Drehmoment-Mess einrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung des zwischen einem ersten und zweiten rotierenden Drehorgan auftretenden Drehmomentes, wobei diese durch ein drittes Drehorgan derart miteinander verbunden sind, dass ein Drehmoment übertragbar ist.
Das Messen von Drehmomenten an sich drehenden Rädern ist schwierig, da es während der Rotation dieser Räder gemessen werden muss und anderseits die Messinstrumente stationär bleiben müssen, um beobachtet werden zu können. Es wurden zwar bereits verschiedene Vorschläge gemacht zur Messung solcher Drehmomente. Die meisten basieren auf dem Prinzip der Verwindung einer Welle. Durch die Messeinrichtung wurde dann das Ausmass der Verwindung festgestellt und daraus auf das Drehmoment geschlossen. Nachteilig war dabei, dass Schleifringe notwendig waren, um die elektrischen Signale auf die stationären Messinstrumente zu übertragen. Andere Drehmoment-Messeinrichtungen basierten auf dem Prinzip von hydraulischen Drucksignalen, welche sich in Abhängigkeit von Torsionsund andere Messungen änderten, in Abhängigkeit des jeweils übertragenen Drehmomentes.
Die erwähnten Einrichtungen waren jedoch ebenfalls mit Nachteilen behaftet, insbesondere bei wechselnden Temperaturen, bei Vibrationen, ferner indem nur schwache Signale erzeugt wurden und Schleifringprobleme entstanden. Mit der Erfindung sollen diese Probleme behoben werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Drehorgan drehbar auf einer stationären seitlich abgestützten Welle sitzt, welche einer Durchbiegung, herrührend vom übertragenen Drehmoment, ausgesetzt ist und bei der Welle Messorgane vorhanden sind, welche die Durchbiegung messen und damit ein Mass für das zwischen dem ersten und zweiten Drehorgan übertragene Drehmoment ergeben.
Dadurch gelingt es, Drehmomente an sich drehenden Getrieben und dergleichen zu messen, ohne dass Torsionskräfte zu bestimmen sind, wobei zudem Messorgane stationär angeordnet werden können. in der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt:
Fig. 1 zeigt schematisch eine Drehmomentmesseinrichtung zusammen mit einem Zahnradgetriebe,
Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Zahnradgetriebe nach der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ist ein vereinfachtes Schema für eine Brückenschaltung zur Anwendung bei der erfindungsgemässen Messeinrichtung,
Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante zusammen mit einem Friktionsgetriebe,
Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsvariante zusammen mit einem Kegelradgetriebe.
Die Messeinrichtung macht die Verwendung eines Zwischenrades notwendig, welches zwei drehende Räder kraftübertragungsmässig verbindet. Dieses Zwischenrad dreht sich um eine feste Achse, welche durchgebogen wird. Die Durchbiegung, welche durch ein Drehungs- oder Materialspannungsmessorgan festgestellt wird, ist dabei eine Funktion der tangentialen Kräfte, welche auf das Zwischenrad einwirken.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ist ein treibendes Zahnrad 1 vorhanden, welches ein Zahnrad 2 antreibt. Zwischen diesen beiden Zahnrädern befindet sich ein Zwischenrad 3, welches ebenfalls als Zahnrad ausgebildet ist und mit den Zahnrädern 1 und 2 kämmt. Das Zwischenrad befindet sich auf einer hohlen Welle 4, die stationär gelagert ist, wobei zwischen dem Zwischenrad und der Welle 4 ein Wälzlager 5 angeordnet ist. Ein Dehnungsmessstreifen 6 oder ein anderes geeignetes Messorgan befindet sich auf der Welle 4 zur Messung der Durchbiegung, und zwar in einer Richtung senkrecht auf eine die Achsen der Räder 1 und 2 verbindende Ebene.
In Fig. 2 sind Details dieser Anordnung ersichtlich. Die Zahnräder 1 und 2 sind mit einer Pfeilverzahnung versehen, wobei jedes der Zahnräder 1 und 2 zwei Zahnsätze la, lb und 2a, 2b aufweist.
Das Zwischenrad 3 hat ebenfalls entsprechende Zahnsätze 3a, 3b. Die Nadeln 7 und 8 eines Nadellagers ragen über einen wesentlichen Teil der axialen Länge des Zwischenrades 3, welches sich somit um die stationäre Hohlwelle 4 drehen kann. Die Nadellager 7 und 8 dienen dazu, die auftretenden Kräfte im wesentlichen über die ganze Länge der Welle 4 zu übertragen, so dass die Belastung derselben weitgehend gleichmässig ist. Anstelle von Nadellagern wäre auch die Verwendung anderer Lager möglich, welche eine möglichst gleichmässige Belastung der Welle 4 ergeben.
Die Welle 4 wird seitlich durch Supporte 9 und 10 abgestützt, wobei Ölzufuhröffnungen 9a, 1 Oa zur Schmierung der Nadellager vorhanden sind. Die Schmiermittel treten dabei durch Öffnungen 4a, 4b der Welle 4 hindurch. Die Welle 4 wirkt somit als beidseitig eingespannter oder abgestützter Träger, wobei die Durchbiegung nach den bekannten Gesetzen erfolgt. Da im mittleren Teil der Welle 4 keine Kraft angreift, wird dieser Teil 4c in der Weise geschwächt, dass bei Auftreten einer Belastung auf diese Welle 4 über die Nadeln 7 und 8, die Welle so durchgebogen wird, wie wenn es sich um eine Welle mit gleichmässiger Belastung über ihre ganze Länge handeln würde. Die Durchbiegung kann somit unter Berücksichtigung des verwendeten Materials und der gewählten Dimensionen bei gegebenen Lasten vorbestimmt werden.
Das Messorgan 6 ist an eine temperaturkompensierte Messbrücke angeschlossen, und befindet sich nahe an der Stelle der grössten Ausbiegung. Derartige Messorgane und Methoden zur Befestigung sind an sich bekannt, weshalb es sich erübrigt, nähere Details zu beschreiben. Anstelle eines Dehnungsmessorgans könnte auch eine Präzisionsmessuhr oder ein Messtaster verwendet werden. Ein isolierter elektrischer Leiter 11 verbindet das Messorgan 6 mit einem elektrischen Anschlussstecker, der sich auf dem stationären Flansch 13 befindet.
Das Anschlussschema für das Messorgan ist in Fig.
3 dargestellt. Die Anschlussdrähte sind dabei mit A, B, C bezeichnet. Eine geeichte Eingangsmessspannung wird an die Drähte B, D angelegt. Ein Gleichstrom fliesst nun durch parallele Strompfade der Brücke, wobei der erste Pfad aus den Brückenwiderständen 14 und 15 und der zweite Pfad aus den Brückenwiderständen 16 und 17 besteht. Die Widerstände 1P17 sind so angeordnet, dass gegen überliegende Zweige der Brücke im gleichen Sinne wirksam sind bei einer Durchbiegung. Weitere Widerstände 18 und 19 sind an den Eckpunkten der Brücke zwischen den Widerständen 14, 15 und 16, 17 angebracht und am andern Ende mit den Leitern A, C verbunden. Die Widerstände 18, 19 dienen dazu, das Elastizitätsmodul der Welle 4 einzustellen bzw. zu berücksichtigen. Die Messwerte werden von den Leitern A und C abgenommen und auf ein geeignetes Messinstrument (nicht dargestellt) geführt.
Die Brückenschaltung gemäss Fig. 3 ist an sich bekannt und wird für viele andere Zwecke verwendet, so dass Details und die dafür verwendeten Materialien hier nicht beschrieben sind. Da sich Temperaturänderungen auf alle Widerstände 14-19 gleichmässig auswirken und da ferner die Brücke symmetrisch angeordnet ist, ist sie automatisch temperaturkompensiert.
Beim Betrieb der Ausführungsform gemäss Fig. 1 drehen sich die Räder 1, 2 und 3 in der durch die Pfeile angegebenen Richtung. Das treibende Zahnrad 1 erzeugt eine Tangentialkraft auf die Zähne des Zwischenrades 3, welche durch den Vektor 20 dargestellt ist. Eine gleiche, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kraft, welche durch den Vektor 21 dargestellt wird, wird beim Zahnrad 1 erzeugt (diese Tangentialkräfte wirken auf dem Teilkreisdurchmesser; aus Gründen der zeichnerischen Klarheit sind sie in Fig. 1 etwas versetzt gezeichnet). Das Zahnrad 3 erzeugt eine Tangentialkraft 22 beim Zahnrad 2.
Eine entsprechende tangentiale Reaktionskraft 23 wirkt auf das Zahnrad 3 bei der Eingriffsstelle des Zahnrades 2. Die Tangentialkraft auf das Zahnrad 3, welche durch die Vektoren 20 und 21 repräsentiert sind, sind gleichgerichtet und stehen senkrecht auf der Achse des Zwischenrades 3. Die Summe dieser Vektoren wird durch den Vektor 24 dargestellt, welcher die resultierende Biegekraft darstellt, die auf die Welle 4 einwirkt. Gemäss Fig. 2 ist die Kraft, welche durch den Vektor 24 repräsentiert wird, im wesentlichen als gleichförmig auf dem ganzen Bereich der Hohlwelle anzusehen (die Kraft wirkt hier senkrecht auf die Zeichnungsebene). Diese Welle 4 wirkt sodann als beidseitig fixierter Träger, wobei die grösste Durchbiegung sich in der Mitte dieser Welle 4 befindet, an der Stelle, wo sich das Messorgan 6 befindet.
Das Messorgan 6 könnte selbstverständlich auch an einer diametral gegenüberliegenden Stelle der Hohlwelle liegen, wobei die Wirkung sinngemäss die gleiche ist. Es wäre auch denkbar, dass zwei Messorgane vorhanden sind, wodurch die Möglichkeit von Fehlern verringert wird. Das Messorgan 6 könnte winkelmässig von der dargestellten Lage auch etwas verschoben sein, was jedoch einen etwas verringerten Messausschlag ergibt.
Da die Durchbiegung bei einer gleichmässig belasteten Welle proportional zur Belastung ist, erzeugt das Messorgan 6 eine Anzeige an den Messinstrumenten, welche proportional zur Durchbiegung ist. Diese wiederum ist proportional zur Querkraft, und die Querkraft ist gleich der Summe der Vektoren der Tangentialkräfte am Teilkreis. Dies wiederum gibt ein proportionales Mass für das durch die Zahnräder übertragene Drehmoment.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante des Erfindungsgegenstandes zusammen mit einem Friktionsgetriebe. Ein treibendes Rad 25 treibt über ein Reibrad-Zwischenrad ein angetriebenes Rad 26. Die Reibung zwischen den Rädern 25, 26, 27 dient zur Übertragung der Kräfte. Ein Satz von Kugellagern 28 befindet sich im Zwischenrad auf einer hohlen, starr gelagerten Welle 29. Die Abstützung sowie die Anordnung der Messorgane erfolgen in ähnlicher Weise wie in der erstbeschriebenen Ausführungsvariante.
Auf das Zwischenrad 27 wirkt eine Tangentialkraft 30 ein, welche vom treibenden Rad 25 auf das Zwischenrad 27 ausgeübt wird. Die Reaktionskraft beim Zwischenrad 27, welche auf das getriebene Rad 26 ausgeübt wird, ergibt einen Vektor 31. Die Vektoren 30 und 31 ergeben einen resultierenden Vektor 32. Dieser bewirkt eine Durchbiegung der Welle 29 wie im erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel, und zwar um einen Betrag, welcher proportional zum übertragenen Drehmoment ist. Es ist somit nicht absolut notwendig, dass sich die Achsen aller drei rotierenden Räder in einer gemeinsamen Ebene befinden, wie dies in Fig. 1 der Fall ist.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante zusammen mit einem Kegelradgetriebe. Ein treibendes Rad 33 dreht ein getriebenes Rad 34, wobei die Drehsinne durch Pfeile angedeutet sind. Zwischen diesen beiden Rädern befindet sich ein Zwischenrad 35. Das Zwischenrad 35 sitzt drehbar auf Wälzlagern 36 und wird durch eine starre Hohlwelle 37 abgestützt. Die auf das Zwischenrad 35 einwirkende Tangentialkraft und die entsprechende Reaktionskraft liegen in der Zeichnungsebene und sind durch Kreuze 38 und 39 markiert. Die Welle 37 erfährt somit eine Durchbiegung (in der Zeichnungsebene), und zwar um einen Betrag, welcher proportional zum übertragenen Drehmoment ist. Die grösste Durchbiegung entsteht im Zentrum der Welle 37, an welcher Stelle das Messorgan die Durchbiegung misst.
Da das Messorgan bei dieser beschriebenen Ausführungsform stationär ist, besteht keine Notwendigkeit für Schleifringe, welche elektrische Signale auf die stationären Messinstrumente übertragen.
Ebenfalls besteht keine Notwendigkeit, dass die Messorgane Zentrifugalkräften ausgesetzt sind, wie dies bei den bisher gebräuchlichen Drehmoment-Messorganen notwendig war.
Diese Drehmoment-Messeinrichtung ist temperaturkompensiert, da auf alle Widerstände 1P17 (Fig. 3) die gleiche Temperatur einwirkt. Die Einstellung auf verschiedene Elastizitätsmodule kann in einfacher Weise durch Wahl der Widerstände 18 und 19 durchgeführt werden.
Die Anordnung könnte auch so getroffen werden, dass die Achsen der angetriebenen bzw. treibenden Räder quer zum Zwischenrad verlaufen. Ferner ist die Anwendung nicht auf Zahnradgetriebe begrenzt, sondern kann auch für andere Drehorgane beliebiger Gestalt, welche zur Übertragung von Drehmomenten miteinander verbunden sind, verwendet werden.