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Die
Erfindung betrifft einen Adaptionsflansch zur Koppelung einer Wellenkupplung
(Ganzstahlkupplung) mit einem Dehnungsaufnehmer im Zuge einer Drehmomentübertragung,
bestehend aus einer drehsteifen, biegeelastischen Wellenkupplung
und einer Drehmoment-Meßkupplung.
Der Dehnungsaufnehmer dient dazu, eine drehmoment-proportionale Oberflächendehnung
mittels Dehnungsmeßstreifen zu
messen. Dabei ist für
eine zuverlässige
Messung ein homogener Dehnungsverlauf Bedingung.
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Beim
Einsatz der Dehnmeßstreifentechnik zur
Messung der drehmomentproportionalen Oberflächendehnung müssen u.
a. folgende Kriterien erfüllt
sein:
- – Die
vorhandene Oberflächendehnung
aufgrund des einwirkenden Drehmomentes muß unterhalb der plastischen
Deformation des Aufnehmers liegen.
- – Die
Dehnmeßstreifen
müssen
auf das Aufnehmermaterial abgestimmt sein (gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten).
- – Die
Applikation muß dergestalt
gewählt
werden, daß Störgrößen (Temperatur,
Biegung, Axialkraft) weitgehend kompensiert werden, andrerseits aber
das Drehmoment mit möglichst
hoher Empfindlichkeit gemessen wird.
- – Möglichst
hohe Anzahl von Dehnmeßstreifen, um
evtl. Inhomogenitäten
(Krafteinleitung, Reaktionskräfte)
auszugleichen, was zu hohen Kosten führt.
- – Homogener
Dehnungsverlauf – keine
punktuelle und unsymmetrische Krafteinleitung
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Im
Stand der Technik in Gestalt der
US 3,800,591 ist
eine Dehnungsmesshülse
bekannt, die zwei dickwandige Abschnitte und einen besonders dünnwandigen
Abschnitt aufweist, auf dem Messstreifen angeordnet sind, um das übertragene.
Drehmoment zu messen. Der dünnwandige
Abschnitt ist mit den dickwandigen Abschnitten über Abschnitte verbunden, die
radiale Einstiche aufweisen und somit als Balgkupplungen fungieren,
um die Übertragung von
Biegemomenten zu verringern bzw. zu verhindern.
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Die
DE 19936293 zeigt einen
Drehmomentsensor mit zwei axial voneinander beabstandeten Anschlussflanschen.
Ein Momentenübertragungselement,
das auch die Querschnittsbereiche umfasst, in denen die Dehnungsmessstreifen
angeordnet sind, befindet sich zwischen den beiden Anschlussflanschen,
in denen jeweils zwei radial versetzt gegenüberliegende stirnseitig eingebrachte
umlaufende Nuten vorgesehen sind, um einen gelenkartigen Abschnitt
zu bilden. Diese Nuten sind in axialer Richtung angebracht und sollen
so die Momenteinleitung über
die Verschraubung der Flansche in das zwischen den Flanschen angeordnete
Momentenübertragungselement
entkoppeln.
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Bei
der Integration einer Meßwelle
(eines Dehnungsaufnehmers) in einen vorhandenen Wellenstrang existiert
stets das Problem des Versatzausgleichs zwischen beiden Wellenenden.
Abhilfe kann dabei entweder durch einen entsprechend hohen Aufwand
bei der Ausrichtung der Wellen und der Fertigung der Einzelkomponenten
oder durch geeignete Wellenausgleichskupplungen geschaffen werden.
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Durch
spielbehaftete Ausgleichskupplungen wie Bogenzahnkupplungen können versatzbedingte Reaktionskräfte (Reibung-Schmierung),
die auf den Dehnungsaufnehmer einwirken, sehr gering gehalten werden.
Evtl. Einflüsse
auf die Meßgröße Drehmoment
werden somit weitgehend verhindert.
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Bei
absolut spielfreien Ausgleichskupplungen wie beispielsweise Ganzstahlkupplungen
treten versatzbehaftete Reaktionskräfte auf, die wesentlich oberhalb
derjenigen spielbehafteter Systeme liegen. Durch die punktuelle
Krafteinleitung, d. h. die Verschraubung des Lamellenpaketes, herrscht
eine inhomogen Dehnungsverteilung im Adaptionsflansch und somit
im Dehnungsaufnehmer vor. Zusätzlich können durch
die Kombination unterschiedlicher Versatzarten unsymmetrische Dehnungsverläufe an den Meßpunkten
(DMS) auftreten, die eine Fehlerkompensation durch geeignete Applikation
unmöglich machen.
Als Folge hiervon werden dem tatsächlichen Meßsignal reaktionsbedingte Störsignale überlagert,
die die Gesamtgenauigkeit eines vorliegenden Meßsystems reduzieren.
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Die
Adaption von Ganzstahlkupplungen mit entsprechenden Dehnungsaufnehmern
erfolgt in der Regel durch einfache, möglichst kurzbauende Adaptionsflansche.
Diese können
die punktuell und ungleichförmig
eingeleiteten Kräfte
aufgrund der Anbindung der Lamellenpakete nur unzureichend homogenisieren.
Als Folge hieraus treten bei der Kombination entsprechender Verlagerungskomponenten
Meßfehler
auf, die sich entsprechend Bild 3 darstellen.
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Durch
eine Rotation der Kupplung im voll verlagerten Zustand treten, bezogen
auf die ensprechende Winkelpositionen (X-Achse), die dargestellten
Nullpunktverschiebungen (Y-Achse) auf. Ermittelte Meßwerte (Drehmomente)
wären somit
bei Rotation der Kupplung mit einem schwellenden Signal mit dem
dargestellten Pegel überlagert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den durch die einwirkenden Reaktionskräfte verursachten
Meßfehler
mindestens erheblich zu verringern.
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Dies
geschieht durch eine neue erfindungsgemäße Gestaltung des Adaptionsflansches.
Damit werden die von der Ausgleichskupplung erzeugten, unerwünschten
Reaktionskräfte
vom Dehnungsaufnehmer entkoppelt. Hierdurch kann die volle Verlagerungsfähigkeit
der eingesetzten Ausgleichskupplung in Anspruch genommen werden,
ohne erhöhte
Meßfehler
in Kauf nehmen zu müssen.
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Das
Wesen der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 1 und wird
nach den Unteransprüchen
weitergebildet. In der nachfolgenden Beschreibung sind anhand von
Bildern von einer bekannten und von erfindungsgemäßen Bauformen des
Adaptionsflansches Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Darin zeigen
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Bild
1 eine Drehmoment-Meßkupplung
in Kombination mit einer Ganzstahl-Kupplung nach dem St. d. T. mit einem
herkömmlichen
Adaptionsflansch kurzer Bauform;
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Bild
2 einen Adaptionsflansch kurzer Bauform herkömmlicher Bauart;
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Bild
3 den Meßfehler
aufgrund von Achsversatz im Leerlauf, ohne zusätzliche Drehmomentbelastung
bei Verwendung eines herkömmlichen
Adaptionsflansches;
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Bild
4 die Anordnung von Bild 1 unter Verwendung einer ersten Ausführung form
des erfindungsgemäßen Adaptionsflansches;
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Bild
5 einen erfindungsgemäßen Adaptionsflansch
mit Preßdeckel;
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Bild
6 den Meßfehler
aufgrund von Achsversatz bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Adaptionsflansches;
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Bild
7 eine abgeänderte
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Adaptionsflansches;
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Bild
8 eine Explosionsdarstellung einer Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Adaptionsflansch.
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In
der herkömmlichen
Anordnung von Bild 1 sind mit 1 die beiderseitigen Naben
bezeichnet, 2 ist das jeweilige Lamellenpakt, 3 der
herkömmliche
Adaptionsflansch, 4 die Dehnhülse zur Messung der drehmoment-proportionalen
Oberflächendehnung, 6 ist
ein Signal-Drehübertrager/Statorelektronik.
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Bild
2 zeigt in einer Draufsicht und zwei Schnitten A-A und B-B den herkömmlichen
Adaptionsflansch.
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Die
Meßergebnisse
nach Bild 3 wurden von einer herkömmlichen Kupplung mit einem
Nennmoment von 1600 Nm genommen. Eine Variation des Meßsignals
für das
Fehlermoment von ± 27
Nm, wie in Bild 3 dargestellt, entspricht somit einem Meßfehler
von ±1,7%
vom Nennmoment der Kupplung.
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Nach
Bild 4 wurde jeder Adaptionsflansch 13 erfindungsgemäß durch
einen hauptsächlich
radialen Freistich 13a in zwei Teilflansche 13b aufgeteilt,
die mittig miteinander verbunden geblieben sind. Sie sind vorzugsweise
eben und haben vorzugsweise über
den ganzen Radius des Freistichs 13a gleiche Dicke. Sie
sind auch vorzugsweise im Verhältnis
zueinander von gleicher Dicke. Sie können aber auch uneben und von
ungleicher Dicke sein. Der Freistich 13a verläuft beispielsweise
genau radial in einer zur Drehachse D des Adaptionsflansches senkrechten Ebene
E. Der Freistich 13a kann auch in einem spitzen Winkel
zur Ebene E verlaufen. Diese Ausbildung ist in der Wirkung besser,
ist jedoch schwieriger herzustellen.
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Nach
Bild 5 ist in Ansicht und in Schnitten A-A und B-B der Adaptionsflansch 23 mit
dem Freistich 23a und den Teilflanschen 23b dargestellt.
Zusätzlich
ist ein Preßdeckel 5 in
einer Ausnehmung 5a vorgesehen. Durch Konzentration des
Kraftflußes
auf möglichst
kleine Querschnitte (Freistich von außen) kann die punktuelle Krafteinleitung
auf der Lamellenpaket-Seite homogenisiert werden. Gleichzeitig wird durch
Verwendung eines Preßdeckels
die radiale Steifigkeit der Lamellenpaket-Seite stark gesteigert, so
daß unsymmetrische
radiale Krafteinwirkungen nur in stark abgeschwächtem Maße auf die Antriebsseite (Dehnhülse) übertragen
werden. Durch diese Ausführungsform
(Freistich auf geringe Querschnitte – Preßdeckel mit Übermaß) konnte
eine erhebliche Reduzierung des versatzbedingten Meßfehlers
erreicht werden. Bei vergleichbarem Verlagerungsni veau konnte der
Fehler von ±27
Nm auf ±0,75
Nm reduziert werden (Bild 6). Dies entspricht bei einem Nennmoment
von 1600 Nm einem Fehler von ±0,05%
vom Nennmoment.
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Bild
6 zeigt die Meßergebnisse
bei einer Messung analog der nach Bild 3, jedoch unter
Verwendung eines Adaptionsflansches nach der Erfindung. Diese Messung
beweist bei einem gleichen Verlagerungsrisiko wie bei der Messung
nach Bild 3 die Vorteile des Adaptionsflansches nach der Erfindung,
nämlich
bei einer Akzeptanz höherer
Achsversätze,
einem kleineren Niveau des Fehlers und einer erhöhten Gesamtgenauigkeit des
Systems.
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In
Bild 7 ist in Ansicht und in Schnitten A-A und B-B ein Adaptionsflansch 33 nach
der Erfindung gezeigt, der einen Preßdeckel 5 in einer
Bohrung 5a besitzt. Der radiale Freistich 33a kann
sehr schmal sein, wodurch entweder die Dicke der Teilflansche 33b vergrößert oder
aber die Gesamtbaulänge
verkürzt
werden kann.
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Dieser
erfindungsgemäße Adaptionsflansch erfährt eine
zusätzliche
Schwächung
hinsichtlich der Axial- und Radialsteifigkeit. Hierdurch kann eine
stärkere
Entkoppelung der Störgrößen erreicht
werden. Anwendung findet diese Ausgestaltung vor allem bei großen Abmessungen
oder bei extremen kupplungsbedingten Reaktionskräften.
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Durch
weitere Reduzierung der Flanschsteifigkeit in Axialrichtung, sowie
Verlagerung der Preßpassung
auf den Außendurchmesser
des Preßdeckels
kann eine absolute Entkoppelung der Reaktionskräfte erfolgen, gleichzeitig
muß jedoch
eine zusätzliche
Reduzierung der Gesamtsteifigkeit akzeptiert werden. Hierdurch können Lamellenpakete
mit hoher Steifigkeit (großer
Leistungsdichte) ohne zusätzliche
Erhöhung
des Meßfehlers
mit DMS-Meßnaben
gekoppelt werden. Gleichzeitig bleibt die volle Verlagerungsfähigkeit
der eingesetzten Aus gleichskupplungen erhalten, d. h. ohne jeglichen
Kompromiß bzgl.
Meßgenauigkeit
und Kosten.
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Bild
8 zeigt eine Explosionsdarstellung, wobei die Einzelheiten des Adaptionsflansches 3, 13, 23, 33 nicht
herausgestellt sind.