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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Trainingsgerät mit einer Vorrichtung zur
Drehmomentmessung, beispielsweise auf ein Fahrrad-Trainingsgerät, ein Ergometer
oder Ähnliches.
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Trainingsgeräte werden
in unterschiedlichster Form eingesetzt, beispielsweise als reine
Trainingsgeräte
zum Fitneß- oder Leistungstraining
oder als Reha-Geräte.
Dabei spielt weniger die körperliche
Bewegung eine Rolle, als vielmehr das gezielte Leistungstraining.
Die Benutzer müssen
somit eine exakt festlegbare, reproduzierbare Belastung erfahren,
um insbesondere auch diagnostische medizinische Ergebnisse beurteilen
und vergleichen zu können.
Aus diesem Grunde sind unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen
von Ergometern festgelegt worden, in der Bewegungstherapie ist eine
Genauigkeit von 10% gefordert, während
auf dem Gebiet der Heilkunde verwendbare Ergometer eine Genauigkeit von
5% erfüllen
müssen.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen Verwenden sehr
aufwendige Meß- und
Regelsysteme, bei welchen kontinuierlich die Leistung gemessen und
abhängig
hiervon der Ergometer nachgeregelt wird.
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Ein
weiteres Problem ergibt sich hinsichtlich der Kalibrierungen von
Ergometern, insbesondere nach längerer
Verwendungszeit. Zusätzlich
ist die Genauigkeit der Vorrichtungen beeinflußt durch Fremdeinflüsse, wie
beispielsweise Verwindungen des Rahmens, Störimpulse oder ähnliches.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sind deshalb
mit aufwendigen elektronischen Schaltungen zum Ausgleich dieser
Meßfehler
ausgerüstet. Dies
führt zu
einem beträchtlichen
Herstellungsaufwand, der sich auch in den Kosten wiederspiegelt.
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Die
bekannten Meßvorrichtungen
messen das Drehmoment stets an der Antriebsachse. Zur Übertragung
der Meßergebnisse
sind Schleifringe etc. erforderlich, die verschleissen und somit
zu Übertragungsfehlern
führen
können.
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DE 31 50 149 A1 beschreibt
ein durch Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug bzw. Trainingsgerät, welches
entsprechend einem Fahrrad aufgebaut ist. Zudem ist ein elektronisches
Gerät vorgesehen,
welches aus einem Anzeigeinstrument, einem Rechner und einer Tastatur
besteht sowie eine Stromquelle aufweist und mit einem Meßwertaufnehmer
für Geschwindigkeit
und Wegstrecke in elektrisch leitender Verbindung steht. Hierbei
wird die vom Fahrer abgegebene Leistung gemessen.
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US 4,503,713 beschreibt
einen Drehmomentdetektor für
ein Kraftfahrzeug. Bei dem Drehmomentdetektor sind eine Antriebswelle
und ein Abtriebselement um eine gemeinsame Achse relativ zueinander
verdrehbar und zur Kraftübertragung
mittels Federn miteinander gekoppelt. Zudem ist eine elektromagnetische
Meßeinrichtung
vorgesehen, welche die Relativbewegung zwischen der Antriebswelle
und dem Abtriebselement mißt
und das Meßergebnis
zur Berechnung des Drehmoments einer Recheneinheit zuführt. Alternativ
zur elektromagnetischen Meßeinrichtung
kann auch eine fotoelektrische Meßeinrichtung verwendet werden.
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Aus
der
DE 29 28 155 A1 ist
eine Meßanordnung
zur Messung eines Drehmoments und/oder einer Winkelgeschwindigkeit
bekannt, bei welcher als Lichtschranken ausgebildete Stellungssensoren
mit Kreisscheiben zusammenwirken, auf derem Umfang oder in der Nähe deren
Umfangs helle und dunkle Stellen bzw. Markierungen angebracht sind,
die entweder den Strahlengang der Lichtschranke der Stellungssensoren
unterbrechen oder nicht beeinflussen.
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US 4,875,379 beschreibt
eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit zwei Meßscheiben, welche
mehrere Impulsgeneratoren auf zwei konzentrischen inneren und äußeren Kreisen
aufweisen. Die Impulsgeneratoren bestehen aus schwarzen radialen Streifen
auf einer transparenten Meßscheibe,
wobei die Anzahl an Impulsgeneratoren auf den Kreisen jeder Meßscheibe
unterschiedlich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trainingsgerät zu schaffen,
welches bei einfachem Aufbau und einfacher, störungssicherer Betriebsweise
eine auch höchsten
Anforderungen gerecht werdende Drehmomentmessung ermöglicht und
welche einfach kalibrierbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst; die
Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das
erfindungsgemäße Trainingsgerät zeichnet
sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Zur Vereinfachung
wird nachfolgend auf die bei dem Trainingsgerät vorgesehene Vorrichtung zur Drehmomentmessung
abgestellt. Da erfindungsgemäß eine Relativ-Verdrehung
zwischen der Antriebswelle und dem Abtriebselement gemessen wird,
welche in Abhängigkeit
von dem aufgebrachten Drehmoment steht, kann die Messung mit hoher
Genauigkeit erfolgen. Da die Relativ-Verdrehung zwischen der Antriebswelle
und dem Abtriebselement gegen die Kraft des zumindest einen elastischen
Elements erfolgt, ist sichergestellt, daß sich während des Betriebs ein Zustand
einstellt, der bei einem konstant aufgebrachten Drehmoment zu einer
bestimmbaren Relativ-Positionierung zwischen der Antriebswelle und
dem Abtriebselement führt.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Messung des Drehmoments in di rekter Zuordnung zur Antriebsachse,
so daß Fremdeinflüsse, beispielsweise
Verwindungen des Rahmens das Meßergebnis
nicht verfälschen
können.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
Meßeinrichtung
als optische Meßeinrichtung
ausgebildet ist. Bei dieser Art der Ausgestaltung der Vorrichtung
sind keine mechanischen Meßwert-Übertragungseinrichtungen,
beispielsweise Schleifringe etc. erforderlich. Hierdurch wird die
Vorrichtung insgesamt störungsunanfällig und
kann im wesentlichen wartungsfrei arbeiten.
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Um
die optische Messung mit hoher Genauigkeit und störungsfrei
durchführen
zu können,
ist es vorteilhaft, wenn die Meßeinrichtung
zwei mit Kodierungen versehene Scheiben aufweist, von denen eine
mit der Antriebswelle und die andere mit dem Abtriebselement verbunden
ist. Durch das Zusammenwirken der Kodierungen kann die Relativ-Verdrehung
zwischen der Antriebswelle und dem Abtriebselement exakt ermittelt
werden. Durch die noch zu beschreibende Ausgestaltung der Meßeinrichtung
ergibt sich eine Meßgenauigkeit
zwischen 2 und 3%.
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Die
Kodierungen der beiden Scheiben können bevorzugterweise in Form
von Strichkodierungen ausgebildet sein, die auf jeweils einem Coder-Kreis
jeder der Scheiben ausgebildet sind. Es ergeben sich somit zwei
zueinander parallele, konzentrische Kreise aus Strichkodierungen,
beispielsweise radialer Anordnung, die gegeneinander bewegbar sind.
Die Wirkungsweise der Strichkodierungen und die Ermittlung des Drehmoments
werden nachfolgend in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel im einzelnen
erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann als elastisches Element eine oder mehrere Federn umfassen,
es ist jedoch auch möglich,
andere elastische Elemente, beispielsweise aus Gummi oder Kunststoff zu
verwenden. Bei Verwendung einer Feder ist es vorteilhaft, wenn diese
im unbelasteten Zustand vorgespannt ist, so daß das aufgebrachte Drehmoment gegen
die Vorspannung der Feder wirkt. Es ist jedoch auch möglich, die
Feder als Zugfeder auszugestalten. Weiterhin kann die Vorrichtung
auch doppelt wirkend ausgebildet werden, so daß nicht nur ein in einer Richtung
wirksames Drehmoment, wie bei einem Ergometer, gemessen werden kann,
sondern auch reversierende Drehmomente.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß zur
Stabilisierung des Gleichlaufs zwischen der Antriebswelle und dem
Abtriebselement zumindest ein Dämpfer
vorgesehen ist, der Schwingungen, Schaukelbewegungen etc. unterdrückt. Der
Dämpfer
kann in Form eines hydraulischen Dämpfers ausgebildet sein, es
sind jedoch auch Gasdruckdämpfer,
elektromagnetische Dämpfer
oder ähnliches
verwendbar.
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Um
eine Beschädigung
der Meßvorrichtung durch Überbeanspruchung
zu vermeiden, kann es weiterhin günstig sein, Endanschläge vorzusehen, welche
eine maximale Verdrehung zwischen der Antriebswelle und dem Abtriebselement
begrenzen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
Seiten-Schnittansicht, teils schematisch, der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Drehmomentmessung mit einer Antriebswelle und einem Abtriebselement,
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2 eine
schematische stirnseitige Ansicht der Anordnung gemäß 1 auf
die – auf 1 bezogen – rechte
Seite,
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3 eine
schematische Teil-Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Scheibe
mit Codierstreifen und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Scheibe mit Codierstreifen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfaßt eine
Antriebswelle 1, welche mittels Lagern 8 und einer
Verschlußkappe 9 drehbar
in einem Gehäuse 10 gelagert
ist. Die 1 zeigt lediglich einen Teilbereich
der Antriebswelle 1 sowie des Gehäuses 10, die Lagerung
der Antriebswelle 1 ist ähnlich der Lagerung der Tretachse
eines Fahrrades ausgebildet. An dem freien Ende der Antriebswelle 1 ist
ein Pedalansatz 11 ausgebildet, auf welchen in üblicher
Weise ein Pedalarm montierbar ist.
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Mit
der Antriebswelle 1 ist fest ein Trägerring 12 verbunden,
an dessen Umfang eine Scheibe 4 befestigt ist, die nachfolgend
im einzelnen noch beschrieben werden wird. Die Scheibe 4 ist
somit bei einer Drehung der Antriebswelle 1 drehbar.
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Auf
den in 1 linken Bereich der Antriebswelle 1 ist
drehfest ein Lagerring 13 aufgesetzt, welcher mittels Lagern 14 einen
Abtriebsring 15 lagert, welcher somit relativ zu der Antriebswelle 1 frei
drehbar ist.
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Der
Abtriebsring 15 ist fest mit einem Abtriebselement 2 verbunden,
welches topfförmig
ausgebildet ist und an seiner zylindrischen Umfangsfläche beispielsweise
einen nicht dargestellten Antriebsriemen oder eine Antriebskette, ähnlich einer Fahrradkette
treibt.
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Der
Abtriebsring 15 lagert drehfest eine Scheibe 5,
welche sich parallel zu der Scheibe 4 des Trägerrings 2 erstreckt
und zusammen mit der Scheibe 4 Teil einer Meßeinrichtung 3 bildet.
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Eine
Kraftübertragung
zwischen der Antriebswelle 1 und dem Abtriebselement 2,
welche relativ zueinander um die gemeinsame Achse 16 drehbar
sind, erfolgt mittels mehrerer Federn 6 (siehe 2).
Die Federn 6 sind als Druckfedern ausgebildet und werden
an ihrem Endbereich jeweils durch eine Federaufnahme 17, 18 abgestützt. Wie
sich aus der Zusammenschau der 1 und 2 ergibt,
ist eine Federaufnahme mit dem Antriebsring 15 verbunden,
während
die andere Federaufnahme an dem Trägerring 12 befestigt
ist. Über
Langlöcher 19 ist
eine Verdrehung zwischen dem Trägerring 12 und dem
Abtriebsring 15 und somit eine Komprimierung der Federn
zur Drehmomentübertragung
möglich.
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Eine
Drehung der Antriebswelle 1 führt somit zu einer Kraftbeaufschlagung
der Federn 6, diese werden komprimiert und übertragen
das Drehmoment auf den Abtriebsring 15 und damit auf das
Abtriebselement 2.
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An
der Antriebswelle 1 ist weiterhin drehfest eine Dämpfungsscheibe 20 gelagert,
deren freies Ende über
Schraubenbolzen 21 einen Stützring 22 trägt. Um eine
Relativverdrehung zwischen der Antriebswelle 1 und dem
Abtriebselement 2 zu ermöglichen, durchgreifen die Schraubenbolzen 21 Langlöcher 23 des
Abtriebselements 2.
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Die
Schraubenbolzen 21 dienen somit auch zur Begrenzung der
maximalen Verdrehung zwischen der Antriebswelle 1 und dem
Abtriebselement 2, beispielsweise auf einen Winkelbereich
von maximal 15°.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, sind an dem Abtriebselement 2 Dämpfer 7 gelagert.
Diese umfassen einen Dämpferzylinder 24,
in welchem ein Dämpferkolben 25 verschiebbar
gelagert ist. Über
eine doppelseitige Kolbenstange 26 ist der Dämpferkolben 25 mit
Lagerarmen 27 verbunden, welche wiederum über einen
Dämpferträger 28 an
dem Stützring 22 befestigt
sind.
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Somit
führt eine
Relativverdrehung der Antriebswelle 1 zu einer Verschiebung
des Dämpferkolbens 25 in
dem Dämpferzylinder 24.
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Der
Dämpfer 7 kann
als hydraulischer Dämpfer
ausgebildet sein, es sind jedoch auch vielfältige andere Ausgestaltungsvarianten
möglich.
Der Dämpfer 7 dämpft in
beiden Relativ-Drehrichtungen
des Abtriebselements 2 relativ zu der Antriebswelle 1.
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Im
folgenden wird die Meßeinrichtung 3 im einzelnen
beschrieben:
Die beiden Scheiben 4, 5 sind,
wie bereits erläutert, mit
kreisförmigen
Bändern
von einzelnen, radial angeordneten Strichkodierungen versehen und
bestehen aus relativ dünnen
Kunststoffplatten. Jeder der Coder-Kreise ist ca. 8mm breit und
ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
in 720 weiße
und schwarze Streifen unterteilt.
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Da
die beiden Scheiben 4, 5 jeweils mit der Antriebswelle 1 bzw.
dem Abtriebselement 2 verbunden sind und da letztere über die
Federn 6 miteinander gekoppelt sind, können sich die Scheiben 4, 5 relativ
zueinander verdrehen, diese Drehung wird auf einen Winkel von maximal
15° begrenzt,
abhängig von
der auf die Federn aufgebrachten Kraft. Bei dem Ausführungsbeispiel
können
die Federn eine Kraft von 100 Nm übertragen.
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Bei
einem maximalen Verdrehungswinkel von 15° werden somit 30 schwarze und
weiße
Streifen gegeneinander verdreht. Bei Ausnutzung der vier Flanken
dieser Streifen ergibt sich eine Anzahl von 120 meßbaren Impulsen.
Diese Impulse oder Incremente werden über eine Lichtschranke der
Meßeinrichtung 3 berührungslos
abgetastet. Die Lichtschranke umfaßt beispielsweise einer Laserdiode und
einen Fototransistor.
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Durch
diese berührungslose,
optische Messung kann auf jede Art von mechanischen Übertragungseinrichtungen,
beispielsweise Schleifringen etc. verzichtet werden, Fehler, die
sich beispielsweise durch Verformungen des Rahmens oder ähnliches ergeben,
können
nicht auftreten.
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Der
Aufbau der Meßeinrichtung 3 ist
im einzelnen nicht dargestellt, er umfaßt hinsichtlich der Lichtschranke
eine Sendediode und eine Fotodiode. Die Lichtschranke gibt bei jeder
Verdrehung um ein Kodier-Feld oder einen Kodier-Strich Impulse ab,
bei der bereits beschriebenen Verdrehung um einen Winkel von 15° entstehen
bei einer Verschiebung von 30 Kodier-Strichen in einen Teilkreis
mit 120 schwarzen Strichen 60 zählbare
Zustände,
welche sich in 30 dunkle und 30 helle Zustände unterteilen. Die Auswertung
der Flanken ergibt somit die bereits erwähnten 120 zählbaren Impulse.
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Die
Auswertung der gemessenen Impulse in der Recheneinheit erfolgt beispielsweise
so, daß bei einem
maximalen Drehmoment von 100 Nm die bereits erwähnte Auslenkung von 15° erfolgt,
welche zu einer Zählung
von 120 Impulsen oder Incrementen führt. Jedem Increment ist somit
ein Wert von 0,833 Nm zugeordnet. Somit kann auf einfache Weise
eine Drehmoment-Bestimmung erfolgen.
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Die
optischen Kodier-(Coder)-Kreise der Scheiben 4, 5 sind
auf zwei transparenten Kunststoffscheiben aufgebracht, deren Durchmesser
frei wählbar
ist. Für
die optische Messung muß das
Material der Scheiben 4, 5 ausreichend transparent
sein, es können
somit vollständig
transparente Kunststoffe ebenso verwendet werden, wie milchige Kunststoffeinfärbungen.
Auch hinsichtlich des Materials sind eine Vielzahl von Abwandlungen
möglich,
anstelle von Kunststoffscheiben können auch Glasscheiben eingesetzt
werden.
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Die
Größe und insbesondere
die radiale Erstreckung der Coder-Kreise kann ebenfalls in weitem Bereich
variiert werden, sie können
beispielsweise 10mm breit sein. Auch die Unterteilung in die erwähnten 720
Coder-Striche ist veränderbar
und kann in Abhängigkeit
von den Anwendungsbedingungen variiert werden. Da erfindungsgemäß die Relativ-Verdrehung
zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebselement 2 durch
Zählen
der gegeneinander verdrehten Kodier-Felder oder Kodier-Striche erfolgt,
ist offensichtlich, daß die
Gesamtzahl der Kodier-Striche beliebig veränderbar ist. Dies beeinflußt allerdings auch
die Meß-Genauigkeit.
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Die 3 und 4 zeigen
Beispiele erfindungsgemäßer Scheiben 4 und 5,
die mit entsprechenden Kreisen von Codierstrichen versehen sind. Die 3 zeigt
beispielsweise einen optischen Mittenring, während die 4 einen
optischen Außenring
darstellt. In 3 sind zwei Codierkreise dargestellt,
während
die Scheibe der 4 insgesamt drei Coderkreise
aufweist. Der dritte Kreis kann zur Drehzahlmessung verwendet werden.
Die Coderkreise können
erfindungsgemäß als Vollkreise
oder als Teilkreise ausgebildet sein, es ist lediglich wichtig,
daß der
Verdrehwinkel registriert werden kann, beispielsweise der in dem
Ausführungsbeispiel
maximal vorgesehene Verdrehwinkel von 15°.
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Bei
der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung handelt
es sich somit um ein Inkrementalgeberprinzip. Die Scheiben 4, 5 der
Meß-Vorrichtung
verfügen, wie
dargestellt, über
drei bzw. zwei Coder-Kreise. Zwei dieser Coderkreise sind deckungsgleich übereinander
angeordnet. Der einzelne, freie Coderkreis dient zur Ermittlung
der Drehzahl. Am mittleren Coderkreis werden die Inkremente zur
Messung des Drehmoments gezählt.
Der dritte Coderkreis ist zum mittleren Coderkreis um 90° versetzt.
Dieser dritte Coderkreis dient zur Richtungsdiskriminierung. Bei steigendem
Drehmoment werden am mittleren Codierkreis fortlaufend Inkremente
gezählt.
Damit bei fallendem Drehmoment die gezählten Inkremente verringert
werden, ist der Einsatz des dritten Coderkreises erforderlich. Bei
steigendem Drehmoment liefert die Lichtschranke des dritten Coderkreises
ein Signal, welches um 90° nachlaufend
ist. Bei fallendem Drehmoment ist das Signal des dritten Coderkreises um
90° vorlaufend.
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Für eine exakte
Bestimmung des Drehmoments kann es somit vorteilhaft sein, zusätzlich die Drehzahl
entweder der Antriebswelle oder des Abtriebselements zu ermitteln,
die Drehzahlbestimmung kann ebenfalls mittels eines Coder-Kreises und
einer zugeordneten Lichtschranke berührungslos erfolgen. Bei dieser
Ausgestaltung sind somit insgesamt drei Lichtschranken-Systeme vorgesehen, eines
für die
Ermittlung der Drehzahl und zwei für die Coder-Kreise.
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Die
Eichung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist sehr einfach. Zunächst
wird ein geringes Drehmoment vorbekannter Größe auf die Antriebswelle aufgebracht,
abhängig
von den gezählten
Impulsen oder Incrementen wird der zugeordnete Wert gespeichert.
Anschließend
wird das maximal mögliche
Drehmoment aufgebracht, die hierbei gezählten Incremente oder Impulse
werden ebenfalls gespeichert. Somit ergeben sich beispielsweise
für einen maximalen
Drehmomentbereich von 100 Nm 100 gezählte Incremente, dies bedeutet,
daß pro
gezähltem Increment
ein Wert von 1 Nm zugeordnet wird. Durch eine reine Zählung der
Incremente oder Impulse kann somit das Drehmoment bestimmt werden.
Hierdurch ergibt sich ein hohes Maß an Betriebssicherheit.
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Die
Null-Stellung des Systems erfolgt automatisch bei Beendigung der
Drehmomentbeaufschlagung. Durch die Vorspannung der Federn erfolgt
auch eine mechanische Null-Stellung, in welcher das Abtriebselement
in eine exakte End-Position zu der Antriebswelle gebracht wird.
Sowohl die Langlöcher 19,
in welchen sich die Federaufnahmen 18 bewegen, als auch
die Langlöcher 23 mit
den zugeordneten Schraubenbolzen 21 können hierbei als End-Anschläge dienen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebene Feder-Kopplung beschränkt, vielmehr
sind auch andere Kopplungsarten möglich, bzw. elektromagnetische
Kopplungen, bei welchen sich ein Metall-Stößel in einer Spule oder einem
Spulenkörper
bewegt. Der durch die Spule fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld,
durch welches der Stößel in der
Spule gehalten wird. Zu einer Bewegung des Stößels ist somit eine Kraft erforderlich,
die zur Kopplung zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebselement 2 verwendet werden
kann. Bei dieser Ausgestaltungsvariante kann durch eine Umpolung
des Spulen-Stroms
eine Umstellung von einer Zugstufe auf eine Druckstufe erfolgen,
so daß die
Vorrichtung beidseitig verwendbar ist.
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Wie
erläutert,
ist erfindungsgemäß ein Dämpfer 7 vorgesehen,
um Schwingungen zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 2 zu
dämpfen.
Derartige Schwingungen können
insbesondere bei Beginn der Drehmomentbeaufschlagung auftreten.
Der Dämpfer
unterdrückt
derartige Schwingungsbewegungen. Es können unterschiedlichste Dämpfer verwendet
werden, beispielsweise hydraulische Dämpfer, Gasdruckdämpfer, elastische
Flüssigkeiten,
elektrisch veränderbare
Flüssigkeiten,
die bei Bestromung ihre Viskosität ändern oder
elektromagnetische Dämpfer.