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Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Messvorrichtung zur Messung von Drehmomenten von zumindest 2 Meganewtonmeter mit (a) einem Antriebsflansch zum Verbinden mit einer Drehmomentquelle, (b) einem Abtriebsflansch zum Verbinden mit einer Drehmoment-Senke, der verdrehbar zum Antriebsflansch angeordnet ist, (c) einem ersten Kraftmesser zum Messen einer ersten Kraftkomponente zwischen einem ersten Krafteinleitpunkt auf dem Antriebsflansch und einem ersten Kraftaufnahmepunkt auf dem Abtriebsflansch und (d) einem zweiten Kraftmesser zum Messen einer zweiten Kraftkomponente zwischen einem zweiten Krafteinleitpunkt auf dem Antriebsflansch und einem zweiten Kraftaufnahmepunkt auf dem Abtriebsflansch.
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Derartige Drehmoment-Messvorrichtungen werden beispielsweise in Windkraftanlagen-Messständen zum Messen von Drehmomenten verwendet, die an Windkraftanlagen auftreten, und müssen Drehmomente von zumindest 2 Meganewtonmeter in Wellen messen, an denen zudem eine Axialkraft und/oder Kippmomente anliegen können. Bekannte Drehmoment-Messvorrichtungen führen insbesondere unter einer solchen multiaxialen Belastung bei Drehmomenten oberhalb von 2 Meganewtonmetern zu Messunsicherheit von mehr als 5%. Das ist für die Optimierung von Windkraftanlagen nur schlecht akzeptabel.
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Aus den
DE 10 2009 014 284 A1 ,
DE 10 2012 024 264 B4 und
EP 1 074 826 B1 sind Drehmomentsensoren bekannt, die basierend auf Scherkraftmesswertaufnehmern das Drehmoment zwischen zwei Flanschen messen. Durch ihren Aufbau ist eine Kalibrierung für sehr große Drehmomente von mehr als 1,1 MNm aber nicht möglich. Des Weiteren ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber zusätzlichen mechanischen Belastungen wie Axial- oder Querkräfte nicht ausreichend ausgeprägt.
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Aus der Veröffentlichung EMPIR (European Union): Torque measurement in the MNm range - The project. Last updated 23.03.2017, www.ptb.de/emrp/ind14-project.html ist eine Übersicht über mögliche Messverfahren für Drehmomente im Bereich von Meganewtonmetern bekannt. Hinweise, wie diese Systeme jeweils konkret aussehen sollen, werden nicht gegeben. Die Erfindung ist ein Ergebnis des Projekts, in dessen Rahmen die Veröffentlichung EMPIR stattfand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Drehmoment-Messvorrichtung vorzuschlagen.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Drehmoment-Messvorrichtung, die eine Entkopplungsstruktur aufweist, die ausgebildet ist zum Übertragen aller Axialkräfte und Kippmomente vom Antriebsflansch auf den Abtriebsflansch unter Umgehung der genannten Kraftmesser. Vorzugsweise ist die Entkopplungsstruktur zudem ausgebildet zum Übertragen aller Querkräfte vom Antriebsflansch auf den Abtriebsflansch unter Umgehung der genannten Kraftmesser.
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Vorteilhaft an einer derartigen Drehmoment-Messvorrichtung ist, dass Schubkräfte und/oder Kippmomente nicht auf die Kraftmesser wirken und somit deren Messergebnis nicht oder weniger verfälschen.
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Vorteilhaft ist zudem, dass eine derartige Drehmoment-Messvorrichtung rückführbar kalibrierbar ist. Unter einer rückgeführten Kalibrierung wird verstanden, dass die Größen auf Basis derer das Messergebnis der Drehmoment-Messvorrichtung ermittelt wird, in einer geschlossenen Messkette zumindest mit einem gesetzlichen Primärnormal verglichen wird. Erst eine derartige rückgeführte Kalibrierung führt dazu, dass eine verlässliche Messunsicherheit angegeben werden kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Antriebsflansch insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die formschlüssig, insbesondere mittels Schrauben, mit einem Gegenflansch verbindbar ist, sodass das an eine Welle angreifende Drehmoment aufnehmbar ist.
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Insbesondere sind die Kraftmesser so angeordnet, dass die Gesamtheit aller Kraftmesser alle Kräfte zwischen dem Antriebsflansch und dem Abtriebsflansch aufnimmt, die aus dem anliegenden Drehmoment resultieren. In anderen Worten sind die Kraftmesser so ausgebildet und angeordnet, dass aus den Messergebnissen der Kraftmesser direkt auf das anliegende Drehmoment geschlossen werden kann, sofern keine Kippmomente am Antriebsflansch anliegen und keine Schubkraft auf den Antriebsflansch wirkt.
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Unter dem Merkmal, dass die Entkopplungsstruktur ausgebildet ist zum Übertragen der Axialkräfte und Kippmomente (sowie gegebenenfalls aller Querkräfte) unter Umgehung der Kraftmesser, wird insbesondere verstanden, dass sich das Messergebnis der Kraftmesser im Rahmen der Messunsicherheit von beispielsweise höchstens 1% nicht ändert, wenn das Drehmoment unveränderlich bleibt und zusätzlich ein Kippmoment anliegt und /oder eine Axialkraft (und gegebenenfalls eine Querkraft) auf den Antriebsflansch wirkt.
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Günstig ist es, wenn ein Antriebsflansch einen Durchmesser von zumindest 1,5 m hat, vorzugsweise von zumindest 2 m. Insbesondere ist ein wirksamer Hebelarm der Kraftmesser größer als 0,5m.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Entkopplungsstruktur einen ersten Steg, der in axialer Richtung zwischen dem Antriebsflansch und dem Abtriebsflansch verläuft, einen zweiten Steg, der in axialer Richtung zwischen dem Antriebsflansch und dem Abtriebsflansch verläuft, und zumindest einen dritten Steg, der in axialer Richtung zwischen dem Antriebsflansch und dem Abtriebsflansch verläuft. Diese Stege sind so ausgebildet, dass sie Kippmomente, die auf den Antriebsflansch wirken, vollständig auf den Abtriebsflansch übertragen.
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Vorzugsweise sind die Stege drehsymmetrisch bezüglich einer Drehachse der Drehmoment-Messvorrichtung angeordnet. Die Drehachse der Drehmoment-Messvorrichtung ist diejenige Achse, um die sich der Antriebsflansch dreht, wenn ein zu messendes Drehmoment angelegt wird, während der Abtriebsflansch sich nicht bewegt. Es ist allerdings auch möglich, dass der Abtriebsflansch sich ebenfalls in Rotation befindet. Eine Drehsymmetrie bezüglich dieser Drehachse bedeutet, dass eine Drehung um einen Symmetriewinkel (bei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehenen genau drei Stegen: 120°) dazu führt, dass ein anderer Steg an der gleichen Stelle angeordnet ist.
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Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Drehmoment-Messvorrichtung genau drei Stege aufweist. Es ist auch möglich, dass die Drehmoment-Messvorrichtung vier, fünf oder mehr Stege aufweist. Eine größere Anzahl an Stegen erhöht jedoch den Auswerteaufwand und führt zu einer statischen Überbestimmung.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Entkopplungsstruktur ein Lager aufweisen, beispielsweise ein Wälzlager oder ein Reiblager, mittels dem der Antriebsflansch am Abtriebsflansch gelagert ist.
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Die Kraftmesser weisen vorzugsweise je ein Deformationselement, das insbesondere zumindest abschnittsweise stabförmig ist, und ein Deformationserfassungselement zum Erfassen einer Dehnung des Deformationselements auf. Vorzugsweise ist eine Steifigkeit der Kraftmesser so gewählt, dass ein am Antriebsflansch anliegendes Drehmoment von 2 Meganewtonmeter zu einer Deformation der Deformationselemente (von höchstens 0,2 mm) führt. Die Deformationserfassungselemente können beispielsweise Dehnungsmesselemente sein, insbesondere Dehnungsmessstreifen.
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Besonders günstig ist es, wenn Drehmoment-Messvorrichtung eine Störeinfluss-Messvorrichtung aufweist, die zumindest einen Dehnungsmesser zum Messen einer Dehnung zumindest eines Stegs umfasst. Die Störeinfluss-Messvorrichtung ist eine Vorrichtung, mittels der der Einfluss von Kippmomente von Kippmomenten und/oder einer axialen Kraft, die auf den Antriebsflansch wirkt, erfassbar ist. Sowohl eine axiale Kraft als auch ein Kippmoment, das auf den Antriebsflansch wirkt, führen zu einer elastischen Längenveränderung des Stegs. Es ist möglich und bevorzugt, nicht aber notwendig, dass die Störeinfluss-Messvorrichtung ausgebildet ist zum Messen dieser Dehnung. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Störeinfluss-Messvorrichtung ausgebildet ist zum, beispielsweise interferometrischen, Messen eines Abstandes zwischen dem Antriebsflansch und dem Abtriebsflansch an beispielsweise drei oder mehr Stellen. Die Längenänderung der Stege führt nämlich auch zu einer Abstandsänderung von Antriebsflansch zu Abtriebsflansch.
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Vorzugsweise umfasst die Störeinfluss-Messvorrichtung einen ersten Dehnungsmesser zum Messen einer Dehnung des ersten Stegs, einen zweiten Dehnungsmesser zum Messen einer Dehnung des zweiten Stegs und zumindest einen dritten Dehnungsmesser zum Messen einer Dehnung des zumindest einen dritten Stegs. Beispielsweise umfasst der Dehnungsmesser zumindest einen Dehnungsmessstreifen. Derartige Dehnungsmessstreifen sind - wie auch die Auswertung der von ihnen produzierten Signale - Standardverfahren und werden daher hier nicht weiter erläutert. Der Dehnungsmessstreifen ist insbesondere direkt am jeweiligen Steg befestigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Drehmoment-Messvorrichtung eine Auswerteeinheit, die mit den Kraftmessern und mit der Störeinfluss-Messvorrichtung verbunden ist und die ausgebildet ist zum automatischen Berechnen des am Antriebsflansch anliegenden Drehmoments aus Messergebnissen der Kraftmesser und der Störeinfluss-Messvorrichtung.
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Günstig ist es, wenn die Stege mittels Festkörpergelenken mit dem Antriebsflansch und/oder dem Abtriebsflansch verbunden sind. Festkörpergelenke zeigen keinen Haftgleiteffekt (Stick-Slip-Effekt). Aus einer Neigung des Stegs relativ zu dem Flansch, an dem der Steg befestigt ist, also dem Antriebsflansch oder dem Abtriebsflansch, lässt sich somit gut auf das Drehmoment schließen, das am Steg anliegt. Je größer dieses Drehmoment ist, desto geringer ist die Kraft, die von den Kraftmessern ermittelt wird. Zur Berechnung des Drehmoments, das am Antriebsflansch anliegt, muss daher das Drehmoment bekannt sein, das von den Stegen aufgenommen wird.
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Alternativ können die Stege auch über ein echtes Gelenk mit dem Antriebsflansch oder dem Abtriebsflansch verbunden sein. Unter einem echten Gelenk wird ein Gelenk verstanden, das nach einer Bewegung kein signifikantes Rückstellmoment zeigt. Ein solches echtes Gelenk ist beispielweise ein Drehgelenk.
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Die Stege sind sowohl am Antriebsflansch als auch am Abtriebsflansch befestigt. Dadurch können sowohl Druck- als auch Zugkräfte übertragen werden.
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Erfindungsgemäß ist zudem ein Drehmoment-Normal, das aus einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Messvorrichtung sowie einem zugehörigen Kalibrierschein besteht. Im Kalibrierschein ist insbesondere die Messunsicherheit angegeben, mit der die Drehmoment-Messvorrichtung behaftet ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt 1 in einer
- 1a eine maßstabsgerechte perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße Drehmoment-Messvorrichtung,
- 1b den Abtriebsflansch der Drehmoment-Messvorrichtung gemäß 1a und
- 2 eine Draufsicht von oben auf den Abtriebsflansch gemäß 1b.
- 3 zeigt eine maßstabsgerechte Schnittansicht durch den Abtriebsflansch gemäß 1b.
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1a zeigt eine erfindungsgemäße Drehmoment-Messvorrichtung 10 mit einem Antriebsflansch 12, einem Abtriebsflansch 14, einem ersten Kraftmesser 16.1, einem zweiten Kraftmesser 16.2 und einem dritten Kraftmesser 16.3. Es ist zu erkennen, dass der Antriebsflansch 12 einen Flanschkragen 18 aufweist, in den eine Mehrzahl an Löchern 20.1, 20.2, ... eingebracht sind. Auf diese Weise kann der Antriebsflansch 12 mit einer Drehmomentquelle, beispielsweise einem Rotor eines Windkraftanlagen-Teststands, oder einem Elektromotor, verbunden werden.
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Der Abtriebsflansch 14 besitzt ebenfalls einen Flanschkragen 22 mit einer Vielzahl an Löchern 24.1, 24.2, ... zum Verbinden mit einer Drehmomentsenke. Bei dieser Drehmomentsenke kann es sich beispielsweise um eine starre Aufnahme handeln. Alternativ handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Generator, beispielsweise einer Windkraftanlage, handeln.
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1b zeigt, dass der Abtriebsflansch 14 drei Abtriebsflansch-Gegenlager 26.i (i = 1, 2, 3) aufweist. An jedem Abtriebsflansch-Gegenlager 26.i ist ein Kraftmesser 16.i befestigt.
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Wie 1a zeigt, besitzt der Antriebsflansch drei Antriebsflansch-Gegenlager 28.i. Der Abtriebsflansch 14 ist - was einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht - baugleich zum Antriebsflansch 12. Die Kraftmesser 16.i liegen in jeweils einem Krafteinleitpunkt PE,i an dem Antriebsflansch-Gegenlager 28.i an und in einem Kraftaufnahmepunkt PA,i am Abtriebsflansch-Gegenlager 26.i.
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Wird der Antriebsflansch 12 bei stillstehendem Antriebsflansch 14 um eine Drehachse D um einen Lastwinkel α verdreht, wobei ein zu messendes Drehmoment M anliegt, so wirkt eine Kraftkomponente Fi auf jeden der Kraftmesser 16.i. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass alle Kraftkomponenten Fi gleich sind. Am Antriebsflansch 14 können zudem ein Kippmoment Mkipp und eine Querkraft Fquer anliegen.
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2 zeigt, dass jeder Kraftmesser 16.i ein Deformationselement 30.i aufweist, das vorzugsweise zumindest abschnittsweise zylinderförmig ist. Die Deformation, nämlich die positive Dehnung oder Stauchung (die auch als negative Dehnung bezeichnet werden könnte), wird von einem jeweiligen Deformationserfassungselement 31.i erfasst, das mit einer schematisch eingezeichneten Auswerteeinheit 40 verbunden ist. Das Deformationserfassungselement 31.i ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Dehnungsmessstreifen.
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Ein Abstand
di eines jeden Deformationselements
30.i von der Drehachse
D ermöglicht die Berechnung des Drehmoments, das am Antriebsflansch
12 anliegt, gemäß der Formel
Die Auswerteeinheit
40 berechnet das Drehmoment
M anhand dieser Gleichung automatisch. Diese Gleichung gilt, wenn keine Kraft in axialer Richtung bezüglich der Drehachse
D gilt und keine Kippmomente anliegen. Der Mittelwert der Abstände
di ist der wirksame Hebelarm.
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1b zeigt, dass die Drehmoment-Messvorrichtung 10 drei Stege 32.i aufweist, die sich in axialer Richtung erstrecken. In anderen Worten besitzen sie jeweils eine Längsachse Li , die mit der Drehachse D einen möglichst kleinen Winkel einschließt, der beispielsweise höchstens 3° beträgt. Jeder Steg überträgt eine Axialkraft von einem Flansch, nämlich dem Antriebsflansch12 oder dem Abtriebsflansch 14 auf den anderen jeweils anderen Flansch nämlich den Abtriebsflansch14 oder den Antriebsflansch 12.
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Die Stege
32.i können mittels eines Drehgelenks
34.i an einem der Flansche
12,
14 befestigt sein. Im vorliegenden Fall sind die Stege
32.i sowohl am Antriebsflansch
12 als auch am Abtriebsflansch
14 befestigt. In der in
1a gezeigten Darstellung der Drehmoment-Messvorrichtung
10 nehmen die Stege
32.i die Axialkraft
Fa vollständig auf. In anderen Worten ist die Summe an den Stegen
32.i anliegenden Teilkräfte
FS,i gleich der Axialkraft
Fa . Es gilt also
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Jeder Steg 32 besitzt, wie am Steg 32.1 exemplarisch gezeigt, einen Dehnungsmesser, im vorliegenden Fall den Dehnungsmesser 36.1. Mittels dieses Dehnungsmessers 36.i kann die Axialkraftkomponente FS,i , die am Steg 32.i anliegt, gemessen werden. Dazu ist der Dehnungsmesser 36.i beispielsweise mit einem Kabel 38.i mit der schematisch eingezeichneten Auswerteeinheit 40 verbunden.
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Wenn der Steg 32 mittels eines Festkörpergelenks 42 mit dem entsprechenden Flansch 12, 14 verbunden ist, ist es günstig, wenn an jedem Steg 32.i ein zweiter Dehnungsmesser 44 befestigt ist, sodass aus den Messergebnissen der beiden Dehnungsmesser 36.i, 44.i eine Biegung des entsprechenden Stegs 32.i berechnet werden kann. Die Dehnungsmesser 36.i, 44.i bilden in diesem Fall gemeinsam einen Kippmomentmesser 46.i zum Messen einer Neigung des jeweiligen Stegs.
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Alle Dehnungsmesser 36.i, 44.i bilden zusammen mit der Auswerteeinheit 40 eine Störeinfluss-Messvorrichtung.
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2 ist zu entnehmen, dass die Kraftmesser 16.i um einen Symmetriewinkel y von im vorliegenden Fall 120° versetzt zueinander angeordnet sind. Auch die Stege 32.i sind um den Symmetriewinkel y versetzt angeordnet.
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3 zeigt eine maßstabsgerechte Schnittansicht durch den Abtriebsflansch gemäß 1b.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehmoment-Messvorrichtung
- 12
- Antriebsflansch
- 14
- Abtriebsflansch
- 16
- Kraftmesser
- 18
- Flanschkragen
- 20
- Loch
- 22
- Flanschbogen
- 24
- Loch
- 26
- Abtriebsflansch-Gegenlager
- 28
- Antriebsflansch-Gegenlager
- 30
- Deformationselement des Kraftmessers
- 31
- Deformationserfassungselement des Kraftmessers
- 32
- Steg
- 34
- Drehgelenk
- 36
- Dehnungsmesser
- 38
- Kabel
- 40
- Auswerteeinheit
- 42
- Festkörpergelenk
- 44
- Dehnungsmesser
- 46
- Kippmomentmesser
- α
- Lastwinkel
- γ
- Symmetriewinkel
- D
- Drehachse
- d
- wirksamer Hebelarm
- Fa
- Axialkraft
- FS,i
- Axialkraftkomponente
- Fi
- Kraftkomponente
- i
- Laufindex (Bezugszeichen ohne Laufindex beziehen sich auf das entsprechende Objekt allgemein)
- Li
- Längsachse
- M
- Drehmoment
- PE,i
- Krafteinleitpunkt
- PA,i
- Kraftaufnahmepunkt
