Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА КРЕПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОПОРЕ

Изобретение в целом относится к системе крепления электрического прибора на металлической опоре.

В частности, изобретение может относиться к системе крепления электрического прибора, например индуктивного датчика, выполненного с возможностью измерения режима вращения двигателя и называемого датчиком N1, на металлической опоре, например на металлическом корпусе двигателя.

Индуктивные датчики типа N1 являются датчиками, выполненными с возможностью отслеживать скорость вращения акустического колеса двигателя посредством обнаружения прохождения зубьев перед датчиком, что приводит к изменению магнитного поля, которое создает в датчике переменный ток. Таким образом, датчик N1 позволяет измерять и отслеживать режим вращения двигателя и передавать эту информацию в вычислительное устройство системы регулирования через металлические контактные кольца, подсоединенные к указанному датчику N1.

Для этого датчик N1 обычно содержит по меньшей мере одну промежуточную металлическую вставку, как правило, по одной для каждого полюса, каждая из которых соединена с контактным кольцом при помощи металлических деталей, выполненных с возможностью обеспечения передачи сигнала в вычислительное устройство регулирования.

В частности, для более подробной информации относительно этой вставки можно указать датчик типа N1, выпускаемый компанией MEGGITT под названием "N1 Speed Probe".

Обычно датчик N1 устанавливают на конструктивную деталь корпуса напротив акустического колеса. Для этого в каждую из вставок устанавливают металлический винт так, чтобы закрепить датчик на корпусе и обеспечить при этом электрическую передачу на контактные кольца.

Однако, поскольку корпус является металлической опорой, датчик N1 необходимо устанавливать на опоре, одновременно электрически изолируя его от этой опоры, чтобы можно было передавать электрический сигнал в вычислительное устройство.

Пример такой сборки показан на фиг. 1а. Как видно из фигуры, известная система крепления содержит винт 3', металлическую фланцевую втулку 40' и изолирующую фланцевую втулку 30', электроизоляционную распорку 32', металлическую шайбу 50', контактное кольцо 60', а также гайку 6'.

Винт 3' вставляют внутрь вставки 10' таким образом, чтобы головка 4' винта доходила до упора во вставку 10'. Затем металлическую фланцевую втулку 40' и электроизоляционную фланцевую втулку 30' последовательно надевают на винт таким образом, чтобы фланцы втулок опирались на вставку.

Затем металлическую опору 20' располагают напротив изолирующей втулки 30', после чего распорку 32', которая является электроизоляционной и механически более гибкой, чем другие детали, и имеет в основном цилиндрическую форму, и металлическую шайбу 50' последовательно устанавливают над металлической опорой 20'. Наконец, на шайбе 50' устанавливают контактное кольцо 60', и гайку 6' завинчивают на конце винта 3' для обеспечения механического удержания всех деталей.

Цилиндрическая часть металлической втулки 40' является достаточно длинной, чтобы разместить на ней одновременно изолирующую втулку 30', металлическую опору 20', изолирующую распорку 32' и металлическую шайбу 50' вдоль цилиндрической части, входящей в контакт с винтом 3', чтобы обеспечивать передачу электрического сигнала от вставки 10' на контактное кольцо 60'. Кроме того, во время затягивания гайки 6' изолирующую втулку 32' с фланцем прижимают металлической шайбой 50', чтобы установить электрический контакт между вставкой 10', металлической фланцевой втулкой 40', металлической шайбой 50' и контактным кольцом 60'.

В этой сборке прохождение электрического сигнала от вставки 10' к контактному кольцу 60' происходит через металлическую втулку 40' и металлическую шайбу 50'. Кроме того, электрическая изоляция основана на использовании изолирующей втулки 30' и изолирующей гибкой распорки 32'.

Однако такую сборку нельзя использовать в двигателе, который во время работы подвергается действию температур от -55 до +160°C и мощных вибраций, связанных с работой двигателя: действительно, эти напряжения деформируют распорку 32' и изолирующую втулку 30', что приводит к появлению большого зазора в сборке, вследствие чего датчик N1 больше не удерживается в заданном положении относительно металлической опоры 20'. Кроме того, полимеры, обычно используемые для втулки 30' и изолирующей распорки 32', например политетрафторэтилен (ПТФЭ) или полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), имеют температуру перехода в стеклообразное состояние, несовместимую с рабочей температурой датчика N1.

В документе GB 2227764 предложена система крепления строительной металлической скобы на металлической опоре с целью ограничения проблем биметаллической коррозии. Скобу крепят на опоре при помощи пальца, вставляемого в гнездо, выполненное в скобе и в опоре. Кроме того, на палец сажают распорку из изолирующего материала, которую располагают между скобой и опорой. Система крепления дополнительно содержит прокладку, устанавливаемую на распорку.

Эта система крепления тоже не приспособлена для использования в двигателе, поскольку большие напряжения (по причине экстремальной вибрационной и термической окружающей среды), действующие на распорку и прокладку, могут привести к появлению большого зазора между опорой и скобой. Действительно, несмотря на использование современных изолирующих материалов, гайка ослабляется, и в этих условиях изолирующие детали деформируются. Вместе с тем, следует отметить, что предложенная в этом документе система крепления не предназначена для работы в такой экстремальной окружающей среде, так как нормальными условиями использования скобы являются условия здания, то есть окружающая температура и несущественные вибрации.

Задача изобретения состоит в создании системы крепления электрического прибора, которая может одновременно обеспечивать механическое удержание электрического прибора на металлической опоре, передавать электрический сигнал, исходящий из электрического прибора, и электрически изолировать электрический прибор от металлической опоры, несмотря на экстремальную окружающую среду вибраций и температур, действующих на прибор во время работы.

Для этого изобретением предложена система крепления электрического прибора на металлической опоре, содержащая:

- палец, выполненный с возможностью прохождения через сквозное гнездо металлической опоры и через металлическую вставку электрического прибора и с возможностью передачи электрического сигнала, и

- средства изоляции металлической опоры, расположенные между металлической опорой и металлической вставкой,

согласно изобретению, система дополнительно содержит средства механического удержания, выполненные с возможностью приложения усилия на средства изоляции, чтобы удерживать их в контакте с металлической опорой и с металлической вставкой.

В частности, в случае системы регулирования двигателя такая система крепления позволяет разделить функции электрической изоляции, механического удержания и затягивания гайки, удерживая средства изоляции в контакте с металлической опорой, независимо от температуры и от вибраций, действующих на сборку. Таким образом, можно избежать возможных деформаций средств изоляции, связанных с температурными перепадами и с вибрациями, действующими на датчик и/или на металлическую опору. Таким образом, обеспечивают электрическую изоляцию датчика по отношению к металлической опоре и его механическое удержание на металлической опоре в нормальных условиях использования датчика, то есть в диапазонах вибраций и температур (до 160°C), которые могут возникать в двигателе, и одновременно обеспечивают передачу электрического сигнала.

Система крепления имеет некоторые следующие предпочтительные, но неограничивающие признаки:

- средства механического удержания содержат:

* опорный элемент, расположенный поперечно к пальцу, и

* упругое средство, расположенное между опорным элементом детали (40) и средствами изоляции и выполненное с возможностью воздействия усилием на средства изоляции,

- упругое средство является по меньшей мере одним из элементов из группы, в которую входят пружина сжатия, распорка,

- опорный элемент является фланцем фланцевой втулки, расположенной между пальцем и сквозным гнездом металлической опоры,

- опорный элемент является фланцем, выполненным в виде единой детали вместе с пальцем,

- система крепления дополнительно содержит прокладку, расположенную между опорным элементом и металлической вставкой вдоль пальца и выполненную с возможностью удержания опорного элемента и металлической вставки на минимальном расстоянии, соответствующем длине указанной прокладки,

- средства изоляции содержат:

* первую изолирующую шайбу, надетую на палец между металлической опорой и металлической вставкой, и

* вторую изолирующую шайбу, надетую на палец между металлической опорой и опорным элементом и выполненную с возможностью восприятия усилия, создаваемого упругим средством,

- прокладка расположена между пальцем и средствами изоляции таким образом, чтобы препятствовать передаче на указанные средства изоляции усилий, которыми действует металлическая вставка на опорный элемент, и наоборот,

- средства изоляции дополнительно содержат изолирующую трубку, надетую на палец и отделяющую металлическую опору от опорного элемента,

- первая и вторая изолирующие шайбы и/или изолирующая трубка выполнены из полиэфиримида,

- система крепления дополнительно содержит металлическую шайбу, надетую на палец и расположенную между первой изолирующей шайбой и вставкой, и

- система крепления дополнительно содержит контактное кольцо, надетое на палец и входящее в прямой контакт с промежуточной вставкой со стороны, противоположной средствам изоляции. Это позволяет уменьшить число контактных поверхностей для передачи электрического сигнала от металлической вставки в вычислительное устройство регулирования.

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1а показан пример известной системы крепления электрического прибора типа датчика N1 на металлической опоре;

на фиг. 1b показан пример электрического прибора, который можно крепить при помощи заявленной системы крепления, вид в изометрии с частичным разрезом;

на фиг. 2а-2с показан пример крепления индуктивного датчика на металлической опоре системы регулирования в соответствии с изобретением.

Описанное ниже изобретение представлено в рамках системы регулирования S двигателя М, например авиационного двигателя М, содержащей индуктивный датчик 1 типа датчика N1, закрепленный на корпусе 20 двигателя, в которой электрический сигнал передается от индуктивного датчика 1 в вычислительное устройство 2 системы регулирования S. Однако этот пример не является ограничительным, и заявленную систему крепления можно применять для любого типа электрического прибора, содержащего систему передачи электрического сигнала (датчик, привод, генератор и т.д.), который необходимо изолировать электрически от металлического основания (опоры), на котором его крепят и который выполнен с возможностью передачи электрического сигнала в другой электрический прибор, например в систему обработки этого сигнала.

Кроме того, под нормальными условиями использования следует понимать, в частности, температуры и усилия, которые могут действовать на этот электрический прибор. В представленном примере речь идет о температурах и вибрациях, которые могут действовать на датчик во время его использования в системе регулирования S двигателя М, при этом температуры могут составлять от -55 до +160°C.

На фиг. 2 показан датчик 1, закрепленный на металлической конструктивной детали 20 корпуса двигателя М через промежуточную вставку 10 при помощи системы 5 крепления, которая обеспечивает также его электрическую изоляцию от металлической опоры 20. Для этого система 5 крепления содержит средства 30, 32, 34 изоляции и средства 40, 42 механического удержания, которые прижимают средства 30, 32 изоляции к металлической опоре 20, чтобы удерживать их в контакте с металлической опорой 20 в любой момент в нормальных условиях использования датчика 1.

Датчик 1 может содержать две идентичные промежуточные металлические вставки 10, как показано на фиг. 1b, для образования диполя с целью обеспечения прохождения электрического тока. Каждую вставку 10 можно при этом закрепить на металлической опоре 20 при помощи заявленной системы 5 крепления, что делает сборку более надежной.

Каждая вставка 10 содержит, в частности, гнездо 11, выполненное с возможностью установки в нем крепежного пальца 3 системы 5 крепления. Например, гнездо 11 может иметь в основном цилиндрическую форму. В данном случае функцией вставки 10 является передача электрического сигнала, генерируемого датчиком 1, в вычислительное устройство 2 системы регулирования S через контактные кольца 60 и обеспечение крепления и механического удержания датчика 1. Для этого ее, как известно, выполняют из металлического материала, например, из нержавеющей стали.

Металлическая опора 20 содержит сквозное гнездо 21, в которое тоже заходит крепежный палец 3. Кроме того, внутренние размеры гнезда 21 металлической опоры 20 больше, чем наружный диаметр пальца 3, что позволяет вставлять промежуточные детали между металлической опорой 20 и пальцем 3.

В частности, металлическая опора 20 отделена от металлической вставки 10 средствами 30, 32, 34 изоляции.

Средства изоляции системы 5 крепления могут содержать две изолирующие шайбы 30, 32, расположенные с двух сторон от металлической опоры 20, и изолирующую трубку 34, расположенную между пальцем 3 и металлической опорой 20. Изолирующие шайбы 30, 32 и изолирующая трубка 34 предпочтительно плотно посажены на палец 3.

В этом варианте осуществления первую изолирующую шайбу 30 можно расположить на нижней поверхности металлической опоры 20 напротив металлической вставки 10, тогда как вторую изолирующую шайбу 32 можно расположить на противоположной поверхности металлической опоры 20, называемой верхней поверхностью. Предпочтительно изолирующие шайбы 30, 32 выполнены из материала, имеющего хорошие механические характеристики в условиях работы датчика 1 и в то же время обеспечивающего хорошую электрическую изоляцию при невысокой стоимости. Например, изолирующие шайбы 30, 32 можно выполнить из полиэфиримида (ПЭИ).

Механическую прочность изолирующих шайб 30, 32 можно повысить, добавляя в ПЭИ наполнитель из стекловолокон. Например, изолирующие шайбы 30, 32 можно выполнить из материала типа ULTEM® 2400 или ULTEM® 2410, который включает в себя ПЭИ и 40% наполнителя из стекловолокон.

Изолирующая трубка 34 может иметь форму, соответствующую форме пальца 3, и выполнена с возможностью электрической изоляции металлической опоры 20 от пальца 3. Ее можно выполнить из любого электроизоляционного материала, способного выдерживать температуру, при которой работает датчик 1. Например, изолирующую трубку 34 можно выполнить из ПТФЭ. Кроме того, размеры изолирующей трубки 34 определяют таким образом, чтобы она входила в контакт с пальцем 3, опиралась на внутреннюю поверхность гнезда 21 металлической опоры 20 и полностью или частично проходила через шайбы 30, 32. В данном случае изолирующая трубка 34 выступает, например, за пределы гнезда 21 и частично заходит в шайбы 30 и 32.

Кроме того, как показано на фигурах, размеры шайб 30, 32 можно выбрать таким образом, чтобы оставить зазор между ними и изолирующей трубкой 34, чтобы не передавать на нее механические напряжения в условиях использования. Для этого длина изолирующей трубки 34 может, например, иметь среднее значение между толщиной металлической опоры 20 и толщиной узла, образованного металлической опорой 20 и двумя шайбами 30, 32, при наружном диаметре, не превышающем внутренний диаметр шайб 30, 32. Кроме того, на уровне своей стороны напротив изолирующей трубки 34 вторая изолирующая шайба 32 может содержать кольцевой паз 33, чтобы гарантировать, что лишь незначительная часть действующих на нее напряжений может дойти до изолирующей трубки 34.

Средства механического удержания системы 5 крепления могут, в частности, содержать опорный элемент 41, установленный на пальце 3 и выполненный поперечно к пальцу 3, и упругое средство 42, расположенное между опорным элементом 41 и второй изолирующей шайбой 32 и выполненное с возможностью опираться на опорный элемент 41, чтобы действовать усилием на средства изоляции (в частности, на первую изолирующую шайбу 30). В случае необходимости, система 5 крепления может дополнительно содержать заплечик 4, выполненный с возможностью фиксирования опорного элемента 41 в неподвижном положении относительно пальца 3. Для этого заплечик 4 выполнен поперечно к пальцу 3, образуя упор для установки на нем опорного элемента 4.

Согласно первому варианту осуществления (фиг. 2а), палец 3 является винтом. Тело винта 3 вставлено в гнездо 21 металлической опоры 20 и в металлическую вставку 10, и на нем установлены средства 30, 32, 34 изоляции, а также средства 41, 42 механического удержания, тогда как внутренняя поверхность головки винта 3 образует заплечик 4 системы 5 крепления, в который упирается опорный элемент 41.

Согласно второму варианту осуществления (фиг. 2b), палец 3 является резьбовым стержнем, выполненным с возможностью установки на нем гайки 7. Заплечик 4 системы 5 крепления может быть поперечным фланцем, выполненным в виде единой детали с резьбовым стержнем 3 на уровне его конца, и опорный элемент 41 может быть фланцем 41а фланцевой втулки 40 (фиг. 2а и 2b).

Фланцевую втулку 40 плотно сажают на палец 3 таким образом, чтобы ее фланец 41а упирался в заплечик 4, и на нее вдоль ее цилиндрической части 41b устанавливают изолирующие шайбы 30, 32, изолирующую трубку 34 и металлическую опору 20. Иначе говоря, гнездо 21 металлической опоры 20 отделено, с одной стороны, от пальца 3 втулкой 40 и изолирующей трубкой 34 и, с другой стороны, от заплечика фланцем 41а и второй изолирующей шайбой 32.

В варианте, опорный элемент 41 может быть фланцем 41с, выполненным в виде единой детали заодно с пальцем 3 (фиг. 2с). При этом система 5 крепления не имеет заплечика 4, поскольку опорный элемент 41 уже сам по себе является неподвижным относительно пальца 3. Чтобы гарантировать контакт между пальцем 3 и изолирующей трубкой 34, а также прохождение электрического сигнала, палец 3 может иметь локальное утолщение 41d, выполненное, начиная от фланца 41с, по длине, по существу равной толщине шайбы 302 и изолирующей трубки 34. В альтернативном варианте (на фигурах не показан) палец 3 не имеет такого утолщения и имеет постоянный диаметр до фланца 41 с, при этом на палец 3 посажена втулка, чтобы обеспечивать прохождение сигнала и механический контакт с изолирующей трубкой 34.

В этом варианте осуществления палец 3 может быть выполнен в виде резьбового стержня.

Что касается упругого средства 42, то оно посажено на палец 3 между опорным элементом 41 и второй изолирующей шайбой 32, чтобы действовать напряжением сжатия на первую изолирующую шайбу 32. В случае фланцевой втулки 40 упругое средство 42 посажено на тело 41b втулки 40, тогда как в случае фланца 41с, выполненного заодно с пальцем 3, упругое средство 42 посажено непосредственно на палец 3.

Понятно, что это напряжение сжатия передается через вторую изолирующую шайбу 32 на нижележащие детали сборки, то есть, в частности, на металлическую опору 20, на первую изолирующую шайбу 30, а также на металлическую вставку 10, что обеспечивает механическое удержание датчика 1 на металлической опоре 20, несмотря на вибрации и температурные колебания, действующие на сборку. Действительно, поскольку упругое средство действует усилием давления на вторую изолирующую шайбу 32, любую возможную деформацию изолирующих средств 30, 32, 34, связанную с вибрациями в условиях окружающей среды датчика, компенсирует упругость упругого средства 42.

Упругое средство 42 может быть выполнено, например, в виде пружины сжатия, такой как геликоидальная пружина, шайбы Бельвилля, шайбы Смолли и т.д. Жесткость пружины 42 рассчитывают при этом в зависимости от расстояния, отделяющего опорный элемент 41 от шайбы 32, чтобы обеспечивать сопротивление напряжениям обычных вибраций, действующих со стороны металлической опоры 20, причем независимо от момента затягивания системы 5 крепления. Действительно, момент затягивания гаек не передается ни на пружину 42, ни на средства 30, 32, 34 изоляции, благодаря наличию либо цилиндрической части 41b фланцевой втулки (фиг. 2а, 2b), либо утолщения 41d пальца 3 (фиг. 2с), в зависимости от варианта осуществления, которые выполняют роль прокладки, позволяющей сохранять минимальное расстояние между опорным элементом 41 и металлической вставкой 10, соответствующее длине указанной прокладки. Действительно, понятно, что любое усилие затягивания, прикладываемое к системе 5 крепления, передается от гайки 6 на металлическую вставку 10, затем на прокладку 41b, 41d и, наконец, на опорный элемент 41а, 41с, не проходя через средства 30, 342, 34 изоляции.

Следовательно, средства 30, 342, 34 изоляции подвергаются напряжению только со стороны упругого средства 42, и усилие, действующее в любой момент на средства 30, 342, 34 изоляции, можно точно и независимо контролировать за счет соответствующего определения параметров пружины 42 и ее сжатия в зависимости от расстояния между опорным элементом 41 и шайбой 32.

Таким образом, существуют два независимых пути прохождения усилий: первый путь создается при затягивании системы 5 крепления на металлической опоре 20 со стандартным моментом при помощи гайки 6; второй путь усилий связан со сжатием средств 30, 342, 34 изоляции и создается только при помощи пружины 42.

Таким образом, при жесткости порядка 25 Н/мм упругое средство 42 может выдерживать диапазоны ускорения (вибрации) до 160 G при массе прибора 40 г при любом моменте затягивания гаек на пальце 3.

Согласно варианту осуществления, опорный элемент 41 дополнительно содержит заплечик 43, находящийся вблизи изолирующей трубки 34. При этом упругое средство 42 опирается только на опорный элемент 41, поэтому ни заплечик 43, ни изолирующая трубка 34 не подвергаются действию сильных напряжений. Следовательно, изолирующая трубка 34 меньше подвержена деформации, несмотря на ее материал (пластический материал) и на экстремальную окружающую среду, в которой она находится.

Факультативно образованный таким образом узел может дополнительно содержатьметаллическую шайбу 50, установленную между средствами 30, 342, 34 изоляции и металлической вставкой 10. В описанном выше варианте осуществления металлическая шайба 50 одновременно образует опору для первой изолирующей шайбы 30 и металлической вставки 10 и может выполнять роль регулировочной прокладки для обеспечения точной сборки деталей на пальце 3 и регулировки рабочего зазора датчика 1с турбокомпрессором, скорость вращения которого необходимо определять. В случае необходимости, внутренний диаметр металлической шайбы 50 позволяет обеспечивать зазор во время установки металлической шайбы 50 на пальце 3, чтобы улучшить регулировку положения датчика 1.

Наконец, на палец 3 сажают контактное кольцо 60, которое электрически соединено с металлической вставкой 10 и принимает электрический сигнал, передаваемый датчиком 1, и весь узел удерживается в положении за счет затягивания гайки 6 на пальце 3.

Для этого контактное кольцо 3 можно выполнить из электропроводящего материала, такого как металл, и можно расположить в положении упора в опорный элемент 41 таким образом, чтобы электрический сигнал проходил от металлической вставки 10 к контактному кольцу 60 через палец 3 и, в случае необходимости, через металлическую втулку 41b и/или металлическую шайбу 50. Затем палец 3 закрывают при помощи гайки 7 и/или гайки 6, которую затягивают, чтобы обеспечить механическое удержание узла и приложение усилия сжатия со стороны упругого средства 42.

В варианте, как показано на фиг. 2а, контактное кольцо 60 может быть установлено в прямом контакте с металлической вставкой 10 на уровне ее нижней стороны, противоположной средствам изоляции, в частности, благодаря специальному расположению средств 30, 342, 34 изоляции и средств 40, 42 механического удержания по отношению к вставке 10. Эта сборка позволяет уменьшить число контактных поверхностей для передачи электрического сигнала на контактное кольцо 60 и, следовательно, потери от эффекта Джоуля, а также возможные прерывания сигнала. При этом палец 3 необходимо перевернуть по сравнению с известным решением с целью облегчения установки контактного кольца 60 таким образом, чтобы заплечик 4 оказался вблизи опорного элемента 41. Затем на контактном кольце 60 завинчивают гайки 6 и/или 7. Действительно, узел, образованный металлической ставкой 10, датчиком 1, средствами изоляции, металлической опорой 20, средствами 41, 42 механического удержания и, в случае необходимости, металлической шайбой 50, устанавливают до установки контактного кольца 60, поэтому переворачивание пальца 3 позволяет сделать нижнюю сторону вставки 10 доступной для посадки контактного кольца 60 и затягивания гайки 6.

Чтобы обеспечить достаточное механическое удержание без повреждения средств 30, 342, 34 изоляции, металлическую шайбу 50 выбирают таким образом, чтобы она могла выдерживать стандартное затягивание гайки 6 на пальце 3, которое может составлять около 3.5 Н.м (для пальца 3, имеющего диаметр порядка 4.82 мм). Так, металлическую шайбу 50 можно, в частности, выполнить из металлического материала типа нержавеющей стали. В случае необходимости, когда сборку осуществляют с фланцевой втулкой 40, ее тоже можно выполнить из металлического материала типа нержавеющей стали, в частности, в ее цилиндрической зоне 4lb, входящей в контакт с пальцем 3.

Полученный таким образом узел позволяет избегать повреждения средств электрической изоляции во время затягивания со стандартным моментом, при этом усилия затягивания передаются только на металлические детали (то есть на контактное кольцо 60, вставку 10, шайбу 50 и фланцевую втулку 40), что обеспечивает тесный контакт между металлической вставкой 10 и контактным кольцом 60.