DE112006003783T5

DE112006003783T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Lastmessung

Info

Publication number: DE112006003783T5
Application number: DE112006003783T
Authority: DE
Inventors: Byron A. Fleury; Daniel J. Morris; William C. Hooss
Original assignee: Flowserve Management Co
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2026-03-04
Also published as: GB2449041B; CN101395460B; WO2007100338A1; CA2644580C; CA2644580A1; BRPI0621440A2; US20100005897A1; DE112006003783B4; US7971490B2; CN101395460A; GB2449041A; US8714024B2; BRPI0621440B1; US20110259125A1; GB0816080D0

Abstract

Mechanische Steuervorrichtung, aufweisend:
einen Schaft, konfiguriert für Drehung;
mindestens einen Arm, betriebsmäßig verbunden mit dem Schaft und konfiguriert, um sich bei axialer Verschiebung des Schafts zu verformen; und einen Sensor, gekoppelt mit dem mindestens einen Arm und konfiguriert, um ein Ausgangssignal proportional zu der axialen Verschiebung des Schafts zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lastmessung und insbesondere einer axialen Lastmessung an einer axialen Steuervorrichtung mit einem rotierenden Schaft, z. B. einer Ventilbetätigungseinrichtung für Fluidströmungssteuervorrichtungen. Die Lastmessung kann zum Ableiten einer Drehmomentmessung benutzt werden.
Hintergrund
Fluidströmungssteuervorrichtungen weisen Vorrichtungen sowohl für Flüssigkeiten als auch Gase auf. Ventilbetätigungseinrichtungen für Fluidströmungssteuervorrichtungen sind bekannt und können mechanisch betätigt werden. Die Ventilbetätigungseinrichtung kann z. B. manuell angetrieben werden, durch Fluiddruck betrieben werden, wobei der Schaft direkt oder indirekt mit einem Fluidbetriebenen Kolben verbunden ist, oder durch eine elektro-hydraulische oder elektro-Fluideinrichtung angetrieben werden. Konventionelle Ventilbetätigungseinrichtungen weisen einen elektrisch angetriebenen Eingangsschaft auf, welcher bei relativ hohen Geschwindigkeiten mit relativ niedrigem Drehmoment drehbar sein kann. Der Eingangsschaft kann, über reduzierende Zahnräder wie einem Schneckenantrieb oder einem schraubenförmigen Schraubengewinde und einer Mutter, einen Ausgangsschaft mit einem relativ hohen Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit drehen.
Es kann wünschenswert sein, das durch den Ausgangsschaft erzeugte Drehmoment zu bestimmen. Wenn z. B. ein Ventil vollständig geschlossen und gesetzt ist, kann das zum Öffnen des Ventils erforderliche Drehmoment erheblich höher sein. Ein dauerhaftes Überwachen des Drehmoments kann anzeigen, wenn ein Ventil abgenutzt ist oder festsitzt. Trendmuster in den Drehmomentmessungen können eine vorausschauende Wartung ermöglichen. Vordringliche Abschaltmerkmale können vorgesehen sein, wenn ein Drehmoment ein vorbestimmtes erlaubtes Niveau überschreitet.
Die Messung der axialen Kraft auf den Eingangsschaft kann benutzt werden, um das durch den Ausgangsschaft gelieferte Drehmoment zu bestimmen. Die axiale Last, multipliziert mit dem Schneckenzahnradradius, ist das durch den Ausgangsschaft gelieferte Drehmoment.
Konventionelle Vorrichtungen zum Messen des Endaxialdrucks oder des Drehmoments eines rotierenden Schafts sind bekannt und weisen einen Axialdruck-Drehmoment-Wandler auf, beschrieben in US-Patent 4 182 168 für Desch. Der Axialdruck-Drehmoment-Wandler weist einen LVDT (Linearer Spannungsdifferentialwandler) auf mit einem bewegbaren Kern, axial ausgerichtet mit, befestigt an und drehbar mit dem Schaft, und welcher ein Ausgangssignal entsprechend dem Axialdruck oder Drehmoment erzeugt.
Um jedoch einen Betrieb des Wandlers in beiden Drehrichtungen des Schafts, sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn, zu schaffen, erfordert der Desch Axialdruck-Drehmoment-Wandler die Voreinstellung einer Membran eines Axialdrucklagers. Der Desch Axialdruck-Drehmoment-Wandler erfasst nicht jede Missausrichtung der axialen Last auf den Schaft.
Eine andere konventionelle Vorrichtung zum Anzeigen einer Last auf einem Schaft ist in dem US-Patent 5 503 045 für Riester beschrieben. Eine erhöhte Last auf eine Schnecke verursacht eine axiale Verschiebung eines Schneckenschafts und eine begleitende Verformung einer Membranscheibe, montiert auf dem Schneckenschaft. Eine Seite der Scheibe ist mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden ringförmigen Ausnehmung ausgebildet. Der zentrale Teil der Scheibe ist gegen axiale Verschiebung relativ zu dem Schneckenschaft durch ein axiales Lager, angeordnet auf einer Seite der Scheibe, und eine Laufbuchse, welche auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe angeordnet ist, festgelegt. Ein Dehnungsmessstreifen auf einer anderen Seite der Scheibe erzeugt Messveränderungen mit dem Verschieben des Schneckenschafts. Die Vorrichtung von Riester schafft kein Verfahren zum Erfassen jeder Missausrichtung der Last auf den Schaft.
Es wäre daher vorteilhaft, eine Technik zum Messen des durch einen Ausgangsschaft erzeugten Drehmoments zu entwickeln unter Verwendung der axialen Verschiebung eines Eingangsschafts und zum Erfassen jeder Missausrichtung der Last auf den Eingangsschaft.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, in einer Anzahl von repräsentativen Ausführungsformen, schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lastmessung, welche benutzt werden können, um eine Last zu bestimmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Last auf einen rotierenden Schaft. Eine mechanische Steuervorrichtung mit einem rotierenden Schaft, z. B. eine Ventilbetätigungseinrichtung für Fluidströmungssteuervorrichtungen, kann eine Lastmessungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung aufweisen.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine mechanische Steuervorrichtung einen Schaft auf, konfiguriert für Drehung, einen Arm, betriebsmäßig mit dem Schaft verbunden und konfiguriert, um sich bei axialer Verschiebung des Schafts zu verformen, und einen Sensor, gekoppelt mit dem mindestens einen Arm und konfiguriert, um ein Ausgangssignal proportional zu der axialen Verschiebung des Schafts zu erzeugen. Der Arm kann einen im Wesentlichen einheitlichen Querschnitt über im Wesentlichen seine gesamte Länge aufweisen.
Die mechanische Steuervorrichtung kann zusätzlich Lager aufweisen zum Übertragen der Axialverschiebung des Schafts auf den Arm. Die Lager können ein erstes ringförmiges Lager aufweisen, angeordnet um den Schaft und eine erste Oberfläche des Arms berührend, und ein zweites ringförmiges Lager, angeordnet um den Schaft und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche des Arms berührend. Zusätzlich kann in der mechanischen Steuervorrichtung ein ringförmiger Körper vorgesehen werden, welcher den Schaft umschließt, wobei sich der Arm nach außen von dem Schaft zu dem ringförmigen Körper erstreckt. Ein Abschnitt des Arms kann an dem ringförmigen Körper befestigt sein. Ein Gehäuse kann an dem ringförmigen Körper befestigt und für eine axiale Bewegung des Schafts relativ zu dem Gehäuse konfiguriert sein.
Das Ausgangssignal des Sensors der mechanischen Steuervorrichtung kann jede Missausrichtung des Schneckenschafts identifizieren. Der Sensor kann mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweisen. Der Arm der mechanischen Steuervorrichtung kann ein Metall und auch eine Anordnung von diskreten Armen aufweisen, angeordnet in einer Speicherformation um den Schaft.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Lastsensor zum Messen der axialen Last auf einen drehbaren Schaft wenigstens einen Ablenkungsarm mit einem ersten Endabschnitt auf, gehalten zwischen zwei Lager, wobei jedes Lager betriebsmäßig mit dem drehbaren Schaft verbunden ist zum Übertragen der axialen Bewegung des Schafts zu dem mindestens einen Ablenkungsarm (als eine Ablenkung), und einen Sensor, welcher betriebsmäßig mit dem mindestens einen Ablenkungsarm verbunden und zum Messen der Ablenkung des mindestens einen Ablenkungsarms konfiguriert ist.
Der Sensor kann mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweisen, und der mindestens eine Ablenkungsarm kann ein diskretes Metallsegment mit einer im Wesentlichen einheitlichen Breite und Dicke aufweisen. Der mindestens eine Ablenkungsarm kann einen zweiten Endabschnitt aufweisen, welcher an einem Gehäuse für den Lastsensor befestigt ist, wobei das Gehäuse konfiguriert ist, um eine relative axiale Verschiebung des drehenden Schafts in Bezug auf das Gehäuse zu ermöglichen.
Der Lastsensor kann zusätzlich einen ringförmigen Körper aufweisen, welcher den drehbaren Schaft umschließt. Der mindestens eine Ablenkungsarm kann eine Anordnung von Ablenkungsarmen aufweisen, welche in einer Speicherformation um den Schaft angeordnet sind und sich nach außen von dem Schaft zu dem ringförmigen Körper erstrecken, wobei ein zweiter Abschnitt jedes Ablenkungsarms an dem ringförmigen Körper befestigt ist. Ein Gehäuse kann an dem ringförmigen Körper befestigt sein, wobei der Schaft für eine axiale Bewegung relativ zu dem Gehäuse konfiguriert ist. Jeder Ablenkungsarm der Anordnung von Ablenkungsarmen kann einen betriebsmäßig mit diesem verbundenen Sensor aufweisen, wobei jeder Sensor in Verbindung mit einer Ausgangsvorrichtung steht, welche über jede Missausrichtung des Schneckenschafts berichtet.
In einem weiteren Aspekt weist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen eines zu einem Ventil gelieferten Drehmoments auf. Ein drehbarer Schaft kann zwei betriebsmäßig mit dem drehbaren Schaft verbundene Lager aufweisen. Das Verfahren umfasst das Vorsehen mindestens eines Arms, angeordnet zwischen den beiden Lagern auf einem ersten Ende und gekoppelt mit einem festen Gehäuse auf einem zweiten Ende, das Drehen eines Schneckenzahnrads mit dem Schaft, wobei das Schneckenzahnrad betriebsmäßig mit einem Schneckenrad und -schaft zum Antreiben des Ventils gekoppelt ist, und das Übertragen des zu dem Ventil gelieferten Drehmoments in die axiale Bewegung des drehbaren Schafts. Das Verfahren umfasst zusätzlich das Ablenken des mindestens einen Arms mit der axialen Bewegung des Schafts, welche zu dem Arm übertragen wird mit der axialen Verschiebung der beiden Lager, das Erfassen der Ablenkung des mindestens einen Arms, das Bestimmen einer axialen Last auf den Schaft unter Verwendung der Ablenkung des mindestens einen Arms und das Bestimmen des zu einem Ventil gelieferten Drehmoments unter Verwendung der axialen Last auf den Schaft und eines Radius des Schneckenzahnrads.
Bei besonderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Vorsehen mindestens eines Arms das Vorsehen eines Arms von im Wesentlichen einheitlicher Breite und Dicke oder alternativ das Vorsehen einer Anordnung von Armen, angeordnet in einer Speicherformation um den drehbaren Schaft, aufweisen. Das Erfassen der Ablenkung des mindestens einen Arms kann ein unabhängiges Erfassen der Ablenkung jedes Arms der Anordnung von Armen aufweisen.
Die Merkmale, Vorteile und alternativen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann deutlich in Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Während die Unterlagen mit den Ansprüchen enden, welche das, was als vorliegende Erfindung betrachtet wird, besonders herausstellen und deutlich beanspruchen, können die Vorteile dieser Erfindung leichter gewürdigt werden aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen, in welchen:
1A eine Querschnittsansicht einer mechanischen Steuervorrichtung und einer Drehmomentmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
1B eine perspektivische Ansicht der mechanischen Steuervorrichtung und der Drehmomentmessvorrichtung der 1A ist;
2 eine Ansicht einer Ausführungsform einer Platte einer Drehmomentmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Platte einer Drehmomentmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine perspektivische Ansicht der Platte der 3, installiert in einer repräsentativen Lastmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung, ist;
5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Lastmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Platte einer Drehmomentmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist.
Beste Ausführungsform(en) zur Durchführung der Erfindung
Obwohl die vorausgehende Beschreibung viele Besonderheiten enthält, sollten diese nicht als beschränkend für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden, sondern lediglich als Illustrationen einiger repräsentativer Ausführungsformen. Ähnlich können andere Ausführungsformen der Erfindung entworfen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Merkmale verschiedener Ausführungsformen können in Kombination verwendet werden. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird daher nur angezeigt und beschränkt durch die Ansprüche und ihre Äquivalente als durch die vorhergehende Beschreibung. Alle Zusätze, Streichungen und Modifikationen der Erfindung, wie hier offenbart, welche in den Inhalt und den Umfang der Ansprüche fallen, werden hierdurch umfasst.
1A illustriert einen Querschnitt einer Ausführungsform einer mechanischen Steuervorrichtung 10, welche eine Drehmomentmessvorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung einschließt. Die mechanische Steuervorrichtung 10 kann eine Ventilbetätigungseinrichtung aufweisen und betätigt werden, z. B. manuell, durch einen Motor oder einen Fluiddruck. Die mechanische Steuervorrichtung 10 umfasst einen Rotor 150, welcher einen Schneckenschaft 30, gekoppelt mit einem Schneckenzahnrad 40, antreibt. Das Schneckenzahnrad 40 treibt einen Ausgangsschaft 45 an und ist mit diesem betriebsmäßig verbunden. Wenn der Schne ckenschaft 30 gedreht wird, um das Schneckenzahnrad 40 anzutreiben, kann die zum Antreiben des Schneckenzahnrads 40 und des Ausgangsschafts 45 erforderliche Kraft eine axiale Verschiebung des Schneckenzahnrads relativ zu einem Gehäuse 120 der mechanischen Steuervorrichtung 10 verursachen. Die axiale Bewegung kann mit einer Platte 60 registriert werden. Ein Abschnitt der Platte kann an dem Gehäuse 120 befestigt sein, wodurch eine axiale Bewegung verhindert wird. Ein anderer Abschnitt der Platte 60 kann mit der axialen Verschiebung des Schneckenschafts, übertragen durch ein Kugellager 74, 76, abgelenkt werden.
Die Ablenkung der Platte 60 kann eine erhebliche Belastung bzw. Verformung bewirken, welche ihrerseits unter Verwendung eines Sensors 80 gemessen werden kann (siehe 2). Der Sensor 80 kann einen Ausgang haben, welcher in die axiale Last auf dem Schneckenschaft 30 übersetzt werden kann. Die axiale Last, wenn multipliziert mit dem Schneckenzahnradradius, ist das durch das Schneckenzahnrad 40 zum Ausgangsschaft 45 gelieferte Drehmoment. Die axiale Bewegung des Schneckenschafts 30 kann in jeder Richtung erfolgen, abhängig von der Drehrichtung des Schneckenschafts 30 und der nachfolgenden Drehung des Ausgangsschafts 45. Eine Ausgangsvorrichtung 170 kann vorgesehen sein, um eine Information wie z. B. die Verformung der Platte 60, die axiale Last des Schneckenschafts 30 und/oder das Drehmoment auf den Ausgangsschaft 45 anzuzeigen.
Der Schneckenschaft 30, gezeigt in 1A, rotiert innerhalb einer Buchse 90 auf Lager 70, 74 und 76, welche beispielhaft Kugellager sein können. Eine perspektivische Ansicht ist in 1B gezeigt. Das Antreiben des Schneckenzahnrads 40, welches seinerseits den Ausgangsschaft 45 antreibt, beaufschlagt den Schneckenschaft 30 mit einer axialen Last. Die axiale Last zwingt den Schneckenschaft 30, sich axial zu verschieben. Der Schneckenschaft 30 kann in zwei entgegengesetzte axiale Richtungen verschoben werden, gezeigt durch die Pfeile 1 und 2, und die Platte 60 kann in zwei verschiedene Positionen abgelenkt werden. Während der Drehung kann der Schneckenschaft 30 nach links verschoben werden, wie durch den Pfeil 1 gezeigt. Die axiale Last kann auf die Platte 60 über den Rotor 150 übertragen werden. Ein Befestigungselement 140 sichert den Schneckenschaft 30 am Rotor 150. Das Befestigungselement 140 kann z. B. ein Bolzen oder eine Schraube sein. Der Schneckenschaft 30 zieht am Befestigungselement 140. Das Befestigungselement 140 veranlasst den Rotor 150, sich axial mit dem Schneckenschaft 30 zu verschieben, und der Rotor 150 drückt gegen das Lager 76. Das Lager 76 stößt auf die Platte 60, wodurch die Platte veranlasst wird, zu einer ersten gebogenen Position abgelenkt zu werden. Eine innere Bahn 76a des Lagers 76 fluchtet und dreht sich mit dem Schneckenschaft 30. Eine äußere Bahn 76b des Lagers 76 kontaktiert und stößt auf die Platte 60. Die Platte 60 rotiert nicht, da der äußere Umfang der Platte 60 an dem Gehäuse 120 mit dem Befestigungselement 130 befestigt ist. Ein Sensor 80 kann die Verformung auf der Platte bestimmen, um die axiale Last auf den Schneckenschaft 30 zu bestimmen.
Alternativ kann der Schneckenschaft in entgegengesetzer Richtung rotieren, wodurch der Ausgangsschaft 45 in der entgegengesetzten Richtung gedreht wird. Der Schneckenschaft ist somit axial nach rechts belastet, in Richtung des Pfeils 2. Der Schneckenschaft 30 wird nach rechts verschoben, und eine Schulter 100 des Schneckenschafts 30 kann gegen das Lager 70 drücken. Die Schulter 100 weist eine radiale Stirnwand des Schneckenschafts 30 auf an einer Verbindung eines Abschnitts des Schneckenschafts 30 mit einem kleineren Durchmesser und einem Abschnitt des Schneckenschafts 30 mit einem größeren Durchmesser. Das Lager 70 drückt gegen die Buchse 90, wodurch ein Zusammenpassen der axialen Verschiebung des Schneckenschafts 30 und der Buchse 90 verursacht wird. Die Buchse 90 und das Lager 74 unterliegen daher im Wesentlichen der gleichen axialen Verschiebung wie der Schneckenschaft 30, wodurch das Lager 74 gegen die Platte 60 gezwungen wird und die Ablenkung der Platte zu der zweiten gebogenen Position verursacht wird. Die innere Bahn 74a des Lagers 74 fluchtet und dreht sich mit dem Schneckenschaft 30. Die äußere Bahn 74b des Lagers 74 kontaktiert die Buchse 90 und die Platte 60, wodurch die axiale Last zu dieser übertragen wird. Die erste gebogene Position der Platte 60 kann einer Verschlusskraft ent sprechen, welche dem Ventil (nicht gezeigt) über die mechanische Steuervorrichtung 10 auferlegt wird, und die zweite gebogene Position kann einer Öffnungskraft entsprechen, welche dem Ventil auferlegt wird, oder umgekehrt, abhängig von der Richtung der Gewindegänge des Schneckenschafts 30 und der Konfiguration des Ventils in Verbindung mit der Ventilbetätigungseinrichtung.
Die Buchse 90, wie dargestellt, rotiert nicht mit dem Schneckenschaft 30. Es wird jedoch angemerkt, dass eine Buchse, welche in Verbindung mit dem Schneckenschaft 30 rotiert, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ist. Zusätzlich ist es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, eine zweite Buchse um den Schneckenschaft 30 zwischen dem Rotor 150 und dem Lager 76 anzuordnen. Daher kann eine Buchse (und nicht der Rotor) die axiale Last auf die Platte 60 von dem Schneckenschaft 30 übertragen, wenn sie eine Last, auferlegt in Richtung des Pfeils 1, erfährt.
Ein axiales Lager kann zwischen dem Rotor 150 und der Vorrichtung, welche die mechanische Steuervorrichtung 10 betätigt, positioniert werden, wie z. B. ein Motor, welcher den Rotor veranlasst, sich axial relativ zu der Betätigungsvorrichtung zu bewegen. Daher können äußere axiale Kräfte auf die Betätigungsvorrichtung auch mit dem axialen Lager absorbiert werden und die Messung der axialen Last nicht beeinträchtigen.
2 zeigt eine Platte 60a gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Platte 60a ist im Wesentlichen eben mit einem ringförmigen Körper 62a und einer Anordnung von vier diskreten, nach innen vorspringenden Armen 65a. Jeder Arm 65a kann einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und in einem rechten Winkel zu jedem benachbarten Arm 65a angeordnet sein. Der ringförmige Körper 62a und die nach innen vorspringenden Arme 65a können aneinandergrenzend sein, gebildet aus einem einzigen Materialstück, z. B. aus einer Metallscheibe. Die Platte 60a kann z. B. durch Stanzen, Schmieden oder Laserschneiden gebildet werden. Alternativ können die Ar me 65a an dem ringförmigen Körper 62a befestigt werden wie mit einem Klebstoff oder einem Befestigungselement. Die Arme 65a können aus dem gleichen Material wie der ringförmige Körper 62a oder aus einem unterschiedlichen Material geformt werden. Geeignete Materialien für den ringförmigen Körper 62a und die Arme 65a sind z. B. ein Metall wie Kupfer, Aluminium, Stahl, rostfreier Stahl oder ein Polymer. Die nach innen vorspringenden Arme 65a können entfernbar und austauschbar sein.
Die nach innen vorspringenden Arme 65a schaffen einen Durchlass 110 für den Schneckenschaft 30 (in 2 nicht gezeigt), welcher sich durch diesen erstreckt. Die nach innen vorspringenden Arme 65a können in einer Speicherformation innerhalb der zentralen Öffnung des ringförmigen Körpers 62a angeordnet sein. Die Arme 65a brauchen sich jedoch im Zentrum der zentralen Öffnung des ringförmigen Körpers 62a nicht vereinigen; vielmehr kann das Zentrum den offenen Durchlass 110 aufweisen. Die Enden der Arme 65a distal vom ringförmigen Körper 62a sind frei, um unter der Last der axialen Verschiebung des Schneckenschafts 30, übertragen durch die Lager 74, 76, verschoben zu werden (siehe 1A). Jeder Arm 65a kann eine im Wesentlichen einheitliche Dicke t und Breite w längs der Länge 1 des Arms 65a haben.
2 zeigt (mit Schattierung) die Belastung unter Ablenkung auf den ringförmigen Körper 62a und jeden Arm 65a der Platte 60a. Die dunkel schattierten Abschnitte stellen die Abschnitte unter der größten Belastung dar, und die heller schattierten Bereiche zeigen die Abschnitte unter geringerer Belastung. Die Platte 60a ist dargestellt mit vier Öffnungen 50 durch den ringförmigen Körper 62a, wodurch die Platte 60a an einem Gehäuse 120 (siehe 1A) der mechanischen Steuervorrichtung 10 befestigt werden kann. Befestigungselemente 130, z. B. Bolzen, Stifte oder Schrauben können zum Befestigen der Platte 60a benutzt werden. Die Platte 60a kann durch andere Verfahren als Befestigungselemente wie z. B. durch Löten oder Schweißen befestigt werden.
Während der Benutzung kann der Motor den Schneckenschaft 30 drehen, welcher den Ausgangsschaft 45 dreht. Die das Drehen des Ausgangsschafts 45 verursachende Kraft verursacht eine axiale Bewegung des Schneckenschafts 30. Die Buchse 90 auf dem Schneckenschaft 30 bewegt sich auch axial, wobei die Lager 74 gegen jeden Arm 65a der Anordnung gestoßen werden. Jeder Arm 65a biegt sich, wobei der Abschnitt des Arms 65a, welcher in Berührung mit dem Lager ist, mit der axialen Bewegung des Schafts verschoben wird. Der ringförmige Körper 62a der Platte 60a ist an dem Gehäuse befestigt und wird nicht verschoben. Daher wird jeder Arm 65a abgelenkt oder gebogen, wodurch eine Verformung darin verursacht wird. Die Verformung innerhalb jedes Arms 65a kann unter Verwendung eines Sensors 80 gemessen werden. Jeder Arm 65a kann einen Sensor 80 aufweisen oder alternativ kann nur ein Arm einen Sensor 80 aufweisen.
Das Vorsehen eines Sensors 80 auf einer Vielzahl von Armen 65a der Anordnung von Armen ermöglicht ein unabhängiges Messen der Belastung und/oder der Verformung auf jedem der Vielzahl von Armen 65a. Jeder Arm 65a der Anordnung der Arme 65a ist diskret und die Anordnung kann den Schneckenschaft 30 umgeben. Jeder Arm 65a kann die axiale Verschiebung des Schneckenschafts 30 an getrennten Orten um den Umfang des Schneckenschafts 30 erfahren. Wenn daher der Schneckenschaft 30 sich biegt oder irgendeine andere Missausrichtung der axialen Last annimmt, können die Sensoren 80 auf jedem Arm 65a verschiedene Messungen erfassen. Ein Vergleich der Messungen ermöglicht außerdem eine Bestimmung jeder Missausrichtung der axialen Last auf den Schneckenschaft 30. Die Sensoren können konfiguriert sein, um jede Missausrichtung auszulöschen und ein Signal entsprechend einem Lesen einer jeden Missausrichtung zu schaffen. Alternativ kann ein separates Signal geschaffen werden, welches vor Missausrichtung warnt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Platte 60b gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Platte 60b weist einen im Wesentlichen ebenen ringförmigen Körper 62b mit vier diskreten nach innen vorspringenden Armen 65b auf.
Jeder Arm 65b kann einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben und kann unter einem rechten Winkel zu jedem benachbarten Arm 65b angeordnet sein. Die Ecken 66b an der Verbindung des ringförmigen Körpers 62b und der nach innen vorspringenden Arme 65b sind abgeschrägt. Die Abschrägung kann die Belastung auf die Platte 60b an den Ecken 66b reduzieren. Die nach innen vorspringenden Arme schaffen einen Durchlass 110 für den Schneckenschaft 30 (in 3 nicht gezeigt), welcher sich durch diesen erstreckt. Die Platte 60b zeigt die Belastung unter Ablenkung des ringförmigen Körpers 62b und jedes Arms 65b mit Schattierung. Die dunkel schattierten Abschnitte stellen die Abschnitte unter der größten Belastung dar, und der leicht schattierte Bereich zeigt die Abschnitte unter geringerer Belastung. Die Platte 60b ist dargestellt mit vier Öffnungen 50, welche eine Befestigung der Platte 60b an einem Gehäuse 120 (siehe 1A) der mechanischen Steuervorrichtung 10 ermöglichen. Befestigungselemente 130, z. B. Bolzen oder Schrauben, können zur Befestigung der Platte 60b benutzt werden.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Platte der 3, installiert in einer Lastmessvorrichtung 20b der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 150 springt vom Zentrum der Platte 60b vor. Ein Abschnitt des Schneckenschafts 30 ist innerhalb des Rotors 150 ummantelt und an diesem mit einem Befestigungselement 140 befestigt. Das Lager 76 umgibt den Schneckenschaft 30. Ein distales Ende des Rotors stößt an das Lager 76 an, wodurch jede axiale Last in der Richtung des Pfeils 1 (siehe 1A) übertragen wird. Die äußere Bahn 76b des Lagers berührt die Oberfläche jedes Arms 65b auf einem ersten Abschnitt distal vom ringförmigen Körper 62b. Der Arm 65b kann einen zweiten Abschnitt aufweisen, welcher an dem ringförmigen Körper 62b befestigt ist, welcher keiner Verschiebung unterworfen ist, da der ringförmige Körper 62b an dem Gehäuse 120 befestigt ist. Die ersten Abschnitte der Arme 65b verschieben sich mit dem Lager 76, während die zweiten Abschnitte der Arme 65b an dem festen ringförmigen Körper 62b befestigt sind. Die Arme 65b werden daher abgelenkt oder gebogen, wodurch der Arm unter eine Belastung gebracht wird. Die Belastung kann mit einem Sensor 30 wie einem Dehnungsmessstreifen gemessen werden.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Lastmessvorrichtung 20c gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Eine Platte 60c weist eine Anordnung von drei diskreten Armen 65c auf, angeordnet in einer voneinander beabstandeten Konfiguration, wobei jeder Arm 65c sich nach außen von dem Schneckenschaft 30 aus erstreckt. Obwohl die vorliegende Ausführungsform mit drei Armen 65c gezeigt ist, wird angemerkt, dass jede Anzahl von Armen 65c benutzt werden kann. Jeder diskrete Arm kann an dem Gehäuse 120 mit einem Befestigungselement 160 befestigt sein. Jeder Arm 65c kann einen Sensor 80 haben, der darauf montiert ist, oder alternativ können nur ein oder zwei Arme 65c einen Sensor 80 aufweisen. Der Sensor 80 kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, angeordnet in einer Vielzahl von Orten auf dem Arm 65c. In einer Ausführungsform können die Sensoren 80 in Bereichen maximaler Belastung angeordnet sein. Die Arme 65c berühren den Schneckenschaft 30 nicht, jede axiale Last, welche auf den Schneckenschaft 30 aufgebracht wird, kann jedoch auf die Arme 65c über das Lager 74 übertragen werden. Die Arme 65c umschließen nicht vollständig den Schneckenschaft 30, vielmehr ist jeder Arm 65c getrennt beabstandet.
Die Arme 65c müssen nicht an dem ringförmigen Körper befestigt werden wie die Arme 65a und 65b, dargestellt in den 3, 4 und 5. Die Arme 65c können jeweils einen langgestreckten Körper aufweisen, welcher einen im Wesentlichen einheitlichen Querschnitt hat. Ein erster Abschnitt jedes Arms 65c kann frei sein, um sich mit dem Schneckenschaft 30 axial zu verschieben unter der axialen Last, übertragen durch das Lager 74. Ein zweiter Abschnitt jedes Arms 65c, an einem gegenüberliegenden Ende longitudinal von dem ersten Abschnitt, kann an dem Gehäuse 120 mit einem Befestigungselement 160 befestigt werden. Der Schneckenschaft 30 kann unter der axialen Last axial relativ zum Gehäuse 120 verschoben werden. Der erste Abschnitt jedes Arms 65c kann relativ zu dem Gehäuse 120 mit dem Schneckenschaft 30 verschoben werden. Der zweite Abschnitt jedes Arms 65c kann an dem Gehäuse befestigt werden und an einer Verschiebung gehindert werden. Jeder Arm 65c kann daher abgelenkt werden, wodurch eine Belastung darin verursacht wird. Die Belastung kann mit dem Sensor 80 gemessen werden.
Eine Platte 60 kann jede Anzahl von Armen 65 aufweisen. Die Platte 60b, dargestellt in 4, weist z. B. eine Anordnung von vier Armen 65b auf, und die Platte 60c, dargestellt in 5, weist eine Anordnung von drei Armen 65c auf. Zusätzlich ist eine Platte mit nur einem einzigen Arm innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Das Messen der direkten Reaktionskräfte auf innere Komponenten einer mechanischen Steuervorrichtung wie die axiale Last auf einem Schneckenschaft 30 ist eine genaue Methode der Bestimmung des Drehmoments, welches die mechanische Steuervorrichtung zu einem Ausgangsschaft liefert. Dieses Messen ist unabhängig von Zahnradwirksamkeit, Zahnradgeschwindigkeit, Motordrehmoment und Motor-aufgebrachter Leitungsleistung. Ein Arm 65a, 65b, 65c einer Lastmessvorrichtung 20, 20b, 20c der vorliegenden Erfindung kann gebildet werden, so dass die durch die axiale Last auf den Schneckenschaft 30 verursachte Ablenkung eine ausreichende Belastung bzw. Verformung verursacht, um ein elektronisches Signal mit dem Sensor 80 zu erhalten, aber nicht ausreichend, um eine dauerhafte Verformung oder Ablenkung des Arms 65a, 65b, 65c zu verursachen. Das Schneckenzahnrad 40, angetrieben durch den Schneckenschaft 30, kann ein Schalentyp oder integral mit dem Schneckenschaft 30 sein.
6 zeigt eine Platte 60d gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Platte 60d ist ringförmig mit einem Durchlass 110d für den Schneckenschaft 30 (nicht gezeigt in 6), der sich durch diesen erstreckt. Die ringförmige Platte 60d kann aneinanderstoßend sein, geformt aus einem einzigen Materialstück wie z. B. einer Metallscheibe. Die Platte 60d kann z. B. durch Stanzen, Schmieden oder Laserschneiden geformt werden. Geeignete Materialien für die Platte 60d weisen z. B. ein Metall wie Kupfer, Aluminium, Stahl, rostfreier Stahl oder ein Polymer auf. Die Platte 60d kann Öffnungen 50 aufweisen, welche eine Befestigung der Platte 60d an einem Gehäuse 120 (siehe 1A) der mechanischen Steuervorrichtung 10 ermöglichen. Ein Sensor 80 kann in einem Bereich maximaler Belastung auf die Platte 60d nahe einer Öffnung 80 positioniert sein.
Obwohl die vorhergehende Beschreibung viele Besonderheiten enthält, sind diese nicht als beschränkend für den Umfang der vorliegenden Erfindung auszulegen, sondern lediglich als bestimmte repräsentative Ausführungsformen. Ähnlich können andere Ausführungsformen der Erfindung entworfen werden, welche nicht vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist daher nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente angezeigt und begrenzt, als durch die vorhergehende Beschreibung. Alle Zusätze, Streichungen und Modifikationen der Erfindung, wie hier offenbart, welche in die Bedeutung und den Umfang der Ansprüche fallen, sind von der vorliegenden Erfindung umfasst.
Zusammenfassung
Eine Vorrichtung zur axialen Lastmessung an einer mechanischen Steuervorrichtung (10) mit einem rotierenden Schaft (30) kann benutzt werden, um eine Drehmomentmessung abzuleiten. Eine mechanische Steuervorrichtung (10) kann eine Ventilbetätigungseinrichtung für Fluidströmungssteuervorrichtungen aufweisen. Die Lastmessungsvorrichtung kann einen Arm (65a), betriebsmäßig verbunden mit einem drehbaren Schaft und konfiguriert, um bei axialer Verschiebung des Schafts verformt zu werden, aufweisen. Ein Sensor (80) kann mit dem mindestens einen Arm (65a) gekoppelt und konfiguriert sein, um ein Ausgangssignal bezogen auf die axiale Verschiebung des Schafts zu erzeugen. Der Arm kann zwischen zwei Lager (74) des drehbaren Schafts an einem ersten Ende gehalten und an dem Gehäuse (120) der mechanischen Steuervorrichtung an einem zweiten Ende befestigt sein. Das erste Ende des Arms (65a) kann axial mit dem drehbaren Schaft verschoben werden. Der Arm (65a) kann ein diskretes Segment von einheitlicher Breite und Dicke aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4182168 [0005]
- US 5503045 [0007]

Claims

Mechanische Steuervorrichtung, aufweisend: einen Schaft, konfiguriert für Drehung; mindestens einen Arm, betriebsmäßig verbunden mit dem Schaft und konfiguriert, um sich bei axialer Verschiebung des Schafts zu verformen; und einen Sensor, gekoppelt mit dem mindestens einen Arm und konfiguriert, um ein Ausgangssignal proportional zu der axialen Verschiebung des Schafts zu erzeugen.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der mindestens eine Arm einen im Wesentlichen einheitlichen Querschnitt über die gesamte Länge des mindestens einen Arms hat.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend Lager zum Übertragen der axialen Verschiebung des Schafts zu dem mindestens einen Arm.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Lager ein ringförmiges Lager aufweisen, angeordnet um den Schaft und eine Oberfläche des mindestens einen Arms berührend, und ein weiteres ringförmiges Lager, angeordnet um den Schaft und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche des mindestens einen Arms berührend.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen ringförmigen Körper, welcher den Schaft umschließt, wobei sich der mindestens eine Arm nach außen von dem Schaft zu dem ringförmigen Körper erstreckt, und ein Abschnitt des mindestens einen Arms an dem ringförmigen Körper befestigt ist; und ein Gehäuse, welches an dem ringförmigen Körper befestigt ist, wobei das Gehäuse konfiguriert ist für eine axiale Bewegung des Schafts relativ zu dem Gehäuse.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Ausgangssignal mit irgendeiner Missausrichtung des Schneckenschafts in Beziehung steht.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der Sensor mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der mindestens eine Arm ein Metall aufweist.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der mindestens eine Arm eine Anordnung von diskreten Armen aufweist, welche in einer Speichenformation um den Schaft angeordnet sind.
Lastsensor zum Messen der axialen Last auf einem drehbaren Schaft, aufweisend: mindestens einen Ablenkungsarm mit einem ersten Endabschnitt, gehalten zwischen zwei Lager, wobei jedes Lager betriebsmäßig mit dem drehbaren Schaft verbunden ist zum Übertragen der axialen Bewegung des Schafts zu einer Ablenkung des mindestens einen Ablenkungsarms; und einen Sensor, welcher betriebsmäßig mit dem mindestens einen Ablenkungsarm verbunden und konfiguriert ist zum Messen der Ablenkung des mindestens einen Ablenkungsarms.
Lastsensor nach Anspruch 10, bei welchem der Sensor mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
Lastsensor nach Anspruch 10, bei welchem der mindestens eine Ablenkungsarm ein diskretes Segment von im Wesentlichen einheitlicher Breite und Dicke aufweist.
Lastsensor nach Anspruch 10, bei welchem der mindestens eine Ablenkungsarm ein Metall aufweist.
Lastsensor nach Anspruch 10, bei welchem der mindestens eine Ablenkungsarm einen zweiten Endabschnitt aufweist, welcher an einem Gehäuse für den Lastsensor befestigt ist, wobei das Gehäuse konfiguriert ist, um eine relative axiale Verschiebung des rotierenden Schafts in Bezug auf das Gehäuse zu erlauben.
Lastsensor nach Anspruch 10, weiter aufweisend: einen ringförmigen Körper, welcher den drehbaren Schaft umschließt, wobei der mindestens eine Ablenkungsarm eine Anordnung von Ablenkungsarmen aufweist, welche in einer Speichenformation um den Schaft angeordnet sind und sich nach außen von dem Schaft zu dem ringförmigen Körper erstrecken, wobei ein zweiter Abschnitt jedes Ablenkungsarms an dem ringförmigen Körper befestigt ist; und ein Gehäuse, welches an dem ringförmigen Körper befestigt ist, wobei der Schaft konfiguriert ist für eine axiale Bewegung relativ zu dem Gehäuse.
Lastsensor nach Anspruch 15, bei welchem jeder Ablenkungsarm der Anordnung von Ablenkungsarmen einen Sensor aufweist, welcher betriebsmäßig mit diesem verbunden ist, wobei jeder Sensor in Verbindung mit einer Ausgangsvorrichtung steht.
Verfahren zum Messen eines zu einem Ventil gelieferten Drehmoments, aufweisend: Vorsehen eines drehbaren Schafts mit zwei betriebsmäßig mit diesem gekoppelten Lager; Vorsehen mindestens eines Arms, angeordnet zwischen den beiden Lager an einem ersten Ende und gekoppelt mit einem festen Gehäuse an einem zweiten Ende; Drehen eines Schneckenzahnrads mit dem Schaft, wobei das Schneckenzahnrad betriebsmäßig mit einem Schneckenrad und einem das Ventil antreibenden Schaft gekoppelt ist; Übertragen des zu dem Ventil gelieferten Drehmoments in eine axiale Bewegung des drehbaren Schafts; Erfassen der Ablenkung des mindestens einen Arms aufgrund der axialen Verschiebung der zwei Lager und der axialen Bewegung des Schafts; Bestimmen einer axialen Last auf den Schaft unter Verwendung der Ablenkung des mindestens einen Arms; und Bestimmen des zu einem Ventil gelieferten Drehmoments unter Verwendung der axialen Last auf den Schaft und eines Radius des Schneckenzahnrads.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das Vorsehen mindestens eines Arms das Vorsehen eines Armes von im Wesentlichen einheitlicher Breite und Dicke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das Vorsehen mindestens eines Arms das Vorsehen einer Anordnung von Armen aufweist, welche in einer Speicherformation um den drehbaren Schaft angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem das Erfassen der Ablenkung des mindestens einen Arms das unabhängige Erfassen der Ablenkung jedes Arms der Anordnung von Armen aufweist.
Mechanische Steuervorrichtung, aufweisend: einen Schaft, konfiguriert für Drehung; eine ringförmige Platte, betriebsmäßig mit dem Schaft verbunden und konfiguriert, um sich bei axialer Verschiebung des Schafts zu verformen; und einen Sensor, gekoppelt mit der ringförmigen Platte und konfiguriert, um ein Ausgangssignal proportional zu der axialen Verschiebung des Schafts zu erzeugen.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 21, weiter aufweisend: einen zentralen Durchlass durch die ringförmige Platte; und mindestens eine in Umfangsrichtung positionierte Öffnung durch die ringförmige Platte.
Mechanische Steuervorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher der Sensor auf der ringförmigen Platte radial zwischen dem zentralen Durchlass und der mindestens einen in Umfangsrichtung positionierten Öffnung positioniert ist.