DE2332056A1

DE2332056A1 - Vorrichtung zur messung des drehmomentes einer welle

Info

Publication number: DE2332056A1
Application number: DE2332056A
Authority: DE
Inventors: James R Parkinson
Original assignee: Simmonds Precision Products Inc
Current assignee: Simmonds Precision Products Inc
Priority date: 1972-06-26
Filing date: 1973-06-23
Publication date: 1974-01-17
Also published as: CH569962A5; JPS4993067A; GB1391756A; CA981750A; FR2191110B3; US3796093A; FR2191110A1; DE2332056C3; DE2332056B2

Description

HEINZ LINSER · PATENTANWALT THYSIKtR

6072 DREIEICHENHAIN BERLINER RING 170 RUF (061 03) B 13 13

He 432.D

Simmonds Precision Products, Inc., Tarrytown. N.Y./USA

Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer

Welle

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle bei allen Wellengeschwindigkeiten, einschließlich im Stillstand, mit einer Vergleichseinrichtung, welche mit einer Welle starr verbunden ist und einer auf ein •Drehmoment ansprechenden Einrichtung, welche ebenfalls mit der Welle starr verbunden, jedoch von der Vergleichseinrichtung versetzt angeordnet ist,und mit mindestens einer Signale erzeugenden Meßeinrichtung, welche nahe der Vergleichseinrichtung, und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und derart ausgebildet ist, daß phasenvergleichbare Signale zur Ermittlung eines Signals erzeugt werden, welches einem Drehmoment entspricht.

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POSTSCHECKKONTO FBANKFUHT IMAIN) 1Μ»β« · DRESDNER BANK 6078 NEU-ISENBURG KONTO 8313879

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Bei einer Einrichtung zur Messung einer Phasenverschiebung wird üblicherweise'von der Bewegung des Systems, mit dem die Messung durchgeführt wird, ein Sinuswellenpaar erzeugt, indem ein Magnetfluß zwischen einer magnetischen Meßeinrichtung und dem System zur Erzeugung der Sinuswellen aufgerissen wird. Es ist auch bereits bekannt, ein System mit Fotozellen zu verwenden, bei dem ein Lichtstrahl durch Bewegung des Systems unterbrochen wird. Bei der bekannten magnetischen Einrichtung ist ein gezahntes Räderpaar mit dem System fest verbunden, und an eine magnetische Meßeinrichtung gekoppelt, während bei einem optischen System geschlitzte Scheiben mit dem System fest verbunden sind. Das gemessene Kennmerkmal wird auf die relative Stellung der Räder oder Scheiben zueinander bezogen und kann ein Drehmoment, eine Stellung oder irgendeine andere Eigenschaft eines Systems sein, welche durch eine relative Stellungsdifferenz zwischen den Komponenten des Systems dargestellt werden kann.

Wenn ein Drehmoment das zu messende Kennmerkmal ist und des System, bei dem die Messung durchgeführt werden soll, eine Welle aufweist, so ist es bekannt von der Torsion der Welle ein Vergleichssignal und ein drehmoment-empfindliches Signal abzuleiten, wobei die relative Phasendifferenz zwischen den zwei Signalen auf das Drehmoment der Welle bezogen wird.

Im einzelnen ist eine Vergleihsvorrichtung, welche ein gezahntes, an einer Manschette befestigtes Vergleichsrod aufweisen kann, an eino?Welle befestigt, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Eine auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, welche ein gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes Rad aufweist, dat, direkt auf der Welle befestigt ist, ist von dem Punkt, an dem die Manschette der Vergleichseinrichtung befestigt ist, entfernt angeordnet, und ist durch ein auf die Welle einwirkendes Drehmoment relativ zur Vergleichseinrichtung winkelmäßig verschiebbar.

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Um von der relativen Stellung der zwei gezahnten Räder ein Signal abzuleiten, welches ein Drehmoment anzeigt, wird eine magnetische Meßeinrichtung mit dem gezahnten Vergleicherad und eine zweite magnetische Meßeinrichtung mit dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad magnetisch gekoppelt. Wenn sich die Welle dreht und die Zähne der.zwei Räder an den ihnen zugeordneten magnetischen Meßeinrichtungen vorbei gehen, wird der Magnetfluß zwischen den magnetischen Meßeinrichtungen und den Rädern gestört und es werden durch die Meßeinrichtungen nachweisbare elektrische Sinußwellen erzeugt. Da die relative Stellung des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Redes in Bezug auf das gezahnte Vergleichsrnd für die Torsion der Welle kennzeichnend ist, sind die SinuBwellen voneinander um eine Phasendifferenz verschoben, die auf die Stellung der zv/ei Räder und damit auf das Drehmoment der Welle bezogen ist.

Aus den US-Patenten Nr. 3 5J8 762 und 3 548 649 sind auch bereits verschiedene Abwandlungen der genannten Systeme bekannt, um eine Fehlausrichtung der Welle zu kompensieren und um an Stelle von zwei Meßeinrichtungen nur eine zu verwenden.

Ein erheblicher Nechteil der bekannten Drehmomentmeßeinrichtungen dieser Art besteht insbesondere darin, daß zwischen dem System und der Meßeinrichtung eine relative Bewegung erforderlich ist, um brauchbare Sinuswellen zu erzeugen. Die gegenwärtig bekannten Meßvorrichtungen sind unwirksam, wenn das System sich im Stillstand befindet. Die bekannten Drehmomentsysteme sind daher nicht in der L,ge bei geringen Drehzahlen oder beim Stillstand der, Welle Messungen durchzuführen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgebe zugrunde, eine Phasenmeßeinrichtung vorzuschlagen, mit der ein Kennmerkmal eines

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Systems gemessen werden kann, unabhängig davon, ob sich das System bewegt oder nicht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Phasenmeßeinrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle bei allen V/el lend rehzahl en, einschließlich Null, vorzuschlugen.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß bei der eingangs aufgeführten Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle mindestens eine Meßeinrichtung relativ zur Vergleichseinrichtung und zur auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung bewegbar ist, wobei ein Antrieb die Meßeinrichtung bzw. Meßeinrichtungen antreibt und eine die Geschwindigkeit der Welle messende Einrichtung derartig ausgebildet ist, daß der Antrieb dann erregbar ist, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Welle unter einen minimalen Ansprechwert sinkt. Die Vergleichseinrichtung und die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung sind vorzugsweise als an sich bekannte gezahnte Räder ausgebildet.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung nach der Erfindung weist die Meßeinrichtung eine oder mehrere Getriebeschnecken auf, die nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind. In einer weiteren Außführungs-fonn der Erfindung weist die Meßeinrichtung ein oder mehrere gezahnte Räder auf, die nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind. Vorzugsweise ist eine zweite Meßeinrichtung relativ zur Vergleichaeinrichtung und zur auf ein Drehmoment absprechenden Einrichtung bewegbar, nahe diesen Einrichtungen angeordnet und mit diesen Einrichtungen gekoppelt, wobei die zweite Meßeinrichtung einen Antrieb aufweist, der diese, gesteuert von der Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit, antreibt. Die zweite Meßeinrichtung

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ist vorzugsweise zu der ersten Meßeinrichtung um 18o° versetzt angeordnet. Die zweite Meßeinrichtung weist vorzugsweise _ mindestens ein gezahntes Rad auf, das mit der Vergleicheeinrichtung und der euf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Meßeinrichtung mindestens eine Getriebeechnecke auf, die mit der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist.

Vorzugsweise _Üst eine Manschette mit der Welle und eine WellenEtellungsmeßeinrichtung mit der Manschette fest verbunden und die Wellenstellungsmeßeinrichtung ist in einem Abstand zur Vergleichseinrichtung auf der gegenüberliegenden Seite zur Einrichtung, die auf ein Drehmoment anspricht, angeordnet. Die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, die Vergleichseinrichtung und die Wellenstellungsmeßeinrichtung

vorzugsweise

weisen/gezahnte Hader und die Meßeinrichtung drei Getriebeschnecken auf, die mit den gezahnten Hadern entsprechend gekoppelt sind. In einer Abänderungsform der Erfindung kann die Meßeinrichtung auch drei gezahnte Räder aufweisen, die mit den zuvorgenannten Rädern entsprechend gekoppelt sind.

Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit eine Schaltung euf, die mit mindestens einer Meßeinrichtung gekoppelt ist, welche auf die Auegangsslgnale anspricht und Vielehe derart ausgebildet ist, dnß der Antrieb erregt werden kann, wenn die Größe dec Ausgungssignals vom Meßfühler unter einen minimalen Ansprechwert fällt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Hierbei zeigen:

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Figur 1 eine Explosionsansicht der bewegbaren Meßeinrichtung die bei der "vorliegenden Erfindung Anwendung findet;

Figur 2 eine Reihe graphischer Darstellungen, welche die Uirkung der vorliegenden Erfindung beschreiben;

Figur 3 eine andere Ausführungsform der bewegbaren Meßeinrichtungen, welche bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden;

Figur M eine "Zweiwandler-Zwei liad" Brehmoraentmeßeinrichtung mit

einer bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 1 gemäß dieser Erfindung;

Figur 5 eine "Zweiw_andler-Zv.^rßi Rad¹' Dr-c'imo-sdtmeßeinrichtimg mit der bewegbaren r-!<?3einrichtii;\-r nach Figur 3 gß- ^::η, dieser Erfindung;

Figur 6 eine ''Einwandler-Zwei Rad" Irrehraome mit der bewegbaren Einrichtung .·..a :i: lxr:av Ί gemäß dieser Erfindung;

Figur 7 eine "Einwandler-Zwei Rad" Drehmomentiaeßeinrichtung mit der bewegbaren Einrichtung nach Figur Js gemäß diener Erfindung;

Figur 8 eine "Dreiwandler-Drei Rad" Dretooraentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 1 gemäß dieser Erfindung;

Figur 9 eine "Dreiwandler-Drei R.,d" Drehmomentraeßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur J gemäß dieser Erfindung;

Figur 1o eine ''Vierv/andler-Zwei Rad" D ehmoraentineßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 1 gemäß dieser Erfindung; und

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Figur 11 eine "Vierwandler-Zwei Rad" D:ehmomentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 3 gemäß dieser Erfindung.

In Figur 1 ist die bewegbare Meßeinrichtung 1o anhand eineβ Ausführungsbeispiels dargestellt, welche ein gezahntes ferromagnetisches Rad 11 aufweist, das mit einer nichtmagnetischen Welle 12 befestigt ist. Doa gezahnte Rad 11 der magnetischen Meßeinrichtung 1o befindet sich in der Nähe eines gezahnten mit der Welle 14 befestigten ferroraagnetischen Rades 1?, bei dem die Drehmomentmessung durchgeführt v/erden soll, und ist mit diesem gekoppelt. Das gezahnte Had 11 ist in einem ferroraagnetischen Gehäuse 15 untergebracht, welches eine magnetische Kopplung zwischen dem gezahnten Rad 11 und einem Permanentmagneten 16 bewirkt, der für den Magnetfluß im Meßsystem sorgt. Um ein Signal von der relativen Bewegung zwischen dom gezahnten Rad 11 und dem gezahnten Rad 13 ableiten zu künen, ist ein eisernes Polstück und eine Meßfühlerspuleneinrichtung 1^r/ mit dem Permanentmagneten 16 verbunden, wobei die Meßfühlerspule bei Änderung des Magnetflusses eine Spannung induziert. Ein ferromagnetischer Schuh 18, auf dem der Pol und die Meßfühlerspuleneinrichtung 1? befestigt sind, sorgt für einen wirksamen magnetischen Rückfluß zum gezahnten Rad 13. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird über das geznhnte R;<d 13, das gezahnte Rad 11, das Gehäuse 15» den Permanentmagneten 16, die Spuleneinrichtung 17, den Schuh 18 und zurück zum gezahnten Rad 13 ein magnetischer Kreis geschaffen. Wenn eine Anzahl in der Nähe angeordneter Meßeinrichtungen verwendet wird, wird ein nichtmagnetischer Separator 19 on das ferromagnetische Gehäuse 15 befestigt.

Wenn zwischen dem gezahnten Rad 13 auf der Welle 14, mit der die Drehmomentmessung durchgeführt v/erden soll, und dem gezahnten Rad 11 der bewegbaren Meßeinrichtung 1o eine reintive Bewegung auftritt, bewirkt der sich ändernde Luftspalt eine

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Magnetflußänderung, die in der Spulenanordnung 17 eine Spannung induziert, welche dazu verwendet wird, eine Sinucwelle bei allen Wellendrehzahlen abzuleiten, wie im folgenden näher erläutert wird.

Wie ohne weiteres verständlich ist, nuß sich die Lineargeschwindigkeit des Zahnes auf dem gezahnten Wellenrad 13 von dem gezahnten Meßfühlerrad 11 wesentlich unterscheiden, d.-nnit eine brauchbare Flußänderung erzielt werden kann.

Die folgende Beschreibung bezieht sich in Form eines Beispiels auf Signale, die zwischen dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Had und seinem Meßfühlerrad erzeugt wurden, Jedoch können die gleichen Änderungen auch zwischen dem gezahnten Vergleichsrad und seinem Meßfühlerrad auftreten.

In Figur 2 ist eine Sinuswelle 46 dargestellt, die in der Meßspule 17 induziert wurde, wobei die Ordinate die Spannung bedeutet. Die Sinuswelle ergibt sich aus der Änderung des Mag-. netflusses, welcher sich über das gezahnte auf ein Drelimo-

ment ansprechende 13 und das gezahnte Meßfühlerrad 11 erstreckt, wobei das Meßfühlerrad sich nicht dreht. Die Abszisse gibt die Zeit wieder und die Frequenz ist gleich der Anzahl der Zähne des auf ein Drehmoment ansprechenden Hades, welche an einem Punkt am Meßfühlerrad" pro Sekunde vorbei-«·streichen. Wenn die Wellendrehzahl bis auf Null heruntergeht, wird die Ordinate, welche die in der Meßspule des Meßfühlers induzierte Spannung bedeutet, sehr klein, wie aus der Kurve 47 ersichtlich ist, und ist kaum brauchbar, da sie bis in den Rauschpegel fällt. Die Frequenz ist ebenfalls sehr niedrig und, wie zuvor erwähnt, eine Funktion der Anzahl der Zähne auf dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Kudos 1;', die an einem l\mkt auf dem Meßfühlerrad 11 vorbeiötreichen, wobei sich das Meßfühlerrad nicht bewegt. Wenn eine solche Situation auftritt, ** Rad

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ist das in der Meßfühlerspule 17 induzierte Signal nicht mehr brauchbar, so daß dos Meßfühlerrnd 11 in Drehung versetzt werden muß, um eine höhere relative Geschwindigkeit zwischen diesem und dem auf ein Drehmoment ansprechenden

zu erzielen <

Rod-«"Der minimale Ansprechwert bei dem die Drehung des Meßfühlerrades 11 erforderlich wird, kann in etwa willkürlich auf den Punkt gelegt werden, bei dem die in der Meßspule induzierte Spannung groß genug ist, um eine genügende Phaseninforinstion für. den zu verwendenden Schaltkreis zu erzielen, und niedrig genug, daß dos Meßfühlerrod sich während der meisten Zeit im Stillstand befindet, d.h. während des normalen Betriebes. Dieser Punkt, der minimale Ansprechwert, kann entweder durch einen vorgegebenen minimalen Spannungnpegel gemessen werden, wobei in diesem Fall der Antrieb für das Meßfühlerrad erregt und solange anhalten würde, bis der Spannungspegel einen maximalen Ansprechwert überschreitet, was eine hohe Wellendrehzahl anzeigen würde, oder er kann durch eine dii»ekte Messung der Wellendrehzahl mit Hilfe eines zweiten stationären Meßfühlers gemessen werden, dessen Schaltkreis den Antreib erregen würde, wenn die erforderliche minimale Wellendrehzahl unterschritten würde. Es wird hierbei als bekannt vorausgesetzt, daß die in der Meßspule 17 induzierte Spannung und die relative Umfangsdurchgangsgeschwindigkeiten des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades 1J und des Meßfühlerrndes 11 von den Kennlinien der Spule selbst abhängen,ebenso wie der magnetische Schaltkreis, so daß beide Verfahren zur Messung des minimalen Ansprechwertes nicht weiter beschrieben werden.

Die Kotationsgeschwindigkeit des Meßfühlerrades 11 ist unwich tig^mit Ausnahme der Tatsache, daß sie groß genug ist, um ein brauchbares Signal zu erzeugen, da nur eine Phaseninformation notwendig ist, um die Drehmomentkennmerkmale zu bestimmen.

Die Kurve 48 in Figur 2 zeigt die sich ergebende Änderung, wenn der Meßfühlerradantrieb erregt wird. Der linke Teil der Kurve

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48 zeigt die von der Wellendrehung induzierte Spannung bei Drehzahlen, welche groß genug sind, um in der Meßfühlerspule 17 brauchbare Spannungen zu induzieren, welche jedoch allmählich abnehmen. Wenn die Wellendrehzahl weiter abnimmt, und die Spannung den minimalen Ansprechwert 49 erreicht, wird beim Punkt 5o der Antriebsmotor des Meßfühlerrades erregt, wodurch die relative Geschwindigkeit und somit der Spannungspegel und die Durchgangsfrequenz erhöht v/ird, so daß brauchbare Signale erzeugt werden, obgleich die Wellendrehäahl sich Null nähert. Die Kurve 51 nach Figur 2 zeigt die Viellendrehzahl, welche der Kurve 48 zugeordnet ist, und die Kurve 52 zeigt die Meßfühlerradgeschwindigkeit, welche der Kurve 48 zugeordnet ist, wobei die Ordinate beider· Kurven die Umdrehungen pro Zeiteinheit wiedergibt, während die Abszisse entsprechend der Kurve 48 die Zeit bedeutet.

Wie ohne weiteres ersichtlich ist, läßt sich die gleiche Diskussion auf die folgende Ausführungsform dieser Erfindung anwenden.

Eine andere Ausführungsform der bewegbaren Meßeinrichtung ist in Figur 3 dargestellt, bei der an Stelle eines gezahnten Rades eine Getriebeschnecke verwendet wird. Die bewegbare Meßeinrichtung weist eine Getriebeaclmecke 2ο auf, die nahe dea gezahnten Rades 13 und mit ihrer Achse in der Ebene desselben angeordnet ist, wobei das R.d 13 mit der Welle 14 befestigt ist, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Ein Permanentmagnet 16', der für den Magnetfluß im System sorgt, befindet sich unterhalb der Getriebeschnecke 2o, wie aus der Figur 3 ersichtlich ist. Die in der Figur 1 dargestellte Spulenanordnung 17 und der Schuh 18 sind in Figur 3 nicht aufgezeigt, wobei zu bemerken ist, daß ein magnetischer Rückfluß und eine Meßfühlerspule verwendet werden müssen,

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wobei ein magnetischer Weg zwischen der Getriebeschnecke Pound des gezahnten Rades 13 den magnetisehen Kreiß vervollständigt. Wenn die Getriebeeclinecke 2o angetrieben wird, bewegen sich ihre Zähne axinl und durchlaufen dadurch die Zähne des gezahnten Roden 15, in gleicher Weise wie die Zähne des gezahnten Rades 11, gemäß Figur 1.

Wenn zwischen den Zähnen der Getriebeschnecke ?o und des gezahnten Rades 13 eine relative Bewegung auftritt, bewirkt der sich ändernde Luftspalt in ähnlicher V/eise wie nach Figur 1, eine Magnetflußänderung, der in einer nicht näher dargestellten Spule in ähnlicher Weise wie nach Figur 1 eine Spannung induziert.

In den übrigen Figuren werden die bewegbaren Meßeinrichtungen nach Figur 1 und 3 in Verbindung mit verschiedenen Drehmomentmessungen, gemäß der Erfindung, gezeigt, die auf der Basis der Phasenverschiebung arbeiten.

In Figur 4 ist eine mit 24 bezeichnete Vergleichseinrichtung dargestellt, die eine Manschette 25 und ein gezahntes Vergleichsrad 26 aufweist, das mit der Manschette ?.^lJ> befestigt int, die ihrerseits mit einer Welle ?'] befestigt ist, «n der das Drehmoment gemessen werden soll. Ein auf ein Dx'ehmoment ansprechendes gezahntes Rad 28, welches durch das auf die Welle "?'] wirkende Drehmoment relativ zum gezahnten Rad 26 verschoben wird, iot mit der Welle ?'/ befestigt und in einem bestimmten Abstand zum gezahnten Vergleichsrad 26 angeordnet.

Damit zwei Signale, die eine Phasendifferenz aufweisen, welche zum Drehmoment der Welle 2? in Beziehung stehen, bei allen Wellendrehzahlen, einnohließlioh Null, erzeugt werden können, ist eine bewegbare Meßeinrichtung 29 vorgesehen. Die bewegbare Meßeinrichtung ?9 weist ein ferroraagnetiBChes gezahntes Rad 3o auf, das sich in der Nähe dos gezahnten Vergleichendes 26

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befindet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist und ferner ein weiteres ferromagnetisches gezahntes Rad 31, welches in der Nähe des gezahnten auf ein Drehnoment ansprechenden Kodes 28 angeordnet und mit dienern magnetisch gekoppelt ist, wobei das gezahnte Rnd 3o mit dem gezahnten Knd JA "xiril ausgerichtet sich uuf einer nichtmugnetischen Welle "befindet, die mit einem geeigneten Antrieb ,·.? verbunden irt, so daß v.i^ Zahni'üder gemeinsam mit gleicher Geschv/indigkeit in Phase zueinander -ngetrieben v/erden können. Kino Einheit dieser bewegbaren Meßeinrichtung ist in Figur 1 im einzelnen dargestellt

Wie zuvor erläutert wurde, bewirkt das Drehmoment auf der Ma] le 27 eine Toreion derselben, wodurch eine relative Verschiebung zwischen dem gezahnten Vergleichsrad 26 und dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rad 28 bewirkt wird, die ihrerseits zwischen einem Ginuswellenpciar, das von der Bevmgung zwischen den gezahnten Rüdern ?C und 28 und den gezahnten R^:id srn Jo und 31 der bewegbaren Meßeinrichtung 29 abgeleitet ist, eine diesbezügliche Phasenverschiebung bewirkt. Wenn die Welle 27 sich mit einer ausreichenden Geschwindigkeit dreht, ist zwischen der Welle und der Meßeinrichtung 29 eine relM.ive Bewegung vorhanden, so daß auch brauchbar·? Signale erzeugt werden, wenn die bewegbare Meßeinrichtung <°9 still steht. Wenn die Welle 27 ausreichend langsam wirr], derart, daß die induzierten Signale unterhalb eines brauchbaren .Ansprechwertes sind oder die Welle ?7 still steht und eine Drehmomentmessung durchgeführt werden soll, so lauft die bewegbare Meßeinrichturifi 27 an und wird durch einen Antrieb 33 angetrieben, so daß zwischen de-n zwei gezahnten Radgruppen 2G und 28 sowie 3o und 31 erneut eine relative Bewegung vorhanden ist, so daß biTiüchbaro oignale erzeugt werden können.

Tn Figur 5 ist eine "Zwei Rud-Zwe i.w;indl β r" Einrichtung nu-h Figur 4 dargestellt, bei der die Ausfiihrungrform der· bewoi.--baren Meßeini'ichtung nach Figur 3 angewendet wird. Eine Vor·-

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gleichseinrichtung 24, die ein gezahntes mit einer Manschette P¹} befestigtes Vergleichsrad 26 aufweist, ist an einer Welle ?7 befestigt, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Das gezahnte auf ein Drehmoment ansprechende Had 28, das von dem Drehmoment auf der Welle 2? relativ zum gezahnten Vergleichsrnd 26 verschoben wird, ist direkt mit der Welle ?7 befestigt und von dem gezahnten Vergleichsrad 26 in einem Abstand angeordnet. Um die Sinuswelle abzuleiten, deren Phasendifferenz zum Drehmoment nuf der- Welle 27 in Beziehung steht, iat eine bewegbare Meßtänrichtung V> vorgesehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine Getriobeüchnecke 36 aufweist, welche in der Nahe des gezahnten Verglt-ichcrades 26 angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt iut, uowie eine weitere Getriebeschnecke 37» ^ie in der Niiho des gezahnten auf ein JJx-fihmomeot ansprechenden Rade« 28 angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist.

Um das Sinuswellensignnl zu erzeugen, wenn die Welle 27 eich langsam dreht, oder sogar stillsteht, sind die Gotriebeschecken 36 und 37 mit einem Antrieb verbunden, der eine mit der Getriebeschnecke 36 befestigte Riemenscheibe 39, eine mit der Getriebeschnecke 37 befestigte Idemenscheibe 4o, einen Riemen 41 zwischen der Riemenscheibe 39 und 4o und einen Riemen ^lv2 aufweist, welchex¹ die Riemenscheibe 4o mit einem Motor 43 verbindet.

Wenn sich die Welle 27 lungsam oder überhaupt nicht dreht, werden die Getriebeschnecken 36 und 37 in Drehung versetzt, und ihre Zähne bewegen sich relativ zu dun gezahnten Rädern .'¹G und 28 so daß die das Drehmoment anzeigenden Gignale,gemäß der Erfindung, erzeugt werden können. Es wird bei dieeem Ausführungsbeiopiel ebenfulls davon ausgegangen, daß die bewegbare Meßeinrichtung '/;> eine üpu.le, einen Magneten und einen magnetischen Rückfluß für jede Getriebeschnecke aufweist, wie

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im einzelnen aus den Figuren 1 und 3 -ersichtlich ist.

Es muß noch erwähnt werden, daß die Gotriebesehnecken 36 und 37 mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben werden müssen, go daß geringe Phasendifferenzen gemessen werden können. Aus diesen Gründen müssen ijynchroniiiierriemeii und -scheiben mit einem sehr geringen Sehlupf, falls ein solcher überhaupt vorhanden ist, verwendet werden. An stelle der Synchronieierriemen kann in vorteilhafter Weise auch ein Getriebe verwendet werden, dnß frei von einem toten Gang ist.

In Figur 6 ist eine ' Einwandler Zwei Had" Drehmomentmeßeinrichtung dargestellt, die auf der Basis der Phasenverschiebung arbeitet und welche aus dem US-P.itent Nr. 3 548 649 hervorgeht, bei der die bewegbare Meßeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung Anwendung findet.

Die Vergleichseinrichtung 53 vjöist demzufolge ein gezahntes Vergleichsrad 54 auf, das an einer Manschette 55 befestigt ist, die ihrerseits an der Welle 56 befestigt ist, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. .Kin gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes liad 57 ißt mit der Welle 56 befestigt und relativ zum gezahnten Vergleichsrad 54 in bezug auf das auf die Welle 56 wirkende Drehmoment verschiebbar, wobei die Zähne der gezahnten Hader 54 und 57 parallel zur Achse der Hader und ineinandergreifend angeordnet sind, wie aus der Figur deutlich ersichtlich ist, so daß ein einziges gezahntes Meßrad über die ineinandergi-eifenden Vorsprünge 58 angeordnet werden kann. Die bewegbare Meßeinrichtung, welche von dem Antrieb 6o angetrieben wird, i:;t im einzelnen in Figur 1 dargestellt.

Wenn zwischen der bewegbaren mit einem gezahnten Rad versehene Meßeinrichtung 11 und den gezahnten Hadern $4 und 57 eine relative Bewegung auftritt, _wil._d nur eine einzige üinuHwell«

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erzeugt, bei der zwei beliebige bennchbnrt liegende Schwingungen relativ zueinander verschoben werden, und zwai* als Funktion der relativen Stellung der gezahnten Räder 5'I- und in Bezug zueinander. Die zvei benachbart liegenden Schwingungen können ale ein Signnlpaar betrachtet, worden, das durch eine Phasendifferenz zueinander in Beziehung steht, die eine Funktion des Drehmomentes auf der Welle iat. Dns abgeleitete Signal ist eingehend in dem US-Patent Nr. 3 l>48 649 beschrieben und axis der "vorstehenden Be.Schreibung geht deutlich hervor, wie die bewegbare Meßeinrichtung arbeitet und auf die vorliegende Erfindung angewendet werden kann.

In Figur 7 ißt eine 'Einwendler-Zwei Had" Einrichtung nach Figur 5 in Verbindung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 3 dargestellt. Die bewegbare Meßeinrichtung, die im einzelnen in Figur 3 dargestellt i«t, wcitt eine Getriebe-Schnecke 59 auf, die in der Nähe der gezahnten KHdei· 5'+ und 57 angeordnet und mit diesen magnetisch gekoripelt int, und wird von einem Antrieb 6o angetrieben.

Ks finden liier die gleichen zuvor beschriebenen Prinzipien Anwendung.

In Figur 8 ist eine "Dreiwandler-Drei Had" Drehmomentmeßeinrichtung aufgezeigt, die nuf der Basin der Phasenverschiebung arbeitet und bei der eine Wellenfohlausiichtung kondensiert wird und bei der die bewegbare Meßeinrichtung nach Figur 1 verwendet wird. Die Einrichtung nach Figur H weißt eine stationäre Meßeinrichtung auf, die aus dem US-Patent Nr. 3 538 hervorgeht und diese Anwendung ntellt eine Verbesserung der bekannten Einrichtung dar.

Um die Fehlausrichtung der Welle 61 nach Figur 8 bei einer Meßeinrichtung, die aus dem US-Patent 3 538 '/GP hervorgeht, zu kompensieren, int ein gezahnten UoIl enr.tel lungnmeßrad 6?

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mit der Manschette 63 befestigt, und von dem gezahnten Vergleichsrad 64 auf der gegenüberliegenden Seite zum gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 6? angeordnet. Das gezahnte Wellenstellungsmeßrad 6? dient dazu eine; ßinuswelle zu erzeugen, die eine Phasendifferenz relativ zu der Sinußwelle aufweist, welche durch das gezahnte Vergleichsrad 64 erzeugt wird und die zur Wellenfehlausrichtung in Beziehung steht. Diese Phasendifferenz dient dazu irgendeine fehlerhafte Phasendifferenz zu beseitigen, 'die durch die Wellenfehlausrichtung zwischen den Si-nuswellen, welche durch das gezahnte Vergleichsrad 64 und das gezahnte auf ein Drehmoment ansprechende Rad 65 erzeugt werden, eingeführt wird. Die zu verwendenden Schaltkreise sind in den genannten Uü-l-'atentschriften ausführlich beschrieben.

In Figur 9 ist die "Dreiwandler-Drei Rad" Drehmomentmeßeinrichtung nach Figur O mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 3 dargestellt, so daß die Erfindung in bezug auf die dargestellte Aucführungsforin ohne weiteres ersichtlich ist.

Ein gezahntes Wellenstellungsrad 6?, ein gezahntes Vergleichsrad 64 und ein gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 65 sind aus der Figur 9 ersichtlich, wobei das gezahnte Rad 6? und das gezahnte Vergleichsrad 64 mit einer Manschette 63 befestigt sind, die ihrerseits auf der Welle 61 befestigt ist, dessen Drehmoment gemessen werden soll und das auf ein Drehmoment ansprechende Rad 65 iet direkt mit der Welle 61 befestigt.

Um die drei Sinuswellen, gemäß der Erfindung, bei allen Wellendrehzahlen, einschließlich Null, ableiten zu können, ist eine bewegbare Meßeinrichtung 66 vorgesehen, die eine Getriebeechnekke 67 aufweist, welche in der Nähe des gezahnten Vergleichsrades 64 angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist

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und eine weiter© Getriebeschnecke 68, die in der Nähe des gezahnten auf -ein Drehmoment ansprechenden Rades angeordnet und mit diesem ebenfalls magnetisch gekoppelt ist und ferner ein drittes Getrieberad 69, welches in der Nähe des gezahnten Itados 62 angeordnet und mit diesem gekoppelt ist. Die bewegbare Meßeinrichtung 66 ist im einzelnen aus Figur 3 zu entnehmen.

Figur 1o zeigt eine weitere Drehmomentmeßeinrichtung mit der eine Uellenfehlausrichtung kompensiert werden kann, indem nur zwei anstelle von drei Rädern nach Figur 8 verwendet werden, die mit der Welle befentigt sind. Diese Ausl'ührungsform stellt eine Verbesserung der Vorrichtung dnr, die in einer parallellaufenden Patentanmeldung beschrieben ist. Eine Vergleichseinrichtung 7o weist ein gezahntes Vergleichsrad 71 auf, das mit einer Manschette 72 befesti-gt i«t, die ihrerseits mit der Welle befestigt ist. Ein auf ein Drehmoment ansprechendes gezahntes Rad 74- ist von dem gezahnten Vergleichsrad 71 entfernt auf der Welle 73 befestigt.

Um die Fehlausrichtung der Welle 73 zu kompensieren, sind zv/ei bewegbare Meßeinrichtungen 75 und 76 diametral gegenüberliegend angeordnet und befinden sich in der Nähe des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades 7^ und des gezahnten Vergleichsrades 71 und sind mit diesem magnetisch gekoppelt. Die zwei Antriebsmotoren 77 und 7Ö müssen synchron laufen oder können durch einen Antrieb mit einem entsprechenden Getriebe ersetzt werden, um das gleiche Ergebnis zu erreichen.

Wenn die Welle 73 eich langsam dreht oder stillsteht, so bewirken die Antriebe 77 und 78 eine Bewegung der Meßeinrichtungen 75 und 76 derart, daß zwei Sinuswellenpaare erzeugt werden können, in denen die Phasenverschiebung, bewirkt durch die Wellenfehlausrichtung, gelöscht werden kann. Die Schaltkreise and der Löschvorgang der Fehlausrichtung, gemäß der Erfindung, werden in den genannten US-Patenten be-

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BChi'ieben.

In Figur 11 ist die -Drehmomentmeßeinrichtung nach Figur 1o mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Figur 3 dargestellt.

Wie in Figur 1o ist auch in Figur 11 eine Vergleichseini'ichtung 7o aufgeführt, die ein gezahntes an eine Manschette ^r/P befestigtes Vergleichsrnd 71 aufweist, welche ihrerseits mit der Welle 73 befestigt ist, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Ein gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes Had 7^- ist mit der Welle 73 befestigt. An Stelle der gezahnten Räder in den bewegbaren Meßeinrichtungen nach Figur 1o, weisen die in Figur 11 dargestellten Heßeinrichtungen eine Getriebeschnecke 79 auf, die mit den gezahnten Vergleichsrad 71 magnetisch gekoppelt ist und eine weitere Getriebeschnecke 80, die mit dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 7^/(- magnetisch gekoppelt ist. Eine zweite bewegbare Meßeinrichtung 76 v/eist eine Gotriebeschnecke 01 auf, die mit dem gezahnten Vergleichsrad 71 magnetisch gekoppelt ist und ferner eine weitere Getriebeschnecke 8P, die mit dem gezahnten auf ein Drehmoment anspreeilendes Kad ^M- magnetisch gekoppelt ist.

Um die ein Drehmoment anzeigenden Signale dann zu erzeugen, wenn die Welle 73 sich langsam bewegt, werden die bewegbaren Meßeini'ichtungen 75 und 76 in der bereits zuvor beschriebenen V/eise angetrieben.

In Jeder der in den Figuren 4- bis 7 dargestellten Ausführungsformen wird das Drehmoment der Welle durch Vergleich der Phase der Sinuswellen bestimmt, welche durch dns gezahnte Vergleichsrad und das gezahnte euf ein Drehmoment ansprechende liad bei hohen Drehzahlen erzeugt werden und durch Vergleich der Phase

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der Sinuswellen, welche durch die bewegbaren Meßeinrichtungen im Zusammenwirken, mit den gezahnten Rudern bei geringen Drehzahlen, einschließlich Null, erzeugt werden. Die in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsforraen schließen ebenfalls die Verwendung eines dritten gezahnten Rades ein, so dnß die Wellenfehlausrichtung berücksichtigt wird. Die in den Figuren 1o und 11 dargestellten Ausführungsfonnen umfassen den Vergleich zweier Phasen, wobei der erste zwischen zwei Sinuswellen erfolgt, die durch eine bewegbare Meßeinrichtung erzeugt werden und der zv/eite zwischen zwei ßintiswellen, die durch die andere bewegbare Meßeinrichtung erzeugt werden. Die Ergebnisse dieser zwei Vergleiche werden addiert uin ein Signal zu erzeugen, das ein Drehmoment unabhängig von der Wellenfehlauarichtung dnrr.tellt, die sich verändern kann,wie bei spiel sweir.e bei einem Schiff oder dergl. und zwar durch die Wirkung einer winkelmaßigen Verschiebung einer bewegbaren Heßeinrichtung in bezug auf eine andere. Die winkelmäßige Verschiebung beträpjt vorzugsweise 1ßo°, die auch irgendein anderer Winkel, ausgenommen 9o°, sein kann.

Ilit der Meßeinrichtung kann irgendein geeigneter Schaltkreis gekoppelt eein, um das Drehmoment auf der Welle von der relativen Phasendifferenz zwischen den Sinuswellen abzuleiten. Eine derartige Schaltung geht aus dem US-Patent Nr. 3 538 hervor.

Beim normalen Betrieb der Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle nach der Erfindung wird sich die Welle während der meisten Zeit mit einer ausbleichenden Drehzahl bewegen, so daß der Antrieb für die Meßfühler nur v?ührend des AnIaufvorgängeB, eines Festlaufenp oder eines Umkehrvorganges benötigt wird. Der Schaltkreis für den Antrieb der Meßfühler mißt ferner automatisch ein Absinken den* oignaltitärkc unterhalb eines Ansprechwortes als ein Signal zur Betätigung den Antriebes.

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Die Erfindung ist ferner nicht auf .solche Ausführungcformen beschränkt, die mit einer magnetischen Kopplung zwischen einer Meßeinrichtung und gesnhnten an£ einer Welle befestigten Rüdern Busgerüstet rind. Hierfür lassen tich auch optische Kopplungen zwischen e;inem optirscht-n Meßfühler· und geschlitzten auf der V/eile befestigten »Scheiben verwenden, fibpnro wie andere geeignete -Kopplungen. Dnriiberhinnur lnrsen .sich auch endere Kennnierkranle dor rotierenden Wellen dui'ch geeignete Anwendung dieses PrinKiju?

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Claims

Patentansprüche

/1J Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle bei ^^ allen Vellengeschwindigkeiten, einschließlich im Stillstand, mit einer Vergleiehseinciehtung, welche mit einer Welle starr verbunden ist und einer auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtuni', welche ebenfalls mit der Welle starr verbunden, jedoch von der Vergloichseinrichtung versetzt angeordnet ist und mit mindestens einer Signale erzeugenden Meßeinrichtung, welche nahe der Vergleichseinrichtung und der- auf oirx Drehmoment einsprechenden Einrichtung f-ngeordnet und derart ausgebildet ist, daß phasen vergleichbare Gignale zur Ermittlung ein<..-i; iUgni'ls erzeugt werden, welches einem Drehmoment ent tip rieht, d a d u r c h gekennzeichnet, daß mindestens eine Meßeinrichtung (1o; bzw. Po, 16'; bzw. P⁽); bzw. 35; bzw. 11 (Figur 6); bzv. 76) relativ zur Vergleichseinrichtung (13; bzw. 26; bzw. 5^; bzv;. 64 5 bzw. '/1) und zur auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung (?0; bzw. 57; bzw. 65; bzw. 7⁷O bewegbar 1st, daß ein Antrieb (Jjj>\ bzw. 4-3; bzv;. 60; bzw. 77) die Meßeinrichtung bzv/. Meßeinrichtungen antreibt, wobei eine die Geschwindigkeit der Welle messende Einrichtung derartig ausgebildet ist, daß der Antrieb dann erregbar ist, wenn die Rotationygeschwindigkeit der UeIIe unter einen minimalen Ansprechwert sinkt.

Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung und die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung als on sich bekannte gezahnte Räder missgebildet sind.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Γ, d a d u r c h g e kennz'ei chne t, d?iß die Meßeinrichtung eine oder mehrere Getriebeschnecken (Po; bzw. JG, 37; bzw. 59; bzw. 67, 68; bzw. 78, 79) aufweist, di<; n.^he der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Γ.', d b d u r c h ^ek e η η ζ e i chne t, daß die Meßeinrichtung ein oder mehrere gezahnte Kurier (11 bzw. Jo, o1; bzw. .^rA, 57) aufweist, die nahe der Ver^jleiohiieinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Kinrichtunc ungeordnet und mit dienen gekoppelt a-ind.

f). Voz^richtung nnch Anspruch 1 oder einem der voranateilenden, Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß eine zv/eite Meßeinrichtung (?6) i-eliitiv zur Vei·- gleichseinrichtung (71) und zur nuf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung (7^0 bewegbar, nahe diesen Einrichtungen angeordnet und mit dienen Einrichtungen gekoppelt ist, und daß die zweite Meßeinrichtung einen Antrieb (77) aufweist, der diese, gesteuert von der Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit, antreibt.

G. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (76) zu der ersten Meßeinrichtung um 1Bo⁰ versetzt angeordnet ist.

7. Vorrichtung noch Anspruch f> oder f., (3 η d u r c Ji gekennzeichnet, daß die ζ weit ο ileßeinrichtung

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mindestena ein geaahntes fiad aufweist, daß mit der Vergleichseinriclitunc und der auf ein Drelunoment ansprechen

den Einrichtung gekoppelt i*->t·

8. Vorrichtung nach Anspruch *3 oder 6, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung; mindestens eine Getriebeachnecke (01, 8?) aufweint, die mit der Vergleichseinrichtunc und der auf ein Drehmoment nnspreehenden Einrichtung gekoppelt ist.

Vorrichtung nach Aiispnich 1 oder einem der voranstellenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mannchotte(6J) mit der Welle (61) und eine Wellenstellunßsmeßeinrichtung (6?) mit der Manschette

(63) fest verbunden ist und dnß die Wellonstelluncsmeßeinrichtung f?) in einem Abstand zur Vereleichceinrichtung

(64) auf der (seeenuberlie^tmden Oeite zur Einrichtung die auf ein D ehmoraent anspricht, angeordnet ict,

1o. Vorrichtung nach Anspruch 9,dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, die Vercleicheinrichtung und die Wellenstellungsmeßeinrichtxin£; [rezahnte üäder (6J3, 64, 62) und die Meßeinrichtung drei Gftriebeiiehriecken (68, 67, 69) aufweist, die mit den gezahnten Hadern entsprechend gekoppelt sind.

11. Vorrichtung noch Anopruch 9, dadurch Gekennzeichnet, daß die nuf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, die Ver^leichiüoinrichtunn; und die V.'ellenßtellun{5Gmeßeinrichtune; gezahnte iiüdor (Gf¹, 64, GP) und die Ileßeinrichtunc drei, w-zuhnte Iiüdor nufweist, die mit den zuvor genannten Kadern entsprechend gekoppelt sind.

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1P. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder· einem der voranstellenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Heefiunpj der wellengeschwindigkeit eine Schaltung aufweist, die mit mindestens einer Heßeinrichtunß (Po, 16'; bzw. ?9; bsi/. Z^l;>\ bau·. 11; bzw. l><)\ bzw. 66; bzw. 76) gekoppelt i;;t, welche auf die Auycan;5nsifinale anspricht und welche üdmi-t ouscebildet i,^cit, daß der Antrieb erregt v/erden kann, wenn die Größe dee Aue-Knn{Tssicnt⁴ls vom Heßfühlei· unter einen minimal on Ant-prechwert fällt.

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