Drehmomentmesseinrichtung für rotierende Wellen
Es sind Einrichtungen bekannt zum elektrischen Messen des Drehmomentes, das in einer rotierenden Welle übertragen wird. Solche Einrichtungen sind hinsichtlich der Messmethode und dem Aufbau stark von dem Grössenbereich des Drehmomentes und zum Teil auch von der Drehzahl abhängig. Die Erfindung hat zum Ziel, eine Messeinrichtung für kleinste Drehmomente im Bereich feinmechanischer Apparate und Instrumente zu schaffen.
Es ist bekannt, zum Zweck der Drehmomentmessung eine elektromagnetische Kupplung zwischen zwei in einer Flucht liegende Wellen einzubauen und Magnetpulver als Übertragungsmittel zwischen den mit den Wellenenden fest verbundenen Kupplungsteilen zu verwenden. Bei der Erregung der Kupplung verlaufen die magnetischen Kraftlinien in der Richtung der Drehachse und das Magnetpulver kuppelt dabei die beiden Wellen durch mechanische Reibung. Bei einer solchen Einrichtung wird die elektrische Leitfähigkeit des Magnetpulvers als Indikationsgrösse für das übertragene Drehmoment benützt und aus einem von dieser Indikationsgrösse abhängigen Strom eine Steuergrösse für einen Regelkreis abgeleitet und einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangsstrom die Erregerspule der Kupplung speist.
Der dabei das Magnetpulver durchfliessende Strom kann als Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt werden.
Er ist aber wegen der im Magnetpulver auftretenden Zentrifugalkraft stark von der Drehzahl abhängig und muss einer Stromquelle mit konstanter Spannung entnommen werden.
Es ist auch bekannt, einen Torsionsstab als Kupplung zwischen den beiden fluchtenden Wellen zu verwenden und dessen Verwindung als Mass für das übertragene Drehmoment lichtelektrisch zu messen. Bei einer solchen bekannten Einrichtung sind die Wellenenden je mit einer Scheibe versehen, welche eincn ringsegmentförmigen Ausschnitt aufweist, wobei bei Verwindung des Torsionsstabes die Ausschnitte beider Scheiben sich überlappen und einen periodischen Durchlass für einen Lichtstrom bilden.
Die daraus entstehenden Lichtimpulse werden mittels einer Photozelle in elektrische Impulse umgesetzt und mittels einer Intearationsschaltung zu einem Gleichstrom integriert, der als Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt wird. Bei einer anderen bekannten Einrichtung mit einem Torsionsstab als Übertragungsglied wird für die Indikation der Verwindung ein permanenter Lichtstrom benützt, dessen Lichtmenge in Abhängigkeit vom Drehmoment ändert. Die diesem Lichtstrom ausgesetzten Photowiederstände liegen in einem Zweig einer Brückenschaltung, deren Diagonalstrom als Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt wird.
Diese bekannten Einrichtungen sind geeignet für die Messung von Drehmomenten im Kleinmaschinenbau, aber weder Einrichtungen mit Magnetpulverkupplungen, noch solche mit einer Torsionsstabkupplung sind für die Messung kleinster Drehmomente, die im Bereich feinmechanischer Apparate und Instrumente auftreten geeignet, da bei stetiger Verminderung des Drehmomentes die Störeinflüsse sich konstanten Werten nähern und dadurch im Verhältnis zur Indikationsgrösse steigen und eine beliebige Verminderung des Messbereiches unmöglich machen.
Diesen bekannten Einrichtungen gegenüber betrifft die Erfindung eine Drehmomentmesseinrichtung für rotierende Wellen, mit einer elektromagnetischen Kupplung, einem photoelektrischen Wandler, dessen elektrisches Signal vom Torsionswinkel abhängig ist und einem Regelkreis, der die Erregung der elektromagnetischen Kupplung in Abhängigkeit vom Torsionswinkelsignal steuert, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektromagnetische Kupplung ein Drehmoment durch in einem Luftspalt-Magnetfeld auftretende Feldkräfte überträgt, und dass dem photoelektrischen Wandler ein permanenter, vom Torsionswinkel abhängiger Lichstrom zugeführt wird, wobei optische Mittel angeordnet sind, welche das von einer Lichtquelle ausgestrahlte Licht zu einem mehrere Löcher einer Lochscheibe durchsetzenden Lichtfluss sammeln, dieser Lichtfluss durch weitere Mittel in Abhängigkeit vom Torsionswinkel verändert,
den photoelektrischen Wandler beaufschlagt, wobei dessen Ausgangsstrom zur Erregung der Kupplung benützt wird und im Erregerstromkreis ein Messinstrument liegt, welches den Erregerstrom als Mass für das übertragene Drehmoment anzeigt.
Für Einrichtungen zur Messung kleinster Drehmomente ist es zweckmässig, die elektromagnetische Kupplung mit einem U-Magnet oder einem Topfmagnet zu versehen, wodurch eine relativ flache Drehmoment-Torsionswinkel-Charakteristik erreicht werden kann. Zur Erhöhung des Messbereiches kann die elektromagnetische Luftspalt-Kupplung mit einem Torsionsstab versehen werden, wobei vorteilhafterweise der Torsionsstab zur Änderung des Messbereiches auswechselbar ist. Zur Änderung des Messbereiches kann aber auch die Erregerspule der Kupplung mit Wicklungsanzapfungen oder mit mehreren getrennten Wicklungen für Parallel- oder Serieschaltung versehen sein.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, insbesondere bei Verwendung eines die magnetische Luftspaltkupplung überbrückenden Torsionsstabes, die Kupplung so zu gestalten, dass die magnetischen Kraftlinien im Luftspalt tangential zur Rotationsachse verlaufen, wobei dann die den Luftspalt begrenzenden Pole als Anschläge bei Überlastung dienen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Messeinrichtung in schematischer Darstellung für kleinste Drehmomente mit einer elektromagnetischen Kupplung mit einem U-Magnet.
Fig. 2 eine Lochscheibe für die Verwindungsindikation aus Fig. 1,
Fig. 3 eine elektromagnetische Kupplung mit im Luftspalt tangential zur Rotationsachse verlaufenden Kraftlinien und einem Torsionsstab,
Fig. 4 ein Querschnitt durch die Kupplung nach der Linie III-III in Fig. 3,
Fig. 5 ein Seitenriss zu Fig. 3,
Fig. 6 eine Drehmomentmesseinrichtung mit Parabolspiegeln und Reibradantrieb für erhöhte Gleichförmigkeit der Rotation.
Im Ausführungsbeispiel gernäss Fig. 1 sind zwei in Flucht liegende Wellen 11, 12 in Lagern 13, 14 drehbar gelagert. Die beiden Wellen, deren Enden in Abstand voneinander liegen, sind durch eine elektromagnetische Kupplung miteinander gekuppelt. Diese Kupplung hat einen am Ende der Welle 11 sitzenden U-förmigen Permanentmagnet 15 mit zur Rotationsachse parallelen Schenkeln, zwischen welchen sich eine am Ende der andern Welle 12 befestigte Drehspule 16 befindet. Diese hat eine rähmchenförmige Wicklung, deren beide Enden über richtkraftlose Stromzuführungen 17, 18 mit zwei Schleifringen 19, 20 verbunden sind, denen der Erregerstrom mittels Bürsten 21, 22 zugeführt wird. Innerhalb der Drehspule ist ein Eisenkern 23 angeordnet.
Die Drehspule kann sich um einen kleinen Winkel, der durch nicht dargestellte Anschläge begrenzt ist, im Luftspalt zwischen den Magnetschenkeln und dem Kern drehen. Wenn ein Erregerstrom durch die Drehspule fliesst, besteht ein Drehmoment zwischen den beiden Wellen 11, 12, das zur Messung eines durch die Wellen zu übertragenden Drehmomentes benützt werden kann, indem das Luftspalt Magnetfeld das Drehmoment überträgt und der Torsionswinkel gemessen, oder ein von diesem abhängiges Torsionswinkelsignal gebildet wird. Zu diesem Zweck sind zwei gleiche Lochscheiben 24, 25 mit auf einem Kreis liegenden Löchern 26 angeordnet, wobei die Lochscheibe 24 fest auf der Welle 11 und die Lochscheibe 25 fest auf der Welle 12 sitzt.
Von einer Glühlampe 27 ausgestrahltes Licht wird durch eine Linse 28 zu einem parallel strahliaen Lichtfluss 29 gesammelt, welcher dauernd mehrere Löcher 26, in Fig. 1 sind es drei, gleichzeitig durchflutet. Der von den beiden Scheiben durchgelassene Lichtfluss 30 wird von einer Linse 31 auf eine Photozelle 32 gesammelt und von dieser in einen Gleichstrom 33 umgesetzt, der einen Verstärker 34 steuert. Der Ausgangsstrom 35 des Verstärkers wird über die Bürsten 21, 22 und die Schleifringe 19, 20 der Drehspule 16 als Erregerstrom zugeführt. Das elektromagnetische Drehmoment in der Kupplung ist mit dem auf die Wellen 11, 12 wirkenden mechanischen Drehmoment im Gleichgewicht, wenn die Relativlage der beiden Lochscheiben gegeneinander stabil ist. Der Erregerstrom 35 ist dann ein Mass für das Drehmoment.
Er wird mit einem Messinstrument 36 gemessen und kann direkt in Einheiten des Drehmomentes angezeigt werden.
In der in Fig. 1 dargestellten Lage der Lochscheiben decken sich die Löcher und lassen den maximalen Lichtfluss durch, der den maximalen Steuerstrom und den maximalen Erregerstrom zur Folge hat. Wenn sich die beiden Lochscheiben um einen Winkel y, der dem Scheibenwinkel des Lochdurchmessers entspricht, (Fig. 2) gegeneinander verdrehen, so sinkt der Lichtfluss auf den Wert Null, indem kein Licht mehr durchgeht. Dann sinken auch der Steuerstrom, der Erregerstrom und das Kupplungs-Drehmoment auf den Wert Null. Der Arbeitswinkel liegt daher immer innerhalb des Winkels y. Wenn deshalb die Löcher 26 klein gemacht werden, kann eine sehr steile Regelcharakteristik erreicht werden.
Durch Einbauen einer Gegenspannungsquelle 37 in den Erregerstromkreis kann der Drehmoment-Nullpunkt innerhalb des Winkels y gelegt werden, was vorteilhaft oder erforderlich sein kann, wenn das auf die Wellen wirkende Drehmoment von treibend auf bremsend wechseln kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind zwei in einer Flucht liegenden Wellen 40, 41 durch eine elektromagnetische Kupplung verbunden, welche zusätzlich mit einem die Wellenenden verbindenden Torsionsstab 42 überbrückt ist. ¯Die Welle 40 hat an ihrem Ende eine flanschförmige Verdickung 43, von deren Stirnseite vier Pole 44 mit in Axialebenen liegenden Polflächen abstehen. Diesen stehen, je einen Luftspalt bildend, Polflächen eines vierarmigen Ankers 45 gegenüber. Dieser Anker hat in einer Nabe 46 ein Vierkantloch und sitzt damit auf einem Vierkant 47 der Welle 42. Die Nabe 46 bildet mit dem Ende der Welle 40 einen Luftspalt und ist gegen dieses Wellenende mit einem Kugellager 48 abgestützt.
Eine ringförmige Erregerwicklung 49 ist in eine Ringnut in der flanschförmigen Verdickung 43 eingebettet. Ihre Wicklungsenden sind mit zwei Schleifringen 50, 51 verbunden, denen über Bürsten 52, 53 der Erregerstrom zugeführt wird. Der Erregerstrom wird analog in einem Regelkreis gebildet, wie für Fig. 1 beschrieben. In dieser elektromagnetischen Kupplung verlaufen die magnetischen Kraftlinien in den vier Luftspälten an den Ankerarmen tangential zur Rotationsachse.
In dieser Anordnung ist die magnetische Kupplung der beiden Wellen bei gleichstarker elektrischer Erregung wesentlich stärker als im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und kann durch den Torsionsstab 42 noch verstärkt werden. Dieser Torsionsstab ist lösbar und auswechselbar eingesetzt und sitzt zu diesem Zweck mit einem zylindrischen Zapfen 54 in einer Führungsbohrung in der hohlen Welle 40 und mit einem Vierkant 55 in der Ankernabe 46. Der Torsionsstab ist mittels eines Stiftes 56 wahlweise fixierbar oder durch dessen Entfernen ausschaltbar. Es können auch in der Drehrichtung mehrere Stiftlöcher angeordnet werden, wodurch ermöglicht wird, den Torsionsstab bei verschieden grossen Luftspälten einzusetzen.
Die magnetische Kupplung ist mit einer Haube 57 verschlossen, die fest auf dem Flanschteil 43 sitzt und mit Gleitsitz auf der Ankernabe 46 abgestützt ist. Der von der Haube abgegrenzte Raum kann mit einer Dämpfüngsflüssigkeit gefüllt sein, welche störende Resonanzschwingungen der Magnetpole vermindern kann. In geringem Abstand von der Stirnfläche der Haube sitzt fest auf der Welle 41 eine Lochscheibe 58 mit sektorförmigen Löchern 59. Die Lochscheibe hat eine matte schwarze Oberfläche um kein Licht zu reflektieren. Die Stirnfläche der Haube 57 ist mit den Löchern 59 konformen Reflexflächen 60 auf nicht reflektierendem Grund versehen. Von einer Glühlampe 61 ausgestrahltes Licht wird durch eine Linse 62 zu einem parallelstrahligen, durch eine Blende 63 begrenzten Lichtstrom gesammelt, der mittels eines Spiegels 64 auf ein Feld 65 der Lochscheibe reflektiert wird.
Das durch mehrere Löcher gleichzeitig durchtretende Licht wird von den Reflexflächen durch die Löcher zurück auf eine Photozelle 66 geworfen. Dieser permanente Lichtfluss ist ein Mass für die Verwindung durch das Drehmoment. Um aus einer allfälligen Exzentrizität der Löcher und Reflexflächen resultierende Schwankungen des Lichtflusses zu eliminieren, ist es vorteilhaft, zwei diametral angeordnete Lichtflüsse mit zwei elektrisch parallelgeschalteten Photozellen 66, 67 zu benützen.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 ist hinsichtlich der magnetischen Kupplung zwischen den beiden Wellen 70, 71, die in Lagern 72, 73 laufen, ähnlich gebaut wie in Fig. 1. Der Permanentmagnet 74, der fest auf der Welle 70 sitzt, besteht aus hochkoerzitivem Material, das topfförmig gepresst und in einer Axialebene magnetisiert ist. Koaxial in diesem Magnettopf sitzt fest ein zylindrischer Eisenkern 75 mit einem Zapfenlager für die Welle 71. Im Luftspalt ist die Erregerspule 76 angeordnet, die in einem topfförmigen Targkörper 77 eingegossen ist, der fest auf der Welle 71 sitzt. Die Spule 76 ist durch eine Anzapfung in zwei Wicklungen unterteilt und an drei Schleifringe 78, 79, 80 angeschlossen, so dass wahlweise der eine oder andere Wicklungsteil einzeln, oder beide parallel oder in Reihe vom Erregerstrom durchflossen werden können.
Die Schleifringe könnten auch auf der Welle 71 angebracht werden. Es sind nahe beieinander zwei Lochscheiben 81, 82 angeordnet, wobei die Scheibe 81 auf der Stirnseite des Magnettopfes 74 sitzt und im Zentrum ausgeschnitten ist zum Einsetzen des Spulenkörpers 77. Die Scheibe 82 sitzt fest auf der Welle 71.
Es sind zwei Parabolspiegel 84, 85 angeordnet, durch welche die beiden Wellen 70, 71 hindurchgeführt sind.
Der Spiegel 84 reflektiert von einer Glühlampe 86 ausgestrahltes Licht achsparallel auf die ganze Fläche der Lochscheibe 81. Der alle Löcher 83 durchsetzende Lichtfluss wird vom Spiegel 85 auf eine Photozelle 87 reflektiert. Die durchgelassene Lichtmenge ist wieder von der Verwindung abhängig und somit Indikationsgrösse für das Drehmoment. Der von der Photozelle 87 abgegebene Strom steuert wieder über einen Verstärker den der Spule 76 zugeführten Erregerstrom, der als ein elektrisches Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt wird. Da bei dieser Torsionsindikation die ganze Scheibenfläche angestrahlt und alle Löcher 83 vom Licht durchsetzt werden, wird jegliche Exzentrizität und Unsvmmetrie der Lochkreise eliminiert.
Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft für Drehmomentmessungen, während denen Drehbeschleuni vunzTen auftreten, indem periodische Schwankungen des Tndikationsstromes periodische Drehbeschleunigungen bedeuten, wobei solche von einem Getriebe im Antriebspfad einer der Wellen oder von Ungleichförmigkeiten der Belastung herrühren können. Da Messungen oft bei verschiedenen vorbestimmten Drehzahlen durchgeführt werden müssen, oder die Drehzahl zur Ausmessung einer Charakteristik kontinuierlich geändert werden soll, ist es von Bedeutung, über einen Antrieb mit hohem Gleichförmigkeitsgrad zu verfügen. Zu diesem Zweck ist die Einrichtung mit einem Reibradgetriebe versehen.
An der Welle 70 sitzt fest eine Antriebscheibe 88 auf deren Fläche eine von einem nicht dargestellten Synchronmotor angetriebene, längs einem Scheibenradius verstellbare Reibrolle 89 abrollt. Es hat sich gezeigt, dass Zahnradgetriebe ungeeignet sind, wegen der Ungleichförmigkeit jedes einzelnen Zahnrades und solche Ungleichförmigkeit mit der erfindungsgemässen Einrichtung festgestellt werden kann. Ungleichförmigkeitsmessungen können dadurch verbessert werden, dass die eine Welle der Messeinrichtung mit einer Trägheitsmasse versehen wird, die naturgemäss bei Beschleunigungen das Drehmoment erhöht.
Gegenüber den eingangs erwähnten bekannten Einrichtungen können erfindungsgemässe Einrichtungen für die Messung von unbegrenzt kleinen Drehmomenten gebaut werden, z. B. für die Ermittlung der Lagerreibung, Messung von Dämpfungsmomenten, Torsionscharakteristiken von Spiralfedern und dergleichen im Instrumentenbau. Durch stärkere Dimensionierung der elektromagnetischen Kupplung können auch Drehmomentmesser für den Kleinmaschinenbau und den Maschinenbau ohne Schwierigkeiten gebaut werden. Der Bau von Drehmomentmessern ist auch für grosse und grösste Drehmomente nicht beschränkt, da elektromagnetische Luftspalt-Kupplungen für die Übertragung solcher Drehmomente an sich bekannt sind und es eine rein fachmännische Angelegenheit ist, in einer erfindungsgemässen Messeinrichtung den Erzeuger des Erregerstromes mittels des Photozellenstromes oder in Abhängigkeit von diesem zu steuern.