DE102013224836A1

DE102013224836A1 - Hydrodynamische Maschine mit Messsystem

Info

Publication number: DE102013224836A1
Application number: DE102013224836.9A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Frenz; Thorsten Lührs; Markus Schlosser; Volker Middelmann
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-11
Also published as: CN206067729U; WO2015082512A2; WO2015082512A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung eines Drehmomentes, insbesondere für eine hydrodynamische Maschine, mit einem Messsystem, umfassend ein Gehäuse (6), eine Welle (5) mit einem ersten Mittel (15a) zum Einleiten eines Drehmomentes in die Welle (5) und einem zweiten Mittel (15b) zum Ausleiten des Drehmomentes, wobei die Mittel (15a, b) in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, sodass bei Momentenübertragung im Wellenabschnitt zwischen den Mitteln (15a, b) eine Torsionskraft wirkt, wobei das Messsystem aus zumindest einem Sensor (1) und einer Wellenabschnittsfläche (3) aus ferromagnetischem Material besteht. Zur Verbesserung der bekannten Messsysteme wird ein Vorrichtungsaufbau vorgeschlagen, bei dem der Sensor (1) einen Sensorschaft (9) aufweist und das Gehäuse (6) eine radial in Richtung zur Wellenachse verlaufende Öffnung (19) aufweist, die derart gestaltet sind, dass der Sensor (1) von außen eingeführt und gegenüber der Wellenabschnittsfläche (3) ausgerichtet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung eines Drehmomentes, insbesondere für eine hydrodynamische Maschine, mit einem Messsystem, mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hydrodynamische Systeme, insbesondere in Form von hydrodynamischen Bremseinrichtungen, auch Retarder genannt, sind in einer Vielzahl von Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Diese umfassen in der Regel ein als Rotor fungierendes erstes Schaufelrad, das mit einer abzubremsenden Welle drehfest verbunden oder verbindbar ist und einen Stator, welcher an einem ortsfesten Bauteil, insbesondere einem Gehäuse, befestigt ist und sich an diesem abstützt. Rotor und Stator bilden einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum, wobei das Betriebsmittel bei Umwälzung durch den Rotor am Stator ein Bremsmoment erzeugt.
Das erzeugbare Bremsmoment hängt von vielen Parametern ab. So haben auch Fertigungstoleranzen einen Einfluss auf die Funktion des Retarders. Diese bewirken beispielsweise, dass es zu Abweichungen zwischen gewünschtes und tatsächlich wirkendes Bremsmoment kommt. Ein theoretisch erreichbares Bremsmoment könnte dadurch ungenutzt bleiben oder es treten unerwünscht starke Abweichungen in anderer Richtung auf, zum Beispiel können Reaktionsabweichungen auftreten.
Um diese Problematik zu vermeiden, werden Messsysteme eingesetzt, die das wirkende Bremsmoment messen, wie z.B. in der DE 10 2005 052 105 offenbart. Hier wird ein System vorgeschlagen, bei dem eine Einrichtung zur Erfassung des Stützmomentes zwischen Stator und Gehäuse eingesetzt wird.
In der DE 10 2011 010 153 wird vorgeschlagen, das Drehmoment direkt an der Welle zu messen, die mit dem Rotor drehfest verbunden ist. Zur Messung sind auf der Welle zwei Wellenabschnitte vorgesehen, die aus einem ferromagnetischen Material bestehen und die mit jeweils einem Magnetfeldsensor korrespondieren. Die Winkelveränderung, bei Torsion der Welle, ist ein Maß für das anliegende Drehmoment.
Das physikalische Messprinzip der Magnetostriktion ist seit langem bekannt, dabei wird eine Stahlwelle im Messbereich, einem Wellenabschnittsbereich, so magnetisiert, dass sich ein dauerhaftes Magnetfeld von geeigneter Struktur ergibt. Unter Torsion verändert sich die magnetische Flussdichte im Umfeld der Welle und in dessen Folge die Induktivität der benachbarten gehäusefesten Spule. Mit einer geeigneten elektrischen Schaltung kann die Induktivitätsänderung in ein drehmomentproportionales Messsignal umgewandelt werden. Diese Messung erfolgt berührungslos.
Nachteilig an dieser Art der Messung ist, dass das Messsignal stark vom radialen Abstand zwischen Spule und Welle bzw. magnetischen Wellenabschnittsbereich abhängt. Ändert sich der Abstand ergeben sich an den Messstellen Messfehler. Deshalb werden mindestens zwei Messstellen um 180° versetzt benötigt, sodass durch Mittelwertbildung der Signale der Fehler eliminiert werden kann.
In der offenbarten Ausführung wird die Welle an den Messstellen von jeweils einem Ring umgeben, der die Messspulen in Position hält. Diesen Ring auszutauschen, ist nur mit sehr großem Montageaufwand möglich. Da der Preis und die Lebensdauer der Sensoren im Verhältnis zur gesamten Maschine sehr klein sind, ist diese Montageunfreundlichkeit ein großes Hindernis.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, die Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung anzugeben, bei welcher das Messsystem, zur Erfassung einer das Drehmoment charakterisierenden Größe, verbessert wird.
Anspruch 1 beschreibt die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit einem Messsystem zur Messung eines Drehmoments vorgeschlagen, die es ermöglicht, den Sensor sehr einfach zu wechseln und gegenüber einer Wellenabschnittsfläche auszurichten.
Dazu wird vorgeschlagen, einen Sensor mit Sensorschaft zu verwenden, der in eine, im Gehäuse befindliche, radial in Richtung zur Wellenachse verlaufende Öffnung von außen eingesetzt und ausgerichtet werden kann.
Auf der Welle können beispielsweise zwei Zahnräder drehfest angeordnet sein, über die ein Drehmoment ein bzw. aus geleitet wird. Zwischen den Zahnrädern ist ein Wellenabschnitt vorgesehen, der einen Wellenabschnittsbereich aus einem ferromagnetischen Material aufweist. Dieser Wellenabschnittsbereich kann durch einen Ring gebildet werden, der zumindest an seiner Umfangsfläche aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Damit der Sensor in einer eindeutigen Position in das Gehäuse eingesetzt werden kann, können am Sensor und/oder am Gehäuse Anschlagmittel vorgesehen sein. Diese Anschlagmittel können einstellbar ausgeführt sein.
Weiterhin kann zur Fixierung des Sensors eine Schraube, ein Federelement und/oder Rippen am Sensorgehäuse vorgesehen sein.
Um eine ideale Ausrichtung des Sensors gegenüber der Wellenachse in Axialrichtung zu erreichen, können der Sensorschaft und die Öffnung im Gehäuse eine prismatische oder zylindrische Grundform aufweisen.
Weiterhin kann der Sensor im Sensorkopf neben einer Messspule auch eine Kompensationsspule und/oder einen Temperatursensor enthalten, wodurch gewisse Toleranzen und Temperaturschwankungen aus dem Messwert herausgerechnet werden können.
Zur Weiteren Verbesserung des Messergebnisses können zwei oder mehr Sensoren strahlenförmig, auf die Wellenachse ausgerichtet, im Gehäuse angeordnet sein.
Die Welle kann die Welle eines Getriebes, insbesondere die Welle eines an eine hydrodynamische Maschine gekoppelten Getriebes, sein.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:
1 beispielhaft eine Vorrichtung mit Welle und Messsystem
2 einen Sensor
1 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung mit Welle 5 und Messsystem. Zum Messsystem gehört eine elektronische Schaltung 14 mit einem Spannungseingang zur Energieversorgung und einen Ausgang für das Messsignal. Diese elektronische Schaltung speist die Spule mit einem hochfrequenten Schwingungssignal im kHz-Bereich. Die magnetische Flussdichte wird messtechnisch aus der benötigten Laufzeit bis zur induktiven Sättigung der jeweiligen Spule bestimmt. Dieses Ergebnis wird schließlich in ein stabiles standardisiertes Messsignal aufbereitet. Zur Fehlerkompensation ist in der Schaltung 14 eine Mittelwertbildung vorgesehen, in der die Signale von mehreren Sensoren 1 verarbeitet werden können. Der Wellenabschnittsbereich 3 ist vorzugsweise derart auf der Welle 5 anzuordnen, dass es zu einer größtmöglichen elastischen Verformung kommt, um ein möglichst genaues Messergebnis zu erhalten.
Die Messstelle für das Drehmoment ist in der dargestellten Ausführung zwischen den Zahnrädern 15a, b, im mechanischen Leistungsfluss 16 zwischen der Momentenein- und Momentenausleitung, angeordnet. In einer Retarderanordnung bzw. zwischen Retarder und Getriebe können diese Zahnräder 15a, b, wie hier dargestellt, mit einem Getriebezahnrad 17 und dem Hochtriebszahnrad 18 des Retarders in Eingriff stehen.
Weiterhin ist an der Welle 5 ein Drehzahlsensor 6 positioniert, sodass das entsprechend dem Kennfeld des Retarders erreichbare Drehmoment im Bezug auf die Drehzahl ermittelt werden kann.
Von Vorteil ist es, wenn die Sensoren 1 an einer Stelle angeordnet sind, an der die Welle 5 einen besonders großen Durchmesser aufweist, sodass der Sensor im Gehäuse möglichst gut zugänglich angeordnet werden kann. In der hier gezeigten Ausführung sind die Sensoren 1 derart im Gehäuse eingebaut, dass kein zusätzlicher axialer Bauchraum beansprucht wird und trotzdem eine gute Zugänglichkeit zum Austausch der Sensoren gewährleistet ist.
Die Sensoren 1 können über die radial zur Wellenachse verlaufende Öffnung 19 im Gehäuse 8 eingesetzt werden. Im Sensorkopf 10 am Ende des Sensorschafts 9 sind die Messsensoren eingebaut.
Der Sensor 1 weist außerdem ein Befestigungselement 11 auf, welches gleichzeitig als Anschlag dient, sodass der Sensor nur mit einem definierten Abstand zur Welle eingebaut werden kann.
In 2 ist der Sensor 1 separat dargestellt. Er besteht aus dem Sensorkopf 10, dem Sensorschafft 9, der Befestigung 11 und dem Steckergehäuse 12 indem die Steckkontakte 13 positioniert sind.
Der hier gezeigte Sensorschaft ist zylindrisch ausgeführt, wobei auch jede andere prismatische Form verwendet werden kann. Mittels der Befestigung 11 und einer Schraube wird der Sensor 1 in der Gehäuseöffnung 19 auf seiner Position gehalten. Hier können weiterhin Stellvorrichtungen vorgesehen sein, mittels denen der Sensor in radialer wie auch in axialer Richtung ausgerichtet werden kann.
Im Sensor 1 ist eine Platine integriert, auf der die Schaltung 14, die Messspulen wie auch der Temperatursensor angeordnet sind. Die Platine erstreckt sich vom Sensorkopf 10 bis zu den elektrischen Anschlüssen am Steckergehäuse 12. Die Messspulen, Kompensationsspulen und ggf. der Temperatursensor sind am vorderen Ende (im Sensorkopf) auf der Platine angebracht. Die Platine kann mit einem duroplastischen oder termoplastischen Material mit dem Gehäuse vergossen sein.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Anschlag
3: magnetisierter Bereich
4: Lager
5: Welle
6: Drehzahlsensor
7: Messstelle für Drehzahl
8: Gehäuse
9: Sensorschaft
10: Sensorkopf
11: Befestigung
12: Steckergehäuse
13: Steckkontakt
14: Schaltung
15a, b: Zahnrad
16: Kraftfluss
17: Getriebezahnrad
18: Hochtriebszahnrad
19: Gehäuseöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005052105 [0004]
DE 102011010153 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Übertragung eines Drehmomentes, insbesondere für eine hydrodynamische Maschine, mit einem Messsystem, umfassend ein Gehäuse (6), eine Welle (5) mit einem ersten Mittel (15a) zum Einleiten eines Drehmomentes in die Welle (5) und einem zweiten Mittel (15b) zum Ausleiten des Drehmomentes, wobei die Mittel (15a, b) in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, sodass bei Momentenübertragung im Wellenabschnitt zwischen den Mitteln (15a, b) eine Torsionskraft wirkt, wobei das Messsystem aus zumindest einem Sensor (1) und einer Wellenabschnittsfläche (3) aus ferromagnetischem Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) einen Sensorschaft (9) aufweist und das Gehäuse (6) eine radial in Richtung zur Wellenachse verlaufende Öffnung (19) aufweist, die derart gestaltet sind, dass der Sensor (1) von außen eingeführt und gegenüber der Wellenabschnittsfläche (3) ausgerichtet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensor (1) und/oder am Gehäuse (6) Anschlagmittel vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagmittel einstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung des Sensors (1) eine Schraube, ein Federelement und/oder Rippen am Sensorgehäuse vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorschaft (9) und die Öffnung (19) eine prismatische oder zylindrische Grundform aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) einen Sensorkopf (10) aufweist, in dem neben einer Messspule auch eine Kompensationsspule und/oder ein Temperatursensor angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Sensoren (1) strahlenförmig, auf die Wellenachse ausgerichtet, im Gehäuse angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle die Welle eines Getriebes, insbesondere die Welle eines an eine hydrodynamische Maschine gekoppelten Getriebes, ist.