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Die Erfindung betrifft ein Drehmomentmessgerät und insbesondere ein Drehmomentmessgerät zur Messung großer Drehmomente, die z. B. bei Windkraftanlagen gemessen werden müssen. Bevor Drehmomentmessgeräte zur Drehmomentmessung eingesetzt werden können, war bisher eine Kalibrierung erforderlich, die in dafür vorgesehenen Kalibriervorrichtungen durchgeführt wurde. Da die zu kalibrierenden Drehmomentmessgeräte sehr groß sind, müssen auch die dafür benötigten Kalibriervorrichtungen groß sein. Besondere Schwierigkeiten gibt es, wenn Drehmomentmessgeräte mit mehr als 1,1 Meganewtonmeter zu kalibrieren sind, oder wenn die Abmaße dieser Drehmomentmessgeräte die Grenzen übersteigen, für die die bestehenden Kalibriervorrichtungen ausgelegt sind. Selbst der Bau von Kalibriervorrichtungen, auf denen Drehmomentmessgeräte zum Messen noch größerer Nenndrehmomente kalibrierbar wären, würde das Transportproblem nicht beseitigen, d. h. z. B. der Transportaufwand, ein Drehmomentmessgerät mit einem Durchmesser von 3 m und einem Gewicht von mehreren Tonnen über hunderte von Kilometer weit zu transportieren, ist ökonomisch nicht immer nicht vertretbar. Es wäre daher wünschenswert, ein Drehmomentmessgerät für derart große Drehmomente bereitzustellen, dessen Kalibrierung aber wesentlich kostengünstiger ist.
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Das Dokument
DE 10 2010 024 812 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Drehmomentmessgeräts mit folgenden Schritten:
- – Herstellen eines ersten Vor-Drehmomentmessgeräts, das zumindest ein erstes Deformationselement umfasst,
- – Herstellen zumindest eines zweiten Vor-Drehmomentmessgeräts (20), das zumindest ein zweites Deformationselement (12) umfasst,
- – Kalibrieren des ersten Vor-Drehmomentmessgeräts, so dass zumindest ein erster Deformationselement-Parameter erhalten wird, der die Abhängigkeit einer Dehnung eines solchen ersten Deformationselements von einem am ersten Vor-Drehmomentmessgerät angelegten Drehmoment beschreibt,
- – Kalibrieren des zweiten Vor-Drehmomentmessgeräts, so dass zumindest ein zweiter Deformationselement-Parameter erhalten wird, der die Abhängigkeit einer Dehnung eines solchen zweiten Deformationselements von einem am zweiten Vor-Drehmomentmessgerät angelegten Drehmoment beschreibt und
- – Herstellen des Drehmomentmessgeräts aus zumindest einem solchen ersten Deformationselement, zumindest einem solchen zweiten Deformationselement und zumindest einem Messwertaufnehmer, der mit dem zumindest einen solchen ersten Deformationselement zum Messen von dessen Dehnung verbunden ist, so dass aus dem ersten Deformationselement-Parameter und dem zweiten Deformationselement-Parameter ein Kalibrierfaktor berechenbar ist, mittels dem aus einem Signal des Messwertaufnehmers ein am Drehmomentmessgerät anliegendes Drehmoment berechenbar ist.
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Unter einem Vor-Drehmomentmessgerät wird ein Drehmomentmessgerät verstanden, mittels dem ein anliegendes Drehmoment gemessen werden kann und das eine Vorstufe bei der Herstellung des eigentlichen Drehmomentmessgeräts ist. Das Vor-Drehmomentmessgerät hat in der Regel einen Messbereich bis maximal 1 Meganewtonmeter, um noch mit den heute verfügbaren Kalibriervorrichtungen kalibriert werden zu können.
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An zumindest einem der Deformationselemente, die als flache Körper ausgebildet sein können, ist vorzugsweise ein Messwertaufnehmer angeordnet, mittels dem die Deformation dieses Deformationselements erfasst werden kann. Der Messwertaufnehmer kann ein elektrischer und/oder optischer Sensor sein. Unter dem Deformationselement-Parameter wird insbesondere eine Größe verstanden, die den Torsionswiderstand bzw. die Torsionssteifigkeit, d. h. die Abhängigkeit einer Deformation, insbesondere die Scherung, vom angelegten Drehmoment beschreibt. Unter dem Herstellen des Drehmomentmessgeräts aus zumindest einem solchen ersten Deformationselement und zumindest einem solchen zweiten Deformationselement wird insbesondere verstanden, dass zumindest diese Teile des jeweiligen Vor-Drehmomentmessgeräts bei der Montage des Drehmomentmessgeräts verwendet werden. Vorzugsweise werden zumindest ein solches erstes Deformationselement, insbesondere aber mehrere solche erste Deformationselemente und zumindest ein solches zweites Deformationselement, insbesondere aber mehrere solche zweite Deformationselemente so in das Drehmomentmessgerät eingebaut, dass deren Torsionssteifigkeiten sich addieren. Das Drehmomentmessgerät wird aus den Vor-Drehmomentmessgeräten so hergestellt, dass deren Deformationselemente ineinander verschachtelt werden, so dass die Momente der Wirkungslinien aufeinander liegen. Physikalisch ausgedrückt bedeutet das, dass ein System aus n-Teilkörpern das n-fache Drehmoment aufnehmen kann, weil dessen Torsionssteifigkeit das n-fache der entsprechenden Steifigkeit der Vor-Drehmomentmessgeräte beträgt. Vorzugsweise entspricht der Messbereich des ersten Vor-Drehmomentmessgeräts dem Messbereich des zweiten Vor-Drehmomentmessgeräts. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die beiden Vor-Drehmomentmessgeräte baugleich sind.
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Die Schwierigkeit bei einem in dem Dokument
DE 10 2010 024 812 A1 vorstehend vorgeschlagenem Drehmomentenmessgerät besteht darin, eine Konstruktion und eine Verbindungstechnik zu finden, die beide Vor-Drehmomentmessgeräte so definiert miteinander verbindet, dass sich die Steifigkeiten der einzeln kalibrierten Vor-Drehmomentmessgeräte möglichst fehlerfrei addieren, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, wenn die beiden Vor-Drehmomentmessgeräte baugleich sind. Baugleiche Vor-Drehmomentmessgeräte sind jedoch auch relativ groß, so dass der Aufwand für das Transportieren dieser einzelnen Vor-Drehmomentmessgeräte zur Kalibriereinrichtung erheblich sein kann. Zum Messen noch größerer Drehmomente müssten mehr als zwei Vor-Drehmomentmessgeräte gebaut werden, da aus den vorstehend beschriebenen Gründen zwei entsprechend ausgelegte Vor-Drehmomentmessgeräte einzeln nicht mehr kalibrierbar wären. Das würde jedoch die Montage komplizierter machen und den Aufwand für den Transport der Vor-Drehmomentmessgeräte zur Kalibriervorrichtung vergrößern.
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Demzufolge besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Drehmomentmessgerät für große Drehmomente, insbesondere für einen Messbereich von mehr als 1,1 Meganewtonmeter bereitzustellen, wobei das Drehmomentmessgerät mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung kalibrierbar ist, die zur Kalibrierung von Drehmomentmessgeräten mit einem wesentlich kleineren Nenndrehmoment vorgesehen sind.
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Diese Aufgabe wird mit einem Drehmomentmessgerät nach Anspruch 1 mit nachfolgenden Merkmalen gelöst:
Einem ersten rohrförmigen Torsionsverformungskörper mit zwei endseitigen Befestigungsvorrichtungen, z. B. in Form von Flanschen, die Befestigungslöcher aufweisen. Wenigstens ein zweiter Torsionsverformungskörper ist innerhalb des ersten rohrförmigen Torsionsverformungskörpers koaxial angeordnet und mit seinen Endabschnitten an die Endabschnitte des ersten Torsionsverformungskörpers direkt oder indirekt verkoppelt. An dem zweiten Torsionsverformungskörper ist ein Sensor zur Messung der Materialdehnung befestigt, die bei einer Torsionsbelastung entsteht.
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Der erste Torsionsverformungskörper weist ein Torsionswiderstandsmoment TW1 auf. Dieses Torsionswiderstandsmoment TW1 ist gemäß der Betriebsbelastung ausgelegt, die maximal auftreten kann. Der zweite Torsionsverformungskörper weist ein wesentlich kleineres Torsionswiderstandsmoment TW2 auf, wobei TW2 wenigstens 100 Mal kleiner als TW1 ist.
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Wenn der erste Torsionsverformungskörper auf Torsion belastet wird, verdrehen sich seine Endabschnitte zueinander und übertragen diese Verdrehung auf den zweiten Torsionsverformungskörper. Der zweite Torsionsverformungskörper mit dem daran befestigten Sensor ist kalibriert. Da das Widerstandsmoment TW2 maximal 1% vom Widerstandsmoment TW1 beträgt, ist der zweite Drehmomentmesswertaufnehmer relativ klein und leicht und kann somit auf herkömmliche Weise hergestellt und in einer kleineren Kalibrieranlage kalibriert werden. Das an dem ersten Torsionsverformungskörper anliegende Drehmoment kann aus dem gemessenen Drehmoment des kalibrierten zweiten Drehmomentmesswertaufnehmers ermittelt werden. Dazu ist es erforderlich, den Elastizitätsmodul des Materials zu ermitteln oder zu verwenden, aus welchem der erste Torsionsverformungskörper besteht. Weiterhin wird aus den geometrischen Abmessungen des ersten Torsionsverformungskörpers sein Widerstandsmoment ermittelt. Die Ermittlung des Elastizitätsmoduls eines Materials und die Berechnung des Widerstandsmoments eines einfachen geometrischen Körpers, wie einem Rohr, gehören zum Fachwissen eines Ingenieurs für Maschinenbau und werden daher nicht näher erläutert.
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Der besondere Vorteil dieses Drehmomentmessgeräts ist seine leichte Herstellbarkeit für unterschiedlichste Nennlasten, d. h. für unterschiedlichste Torsionsnenndrehmomente.
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Nach Anspruch 2 ist der zweite Torsionsverformungskörper an einem seiner beiden Endabschnitte über ein starres Koppelstück mit einem Endabschnitt des ersten Torsionsverformungskörpers gekoppelt. Die Länge des Koppelstücks beeinflusst die Torsionsdehnung des zweite Torsionsverformungskörpers, was nachfolgend erläutert wird: Wenn kein Koppelstück vorhanden ist, hat der zweite Torsionsverformungskörper eine vorbestimmte Länge L1. Wenn der erste Torsionsverformungskörper auf eine vorbestimmte Torsion belastet wird, verdrehen sich die beiden Befestigungsvorrichtungen, z. B. zwei Flanschscheiben, zueinander. Diese Verdrehung wird auf den zweiten Torsionsverformungskörper übertragen. Je länger der zweite Torsionsverformungskörper ist, umso kleiner ist bei einer vorbestimmten Verdrehung seine Oberflächendehnung. Ein Dehnungssensor, z. B. ein Dehnungsmesstreifen, benötigt eine vorbestimmte Dehnung, um ein ausreichend genaues Messsignal zu erzeugen. Wenn die Dehnung des Dehnungsmessstreifens zu gering ist, kann die Dehnung nicht mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. Daher werden im Allgemeinen Torsionsverformungskörper so dimensioniert, dass sie bei Nennbelastung eine für den Sensor ausreichend große Dehnung an der Applikationsstelle des Sensors aufweisen. Diese Anpassung ist jedoch bei diesem Drehmomentmessgerät nicht möglich, da die Größe der Verdrehung des zweiten Torsionsverformungskörpers von der Verdrehung des ersten Torsionsverformungskörpers bestimmt wird. Da in einigen Fällen der erste Torsionsverformungskörper aus Sicherheitsgründen stark überdimensioniert sein muss, entsteht auch bei Nennbelastung des ersten Torsionsverformungskörpers nur eine kleine Verdrehung, die an dem Sensor des zweiten Torsionsverformungskörpers kein ausreichend hohes Messsignal erzeugen kann. Durch den Einsatz des starren Koppelstücks wird die Länge des zweiten Torsionsverformungskörpers verkürzt. Dadurch verringert sich die Oberfläche des zweiten Torsionsverformungskörpers und die Dehnung pro Oberflächeneinheit vergrößert sich. Somit lässt sich über die Variation der Koppelstücklänge die Oberflächendehnung am Messort des Sensors am zweiten Torsionsverformungskörper variieren. Mit anderen Worten, das Koppelstück hat die Wirkung eines Dehnungsverstärkers. Demzufolge kann durch Verkürzen oder Verlängern des Koppelstücks am Messort eine für den Sensor messtechnisch optimale Dehnung eingestellt werden.
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Nach Anspruch 3 ist an jedem der beiden Endabschnitte des zweiten Torsionsverformungskörpers ein gleich großes Koppelstück vorgesehen. Durch diese Maßnahme werden Wärmepfade, die bei äußeren Temperaturschwankungen, verursacht z. B. durch Sonneneinstrahlung, symmetriert, sodass sogenannte instationäre oder stationäre transiente Temperatureinflüsse auf den Sensor verringert werden, was zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit führt.
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Nach Anspruch 4 ist an jedem der beiden Endabschnitte des zweiten Torsionsverformungskörpers ein Koppelstück vorgesehen, welches so dimensioniert ist, dass die Temperaturgradienten an dem zweiten Torsionsverformungskörper gering sind. Diese Maßnahme ist dann erforderlich, wenn besonders hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt werden. Ein Fachmann für thermische Optimierung kann mit Hilfe herkömmlicher Computerprogramme zur Berechnung von Wärmeflüssen in Werkstücken eine solche Optimierung des Drehmomentmessgeräts vornehmen. Diese Ausführungsform wird bevorzugt angewendet, wenn der erste Torsionsverformungskörper eine thermische Asymmetrie aufweist.
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Nach Anspruch 5 ist an jedem der beiden Endabschnitte des zweiten Torsionsverformungskörpers ein Koppelstück vorgesehen, welches aus einem Werkstoff mit einem geringem Wärmeleitvermögen, wie z. B. aus Keramik oder Edelstahl, besteht, so dass die Temperaturgradienten an dem zweiten Torsionsverformungskörper gering sind, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit führt.
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Nach Anspruch 6 werden zwei zweite Torsionsverformungskörper axial hintereinander gekoppelt. Diese redundante Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn das Drehmomentmessgerät z. B. an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt wird und ein Austausch sehr aufwendig ist. Außerdem kann durch einen Vergleich der Messsignale eine gegenseitige Überwachung vorgenommen werden. Weichen die beiden Messsignale, die identisch sein sollen, zu stark voneinander ab, ist zumindest eines der Messsysteme defekt.
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Nach Anspruch 7 ist der Sensor 5 eine Dehnungsmessstreifen-Schaltung. Diese Ausführungsform ist auf Grund der hohen Messgenauigkeit besonders für eine Messung der Oberflächendehnung geeignet.
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Nach Anspruch 8 ist einer der Flansche zweiteilig ausgebildet und weist einen Deckel auf, der mit lösbaren Befestigungsmitteln befestigbar ist. Diese Ausführungsform ist einfach herstellbar. Wenn der Deckel den Innenraum des ersten Torsionsverformungskörpers hermetisch abdichtet, kann auf aufwändige Schutzmaßnahmen des Sensors verzichtet werden. Es ist dann z. B. möglich, in den Innenraum eine hygroskopische Substanz einzubringen, welche die Luftfeuchtigkeit gering hält und somit die elektronischen Bauelemente vor Feuchtigkeit schützt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels und einer schematischer Zeichnung näher erläutert:
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1 zeigt eine Ausführungsform des Drehmomentmessgeräts.
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Die 1 zeigt einen ersten Torsionsverformungskörper 1, der als Doppelflansch-Körper mit Befestigungslöchern 6 ausgebildet ist. Innerhalb dieses ersten Torsionsverformungskörpers 1 ist ein zweiter, ebenfalls als Doppelflansch-Körper ausgebildeter Torsionsverformungskörper 4 koaxial angeordnet. Der zweite Torsionsverformungskörper 4 ist über seinen unteren Flansch direkt am unteren Flansch 3 des ersten Torsionsverformungskörpers 1 und über seinen oberen Flansch an einer starren Verlängerung 7 angeschraubt. Die starre Verlängerung 7 ist an einer Deckelplatte 8 angeschraubt, welche am oberen Flansch 2 des ersten Torsionsverformungskörpers 1 angeschraubt ist.
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Der Torsionsverformungskörper 1 weist ein Torsionswiderstandsmoment TW1 auf. Dieses Torsionswiderstandsmoment TW1 ist gemäß der Betriebsbelastung ausgelegt, die im Betrieb der Anlage maximal auftreten kann. Der Torsionsverformungskörper 4 weist bezüglich der vom Torsionsverformungskörper 1 übertragenen Kraft ein Torsionswiderstandsmoment TW2 auf, wobei TW1 wenigstens 100 Mal größer als TW2 ist.
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Wenn der erste Torsionsverformungskörper 1 auf Torsion belastet wird, wird diese Verdrehung auf den Torsionsverformungskörper 4 übertragen. An dem Torsionsverformungskörper 4 ist eine Dehnungsmessstreifen-Schaltung angeordnet. Über die Variation der Länge der starren Verlängerung 7 kann die für den Dehnungsmesstreifen erforderliche Nenndehnung genau eingestellt und leicht verändert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010024812 A1 [0002, 0005]
