DE102011120349A1

DE102011120349A1 - Device for realization of discrete, static rotational torque in rotational torque standard measuring device, has supplementary load mass stack whose spacing from lever bearing is different from spacing of application point to bearing

Info

Publication number: DE102011120349A1
Application number: DE102011120349A
Authority: DE
Inventors: René Theska; Alexander Wagner
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06

Abstract

The device has a bilateral lever (1) rotatably mounted in a lever bearing (2). An active force application point (3) for coupling of a load mass stack (5) i.e. chain mass stack, is provided at both sides of the lever. The sides of the lever comprise another active force application point for coupling of a supplementary load mass stack, whose spacing from the lever bearing is different from spacing of the former force application point to the lever bearing. The mass stacks are equal and unequal combination of individual load masses (4) i.e. standard weights. An independent claim is also included for a method for realization of a discrete, static rotational torque in a rotational torque standard measuring device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Realisierung von diskreten, statischen Drehmomenten in Drehmoment-Normalmesseinrichtungen (DmNME) mit Belastungsmassen an einem Belastungshebel, wie es z. B. in Drehmoment-Normalmesseinrichtungen zur Realisierung von Drehmomenten, oder in Kraftmess- bzw. Kalibriereinrichtungen zur Realisierung von Kräften zur Anwendung kommt.The present invention relates to an apparatus and a method for the realization of discrete, static torques in torque-normal-measuring devices (DmNME) with load masses on a load lever, as z. B. in torque normal measuring devices for the realization of torques, or in force measuring or calibration devices for the realization of forces is used.

Eine Drehmoment-Normalmesseinrichtung dient der Darstellung der physikalischen Größe Drehmoment und repräsentiert das höchste nationale Normal in der metrologischen Kette. Analog dienen Kraft-Normalmesseinrichtungen zur Darstellung der physikalischen Größe Kraft. Im Folgenden wird lediglich Bezug auf die Drehmoment-Normalmesseinrichtung genommen, da es das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung darstellt.A torque normal measuring device is used to represent the physical quantity of torque and represents the highest national standard in the metrological chain. Analog serve force-normal measuring devices for representing the physical size of force. In the following, reference will only be made to the torque standard measuring device, since it represents the main field of application of the invention.

Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung besteht die Forderung nach Messung und Realisierung kleiner Drehmomente mit geringer relativer Unsicherheit, was im besonderen Maße für Drehmoment-Normalmesseinrichtungen (DmNME) gilt. Das dabei verwendete Hebel-Masse-Prinzip in seiner bisherigen Ausführung hat einen wesentlichen Nachteil, da kleine Drehmomente entsprechend kleine Belastungsmassen erforderlich machen, welche allerdings mit hohen relativen Unsicherheiten behaftet sind. Diese Tatsache steht somit im direkten Gegensatz zur Forderung. Eine Verkürzung des Hebels ermöglicht zwar kleinere Drehmomente mit größeren Massen, schränkt allerdings den Drehmomentbereich der Einrichtung ein, da im Fall eines kurzen Hebels sehr große Massen für einen großen Drehmomentbereich erforderlich werden. Weiterhin führt ein kürzerer Hebelarm zu einer höheren relativen Unsicherheit der Hebellänge.Due to the progressive miniaturization, there is the demand for measurement and realization of small torques with low relative uncertainty, which is particularly true for torque normal measuring devices (DmNME). The lever-mass principle used in its previous design has a significant disadvantage, since small torques make correspondingly small load masses required, which, however, are associated with high relative uncertainties. This fact is thus in direct opposition to the requirement. Although a shortening of the lever allows smaller torques with larger masses, but limits the torque range of the device, as in the case of a short lever very large masses for a large torque range are required. Furthermore, a shorter lever arm leads to a higher relative uncertainty of the lever length.

Ein weiterer Nachteil bekannter Lösungen ergibt sich bezüglich der Belastungsmassen. Diese sind meist Einzelanfertigungen, welche nach vorhandener Hebelarmlänge und vor Ort wirkender Erdbeschleunigung so ausgelegt sind, dass möglichst „runde” Drehmomentwerte erreicht werden. Der Einsatz von Standardgewichten nach OIML R 111-1 ist mit bekannten Lösungen nur bedingt möglich, da die realisierbaren Drehmomentstufen durch die festgelegte Stufung der Standardgewichte stark eingeschränkt sind. Auch die Realisierung binärer Drehmomentstufen, was die Anzahl erforderlicher Belastungsmassen enorm verringert, ist mit Standardgewichten bisher nicht möglich.Another disadvantage of known solutions arises with respect to the loading masses. These are mostly custom-made products, which are designed according to existing lever arm length and on-site acting gravitational acceleration so that as "round" torque values are achieved. The use of standard weights after OIML R 111-1 is only partially possible with known solutions, since the feasible torque levels are severely limited by the specified gradation of the standard weights. The implementation of binary torque levels, which reduces the number of required load masses enormously, is not yet possible with standard weights.

Beispielhaft wird in dem Artikel: Park, Y.; Kim, M. & Kang, D.: Development of a small capacity deadweight torque standard machine, Measurement Science and Technology, Institute of Physics Publishing, 2007, 18, 3273–3278 , eine vom Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) entwickelte 100 – N·m – DmNME beschrieben. Diese Einrichtung nutzt das bekannte Hebel-Masse-Prinzip zur Realisierung des Drehmomentes. Der Belastungshebel ist durch ein Luftlager drehbar gelagert und besitzt an beiden Hebelenden jeweils eine Koppelstelle zur Aufnahme eines Massestapels. Pro Hebelseite stehen drei Massestapel zu Verfügung, welche zur Realisierung verschiedener Drehmomentbereiche und somit zur Kalibrierung von Drehmoment-Messgeräten verschiedener Nennmomente zwischen 1 N·m und 100 N·m dienen. Die Massestapel sind als Kettenmassestapel ausgeführt. Der angekoppelte Massestapel wird durch eine entsprechende Hubvorrichtung abgesenkt, wobei sich die Massen einzeln, mit der obersten beginnend, an den Hebel hängen. Der Wechsel eines Massestapels wird durch einen Drehtisch ermöglicht, auf welchem die Massestapel platziert sind. Da die Massestapel als Kettenstapel ausgeführt sind, können stets nur so viele Drehmomentstufen realisiert werden, wie Einzelmassen im Massestapel vorhanden sind. Aus diesem Grund sind zusätzliche Massestapel erforderlich, um den realisierbaren Drehmomentbereich zu erweitern. Dies wirkt sich jedoch negativ auf den erforderlichen technischen Aufwand aus.By way of example, in the Article: Park, Y .; Kim, M. & Kang, D .: Development of a Small Capacity Deadweight Torque Standard Machine, Measurement Science and Technology, Institute of Physics Publishing, 2007, 18, 3273-3278 , a 100 - N · m - DmNME developed by the Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS). This device uses the well-known lever-mass principle to realize the torque. The loading lever is rotatably supported by an air bearing and has at both ends of the lever each a coupling point for receiving a mass stack. Three mass stacks are available per lever side, which serve to realize different torque ranges and thus to calibrate torque measuring devices of different nominal torques between 1 N · m and 100 N · m. The mass stacks are designed as a chain mass stack. The coupled mass stack is lowered by a corresponding lifting device, wherein the masses individually, starting with the top, hang on the lever. The change of a mass pile is made possible by a turntable on which the mass stacks are placed. Since the mass stacks are designed as chain stacks, only as many torque stages can be realized as there are individual masses in the mass stack. For this reason, additional mass stacks are required to expand the realizable torque range. However, this has a negative effect on the required technical effort.

Aus der DE 100 32 978 A1 ist eine weitere DmNME bekannt, die Neuerungen an mehreren Funktionsgruppen aufweist. Ziel dieser Neuerungen ist es, eine DmNME sowohl als Primärnormal, als auch als Kalibriereinrichtung im industriellen Einsatz verwenden zu können. Insbesondere wird eine Anordnung zur Realisierung von Drehmomenten unter Verwendung eines drehbar gelagerten Hebels beschrieben, an dessen Enden jeweils ein Massestapel ankoppelbar ist. Dies entspricht dem grundlegenden, bekannten Aufbau einer derartigen Einrichtung mit Hebel-Masse-Prinzip. Als Neuerung weisen die Massestapel binär-geometrisch gestufte Einzelmassen auf, die jeweils durch einen gesonderten Massenaktuator einzeln an den Hebel ankoppelbar sind. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht jeder Massestapel aus zwölf unabhängig voneinander anwählbaren Einzelmassen, von denen jede doppelt so schwer ist wie die vorhergehende (geometrische Reihe). Die kleinste Einzelmasse erzeugt in Verbindung mit der Gravitation eine Kraft von 2 N. Bei einer Hebellänge von 500 mm ist demnach ein Drehmomentbereich von 1100 N·m in Stufen von 1 N·m realisierbar. Mit herkömmlichen Kettenmassenstapeln, bei denen sich eine Einzelmasse an die andere hängt, wären dazu 1100 Einzelmassen erforderlich. Hinsichtlich der relativen Unsicherheit ist die in der DE 100 32 978 A1 vorgestellte Lösung ebenfalls vorteilhaft, da sich besonders bei höheren Drehmomenten pro Drehmomentstufe weniger Einzelmassen in Eingriff befinden und somit weniger Unsicherheitsfaktoren existieren. Allerdings besteht hier das Problem der hohen relativen Unsicherheit bei kleinen Drehmomenten. Da der Massestapel am Hebelende befestigt ist und somit stets eine große wirksame Hebellänge existiert (in diesem Ausführungsbeispiel 500 mm), sind für kleine Drehmomente entsprechend kleine Massen erforderlich, welche die relative Unsicherheit wiederum erhöhen.From the DE 100 32 978 A1 is another DmNME known that has innovations in several functional groups. The aim of these innovations is to be able to use a DmNME both as a primary standard and as a calibration device in industrial applications. In particular, an arrangement for the realization of torques using a rotatably mounted lever is described, at whose ends in each case a mass stack can be coupled. This corresponds to the basic, known structure of such a device with lever-mass principle. As an innovation, the mass stack on binary-geometrically stepped individual masses, which can be individually coupled to the lever by a separate mass actuator. In the described embodiment, each mass stack consists of twelve individual masses which can be selected independently of one another, each of which is twice as heavy as the preceding one (geometric series). The smallest single mass generates in conjunction with gravity a force of 2 N. With a lever length of 500 mm, a torque range of 1100 N · m can therefore be realized in steps of 1 N · m. With conventional chain mass stacks, in which a single mass depends on the other, this would require 1100 individual masses. Regarding the relative uncertainty, the one in the DE 100 32 978 A1 presented solution also advantageous because less individual masses are engaged, and thus less, especially at higher torques per torque level Uncertainties exist. However, there is the problem of high relative uncertainty at low torques. Since the mass stack is fixed to the lever end and thus always a large effective lever length exists (500 mm in this embodiment), correspondingly small masses are required for small torques, which in turn increase the relative uncertainty.

In der JP 09304214 A wird ebenfalls eine Methode zur Realisierung von Drehmomenten unter Verwendung des Hebel-Masse-Prinzips beschrieben. Die Neuerung hierbei ist, dass beide Hebelenden mit einer Koppelstelle versehen sind, welche mehrere Kraftangriffspunkte mit definierten Abständen zum Hebellager besitzen, und somit mehrere Hebellängen ermöglichen. In dem Ausführungsbeispiel wird dies durch ein Bauteil mit zwei oder mehr V-Nuten dargestellt, welches fest am Hebelende angebracht ist. Die beiden Massestapel hingegen verfügen über je eine Koppelstelle in Form einer Schneide, mit welcher sie schließlich in eine der V-Nuten je Hebelende eingehängt werden können. Zur Drehmomentvariation werden nun die Massestapel in entsprechender Kombination in eine andere V-Nut gehängt. Hierbei ist vorteilhaft, dass verschiedene Drehmomente mit einer konstanten Masse realisiert werden können. Allerdings ergeben sich auch einige Nachteile. Um einen großen Drehmomentbereich mit einer entsprechend hohen Anzahl an Schritten zu realisieren, benötigt es eine hohe Anzahl an Kraftangriffspunkten (bzw. V-Nuten) je Hebelseite. Würde man mit dieser Anordnung 1100 Drehmomentschritte realisieren wollen, wie es in dem Ausführungsbeispiel der DE 100 32 978 A1 der Fall ist, würden hier pro Hebelseite 1100 V-Nuten erforderlich sein. Dabei ist zu erwähnen, dass jeder Positionswechsel der Massestapel in eine andere V-Nut mit weiteren Unsicherheiten behaftet ist, da der Massestapel nie exakt die gleiche Position in einer V-Nut einnehmen wird (Wiederholgenauigkeit). Die wirksame Hebellänge ist in diesem Fall mit einer hohen relativen Unsicherheit belastet, was den Vorteil einer stets konstanten Masse, zumindest für große Drehmomentbereiche und einer entsprechend großen Anzahl an Schritten, in Frage stellt. Dieses Problem wird weiter verschärft, wenn man den hohen Verschleiß an derartigen Schneidenlagern betrachtet, welcher durch den ständigen Wechsel der Positionen zusätzlich verstärkt wird.In the JP 09304214 A Also, a method for realizing torques using the lever-mass principle is described. The novelty here is that both lever ends are provided with a coupling point, which have multiple points of force application with defined distances to the lever bearing, and thus allow multiple lever lengths. In the embodiment, this is represented by a component having two or more V-grooves, which is fixedly attached to the lever end. The two mass stacks, however, each have a coupling point in the form of a cutting edge, with which they can finally be hooked into one of the V-grooves per lever end. For torque variation, the mass stacks are now hung in a corresponding combination in another V-groove. It is advantageous that different torques can be realized with a constant mass. However, there are also some disadvantages. In order to realize a large torque range with a correspondingly high number of steps, it requires a large number of force application points (or V-grooves) per lever side. Would you want to realize with this arrangement 1100 torque steps, as in the embodiment of the DE 100 32 978 A1 If this is the case, 1100 V slots would be required per lever side. It should be mentioned that each position change of the mass stack in another V-groove is subject to further uncertainties, since the mass stack will never take exactly the same position in a V-groove (repeatability). The effective lever length is in this case loaded with a high relative uncertainty, which puts into question the advantage of an always constant mass, at least for large torque ranges and a correspondingly large number of steps. This problem is exacerbated when one considers the high wear on such blade bearings, which is further enhanced by the constant change of positions.

Auch in dem Artikel: Nishino, A.; Ogushi, K.; Ueda, K.: Evaluation of moment arm length and fulcrum sensitivity limit in a 10 N·m dead weight torque standard machine, Measurement, 2010 , wird eine 10 – N·m – DmNME beschrieben, wobei hier besonders die Bestimmung der Hebellänge und die Empfindlichkeit des Hebellagers betrachtet werden. Jedoch sind für diese Analyse die Methode der Drehmomentrealisierung und insbesondere die dargestellte Anordnung der Belastungsmassen von Interesse. Auch hier findet das Hebel-Masse-Prinzip Anwendung. Der luftgelagerte Belastungshebel besitzt an beiden Hebelenden je einen Kraftangriffspunkt, an welchem eine Aufnahme für die Belastungsmassen befestigt ist. Beide Aufnahmen beinhalten je fünf Plattformen, auf welchen je ein Massestück platziert werden kann. Pro Hebelseite können demnach fünf Massestücke platziert werden, die entsprechend der geforderten Mess- bzw. Kalibrieraufgabe ausgewählt werden können. Dabei stehen Standardgewichte mit Nennwerten von 1 mg bis 1 kg zu Verfügung, welche der internationalen Richtlinie OIML R 111-1 entsprechen. Durch eine Hubeinrichtung können die Standardgewichte einzeln und in beliebiger Variation angehoben und wieder auf die Plattform abgesenkt werden und somit in Eingriff und außer Eingriff gebracht werden. In einem Beispiel wird die Kalibrierung eines 1 – N·m – Drehmomentaufnehmers beschrieben. Dabei werden an beiden Hebelenden jeweils ein 10 g Massestück, zwei 20 g Massestücke, ein 50 g und ein 100 g Massestück angeordnet. Mit der vorhandenen Hebellänge von ca. 510 mm (einseitig) ist nun die Kalibrierung des 1 – N·m – Drehmomentaufnehmers in Schritten von 5% des Nennmomentes (50 mN·m) möglich. Laut der Kalibriervorschrift EA 10/14 ist zu Beginn einer Kalibrierung eine Überbelastung des Drehmomentaufnehmers um 8% bis 12% des Nenndrehmomentes empfohlen. Dies ist in dem genannten Beispiel allerdings nicht möglich, da das maximal realisierbare Drehmoment genau dem Nenndrehmoment von 1 N·m entspricht. Weiterhin besteht auch hier der Nachteil der hohen relativen Unsicherheit bei kleinen Drehmomenten.Also in the Article: Nishino, A .; Ogushi, K .; Ueda, K .: Evaluation of moment arm length and fulcrum sensitivity limit in a 10 N · m dead weight torque standard machine, Measurement, 2010 , a 10 - N · m - DmNME is described, with special emphasis on the determination of the lever length and the sensitivity of the lever bearing. However, for this analysis, the method of torque realization and in particular the illustrated arrangement of the load masses of interest. Again, the lever-mass principle applies. The air bearing load lever has at both ends of the lever each a force application point on which a receptacle for the load masses is attached. Both recordings each contain five platforms, on each of which a piece of ground can be placed. Accordingly, five mass pieces can be placed per lever side, which can be selected according to the required measuring or calibration task. Standard weights with nominal values from 1 mg to 1 kg are available International Directive OIML R 111-1 correspond. By a lifting device, the standard weights can be raised individually and in any variation and lowered back onto the platform and thus engaged and disengaged. In one example, the calibration of a 1Nm torque transducer will be described. In each case, a 10 g piece of ground, two 20 g mass pieces, a 50 g and a 100 g piece of ground are arranged at both ends of the lever. With the existing lever length of approx. 510 mm (one - sided), the calibration of the 1 - N · m torque transducer is now possible in steps of 5% of the nominal torque (50 mN · m). According to the calibration specification EA 10/14, at the beginning of a calibration an overloading of the torque transducer by 8% to 12% of the rated torque is recommended. However, this is not possible in the example mentioned since the maximum realizable torque corresponds exactly to the nominal torque of 1 N · m. Furthermore, there is also the disadvantage of high relative uncertainty at low torques.

Es bestehen demnach für alle aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eindeutige Grenzen bezüglich der Realisierung kleiner Drehmomente mit geringer relativer Unsicherheit.Accordingly, there are clear limits to the realization of small torques with low relative uncertainty for all solutions known from the prior art.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Realisierung von diskreten, statischen Drehmomenten in Drehmoment-Normalmesseinrichtungen mit Belastungsmassen an einem Belastungshebel bereitzustellen, mit denen es gelingt, die relative Messunsicherheit insbesondere bei kleinen Drehmomenten zu minimieren, wobei Standardgewichte nach OIML R 111-1 eingesetzt werden sollen und die Vorgaben nach DIN 51309 bzw. DKD-R 3-5 einzuhalten sind.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a device and a method for the realization of discrete, static torques in torque normal measuring devices with load masses on a loading lever, which succeed, in particular, the relative measurement uncertainty to minimize at low torques, with standard weights after OIML R 111-1 should be used and the specifications DIN 51309 respectively. DKD-R 3-5 are to be kept.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig mit den Merkmalen des neunten oder zehnten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved on the device side with the features of the first claim and on the procedural side with the features of the ninth or tenth patent claim. Preferred further embodiments of the device according to the invention are specified in the subclaims.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigt: Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings, in which the same reference numerals designate like or similar parts throughout the figures, is explained in more detail. It shows:

1 – Prinzipdarstellung einer bekannten Drehmoment-Normalmesseinrichtung mit Hebel-Masse-Prinzip 1 - Schematic representation of a known torque normal measuring device with lever-mass principle

2 – Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 - Schematic representation of the device according to the invention

3 – Tabelle der theoretisch möglichen Varianten zur Drehmomentrealisierung 3 - Table of theoretically possible variants for torque realization

4 – ein konkretes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung 4 - A concrete embodiment of the solution according to the invention

Der grundsätzliche Aufbau einer Drehmoment-Normalmesseinrichtung ist in 1 dargestellt. Er kann anschaulich in drei Hauptfunktionsgruppen gegliedert werden, welche mechanisch in Reihe geschaltet sind. Die Funktionsgruppe A dient der Realisierung des Drehmomentes. In derartigen hochpräzisen Drehmoment-Normalmesseinrichtungen hat sich das Hebel-Masse-Prinzip als Grundkonzept zur Realisierung des Drehmomentes bewährt. Dabei wird ein zweiseitiger Hebel (1) über ein Hebellager (2) drehbar gelagert. An den beiden Hebelenden werden über Kraftangriffspunkte (3) einzelne Belastungsmassestücke (4) (im weiteren Verlauf als Belastungsmassen bezeichnet) in Form von Belastungsmassestapeln (5) (im weiteren Verlauf als Massestapel bezeichnet) angebracht. Die Belastungsmassen (4) bewirken unter Nutzung der Erdbeschleunigung eine definierte Kraft. Diese Kraft realisiert über die wirksame Hebellänge, welche durch den Abstand des Kraftangriffspunktes (3) und der Lagerachse des Hebellagers (2) definiert wird, ein Drehmoment. Die physikalische Größe Drehmoment kann so durch die SI-Basiseinheiten Masse und Länge unter Nutzung der Erdbeschleunigung mit einem relativ einfachen Aufbau dargestellt werden.The basic structure of a torque standard measuring device is in 1 shown. It can clearly be divided into three main functional groups, which are mechanically connected in series. The function group A is used to realize the torque. In such high-precision torque-normal measuring devices, the lever-mass principle has proven to be a basic concept for realizing the torque. This is a two-sided lever ( 1 ) via a lever bearing ( 2 ) rotatably mounted. At the two ends of the lever are determined by force application points ( 3 ) individual load mass pieces ( 4 ) (hereinafter referred to as stress masses) in the form of stress mass stacks ( 5 ) (hereinafter referred to as mass stack) attached. The load masses ( 4 ) cause using the acceleration of gravity a defined force. This force is realized by the effective lever length, which is determined by the distance of the force application point ( 3 ) and the bearing axis of the lever bearing ( 2 ) is defined as a torque. The physical quantity torque can thus be represented by the SI base units mass and length using the acceleration of gravity with a relatively simple structure.

Durch eine geeignete erste Kopplung (6) ist die Funktionsgruppe A mit der Funktionsgruppe B verbunden, wobei Letztere der Aufnahme des zu prüfenden Drehmoment-Messgerätes (7) (im weiteren Verlauf als Messgerät bezeichnet) und der Einleitung des Drehmomentes in das Messgerät (7) dient. Durch eine zweite Kopplung (8) ist Funktionsgruppe B mit Funktionsgruppe C verbunden. Die Funktionsgruppe C, oft als Gegendrehmomenteinrichtung bezeichnet, dient der Lagekorrektur des Hebels (1) bezüglich der durch die Belastung hervorgerufenen Verdrehung um die Lagerachse. Somit kann der Winkelfehler minimiert werden, welcher die Hebellänge negativ beeinflusst. Die hier beschriebene Erfindung betrifft lediglich die Funktionsgruppe A, also die Realisierung eines Drehmomentes.By a suitable first coupling ( 6 ), the function group A is connected to the function group B, the latter of the recording of the torque measuring device to be tested ( 7 ) (hereafter referred to as measuring device) and the introduction of torque into the measuring device ( 7 ) serves. Through a second coupling ( 8th ), function group B is connected to function group C. The function group C, often referred to as counter torque device, serves the position correction of the lever ( 1 ) with respect to the distortion caused by the load around the bearing axis. Thus, the angle error can be minimized, which affects the lever length negative. The invention described here relates only to the functional group A, ie the realization of a torque.

Das Hebel-Masse-Prinzip wird in vielen Fällen und besonders im Bereich kleiner Drehmomente zur Drehmomentrealisierung genutzt. Der zweiseitige Hebel (1) wird in den bekannten Drehmoment-Normalmesseinrichtungen beispielsweise durch Luftlager oder Federgelenke gelagert. An den beiden Enden des Hebels (1) befindet sich jeweils ein Kraftangriffspunkt (3), an welchem die Belastungsmassen (4) durch geeignete Kopplungen, beispielsweise durch Folienbänder, angebracht sind. In den bekannten Drehmoment-Normalmesseinrichtungen sind die Belastungsmassen (4) an den beiden Enden des zweiseitigen Hebels (1) zu Belastungsmassestapeln (5) zusammengefasst. Die Massestapel (5) sind üblicherweise auf beiden Hebelseiten identisch ausgelegt. Bekannt sind zwei Ausführungsformen der Massestapel (5). In vielen Fällen kommen Kettenmassenstapel zum Einsatz, wobei sich die Belastungsmassen (4) durch Absenken einer entsprechenden Hubeinrichtung nacheinander an den Hebel (1) hängen. In diesem Fall entspricht die Anzahl der Belastungsmassen (4) im Massestapel (5) exakt der Anzahl der realisierbaren Drehmoment-Schritte. Eine hohe Anzahl an Schritten erfordert somit eine hohe Anzahl an Belastungsmassen (4), welche häufig auf mehrere bereitstehende Massestapel (5) aufgeteilt werden, welche bei Bedarf in Eingriff kommen.The lever-mass principle is used in many cases, and especially in the range of small torques for torque realization. The two-sided lever ( 1 ) is stored in the known torque normal measuring devices, for example by air bearings or spring joints. At the two ends of the lever ( 1 ) is in each case a force application point ( 3 ), on which the load masses ( 4 ) are attached by suitable couplings, for example by foil tapes. In the known torque normal measuring devices, the load masses ( 4 ) at the two ends of the two-sided lever ( 1 ) to load mass stacks ( 5 ) summarized. The mass pile ( 5 ) are usually designed identically on both sides of the lever. Two embodiments of the mass stack are known ( 5 ). In many cases, chain mass stacks are used, whereby the load masses ( 4 ) by lowering a corresponding lifting device successively to the lever ( 1 ) hang. In this case, the number of load masses ( 4 ) in the mass stack ( 5 ) exactly the number of realizable torque steps. A high number of steps thus requires a high number of loading masses ( 4 ), which are often applied to several mass batches ( 5 ), which engage as needed.

Eine weitere Ausführungsform der Massenstapel (5) ermöglicht eine individuelle Auswahl der Belastungsmassen (4). Hierbei kann durch eine entsprechende Einrichtung jede beliebige Kombination von wirkenden, also in Eingriff befindlichen Belastungsmassen (4) realisiert werden. Dadurch ist es möglich, eine hohe Schrittzahl mit einer geringen Anzahl an Belastungsmassen (4) zu realisieren. Hierbei werden die Massestapel (5) meist binär ausgelegt (die größte Belastungsmasse ist doppelt so groß wie die vorhergehende Belastungsmasse usw.).Another embodiment of the mass stack ( 5 ) allows an individual selection of the load masses ( 4 ). In this case, by means of a corresponding device, any desired combination of acting, ie engaged, loading masses ( 4 ) will be realized. This makes it possible to achieve a high number of steps with a small number of loading masses ( 4 ) to realize. Here are the mass pile ( 5 ) mostly binary designed (the largest load mass is twice as large as the previous load mass, etc.).

Die Belastungsmassen (4) sind in den meisten Fällen Sonderanfertigungen für die jeweilige Drehmoment-Normalmesseinrichtung. Aber auch der Einsatz von Standardgewichten nach OIML R 111-1 ist bekannt, wobei hier nur die Methode der individuellen Masseauswahl in Frage kommen kann.The load masses ( 4 ) are in most cases custom-made for the respective torque normalizing device. But also the use of standard weights OIML R 111-1 is known, but here only the method of individual mass selection can be considered.

Grundlage für die Auslegung und den Betrieb einer Drehmoment-Normalmesseinrichtung ist die aus der europäischen Richtlinie EURAMET/cg-14/v.01 der EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) abgeleitete Norm DIN 51309 und die ergänzende Richtlinie DKD-R 3-5 zur Kalibrierung von Drehmomentmessgeräten für statische Drehmomente. Darin werden u. a. die erforderliche Schrittanzahl und die Schrittweite entsprechend dem Nenndrehmoment des zu kalibrierenden Drehmomentmessgerätes festgelegt.Basis for the design and operation of a torque standard measuring device is the from the European Directive EURAMET / cg-14 / v.01 of the EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) derived Standard DIN 51309 and the supplementary Guideline DKD-R 3-5 for the calibration of static torque measuring devices. Among other things, the required number of steps and the step size are specified the nominal torque of the torque measuring device to be calibrated.

In 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer neuartigen Anordnung der Belastungsmassen (4) an einem zweiseitigen Hebel (1) prinzipiell dargestellt. Die bisher bekannte Anordnung eines schwenkbar gelagerten zweiseitigen Hebels (1) mit einem Kraftangriffspunkt (3) je Hebelseite wird durch mindestens einen weiteren Kraftangriffspunkt (3') je Hebelseite erweitert. Pro Hebelseite existieren also mindestens zwei, vom Hebellager (2) unterschiedlich beabstandete Kraftangriffspunkte (3, 3'). Das ermöglicht die Anordnung von Kraftangriffspunkten (3') näher am Hebellager (2), was die wirksame Hebellänge verringert. Kleine Drehmomente können so mit größeren Belastungsmassen (4) realisiert werden, welche eine geringere relative Messunsicherheit aufweisen. Die kürzere Hebellänge führt zwangsläufig zu einer höheren relativen Unsicherheit. Im Bereich kleiner Drehmomente ist allerdings der Unsicherheitsbeitrag der Masse wesentlich höher als der Unsicherheitsbeitrag der Länge. Somit kann im Endergebnis eine geringere relative Unsicherheit erreicht werden.In 2 is the device according to the invention with a novel arrangement of the load masses ( 4 ) on a two-sided lever ( 1 ) shown in principle. The previously known arrangement of a pivotally mounted two-sided lever ( 1 ) with a force application point ( 3 ) each lever side is replaced by at least one further force application point ( 3 ' ) extended each lever side. So at least two leverage side, from the lever bearing ( 2 ) differently spaced force application points ( 3 . 3 ' ). This allows the arrangement of force application points ( 3 ' ) closer to the lever bearing ( 2 ), which reduces the effective lever length. Small torques can thus with larger load masses ( 4 ), which have a lower relative measurement uncertainty. The shorter lever length inevitably leads to a higher relative uncertainty. In the area of small torques, however, the uncertainty contribution of the mass is much higher than the uncertainty contribution of the length. Thus, in the end result, a lower relative uncertainty can be achieved.

Pro Kraftangriffspunkt (3, 3') sind mehrere Belastungsmassen (4) ankoppelbar, wobei die Belastungsmassen (4) durch eine geeignete Einrichtung (nicht dargestellt) in beliebiger Variation in Eingriff und außer Eingriff gebracht werden können.Per force application point ( 3 . 3 ' ) are several load masses ( 4 ), the load masses ( 4 ) can be engaged and disengaged in any variation by any suitable means (not shown).

Die Anzahl und die Position der Kraftangriffspunkte (3, 3') auf dem Hebel (1), sowie die Anzahl der an den einzelnen Kraftangriffspunkten (3, 3') angebrachten Belastungsmassen (4) sind abhängig von den Forderungen an die jeweilige Drehmoment-Normalmesseinrichtung (Nenndrehmomentbereich, kleinste Drehmomentstufe). Es sind somit verschiedenste Anordnungen denkbar. Um jedoch die relative Unsicherheit der Kalibrierdrehmomente minimal zu halten, ist die Anzahl in eingriff befindlicher Belastungsmassen (4) sowie die Anzahl aktiver Kraftangriffspunkte (3, 3') je Kalibrierdrehmoment zu minimieren. Das kann nur durch eine optimale Auslegung der Maschine hinsichtlich Anzahl und Position der Kraftangriffspunkte (3, 3') auf dem zweiseitigen Hebel (1), sowie Anzahl und Nennwerte der Belastungsmassen (4) an den Kraftangriffspunkten (3, 3') geschehen.The number and position of the force application points ( 3 . 3 ' ) on the lever ( 1 ), as well as the number at the individual force application points ( 3 . 3 ' ) loading masses ( 4 ) are dependent on the requirements of the respective torque standard measuring device (nominal torque range, smallest torque stage). There are thus a variety of arrangements conceivable. However, in order to minimize the relative uncertainty of the calibration torques, the number of loaded load masses ( 4 ) as well as the number of active force application points ( 3 . 3 ' ) to minimize each calibration torque. This can only be achieved by an optimal design of the machine with regard to the number and position of the force application points ( 3 . 3 ' ) on the two-sided lever ( 1 ), as well as number and nominal values of the load masses ( 4 ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) happen.

Außerdem wird durch die Anordnung mehrerer Kraftangriffspunkte (3, 3') pro Hebelseite der Einsatz von Standardgewichten ohne Einschränkung der realisierbaren Drehmomentstufen ermöglicht. Dadurch kann einerseits der Unsicherheitsbeitrag der Masse weiter gesenkt werden. Andererseits ist es möglich, trotz der diskreten 1-, 2-, und 5-Teilung der Standardgewichte binäre Drehmomentstufen zu erzeugen und die Anzahl der erforderlichen Belastungsmassen auf ein Minimum zu reduzieren. Ferner hat der Einsatz standardisierter Gewichte weitere Vorteile hinsichtlich der internationalen Vergleichbarkeit der verschiedenen nationalen Normale des Drehmomentes.In addition, the arrangement of several force application points ( 3 . 3 ' ) per lever side, the use of standard weights without restricting the achievable torque levels. As a result, on the one hand, the uncertainty contribution of the mass can be further reduced. On the other hand, it is possible to generate binary torque levels despite the discrete 1, 2, and 5 divisions of the standard weights and to minimize the number of load weights required. Furthermore, the use of standardized weights has further advantages in terms of international comparability of the various national standards of torque.

Ein gewünschtes Drehmoment kann mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durch vier Varianten realisiert werden, welche in 3 aufgezeigt sind. Bei der Variante A wird lediglich eine Belastungsmasse je Drehmoment genutzt. Vorteil dieser Variante ist die geringe relative Unsicherheit des Drehmomentes aufgrund der geringeren Anzahl an fehlerbehafteten Einflussgrößen. Nachteilig ist die hohe erforderliche Anzahl an Belastungsmassen bzw. der mit wenigen Belastungsmassen realisierbare kleine Drehmomentbereich.A desired torque can be realized with the described device according to the invention by four variants, which in 3 are shown. In variant A, only one load mass per torque is used. The advantage of this variant is the low relative uncertainty of the torque due to the smaller number of faulty influencing variables. A disadvantage is the high required number of load masses or the small torque range that can be realized with a few load masses.

Die Variante B erlaubt die Verwendung aller Belastungsmassen eines Kraftangriffspunktes um ein Kalibrierdrehmoment zu realisieren. Die Variante C erlaubt den Einsatz aller Belastungsmassen und Kraftangriffspunkte einer Hebelseite, während Variante D die Verwendung aller Belastungsmassen und Kraftangriffspunkte auf beiden Hebelseiten zur Realisierung eines Kalibrierdrehmomentes gestattet.Variant B allows the use of all load masses of a force application point to realize a calibration torque. The variant C allows the use of all load masses and force application points of a lever side, while variant D allows the use of all load masses and force application points on both sides of the lever to realize a calibration torque.

Während die Anzahl der insgesamt erforderlichen Belastungsmassen für einen bestimmten Nenndrehmomentbereich von Variante A nach Variante D sinkt, steigt die relative Unsicherheit aufgrund der zunehmenden Anzahl an fehlerbehafteten Einflussgrößen. Welche Variante schließlich zum Einsatz kommt, muss anhand der Anforderungen an die Maschine entschieden werden.While the number of total required load masses for a certain nominal torque range from variant A to variant D decreases, the relative uncertainty increases due to the increasing number of faulty influencing variables. Which variant is finally used must be decided on the basis of the requirements of the machine.

4 zeigt ein konkretes Beispiel der neuen Anordnung der Variante B (Verwendung aller Belastungsmassen eines Kraftangriffspunktes) mit den folgenden zugrunde liegenden Forderungen: Die Einrichtung soll Drehmomentmessgeräte mit Nenndrehmomenten im Bereich von 10 mN·m bis 1 Nm kalibrieren können. Entsprechend der Empfehlung der DIN 51309 soll der Drehmomentbereich in 10 Schritten durchlaufen werden können. Die Schrittweite entspricht dabei jeweils 10% des Nenndrehmomentes. Als Belastungsmassen kommen Standardgewichtsstücke in der üblichen 1-, 2- und 5-Teilung zum Einsatz. Im dargestellten Beispiel werden zwei Kraftangriffspunkte pro Hebelseite genutzt, mit denen Hebellängen von 20 mm und 100 mm realisiert werden. 4 shows a concrete example of the new arrangement of variant B (use of all load masses of a force application point) with the following underlying requirements: The device is to be able to calibrate torque measuring devices with nominal torques in the range of 10 mN · m to 1 Nm. According to the recommendation of the DIN 51309 The torque range should be passed through in 10 steps. The step size corresponds to 10% of the rated torque. As load masses standard weight pieces in the usual 1-, 2- and 5-division are used. In the example shown, two force application points per lever side are used, with which lever lengths of 20 mm and 100 mm can be realized.

Auf den inneren Kraftangriffspunkten sind jeweils sieben Belastungsmassen angebracht, welche einen Drehmomentbereich von 0 bis 50 mN·m in Schritten von 1 mN·m durchlaufen können. Dabei kommen Belastungsmassen von 5 g bis 100 g zum Einsatz. Mit Hilfe dieser inneren Kraftangriffspunkte können Messgeräte mit Nenndrehmomenten von 10 mN·m bis 50 mN·m entsprechend den Forderungen kalibriert werden. An den äußeren Kraftangriffspunkten kann einIn each case seven load masses are mounted on the inner force application points, which can pass through a torque range of 0 to 50 mN · m in steps of 1 mN · m. In this case, loading masses of 5 g to 100 g are used. With the help of these internal force application points, measuring devices with rated torques of 10 mN · m to 50 mN · m can be used be calibrated. At the outer force application points can be

Drehmomentbereich von 0 bis 1,1 N·m in Schritten von 5 mN·m realisiert werden. Dabei kommen jeweils neun Belastungsmassen von 5 g bis 500 g zum Einsatz. Folglich können damit Messgeräte mit Nenndrehmomenten von 50 mN·m bis 1 N·m kalibriert werden.Torque range from 0 to 1.1 N · m in steps of 5 mN · m can be realized. In each case nine loading masses of 5 g to 500 g are used. As a result, measuring instruments with nominal torques of 50 mN · m to 1 N · m can be calibrated.

4 zeigt diese Anordnung vereinfacht, wobei die Beschriftung der Belastungsmassen auf der linken Bildseite die Werte der damit erzeugten Drehmomente und auf der rechten Bildseite den tatsächlichen Nennwert der Belastungsmasse aufweist. 4 shows this arrangement simplified, the label of the load masses on the left side of the image have the values of the torques generated therewith and on the right side of the image the actual nominal value of the load mass.

Die vorliegende Erfindung hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten DmNME einige Vorteile. Zum einen ist die Anzahl der insgesamt benötigten Einzelmassen wesentlich geringer, zum anderen kann damit auch die Anzahl der pro Drehmoment in Eingriff befindlichen Massen verringert werden. Dies wird durch die Aufteilung des Drehmomentbereiches in binäre Stufen erreicht. Jede binäre Drehmomentstufe wird durch eine Einzelmasse realisiert, wobei die Stufen in beliebiger Kombination anwählbar sind. Das ermöglicht es, mit einer geringen Anzahl an Einzelmassen einen großen Drehmomentbereich mit kleinen Schritten zu durchlaufen.The present invention has some advantages over the DmNME known in the art. On the one hand, the number of individual masses required in total is much lower, and on the other hand, the number of masses engaged per torque can thus also be reduced. This is achieved by dividing the torque range into binary stages. Each binary torque stage is realized by a single mass, the stages are selectable in any combination. This makes it possible, with a small number of individual masses to go through a large torque range with small steps.

Ein weiterer Vorteil gegenüber bekannten DmNME, die das Hebel-Masse-Prinzip nutzen, ist die neuartige Anordnung der Massen am Hebel und der dadurch erreichte geringere Unsicherheitsbeitrag der Massen. Erfindungsgemäß existieren mehrere Kraftangriffspunkte pro Hebelseite. Es ist also möglich, Massen näher am Hebellager anzubringen und somit den wirkenden Hebel zu verkleinern, was die Verwendung größerer Massen für kleinere Drehmomente ermöglicht. Größere Massen sind mit geringeren relativen Unsicherheiten behaftet, was den Unsicherheitsbeitrag zum Gesamtergebnis verringert.Another advantage over known DmNME, which use the lever-mass principle, is the novel arrangement of the masses on the lever and thereby achieved lower uncertainty contribution of the masses. According to the invention, there are several force application points per lever side. It is thus possible to mount masses closer to the lever bearing and thus to reduce the acting lever, which allows the use of larger masses for smaller torques. Larger masses are associated with lower relative uncertainties, which reduces the uncertainty contribution to the overall result.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: zweiseitiger Hebeltwo-sided lever
22: Hebellagerlever bearing
3, 3'3, 3 ': KraftangriffspunkteForce application points
44: BelastungsmassenstückeLoad mass pieces
55: BelastungsmassestapelLoad mass pile
66: erste Kopplungfirst coupling
77: Drehmoment-MessgerätTorque Tester
88th: zweite Kopplungsecond coupling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10032978 A1 [0006, 0006, 0007]
JP 09304214 A [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

OIML R 111-1 [0004]
Article: Park, Y .; Kim, M. & Kang, D .: Development of a Small Capacity Deadweight Torque Standard Machine, Measurement Science and Technology, Institute of Physics Publishing, 2007, 18, 3273-3278 [0005]
Article: Nishino, A .; Ogushi, K .; Ueda, K .: Evaluation of Moment Arm Length and Fulcrum Sensitivity Limit in a 10 N · m Dead Weight Torque Standard Machine, Measurement, 2010 [0008]
International Directive OIML R 111-1 [0008]
OIML R 111-1 [0010]
DIN 51309 [0010]
DKD-R 3-5 [0010]
OIML R 111-1 [0021]
European Directive EURAMET / cg-14 / v.01 of the EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) [0022]
Standard DIN 51309 [0022]
Guideline DKD-R 3-5 [0022]
DIN 51309 [0030]

Claims

Device for the realization of discrete, static torques in a torque-normal-measuring device, the one in a lever bearing ( 2 ) rotatably mounted two-sided lever ( 1 ), wherein on both sides of the lever ( 1 ) one force application point each ( 3 ) for the coupling of load mass stacks ( 5 ) containing any combination of individual load mass pieces ( 4 ), is provided, characterized in that both sides of the lever ( 1 ) at least one second force application point ( 3 ' ) for coupling an additional load mass stack ( 5 ' ) whose distance from the lever bearing ( 2 ) different from the distance of the first force application point ( 3 ) to the lever bearing ( 2 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the load mass stack ( 5 . 5 ' ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) one side of the lever ( 1 ) identical combinations of individual load mass pieces ( 4 ) are.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the load mass stack ( 5 . 5 ' ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) one side of the lever ( 1 ) Unequal combinations of individual load mass pieces ( 4 ) are.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the load mass stacks ( 5 . 5 ' ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) of both sides of the lever ( 1 ) identical combinations of individual load mass pieces ( 4 ) are.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the load mass stacks ( 5 . 5 ' ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) of both sides of the lever ( 1 ) Unequal combinations of individual load mass pieces ( 4 ) are.

Device according to claim 1 or 3, characterized in that the load mass stacks ( 5 . 5 ' ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) of both sides of the lever ( 1 ) identical combinations of individual load mass pieces ( 4 ) are.

Device according to claim 1 or 3, characterized in that the load mass stacks ( 5 . 5 ' ) at the force application points ( 3 . 3 ' ) of both sides of the lever ( 1 ) Unequal combinations of individual load mass pieces ( 4 ) are.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the individual load mass pieces ( 4 ) are standardized.

Method for the realization of discrete, static torques in a torque standard measuring device with a device according to one of claims 1 to 8, characterized in that for each calibration torque, the number of loads in a load mass stack ( 5 . 5 ' ) engaged load mass pieces ( 4 ) and / or the number of effective force application points ( 3 . 3 ' ) and / or the number of used sides of the lever ( 1 ) are changed depending on the required rated torque range and the smallest torque level.

Method for the realization of discrete, static torques in a torque standard measuring device with a device according to claim 8, characterized in that binary torque stages are realized.