DE19640717A1 - Drehsteife Drehmoment Meßnaben - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Das technische Gebiet der Erfindung ist im Rahmen der Meßtechnik ganz allgemein die Sensortechnik und dort im besonderen die Signalgewinnung mittels Drehmoment-Meßnaben von statischen oder dynamischen Drehmo­ menten, die ortsfeste oder rotierende Bauteile von Maschinen etc. beanspruchen.

Stand der Technik

Drehmomentnaben befinden sich in großer Vielfalt und von vielen Herstellern lieferbar auf dem Markt. Von besonderer Bedeutung sind solche Naben, die in der Lage sind, Drehmomente, die mechanische Komponenten von Maschinen etc. beanspruchen, in elektrische Meßsignale überführen können, weil sich diese heute mit den Mitteln der elektrischen Signalverarbeitung sowohl zur wirtschaftlichen Auswertung statischer als auch dy­ namischer Beanspruchungsvorgänge besonders gut eignen.

Eine besondere Bedeutung haben in diesem Zusammenhang solche Drehmoment-Meßnaben, die sich in rotieren­ de Wellen einflanschen lassen und die ihre Meßsignale berührungslos an ortsfeste Empfangsbausteine übertragen können, von denen her dann auch meistens in entgegengesetzter Richtung eine Hilfsenergieversorgung für die Baugruppen der elektronischen Signalaufbereitung erfolgt, die im Innern der Meßnaben installiert sind und mit diesen rotieren.

Einen guten Überblick über diesen technischen Stand geben u. a. [1], [2], [3].

Der rotationsförmige Teil einer solchen Drehmoment-Meßnabe besteht mechanisch ganz allgemein aus einer Rotationsfeder, deren Beanspruchungsenden unter der Einwirkung des zu messenden Drehmomentes M eine dazu proportionale Verdrillung (Drehwinkel) Ψ um die Drehachse erfahren. Klassische Rotationsfedern sind hier prismatische, bevorzugt aber zylindrische Säulen (Bild 1) mit endseitigen Anschlußflanschscheiben 1, 2, für sehr kleine Drehmomente auch Spiralfedern oder dünne Drähte. [1] Moderne Meßnaben dagegen besitzen bevorzugt die Gestalt von Speichenrädern (Bild 2), bei denen das Moment M z. B. in das zentrale Nabenteil (innerer Flanschring) eingeleitet und aus dem Radkranzteil (äußerer Flanschring) wieder ausgeleitet wird. [3] Die zwi­ schen dem Nabenteil und dem Radkranz angeordneten Speichen werden dabei vom übertragenen Drehmoment zwischen ihren Enden von tangential wirkenden scherenden Kräften F_T elastisch verformt und können so, als Kraftaufnehmerelemente ausgebildet, z. B. mittels aufgeklebter Dehnungsmeßstreifen (DMS) 12, diese Verfor­ mungen in elektrische Meßsignale umformen. Als Kraftaufnehmerelemente wiederum können säulenförmige Doppelbiegebalkenfedern 14 und Scherkraftbiegebalken 3 mit abschnittsweise H-förmigem Querschnitt bevor­ zugt werden. (Bilder 2 und 3) Der Vorteil dieser Speichenradform liegt in ihrer axial sehr kurzen Bauweise [3]. Weitere Meßfederformen sind [2] entnehmbar.

Allen diesen Meßnaben ist jedoch gemeinsam, daß sie unter der Wirkung des zu bestimmenden Drehmomentes M einen verhältnismäßig großen Verdrillungswinkel 4 erfahren, weil sie nicht auf eine möglichst große Dreh­ steifigkeit

c_rot = ^M/_ψ (1)

ausgelegt sind, sondern darauf, bei statischer Beanspruchung mittels durch Gewichtskraft erzeugter Drehmomen­ te eine möglichst hohe Meßgenauigkeit zu erreichen.

Der Praktiker ist aber in den meisten Fällen daran interessiert, daß die von ihm eingesetzten Meßnaben auch bei dynamischen, d. h. sich zeitlich in ihrer Größe mehr oder weniger rasch ändernden Drehmomenten M(t) mög­ lichst unverzerrte Meßsignale liefern. Dies ist aber nur bei Meßnaben mit sehr großer Drehsteifigkeit c_rot gege­ ben:
Denn zum einen wird bei jedem Lastwechsel von M=0 auf M in der Drehsteifigkeit c_F der Meßnabe eine elasti­ sche (potentielle) Energie

gespeichert, die vom Meßobjekt aufgebracht werden muß und dessen wahren Drehmomentverlauf M(t) um so stärker verfälscht, je größer W_el im Vergleich zum Energieinhalt W_s des Meßobjektsystems ist. Wie (2) zeigt, werden diese Verfälschungen um so kleiner, je größer c_rot dimensioniert wird.

Zum anderen wird durch das Einfügen der Meßnabe in ein bestehendes Meßobjektsystem dessen Ordnung um 1 erhöht. Dies hat zur Folge, daß die Nabensteifigkeit zusammen mit den an den Last-Ein- und Ausleitungselemen­ ten der Meßnabe jeweils dynamisch wirksamen Trägheitsmomenten Θ_E und Θ_A zusätzliche Resonanzschwingun­ gen zur Folge hat, deren Grundfrequenz

beträgt. In der Nähe dieser zusätzlichen Resonanzstelle wird der wahre Frequenzgang des ungestörten Meßobjek­ tes extrem stark verändert, was sich wiederum nur dann nicht nachteilig auswirkt, wenn c_rot so groß dimensioniert werden kann, daß f_c erst oberhalb des beim Meßobjektsystem interessierenden dynamischen Frequenzbereiches auftritt.

Berechnet man beispielsweise die bei Nennbelastung M_n von einer Torsionswelle nach Bild 1 gespeicherte ela­ stische Energie, so findet man

mit E=Elastizitätsmodul, ≈0,3=Querkontraktionskonstante und = maximale Oberflächendehnung des Meßwellenmaterials, so ergeben sich folgende Möglichkeiten zur Reduktion von :

1. Möglichkeit

Dimensionierung auf kleine Werte von . In der Praxis wird heute im Interesse großer Meßsignale | |≈10^-3 dimensioniert. Die heutigen mikroelektronischen Auswerteschaltungen bieten aber beim DMS-Prinzip auch schon bei | |≈10^-4 vollauf ausreichende Meßgenauigkeit.

2. Möglichkeit:

Reduktion der linearen Abmessungen (hier der Länge L).

3. Möglichkeit

Verwendung von Federmaterialien mit einem gegen Stahl deutlich niedrigeren E-Modul (z. B. Aluminium, Federbronze etc.).

Diese drei Möglichkeiten sind dem Fachmann zwar grundsätzlich bekannt, dennoch wird von ihnen in der Praxis kein konsequenter Gebrauch gemacht. Sie werden aber ohne besondere Erwähnung bei der Dimensionierung erfindungsgemäßer Drehmomentnaben systematisch genutzt.

Wie (4) lehrt, wächst aber auch noch mit zunehmender Größe der von der Meßaufgabe vorgegebenen Nennbelastung M_n an. Nach (4) ist:

Es läßt sich nachweisen, daß (5) auch näherungsweise für beliebige andere Meßfederformen und Belastungsarten B, neben Drehmomenten vor allem aber für Kräfte F und Drücke p, allgemeine Gültigkeit hat:

= k · B^e _n (6)

wobei üblicherweise der Exponent e Werte zwischen 2/3 und 1 annimmt.

Erfindungsgemäß wird bei nachfolgend beschriebenen Drehmomentmeßnaben-Gestaltungen insofern von (6) Gebrauch gemacht, als bei diesen ein verlustlos (reibungsfrei) arbeitender mechanischer Energieumformer baulich integriert ist, der das von der Dimensionierung her vorgegebene Nenndrehmoment M_n über gleicharmige Hebel­ armpaare zunächst in n Kräftepaare

umformt und dann die solchermaßen im Abstand ^D/₂ von der Drehachse senkrecht zu dieser wirkenden Tangenti­ alkräfte F_T mit elastischen Kraftmeßfedern bestimmt. Die Anzahl n der Hebelarmpaare ist dabei stets ganzzahlig und vorzugsweise n=2. Noch günstiger, aber auch entsprechend aufwendiger wären n-Werte < 2, weil dann nach (7) die Meßkräfte noch weiter reduziert würden.

Durch Wahl eines möglichst großen Wertes für D kann man nach (7) die Nennkraft F_Tn der 2·n eingesetzten Kraftmeßfedern auf sehr kleine Beträge herabsetzen und so gemäß (6) die für die Messung insgesamt benötigte translatorische Energie minimieren. Einer beliebigen Vergrößerung von D setzen nur die Platzverhältnis­ se am Einbauort, ferner die Materialfestigkeit gegen Fliehkräfte und ggf. auch ein unzulässiges Anwachsen des Trägheitsmomentes der Meßnabe eine individuelle Grenze. Wegen der Verlustfreiheit der als Energieumformer wirkenden Hebelformpaare gilt dann aber auch

= (8)

wodurch die von der solchermaßen mit integrierten Energieumformern gestalteten erfindungsgemäßen Drehmo­ ment-Meßnaben in gleichem Maße wie in ihrem Energiebedarf minimiert werden.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Rücktransformation der n Kräftepaare (7) in das Ausgabedrehmo­ ment M_A=M_E erfindungsgemäß mittels einer geometrisch gleich gestalteten Anordnung von Hebelarmpaaren erfolgt wie bei dem erstgenannten Energieumformer, wobei beide Energieumformer in ihrer axialen Position gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Auf diese Weise beanspruchen die Kräfte F_T die mit ihrer Meßachse im Abstand D/2 parallel zur Wellenachse ausgerichteten 2n Kraftaufnehmer-Meßfederelemente senkrecht zu deren Meßachse scherend.

Die Realisierung der Erfindungsgedanken werden im nachfolgenden anhand der Bilder 3 bis 13 näher erläutert:

Bild 1: Herkömmliche Drehmomentnabe mit Torsionswellen-Meßfeder

Bild 2: Moderne Drehmomentnabe nach Art eines Speichenrades

Bild 3: Drehmomentnabe aus zwei drehsymmetrischen Scheiben 1, 2 als Energieumformer und vier auf Sche­ rung beanspruchten Kraftaufnehmern mit H-förmigem Querschnitt

Bild 4: wie Bild 3, aber mit Scherkraftaufnehmern mit U-förmigem Querschnitt

Bild 5: monolithisch aus einem Hohlzylinder gefertigte Anordnung 15 von vier Scherkraftaufnehmern 3

Bild 6: Monolithisch aus einem Hohlzylinder gefertigte Anordnung 15 mit durchgängiger Scherkraftmeßfeder 23

Bild 7: wie Bild 3, aber Scheiben 1, 2 mit Ansätzen 16/17 zum direkten Aufflanschen auf Wellenstümpfe 18/19

Bild 8: wie Bild 7, aber mit Scheiben 1, 2 mit abschnittsweise zu biegefähigen Membranen 13 reduzierter Dicke und mit als Doppelbiegebalken ausgebildeten Kraftaufnehmern 24

Bild 9: wie Bild 7, aber mit Scheiben 1, 2 abschnittsweise als Wellmembran 14 gestaltet und mit monolithischer Anordnung 15

Bild 10: Drehmoment-Meßnabe mit monolithisch als Drehteil gefertigter Hohlzylinder-Scherkraft-Meßfeder und Wellmembran 4

Bild 11: Drehmomentmeßnabe mit Scheiben 1, 2 und abschnittsweise ringförmigen Membranen mit radiusab­ hängiger Wandstärke

Bild 12: Drehmomentmeßnabe mit faltenbalgartigen Ausgleichselementen für Fluchtungsfehler

Bild 13: Drehmomentmeßnabe mit berührungsloser induktiver Einspeisung von Versorgungsleistung und Ausga­ be von Signalleistung der Auswerteelektronik

In Bild 3 ist eine erfindungsmäßig gestaltete Drehmoment-Meßnabe wiedergegeben, die zwei als Drehmoment- Kräftepaar-Umformer wirkende, zu zwei senkrechten Symmetrieachsen drehsymmetrischen Scheiben 1/2 auf­ weist. Diese sind axial gegeneinander versetzt und untereinander durch vier Scherkraft-Aufnehmer-Feder­ elemente 3 verbunden, deren achsensenkrechter Querschnitt durch spiegelsymmetrische Senkbohrungen ab­ schnittsweise H-förmig gestaltet ist. Diese Querschnitte werden von den jeweils von den im Abstand R wirken­ den resultierenden F_T der beiden tangentialen Kräftepaare (n≡2!)

2R·F_T = ^M/₂ vergl. (7)

auf Scherung beansprucht. Als besonderes erfinderisches Merkmal werden die Meßnaben dabei so dimensioniert, daß ihre Scheiben 1/2 einen möglichst großen Außendurchmesser D_max besitzen und R ≈ gewählt wird. Bekannte Meßnabenformen, z. B. nach dem Speichenradprinzip mit seinen angeordneten Scherkraftauf­ nehmern (Bild 2), haben wirksame Radien R « . Auch wird D_max bei den marktgängigen Meßnaben meist deutlich kleiner gewählt, als es der zur Verfügung stehende Einbauraum effektiv erfordert.

Die Kraftaufnehmer 3 sind hier als Einzelelemente gefertigt und auf die Scheiben 1/2 aufgeschraubt.

Die mit 45° Gitterneigung ausgebildeten Scher-DMS 12 werden im Normalfall beidseitig auf die Stege des H- förmigen Querschnitts appliziert und so in einer Brückenschaltung verdrahtet, daß deren Meßdiagonale ein Si­ gnal zu dem Mittelwert aller Tangentialkräfte F_T liefert, axiale oder radiale Störkräfte auf die Scheiben 1/2 aber unterdrückt.

Ein besonderes Erfindungsmerkmal besteht jedoch darin, nur die zur Rotationsachse gerichteten Stegseiten mit DMS, vorzugsweise als Doppel-DMS mit in ± 45° Konfiguration angeordneten Gittern, zu bekleben. Dies bietet den Vorteil, daß bei höheren Drehzahlen die Fliehkräfte die DMS zusätzlich auf ihre Unterlage pressen und so die Gefahr einer Ablösung von der Unterlage wie auf der nach außen gerichteten Stegseite vermieden wird.

Die wiedergegebene Meßnabe kann mit sehr kurzer Längsausdehnung in axialer Richtung gestaltet sein und so besonders platzsparend über Schraubverbindungen zwischen vorhandene Wellenflansche 13 montiert werden.

Die Scherkraftaufnehmer 3 in Bild 3 haben aufgrund ihres spiegelsymmetrischen Aufbaues einige meßtechnische Vorteile im Hinblick auf ihre niedrige Querempfindlichkeit gegenüber axialen und/oder radialen Störkräften. Sie nutzen aber den z. B. von den Einbauverhältnissen begrenzten Nabendurchmesser D_max nur teilweise aus.

Daher ist erfindungsgemäß in Bild 4 eine Kraftaufnehmerform wiedergegeben, deren Querschnitt U-förmig ge­ staltet ist und bei der die Resultierende von F_T im Abstand R_max ≈ angreift. Hierdurch wird eine opti­ male Minimierung des Energiebedarfs der Meßnabe ermöglicht.

In Bild 5 ist gezeigt, daß es erfindungsgemäß auch möglich ist, die 2×n-Kraftaufnehmer 3 in einem monolithi­ schen, ringförmigen Teil baulich zusammenzufassen, mit dessen Lastein- bzw. ausleitungsringen 15 die Scheiben 1 bzw. 2 durch Schraubung, Klebung, Aufschrumpfung etc. dann kraftschlüssig verbunden werden (vgl. Bild 9).

Eine besondere Variante dieses Ringelementes gibt Bild 6 wieder, bei der die Zahl n gegen ∞ angewachsen ist und die Scherkraftmeßfederelemente 3 in einen sich über den ganzen Umfang erstreckenden Hohlzylinder 23 übergehen. Die versteifenden U-Schenkel der Meßfederstege können dabei vorteilhafterweise entfallen und Teil 15 als reines Drehteil gefertigt werden.

In vielen Anwendungsfällen der Praxis wird ein nachträglicher Einbau solcher Meßnaben in bestehende Meßob­ jektsysteme erst dadurch möglich, daß eine das Drehmoment übertragende Welle des Meßobjektsystems durch­ trennt und die Meßnabe an der Trennstelle eingefügt wird.

Da dort dann nur zwei Wellenstümpfe 18/19 für den Einbau der Meßnabe zur Verfügung stehen, ist es von Vor­ teil, die Scheiben 1/2 besonders schmal bauender erfindungsgemäßer Naben entsprechend Bild 7 zusammen mit den Flanschansätzen 16/17 monolithisch aus je einem Stück herzustellen, so daß z. B. durch eine Nut- und Feder­ verbindung und/oder Paßstifte 26 ein gegen Verdrehung geschützter Sitz der Nabe auf den Wellenstümpfen 18/19 möglich wird, sofern diese sehr genau fluchten. Denn wegen des sehr steifen Aufbaus der erfindungsgemä­ ßen Naben würden schon geringe Parallelverschiebungen und/oder Winkelabweichungen als Fluchtungsfehler zu sehr starken radialen Störkräften und Störmomenten auf die Meßnabe führen, die leicht intolerable Materialbean­ spruchungen innerhalb des Nabenaufbaues und Meßfehler zur Folge hätten.

Um die Anforderungen an die Fluchtungsgenauigkeit zu reduzieren, werden daher in der Praxis sehr häufig in Achsrichtung vor bzw. hinter der Meßnabe noch Gelenkelemente in die Wellen 18 und 19 eingefügt, die nach Art von Kreuz- oder homokinetischen Vielkugel-Gelenken allseitige Winkelbewegungen auszuführen und in gewis­ sen Grenzen Neigungsfehler und axiale Verlagerungen der Wellen 18 und 19 gegeneinander aufzufangen vermö­ gen. Derartige Maßnahmen werden in [4] beschrieben.

Diese Maßnahmen aber sind mit schwerwiegenden Nachteilen verbunden, einmal weil sie sehr aufwendig sind und zum anderen in axialer Richtung sehr viel zusätzlichen Einbauplatz benötigen. Nur bei extrem sorgfältigem Aufbau kann bei diesen Gelenkelementen zusätzliches Spiel und ein beträchtlicher Verlust an Drehsteifigkeit vermieden werden.

In vielen Fällen werden überdies bei Winkelabweichungen einer homogenen Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl) im Bereich der Meßnabe drehzahlsynchrone, meist sinusförmige Wechselkomponenten aufmoduliert. Schließlich wird u. U. auch noch das Gesamtträgheitsmoment des Meßnabensystems recht wesentlich vergrößert.

Alle diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn gemäß Bild 8 die Dicke der Scheiben 1/2 der Drehmoment­ meßnaben erfindungsgemäß in radialer Richtung abschnittsweise so geschwächt wird, daß ringförmige, biegee­ lastische Membranen 13 (Boss-Membranen) entstehen. Diese reduzieren die Drehsteifigkeit der Nabe aufgrund ihres hohen rotatorischen Widerstandsmomentes dieser Ringmembranen nur marginal, ermöglichen aber durch innere elastische Verwindungen die Ausführung kleiner Neigungsbewegungen gegen die Drehachse, und damit, trotz unverändert quersteifer Kraftaufnehmer 3, einen biegeelastischen Ausgleich von Winkelabweichungen und, aufgrund des axialen Versatzes der Scheiben 1 und 2 gegeneinander, nach der Art von Kardanwellen sogar auch noch von kleineren Parallelverschiebungen der Achsen der Wellen 18 und 19. Aufgrund der Rotationssymmetrie der Ringmembranen 13 wirken diese dabei wie ideale homokinetische Antriebsgelenke, so daß auch die vorer­ wähnten sinusförmigen Winkelgeschwindigkeitsmodulationen sicher vermieden werden.

Erfindungsgemäß kann aber unter Inkaufnahme einer gewissen Einbuße an Drehsteifigkeit durch den Einsatz von Kraftaufnehmern 24 mit prismatischem oder zylindrischem Querschnitt das Ausgleichsvermögen von Parallelver­ lagerungen noch zusätzlich gesteigert werden. Diese Meßfederelemente werden dabei sowohl von den Meßkräf­ ten F_T als auch von radialen Störkräften F_Q nach der Art von Doppelbiegebalken S-förmig verformt. Die Auf­ nahme größerer axialer Relativverlagerungen verhindert dabei das Übersprechen der Störkraftverformungen auf das Meßsignal.

Die vorerwähnte Art der Brückenverdrahtung verhindert dabei das Übersprechen der Störkraftverformungen auf das Meßsignal.

Ohne Einbußen an Drehsteifigkeit lassen sich dagegen sehr viel höhere Fluchtungsabweichungen ausgleichen, wenn entsprechend Bild 9 erfindungsgemäß anstelle der ebenen Ringmembranen 13 monolithisch aus den Schei­ ben 1/2 herausgearbeitete, ringförmige Wellmembranen 14 zum Einsatz kommen.

Hier kann man vorteilhaft auf die mit hoher Quersteifigkeit ausgestatteten Scherkraftaufnehmer 3 mit H- oder U- förmigem Querschnitt zurückgreifen, insbesondere aber auf die in den Bildern 5 und 6 wiedergegebenen mono­ lithisch gefertigten Aufnehmerring-Elemente 15, die mit den Scheiben 1/2 durch Aufschrumpfen oder Schrauben verbunden sind. Bild 10 zeigt dabei die Variante mit dem Ringelement gemäß Bild 6.

Es sei des weiteren erwähnt, daß die Wellmembran darüber hinaus noch den Vorteil hat, daß auch axiale Relativ­ bewegungen der Wellen 18 gegen 19 aufgenommen werden können, ohne daß sich nennenswerte axiale Störkräf­ te auf die Meßnabe aufbauen können. Durch den Fortfall jeglicher anderweitiger fluchtungsfehlerabbauender Gelenkelemente stellt somit die Ausgestaltung des Meßmembransystems entsprechend Bild 10 bezüglich Dreh­ steifigkeit, baulichem Aufwand und axialem Platzbedarf ein Optimum dar, insbesondere dann, wenn man den Durchmesser D der erfindungsgemäßen Drehmomentnaben deutlich größer wählt als dies bei den marktüblichen Bauformen heute üblich ist.

Gibt man den ringförmigen Membranen 13 oder 14 eine konstante Wandstärke, wie dies in den Bildern 7 und 8 gezeigt ist, hat dies zur Folge, daß die unter der Einwirkung des Meßdrehmomentes in diesen hervorgerufenen Scherspannungen τ(r) in der Nähe der Meßachse sehr hoch sind, nach außen hin aber etwa umgekehrt propor­ tional zum Quadrat ihres jeweiligen Abstands r von der Drehachse abnehmen.

Erfindungsgemäß kann dies vermieden werden, wenn man, wie in Bild 11 für die Boss-Membrane 13 gezeigt, die Wandstärke s(r) näherungsweise umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstandes r von der Meßachse dimensioniert. Das Prinzip ist sinngemäß auch auf die Wellmembranen 14 übertragbar, wobei die dort ggf. vor­ handenen achsparallelen Stegabschnitte jeweils eine konstante Wandstärke s(r) aufweisen.

Die Herstellung solcher Boss- und/oder Wellmembranen mit radiusabhängiger Wandstärke s(r) kann bei höhe­ ren Fertigungsstückzahlen vorteilhaft in Spritzgußverfahren durchgeführt werden. Erfolgt sie dagegen spanabhe­ bend auf vorzugsweise numerisch gesteuerten Drehautomaten, ist jedoch mit hohen Fertigungskosten zu rechnen.

Hier bietet erfindungsgemäß eine sich an das Prinzip der bekannten Faltenbälge anlehnende Methode als weitere alternative an, wie sie im Bild 12 erläutert wird:
Hier wird das Drehmoment M nicht über die Scheiben 1 bzw. 2 direkt radial in die seitlichen Ringwulste 15 der vorzugsweise gemäß den Bildern 5 oder 8 monolithisch gefertigten Meßfederanordnungen eingeleitet, sondern über wellenförmig ein- oder mehrfach gefaltete elastische, axial ausgerichtete Ausgleichselemente 25. Diese haben vorteilhafterweise den gleichen Außendurchmesser wie die Außenwulste 15 und/oder die Meßfederele­ mente 3 bzw. 23. Das hat erfindungsgemäß den Vorteil, daß die Meßfederelemente 3 bzw. 23, die Ringwulste 15 und die Ausgleichselemente 25 als ein einziges monolithisches Teil durch einfache Drehbearbeitung aus einem hohlzylindrischen Rohteil gefertigt werden können.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die statisch undefinierten Momenteinleitungen von den Scheiben 1 und 2 über die Schraubverbindungen 28 in die Ringwulste 15 durch die Ausgleichselemente 25 hochwirksam entkop­ pelt sind und die anderweitig schwer beherrschbaren Reibungshystereseeffekte solcher Schraubverbindungen sicher vermeidbar werden.

Vor allem wird es möglich, im Bedarfsfall die Scheiben 1 und 2 einerseits und die monolithische Kombination 29 aus 3/23, 15 und 23 aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu fertigen.

So können die Scheiben 1 und 2 vorteilhafterweise aus ferromagnetischem Material (Stahl), das Kombinationsteil 29 dagegen aus nichtmagnetischem Material (z. B. Aluminium, Edelstahl etc.) gefertigt werden. Hierdurch läßt sich mit sehr gutem Wirkungsgrad eine berührungslose induktive Übertragung von elektrischer Speise- und/oder Meßsignalleistung realisieren (vgl. Bild 13).

Die axiale Führung des Meßdrehmomentes M über die gefalteten Ausgleichselemente 25 hat auf den ersten Blick den Nachteil, daß die axiale Ausdehnung L_ges der Meßnabe nachhaltig vergrößert wird.

Dieser Nachteil kann jedoch weitgehend unwirksam gemacht werden, wenn erfindungsgemäß die Scheiben 1 und 2 gemäß Bild 12, ähnlich wie in Bild 7 mit den Flanschelementen 16 und 17 jeweils zu monolithischen Bauteilen zusammengefaßt werden und deren Flanschkomponenten 16 und 17 jeweils axial auf das Nabenzentrum hin verlagert werden.

Darüber hinaus lassen sich erfindungsgemäß markante Verbesserungen an der Gesamtdrehsteifigkeit der Meßna­ be erzielen, wenn die axiale Dicke der Scheiben 1 und 2 so gestaltet wird, daß sie näherungsweise umgekehrt proportional mit dem Quadrat ihres Abstandes von der Meßachse abnimmt.

Da die Materialauswahl für die Scheiben 1 und 2 aus meßtechnischer Sicht freigestellt ist, können diese in der Form von Bild 12 vorteilhaft als Gußteile hergestellt und überdies - ggf. nachträglich - mit Wellen-Durchmessern versehen werden, wie sie gerade in einem individuellen Einsatzfall vom Meßobjektsystem verlangt werden.

Von Vorteil kann es dennoch sein, die Scheiben 1 und 2 zu Lasten der Gesamtnabenlänge mit kurzen Flansche­ lementverlängerungen 30 auszustatten, die der Aufnahme von Paßstiften 26 dienen können, mit denen eine defi­ nierte axiale Positionierung ebenso wie eine spielfreie Übertragung axialer Störkräfte von den Wellenenden 18 und 19 auf die Meßnabe gewährleistet wird.

Im Interesse der Drehsteifigkeit wird den Ausgleichselementen 25 vorteilhafterweise eine so große Wandstärke gegeben, daß ihre Schubbeanspruchung durch das Meßmoment möglichst noch geringer als die in den Meßfeder­ elementen 3 bzw. 23. Das erhöht zwar deren Biegesteifigkeit entsprechend, die im Hinblick auf den Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen den Wellen 18 und 19 nicht zu hoch sein sollte. Aufgrund des vergleichsweise großen axialen Abstandes der Positionen dieser Elemente 25 von der zentralen achsvertikalen Symmetrieebene der Meßnabe führen diese Fluchtungsfehler jedoch nur noch zu relativ kleinen elastischen Biegebewegungen in diesen Elementen. Außerdem können die dabei auftretenden Biegebeanspruchungen ohne meßtechnische Nach­ teile bis an die materialspezifischen Belastungsgrenzen gehen, da sie ohne Einfluß auf die Gesamt- Torsionssteifigkeit der Meßnabe bleiben.

Große Durchmesser erhöhen zwar die an deren Moment-Ein- und Ausleitungen der Meßnaben dynamisch wirk­ samen "End-Trägheitsmomente". Darin ist üblicherweise aber kein gravierender Nachteil zu erblicken, solange diese im Vergleich zu den Trägheitsmomenten Θ_E und Θ_A (vgl. (3)) der Meßobjektsysteme klein bleiben, denen sie sich nach Einbau der Meßnabe wirkungsmäßig parallel legen und dadurch zu ihnen addieren. Die Ordnungs­ zahl des Meßobjektsystems wird dabei durch diese Endträgheitsmomente der Meßnabe aber nicht verändert, sondern lediglich deren im Originalzustand schon vorhandenen systemimmanente Resonanzfrequenzen nur mehr oder weniger geringfügig abgesenkt!

Ein prinzipielles Problem bei mit der Meßobjektwelle rotierenden Drehmomentnaben besteht aber darin, daß deren elektronische Auswerteschaltung mitrotierend fest auf der Meßnabe installiert werden muß. Hierfür eignet sich erfindungsgemäß der sich zwischen den beiden Scheiben 1 und 2 infolge der Baulänge der aktiven Bereiche der Kraftaufnehmer 3 bzw. 23 dazwischen aufbauende Hohlraum 5 (z. B. Bild 6), wo die dort untergebrachte Elektronik zuverlässig gegen äußere mechanische Einwirkungen abgeschirmt ist und wo ein hohes Maß an elek­ tromagnetischer Verträglichkeit (EMV) geboten wird.

Ein weiteres Problem besteht darin, die rotierende Auswerteelektronik von der räumlich feststehenden Umge­ bung (dem Fundament) her mit der für ihren Betrieb benötigten elektrischen Hilfsenergie zu versorgen, aber auch, die von ihr erzeugten Meßsignale in umgekehrter Richtung zu den auf dem Fundament installierten Anzei­ ge- und Ausgabeeinrichtungen zurückzuführen. Dies muß - insbesondere bei hohen Drehzahlen der Meßnaben - möglichst berührungslos erfolgen, um Betriebssicherheit, Lebensdauer und Abnützungsfreiheit zu gewährleisten.

Als besonders erfolgreich haben sich hier induktive Übertragungsverfahren erwiesen, die z. B. in [4] näher be­ schrieben werden.

Der Zweischeiben-Aufbau der erfindungsgemäßen Drehmomentmeßnaben bietet gemäß Bild 13 dabei besonders günstige Voraussetzungen für die Anwendung dieser Verfahren:

Geteilte Polschuhelemente 10a und 10b aus ferromagnetischem Material können dort mit Luftspalten 9 hinrei­ chend großer Länge einerseits die Meßnabe mit der gleichzeitigen Wirkung eines Schutzgehäuses umfassen und in sich einschließen. Sie werden auf dem Fundament 20 mit einem Standfuß 21 so montiert, daß die Welle in allen drei Raumrichtungen genügenden Bewegungsspielraum relativ zu 20 hat.

Mit Hilfe der Erregerspule 22 kann ein trägerfrequenter magnetischer Wechselfluß Φ mit Frequenzen bevorzugt oberhalb von 10 KHz erzeugt werden, der sich entlang der mit bepfeilten Linien bezeichneten Bahnen zunächst über den linken Polschuh 10a ausbreitet und dann in axialer Richtung über den räumlich in sich zusammenhän­ genden Luftspalt 9 in die Stirnfläche der Scheibe 1 sowie in radialer Richtung in die Kraftaufnehmer 3 bzw. den Kraftaufnehmerringwulst 15 und den Flanschansatz 16 in die Meßnaben eindringt.

Voraussetzung dafür ist, daß die Nabe aus einem ferromagnetischem Material hergestellt ist, oder aber zuminde­ stens an ihrer Oberfläche, z. B. durch Galvanisieren oder Bedampfung (Sputtern), innen und außen mit einer dün­ nen magnetisierbaren Schicht überzogen ist. Vorteilhafterweise sollten dann ggf. im Bild 13 nicht näher einge­ zeichnete, mit Ferrit-Stäbchen ausgefüllte Bohrungen dem Fluß Φ einen Weg von der Stirnfläche 11 der Scheibe 1 zu deren Innenseite 23 erleichtern. Die magnetierbare Beschichtung benötigt nur eine sehr dünne Schichtdicke, da infolge der hohen Trägerfrequenz die Eindringtiefe des Magnetflusses Φ nur sehr klein ist.

Ein vorzugsweise in der Rotationsachse angeordneter, durch einen dünnen mechanischen Luftspalt 7 geteilter Ferritkern 6a/6b leitet dann den Fluß Φ von der Scheibe 1 zur Innenseite 23 der Scheibe 2 und auf analogen Wegen, wie für die linke Nabenhälfte beschrieben, wieder zurück in den Kern der Erregerspule 22.

Der hierbei durch 6a/6b hindurchtretende Wechselfluß Φ induziert auf diese Weise in einer Sekundärspule 8 um den Ferritkern 6a/6b eine elektrische Spannung, aus der die elektrische Hilfsenergie für die im Zwischenraum 5 angeordnete Auswerteschaltung gewonnen wird.

Vorteilhafterweise werden die von der Auswerteschaltung gewonnenen Meßsignale frequenzmoduliert und in einen weit oberhalb der Speise-Trägerfrequenz liegenden Frequenzbereich verschoben. Dann können sie in dieser Form in die Spule 8 eingespeist und von dieser in umgekehrter Richtung wieder induktiv an die Erregerspule 22 zurückübertragen und über ein Hochpaßfilter ausgeblendet werden. [4]

Die induktive Energieübertragung kann in der beschriebenen Anordnung mit einem vergleichsweise großen elektrischen Wirkungsgrad erfolgen, weil infolge der großen Querschnittsflächen des Gesamtluftspaltes 9 auch bei größeren Luftspaltlängen in 9 nur eine geringe Flußdichte auftritt und dementsprechend wenig magnetische Energie und magnetische Erregerfeldstärke benötigt wird.

Claims (16)

1. Aufnehmer sehr hoher Drehsteifigkeit zur statischen und dynamischen Erfassung der Meßgröße Drehmoment (Drehmoment-Meßnaben), dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei vorzugsweise drehsymmetrischen Scheiben (1, 2) bestehen, die in möglichst großem Abstand R von der Rotationsachse an ihrem Umfang durch axial ausgerichtete Kraftaufnehmer (3) kraftschlüssig miteinander verbunden sind, welche die auf die Erfassung von scherenden Tangentialkräften F_T dimensioniert sind.

2. Drehmoment-Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1, 2) in Flanschform (16, 17) ausgeführt sind, so daß sie auf Drehmomente übertragende Wellen (18, 19) aufgeflanscht werden können.

3. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (3) als Scherkraftaufnehmer ausgebildet sind.

4. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (3) in axialer Richtung abschnittsweise einen H-förmigen Querschnitt aufweisen.

5. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (3) in axialer Richtung abschnittsweise einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, dessen Querbalken etwa im maximalen Abstand R_max ≈ von der Drehachse angeordnet sind.

6. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (3) als Doppelbiegebalken ausgebildet sind, die von zur Drehachse senkrechten tan­ gentialen Kräften F_T beansprucht werden.

7. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1, 2) abschnittsweise konzentrisch gewellte, ringförmige Membranen (14) aufweisen.

8. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1, 2) abschnittsweise dünne ringförmige Membranen (12) aufweisen und die Kraftaufnehmer (3) als säulenförmige Doppelbiegebalken (14) ausgebildet sind.

9. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (4) in dem sich zwischen den Scheiben (1, 2) bildenden Zwischenraum (5) und auf (1) und/oder (2) fixiert untergebracht ist.

10. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1, 2) aus ferromagnetischem Material gefertigt sind und im Zwischenraum (5) einen vorzugs­ weise um die Drehachse angeordneten, stabförmigen ferromagnetischen Kern (6a, 6b) aufweisen, der senkrecht zur Drehachse einen sehr dünnen Luftspalt (7) besitzt und um den eine Induktionsspule (8) angeordnet ist.

11. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß um die Scheiben (1, 2) ferromagnetische, kraftschlüssig mit diesen aber nicht mechanisch verbundene, sondern durch möglichst dünne Luftspalte (9) getrennte Polschuhe (10) angeordnet sind, über die in bekannter Weise zur Energieversorgung und/oder Signalübertragung berührungslos magnetische Wechselflüsse geleitet werden, wobei die Luftspalte (9) zwischen den Polschuhen (10) und/oder den äußeren axialen Stirnflächen (10) bzw. den Umfangs­ stirnflächen (12) der Scheiben (1, 2) angeordnet sind.

12. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (3) monolithisch in einem als ringförmiges Drehteil (15) gefertigten Bauteil zusammenge­ faßt und bevorzugt auf kreisförmigen Scheiben (1, 2) montiert sind.

13. Drehmoment-Aufnehmer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das monolithisch ringförmig gefertigte Drehteil (15) als Kraftaufnehmer (3) aus einem sich über den gesamten Umfang erstreckenden Hohlzylinder (23) dünner Wandstärke und maximalem Außendurchmesser besteht.

14. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil zusammen mit zwei faltenbalgförmig gestalteten Ausgleichselementen (25) als monolithische Kombination (29) aus einem hohlzylindrischen Rohteil gefertigt wird und erst über diese Ausgleichselemente (25) kraftschlüssig mit den Scheiben (1 und (2) verbunden sind.

15. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1) bzw. (2) jeweils monolithisch zusammen mit den Flanschteilen (16) bzw. (17) gefertigt sind, die sich in ihrer Längsrichtung im wesentlichen bis fast an das Nabenzentrum hin erstrecken, so daß sie im Einbau­ zustand etwa die Gesamtlänge des Kombinationsteils (29) aufweisen.

16. Drehmoment-Aufnehmer nach Ansprüchen 1-15 dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Membranen (13) und (14) eine Wandstärke aufweisen, die etwa umgekehrt proportional mit dem Quadrat ihres Abstandes von der Rotationsachse abnimmt.