DE1573439C3 - Drehmomentmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Drehmomentmesser werden zur Messung des An- oder Abtriebsmomentes von Verbrennungskraftmaschinen verwendet, beispielsweise von Turbinen.

Bei einem bekannten Drehmomentmesser der oberbegrifflichen Art (GB-PS 654082) ist der Zylinder über ein Kugellager mit der Welle verbunden und längsverschieblich, nicht jedoch drehbar angeordnet. Der Zylinder besteht aus mehreren Teilen, unter anderem einem trommelartigen abgesetzten Teil, welches mit dem Kolben zusammenarbeitet, der Stufen aufweist, um die Druckkammer zu umschließen. Die Welle mit dem schräg verzahnten Zahnrad ist mittels Wälzlager drehbar und axial verschiebbar in einem festen Gehäuseteil gelagert. Die Reibungskraft bei der Längsverschiebung der Welle hängt unter anderem von der Drehgeschwindigkeit der Welle ab und ist somit nicht konstant. Dadurch wird auch die Genauigkeit der Messung des Drehmomentes von der Drehzahl der Welle abhängig.

Bei einem anderen bekannten Drehmomentmesser (US-PS 27 83 645) enthält die Welle mit dem schräg verzahnten Zahnrad einen axial angeordneten Kanal, der einer \V;ind gegenübersteht, so daß eine Steueröffnung als Drosseldurchlaß gebildet wird, deren Weite von der Verschiebungslage der Welle abhängt. Auch hier ist die Welle mit dem schräg verzahnten Zahnrad über die Wälzlager in einem gehäusefesten Teil gelagert, so daß die geschilderten Meßungenauigkeiten eintreten. Darüber hinaus sind die Verhältnisse bei der geschilderten Ausbildung der Drosselöffnung schwierig zu bestimmen, so daß nur eine rohe Messung zu erwarten ist.

Bei einem weiteren bekannten Drehmomentenmesser (DT-PS 904705) sind Antriebs- und Abtriebswelle s durch eine bewegliche Mutter miteinander verbunden, die in beide Wellenenden eingreift, wobei die Mutter durch eine von außen eingeleitete Kraft hin- und herbewegt werden kann und die Größe der Kraft zur Drehmomentenbestimmung gemessen wird. Zur

,ο Reibungsverminderung enthalten die Gewindegänge der Mutter eine Kugellageranordnung. Auch hier ist die Genauigkeit der Messung dadurch beeinträchtigt, daß die Reibungsverhältnisseje nach der Drehzahl der Wellen unterschiedlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentenmesser so auszubilden, daß die Längsreibung bei der Verschiebung der Welle gering und etwa konstant gehalten wird, wobei der Aufbau des Drehmomentmessers relativ einfach bleiben soll.

Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der Maßnahmen des Hauptanspruches gelöst.

Damit ist ein sehr genau arbeitender Drehmomentmesser verfügbar gemacht worden. Tatsächlich wurde gefunden, daß bei dem erfindungsgemäßen Drehmomentmesser der maxiale Fehlerbereich nur 2% betrug. Das wurde erzielt durch die besondere Lagerung, die in wesentlichem Maße die Reibungswirkungen der sich bewegenden Teile der Abtasteinrichtungen verringert.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung besprochen. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt entlang der Linie 1-1 in in Fig. 2,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Drehmomentenmesser,

Fig. 3 Einzelteile des Drehmomentenmessers, in auseinandergezogener Darstellung.

Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird die Antriebsseite der Leistungsübertragungseinrichtung 14 durch eine Welle 24 und ein Antriebszahnrad 28 gebildet. Eine Welle mit schräg verzahntem Zahnrad 30 ist aus einem ersten Teilzahnrad 32. das mit dem Antriebszahnrad 28 in Eingriff steht, und einem zweiten Teilzahnrad 34, das mit einem Zahnrad 36 in Eingriff kommt, sowie aus einer Nabe 52 zusammensetzt.

In dem Maschinengehäuse 17 ist ein vorzugsweise länglicher Raum 38 mit im Abstand voneinander angeordneten Lageraufnahmeflächen 40 und 42 vorgesehen, die letztlich zur Lagerung der Welle mit schräg verzahntem Zahnrad 30 dienen. Ein Deckel 44 schließt den Raum 38 ab. Die Welle mit schräg verzahntem Zahnrad 30 ist axial verschiebbar und durch zwei axial im Abstand voneinander angeordneten WaIzlager 46 drehbar zu den Lageraufnahmeflächen 40 und 42 gelagert, und zwar durch ein vorderes Kugellager 48 und ein rückwärtes Kugellager 50.

Die Nabe 52 der Welle mit schräg verzahntem Zahnrad 30 weist eine axial sich erstreckende längliche Ausnehmung 54 auf. Eine Achse 56 ist an dem Maschinengehäuse 17 durch Schraubbolzen 58 befestigt und erstreckt sich axial in die Ausnehmung 54. Das freie Ende der Achse 56 ist im Sinne eines im wesentlichen zylindrischen Kolbens 60 verdickt.

Die Nabe 52 der Welle mit dem schräg verzahnten Zahnrad 30 weist eine ringförmige Innenfläche 62 auf. die somit einen Zylinder für den Kolben 60 bildet. Zwischen dem Kolben 60 und dem geschlossenen

Ende der Ausnehmung 54 ist eine Druckkammer 64 gebildet. Die Achse 56 ist mit einem axial sich erstreckenden mittigen Durchgang 66 versehen, der eine Verbindung zwischen der Druckkammer 64 und einer Meßkammer 68 herstellt, die in dem Gehäuse 17 untergebracht und mit einer entsprechenden nicht dargestellten Druckanzeigeeinrichtung verbunden ist. Die Druckkammer weist einen Zu- und Abfluß auf, und zwar ist ein Abflußkanal 65 in der Nabe vorgesehen, und die Achse 56 weist einen ringförmigen, ,₀ axial sich erstreckenden Durchgang 70 auf, der im Abstand und getrennt von dem Durchgang 66 verläuft und eine Verbindung zwischen einer Vielzahl von im wesentlichen radial nach außen sich erstreckenden Kanälen 72, die in dem Kolben 60 vorgesehen ,₅ sind, und einer Ringkammer 74 herstellt, die im Gehäuse 17 angeordnet ist. Die Kanäle 72 sind etwas im Abstand voneinander versetzt, wie dargestellt ist. Die Kammer 74 ist mit einer nicht dargestellten Pumpe verbunden, die der Kammer 74 Flüssigkeit bei einem im wesentlichen konstanten Druck zuführt. ·

Wie sich am besten aus den Fig. 2 und 3 ergibt, umfaßt das rückwärtige Kugellager 50 vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische Außenlauffläche 76, die in dem Raum 38 liegt und durch einen Stift 78 ₂.s an dem Deckel 44 befestigt ist. Ein Kugelkäfig 80 ist zwischen dem äußeren Laufring 76 und einem inneren Laufring 82 des Kugellagers 46 angeordnet und kann sich frei axial in bezug auf diese Laufringe bewegen. Der Stift 78 verhindert, daß der Kugelkäfig 80 rotiert. Ein Haltering 84 begrenzt die axiale Verschiebung (nach links) des Kugelkäfigs 80, der zu diesem Zweck am vorderen Ende mit einem Paar axial im Abstand voneinander radial nach außen sich erstreckender Flansche 86 versehen ist und gleich- ^₅ falls am rückwärtigen Ende ein radial nach innen sich erstreckenden Flansch 88 aufweist. Ein Federgehäuse 90 ist am äußeren Laufring 76 des Kugellagers 50 in einer Lage konzentrisch zu dem Kugelkäfig 80 und in einem radialen Abstand nach innen angeordnet. Eine Schraubfeder 92 ist zwischen dem Flansch 88 des Kugelgehäuses 80 und einem Flansch 94 des Federgehäuses 90 eingespannt und drängt den Kugelkäfig 80 in eine rückwärtige axiale Lage oder nach rechts in Fig. 2.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, weist der Kugelkäfig 80 zwischen den Flanschen 86 eine Vielzahl von über den Umfang und axial im Abstand voneinander angeordneten Aussparungen auf, in denen je eine Kugel 98 sitzt und sich an der Innenfläche des äußeren Laufringes 76 sowie der Außenfläche des inneren Laufringes 82 abstützt. Das Kugellager 46 ist an der Nabe 52 der Welle mit schräg verzahntem Zahnrad 30 durch eine Mutter 101 und einem Halter 100 befestigt.

Das vordere Kugellager 48 besitzt eine im wesentlichen gleichartige Konstruktion wie das rückwärtige Kugellager 50 mit der Ausnahme, daß kein Federgehäuse 90 vorgesehen ist. Die entsprechende Feder 92 ist zwischen einem (in der Zeichnung rechts dargestellten) Flansch 102 des Kugelkäfigs 104 und einem nach innen sich erstreckenden Flansch 106 des äußeren Laufringes 108 eingespannt, um den Kugelkäfig 104 in axiale Richtung nach rückwärts zu drängen.

Der Kugelkäfig 104 ist vorzugsweise mit einem Paar ringförmig im Abstand voneinander, radial sich erstreckender Haken 110 versehen, wie am besten aus Fig. 2 entnommen werden kann, wobei diese mit Nuten von gehäusefesten Stiften 112 in Eingriff kommen, um eine Drehung des Kugelkäfigs 104 zu verhindern.

Die Verzahnung der Kraftübertragungsanordnung 14 ist so gewählt, daß die Welle mit dem Zahnrad 30 eine axial gerichtete Kraft erfährt, die direkt proportional zu dem von der Maschine über die Antriebswelle 24 zugeführten Drehmoment ist. Um dieses Ergebnis zu erhalten, ist es notwendig, entweder das Antriebszahnrad 28 und das erste Teilzahnrad 32 der Welle mit dem Zahnrad 30 oder das angetriebene Zahnrad 36 und das zweite Teilzahnrad 34 der Welle mit dem Zahnrad 30 schraub- oder schräg verzahnt zu wählen. Die Zähne sind vorzugsweise so geneigt, daß im Betrieb auf die Welle mit dem Zahnrad 30 eine axiale Kraft vorwärts oder nach links in Fig. 2 ausgeübt wird.

Die Achse 56 und der Kolben 60 sind gerätefest montiert, so daß bei einer axialen Bewegung des Zahnrades 30 die axial im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen der Kanäle 72 sich zur Druckkammer 64 mehr oder weniger weit öffnen oder schließen. Die besondere Auskragung der Achse 56 und ihre verhältnismäßig schlanke längliche Konstruktion führt zu einer wesentlichen Reibungsverminderung während der Verschiebung und der Drehbewegung des Kolbens 60 auf der Lagerfläche 62, da der Kolben 60 etwas nachgeben kann, um sich zur Fläche 62 einzustellen.

Während des Betriebs der Maschine wird eine axiale Kraft auf die Welle mit dem Zahnrad 30 ausgeübt, so daß dieses axial nach vorn oder nach links in Fig. 2 verschoben wird. Wenn das Zahnrad 30 sich in der normalen Lage befindet, sind die Kanäle 72 in bezug auf die Verbindung mit der Druckkammer 64 geschlossen. Wenn das Maschinenabtriebsdrehmoment ansteigt und eine axiale Vorwärtsbewegung auf die Welle mit dem Zahnrad 30 erzeugt wird, werden die Kanäle 72 entsprechend geöffnet, so daß Drucköl in die Druckkammer64 eintritt und deraxialen Verschiebung der Welle mit dem Zahnrad 30 entgegenwirkt. Je höher das durch die Maschine erzeugte Abtriebsdrehmoment ist, desto größer ist die auf die Welle mit dem Zahnrad 30 ausgeübte Kraft, so daß beim Ansteigen des abgegebenen Drehmoments die Welle mit dem Zahnrad 30 in eine Lage bewegt wird, in der alle Kanäle 72 vollständig geöffnet sind und ein maximaler Öldruck in der Kammer 64 herrscht, um der Verschiebung der Welle mit dem Zahnrad 30 entgegenzuwirken. Das führt zu dem Ergebnis, daß die Welle mit dem Zahnrad 30 die Neigung hat, eine Gleichgewichts- oder Ausgleichslage kennzeichnend für den Wert des Maschinenabtriebsdrehmoments einzunehmen, und der Druck in der Kammer 64 eine genaue Anzeige der axialen Kraft liefert, die auf die Welle mit dem Zahnrad 30 ausgeübt wird, womit eine genaue Anzeige des von der Maschine abgegebenen Drehmoments ermöglicht wird.

Um den höchstmöglichen Grad an Genauigkeit des Drehmomentmessers gemäß der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, ist es wesentlich, daß die axiale Verschiebung der Welle mit dem Zahnrad 30 ein genaues Maß des Maschinenabtriebsdrehrnoments ist. Eine solche Genauigkeit kann nicht erzielt werden, wenn die Welle mit dem Zahnrad 30 mit Hilfe von herkömmlichen Lagern abgestützt wird, da die auf solche Lager ausgeübten radialen Kräfte, wenn sich die Welle mit dem Zahnrad 30 bei hohen Geschwin-

digkeiten dreht, einen wesentlichen Reibungswiderstand in bezug auf die axiale Bewegung erzeugen. Das ist der Fall, egal ob herkömmliche Rollen- oder Kugellager Verwendung finden.

Die besondere erfindungsgemäße Einrichtung zum Lagern der Welle mit dem Zahnrad 30 ermöglicht eine im wesentlichen reibungslose axiale Verschiebung, so daß eine solche Verschiebung ein genaues Maß der auf die Welle mit dem Zahnrad 30 ausgeübten axialen Kräfte ermöglicht, wodurch auch eine genaue Anzeige des von der Maschine abgegebenen Drehmoments verwirklicht wird. Die Rollenlager 46 sind für die Rotation der Welle mit dem Zahnrad 30 vorgesehen, während die Kugellager 48 und 50 eine freie axiale Verschiebung sicherstellen.

Die Kugeln 98 der Kugellager 48, 50 werden im Abstand voneinander durch die Käfige 80 und 104 gehalten und können auf den sich gegenüberliegenden Flächen der Laufringe 76, 108 und 82 frei abrollen. Die Laufringe 76 und 108 sind gerätefest und obgleich der äußere Laufring 82 des Rollenlagers 46 die Neigung hat, unter radialer Last etwas zu »kriechen«, ist er im wesentlichen ortsfest, so daß das Rollen der Kugeln nur wenig gestört wird, wenn die Welle mit dem Zahnrad 30 axial verschoben wird. Die Federn 92 sind verhältnismäßig weich und dienen dazu, die Kugelkäfige 80 und 104 in die Lage für »keine Last« (Drehmoment) zurückzubringen. Dadurch wird sichergestellt, daß beim Auftreten von axialen Kräften an der Welle mit dem Zahnrad 30 genügend Abrollraum längs der Flächen der Laufringe 76, 108 und 82 für die Kugeln 98 vorhanden ist, da Gleiten der Kugeln 98 einen wesentlichen Reibungsanstieg verursachen würde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehmomentmesser, mit einer Welle, die mittels Wälzlager drehbar und axial verschieblich gelagert ist und ein schräg verzahntes Zahnrad enthält, das mit einem schräg verzahnten Zahnrad des Antriebes oder des Abtriebes zusammenarbeitet und einen Schub in Längsrichtung auf die Welle ausübt, sowie mit einem gerätefesten Kolben und einem mit der Welle verbundenen Zylinder, die eine Druckkammer einschließen, welcher Druckmittel über Steueröffnungen zu- oder abgeführt werden, deren Größe von der Verschiebungslage des Zylinders abhängt, so daß der Druck des Druckmittels in der Druckkammer ein Maß der Verschiebung der Welle und damit des übertragenen Drehmoments ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Welle (30, 52) zwei Lagen von Wälzlagern vorgesehen sind, und zwar innere Querlager (46) und äußere Längslager (48, 50). ·.

2. Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als innere Querlager Rollenlager (46) und als äußere Längslager Kugellager (48, 50) benutzt sind.

3. Drehmomentmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellager (48, 50) mit ihren Kugelkäfigen (80) mit dem äußeren Laufring (82) der inneren Querlager (46) verbunden sind.

4. Drehmomentmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Rückholfedern (92) an den Kugelkäfigen (80) angreifen.