DE19525231B4

DE19525231B4 - Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE19525231B4
Application number: DE1995125231
Authority: DE
Inventors: Werner Nold
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: DE19525231A1

Abstract

Drehmomentsensor
– mit zwei in axialem Abstand angeordneten Flansche (1, 2),
– die über mehrere sich axial erstreckende, einen nach außen öffenen U-förmigen Querschnitt aufweisende Stege (3) miteinander verbunden sind,
– wobei die Stege Scherkraft-Meßwertaufnehmer in Form von Dehnungsmeßstreifen (4) aufweisen, die auf der radial inneren oder äußeren Fläche (5; 6) des Scheitels (7) des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind,
– und wobei die radial inneren oder äußeren Scheitelflächen jeden Steges auf einer gemeinsamen, zu den Flanschen (1,2) koaxialen Zylinderfläche liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor mit zwei im axialen Abstand angeordneten Flanschen.
Bei diesen und ähnlichen Sensoren wird die elastische Verformung eines im Vergleich zu den übrigen an der Kraftübertragung beteiligten Bauteilen schwach ausgebildetem Elements gemessen und zur Bestimmung der die Verformung bewirkenden Kraft benutzt.

Bei einem aus der EP 0 575 634 A1 bekannten Drehmomentsensor sind die Verformungsbereiche in sich radial oder axial zwischen zwei Anschlußflanschen erstreckenden Stegen untergebracht, wobei pro Steg jeweils zwei Meßwertaufnehmer zur Ermittlung der Biegedehnung vorgesehen sind und durch eine geeignete Brückenschaltung dafür gesorgt werden soll, daß Querkräfte, Quermomente unterschiedliche Momenteinleitung und ungleichmäßiges Verschrauben möglichst weitgehend kompensiert werden. Der bekannte Drehmomentsensor soll sich außerdem durch ein geringes Massenträgheitsmoment und hohe Meßempfindlichkeit auszeichnen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige Drehmomentsensoren neben der bei der Messung von Biegedehnungen bekannten Empfindlichkeit gegen die Einflüsse von Längs- und Querkräften den Nachteil aufweisen, daß bei hohen Drehzahlen eine Nullpunktverschiebung auftritt, die mit vertretbarem Aufwand nicht zu kompensieren ist.

Bei einem Drehmomentsensor gemäß DE-OS 92 08 522 werden nicht Biegedehnungen, sondern Scherkräfte gemessen, was ihn relativ unempfindlich gegen störende Einflüsse macht. Aber auch hier wurde festgestellt, daß bei hohen Drehzahlen eine Verschiebung des Nullpunktes eintritt, wodurch das Meßergebnis verfälscht wird. Bei dieser Art von Drehmomentaufnehmern ist der äußere Flansch in Bezug auf das zu übertragende Drehmoment stets Überdimensioniert.

Aus der DE 32 12 946 A1 ist ein Drehmomentmeßsystem bekannt, das als Rohr ausgebildet ist. Entlang des Rohrumfangs sind dabei vier im wesentlichen rechteckige Aussparungen vorgesehen, so daß in axialer Richtung vier Stege gebildet sind, die zur Anordnung der Dehnungsmeßstreifen dienen. Dabei sind auf den äußeren Mantelflächen der Stege die Dehnungsmeßstreifen in Form von Scherkraftaufnehmern angeordnet, mit denen ein Drehmoment meßbar ist, wenn die beiden Rohrstutzen mit einem Drehmoment belastet werden. Soll ein derartiges Meßsystem eine hinreichende Biegesteifigkeit gewährleisten, so sind dabei relativ große Außendurchmesser erforderlich, die häufig nachteilig sind. Außerdem besitzen größer bauende Drehmomentaufnehmer ein höheres Massenträgheitsmoment, das insbesondere bei höheren Drehzahlbelastungen unerwünscht ist.

Bei einem aus der DE 35 28 369 A1 bekannten Reaktionsdrehmomentaufnehmer ist auch ein rohrförmiger Meßkörper vorgesehen, der an seinen Endbereichen zwei Anschlußflansche besitzt. Bei diesem Drehmomentaufnehmer ist auf der Rohrinnenseite eine umlaufende Ausnehmung vorgesehen, an dessen Außenwandung mehrere Dehnungsmeßstreifen in Form von Scherkraftaufnehmern appliziert sind. Diese U-förmige Ausnehmung ist radial umlaufend angeordnet und verringert die Biegesteifigkeit des Rohres in axialer und radialer Richtung, so daß bei entsprechender Belastung Drehmomentmeßfehler auftreten können. Zur Erhöhung einer derartigen Biegesteifigkeit müßte hingegen der Rohrdurchmesser erheblich erhöht werden, was wiederum die Baugröße für viele Anwendungen ungünstig beeinflussen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentsensor zu schaffen, der insbesondere eine gute Meßgenauigkeit bei hohen Drehzahlen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verschiebung des Nullpunktes bei hohen Drehzahlen mit den auf die Dehnungsmeßstreifen zusätzlich wirkenden Zentrifugalkräften zusammenhängt, die sich bei radial angeordneten Dehnungsmeßstreifen unterschiedlich auf die einzelnen Abschnitte der Dehnungsmeßstreifen auswirken und daher zu Meßfehlern führen. Werden hingegen die Dehnungsmeßstreifen auf einer zu den Flanschen koaxialen Zylinderfläche angeordnet, unterliegen alle Abschnitte der Dehnungsmeßstreifen der gleichen Zentrifugalkraft und es werden keine drehzahlbedingten Nullpunktverschiebungen mehr beobachtet. Umfangreiche Meßreihen haben gezeigt, daß die radial erstreckte Anordnung der Dehnungsmeßstreifen die Ursache der festgestellten Meßfehler ist und daß bei einer Anordnung der Dehnungsmeßstreifen auf einer Zylinderfläche, gegebenenfalls auch auf einem schmalen tangential zu einer Zylinderfläche verlaufenden Oberflächenabschnitt einwandfreie Meßergebnisse Über den gesamten vorgesehenen Drehzahlbereich erreicht werden können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stege in axialer Richtung gesehen einen vorzugsweise nach außen offenen U-förmigen Querschnitt aufweisen und wenn die Dehnungsmeßstreifen auf der radial innenliegenden Fläche des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind. Die Stege können so mit der erforderlichen Formsteifigkeit und mit geringem fertigungstechnischen Aufwand hergestellt werden und besitzen einen praktisch nur durch Scherkräfte beanspruchten Meßbereich, auf dem die Dehnungsmeßstreifen angebracht werden können, ohne daß die Haftverbindung der Dehnungsmeßstreifen durch Zentrifugalkräfte belastet wird. Der U-förmige Querschnitt der Stege sorgt weiterhin für eine hohe Formsteifigkeit in radialer Richtung bei vergleichsweise hoher Scherkraftempfindlichkeit.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch die Scherkraftaufnehmer der Drehmomentsensor relativ unempfindlich gegen Störkräfte ist und durch die U-förmigen Stege eine geringe Massenträgheit aufweist. Gleichzeitig ist ein derartiger axial ausgerichteter Drehmomentsensor leicht in Wellenstränge einzubauen und durch die flach und breit ausführbaren Stege besonders zur Messung von großen Drehmomenten vorteilhaft.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es auch wünschenswert sein, wenn der Bereich, auf dem die Dehnungsmeßstreifen angeordnet werden, von außen zugänglich ist. Hierzu können die Dehnungsmeßstreifen auch auf der radial außenliegenden Fläche des U-förmigen Querschnitts angeordnet werden, wobei die Haftverbindung so auszulegen ist, daß sie auch den Zentrifugalkräften Stand hält.

Im allgemeinen genügt es, wenn drei Stege zur Verbindung der Flansche vorgesehen werden. Man kann aber auch vier oder mehr Stege vorsehen und damit die Auswahlmöglichkeiten für die Brückenschaltungen vergrößern. Außerdem kann man über die Anzahl der Stege Einfluß nehmen, auf das Verhältnis von Formsteifigkeit und elastischer Verformung und den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor sehr gut an die verschiedenen Anwendungsfälle anpassen.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Stege durch Spanende Bearbeitung aus einem mit den beiden Flanschen einstückig ausgebildeten und zwischen ihnen liegenden Ring herausgearbeitet sind, der durch eine innere und eine äußere, mit den Flanschen koaxiale Zylinderfläche begrenzt ist.

Im Rohzustand sind die beiden Flansche über den gesamten Ring miteinander verbunden. Dieser Ring wird dann spanend, vorzugsweise durch Fräsen und Drehen bearbeitet, so daß die Flansche schließlich nur noch über die Stege miteinander verbunden sind, deren für die Kraftübertragung verbleibender Querschnitt sehr genau bearbeitet werden kann.

Da man die Flansche im allgemeinen möglichst steif ausbilden will, ist es vorteilhaft, wenn der Ring durch im Vergleich zu seiner axialen Gesamterstreckung zwischen den Flanschen schmale, parallel und äquidistant zu den Flanschen verlaufende Schlitze aufgetrennt wird, die endseitig Querabschnitte aufweisen, die sich in axialer Richtung bis an die Innenseiten der Flansche erstrecken. Auf diese Weise werden zwischen den Querabschnitten von zwei benachbarten Schlitzen Stege gebildet, die durch spanende Bearbeitung im Querschnitt weiter reduziert werden können. Dabei wird zweckmäßigerweise eine Ausnehmung erzeugt, die zusammen mit der inneren und äußeren Zylinderfläche des Rings und den endseitigen Querabschnitten den in axialer Richtung gesehen U-förmigen Querschnitt der verbleibenden Stege begrenzt.

Die radial innenliegende Fläche des U-förmigen Querschnittes ist Teil einer Zylinderfläche, die durch drehende Bearbeitung sehr genau entsprechend Durchmesser- und Rauhigkeitsvorgaben gefertigt werden kann. Sie wird bevorzugt zur Anbringung der Dehnungsmeßstreifen benutzt. Die radial außen liegende Fläche des U-förmigen Querschnitts hingegen ist fertigungsbedingt eine tangential zu einer Zylinderfläche verlaufende Ebene, die in Umfangsrichtung jedoch nur schmal ist, so daß sich geringfügige Unterschiede des. radialen Abstands von der Drehachse nicht negativ auf das Meßergebnis auswirken, wenn die Dehnungsmeßstreifen, z.B. aus Gründen der Zugänglichkeit, auf dieser Fläche angeordnet werden.

Die endseitigen Querabschnitte der Schlitze weisen an den Innenseiten der Flansche eine halbkreisförmige Begrenzung auf. Ebenso die sich beidseitig bis an die Innenseite der Flansche erstreckenden Ausnehmungen in den Stegen. Auf diese Weise werden Kerbspannungen vermieden und der Kraftlinienfluß am Übergang von den Flanschen auf die Stege optimiert.

Eine sehr einfache Ausgestaltung erhält man, wenn die radial innenseitige, zylindrische Begrenzung eines Flansches oder beider Flansche und die innere Zylinderfläche des Rings den gleichen Durchmesser haben. Die dadurch gebildete, stufenlose innere Zylinderfläche kann dann in einem Arbeitsgang hergestellt und leicht durch Schleifen nachbehandelt werden. Die Bereiche für das Anbringen der Dehnungsmeßstreifen sind sehr gut zugänglich.

Will man jedoch die Steifigkeit der Flansche des Drehmomentsensors erhöhen, so kann vorgesehen werden, daß die radial innenseitige Begrenzung des Flansches von einer Zylinderfläche gebildet wird, deren Radius kleiner ist als der Radius der inneren Zylinderfläche des Rings. Dabei ist der Unterschied der Radien frei wählbar und an die jeweiligen Anforderungen anpaßbar. Die Zugänglichkeit der Bereiche für das Anbringen der Dehnungsmeßstreifen wird verschlechtert, die Gefahr einer Beschädigung jedoch verringert. Vorzugsweise ist der Drehmomentsensor in bezug auf eine radiale Ebene symmetrisch ausgebildet. Insbesondere temperaturbedingte Meßfehler können hierdurch beseitigt werden.

Man kann den Drehmomentsensor auch so ausführen, daß ein Flansch als geschlossene, zylindrische Scheibe, d.h. ohne radial innenseitige Begrenzungsfläche ausgebildet ist. Der scheibenförmige Flansch kann, z.B. als Abschirmung der im Drehmomentsensor angeordneten Elektronik dienen, die dadurch hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit entscheidend verbessert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
1 eine Ausführungsform eines Drehmomentsensors in perspektivischer Darstellung,
2 einen Axialschnitt durch den Drehmomentsensor gemäß 1 mit vergrößert dargestelltem Detail,
3 einen Radialschnitt durch den Drehmomentsensor gemäß 1 mit vergrößert dargestelltem Detail,
4 eine perspektivische Axialschnittdarstellung eines Drehmomentsensors mit außenliegenden Deh nungsmeßstreifen und vergrößert dargestelltem Detail,
5 eine perspektivische Radialschnittdarstellung des Drehmomentsensors gemäß 4 mit vergrößert dargestelltem Detail,
6 einen Axialschnitt durch einen Drehmomentsensor mit nach innen über die Stege hinausragenden Flanschen und vergrößert dargestelltem Detail und
7 einen Axialschnitt durch einen Drehmomentsensor mit einem geschlossenen Flansch und vergrößert dargestelltem Detail.
Der Drehmomentsensor gemäß den 1 bis 3 besteht aus einem vorderen Flansch 1 und einem hinteren Flansch 2 mit den üblichen, nicht näher bezeichneten Bohrungen für den Anschlug an ein System zur Übertragung eines Drehmoments. Die beiden gleichdimensionierten Flansche 1 und 2 sind über Stege 3 miteinander verbunden, auf denen Dehnungsmeßstreifen 4 angeordnet sind. Die Dehnungsmeßstreifen 4 befinden sich auf der radial innenliegenden Fläche 5 der Stege 3, welche Fläche Teil einer zur Drehachse koaxialen, die Flansche 1, 2 radial nach innen begrenzenden Zylinderfläche 9 ist. Zwischen der Fläche 5 und radial außenliegenden Flächen 6 befinden sich eine als Membranen 7 bezeichnete Wände, die bei der Drehmomentübertragung zwischen den Flanschen 1 und 2 auf Scherung beansprucht werden. Die Scherspannung läßt sich am besten ermitteln, wenn die Dehnungsmeßstreifen 4 unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Steges 3 angebracht sind.
Die Stege 3 sind Teile eines Rings 8, der einstöckig mit den Flanschen 1 und 2 ausgebildet ist und im unbearbeiteten Zustand eine in sich geschlossene, massive Verbindung zwi schen den Flanschen 1 und 2 darstellt. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 bildet die Zylinderfläche 9 die radial innenliegenden Begrenzung des Rings 8 und der Flansche 1 und 2, so daß eine durchgehende, innere Zylinderfläche vorliegt, die durch Drehen und Schleifen gut zu bearbeiten ist. Nach außen wird der Ring 8 durch eine Zylinderfläche 10 begrenzt, die gegenüber dem äußeren Rand der Flansche 1 und 2 so weit zurückspringt, wie es für die Anordnung der Anschlußbohrungen bzw. der Verschraubungen erforderlich ist.
Der Ring 8 ist durch vier schmale, parallel und äquidistant zu den Flanschflächen verlaufende Schlitze 11 aufgetrennt, die endseitig Querabschnitte 12 aufweisen, die sich bis an die Innenseiten der Flansche 1 und 2 erstrecken. Damit verbleiben für die Drehmomentübertragung zwischen den Flanschen 1 und 2 nur noch die Stege 3 zwischen den Querabschnitten 12 zweier benachbarter Schlitze 11 übrig. Die Stege 3 können durch entsprechende Schlitzführung auf jede gewünschte Breite in Umfangsrichtung eingestellt werden.
Zur Erzielung eines günstigen Verhältnisses zwischen Formsteifigkeit und Scherempfindlichkeit sind aus den Stegen 3 radial von außen Ausnehmungen 13 herausgearbeitet, wodurch die Stege 3 einen nach außen offenen U-förmigen Querschnitt erhalten. Die Dicke der Schenkel 14 des U-förmigen Querschnitts und die Dicke der elastisch verformbaren Membran 7 zwischen der Fläche 5 und den Flächen 6 kann durch spanabhebende, Bearbeitung an alle maßlichen Anforderungen angepaßt werden.
Aus den perspektivischen Darstellungen des Drehmomentsensors in den 4 und 5 sind weitere Einzelheiten ersichtlich. Insbesondere kann man sehen, daß sowohl die Querabschnitte 12 der Schlitze 11 wie auch die Ausnehmungen 13 bis an die Innenseiten der Flansche 1 und 2 reichen und dort halbkreisförmig begrenzt sind. Damit wird die Krafteinleitung von den relativ starren Flanschen 1 und 2 in die relativ "weichen" Stege 3 vergleichmäßigt und allzu starke Verdichtungen des Kraftlinienverlaufs und Kerbspannungen werden vermieden.
In den vergrößert dargestellten Details der 4 und 5 ist eine Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 4 auf den außenliegenden Flächen 6 des U-förmigen Querschnitts 7 gezeigt, die für Anwendungsfälle in Betracht kommen kann, bei denen die Zugänglichkeit von außen im Vordergrund steht. Da die Fläche 6 in der Ausnehmung 13 mit vertretbarem Aufwand nur als ebene tangentiale Fläche hergestellt werden kann, ergeben sich für die Abschnitte der Dehnungsmeßstreifen 4 geringfügige Abweichungen im Abstand zur Drehachse, die sieh meßtechnisch allerdings nicht nennenswert auswirken. Wegen der zusätzlichen Belastung der Haftung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 4 und der Fläche 6 wird man diese Anordnung jedoch nur dann anwenden, wenn die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 4 auf den inneren Flächen 5 nicht möglich ist.
Bei der in 6 gezeigten Abwandlung des Drehmomentsensors sind die Flansche 1, 2 radial nach innen durch Zylinderflächen 15, 16 begrenzt, die einen kleineren Radius haben als die Zylinderfläche 9. Hierdurch ergibt sich bei gleichen Außenabmessungen eine größere Steifigkeit der Flansche 1, 2 und die Dehnungsmeßstreifen 4 sind durch die nach innen vorspringenden Abschnitte der Flansche 1, 2 geschützt.
7 zeigt eine Variante eines Drehmomentsensors, bei der der Flansch 2 als geschlossene, zylindrische Scheibe 17 ausgebildet ist. Dies kann zur einer elektromagnetischen Abschirmung der Dehnungsmeßstreifen vorteilhaft sein.
Bei den beschriebenen Drehmomentsensoren sind die Dehnungsmeßstreifen 4 auf einer koaxialen Zylinderfläche angeordnet und können deswegen keine drehzahlabhängige Verschiebung des Nullpunktes bewirken. Außerdem unterliegen die zur Messung herangezogenen Materialbereiche ausschließlich den vom Drehmoment abhängigen Spannungen, wodurch praktisch alle parasitären Einflüsse auf das Meßergebnis ausgeschlossen werden können. Die erfindungsgemäßen Drehmomentsensoren können für alle zu messenden Drehmomente ausgelegt und mit allen denkbaren Brückenschaltungen ausgestattet werden. Sie sind problemlos in Wellenstränge einzubauen und können, mit einer großen Mittelbohrung ausgestattet, auch gut als Reaktionsmomentaufnehmer, beispielsweise in Rührwerken verwendet werden. Die Drehmomentsensoren bauen kurz und haben ein geringes Massenträgheitsmoment.

Claims

Drehmomentsensor – mit zwei in axialem Abstand angeordneten Flansche (1, 2), – die über mehrere sich axial erstreckende, einen nach außen öffenen U-förmigen Querschnitt aufweisende Stege (3) miteinander verbunden sind, – wobei die Stege Scherkraft-Meßwertaufnehmer in Form von Dehnungsmeßstreifen (4) aufweisen, die auf der radial inneren oder äußeren Fläche (5; 6) des Scheitels (7) des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind, – und wobei die radial inneren oder äußeren Scheitelflächen jeden Steges auf einer gemeinsamen, zu den Flanschen (1,2) koaxialen Zylinderfläche liegen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in symmetrischer Anordnung vier Stege (3) vorgesehen sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) durch spanende Verfahren aus einem mit den beiden Flanschen (1, 2) einstückig ausgebildeten und zwischen ihnen liegenden Ring (8) herausgearbeitet sind, der durch eine innere und eine äußere, mit den Flanschen koaxiale Zylinderfläche (9, 10) begrenzt ist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (8) parallel und äquidistant zu den Flanschen (1, 2) verlaufende Schlitze (11) mit endseitigen Querabschnitten (12) aufweist, die sich in axialer Richtung bis an die Innenseiten der Flansche (1, 2) erstrecken, wobei die Querabschnitte (12) von zwei benachbarten Schlitzen (11) zwischen sich einen Steg (3) einschließen, in dem eine Ausnehmung (13) erzeugt ist, die zusammen mit den inneren und äußeren Zylinderflächen (9, 10) des Rings (8) und den endseitigen Querabschnitten (12) den in axialer Richtung gesehen U-förmigen Querschnitt des verbleibenden Steges (3) begrenzt.
Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die endseitigen Querabschnitte (12) der Schlitze (11) an den Innenseiten der Flansche (1, 2) eine halbkreisförmige Begrenzung aufweisen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (13) beidseitig bis an die Innenseite der Flansche (1, 2) erstreckt und dort eine halbkreisförmige Begrenzung aufweist.
Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innenseitige zylindrische Begrenzung eines Flansches (1, 2) und die innere Zylinderfläche (9) des Rings (8) den gleichen Radius haben.
Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er in Bezug auf eine radiale Ebene symmetrisch ausgebildet ist.
Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flansch (2) als geschlossene, zylindrische Platte ausgebildet ist.