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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine in der Agrartechnik einsetzbare Vorrichtung zur Drehmomentmessung, insbesondere zur Messung eines von einem verbrennungsmotorischen Antrieb erzeugten Drehmoments, welches zum Antrieb eines Arbeitsgerätes genutzt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
DE 10 2012 209 770 A1 ist ein Dünger- oder Saatgutstreuer bekannt, welcher eine über eine Welle angetriebene Streuscheibe umfasst. Das Torsionsmoment in der Welle wird durch einen magnetischen Sensor erfasst. Zur Messung des Torsionsmoments wird der inverse magnetostriktive Effekt ausgenutzt, wobei in einen Abschnitt der Welle ein umlaufendes Magnetfeld eingeprägt ist.
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Eine weitere Drehmomentsensorik, die mit einem magnetisierten Teil arbeitet, dessen magnetische Eigenschaften von einem auf das Teil einwirkenden Drehmoment abhängig sind, ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 062 156 A1 bekannt. Das magnetisierte Teil ist in diesem Fall als Hohlwelle ausgebildet.
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Die Kombination einer mit einem ein Magnetfeld detektierenden Sensor arbeitenden Drehmomentmessung mit einer Wälzlageranordnung und einer Drehzahlmessung ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 007 465 A1 bekannt. Die Vorrichtung nach der
DE 10 2011 007 465 A1 ist besonders für die Verwendung in einem landwirtschaftlichen Arbeitsgerät, beispielsweise einem Mähdrescher, einem Feldhäcksler, einem Zuckerrübenvollernter oder einem Kartoffelvollernter, geeignet.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für eine landwirtschaftliche Maschine geeignete Drehmomentsensorik insbesondere hinsichtlich Einsatzmöglichkeiten und praktischer Handhabbarkeit gegenüber dem genannten Stand der Technik weiter zu entwickeln.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Durch die auf dem Prinzip der Magnetostriktion basierende Drehmomentmessung arbeitet die Vorrichtung sehr robust, insbesondere was Belastungen durch Erschütterungen sowie Schmutz betrifft. Die erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung ist nahezu an jeglichen Transmissionswellen einsetzbar, an welchen ein Drehmoment ermittelt werden soll. Ein Anschluss der Drehmomentmessvorrichtung ist direkt an einer Zapfwelle eines Traktors ebenso gut möglich wie an einer Gelenkwelle, welche von einem Traktor angetrieben wird. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass sich eine vorhandene Transmissionswelle oder Zapfwelle durch die erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung auf einfache Weise nachrüsten lässt. Ebenso kann die Drehmomentmessvorrichtung nur bedarfsweise, beispielsweise beim Betrieb eines bestimmten Anbaugerätes, an eine Zapfwelle oder an einen Adapter an einer Zapfwelle angebaut werden.
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Besonders ist die Drehmomentmessvorrichtung zur Platzierung an einer Stelle geeignet, an welcher eine antreibende Welle, ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden als Zapfwelle bezeichnet, durch die Wandung eines rotationsfesten Teils geführt ist. Bei der Wandung handelt es sich beispielsweise um ein Getriebegehäuse. Die Messung des Drehmoments kann prinzipiell auf einer beliebigen Seite der Wandung erfolgen; im Fall einer Wandung eines Gehäuses wird vorzugsweise die außerhalb des Gehäuses liegende Seite zur Anbringung der Drehmomentmessvorrichtung genutzt.
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Das volle über die Zapfwelle gelieferte Drehmoment wird durch die Drehmomentmessvorrichtung geleitet. Der zur Drehmomentmessung genutzte magnetisierte Bereich der Drehmomentmessvorrichtung kann durch eine massive Welle oder durch eine Hohlwelle gebildet sein. In beiden Fällen weist die Drehmomentmessvorrichtung sowohl zum Anschluss an die Zapfwelle als auch zum Anschluss an das Arbeitsgerät vorzugsweise eine standardisierte Anschlussgeometrie auf.
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Die Verbindung zwischen der antreibenden Zapfwelle und dem angetriebenen Arbeitsgerät durch die Drehmomentmessvorrichtung kann in verschiedener Hinsicht flexibel gestaltet sein:
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehmomentmessvorrichtung jeweils über ein Kardangelenk mit den Anschlussstücken verbunden. Gemäß einer zweiten, hiermit kombinierbaren Ausführungsform ist in die Drehmomentmessvorrichtung eine Transmissionswelle variabler Länge integriert.
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Die Sensorik zur Messung des Drehmoments kann prinzipiell mit der magnetisierten Welle mitrotieren. Alternativ wird die Drehmomentsensorik in zumindest annähernd konstanter Winkelposition gehalten, wobei axiale und radiale Verlagerungen sowie Verschwenkungen zusammen mit der magnetisierten Welle möglich sein können. Um eine beschränkte Beweglichkeit der Drehmomentsensorik zusammen mit der magnetisierten Welle zuzulassen, kann die Drehmomentsensorik beispielsweise mittels eines Wälzlagers auf der magnetisierten Welle gelagert sein. Eine Sicherung der Drehmomentsensorik gegen Verdrehung kann hierbei zum Beispiel durch ein Drahtseil oder eine Kette realisiert sein, welches beziehungsweise welche an einem Gehäuse befestigt ist. In Ausgestaltungen, in denen die Drehmomentsensorik nicht auf der magnetisierten Welle gelagert ist, kann sie fest an einem Gehäuseteil oder einem anderen Teil einer Umgebungskonstruktion befestigt sein. In jedem Fall kann die Drehmomentsensorik durch geeignete Konstruktion, welche eine Umspritzung mit Kunststoff, eine Einhausung oder einen Schutzlack umfassen kann, vor Umwelteinflüssen geschützt und entsprechend klassifiziert (IP-Klasse) werden. Zusätzlich zur Drehmomentmessung kann auch eine Drehrichtungsmessung, eine Winkel- und/oder Drehzahlmessung vorgesehen sein. Eine solche Drehzahlmessung, die unabhängig von der Drehzahlmessung der Antriebsmaschine arbeitet, kann im Sinne einer redundanten Messung insbesondere zur Fehlererkennung genutzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Drehmomentmessvorrichtung durch eine Überlastsicherung, beispielsweise eine Rutschkupplung, vor mechanischer Überlastung geschützt. Eine solche Überlastsicherung kann in die Drehmomentmessvorrichtung integriert oder mit dieser verbunden sein.
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Unabhängig vom Funktionsumfang der Sensorik kann diese entweder dauerhaft und nicht lösbar in die Drehmomentmessvorrichtung eingebaut oder als austauschbares Modul ausgebildet sein. Eine zumindest mit der Sensorik zur Drehmomentmessung zusammenwirkende Auswerteeinheit kann sich beispielsweise geschützt im Inneren einer Hohlwelle oder an beliebiger anderer Stelle, beispielsweise an Bord des mit der Zapfwelle ausgerüsteten Fahrzeugs, befinden. Die Drehmomentmessvorrichtung kann insbesondere als Nachrüstlösung gestaltet sein, welche an Zapfwellen, Gelenkwellen und an Adaptern für Zapfwellen einsetzbar ist. Die Anwendung der Drehmomentmessvorrichtung ist nicht auf die Landtechnik beschränkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Drehmomentmessung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Drehmomentmessung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine in 1 dargestellte, insgesamt mit den Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Vorrichtung zur Drehmomentmessung weist ein erstes, zum Anschluss an eine nicht dargestellte Zapfwelle eines Traktors vorgesehenes Anschlussstück 2 sowie ein zweites Anschlussstück 3 auf, welches mit einer ebenfalls nicht dargestellten Welle eines Arbeitsgerätes, beispielsweise einer Erntemaschine, verbindbar ist. Die allgemein als Arbeitsgeräte bezeichneten Anbaugeräte, welche an das Anschlussstück 3 anschließbar sind, können unterschiedlichste Geräte sein. Als weitere Beispiele sind Bodenbearbeitungsgeräte wie Fräsen sowie Pflegegeräte wie Mulcher, Grünlandmaschinen, Heuwender und Kreiselmähwerke zu nennen. Der Antrieb erfolgt nicht notwendigerweise mit einem Verbrennungsmotor. Vielmehr kann beispielsweise auch ein Elektromotor an Antrieb genutzt werden und Drehmoment auf das Anschlussstück 2 und damit die gesamte Drehmomentmessvorrichtung 1 übertragen.
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Zwischen den Anschlussstücken 2, 3 ist über jeweils ein Kardangelenk 4 ein Drehmomentmessmodul 5 als funktionelle Hauptkomponente der Drehmomentmessvorrichtung 1 angeordnet. Das Drehmomentmessmodul 5 misst das vom ersten Anschlussstück 2 auf das zweite Anschlussstück 3 übertragene Drehmoment nach dem magnetostriktiven Prinzip. Hinsichtlich dieses Prinzips wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Drehmomentmessmodul 5 setzt sich zusammen aus einer das eingeleitete Drehmoment übertragenden Messwelle 6, einem die Messwelle 6 hülsenförmig umgebenden Berührschutzelement 7, sowie einer im Berührschutzelement 7 aufgenommenen Sensorik 8. Zur Energieversorgung der Sensorik 8 sowie zur Signalübertragung ist ein Kabel 9 vorgesehen.
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Die Messwelle 6 ist ebenso wie das Berührschutzelement 7 zweiteilig ausgebildet und teleskopartig auseinanderziehbar. Komponenten der Messwelle 6 sind eine massive Innenwelle 10 und eine auf dieser verschiebbare Hohlwelle 11. Das Berührschutzelement 7, welches im Gegensatz zur Messwelle 6 nicht rotierbar, sondern höchstens geringfügig verschwenkbar ist, setzt sich zusammen aus einem hülsenförmigen Außenelement 12, in welchem ein ebenfalls hohles Innenelement 13 verschiebbar ist. Bei stabiler Ausführung des Kabels 9 kann dieses ausreichend sein, um eine Verdrehung des Berührschutzelementes 7 zu verhindern. Ansonsten können zusätzliche Sicherungselemente, beispielsweise Drahtseile, einerseits mit dem Berührschutzelement 7 und andererseits mit einem nicht rotierenden Maschinenteil, beispielsweise Fahrzeugrahmen, verbunden sein, um eine Rotation des Berührschutzelementes 7 zu verhindern.
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Die die Drehmomentmessung ermöglichende Magnetisierung der Messwelle 6 ist im Ausführungsbeispiel nach 1 in Form ringförmig umlaufender magnetisierter Bereiche auf der Hohlwelle 11 angebracht. Hierbei kann entweder die Hohlwelle 11 selbst oder eine auf dieser befindliche Beschichtung magnetisiert sein. Eine vom auf die Hohlwelle 11 einwirkenden Drehmoment abhängige, außerhalb der Messwelle 6 erfassbare Magnetfeldstärke wird durch die Sensorik 8 detektiert, welcher sich vollständig innerhalb des nicht rotierenden Berührschutzelementes 7 befindet. Das Berührschutzelement 7, welches aus Metall und/oder Kunststoff gefertigt sein kann, ist auf der Messwelle 6 mit Gleitund/oder Wälzlagerungen gelagert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim Betrieb der Drehmomentmessvorrichtung 1 keine relevanten Änderungen der geometrischen Relation zwischen der Sensorik 8 auftreten.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 deutlich durch den Wegfall der Kardangelenke 4. Die gesamte Drehmomentmessvorrichtung 1 ist damit wesentlich kompakter aufgebaut. Ein nicht dargestelltes Kardangelenk ist optional an beliebiger Stelle außerhalb der Drehmomentmessvorrichtung 1 angeordnet. Wie aus 2 hervorgeht, weisen die Anschlussstücke 2,3 verschiedene Profilierungen, nämlich einerseits eine Außenprofilierung 14 und andererseits eine Innenprofilierung 15, auf. Weiter sind in 2 ein magnetisierter Bereich 16 der Messwelle 6 sowie Spulen 17 als Komponenten der Sensorik 8 erkennbar.
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Die Messwelle 6 ist um eine mit R bezeichnete Rotationsachse rotierbar. Im Gegensatz hierzu ist die die Messwelle 6 ringförmig umgebende Sensorik 8 nicht drehbar. Die Sensorik 8 befindet sich in einem Gehäuse 18, welches einen flanschartigen Befestigungsabschnitt 19 aufweist. Damit ist es möglich, die Sensorik 8 an einem rotationsfesten Bauteil zu befestigen und zu zentrieren. Im Gehäuse 18 ist auch die gesamte Auswerteelektronik der Sensorik 8 untergebracht. Der Aufbau nach 2 hat den besonderen Vorteil, dass die Messwelle 6 und die Sensorik 8 auf einfache Weise unabhängig voneinander austauschbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Drehmomentmessung
- 2
- Anschlussstück
- 3
- Anschlussstück
- 4
- Kardangelenk
- 5
- Drehmomentmessmodul
- 6
- Messwelle
- 7
- Berührschutzelement
- 8
- Sensorik
- 9
- Kabel
- 10
- Innenwelle
- 11
- Hohlwelle
- 12
- Außenelement
- 13
- Innenelement
- 14
- Außenprofilierung
- 15
- Innenprofilierung
- 16
- magnetisierter Bereich
- 17
- Spule
- 18
- Gehäuse
- 19
- Befestigungsabschnitt
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012209770 A1 [0002]
- DE 102007062156 A1 [0003]
- DE 102011007465 A1 [0004, 0004]
