DE19720325C1 - Method and apparatus for measuring reactive forces in machine drives - Google Patents
Method and apparatus for measuring reactive forces in machine drivesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to force measuring device in an actuator for controlling Fittings with the features of the preamble of claim 1.
Aus der DE 42 39 947 C1 ist ein derartiger Stellantrieb bekannt, bei dem an der für den Handantrieb vorgesehenen die Schnecke tragenden Schneckenwelle eine membranartige Scheibe aus hartem Werkstoff in axialer Richtung an dieser festliegend angeordnet ist. Die Scheibe ist mit ihrem in radialer Richtung von der Schneckenwelle und der dortigen Befestigung abliegenden Außenumfang in axialer Richtung festliegend abgestützt. Auf wenigstens einer Seite der Scheibe ist mindestens ein Dehnungsmeßstreifen appliziert, der zusammen mit der Scheibe eine Kraftmeßvorrichtung bildet. Aufgrund der tiefen Einbaulage innerhalb des Stellantriebes und der Vielzahl der die Scheibe umgebenden Maschinenelemente ist die Zugänglichkeit der Kraftmeßvorrichtung erschwert.Such an actuator is known from DE 42 39 947 C1, in which on the for The worm shaft carrying the worm was provided with a manual drive Membrane-like disk made of hard material in the axial direction on this is fixed. The disc is in the radial direction of the Auger shaft and the outer circumference lying there in axial Supported in a fixed direction. On at least one side of the disc applied at least one strain gauge, which together with the washer Force measuring device forms. Due to the deep installation position within the Actuator and the variety of machine elements surrounding the disc the accessibility of the force measuring device difficult.
Darüber hinaus ist beim bedarfsweisen Ausbau der Schnecke bzw. schneckennaher Maschinenelemente stets auch der Ausbau sowie die Abkabelung der Kraftmeßeinrichtung sowie deren anschließender Wiedereinbau und Anschluß der Verbindungsleitungen erforderlich und störend. Insbesondere ist der dabei notwendige Eingriff in die elektrische Verschaltung des Stellantriebes fehlerträchtig.In addition, if necessary, the screw is removed or closer to the screw Machine elements always include the expansion and wiring of the Force measuring device and its subsequent reinstallation and connection of the Connection lines required and disruptive. In particular, the necessary one Intervention in the electrical connection of the actuator is prone to errors.
Aus der DE 295 04 573 U1 ist ein Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten, umlaufbaren Getriebe bekannt, bei dem das Getriebe radial beweglich und mit einer Außenverzahnung ausgestattet ist, die mit einer Schnecke auf einer zum Getriebe tangential angeordneten Schneckenwelle in Eingriff steht. Dabei sind der Schneckenwelle eine Kraftmeßeinrichtung zur Erfassung axialer Verschiebungen der Schneckenwelle und Mittel zur manuellen Bedienung des Stellantriebes beigeordnet. Weiterhin ist dabei vorgesehen, daß die Kraftmeßeinrichtung einen Kraftmeßbalken mit Dehnungssensoren umfaßt, der einseitig geführt an einer Wandung des Gehäuses so befestigt ist, daß das freie Ende des Kraftmeßbalkens in Richtung der Wandebene beweglich ist, und in dessen freiem Ende ein Ende der Schneckenwelle axialspielfrei drehbar gelagert ist.DE 295 04 573 U1 describes an actuator for controlling fittings with a Motor and an arranged in a housing, rotatable gear known which the gear is radially movable and equipped with external teeth, which are arranged with a worm on a tangent to the gear Worm shaft is engaged. The worm shaft is one Force measuring device for detecting axial displacements of the worm shaft and Assigned means for manual operation of the actuator. It is still there provided that the force measuring device with a force measuring beam Includes strain sensors, which are guided on one side on a wall of the housing is attached that the free end of the load cell in the direction of the wall plane is movable, and in its free end one end of the worm shaft free of axial play is rotatably mounted.
Prinzipbedingt ist diese Art der Kraftmeßeinrichtung auf die Erfassung axialer Verschiebungen eines Getriebeelements beschränkt und somit für Getriebe ohne axial verschiebliche Getriebeelemente ungeeignet.This type of force measuring device is based on the principle of axial detection Movements of a gear element are limited and thus for gearboxes without axial sliding gear elements unsuitable.
Weiterhin ist aus der Veröffentlichung "FAG Kraftmeßsystem MGZ", FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, Publ. Nr. 55 130 DA ein Kraftmeßlager bekannt, das aus einem Kraftmeßlagergehäuse und einem darin eingebauten Wälzlager besteht. Dieses Gehäuse besteht aus zwei Ringen, nämlich einem inneren Ring, der das Wälzlager aufnimmt, und einem äußeren Ring, der am Maschinenständer befestigt wird. Innerer und äußerer Ring sind durch einen Steg elastisch miteinander verbunden. Dieser Steg ist das eigentliche Meßglied. Wird das Wälzlager durch eine Kraft belastet, so wird der Steg auf Biegung beansprucht. Die Biegungen führen zu Dehnungen und Stauchungen an den Flanken des Steges. Die Dehnungen und Stauchungen sind der angreifenden Kraft proportional und werden zur Messung der Kraft benutzt. Die Messung erfolgt mit vier Dehnungsmeßstreifen, die auf den Flanken des Steges aufgeklebt sind. Furthermore, from the publication "FAG force measuring system MGZ", FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, publ. No. 55 130 DA known a force measuring bearing, which consists of a Force measuring bearing housing and a rolling bearing built therein. This Housing consists of two rings, namely an inner ring that holds the rolling bearing picks up, and an outer ring that is attached to the machine stand. Inner and the outer ring are elastically connected to each other by a web. This footbridge is the actual measuring element. If the roller bearing is loaded by a force, the Bridge subjected to bending stress. The bends lead to stretching and Squeezes on the flanks of the web. The strains and compressions are the attacking force proportional and are used to measure the force. The Measurement takes place with four strain gauges on the flanks of the web are glued on.
Da die Dehnungsmeßstreifen ölfrei zu halten sind, muß die vom Wälzlager aufgenommene Getriebewelle aus dem Ölraum herausgeführt werden, was als konstruktiv aufwendig und demzufolge nachteilig angesehen wird.Since the strain gauges are to be kept oil-free, the one from the roller bearing recorded transmission shaft are led out of the oil space, what as is considered constructively complex and consequently disadvantageous.
Darüber hinaus ist aus der Veröffentlichung "Das Kraftmeßlager, ein Hilfsmittel zum Erkennen betriebs- und verfahrensbedingter Kräfte in Maschinen", D. Frase, SKF Schweinfurt, WTS 74 07 20, ein Meßlager bekannt, bei dem eine begrenzte Anzahl von Wälzkörpern die Belastung auf Wälzlagerringe übertragen, die über ihren Umfang unterschiedlich beansprucht werden. Bei sich drehender Welle laufen die Beanspruchungsverteilungen mit den Wälzkörpern in den Ringen um. Im Kraftmeßlager wird die der Ringbeanspruchung proportionale Dehnung gemessen, die ein Maß für die Größe der wirkenden Kraft ist.In addition, the publication "Das Kraftmeßlager, a tool for Detection of operational and process-related forces in machines ", D. Frase, SKF Schweinfurt, WTS 74 07 20, a measurement camp known in which a limited number of rolling elements transfer the load to rolling bearing rings over their circumference are claimed differently. When the shaft rotates, they run Stress distributions with the rolling elements in the rings around. in the Force measuring bearing is measured the strain proportional to the ring stress, that is a measure of the size of the acting force.
Nachteiligerweise ist dieses Kraftmeßlager nicht geeignet zum Messen von Kraftkomponenten, um daraus die resultierende Kraft zu ermitteln.Unfortunately, this force measuring bearing is not suitable for measuring Force components to determine the resulting force.
Schließlich ist aus der DE 44 36 628 C1 eine Vorrichtung zur Messung einer Durchbiegung eines Zylinders einer Rotationsdruckmaschine bekannt, bei der die Durchbiegung des Zylinders auf einen Biegestab übertragen wird, der mit Meßelementen ausgestattet ist. Dazu weist der Zylinder einen Zylinderzapfen auf, der neben seiner drehbaren und axial verschieblichen Lagerung in einem Gestell über einen gelenkigen Adapter mit dem Biegestab verbunden ist.Finally, DE 44 36 628 C1 describes a device for measuring a Deflection of a cylinder of a rotary printing press, in which the Deflection of the cylinder is transferred to a bending rod that with Measuring elements is equipped. For this purpose, the cylinder has a cylinder journal, which in addition to its rotatable and axially displaceable mounting in a frame an articulated adapter is connected to the bending rod.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur stationären Ermittlung und Überwachung von Abtriebskenngrößen eines Getriebes anzugeben, die auf ein axial veschiebliches Getriebeelement verzichtet und die Nachteile bekannter Kraftmeßlager vermeidet.The invention is therefore based on the object of a force measuring device in one Actuator for stationary determination and monitoring of output parameters specify a gearbox on an axially displaceable gear element dispensed with and avoids the disadvantages of known force measuring bearings.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüche 2 bis 4 beschrieben.According to the invention, this object is achieved with the means of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are in claims 2 to 4 described.
Die Erfindung geht von einem Stellantrieb mit einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe aus, die aus einem angetriebenen und einem treibenden Getriebeelement besteht, wobei das treibende Getriebeelement auf einer Welle angeordnet ist, deren Wellenstümpfe in Lagern gehaltenen sind.The invention relates to an actuator with a motor and one in one Housing arranged gear with at least one gear stage, which from a driven and a driving gear element, which driving gear element is arranged on a shaft, the stumps in Bearings are held.
Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das Lager mindestens eines der Wellenstümpfe in einer radial verschieblichen, an einem mit dem Gehäuse fest verbundenem Zapfen geführten Lagerschale angeordnet ist, wobei der Zapfen als Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung versehen ist.The essence of the invention is that the bearing at least one of the Shaft stumps in a radially displaceable, fixed to one with the housing connected pin guided bearing shell is arranged, the pin as Bending beam executed and with detectors to detect its actuation-dependent Bending is provided.
Die am treibenden Getriebeelement wirkende Umfangskraft, die dem treibenden Drehmoment entspricht, bewirkt nach der Lehre der Kräfteverschiebung auf den Drehpunkt auf die Lager wirkende Abstützkräfte, die sich beim festen Lager gegen das Gehäuse richten und beim verschieblich angeordneten Lager auf die Lagerschale fortpflanzen und eine radiale Verschiebung der Lagerschale hervorrufen. Die radiale Verschiebung der Lagerschale bewirkt auf den Zapfen ein stellkraftabhängiges Biegemoment, das mit den Detektoren erfaßt wird und einem nicht näher beschriebenen Meßwertverarbeitungsmittel zuführbar ist.The peripheral force acting on the driving gear element, that of the driving Torque corresponds, according to the teaching of the shift of forces on the Pivotal support forces acting on the bearings, which are against the Align the housing and the slidably arranged bearing on the bearing shell propagate and cause a radial displacement of the bearing shell. The radial one Displacement of the bearing shell causes a positioning force-dependent on the pin Bending moment that is detected by the detectors and not closer to you described measured value processing means can be supplied.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. The necessary drawings show:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Stellantriebes Fig. 1 shows a schematic diagram of an actuator
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt eines Getriebes mit einer Kraftmeßeinrichtung Fig. 2 is a sectional view through a section of a transmission with a force measuring device
Der prinzipielle Aufbau eines Stellantriebes ist in Fig. 1 dargestellt. Ein derartiger Stellantrieb umfaßt einen Motor 14 und ein Getriebe 15 mit einem Abtrieb 16, der mit der zu steuernden Armatur 17 verbunden ist. Je nach Bauart der Armatur 17 kann der Abtrieb 16 axial oder radial beweglich ausgeführt sein. Unabhängig von der Bauart der Armatur 17 weist das Getriebe 15 mindestens eine Getriebestufe auf, an der eine Kraft gemessen wird, die zur Stellkraft am Abtrieb 16 proportional ist.The basic structure of an actuator is shown in Fig. 1. Such an actuator comprises a motor 14 and a gear 15 with an output 16 which is connected to the valve 17 to be controlled. Depending on the design of the valve 17 , the output 16 can be designed to be axially or radially movable. Regardless of the design of the valve 17 , the gear 15 has at least one gear stage at which a force is measured which is proportional to the actuating force on the output 16 .
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 besteht diese in einem das Getriebe 15 umgebenden Gehäuse 7 angeordnete Getriebestufe aus einem angetriebenen Getriebeelement 2 und einem treibenden Getriebeelement 1, wobei das treibenden Getriebeelement 1 auf einer Welle 5 angeordnet ist, deren Wellenstümpfe 51 und 52 in Lagern 31 und 32 gehaltenen sind. Dabei sind das treibenden Getriebeelement 1 und das angetriebene Getriebeelement 2 als Stirnräder ausgeführt.According to the illustration in FIG. 2, this gear stage, which is arranged in a housing 7 surrounding the gear 15, consists of a driven gear element 2 and a driving gear element 1 , the driving gear element 1 being arranged on a shaft 5 , the stub shafts 51 and 52 of which are in bearings 31 and 32 are held. The driving gear element 1 and the driven gear element 2 are designed as spur gears.
Das dem treibenden Getriebeelement 1 näher liegende Lager 32 ist in einer radial verschieblichen, an einem zu dem Gehäuse 7 lagefixierten Zapfen 6 geführten Lagerschale 4 angeordnet. Dabei ist der Zapfen 6 als Biegebalken in einem Durchlaß des Gehäuses 7 ausgeführt. Dazu ist das lagerschalenferne Ende des Zapfens 6 auf einer Montageplatte 8 befestigt, die mit Schrauben 9 fest mit dem Gehäuse 7 verbunden ist. Die Lagerschale 4 ist auf einer Innenfläche des Gehäuses 7 abgestützt.The bearing 32 closer to the driving gear element 1 is arranged in a radially displaceable bearing shell 4 guided on a pin 6 which is fixed in position with respect to the housing 7 . The pin 6 is designed as a bending beam in a passage of the housing 7 . For this purpose, the end of the pin 6 remote from the bearing shell is fastened to a mounting plate 8 which is firmly connected to the housing 7 by screws 9 . The bearing shell 4 is supported on an inner surface of the housing 7 .
Der Zapfen 6 ist mit Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung versehen. Vorzugsweise sind die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung am längst möglichen Hebelarm des Zapfens 6 angeordnet. Die Detektorposition, die in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, liegt in unmittelbarer Nähe der Montageplatte 8 am lagerschalenfernen Ende des Zapfens 6, einer Position, an der der Grad der Verbiegung des Zapfens 6 maximal wird.The pin 6 is provided with detectors 11 for detecting its deflection dependent on the actuating force. The detectors 11 are preferably arranged on the longest possible lever arm of the pin 6 in order to detect its bending depending on the actuating force. The detector position, which is provided with the reference symbol 10 in FIG. 2, is in the immediate vicinity of the mounting plate 8 at the end of the pin 6 remote from the bearing shell, a position at which the degree of bending of the pin 6 becomes maximum.
Die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung sind mit einer Dichtung 12 gegen eindringendes Schmieröl aus dem Getrieberaum geschützt. Da die an die Dichtung 12 angrenzenden Bauteile rotationsfrei, axialverschiebungsfrei und nur geringfügig radial gegeneinander beweglich sind, genügt dazu vorteilhafterweise eine Dichtung 12 einfachster Bauart, beispielsweise eine Radial-Wellendichtring nach DIN 3760.The detectors 11 for detecting its bending, which is dependent on the actuating force, are protected with a seal 12 against the ingress of lubricating oil from the transmission space. Since the components adjacent to the seal 12 are free of rotation, free of axial displacement and only slightly radially movable relative to one another, a seal 12 of the simplest type is advantageously sufficient, for example a radial shaft sealing ring according to DIN 3760.
Die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung sind als für sich bekannte Dehnungsmeßstreifen ausgeführt, die mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden sind.The detectors 11 for detecting its deflection dependent on the actuating force are designed as known strain gauges which are connected to an evaluation device (not shown).
Während des Betriebes wird über den Momentenfluß 13 am treibenden Getriebeelement 1 gegen den Widerstand des getriebenen Getriebeelements 2 eine treibende Umfangskraft 61 entwickelt, die dem treibenden Drehmoment entspricht. Nach der Lehre der Kräfteverschiebung auf den Drehpunkt bewirkt diese treibende Umfangskraft 61 auf die Lager 31 und 32 wirkende Abstützkräfte 62 und 63, die sich beim festen Lager 31 gegen das Gehäuse 7 richten und beim verschieblich angeordneten Lager 32 auf die Lagerschale 4 fortpflanzen und eine zur treibenden Umfangskraft 61 proportionale, radiale Verschiebung der Lagerschale 4 hervorrufen. Die radiale Verschiebung der Lagerschale 4 bewirkt auf den Zapfen 6 ein stellkraftabhängiges Biegemoment, das mit den Detektoren 11 erfaßt wird und einem, nicht näher beschriebenen, jedoch für sich bekannten Meßwertverarbeitungsmittel zuführbar ist.During operation, a driving circumferential force 61 , which corresponds to the driving torque, is developed via the torque flow 13 on the driving gear element 1 against the resistance of the driven gear element 2 . According to the teaching of the shift of forces to the fulcrum, this driving circumferential force 61 acts on the bearings 31 and 32 supporting forces 62 and 63 which are directed against the housing 7 in the fixed bearing 31 and propagate on the bearing shell 4 in the displaceably arranged bearing 32 and one for driving circumferential force 61 cause proportional, radial displacement of the bearing shell 4 . The radial displacement of the bearing shell 4 brings about an actuating force-dependent bending moment on the pin 6 , which is detected by the detectors 11 and can be supplied to a measurement value processing means which is not described in detail but is known per se.
Dabei ist es von Vorteil, das dem treibenden Getriebeelement 1 näherliegende Lager 32 verschieblich anzuordnen. Die treibende Umfangskraft 61 wird dabei über den kürzeren Hebel der Welle 5 in eine proportionale Abstützkraft 62 transformiert, die bei vorgegebener maximaler Verbiegung des Zapfens 6 im interessierenden Stellkraftbereich des Stellantriebs zu meßbaren Stellkräften führt. An einer Vorgabe der maximalen Verbiegung des Zapfens 6 besteht ein konstruktives Interesse insoweit, als jede Lageverschiebung der Welle 5 das Traktionsverhalten des treibenden Getriebeelements 1 zum getriebenen Getriebeelement 2 beeinflußt.It is advantageous to slidably arrange the bearing 32 closer to the driving gear element 1 . The driving circumferential force 61 is transformed via the shorter lever of the shaft 5 into a proportional supporting force 62 which, with a predetermined maximum bending of the pin 6 , leads to measurable actuating forces in the actuating force range of interest of the actuator. There is a constructive interest in specifying the maximum deflection of the pin 6 in that each shift in the position of the shaft 5 influences the traction behavior of the driving gear element 1 relative to the driven gear element 2 .
Insbesondere bei Ausführung des treibenden Getriebeelements 1 und des getriebenen Getriebeelements 2 als Stirnräder ist eine im wesentlichen konstante Beabstandung der das treibende Getriebeelement 1 tragenden Welle 5 zu der das getriebene Getriebeelement 2 tragenden, nicht dargestellten Welle im Hinblick auf das Verschleißverhalten der Getriebestufe einzuhalten.In particular, in embodiments of the driving transmission element 1 and of the driven gear member 2 of spur gears has a substantially constant spacing of the driving gear member 1 supporting shaft to which the driven gear member 2 adhere 5-supporting shaft, not shown, with respect to the wear properties of the gear stage.
11
treibendes Getriebeelement
driving gear element
22nd
getriebenes Getriebeelement
driven gear element
3131
, ,
3232
Lager
camp
44th
Lagerschale
Bearing shell
55
Welle
wave
66
Zapfen
Cones
77
Gehäuse
casing
88th
Montageplatte
Mounting plate
99
Schraube
screw
1010th
Detektorposition
Detector position
1111
Detektor / Dehnungsmeßstreifen
Detector / strain gauge
1212th
Dichtung
poetry
1313
Momentenfluß
Torque flow
1414
Motor
engine
1515
Getriebe
transmission
1616
Abtrieb
Downforce
1717th
Armatur
Fitting
5151
, ,
5252
Wellenstumpf
Wave stump
6161
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 19834554 Format of ref document f/p: P |
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| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ABB PATENT GMBH, 68309 MANNHEIM, DE |
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| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ABB PATENT GMBH, 68526 LADENBURG, DE |
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