торсионных валов — важнейший этап проектирования и сбора различных машин, а также устранения их неисправностей. Истинное значение механического крутящего момента вала, пропеллера или другого вращающегося компонента — единственный способ понять, отвечает ли он требованиям. 

В некоторых случаях крутящий момент необходимо отслеживать постоянно: например, чтобы предотвратить потенциально опасный чрезмерный крутящий момент, который может привести к выходу системы из строя. Также измерения крутящего момента играют важную роль при диагностическом техническом обслуживании.

Какие виды крутящего момента существуют?

Крутящий момент делится на два вида: вращающий и реактивный:

Вращающий момент

Тела, которые многократно (или постоянно) вращаются вокруг своей оси (например, валы, турбины, колёса), имеют вращающий момент.

Реактивный момент

Воздействующая на тело статичная сила называется реактивным крутящим моментом. Например, при попытке закрутить болт ключом на болт воздействует реактивная сила. Такая сила воздействует даже тогда, когда болт не крутится. В таких случаях крутящий момент измеряют не за полный оборот.

Как измеряется крутящий момент?

Крутящий момент можно измерить косвенно или напрямую. Если известны КПД двигателя и скорость вала, с помощью измерителя мощности можно вычислить крутящий момент. Такое измерение называют косвенным.

Более точным методом является прямое измерение крутящего момента с помощью датчиков крутящего момента или роторных моментомеров. Чем они отличаются?

Датчики реактивного (статичного) крутящего момента

Датчик Torquemaster

Датчик реактивного крутящего момента измеряет статический крутящий момент.

Пример датчика крутящего момента — динамометрический ключ. С помощью таких ключей можно точно измерить крутящий момент, прилагаемый к болту, гайке или другому креплению. В основании ключа можно задать нужный крутящий момент, после чего при затягивании крепления оператором до нужного момента раздастся щелчок. Как правило, такие ключи называют щелчковыми. На них можно задать несколько значений момента.

Цифровые динамометрические ключи оснащены иглой или цифровым дисплеем, на котором отображается прилагаемое усилие. Ряд электронных моделей (в частотности промышленных) имеют память, в которой хранится каждое измерение значение (для ведения документации или контроля качества).

Принцип работы щелчкового динамометрического ключа продемонстрирован в следующем видео:

В основе датчика реактивного крутящего момента лежит кварцевый пьезоэлектрический датчик или тензодатчик. Сегодня на рынке представлены различные виды и конфигурации динамометрических ключей и отвёрток.

Датчики крутящего момента

Датчик крутящего момента — это преобразователь, который преобразовывает вращающий момент в сигнал, который можно измерить, проанализировать, отобразить и сохранить. Преобразователи крутящего момента применяются для испытаний крутящего момента двигателя, испытаний ДВС, испытаний электродвигателей, валов, турбин, генераторов и т.д.

Измерить крутящий момент можно как напрямую, так и косвенно. 

Косвенное измерение крутящего момента — более экономичный и удобный метод измерения, точность которого уступает методу прямого измерения. Он подходит для случаев, когда известен КПД двигателя и имеется возможность измерить скорость вала и расход тока.

Прямое измерение — более точный способ. Для прямого измерения на вале закрепляют тензодатчик, который измеряет крутящее усилие на вале. 

Strain gages bonded to a drive shaft. The application of rotary force causes the shaft to twist.На вале закрепляют тензодатчик. Вращательное усилие заставляет вал вращаться.

При повороте вала двигателем вращательное усилие будет незначительным. Из-за жёсткости стали увидеть вращение нельзя, однако его можно считать с помощью закреплённых на вале тензодатчиков. Четыре датчика образуют мост Уитстона, выход которого балансируется и нормируется системой измерения крутящего момента.

Выход тензодатчика можно передать по проводу (если возможно) или дистанционно на систему измерения крутящего момента или систему сбора данных. 

Стандартная система измерения крутящего момента

Внутри датчика крутящего момента выходы закреплённых на вале тензодатчиков передаются на электронные компоненты по контактному кольцу (на тензодатчики должно подаваться питание). Также можно подключить бесщёточный или индуктивный датчик: он повышает скорость и меньше изнашивается, а значит требует меньшего технического обслуживания. Бесконтактным способом можно измерить угол и частоту вращения. 

Системы сбора данных Dewesoft — идеальные решения для измерения любых физических параметров, в том числе крутящего момента. В них встроены изолированные блоки преобразования сигналов, которые сокращают количество шумов и гарантируют высокую точность данных. Также они имеют входы счётчика, частоты вращения и энкодера, а значит подходят для одновременного измерения скорости, угла и положения вала. В системах сбора данных данные с аналоговых и цифровых счётчиков полностью синхронизированы между собой, и этот фактор играет важную роль при решении любых задач, особенно при испытании вибрации кручения и вращения. Подробнее об этом — в следующем разделе.

DewesoftX torsional and rotational vibration test outputИспытание вибрации кручения и вращения в ПО Dewesoft X

Стационарные системы измерения крутящего момента

В представленной выше системе датчик крутящего момента закреплён между двигателем и тормозом с помощью соединений с каждой стороны. Проходящий через вал датчик оснащен тензодатчиком, который измеряет крутящее усилие вала. После преобразования выход сигнала отправляется на систему сбора данных, цифровой дисплей или аварийную систему (при мониторинге, а не записи данных).

При необходимости датчики крутящего момента можно оснастить энкодером, который точно выводит скорость и угол вала. Такие выводы применяют для анализа вибрации кручения и вращения. Выводы скорости и угла крайне важны при использовании динамометров для вычисления выходной мощности (выраженной в \(HP\) или \(Kw\)) и КПД двигателя.  

Портативные системы измерения крутящего момента

Для временных измерений крутящего момента тензодатчики можно закрепить на приводном вале. Компактный интерфейс с питанием от аккумулятора питает датчики и дистанционно передаёт данные на ближайший блок преобразования, в котором с помощью системы сбора данных их можно записать, отобразить или проанализировать. 

Беспроводной датчик крутящего момента

Беспроводные датчики Parker-Lord совместимы с ПО Dewesoft X: их можно объединить с системами сбора данных и использовать на неограниченном количестве каналов.

Области применения порядкового анализа

Вибрации кручения могут стать причиной выхода торсионных валов из строя. Анализ вибрации вращения и кручения — важный способ устранения неисправностей валов, коленчатых валов и зубчатых передач в автомобилестроении, промышленности и в производстве электроэнергии.

Что такое вибрация кручения?

Вибрации кручения — угловые вибрации тела (как правило, вала по оси вращения). Данные механических вибраций вызваны изменениями крутящего момента с течением времени, наложенными на постоянную скорость торсионного вала. В автомобилестроении основной причиной вибраций кручения становятся колебания полезной мощности двигателя.

Вибрации кручения оценивают как изменение скорости вращения в цикле вращения. Изменения частоты вращения обусловлены нестабильным крутящим моментом или переменной нагрузкой.

Что такое вибрация вращения?

Вибрация вращения — динамическая составляющая скорости вращения. При точном измерении вибрации вращения вала в некоторых участках разгона можно увидеть сильное отклонение скорости вращения. Отклонение возникает в результате угловой вибрации, пересекающей собственную угловую частоту вала. Угловая вибрация вычисляется путём отсечения постоянной составляющей скорости или угла вращения;

Вибрация кручения зависит от ряда параметров: свойств материала и условий эксплуатации (температуры, нагрузки, частоты вращения и т.д.).

Как измерять вибрацию вращения и кручения

В этом коротком видео показаны способы измерения вибрации и вращения, а также описана базовая теория и практические преимущества таких измерений.

Видео об измерении вибрации кручения и вращения

Модуль вибрации кручения Dewesoft X автоматически вычисляет следующие параметры:

• угол поворота: фильтрованное значение угла вибрации;

• скорость вращения: фильтрованное значение скорости вибрации;

• угол кручения: динамический угол кручения, который представляет собой разность углов, полученных от датчика 1 и датчика 2;

• скорость кручения: разница угловых скоростей, полученных от датчика 1 и датчика 2;

• опорный угол по оси X: опорный угол, который всегда составляет от 0 до 360° и может быть использован в качестве опорного на графике XY;

• частота: об/мин.

Вычисления можно провести в ходе измерения, а также на этапе обработки (по необработанным данным).

Подробнее:

Анализ крутильных колебаний

Итог

Датчики крутящего момента применяются для решения сотен задач во всех отраслях. Датчики реактивного крутящего момента применяются в динамометрических ключах и других инструментах.

В автомобилестроении датчики крутящего момента устанавливают в стойки испытания двигателей, динамометры, испытательные стенды, а также стенды испытаний на долговечность. Но это лишь базовые применения, помимо которых датчики применяют для испытания промышленных установок кондиционирования воздуха, крупномасштабных кормушек для животных и птиц, робототехники, монтажного и медицинского оборудования, электрооборудования и т.д. 

Крутящий момент — важный параметр в множестве отраслей. К счастью, его можно измерить с помощью датчиков и преобразователей, и отобразить, записать и проанализировать с помощью систем сбора данных.

Примеры определения требуемых моментов для различных систем

Особенности работы ШД предъявляют весьма жесткие требования к согласованию параметров выбираемого двигателя с заданной нагрузкой. Это особенно актуально в разомкнутых системах дискретного привода, когда пропуск двигателем хотя бы одного управляющего импульса приводит к ошибке преобразования электрического сигнала управления в угол, который система исправить не в состоянии. Проверку на нагрев шаговых двигателей обычно не производят, так как они рассчитаны на длительный режим прохождения импульсов тока по обмоткам управления.

При выборе шагового двигателя, прежде всего, следует ориентироваться на потребляемую приводом (двигатель + блок управления) из сети мощность, величину напряжения питания, требуемый крутящий момент на выходном валу, скорость вращения вала и момент инерции нагрузки. Для одного и того же привода, при разных величинах напряжения питания, потребляемая мощность привода P=U*I (напряжение*ток) различается. Например, привод D5779 при напряжении питания 50В потребляет из сети 150Вт, при напряжении питания 30В – 90Вт. КПД шаговых приводов в диапазоне частот 1 — 5КГц, как и КПД синхронных двигателей с постоянными магнитами составляет 80-90%.

Мощность на выходном валу привода P=M*ω (крутящий момент*угловая скорость). Очевидно, что мощность на выходном валу не может превышать потребляемую из сети мощность.

Закон сохранения энергии для системы, состоящей из двигателя и нагрузки на валу, повернувшейся на один полушаг, выглядит следующим образом:

M_{двигателя}*φ=0,5*J*ω² + M_{нагрузки}*φ + М_магн*φ +М

трения*φ

где φ — угол поворота

J – приведенный к валу момент инерции системы

ω – угловая скорость

M_{нагрузки} – момент нагрузки

М_магн – момент сопротивления, создаваемый постоянными магнитами двигателя, примерно 5% от величины M_{двигателя}

М_трения – момент трения в системе

Отсюда максимальная скорость, с которой может сделать первый шаг шаговый двигатель в системе с приведенным к валу моментом инерции J и нагруженный моментом M_{нагрузки} :

ω =(2*φ*(M_{двигателя} – M_{нагрузки} – М_магн – М_трения)/J)^1/2

На практике необходимо также учитывать электрические переходные процессы в фазах двигателей, которые зависят как от напряжения питания и индуктивности фаз двигателей, так и от способа управления двигателем.

Самыми динамичными являются двигатели с минимальной индуктивностью. Обычно стартовые частоты лежат в диапазоне 800-1000Гц (2-2,5 об/сек в полушаговом режиме). Исходя из этого для шагового двигателя, работающего в полушаговом режиме, величина ускорения не должна превышать 4рад/сек².

Когда требуемый момент, определен, выбор шагового двигателя зависит от предпочтительных габаритов, присоединительных размеров, цены двигателя и блока управления для него.

Если блок управления уже есть (или выбран), необходимо, чтобы ток фазы шагового двигателя не превышал возможности блока управления. Также нужно иметь ввиду число выводов, которые можно подключить к имеющемуся блоку управления.

Что показали наши испытания о крутящем моменте

Крутящий момент является одним из наиболее важных соображений при подборе клюшек для гольфа на новую рукоятку, но его часто неправильно понимают.

Некоторые игроки в гольф придают слишком большое значение крутящему моменту, в то время как другие практически полностью его игнорируют. Мы в TPT считаем, что правильный подход лежит где-то посередине. Крутящий момент не является самым важным фактором в большинстве фитингов вала, но его всегда следует учитывать.

В этой статье мы углубимся в то, что наши испытания показали о крутящем моменте, чтобы вы могли понять крутящий момент, который он создает… и, что не менее важно, чего он не делает.

ЧТО ТАКОЕ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ?

Крутящий момент вала измеряется устройством, которое записывает величину, на которую вал будет скручиваться под действием определенной силы, и записывается в градусах. Вал с крутящим моментом в 3 градуса будет скручиваться меньше, чем вал с крутящим моментом в 5 градусов, и так далее.

Крутящий момент — это переменная, отдельная от более обсуждаемого измерения «изгиба вала», которое имеет дело с изгибом вала вверх и вниз, но эти две переменные связаны в том смысле, что более гибкие валы, как правило, имеют более высокий крутящий момент и более жесткие валы, как правило, имеют меньший крутящий момент.

Причина такой взаимосвязи в том, что стержень для гольфа изгибается и скручивается одновременно во время удара в гольфе, а это означает, что более жесткие стержни выигрывают от меньшего крутящего момента. Не имеет смысла делать очень жесткий вал с очень высоким крутящим моментом.

Наши испытания не показали, однако, почему более мягкие валы намеренно получают более высокий крутящий момент. Мы по-прежнему видим преимущества в минимизации крутящего момента на валу — не только для высокоскоростных игроков в гольф, но и для игроков с более низкой скоростью.

По этой причине каждый профиль вала TPT Red Range был создан с настолько низким крутящим моментом, насколько это было возможно.

ПОЧЕМУ КРАСНАЯ ДИАПАЗОН «НИЗКИЙ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ»

Благодаря рукоятке с более низким крутящим моментом игроки в гольф часто могут использовать рукоятку с более мягким изгибом. Это позволяет им получать выгоду от лучшей передачи энергии (т. е. больше «отдачи» вала), в то же время используя преимущества дополнительной стабильности, которую обеспечивает более низкий крутящий момент.

Валы Red Range разработаны с учетом этого. Их конструкция с низким крутящим моментом дает игрокам в гольф возможность максимизировать скорость замаха и скорость мяча с помощью более легкого и мягкого стержня, чем они часто привыкли играть, и при этом максимально контролировать лицо клюшки за счет более низкого крутящего момента.

Кроме того, игроки в гольф должны знать, что все производители валов измеряют крутящий момент и изгиб на разных машинах, поэтому сравнение характеристик валов разных производителей часто вводит в заблуждение.

Единственный способ узнать, подойдет ли вам рукоятка для гольфа, — это проверить ее.

САМОЕ ВАЖНОЕ, ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ О КРУТЯЩЕМ МОМЕНТЕ

Наши испытания показали, что хотя крутящий момент может влиять как на скорость головки клюшки, так и на ощущение клюшки, его наиболее важная функция связана с рассеиванием.

Приведенные ниже рекомендации представляют собой точку зрения TPT и наших уполномоченных монтажников на крутящий момент на валу. Они предназначены для праворуких игроков в гольф. Для игроков-левшей направление рассеивания должно быть обратным.

• Вал с меньшим крутящим моментом поможет игроку в гольф создать более левое рассеивание.
• Вал с более высоким крутящим моментом поможет игроку в гольф создать более правую дисперсию.
• Кажется, что эти рекомендации противоречат общепринятому мнению о крутящем моменте вала, согласно которому валы с меньшим крутящим моментом помогают игрокам в гольф избежать карабина из-за их большей устойчивости к скручиванию.

Обратите внимание: мы не говорим, что вал с низким крутящим моментом не поможет игроку в гольф предотвратить зацеп. В конце концов, каждый игрок в гольф по-своему реагирует на крутящий момент.

Мы говорим о том, что если игрок-правша нанесет группу ударов рукояткой с меньшим крутящим моментом и группу ударов рукояткой с более высоким крутящим моментом, при прочих равных условиях среднее рассеивание маломоментный вал был бы левее. Среднее рассеивание высокомоментного вала было бы больше вправо.

КАК КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ВЛИЯЕТ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

Хотя верно то, что валы с низким крутящим моментом более устойчивы к скручиванию, именно это сопротивление скручиванию на самом деле заставляет вал «вернуться в исходное положение» легче, чем валы с более высоким крутящим моментом при ударе и таким образом порождают тенденцию к перемещению дисперсии влево.

Вот крайний пример, объясняющий почему.

Представьте, что вы играете в гольф с очень высокой скоростью замаха, и просто для удовольствия вы едете с водителем-юным игроком в гольф. Поскольку этот стержень слишком слаб для вас с точки зрения крутящего момента, первый замах, который вы сделаете клюшкой для юниоров, скорее всего, приведет к большому промаху вправо, если вы гольфист-правша. Для гольфиста-левши промах был бы далеко влево.

Это связано с тем, что при махе вниз вал с более высоким крутящим моментом заставит головку клюшки поворачиваться и открывать головку при ударе. И поскольку этот стержень имеет высокий крутящий момент, он не «вернется в исходное положение» так быстро, как это необходимо, поэтому валы с более высоким крутящим моментом имеют тенденцию создавать более правую дисперсию для гольфиста-правши.

После нескольких замахов высокоскоростной игрок в гольф, скорее всего, внесет необходимые коррективы и начнет наносить точные удары с младшим водителем. Но ключом к оптимизации производительности является создание клюшки, которая работает с естественными наклонностями игрока в гольф. Мы хотим подстроить клюшку под гольфиста, а не наоборот.

ПОДСОЕДИНЕНИЕ ВАЛОВ КРАСНОЙ СЕРИИ ДЛЯ МОМЕНТА

Руководитель отдела производительности TPT Джон Синклер внимательно следит за десятками точек данных во время установки вала TPT. Но его подход прост в том смысле, что он хочет помочь игроку в гольф с двумя целями: дистанцией и стабильностью.

Первый шаг в его процессе — помочь игроку в гольф максимально увеличить дистанцию. И для достижения этой цели он сначала определяет самую мягкую ось, которую гольф может постоянно контролировать. Он называет это придание игроку в гольф «дополнительной популярности».

После того, как Синклер определил, что сгибание работает, он переходит ко второму этапу управления крутящим моментом, чтобы помочь игроку в гольф достичь большей согласованности. И TPT Red Range дает Sinclair несколько вариантов для этого.

Сэй Синклер определил, что TPT Red Range 17 Lo хорошо подходит для его проигрывателя, который имеет крутящий момент 3,6 градуса. Если игрок постоянно пропускает удары влево, Синклер может затем протестировать 17 Hi, который имеет более высокий крутящий момент (3,9 градуса), чтобы сместить диаграмму рассеивания вправо.

И если Синклеру потребуется еще более тонкая настройка вала для игрока, он может сделать это с помощью Red Range. Его протоколы опрокидывания позволяют монтажникам достигать полушаговых профилей изгиба и крутящего момента. Например, у 17-дюймового наконечника с наконечником 1 дюйм значение изгиба и крутящего момента будет точно между валами 16 и 18.

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ И ПРОИЗВОДСТВО

В TPT мы изготавливаем шафты для гольфа из тончайшего препрега из углеродного волокна и используем автоматизированный производственный процесс под названием «Непрерывное волокно», чтобы убедиться, что углеродное волокно ориентировано таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность. Это одна из причин, по которой мы можем минимизировать крутящий момент в каждом из наших профилей вала; автоматизация дает нам большую точность и контроль над характеристиками наших валов.

Одно дело создать вал с крутящим моментом 3,6 градуса, как у нашего Red Range 17 Lo. Другое дело — производить валы, которые раз за разом достигают значения крутящего момента 3,6 градуса. Поскольку валы TPT Red Range созданы с использованием непрерывного волокна, мы можем гарантировать, что наши значения крутящего момента одинаковы для каждого вала.

В конце концов, это очень важно, если вал, который вы тестируете в своем фитинге, имеет крутящий момент 3,6 градуса, а вал, который вы покупаете, имеет крутящий момент 4,6 градуса. И, как вы теперь знаете из этой статьи, вы бы пропустили больше выстрелов вправо.

Это ты? Это вал? С шахтой Red Range вам никогда не придется удивляться.

Обратите внимание на этот номер при выборе приводного вала

Весна в сезон гольфа с InsideGOLF: стоимость 100 долларов всего за 20 долларов! УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Аксессуары

Автор: Джонатан Уолл

5 июня 2020 г.

Вал Mitsubishi Diamana D+ Plus компании Tiger Woods является примером изделия с низким крутящим моментом.

Джонатан Уолл

Добро пожаловать в очередной выпуск полностью оборудованного почтового ящика, интерактивной серии GOLF.com, в которой наш местный ямщик (также известный как управляющий редактор оборудования GOLF, Джонатан Уолл) отвечает на ваши нелицеприятные вопросы о снаряжении.

Я знаю о изгибе и весе приводного вала, но что делать с числом крутящего момента, которое я вижу на некоторых валах? Меньшее число лучше? — Кэм Берджесс

Не на каждом валу указано число крутящего момента, но если вам случится играть в Project X HZRDUS или Aldila Rogue — это всего лишь несколько примеров — вы можете заметить число с десятичной точкой, которое выглядит несколько неуместно. место. Это слишком мало, чтобы быть весом или изгибом вала (в случае продуктов Project X), что оставляет нам еще один вариант: крутящий момент вала.

Если этот номер вам незнаком, не беспокойтесь; Есть много любителей гольфа, которые, вероятно, смотрели на это число и никогда не задумывались, оказывает ли оно положительное или отрицательное влияние на их игру.

Крутящий момент определяется как «крутящая сила, которая стремится вызвать вращение». В случае с древком для гольфа это степень скручивания (или его отсутствия), которое происходит во время замаха. Крутящий момент можно контролировать несколькими способами, но наиболее распространенным является использование экзотических материалов, включая кевлар, углерод, бор и зайлон, для стабилизации вала. Это делает профиль более устойчивым к нежелательному скручиванию во время замаха, особенно при ударе. Другими словами: улучшенная консистенция.

Есть причина, по которой валы с низким крутящим моментом имеют высокую цену.

«По мере того, как вы повышаете класс материала, который на самом деле повышает жесткость и прочность материала, вы фактически удваиваете стоимость материала на каждый шаг, который вы предпринимаете», — сказал дизайнер Джон Ольденбург. «Вы можете подняться на четыре, пять или шесть ступеней вверх по лестнице, но потребитель этого не увидит. Мы должны уметь объяснить потребителю, что это за тип материала. Просто назвать это графитом — несправедливо по отношению к продукту».

Чем меньше число крутящего момента — оно измеряется в градусах — тем более устойчив вал к нежелательному скручиванию.