S pomočjo primerne vezave lahko izničimo vplive temperature, aksialnih in upogibnih deformacij. Uporaba več lističev pa hkrati poveča občutljivost merilnega sistema. Moment, ki se prenaša preko gredi, lahko izračunamo iz razmerja vhodne in izhodne napetosti s pomočjo znane občutljivosti lističev 𝑠𝑙𝑖𝑠𝑡 in števila aktivnih lističev 𝑛 po enačbi [3]:
𝑇 = 8 ∙ 𝐺 ∙ 𝐽
𝑛 ∙ 𝑠𝑙𝑖𝑠𝑡∙ 𝑟∙ 𝛿𝑣𝑜
𝑣𝑟𝑒𝑓 (2.3)
Teoretične osnove in pregled literature
7 Slika 2.4: Wheatstonov mostič in možne postavitve lističev na torzijski element [3]
Tak način merjenja je precej točen in zanesljiv, ima tudi kar nekaj prednosti v primerjavi z ostalimi metodami:
- z vezavo v Wheatstonovem mostiču zelo dobro kompenziramo temperaturne, osne in upogibne raztezke, dosegamo majhno histerezo ter veliko linearnost in ponovljivost, - zaradi izredno majhne mase merilnih lističev lahko vrtilni moment merimo pri zelo
velikih vrtilnih hitrosti, saj je vpliv centrifugalnih sil na lističe zanemarljiv, - merimo lahko tako statičen kot dinamičen moment,
- merilni lističi so neobčutljivi na vibracije,
- takšni senzorji so ob primerni uporabi dolgoročno stabilni,
- moment lahko merimo v obeh smereh in neodvisno od smeri vrtenja gredi [5].
Glavna slabost tega principa je v tem, da za doseganje čim večje občutljivosti potrebujemo čimbolj deformabilen torzijski element. Prav deformabilnost torzijskega elementa lahko občutno zmanjša togost celotnega sistema. Druga slabost takih senzorjev je pravilna montaža lističev, ki je na ukrivljeni površini torzijskega elementa lahko precej težavna.
Za povečanje togosti sistema in zanesljivo montažo lističev se pogosto uporabljajo drugačne konstrukcije senzorjev vrtilnega momenta [3].
Na sliki 2.5 je prikazan torzijski merilni element z merilnimi lističi z večjo togostjo. V danem primeru so deformabilni elementi obremenjeni na upogib, tako se izognemo neposrednemu merjenju strižnih torzijskih deformacij na površini gredi. Deformacijski elementi so nameščeni na večjem radiju, zato pri manjšem kotnem zasuku gredi lahko zaznamo večjo deformacijo elementa.
Teoretične osnove in pregled literature
8
Slika 2.5: Torzijski element z večjo togostjo za merjenje momenta z merilnimi lističi [3]
2.2.4 Merjenje zasuka deformacijskega elementa
Pri tem principu namesto merjenja raztezanja površine preko merilnih lističev, neposredno merimo kotni zasuk torzijskega elementa. Za torzijske elemente z okroglim prerezom lahko moment preko kota zasuka 𝜃 popišemo kot:
𝑇 = 𝐺 ∙ 𝐽
𝐿 ∙ θ (2.4)
pri čemer je L razdalja med točkama, med katerima merimo kotni zasuk, za boljšo predstavo je omenjeni zasuk prikazan na sliki 2.6. Za doseganje primerne občutljivosti mora biti togost deformacijskega elementa primerno nizka, podobno kot pri uporabi merilnih lističev.
Medsebojni zasuki so zelo majhni, zato potrebujemo zanesljivo in izredno natančno metodo merjenja zasuka [3].
Slika 2.6: Kot zasuka gredi pri torzijski deformaciji [2]
Teoretične osnove in pregled literature
9
2.2.4.1 Neposredno merjenje zasuka
Na gredi merimo razliko zasuka na dveh skrajnih lokacijah. Pri merjenju zasuka na rotirajoči gredi je to še posebej problematično, saj je potrebno izmeriti le relativen zasuk obeh točk na gredi. Ena od izvedb omogoča merjenje relativnega zasuka na rotirajoči gredi s pomočjo indukcije, shema takšne izvedbe je prikazana na sliki 2.7. Na dveh lokacijah na gredi, med katerima želimo meriti relativni zasuk, namestimo feromagnetna zobnika. Ob zobnika v radialni smeri namestimo še dve indukcijski zaznavali. Med vrtenjem gredi ti zaznavali zaznavata posamezne zobe na vrtečem zobniku, kot izhodni signal tako dobimo neke vrste sinusni signal. Relativni zasuk gredi lahko enostavno razberemo iz faznega zamika obeh izmerjenih sinusnih signalov. S primerno filtracijo signalov, te lahko obravnavamo kot sinusne, fazni zamik 𝜙 je tako proporcionalen kotnemu zasuku 𝜃. Če ima zobnik 𝑛 zob, lahko enačbo za izračun momenta (2.5) zapišemo v obliki, kjer upoštevamo fazni zamik.
𝑇 =𝐺 ∙ 𝐽 ∙ 𝜙
𝐿 ∙ 𝑛 (2.5)
Slika 2.7: Merjenje zasuka preko faznega zamika [3]
Teoretične osnove in pregled literature
10
2.2.4.2 Merjenje preko inducirane napetosti
Druga oblika, ki prav tako rešuje problem merjenja momenta na vrteči gredi, deluje na principu spreminjanja inducirane napetosti, ki je odvisna od deformacije torzijskega elementa iz feromagnetnega materiala. Na sliki 2.8 je takšna izvedba senzorja shematsko prikazana. Deluje na podoben način kot LVDT zaznavala pomika. V osnovi imamo cev iz feromagnetnega materiala z dvema vrstama rež, te so običajno orientirane v smeri največjih napetosti, torej pod kotom 45o na os vrtenja, obe vrsti rež pa sta med seboj pravokotni. Ko je gred obremenjena, se zaradi pojava napetosti začne ena vrsta rež razpirati, druga pa zapirati. Okoli vrteče gredi so fiksno vpete primarne in sekundarne tuljave, tako da je ena sekundarna tuljava nad eno vrsto rež, druga pa nad drugo. Primarno tuljavo napajamo z izmeničnim tokom, na sekundarnih pa merimo inducirano napetost. Z deformacijo gredi in odpiranjem in zapiranjem rež se spreminja tudi inducirana napetost v obeh tuljavah. S primerno vezavo sekundarnih tuljav lahko efektivno merimo moment na gredi [3].
Slika 2.8: Merjenje momenta z induciranjem napetosti [3]
2.2.4.3 Senzor na principu magnetostrikcije
Magnetostrikcija je pojav, pri katerem pride do deformacije materiala, ko je ta izpostavljen magnetnemu polju. Možen je tudi obraten pojav, torej pri deformaciji materiala pride do spremembe njegove magnetnosti. Spremembo magnetnosti torzijske gredi iz takega materiala lahko merimo s pomočjo Hallove sonde, kot je to prikazano na sliki 2.9. Tako lahko posredno določimo tudi moment, ki se prenaša preko gredi. Najpogostejši materiali, ki so podvrženi temu efektu večinoma bazirajo na niklju [3].
Teoretične osnove in pregled literature
11 Slika 2.9: Merjenje momenta s pomočjo magnetostrikcije [3]
2.2.5 Merjenje vrtilnega momenta preko reakcijske sile
Merjenje momenta s pomočjo elementa, ki je umeščen kot vmesni člen za prenos obremenitve, ima tudi svoje pomanjkljivosti. Dodaten člen tako pogosto zmanjša togost celotnega sistema in poveča vztrajnost, lahko pride do zmanjšanja odzivnosti sistema, ali sprememb momenta. Takšno merjenje je težavno tudi z vidika prenašanja signala, saj moramo v primeru rotirajoče gredi uporabiti drsne obročke ali eno od zgoraj opisanih tehnik brezžičnega prenosa signala.
Če konstrukcija to dopušča, se zgoraj opisanim problemom lahko elegantno izognemo z merjenjem reakcijske sile na podpori ali ohišju, ki je neposredno povezana preko momenta, ki se prenaša v sistemu. Shematska in praktična izvedba takšnega načina mejenja sta prikazani na slikah 2.10 in 2.11. Silo merimo na določeni razdalji 𝐿 od osi vrtenja in predstavlja našo ročico. Vrtilni moment lahko enostavno izračunamo iz produkta reakcijske sile in dolžine ročice:
𝑇 = 𝐹𝑅 ∙ 𝐿 (2.6)
Teoretične osnove in pregled literature
12
Slika 2.10: Shema merjenja reakcijske sile [3]
Alternativno možnost predstavlja montaža merilnih lističev na obremenjena mesta podpore, preračun pri takšni izvedbi je kompleksnejši, je pa primerna za večje, bolj obremenjene sisteme.
Slika 2.11: Merjenje reakcijske sile v praksi [5]
Glavna pomanjkljivost merjenja momenta preko reakcijske sile je slabša natančnost meritve, zaradi neupoštevanja izgub v ležajih in odstopanja pri pospeševanju gredi, zaradi vztrajnosti.
Tak način merjenja ni primeren za zelo dinamične sisteme, predvsem zaradi velikega vpliva vztrajnosti rotirajočih mas na izmerjene vrednosti. Vztrajnost v tem primeru deluje kot mehanski nizko prepustni filter, v določenih aplikacijah pa je ta lastnost lahko celo zaželena [3].
Teoretične osnove in pregled literature
13
2.2.6 Določanje vrtilnega momenta z merjenjem toka na elektromotorju
Vrtilni moment se v elektromotorju generira preko elektromagnetne interakcije med magnetnima poljema rotorja in statorja. Preko električnega toka, ki generira magnetno polje, lahko ocenimo moment na izhodu motorja. Metoda ni izredno natančna, saj je moment na izhodu motorja običajno manjši, zaradi trenja v ležajih in vztrajnosti rotorja. Pri DC motorjih je merjenje toka relativno enostavno, možnih je več metod, od padca napetosti na znanem uporu, do merjenja magnetnega polja preko Hallovega efekta. Pri AC motorjih pa moramo upoštevati kombinacijo tokov več faz. Metoda merjenja momenta preko toka na motorju je cenovno ugodna in primerna v aplikacijah, kjer ni zahtevana velika natančnost meritve. S kompleksnejšimi računskimi modeli, ki upoštevajo še druge dejavnike pa lahko dosežemo večjo stopnjo točnosti in tak način merjenja uporabimo za krmiljenje enostavnejših sistemov [3].
2.3 Vpliv temperature na meritev vrtilnega momenta
Različne izvedbe senzorjev momenta so različno občutljive na zunanje moteče dejavnike.
Eden najvplivnejših dejavnikov je zagotovo sprememba temperature, ta lahko neposredno vpliva na zaznavalo, kot na primer pri uporabi merilnih lističev. Merilnim lističem se upornost spreminja tudi ob spremembi temperature in ne le ob deformaciji, vpliv temperature tako kompenziramo s primerno vezavo lističev. Vpliv temperaturnih sprememb pa je lahko tudi posreden. Ker senzorji momenta med delovanjem običajno zaznavajo izredno majhne deformacije in pomike, imajo lahko že najmanjši temperaturni raztezki velik vpliv na meritev in povečevanje merilne negotovosti. Pri razvoju senzorja je potrebno dokazati, da temperaturne spremembe nimajo večjih vplivov na osnovno funkcijo senzorja.
2.4 Izbrani koncept senzorja
V podjetju so se za senzor vrtilnega momenta električnega kolesa odločili za sodelovanje z zunanjo razvojno institucijo. Njihov princip meritve momenta deluje nekoliko drugače od prej opisanih konceptov. V osnovi gre še vedno za senzor, vključen v pogonski sklop z merjenjem zasuka deformabilne gredi. Senzor izkorišča magnetne pojave, a ima nekoliko drugačno zasnovo od zdaj znanih konceptov. Prvotno je bil zasnovan kot senzor momenta v volanskem sklopu avtomobila, za nadomeščanje hidravličnega servo pogona z brezkrtačnim DC motorjem. Z našega vidika je senzor primeren tudi za pogon kolesa, zaradi zelo podobnih obratovalnih pogojev, torej nizke vrtilne hitrosti in zmernih obremenitev, z zahtevano veliko občutljivostjo že pri manjših momentih.
Teoretične osnove in pregled literature
14
2.4.1 Hallov pojav
Osnovno zaznavalo senzorja predstavlja Hallova sonda za merjenje magnetnega polja in omogoča brezkontaktno merjenje momenta na vrteči gredi.
Pojav je leta 1879 odkril E. H. Hall. Sprva je bila uporaba pojava omejena na majhno število aplikacij in vezana predvsem na preučevanje električne prevodnosti kovin in polprevodnikov, danes pa se Hallove sonde uporabljajo predvsem na področju zaznavanja magnetnih polj, pozicije, premikov in zasukov.
Efekt temelji na interakciji med gibajočimi se nosilci naboja, v kovinah so to elektroni, in zunanjim magnetnim poljem. Med gibanjem elektrona skozi magnetno polje nanj iz strani deluje sila:
𝑭 = 𝑞 ∙ 𝜈 ∙ 𝑩 (2.7)
pri tem je 𝑞 = 1.6 ∙ 10−19𝐶 naboj elektrona, 𝜈 hitrost elektrona in 𝑩 magnetno polje. Sila in magnetno polje sta v enačbi vektorski veličini, velikost in smer sile je tako odvisna od prostorske relacije z magnetnim poljem. Hallovo sondo si najbolj enostavno predstavljamo kot prevodno ploščo, prikazano na sliki 2.12. Na straneh sta pritrjena kontakta, na katera je povezan voltmeter, na zgornji in spodnji strani pa je pritrjen vir napajanja. Če je plošča postavljena v magnetno polje, začne sila potiskati elektrone v stran, na stranskih kontaktih se pojavi napetost 𝑣𝐻, ki jo lahko merimo, odvisna je od velikosti in smeri magnetnega polja [6].
Slika 2.12: Shematski prikaz delovanja Hallove sonde [6]
Teoretične osnove in pregled literature
15
2.4.2 Delovanje senzorja
Mehanski del generira magnetno polje, ki ga meri Hallova sonda. Senzor, ki je shematsko prikazan na sliki 2.13, je v principu sestavljen iz treh osnovnih komponent:
- Rotor, ki je fiksiran na enem delu torzijske gredi in je sestavljen iz permanentnih magnetov, pritrjenih na feromagnetno sredico. V serijski proizvodnji bi to lahko bil le en magnet namagneten tako, da bi imel pasove različne polaritete.
- Stator je pritrjen na drugi del torzijske gredi in je sestavljen iz dveh delov. Narejen je iz dveh obročev iz mehkega feromagnetnega materiala, iz njiju pa štrlijo lamele, ki se medsebojno ujemajo. Te lamele se v sestavu senzorja nahajajo nad magnetnim statorjem in imajo vlogo preusmerjanja magnetnega polja.
- Hallova sonda je fiksirana na ohišju in se ne vrti skupaj z mehanskim delom, nahaja pa se med obema obročema statorja [7].
Slika 2.13: Osnovna sestava izbranega senzorja momenta [7]
Osnova za delovanje senzorja je medsebojno odštevanje in izničenje magnetnega polja v nevtralni legi. Tako ima vsak par magnetnih polov na rotorju po eno lamelo na vsakem obroču statorja. Magnetno polje, ki ga prepušča stator, je odvisno od relativnega zasuka rotorja proti statorju. Na ta način dobimo zelo enostavno relacijo med zasukom torzijske gredi in signalom na Hallovem senzorju, za merjenje momenta tako ni potrebno meriti faznih zamikov z uporabo kompleksnejših preračunov, ampak izmerjeni signal le množimo z določenim faktorjem [7].
Za boljše razumevanje je na sliki 2.14 shematsko prikazan senzor v obeh skrajnih legah in vmesni legi. Na levi strani je senzor v nevtralni legi, lamele so postavljene tako, da se nahajajo med poli na rotorju, magnetno polje se tako izniči, sonda polja skoraj ne zaznava.
Teoretične osnove in pregled literature
16
Na desni je prikazana druga skrajna lega, lamele so izmenično poravnane s poli rotorja, teoretično se takrat en pol prevaja na eno stran statorja, drugi pa na drugo stran. Med obroči statorja takrat dobimo zelo močno magnetno polje, ki ga zaznava sonda.
Na sredini je prikazano vmesno stanje, v podobni legi je senzor med delovanjem. Lahko si predstavljamo, da z medsebojnim vrtenjem rotorja proti statorju dobimo sinusni signal z minimumom in maksimumom v obeh skrajnih legah. V prehodnem območju imamo tako največjo občutljivost senzorja, prav tako pa lahko tam sinusni signal precej dobro aproksimiramo z linearno funkcijo, to je tudi delovno območje našega senzorja.
Slika 2.14: Relativni zasuki rotorja proti statorju
Za primer senzorja z osmimi pari magnetnih polov lahko merimo zasuk v območju 11,25º, signal pa lahko obravnavamo kot linearen le na območju nekaj stopinj. Izhodni signal takšnega senzorja je prikazan na sliki 2.15. Število magnetnih polov in merilno območje tako izberemo glede na zahteve za senzor in predvidene kotne zasuke torzijske gredi.
Teoretične osnove in pregled literature
17 Slika 2.15: Spreminjanje izhodnega signala z zasukom rotorja proti statorju
Teoretične osnove in pregled literature
18
19
3 Metodologija raziskave
Poglavje obravnava proces razvoja preizkuševališča senzorja vrtilnega momenta, od podrobnejše opredelitve zahtev in funkcij, skozi različne metode validacije, do končne zasnove. Predstavljeni bodo različni koncepti preizkuševališča, izbira najprimernejšega izmed njih in izbira komponent. Izdelan bo natančen 3D model izbranega koncepta. Na koncu bo predstavljena še izdelava samega preizkuševališča, skupaj s testnimi meritvami.
3.1 Prvi prototipi senzorja vrtilnega momenta za električna kolesa
Na podlagi patenta izbranega razvojnega podjetja so bili izdelani prvi prototipi senzorja.
Zasnova je nekoliko prilagojena vgradnji v pogonski sklop kolesa, princip delovanja pa je popolnoma enak, kot opisan v prejšnjem poglavju. Zgradbo senzorja lahko vidimo na sliki 3.1.
Slika 3.1: Sestav prototipa senzorja [8]
Metodologija raziskave
20
Na sliki 3.2 so jasno vidni trije osnovni deli prototipa senzorja. Na levi je sestavljen stator, ki se preko zobcev na zgornji strani, in s pomočjo objemke pritrdi na en del torzijske gredi.
Na desni je rotor z magnetno sredico, ki se prav tako pritrdi s pomočjo objemke. V sredini zgoraj je še elektronski del, ki pride fiksno nameščen na zunanjem ohišju pogona. Na sliki 3.3 pa lahko vidimo še umestitev senzorja na pogonski gredi kolesa.
Slika 3.2: Osnovne komponente senzorja [8]
Slika 3.3: Umestitev senzorja na pogonsko gred [8]
Metodologija raziskave
21
3.2 Zahteve za preizkuševališče
Pred začetkom konstruiranja, je zelo pomembno natančno poznati funkcijo izdelka in natančno opredeliti zahteve.
- Preizkušanec je senzor vrtilnega momenta električnega kolesa, sestavljen iz mehanskega dela in elektronike, ki z mehanskim delom ni fizično povezana.
- Potrebna je generacija momenta na vrteči gredi, v rangu med 0 in 200 Nm, z možnostjo nastavljanja na 0,5 Nm natančno.
- Hitrosti vrtenja gredi so med 0 in 200 vrtljaji na minuto, z natančnostjo nastavljanja 1 obrat na minuto.
- Naprava mora omogočiti preskušanje občutljivosti preizkušancev na temperaturo med -10 ºC in 60 ºC.
- Menjava preizkušancev mora biti enostavna.
- Naprava mora omogočati preskušanje različnih izvedb senzorja, menjava delov za vpenjanje različnih senzorjev mora biti relativno enostavna.
- Elektronika senzorja mora biti natančno in pravilno pozicionirana.
- Naprava mora biti dovolj kompaktna in nameščena v preskusnem laboratoriju podjetja.
- Ležajna mesta in samo uležajenje mora biti dovolj natančno, da se zagotovi krožni tek v toleranci 0,05 mm.
- Zajemni sistem omogoča zajemanje signalov: referenčnega senzorja momenta, vrtilne hitrosti gredi, preizkušanca (analogni signal), vrtilne hitrosti s senzorji na preizkušancu (digitalni signal) in temperature.
3.3 Opredelitev tehničnega procesa preizkuševališča
Funkcija preizkuševališča je dokaj jasna in enostavna, to je generacija zahtevanega vrtilnega momenta in vrtilne hitrosti, z merjenjem teh vrednosti. Pri zagotavljanju funkcije smo omejeni z elementi, opredeljenimi v tehničnem procesu preizkuševališča. Obenem je cilj preizkuševališča prav preskušanje funkcije senzorja, ta je dovolj točno in zanesljivo merjenje momenta na vrteči gredi.
Tehnični proces je sestavljen iz posameznih funkcij, z njihovim seštevkom poskušamo kar se da dobro izpolniti vse podane zahteve. Natančna opredelitev funkcij nam zagotavlja dobro podlago za iskanje možnih rešitev in ocenjevanje primernosti različnih konceptov. Naše preizkuševališče lahko opredelimo s sledečimi funkcijami:
- pogon, zagotavlja vrtilno hitrost in moment, je vir moči;
- zavora, reguliramo moment, ki se pojavi na gredi med pogonom in zavoro;
- regulacija temperature, omogočeno je nastavljanje temperature okolice preizkušanca;
- ogrodje, je dovolj togo in prenaša sile, ki se pojavljajo zaradi generiranega momenta;
- vpenjane preizkušanca, omogočeno je enostavno vpenjanje in izpenjanje preizkušancev;
- uležajenje omogoča krožni tek gredi znotraj tolerance;
- merjenje momenta na gredi, potrebna je referenca, s katero primerjamo rezultate, ki jih da preizkušanec;
Metodologija raziskave
22
- preprečevanje preobremenitve je pomembno zaradi zagotavljanja varnosti in za varovanje komponent preizkuševališča;
- pozicioniranje elektronike senzorja.
3.4 Morfološka matrika in različni koncepti rešitve
Z opredelitvijo tehničnega procesa, lahko sestavimo nabor delnih funkcij, ki jih moramo izpolniti za zagotavljanje osnovne funkcije. Iskanje različnih konceptov lahko izvedemo s pomočjo morfološke matrike. Ta ima v prvem stolpcu navedene vse zahtevane delne funkcije, v ostalih pa različne rešitve za vsako delno funkcijo posebej. Različne rešitve celotnega tehničnega sistema dobimo s kombiniranjem različnih delnih rešitev, pri tem moramo biti pozorni, da kombiniramo smiselne rešitve, saj se te lahko med seboj izključujejo [9]. V našem primeru, recimo, izpolnjevanje funkcije vpenjanja preizkušanca z namenskim aksialno pomičnim uležajenjem, izključuje uporabo pred izdelanih ohišji z ležaji.
Morfološka matrika našega preizkuševališča je prikazana v preglednici 3.1.
Metodologija raziskave
reduktor servo motor +
reduktor servo motor hidravlika
B zavora mehanska
disk servo motor +
reduktor servo motor elektro
zavora hidravlika AC motor + D ogrodje samostoječe namizno
preizkuševališče montaža na
mizica (ročno) fiksno vpetje
V naši morfološki matriki so delne funkcije označene s črkami, rešitve pa s številkami, na ta način lahko enostavno zapišemo kombinacije različnih rešitev. Dobimo različne koncepte tehničnega sistema. V našem primeru smo izpeljali šest različnih konceptov.
Metodologija raziskave
Za boljšo predstavo bodo v nadaljevanju koncepti predstavljeni tudi s skicami, posamezne rešitve iz morfološke matrike bodo označene simbolično. Na sliki 3.4 lahko vidimo seznam simbolov rešitev.
Slika 3.4: Seznam simbolov za različne rešitve
3.4.1 Koncept K1
Prvi koncept, prikazan na sliki 3.5, je zamišljen kot najenostavnejši, večinoma je narejen z že obstoječimi komponentami, po prvi grobi oceni bi lahko bil tudi cenovno najbolj ugoden.
Preizkuševališče deluje na podobnem principu kot naše testno preizkuševališče na stružnici.
To bi bila namizna izvedba, vse komponente bi bile privijačene na aluminijasto ploščo.
Za pogon bi lahko uporabili že izdelano gonilo z vgrajenim AC motorjem, z dodatno vezavo
Za pogon bi lahko uporabili že izdelano gonilo z vgrajenim AC motorjem, z dodatno vezavo