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Bei z. B. elektromotorisch angetriebenen Maschinen des allgemeinen Maschinenbaus werden die notwendigen, verschiedenen Funktionen oft über verteilte Antriebe realisiert, so daß in einer einzigen Maschine sehr oft viele verschiedene elektrische Antriebe vorhanden sind. Diese Antriebe bestehen entweder nur aus einem Elektromotor, dessen Abtriebwelle direkt die Bewegung erzeugt, oder es ist ein Getriebe zwischen geschaltet, um das Antriebsmoment zu erhöhen. Oft stellt sich die Aufgabe, diese Antriebe entweder vor Überlastung zu schützen (wenn die Maschine z. B. blockiert wird), oder das Antriebsmoment auf einem bestimmten Wert zu halten, damit die Maschine ihre Aufgabe gut erfüllen kann. Aus diesem Grund muß das Antriebsmoment, oder eine äquivalente Größe gemessen werden.
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Üblicherweise wird dazu im einfachsten Fall der Wirkstrom des Motors gemessen. Dieses Verfahren ist ungenau aber kostengünstig. Eine weitere, aber indirekte Methode ist die Messung der Stützkraft auf einen Hebel, der mit dem um die Antriebsachse drehbar gelagerten Antrieb verbunden ist. Man führt die Drehmomentmessung so auf eine Kraftmessung zurück. Die direkteste Methode ist die Messung des Drehmoments direkt an der Antriebswelle, indem in den Drehmomentfluß ein mitdrehender Sensor montiert wird. Diese Methode ist genau aber kostenintensiv, da das Signal und die Versorgungsenergie entweder über Schleifringe oder elektromagnetisch übertragen werden muß.
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Die hier beim Erfindungsgegenstand umgesetzte Methode der Messung des Reaktionsmoments ist bekannt. Als Reaktionsmoment wird das Moment bezeichnet, welches durch das Abtriebsmoment am Gehäuse des Motors oder des Getriebes auftritt. Dort wo das Gehäuse mit dem Maschine verbunden ist, tritt es nach außen. Setzt man zwischen das Gehäuse des Antriebs (Motor oder Getriebe) einen Reaktionsdrehmomentsensor, kann man das Abtriebsmoment sehr genau mit umgekehrtem Vorzeichen erfassen, ohne daß sich der Sensor mitdrehen muß.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Antrieb aus einem Motor besteht, dessen einzige Befestigung über einen konzentrisch zur Motorwelle liegenden Gehäuseflansch erfolgt. Genauso verhält es sich bei dem eventuell zusätzlich eingesetzten Getriebe. In solchen Fällen ist es möglich, den Drehmomentsensor so zu gestalten, daß er mit seiner ersten Planfläche als konzentrischer Ring am Motor- oder Getriebeflansch befestigt werden kann und mit seiner zweiten Planfläche am Maschinenrahmen.
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Ein solcher ringförmiger Reaktionsdrehmomentsensor ist bekannt. Auf Grund der schon bei kleinen Drehmomenten großen Durchmesserabmessungen der am Markt erhältlichen Motore und Getriebe wurde der Einsatz solcher Sensoren bisher aus Kostengründen vom Anwender abgelehnt. Die hohen Kosten ergeben sich durch die bei spanend bearbeiteten Teilen etwa mit dem Quadrat ihres Durchmessers zunehmenden Bearbeitungskosten.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt ein Lösungsansatz zugrunde, mit dem es möglich ist, die Kosten für die Herstellung so weit zu verkleinern, daß sich der Einsatz für den Anwender lohnt.
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Diese Kostenersparnis wird durch die in den Patentansprüchen 1 bis 14 genannten Merkmale erreicht.
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Der Reaktionsdrehmomentsensor besteht aus einem Hauptbauteil: die Meßscheibe (1), deren Innen- und Außendurchmesser so gewählt werden, daß sie mit dem Flanschdurchmesser des Antriebs korrespondieren. Das zu bestimmende Drehmoment läuft um die senkrecht zu den Flachseiten der Meßscheibe stehenden Achse (18).
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1 stellt eine Draufsicht auf die Flachseite der Meßscheibe (1) dar.
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Die Scheibe (1) besitzt auf ihren Flachseiten einen Satz (2), mit optimal vier Durchgangsbohrungen zur Befestigung am Antriebsflansch und einen Satz (3), mit optimal vier Durchgangsbohrungen zur Befestigung am Maschinenrahmen. Durch das eingesetze Fertigungsverfahren des Wasserstrahl- oder LASERschneidens kann sowohl der Aussendurchmesser (4), als auch der Innendurchmesser (5), sowie die Bohrungen hergestellt werden. Damit es möglich ist, mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen (6) oder ähnlichen dehnungserfassenden Hilfsmitteln, die durch das Antriebsmoment im Meßring erzeugten Dehnungen zu erfassen, müssen weitere, durch die Materialstärke komplett hindurchgehende Schnitte (7) senkrecht zur Flachseite durchgeführt werden. Prinzipiell sind alle die Schnittverläufe richtig und möglich, die dafür sorgen, daß die beiden Sätze von Befestigungsbohrungen auf zwei nach dem Schnitt, bis auf die Meßstellen mit DMS, getrennten Teilen (8, 9) des Meßrings liegen. Würde man wirklich einen kompletten Schnitt rund um den Meßring legen, würde die Scheibe offensichtlich in zwei Teile zerfallen.
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Deshalb muß der Schnitt an mindestens zwei, optimal vier Meßstellen (6) unterbrochen werden, sodaß sich mindestens zwei, optimal vier Schnittstrecken (7) ergeben. Das Drehmoment wird nun beispielsweise über die Vorderseite von Teilscheibe 8 eingeleitet und über die Hinterseite von Teilscheibe 9 ausgeleitet. Die Meßstellen übertragen als einzige Verbindung das Drehmoment.
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Durch die Montage an Motor oder Getriebe oder Maschinenrahmen darf keine Verbindung zwischen den beiden Teilscheiben hergestellt werden. Das wird, wie später erläutert wird, durch weitere Bauteile erreicht.
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Je nachdem wie der Schnitt geführt wird (es sind, wie oben erwähnt eigentlich unendlich viele Schnittverläufe möglich) entstehen Meßstellen (6), die entweder eine Schubbelastung oder eine Druck- bzw. Zugbelastung erfahren. In jedem Fall befinden sich die Dehnungsmeßstreifen (6) auf der flachen Oberseite der Meßstellen. Es können aber zusätzlich weitere Dehnungsmeßstreifen gegenüber den oberen auf der flachen Unterseite der Meßstellen angebracht werden.
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Je nachdem ob die Meßstellen (6) einer Schub- oder einer Druck- bzw. Zugbelastung ausgesetzt sind, weisen die Gitter der Dehnungsmeßstreifen entweder in radiale, tangentiale oder um 45 Grad dazu liegende Richtung. Es wird also immer auf die Hauptdehnungsrichtung ausgerichtet. Alle Dehnungsmeßstreifen werden so zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, daß sich ein möglichst hohes Brückenausgangssignal ergibt. Dies ist allgemein bekannt und wird hier deshalb nicht beschrieben.
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Es ist vorgesehen, die Meßscheibe ohne weitere Oberflächenbearbeitung per LASER- oder Wasserstrahlschnitt aus einer Blechtafel zu schneiden und zu verwenden. D. h. weitere, kostenerzeugende Berabeitungsverfahren entfallen. Durch diese Bearbeitungsweise ist aus der bisher notwendigen dreidimenionalen Bearbeitung mittels Drehen und Fräsen eine zweidimensionale Bearbeitung entstanden. Bei der zweidimensionalen Bearbeitung vergrößern sich die Bearbeitungskosten nur etwa linear mit dem Durchmesser und nicht mehr quadratisch, wie bei der konventionellen Bearbeitung.
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2 stellt eine Draufsicht auf die Rückseite der Meßscheibe dar.
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Die Meßscheibe (1) wird auf Ihrer Rückseite mit einem zusätzlichen Bauteil, dem Distanzblech A (12) versehen. Dieses hat die Funktion, die Teilscheibe (9) mit Hilfe der zugehörigen Befestigungsbohrungen und Schrauben am Antriebsflansch zu befestigen, ohne daß die Teilscheibe den Antriebsflansch berührt. Die Befestigung von Teilscheibe (9) und Distanzblech A (12) kann z. B. durch Klebstoff geschehen. Die Stärke des Distanzbleches A muß nur wenige zehntel Millimeter betragen. Das Distanzblech A könnte auch aus mehreren Teilblechen gebildet werden, die nicht zusammen hängen.
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3 stellt eine weitere Draufsicht auf die Vorderseite der Meßscheibe dar.
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Die Meßscheibe (1) wird auf Ihrer Vorderseite mit einem weiteren Bauteil, dem Distanzblech B (13) versehen. Dieses hat die Aufgabe die Montage des Abdeckblechs (14) auf der Teilscheibe (8) zu ermöglichen, ohne daß dieses die Teilscheibe (9) berührt. Distanzblech B erzeugt also einen axialen Abstand zwischen dem Abdeckblech (14) und der Teilscheibe (9). Die Befestigung von Teilscheibe (8) und Distanzblech B (13) kann z. B. durch Klebstoff geschehen. Distanzblech B könnte auch aus mehreren Teilblechen gebildet werden, die nicht zusammen hängen. Distanzblech B muß nur so dick sein, daß sich die Dehnungsmeßstreifen samt Verdrahtung zwischen Abdeckblech (14) und Meßscheibe unterbringen lassen.
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4 stellt die Anordnung als Schnittansicht dar. Der Schnitt verläuft senkrecht von oben zur Mittelachse des Sensors und weiter um 45 Grad nach rechts gedreht nach unten aus dem Sensor heraus. Er schneidet oben eine Bohrung (Gewindebohrung) des Befestigungssatzes zu Teilscheibe 8 und unten eine Bohrung des Befestigungssatzes zu Teilscheibe 9.
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5 Stellt die Draufsicht auf das Abdeckblech (14) dar.
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Abdeckblech (14) hat des weiteren die Funktion, durch Bohrungen (16) in axialer Richtung, also in Richtung der Scheibenstärke, Raum für die notwendigen Schraubenköpfe zur Verfügung zu stellen, die zu dem Satz Befestigungsschrauben zur Befestigung von Teilscheibe (9) am Antrieb gehören.
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Alles zusätzlichen Bauteile werden genauso wie die Meßscheibe (1) per Wasser- oder LASER-Strahl aus ebenen Blechen geschnitten, sodaß eine weitere Bearbeitung nicht notwendig ist.
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Alle Bauteile können z. B. einfach durch Klebstoff miteinander verbunden werden, da sie nach dem Einbau am Einsatzort durch die Vorspannung der beiden Sätze Befestigungsschrauben hauptsächlich zusammengehalten werden.
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Zur Montageerleichterung können Zentrierbohrungen axial durch den gesamten Sensor hindurch vorgesehen werden.
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Wird einer der beiden Sätze der Befestigungsbohrungen (2, 3) mit Innengewinde (15) ausgeführt, ist die Montage des Sensors von einer Flachseite aus möglich. Diese Maßnahme erhöht die Herstellungskosten nur unwesentlich.
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Die Befestigung des Sensors am Getriebe- oder am Motorflansch geschieht über einen Satz Befestigungsschrauben durch die Bohrungen in Teilscheibe (9). Die Schraubenköpfe finden in den Bohrungen (16) Platz. Die Befestigung des Sensors am Maschinenrahmen geschieht über einen Satz Befestigungsschrauben, die in die Gewindebohrungen (15) in Teilscheibe (8) gedreht werden.
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Die Montage kann auch genau umgekehrt erfolgen.
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Auf die beschriebene Weise können nun Reaktionsdrehmomentsensoren, auch großer Durchmesser sehr kostengünstig hergestellt werden.
