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Die Erfindung betrifft eine, insbesondere unter Drehzahlen über 100 Umdrehungen pro Minute arbeitende, Drehmomentmesswelle mit zwei axial auf einer Drehachse versetzt angeordneten Flanschen und einem zwischen diesen beiden Flanschen angeordneten Torsionskörper, der eine erste Messzone und eine zweite Messzone aufweist, die axial nebeneinander angeordnet sind und jeweils eine andere Torsionssteifigkeit aufweisen, sowie ein mit einer derartigen Drehmomentmesswelle durchgeführtes Verfahren zur Messung eines Drehmomentes.
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Die Problematik, eine Drehmomentmesswelle bereitzustellen, die eine hohe Messempfindlichkeit bei einer großen Bandbreite aufweist, ist bereits Thema der gattungsfremden
WO 2007/143986 , bei welcher jedoch verschiedene Messzonen axial auf gleicher Höhe vorgesehen sind, sowie der noch nicht veröffentlichten gattungsgemäßen internationalen Patentanmeldung
PCT/DE 2011/000170 , welche eine Drehmomentmesswelle mit zwei axial auf einer Drehachse versetzt angeordneten Flanschen und einem zwischen diesen beiden Flanschen angeordneten Torsionskörper offenbart, der eine erste Messzone und eine zweite Messzone aufweist, die axial nebeneinander angeordnet sind und jeweils eine andere Torsionssteifigkeit aufweisen. Nachteil dieser Ausgestaltung ist jedoch der große erforderliche Bauraum sowie die Komplexität der Drehmomentmesswelle.
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Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, eine gattungsgemäße Drehmomentmesswelle sowie eine entsprechendes Verfahren bereitzustellen, bei welchem die verschiedenen Messzonen baulich einfacher dargestellt werden können.
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Um diese Aufgabe zu lösen wird eine Drehmomentmesswelle mit zwei axial auf einer Drehachse versetzt angeordneten Flanschen und mit einem zwischen diesen beiden Flanschen angeordneten Torsionskörper, der eine erste Messzone und eine zweite Messzone aufweist, die axial nebeneinander angeordnet sind und jeweils eine andere Torsionssteifigkeit aufweisen, vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass sowohl die erste Messzone als auch die zweite Messzone über den gesamten Belastungsbereich der Drehmomentmesswelle mit dem zwischen den Flanschen anliegenden Drehmoment belastet sind.
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Um die Eingangs stehende Aufgabe zu lösen wird demnach auch ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes mittels einer Drehmomentmesswelle mit zwei axial auf einer Drehachse versetzt angeordneten Flanschen und mit einem zwischen diesen beiden Flanschen angeordneten Torsionskörper, der eine erste Messzone und eine zweite Messzone aufweist, die axial nebeneinander angeordnet sind und jeweils eine andere Torsionssteifigkeit aufweisen, vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass sowohl die erste Messzone als auch die zweite Messzone über den gesamten Belastungsbereich der Drehmomentmesswelle mit dem zwischen den Flaschen anliegenden Drehmoment belastet werden.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung bedingt die Tatsache, dass sowohl die erste Messzone als auch die zweite Messzone über den gesamten Belastungsbereich der Drehmomentmesswelle mit dem zwischen den Flanschen anliegenden Drehmoment belastet sind bzw. werden, einen weitestgehenden Verzicht auf komplexe Maßnahmen, mit denen eine der beiden Messzonen überbrückt bzw. die Torsionssteifigkeit der Drehmomentmesswelle variiert wird, wie dieses die noch nicht veröffentlichte internationale Patentanmeldung
PCT/DE 2011/080170 vorschlägt. Hierdurch bedingt, baut die entsprechende Drehmomentmesswelle wesentlich einfacher, wobei auch die Gefahr von Unstetigkeiten und Ungenauigkeiten, die bei einem Stilllegen eines der Messbereiche besteht, minimiert werden kann.
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Zudem wird durch das Vorliegen zweier gleichzeitig belasteter Messzonen eine kontinuierliche Messung des anliegenden Drehmomentes über das gesamte Spektrum der anliegenden Drehmomente bewirkt. Es folgt somit keine Kappung des Messbereichs einer der beiden Messzonen, was ggf. zu unerwünschten Artefakten führen könnte. So kann beispielsweise die erste Messzone derart ausgelegt werden, dass diese über das gesamte Drehmomentspektrum, aber insbesondere im Bereich hoher Drehmomente, ausreichend hoch aufgelöste Signale für das Aufzeichnen eines Drehmomentes liefert. Im Umkehrschluss kann die zweite Messzone derart ausgestaltet werden, dass diese insbesondere für geringe Drehmomente ausgelegt wird und bei Anliegen dieser geringen Drehmomente eine sehr hohe Messauflösung aufweist.
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Im Bereich hoher Drehmomente kann durch diese Ausgestaltung eine Abweichung der Messgenauigkeiten in Kauf genommen werden, da der Bereich der hohen Drehmomente über die erste Messzone abgedeckt werden kann. Umgekehrt kann eine unzureichende Auflösung des an der ersten Messzone abgegriffenen Messsignals in Bereichen geringer Drehmomente in Kauf genommen werden, da das Messsignal der zweiten Messzone eine ausreichende Auflösung bieten kann. Insofern ergänzen sich die abgegriffenen Messsignale der beiden Messzonen jeweils in Bereichen hoher und geringer Signalauflösung bzw. hoher und geringer Messungenauigkeit.
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Der „Belastungsbereich” beschreibt hierbei das gesamte zu erwartende bzw. das bestimmungsgemäße Spektrum zwischen einem maximalen und einem minimalen an der Drehmomentmesswelle anliegenden Drehmoment, da derartige Drehmomentmesswellen in der Regel für bestimmte Versuchs- oder Randbedingungen ausgewählt und eingesetzt werden. In der Regel entspricht das in eine Drehrichtung maximal wirkende Drehmoment betragsmäßig auch dem in die andere Drehrichtung maximal wirkenden Drehmoment, sodass die Drehmomentmesswelle symmetrisch in beide Belastungsrichtungen belastet werden kann.
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Die Messzonen, welche auf dem Torsionskörper der Drehmomentmesswelle angeordnet sind, sind zum Zwecke der Messung in verschiedenen Drehmomentbereichen und zur Anpassung der vorstehend erläuterten Messbereiche vorzugsweise unterschiedlich steif hinsichtlich ihrer Torsion ausgeführt. Die Steifigkeit des Torsionskörper in Höhe der jeweiligen Messzone führt, wenn diese unterschiedlich ausgestaltet sind, zu verschiedenen elastischen Verformungen der beiden Messzonen und somit zu der Möglichkeit über diese Verformung eine unterschiedliche Auflösung des gemessenen Drehmomentes zu verwirklichen.
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Um die Eingangs stehende Aufgabe alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehenden Merkmalen zu lösen, wird daher alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen eine Drehmomentmesswelle mit zwei axial auf einer Drehachse versetzt angeordneten Flanschen und mit einem zwischen diesen beiden Flanschen angeordneten Torsionskörper, der eine erste Messzone und eine zweite Messzone aufweist, die axial nebeneinander angeordnet sind und jeweils eine andere Torsionssteifigkeit aufweisen, vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass die radial außen liegende Oberfläche des Torsionskörpers an wenigstens einem der beiden Flansche ihren Maximaldurchmesser aufweist.
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Der Torsionskörper kann einerseits mittels eines variierenden Durchmessers, insbesondere wenn dieser Durchmesser, wie vorstehend beschrieben, an einem der beiden Flansche ihren Maximaldurchmesser aufweist, zu der Variation der Torsionssteifigkeit des Torsionskörpers herangezogen werden. Somit ergibt sich ein Torsionskörper, welcher bei einem anliegenden Drehmoment der Länge nach unterschiedliche Verwindungswinkel aufweist. Es ist sofort ersichtlich, dass die unterschiedlich vorliegende Dehnung bzw. Verwindung zur Messung des anliegenden Drehmomentes mit verschiedenen Auflösungen verwendet werden kann, da für ein Messsystem, welches das Drehmoment auf Grund der vorliegenden Dehnung bestimmen kann, zwei unterschiedliche Messwerte bei ein und demselben Drehmoment abgegriffen werden können.
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Andererseits bedingt die Tatsache, dass die radial außen liegende Oberfläche des Torsionskörpers an wenigstens einem der beiden Flansche ihren Maximaldurchmesser aufweist, dass radial weiter außen liegende Strukturen, wie sie insbesondere die noch nicht veröffentlichte internationale Patentanmeldung
PCT/DE 2011/000170 vorschlägt, vermieden werden können und durch den Wegfall dieser Strukturen mit ihren naturgemäß höheren Empfindlichkeit gegen Störungen bei hohen Drehzahlen gegebenenfalls ein verfälschtes Messergebnis vermindert werden kann.
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In diesem Zusammenhang sei betont, dass die in vorstehend genanntem Stand der Technik dargestellten aber auch die vorliegend erläuterten Drehmomentmesswellen in Abweichung zu anderen Drehmomentmesseinrichtungen, die insbesondere statische Momente und Kräfte, vorzugsweise in mehreren Freiheitsgraden aufnehmen sollen, auch bei sehr hohen Drehzahlen, zumindest über 100 Umdrehungen pro Minute, Drehmomente um eine Achse, nämlich eine Rotationsachse der Drehmomentmesswelle messen sollen, während andere Momente oder Kräfte nicht von Interesse sind. Derartige Drehmomentmesswellen kommen insbesondere bei Drehantrieben und bei der Überprüfung von Drehantrieben, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeugmotoren, Flugzeug- oder Schiffmotoren, Windrädern und zugehörigen Getrieben zur Anwendung.
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Der Begriff „Messzone” bezeichnet in vorliegendem Zusammenhang ein axiales Teilstück der Oberfläche des Torsionskörpers, an welchem ein Messwertaufnehmer zur Messung des anliegenden Drehmomentes bzw. zur Messung der lokalen Dehnung angebracht werden kann. Insofern ist es besonders vorteilhaft für eine Drehmomentmesswelle, wenn in jeder der Messzonen wenigstens ein Messwertaufnehmer vorgesehen ist.
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Es versteht sich, dass statt des Vorliegens eines Maximaldurchmessers an einem der beiden Flansche auch entsprechend das Vorliegen einer Maximalwandstärke des Torsionskörpers an einem der beiden Flansche vorgesehen sein kann. Der Maximaldurchmesser, welcher bevorzugt bei einem Torsionskörper ohne Innendurchmesser bzw. bei einem Torsionskörper mit einem konstanten Innendurchmesser verwendet wird, kann folglich auch durch einen konstanten Außendurchmesser und einer gleichzeitigen Variation des Innendurchmessers substituiert werden. Hierbei entspricht die verwendete Maximalwandstärke des Torsionskörpers dem zuvor erläuterten Maximaldurchmesser.
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Vorzugsweise ist der Torsionskörper zu der Drehachse der Drehmomentmesswelle als Rotationskörper ausgebildet. Auf diese Weise können Messartefakte minimiert werden. Ebenso kann der Torsionskörper baulich sehr einfach bereit gestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Drehmomentmesswelle ergibt sich ferner, wenn der Torsionskörper einstückig ausgebildet ist. Zwar können Torsionskörper auch mehrstückig ausgebildet sein, zum Beispiel aus mehreren Teilstücken mit unterschiedlichen Werkstoffen, jedoch bietet die Verwendung eines einstückigen Torsionskörpers den Vorteil, eine Drehmomentmesswelle besonders kostengünstig und mit besonders hoher Genauigkeit zu fertigen. Ein mehrstückig ausgebildeter Torsionskörper könnte aufgrund ungeeigneter Verbindungselemente zwischen den Teilstücken des Torsionskörpers zu unerwünschtem Spiel oder sonstigen Messartefakten und somit zu Messfehlern an der Drehmomentmesswelle führen, welches durch eine einstückige Ausgestaltung vermieden werden kann.
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Um komplexe Auswerteeinrichtungen oder elektronische Schaltungen zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn in jeder der Messzonen jeweils wenigstens ein Messwertaufnehmer vorgesehen ist. Vorzugsweise befinden sich in jeder der Messzonen sogar mehrere Messwertaufnehmer, beispielsweise über den Umfang verteilt angeordnet.
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Radial innen angebrachte Messwertaufnehmer den Vorteil, dass im Betrieb das Risiko der Beschädigung oder des Verlierens der Messwertaufnehmer bedingt durch eine Fliehkraft reduziert wird. Auch kann ein innen liegender Messwertaufnehmer relativ einfach und kostengünstig gegen Verschmutzung abgedichtet werden, wenn er im Inneren eines Torsionskörpers angebracht ist, da für eine Abdichtung des Hohlraumes des Torsionskörpers zumeist eine statische und kostengünstige jedoch robuste Dichtung verwendet werden kann.
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Andererseits ist es vorteilhaft für eine Drehmomentmesswelle, wenn radial außen auf dem Torsionskörper wenigstens ein Messwertaufnehmer aufgebracht ist, da radial außen liegende Messwertaufnehmer empfindlicher reagieren.
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Ebenso können Messwertaufnehmer sowohl innen als auch außen angeordnet sein. Durch innenseitig und außenseitig aufgebrachte Messwertaufnehmer in ein und derselben Messzone können zwei verschiedene Auflösungen des Messsignals erreicht werden, was auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung entsprechend bei Drehmomentmesswelle mit zwei axial auf einer Drehachse versetzt angeordneten Flanschen und mit einem zwischen diesen beiden Flanschen angeordneten Torsionskörper insbesondere für Messungen unter Rotation, vorzugsweise unter Rotationen über 100 Umdrehungen pro Minute, vorteilhaft ist. Somit ergibt sich schlussendlich die Möglichkeit bis zu vier verschiedene Messbereiche an einer Drehmomentmesswelle zu applizieren, wenn zwei Messzonen und jeweils unterschiedliche Durchmesser bzw. Wandstärken des Torsionskörpers in Höhe dieser Messzonen appliziert werden. Ebenso können die Messwertaufnehmer einer Messzone außen und der anderen Messzone innen angeordnet sein, so dass die Messzonen wesentlich enger axial aneinander anschließen können.
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Wie bereits vorstehend angedeutet, kann für das Messen eines Drehmomentes an einer Drehmomentmesswelle die Dehnung an dieser Drehmomentmesswelle bzw. an dem Torsionskörper der Drehmomentmesswelle herangezogen werden. Somit ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung für eine Drehmomentmesswelle mit einem Messwertaufnehmer, wenn der Messwertaufnehmer ein Dehnungsmessstreifen ist. Dehnungsmessstreifen bieten die Möglichkeit einen besonders kostengünstigen aber auch robusten Messwertaufnehmer bereitzustellen, welche darüber hinaus ein Minimum an Bauraum benötigen.
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Wie ebenfalls bereits vorstehend angedeutet und um eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Drehmomentmesswelle zur Verfügung zu stellen, kann der Torsionskörper der Drehmomentmesswelle hohl ausgeführt sein. Diese Ausgestaltung mit einem hohlen Torsionskörper begünstigt einerseits die Anordnung der Messwertaufnehmer und andererseits die Kalibrierung verschiedener Messzonen, da ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Gestaltung des Torsionskörper zur Verfügung gestellt wird. Die Applikation eines definierten Messbereichs kann somit zusätzlich zur Wahl des Außendurchmessers, welcher bereits für sich genommen die Steifigkeit des Torsionskörpers bestimmt, über einen geeigneten Innendurchmesser erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, Drehmomentmesswellen für verschiedene Messbereiche zur Verfügung zu stellen, welche gleiche Außendurchmesser aufweisen und an welchen die zulässigen Belastungsbereiche allein über den endgültigen Innendurchmesser eingestellt werden. Wie sofort ersichtlich, können somit Drehmomentmesswellen für verschiedene Messbereiche gefertigt werden, für welche im Herstellungsprozess auf Gleichteile zurückgegriffen werden kann. Der endgültige Mess- bzw. Belastungsbereich braucht folglich lediglich über einen zusätzlichen Fertigungsschritt mittels Bohren oder Drehen festgelegt werden. Somit besteht die Möglichkeit Drehmomentmesswellen nach vorstehend erläuterter Ausgestaltung in Serie oder Kleinserie und folglich kostengünstig herzustellen.
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Es versteht sich, dass die Verwendung von Gleichteilen für eine kostengünstige Serienfertigung auch bei Torsionskörpern mit konstantem Innendurchmesser und variierendem Außendurchmesser möglich ist, da auch der Außendurchmesser des Torsionskörpers einer Endbearbeitung mittels Drehen zugänglich ist.
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Die Merkmale der vorstehend bzw. weiter unten stehend und in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen können gegebenenfalls auch kombiniert werden, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert, die insbesondere auch in anliegender Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine erste Drehmomentmesswelle mit hohlem Torsionskörper, dessen äußere Oberfläche eine Stufe zur Ausbildung zweier Messzonen aufweist, in perspektivischer teilweise aufgebrochener Ansicht;
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2 eine zweite Drehmomentmesswelle mit massivem Torsionsstab als Torsionskörper, dessen äußere Oberfläche eine gegenüber der ersten Drehmomentmesswelle weicher ausgebildete Stufe zur Ausbildung zweier Messzonen aufweist, in perspektivischer teilweise aufgebrochener Ansicht unter schematischer Darstellung der elektrischen bzw. elektronischen Schaltung;
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3 eine dritte Drehmomentmesswelle mit hohlem Torsionskörper, dessen äußere Oberfläche konisch zur Ausbildung zweier Messzonen ausgebildet ist, in perspektivischer teilweise aufgebrochener Ansicht;
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4 die erste Drehmomentmesswelle in einer Ausschnittvergrößerung der 1;
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5 eine vierte Drehmomentmesswelle ähnlich der zweiten Drehmomentmesswelle jedoch mit hohlem Torsionskörper in ähnlicher Darstellung wie 4;
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6 die dritte Drehmomentmesswelle in einer Ausschnittvergrößerung der 3;
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7 eine fünfte Drehmomentmesswelle mit hohlem Torsionskörper, dessen innere Oberfläche konisch zur Ausbildung zweier Messzonen ausgebildet ist, in ähnlicher Darstellung wie 4;
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8 eine sechste Drehmomentmesswelle mit hohlem Torsionskörper, dessen äußere und innere Oberflächen jeweils konisch zur Ausbildung zweier Messzonen ausgebildet sind, in ähnlicher Darstellung wie 4; und
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9 eine siebte Drehmomentmesswelle mit hohlem Torsionskörper, dessen innere Oberfläche eine Stufe zur Ausbildung zweier Messzonen aufweist, in ähnlicher Darstellung wie 4.
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Eine Drehmomentmesswelle 100 nach 1 verfügt über einen zwischen einem Flansch 1 und einem Flansch 2 angeordneten Torsionskörper 3, welcher zwei Messzonen zum Messen eines an den beiden Flanschen anliegenden Drehmomentes aufweist. Die zwei Messzonen, eine erste Messzone 4 sowie eine zweite Messzone 5, sind axial nebeneinander liegend an dem Torsionskörper 3 angeordnet. Die erste Messzone 4 unterscheidet sich zu der zweiten Messzone 5 in der dargestellten Ausführungsform durch einen unterschiedlichen Außendurchmesser des Torsionskörpers 3, wodurch sich unterschiedliche Torsionssteifigkeiten an dem Torsionskörper 3 ausbilden und somit eine durch ein anliegendes Drehmoment hergerufene Torsion bzw. ein sich ausbildender Torsionswinkel an dem Torsionskörper 3 unterschiedlich ausfällt.
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Im Inneren des Torsionskörpers 3 angebrachte Messwertaufnehmer 6, welche lediglich exemplarisch beziffert sind, werden dazu verwendet, die an dem Torsionskörper 3 hervorgerufene Dehnung, insbesondere bei Ausbildung als Dehnungsmessstreifen, aufzunehmen und ein Messsignal zur Verfügung zu stellen, welches annähernd proportional zur vorliegenden Dehnung ist und als Drehmoment interpretiert werden kann.
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Befestigt wird die Drehmomentmesswelle 100 zwischen zwei Wellen mittels Befestigungsbohrungen 7 und Befestigungsbohrungen 8 der beiden Flansche 1, 2, wobei die beiden Flansche 1, 2 mit dem Torsionskörper 3 einstückig ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung vermindert in hohem Maße Spiel zwischen den Flanschen und dem Torsionskörper, welches bei einer mehrteiligen Ausgestaltung auftritt und über Mikroreibung bzw. Passungsrost zu einem frühzeitigen Ausfall der Drehmomentmesswelle führen kann. Eine durch das Drehmoment hervorgerufene Kerbwirkung an vorliegenden Durchmessersprüngen wird wirksam durch ausreichend großzügige Radien zwischen dem Torsionskörper und den Flanschen reduziert. Auch zwischen den beiden Messbereichen, welche durch unterschiedliche Durchmesser des Torsionskörpers ausgebildet sind, vermindert ein ausreichend grober Radius die Kerbwirkung.
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Im Gegensatz zu der Drehmomentmesswelle 100 verfügt eine Drehmomentmesswelle 200 nach 2 über einen als Torsionsstab ausgeführten Torsionskörper 3. Dieser weist ebenfalls zwei Messzonen, eine erste Messzone 4 und eine zweite Messzone 5, auf. Ähnlich der Ausgestaltung nach 1 erfolgt auch bei dieser Drehmomentmesswelle 200 die Messung des anliegenden Drehmomentes mittels an der ersten Messzone 4 sowie an der zweiten Messzone 5 angebrachter Messwertaufnehmer (nicht beziffert).
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Das an den Flanschen 1, 2 anliegende Drehmoment erzeugt wiederum eine Torsion an dem Torsionskörper 3, wodurch sich wegen unterschiedlicher Torsionssteifigkeiten unterschiedliche Dehnungen an den beiden Messzonen 4, 5 ergeben. Die an der zweiten Messzone 5 auftretende Dehnung wird für einen kleinen Drehmomentbereich herangezogen, da sich durch die stärkere Torsion des Torsionskörpers 3 im Bereich der zweiten Messzone 5 eine höhere Auflösung des Messsignals ergibt. Für die hohen Drehmomentbereiche wird folglich die Messung des Drehmomentes an der ersten Messzone 4 vorgenommen, welche sich mit einem weitaus geringeren Winkel tordieren lässt.
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Es versteht sich, dass sich die Belastungsgrenze des Messwertaufnehmers für die zweite Messzone 5 an dem maximalen Drehmoment orientiert, da bei Überschreiten des für die Messzone 5 definierten Messbereichs der Messwertaufnehmer weiter belastet wird. Wie sofort ersichtlich ergibt sich der Vorteil einer genauen Messung des für hohe Drehmomente verwendeten Messsignals aus dem Umstand, dass des Messwertaufnehmer des ersten Messbereichs 4 nicht bis an seine Grenzen belastet wird und somit dieser Messwertaufnehmer möglichst nicht in Bereichen einer Verzerrung bzw. Verschiebung des Messsignals – also in einem weitestgehend linearen Messbereich – betrieben werden kann.
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Die an der Drehmomentmesswelle 200 verwendete Messeinrichtung bzw. der verwendete Messwertaufnehmer besteht jeweils aus Dehnungsmessstreifen, welche in einer Brückenschaltung 26 zusammengeschaltet sind. Das an den Dehnungsmessstreifen anliegende Spannungssignal wird mittels eines Operationsverstärkers 25 an einen A-D-Wandler 23 (analogdigital) sowie einen F-V-Wandler 24 (Frequenz-Spannung) weitergeleitet. Den beiden Wandlern 23, 24, welche jeweils das an der Brückenschaltung 26 ausgegebene analoge Signal in ein digitales Signal wandeln, ist einerseits ein Mikroprozessor 21 nachgeschaltet, welcher Daten in einen Speicher 22 schreibt und andererseits ist den Wandlern 23, 24 und dem Mikroprozessor 21 eine LED 27 nachgeschaltet, welche das gemessene und digital gewandelte Signal an einen Lichtsensor 31 an einem Stator 30 überträgt, wobei der Lichtsensor 31 das gemessene Signal an eine weitere Datenverarbeitung übermittelt.
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Die Energieversorgung der Messwertaufnehmer nach 2 erfolgt über eine induktive Stromversorgung 20 an der Drehmomentmesswelle 200 sowie einen Sender 32 an dem Stator 30 für die induktive Stromversorgung 20, von welchem elektrische Energie zum Messwertaufnehmer des Drehmomentsensors 200 übertragen wird.
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Die rotationssymmetrische Drehmomentmesswelle 200 ist rotierend um eine Drehachse 9 in dem Stator 30 angeordnet. Auf diese Weise können auch bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen, insbesondere bei Drehzahlen über 100 Umdrehungen pro Minute, zuverlässig Drehmomente gemessen werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebene Messwertaufnahme und Übertragung auch bei den übrigen hier beschriebenen Drehmomentmesswellen dementsprechend zur Anwendung kommen kann. ebenso können auch andere Arten der Messwertaufnahme und/oder Übertragung bei sämtlichen der hier dargestellten Drehmomentmesswellen zur Anwendung kommen.
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Ähnlich der Ausgestaltung nach 1 verfügt eine Drehmomentmesswelle 300 nach 3 über einen Torsionskörper 3 mit unterschiedlichen Durchmessern sowie über zwei Messzonen 4, 5 an diesen beiden unterschiedlichen Durchmessern. So ist der Torsionskörper 3 der Drehmomentmesswelle 300 an seiner Außenoberfläche konisch geformt, wodurch sich eine konstante Wandstärkenveränderung ergibt. Insofern lassen sich bei diesem Ausführungsbeispiel, sofern dies erwünscht ist, auch weitere Messzonen mit Messwertaufnehmern 6 einrichten. Somit können auch drei oder mehr Messbereiche an dem Torsionskörper 3 vorgesehen werden. Durch die konische Ausgestaltung lassen sich insbesondere Messartefakte aufgrund von Knicken oder sonstigen Unstetigkeiten auf ein Minimum reduzieren.
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Es versteht sich, wie dies auch vorstehend erläutert worden ist, dass die Messwertaufnehmer 6 auch an dem Außenbereich des Torsionskörpers 3 angeordnet werden können. Dies bewirkt eine weitere Ausweitung des verwendbaren Messbereichs, da innerhalb einer Messzone der beiden Messzonen 4, 5 unterschiedliche Dehnungen an der Innen- und Außenseite des Torsionskörpers 3 vorliegen. Auch versteht es sich, dass die Messwertaufnehmer 6 entsprechend des vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiels verschaltet und an eine Auswerteelektronik angekoppelt sein können. Ebenso kann eine alternative Verschaltung vorgesehen sein.
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Auch versteht es sich, dass neben einem Torsionsstab als Torsionskörper 3 und dass neben rohrförmigen Torsionskörpern 3 mit konischem bzw. abgestuftem Querschnitt auch weitere Querschnitte, wie nachfolgend anhand der 4 bis 9 erläutert, denkbar sind.
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So verfügt beispielsweise eine Drehmomentmesswelle 400 nach 5, ähnlich wie die Drehmomentmesswelle 100 nach den 1 und 4, über einen abgestuften Torsionskörper 3 zwischen Flanschen 1, 2, welcher eine erste Messzone 4 und eine zweite Messzone 5 mittels der unterschiedlichen Durchmesser bereitstellt. Im Gegensatz zur Drehmomentmesswelle 100 ist an der Drehmomentmesswelle 400 jedoch der Übergang von der ersten Messzone 4 zur zweiten Messzone 5 nicht durch einen starken Durchmessersprung sondern durch einen sanfteren Übergang gekennzeichnet. Folglich wird eine Kerbwirkung an dem Torsionskörper 3 der Drehmomentmesswelle 400 erheblich vermindern und somit die Lebensdauer bzw. die Belastbarkeit erhöht.
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Neben der Ausgestaltung der Drehmomentmesswelle 300 mit einer konischen Außenoberfläche nach 3, welche weiterhin in einer detaillierten Ansicht nach 6 dargestellt ist, kann die konische Ausgestaltung der Oberfläche eines Torsionskörpers 3 einer Drehmomentmesswelle 500 an einer Innenoberfläche vorgesehen sein, wie dieses in 7 schematisch dargestellt ist. Hierdurch wird eine zylindrische Außenoberfläche mit einer ersten Messzone 4 und einer zweiten Messzone 5 an der Drehmomentmesswelle 500 ausgebildet, wobei auch hier die Messwertaufnehmer 6 innen und/oder außen angeordnet sein können.
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Kombiniert man die Ausführungsbeispiele der Drehmomentmesswellen 300, 500 nach den 6 und 7, so führt dies zu einer weiteren Ausführungsform eine Drehmomentmesswelle, wie sie beispielhaft in 8 anhand einer Drehmomentmesswelle 600 mit einem doppelkonischen Torsionskörper 3 dargestellt ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Torsionskörper 3 verwirklicht, welcher eine besonders große Spreizung zwischen den Messbereichen der ersten Messzone 4 und der zweiten Messzone 5 aufweist. Es lassen sich hiermit folglich sowohl besonders große als auch besonders kleine Drehmomente mit einer ausreichend hohen Genauigkeit messen, wobei ebenfalls die vorstehend erläuterten Vorteile einer möglichen Erweiterung der Messbereiche mittels einer dritten Messzone möglich Ist.
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Es ist hierbei sofort ersichtlich, dass sich weitere Messzonen nicht lediglich auf konisch ausgebildete Torsionskörper beschränken. So kann beispielsweise der Torsionskörper 3 der Drehmomentmesswellen 100, 200, 300 einen weiteren Durchmessersprung aufweisen, an welchem Messwertaufnehmer 6 angebracht werden.
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Es ist weiterhin sofort ersichtlich, dass die diskontinuierliche Variation des Durchmessers an dem Torsionskörper 3 nicht lediglich auf der Außenseite erfolgen muss. So weist beispielsweise eine Drehmomentmesswelle 700 eine Durchmesservariation mit einer zylindrischen Außenoberfläche und einer gestuften Innenoberfläche auf, wobei auch hier die Messwertaufnehmer innen und/oder außen vorgesehen sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flansch
- 2
- Flansch
- 3
- Torsionskörper
- 4
- erste Messzone
- 5
- zweite Messzone
- 6
- Messwertaufnehmer (exemplarisch beziffert)
- 7
- Befestigungsbohrung (exemplarisch beziffert
- 8
- Befestigungsbohrung (exemplarisch beziffert
- 9
- Drehachse
- 20
- induktive Stromversorgung
- 21
- Mikroprozessor
- 22
- Speicher
- 23
- A-D-Wandler
- 24
- V-F-Wandler
- 25
- Operationsverstärker
- 26
- Brückenschaltung aus Dehnungsmessstreifen
- 27
- LED
- 30
- Stator
- 31
- Lichtsensor
- 32
- Sender für induktive Stromversorgung
- 100
- Drehmomentmesswelle
- 200
- Drehmomentmesswelle
- 300
- Drehmomentmesswelle
- 400
- Drehmomentmesswelle
- 500
- Drehmomentmesswelle
- 600
- Drehmomentmesswelle
- 700
- Drehmomentmesswelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/143986 [0002]
- DE 2011/000170 [0002, 0013]
- DE 2011/080170 [0006]
