DE2157551B2 - Drehmomentmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmeßvorrichtung mit einem durch das zu messende Drehmoment beaufschlagten Torsionselement, an dessen Enden je ein Unterbrecherglied drehfest angebracht ist, mit Einrichtungen zum Richten je eines Energiestrahls auf den jeweiligen Unterbrecherbereich, mit je einem Energiedetektor zur Erfassung des unterbrochenen Energiestrahles und einem phasenempfindlichen Meßinstrument, an das die Auseanessienale der Enereiedetektoren angelegt sind.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-AS 12 24 956 bekannt Diese Vorrichtung ist mit dem Nachteil beh&ftet, daß die Ausgangsimpulse der Energiedetektos ren erst: ab einer bestimmten Minimaldrehzahl mit ausreichender Rate bzw. Frequenz am phasenempfindlichen Meßinstrument anliegen, so daß dieses richtig ansprechen kann. Unterhalb dieser Minimaldrehzahl, insbesondere bei Stillstand des Torsionselementes, ist die Frequenz der Detektorausgangsimpulse zu gering, die Signale sind für die phasenempfindliche Meßvorrichtung nicht verwendbar, und eine Messung ist nicht möglich.
Bei der Vorrichtung nach der DE-AS 12 24 956 kann keine statische Kalibrierung durchgeführt werden. Es ist nur eine Kalibrierung unter dynamischen Bedingungen oberhalb der minimalen Drehzahl möglich, was einen erheblichen Nachteil bedeutet Auch bedarf die Meßeinrichtung einer relativ aufwendigen Elektronik.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine DrehmomentmeBvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau Messungen sowohl bei ruhendem als auch bei bewegtem Torsionselement erlaubt

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß je ein weiteres, den jeweiligen Energiestrahl zusätzlich unterbrechendes Glied und eine Einrichtung zum synchronen Antrieb der beiden weiteren Unterbrecherglieder vorgesehen ist.

Durch die Hinzufügung weiterer, sich synchron bewegender Unterbrecherglieder liefern die beiden Energiedetektoren auch bei ruhendem Torsionselement eine Ausgangsimpulsfolge mit ausreichender Frequenz, so dall in bekannter Weise durch Phasenvergleich eine vom a:u bestimmenden Drehmoment abhängige Meßgröße ermittelt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei stillstehendem Torsionselement einfach kalibriert werden, wenn statische Drehmomente von leicht bestimmbarer Größe auf das Torsionselement ausgeübt werden können. Sie ist somit bei ruhendem und bei bewegtem Torsionsclement einsetzbar.

Bei entsprechender Auslegung der Unterbrecherglieder und der Detektoren können außer den bekannteres weise eingesetzten Lichtstrahlen auch andere Energiequellen, beispielsweise Ultraschallgeber oder dergleichen verwendet werden.

Für die Messung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Vorrichtung so weitergebildet wird, daß der

so Querschnitt des durch jedes weitere Unterbrecherglied durchgelassenen Energiestrahls kleiner als der empfindliche Bereich des jeweiligen Energiedetektors ist. Durch Anordnen der weiteren Unterbrecherglieder zwischen der den Energiestrahl aussendenden Einrichtung und dem jeweils ersten Unterbrecherglied wird ein besonders guter Aufbau ermöglicht.

Eine; Weiterbildung dadurch, daß die Unterbrecherglieder jeweils mit mindestens zwei Unterbrecherbereichen versehen sind, ermöglicht es, das Torsionsmeßgerät als Mehrbereichsinstrument zu verwenden, wobei vereinfachte phasenempfindliche Meßinstrumente mit eingeschränktem Frequenzbereich verwendet werden, ohne daß die Meßgenauigkeit herabgesetzt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung

der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die bevorzugte Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der ersten Unterbrecherglieder entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der weiteren

Unterbrecherglieder vorgesehen. Dadurch wird die Gefahr vermieden, daß bei fast oder vollständig übereinstimmenden Geschwindigkeiten der Unterbrecherbereichsbewegungen eine Ablesung acht möglich ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den übrigen Unteransprüchen gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine .Draufsicht eines TorsionsmeBgeräts mit einer torsionsempfindlichen Welle,

Fig.2 eine Seitenansicht einer Unterbrecherscheibe und einer ihr zugeordneten Abtastscheibe,

F i g. 3 eine Seitenansicht des Gegenstands der F i g. 2, in der Einzelheiten der Lichtquelle und des Detektors dargestellt sind,

Fig.4 die Unterbrecherscheibenanordnung eines Mehrbereichs-Torsionsmeßgerätes.

In Fig. 1 ist eine Drehmomentmeßvorrichtung mit einer Torsionswelle 1 gezeigt, die eine Stahlweiie umfaßt, die so dimensioniert ist, daß sie sich unter dem Einfluß eines zwischen ihren Enden 2 und 3 angelegten Drehmoments auf solche Weise elastisch verdreht bzw. verwindet, daß der Verdrehungswinkel proportional zum angelegten Drehmoment ist

Zwei ähnliche als Unterbrecherglieder dienende Scheiben 4,5 sind an jeweils einem Ende der Welle 1 an den Endabschnitten 2, 3 starr befestigt. Jede Unterbrecherscheibe 4,5 weist längs des Umfangs eine Reihe von in Umfangsrichtung mit Abstand angeordneten radialen Schlitzen 6 auf, wie F i g. 2 zeigt

Zwei ähnliche als Unterbrecherglieder dienende Abtastscheiben 7,8 sind an einer Welle 9 so angebracht daß ihre äußeren Kantenbereiche mit jeder der Unterbrecherscheiben 4,5 überlappen. Es ist eine Welle 9 mit einem kleinen Motor 10 mit konstanter Drehzahl vorgesehen, so daß die Abtastscheiben in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Unterbrecherscheiben gedreht werden können. Jede Abtastscheibe 7,8 weist eine Reihe von Löchern 11 auf, die mit gleichem Abstand um die Scheibe herum in solchem radialen Abstand angeordnet sind, daß die Löcher mit den Schlitzen 6 in den Unterbrecherscheiben 4, 5 überlappen. Die Löcher U sind in einem Abstand voneinander angeordnet der erläutert wird.

Im Überlappungsbereich einer Unterbrecher scheibe 4 und der ihr zugeordneten Abtastscheibe 7 ist auf einer Seite eine als Energiedetektor dienende fotoelektrische Zelle 12 angeordnet Sie ist eine Kegelreflektorzelle, die Licht Ober einen rechtwinkligen Bereich 13 empfängt, der so angeordnet ist daß er hinter dem Überlappungsbereich liegt Auf der anderen Seite der Scheiben ist eine Lichtquelle 14 vorgesehen. Die Unterbrecherscl.iibe 5 und die ihr zugeordnete Abtastscheibe 8 sind mit einer ähnlichen Lichtquelle 15 und einer fotoelektrischen Zelle 16 versehen.

Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Zellen 12, 16 werden einem phasenempfindüchen Frequenzmeßgerät 17 zugeführt, das eine Anzeige liefert, die stets proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangssignalen ist

Die Frequenz des Ausgangssignals einer fotoelektrischen Zelle wird aus zwei Komponenten gebildet. Die erste Komponente ist durch die Anzahl der als Energiestrahlen dienenden Lichtstrahlen gegeben, die pro Sekunde die Abtastscheibe durch die Zellenöffnung 13 durchqueren. Die Frequenz dieser Komponente liegt oberhalb der Schwellenfrequenz des phasenempfindlichen Meßinstrumentes, was durch Drehen der Abtastscheibe mit genügend hoher Drehzahl erreicht wird. Die zweite komponente ist durch jede Unterbrechung gegeben, die der durchquerende Strahl beim Durchkreuzen der öffnung 13 erfährt Diese Unterbrechungen werden durch die Unterbrecherscheibe bewirkt und sind von der Drehzahl dieser Scheibe und der Anzahl ihrer Schlitze abhängig.
Der Abstand zwischen den Löchern 11 kann größer

ίο als die Größe der öffnung 13 sein, so daß jeweils nur ein Loch licht zu der Zelle durchläßt Alternativ können die Löcher in einem Abstand voneinander angeordnet sein, der gleich dem Abstand der Schlitze in den Unterbrecherscheiben oder ein Vielfaches davon ist In diesem Fall sollten die Lücher in der Umfangsbreite schmaler als der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Schlitze in der Unterbrecherscheibe sein, um zu gewährleisten, daß die fotoelektrische Zelle keinen kontinuierlichen Lichtstrahl empfängt

Die Frequenz des Ausgangssignals der anderen fotoelektrischen Zelle ist auf gleiche Weise gebildet Da die Unterbrecherscheiben 4, 5 beide dieselbe Anzahl von Schlitzen aufweisen und sich mit der Drehzahl der Torsionswelle drehen und da die Abtastscheiben 7, 8 beide dieselbe Anzahl von Löchern aufweisen und durch dieselbe Achse 9 gedreht werden, ist die Frequenz der Ausgangssignale der beiden fotoelektrischen Zellen gleich. Jegliches Verbiegen bzw. Verdrillen der Torsionsweile 1 aufgrund eines Drehmoments zwischen

ihren Enden 2, 3 bewirkt jedoch eine Änderung der Phasenlage der beiden Signale zueinander, die am Meßgerät 17 angezeigt wird.

Im folgenden wird die Kalibrierung des Torsionsmeßgeräts beschrieben. Die Torsionswelle 1 wird stationär gehalten und eine Einrichtung aufgebaut die ein Drehmoment zwischen ihren Enden 2, 3 anlegt Der kleine Motor 10 wird auf seine konstante Drehzahl eingestellt Es wird kein Drehmoment an die Welle angelegt woraufhin jede Fotozelle ein Ausgangssignal mit einer Frequenz liefert die gleich der Frequenz der sich an der öffnung 13 vorbeibewegenden Locher 11, multipliziert mit der Zahl von stationären Schlitzen 6, die sich bereits über der öffnung 13 befinden, ist Jede Phasendifferenz zwischen den Signalen ist der NuII-punktfehler (aufgrund nicht perfekter Ausrichtung der beiden Unterbrecherscheiben). Dementsprechend wird der Nullpunkt des Phasenmeßgeräts eingestellt

Ein gemessenes Drehmoment wird dann an die Welle angelegt, um eine relative Drehung der Scheiben zueinander hervorzurufen und eine Phasenänderung in den Signalen zu erzeugen. Durch wiederholtes Anlegen verschiedener statischer Drehmomente kann die Skala des Meßgeräts vollständig direkt in Drehmomentmeßwerten gereicht werden.

Im folgenden wird jetzt die Benutzung des Torsionsmeßgeräts beschrieben. Ist die Einrichtung einmal kalibriert, kann sie für direkte Drehmomentmessung bei sich drehender Torsionswelle verwendet werden. Die Messungen können von der Drehzahl Null der

bo Torsionswelle an aufwärts ausgeführt werden, da die

Abtastscheiben gewährleisten, daß selbst bei der Drehzahl Null eine gegebene Signalfrequenz das Phasenmeßgerät erreicht. Bei einer zweiten, in F i g. 4 dargestellten Ausfüh-

rungsform ist ein Torsionsmeßgerät im wesentlichen entsprechend der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme angeordnet, daß die Abtast- und Unterbrecherscheiben mit mehr als einer Reihe von Löchern

bzw. Schlitzen versehen sind. Jede Reihe 19, 20 von Schlitzen besitzt eine unterschiedliche Anzahl von Schlitzen. Durch geeignete Anpassung des Frequenzmeßgerlts kann das Torsionsmeßgerät so angeordnet sein, daß es als Mehrbereichsinstrument zur Messung eines Drehmoments Ober einen weiten Bereich von Torsionswellen-Drehzahlen dient.

Statt der Abtastscheibe kann auch eine andere Einrichtung verwendet werden, damit ein Strahl den Detektorbereich durchquert Auf ähnliche Weise kann eine einzige Lichtquelle verwendet werden, und es können iwei getrennte, wenngleich synchronisierte

Motoren zur Drehung der Abtastscheibe verwendet werden. Des weiteren können die öffnungen in den Scheiben ebenso wie die Öffnung der fotoelektrischen Zelle eine beliebige geeignete Form besitzen.

Zusammen mit einem geeigneten Detektor kann jede leicht unterbrechbare Energiequelle verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf die Benutzung von Lichtenergie beschränkt

Ein Torsionsmeßgerät gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß es auf eine stationäre oder sich drehende Welle ausgeübte Drehmomente messen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. DrehmomentmeBvorrichtung mit einem durch das zu messende Drehmoment beaufschlagten Torsionselement, an dessen Enden je ein Unterbrecherglied drehfest angebracht ist, mit Einrichtungen zum Richten je eines Energiestrahls auf den jeweiligen Unterbrecherbereich, mit je einem Energiedetektor zur Erfassung des unterbrochenen Energiestrahles und einem phasenempfindlichen Meßinstrument, an das die Ausgangssignale der Energiedetektoren angelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß je ein weiteres, den jeweiligen Energiestrahl zusätzlich unterbrechendes Glied (7; 8) und eine Einrichtung (9, 10) zum synchronen Antrieb der beiden weiteren Unterbrecherglieder (7; 8) vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt des durch jedes weitere Unterbrecherglied (7; β) durchgelassenen Energiestrahls kleiner als der empfindliche Bereich (13) des jeweiligen Energiedetektors (12; 16) ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Unterbrecherglieder zwischen der den Energiestrahl aussendenden Einrichtung und dem jeweils ersten Unterbrecherglied (4; 5) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecherglieder (4; 5 und 7; 8) jeweils mit mindestens zwei Unterbrecherbereichen (19,20) versehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugte Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der ersten Unterbrecherglieder (4; 5) entgegensetzt zur Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der weiteren Unterbrecherglieder (7; 8) ist

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Energiestrahl ein Lichtstrahl ist und daß die Energiedetektoren (12; 16) fotoelektrische Zellen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Unterbrecherglied (4,5 und 7,8) mit einer oder mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Reihen (19, 20) von Schlitzen oder Öffnungen versehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erste Unterbrecherglied eine Scheibe (4; 5) ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Unterbrecherglieder mit einer gemeinsamen Achse (9) von einem Synchronmotor (10) angetriebene Scheiben (7; 8) sind.