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Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung. Die Drehmomentmessvorrichtung ist insbesondere zur Messung eines Drehmoments vorgesehen, das ein oder vorzugsweise mehrere achssymmetrisch und exzentrisch angeordnete Reibkörper auf einer Reibfläche verursachen, gegen die sie mit einer Andruckkraft gedrückt und zugleich gleichförmig, oszillierend oder in anderer Weise auf einer Kreisbahn auf der Reibfläche bewegt werden.
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Die Patentschrift
DD 263 123 A1 offenbart eine Drehmomentmessvorrichtung zu einer berührungslosen Messung eines Drehmoments einer drehenden Welle. Die Drehmomentmessvorrichtung weist zwei zueinander parallele, gleichachsig und mit axialem Abstand angeordnete Kreisscheiben auf, die durch Biegestäbe verbunden sind, die auf einer gedachten Mantelfläche eines Kegelstumpfs sowohl schräg in axialer- als auch schräg in Umfangsrichtung angeordnet sind. Gemessen wird eine axiale Verlagerung einer der beiden Kreisscheiben in Folge einer Verdrehung der beiden Kreisscheiben gegeneinander durch ein Drehmoment
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Die Auslegeschrift
DE 1 773 550 B offenbart eine Biege- und Torsionsmessvorrichtung mit Dehnmessstreifen für Bohrer, Fräser und dgl. drehend angetriebene Spanwerkzeuge. Die Messvorrichtung weist zwei Kreislochscheiben auf, die mit axialem Abstand voneinander auf einem Schaft des Werkzeugs festgeklemmt werden, so dass sie bei einer Biegung des Schafts gegeneinander verschwenken und bei einer Torsion des Schafts gegeneinander verdrehen. Am Umfang der Kreislochscheiben sind mehrere Dehnmesstreifen achsparallel und einander kreuzend schräg in beiden Umfangsrichtungen angeordnet, mit denen eine Verlagerung der Kreislochscheiben gegeneinander ermittelbar ist.
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Die Patentanmeldung
US 2014/0 041 461 A1 offenbart einen sechsachsigen Kraft- und Momentensensor, der zwischen einem Roboterarm und einer Roboterhand angeordnet wird und Kräfte und Momente in allen drei Raumrichtungen misst. Der Sensor weist eine Kreisscheibe und einen gleichachsig parallel und in axialem Abstand angeordneten Kreisring auf, die durch achsparallele elastische Säulen am Umfang verbunden sind und mit einem Kreuz in dem Kreisring, das rechteckige, zentrumsnahe Durchbrüche in Sekantenrichtungen aufweist um eine Elastizität des Kreuzes zu erzielen. Eine Belastung eines Zentrums des Kreuzes gegenüber der Kreisscheibe durch eine Kraft und/oder ein Moment in beliebiger Raumrichtung verformt die elastischen Säulen und das Kreuz. Gemessen wird eine Lageveränderung eines Zentrums des Kreuzes gegenüber der Kreisscheibe mit mehreren magneto-elektrischen Wandlern.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Drehmomentmessvorrichtung mit hoher Messgenauigkeit vorzuschlagen, die für die eingangs genannte Reibungsmessung geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung weist einen Schaft, auf den ein zu messendes Drehmoment ausgeübt wird, und Biegestäbe, die um den Schaft herum angeordnet sind, auf. Die Biegestäbe sind an einer Stelle mit dem Schaft verbunden und an einer beabstandeten Stelle festgelegt, womit gemeint ist, dass sie an den beabstandeten Stellen gegen das auf den Schaft ausgeübte Drehmoment gehalten werden. Das auf den Schaft ausgeübte Drehmoment wird über die insbesondere starre Verbindung des Schafts mit den Biegestäben als Querkraft auf die Biegestäbe in tangentialer Richtung zum Schaft übertragen. Die an den Stellen, an denen die Biegestäbe mit dem Schaft verbunden sind, auf die Biegestäbe übertragene Querkraft beansprucht die Biegestäbe, die an den beabstandeten Stellen festgelegt, d. h. gegen die Querkraft gehalten sind, auf Biegung. Die Biegung der Biegestäbe wird als Maß des auf den Schaft ausgeübten Drehmoments gemessen. Die Biegestäbe sind achsparallel zum Schaft oder in einem spitzen Winkel zu achsparallelen Richtungen um den Schaft herum angeordnet, wobei eine achsparallele oder jedenfalls nahezu achsparallele Anordnung der Biegestäbe zum Schaft die besten Messergebnisse verspricht. Bei einer Anordnung der Biegestäbe in einem spitzen Winkel zu achsparallelen Richtungen zum Schaft können die Biegestäbe sowohl radial als auch tangential schräg zu den achsparallelen Richtungen angeordnet sein. Die Erfindung ermöglicht einen stabilen und mechanisch einfachen Aufbau einer Drehmomentmessvorrichtung mit hoher Messgenauigkeit.
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Die Biegestäbe sind so angeordnet, dass bei einer axialen Druckbeanspruchung des Schafts die Biegestäbe auf Zug beansprucht werden. Es sind also die Stelle, an der die Biegestäbe mit dem Schaft verbunden sind, und die davon beabstandeten Stellen, an denen die Biegestäbe festgelegt sind, so in Bezug zum Schaft angeordnet, dass eine axiale Druckbeanspruchung des Schafts die Biegestäbe auf Zug beansprucht. Durch die Zugbeanspruchung der Biegestäbe wird eine Knickbeanspruchung der Biegestäbe vermieden und es wird eine höhere Messgenauigkeit erreicht als bei einer Druckbeanspruchung der Biegestäbe zusätzlich zu ihrer Beanspruchung auf Biegung durch die Querkraft, die der Schaft auf die Biegestäbe ausübt, wenn ein Drehmoment auf den Schaft ausgeübt wird. Durch diese Ausgestaltung eignet sich die erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung besonders für die Messung einer Reibung, die ein oder mehrere Reibkörper ausüben, die exzentrisch zum Schaft angedrückt und auf einer Kreisbahn bewegt werden oder allgemein für die Messung eines Drehmoments, das einer axialen Druckkraft überlagert ist, insbesondere wenn die Druckkraft exzentrisch auf den Schaft wirkt und ihn dadurch zusätzlich auf Biegung beansprucht.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schaft eine Reibfläche aufweist, die seitlich über den Schaft übersteht. Zur Messung einer Reibung wird ein oder werden vorzugsweise mehrere Reibkörper exzentrisch gegen die Reibfläche gedrückt und gleichförmig, oszillierend oder in anderer Weise auf einer Kreisbahn oder allgemein in tangentialer Richtung auf der Reibfläche bewegt. Vorzugsweise sind die Reibkörper symmetrisch angeordnet. Die Andruckkraft der Reibkörper gegen die Reibfläche bewirkt eine Druckkraft auf den Schaft, die bei der Anordnung gemäß Anspruch 2 die Biegestäbe auf Zug beansprucht. Die Bewegung der Reibkörper auf einer Kreisbahn übt über eine Reibung zwischen den Reibkörpern und der Reibfläche ein Drehmoment auf dem Schaft aus, das wie beschrieben die Biegestäbe auf Biegung beansprucht, die als Maß für das Drehmoment und für die Reibung zwischen den Reibkörpern und der Reibfläche gemessen wird. Sind die Reibkörper nicht symmetrisch angeordnet und/oder werden ungleich gegen die Reibfläche gedrückt ergibt sich eine exzentrische axiale Druckkraft auf den Schaft, die ein Biegemoment auf den Schaft ausübt. Insbesondere in diesem Fall ist von Vorteil, wenn die Biegestäbe gemäß Anspruch 2 so angeordnet sind, dass die axiale Druckbeanspruchung des Schafts die Biegestäbe auf Zug beansprucht, weil die Messgenauigkeit höher als bei einer Druckbeanspruchung der Biegestäbe ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind die Biegestäbe symmetrisch um den Schaft herum angeordnet. Das vereinfacht zum einen die Ermittlung des auf den Schaft ausgeübten Drehmoments aus der dadurch bewirkten Biegung der Biegestäbe und ist zum anderen einer hohen Messgenauigkeit förderlich.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Biegestäbe in tangentialer Richtung zum Schaft weniger biegesteif sind als in radialer Richtung zum Schaft. Die Biegestäbe sind also in der Richtung weniger biegesteif, in der sie durch ein auf den Schaft der Drehmomentmessvorrichtung ausgeübtes Drehmoment auf Biegung beansprucht werden. Diese Ausgestaltung der Erfindung vergrößert eine Biegung der Biegestäbe bei gegebenem Drehmoment, d. h. diese Ausgestaltung vergrößert eine Auslenkung der Biegestäbe und damit eine Messgenauigkeit. Die höhere Biegesteifigkeit in radialer Richtung zum Schaft verkleinert eine Biegung der Biegestäbe in radialer Richtung, wenn die Biegestäbe unbeabsichtigt radial beaufschlagt werden, so dass eine etwaige Beaufschlagung der Biegestäbe in radialer Richtung zum Schaft das Messergebnis weniger verfälscht.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung den Schaft nahe an der Stelle in radialer Richtung stützen, an der ein Drehmoment und/oder eine Kraft auf den Schaft ausgeübt wird. Auf diese Weise stützt die Vorrichtung den Schaft gegen Biegung, wobei die radiale Abstützung des Schafts Spiel aufweisen kann, so dass bei einer kleinen Biegung der Schaft nicht radial gestützt wird, sondern erst wenn er durch Biegung das Spiel zwischen sich und der radialen Abstützung überwindet. Durch Spiel zwischen der radialen Abstützung und dem Schaft wird eine Reibung zwischen dem Schaft und er radialen Abstützung, die das Messergebnis verfälscht, vermieden, solange eine Biegung des Schafts so klein ist, dass der Schaft nicht in Anlage an die radiale Abstützung gelangt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Drehmomentmessvorrichtung gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung.
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Die in der Zeichnung gezeigte erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung 1 weist einen zylinderstabförmigen Schaft 2 auf, um den herum mit radialem Abstand und achsparallel zum Schaft 2 drei Biegestäbe 3 gleichmäßig über den Umfang verteilt, d. h. jeweils um 120 Grad in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Auf einem Ende des Schafts 2 ist starr, d. h. dreh- und axialfest eine Lochscheibe anordnet, die hier als Reibscheibe 4 bezeichnet wird. Mit wenig axialem Abstand von der Reibscheibe 4 ist eine weitere Lochscheibe anordnet, die hier als Stützscheibe 5 bezeichnet wird. Der Schaft 2 durchgreift die Stützscheibe 5 mit Spiel, d. h. er ist frei axial gegenüber der Stützscheibe 5 beweglich und frei in der Stützscheibe 5 drehbar. Auf einem der Reibscheibe 4 fernen Ende ist eine dritte Lochscheibe starr, d. h. dreh- und axialfest auf dem Schaft 2 angeordnet, die hier als Verbindungsscheibe 6 bezeichnet wird. Enden der Biegestäbe 3 sind starr sowohl mit der Stützscheibe 5 als auch mit der Verbindungsscheibe 6 verbunden. Über die Stützscheibe 6 sind die mit ihr starr verbundenen Enden der Biegestäbe 3 starr mit dem Ende des Schafts 2 verbunden. Die Stützscheibe 5 begrenzt eine eventuelle Biegung des Schafts 2 auf das Spiel zwischen der Stützscheibe 5 und dem Schaft 2 und legt die starr mit ihr verbundene Enden der Biegestäbe fest, d. h. hält diese Enden der Biegestäbe 3 unbeweglich, insbesondere gegen Drehung und axial.
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Wird über die Reibscheibe 4 ein Drehmoment auf den Schaft 2 ausgeübt, überträgt die Verbindungsscheibe 6 das Drehmoment auf die Biegestäbe 3, die dadurch mit einer Querkraft beaufschlagt werden, die in tangentialer Richtung zum Schaft 2 wirkt und die Biegestäbe 3 auf Biegung beansprucht und deswegen auch als Biegekraft bezeichnet werden kann. Eine Biegung der Biegestäbe 3 wird mit Dehnmessstreifen 7 gemessen, die an in Umfangsrichtung weisenden Flächen der Biegestäbe 3 angebracht sind. Die Biegebeanspruchung der Biegestäbe 3 ist ein Maß für das auf den Schaft 2 ausgeübte Drehmoment. Die Biegestäbe 3 weisen knochenförmige Längsschlitze 8 auf, die die Biegestäbe 3 quer und radial zum Schaft 2 durchsetzen. Durch die Längsschlitze 8 sind die Biegestäbe 3 in tangentialer Richtung zum Schaft 2 weniger biegesteif als radial zum Schaft 2, die Biegestäbe 3 sind somit in der Richtung weniger biegesteif in der sie bei einer Drehmomentbeaufschlagung des Schafts 2 auf Biegung beansprucht werden.
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Die Drehmomentmessvorrichtung 1 ist zur Messung einer Reibung zwischen einem oder vorzugsweise mehreren Reibkörpern 9 und der Reibscheibe 4 vorgesehen. In 1 sind drei Reibkörper 9 äquidistant über den Umfang verteilt angeordnet und werden mit einer Andruckkraft F, die mit Pfeilen symbolisiert ist, gegen eine der Stützscheibe 5 abgewandte Oberfläche der Reibscheibe 4 gedrückt, die hier als Reibfläche 10 bezeichnet wird. Außerdem werden die Reibkörper 9 auf einer Kreisbahn um den Schaft 2 auf der Reibfläche 10 bewegt, wobei die Bewegung in einer Richtung, oszillierend in zwei Richtungen wie mit Doppelpfeilen in 1 angedeutet, oder in anderer Weise erfolgen kann. Eine Reibkraft zwischen den Reibkörpern 9 und der Reibfläche 10 bewirkt über die Reibscheibe 4 ein Drehmoment auf den Schaft 2, das in beschriebener Weise über die Verbindungsscheibe 6 die Biegestäbe 7 auf Biegung beansprucht, die mit den Dehnmessstreifen 7 messbar ist. Die Andruckkraft F der Reibkörper 9 gegen die Reibfläche 10 verursacht eine axiale Druckkraft auf den Schaft 2, die über die Verbindungsscheibe 6 als Zugkraft auf die Biegestäbe 3 übertragen wird. Die Biegestäbe 3 sind also so angeordnet, dass eine axiale Druckkraft auf den Schaft 2 die Biegestäbe 3 auf Zug beansprucht, was hinsichtlich einer Messgenauigkeit günstiger als eine Druckbeanspruchung der Biegestäbe 3 angesehen wird, weil die Biegestäbe 3 durch die Zugbeanspruchung nicht auf Knicken beansprucht werden. Wirken die Andruckkräfte F der drei Reibkörper 9 gegen die Reibfläche 10 ungleich so dass der Schaft 2 exzentrisch mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, führt das zu einer Biegebeanspruchung des Schafts 2. Eine Biegung des Schafts 2 wird begrenzt durch das Spiel zwischen der Stützscheibe 5 und dem Schaft 2, sobald der Schaft 2 aufgrund seiner Biegung in einem Mittelloch der Stützscheibe 5 anliegt, stützt die Stützscheibe 5 den Schaft 2 radial und verhindert eine stärkere Biegung.
