DE1180546B

DE1180546B - Device for measuring the torque transmitted by a rotating shaft during operation

Info

Publication number: DE1180546B
Application number: DEM46343A
Authority: DE
Original assignee: G A MESSEN JASCHIN FA
Current assignee: G A MESSEN JASCHIN FA
Priority date: 1960-06-16
Filing date: 1960-08-22
Publication date: 1964-10-29

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: GOIlBoarding school Kl .: GOIl

Deutsche Kl.: 42 k-1/04 German class: 42 k -1/04

Nummer: 1180 546 Number: 1 180 546

Aktenzeichen: M 46343IX b / 42 k File number: M 46343IX b / 42 k

Anmeldetag: 22. August 1960 Filing date: August 22, 1960

Auslegetag: 29. Oktober 1964 Opening day: October 29, 1964

Um das von einer Antriebsquelle in eine Welle eingeleitete Drehmoment in seiner meßtechnischen Größe zu bestimmen, benutzt man meist, sofern es sich bei der zu untersuchenden Welle um eine solche mit kreisförmigem Querschnitt handelt, die klassische Methode der Bestimmung des Verdrehungswinkels von zwei um eine bestimmte Meßlänge voneinander entfernten Wellenquerschnitten. Es wurde eine Anzahl von Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe dieser Verdrehungswinkel bestimmt und, da dieser ein direktes Maß für die Größe des eingeleiteten Drehmomentes ist, gemessen werden kann. Alle diese Meßverfahren aber benötigen, da die Winkelverdrehung, sofern diese im elastischen Bereich des Wellenmaterials liegt, sehr klein ist, eine relativ große Meßlänge, die nicht immer für die Messungen zur Verfügung steht. Von den Torsionsmeßverfahren scheiden eine Anzahl recht brauchbarer derartiger Verfahren dann aus, wenn es sich um die Drehmomentmessung an einer umlaufenden Welle handelt, das Drehmoment also im dynamischen Stadium der Welle bestimmt werden soll.To measure the torque introduced into a shaft by a drive source To determine the size is mostly used if the wave to be examined is one with a circular cross-section, the classic method of determining the angle of twist of two shaft cross-sections separated by a certain measuring length. It became a number of procedures developed with the help of which this angle of rotation is determined and, as this one is a direct measure of the magnitude of the torque introduced, can be measured. All these However, measuring methods require, since the angular rotation, provided this is in the elastic range of the shaft material lies, is very small, a relatively large measuring length, which is not always available for the measurements stands. There are a number of quite useful methods of this type that distinguish torsion measurement methods then, when it comes to the torque measurement on a rotating shaft, the torque So it should be determined in the dynamic stage of the wave.

Die Nachteile, die bei einer direkten Torsionsmessung im wesentlichen in der Erfordernis einer großen Meßlänge bestehen, haben dem Dehnungsmeßstreifenverfahren zu einem gewissen Erfolg verholfen. Bei dem Dehnungsmeßstreifenverfahren wird ebenfalls die relative Verdrehungsgröße zweier Radialquerschnitte einer Welle gemessen, jedoch kann zu dieser Meßbestimmung der Dehnungsmeßstreifen in diagonaler Weise, ja in extremen Fällen sogar durch ein Umwickeln der Welle so auf letztere aufgebracht werden, daß als Meßlänge ein wesentlich kürzerer Teil der Welle selbst für die Messung notwendig ist. Nun müssen aber beim Dehnungsmeßstreifenverfahren die elektrischen Werte über Schleifringe vom drehenden Meßteil auf das Meßgerät selbst übertragen werden. Dadurch können unkontrollierbare und nicht behebbare Meßfehler in das Meßverfahren kommen, so daß der Dehnungsmeßstreifen neben anderen Schwierigkeiten allein aus der Meßwertübertragung nur ein begrenztes Anwendungsfeld gefunden hat.The disadvantages of a direct torsion measurement essentially in the requirement of a long measuring length have given the strain gauge method some success. In the strain gauge method, too, the relative amount of twist becomes two Radial cross-sections of a shaft are measured, but the strain gauge can be used to determine this measurement diagonally, and in extreme cases even by wrapping the shaft on the latter be applied that the measuring length is a much shorter part of the shaft itself for the measurement necessary is. With the strain gauge method, however, the electrical values must now be transmitted via slip rings can be transferred from the rotating measuring part to the measuring device itself. This can cause uncontrollable and unrecoverable measurement errors come into the measurement process, so that the strain gauge in addition to other difficulties from the transmission of measured values alone, this is only a limited field of application has found.

Die für die Meßwertübertragung exakteste Methode ist die der induktiven Übertragung. Es gilt aber auch hier, daß dieses Verfahren, um Meßwertanzeigen zu bekommen, eine große Torsionslänge benötigt, damit die relative Verdrehung zweier radialer Wellenquerschnitte über zwei Tonräder zu meßbaren Differenzen führt.The most exact method for the transmission of measured values is that of inductive transmission. But it also applies here that this method, in order to get measured value displays, requires a great torsional length so that the relative rotation of two radial shaft cross-sections over two tone wheels to measurable differences leads.

Es ist ferner bekannt, die gegenseitige Verdrehung zweier Wellenquerschnitte durch eine Hebelüber-Einrichtung zur Messung des von einer
umlaufenden Welle im Betrieb übertragenen
DrehmomentesIt is also known, the mutual rotation of two shaft cross-sections by a lever over device for measuring the one
rotating shaft transmitted during operation
Torque

Anmelder:Applicant:

Fa. G. A. Messen-Jaschin, Samen (Schweiz)G. A. Messen-Jashin, Samen (Switzerland)

Vertreter:Representative:

to Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6to Dr.-Ing. E. Sommerfeld and Dr. D. v. Bezold,
Patent Attorneys, Munich 23, Dunantstr. 6th

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 16. Juni 1960 (6897)Claimed priority:
Switzerland of June 16, 1960 (6897)

setzung zu vergrößern und entsprechend dem ver-to enlarge the settlement and according to the

_ao größerten Betrag einen Stufenwiderstand, der auf der umlaufenden Welle montiert ist, zu verstellen. Die Größe dieses Stufenwiderstandes wird dann mit Hilfe einer der Zahl der Stufen gleichen Zahl von Schleifringen auf einem außerhalb der Welle angeordneten _ao greater amount to adjust a step resistor that is mounted on the rotating shaft. The size of this step resistance is then arranged on an outside of the shaft with the help of a number of slip rings that is equal to the number of steps

a₅ Registrierinstrument angezeigt.a ₅ recording instrument is displayed.

Die exfindungsgemäße Einrichtung gestattet es nun, den Vorteil der kurzen Wellenlänge, die beim Dehnungsmeßstreifenverfahren benötigt wird, mit den Vorteilen der induktiven Meßwertübertragung zu vereinigen, ohne die genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen und ohne Stufenwiderstände oder Schleifringe verwenden zu müssen.The device according to the invention now allows the advantage of the short wavelength, which when Strain gauge method is required, with the advantages of inductive measured value transmission to unite without having to accept the disadvantages mentioned and without step resistors or Having to use slip rings.

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung des von einer umlaufenden Welle im Betrieb übertragenen Drehmomentes, bei der die gegenseitige Verdrehung zweier Wellenquerschnitte durch eine Hebelübersetzung vergrößert und der vergrößerte Betrag elektrisch angezeigt wird, wobei zwei im Abstand der Meßlänge auf der Welle angeordnete Geber je mit einem von einem Stator getragenen Abnehmer induktiv zusammenwirken, und ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten, fest auf der Welle angeordneten Teil des einen Gebers ein Übertragungshebel schwenkbar gelagert und das Ende des längeren Hebelarmes mit einem zweiten, drehbar auf dem genannten ersten Geberteil gelagerten Teil des einen Gebers und das Ende des kürzeren Hebelarmes mit dem anderen Geber wirkungsverbunden ist. Mit einer drehbaren Einrichtung läßt sich das Drehmoment an einer Welle auch während des Normalbetriebes der Welle messen, da die Einrichtung nur sehr wenig Platz benötigt und deshalb in prak-The invention is based on a device for measuring the energy of a rotating shaft during operation transmitted torque, in which the mutual rotation of two shaft cross-sections through a leverage is increased and the increased amount is displayed electrically, with two Encoders arranged at a distance of the measuring length on the shaft each with a pickup carried by a stator interact inductively, and is characterized in that in a first, firmly on the Shaft arranged part of a transmitter a transmission lever pivotably mounted and the end of the longer lever arm with a second part of the rotatably mounted on said first encoder part one encoder and the end of the shorter lever arm is functionally connected to the other encoder. With a rotatable device, the torque on a shaft can also be adjusted during normal operation measure the shaft, as the device requires very little space and is therefore

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tisch allen vorkommenden Fällen in die zu überwachende Maschine fest eingebaut sein kann. Andererseits gestattet die Einrichtung auch die genaue Messung des Drehmomentes an sehr kurzen Wellen, da mittels der beschriebenen Übersetzung die relative Verdrehung der Tonräderzahnkränze um ein Vielfaches gegenüber der tatsächlichen Verdrehung der betreffenden Wellenquerschnitte vergrößert werden kann; die resultierende Verdrehung entspricht dann jener, wie sie bei Verwendung einer entsprechend vielfach größeren Meßstrecke ohne Übersetzung erhalten worden wäre.table can be permanently installed in the machine to be monitored in all cases. on the other hand the device also allows the exact measurement of the torque on very short shafts, because by means of the described translation the relative rotation of the tone wheel rims is multiplied compared to the actual rotation of the shaft cross-sections concerned can; the resulting twist then corresponds to that as it would be when using a much larger measuring distance would have been obtained without translation.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden erläutert werden.The invention will be explained below with reference to the drawing.

In F i g. 1 ist 1 eine Welle, auf die in nicht gezeigter Weise ein Drehmoment einwirken soll. Mit L ist die relativ kurze zur Verfügung stehende Meßstrecke bezeichnet. Am einen Ende dieser Meßstrecke sitzt fest auf der Welle 1 ein erster Teil 2 a eines ersten Geber- oder Tonrades, dessen zweiter Teil 2 b drehbar auf dem ersten Tonradteil 2 a gelagert ist. Am anderen Ende der Meßstrecke L sitzt fest auf der Welle 1 ein zweites Tonrad 3. Die beiden Elemente 2 b und 3 sind in an sich bekannter Weise mit Zahnkränzen versehen, die mit Magnetmeßköpfen eines in F i g. 1 nicht gezeichneten Stators zusammenwirken. Die beiden Wellenmeßpunkte sind nahe aneinandergerückt, und die relative Verdrehung wird durch eine innere Übersetzung auf das über diese Übersetzung gegenüber dem Tonrad 3 verdrehte Tonrad 2 b übertragen. Die relative Verdrehung zwischen dem Zahnkranz des Tonrades 3 zum Zahnkranz des Tonrades 2b muß sowohl im direkten Verfahren wie in dem sogenannten verkürzten Verfahren mit innerer Übersetzung zum selben Verdrehungswinkel führen. Es muß also entsprechend der Verkürzung der Torsionsmeßlänge das Übersetzungsverhältnis im Inneren des Drehmomentmeßgebers gewählt werden. Zu diesem Zweck ist ein um die Meßwelle 1 herumführender Bügel 4 so angeordnet, daß die sehr kleinen relativen Verschiebungen zwischen den beiden Meßstreckenendpunkten in entsprechender Übersetzung um die Welle 1 herum auf die Tonräder übertragen werden. Damit ist es möglich, einen Meßgeber von extrem schmaler Ausdehnung in der Achsenrichtung der Welle zu bauen, und es wird damit erreicht, daß man mit Meßlängen auf einer Welle auskommt, die noch unterhalb der Meßlängenwerte liegen, die man beim Dehnungsmeßstreifenverfahren benötigt. Aus Fig. 2 ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine kleine relative Verdrehung .3T der Elemente 2 a und 3 durch den um den Punkt α am Element 2 α schwenkbaren Bügel 4 auf eine relativ große Verdrehung y zwischen den Elementen 2b und 3 übersetzt wird. Das größte Übersetzungsverhältnis wird offensichtlich dann erreicht, wenn der Bügel 4 um 180° um die Welle 1 herumgeführt ist.In Fig. 1, 1 is a shaft on which a torque is intended to act in a manner not shown. With L the relatively short available to test section is called. At one end of this measuring section sits firmly on the shaft 1, a first part 2 a of a first encoder or tone wheel, the second part 2 b of which is rotatably mounted on the first tone wheel part 2 a . At the other end of the measuring distance L determines a second tone wheel mounted on the shaft 1 3. The two elements 2 b and 3 are provided in known manner with sprockets which g with a Magnetmeßköpfen in F i. 1 cooperate not shown stator. The two Wellenmeßpunkte are together moved close to, and the relative rotation is transmitted by an inner b translation on the twisted about this translation with respect to the tone wheel 3 tone wheel. 2 The relative rotation between the ring gear of the tone wheel 3 to the ring gear of the tone wheel 2b must lead to the same angle of rotation both in the direct method and in the so-called shortened method with internal transmission. The transmission ratio in the interior of the torque transducer must therefore be selected in accordance with the shortening of the torsion measurement length. For this purpose, a bracket 4 leading around the measuring shaft 1 is arranged in such a way that the very small relative displacements between the two measuring section end points are transmitted in a corresponding translation around the shaft 1 to the tone wheels. This makes it possible to build a measuring transducer with an extremely narrow dimension in the axial direction of the shaft, and it is thus achieved that measuring lengths on a shaft which are still below the measuring length values required for the strain gauge method can be achieved. From Fig. 2 it is readily apparent that a small relative rotation .3T of the elements 2 a and 3 is translated by the bracket 4 pivotable about the point α on the element 2 α to a relatively large rotation y between the elements 2b and 3. The greatest transmission ratio is obviously achieved when the bracket 4 is guided around the shaft 1 by 180 °.

Bei dem in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in einem ortsfesten Lager 10 eine kurze Hohlwelle 11 gelagert, auf welche in nicht gezeichneter Weise ein Drehmoment ausgeübt werden kann. Es kann sich z. B. um eine Antriebswelle für die Drehflügel eines Helikopters handeln. Auf der Welle 11 sitzt fest mittels eines Drahtkeiles 12 ein erster Ring 13 eines zweischaligen Tonrades I, dessen zweiter Ring 14 koaxial auf dem ersten Ring 13 drehbar gelagert ist. Im Abstand der Meßstrecke L ist auf der Welle II ferner ein Ring 15 eines zweiten Tonrades II ebenfalls mittels eines Drahtkeils 12 fest aufgekeilt. Die Ringe 14 und 15 der beiden Tonräder I und II sind in an sich bekannter Weise mit einem Außenzahnkranz 16 und 16' von unter sich genau gleicher Ausbildung versehen. Diese Zahnkränze 16 und 16' wirken je mit einem Satz von je vier Meßköpfen 17 bzw. 18 zusammen, die in einem Stator 19 montiert sind und die in bekannter Weise auf induktivem Wege Meßspannungen liefern können, die dann in einem nicht näher dargestellten Auswertegerät die Drehmomentbestimmung ermöglichen. Der auf einem Umfangsflansch 20 des Ringes 15 abgestützte Stator 19 trägt ein die ganze Einrichtung umschließendes Gehäuse 21 und ist mittels eines Bolzens 22 am Lager 10 gegen Drehen gesichert.In the embodiment shown in FIGS. 3 to 5, a short hollow shaft 11 is mounted in a stationary bearing 10, on which a torque can be exerted in a manner not shown. It can e.g. B. be a drive shaft for the rotary wing of a helicopter. A first ring 13 of a two-shell tone wheel I, the second ring 14 of which is rotatably mounted coaxially on the first ring 13, is firmly seated on the shaft 11 by means of a wire wedge 12. At a distance from the measuring section L , a ring 15 of a second tone wheel II is also firmly wedged on the shaft II by means of a wire wedge 12. The rings 14 and 15 of the two tone wheels I and II are provided in a manner known per se with an external gear rim 16 and 16 'of exactly the same design. These ring gears 16 and 16 'each cooperate with a set of four measuring heads 17 and 18, which are mounted in a stator 19 and which can supply measuring voltages in a known manner by inductive means, which then determine the torque in an evaluation device (not shown) enable. The stator 19 supported on a peripheral flange 20 of the ring 15 carries a housing 21 which encloses the entire device and is secured against rotation by means of a bolt 22 on the bearing 10.

Mittels eines in einem Kugellager geführten Stiftes 23 ist eine die Welle 11 mit radialem Abstand umschließende Pendelscheibe 24 schwenkbar im Ring 13 des ersten Tonrades I gelagert. Radial außerhalb des Lagerstiftes 23 sitzt in der Pendelscheibe 24 ein Stift 25, der in einer Radialnut 26 des Ringes 15 des zweiten Tonrades II geführt ist. Auf dem gleichen Durchmesser der Pendelscheibe 24 wie die Stifte 23 und 25, jedoch diesen diametral gegenüberliegend, ist in einer Radialnut 27 der Pendelscheibe 24 ein weiterer Stift 28 geführt, der fest im äußeren Ring 14 des ersten Tonrades I sitzt.A pin 23 guided in a ball bearing is used to enclose the shaft 11 at a radial distance Pendulum disk 24 pivotably mounted in ring 13 of first tone wheel I. Radially outside the Bearing pin 23 sits in the pendulum plate 24, a pin 25 which is in a radial groove 26 of the ring 15 of the second Tonrades II is performed. On the same diameter of the pendulum disk 24 as the pins 23 and 25, however, diametrically opposite these, there is a further pin in a radial groove 27 of the pendulum disk 24 28 out, which sits firmly in the outer ring 14 of the first tone wheel I.

Wird bei rotierender Welle 11 auf diese ein Drehmoment ausgeübt, so werden die beiden Wellenquerschnitte an den Enden der durch die Drahtkeile 12 festgelegten Meßstrecke L und demzufolge die beiden Ringe 13 und 15 um einen bestimmten kleinen Winkel, der ein Maß für das Drehmoment ist, gegeneinander verdreht. Da die Meßstrecke L hier sehr klein ist, fällt auch dieser direkte Verdrehungswinkel sehr klein aus. Durch die Pendelscheibe 24 wird die daraus resultierende kleine Umfangsverdrehung des Innenringes 13 gegenüber dem Ring 15 in eine größere Verdrehung des Außenringes 14 gegenüber dem Ring 15 übersetzt. Das Übersetzungsverhältnis entspricht dem Verhältnis der Hebelarmlängen zwischen den Achsen der Stifte 23 und 25 bzw. 23 und 28.If a torque is exerted on this while the shaft 11 is rotating, the two shaft cross-sections at the ends of the measuring section L defined by the wire wedges 12 and consequently the two rings 13 and 15 are mutually opposed by a certain small angle, which is a measure of the torque twisted. Since the measuring section L is very small here, this direct angle of rotation is also very small. The pendulum disk 24 translates the resulting small circumferential rotation of the inner ring 13 with respect to the ring 15 into a greater rotation of the outer ring 14 with respect to the ring 15. The transmission ratio corresponds to the ratio of the lever arm lengths between the axes of the pins 23 and 25 or 23 and 28.

F i g. 4 zeigt links einen Schnitt nach der Linie A-A und rechts einen Schnitt nach der Linie B-B in Fig. 3, während F i g. 5 links eine Ansicht in Richtung -X" und rechts einen Schnitt nach der Linie C-C in F i g. 3 darstellt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß die einzelnen Rotorringe 13, 14 und 15 je zweiteilig ausgebildet sind; die Ringteile sind jeweils miteinander verschraubt.F i g. 4 shows a section on the left along the line AA and on the right a section along the line BB in FIG. 3, while FIG. 5 represents a view in the direction -X "on the left and a section along the line CC in FIG. 3 on the right. It can be seen from these figures that the individual rotor rings 13, 14 and 15 are each designed in two parts; the ring parts are each connected to one another screwed.

Für die sogenannte Nullpunkteichung der Einrichtung kann der Bolzen 22, d. h. die Sicherung des Stators gegen Drehen gelöst und so der letztere gegenüber dem stillstehenden Rotor gedreht werden, um so in umgekehrtem Sinne die elektrischen Meßwerte für die Nullpunkteinstellung der Einrichtung zu liefern. Die Abnahme der Spannungen vom Stator erfolgt in diesem Falle über nicht gezeichnete Schleifringe. For the so-called zero point calibration of the device, the bolt 22, i. H. securing the The stator is loosened against turning and the latter can be rotated in relation to the stationary rotor, so in the opposite sense are the electrical measured values for setting the zero point of the device to deliver. In this case, the voltages from the stator are removed via slip rings (not shown).

Claims

Patent claims:

1. Device for measuring the torque transmitted by a rotating shaft during operation, in which the mutual twisting of two shaft cross-sections by means of a lever transmission increased and the increased amount

is displayed electrically, with two sensors arranged on the shaft at a distance of the measuring length each interact inductively with a pickup carried by a stator, thereby characterized in that in a first, fixedly on the shaft (11) arranged part (13) of the a transmitter (I) a transmission lever (24) pivotably mounted and the end of the longer Lever arm with a second part rotatably mounted on said first encoder part (13) (14) of one encoder (I) and the end of the shorter lever arm with the other encoder (II) is related to the effect.

2. Device according to claim 1, characterized in that the lever (24) is a pendulum disc is, by means of a first pin (23) in the part fixedly arranged on the shaft (11) (13) of the one encoder (I) mounted and by means of a second, arranged radially outside the first, in a radial groove (26) of the ring (15) of the second, which ring (15) is fixedly arranged on the shaft (11) Encoder (II) engaging pin (25) with this second encoder (II) is connected while a at least approximately on the same pendulum disk diameter as the two mentioned Pins, but diametrically opposite, in the rotatable on said inner part (13) mounted part (14) of the first encoder (I) arranged pin (28) in a radial recess (27) the pendulum disc engages.

3. Device according to claim 2, characterized in that the with the donors (I, Π) cooperating customers (17, 18) carrying stator (19) on a peripheral flange (20) of the second encoder (II) supported and releasable against rotation on a stationary part of the device is secured.

4. Device according to claim 3, characterized in that said inner part (13) the first encoder (I) and the ring (15) of the second encoder (II) by means of wire wedges (12) on the Shaft (11) is fixed.

Considered publications:

German Patent Nos. 170 370, 393 174;

Patent documents No. 8394, 8432 of the Office for Inventions and Patents in the Soviet zone of occupation in Germany;

Swiss Patent No. 242 650;

French patent specification No. 1135 367.

For this purpose 2 sheets of drawings