DE202004003978U1

DE202004003978U1 - Drehmomentbestimmung

Info

Publication number: DE202004003978U1
Application number: DE200420003978
Authority: DE
Original assignee: Eduard Wille GmbH and Co KG
Current assignee: Stahlwille Eduard Wille GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2014-03-12

Abstract

Drehmomentschlüssel (10) zum Übertragen und Messen eines Drehmoments M, enthaltend:
a) einen Hebelarm (20), an dessen einem Ende eine Kraft K aufgebracht wird, und
b) ein Verbindungsstück (22), welches am anderen Ende des Hebelarms (20) zum Übertragen des zu messenden Drehmoments M auf ein Werkstück angeordnet ist,
c) ein elastisches stabförmiges Biegeelement (12), welches am Hebelarme (20) zur Übertragung des zu messenden Drehmoments M vorgesehen ist,
d) zwei auf dem elastischen Biegeelement (12) in einem Abstand angeordnete Messsensoren (14, 16), welche bei Betätigung des Drehmomentschlüssels (10) ein elektrisches Signal entsprechend dem jeweils dort anliegendem Drehmoment liefern,
e) Analog-Digitalwandler, welche die analogen elektrischen Messsignalen der Messsensoren (14, 16) in digitale Messsignale umwandeln,
f) eine Verarbeitungseinheit mit einem Mikrokontroller, einer Speicher- und Ausgabeeinheit zur Verarbeitung und Ausgabe der Messsignale, gekennzeichnet, durch
f) Mittel (24) zur Auswertung der Messsignale des jeweils anliegenden Drehmoments, unabhängig vom jeweiligen...

Description

Die Erfindung betrifft Drehmomentschlüssel zum Übertragen und Messen eines Drehmoments, enthaltend:

a) einen Hebelarm, an dessen einem Ende eine Kraft aufgebracht wird, und
b) ein Verbindungsstück, welches am anderen Ende des Hebelarms zum Übertragen des zu messenden Drehmoments auf ein Werkstück angeordnet ist,
c) ein elastisches stabförmiges Biegeelement, welches am Hebelarm zur Übertragung des zu messenden Drehmoments vorgesehen ist,
d) zwei auf dem elastischen Biegeelement in einem Abstand angeordnete Messsensoren, welche bei Betätigung des Drehmomentschlüssels ein elektrisches Signal entsprechend dem jeweils dort anliegendem Drehmoment liefern,
e) Analog-Digitalwandler, welche die analogen Messsignale der Messsensoren in digitale Messsignale umwandeln,
f) eine Verarbeitungseinheit mit einem Mikrokontroller, einer Speicher- und Ausgabeeinheit zur Verarbeitung und Ausgabe der Messsignale.

Stand der Technik
Solche Drehmomentschlüssel werden verwendet, um Drehmomente zu messen. Die Drehmomentschlüssel werden dazu mittels geeigneten Verbindungsstücks beispielsweise an einen Schraubenkopf oder Schraubenmutter angesetzt.
In der europäischen Offenlegungsschrift 0100 023 A2 wird ein Drehmomentschlüssel beschrieben, der über einen Hebelarm verfügt, über dessen einen Ende eine Kraft aufgebracht wird. An einem elastischen Biegestab, welcher am Hebelarm zur Übertragung des zu messenden Drehmoments vorgesehen ist, sind zwei in einem Abstand angeordnete Dehnungsmessstreifen befestigt, welche bei Betätigung des Drehmomentschlüssels ein elektrisches Signal liefern. Jeder der Dehnungsmessstreifen ist jeweils unabhängig in einer Wheatstone-Messbrücke geschaltet. Die Querspannungen der beiden Wheatstone-Messbrücken werden jeweils verstärkt und einem Analog-Digitalwandler aufgeschaltet. Die Analog-Digitalwandler wandeln die analogen Messsignale in digitale und für einen Mikroprozessor verarbeitbare Messsignale um. Der Mikroprozessor verknüpft die digitalen Messsignale miteinander. Die Verknüpfung der digitalen Messsignale zur Berechnung des Drehmoments, welches mittels des Drehmomentschlüssels an ein Werkstück angesetzt wird, setzt immer voraus, dass der Abstand des zweiten Dehnungsmessstreifens immer exakt das Doppelte vom Abstand des ersten Dehnungsmessstreifens beträgt. Jeweils vom Drehmittelpunkt an gerechnet.
Es hat sich als nachteilig bei diesen Drehmomentschlüsseln erwiesen, dass die Dehnungsmessstreifen immer sehr exakt auf den Biegestab befestigt werden müssen, da sich sonst das Drehmoment nicht bestimmen lässt. Dies erfordert einen erhöhten Produktionsaufwand und ist mit einem entsprechenden Kostenaufwand verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Drehmomentschlüssel zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik beseitigt und ein präzises Aufbringen der Dehnungsmessstreifen unnötig macht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten An bei einem Drehmomentschlüssel f) Mittel zur Auswertung der Messsignale des jeweils anliegenden Drehmoments unabhängig vom jeweiligen Abstand der Messsensoren untereinander, unter Verwendung einer der Beziehungen für das anliegende Drehmoment M
vorgesehen sind.
Der erste Messsensor befindet sich am Ortl₁. Der zweite Messsensor liegt am Ort l₂ des Drehmomentschlüssels. Die Entfernungen der Messsensoren können nun grundsätzlich willkürlich gewählt werden.
Mit M ist ein Drehmoment bezeichnet. Das Drehmoment M setzt sich aus den Komponenten M₁₁, M₂₁, M₂₁ und M₂₂ zusammen, die jeweils an den Messsensoren anliegen.
Der Vorteil der sich durch diese Lösung ergibt zeigt sich darin, dass die Positionierung auf dem Biegeelement für die Messsensoren nicht mehr exakt ausgemessen werden müssen. Dies war bisher ein Problem bei der Seriengenauigkeit. Ferner kann die Justierung des Drehmomentschlüssels mit einem beliebigen, aber bekannten Drehmoment mit unterschiedlichen Hebelarmen, d.h. einem kürzeren und einem längeren Hebelarm, erfolgen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Auslastung des Mikrokontrollers durch die Rechenoperationen sehr gering gehalten wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssels ergibt sich, indem die Messsensoren als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sind, welche bei Betätigung des Drehmomentschlüssels ein elektrisches Signal liefern, wobei jeder Dehnungsmessstreifen jeweils unabhängig in einer Wheatstone-Messbrücke geschaltet ist. Zur besseren Verarbeitung der Signale sind ferner die Analog-Digital-Wandler jedem der Wheatstone-Messbrücken nachgeschaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Messsensoren als optische Messsensoren ausgebildet. Dies erlaubt es die jeweiligen Drehmomente unter optisch beispielsweise unter Verwendung von Lichtstrahlen und deren Strahlengänge zu erfassen. Für eine solche Anordnung wird z.B. der Lichtstrahl einer geeigneten Lichtquelle, wie eine Laserdiode, auf einen Lichtsensor geführt. Durch anliegen eines Drehmoments wird der Lichtstrahl aus seiner ursprünglichen Position gebracht. Die Positionsänderung des Lichtstrahls wird durch den Lichtsensor erfasst. Jede Lage des Lichtsstrahls entspricht dann einem anliegenden Drehmoment. Diese Lage des Lichtstrahls wird daher durch den Lichtsensor ermittelt und ein elektrisches Messsignal erzeugt. Dieses Messsignal wird anschließend wie beim Dehnungsmessstreifen weiterverarbeitet.
Eine weiter bevorzugte Ausbildung der Erfindung ergibt sich entsprechend zu den optischen Messsensoren durch Einsatz von mechanischen Messsensoren als Messsensoren.
Weitere Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche, sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssel.
2 zeigt ein Diagramm mit den jeweilig anliegenden Drehmomenten.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
In 1 wird in einer stark vereinfachten Prinzipskizze ein erfindungsgemäßer Drehmomentschlüssel 10 dargestellt. In dem Drehmomentschlüssel 10 ist ein stabförmiges Biegeelement 12 und Griff 13 integriert. Das Biegeelement 12 ist schraffiert gekennzeichnet. Auf dem Biegeelement 12 sind zwei Dehnungsmessstreifen 14, 16 jeweils in Längsrichtung des Drehmomentschlüssels 10 befestigt. Der Dehnungsmessstreifen 14 befindet sich in einem geringeren Abstand zur Drehachse 18 des Drehmomentschlüssels 10, als der Dehnungsmessstreifen 16. Der Hebelarm 20 erstreckt sich von der Drehachse 18 über das Biegeelement 12 und den Griff 13 des Drehmomentschlüssels 10. Mit einem Verbindungsstück 22 kann das aufzubringende Drehmoment auf ein Werkstück übertragen werden.
Die Dehnungsmessstreifen 14, 16 registrieren den Biegegrad jeweils in ihrem Befestigungspunkt an dem Biegeelement 12 und liefern ein entsprechendes elektrisches Signal, welches proportional zum Drehmoment in dem Punkt ist. Die Dehnungsmessstreifen 14, 16 sind dazu jeweils in eine Wheatstone-Messbrücke integrert. Die an den Wheatstone-Messbrücken abgreifbaren Querspannungen werden in Signalverstärkern verstärkt und in einem Analog-Digitalwandler digitalisiert. Ein Mikrokontroller kann die so erfassten Messwerte verarbeiten und das anliegende Drehmoment um die Drehachse 18 erfassen. Durch Aufbringen einer Kraft auf den Hebelarm 20 verbiegt sich das Biegeelement 12. Die Dehnungsmessstreifen 14, 16 werden gestaucht oder gestreckt und liefern hierdurch ein elektrisches Signal. Mit 24 wird eine Signalverarbeitungseinheit bezeichnet. Die Signalverarbeitungseinheit 24 ist in dem Drehmomentschlüssel 10 integrert und beinhaltet Teile der Wheatstone-Messbrücken, die Signalverstärker, die Analog-Digital-Wandeler, den Mikrokontroller und eine Anzeige für das Drehmoment. Diese Bestandteile werden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht extra dargestellt.
Anhand von 2 soll erläutert werden, wie das Drehmoment bestimmt wird. In 2 wird ein Diagramm mit verschiedenen Drehmomenten M über dem Hebelarm 20 abgebildet. Auf der Abszisse dieses Diagrams ist die jeweilige Länge l_x am Drehmomentschlüssel 10, gemessen von der Drehachse 18, aufgetragen. Die Ordinate zeigen die entsprechenden Drehmomente M. Der erste Dehnungsmessstreifen 14 befindet sich am Ortl₁. Der zweite Dehnungsmessstreifen 16 liegt weiter von der Drehachse 18 entfernt, nämlich am Ort l₂ des Drehmomentschlüssels 10. Die Entfernungen der Dehnungsmessstreifen 14, 16 von der Drehachse 18 können grundsätzlich willkürlich gewählt werden.
Es soll nunmehr ein Drehmoment M erzeugt werden. Je nach dem, an welcher Stelle des Drehmomentschlüssels 10 eine Kraft K angreift, desto größer bzw. kleiner ist die benötigte Kraft K_x zur Erzeugung dieses Drehmoment M . Eine Kraftt K₁, welche in einem ersten Punkt am Hebelarm 20 des Drehmomentschlüssels angreift, erzeugt im ersten Dehnungsmessstreifen 14 ein Drehmoment M₁₁ und im zweiten Dehnungsmessstreifen 16 ein Drehmoment M₂₁. Eine zweite Kraft K₂ , welche in einem zweiten Punkt am Hebelarm 20 des Drehmomentschlüssels 10 angreift, erzeugt im ersten Dehnungsmessstreifen 14 entsprechend ein Drehmoment M₁₂ und im zweiten Dehnungsmessstreifen 16 ein Drehmoment M₂₂. Daraus ergibt sich nachfolgende Beziehung:
Dabei ist l₁ der Abstand des ersten Dehnungsmessstreifens 14 und 1₂ der Abstand des zweiten Dehnungsmessstreifens 16 jeweils von der Drehachse 18. Durch einfache Umformung erhält man
Durch weitere Umformung lässt sich das Verhältnis der Abstände 1₁ und 1₂ durch die Drehmomente in den Dehnungsmessstreifen darstellen:
Damit lässt sich das Drehmoment allein mit den Drehmomenten M₁₁, M₁₂, M₂₁ und M₂₂, welche in den Dehnungsmessstreifen 14, 16 vorherrschen, bestimmen, ohne die Abstände l₁ und l₂ der Dehnungsmessstreifen 14 bzw. 16 von der Drehachse 18 berücksichtigen zu müssen.
Wird Gleichung (3) in die Gleichungen (4) bzw. (5) für das Verhältnis der Abstände l₁ zu l₂ eingesetzt, erhält man nachfolgend aufgeführte Gleichungen (6) und (7):
Diese Gleichungen (6) und (7) enthalten nur noch Werte von Drehmomenten.

Claims

Drehmomentschlüssel (10) zum Übertragen und Messen eines Drehmoments M, enthaltend: a) einen Hebelarm (20), an dessen einem Ende eine Kraft K aufgebracht wird, und b) ein Verbindungsstück (22), welches am anderen Ende des Hebelarms (20) zum Übertragen des zu messenden Drehmoments M auf ein Werkstück angeordnet ist, c) ein elastisches stabförmiges Biegeelement (12), welches am Hebelarme (20) zur Übertragung des zu messenden Drehmoments M vorgesehen ist, d) zwei auf dem elastischen Biegeelement (12) in einem Abstand angeordnete Messsensoren (14, 16), welche bei Betätigung des Drehmomentschlüssels (10) ein elektrisches Signal entsprechend dem jeweils dort anliegendem Drehmoment liefern, e) Analog-Digitalwandler, welche die analogen elektrischen Messsignalen der Messsensoren (14, 16) in digitale Messsignale umwandeln, f) eine Verarbeitungseinheit mit einem Mikrokontroller, einer Speicher- und Ausgabeeinheit zur Verarbeitung und Ausgabe der Messsignale, gekennzeichnet, durch f) Mittel (24) zur Auswertung der Messsignale des jeweils anliegenden Drehmoments, unabhängig vom jeweiligen Abstand der Messsensoren (14, 16) untereinander, unter Verwendung einer der Beziehungen für das anliegende Drehmoment M
Drehmomentschlüssel (10) zum Übertragen und Messen eines Drehmoments M, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensoren als Dehnungsmessstreifen (14, 16) ausgebildet sind, welche bei Betätigung des Drehmomentschlüssels (10) ein elektrisches Signal liefern, wobei jeder Dehnungsmessstreifen (14, 16) jeweils unabhängig in einer Wheatstone-Messbrücke geschaltet ist.
Drehmomentschlüssel (10) zum Übertragen und Messen eines Drehmoments M, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analog-Digital-Wandler jedem der Wheatstone-Messbrücken nachgeschaltet sind.
Drehmomentschlüssel (10) zum Übertragen und Messen eines Drehmoments M, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensoren als optische Messsensoren ausgebildet sind.
Drehmomentschlüssel (10) zum Übertragen und Messen eines Drehmoments M, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensoren als mechanische Messsensoren ausgebildet sind.