DE19857770A1 - Drehmomentmeßvorrichtung an rotierenden Bauteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmeßvorrichtung an rotierenden Bauteilen, wie Wellen oder Zapfen mit der die sich infolge der elastischen Verformung des Bauteils ergebende Längenänderung eines auf dem Bauteil befestigten Dehnungsmeßstreifens mit Hilfe dessen proportionaler Widerstandsänderung gemessen und berührungslos erfaßt wird, wobei für die berührungslose Einspeisung der Versorgungsenergie für den Dehnungsmeßstreifen sowie die ebenfalls berührungslose Rückübertragung der Meßwerte an eine Auswerteeinheit eine Rotorelektronik vorgesehen ist, die in einem den Dehnungsmeßstreifen umgreifenden Kunststoffring angeordnet ist. Dabei ist der Dehnungsmeßstreifen (5a bzw. 5b) zu seinem Schutz von einem formstabilen gegen das Bauteil (1) beidseitig des Dehnungsmeßstreifens (5a bzw. 5b) abgedichteten Metallschutzring (2) umgeben, der seinerseits koaxial auf seinem Umfang den die Rotorelektronik (9) aufnehmenden Kunststoffring (7) trägt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmeßvorrichtung an rotierenden Bauteilen, wie Wellen oder Zapfen mit der die sich infolge der elastischen Verformung des Bauteils ergebende Längenänderung eines auf dem Bauteil befestigten Dehnungsmeßstreifens mit Hilfe dessen proportionaler Widerstandsänderung gemessen und berührungslos erfaßt wird, wobei für die berührungslose Einspeisung der Versorgungsenergie für den Dehnungsmeßstreifen sowie die ebenfalls berührungslose Rückübertragung der Meßwerte an eine Auswerteeinheit eine Rotorelektronik vorgesehen ist, die in einem den Dehnungsmeßstreifen umgreifenden Kunststoffring angeordnet ist.

Drehmomentmeßvorrichtungen der gattungsgemäßen Art werden an rotierenden Bauteilen eingesetzt, wenn andere Meßverfahren, häufig wegen der schlechten Umgebungsbedingungen, nicht angewendet werden können. Es ist in der Meßtechnik üblich, die sich aus den wirksamen Kräften in einem Bauteil ergebenden elastischen Formänderungen mittels Dehnungsmeßstreifen zu erfassen, indem der elektrische Widerstand in dem Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Die Längenänderungen des auf das Bauteil geklebten Meßstreifens bei elastischen Formänderungen des Bauteils führen zur Veränderung des elektrischen Widerstandes, dessen Größe ein Maß für die wirksame Kraft und für die elastischen Verformung des Bauteils ist. Die proportionale Widerstandsänderung wird in einer Meßbrücke gemessen.

Diese bekannte Meßmethode wird auch zur Messung von Drehmomenten verwendet, indem der Dehnungsmeßstreifen auf die Oberfläche des betreffenden Bauteils geklebt wird und die sich in Umfangsrichtung ergebenden Längenänderungen über die proportionalen Widerstandsänderungen erfaßt werden. Üblicherweise wird der Dehnungsmeßstreifen mit einer Rotorelektronik verkabelt, die in einem Kunststoffring angeordnet ist, welcher den Dehnungsmeßstreifen umgibt und ihn gleichzeitig vor den Umgebungseinflüssen schützt. Insbesondere an Orten, die starken Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, z. B. bei Lagerzapfen von Walzwerkswalzen, besteht die dringende Notwendigkeit, für einen dauerhaften Schutz der Dehnungsmeßstreifen zu sorgen, und zwar sowohl vor mechanischen Einwirkungen als auch vor eindringenden Flüssigkeiten wie Walzöl oder Wasser. Dabei muß sichergestellt werden, daß der Kunststoffring mit der Elektronik sich nicht axial auf dem Bauteil verschiebt.

Es hat sich gezeigt, daß die bislang verwendeten Kunststoffringe bei stärkeren äußeren Einflüssen eine geringe Haltbarkeit aufweisen und daß eindringende Öle oder andere Flüssigkeiten den auf die Welle oder den Zapfen aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen ablösen, was zum Ausfall der Meßstelle führt. Auch mechanische Zerstörungen führten häufig zum Ausfall. Wird beispielsweise die mit einer gattungsgemäßen Drehmomentmeßvorrichtung versehene Antriebswelle aus einem Walzgerüst demontiert und unachtsam abgelegt, so führt dies meistens zu einer Zerstörung des montierten Kunststoffringes. Dieser kann auch nicht ohne weiteres zuvor demontiert werden, da dann der darunterliegende Dehnungsmeßstreifen offenliegen würde und verlorengehen kann. Eine Beschädigung der gelösten Kabelverbindung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen und der Elektronik im Kunststoffring ist ebenfalls zu erwarten.

Ausgehend von dem dargestellten Problem und den Nachteilen des Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß Ausfälle der Meßeinrichtung vermieden werden, die durch Beschädigungen der verwendeten Dehnungsmeßstreifen hervorgerufen werden. Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Dehnungsmeßstreifen zu seinem Schutz von einem formstabilen gegen das Bauteil beidseitig des Dehnungsmeßstreifens abgedichteten Metallschutzring umgeben ist, der seinerseits koaxial auf seinem Umfang den die Rotorelektronik aufnehmenden Kunststoffring trägt.

Zweck des beschriebenen Metallschutzringes ist es, den Dehnungsmeßstreifen vor Zerstörung durch mechanische äußere Einflüsse und eindringende Flüssigkeiten zu schützen, die zu einem Auflösen der Klebeverbindung und zum Ausfall der Meßvorrichtung führen können. Zusätzlich hat der Metallschutzring aber auch eine Trägerfunktion für den auf ihn konzentrisch montierten Kunststoffring, auf den zur Aufnahme der Rotorelektronik nicht verzichtet werden kann, da mit einem Metallring die berührungslose Energieübertragung nicht realisierbar wäre. Andererseits läßt sich ein Kunststoffring aber nicht so stark verspannen, wie dies mit dem beschriebenen Metallschutzring zur Lösung der Abdichtprobleme möglich ist. Der Metallschutzring der Erfindung läßt sich sehr gut und abdichtend verspannen und stellt somit einen sicheren Schutz für den empfindlichen Dehnungsmeßstreifen dar.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen und der Rotorelektronik über lösbare, in dem Metallschutzring vorgesehene abgedichtete Steckverbindungen erfolgt. Dieser Vorschlag der Erfindung erhöht die Wartungsfreundlichkeit der Meßeinrichtung deutlich; denn über die abgedichteten Steckverbindungen kann der Kunststoffring im Falle eines Defektes problemlos von dem Metallschutzring und dem darin geschützt aufgenommenen Dehnungsmeßstreifen getrennt werden. Dieser kann nicht verloren gehen, er bleibt auch nach der Demontage des defekten Kunststoffringes weiter geschützt, so daß das rotierende Bauteil weiter drehen kann, ohne das lose Kabel oder Stecker gefährdet werden. Nach Reparatur oder Ersatz des Kunststoffringes bzw. der darin eingebauten Elektronik läßt sich dieser einfach wieder auf den Metallschutzring montieren, nachdem die Steckverbindungen wieder hergestellt wurden.

Um sicherzustellen, daß sich der Kunststoffring nicht in Axialrichtung auf dem Metallschutzring verschiebt, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß dieser in einer um den Metallschutzring umlaufenden Umfangsnut angeordnet ist. Diese flache Nut bildet seitliche Begrenzungen für den Kunststoffring, so daß dieser auch in axialer Richtung sicher gehalten wird.

Vorzugsweise bestehen sowohl der Metallschutzring als auch der Kunststoffring jeweils aus Halbschalen, die durch Schraubverbindungen lösbar miteinander verbunden sind. Die Schraubverbindungen ermöglichen eine feste Montage und insbesondere für den Metallschutzring ein festes und umgebungsdichtes Verspannen mit dem Bauteil, auf dem sich der Dehnungsmeßstreifen befindet.

In einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen unter einem Metallschutzring angeordnet sind und jeder Dehnungsmeßstreifen an eine separate Steckverbindung anschließbar ist. Die Verklebung von zwei Dehnungsmeßstreifen unter dem Schutzring und das Herausführen je einer Kabelverbindung erhöht die Zuverlässigkeit der Meßstelle im Störungsfall. Fällt ein Dehnungsmeßstreifen aus, kann der die Elektronik im Kunststoffrings verbindende Stecker mühelos in die zweite Buchse des Metallschutzringes umgesteckt werden, wodurch die Meßstelle mit dem zweiten Dehnungsmeßstreifen wieder funktionsfähig ist. In diesem Fall braucht der Metallschutzring nicht demontiert zu werden.

Vorzugsweise besteht der Metallschutzring aus Stahl.

Die erfindungsgemäße Lösung ist vorteilhaft. Während es beim Stand der Technik bei der Demontage einer mit der Meßeinrichtung ausgestatteten Welle beim unachtsamen Ablegen häufig zu einer Zerstörung des montierten Kunststoffringes kam, kann der empfindliche Kunststoffring nach der Erfindung leicht abgenommen werden, ohne daß der den Dehnungsmeßstreifen schützende Metallschutzring entfernt werden muß. Dieser verbleibt auf dem Bauteil und schützt den Dehnungsmeßstreifen sicher gegen Stoß und mechanische Zerstörung, anders als beim Stand der Technik, wo beim Abnehmen des Kunststoffringes zwangsläufig der Dehnungsmeßstreifen freigelegt wurde. Die Dauerfestigkeit der Drehmomentmeßstelle wird damit deutlich erhöht, wobei die Handhabung der Meßstelle darüber hinaus verbessert wurde.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Drehmomentmeßvorrichtung und

Fig. 2 einen um 90° gedrehten Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung.

In Fig. 1 ist mit 1 das rotierende Bauteil, beispielsweise die Antriebswelle eines Walzwerkes bezeichnet, auf deren Umfang der Metallschutzring 2 aufgespannt ist.

Dieser Metallschutzring 2 besteht aus zwei gleich großen Halbschalen 2a, 2b, die mit den Schrauben 3 fest und abdichtend gegen den Umfang des Bauteils 1 verspannt sind. In der Halbschale 2a des Metallschutzringes 2 sind auf deren Innenumfang Ausnehmungen eingearbeitet, in deren Bereich die auf die Oberfläche des Bauteils 1 aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b angeordnet sind. Von diesen Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b führen nicht dargestellte Kabel zu den Steckern der Steckverbindungen 6a, 6b, deren Funktion später noch beschrieben wird.

Der Metallschutzring 2 wird koaxial von dem Kunststoffring 7 umgeben, der ebenfalls aus zwei gleich großen Hälften 7a und 7b besteht. Beide Hälften 7a und 7b sind mit den Schrauben 8 gegen den Außenumfang des Metallschutzringes 2 drehfest und axial unverschiebbar verspannt.

In den Innenumfang des Kunststoffringes 7 sind Ausnehmungen 9 und 10 eingebracht, in denen die Rotorelektronik eingebaut ist, die für die berührungslose von Außen erfolgende Einspeisung der Versorgungsenergie für die Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b und die ebenfalls berührungslose Rückübertragung der Meßwerte vorgesehen ist.

Wie in Fig. 2 erkennbar ist, ist die Außenoberfläche des Metallschutzringes 2 mit einer flachen umlaufenden Nut 11 versehen, die beidseitig durch Ansätze 12 begrenzt wird, die die Axialverschiebung des Kunststoffringes 7 verhindern. Erkennbar ist die Anordnung der Dehnungsmeßstreifens 5a, 5b in der Ausnehmung 4 des Metallschutzringes 2.

Über die Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b wird beim Betrieb der Anlage das Drehmoment erfaßt. Dieses Drehmoment spiegelt sich über die elastische Verformung der Antriebswelle 1 in der proportionalen Widerstandsänderung in den sich längenden Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b wieder. Der gemessene Wert wird über die zu den Steckverbindungen 6a, 6b geführte Kabel zu der Rotorelektronik 9 geleitet; ein entsprechendes Signal wird berührungslos von nicht dargestellten außerhalb des Kunststoffringes 7 angeordneten Leseelementen abgegriffen und als Drehmomentmeßwert sichtbar gemacht. Da zwei Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b vorhanden sind, von denen nur einer mit der Elektronik im Kunststoffring verbunden ist, kann im Falle einer Störung der jeweils andere Dehnungsmeßstreifen 5a oder 5b an die Rotorelektronik 9 angeschlossen werden, indem nach Abnehmen des Kunststoffringes lediglich die Stecker in den Steckverbindungen 6a, 6b umgesteckt werden. Bei Problemen mit der Rotorelektronik 9 braucht lediglich der Kunststoffring 7 nach Lösen der Schraubverbindungen 8 abgenommen und ersetzt bzw. repariert zu werden. Die Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b bleiben geschützt unter dem montierten Metallschutzring 2, die beiden Dehnungsmeßstreifen 5a, 5b sind gegen Wasser und Stöße vollkommen geschützt. Bei montiertem Kunststoffring kann das Aggregat weiter betrieben werden, weil weder lose Kabel umherfliegen noch die Dehnungsmeßstreifen sich lösen können.

Mit der Erfindung ist eine einfache aber sehr funktionssichere Lösung eines in der Praxis bedeutenden Problems gelungen. Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes arbeitet dauerfest und sicher und ist darüber hinaus äußerst wartungsfreundlich, ohne die Dauerfestigkeit des Systems negativ zu beeinflussen.

Claims (6)

1. Drehmomentmeßvorrichtung an rotierenden Bauteilen, wie Wellen oder Zapfen mit der die sich infolge der elastischen Verformung des Bauteils ergebende Längenänderung eines auf dem Bauteil befestigten Dehnungsmeßstreifens mit Hilfe dessen proportionaler Widerstandsänderung gemessen und berührungslos erfaßt wird, wobei für die berührungslose Einspeisung der Versorgungsenergie für den Dehnungsmeßstreifen sowie die ebenfalls berührungslose Rückübertragung der Meßwerte an eine Auswerteeinheit eine Rotorelektronik vorgesehen ist, die in einem den Dehnungsmeßstreifen umgreifenden Kunststoffring angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen (5a bzw. 5b) zu seinem Schutz von einem formstabilen gegen das Bauteil (1) beidseitig des Dehnungsmeßstreifens (5a bzw. 5b) abgedichteten Metallschutzring (2) umgeben ist, der seinerseits koaxial auf seinem Umfang den die Rotorelektronik (9) aufnehmenden Kunststoffring (7) trägt.

2. Vorrichtung zum Messung des Drehmomentes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen (5a bzw. 5b) und der Rotorelektronik (9) über lösbare, in dem Metallschutzring (2) vorgesehene abgedichtete Steckverbindungen (6a, 6b) erfolgt.

3. Vorrichtung zum Messung des Drehmomentes nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rotorelektronik (9) aufnehmenden Kunststoffring (7) in einer um den Metallschutzring (2) umlaufenden Umfangsnut (11) angeordnet ist.

4. Vorrichtung zum Messung des Drehmomentes nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Metallschutzring (2) wie auch der Kunststoffring (7) jeweils aus Halbschalen (2a, 2b, 7a, 7b) besteht und die Hälften durch Schraubverbindungen (3, 8) lösbar miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung zum Messung des Drehmomentes nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen (5a, 5b) unter einem Metallschutzring (2) angeordnet sind und jeder Dehnungsmeßstreifen (5a, 5b) an eine separate Steckverbindung (6a, 6b) anschließbar ist.

6. Vorrichtung zum Messung des Drehmomentes nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschutzring (2) aus Stahl besteht.