DE102018117230B4 - Resonance compensated stator coupling - Google Patents
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Abstract
Eigenfrequenz-optimierte Kupplung (10), insbesondere eine Statorkupplung (12), zur drehfesten Verbindung eines ersten Bauteils, insbesondere eines Drehgebers (14) mit Geberwelle, an einem zweiten Bauteil, insbesondere einem zu messenden System mit einer zu messenden Welle, wobei die Kupplung (10), wenn die Bauteile drehfest miteinander verbunden sind, in einer axialen Richtung (Z) zwischen den Bauteilen angeordnet ist und koaxial zu den Bauteilen ausgerichtet ist, wobei die Kupplung (10) eingerichtet ist, axiale und/oder radiale Relativbewegungen zwischen den Bauteilen innerhalb von Toleranzgrenzen zuzulassen und wobei ein Körper (18) der Kupplung (10) aufweist:einen ringförmigen Zentralabschnitt (20), der sich in einem unbelasteten Zustand in einer im Wesentlichen radial orientierten, ersten Ebene erstreckt und der eine mittig angeordnete Durchtrittsöffnung (26) für koaxial zu verbindende, rotierende Wellen der Bauteile aufweist;mindestens zwei primäre Flügelabschnitte (22), die sich radial an den Zentralabschnitt (20) anschließen und die in einer Umfangsrichtung (U) äquidistant angeordnet sind;wobei jeder der primären Flügelabschnitte (22) einen Montageabschnitt (32), der sich in einer zweiten Ebene, parallel zur ersten Ebene erstreckt und der eine Montageöffnung (36) aufweist, und einen Verbindungsabschnitt (34) aufweist, der den Montageabschnitt (32) mit dem Zentralabschnitt (20) verbindet;wobei sich jeder der Verbindungsabschnitte (34) in einer Ebene erstreckt, die mit der ersten Ebene einen spitzen Anstellwinkel (38) einschließt, wobei der Anstellwinkel (38) so gewählt ist, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz, die auf einem gemeinsamen Trägheitsmoment der Kupplung und des Drehgebers sowie auf einer Torsionsfederkonstanten der Kupplung basiert, nicht unterschritten wird.Natural frequency-optimized coupling (10), in particular a stator coupling (12), for the rotationally fixed connection of a first component, in particular a rotary encoder (14) with encoder shaft, to a second component, in particular a system to be measured with a shaft to be measured, the coupling (10), when the components are connected to one another in a rotationally fixed manner, is arranged in an axial direction (Z) between the components and is aligned coaxially with the components, the coupling (10) being set up, axial and / or radial relative movements between the components within tolerance limits and wherein a body (18) of the coupling (10) has: an annular central section (20) which extends in an unloaded state in a substantially radially oriented first plane and which has a centrally arranged passage opening (26) for coaxially connected, rotating shafts of the components; at least two primary wing sections (22), which are connect radially to the central section (20) and which are arranged equidistantly in a circumferential direction (U); each of the primary wing sections (22) having a mounting section (32) which extends in a second plane, parallel to the first plane, and which has a mounting opening (36), and has a connecting section (34) connecting the mounting section (32) to the central section (20), each of the connecting sections (34) extending in a plane that is at an acute angle (38 ), with the angle of attack (38) being selected so that it does not fall below a predetermined natural frequency, which is based on a common moment of inertia of the clutch and the rotary encoder and on a torsion spring constant of the clutch.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine (Stator-)Kupplung, die auch eine Drehmomentstütze realisiert. Mit der Statorkupplung wird ein Drehgeber drehfest an einem zu messenden Objekt (z.B. einem Motor bzw. dessen rotierender Welle) befestigt.The present invention relates to a (stator) clutch, which also realizes a torque arm. The stator coupling is used to fix a rotary encoder to an object to be measured (e.g. a motor or its rotating shaft).
Drehgeber sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Drehgeber sind eingerichtet, partielle oder vollständige Umdrehungen einer zu messenden Welle zu erfassen. Drehgeber können z.B. Verwendung in der Antriebstechnik, Automatisierungstechnik, Transporttechnik, Energietechnik, Aufzugtechnik und dergleichen finden. Drehgeber sind eingerichtet, Rotationswinkel bzw. Drehwinkel und/oder Drehzahlen bzw. Anzahl von Umdrehungen rotierender Komponenten eines Messobjekts absolut und/oder relativ zu erfassen. Eine relative Messung kann etwa auch als inkrementale Messung bezeichnet werden.Encoders are well known in the art. Encoders are set up to record partial or complete revolutions of a shaft to be measured. Encoders can e.g. Find use in drive technology, automation technology, transport technology, energy technology, elevator technology and the like. Encoders are set up to record absolute and / or relative rotational angles or rotational angles and / or rotational speeds or the number of revolutions of rotating components of a measurement object. A relative measurement can also be called an incremental measurement.
Mittels eines Drehgeber kann eine Winkelposition im Bereich zwischen 0° und 360° (Single Turn, ST) und/oder eine Anzahl vollständiger Umdrehungen (Multi Turn, MT) eines Messobjekts bestimmt werden. Übliche zu messende Objkete können etwa als Motoren oder Getriebe ausgebildet sein. Ein rotierendes Bauteil des zu messenden Objekts, dessen Bewegung erfasst werden soll, kann etwa als zu messende Welle bezeichnet werden.An angular position in the range between 0 ° and 360 ° (single turn, ST) and / or a number of complete revolutions (multi turn, MT) of a measurement object can be determined by means of a rotary encoder. Typical objects to be measured can be designed as motors or gears, for example. A rotating component of the object to be measured, the movement of which is to be recorded, can be referred to as a shaft to be measured.
Die Montage des Drehgebers kann insbesondere bei z.B. schnelllaufenden und/oder hochbelasteten, zu messenden Wellen hohen Anforderungen an eine Ausrichtung zwischen der zu messenden Welle und einer Geberwelle des Drehgebers stellen. Üblicherweise sollen die zu messenden Wellen und die Geberwelle, die fest miteinander verbunden werden, konzentrisch zueinander ausgerichtet sein.The assembly of the encoder can be especially with e.g. high-speed and / or heavily loaded shafts to be measured place high demands on an alignment between the shaft to be measured and an encoder shaft of the encoder. Usually, the shafts to be measured and the encoder shaft, which are firmly connected to one another, should be aligned concentrically with one another.
Es kann jedoch vorkommen, dass die zu messende Welle statisch und/oder dynamisch (ungewollt) verlagert wird. Derartige Verlagerungen sollen vom Drehgeber möglichst kompensiert werden.However, it can happen that the wave to be measured is shifted statically and / or dynamically (unintentionally). Such shifts should be compensated for as far as possible by the encoder.
Insbesondere stoßartige Belastungen können Deformationen der zu messenden Welle verursachen, die sich auf die Geberwelle auswirken können und die eine Funktionssicherheit des Drehgebers insgesamt beeinträchtigen. Stoßartige Belastungen können bspw. bei unrundlaufenden Maschinen, wie z.B. Verbrennungsmotoren, Pressen oder dergleichen, auftreten. Stoßartige Belastungen können jedoch auch bei Lastwechseln und/oder abrupten Beschleunigen oder Verzögerungen an der zu messenden Welle auftreten.In particular, shock-like loads can cause deformations of the shaft to be measured, which can affect the encoder shaft and impair the overall functional reliability of the encoder. Impact loads can occur, for example, on non-rotating machines, e.g. Internal combustion engines, presses or the like occur. However, sudden loads can also occur during load changes and / or abrupt accelerations or decelerations on the shaft to be measured.
Bekannte Drehgebersysteme weisen deshalb z.B. elastische Wellenkupplungen für einen Toleranzausgleich auf, die zwischen der zu messenden Welle und der Geberwelle angeordnet werden. Elastische Wellenkupplungen können insbesondere nachgiebige, toleranzausgleichende Elemente aufweisen, so dass Lageabweichungen der zu messenden Welle nicht unmittelbar auf die Geberwelle einwirken. Derartige Lösungen haben jedoch häufig den Nachteil, dass nachgiebige Wellenkupplungen die Messungenauigkeit erhöhen. Die Wellenkupplungen dämpfen das Messsignal. Ferner ergibt sich der Nachteil, dass nachgiebige Wellenkupplungen einen gewissen Bauraum beanspruchen, der umso größer ist, je toleranter die Kupplung auf Lagerabweichungen reagieren soll.Known encoder systems therefore have e.g. elastic shaft couplings for tolerance compensation, which are arranged between the shaft to be measured and the encoder shaft. Elastic shaft couplings can have, in particular, flexible, tolerance-compensating elements, so that positional deviations of the shaft to be measured do not act directly on the encoder shaft. However, such solutions frequently have the disadvantage that flexible shaft couplings increase the measurement inaccuracy. The shaft couplings dampen the measurement signal. There is also the disadvantage that flexible shaft couplings take up a certain amount of installation space, which is greater the more tolerably the coupling is to react to bearing deviations.
Ein alternativer Ansatz zur Gestaltung von Drehgebersystemen beruht darauf, die Geberwelle möglichst starr und direkt mit der zu messenden Welle zu verbinden. Es wird dabei bewusst in Kauf genommen, dass die Geberwelle Fehlstellungen oder Lageabweichungen der zu messenden Welle unmittelbar nachvollzieht. Dies hat den Vorteil, dass die Messung hochgenau und ungefiltert erfolgen kann. Bei dieser Gestaltung ist es von Vorteil, ein Gehäuse des Drehgebers derart am Messobjekt zu befestigen, dass ein Toleranzausgleich möglich ist.An alternative approach to designing encoder systems is to connect the encoder shaft as rigidly and directly as possible to the shaft to be measured. It is consciously accepted that the encoder shaft immediately detects misalignments or positional deviations of the shaft to be measured. This has the advantage that the measurement can be carried out with high precision and unfiltered. With this design, it is advantageous to attach a housing of the rotary encoder to the measurement object in such a way that tolerance compensation is possible.
In diesem Fall ist jedoch darauf zu achten, dass sich das Gehäuse des Drehgebers nicht gegenüber dem Messobjekt verdreht. Torsion führt zu einer Erhöhung der Messungenauigkeit. Gleichzeitig wird jedoch angestrebt, das Gehäuse des Drehgebers weich genug aufzunehmen, um Lageabweichungen der zu messenden Welle kompensieren zu können.In this case, however, care must be taken to ensure that the encoder housing does not rotate relative to the measurement object. Torsion leads to an increase in measurement inaccuracy. At the same time, however, the aim is to accommodate the encoder housing softly enough to be able to compensate for positional deviations of the shaft to be measured.
Zu diesem Zweck werden sog. Statorkupplungen eingesetzt. Statorkupplungen verbinden zwei Bauteile drehsteif miteinander, wobei die Statorkupplung jedoch toleranzbedingte radiale und axiale Relativbewegungen der beiden Bauteile zulässt. Häufig werden solche Statorkupplungen bei Drehgebern verwendet, die an Motoren angebaut werden.So-called stator couplings are used for this purpose. Stator couplings connect two components to each other in a torsionally rigid manner, the stator coupling, however, permitting tolerance-related radial and axial relative movements of the two components. Such stator couplings are often used on encoders that are attached to motors.
Die Drehgeberwelle wird dabei starr mit der zu messenden Motorwelle verbunden. Die auf der Drehgeberwelle gelagerte Abtastung muss dabei möglichst drehsteif mit dem Motorgehäuse verbunden werden. Die Statorkupplung dient dazu, unvermeidliche Fluchtungsfehler zwischen der Drehgeberwelle und der Motorwelle und eventuelle axiale Bewegungen (z.B. durch Wärmeausdehnung) der Motorwelle aufzunehmen.The encoder shaft is rigidly connected to the motor shaft to be measured. The scanning mounted on the encoder shaft must be connected to the motor housing as torsionally rigid as possible. The stator coupling is used to accommodate inevitable misalignments between the encoder shaft and the motor shaft and any axial movements (e.g. due to thermal expansion) of the motor shaft.
Die
Statorkupplungen mit senkrechten Laschen weisen mehrere Eigenfrequenzen auf, so dass das Risiko einer Resonanzanregung durch die Drehung der zu messenden Welle groß ist. Tritt der Resonanzfall auf, kommt es zu Messfehlern des Drehgebers. Im schlimmsten Fall misst der Drehgeber gar nichts mehr.Stator couplings with vertical tabs have several natural frequencies, so there is a high risk of resonance excitation due to the rotation of the shaft to be measured. If the resonance case occurs, there are measurement errors of the encoder. In the worst case, the encoder no longer measures anything.
Die
Die
Die US 2014 / 0037368 A1 offenbart eine Statorkupplung zur drehfesten Verbindung zweier Bauteile, die radiale und axiale Relativbewegungen innerhalb von Toleranzgrenzen mit einer Grundfläche mit ersten und zweiten Laschen ermöglicht. Die zweiten Laschen werden an den geradlinigen Kanten zwischen den Montagepunkten positioniert. Umgebogene Ränder, die parallel zu jeweils einem Rand sind, sind mindestens zweimal weggebogen, so dass ein Flansch oberflächenparallel zur Grundfläche ausgebildet ist. Zwei zweite Laschen, die an in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Kanten positioniert sind, sind angeordnet und überlappen mit einander zugewandten Enden ihrer Flansche, und diese Enden bilden jeweils gemeinsam einen Montagepunkt eines Satzes zweiter Montagepunkte.US 2014/0037368 A1 discloses a stator coupling for the rotationally fixed connection of two components, which enables radial and axial relative movements within tolerance limits with a base area with first and second tabs. The second tabs are positioned on the straight edges between the mounting points. Bent edges, which are parallel to each edge, are bent away at least twice, so that a flange is formed parallel to the surface of the base. Two second tabs positioned on circumferential edges are arranged and overlap with mutually facing ends of their flanges, and these ends together form a mounting point of a set of second mounting points.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kupplung zu schaffen, deren Eigenfrequenz größer oder gleich einem kundenseitig vorgegebenen, minimalen Eigenfrequenz-Grenzwert ist. Die Eigenfrequenz(en) der Kupplung soll(en) also in einem Bereich außerhalb eines Bereichs liegen, der durch zu messende Welle vorgegeben ist.The object of the invention is to provide a clutch whose natural frequency is greater than or equal to a minimum natural frequency limit value specified by the customer. The natural frequency (s) of the coupling should therefore lie in a range outside a range which is predetermined by the shaft to be measured.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Eigenfrequenz-optimierte Kupplung, insbesondere eine Statorkupplung, zur drehfesten Verbindung eines ersten Bauteils, insbesondere eines Drehgebers mit Geberwelle, an einem zweiten Bauteil, insbesondere einem zu messenden System mit einer zu messenden Welle, wobei die Kupplung, wenn die Bauteile drehfest miteinander verbunden sind, in einer axialen Richtung zwischen den Bauteilen angeordnet ist und koaxial zu den Bauteilen ausgerichtet ist, wobei die Kupplung eingerichtet ist, axiale und radiale Relativbewegungen zwischen den Bauteilen innerhalb von Toleranzgrenzen zuzulassen und wobei ein Körper der Kupplung aufweist: einen ringförmigen, insbesondere spiegelsymmetrischen, Zentralabschnitt, der sich in einem unbelasteten Zustand in einer im Wesentlichen radial orientierten, ersten Ebene erstreckt und der eine mittig angeordnete Durchtrittsöffnung für koaxial zu verbindende rotierende Wellen der Bauteile aufweist; mindestens zwei primäre Flügelabschnitte, die sich radial an den Zentralabschnitt anschließen und die in einer Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind; wobei jeder der primären Flügelabschnitte einen Montageabschnitt, der sich in einer zweiten Ebene, parallel zur ersten Ebene erstreckt und der eine Montageöffnung aufweist, um die Kupplung drehfest an einem der Bauteile zu befestigen, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der den Montageabschnitt mit dem Zentralabschnitt verbindet; wobei sich jeder der Verbindungsabschnitte in einer Ebene erstreckt, die mit der ersten Ebene einen spitzen Anstellwinkel einschließt, wobei der Anstellwinkel so gewählt ist, dass eine vorgegebene, applikationsabhängige Eigenfrequenz, die auf einem gemeinsamen (Anstellwinkel unabhängigen) Trägheitsmoment der Kupplung und des Drehgebers sowie auf einer (Anstellwinkel abhängigen) Torsionsfederkonstanten der Kupplung basiert, nicht unterschritten wird.This object is achieved by a natural frequency-optimized clutch, in particular a stator clutch, for the rotationally fixed connection of a first component, in particular a rotary encoder with encoder shaft, to a second component, in particular a system to be measured with a shaft to be measured, the clutch if the Components are connected to one another in a rotationally fixed manner, arranged in an axial direction between the components and aligned coaxially with the components, the coupling being set up to allow axial and radial relative movements between the components within tolerance limits and wherein a body of the coupling has: an annular , in particular mirror-symmetrical, central section, which extends in an unloaded state in a substantially radially oriented, first plane and which has a centrally arranged passage opening for rotating shafts of the components to be connected coaxially; at least two primary wing sections which adjoin the central section radially and which are arranged equidistantly in a circumferential direction; wherein each of the primary wing sections has a mounting section that extends in a second plane, parallel to the first plane, and that has a mounting opening to secure the coupling to one of the components, and a connecting section that connects the mounting section to the central section; wherein each of the connecting sections extends in a plane which includes an acute angle of attack with the first plane, the angle of attack being selected such that a predetermined, application-dependent natural frequency, which is based on a common (angle of attack independent) moment of inertia of the clutch and the rotary encoder, and on based on a (torsion angle dependent) torsion spring constant of the clutch, is not undercut.
Die Kupplung der Erfindung weist eine applikationsabhängig optimierte Eigenfrequenz auf, die über den Anstellwinkel der Verbindungsabschnitte der primären Flügelabschnitte optimiert ist. Die Eigenfrequenz der Kupplung wird so optimiert, dass in der Applikation kein Resonanzfall auftritt, der zu nicht tolerierbaren Messfehlern des Drehgebers führen würde. Im Resonanzfall dreht eine zu messende Welle mit der bzw. einer der Eigenfrequenzen der Kupplung, so dass sich das Gesamtsystem bestehend aus zu messendem Objekt mit zu messender Welle, Statorkupplung und Drehgeber mit Geberwelle derart stark aufschwingt, dass sich eine Position der Geberwelle, an ein positionsgebendes Element (z.B. ein Dipol oder eine Codescheibe befestigt ist, nicht mehr sicher feststellen lässt. Die Geberwelle führt z.B. eine exzentrische Bewegung (Unwucht) aus, so dass ein an der Geberwelle befestigte Signalgeber (z.B. Permanentmagnet) nicht mehr sicher erfasst werden kann. Dies führt zu einem Positionsverlust. Bei der Erfindung ist die Eigenfrequenz so gewählt, dass es nie zum einem Resonanzfall kommt. Dennoch ist die Kupplung so ausgestaltet, dass axiale und insbesondere radiale Toleranzen eingehalten werden.The clutch of the invention has an application-dependent optimized natural frequency that is optimized via the angle of attack of the connecting sections of the primary wing sections. The natural frequency of the coupling is optimized in such a way that no resonance occurs in the application, which would lead to intolerable measurement errors by the encoder. In the event of a resonance, a shaft to be measured rotates with the or one of the natural frequencies of the coupling, so that the overall system consisting of the object to be measured with the shaft to be measured, stator coupling and encoder with encoder shaft swings up so strongly that a position of the encoder shaft swings on position-determining element (e.g. a dipole or a code disk is attached can no longer be reliably determined. The encoder shaft performs an eccentric movement (imbalance), for example, so that a signal transmitter (e.g. permanent magnet) attached to the encoder shaft can no longer be reliably detected In the invention, the natural frequency is selected such that there is never a resonance case, but the coupling is nevertheless designed in such a way that axial and in particular radial tolerances are maintained.
Bei einer besonderen Ausgestaltung ist eine jeweilige Breite der Verbindungsabschnitte so gewählt, dass die axiale und radiale Toleranz eingehalten wird.In a special embodiment, a respective width of the connecting sections is selected so that the axial and radial tolerance is maintained.
Über die Breite der Verbindungsabschnitte kann eine Länge von Stegen beeinflusst werden, die den ringförmigen Zentralabschnitt bilden. Die Länge der Stege beeinflusst eine Verformbarkeit der Kupplung unter radialer Belastung und/oder axialer Belastung.A length of webs which form the annular central section can be influenced via the width of the connecting sections. The length of the webs influences the deformability of the coupling under radial load and / or axial load.
Vorzugsweise ist jeder der Verbindungsabschnitte vollflächig, insbesondere ohne innere Aussparung, ausgebildet.Each of the connecting sections is preferably formed over the entire surface, in particular without an internal recess.
Da die Verbindungsabschnitte keine inneren Aussparungen aufweisen, verleihen die vollflächigen Verbindungsabschnitte dem Körper der Kupplung eine hohe Torsionssteifigkeit. Eine lineare Federkennlinie (vgl.
Insbesondere weist die Kupplung nur eine (einzige) Eigenfrequenz auf.In particular, the clutch has only one (single) natural frequency.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der Körper der Kupplung sekundäre Flügelabschnitte aufweist, die sich auf einer Seite des Zentralabschnitts erstrecken, die den primären Flügelabschnitten axial gegenüberliegt, wobei die sekundären Flügelabschnitte in Umfangsrichtung äquidistant zueinander angeordnet sind.It is further preferred if the body of the coupling has secondary wing sections which extend on a side of the central section which is axially opposite the primary wing sections, the secondary wing sections being arranged equidistantly from one another in the circumferential direction.
Die primären Flügelabschnitte dienen zur Befestigung der Kupplung am zu messenden Bauteil. Die sekundären Flügelabschnitte dienen zur Befestigung der Kupplung am Drehgeber. Die primären und sekundären Flügelabschnitte liegen sich in der axialen Richtung gegenüber. Die Flügelabschnitte schließen den Zentralabschnitt axial zwischen sich ein. Die sekundären Flügelabschnitte dienen insbesondere einem axialen Toleranzausgleich.The primary wing sections are used to attach the coupling to the component to be measured. The secondary wing sections are used to attach the coupling to the encoder. The primary and secondary wing sections face each other in the axial direction. The wing sections axially enclose the central section between them. The secondary wing sections serve in particular for axial tolerance compensation.
Vorzugsweise weist jeder der sekundären Flügelabschnitte einen Montageabschnitt und einen Verbindungsabschnitt auf, wobei sich der Montageabschnitt vorzugsweise in einer dritten Ebene erstreckt, die parallel zu den ersten und zweiten Ebenen orientiert ist, wobei sich der Verbindungsabschnitt entlang der axialen Richtung erstreckt und wobei der Montageabschnitt zur Montage an dem anderen Bauteil eingerichtet ist.Preferably, each of the secondary wing sections has a mounting section and a connecting section, the mounting section preferably extending in a third plane that is oriented parallel to the first and second planes, the connecting section extending along the axial direction, and the mounting section for mounting is set up on the other component.
Bei einer weiteren Ausgestaltung entspricht eine Anzahl der sekundären Flügelabschnitte einer Anzahl der primären Flügelabschnitte und die sekundären Flügelabschnitte sitzen in der Umfangsrichtung mittig zwischen den primären Flügelabschnitten.In a further embodiment, a number of the secondary wing sections corresponds to a number of the primary wing sections, and the secondary wing sections sit centrally in the circumferential direction between the primary wing sections.
Durch diese Art der Anordnung kann eine gleichmäßige Verteilung des Kraftflusses durch die Kupplung erzielt werden, wenn die Kupplung einer Radial-, Axial- und/oder Torsionsbelastung ausgesetzt wird.With this type of arrangement, a uniform distribution of the power flow through the clutch can be achieved when the clutch is subjected to radial, axial and / or torsional loading.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Kupplung einstückig, insbesondere als Stanz- und Biegeteil, ausgebildet ist.It is also advantageous if the coupling is designed in one piece, in particular as a stamped and bent part.
In diesem Fall kann Kupplung einfach und günstig hergestellt werden.In this case, the coupling can be manufactured easily and cheaply.
Vorzugsweise ist die Kupplung aus Federstahl hergestellt.The coupling is preferably made of spring steel.
Federstahl weist die erforderliche Elastizität für den Toleranzausgleich auf.Spring steel has the required elasticity for tolerance compensation.
Insbesondere erstrecken sich die primären Flügelabschnitte radial nach innen oder außen.In particular, the primary wing sections extend radially inwards or outwards.
Die Kupplung kann also an jede beliebige Geometrie des zu messenden Bauteils angepasst werden.The coupling can therefore be adapted to any geometry of the component to be measured.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Optimieren einer Eigenfrequenz einer (Stator-)Kupplung, die zur drehfesten Verbindung eines ersten Bauteils, das ein Drehgeber mit Geberwelle ist, an einem zweiten Bauteil, insbesondere einem zu messenden System mit einer zu messenden Welle, eingerichtet ist, wobei die Kupplung, wenn die Bauteile drehfest miteinander verbunden sind, in einer axialen Richtung zwischen den Bauteilen angeordnet ist und koaxial zu den Bauteilen ausgerichtet ist, wobei die Kupplung ferner eingerichtet ist, axiale und radiale Relativbewegungen zwischen den Bauteilen innerhalb von Toleranzgrenzen zuzulassen und wobei ein Körper der Kupplung aufweist: einen Zentralabschnitt; und mindestens zwei primäre Flügelabschnitte, die jeweils einen Montageabschnitt und einen Verbindungsabschnitt aufweisen, wobei der Verbindungsabschnitt mit einem Anstellwinkel zu einer radial orientierten Ebene des Zentralabschnitts orientiert ist; und wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bestimmen einer Geometrie der Kupplung und eines Materials der Kupplung; b) Berechnen eines Trägheitsmoments insbesondere aus einem CAD-Modell heraus, eines Drehsystems, das aus der Kupplung und dem Drehgeber gebildet ist; c) Festlegen eines Auslenkwinkels für das Drehsystem; d) Berechnen einer Auslenkkraft, die zum Erreichen des Auslenkwinkels durch Verdrehen des Drehsystems um eine Achse der Geberwelle benötigt wird vorzugsweise mittels der Finite-Elemente-Methode; e) Berechnen einer Torsionsfederkonstanten für die Kupplung basierend auf der Auslenkkraft und dem Auslenkwinkel; f) Berechnen einer Eigenfrequenz der Kupplung, insbesondere basierend auf dem Modell eines mathematischen Drehpendels; g) Vergleichen der berechneten Eigenfrequenz mit einer vorgegebenen (gewünschten) Eigenfrequenz; h) Ändern des Anstellwinkels der primären Flügelabschnitte und Wiederholen der Schritte d) bis g) bis die Berechnung des Schritts f) in einer Eigenfrequenz resultiert, die größer oder gleich der vorgegebenen Eigenfrequenz ist. Der Anstellwinkel wird nicht geändert, wenn die berechnete Eigenfrequenz bereits im ersten Durchlauf größer oder gleich der vorgegebenen Eigenfrequenz ist. Vorzugsweise wird mit einem Anstellwinkel von 45° begonnen.Furthermore, the object is achieved by a method for optimizing a natural frequency of a (stator) coupling, which is used for the rotationally fixed connection of a first component, which is a rotary encoder with an encoder shaft, to a second component, in particular a system to be measured with a shaft to be measured, is set up, wherein the coupling when the components are rotatably connected to each other in is arranged in an axial direction between the components and is aligned coaxially with the components, the coupling being further configured to allow axial and radial relative movements between the components within tolerance limits, and wherein a body of the coupling has: a central section; and at least two primary wing sections, each having a mounting section and a connecting section, the connecting section being oriented at an angle of attack to a radially oriented plane of the central section; and the method comprising the steps of: a) determining a geometry of the coupling and a material of the coupling; b) calculating an moment of inertia, in particular from a CAD model, a turning system which is formed from the coupling and the rotary encoder; c) determining a deflection angle for the rotating system; d) calculating a deflection force which is required to achieve the deflection angle by rotating the rotating system about an axis of the encoder shaft, preferably using the finite element method; e) calculating a torsion spring constant for the clutch based on the deflection force and the deflection angle; f) calculating a natural frequency of the coupling, in particular based on the model of a mathematical pendulum; g) comparing the calculated natural frequency with a predetermined (desired) natural frequency; h) changing the angle of attack of the primary wing sections and repeating steps d) to g) until the calculation of step f) results in a natural frequency which is greater than or equal to the predetermined natural frequency. The angle of attack is not changed if the calculated natural frequency is greater than or equal to the specified natural frequency in the first pass. It is preferable to start with an angle of attack of 45 °.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann die oben beschriebene, Eigenfrequenz-optimierte Kupplung dimensioniert werden.With the method described here, the natural frequency-optimized clutch described above can be dimensioned.
Ferner ist es von Vorteil, wenn das Verfahren zusätzliche die folgenden Schritte aufweist: Verifizieren durch Berechnung, ob die axialen und radialen Toleranzen mit der so bestimmten Geometrie und dem ausgewählten Anstellwinkel einhaltbar sind; und, wenn die Toleranzen im Schritt i) nicht einhaltbar sind, Ändern einer Geometrie des Zentralabschnitts, insbesondere durch Ändern einer Breite von Verbindungsabschnitten der primären Flügelabschnitte, solange bis die Toleranzen einhaltbar sind.Furthermore, it is advantageous if the method additionally has the following steps: verifying by calculation whether the axial and radial tolerances can be maintained with the geometry determined in this way and the selected angle of attack; and, if the tolerances in step i) cannot be met, changing a geometry of the central section, in particular by changing the width of connecting sections of the primary wing sections, until the tolerances can be met.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Further features and advantages of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:
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1 zeigt eine perspektive Ansicht einer Kupplung gemäß der Erfindung; -
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Kupplung; -
3 zeigt eine Tabelle, die zur Optimierung einer Eigenfrequenz in Abhängigkeit von einem Anstellwinkel benutzt wird. -
4 zeigt dieKupplung der 1 unter Torsionsbelastung. -
5 zeigt dieKupplung der 1 unter Axialbelastung. -
6 zeigt dieKupplung der 1 unter Radialbelastung. -
7 zeigt ein Flussdiagramm zum Optimieren einer Eigenfrequenz einer Kupplung. -
8 zeigt eine Unteransicht der Kupplung der1 . -
9 zeigt Messkurven für dieKupplung der 1 . -
10 zeigt Messkurven für dieKupplung der 2 .
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1 shows a perspective view of a coupling according to the invention; -
2nd shows a perspective view of a conventional clutch; -
3rd shows a table that is used to optimize a natural frequency depending on an angle of attack. -
4th shows the coupling of the1 under torsion. -
5 shows the coupling of the1 under axial load. -
6 shows the coupling of the1 under radial load. -
7 shows a flowchart for optimizing a natural frequency of a clutch. -
8th shows a bottom view of the coupling of the1 . -
9 shows measurement curves for the coupling of the1 . -
10 shows measurement curves for the coupling of the2nd .
Die Kupplung
Der Körper
Der Zentralabschnitt
Der Zentralabschnitt
Der Zentralabschnitt
Der Zentralabschnitt
Die primären und sekundären Flügelabschnitte
Die Montageabschnitte
Die Montageabschnitte
Die Verbindungsabschnitte
Eine gesamte Fläche der Verbindungsabschnitte
Allgemein ist der Anstellwinkel
Ferner versteht es sich, dass der Anstellwinkel
Die Verbindungsabschnitte
Die primären Flügelabschnitte
Der Körper
Es versteht sich, dass auch mehr als zwei primäre und/oder sekundäre Flügelabschnitte
Die sekundären Flügelabschnitte
In
Neben dem Anstellwinkel
Diese Aussparungen
Deshalb werden die Verbindungsabschnitte
Um dennoch eine ausreichende radiale Toleranz vorzusehen, werden die Stege
Der Anstellwinkel
In der Tabelle 44 sind vier exemplarische Anstellwinkel 40°, 45°, 50° und 60° gegeneinander aufgetragen. Außer dem Anstellwinkel
In der
In
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf
In einem Schritt
Sobald diese Parameter festgelegt sind, und damit bestimmbar sind, kann in einem Schritt
Als Nächstes wird in einem Schritt
In einem nächsten Schritt
In einem weiteren Schritt
Basierend auf dem mathematischen Modell eines Drehpendels wird dann in einem Schritt
In dieser Formel stellt ein fE die Eigenfrequenz der Kopplung in [Hertz] dar. C stellt die Torsionsfederkonstante der Kupplung
Die Eigenfrequenz wird nach der oben angegebenen Formel berechnet und ist exemplarisch in der letzten Spalte der Tabelle 44 der
Danach wird in einem Schritt
Wenn die Abfrage im Schritt
Diese Schleife wird so oft durchlaufen, bis die gewünschte Eigenfrequenz erreicht ist. Wenn die gewünschte Eigenfrequenz erreicht ist, endet das Verfahren
Optional können sich an die Abfrage des Schritts
Sobald die gewünschte Eigenfrequenz erreicht ist, kann in einem weiteren, nachfolgenden Schritt verifiziert werden, ob die geforderten axialen und radialen Toleranzen eingehalten werden, wenn der entsprechende Anstellwinkel
Eine (nicht näher bezeichnete) Breite (senkrecht zur Länge L) der Stege
Ferner kann eine Dicke (parallel zur Richtung
Die Länge L der Stege
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass zum Optimieren einer axialen und/oder radialen Toleranz im Wesentlichen der Zentralabschnitt
Anschließend kann in einem weiteren Schritt erneut verifiziert werden, ob die gewünschte Eigenfrequenz auch nach der soeben beschriebenen Änderung weiterhin erzielt wird, indem die Eigenfrequenz basierend auf den entsprechend (geänderten) Geometrien erneut berechnet wird (vgl.
Es versteht sich, dass auch die Verbindungsabschnitte
Die
BezugszeichenlisteReference list
- 1010th
- Kupplungcoupling
- 1212th
- StartkupplungStart clutch
- 1414
- DrehgeberEncoder
- 1616
-
Stator von
14 Stator of14 - 1818th
-
Körper von
10 Body of10 - 2020
- ZentralabschnittCentral section
- 2222
- primärer Flügelabschnittprimary wing section
- 2424th
- sekundärer Flügelabschnittsecondary wing section
- 2626
- DurchtrittsöffnungPassage opening
- 2828
- VerbindungsachseConnecting axis
- 3030th
-
Steg von
20 Footbridge from20 - 3232
- MontageabschnittAssembly section
- 3434
- VerbindungsabschnittConnecting section
- 3636
- MontageöffnungAssembly opening
- 3838
- AnstellwinkelAngle of attack
- 4040
- HilfslinieAuxiliary line
- 4242
- innere Aussparunginner recess
- 4444
- Tabelletable
- 4646
- OptimierungsverfahrenOptimization process
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018117230.3A DE102018117230B4 (en) | 2018-07-17 | 2018-07-17 | Resonance compensated stator coupling |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018117230.3A DE102018117230B4 (en) | 2018-07-17 | 2018-07-17 | Resonance compensated stator coupling |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018117230A1 DE102018117230A1 (en) | 2020-01-23 |
DE102018117230B4 true DE102018117230B4 (en) | 2020-06-25 |
Family
ID=69148295
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018117230.3A Active DE102018117230B4 (en) | 2018-07-17 | 2018-07-17 | Resonance compensated stator coupling |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018117230B4 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE8915109U1 (en) | 1989-12-23 | 1990-02-22 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 83301 Traunreut | coupling |
DE10022555A1 (en) | 2000-05-10 | 2001-11-15 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Angle measuring device |
DE10216376A1 (en) | 2002-04-12 | 2003-10-30 | Stegmann Gmbh & Co Kg | Rotation angle measuring system |
US20140037368A1 (en) * | 2012-07-31 | 2014-02-06 | Sick Stegmann Gmbh | Stator coupling |
-
2018
- 2018-07-17 DE DE102018117230.3A patent/DE102018117230B4/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE8915109U1 (en) | 1989-12-23 | 1990-02-22 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 83301 Traunreut | coupling |
DE10022555A1 (en) | 2000-05-10 | 2001-11-15 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Angle measuring device |
DE10216376A1 (en) | 2002-04-12 | 2003-10-30 | Stegmann Gmbh & Co Kg | Rotation angle measuring system |
US20140037368A1 (en) * | 2012-07-31 | 2014-02-06 | Sick Stegmann Gmbh | Stator coupling |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102018117230A1 (en) | 2020-01-23 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |