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Die Erfindung betrifft einen Drehmomentmessflansch.
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In zahlreichen Gebieten der Technik stellt sich regelmäßig die Aufgabe, konstante oder dynamische Drehmomente zu messen. Um den verschiedenen Einsatzbereichen, Einbauverhältnissen und Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden, existieren eine Vielzahl von bekannten Drehmomentmessflanschen, generell auch als Drehmomentmessaufnehmer bezeichnet.
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Die
DE 199 36 293 A1 zeigt einen Drehmomentmessflansch, bei welchem sich zwischen zwei kreisringscheibenförmigen Anschlussflanschen ein im wesentlichen zylindrischer Hohlwellenabschnitt befindet. Dieser bildet den Messbereich des Drehmomentmessflanschs. In die im wesentlichen zylinderförmige Wand sind drei große Messausnehmungen eingebracht, so dass sich an der zylindrischen Innenwand drei Messmembranen ergeben. Ein eingeleitetes Drehmoment kann aufgrund der relativ geringen Wanddicke der Messmembranen relativ große Verformungen hervorrufen, so dass dort angebrachte Dehnungsmessstreifen das aufgebrachte Drehmoment relativ genau errechnen lassen. Für kleinere Momente kann die Messmembran radial innen angeordnet sein. Für größere zu messende Momente kann die Membran radial außen angeordnet sein. Auch schlägt die Druckschrift vor, die taschenförmigen Ausnehmungen gegenüberliegend anzuordnen, so dass sich ein H-Profil ergibt, oder die Ausnehmungen radial abwechselnd anzuordnen, so dass sie abwechselnd von der inneren und nachfolgend von der äußeren Mantelfläche der Zylinderform ausgehen.
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Hierbei ist insbesondere zu unterscheiden zwischen im Wesentlichen scheibenförmigen Drehmomentmessflanschen, wie sie beispielsweise in der
DE 42 08 522 C2 aber auch in der
DE 103 04 359 A1 oder der
WO 2005/045388 A1 veröffentlicht sind und bei welchen zwei Anschlussflansche im Wesentlichen auf axial gleicher Höhe aber auf verschiedenen Radien angeordnet sind, und Drehmomentmessflanschen mit zwei axial versetzt zueinander angeordneten Anschlussflanschen, zwischen welchen ein im Wesentlichen zylinderförmigen Messbereich vorgesehen ist. Letztere Drehmomentmessflansche sind beispielsweise in der
US 5,490,427 A oder aber auch in der bereits genannten
DE 199 36 293 A1 offenbart.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Drehmomentmessflansch zur Verfügung zu stellen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst diese Aufgabe eine Drehmomentmessflansch mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Messbereich, in welchem Messausnehmungen angeordnet sind, und mit Messwertaufnehmern, die Spannungen und/oder Verformungen im Messbereich messen, und welcher sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Messausnehmung einen ebenen Ausnehmungsgrund aufweist sowie nach radial innen gerichtet ist und dass der zylinderförmige Messbereich (5) eine zylindermantelförmige Oberfläche (9) aufweist bzw. dass wenigstens eine Messausnehmung einen ebenen Ausnehmungsgrund aufweist sowie nach radial außen gerichtet ist und der zylinderförmige Messbereich (5) eine radial außen liegende Zylindermantelfläche (10) aufweist.
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Auf einem ebenen Ausnehmungsgrund ist einerseits eine sehr präzise Umrechnung zwischen Dehnung und/oder Spannung und dem anliegenden zu messenden Drehmoment möglich ist. Andererseits lassen sich die Messstreifen auf einer Ebene leicht dauerhaft befestigen.
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Begrifflich sei hierzu zunächst erläutert, dass als der „Messbereich” derjenige Bereich des gesamten Messwertaufnehmers aufgefasst wird, welcher zwischen den beiden flanschförmigen Anschlussbereichen ausgebildet ist und diese kraftschlüssig miteinander verbindet. Wenn beispielsweise an einer Maschine oder an einem Prüfstand ein Drehmoment auf die beiden Anschlussbereiche, also insbesondere auf die beiden Flansche, aufgebracht wird, unterliegt somit auch der Messbereich eben jenem Drehmoment. Der Messbereich ist im Querschnitt – senkrecht zu derjenigen Achse, um welche das Drehmoment wirkt – in der Regel kreisförmig, kreisringförmig oder zumindest im wesentlichen kreisförmig oder kreisringförmig ausgestaltet. Meist sind kreisringförmige Querschnitte anzutreffen.
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In die radial äußere Mantelfläche und/oder in die radial innere Mantelfläche sind die „Messausnehmungen” als Ausnehmungen eingebracht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sie zwei solcher Messausnehmungen unterschiedlich formt und/oder gestaltet. Es kann sich hierbei sowohl um radial innen liegende Ausnehmungen handeln, die anders geformt sind als radial außen liegende Ausnehmungen, wenn radial innen und radial außen liegende Ausnehmungen im Messbereich vorhanden sind. Insbesondere sei aber daran gedacht, dass innerhalb der Schar radial innen liegender Ausnehmungen und/oder innerhalb der Schar radial außen liegender Ausnehmungen unterschiedliche Formen vorzufinden sind.
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Durch die unterschiedlichen Formen der Ausnehmungen ruft ein anliegendes Drehmoment an den Messpunkten der einzelnen verschiedenen Messausnehmungen unterschiedliche Verformungen und/oder Spannungen hervor, so dass es beispielsweise möglich wird, mit einem einzigen Drehmomentmessflansch mehrere höher aufgelöste bzw. mehrere verschieden aufgelöste Messbereiche zu ermöglichen.
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Es ist bevorzugt, wenn wenigstens zwei Messausnehmungen verschiedene Tiefen aufweisen. Durch das Vorsehen verschiedener Tiefen für verschiedene Messausnehmungen, insbesondere innerhalb einer Schar radial innen liegender und/oder innerhalb einer Schar radial außen liegender Messausnehmungen, werden bei geeigneter Gestaltung in den verbleibenden Böden radial außen beziehungsweise radial innen der Ausnehmungen – also in den Messmembranen – unterschiedliche Dehnungen und Spannungen erzeugt.
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Zwei Messausnehmungen weisen bevorzugt einen unterschiedlichen Querschnitt auf. Begrifflich sei zunächst erläutert, dass unter einem „Querschnitt” einer Ausnehmung insbesondere diejenige Fläche verstanden werden soll, welche sich in einer Schnittebene senkrecht zur Achse des Drehmomentmessflanschs zwischen den werkstoffmäßigen Begrenzungen der Ausnehmungen und einer kreisförmigen kleinsten Umgebenden als Freifläche bildet. Konkret wird sich bei einem Schnitt senkrecht zur Achse des Drehmomentmessflanschs eine Schnittgeometrie an einer Messausnehmung ergeben, welche zumindest zwei Seitenkanten hat – gebildet durch die zumindest im wesentlichen massive Zylinderwand – und welche gegebenenfalls einen Boden radial innen oder radial außen aufzeigt – also in der Regel eine Messmembran –, wobei die Seitenkanten im einfachsten Falle radial verlaufen können. Die verbleibende Freifläche der Ausnehmung innerhalb dieser Begrenzungen und einer kreisförmigen Umgebenden außen und/oder innen am zylinderförmigen Messbereich sei dann als der Querschnitt der Messausnehmung aufgefasst.
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Alternativ kann als der „Querschnitt” die sich ergebende Freifläche aufgefasst werden, die sich bei einem Schnitt mit einer Ebene parallel zur Achse des Drehmomentmessflanschs ergibt, oder es kann als der „Querschnitt” die sich ergebende Freifläche aufgefasst werden, die sich bei einem Schnitt mit einer Zylindermantelfläche um die Achse des Drehmomentmessflanschs bei deren Abwicklung ergibt.
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Wenn zwei Messausnehmungen einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, bewirkt ein anliegendes Drehmoment eine unterschiedliche Dehnungs- und/oder Spannungsverteilung zumindest an einem Kantenbereich der Ausnehmung, so dass auch hier ohne weiteres Messungen für verschieden stark aufgelöste unterschiedliche Messbereiche vorgenommen werden können.
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Bevorzugt sind zumindest im wesentlichen gleich ausgebildete Messausnehmungen symmetrisch bezüglich einer Rotationsachse des Drehmomentflansches angeordnet, insbesondere rotationssymmetrisch. Auf diese Weise wird bei geeigneter Gestaltung an den Messpunkten an einer Schar gleicher beziehungsweise gleich geformter Messausnehmungen das gleiche Spannungs- und/oder Dehnungsverhalten zu erwarten sein, vor allem dann, wenn sämtliche Messausnehmungen am Drehmomentmessflansch jeweils einer Schar gleicher und symmetrisch verteilter Ausnehmung zugehören.
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Bevorzugt weist wenigstens eine Messausnehmung einen zumindest im wesentlichen teilzylinderförmigen Ausnehmungsgrund auf.
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Begrifflich sei dies wie folgt erläutert: Der Drehmomentmessflansch hat eine Längsachse, um welche herum die anliegenden Drehmomente gemessen werden sollen. Um diese Achse lässt sich eine äußere Zylindermantelfläche denken, welche die kleinste Umgebende des zumindest im wesentlichen zylinderförmigen Messbereichs darstellt. In der Regel wird der Messbereich radial außen zylinderförmig gestaltet sein, so dass die Zylindermantelfläche des zylinderförmigen Messbereichs genau dessen radial außen liegender Oberfläche entspricht. Von der Zylindermantelfläche erstrecken sich radial außen liegende Messausnehmungen nach radial innen, wobei jede Messausnehmung eine Ausnehmungswand und einen Ausnehmungsgrund aufweist, wobei diese allerdings auch ohne deutlichen Ansatz ineinander übergehen können. Als ein „teilzylinderförmiger Ausnehmungsgrund” wird verstanden, wenn die Messausnehmung zumindest zum Teil eine Fläche aufweist, welche räumlich so gekrümmt ist, dass sie einen Teil einer gedachten Zylindermantelfläche darstellt. In Betracht kommt insbesondere ein gedachter Zylinder, welcher die Achse des Drehmomentmessflansches als Zylinderachse hat, wobei sein Radius bei einer radial außen liegenden Messausnehmung kleiner ist als derjenige der umgebenden Zylindermantelfläche des Messbereichs. Als Variante kommt insbesondere ein gedachter Zylinder in Betracht, dessen Achse parallel zur Achse des Drehmomentmessflansches liegt, jedoch zwischen dessen Achse und dessen äußerer umgebenden Mantelfläche.
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Eine Umrechnung zwischen den gemessenen Dehn- und/oder Spannungsverhältnissen an einer teilzylinderförmigen Fläche am Ausnehmungsgrund oder an einer Ausnehmungswand lässt sich mit hoher Präzision in das am Drehmomentmessflansch anliegende Moment umrechnen.
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Es versteht sich, dass ein teilzylinderförmiger Ausnehmungsgrund auch bei einer radial innen angeordneten Messausnehmung vorhanden sein kann.
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Es versteht sich, dass eine Messausnehmung in nahezu beliebiger Tiefe von der äußeren beziehungsweise inneren Umgebenden des zylinderförmigen Messbereichs aus abweichen kann. Es wird in einer Alternative vorgeschlagen, dass wenigstens eine Messausnehmung einen Ausnehmungsgrund aufweist, dessen Oberfläche derjenigen Oberfläche des zylinderförmigen Messbereichs entspricht, auf welche die Messausnehmung gerichtet ist. Mit anderen Worten ist eine solche Ausnehmung so tief ausgeführt, dass die radiale Dicke des Zylinders im Messbereich durch die Messausnehmung fast vollständig durchlaufen ist, so dass eine radial außen liegende Messausnehmung bis nahezu zur inneren Zylinderfläche des Messbereichs geführt ist beziehungsweise dass eine radial innen liegende Messausnehmung bis nahezu zur äußeren Zylindermantelfläche des Messbereichs geführt ist. In beiden Fällen ist jedoch die Ausnehmung nicht oder zumindest nicht vollständig als Durchstoß zwischen der innen und der außen liegenden Zylindermantelfläche ausgeführt, sondern eine dünne Membran verbleibt. Diese Membran ist sowohl der Ausnehmungsgrund der Messausnehmung – bei Betrachtung aus der radial einen Seite – als auch die zylindermantelförmige Oberfläche des Messbereichs, und zwar radial innen oder radial außen – bei Betrachtung aus der radial anderen Richtung.
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Eine Reduzierung der Messmembran, also des verbleibenden Werkstoffs unterhalb des Ausnehmungsgrundes einer Messausnehmung, auf eine recht dünne Fläche führt zu einer vergrößerten Abbildung eines anliegenden Drehmoments, da die Dehnung und die Spannung verstärkt werden. Dies ermöglicht eine hoch aufgelöste Messung des Drehmoments.
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Bevorzugt weist wenigstens eine Messausnehmung einen runden Querschnitt auf.
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Hierzu sei folgendes begrifflich erläutert: Unter einem „runden” Querschnitt wird insbesondere ein kreisrunder Querschnitt verstanden. Als „rund” kann aber bei einer erweiterten Betrachtung auch jeder andere Querschnitt verstanden werden, welcher frei von Ecken ist und welcher bevorzugt auch frei von Geraden ist. Der „Querschnitt” der Messausnehmung sei insbesondere in einer Schnittebene betrachtet, welche senkrecht zur Längsachse des Drehmomentmessflansches liegt. In einem erweiterten Verständnis des Wortes „Querschnitt” kann auch eine Abwicklung einer Schnittfläche auf einer gedachten Zylindermantelfläche um die Längsachse des Drehmomentmessflansches herum in Betracht kommen. Auch kann eine Schnittebene in Betracht kommen, welche parallel zur Längsachse des Drehmomentmessflansches liegt.
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Insbesondere sei aber an eine Bohrung mit einem kreisrunden Querschnitt bei Schnitt parallel zur Längsachse des Drehmomentmessflanschs gedacht, wobei die Bohrung die Messausnehmung bildet, bevorzugt mit einer Bohrungsachse radial zur Längsachse des Drehmomentmessflanschs gerichtet.
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Auch kumulativ kommt vorteilhaft in Betracht, dass wenigstens eine Messausnehmung einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist, insbesondere einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken.
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Sowohl eine Messausnehmung mit einem runden Querschnitt als auch eine Messausnehmung mit einem rechteckigen, auch quadratischen, Querschnitt mit abgerundeten Ecken lässt sich relativ leicht in den Messbereich einbringen und führt zu relativ gut bekannten Kräfteumverteilungen bei Anliegen eines zu messenden Drehmoments.
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Es wird vorgeschlagen, dass je Messausnehmung ein Messwertaufnehmer vorgesehen ist. Zumindest wird es als vorteilhaft erachtet, wenn jede Messausnehmung einer unterschiedlichen Form je einen Messwertaufnehmer aufweist.
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Durch das Vorsehen mehrerer Messwertaufnehmer, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, können beispielsweise Messwerte verifiziert werden, oder die verschiedenen Messwerte können gemittelt werden. Auch ist es denkbar, dass die verschiedenen Messwertaufnehmer bestimmte Drehmomentbereiche mit unterschiedlicher Feinheitsauflösung messen können, gerade wenn zwei gleiche oder unterschiedliche Messwertaufnehmer in unterschiedlich geformten und/oder ausgebildeten Messausnehmungen angeordnet sind.
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Es wurde bereits erläutert, dass sich wenigstens eine Messausnehmung nach radial innen öffnen kann. Bei einer solchen Messausnehmung liegt der Ausnehmungsgrund radial außen, so dass bevorzugt dort die Messwertaufnehmer angeordnet sein können.
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Es wird vorgeschlagen, dass sich wenigstens eine Messausnehmung vom Ausnehmungsgrund ausgehend hinsichtlich ihres Querschnitts ändert und sich vorzugsweise erweitert oder verengt.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung löst die gestellte Aufgabe ein Drehmomentmessflansch mit einem um eine Rotationsachse angeordneten Messbereich, in welchem Messmembranen angeordnet sind, und mit Messwertaufnehmern, welche Spannungen und/oder Verformungen der Messmembranen messen, wobei sich der Drehmomentmessflansch dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Messmembran eine sich ändernde Dicke aufweist.
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Hierbei kann insbesondere eine Seite der Messmembran eben und/oder die andere Seite teilzylindermantelförmig ausgebildet sein.
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Es wurde bereits begrifflich erläutert, dass als „Messmembranen” gegenüber einem restlichen zylinderförmigen Bereich dünner ausgeführte Flächenstücke aufgefasst werden. An diesen dünnen Flächenstücken und/oder um diese dünnen Flächenstücke herum können auf den Drehmomentmessflansch aufgebrachte Drehmomente in einer Verstärkung gemessen werden, so dass sich sehr genaue Ergebnisse ermitteln lassen.
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Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Messmembranen unterschiedliche Dicken aufweisen.
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Als die „Dicke” einer Messmembran ist die radiale Dicke zu verstehen. Diese wird oft auch als „Materialstärke” bezeichnet.
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Bereits durch unterschiedliche Materialdicken der Membranen lassen sich leicht unterschiedliche Messbereiche am Drehmomentmessflansch erreichen.
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Alternativ und kumulativ zu einer unterschiedlichen Dicke zweier Messmembranen wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Messmembranen eine unterschiedliche Form aufweisen. Diese kann sich sowohl bei einer Projektion der Messmembran auf eine Zylinderfläche um eine Messflanschachse oder bei einer Projektion der Messmembran auf eine Ebene parallel zur Messflanschachse ergeben. Auch auf diese Weise können leicht unterschiedliche Dehn- und/oder Spannungsverhalten bei einem anliegenden Drehmoment erreicht werden.
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Bevorzugt sind gleiche Messmembranen symmetrisch bezüglich der Rotationsachse des Drehmomentmessflansches angeordnet, insbesondere rotationssymmetrisch. Bei einer solchen Gestaltung können die gleich gestalteten und symmetrisch verteilten Messmembranen leicht für eine Verifikation der Messwerte einzelner Messwertaufnehmer verwendet werden.
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Wenigstens eine Messmembran kann teilzylinderförmig ausgebildet sein. Bezüglich der Definition einer „teilzylinderförmigen Messmembran” sei auf die vorstehenden Erläuterungen zu einem „teilzylinderförmigen Ausnehmungsgrund” einer Messausnehmung verwiesen. Bei geeigneter Gestaltung ist der Ausnehmungsgrund einer Messausnehmung identisch mit der Messmembran. Es sei daher hinsichtlich einer teilzylinderförmigen Messmembran insgesamt auf die analoge Beschreibung zu einem teilzylinderförmigen Ausnehmungsgrund verwiesen.
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Alternativ und kumulativ zu einer teilzylinderförmigen Messmembran wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Messmembran von einer Zylinderform abweicht und vorzugsweise eben ausgebildet ist. Hinsichtlich der geometrischen Definition sei auch diesbezüglich auf die vorstehenden Erläuterungen zu einem entsprechenden Ausnehmungsgrund verwiesen. An einer ebenen Messmembran lassen sich besonders leicht Messwertaufnehmer wie Dehnungsmessstreifen anbringen.
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Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Messmembran eine im wesentlichen konstante Dicke aufweist. Bei einer so gestalteten Messmembran bestehen keine größten Genauigkeitsanforderungen daran, wo genau auf der Messmembran ein Messwertaufnehmer wie beispielsweise ein Dehnmessstreifen angebracht werden muss. Auf diese Weise kann es leichter fallen, die Werte verschiedener Messwertaufnehmer miteinander zu vergleichen.
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Bevorzugt ist wenigstens eine Messmembran kreisförmig ausgebildet.
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Begrifflich sei erläutert, dass sich eine „Kreisform” insbesondere bei einer Projektion auf eine Ebene parallel zur Achse des Drehmomentmessflansches oder bei einer radialen Projektion auf eine zylindermantelförmige Projektionsfläche um die Messflanschachse herum ergeben kann. Gerade eine Messmembran, welche bezüglich einer Projektionsebene kreisförmig ist, lässt sich einfach durch eine Bohrung in den Messbereich einbringen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass für eine Verwirklichung dieses Merkmals die Messmembran nicht „kreisförmig” im exakten mathematischen Sinne zu sein braucht. Auch ist es nicht erforderlich, dass die Membran an die mathematische Definition in der bestmöglichen physikalischen Annäherung heranreicht. Vielmehr reicht es bereits, wenn zumindest im wesentlichen eine Kreisform vorliegt, so wie diese beispielsweise beim Einbringen einer herkömmlichen Bohrung in ein Metallwerkstück erreicht wird. Insbesondere kann eine Radiusschwankung eines Bohrungsdurchmessers im Rahmen von etwa 10% um einen Mittelwert herum noch als kreisförmig aufgefasst werden.
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Es versteht sich, dass bei zahlreichen möglichen Gestaltungen eine Grenze der Messmembran gegenüber einer Ausnehmungswand schwer zu ziehen ist. Wenn die Wand in die Messmembran in einer Kante übergeht, kann beispielsweise die Kante als die definierende Grenze der Messmembran aufgefasst werden. Nach einem anderen Aspekt kann eine Fläche, welche sich über einen gewissen Bereich in Krümmung und Dicke einheitlich verhält, als die Messmembran aufgefasst werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Messmembran rechteckig, insbesondere quadratisch, und vorzugsweise mit abgerundeten Ecken ausgebildet ist. Auch eine solche Form lässt sich relativ schnell herstellen.
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Vorzugsweise ist je Messmembran ein Messwertnehmer vorgesehen. Zumindest kann vorteilhaft an jeder unterschiedlich geformten oder ausgestalteten Messmembran ein Messwertaufnehmer vorgesehen sein. Beides erleichtert die Vergleichbarkeit und somit die Messsicherheit der einzelnen Messwerte am Drehmomentmessflansch.
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Wenigstens eine Messmembran kann radial außen am Messbereich angeordnet sein. Eine radial außen liegende Messmembran ist in der Lage, ein anliegendes Drehmoment mit einer nur relativ geringen Kraft aufzunehmen, da die Messmembran radial außen einen größeren Hebel zur Achse des Drehmomentmessflansches hat.
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Auf diese Weise kann auch für größere Momente eine genaue Messung erfolgen, oder die Membran kann sehr dünn ausgeführt werden.
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Als Messwertaufnehmer kommen insbesondere Dehnmessstreifen und/oder magnetische Messwertaufnehmer in Betracht. Vorstehend wurde bei einigen Beispielen von Dehnmessstreifen gesprochen. Es versteht sich, dass diese jeweils vollständig oder zum Teil durch magnetische Messwertaufnehmer oder andere geeignete Messeinrichtungen ersetzt werden können.
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Es ist von Vorteil, wenn wenigstens ein Messwertaufnehmer radial innen liegend an dem Messbereich angeordnet ist, insbesondere um kleinere Momente gut messen zu können. Alternativ und kumulativ kann es von Vorteil sein, wenn wenigstens ein Messwertaufnehmer radial außen liegend an dem Messbereich angeordnet ist, insbesondere um größere Momente zu messen. Eine Kombination von radial innen und radial außen liegenden Messwertaufnehmern lässt sich sehr geeignet dafür einsetzen, Drehmomente in verschiedenen Größenbereichen genau zu erfassen.
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Insbesondere wird nach einem dritten Aspekt vorliegender Erfindung ein Drehmomentmessflansch mit einem um eine Rotationsachse angeordneten Messbereich, in welchem Messmembranen angeordnet sind, und mit Messwertaufnehmern, welche Spannungen und/oder Verformungen der Messmembranen messen, wobei wenigstens eine Messmembran eben ausgebildet ist und eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweist, vorgeschlagen, wobei sich der Drehmomentflansch dadurch auszeichnet, dass je Messmembran ein Messwertaufnehmer vorgesehen ist, der radial innen liegend an dem Messbereich angeordnet ist.
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Es versteht sich, dass Ausgestaltung der Messmembranen bzw. Messausnehmungen sowie die radial innen liegenden Messausnehmungen bzw. die radial außen angeordneten Messmembranen auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung für einen Drehmomentmessflansch vorteilhaft sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dort zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht auf einen Schnitt von etwa zwei Dritteln eines Drehmomentmessflansches mit unterschiedlich tiefen Messausnehmungen beziehungsweise unterschiedlich dicken Messmembranen sowie
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2 schematisch einen Schnitt durch einen vollständigen Drehmomentmessflansch, gestaltet wie in 1, mit einer Schnittebene auf halber axialer Höhe des Drehmomentmessflansches aus 1.
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Der Drehmomentmessflansch 1 in den Figuren besteht im wesentlichen aus einem Paar Anschlussflansche 2, 3, welche als kreisringförmige Scheiben gestaltet und mit Bohrungen 4 (exemplarisch gekennzeichnet) versehen sind. An die Anschlussflansche 2, 3 werden über die Anschlussbohrungen 4 Wellen oder andere Teile einer Maschine oder einer anderweitigen Vorrichtung angeschlossen, beispielsweise eine drehmoment-führende Welle eines Messstandes.
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Die beiden Anschlussflansche 2, 3 des Drehmomentmessflansches 1 sind einstückig mit einem Messbereich 5 ausgeführt, wobei als „Messbereich” 5 eine im wesentlichen zylindermantelförmige Wand 6 des Drehmomentmessflansches 1 bezeichnet ist.
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Wenn im Betrieb des Drehmomentmessflansches ein Drehmoment um eine Rotationsachse 7 des Drehmomentmessflansches 1 auf die Anschlussflansche 2, 3 gebracht wird, liegt dieses ebenso im Messbereich 5 an, so dass in der zylinderförmigen Wand 6 des Messbereichs 5 Dehnungen und Spannungen auftreten, welche auf die Größe des anliegenden Drehmoments schließen lassen.
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Um diese Werte erfassen zu können, ist der Drehmomentmessflansch 1 mit einer Vielzahl von Dehnmessstreifen 8 (exemplarisch gekennzeichnet) ausgerüstet, welche allesamt radial innen an einer radial inneren zylindermantelförmigen Oberfläche 9 des Messbereichs 5 beziehungsweise dessen Zylinderwand 6 angebracht sind. Konkret sind acht Dehnmessstreifen 8 vorgesehen, und zwar symmetrisch um die Rotationsachse 7 des Drehmomentmessflansches 1 herum verteilt.
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An einer radial außen liegenden umhüllenden Zylindermantelfläche 10, welche koaxial mit der Innenfläche 9 liegt, sind acht Ausnehmungen in die Wand 6 des Messbereichs 5 eingebracht, und zwar jeweils vier flache Ausnehmungen (exemplarisch mit 11 gekennzeichnet) und vier tiefe Ausnehmungen (exemplarisch mit 12 gekennzeichnet).
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Die flachen Ausnehmungen 11 liegen abwechselnd mit den tiefen Ausnehmungen 12 in der Außenfläche 10 der Wand 6 des Messbereichs 5, und jede Schar – also diejenige der flachen Ausnehmungen 11 beziehungsweise diejenige der tiefen Ausnehmungen 12 – ist für sich rotationssymmetrisch um die Achse 7 des Drehmomentmessflansches 1 angeordnet.
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Jede Ausnehmung 11, 12 hat vier jeweils plane Wände 13, 14 (exemplarisch gekennzeichnet) mit dazwischen liegenden ausgerundeten Kehlen 15 (exemplarisch gekennzeichnet) sowie einen planen Ausnehmungsgrund 16, 17 (exemplarisch gekennzeichnet).
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Zwischen dem planen Ausnehmungsgrund 16, 17 und der zylinderförmigen Innenfläche 9 des Messbereiches 5 ergeben sich relativ dünne Messmembranen 18 (exemplarisch gekennzeichnet) unter den tiefen Ausnehmungen 12 beziehungsweise relativ dicke Messmembranen 19 (exemplarisch gekennzeichnet) unter den flachen Ausnehmungen 11.
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Radial konzentrisch mit jeder Ausnehmung 11, 12 sind die Dehnmessstreifen 8 auf die radiale Innenseite der Messmembranen 18, 19 aufgebracht. Die Dehnmessstreifen sind in ihrer axialen Erstreckung länger als die Ausnehmungen 11, 12. Hinsichtlich der tangentialen Erstreckung um die Achse 7 des Drehmomentmessflansches 1 herum hingegen sind die Grundflächen 16 der Ausnehmungen 11, 12 breiter als die Dehnmessstreifen 8.
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Durch die Ausnehmungen 11, 12 im Messbereich 5 werden Verformungen beziehungsweise Spannungen infolge eines anliegenden Drehmoments verstärkt, so dass im Messbereich 5 vorgesehene Messwertaufnehmer 8 wesentlich empfindlicher messen können. Hierbei bilden die Ausnehmungsböden 16, 17 beziehungsweise die Messmembranen 18, 19 Stellen, welche dementsprechend starker unter Spannung stehen beziehungsweise verformt werden.
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Infolge der unterschiedlichen Tiefen und unterschiedlichen Grundflächen zwischen den flachen Messausnehmungen 11 und den tiefen Messausnehmungen 12 entstehen im Messbereich 5 Gebiete, welche auf ein Anlegen des Drehmoment unterschiedlich stark reagieren, so dass der Drehmomentmessflansch 1 mehrere Empfindlichkeitsbereiche aufweisen kann.
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Die Messmembranen 18, 19 haben den Vorteil, dass die Messwertaufnehmer 8 im wesentlichen Schermessungen vornehmen können, welche verhältnismäßig genau durchgeführt werden können.
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Der Querschnitt einer Ausnehmung 11, 12 kann insbesondere senkrecht zu einer Ausnehmungstiefe gemessen werden, welche entlang einer exemplarisch gekennzeichneten zentralen Ausnehmungsachse 20 zu legen ist. Bei radial gerichteten Ausnehmungen in zylinderförmigen Messbereichen erfolgt die Betrachtung des Querschnitts vorzugsweise auf um die Rotationsachse 7 gelegten Zylinderflächen oder auf einer Schnittebene parallel zur Rotationsachse 7. In letzteren beiden Fällen erfolgt die Tiefenmessung radial.
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Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet der Begriff „Stärke einer Messmembran” die Dicke einer Messmembran, während die Form der Messmembranen durch deren Umrandungen gegeben ist.
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Im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt sind radial außen angeordnete Messmembranen beziehungsweise sich nach radial innen öffnende Messausnehmungen, welche bei Drehmomentmessflanschen die Messgenauigkeit nochmals erhöhen können, da radial außen größere Auslenkungen zu finden sind.
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Das Reaktionsverhalten der Messmembranen 18, 19 beziehungsweise des Messbereichs 5 auf ein anliegendes Drehmoment kann durch eine Änderung der Querschnitte der Ausnehmungen in Abhängigkeit von der Tiefe 20 in der Ausnehmung 11, 12 beeinflusst werden. So können sich die Ausnehmungen 11, 12 insbesondere zum Ausnehmungsboden 16, 17 hin erweitern oder verengen beziehungsweise Wandungen 13, 14 aufweisen, die nicht radial auf die Rotationsachse und/oder nicht senkrecht zum Radius um die Rotationsachse und/oder nicht parallel zur Rotationsachse gerichtet sind beziehungsweise liegen. Bei einer geeigneten Wahl der Querschnittsänderung können das Spannungssignal und/oder die Verformung der Messmembranen 18, 19, des Ausnehmungsgrundes 16, 17 oder anderer Baugruppen des Messbereichs 5 verstärkt werden, so dass die Empfindlichkeit der mechanischen Anordnung und somit des gesamten Drehmomentmessflansches 1 erhöht werden kann.
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Wie unmittelbar ersichtlich, weisen bei diesem Ausführungsbeispiel die Messmembran eine sich über ihre Fläche ändernden Dicke auf. In alternativen Ausführungsbeispielen kann dieses minimiert werden, indem der Grund der Messausnehmungen an die gegenüberliegende Oberfläche des Messbereiches angepasst wird. Ebenso kann auch die gegenüberliegende Oberfläche des Messbereiches entsprechend bearbeitet und an den Grund der jeweiligen Messausnehmung angepasst werden. Auf diese Weise können die Messmembranen beispielsweise im Wesentlichen eben, schalenartig oder zylinderförmig ausgebildet werden.
