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Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung zur Messung von Reibkräften.
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Die Offenlegungsschrift
DE 195 42 255 A1 offenbart einen Drehmomentsensor mit einem Torsionskörper. Gemessen wird eine elastische Torsion des Torsionskörpers bei Beaufschlagung mit einem Drehmoment als Maß für das Drehmoment.
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Einen weiteren Drehmomentsensor offenbart die Offenlegungsschrift
DE 199 36 293 A1 , der zwei gleichachsige und voneinander beanstandete Flansche aufweist, die durch einen Torsionskörper verbunden sind. Wie zuvor wird eine elastische Torsion des Torsionskörpers als Maß für ein gegenläufig auf die Flansche ausgeübtes Drehmoment gemessen.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 2 549 253 A1 offenbart einen Kraftmeßsensor mit zwei deckungsgleich mit Abstand parallel zueinander angeordneten rechteckigen Flanschen, die durch vier randnah in einem Viereck angeordnete Stege verbunden sind. Als Maß für eine auf die Flansche ausgeübte Kraft wird eine elastische Verformung der Stege gemessen.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung weist einen Momentenaufnehmer auf, der mit Drehlagern um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Der Momentenaufnehmer ist zur Beaufschlagung mit einem Drehmoment um die Drehachse vorgesehen, wobei Momente um andere Achsen oder auf den Momentenaufnehmer einwirkende Kräfte nicht ausgeschlossen sind. Der Momentenaufnehmer ist drehfest, er wird gegen Drehung gehalten. Erfindungsgemäß ist ein Reibdurchmesser der Drehlager des Momentenaufnehmers kleiner als das Doppelte eines mittleren Abstands eines Umfangs des Momentenaufnehmers von der Drehachse. Dadurch wird eine niedrige Lagerreibung, die eine Momentenmessung verfälschen würde, und ein steifer, beispielsweise biegesteifer Momentenaufnehmer erreicht, der sich beispielsweise bei Quer- oder exzentrischen Kräften nur wenig und in der Praxis vernachlässigbar verformt.
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Als Drehachse des drehfest gehaltenen Momentenaufnehmers wird eine Drehachse seiner Drehlager bezeichnet, also eine Achse, um die der Momentenaufnehmer drehbar wäre, wenn er nicht gegen Drehung gehalten würde.
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Der Reibdurchmesser der Drehlager ist bei Gleitlagern der Durchmesser der aufeinander gleitenden Flächen, also beispielsweise der Durchmesser einer Lagerwelle oder eines Lagerzapfens bzw. der Durchmesser eines Lagerlochs. Bei Wälzlagern kann als Reibungsdurchmesser ein mittlerer Durchmesser zwischen einer inneren- und einer äußeren Wälzfläche angesehen werden, auf denen Wälzkörper des Wälzlagers bei Drehung wälzen.
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Der mittlere Abstand des Umfangs des Momentenaufnehmers von der Drehachse ist bei einem zylindrischen Momentenaufnehmer der Radius, das Doppelte des mittleren Abstands also der Durchmesser eines zylindrischen Momentenaufnehmers. Bei beispielsweise einem Mehrkant ist das Doppelte des mittleren Abstandes des Umfangs des Momentenaufnehmers von der Drehachse der Mittelwert zwischen Eckmaß und Seitenlänge (Kantenabstand). Das Doppelte des mittleren Abstands des Umfangs des Momentenaufnehmers von der Drehachse ist bei einem nicht-zylindrischen Momentenaufnehmer also ein charakteristischer und dem Durchmesser entsprechender Wert. Bei einem Mehrkant sollten Seitenlängen näherungsweise gleich, der Momentenaufnehmer sollte radial zur Drehachse nicht zu flach sein, um in jeder Richtung biegesteif zu sein.
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Der Reibdurchmesser der Drehlager des Momentenaufnehmers ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung nicht größer als 1/2 des Doppelten mittleren Abstands des Umfangs des Momentenaufnehmers von der Drehachse, vorzugsweise 1/3 oder weniger. Das ergibt ein gutes Verhältnis zwischen niedriger Lagerreibung und hoher Steifigkeit des Momentenaufnehmers.
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Der Momentenaufnehmer kann an sich eine beliebige, sogar unregelmäßige Form aufweisen, vorzugsweise ist es allerdings ein Mehrkant oder besonders bevorzugt zylindrisch und um seine Achse drehbar, d. h. eine Achse des Momentenaufnehmers ist zugleich dessen Drehachse.
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Zur Messung einer Reibkraft sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Momentenaufnehmer eine Reibfläche senkrecht zur Drehachse, d. h. in einer Radialebene der Drehachse aufweist. Zur Messung der Reibkraft wird ein Reibkörper exzentrisch gegen die Reibfläche gedrückt und auf einer Kreisbahn um die Drehachse des Momentenaufnehmers bewegt. Vorzugsweise werden mehrere solche Reibkörper exzentrisch und mit gleichem Winkelversatz zwischen den Reibkörpern gegen die Reibfläche gedrückt und auf einer Kreisbahn bewegt. Eine zwischen dem oder den Reibkörpern und der Reibfläche wirkende Reibkraft ist proportional zu einem Moment, das die exzentrischen, gegen die Reibfläche gedrückten und auf einer Kreisbahn bewegten Reibkörpern auf den gegen Drehen gehaltene Momentenaufnehmer ausüben. Sofern ein Reibkörper exzentrisch gegen die zur Drehachse senkrechte Reibfläche des Momentenaufnehmers gedrückt wird oder mehrere exzentrische Reibkörper unterschiedliche Exzentrizitäten aufweisen und/oder mit verschiedenen Kräften gegen die Reibfläche des Momentenaufnehmers gedrückt werden, wird der Momentenaufnehmer exzentrisch belastet und auf Biegung beansprucht. Aufgrund der biegesteifen Ausbildung durch den großen Querschnitt ist der Momentenaufnehmer biegesteif und die exzentrische Belastung stört die Messung nicht.
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Zur Momentenmessung sieht eine Ausgestaltung der Erfindung einen elastischen Halter vor, der den drehbaren Momentenaufnehmer gegen Drehung hält und dabei elastisch gebogen wird. Die elastische Biegung des Halters, die beispielsweise mit einem oder mehreren Dehnmessstreifen messbar ist, ist ein Maß für das auf den drehbaren Momentenaufnehmer ausgeübte Moment.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Halter ein Biegestab ist, der achsparallel an einem Umfang des Momentenaufnehmers angeordnet ist. Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Biegestab eine Biegeebene tangential zur Drehachse des Momentenaufnehmers aufweist. Die Biegeebene ist eine vorgesehene bzw. bevorzugte Ebene, in der sich der Biegestab biegt.
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Insbesondere ist in der Biegeebene eine Biegesteifigkeit des Biegestabs minimal oder jedenfalls niedriger als quer zur Biegeebene.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Drehmomentmessvorrichtung ein Flüssigkeitsbad für den drehbaren Momentenaufnehmer aufweist. Bei stehend, d. h. mit vertikaler Drehachse, angeordnetem Momentenaufnehmer benetzt eine Flüssigkeit im Flüssigkeitsbad zumindest eine Stirnseite des drehbaren Momentenaufnehmers. Bei liegend, d. h. mit horizontaler Drehachse, angeordnetem Momentenaufnehmer benetzt eine Flüssigkeit im Flüssigkeitsbad einen Umfangsabschnitt des drehbaren Momentenaufnehmers. Beispielsweise ein hochviskoses Öl, das als Flüssigkeit in das Flüssigkeitsbad eingefüllt ist, dämpft Drehschwingungen des drehbaren und gegen Drehung gehaltenen Momentenaufnehmers und verbessert eine Messgüte.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen Flüssigkeits-Drehschwingungsdämpfer für den Momentenaufnehmer vor, der Drehschwingungen des Momentenaufnehmers dämpft und dadurch die Momentenmessung verbessert. Weil Reibung bzw. ein Drehwiderstand eines Flüssigkeits-Drehschwingungsdämpfers bei langsamer Bewegung bzw. Drehung gegen Null geht, verfälscht er nicht die Messung eines statischen Moments und mittelt die Messung eines Moments mit statischem Anteil und übergelagerten Drehschwingungen.
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Beispielsweise weist zur Ausbildung des Flüssigkeits-Drehschwingungsdämpfers der Momentenaufnehmer ein oder mehrere Paddel auf, die in ein Flüssigkeitsbad tauchen. Unter Paddel ist insbesondere eine radial angeordnete Platte oder dgl. zu verstehen. Grundsätzlich eignet sich aber alles als Paddel, was in das Flüssigkeitsbad taucht und die Drehung des Momentenaufnehmers dämpft, beispielsweise auch ein Zylinderstift. Genaugenommen handelt es sich dabei um einen Flüssigkeits-Rotationsdämpfer, der bei einer statischen Komponente eines Drehmoments übergelagerte Drehschwingungen dämpft.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Drehmomentmessvorrichtung gemäß der Erfindung in einem Achsschnitt;
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2 die Drehmomentmessvorrichtung aus 1 in perspektivischer Darstellung; und
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3 eine Stirnansicht der Drehmomentmessvorrichtung aus 1 und 2.
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Die in der Zeichnung dargestellte, erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung 1 weist ein stehend, d. h. mit vertikaler Achse, angeordnetes, zylinderrohrförmiges Gehäuse 2 mit einem kreisscheibenförmigen Deckel 3 und einem ebenfalls kreisscheibenförmigen Boden 4 auf, die mit dem Gehäuse 2 verschraubt sind, wobei zumindest der Boden 4 flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse 2 ist. Koaxial im Gehäuse 2 ist ein zylindrischer Momentenaufnehmer 5 angeordnet, dessen Durchmesser nur wenig kleiner als ein Innendurchmesser des Gehäuses 2 ist, so dass zwischen dem Momentenaufnehmer 5 und dem Gehäuse 2 nur ein schmaler Spalt besteht. Der Momentenaufnehmer 5 weist an beiden Stirnseiten koaxiale Lagerzapfen 6 auf, an denen er mit Drehlagern 7, 8 drehbar am Deckel 3 und am Boden 4 gelagert ist. Eine Achse des Momentenaufnehmers 5 ist zugleich eine Drehachse. Als Drehlager 7, 8 weist der Momentenaufnehmer 5 auf beiden Stirnseiten je ein Kugellager als Radiallager auf, die in zylindrische Ansenkungen im Deckel 3 und im Boden 4 des Gehäuses 2 der Drehmomentmessvorrichtung 1 als Lageraufnahmen angeordnet sind. Zusätzlich ist im Boden 4 ein Nadellager als Axiallager vorgesehen. Ein Reibdurchmesser der Drehlager 7, 8 des drehbaren Momentenaufnehmers 5 der Drehmomentmessvorrichtung 1 ist ungefähr 1/3 so groß wie ein Durchmesser des Momentenaufnehmers 5. Der Reibdurchmesser der Drehlager 7, 8 ist ein Radius eines Kreis, auf dem sich Mittelpunkte von Wälzkörpern der Drehlager 7, 8 bei einer Drehung und einem Wälzen der Wälzkörper bewegen. Bei Verwendung von Gleitlagern als Drehlager (nicht dargestellt) ist der Reibdurchmesser der Durchmesser der aufeinander gleitenden Flächen der Lager. Der kleine Reibdurchmesser der Drehlager 7, 8 bewirkt eine niedrige Lagerreibung, die eine Messung eines Drehmoments nur wenig beeinflusst.
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Koaxial zum und mit axialem Abstand vom Momentenaufnehmer 5 ist eine kreisförmige Montageplatte 9 für eine Unterprobe starr am drehbar gelagerten Momentenaufnehmer 5 befestigt. Die Montageplatte 9 ist mit dem Momentenaufnehmer 5 verschraubt und wird von Hülsen als Abstandshalter 10 in axialem Abstand von der Stirnseite des Momentenaufnehmers 5 gehalten. Die Abstandshalter 10 treten durch Löcher im Deckel 3, die einen größeren Durchmesser als die Abstandshalter 10 aufweisen, so dass die Abstandshalter 10 in den Löchern im Deckel 3 beweglich und die Montageplatte 9 zusammen mit dem Momentenaufnehmer 5 um dessen Drehachse schwenkbar sind. Eine Oberseite der Montageplatte 9 ist radial zur Drehachse des Momentenaufnehmers 5, sie bildet eine Reibfläche 11 in einer Radialebene zur Drehachse.
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An sich ist vorgesehen, dass eine kreisförmige Reibscheibe (nicht dargestellt) oder dgl. als Unterprobe drehfest auf der Montageplatte 9 angeordnet wird, so dass genaugenommen nicht die Oberseite der Montageplatte 9 sondern die Oberseite der nicht gezeichneten Reibscheibe die Reibfläche 11 bildet
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Zur Messung einer Reibkraft werden beispielsweise drei nicht gezeichnete Reibkörper, die exzentrisch mit einem Winkelversatz von jeweils 120° angeordnet sind, senkrecht gegen die Reibfläche 11 der Montageplatte 9 bzw. einer drehfest auf der Montageplatte 9 angeordneten Reibscheibe oder dgl. gedrückt und drehend, auch oszillierend, angetrieben, so dass sich die gegen die Reibfläche 11 gedrückten Reibkörper auf einer Kreisbahn bewegen. Die sich auf der Kreisbahn bewegenden und gegen die Reibfläche 11 gedrückten Reibkörper üben ein Drehmoment auf den drehbar gelagerten Momentenaufnehmer 5 der Drehmomentmessvorrichtung 1 aus, das proportional zu den Reibkräften zwischen den Reibkörpern und der Reibfläche 11 ist. Ist die Exzentrizität und/oder Andruckkraft der Reibkörper verschieden, verursacht das Drücken der Reibkörper gegen die Reibfläche 11 ein Moment um eine Achse senkrecht zur Drehachse, das den drehbar gelagerten Momentenaufnehmer 5 auf Biegung beansprucht. Aufgrund des großen Durchmessers des Momentenaufnehmers 5 ist die Biegung vernachlässigbar für die Messung des auf den Momentenaufnehmer 5 um dessen Drehachse ausgeübte Drehmoment.
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An einer Stelle seines Umfangs weist das zylinderrohrförmige Gehäuse 2 einen achsparallelen Spalt auf, der an der Oberseite des Gehäuses 2 offen ist. In dem Spalt ist ein Biegestab 12 achsparallel angeordnet, dessen oberes Ende zur Befestigung des Biegestabs 12 mit dem Deckel 3 verschraubt ist. Der Biegestab 12 befindet sich also an einem Umfang des drehbar gelagerten Momentenaufnehmers 5. Am anderen Ende verbindet ein Zylinderstift 13 den Momentenaufnehmer 5 mit dem Biegestab 12. Der Zylinderstift 13 hält den drehbar gelagerten Momentenaufnehmer 5 über den mit dem Deckel 3 verschraubten Biegestab 12 drehfest und überträgt zugleich ein auf den Momentenaufnehmer 5 um dessen Drehachse ausgeübtes Drehmoment als Querkraft auf das dem Deckel 3 ferne Ende des Biegestabs 12. Eine elastische Biegung des Biegestabs 12 ist mit in der Zeichnung nicht sichtbaren Dehnmessstreifen messbar, die in einer Längsmitte des Biegestabs 12 auf dessen in Umfangsrichtung weisende Flächen aufgeklebt sind. Der Biegestab 12 weist einen Längsschlitz 14 in einer Axialebene der Drehachse des Momentenaufnehmers 5 auf, der eine bevorzugte Biegeebene des Biegestabs 12 senkrecht zum Schlitz 14 bewirkt. Die Biegeebene definiert eine Biegerichtung, in der sich der Biegestab 12 bevorzugt und im Momentenaufnehmer 1 im Wesentlichen ausschließlich biegt. Die Biegeebene des Biegestabs 12 ist tangential zur Drehachse des Momentenaufnehmers 5.
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In das Gehäuse 2 ist etwas hochviskoses Öl gefüllt, das eine untere Stirnseite des Momentenaufnehmers 5 benetzt. Dazu muss eine Kabeldurchführung 15 und etwaige sonstige Öffnungen im Boden 4 dicht verschlossen sein. Das Gehäuse 2 bildet somit ein Flüssigkeitsbad für den Momentenaufnehmer 5. Zwischen dem Boden 4 des Gehäuses 2 und der unteren Stirnseite des Momentenaufnehmers 5 besteht nur ein schmaler Spalt, so dass bei einem Schwenken des Momentenaufnehmers 5 um seine Drehachse ein hohes Schergefälle in dem hochviskosen, in das Gehäuse 2 gefüllten Öl besteht, das Drehschwingungen des Momentenaufnehmers 5 dämpft.
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Der Boden 4 des Gehäuses 2 weist eine kreisbogenförmige Nut als Flüssigkeitsbad 16 auf, die sich konzentrisch um die Drehlager 7, 8 erstreckt und an beiden Enden mit Abstand von der Kabeldurchführung 15 endet. Die Nut ist mit einer Flüssigkeit, im Ausführungsbeispiel mit Öl, gefüllt. In die Nut taucht eine Anzahl Paddel 17, die von einer dem Boden 4 zugewandten Unterseite des Momentenaufnehmers 5 nach unten in die das Flüssigkeitsbad 16 bildende Nut abstehen. Die Paddel 17 sind radial angeordneten Platten bzw. Plättchen. Sie berühren weder Wände noch einen Grund der Nut. Die das Flüssigkeitsbad 16 bildende, zu den Drehlagern 7, 8 konzentrische, Öl oder allgemein eine Flüssigkeit enthaltende Nut im Boden 4 des Gehäuses 2 und die in die Flüssigkeit tauchenden Paddel 17 des Momentenaufnehmers 5 bilden einen Flüssigkeits-Drehschwingungsdämpfer 18, der Drehschwingungen des Momentenaufnehmers 5 und damit Schwankungen eines auf den Momentenaufnehmer 5 um seine Drehachse ausgeübten Moments dämpft.
