DE10037782A1 - Aufnehmer zur Erfassung von Drehmomenten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aufnehmer zur Erfassung von Drehmomenten, dessen Meßelement als langgestreckter zweifacher Doppelbiegebalken ausgebildet ist, und aus zwei symmetrisch angeordneten Doppelbiegebalkenhälften (1, 2) besteht. Jede Doppelbiegebalkenhälfte (1, 2) enthält mindestens eine horizontale Aussparung (7, 10), durch die die Meßfedern (8, 9) gebildet werden, an denen Dehnungsmeßstreifen (16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) appliziert sind. In Längsrichtung des Doppelbiegebalkens (1, 2) zwischen den Aussparungen (7, 10) ist mindestens ein Krafteinleitungselement (6) und seitlich neben den Meßfedern (8, 9) im Bereich der Biegebalkenenden sind mindestens zwei Drehmomentaufnahmeelemente (4, 5) vorgesehen. Dabei sind die Drehmomentein- (6) und Drehmomentaufnahmeelemente (4, 5) als Bohrungen (4, 5, 6) oder Bolzen ausgebildet, die drehmomentschlüssig mit den drehmomenteinleitenden und den drehmomentaufnehmenden Geräteteilen verbindbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufnehmer zur Erfassung von Dreh­ momenten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In mechanisch angetriebenen Systemen werden Antriebs- oder Steuerbewegungen zum Teil auch über längere Strecken mit Hilfe von Antriebs- oder Steuerwellen übertragen. Dazu kann es tech­ nisch oder ökonomisch vorteilhaft sein, die Momente im Über­ tragungsweg zu erfassen und an diesen Ort oder an anderer Stelle im Übertragungsweg erneut zu erzeugen, zu verstärken, zu steuern oder zu regeln.

Aus der DE 82 10 190 U1 ist eine Einrichtung zum Messen von Drehmomenten bekannt, die rotationssymmetrisch ausgebildet ist und aus einem Nabenteil und einem Felgenteil besteht, die über vier Speichen miteinander verbunden sind. An den Speichen sind Biegestellen vorgesehen, an denen Dehnungsmeßstreifen angeord­ net sind, durch die die eingeleiteten Drehmomente erfaßt wer­ den. Derartige rotationssymmetrische Drehmomentaufnehmer sind verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung und werden des­ halb meist nur für hochwertige Meß- und Steueraufgaben oder an schnell drehenden Meßwellen eingesetzt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einfa­ chen, kostengünstigen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der Drehmomente zuverlässig und verhältnismäßig genau erfaßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Aus der EP 227 850 B1 sind zwar schon Doppelbiegebalkenaufneh­ mer bekannt, deren Meßfedern mit Dehnungsmeßstreifen versehen sind und die in Wägevorrichtungen zur Messung des Gewichts oder zu anderen Kraftmessungen verwendet werden. Derartige Kraftaufnehmer oder Wägezellen sind ohne zusätzliche, aufwendi­ ge Krafteinleitungsvorrichtungen nicht geeignet, Drehmomente zu erfassen. Es ist zwar möglich, mit technisch komplizierten Krafteinleitungs- und Kraftaufnahmevorrichtungen die Drehmo­ mente zu erfassen, dies ist aber in der Regel sehr aufwendig und deshalb für viele Aufgaben ökonomisch nicht vertretbar.

Die Erfindung hat deshalb den Vorteil, daß mit einem langge­ streckten, symmetrisch zum Krafteinleitungselement ausgebilde­ ten, zweifachen Doppelbiegebalken auch direkt einleitbare Dreh­ momente ohne großen zusätzlichen, apparativen Aufwand erfaßbar sind. Dabei ist insbesondere die einfache automatisierbare Herstellungsmöglichkeit eines derartigen Aufnehmers vorteil­ haft, der aus einem vorgefertigten Stangenmaterial durch ein­ fache Bohrungen herstellbar ist. Deshalb ist ein derartiger Drehmomentaufnehmer auch für Einsatzgebiete verwendbar, bei denen zuvor die Drehmomente nicht beeinflußt wurden oder die Drehmomente über lange mechanische Verbindungen zu übertragen waren. So sind derartige Drehmomentaufnehmer vorteilhaft als Bestandteil von Lenk- und Steuervorrichtungen einsetzbar, de­ ren erzeugtes Lenk- oder Steuermoment am Steuerort durch ver­ stärkende Stellantriebe wie Lenkhilfen und dergleichen vorge­ nommen werden. Derart kostengünstige Drehmomentaufnehmer sind beispielsweise auch für Drehmomenterfassungen an langsam lau­ fenden Rührwerken oder Antrieben verwendbar, um diese drehmo­ mentabhängig zu steuern oder Überlastmomente zu vermeiden, um unterschiedliche Herstellungsprozesse zu verbessern oder die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch den Einsatz des Doppelbiegebalkenprinzips ein Drehmomentaufnehmer mit ei­ ner hohen Biegesteifigkeit geschaffen wurde, der auch zur Mes­ sung und Übertragung von Drehmomenten bei großen, parasitären Belastungen geeignet ist. Darüber hinaus ist der Drehmoment­ aufnehmer vorteilhafterweise nur geringfügig durch parasitäre Kräfte beeinflußbar, da durch das Doppelbiegebalkenprinzip sich parasitäre Axial- und Radialkräfte zum Großteil kompen­ sieren, wodurch eine hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Drehmomentein- und Drehmomentaufnahmeelemente durch Gewin­ debohrungen, Verzahnungsbohrungen oder Stehbolzen in den Dreh­ momentaufnehmer integriert sind, können vorteilhafterweise die Drehmomentübertragungsmittel direkt über eine lösbare Befesti­ gung mit dem Aufnehmer verbunden werden. Durch diese inte­ grierten Drehmomentein- und Drehmomentaufnahmeelemente und ei­ nen entgegen der Drehmomentübertragungsrichtung langgestreck­ ten Aufnehmer ist auch eine flache Aufnehmerbauweise möglich, die vorteilhafterweise in Drehmomentübertragungsrichtung nur geringen Einbauraum benötigt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Drehmomentaufnehmers und

Fig. 2 die Draufsicht auf den Drehmomentaufnehmer.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein langgestreckter Drehmomentauf­ nehmer dargestellt, der als zweifacher Doppelbiegebalken aus­ gebildet ist und in den die Drehmomentein- 6 und Drehmoment­ aufnahmeelemente 4, 5 als Bohrungen 4, 5, 6 integriert sind.

Der zweifache Doppelbiegebalken besteht im wesentlichen aus zwei zu einer querverlaufenden Mittelebene 3 symmetrischen Hälften 1, 2. Beide Hälften 1, 2 sind aus einem langgestreck­ ten, rechteckigen oder quadratischen Vierkantmaterial ausgear­ beitet, das vorzugsweise aus Aluminium oder einer Stahllegie­ rung besteht. Jede der beiden symmetrischen Hälften 1, 2 ist im Prinzip wie ein Doppelbiegebalken ausgebildet, verfügt aber über spezielle Drehmomentein- 6 und Drehmomentaufnahmeelemente 4, 5. Dabei ist in das Vierkantmaterial jeder Hälfte 1, 2 eine ellipsenförmige, durchgehende Aussparung 7, 10 vorgesehen, durch die zwei parallelogrammartige Lenker 8, 9 gebildet wer­ den, die die beiden Meßfedern jeder Hälfte 1, 2 darstellen. Die Aussparungen 7, 10 könnten auch durch eine oder mehrere ineinander übergehende Bohrungen gebildet werden, durch die in jeder Hälfte 1, 2 ein Lenkerpaar 8, 9 ausbildbar ist.

An den Biegebereichen der beiden Meßfedern 8, 9 jeder Hälfte 1, 2 sind auf den flachen Deckflächen 11, 12 oben und unten jeweils vier Dehnungsmeßstreifen 16, 17, 20, 21; 18, 19, 22, 23 appliziert, die bei Belastung ein Signal erzeugen, das den eingeleiteten Momenten proportional ist. Die genaue Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 16, 17, 20, 21 ist in Fig. 2 der Zeichnung näher dargestellt. In Fig. 2 sind die gleichen Bau­ elemente auch mit den gleichen Bezugsziffern versehen, wie in Fig. 1. Die beiden Dehnungsmeßstreifen 16, 17; 20, 21 jeder Biegebalkenhälfte 1, 2 sind symmetrisch zu einer längsgerich­ teten, vertikalen Mittelebene 13 angeordnet und dies sowohl auf der oberen Deckfläche 12 als auch auf der unteren Deckfläche 11. Alle vier oberen Dehnungsmeßstreifen 16, 17, 20, 21 und alle vier unteren Dehnungsmeßstreifen 18, 19, 22, 23 sind zu einer oder zwei Wheatstone'schen Vollbrücken verschaltet. Bei zwei Vollbrücken werden alle vier Dehnungsmeßstreifen 16, 17, 18, 19; 20, 21, 22, 23 jeder Biegebalkenhälfte 1, 2 zu einer Vollbrücke verschaltet, die zu der Vollbrücke der anderen Bie­ gebalkenhälfte 1, 2 parallel geschaltet wird. Dabei sind mit den Dehnungsmeßstreifen jeder Biegebalkenhälfte 1, 2 oben rechts 17; 21 und unten links 18; 22 bei einer rechtsdrehenden Momenteneinleitung 24 alle positiven Dehnungen und mit den Dehnungsmeßstreifen oben links 16; 20 und unten rechts 19; 24 alle negativen Dehnungen meßbar. Mit einem solchen Drehmoment­ aufnehmer mit mindestens acht Dehnungsmeßstreifen 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 sind bei entsprechender Verschaltung sowohl rechtsdrehende- 24 als auch linksdrehende Momente meßbar.

In das Vierkantmaterial sind parallel zu den Aussparungen 7, 10 und symmetrisch zu einer längsverlaufenden, horizontalen Mittelebene 15 Drehmomentein- 6 und Drehmomentaufnahmeelemente 4, 5 vorgesehen, durch die die Drehmomente 24 in den zweifa­ chen Doppelbiegebalken 1, 2 ein- und ausgeleitet werden. So ist mittig und symmetrisch zu der Quer- 3 und Horizontal- Mittelebene 15 ein Drehmomenteinleitungselement 6 vorgesehen. Dieses Drehmomenteinleitungselement 6 muß aber nicht unbedingt symmetrisch zur horizontal längsverlaufenden Mittelebene 15 angeordnet sein, sondern kann auch quer dazu auf der querver­ laufenden Mittelebene 3 vorgesehen sein. Das Drehmomenteinlei­ tungselement ist als durchgehende Bohrung 6 oder feststehender Bolzen ausgebildet. Dabei kann sowohl die Bohrung 6 als auch der Bolzen mit einem Gewinde, einer Verzahnung oder einer Paß­ feder versehen sein, die eine drehmomentschlüssige Verbindung zu einem drehmomenteinleitenden Geräteteil herstellt. Gleich­ falls kann auch der in den Balken integrierte Bolzen mit die­ sen durch ein Gewinde, eine Verzahnung, einer Paßfeder oder einer anderen Befestigung verbunden sein. Das drehmomentein­ leitende Geräteteil kann beispielsweise sowohl die Antriebs­ welle eines Motors als auch ein Steuer- oder Lenkrad eines Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeugs sein.

In Längsrichtung zwischen den Balkenenden und den Aussparungen 7, 10 sind die zwei Drehmomentaufnahmeelemente 4, 5 angeord­ net, durch die das eingeleitete Drehmoment in ein drehmoment­ aufnehmendes Geräteteil ausleitbar ist. Ein derartiges Geräte­ teil kann beispielsweise ein langsam drehender Rührflügel, ein Reaktionsdrehmomentaufnehmerteil oder ein vergleichbares Gerä­ teteil sein. Die beiden Drehmomentaufnahmeelemerite sind im gleichen Abstand von der quer verlaufenden Mittelebene 3 ange­ ordnet und als durchgehende Längsbohrungen 4, 5 ausgebildet. Mit diesen Drehmomentaufnahmeelementen 4, 5 sind die drehmo­ mentaufnehmenden Geräteteile verbindbar. Die Bohrungen 4, 5 können mit einem Gewinde, einer Verzahnung oder einem Stehbol­ zen ausgestattet sein, mit deren Hilfe die Verbindung zu den drehmomentaufnehmenden Geräteteilen fest, lösbar oder mitneh­ merartig herstellbar ist. Dabei erfolgt die Drehmomentauslei­ tung entgegen der Richtung der Drehmomenteinleitung 24, so daß diese Differenz zu den Dehnungen der Meßfedern 8, 9 führt, die ein Maß für das übertragende Drehmoment darstellen, das auf­ grund der Widerstandsänderungen in den Dehnungsmeßstreifen 16, 17, 18, 19; 20, 21, 22, 23 ermittel- und anzeigbar ist.

Bei Drehmomentaufnehmern für höhere Drehmomentbelastungen kann es vorteilhaft sein, diese mit Scherkraftaufnehmern zu verse­ hen. Dabei könnten die Aussparungen 7, 8 als Sacklöcher ausge­ bildet sein, wobei dessen Trennwand eine Meßfeder bildet, auf der die Dehnungsmeßstreifen so applizierbar sind, daß sie die Scherkraftbeanspruchung erfassen. Der langgestreckte zweifache Doppelbiegebalken kann aber auch als Doppel-T-Träger ausgebil­ det sein, an den die Dehnungsmeßstreifen als Biegespannungs- oder Scherkraftaufnehmer applizierbar sind. Soweit der Doppel- T-Träger mit Biegespannungsaufnehmern ausgestattet ist, wären diese auf den flachen Deckflächen oben und unten wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 der Zeichnung applizier­ bar. Bei einer Ausbildung mit Scherkraftaufnehmern am Doppel- T-Träger könnten diese unmittelbar am vertikalen Verbindungs­ steg zwischen den beiden Deckflächenteilen appliziert sein. Dabei wäre es vorteilhaft, die Scherkraftaufnehmer spiegel­ bildlich und symmetrisch zu einer Quer- und Horizontalmittel­ ebene am Verbindungssteg anzuordnen. Der Verbindungssteg könn­ te zusätzlich auch noch mit sacklochartigen Aussparungen ver­ sehen sein, dessen Trennwand dann eine empfindlichere Meßfeder bilden würde, als eine Meßfeder mit der gesamten Stegbreite.

Claims (7)

1. Aufnehmer zur Erfassung von Drehmomenten, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Meßelement ein langgestreckter, zweifacher Doppelbiegebalken (1, 2) vorgesehen ist, der symmetrisch zu einer quer verlaufenden Mittelebene (3) mehrere Meßfedern (8, 9) enthält, auf denen Dehnungsmeß­ streifen (16, 17, 18, 19; 20, 21, 22, 23) appliziert sind und wobei in Längsrichtung des Doppelbiegebalkens (1, 2) zwischen den Meßfedern (8, 9) mindestens ein Drehmomenteinleitungselement (6) vorgesehen ist.

2. Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Doppelbiegebalken (1, 2) Drehmomentauf­ nahmeelemente (4, 5) vorgesehen sind, die in Längsrich­ tung des Biegebalkens (1, 2) seitlich neben den Meßfe­ dern (8, 9) im Bereich der Biegebalkenenden angeordnet sind.

3. Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweifache Doppelbiegebalken aus symmetrischen Biegebalkenhälften (1, 2) besteht, die je­ weils eine Aussparung (7, 10) enthalten, die mindestens zwei Meßfedern (8, 9) bilden, auf denen die Dehnungsmeß­ streifen (16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) appliziert sind.

4. Drehmomentaufnehmer nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentein­ leitungselemente (6) und die Drehmomentaufnahmeelemente (4, 5) parallel zu den Aussparungen (7, 10) vorgesehen und als Bohrungen, Gewindebohrungen, Verzahnungsbohrun­ gen, Mehrkantbohrungen, Paßfederbohrungen oder als Bol­ zen ausgebildet sind, die eine drehmomentschlüssige Ver­ bindung mit den drehmomentein- und drehmomentaufnehmen­ den Geräteteilen herstellen.

5. Drehmomentaufnehmer nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Meßfeder (8, 9) mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen (16, 17; 18, 19) appliziert sind, die so zu einer oder mehreren Voll­ brücken verschaltet sind, daß sie ein Meßsignal liefern, das den eingeleiteten Drehmomenten proportional ist.

6. Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) so an den Meßfedern (8, 9) angeordnet sind, daß sie die Biegespannungen oder die Scherspannun­ gen erfassen.

7. Drehmomentaufnehmer nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelbiegebal­ ken (1, 2) als Vierkantmaterial oder als Doppel-T-Träger ausgebildet ist.