DE102021117286A1

DE102021117286A1 - Drehmomentmessenrichtung

Info

Publication number: DE102021117286A1
Application number: DE102021117286.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Muschaweck
Original assignee: Dalog Diagnosesysteme GmbH
Current assignee: Dalog Diagnosesysteme GmbH
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung für eine Welle, mit einem Wellenring, der drehfest mit der Welle verbindbar ist, einer Elektronikeinheit zur drahtlosen Übertragung von Daten und einem Torsionssensor, der mit der Elektronikeinheit elektrisch verbunden ist. Hierzu ist ein Sensorhalter vorgesehen, an dem der Torsionssensor angeordnet ist, wobei an dem Wellenring eine Positioniereinrichtung für den Sensorhalter derart vorgesehen ist, dass ein Wirkkontakt zwischen dem Torsionssensor und einem Oberflächenbereich der Welle ermöglicht wird. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren für eine Installation einer solchen Drehmomentmesseinrichtung auf einer Welle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung für eine Welle, mit einem Wellenring, der drehfest mit der Welle verbindbar ist, einer Elektronikeinheit zur drahtlosen Übertragung von Daten und einem Torsionssensor, der mit der Elektronikeinheit elektrisch verbunden ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren für eine Installation einer solchen Drehmomentmesseinrichtung auf einer Welle.
Die Drehmomentmessung an einer Welle ist in einem stationären Fall einfach, da die Verdrehung der Welle proportional zum Drehmoment ist, sofern die Elastizitätsgrenze der Welle nicht überschritten wird. Die einfachste Methode einer Drehmomentmessung an einer sich drehenden Welle ist es, das Drehmoment von der Leistung, die zum Drehen der Welle erforderlich ist, abzuleiten. Dazu kann der Versorgungsstrom des Antriebsmotors gemessen werden, jedoch ermöglicht dies nur eine ungenaue Drehmomentmessung, da der Stromverbrauch des Motors auch von vielen anderen Faktoren abhängt. Deutlich genauere Ergebnisse ermöglicht eine Drehmomentmessung mit einem Torsionssensor, beispielsweise einer wheatstoneschen Messbrücke mit Dehnungsmessstreifen, jedoch erfordert eine solche Messung eine Übertragung der Messdaten zwischen dem sich auf der Welle mitdrehenden Torsionssensor und einer stationären Messwerterfassung. Hierzu wird entweder ein Schleifring oder eine berührungslose, d.h. drahtlose Übertragung der Daten benötigt.
Berührungslose Übertragungssysteme für Drehmomentmesseinrichtungen bestehen üblicherweise aus der mit der Welle mitrotierenden Sensoreinrichtung und der zugehörigen Elektronikeinheit, einem Sender, einer Rotorantenne sowie einem nachgeschalteten stationären Empfänger zur Erfassung der gesendeten Messdaten. Derartige berührungslose Übertragungssysteme für drehende Wellen sind beispielsweise aus der DE 3 922 556 A1 oder der DE 10 2000 037 335 A1 bekannt. Darüber hinaus ist die praktische Anwendung von Torsionssensoren und insbesondere von Dehnungsmessstreifen kompliziert und sehr fehleranfällig. Gerade die Anbringung von steifen Dehnungsmessstreifen auf der gebogenen Oberfläche von Wellen erhöht die Gefahr von einem Ablösen der Dehnungsmessstreifen von der der Welle. Darüber hinaus müssen Dehnungsmessstreifen sehr genau auf gesäuberten Oberflächen und gleichem Abstand zur Oberfläche platziert werden, was in industriellen Anwendungen vielfach problematisch ist und typischerweise nur von geschultem Personal durchgeführt werden kann.
Trotz dieser Probleme bei der Anordnung einer Drehmomentmesseinrichtung auf einer rotierenden Welle und der drahtlosen Übertragung der Messwerte von dem Torsionssensor an einen Empfänger wird die Drehmomentmessung an rotierenden Wellen mit großen Wellendurchmessern von 75 mm bis 800 mm eingesetzt, um die Erfassung von Belastungen und Belastungsänderungen an industriellen Verarbeitungsmaschinen und Transporteinrichtungen mit rotierenden Wellen zu erfassen. Eine zuverlässige Drehmomentmessung kann ein instabiles Maschinenverhalten erfassen und dadurch die Lebensdauer, den Energieverbrauch und die Produktqualität der jeweiligen Industrieanlagen verbessern. Gleichzeitig lassen sich auch die Wartungsintervalle vergrößern und ungeplante Ausfallzeiten verhindern. Entsprechend werden hierzu geeignete Dehnungsmessstreifen von einem Techniker freiliegend auf der Welle appliziert und mit einem Abstand zum Torsionssensor angeordneten Antennenring verdrahtet, der über eine optionale Elektronikeinheit und eine drahtlose Datenübertragung der Messdaten an einen Empfänger überträgt. Da die Applikation von Dehnungsmessstreifen auf einer rotierenden Welle und die Installation der Komponenten der Drehmomentmesseinrichtung sehr fehleranfällig sind, werden diese Tätigkeiten nur von speziell ausgebildetem Personal durchgeführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmesseinrichtung für eine sich drehende Welle bereitzustellen, die eine einfache und sichere Erfassung des Drehmoments und der Übertragung der erfassten Messwerte ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung dadurch gelöst, dass ein Sensorhalter vorgesehen ist, an dem der Torsionssensor angeordnet ist, und an dem Wellenring eine Positioniereinrichtung für den Sensorhalter derart vorgesehen ist, dass ein Wirkkontakt zwischen dem Torsionssensor und einem Oberflächenbereich der Welle ermöglicht ist. Die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung ermöglicht eine Applikation der Komponenten von nicht speziell geschultem Personal und trotzdem eine zuverlässige Drehmomentmessung zur Erfassung von Belastungen und Belastungsveränderungen an rotierenden Wellen. Nach dem Reinigen des Oberflächenbereichs der Welle zur Applikation des Torsionssensors kann zunächst der Wellenring, der üblicherweise auch als Antennenring für die drahtlose Übertragung der Daten dient, mit der Welle verbunden und der Sensorhalter an der Positioniereinrichtung angeordnet werden, um einen dauerhaften Wirkkontakt zwischen dem Torsionssensor und dem gereinigten Oberflächenbereich der Welle zu realisieren. Anschließend ist lediglich eine Verdrahtung der Elektronikeinheit mit dem optionalen Antennenring notwendig.
Durch die automatisierte Anordnung des Sensorhalters an der Positioniereinrichtung des Wellenrings entfällt die händische Ausrichtung und Applikation des Torsionssensors auf der Welle, wobei die Positioniereinrichtung auch eine sichere und reproduzierbare Applikation des Torsionssensors auf der Welle ermöglicht. Dabei ist der Torsionssensor an einer der Welle zugewandten Fläche des an der Positioniereinrichtung angeordneten Sensorhalters angeordnet. In einer typischen Ausgestaltung der Drehmomentmesseinrichtung mit einem radial und rechteckförmig zur Welle vorstehenden Anordnung des Wellenrings, ist der Torsionssensor für einen Messkontakt mit der radialen Oberfläche der Welle an einer der Welle zugewandten Unterseite eines im Wesentlichen kubischen oder stempelförmigen Sensorhalters angeordnet. Die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung ist bevorzugt für rotierende Wellen in industriellen Verarbeitungsmaschinen und Transporteinrichtungen mit großen Wellendurchmessern von über 50 mm vorgesehen, insbesondere mit Wellendurchmesser von 75 mm bis 800 mm Durchmesser. Die mit dem Torsionssensor elektrisch verbundene Elektronikeinheit, bevorzugt ein geeigneter Mikroprozessor zur Parametrierung und Vorverarbeitung der Messdaten, kann auch direkt mit einer Sendefunktion ausgestaltet sein, um eine smarte und energiesparende Datenerfassung und drahtlose Übertragung zu ermöglichen.
Eine sinnvolle Ausführungsform sieht vor, dass die Positioniereinrichtung als Aussparung in dem Wellenring ausgebildet ist, bevorzugt als eine umfänglich geschlossene Aussparung im Wellenring ausgebildet ist. Eine derartige Aussparung, die sich bei einer gegenüber der Welle radial und rechteckförmig vorstehenden Anordnung des Wellenrings in radialer Richtung zur Welle erstreckt, ermöglicht eine sichere Führung des Sensorhalters bei dessen Anordnung am Wellenring. Neben der einfachsten Form einer nutförmigen Aussparung, bzw. einer davon ebenfalls umfassten inversen Form eines Vorsprungs mit seitlichen Vertiefungen zum Vorsprung, ermöglicht besonders eine umfänglich geschlossene Öffnung, d.h. einer an den Seiten vom Wellenring umschlossene Aussparung, eine im Wesentlichen spielfreie Anordnung des Sensorhalters am Wellenring. In einer weiteren Modifikation kann die Aussparung im Wellenring auch in Richtung des Oberflächenbereichs der Welle konisch verjüngend ausgebildet sein und mit entsprechend konisch zulaufenden Seitenflächen des Sensorhalters zusammenwirken, um über einen Klemmsitz des Sensorhalters in der Aussparung eine bewegungsfreie Positionierung zu ermöglichen. Dabei sind die konische Aussparung und die konische Form des Sensorhalters zueinander passend ausgestaltet, wobei bereits eine leicht konische Form mit einem Neigungswinkel unter 5°, bevorzugt zwischen 1° und 3°, ausreicht, um eine dauerhaft sichere Positionierung des Sensorhalters zu gewährleisten.
Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass der Sensorhalter mindestens eine, bevorzugt zwei, seitlich vorstehende Befestigungslaschen aufweist. Die gegenüber den Seitenflächen eines im Wesentlichen kubisch oder stempelförmig ausgebildeten Sensorhalters mit Oberseite, Unterseite und umlaufenden Seitenflächen, vorstehenden Befestigungslaschen, ermöglichen die exakte Positionierung des Sensorhalters am Wellenring, bevorzugt an einem Anschlag im radialen Abstand zum Oberflächenbereich der Welle, und damit eine definierte Positionierung des Torsionssensors in Bezug auf den Oberflächenbereich der Welle, d.h. der Messfläche für den Torsionssensor. Weiter ermöglichen die Befestigungslaschen eine einfache Montage des Sensorhalters an der Positioniereinrichtung des Wellendichtrings mittels einfacher Befestigungsmittel, bevorzugt mittels Schrauben.
Für eine einfache und problemfreie Anordnung des Torsionssensors am Sensorhalter kann eine der Welle zugewandte Unterseite des Sensorhalters einen Rahmen aufweisen, der eine mittige Öffnung umgibt. Dabei beträgt die Breite des die mittige Öffnung umgegebenen Rahmens zwischen 5 und 25 %, bevorzugt zwischen 10 und 20 %, der jeweiligen Breite oder Durchmessers der Unterseite des Sensorhalters. Die mittige Öffnung an der Unterseite ermöglicht die Aufnahme und Platzierung zugehöriger Komponenten und Bauteilen des Torsionssensors, beispielsweise eine Anschlussplatine und/oder elektronischer Bauteile für den Torsionssensor, die nicht an der Unterseite des Sensorhalters positioniert werden können.
Eine besondere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen einer der Welle zugewandten Unterseite des Sensorhalters, bevorzugt einem Rahmen an der Unterseite, und dem Torsionssensor ein elastisches Material angeordnet ist, bevorzugt ein federelastisches Material angeordnet ist. Ein solches zusammendrückbares elastisches Material oder ein vorspannendes federelastisches Material ermöglicht eine gleichmäßige Konturierung und Positionierung des Torsionssensors an dem Oberflächenbereich der Welle. Dabei kann die Schicht aus dem elastischen Material auf der Unterseite des Sensorhalters bzw. auf einen entsprechenden Rahmen an der Unterseite herstellungsbedingte kleine Unterschiede im Abstand des an der Positioniereinrichtung angeordneten Sensorhalters zum Oberflächenbereich der Welle ausgleichen und eine im Wesentlichen gleichartige Positionierung und gleichartigen Wirkkontakt zwischen dem Torsionssensor und dem Oberflächenbereich der Welle sicherstellen.
Von Vorteil ist es weiter, dass eine der Welle zugewandte Unterseite des Sensorhalters konkav geformt ist, bevorzugt im Radius der Welle konkav geformt ist. Dies ermöglicht eine angepasste Form des Sensorhalters, um über die gesamte Fläche der Unterseite bzw. Fläche des Rahmens an der Unterseite ein gleichmäßiges Anliegen und einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erreichen und damit eine optimale Positionierung des Torsionssensors auf dem Oberflächenbereich der Welle zu realisieren. Hierbei kann auch lediglich der Rahmen der Unterseite konkav geformt und entsprechend mit einem elastischen Material versehen sein.
Günstigerweise kann der Torsionssensor ein Dehnungsaufnehmer, bevorzugt ein Foliensensor mit mehreren Dehnungsmessstreifen sein. Ein Dehnungsaufnehmer, insbesondere mehrere als wheatstonesche Messbrücke zusammengeschaltete Dehnungsmessstreifen ermöglichen eine sichere Messung der Dehnung an dem Oberflächenbereich der Welle und damit eine sichere Bestimmung der Torsion in der Welle, wobei eine entsprechende Ausgestaltung als Foliensensor die Positionierung und Befestigung im Oberflächenbereich der Welle erleichtert.
Zur exakten und dauerhaften Positionierung kann der Torsionssensor in dem Oberflächenbereich an der Welle dauerhaft fixiert sein, bevorzugt mittels Klebstoff oder reibschlüssig fixiert sein. Zweckmäßigerweise ist der von einem elastischen Material und der konkaven Form der Unterseite des Sensorhalters gleichmäßig an die Welle angedrückte Torsionssensor mit einer dünnen Schicht eines vollständig aushärtenden Klebstoffs fixiert, um auch kleinste Dehnungen des Oberflächenbereichs der Welle sicher zu erfassen und eine exakte Torsionsmessung zu ermöglichen.
Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass der Wellenring als Antennenring zur drahtlosen Übertragung der Daten von der Elektronikeinheit an einen separaten stationären Empfänger ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache und sichere berührungslose bzw. drahtlose Datenübertragung von der rotierenden Welle an einen stationären Empfänger sowie optional auch den Empfang. Eine umlaufende Nut am Umfang des Wellenrings ermöglicht die sichere und abdeckbare Aufnahme eines Antennendrahts.
Des Weiteren kann der Wellenring mehrteilig, bevorzugt zweiteilig, ausgebildet sein, um eine einfache Montage des Wellenrings an der Welle zu ermöglichen. Dadurch kann auf eine ansonsten notwendige Demontage der Welle zur Montage der Drehmomentmesseinrichtung verzichtet werden. Darüber hinaus ermöglicht ein mehrteiliger Wellenring eine einfache und sichere Klemmung des Wellenrings auf der Welle. Dies ist insbesondere bei einer Nachrüstung der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung von Vorteil. Alternativ kann der Wellenring ungeteilt sein, um insbesondere bei einer Erstausstattung einer Welle mit einer Drehmomentmesseinrichtung ein unbeabsichtigtes Lösen des Wellenrings zu verhindern.
Vorteilhafterweise kann die Elektronikeinheit in dem Sensorhalter integriert sein. Dies ermöglicht ein sehr kompaktes Design der Drehmomentmesseinrichtung mit wenigen Bauteilen, wobei im Rahmen der Montage auf eine Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Torsionssensor und der Elektronikeinheit verzichtet werden kann. Des Weiteren kann hier die Elektronikeinheit mit einem Sendemodul, beispielsweise einem Bluetooth-Modul, zur selbsttätigen, direkten Übertragung, von Messdaten ausgestaltet sein.
Eine andere Variante sieht vor, dass die Elektronikeinheit an dem Wellenring angeordnet ist, insbesondere in dem Wellenring integriert ist, wobei am Sensorhalter bevorzugt eine mit dem Torsionssensor gekoppelte Steckverbindung vorgesehen ist, um den Torsionssensor mit der Elektronikeinheit elektrisch zu verbinden. Insbesondere bei kleinen Sensorhaltern für Wellen mit einem relativ kleinen Wellendurchmesser oder größeren Elektronikeinheiten, ermöglicht die Positionierung der Elektronikeinheit außerhalb des Sensorhalters eine dauerhaft sichere Funktion der Drehmomentmesseinrichtung. Des Weiteren können für unterschiedliche Sensorhalter identische Elektronikeinheiten genutzt werden. Über eine optionale Steckverbindung zwischen dem Torsionssensor und der Elektronikeinheit lässt sich trotz einer getrennt vom Sensorhalter ausgebildeten Elektronikeinheit eine einfache und schnelle Montage realisieren.
Eine praktische Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektronikeinheit eine drahtlose Empfangsfunktion umfasst, bevorzugt für eine induktive Energieversorgung. Eine drahtlose Empfangsfunktion ermöglicht neben einer aktiven Steuerung der Drehmomentmesseinrichtung auch deren drahtlose Energieversorgung mittels elektromagnetischer oder induktiver Effekte. Alternativ kann zur Energieversorgung auch ein Nanogenerator vorgesehen sein. Ein solcher Nanogenerator wird üblicherweise in energieautarken Systemen genutzt, um kleine Mengen an elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibration, Druck, Bewegung, Strömung oder Strahlung zu gewinnen. Sowohl die induktive Energieversorgung über die drahtlose Empfangsfunktion als auch ein Nanogenerator vermeiden bei einer vorliegenden drahtlosen Drehmomentmesseinrichtung den Einsatz von Batterien oder einer kontaktgebundenen Stromversorgung. Dadurch können die Nutzungsdauer und die Wartungsintervalle der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung signifikant erhöht werden.
Eine sinnvolle Ausbildung sieht vor, dass mindestens eine weitere Sensoreinrichtung vorgesehen ist, bevorzugt ein Drehzahlsensor, ein Temperatursensor oder ein Beschleunigungssensor, wobei die weitere Sensoreinrichtung mit der Elektronikeinheit elektrisch verbunden ist. Der Einsatz von zusätzlichen Sensoren wie Drehzahlsensor, Temperatursensor oder mehrachsigen Beschleunigungssensoren ermöglicht eine umfassendere Bewertung der Belastung und des Zustands der Welle.
Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren für eine vereinfachte Installation einer Drehmomentmesseinrichtung nach einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen auf einer Welle mit den Schritten:

Montieren des Wellenrings auf der Welle, wobei der Wellenring bevorzugt radial und rechteckförmig gegenüber der Welle vorsteht,
Anordnen des Sensorhalters an der Positioniereinrichtung des Wellenrings, wobei der Torsionssensor im montierten Zustand des Wellenrings auf der der Welle zugewandten Unterseite des Sensorhalters angeordnet ist; und
Befestigen des Sensorhalters am Wellenring, wobei optional das Befestigen des Sensorhalters das Verbinden des Torsionssensors mit der Elektronikeinheit, bevorzugt mittels einer Steckverbindung, umfasst.

Beim Befestigen des Sensorhalters kann der Sensorhalter an einem Anschlag an der als Aussparung ausgebildeten Positioniereinrichtung in dem festen radialen Abstand zu Oberflächenbereich mittels separater Befestigungsschrauben fixiert werden. Das Befestigen des Sensorhalters am Wellenring bewirkt gleichzeitig ein Anlegen des Torsionssensors auf den Oberflächenbereich der Welle, wobei ein elastisches Material zwischen dem Torsionssensor und der Unterseite des Sensorhalters bzw. einem Rahmen an der Unterseite des Sensorhalters ein gleichmäßiges elastisches Anlegen des Torsionssensors am Oberflächenbereich ermöglicht. In einer Verfahrensvariante kann bei einem mehrteiligen Wellenring auch zunächst der Sensorhalter an der Positioniereinrichtung des Wellenrings befestigt werden und anschließend die Teile des Wellenrings auf der Welle montiert werden, um ein Anliegen und einen Wirkkontakt des Torsionssensors mit dem Oberflächenbereich der Welle zu ermöglichen. Weiter kann vor einem Befestigen des Sensorhalters der Torsionssensor auf einer dem Oberflächenbereich der Welle zugewandten Fläche mit einer dünnen, möglichst gleichmäßigen, Klebstoffschicht versehen sein, um den Torsionssensor auf dem Oberflächenbereich der Welle zu fixieren.
Im Folgenden werden nicht einschränkende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von beispielhaften Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung auf einer Welle,
2 eine perspektivische Ansicht der Drehmomentmesseinrichtung aus 1 ohne Sensorhalter und Abdeckung,
3 eine Schnittansicht durch den Wellenring aus 2,
4 eine perspektivische Ansicht des Wellenrings aus 2,
5a eine Explosionsansicht des Sensorhalters aus 1,
5b eine perspektivische Ansicht des montierten Sensorhalters aus 5a,
6a eine perspektivische Unteransicht des Haltergehäuses aus 5a,
6b eine perspektivische Draufsicht auf das Haltergehäuse aus 5a,
7a eine Explosionsansicht eines weiteren Sensorhalters und
7b eine perspektivische Ansicht des montierten Sensorhalters aus 7a.

Die perspektivische Ansicht der 1 zeigt eine erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung 1 auf einer Welle 2. Die Welle 2 ist ein Teil einer rotierenden Antriebswelle einer industriellen Verarbeitungsmaschine oder Transporteinrichtung, wobei diese Welle 2 einen großen Wellendurchmesser von 75 mm bis 800 mm aufweist. Die Drehmomentmesseinrichtung 1 umfasst einen zweiteiligen Wellenring 3 mit einem unteren Halbring 4 und einem oberem Halbring 5, die mittels Befestigungsbolzen 6 miteinander verbunden sind, siehe 3. Hierdurch sind die unteren und oberen Halbringe 4,5 verdrehsicher auf dem Umfang der Welle 2 angeordnet, bevorzugt mittels eines Presssitzes. Die Befestigungsbolzen 6 sind aus Vereinfachungsgründen in 1 nicht gezeigt. Der obere Halbring 5 weist mittig eine Abdeckkappe 7 auf, die den darunter angeordneten Sensorhalter 8 vor einer Beschädigung oder Verschmutzung aus der Umgebung der Welle 2 schützt.
2 zeigt die Drehmomentmesseinrichtung 1 aus 1 ohne Abdeckkappe 7 und Sensorhalter 8. Auch hier sind wiederum die Befestigungsbolzen 6 zur Montage des unteren Halbrings 4 und des oberen Halbrings 5 auf der Welle 2 nicht dargestellt. Unterhalb der in 1 noch gezeigten Abdeckkappe 7 befindet sich im Wellenring 3 eine Positioniereinrichtung 9 für den Sensorhalter 8. Dabei ist in der Positioniereinrichtung 9 eine sich radial zur Welle 2 erstreckende rechteckige Aussparung 10 vorgesehen, die sich durch den Wellenring 3 hindurch bis zur Oberfläche der Welle 2 erstreckt. Seitlich der Aussparung 10 sind in radialer Richtung des Wellenrings 3 zwei zungenförmige Ausschnitte 11 zur Befestigung des Sensorhalters 8 vorgesehen. Am Umfang des Wellenrings 3 ist eine Nut 12 zur Aufnahme eines Antennendrahts (nicht gezeigt) vorgesehen. Wie in 1 zu erkennen, erstreckt sich die umlaufende Nut 12 auch über die Abdeckkappe 7 hinweg.
In der Schnittansicht durch den Wellenring 3 und die Welle 2 in 3 sind die gegenüber dem Umfang des Wellenrings 3 zurückversetzten Befestigungsbolzen 6 zu erkennen, mittels derer der untere Halbring 4 und der obere Halbring 5 des Wellenrings 3 auf die Welle 2 geklemmt sind. Weiter ist in den 2 und 3 gut das radial umlaufende rechteckförmige Design des Wellenrings 3 zu erkennen. Der schmale rechteckförmige Aufbau des Wellenrings 3 mit zwei radial zur Welle 2 vorstehenden Seitenflächen und einer radial umlaufenden Oberfläche ermöglicht einen sehr schmalen und platzsparenden Aufbau der Drehmomentmesseinrichtung 1. Alternativ sind auch weitere Formen für den umlaufenden Wellenring 2 denkbar. Die in der oberen Mitte des oberen Halbrings 5 ausgebildete Positioniereinrichtung 9 umfasst neben der sich durch den oberen Halbring 5 hindurch erstreckenden Aussparung 10 auch zwei seitliche zungenförmige Ausschnitte 11.
Die Ausgestaltung der Positioniereinrichtung 9 im oberen Halbring 5 ist nochmals deutlicher in der perspektivischen Ansicht des Wellenrings 3 in 4 zu erkennen, in der neben den sichtbaren Kanten auch die unsichtbaren Kanten des Wellenrings 3 in gestrichelten Linien dargestellt sind. Neben der sich durch den oberen Halbring 4 erstreckenden rechteckigen Aussparung 10 erstrecken sich seitlich der Aussparung 10 in radialer Richtung zwei zungenförmige Ausschnitte 11, in denen entsprechende Befestigungslaschen 13 des Sensorhalters 8 positioniert und der Sensorhalter 8 mittels Schrauben am oberen Halbring 5 montiert werden können.
Die Explosionsansicht in 5a zeigt neben den Komponenten des Sensorhalters 8 auch die Abdeckkappe 7 und eine Elektronikeinheit 14, die hier separat zum Sensorhalter 8 ausgebildet ist und elektrisch mit dem Torsionssensor 15 verbunden ist. Der Sensorhalter 8 weist neben dem Torsionssensor 15 ein Haltergehäuse 16, eine Halteplatte 17 mit den seitlich vorstehen Befestigungslaschen 13 und eine Anschlussplatine 18 auf. In 5b ist der zusammengebaute Sensorhalter 8 in einer perspektivischen Darstellung zu sehen. Wie in 6a zu sehen, weist das Haltegehäuses 16 an der Unterseite 19 einen umlaufenden Rahmen 20 und eine gegenüber dem Rahmen 20 zurückversetzte Öffnung 21 auf, in der beispielsweise Anschlussdrähte und elektronische Bauteile für den Torsionssensor 15 aufgenommen werden können. An der Seite des Haltergehäuses 16 ist eine Bohrung 22 vorgesehen, durch die Anschlussdrähte aus der Öffnung 21 herausgeführt werden können. Wie in der Draufsicht auf das Haltegehäuses 16 in 6b besser zu erkennen, weist die Unterseite 19 in einer Richtung, der Längsrichtung des Wellenrings 3, eine konkave Form auf, die im Wesentlichen dem Radius der Welle 2 entspricht. Diese sich auch über den Rahmen 20 hinweg erstreckende konkave Form ermöglicht einen gleichbleibenden Abstand zwischen der Oberfläche der Welle 2 und der Unterseite 19 des Sensorhalters 8. Wie in 5a schematisch dargestellt, ist der Torsionssensor 15 ein Foliensensor mit vier in Form einer wheatstoneschen Messbrücke zusammengeschalteten Dehnungsmessstreifen, die über entsprechende Anschlussfahnen, Anschlussdrähte und die Anschlussplatine 18 mit der Elektronikeinheit 14 verbunden sind.
An der Oberseite des Haltergehäuses 16 sind zwei Gewindebohrungen 23 vorgesehen, über die die Halteplatte 17 und die mit der Halteplatte 17 verbundene Anschlussplatine 18 am Haltergehäuse 16 befestigt werden können. Zwischen der Unterseite 19 bzw. dem umlaufenden Rahmen 20 des Haltergehäuses 16 und dem folienartigen Torsionssensor 15 ist ein elastisches Material (nicht gezeigt) vorgesehen, um ein möglichst gleichmäßiges, von der konkaven Form der Unterseite 19 unterstütztes Anliegen des Torsionssensors 15 an der Oberfläche der Welle2 zu ermöglichen.
Eine weitere Ausführungsform des Sensorhalters 8 für eine erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung 1 zeigen die 7a und 7b. In der Explosionsansicht in 7a sind neben dem Torsionssensor 15 lediglich das Haltergehäuse 16 und die Abdeckkappe 7 zu erkennen. Die mit dem Torsionssensor 15 elektrisch verbundene Elektronikeinheit 14 ist in dieser Ausführungsform des Sensorhalters 8 im Haltergehäuse 16 integriert, so dass hier lediglich der Torsionssensor 15 direkt an die Elektronikeinheit 14 angeschlossen und an der Unterseite 19 des Sensorhalters 8 positioniert werden muss. Auch hier ist die Unterseite 19 des Sensorhalters 8 entsprechend dem Radius der Welle 2 konkav geformt und bevorzugt mit einem elastischen Material versehen, um den Torsionssensor 15 möglichst gleichmäßig an der Oberfläche der Welle 2 anzulegen. Die seitlich vorstehen Befestigungslaschen 13 sind hier als Teil des Haltergehäuses 16 ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung 1 wird bevorzugt an rotierenden Wellen 2 mit einem großen Wellendurchmesser von 75 - 800 mm eingesetzt, um die Belastung und Belastungsveränderung an rotierenden industriellen Verarbeitungsmaschinen und Transporteinrichtungen zu erfassen. Eine zuverlässige Drehmomentmessung an rotierenden Wellen 2 kann ein instabiles Maschinenverhalten erfassen und dadurch die Lebensdauer, den Energieverbrauch und die Produktqualität der jeweiligen Industrieanlagen verbessern und das Auftreten von Ausfallzeiten verringern. Nach dem Reinigen eines entsprechenden Oberflächenbereichs der Welle 2 werden der untere Halbring 4 und der obere Halbring 5 über die Befestigungsbolzen 6 so auf der Welle 2 montiert, dass der Wellenring 3 verdrehsicher mit der Welle 2 verbunden ist und die Aussparung 10 am oberen Halbring 5 vom Bereich des gereinigten Oberflächenbereichs der Welle 2 liegt. Danach kann ein geeigneter Antennendraht in der umlaufenden Nut 12 des Wellenrings 3 befestigt werden, der dann später mit der Elektronikeinheit 14 verbunden wird. Anschließend wird der vormontierte Sensorhalter 8 in der Aussparung 10 platziert und über die in den zungenförmigen Ausschnitten 11 seitlich der Aussparung 10 positionierten Befestigungslaschen 13 fest mit dem oberen Halbring 5 verschraubt. Vorher wurde an der Unterseite 19 des Haltergehäuses 16 der auf einem elastischen Material platzierte folienförmige Torsionssensor 15 mit einer dünnen Schicht eines Klebstoffs versehen. Der Torsionssensor 15 wird dabei über die konkave Unterseite 19 des Sensorhalters 8 und dem darauf platzierten elastischen Material gleichmäßig an den gereinigten Oberflächenbereich der Welle 2 angedrückt. Nach dem Aushärten der dünnen Klebstoffschicht ist der Torsionssensor 15 sicher und dauerhaft an dem Oberflächenbereich der Welle 2 platziert und ermöglicht eine dauerhafte und zuverlässige Drehmomentmessung an der Welle 2.
Im Betrieb kann die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung 1 über eine induktive Energieversorgung oder einen Nanogenerator mit Energie versorgt werden, damit die aktivierte Elektronikeinheit 14 mittels des Torsionssensor 15 eine Dehnungsmessung an der Welle 2 vornehmen und nach einer Parametrierung und Vorverarbeitung der Daten über eine Sendeeinheit, einem Funksender zur drahtlosen Übertragung von Daten mit einem Antennendraht, oder einer Bluetooth-Einheit, an ein stationäres Empfangsteil übertragen kann. Durch die Standardisierung der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung 1 kann der Sensorhalter 8 und entsprechend der Torsionssensor 15 auch von ungelerntem Personal sicher und fehlerfrei appliziert werden, wodurch neben Stillstandszeiten auch Kosten für die Bereitstellung von spezialisiertem Personal eingespart werden können.
Bezugszeichenliste

1: Drehmomentmesseinrichtung
2: Welle
3: Wellenring
4: unterer Halbring
5: oberer Halbring
6: Befestigungsbolzen
7: Abdeckkappe
8: Sensorhalter
9: Positioniereinrichtung
10: Aussparung
11: zungenförmiger Ausschnitt
12: Nut
13: Befestigungslaschen
14: Elektronikeinheit
15: Torsionssensor
16: Haltergehäuse
17: Halteplatte
18: Anschlussplatine
19: Unterseite
20: Rahmen
21: Öffnung
22: Bohrung
23: Gewindebohrungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3922556 A1 [0003]
DE 102000037335 A1 [0003]

Claims

Drehmomentmesseinrichtung (1) für eine Welle (2), mit einem Wellenring (3), der drehfest mit der Welle (2) verbindbar ist, einer Elektronikeinheit (14) zur drahtlosen Übertragung von Daten und einem Torsionssensor (15), der mit der Elektronikeinheit (14) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorhalter (8) vorgesehen ist, an dem der Torsionssensor (15) angeordnet ist, und an dem Wellenring (3) eine Positioniereinrichtung (9) für den Sensorhalter (8) derart vorgesehen ist, dass ein Wirkkontakt zwischen dem Torsionssensor (15) und einem Oberflächenbereich der Welle (2) ermöglicht ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (9) als Aussparung (10) in dem Wellenring (3) ausgebildet ist, bevorzugt als eine umfänglich geschlossene Aussparung (10) im Wellenring (3) ausgebildet ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorhalter (8) mindestens eine, bevorzugt zwei seitlich vorstehende Befestigungslaschen (13) aufweist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Welle (2) zugewandte Unterseite (19) des Sensorhalters (8) einen Rahmen (20) aufweist, der eine mittige Öffnung (21) umgibt.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer der Welle (2) zugewandten Unterseite (19) des Sensorhalters (8) und dem Torsionssensor (15) ein elastisches Material angeordnet ist, bevorzugt ein federelastisches Material angeordnet ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Welle (2) zugewandte Unterseite (19) des Sensorhalters (8) konkav geformt, bevorzugt im Radius der Welle (2) konkav geformt ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionssensor (15) ein Dehnungsaufnehmer, bevorzugt ein Foliensensor mit mehreren Dehnungsmessstreifen ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionssensor (15) in dem Oberflächenbereich an der Welle (2) fixiert ist, bevorzugt mittels Klebstoff oder reibschlüssig fixiert ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenring (3) als Antennenring zur drahtlosen Übertragung der Daten von der Elektronikeinheit (14) ausgebildet ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenring (3) mehrteilig, bevorzugt zweiteilig ausgebildet ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit in dem Sensorhalter (8) integriert ist.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (14) an dem Wellenring (3) angeordnet ist, insbesondere in dem Wellenring (3) integriert ist, wobei am Sensorhalter (8) bevorzugt ein mit dem Torsionssensor (15) gekoppelte Steckverbindung vorgesehen ist, um den Torsionssensor (15) mit der Elektronikeinheit (14) elektrisch zu verbinden.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (14) eine drahtlose Empfangsfunktion umfasst, bevorzugt für eine induktive Energieversorgung.
Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Sensoreinrichtung vorgesehen ist, bevorzugt ein Drehzahlsensor, ein Temperatursensor oder ein Beschleunigungssensor, wobei die weitere Sensoreinrichtung mit der Elektronikeinheit (14) elektrisch verbunden ist.
Verfahren für eine Installation einer Drehmomentmesseinrichtung (1) nach einer der Ansprüche 1 bis 14 auf einer Welle (2), mit den Schritten: - Montieren des Wellenrings (3) auf der Welle (2); - Anordnen des Sensorhalters (8) an der Positioniereinrichtung (9) des Wellenrings (3), wobei der Torsionssensor (15) auf im montierten Zustand des Wellenrings (3) der Welle (2) zugewandten Unterseite (19) des Sensorhalters (8) angeordnet ist; und - Befestigen des Sensorhalters (8) am Wellenring (3); sowie optional - Verbinden des Torsionssensors (15) mit der Elektronikeinheit (14), bevorzugt mittels einer Steckverbindung.