DD285528A7 - Drehmomentaufnehmer - Google Patents

Abstract

Der Drehmomentaufnehmer dient der Drehmomentmessung an rotierenden Bauteilen im Maschinen und Fahrzeugbau. Er wird auch in Pruefstaenden verwendet. In einem Aufnehmergehaeuse ist eine geteilte Hohlwelle gelagert, die im Bereich des Verformungsteiles der Meszwelle klauenkupplungsartig verzahnt sind und ineinander greifen. Auf den Mitnahmeflaechen der Klauen sind Kondensatorplatten befestigt, die mit einem umschlieszenden UEbertragungsringkondensator verbunden sind. Der Auszenring dieses Kondensators ist mit einer Auswertungs- und Rechenschaltung verbunden. Drehzahlsensoren sind angeordnet. Die Meszwelle ist an den Enden der Haelften der Hohlwelle loesbar festgeklemmt. Fig. 1{Drehmomentaufnehmer; Kondensatoren; Kapazitaetsaenderung; Hohlwelle; Meszwelle; Verformungsteil; Auswertungsschaltung; Rechenschaltung; Drehzahlsensor}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentaufnehmer mit einer in einer drehbar im Aufnehmergehäuse gelagerten Hohlwelle untergebrachten Meßwelle. Er dient der Drehmomentmessung an rotierende' Sauteilen mit beliebiger Drehrichtung im Maschinen- und Fahrzeugbau. Weiterhin ist er auf Prüfständen.verwendbar. Die Messung und Übertragung der Meßwerte ist verschleiß- und berührungsfrei.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist ein Drehmomentaufnehmer bekannt, der aus einer drehbar in einem feststehenden Aufnehmergehäuse gelagerten Hohlwelle besteht. Diese umschließt vollständig eine Meßwelle, die mit ihren beiden Enden aus der Hohlwelle herausragt. Das eine Ende der Meßwelle ist durch eine Klemmkupplung mit der Hohlwelle drehfest aber lösbar verbunden. Das andere Ende der Hohlwelle trägt außerhalb der Hohlwelle lösbar einen Meß- und Übertragungsflansch.

Dieser umschließt zum Teil die Hohlwelle, auf dem ein weiterer Meß- und Übertragungsflansch befestigt ist. In den zueinander

zeigenden Planseiten der beiden Meß- und Übertragungsflansche sind die Spulen des Meßsystems installiert. Diese sind mit je

einer Spule verbunden, die in der Mantelfläche jedes Meß- und Übertragungsflansches angeordnet sind. Gegenüber diesen Spulen sind gleichartige Spulen im Aufnehmergehäuse angebracht, die der Übertragung der Meßgrößen dienen. Diese Spulen sind an ein Auswertgerät angeschlossen. Anstelle dieses induktiven Systems kann auch ein kapazitives System angewendet werden. Ein mit Flächenänderungen arbeitendes Meßsystem hat eine geringe Empfindlichkeit.

Die Meßwertübertragung mit Spulen erfordert einen großen Bauraum und ist sehr aufwendig. Die unsymmetrische Anordnung der Meßwertübertragung zum Meßsystern erzeugt die Meßgenauigkeit beeinflussende Störgrößen.

Außerdem wird die Meßgenauigkeit durch die fliegende Lagerung der einen Hälfte des Meß- und Übertragungsflansches herabgesetzt.

(DE-OS 3104091 A1, G01L3/04)

Es ist ein weiterer Drehmomentaufnehmer mit kapazitiven Meß- und Übertragungssystemen bekannt. Die Gegenelektroden des Meßsystems müssen bei dieser Lösung an der Meßwelle befestigt sein. Dadurch ist ihre Auswechselung und Justage erheblich erschwert. Darüber hinaus ist die Herstellung der Meßwelle sehr aufwendig. Die asymmetrische Anordnung der Übertragungskondensatoren zu den Meßkondensatoren erzeugt Störfelder, die die Meßgenauigkeit erheblich herabsetzen.

(DD-WP 248874, G 01L3/04)

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, einen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der mit einem kapazitiven Meßsystem eine hohe Meßgenauigkeit erreicht und eine geringe Baugröße erfordert. Dabei soll die Meßwelle leicht wechselbar angeordnet sein, und die Meßwerte sollen berührungslos zum Aufnehmergehäuse übertragen werden.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentaufnehmer mit einer in einer drehbar im Aufnehmergehäuse gelagerten Hohlwelle untergebrachten Meßwelle und einem kapazitiven Meß· und Übertragungssystem zu schaffen, der eine hohe Meßgenauigkeit und einen großen Meßbereich unter Erhaltung der leichten Wechselbarkeit der Meßwelle erreicht. Dabei soll das Meßsystem so ausgebildet sein, daß es bei Überlastung oder Bruch der Meßwelle nicht beschädigt wird, aber diesen Zustand signalisiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hohlwelle aus zwei Hälften besteht, die im Bereich des Verformungsteiles der Meßwelle klauenkupplungsartig verzahnt sind und die Mitnahmeflächen der einen Hälfte der Hohlwelle als Kondensatorplatten ausgeführt sind, deren Anschlüsse mit dem diese Hälfte der Hohlwelle umschließenden Übertragungsringkondensator verbunden sind, dessen im Aufnehmergehäuse befestigten Kondensatorringe an eine Auswertungs· und Rechenschaltung angeschlossen sind. Dabei ist es vorteilhaft, die masseführende Hälfte der Hohlwelle aus elektrisch leitfähigem Werkstoff und die Hälfte der Hohlwelle, deren Mitnahmeflächen als Kondensatorplatten ausgebildet sind, aus einem Kunststoff mit kleiner Dielektrikum-Zahl auszuführen/Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die aus Kunststoff bestehende Hälfte der Hohlwelle im Bereich der Klauen durch einen starr verbundenen Kunststoffring umschlossen ist, auf dessen äußerer Mantelfläche symmetrisch zu den Klauen zwei Kondensatorringe angeordnet sind, die mit den Kondensatorplatten auf den Mitnahmeflächen elektrisch auf kürzestem Weg verbunden sind. Zur Fixierung der Nullage beider Hälften der Hohlwelle zueinander dient eine gemeinsame radiale kegelige Bohrung, die durch beide Hälften führt und während der Einstellung der Nullage einen Kegelstift aufnimmt.

Ausführungsbeispiel In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1: einen Längsschnitt durch den Drehmomentaufnehmer und Fig. 2: einen Querschnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1.

Ein feststehendes Aufnehmergehäuse 1 besteht aus einer zylindrischen Hülse, deren beide Enden je ein Wälzlager 2 umfassen. Die Wälzlager 2 werden durch je einen die Stirnseiten des Aufnehmergehäuses 1 verschließenden Deckel 3 gehalten. In jedem Wälzlager 2 ist eine Hälfte einer Hohlwelle 4 gelagert. Beido Hälften der Hohlwelle 4 umschließen die Meßwelle 5. Die Meßwelle 5 ist mittig als Verformungsteil β ausgebildet, dessen Durchmesser entsprechend dem zu messenden Drehmoment

festgelegt ist. Im Bereich dec Verformungsteiles β sind die zueinander zeigenden Enden der Hälften der Hohlwelle 4klauenkupplungsartig verzahnt und greifen über die Länge desVerformungsteiles 6 ineinander oin. Eine Hälfte der Hohlwelle 4ist masseführend und deswegen aus elektrisch leitfähigem Werkstoff ausgeführt. Ihr aus dem Aufnehmergehäuse 1herausragendes Ende ist mit Schlitzen 7 versehen, die durch einen Klemmring 8 überdeckt werden. Die andere Hälfte der

Hohlwelle 4 ist aus einem Kunststoff mit kleiner Dielektrikum-Zahl ausgeführt und ebenfalls an ihrem aus dem Aufnehmergehäuse 1 herausragenden Ende mit Schlitzen 7 versehen, die durch einen Klemmring 8 überdeckt werden. Auf den Mitnahmeflächen 9 der klauenkupplungsartigen Verzahnung dieser Hälfte der Hohlwelle 4 sind beidseitig Kondensatorplatten 10 befestigt. Ihre elektrischen Leitungen sind auf kürzestem Weg durch eine Buchse 11 hindurchgeführt, die

die klauenkupplungsartige Verzahnung umschließt und mit dieser verklebt ist. Diese Buchse 11 ist aus dem gleichen Kunststoffgefertigt wie diese Hälfte der Hohlwelle 4. Auf der äußeren Mantelfläche der Buchse 11 sind die Innenringe 12 zweier

Ringkondensatoren mit Abstand voneinander symmetrisch zur Verzahnung aufgeklebt. Mit diesen sind die Anschlüsse der Kondensatorplatten 10 wechselweise verbunden. Diesen Innenringen 12 gegenüberliegend

sind im isolierenden Aufnehmergehäuse 1 die Außenringe 13 der zwei Ringkondensatoren befestigt, deren Anschlüssezu einernicht dargestellten Auswertungs- und Rechenschaltung geführt sind. Die Drehlage beider Hä'ften der Hohlwelle 4 zueinanderbedürfen einer wiederholbaren Nullung. Zu diesem Zweck ist durch das Aufnehmergehäuse 1 eine verschließbare Bohrung 14geführt. Zu dieser fluchtend befinden sich deckungsgleich radiale kegelige Bohrungen 15; 16 in den beiden Hälften derHohlwelle 4.

Sie dienen der Aufnahme eines Kegelstiftes während der Nullung. Für eine gleichzeitige Drehzahlmessung sind zwischen den Innenringen 12 der Ringkondensatoren auf der Mantelfläche der Buchse 11 sechs Markierungen 17 angebracht. Im Aufnehmergehäuse 1 sind optoelektronische Drehzahlsensoren 18 so

befestigt, daß sie auf die Umlaufbahn der Markterungen 17 gerichtet sind. Die Ausgänge der Drehzahlsensoren 18 sind ebenfallszur Auswertungs- und Rechenschaltung geführt.

Ein oder beide Klemmringe 8 bilden zusammen mit den geschlitzten Enden der Hälften der Hohlwelle 4 zu der Meßwelle 5 Rutschkupplungen. Diese schützen das Meßsystem durch definierte Verspannung und Werkstoffmodifikationen mit PTFE und POM vor Zerstörung bei Überlastung oder Bruch der Meßwelle 5. Der in diesem Fall auftretende Kurzschluß im Meßkondensator wird zur Signalisierung dieses Zustandes genutzt. Die Wirkungsweise des Drehmomentaufnehmers ist folgende: Mit Kenntnis der Größe des zu messenden Drehmomentes wird eine entsprechend dimensionierte Meßwelle 5 in die 8ohrung

der Hohlwelle 4 eingeführt. Dazu werden beide Klemmringe 8 gelöst und der Kegelstift zur Bestimmung der Nullage der beiden

Hälften der Hohlwelle 4 eingesteckt. Danach erfolgt eine dem maximal zu messenden Drehmoment entsprechende Vorspannung der Klemmringe 8, um auf diesem Weg die Funktion als Rutschkupplung zu realisieren. Nach dem Ziehen des Kegelstiftes werden die beiden Enden der Meßwelle 5 mit dem zu messenden Getriebestrang verbunden und das Drehmoment über die Meßwelle S geleitet. Dadurch kommt es zu einer Verdrehung der beiden Hälften der Hohlwelle 4 zueinander und zur Veränderung der Luftspalte in den Kondensatoren 10 zwischen den Mitnahmeflächen 9 der klauenkupplungsartigen Verzahnung der Hälften der Hohlwelle 4. Diese sind als Differentialkondensatoren geschaltet und geben ihr geändertes Potential an die Innenringe 12 der Ringkondensatoren ab.

Von den Außenringen 13 der Ringkondensatoren wird das Potential zu einer Auswertungsschaltung geführt und kann dort angezeigt oder verrechnet werden. Zusammen mitdergleichzeitig erfolgenden Drehzahlmessung ist durch Verrechnung beider Größen die Messung der mechanischen Leistung möglich.

Claims (4)

1. Drehmomentaufnehmer mit einer Art Klauenkupplung, die Klauen aufweist, welche mit einer Hohlwelle verbunden sind, die als Kupplungshälfte koaxial auf einer Meßwelle sitzt, mit der sie den Klauen abgewandt verbunden ist, wobei Verwindungen der Meßwelle als Veränderungen der Luftspalte zwischen den Klauen zweier Kupplungshälften von einem kapazitiven Meßsystem erfaßt und als Meßwerte über zwei Ringkondensatoren aus einem feststehenden Aufnehmergehäuse herausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenringe (12) der Ringkondensatoren (12; 13) an Kondensatorplatten (10) angeschlossen sind, die auf den beidseitigen Mitnahmeflächen (9) der Klauen einer Kupplungshälfte befestigt sind, die als mit endseitigen Aussparungen versehene Hohlwelle (4) mit einer ebenfalls ausgesparten zweiten Hohlwelle (4) die Klauenkupplung bildet, wobei die Drehwinkellage beider Hohlwellen (4) zueinander einstellbar und die sie umgebenden Ringkondensatoren (12; 13) symmetrisch zur axialen Lage der Kondensatorplatten (10) angeordnet sind.

2. Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Kondensatorplatten (10) versehene Hohlwelle (4) sowie eine mit einem Ende auf dieser befestigte Buchse (11) aus einem Kunststoff mit kleiner Dielektrikum-Zahl besteht, wovon die Buchse (11) bis zu ihrem freitragenden Ende länger ist als die axiale Länge der Aussparungen beider Hohlwellen (4) und am Umfang die Innenringe (12) der Ringkondensatoren (12; 13) aufnimmt.

3. Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl am freitragenden Ende in der Buchse (11) als auch in der von ihr überdeckten anderen Hohlwelle (4) eine radiale Bohrung (15; 16) mit gemeinsamer Konizität vorgesehen ist, die bei Fluchtung eine Mittellage der Klauen der Hohlwellen (4) ergeben und durch eine Bohrung (14) im Aufnehmergehäuse (1) zugängig sind.

4. Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenringe (12) der Ringkondensatoren (12; 13) auf kürzestem Wege über die Buchse (11) mit den Kondensatorplatten (10) verbunden sind.