DE19640717A1

DE19640717A1 - Torque moment measuring hub

Info

Publication number: DE19640717A1
Application number: DE1996140717
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Ing Horn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-09

Abstract

The measuring hub has a pair of rotationally symmetrical discs, coupled together at their periphery, at the maximum distance from the rotation axis, via number of axial force sensors (24), used for detecting tangential shear forces. The discs may incorporate flexible elastic annular sections (13), or corrugated bellows between their inner and outer areas, for compensating alignment errors, to prevent damage to the force sensors.

Description

Technical field

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.The technical field of the invention in the context of measurement technology is very generally sensor technology and there in particular the signal acquisition by means of torque measuring hubs of static or dynamic torque elements that require fixed or rotating components of machines etc.

State of the art

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.There are a wide variety of torque hubs available on the market from many manufacturers. From Of particular importance are those hubs that are able to handle torques, the mechanical components claim from machines etc., can be converted into electrical measurement signals, because these are the means of electrical signal processing both for the economic evaluation of static and dy Namely stress processes are particularly well suited.

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.In this context, those torque measuring hubs that rotate in are of particular importance Have the flanges flanged in and transmit their measurement signals contact-free to stationary receiver modules can, from which then mostly in the opposite direction an auxiliary power supply for the Assemblies of the electronic signal processing takes place, which are installed inside the measuring hubs and with rotate this.

Einen guten Überblick über diesen technischen Stand geben u. a. [1], [2], [3].Give a good overview of this technical status 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.The rotary part of such a torque measuring hub consists mechanically quite generally of a rotary spring, the ends of which, under the action of the torque M to be measured, undergo a twist (angle of rotation) Ψ proportional to the axis of rotation. Classic rotation springs are prismatic, but preferably cylindrical columns ( Fig. 1) with end flange washers 1 , 2 , and for very small torques also spiral springs or thin wires. Modern measuring hubs, on the other hand, preferably have the shape of spoke wheels ( Figure 2), in which the moment M z. B. introduced into the central hub part (inner flange ring) and re-routed from the wheel rim part (outer flange ring). [3] The spokes arranged between the hub part and the wheel rim are elastically deformed by the torque transmitted between their ends by tangential shear forces F _T and can thus be designed as force transducer elements, e.g. B. by means of bonded strain gauges (DMS) 12 , these Verfor formations into electrical measurement signals. Column-shaped double bending beam springs 14 and shear force bending beams 3 with sectionally H-shaped cross section can in turn be used as force transducer elements. ( Pictures 2 and 3) The advantage of this spoke wheel shape is its axially very short design [3]. Further measuring spring shapes can be found [2].

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 steifigkeitHowever, all these measuring hubs have in common that they experience a relatively large twist angle 4 under the effect of the torque M to be determined, because they do not have the greatest possible torsional rigidity

c_rot = ^M/_ψ (1)c _red = ^M / _ψ (1)

ausgelegt sind, sondern darauf, bei statischer Beanspruchung mittels durch Gewichtskraft erzeugter Drehmomen te eine möglichst hohe Meßgenauigkeit zu erreichen.are designed, but for static loads by means of torque generated by weight te to achieve the highest possible measurement accuracy.

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) EnergieHowever, the practitioner is in most cases interested in the fact that the measuring hubs used by him also deliver undistorted measuring signals with dynamic torques M (t) that change in size more or less rapidly over time. However, this is only given for measuring hubs with very high torsional rigidity c _red :
Firstly, with every load change from M = 0 to M, the torsional stiffness c _{F of} the measuring hub is an elastic (potential) energy

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.stored, which must be applied by the measurement object and whose true torque curve M (t) is falsified the greater the larger W _{el is} in comparison to the energy content W _{s of} the measurement object system. As (2) shows, these falsifications become smaller the larger c _is dimensioned _red .

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 GrundfrequenzOn the other hand, inserting the measuring hub into an existing system of measuring objects increases its order by 1. This has the consequence that the hub stiffness together with the dynamically effective moments of inertia Θ _E and jeweils _A on the load input and Ausleitungselemen th of the measuring hub each result in additional resonance vibrations, their fundamental frequency

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.is. In the vicinity of this additional resonance point, the true frequency response of the undisturbed measurement object is changed extremely, which in turn does not have a disadvantageous effect if c _red can be dimensioned so large that f _c only occurs above the dynamic frequency range of interest in the measurement system.

Berechnet man beispielsweise die bei Nennbelastung M_n von einer Torsionswelle nach Bild 1 gespeicherte ela stische Energie, so findet manIf one calculates, for example, the elastic energy stored at a nominal load M _n by a torsion shaft according to Figure 1, one finds

mit E=Elastizitätsmodul, ≈0,3=Querkontraktionskonstante und = maximale Oberflächendehnung des Meßwellenmaterials, so ergeben sich folgende Möglichkeiten zur Reduktion von :with E = modulus of elasticity, ≈0.3 = transverse contraction constant and = maximum surface elongation of the Measuring shaft material, there are the following options for reducing:

1st possibility

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.Sizing to small values of. In practice, in the interest of large measurement signals | | ≈10 ^-3 dimensioned. However, today's microelectronic evaluation circuits already offer the strain gauge principle at | | ≈10 ^-4 completely sufficient measuring accuracy.

2nd possibility:

Reduktion der linearen Abmessungen (hier der Länge L).Reduction of the linear dimensions (here the length L).

3rd possibility

Verwendung von Federmaterialien mit einem gegen Stahl deutlich niedrigeren E-Modul (z. B. Aluminium, Federbronze etc.).Use of spring materials with a modulus of elasticity that is significantly lower than that of steel (e.g. Aluminum, spring bronze 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.Although these three possibilities are known to the person skilled in the art, they are used in practice no consistent use made. But they are without special mention in the dimensioning Torque hubs according to the invention are used systematically.

Wie (4) lehrt, wächst aber auch noch mit zunehmender Größe der von der Meßaufgabe vorgegebenen Nennbelastung M_n an. Nach (4) ist:As (4) teaches, it also grows with increasing size of the nominal load M _n specified by the measurement task. According to (4):

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:It can be shown that (5) is also approximate for any other measuring spring shapes and types of loading B, in addition to torques, but especially for forces F and pressures p, has general validity:

= k · B^e _n (6)= k · B ^e _n (6)

wobei üblicherweise der Exponent e Werte zwischen 2/3 und 1 annimmt.usually the exponent e takes values between 2/3 and 1.

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 KräftepaareAccording to the invention, in the torque measuring hub designs described below, use is made of (6) insofar as a lossless (frictionless) mechanical energy converter is structurally integrated in it, which initially specifies the nominal torque M _n specified by dimensioning arm pairs via arms of the same arm in n pairs of forces

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.formed and then determined in this way at a distance ^D / ₂ from the axis of rotation perpendicular to this acting tangenti al forces F _T with elastic force measuring springs. The number n of pairs of lever arms is always an integer and preferably n = 2. N-values <2 would be even cheaper, but also correspondingly more complex, because then (7) the measuring forces would be reduced even further.

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 auchBy choosing a value for D that is as large as possible, the nominal force F _{Tn of} the 2 · n force measuring springs used can be reduced to very small amounts according to (7) and thus the total translational energy required for the measurement can be minimized according to (6). Any increase in D only set the space se at the installation site, furthermore the material strength against centrifugal forces and possibly also an impermissible increase in the moment of inertia of the measuring hub an individual limit. Because of the freedom from loss of the lever form pairs acting as energy converters, however, the same also applies

= (8) = (8)

wodurch die von der solchermaßen mit integrierten Energieumformern gestalteten erfindungsgemäßen Drehmo ment-Meßnaben in gleichem Maße wie in ihrem Energiebedarf minimiert werden.whereby the torque according to the invention designed in this way with integrated energy converters ment measuring hubs can be minimized to the same extent as their energy requirements.

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.Another feature is that the reverse transformation of the n pairs of forces (7) into the output torque M _A = M _E according to the invention is carried out by means of a geometrically identical arrangement of lever arm pairs as in the former energy converter, with both energy converters being offset in their axial position are.

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.In this way, the forces F _T shear the 2n force transducer measuring spring elements aligned with their measuring axis at a distance D / 2 parallel to the shaft axis perpendicular to the measuring axis.

Die Realisierung der Erfindungsgedanken werden im nachfolgenden anhand der Bilder 3 bis 13 näher erläutert:The realization of the inventive concept is explained in more detail below with the aid of Figures 3 to 13:

Bild 1: Herkömmliche Drehmomentnabe mit Torsionswellen-Meßfeder Figure 1: Conventional torque hub with torsion shaft measuring spring

Bild 2: Moderne Drehmomentnabe nach Art eines Speichenrades Image 2: Modern torque hub like a spoke wheel

Bild 3: Drehmomentnabe aus zwei drehsymmetrischen Scheiben 1, 2 als Energieumformer und vier auf Sche rung beanspruchten Kraftaufnehmern mit H-förmigem Querschnitt Figure 3: Torque hub made of two rotationally symmetrical discs 1 , 2 as energy converters and four force transducers with an H-shaped cross section that are subjected to shear stress

Bild 4: wie Bild 3, aber mit Scherkraftaufnehmern mit U-förmigem Querschnitt Image 4: like image 3, but with shear force transducers with a U-shaped cross-section

Bild 5: monolithisch aus einem Hohlzylinder gefertigte Anordnung 15 von vier Scherkraftaufnehmern 3 Figure 5: Arrangement 15 of four shear force transducers 3 made monolithically from a hollow cylinder

Bild 6: Monolithisch aus einem Hohlzylinder gefertigte Anordnung 15 mit durchgängiger Scherkraftmeßfeder 23 Figure 6: Arrangement 15 made monolithically from a hollow cylinder with continuous shear force measuring spring 23

Bild 7: wie Bild 3, aber Scheiben 1, 2 mit Ansätzen 16/17 zum direkten Aufflanschen auf Wellenstümpfe 18/19 Picture 7: like picture 3, but washers 1 , 2 with lugs 16/17 for direct flange mounting on shaft ends 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 Figure 8: as in Figure 7, but with disks 1 , 2 with sections 13 of reduced thickness that can be bent in sections and with force transducers 24 designed as double bending beams

Bild 9: wie Bild 7, aber mit Scheiben 1, 2 abschnittsweise als Wellmembran 14 gestaltet und mit monolithischer Anordnung 15 Fig. 9: as in Fig. 7, but with sections 1 , 2 designed in sections as corrugated membrane 14 and with a monolithic arrangement 15

Bild 10: Drehmoment-Meßnabe mit monolithisch als Drehteil gefertigter Hohlzylinder-Scherkraft-Meßfeder und Wellmembran 4 Figure 10: Torque measuring hub with monolithic hollow cylinder shear force measuring spring manufactured as a turned part and corrugated diaphragm 4

Bild 11: Drehmomentmeßnabe mit Scheiben 1, 2 und abschnittsweise ringförmigen Membranen mit radiusab hängiger Wandstärke Figure 11: Torque measuring hub with disks 1 , 2 and sections of annular membranes with radius-dependent wall thickness

Bild 12: Drehmomentmeßnabe mit faltenbalgartigen Ausgleichselementen für Fluchtungsfehler Fig. 12: Torque measuring hub with bellows-type compensation elements for misalignment

Bild 13: Drehmomentmeßnabe mit berührungsloser induktiver Einspeisung von Versorgungsleistung und Ausga be von Signalleistung der Auswerteelektronik Figure 13: Torque measuring hub with non-contact inductive feeding of supply power and output of signal power of the evaluation electronics

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!) Figure 3 shows a torque measuring hub designed according to the invention, which has two disks 1/2 , which act as torque-force converters and are symmetrical to two perpendicular axes of symmetry. These are axially offset from one another and connected to one another by four shear force transducer spring elements 3 , the axis-perpendicular cross section of which is designed with an H-shaped section through mirror-symmetrical counterbores. These cross sections are derived from the resulting F _{T of} the two tangential pairs of forces (n≡2!)

2R·F_T = ^M/₂ vergl. (7)2R · _{T T} = ^M / ₂ see (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.stressed on shear. As a special inventive feature, the measuring hubs are dimensioned so that their disks 1/2 have the largest possible outer diameter D _max and R ≈ is selected. Known measuring hub forms, e.g. B. on the spoke wheel principle with its arranged Scherkraftauf participants ( Figure 2) have effective radii R «. Also, D _{max is} usually chosen to be significantly smaller in the marketable measuring hubs than the available installation space effectively requires.

Die Kraftaufnehmer 3 sind hier als Einzelelemente gefertigt und auf die Scheiben 1/2 aufgeschraubt. The force transducers 3 are manufactured here as individual elements and screwed onto the washers 1/2 .

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.The shear strain gages 12, which are designed with a 45 ° grating inclination, are normally applied on both sides to the webs of the H-shaped cross section and are wired in a bridge circuit in such a way that their measuring diagonal provides a signal to the mean value of all tangential forces F _T , axial or radial interference forces the discs 1/2 but suppressed.

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.A special feature of the invention, however, is to include only the web sides facing the axis of rotation Strain gauges, preferably as double strain gauges with grids arranged in a ± 45 ° configuration. This offers the advantage that at higher speeds the centrifugal forces additionally press the strain gauges onto their base and so on the risk of detachment from the base as on the outward web side is avoided.

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.The measuring hub shown can be designed with a very short longitudinal expansion in the axial direction and can thus be installed in a particularly space-saving manner via screw connections between existing shaft flanges 13 .

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.The shear force transducers 3 in Figure 3 have some metrological advantages due to their mirror-symmetrical design in terms of their low cross sensitivity to axial and / or radial interference forces. But you use the z. B. from the installation conditions limited hub diameter D _max only partially.

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.Therefore, according to the invention, a force transducer shape is shown in Figure 4, the cross section of which is U-shaped and in which the resultant of F _T acts at a distance R _max ≈. This enables an optimal minimization of the energy requirement of the measuring hub.

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).In Figure 5 it is shown that it is also possible according to the invention to structurally summarize the 2 × n force transducers 3 in a monolithic, ring-shaped part, with the load introduction and discharge rings 15 of the disks 1 and 2 by screwing, gluing and shrinking etc. then be connected non-positively (see Fig . 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.A special variant of this ring element is shown in Figure 6, in which the number n has increased towards ∞ and the shear force measuring spring elements 3 merge into a hollow cylinder 23 which extends over the entire circumference. The stiffening U-legs of the measuring spring bars can advantageously be omitted and part 15 can be manufactured as a pure turned part.

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.In many practical applications, a subsequent installation of such measuring hubs in existing measuring ob project systems only possible in that a torque-transmitting shaft of the object system by separates and the measuring hub is inserted at the separation point.

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.Since there are then only two stub shafts 18/19 available for the installation of the measuring hub, it is of advantage in part to manufacture the disks 1/2 of the particularly narrow hubs according to the invention according to FIG. 7 together with the flange attachments 16/17 from one piece so that z. B. by a tongue and groove connection and / or dowel pins 26 a torsion-proof seat of the hub on the shaft ends 18/19 is possible if they are very precisely aligned. Because of the very rigid structure of the hubs according to the invention, even slight parallel displacements and / or angular deviations as misalignment would lead to very strong radial interference forces and disturbing torques on the measuring hub, which would result in easily intolerable material stresses within the hub structure and measurement errors.

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.In order to reduce the requirements on the alignment accuracy, joint elements are therefore very often inserted in the axial direction in front of or behind the measuring hub in the shafts 18 and 19 , which perform all-round angular movements in the manner of cross or homokinetic multi-ball joints certain limits inclination errors and axial displacements of the shafts 18 and 19 can compensate each other. Such measures are described in [4].

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.However, these measures are associated with serious disadvantages, firstly because they are very complex and secondly require a lot of additional installation space in the axial direction. Only with extremely careful With these joint elements, construction can result in additional play and a considerable loss of torsional rigidity be avoided.

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.In many cases, in the case of angular deviations, a homogeneous angular velocity (speed) In the area of the measuring hub, speed-synchronous, mostly sinusoidal alternating components are modulated. Finally we you. U. The overall moment of inertia of the measuring hub system is also increased considerably.

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.All these disadvantages can be avoided if, according to Figure 8, the thickness of the disks 1/2 of the torque measuring hubs according to the invention is weakened in sections in the radial direction in such a way that annular, flexible elastic membranes 13 (boss membranes) are formed. These reduce the torsional stiffness of the hub due to the high rotational moment of resistance of these ring membranes, but they allow small inclination movements against the axis of rotation due to internal elastic twists, and thus, despite unchanged transversely rigid force transducers 3 , a flexible compensation of angular deviations and, due to the axial offset disks 1 and 2 against each other, in the manner of cardan shafts even smaller parallel displacements of the axes of shafts 18 and 19 . Due to the rotational symmetry of the ring membranes 13 , these act like ideal homokinetic drive joints, so that the aforementioned sinusoidal angular velocity modulations are reliably avoided.

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.According to the invention, however, while accepting a certain loss of torsional rigidity through the use of force transducers 24 with a prismatic or cylindrical cross-section, the compensatory capacity of parallel bearings can be additionally increased. These measuring spring elements are deformed by the measuring forces F _T as well as radial interference forces F _Q in the manner of an S-shaped double bending beam. The acquisition of larger axial relative displacements prevents the crosstalk of the interference deformations on the measurement signal.

Die vorerwähnte Art der Brückenverdrahtung verhindert dabei das Übersprechen der Störkraftverformungen auf das Meßsignal. The aforementioned type of bridge wiring prevents the crosstalk of the interference deformations the measurement signal.

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.Without sacrificing torsional stiffness on the other hand much higher misalignment can be compensated if the invention according to Figure 9 of the flat annular diaphragms 13 instead monolithically from the Schei ben half worked out, circular corrugated diaphragms 14 are used.

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.Here can be advantageous for the equipped with high transverse stiffness shear force transducers 3 H- or U-shaped cross-section to draw, but in particular to in Figures 5 and 6 reproduced mono lithisch manufactured receiver ring-members 15 with the washers 1/2 by shrinking or screws are connected. Figure 10 shows the variant with the ring element according to Figure 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.It should also be mentioned that the corrugated diaphragm also has the advantage that axial relative movements of the shafts 18 against 19 can also be accommodated without significant axial interference forces being able to build up on the measuring hub. Due to the elimination of any other joint elements that reduce misalignment, the design of the measuring diaphragm system according to Figure 10 represents an optimum in terms of torsional rigidity, structural complexity and axial space requirements, especially when the diameter D of the torque hubs according to the invention is chosen to be significantly larger than is the case with the commercially available designs today is common.

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.Are to the annular diaphragms 13 or 14 a constant wall thickness, as shown in Figures 7 and 8, this has the consequence that the high under the action of Meßdrehmomentes in these induced shear stresses τ (r) in the vicinity of the measurement axis very are outward but decrease roughly inversely proportional to the square of their respective distance r from the axis of rotation.

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.According to the invention, this can be avoided if, as shown in Figure 11 for the boss membrane 13 , the wall thickness s (r) is dimensioned approximately inversely proportional to the square of its distance r from the measuring axis. The principle can also be applied analogously to the corrugated membranes 14 , the axially parallel web sections which may be present there each having a constant wall thickness s (r).

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.The manufacture of such boss and / or corrugated membranes with radius-dependent wall thickness s (r) can take place at height Ren production quantities are advantageously carried out in injection molding. On the other hand, it takes place in Spain bend on preferably numerically controlled automatic lathes, however, high manufacturing costs are to be expected.

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.Here, according to the invention, a method based on the principle of the known bellows offers a further alternative, as is explained in Figure 12:
Here, the torque M is not initiated via the discs 1 and 2, directly radially in the lateral annular beads 15 of the preferably according to Figures 5 or 8 monolithically fabricated Meßfederanordnungen, but once on wave-shaped or multi-fold elastic, axially aligned compensating elements 25th These advantageously have the same outer diameter as the outer beads 15 and / or the measuring spring elements 3 and 23 . This has the advantage according to the invention that the measuring spring elements 3 and 23 , the annular beads 15 and the compensating elements 25 can be manufactured as a single monolithic part by simple turning from a hollow cylindrical blank.

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.A further advantage is that the static moment undefined discharge of the discs 1 and 2 are highly effective entkop pelt on the screw 28 into the annular beads 15 through the balancing elements 25 and the otherwise difficult to control Reibungshystereseeffekte of such screw connections are safely preventable.

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.Above all, it becomes possible, if necessary, to manufacture disks 1 and 2 on the one hand and the monolithic combination 29 of 3/23 , 15 and 23 from materials with different coefficients of thermal expansion.

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).Thus, the disks 1 and 2 can advantageously be made of ferromagnetic material (steel), while the combination part 29 can be made of non-magnetic material (e.g. aluminum, stainless steel, etc.). This enables contactless inductive transmission of electrical feed and / or measurement signal power to be achieved with very good efficiency (see Fig . 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.At first glance, the axial guidance of the measuring torque M over the folded compensating elements 25 has the disadvantage that the axial extension L _{ges of} the measuring hub is permanently increased.

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.However, this disadvantage can be largely ineffective when according to the invention, the disks 1 and 2 according to Figure 12, similar to how each summarized in Figure 7 with the flange elements 16 and 17 into monolithic components and their flange components 16 and 17 are displaced in each case axially on the hub towards the center will.

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.In addition, striking improvements can be achieved according to the invention on the overall torsional rigidity of the Meßna be if the axial thickness of the disks 1 and 2 is designed so that it decreases approximately inversely proportional to the square of their distance from the measuring axis.

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.Since the material selection for the washers 1 and 2 is optional from a measurement point of view, they can advantageously be manufactured as castings in the form of Figure 12 and, if necessary, can be subsequently provided with shaft diameters, such as those used in an individual application by the test object system be requested.

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. It may still be an advantage to equip the disks 1 and 2 with short flange element extensions 30 at the expense of the total hub length, which can serve to accommodate dowel pins 26 with which a defined axial positioning as well as a play-free transmission of axial interference forces from the shaft ends 18th and 19 on the measuring hub is guaranteed.

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.In the interest of torsional rigidity, the compensating elements 25 are advantageously given such a large wall thickness that their shear stress due to the measuring torque is as low as possible than the elements 3 and 23 in the measuring spring. This increases their bending stiffness accordingly, which should not be too high with regard to the compensation of misalignments between the shafts 18 and 19 . Due to the comparatively large axial distance of the positions of these elements 25 from the central axis-vertical plane of symmetry of the measuring hub, these misalignments only lead to relatively small elastic bending movements in these elements. In addition, the resulting bending stresses can go to the material-specific load limits without measuring technology after parts, since they remain without influence on the overall torsional rigidity of the measuring hub.

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!Large diameters increase the "final moments of inertia" which are dynamically effective at the moment when the measuring hubs are introduced and removed. However, there is usually no serious disadvantage as long as these remain small in comparison to the moments of inertia Θ _E and Θ _A (cf. (3)) of the measuring object systems, which, after installing the measuring hub, are effectively parallel and thus add to them. The ordinal number of the measuring system is not changed by these final moments of inertia of the measuring hub, but only their resonance frequencies, which are inherent in the original state, are only reduced more or less slightly!

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.A fundamental problem in the case of torque hubs rotating with the test object shaft is that their electronic evaluation circuit has to be permanently installed on the test hub so that they rotate. For this purpose, according to the invention, the cavity 5 (e.g., Fig. 6), which is built between the two disks 1 and 2 due to the length of the active areas of the force transducers 3 and 23, is suitable, where the electronics housed there are reliably shielded against external mechanical influences and where a high level of electromagnetic compatibility (EMC) is offered.

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.Another problem is the rotating evaluation electronics from the spatially fixed reverse exercise (the foundation) with the electrical auxiliary energy required for its operation, but also, the measurement signals generated by it in the opposite direction to the display installed on the foundation equipment and output facilities. This must - especially at high speeds of the measuring hubs - as contactless as possible to ensure operational safety, durability and freedom from wear and tear.

Als besonders erfolgreich haben sich hier induktive Übertragungsverfahren erwiesen, die z. B. in [4] näher be schrieben werden.Inductive transmission methods have proven to be particularly successful here. B. in [4] closer be written.

Der Zweischeiben-Aufbau der erfindungsgemäßen Drehmomentmeßnaben bietet gemäß Bild 13 dabei besonders günstige Voraussetzungen für die Anwendung dieser Verfahren:The two-disc design of the torque measuring hubs according to the invention offers particularly favorable conditions for the use of these methods, as shown in Figure 13:

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. Split pole piece elements 10 a and 10 b made of ferromagnetic material can there with air gaps 9 sufficiently large length on the one hand include the measuring hub with the simultaneous effect of a protective housing and include it. They are mounted on the foundation 20 with a pedestal 21 so that the shaft has sufficient freedom of movement relative to 20 in all three spatial directions.

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.With the help of the excitation coil 22 , a carrier-frequency magnetic alternating flux Φ can be generated with frequencies preferably above 10 KHz, which first spreads along the paths indicated by arrowed lines via the left pole shoe 10 a and then in the axial direction over the spatially coherent Air gap 9 penetrates into the end face of the disk 1 and in the radial direction into the force transducer 3 or the force transducer ring bead 15 and the flange shoulder 16 into the measuring hubs.

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.The prerequisite for this is that the hub is made of a ferromagnetic material, or at least on its surface, e.g. B. is coated by electroplating or vapor deposition (sputtering), inside and outside with a thin NEN magnetizable layer. Advantageously, bores which are not shown in FIG. 13 and filled with ferrite rods should then facilitate the flow Φ a path from the end face 11 of the disk 1 to the inside 23 thereof. The magnetizable coating only requires a very thin layer thickness, since the penetration depth of the magnetic flux Φ is only very small due to the high carrier frequency.

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.A preferably arranged in the axis of rotation, divided by a thin mechanical air gap 7 ferrite core 6 a / 6 b then guides the flow Φ from the disc 1 to the inside 23 of the disc 2 and in analogous ways, as described for the left half of the hub, back into the core of the excitation coil 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.The alternating flux Φ passing through 6 a / 6 b in this way induces an electrical voltage in a secondary coil 8 around the ferrite core 6 a / 6 b, from which the electrical auxiliary energy for the evaluation circuit arranged in the intermediate space 5 is obtained.

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]The measurement signals obtained by the evaluation circuit are advantageously frequency-modulated and shifted into a frequency range lying far above the feed carrier frequency. Then they can be fed into the coil 8 in this form and inductively transmitted back from it in the opposite direction to the excitation coil 22 and masked out via a high-pass filter. [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.The inductive energy transfer can take place in the described arrangement, with a comparatively large electrical efficiency, because due to the large cross-sectional areas of the total air gap 9 only a low flux density occurs even at greater air gap lengths in Figure 9 and, accordingly, little magnetic energy and magnetic exciting field strength is needed.

Claims

1. Transducer of very high torsional rigidity for static and dynamic detection of the measured variable torque (torque measuring hubs), characterized in that they consist of two preferably rotationally symmetrical disks ( 1, 2 ) which are at the greatest possible distance R from the axis of rotation on their circumference axially aligned force transducers ( 3 ) are non-positively connected to one another, which are dimensioned for the detection of shearing tangential forces F _T.

2. Torque transducer according to claim 1, characterized in that the disks ( 1, 2 ) are designed in flange form ( 16, 17 ) so that they can be flanged onto torque-transmitting shafts ( 18, 19 ).

3. Torque transducer according to claims 1 and 2, characterized in that the force transducers ( 3 ) are designed as shear force transducers.

4. Torque transducer according to claims 1 to 3, characterized in that the force transducers ( 3 ) in sections in the axial direction have an H-shaped cross section.

5. Torque transducer according to claims 1 to 4, characterized in that the force transducers ( 3 ) in sections in the axial direction have a U-shaped cross section, the crossbars are arranged approximately at the maximum distance R _max ≈ from the axis of rotation.

6. Torque transducer according to claims 1 to 5, characterized in that the force transducers ( 3 ) are designed as double bending beams, which are claimed by tan gential forces F _T perpendicular to the axis of rotation.

7. Torque transducer according to claims 1 to 6, characterized in that the disks ( 1, 2 ) have sections of concentrically corrugated, annular membranes ( 14 ).

8. Torque transducer according to claims 1 to 7, characterized in that the disks ( 1, 2 ) have sections of thin annular membranes ( 12 ) and the force transducers ( 3 ) are designed as column-shaped double bending beams ( 14 ).

9. Torque transducer according to claims 1 to 8, characterized in that the evaluation electronics ( 4 ) in the gap between the disks ( 1, 2 ) forming the space ( 5 ) and on ( 1 ) and / or ( 2 ) is housed fixed .

10. Torque transducer according to claims 1 to 9, characterized in that the disks ( 1, 2 ) are made of ferromagnetic material and in the intermediate space ( 5 ) preferably arranged around the axis of rotation, rod-shaped ferromagnetic core ( 6 a, 6 b ) which has a very thin air gap ( 7 ) perpendicular to the axis of rotation and around which an induction coil ( 8 ) is arranged.

11. Torque transducer according to claims 1 to 10, characterized in that around the discs ( 1, 2 ) ferromagnetic, non-positively connected to these but not mechanically connected, but by the thinnest possible air gaps ( 9 ) separate pole pieces ( 10 ) are arranged above which are conducted in a known manner for energy supply and / or signal transmission without contact magnetic alternating fluxes, the air gaps ( 9 ) between the pole shoes ( 10 ) and / or the outer axial end faces ( 10 ) or the circumferential end faces ( 12 ) of the disks ( 1 , 2 ) are arranged.

12. Torque transducer according to claims 1 to 11, characterized in that the force transducers ( 3 ) are summarized in a monolithic as a ring-shaped rotary part ( 15 ) manufactured component and are preferably mounted on circular discs ( 1, 2 ).

13. Torque transducer according to claim 12, characterized in that the monolithically ring-shaped rotary part ( 15 ) as a force transducer ( 3 ) consists of a hollow cylinder ( 23 ) extending over the entire circumference and having a thin wall thickness and maximum outer diameter.

14. Torque transducer according to claims 1-13, characterized in that the rotating part together with two bellows-shaped compensating elements ( 25 ) as a monolithic combination ( 29 ) is made from a hollow cylindrical blank and only with these compensating elements ( 25 ) non-positively with the disks ( 1 and ( 2 ) are connected.

15. Torque transducer according to claims 1-14, characterized in that the disks ( 1 ) or ( 2 ) are each monolithically made together with the flange parts ( 16 ) or ( 17 ), which in their longitudinal direction essentially up extend almost to the center of the hub, so that they have about the total length of the combination part ( 29 ) when installed.

16. Torque transducer according to claims 1-15, characterized in that the annular membranes ( 13 ) and ( 14 ) have a wall thickness which decreases approximately inversely proportional to the square of their distance from the axis of rotation.