DE1946226A1

DE1946226A1 - Vorrichtung zur Messung der Torsionsverdrehung einer umlaufenden Welle

Info

Publication number: DE1946226A1
Application number: DE19691946226
Authority: DE
Inventors: Thompson Lionel Raymond Frank
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1968-09-13
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1970-03-19
Also published as: GB1281339A; FR2018053A1

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERG PATENTANWALT

• HANNOVER ■ SCHACKtTRASeE 1 · TELEFON (OBII) 81 40ββ ■ KABEt PATEHTlON HANNOVER

Hawker Siddeley 240/438

Dynamics Ltd.

Vorrichtung zur Messung der Torsionsverdrehung einer umlaufenden Welle

Bekanntlich kann das von einer Welle übertragene Drehmoment aus den mechanischen Daten der in der Welle ü"ber eine bekannte Länge erzeugten Torsionsverdrehung errechnet werden. Mr die Messung der Torsionsverdrehung hat man verschiedene Verfahren angewendet. Zum Beispiel werden zwei mit Zähnen versehene Räder auf der Welle in einem bekannten Abstand befestigt. Entweder optische oder magnetische Abtastmittel fühlen die umlaufenden Zähne ab und erzeugen eine Frequenz. Die Änderung des Phasenwinkels zwischen den von den Abtastmitteln abgegebenen Signalen zeigt die Änderung der TorsionsVerdrehung der Welle an» Da einer Ver-

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kleinerung der Größe von Zähnen und Abtastmitteln eine physikalische Grenze gesetzt ist, können sehr kleine Torsionsverdrehungen praktisch nicht mehr gemessen werden. Eine praktische Grenze für die Auflösung "bei diesem Verfahren liegt ungefähr bei 0,05°. Bei dieser Begrenzung wären hoch verdrehbare Wellen erforderlich, um ein merkliches Meßergebnis für die Tors ions Verdrehung zu erlan-gen. Im allgemeinen sind derartige Wellen bei dauerhafter Installation wegen ihrer Unzuvarlässigkeit (das heißt! Möglichkeit eines Bruches bei Stoßbelastungen) nicht brauchbar. Eine typische Stahlwelle, die zur Kraftübertragung in dauerhafter Installation verwendet wird (zum Beispiel eine Schiffspropellerwelle) hat bei maximalem Drehmoment eine maximal zulässige Torsionsverdrehung von 0,08°/ 30 cm Länge. Um das Drehmoment bei einer solchen Welle mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1$ zu messen, ist ein Meßsystem erforderlich, das über eine Länge von 30 cm eine Auflösung in der Größenordnung von 0,0008° besitzt.

.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich» | tung zur Messung der Torsionsverdrehung einer umlaufenden j Welle zu schaffen« die dieses Maß an Auflösung ermöglicht. !

Gemäß der Erfindung sind der Welle so ausgebildete ; Abfragemittel zur Erzeugung von zwei Wellenzügen annähernd gleicher Frequenz und Amplitude zugeordnet, daß bei eren Additon eine in der Amplitude modulierte Frequenz entsteht, welche die Differenz zwischen den beiden Ursprung- ι liehen Frequenzen bildet. .

Dies© Erscheinung führt zu der Erzeugung von Moire Streifen, wenn optische Detektoren benutzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung bedeuten:

Figur 1 und 2: jeweils eine von zwei optischen Schei·

Figur 3

Figur 4

Figur 5 u. 6

ben eines Drehmomentmessers;

einen Längsschnitt des auf einer Welle montierten Drehmomentmessers;

ein Blockschaltbild, das veranschaulicht, wie die aus dem Drehmomentmesser gewonnenen Signale behandelt werden, um das Drehmoment als Meßergebnis zu erhalten

Blockschaltbilder, die veranschaulichen, wie ein Meßergebnis in Form von Pferde-.stärken bzw. Pferdestärken-Stunden erhalten werden kann.

Bei einer Anordnung, in der optische Detektoren verwendet werden, ist die Vorrichtung folgendermaßen aufgebaut:

Auf der Welle 10(Figur 3) ist eine Scheibe A (Figur 1) unverdrehbar befestigt. In Kontakt mit der Scheibe A ist auf der Welle eine zweite Scheibe B (Figur 2) angebracht, jedoch erfolgt die Befestigung auf der Welle mittels eines konzentrischen Rohres 11 an einem Punkt« der von der Befestigung der Scheibe A einen Abstand aufweist.

Auf beiden Scheiben ist ein Muster von radialen Linien eingeprägt, die abwechselnd durchlässig und undurchlässig

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sind und voneinander einen gleichen Abstand aufweisen. Die Zahl dieser Linien ist groß und so "bemessen, daß ein Unterschied in der Gesamtzahl der Linien "beider Scheiben besteht. Vorzugsweise beträgt dieser Unterschied nur eine Linie.

Auf einer Seite des Scheibenpaares ist eine Lichtquelle 12 angeordnet, während auf der anderen Seite ein Lichtempfänger 13 vorgesehen ist, so daß dieser das durch die Scheiben dringende Licht abtastet. Lichtquelle und Lichtempfänger sind ortsfest und rotieren nicht mit der Welle. Der Lichtempfänger ist klein im Vergleich zum Seheibenumfang, aber hinreichend groß, um noch nicht jede einzelne Linie auf den Seheiben aufzulösen.

Bei Rotation der Welle.wird vom Lichtempfänger ein annähernd sinusförmiges Signal erzeugt, d&§ eine Frequenz

η . p/sec besitzt, wobei ρ die Rotationsgeschwindig?* W

keit der Welle in Umdrehungen pro Minute und η den Unterschied in der Zahl der radialen Linien auf den zwei Scheiben bedeuten. Ein anderer Detektor auf der Welle erzeugt eine Bezugsfrequenz η p/sec. Dieser kann aus einer

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dritten Scheibe C bestehen, auf der η radiale Linien angebracht sind, die mittels einer Lichtquelle und eines Detektors abgetastet werden.

Wenn durch die Welle ein Drehmoment übertragen wird, verdrehen sich die beiden Scheiben A und B aufgrund der Torsi on sbeanspruchung in der Welle gegeneinander. Als Folge davon verschiebt sich die Phase der, von den Scheiben Ä und B erzeugten Frequenz in Bezug auf die Phase der gleichen,, von

O O R ZZO

der Bezugsscheibe G erzeugten frequenz. Palls η eins ist und die Zahl der Linien der Scheibe A gleich m ist, beträgt die Zahl der Linien auf der Scheibe B m + 1. Die Phasenverschiebung bezüglich der Frequenz beträgt J6O°, wenn die Scheibe A bezüglioh der Soheibe B mit 360° umläuft.

Da die Phasendifferenz zwischen Signal- und Bezugsfrequenz leicht mit einer Genauigkeit von 5° gemessen werden kann, läßt sich eine Verdrehung zwischen den Scheiben A und B mit einer Genauigkeit von 5 x 360° messen.

360 m

Falls m gleich 5000 ist, kann dann eine Torsionsverdrehung von 0,001° gemessen werden. Dies ist die gewünschte Größenordnung.

Wenn man auf der Bezugsscheibe eine Anzahl radialer Linien mit gleichem Abstand hinzufügt, läßt sich ein direktes digitales Meßergebnis erreichen. Die Bezugssignal-Überschneidung wird zur Auslösung eines Zählers 21 (Figur 4) verwendet, der dann die Anzahl der auf der Bezugsscheibe passierenden Linien zählt, Wenn das von den Scheiben A und B kommende Signal in einer bestimmten Richtung durch Null geht, wird der Zähler mittels eines Tors 22 gestoppt. Gerade vor der Bezugssignal-Überschneidung wird die im Zähler festgehaltene Information auf einen Sichtspeicher übertragen und der Zähler mittels eines Schwellenschalters 25 zurückgestellt. Er ist dann bereit, die Zahl der Bezugsimpulse bei der nächsten Umdrehung zu zählen. Falls m gleich 3600 gemacht wird und auf der Bezugsscheibe 100 Linien vorgesehen werden, ist der digitale, gerade noch ablesbare Wert 0,001°. Eine besondere Bezugsacheibe C ist nicht in jedem Falle erforderlich. Es kann auoh eine zyklische Stö-

-e-

rung in dem Linienmuster entweder von Scheibe A oder von
Scheibe B dazu verwendet werden, um eine Bezugs-We11enform
zu erzeugen, wobei der gleiche Lichtdetektor wie für das
sich bewegende Phasensignal benutzt wirdc

Es kann aber auch ein gesonderter Detektor 14 verwendet
werden, der ein gesondertes Muster auf entweder Scheibe A
oder b'abführt.

Es ist nicht erforderlich, daß die die Muster enthaltenden Scheiben volle Kreisform aufweisen. Bei Anwendungsfällen, in denen Scheiben nicht über die Welle geschoben werden können, ist auch die Verwendung halbkreisförmiger Schei- j ben möglich. In diesem Pail ist die die Torsionsverdrehung I betreffende Information nur für die Hälfte jeder Umdrehung I verfügbar, und daher ist die Auflösung um den Faktor 2 ge — " : ringer. Die halbkreisförmige Anordnung kann auf der Welle ! festgeklemmt werden. !

Es ist wesentlich, daß der Bezugsdetektor und der Sig- j naldetektor starr aneinander befestigt sind und nicht mit ■ der Welle rotieren. Sie werden üblicherweise auf einem [ Lager 15 auf der Welle befestigt und mittels eines Ankerbolzens im Wellengehäuse an einer Drehung gehindert. Ge- . ringe Bewegungen beeinträchtigen nicht das Meßergebnis, r da sowohl der Bezug wie auch das Signal sich gemeinsam be- i wegen würden. Es ist jedoch wichtig, daß Erschütterungs- ί bewegungen der Detektoren nicht die gleiche Frequenz wie
die Rotationsfrequens der Welle haben. . , j

Es wäre auch möglich, im Bedarfsfall die Lichtquelle \ und die Lichtdetektoren auf der gleichen Seite der Scheiben
A und B vorzusehen, wobei die Muster so angeordnet sein

Die Signale werden verstärkt und darm algebraisch addiert. Es wird wiederum die Differenzfrequenz-Phase mit der Phase einer Bezugsgröße verglichen, die einem dritten Abtastkopf, der bei jeder Umdrehung der Welle einen Impuls abgibt, entnommen wird. Statt dessen kann die Bezugsgröße auch aus einer zyklischen Störung auf einem der primären magnetischen Muster gewonnen werden. Man kann eine digitale Darstellung erreichen, falls das Bezugsmuster eine bekannte

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mlisBen, daß das Reflexionsvermögen der Oberfläche der Scheiben sich zyklisch ändert.

Weiterhin wäre es möglich, anstelle von Scheiben konzentrische Zylinder zu verwenden, wobei ebenfalls die Reflexions- oder Durchlaßeigenschaften des Musters auf den Scheiben zur Erzeugung des zyklischen Signals ausgenutzt werden.

In Ergänzung zu der Vorrichtung, die ein digitales Meß- ⁱ ergebnis liefert, läßt sich auch ein analoges Meßergebnis in Form eines analogen Zeitverhältnisses erreichen. In diesem Falle werden die für die digitale Auswertung auf der Bezugsscheibe erforderlichen Linien nicht benötigt.

Bei einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung werden keine optisohen Methoden verwendet, sondern die Muster werden magnetisch auf die Welle in einem vorgegebenen Abstand voneinander geschrieben. Die Muster sind so gewählt, daß bei Rotation der Welle in einem magnetischen Abtastkopf eine Frequenz mp und in dem anderen Abtastkopf eine

Frequenz (m + 1) P erzeugt wird.

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Zahl von Zyklen pro Umdrehung der Welle erzeugt. Im Falle der magnetisch arbeitenden Vorrichtung kann das Signal für eines der primären magnetischen Muster benutzt werden, wordurch sich eine sehr hohe Auflösung ergibt.

Die Elektronik der Vorrichtung kann ,auch so abgewandelt werden, daß zusätzlich zur Anzeige des Drehmomentes entweder Pferdestärken oder Pferdestärken-Stunden zur Anzeige kommen. ,

In der Anordnung gemäß "Figur 5 werden dann die von der Bezugsscheibe -erzeugten Impulse bei 20 verstärkt und über ein Tor 22 in einen.Zähler 21 geleitet. Das Tor wird durch den überschneidungsimpuls vom Interferenzmuster, das von den Scheiben A und B erzeugt wird, geöffnet, jedoch wird das vom Detektor 1 3 kommende Signal vor seiner Zuführung zu dem Tor bei 26, 27 und 28 verstärkt, qua driert und differenziert. Das Schließen des Tores besorgt der Markierungsimpuls, der von der Bezugsscheibe über einen Schwellenschalter 25 zugeführt wird. Der Zähler 21 wird durch einen Impuls aus einer gesonderten Taktgeberschaltung 23 zurückgestellt und das Zählergebnis auf ei-" nen Sichtspeicher 24 übertragen. Die jeweilige Zahl im Sichtspeicher 24 ist ein Maß der durch die Welle übertragenen Leistung.

Zur Anzeige von Pferdestärken-Stunden (Figur 6) wird der Zähler nicht durch die Taktgeberschaltung zurückgestellt und arbeitet daher als Summierer, wobei die vom Zähler angezeigte Zahl ein Maß für die gegenwärtige Leistungszeit ist.

Wie man sieht, läßt sich also mit verhältnismäßig ein -

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4 Q / OQ

fachen Zählschaltungen eine Anzeige von Drehmoment, PS und PS-Stunden durchführen. Da es sich um eine digitale Tech-*· nik handelt, treten in der Auswertung keine kumulativen Fehler auf. In allen drei Fällen hängt also die Genauigkeit von der Ausführung "bzw. Arbeitsweise der grundlegenden, die Muster enthaltenden übertragungsvorrichtung ab.

Wenn die Scheibe A 3600 radiale Linien und die Soheibe B 3601 radiale linien aufweist und als Bezug 100 radiale linien verwendet werden, dann bedeutet ein Schritt auf dem Zähler 0,001° (Drehmomentanzeige). Dies ist die Auflösung der Vorrichtung (das heißt! 3*6 BogenSekunden).

Eine Betrachtung der Arbeitsweise der Vorrichtung zeigt, daß das augenblickliche Drehmoment einmal pro Umdrehung der Welle gemessen* "wird. Wenn das Drehmoment pulsierender Art ist, dann ist das, was angezeigt wird, der Wert, wenn der Interferenzstreifen den Signaldetektor passiert. Durch Bewegung der Detektoren um die Welle kann der Inderungsverlauf des Drehmomentes mit der Wellenumdrehung ermittelt werden. Es kann aber auch durch Vergleich der Amplitude des Signals vom Signaldetektor mit der Gesamtzahl der Impulse von der Bezugsscheibe ein analoger Verlauf der Drehmomentänderungen innerhalb einer Umdrehung der Welle dargestellt bzw. sichtbar gemacht werden.

Claims

P a t e η t a η s ρ r u c h e

Vorrichtung zur Messung der Torsionsverdrehung einer umlaufenden Welle, dadurch gekennzeichnet, daß der Welle so ausgebildete Abfragemittel zur Erzeugung von zwei WeI-lenzUgen annähernd gleicher frequenz und Amplitude zugeordnet sind, daß bei deren Addition eine in der Amplitude modulierte Frequenz entsteht, welche die Differenz zwischen den "beiden ursprünglichen Frequenzen bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Abfragemittel zwei Gruppen von Unterscheidungsmerkmalen enthält, die in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen verteilt sind und mit der Welle an zwei in Achsrichtung voneinander entfernten Punkten umlaufen, daß die Zahl der Unterscheidungsmerkmale in jeder Gruppe groß ist, die Zahlen in den Gruppen untereinander jedoch um eine kleine ganze Zahl voneinander abweichen, und daß die beiden Gruppen von Unterscheidungsmerkmalen so ausgebildet und bemessen sind, daß das von ihnen gemeinsam gebildete Interferenzmuster durch stationäre optische oder magnetische Mittel abtastbar ist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterscheidungsmerkmale aus Strichen bestehen, die radial auf benachbarten Umfangsbereichen zweier umlaufender Scheiben oder Zylinder angebracht sind, die jeweils auf der Welle an den zwei in Achsrichtung voneinander entfernten Punkten befestigt sind, und daß die Striche ein derart optisches Reflexions- oder Durchlaßvermögen aufweisen, daß sie mittels einer lichtquelle und eines mit dieser zusammenwirkenden Lichtempfängers

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abtastbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger eine solche Größe aufweist« daß er einzelne radiale Linien noch nicht auflöst.
j 5· Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet« daß in dem Linienmuster einer der beiden Scheiben eine zyklische Störung zur Gewinnung eines Bezugssignals vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines Bezugssignals eine dritte Scheibe mit radialen Linien vorgesehen ist und die Zahl der Linien gleich der Differenz der Linienzahl der beiden anderen Scheiben ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Linienzahl der beiden anderen Scheiben gleich eins ist und auf der Bezugsscheine zur Erreichung eines unmittelbaren digitalen Meßwertes eine Anzahl radialer Linien mit jeweils gleichem Abstand hinzugefügt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal einen Zähler anstößt, der die Anzahl der auf der Bezugsecheibe passierenden Linien zählt, und daß ein Tor vorgesehen ist« das den Zähler stoppt, wenn das von den ersten beiden Scheiben abgeleitete Signal duroh Full geht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die nach jedem Zyklus

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das Zählergebnis des Zählers auf einen Sichtspeicher übertragen und der Zähler zurückgestellt wird.·
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber vorgesehen ist, der die Übertragung des Zählergebnisses des Zählers auf einen Sichtspeloher und das Rückstellen des Zählers in vorgewählten Intervallen auslöst.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterscheidungsmerkmale in Form zweier magnetischer Muster auf der Welle an den beiden voneinander entfernten Punkten angeordnet sind, und daß die von auf die beiden Muster ansprechenden magnetischen Abtastmitteln gewonnenen Signale algebraisch summiert werden*

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