DE1573883B1 - Drehmomentgeber fuer die Feinwerktechnik - Google Patents

Drehmomentgeber fuer die Feinwerktechnik

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DE1573883B1
DE1573883B1 DE19651573883 DE1573883A DE1573883B1 DE 1573883 B1 DE1573883 B1 DE 1573883B1 DE 19651573883 DE19651573883 DE 19651573883 DE 1573883 A DE1573883 A DE 1573883A DE 1573883 B1 DE1573883 B1 DE 1573883B1
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torque
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DE19651573883
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Gerhard Falk
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Rockwell Collins Deutschland GmbH
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Teldix GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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Description

  • 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.
  • 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.
  • Eine genaue Winkelmessung erfordert jedoch auch eine gegenseitige Führung der beiden Meßgeberhälften, die ausschließlich eine Rotationsbewegung zuläßt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Durch die direkte Ankopplung des Kreiselmotors an den Drehmomentgeber entfallen Störeinflüsse durch ein weiteres Stützlager.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Drehmomentgeber aus zwei drehmomentabhängig gegeneinander verdrehbaren Hälften, die mittels achsparalleler und zueinander senkrechter, Kreuzfederlager bildender Biegefedern miteinander verbunden sind, d a d u r c h g ekennzeichnet, daß der Rotor(16,17) eines an sich bekannten elektromagnetischen Winkelstellungsgebers zu seinen beiden Seiten in einem Abstand vom Schwerpunkt mittels je eines Kreuzfederlagers (1, 2 und 6, 7) in dem zugehörigen Stator (11) gelagert ist.
  2. 2. Drehmomentgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kreuzfederlager aus zwei in einem Abstand voneinander angeordneten koaxialen Röhren (t, 2) besteht, von denen jede mit Vorsprüngen (1 a, 2a) versehen ist, die in die andere hineinreichen und einen axialen Abstand davon haben, wobei Blattfedern (3, 4, 5) vorgesehen sind, welche die Enden der Vorsprünge mit den jeweils diametral gegenüberliegenden Stellen der Röhren verbinden, und daß das zweite Kreuzfederlager sich von dem ersten dadurch unterscheidet, daß seine erste Röhre zur Bildung eines Wellenanschlusses für den Rotor zwei Endabschnitte (6 a, 6b) enthält, die durch ihren inneren Vorsprung (6 c) miteinander verbunden sind, während die zweite, zwischen den Endabschnitten der ersten angeordnete Röhre (7) mit beidseitigen Vorsprüngen (7 a, 7 b) in die Endabschnitte der ersten Röhre hineinreicht.
  3. 3. Anwendung eines Drehmomentgebers nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung des Beschleunigungsmomentes von gekapselten Kreiselmotoren.
  4. 4. Anwendung des Drehmomentgebers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur an sich bekannten Messung der Reibung von Kugellagern bei axialer Belastung, wobei der Außenring des Kugellagers angetrieben wird, der Innenring mit dem Wellenanschlußstück des Drehmomentengebers starr verbunden ist und über den in Richtung seiner Drehachse beweglichen Drehmomentengeber eine axial wirkende Kraft auf den Innenring ausgeübt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012112822A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 n-gineric gmbh Drehmomentmessanordnung

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US2403952A (en) * 1944-09-02 1946-07-16 Baldwin Locomotive Works Torque meter

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