DE102017004587A1

DE102017004587A1 - Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Korrektursensorik

Info

Publication number: DE102017004587A1
Application number: DE102017004587.9A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit einer Korrektursensorik ausgestatteten Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen: einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind, zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen (3, 4), die mit dem Messelement (1) integral verbunden sind, wobei die Befestigungsflansche (3, 4) Befestigungsbohrungen (5) aufweisen, und wenigstens 3 stabförmigen Federelementen (6), die entweder zwischen den Befestigungsbohrungen (5) oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) zwischen den Flanschen (3, 4) vorgesehen sind. Die Federelemente wiesen einen rechteckigen Querschnitt auf, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist. Auf jedem Federelement (6) ist wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (7) angeordnet.

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 an diesen Stellen auftretende Dehnung 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 zueinander 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 Weg zur Verhinderung solcher Messfehler ist die möglichst starre Ausbildung des Messelements. Diesem Weg sind jedoch physikalisch Grenzen gesetzt. Je steifer das Messelement ist, umso geringer ist die auftretende Dehnung und somit auch das Messsignal des Drehmoments. Wenn das Messelement weniger starr ist, ergibt sich eine größere Dehnung und somit auch ein größeres Messsignal. Wenn außerdem einer der drei vorstehend genannten Fälle auftritt, sind noch stärkere Verfälschungen des Messsignals zu verzeichnen.
Bei einem aus der EP 0 575 634 A1 bekannten Drehmomentsensor sind die Verformungsbereiche in Stegen vorgesehen, die sich radial oder axial zwischen zwei Anschlussflanschen erstrecken, wobei pro Steg jeweils zwei Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Biegedehnung angeordnet 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 beim Messen von Biegedehnungen gegen Einflüsse von Längs- und Querkräften sehr empfindlich sind und außerdem bei hohen Drehzahlen eine Nullpunktverschiebung bewirken, die schwer zu kompensieren ist.
Aus der DE 32 12 946 A1 ist ein Drehmomentmesssystem bekannt, das als Rohr ausgebildet ist. Über den Rohrumfang sind in der Rohrwand vier im Wesentlichen rechteckige Aussparungen vorgesehen, um vier in axialer Richtung sich erstreckende Stege auszubilden. Die Mantelfläche jedes Stegs dient zur Aufnahme eines Dehnungsmessstreifens in Form eines Scherkraftaufnehmers. Mit diesen Dehnungsmessstreifen kann ein auf das so konfigurierte Rohr aufgebrachtes Drehmoment gemessen werden. Wenn ein derartiges Messsystem eine hinreichende Biegesteifigkeit gewährleisten soll, sind aber relativ große Außendurchmesser erforderlich, die häufig Nachteile aufweisen.
Auch in dem Dokument DE 102015110861 A1 wird das vorstehend genannte Problem beschrieben, das bei parallelem und bei winkligem Versatz der miteinander zu verbindenden Wellen auftritt.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, einen Drehmomentaufnehmer bereitzustellen, der eine besonders genaue Messung des Drehmoments auch dann ermöglicht, wenn die beiden miteinander verbundenen Wellen nicht genau in der gleichen Achse liegen.
Die Aufgabe wird mit einem Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen gelöst: einem Messelement, an dem Dehnungsmessstreifen befestigt sind, zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen, die mit dem Messelement integral verbunden sind, wobei das Messelement in naher Lagebeziehung zur Drehachse angeordnet ist und die Befestigungsflansche Befestigungsbohrungen entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen aufweisen, und wenigstens 3 stabförmigen Federelementen, die entweder zwischen den Befestigungsbohrungen oder außerhalb der Befestigungsbohrungen vorgesehen sind, wobei die Federelemente einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist. Auf jedem der wenigstens 3 Federelemente ist wenigstens ein Dehnungsmessstreifen angeordnet. Diese Dehnungsmessstreifen generieren Dehnungssignale, die in einem vorbestimmten Zusammenhang mit dem Versatz der beiden Wellen stehen. Mit Hilfe dieser Dehnungssignale können die Drehmomentmesssignale korrigiert werden.
Nach Anspruch 2 bestehen die Federelemente aus einem anderen Material als das Messelement.
Nach Anspruch 3 weist das Material der Federelemente eine andere Federkonstante als das Material des Messelements auf.
Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Messung eines Drehmoments gelöst, wobei das Verfahren nachfolgende Schritte aufweist:

a. Bereitstellen eines Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:
- - einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind,
- - zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen (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 stabförmigen Federelementen (6), die entweder zwischen den Befestigungsbohrungen (5) oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) in den beiden Flanschen (3, 4) vorgesehen sind, wobei die Federelemente (6) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist und auf jedem Federelement wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (7) angeordnet ist.
b. Messen des Drehmoments mit dem Messelement (1) und gleichzeitig separates Messen der an den wenigstens 3 Federelementen (6) auftretenden Dehnungen.
c. Korrektur des Drehmoment-Messsignals mit Hilfe der an den wenigstens 3 Federelementen (6) gemessenen Dehnungswerte.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert:

1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Federelementen, auf denen Dehnungsmessstreifen appliziert sind.

Die 1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:
Zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige 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 um die Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers angeordnet, in diesem Beispiel rotationssymmetrisch zu dieser. 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 rechteckigem Querschnitt angeordnet. Auf jedem der Federelemente ist eine DMS-Halbbrücke (7) appliziert.
Von dem mit beiden Wellen verschraubten Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer wird ständig das aufgebrachte Drehmoment gemessen. Die Drehmomentmesssignale werden einer Korrektur-Elektronik zugeführt. Gleichzeitig werden die an den Federelementen auftretenden Dehnungen gemessen und die daraus resultierenden Messsignale ebenfalls der Korrektur-Elektronik zugeführt. Die Korrektur-Elektronik weist eine Speichereinheit auf, in der durch einen Kalibriervorgang gewonnene Korrekturdaten gespeichert sind.
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 angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen (3, 4), die mit dem Messelement (1) integral verbunden sind, wobei - das Messelement (1) im Bereich der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers angeordnet ist und - die Befestigungsflansche (3, 4) Befestigungsbohrungen (5) aufweisen, und - wenigstens 3 stabförmigen Federelementen (6), die sich entweder zwischen den Befestigungsbohrungen (5) oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) sich zwischen den beiden Flanschen (3, 4) erstrecken, wobei die Federelemente einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist, und auf jedem Federelement wenigstens ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (6) aus einem anderen Material als das Messelement bestehen.
Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Material der Federelemente (6) eine andere Federkonstante als das Material des Messelements (1) aufweist.
Verfahren zur Messung eines Drehmoments, wobei das Verfahren nachfolgende Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen: - einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind, - zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen (3, 4), die mit dem Messelement (1) integral verbunden sind, wobei - das Messelement (1) im Bereich der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers angeordnet ist und - die Befestigungsflansche (3, 4) Befestigungsbohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen aufweisen, und - wenigstens 4 stabförmigen Federelementen (6), die sich entweder zwischen den Befestigungsbohrungen (5) oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) zwischen den Flanschen (3, 4) erstrecken, wobei die Federelemente (6) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite in Richtung der Drehachse ausgerichtet ist, und auf jedem Federelement wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (7) angeordnet ist. b. Messen des Drehmoments mit dem Messelement (1) und gleichzeitig separates Messen der an den wenigstens 3 Federelementen auftretenden Dehnungen, c. Korrektur des Drehmoment-Messsignals mit Hilfe der an den wenigstens 3 Federelementen (6) gemessenen Dehnungswerte.