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Es sind elektrische Drehmoment-Meßgeber bekannt, welche aus zwei
drehmomentabhängig gegeneinander verdrehbaren Hälften bestehen, wobei die Hälften
mittels achsparalleler und zueinander senkrechter, Kreuzfederlager bildender Biegefedern
miteinander verbunden sind. Dabei wird die Durchbiegung der Federn mittels Dehnungsmeßstreifen
als Maß für das wirksame Drehmoment genommen.
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Diese Geber eignen sich jedoch nicht für kleine Drehmomente. Zur Messung
sehr kleiner Drehmomente ist es bekannt, den Winkelausschlag zwischen zwei durch
einen Torsionsstab miteinander verbundenen und gegeneinander verdrehbaren Hälften
heranzuziehen, denn in kleinen Drehwinkelbereichen ist der Drehwinkel sehr weitgehend
proportional zum Drehmoment.
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Eine genaue Winkelmessung erfordert jedoch auch eine gegenseitige
Führung der beiden Meßgeberhälften, die ausschließlich eine Rotationsbewegung zuläßt.
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Diesbezüglich ist es bekannt, die Hälften durch Kugellager aneinander
zu lagern. Der Reibungswiderstand dieser Lager verfälscht dann allerdings den Meßwert,
was sich bei sehr kleinen Drehmomenten besonders stark auswirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen vielfältig anwendbaren Drehmomentgeber
mit elektrischem Ausgang zu schaffen, dessen verdrehbare Hälften achstreu, aber
reibungsfrei aneinander gelagert sind, so daß der Prüfling ohne weitere Lagerung
starr damit verbunden werden kann und jegliche Reibungsfehler entfallen. Ein weiteres
Ziel der Erfindung ist es, den Geber als in sich abgeschlossenes, leicht transportables
und an die verschiedenartigsten Prüflinge anschließbares Gerät auszubilden, das
einen weiten Meßbereich hat und ohne Einzelkalibrierung in Betrieb genommen werden
kann.
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Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Rotor eines an sich
bekannten elektromagnetischen Winkelstellungsgebers zu seinen beiden Seiten in einem
Abstand vom Schwerpunkt mittels je eines Kreuzfederlagers in dem zugehörigen Stator
gelagert ist. Vorzugsweise wird ein vielpoliger, elektromagnetischer Winkelstellungsgeber
verwendet.
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Es wird weiter vorgeschlagen, zwei verschiedene Kreuzfederlager zu
verwenden, die beide marktgängig sind. Das erste besteht aus zwei in einem axialen
Abstand voneinander angeordneten koaxialen Röhren, von denen jede mit Vorsprüngen
versehen ist, die in die andere hineinreichen und einen axialen Abstand davon haben,
wobei Blattfedern vorgesehen sind, welche die Enden der Vorsprünge mit den jeweils
diametral gegenüberliegenden Stellen der Röhren verbinden. Das zweite Kreuzfedeflager
unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß seine erste Röhre zur Bildung eines
Wellenanschlusses für den Rotor zwei Endabschnitte enthält, die durch ihren inneren
Vorsprung miteinander verbunden sind, während die zweite, zwischen den Endabschnitten
der ersten angeordnete Röhre mit beidseitigen Vorsprüngen in die Endabschnitte der
ersten Röhre hineinreicht.
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Der erfindungsgemäße Drehmomentgeber wird zweckmäßig in ein abgeschlossenes
Gehäuse eingebaut, aus dem der Wellenanschluß für den Rotor des Winkelstellungsgebers
herausragt. Der Drehmomentgeber ist universell verwendbar und in Verbindung mit
einem elektronischen Zusatzgerät schnell und ohne Einzelkalibrierung in Betrieb
zu lehnen. Die verhältnismäßig steifen Kreuzfederlager geben dem
Rotor eine hohe
Eigenfrequenz, was ein weiterer Vorteil ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die in Fig. 1 bis 6 dargestellten
Kreuzfederlager enthält, wird an Hand von F i g. 7 erläutert. Die F i g. 8 bis 10
geben Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Drehmomentgebers wieder. Im einzelnen
zeigt F i g. 1 einen Längs schnitt I-I durch ein einfaches Kreuzfederlager, F i
g. 2 eine Ansicht II-II und IF i g. 3 einen Querschnitt III-III dieses Lagers, Fig.
4 einen entsprechenden Längsschnitt durch ein an beiden Enden unterstütztes Kreuzfederlager,
F i g. 5 eine Ansicht V-V und F i g. 6 einen Querschnitt VI-VI durch dieses Lager,
F i g. 7 einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Drehmomentgeber
nach der Erfindung, F i g. 8 ein Anwendungsbeispiel des Gebers zur Reibungsmessung
von Kugellagern, F i g. 9 ein weiteres Anwendungsbeispiel zur Momentenmessung von
Kreiselmotoren und Fig. 10 ein gleiches Beispiel, wobei jedoch der Kreiselmotor
gekapselt ist.
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In F i g. 1 bis 3 sind die beiden Röhren des ersten Kreuzfederlagers
mit 1 und 2 bezeichnet. Ihre Dicke ist über einen Teil des Umfangs verschieden.
Axiale Vorsprünge der Röhren in Form von Zylindermantelsektoren sind mit la und
2 a bezeichnet und ragen jeweils in die benachbarte Röhre hinein. Zwei in der Zeichenebene
liegende Blattfedern 3 und 4 verbinden die Enden der Vorsprünge mit den diametral
gegenüberliegenden Stellen der Röhren. Eine weitere Blattfeder 5 verbindet die beiden
Röhren in der Mitte der gesamten Längserstreckung, so daß sie sich um einen bestimmten
Winkel gegeneinander drehen können.
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Das Kreuzfederlager nach Fig. 4 bis 6 hat eine Röhre 7 mit Vorsprüngen
7a und 7b nach beiden Seiten. Die andere Röhre besteht aus zwei Endabschnitten 6a
und 6 b, welche die Vorsprünge 7a und 7 b umfassen und durch ihren inneren Vorsprung
6 c starr miteinander verbunden sind. Die Blattfedern sind hier mit 8 bis 10 bezeichnet.
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Der Drehmomentgeber nach Fig. 7 hat ein Gehäuse 11 sowie einen elektromagnetischen
Winkelstellungsgeber, der aus einem Stator 12 mit einer Wicklung 13 und aus einem
Rotor besteht. Zwei Lagerschilde 14 und 15 schließen das Gehäuse ab.
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Der Rotor besteht aus einer Nabe 17 und einem lamellierten Rotoraußenmantel
16. Die Röhre 2 des einfachen Kreuzfederlagers ist in die Nabe eingesteckt, während
die Röhre 1 in dem Schild 15 festsitzt. Die mittlere Röhre 7 des anderen Kreuzfederlagers
sitzt fest im Schild 14, während der Endabschnitt 6a der anderen Röhre von der Nabe
17 aufgenommen ist. An dem Endabschnitt 6 b sitzt mittels einer Muffe 19 das Wellenanschlußstück
18. Das Anschlußstück ist also über das Kreuzfederlager durch den Schildl4 hindurch
starr mit dem Meßglied verbunden. Die Kreuzfederlager geben dem Meßglied eine erstaunliche
Achstreue, und da schon kleinste Winkelausschläge mit entsprechenden elektrischen
Anzeigegeräten erfaßbar sind, ist die Empfindlichkeit der Anordnung trotzdem sehr
gut.
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Das Anwendungsbeispiel eines solchen Drehmomentgebers nach Fig. 8,
bei dem die Reibung von Kugellagern bei achsialer Belastung gemessen
wird
macht von einer an sich bekannten Drehscheibe 20 Gcbrauch. Diese ist in Gleitlagern
mit vertikaler Achse gelagert und wird von einem Reibrad 21 angetrieben. Die Drehscheibe
nimmt den Außenring 22a des zu prüfenden Kugellagers auf. Der Drehmomentgeber 23,
dessen Wellenanschlußstück mit einer Verlängerung 24 versehen ist, vermag sich in
einer Führung 25 auf und ab zu bewegen. Dabei ist durch Feder 26 und Nut eine Drehbewegung
verhindert. Die Verlängerung 24 paßt in den Innenring 22 b des Prüflings und liegt
mit einem Bund auf diesem auf. Ein Gewicht 27 vermittelt die nach dieser grundsätzlich
bekannten Meßmethode erforderliche Axialbelastung. Die Verlängerung 24 ist so ausgelegt,
daß sie nicht tordieren oder knicken kann. Durch ihre Biegefähigkeit jedoch verhindert
sie eine störende Radialbelastung des zu prüfenden Kugellagers.
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Diese Meßanordnung ist äußerst kompakt und hat neben ihrer hohen
Empfindlichkeit den Vorteil, daß die zur prüfenden Kugellager durch einfaches Hochheben
des Drehmomentgebers an der Verlängerung 24 rasch und einfach auszuwechseln sind.
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Gemäß F i g. 9 ist der Drehmomentgeber 23 ebenfalls mit vertikaler
Achse in eine Aufnahme 28 gesetzt. Unten wird mittels einer Verbindungsmuffe 29
ein Kreisel in Verlängerung des Wellenanschlußstückes l8 angesetzt. Der Kreiselmotor
ist wie bekannt als Außenläufer ausgebildet. Der Stator sitzt also innen fest auf
der Welle 30, während sich um die Welle die beiden Lagerschalen 32 und 33 sowie
der Hysteresering 31 drehen. Bei dieser Anordnung kann die Drehzahl mit einem optischen
Drehzahlmesser gemessen werden. Wenn man das gemessene Moment während des Hochlaufs
über der Drehzahl aufträgt, so können daraus Rückschlüsse auf das Motormoment gezogen
werden und nach Erreichen der Enddrehzahl gibt das gemessene Moment die äußere Luftreibung
des Läufers wieder. Beim Auslaufversuch ist es umgekehrt. Das gemessene Moment,
welches nun mit entgegengesetztem Vorzeichen auftritt, entspricht der Summe der
inneren Reibungsmomente, d. h. Lagerreibung, Luftreibung zwischen Stator und Rotor
und magnetische Störmomente.
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Durch die direkte Ankopplung des Kreiselmotors an den Drehmomentgeber
entfallen Störeinflüsse durch ein weiteres Stützlager.
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Das Anwendungsbeispiel nach F i g. 10 ist in seinem Aufbau mit der
Ausnahme identisch, daß der Kreiselmotor von einem Gehäuse 34 umgeben ist, welches
an der Welle 30 sitzt. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der reibungsfreien Drehmomentmessung:
Während man bisher die Drehzahl von gekapselten Kreiseln beim Hochlauf nicht messen
konnte, wird eine speziell dafür gedachte Drehzahlmeßmethode nunmelr praktisch durchführbar.
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An die Stelle des Reibungsmomentes des Läufers gegenüber der umgebenden
Luft im Beispiel nach F i g. 9 tritt nunmehr das Reibungsmoment des Läufers gegenüber
dem Gehäuse 34. Da das Gehäuse an der Welle befestigt ist, tritt dieses Moment nach
außen nicht mehr in Erscheinung, sondern es wird nur das reine Beschleunigungsmoment
gemessen.
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Nach dem Hochlauf geht der Meßwert auf Null
zurück. Durch diese Isolierung
des reinen Beschleunigungsmomentes ergibt sich die Möglichkeit, den Drehimpuls des
Kreisels durch Integration des Beschleunigungsmomentes während des Hochlaufs oder
Auslaufs zu messen. Die Integration ist mit an sich bekannten Zusatzgeräten ohne
weiteres genau genug durchzuführen. Der Quotient Drehimpuls durch bekannte Drehmasse
ergibt direkt die Winkelgeschwindigkeit.
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Vorteile bietet diese Methode der Untersuchung von Kreiselmotorwerten
z. B. bei der Fertigungskontrolle von gekapselten Kreiseln. Da die Luftreibung zwischen
Läufer und Gehäuse bei einem bestimmten Kreiseltyp festliegt, gibt die Größe des
gemessenen Drehmomentes beim Auslauf einen Hinweis auf die Güte der Lager.