DE102017004378A1

DE102017004378A1 - Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer

Info

Publication number: DE102017004378A1
Application number: DE102017004378.7A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08
Also published as: WO2018202228A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen flanschförmigen Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:- einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind,- zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche (3, 4), die mit dem Messelement (1) integral verbunden sind, wobei- das Messelement (1) im Bereich der Drehachse angeordnet ist und- die Befestigungsflansche (3, 4) Befestigungsbohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen aufweisen, und wenigstens 3 stabförmige Federelemente (6, 7), die entweder zwischen den Befestigungsbohrungen (5) oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) vorgesehen sind. Dieser Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer ist relativ unempfindlich gegenüber von Störkräften.

Description

Die Erfindung betrifft einen flanschförmigen Drehmomentaufnehmer und insbesondere einen Drehmomentaufnehmer, der relativ unempfindlich gegen Störkräfte ist. Ein Flansch dieses Typs Drehmomentaufnehmer ist mit einer Antriebswelle, der andere Flansch mit einer von der Antriebswelle in Drehung zu setzenden Welle verschraubt. Beide Flansche sind mit einem Messelement verbunden, das sich unter dem Einfluss eines Drehmoments elastisch verformt. An ausgewählten Stellen des Messelements sind Dehnungsmessstreifen appliziert, um die Dehnung an diesen Stellen zu messen, die proportional zur Größe des Drehmoments ist. Diese Messelemente gibt es in unterschiedlichen Geometrien, wobei Biegekräfte oder Scherkräfte gemessen werden.
Charakteristisch für diese Messelemente ist, dass die Stellen, an denen die Dehnungsmessstreifen appliziert sind, ein Dehnungsverhalten aufweisen, das streng proportional dem anliegenden Drehmoment ist. Es handelt sich hierbei jedoch um eine theoretische Annahme. In der Praxis kommt es vor, dass die beiden Wellen nicht genau in der gleichen Achse liegen, wobei drei Fälle zu unterscheiden sind: Die Achsen sind parallel zueinander leicht versetzt oder stehen in einem Winkel zueinander oder sind parallel versetzt und stehen auch in einem Winkel zueinander. In allen drei Fällen werden auf das Messelement zusätzliche Kräfte übertragen. In Abhängigkeit von der speziellen Geometrie des Messelements entstehen unterschiedlich große Messfehler.
Eine der bisher üblichen Methoden zur Verhinderung solcher Messfehler ist die möglichst starre Ausbildung des Messelements. Diese Methode hat jedoch eine physikalische Begrenzung: Je steifer das Messelement ist, umso geringer ist die auftretende Dehnung und somit auch das Messsignal des Drehmoments. Wenn das Messelement weniger starr ist, ist auch die Dehnung und somit das Messsignal größer. Allerdings entstehen auch stärkere Verfälschungen des Messsignals, wenn einer der drei vorstehend genannten Fälle auftritt.
Bei einem aus der EP 0 575 634 A1 bekannten Drehmomentsensor sind die Verformungsbereiche in sich radial oder axial zwischen zwei Anschlussflanschen erstreckenden Stegen vorgesehen, wobei pro Steg jeweils zwei Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Biegedehnung vorgesehen sind und durch eine geeignete Brückenschaltung dafür gesorgt werden soll, dass Querkräfte, Quermomente unterschiedliche Momenteinleitung und ungleichmäßiges Verschrauben möglichst weitgehend kompensiert werden. Der bekannte Drehmomentsensor soll sich außerdem durch ein geringes Massenträgheitsmoment und hohe Messempfindlichkeit auszeichnen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass derartige Drehmomentsensoren neben der bei der Messung von Biegedehnungen bekannten Empfindlichkeit gegen die Einflüsse von Längs- und Querkräften den Nachteil aufweisen, dass bei hohen Drehzahlen eine Nullpunktverschiebung auftritt, die schwer zu kompensieren ist.
Aus der DE 32 12 946 A1 ist ein Drehmomentmesssystem bekannt, das als Rohr ausgebildet ist. Entlang des Rohrumfangs sind dabei vier im Wesentlichen rechteckige Aussparungen vorgesehen, sodass in axialer Richtung vier Stege gebildet sind, die zur Anordnung der Dehnungsmessstreifen dienen. Dabei sind auf den äußeren Mantelflächen der Stege die Dehnungsmessstreifen in Form von Scherkraftaufnehmern angeordnet, mit denen ein Drehmoment messbar ist, wenn die beiden Rohrstutzen mit einem Drehmoment belastet werden. Soll ein derartiges Messsystem eine hinreichende Biegesteifigkeit gewährleisten, so sind dabei relativ große Außendurchmesser erforderlich, die häufig nachteilig sind.
Auch in dem Dokument DE 102015110861 A1 wird das vorstehend genannte Problem des parallelen und des winkeligen Versatzes der miteinander zu verbindenden Wellen beschrieben.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, einen Drehmomentmessaufnehmer bereitzustellen, der ein hohes Messsignal abgibt und gleichzeitig relativ unempfindlich gegen Kräfte ist, die nicht in der Wirkrichtung des Drehmoments angreifen.
Die Aufgabe wird mit einem Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen gelöst: einem Messelement, an dem Dehnungsmessstreifen befestigt sind, zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche, die mit dem Messelement integral verbunden sind, wobei das Messelement im Bereich der Drehachse angeordnet ist und die Befestigungsflansche Befestigungsbohrungen entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen aufweisen, und wenigstens 3 stabförmige Federelemente, die entweder zwischen den Befestigungsbohrungen oder außerhalb der Befestigungsbohrungen vorgesehen sind.
Nach Anspruch 2 weisen die Federelemente einen rechteckigen Querschnitt auf, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist.
Nach Anspruch 3 weisen die Federelemente einen runden Querschnitt auf.
Nach Anspruch 4 bestehen die Federelemente aus einem anderen Material als das Messelement.
Nach Anspruch 5 bestehen die Federelemente aus Keramik.
Nach Anspruch 6 weist das Material der Federelemente eine andere Federkonstante als das Material des Messelements auf.
Nach Anspruch 7 bestehen die Federelemente abwechselnd aus unterschiedlichen Materialien.
Nach Anspruch 8 weisen die einzelnen Federelemente abwechselnd einen unterschiedlichen Querschnitt auf.
Nach Anspruch 9 sind in beiden Flanschen Durchgangslöcher zur Aufnahme der Federelemente vorgesehen.
Nach Anspruch 10 sind in einem der beiden Flansche Durchgangslöcher und im anderen Flansch Sacklöcher zur Aufnahme der Federelemente vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert:

1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Federelementen, die einen runden Querschnitt aufweisen.
2 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Federelementen mit rundem Querschnitt, die wechselweise einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweisen.
3 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Federelementen, die abwechselnd einen runden und einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
4 zeigt einen herkömmlichen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer.

Die 1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:
Zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmigen Befestigungsflansche (3, 4) aus Stahl und ein zylinderförmiges Messelement (1) sind einstückig gefertigt. Auf der Oberfläche des zylinderförmigen Messelements (1) sind Dehnungsmessstreifen (2) appliziert, die in den Zeichnungen nur symbolisch dargestellt sind. Das Messelement (1) ist grundsätzlich nahe zur Drehachse angeordnet, in diesem Beispiel ist es rotationssymmetrisch. Das hat den Vorteil, dass auch bei großen Drehzahlen die Zentrifugalkräfte an dem Messelement (1) relativ gering bleiben und somit auch nur eine sehr geringe Nullpunktverschiebung bewirken können. Die Befestigungsflansche (3, 4) sind mit Bohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen versehen. Zwischen den 8 Befestigungsbohrungen sind in gleicher Anzahl Federelemente (6) mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet. Die Verwendung von Federelementen mit kreisförmigem Querschnitt hat den Vorteil, dass sich die Federelemente in dafür vorgesehenen Bohrungen mit geringem Aufwand befestigen lassen, z. B. mittels einer Schrumpfverbindung. Die Dimensionierung von Bauteilen zur Herstellung von Schrumpfverbindungen ist dem Fachmann bekannt und muss daher nicht erläutert werden.
Die 2 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:
Die beiden parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflansche (3, 4) und ein zylinderförmiges Messelement (1) sind ebenfalls einstückig gefertigt. Auf der Oberfläche des zylinderförmigen Messelements (1) sind ebenfalls Dehnungsmessstreifen (2) appliziert. Das Messelement (1) ist rotationssymmetrisch zur Drehachse angeordnet. Die Befestigungsflansche (3, 4) sind ebenfalls mit Bohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen versehen. Zwischen den 8 Befestigungsbohrungen (5) sind in gleicher Anzahl Federelemente aus Stahl mit rundem Querschnitt angeordnet, wobei jedoch wechselweise Stahlarten mit einem unterschiedlichen Elastizitätsmodul verwendet werden. Durch eine vorbestimmte Auswahl des Elastizitätsmoduls kann die Eigenfrequenz des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers gezielt beeinflusst werden. Diese Option ist vorteilhaft bei Messungen an Motorprüfständen.
Die 3 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:
Die beiden parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflansche (3, 4) und ein zylinderförmiges Messelement (1) sind ebenfalls einstückig gefertigt. Auf der Oberfläche des zylinderförmigen Messelements (1) sind Dehnungsmessstreifen (2) appliziert. Das Messelement (1) ist rotationssymmetrisch zur Drehachse angeordnet. Die Befestigungsflansche (3, 4) sind mit Bohrungen entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen versehen. Zwischen den 8 Befestigungsbohrungen sind in gleicher Anzahl Federelemente angeordnet. Die Federelemente weisen abwechselnd einen runden und einen quadratischen Querschnitt auf. Mit einer derartigen Anordnung kann ebenfalls die Eigenfrequenz des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers gezielt beeinflusst werden.
Die 4 zeigt einen herkömmlichen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer gemäß dem Stand der Technik.
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

EP 0575634 A1 [0004]
DE 3212946 A1 [0005]
DE 102015110861 A1 [0006]

Claims

Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen: - einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind, - zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche (3, 4), die mit dem Messelement (1) integral verbunden sind, wobei - das Messelement (1) im Bereich der Drehachse angeordnet ist und - die Befestigungsflansche (3, 4) Befestigungsbohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen aufweisen, und - wenigstens 3 stabförmige Federelemente (6, 7), die entweder zwischen den Befestigungsbohrungen (5) oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) vorgesehen sind.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (7) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (6) einen runden Querschnitt aufweisen.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (6, 7) aus einem anderen Material als das Messelement bestehen.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (6, 7) aus Keramik bestehen.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Material der Federelemente (6, 7) eine andere Federkonstante als das Material des Messelements (1) aufweist.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (6, 7) abwechselnd aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die einzelnen Federelemente (6, 7) abwechselnd einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei in beiden Flanschen (3, 4) Durchgangslöcher zur Aufnahme der Federelemente (6, 7) vorgesehen sind.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei in einem der beiden Flansche (3) Durchgangslöcher und in dem anderen der beiden Flansche (4) Sacklöcher zur Aufnahme der Federelemente (6, 7) vorgesehen sind.