DD215632A1

DD215632A1 - Drehmomentenmesswelle

Info

Publication number: DD215632A1
Application number: DD25099183A
Authority: DD
Inventors: Peter Steinbach
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-05-16
Filing date: 1983-05-16
Publication date: 1984-11-14

Abstract

Die erfindungsgemaesse Drehmomentenmesswelle dient zur automatischen Einstellung und Messung von Drehmomenten an rotierenden Teilen wie z.B. Kleinmotoren u.a. Die Bestimmung der Drehmomente erfolgt in statischen wie auch dynamischen Zustand mit hoher Genauigkeit. Ziel der Erfindung war es, eine Vorrichtung zu schaffen, die keine Unwucht hervorruft und es gestattet, kleine Momente mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung von in Reihe geschalteten Fuehrungsfedern, zu denen weitere parallel geschaltet werden koennen, zwei Anschlussstuecke einer Aufnahme fuer Drehmomente verbunden sind. Bei Drehung der Anschlussstuecke um einen Winkel Phi zueinander werden die Federn gespannt. Der Winkel Phi ist dabei ein Mass fuer das Moment M. Die Fuehrungsfedern weisen vorzugsweise eine u-foermige Form auf, die gleichzeitig als Aufnahme fuer gerasterte Codier- und Dekodierscheiben dienen. Die Abnahme des Winkels Phi durch die Codier- und Dekodierscheiben erfolgt mit Hilfe einer Lichtquelle und von Photoempfaengern.

Description

Titel der Erfindung Drehraomentenraeßwelle Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anordnung dient zur automatischen Messung und Einstellung von Drehmomenten und ist besonders zur Prüfung von Klein- und Kleinstmotoren und anderen übertragenden Teilen für kleine Drehmomente geeignet.

Die Bestimmung der Drehmomente kann im dynamischen wie im statischen Zustand mit hoher Genauigkeit erfolgen»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Erfassung von Drehmomenten an rotierenden Teilen beruht auf dem Prinzip der Bestimmung der Verformung des betreffenden rotierenden Teils direkt oder durch ein in den Kraftfluß einfügbares Element. Die Erfassung der Veränderungszustände erfolgt mit unterschiedlichen meßtechnischen Mitteln. Häufig gelangen Dehnungsmeßstreifen zur Anwendung, die auf einer Meßwelle oder an den Siegelementen einer Drehmomentenmeßnabe angebracht sind. Ihre Anwendung setzt voraus, daß ausreichend Platz vorhanden ist und besondere Maßnahmen zur Temperaturkompensation getroffen werden. Die Abnahme der

Meßwerte kann über Kontaktelemente bzw, berührungsfrei er-. folgen»

Für die Bestimmung kleiner Drehmomente kann eine Drehmomentenmeßwelle mit Kreuzfedern (Feingerätetechnik 1958,

17. Jahrgang, Heft 9, S. 390 - 395) verwendet werden. Sie besteht aus einer Aufnahme für Momente über zwei koaxiale

'.. ·... Anschlußstücke, aus.einem 1» und einem 2. Kreuzfedergelenk und einer Aussparung für einen Wandler« Durch Spannen der Kreuzfedergelenkpaare erfolgt eine Wandlung des Momentes M in einen DrehWinkel f zwischen den Anschlußstücken. Die Kreuzfedern werden dabei durch Drehung der Anschlußstücke um ihre gemeinsame Achse auf Zug, Schub und Biegung belastet. Werden an Stelle eines Kreuzfederngelenkes zwei axial zueinander angeordnete verwendet, wird eine verbesserte Stabilität der Drehachse erreicht» Jedoch bewirkt die auftretende Auswanderung des Drehpols eine ungleichmäßige Achsverschiebung {Unwucht der Drehmomentenmeßwelle) hervorrufende Belastung der Anschlußstücke (Ebenda S. 391).

-κ Der mathematisch-physikalische Zusammenhang zwischen dem Drehmoment M, dem Verdrehungswinkel Y und der Polverschiebung erfordert Einschränkungen an die zulässige Verdrehung ^f und die Abmessungen der Kreuzfedergelenke. Nur bei Einhaltung bestimmter Bedingungen kann mit gewisser Sicherheit bei der Bestimmung von M auf die Glieder höherer Ordnung verzichtet werden.

Nur in Sonderfällen behält der Drehpol· bei Drehung der Anschlußstücke um den Winkel Y seine Lage. Die Verschiebung des Pols muß durch die Einführung eines zweiten Koordinatensystems berücksichtigt werden. Da der dafür notwendige Aufwand sehr hoch ist, beschränkt man sich in der Praxis auf Näherungslösungen für die Bestimmung von M. Für die Unterbringung der Kreuzfedern sind koaxiale Anschlußstücke und für den Ausgleich der dadurch entstehenden Unwucht Auswuchtvorrichtungen bekannt. Die Anschlußstücke müssen besonders ausgestaltet werden, um Vorrichtungen zur Messung und Wandlung des Winkels f in eine für die Meßwertabnahme geeignete Hilfsgröße aufzunehmen. Der dafür vorhandene Hohlraum der Anschlußstücke ist begrenzt. Eine leichte Zugänglichkeit der Federn und dieser Vorrichtungen · ist nicht gewährleistet, .

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Drehmomentenmeßwelle, die es gestattet, kleine Drehmomente mit hoher Genauigkeit zu messen, keine Unwucht hervorruft und einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist»

Wesen der Erfindung '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentenmeßwelle zu entwickeln, bei der durch einen veränderten Aufbau und Anordnung von Federn nur kleine Polverschiebungen möglich sind und einen einfachen Aufbau der Anschlußstücke und des gesamten Wandlers ermöglicht· Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einer Drehmomentenmeßwelle mit einem treibenden und einem getriebenen Teil, einer zwischen ihnen angeordneten Aufnahme für Drehmomente.über zwei um ihre Längsachse drehbaren und über Federelemente miteinander verbundenen Anschlußstücke, einem Wandler zur Bestimmung des Verdrehungswinkels der Anschlußstücke zueinander bei gespannten Federn dadurch gelöst, daß die Federelemente mindestens eine Reihenschaltung von zwei symmeirischen Führungsfedern darstellen, wobei jeder der zwei Befestigungspunkte mit einem Anschlußstück jeweils im gleichen Abstand von der Drehachse verbunden ist und die Reihenschaltung der Führungsfedern im unbelasteten Zustand der Drehmomentenmeßwelle nicht gespannt sind und daß der Wandler aus einer Codier- und einer Dekodierscheibe mit gerasterten Abschnitten, einer Lichtquelle und Photoempfängern besteht, daß die Codier- und Dekodierscheibe sich gegenüberstehen und jeweils mit einem Anschlußstück starr verbunden sind, daß Teile der Codier- und Dekodierscheibe von der Lichtquelle durchstrahlt werden und die Photoempfänger zur Registrierung der codierten Lichtsignale hinter den durchstrahlten Teilen der Dekodierscheibe angeordnet sind und über Signalleitungen mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des Verdrehungswinkels der Codier- und Dekodierscheibe zueinander verbunden sind.

Vorteilhafter Weise werden mehrere symmetrisch zueinander angeordnete Führungsfedern verwendet. Dadurch kommt es zu keiner eine Unwucht hervorrufenden Achsverschiebung, Alle in Reihe geschalteten Führungsfedern sind symmetrisch aufgebaut, Ihre Anordnung erfolgt senkrecht zur Drehachse, vorzugsweise in einer Ebene, und zwar so, daß sie zur Drehachse hin-bzw, wegzeigen» Zur Erreichung einer hohen Steifigkeit werden Blattfedern verwendet. Die genauesten Messungen sind möglich, wenn sich im ungespannten Zustand die zwei Befestigungspunkte der Führungsfedern gegenüberstehen, Zweckmäßigerweise sind die Anschlußstücke dabei als Hohlzylinder ausgestaltet, wobei diese Anschlußstücke Einspannstellen für die Führungsfedern ausweisen können. Die Verbindungsstelle der zwei in Reihe geschalteten Führungsfedern kann ein besonderes Verbindungsstück darstellen, so daß die Führungsfedern z, B, eine u-förmige Form aufweisen, '

Im Bereich dieses Verbindungsstückes können die Codier- und Dekodierscheibe angeordnet sein. Die gerasterten Abschnitte der Codierscheibe stellen dabei ein Winkelmaß z. B, im Dualcode dar. Die Dekodierscheibe weist ira Gegensatz dazu ein Ableseraster auf . Dadurch wird die den Winkel f darstellende Information aus der Oberdeckung ,der beiden Rastermengen (hell-dunkel-Tastung) bzw, aus der Helltastung gewonnen»

Die vorgeschlagene Drehmomentenmeßwelle ist einfach im Aufbau, ermöglicht genaue Messungen auch von kleinen Momenten, Die Drehmomentenaufnahme ist so aufgebaut, daß sie eine Codier- und Dekodierscheibe aufnehmen kann. Damit ist eine schnelle und einfache Bestimmung der Drehmomente ,im statischen wie auch im dynamischen Zustand möglich,

Ausführunqsbeispiel

An Hand eine.s. Ausführungsbeispiels wird die Erfindung riäher erläutert. In der Darstellung zeigt:

-Λ 5

Fig. 1 Funktionsschema der erfindungsgemäßen Drehmomentenrneßwelle

Fig. 2 Die Aufnahme für Drehmomente, dargestellt im Längsschnitt ^;

* Fig. 3 Die Aufnahme für Drehmomente, dargestellt im Querschnitt mit ν a) gespannten Führungsfedern b_) ungespannten Führungsfedern

Fig, 4 Schematische Darstellung einer Codier- und Dekodierscheibe

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten an rotierenden Teilen im statischen und dynamischen Zustand besteht aus einer zwischen dem treibenden Teil 1 und dem getriebenen Teil 2 sich befindenden Aufnahme für Drehmomente 3, die aus den Anschlußstücken 4 und 5 besteht, die mit den getriebenen und treibenden Teil 1 und 2 starr verbunden sind. Untereinander sind die Anschlußstücke 4 und 5 über zwei in Reihe geschaltete Führungsfedern 7 verbunden. Vorzugsweise werden 4 solcher Führungsfedern 7 gefertigt aus Blattfedern symmetrisch zueinander angeordnet. Die Verbindungsstelle ist durch ein Verbindungsstück 7,2 so ausgestaltet, daß die zwei in Reihe geschalteten Blattfedern eine u-förmige Form aufweisen'. Insgesamt stellt die Aufnahme also eine Parallelschaltung von mehreren in Reihe geschalteten

Führungsfedern 7 dar, .

Im Bereich des Verbindungsstückes 7,2 ist ein optoelektronischer Wandler zur 'berührungslosen Meßwertabnahme mit einer Codierscheibe 8 und einer Dekodierscheibe 9, die über die Anschlußstücke 4 und 5 mit den treibenden Teil 1 und den getriebenen Teil 2 befestigt sind, angeordnet.

Eine Lichtquelle 10 ist so vor Teilen der Codierscheibe 3 angeordnet, daß sie diese und die ihr nachgeordnete Dekodierscheibe 9 durchstrahlt. Hinter der Dekodierscheibe 9 sind mehrere Photoempfänger 11, die über eine Signalleitung mit

einer Auswerteeinheit 6 verbunden sind, angeordnet. Zur Bündelung des Lichts kann zwischen der Lichtquelle IO und der Codierscheibe 8 die Anordnung einer Linse vorgesehen sein· Aus Pig· 2 ist die Anordnung der in Reihe geschalteten Führungsfedern 7 ersichtlich. Die,Anschlußstücke 4 und 5 sind als Hohlzylinder ausgestaltet« Sie können besondere Einspannstellen zur Halterung der Führüngsfedern 7 durch ihre Befestigungspunkte 7*1 aufweisen. Die Befestigung erfolgt dabei an den Innenflächen der Hohlzylinder der Anschlußstücke 4 und 5. Alle Führungsfedern 7 weisen den gleichen konstruktiven Aufbau auf, sind aus gleichem Material gefertigt. Sie werden mit ihren Befestigungspunkten 7,1 symmetrisch zur Drehachse angeordnet, so daß im Ruhezustand der Drehmomentenmeßwelle alle Führungsfedern 7 ungespannt sind.

In Fig. 3 ist eine Aufnahme für Drehmomente im Querschnitt mit a) gespannten und b) ungespannten Führungsfedern 7 und die Lage der jeweils zwei Befestigungspunkte 7,1 zueinander bei gespannten ungespannten Federn dargestellt. Im ungespannten Zustand (Fig,'3..b) sind diese Punkte mit den Anschlußstücken 4 und 5 jeweils so befestigt, da& sie sich gegenüberstehen. Im gespannten Zustand (Fig. 3 a) werden die Führungsfedern 7 durch Verdrehung der Anschlußstücke und 5 um den Winkel V gespreizt. Durch eine derartige Anordnung der Federn wird erreicht, daß es zu keiner Achsverschiebung kommt.

Die in Reihe geschalteten Führungsfedern 7 bleiben dabei ständig zur Drehachse hin gerichtet, Denkbar ist aber auch eine nach außen gerichtete Anordnung der Federn, Bei Beauflagung des Anschlußstückes 4 mit einem Drehmoment kommt es zu einer Verdrehung des über die Führungsfedern 7'. mit ihm verbundenen Anschlußstückes 5« Diese Verdrehung wird durch den Winkel V charakterisiert. Der Zusammenhang / zwischen Drehmoment M und dem Winkel ψ wird durch die geometrischen Abmessungen, den Materialeigenschaften und

die daraus resultierende Federkonstante der Führungsfedern bestimmt, Zur Erhöhung der Feinfühligkeit können mehrere Führungsfedern 7 hintereinander und parallel zueinander geschaltet werden.

Oie mit den Anschlußstücken 4 und 5 verbundene Codierscheibe 8 und Dekodierscheibe 9 sind Glasscheiben mit speziell aufgebrachten Rastern, Auf der Codierscheibe 8. ist im Dualcode das Winkelmaß und auf der Dekodierscheibe 9 ein spezielles Ableseraster aufgebracht. Die Abnahme des Winke1-raaßes erfolgt so, als ob die auf einer dem Radius entsprechenden Linie angeordneten Photoempfänger 11 das codierte Winkelmaß direkt ablesen. Dabei hat das Signal des n-ten Photoempfängers die Wertigkeit 2 (= n-te Spur auf der Scheibe), Im vorliegenden Fall wurde die Dekodierscheibe so aufgebaut _έ daß bei den Spuren 2 ,,, 2ⁿ bei Helltastung stets die gleiche Lichtstärke empfangen werden kann. Auf der Dekodierscheibe sind dabei die Spuren 2 ,». 2ⁿ geteilt und die Rastermengen gegeneinander verschoben. Durch die Auswerteeinheit wird nur die Spur abgefragt, die ein genau definiertes Signal liefert (Zwischenstufen der Lichtintensität bei "Hell" sind dabei nicht möglich).

Auf diese Art ist sowohl eine dynamische wie auch statische Drehmomentenmessung berührungslos möglich.

Claims

Erfindungsanspruch

1, Drehmomentenmeßwelle mit einem treibenden (1) und einem getriebenen Teil (2), einer zwischen ihnen^; angeordneten Aufnahme für Drehmomente (3) über zwei um ihre Längsachse drehbaren und über Federelemente miteinander verbundenen Anschlußstücke (4, 5), einem Wandler zur Bestimmung des Verdrehungsvvinkels der Anschlußstücke (4, 5) zueinander bei gespannten Federn, gekennzeichnet dadurch, daß die Federelemente mindestens eine Reihenschaltung von zwei symmetrischen Führungsfedern (7) darstellen, wobei jeder der zwei Befestigungspunkte (7.1) mit einem Anschlußstück (4, 5) "jeweils im gleichen»Abstand von der Drehachse verbunden ist und die Reihenschaltung der Führungsfedern (7) im unbelasteten Zustand der Drehmomentenwelle nicht gespannt sind und daß' der Wandler ' aus einer Codier- (8) und einer Dekodierscheibe (9) mit gerasterten Abschnitten, einer Lichtquelle (10) und "* Photoeuipfängern (11) besteht, daß die Codier- (8) und •Dekodierscheibe (9) sich gegenüberstehen und jeweils mit " einem Anschlußstück (4, 5) starr verbunden sind, daß Teile der Codier- (8) und Dekodierscheibe (9) von der Lichtquelle (10) durchstrahlt werden und die Photoempfänger (11.) zur Registrierung der codierten Lichtsignale hinter den durchstrahlten Teilen der Dekodierscheibe (9) angeordnet sind und über Signalleitungen mit einer Auswerteeinheit (6) zur Bestimmung des Verdrehungswinkels der Codier- und Dekodierscheibe zueinander verbunden sind, ι , - .

2» Anspruch nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindungsstelle der in Reihe geschalteten Führungsfedern (7) ein Verbindungsstück (7.2) darstellt.

3. Anspruch nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Verbindungsstück (7.2) einen Steg darstellt.
4. Anspruch nach Pkt. 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Führungsfedern (7) eine u—förraige Form aufweisen.
5. Anspruch nach Pkt. 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Codier- (8) und die Dekodierscheibe (9) im Bereich des Verbindungsstückes (7.2) angeordnet sind. «

S. Anspruch nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reihenschaltung von Führungsfedern (7) Blattfedern darstellen.
7. Anspruch nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußstücke (4, 5) Hohlzylinder darstellen.
8. Anspruch nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußstücke (4, 5) Einspannstellen für Federn aüf-<· weisen.
9. Anspruch nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die in -₅ Reihe geschalteten* Führungsfedern (7) im unbelasteten Zustand an gegenüberliegenden Teilen der Anschlußstücke (4v 5) befestigt sind.
10. Anspruch nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußstücke (4, 5) über mehrere in Reihe geschaltete

2Q Führungsfedern (7) miteinander verbunden sind.
11. Anspruch nach Pkt. 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Führungsfedern, (7) eine Parallelschaltung von jeweils zwei in Reihe geschalteten Führungsfedern darstellen.

12* Anspruch nach Pkt. 1,, gekennzeichnet dadurch, daß die gerasierten Abschnitte der Codierscheibe (8) ein Winkelmaß im Dualcode darstellen und die Dekodierscheibe (9) ein Ableseraster aufweist.

(hierzu' 2 Blatt Zeichnungen)