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Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Messen des Drehmoments, das von einer Kette rotierender mechanischer
Elemente übertragen wird, wie beispielsweise einen Satz miteinander in Eingriff
stehender, Verzahnungen tragender Teile, Die Messung des Drehmoments, das über ein
System rotierender Elemente übertragen wird, beinhaltet ein erhebliches technisches
Problem. Dies beruht darauf, dass das Drehmoment gemessen werden muss, wenn die
rotierenden Elemente in Bewegung sind, während das Messgerät oder die diesbezügliche
Vorrichtung, um beobachtet werden zu können, stationär sein muss.
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Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Systeme für die Messung
des übertragenen Drehmoments bekanntgeworden.
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Viele derselben beruhen auf der Verdrehung eines Stabes. Zum Beispiel
sind in einem solchen System Spannungsmesser verwendet worden, um denGrad der Torsionsverdrehung
zu messen; in einem solchen System sind jedoch Schleifringe erforderlich, um dieelektrischen
Signale von dem sich bewegenden Element auf ein stationäres Instrument zu übertragen.
Auch leiden die meisten Schleifring-Systeme an ihnen eigenen übermässigen elektrischen
Geräuschen. Hinzu kommt, dass die EmpfindLichkeit solcher Systeme durch die Nicht-Linearität
begrenzt ist, die für Torsionselemente und Schleifringe charakteristisch ist.
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Bei einem anderen Versuch, das Problem der Drehmomentmessung anzugehen,
wird eine hydraulische Kolbenanordnung verwendet, die mit dem mittleren oder Zwischenrad
eines Getriebes aus drei Zahnrädern gekoppelt ist. Bei diesem Versuch stehen drei
Zahnräder hintereinander in Eingriff, nämlich ein Antriebsrad, ein Zwischenrad und
ein angetriebenes Radf Bei Krafteinwirkung auf das Antriebsrad wird in jedem der
Räder der Kette eine Kraft senkrecht zur Achse beobachtet, deren Grösse direkt proportional
zu dieser auf das Antriebsrad wirkenden Belastung ist.
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Dieses Prinzip wird durch die US-PS 2,979,943 verdeutlicht.
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Durch die Verwendung eines doppelt wirkenden Kolbens und Zylinders
werden Änderungen der Kraft gemessen, die von dem Zwischenrad auf den Kolben übertragen
wird. Ein deutlicher Mangel dieserAusführung liegt jedoch in der Nicht-Analendbarkeit
zur Messung von unterschiedlichen Drehmomentbereichen. Wenn nämlich die Kolben-Zylinder-Anordnung
einmal eingebaut ist, gibt es keine einfache Möglichkeit, sie zu entfernen bzw.
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auszutauschen,um Drehmomentmessungen in einem Bereich oberhalb oder
unterhalb ihrer Kapazität vorzunehmen. Weiter ist bei Verwendung der hydraulischen
Einrichtung eine hydraulische
Dichtung erforderlich, um Durchsickern
des Mediums zu verhindern. Je zuverlässiger jedoch diese Dichtung ist, umso grösser
ist die Reibung und infolgedessen umso geringer die Bgfindlichkeit der Vorrichtung.
Die meisten Systeme dieser Art sind daher für Messungen mit hohem Präzisionsgrad
nicht geeignet.
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Einine andere Art der Drehmomentmessung in einer Getriebekette ist
der US-PS, 3,224,262 offenbart. Diese Vorrichtung verwenCet auch die Kom!,ination
von drei Zahnrädern, nämlich Antriebsrad, Zwischenrad und angetriebenes Rad, wobei
jedoch ein Spannunsmesser innerhalb einer Aussparung des Zwischenrades angeordnet
ist. Der Zweck des Spannungsmessers ist, die auf das ZwischellR rad durch das Antriebsrad
und das angetriebene Rad einwirkende Kraft unmittelbar zu messen. Diese Kraft wird
direkt au«ein Paar elektrischer Brückwiderstände zur Einwirkung gebracht, die in
innigem Kontakt mit der Innenseite der Wand des Zwischenrades stehen. Infolgedessen
ändert jede durch die Kraft hervor gerufene Oberflächendeformation die Grösse der
Widerstände.
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Bei geeigneter Kalibrierung können diese Widerstandsänderungen unmittelbar
als Drehmomentänderungen ausgedrückt werden.
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Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung hat jedoch zur Voraussetzung,
dass die Oberfläche des Zwischenrades tatsächlich eine Verformung erfährt, um ein
elektrisches Signal zu erzeugen. Es ist klar, dassdurch diese Voraussetzung die
Sensitivität solcher Vorrichtungen sehr stark eingeschränkt wird. Ausserdem ist
der messbare Drehmomentbereich durh die jeweils im Zwischenrad verwendeten Widerstände
streng begrenzt.
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Aus allem Vortehendem ergibt sich, dass der Stand der Technik bisher
keine Vorrichtung zur Drehmomentmessung zur Verfügung
stellt, die
sowohl einen weiten Messbereich als auch hohe Empfindlichkeit der Messung innerhalb
des gewünschten Bereichs ermöglicht.
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Demgegenüber schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Dreh momentmessung,
welche diese beiden wünschenswerten Eigenschaften besitzt.
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Dies geschieht nach derErfindung durch eine Vorrichtung, die sich
durch die Kombination der nachstehenden Merkmale kennzeichnet: Eine auswechselbare
Belastungszelle mit einem Druckwandler, der ein elektrisches Signal erzeugt, dessen
Amplitude von der einwirkenden Kraft abhängt; ein mit dem Zwischenrad koppelbarer
Ubertragungsarm, der die im Betriebszustand auf das Zwischenrad einwirkende Kraft
bzw. eine Komponente derselben in einer Richtung senkrecht zu der Ebene, welche
dieAchsen des Antriebsrades und des Zwischenrades enthält, auf die Belastungszelle
überträgt; und eine Dämpfungseinrichtung, die sich zwischen der Belastungszelle
und dem Ubertragungsarm befindet.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglichst ohne weiteres dynamische
Drehmomentmsssungen, also dann, wenn die Getriebeteile rotieren. Sie vermeidet auch
die Nachteile, die sich bei Verwendung hydraulischer Systeme durch Undichtigkeiten
ergeben und ergibt ausserdem einen hohen Empfindlichkeitsgrad über einen bestimmten
Bereich von Drehmomenten. Hinzu kommt, dass sie leicht an andere Drehmomentbereicht
angepasst werden kann, indem die Belastungsfälle gegen eine mit anderen Charakteristiken
ausgetauscht wird
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die
Dämpfungseinrichtung normale Zahn- und Lagerschwingungen absorbiert, die andernfalls
das von dem Druckwandler abgegebene Signal schwächen oder stören würden.
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Die Dämpfungseinrichtung ist bzw. beinhaltet vorzugsweise ein elastomeres
Material, dessen Dicke und Härte natürlich so gewählt wird, dass der gewünschte
Grad mechanischer Dämpfung erzielt wird, ohne das gewünschte Abgabe signal wesentlich
zu beeinträchtigen.
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Vorzugsweise ist das Abgabe signal des Druckwandlers der auf diesen
durch den Ubertragungsarm ausgeübten Kraft direkt proportional.
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Vorrichtungen nach der Erfindung ergeben ein klares Abgabe signal
und sprechen rasch auf Anderungen der Kraft im übertragungsarm an. Die erfindungsgemässen
Vorrichtungen sind daher zur Verwendung in rheologischen Apparaturen, wie z.B. Mixern,
rotoren und Extrudern geeignet.
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Die Erfindung schafft weiter ein Verfahren zum Messen des Drehmoments
in einer Getriebekette mit mindestens drei miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern
bzw. Verzahnungen tragenden Elementen, bei dem eine erfindungsgemässe Vorrichtung
mit dem mittleren Element der Kette gekoppelt ist und die im Betriebszustand auf
dieses einwirkende Kraft bzw. Kraftkomponente in Richtung senkrecht zu der die Achsen
des Antriebs- und des Zwischenrads enthaltenden Ebene durch den Kraftübertragungsarm
auf die Belastungszelle übertragen wird.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert, und zwar zEigen:
Fig. 1 eine Frontansicht einer
Vorrichtung nach der Erfindung; und Fig. 2 eine Endansicht der Vorrichtung der Fig.
1¢wobei das äussere Rad weggelassen ist, um die- Lagerung des Zwischenrads besser
zu zeigen, Fig. 1 zeigt ein Antriebsräd 10, das im Uhrzeigersinn rotiert und mit
einem LeerlauS-bzw. Zwischenrad 12 kämmt, welches dadurch im Gegen-Uhrzeigersinn
gedreht wird. Das Zwischenrad 12 steht seinerseits mit einem angetriebenen Rad 14
in Eingriff, das infolgedessen wieder im Uhrzeigersinn umläuft.
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Beim Hinzugeben einer mechanischen Belastung auf das angetriebene
Rad 14 wird eine abwärts gerichtete Kraft auf das Zwischenrad 12 zur Einwirkung
gebracht, und zwar in einer Richtung senkrecht zur Ebene, welche die Achsen der
drei Zahnräder enthält. Die Richtung dieser Kraft wird durch den Drehsinn der Zahnräder
bestimmt und ist direkt proportional zu der aufgebrachten Belastung und dem zugehörigen
Drehmoment.
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Wenn das Antriebsrad 10 im Uhrzeigersinn umläuft, ist die Richtung
der Kraft auf das Zwischenrad 12 abwärts gerichtet, wie durch den Pfeil angedeutet
ist. Wenn jedoch die Antriebsrichtung des Zahnrads 10 umgekehrt wird, ist auch die
durch den Pfeil 16 angezeigte Kraftrichtung umgekehrt.
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Hinsichtlich derjenigen mechanischen Prinzipien, die derErfiliung
zugrundeliegen, ist zu beachten, dass der Zahneingriff zwischen dem Antriebsrad
10, dem Zwischenrad 12 und dem angetriebenen Rad 14 bewirkt, dass das Zwischenrad
12 als Hebel zwischen den beiden äusseren Zahnrädern 10 und 14 wirkt. Die Welle
(oder Achse) 18 des Zwischenrades 12 wirkt dabei als Hebeldrehpunkt. Wenn ein Rotationsantrieb
auf das Antriebsrad 10 einwirkt und eine Belastung bzw. ein Rotationswiderstand,
nämlich ein Drehmoment, auf das angetriebene Rad 14 zurSinwirkung
gebracht
wird, übt das Zwischenrad 12 eine Kraft auf seine Achse 18 und damit längs eines
Armes 19 aus.
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Mit Bezug auf Fig. 2 ist dort ersichtlich, dass die Achse bzw. Welle
18 und ihr zugeordnete Kugellager2o unabhängig durch einen Gabelarm 19 und eine
Stösselanordnung 22 getragen sind, die in Belastungsrichtung innerhalb einer vertikalen
Fuhrung 24 frei bewegbar ist.
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Der Boden des Stössels 20 ist durch eine austauschbare Belastui'szelle
28 getragen. Diese Belastungszelle, die ein Druckz«zandler sein oder einen solchen
enthalten kann, wird von einer (nicht gezeigten) Energiequelle gespeist. Das Signal
von dieser Belastungszelle wird dann einem Aufzeichrlungs- oder Anzeigegerät zugeführt.
Stattdessen kann das elektrische Signal auch als Warn- oder Kontrollsignal verwendet
werden, wie beispielsweise bei der Anwendung zur Qualitätsüberwachung bei der Messung
der Viskosität oder Plastizität von Materialien, wie beispielsweise Kunststoff,
die durch einen Mixer, Rotor, Extruder oder ähnlichen Apparat hindurchgeführt werden.
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Belastungszellen wie die Zelle 28 sind mit unterschiedlichen Graden
der Druckempfindlichkeit im Handel erhältlich und innerhalb einer Vorrichtung nach
der Erfindung leicht ausführbar, Infolgedessen kann die Erfindung für Zwecke der
Messung von praktisch in jedem beliebigen Bereich von dynamischen, mechanischen
Drehmomenten verwendet werde Um ein deutliches, starkes Signal zu erhalten, das
durch Störfaktoren wie Schwingungen, Zahnrad- oder Lagergeräusche nicht beeinträchtigt
wird, ist eine mechanische Dämpfungseinrichtung, ein Scii'tiingungsfter oder Stossfänger
an der Berührungsstelle
30 zwischen dem Stössel 22 und der Belastungszelle
28 eingeschaltet. Diese mechanische Dämpfungseinrichtung kann im allgemeinen zweckmässig
die Gestalt einer flachen Scheibe 26 aus elastomerem Material haben. Dicke und Härte
dieses Materials hängt dabei von dem gewünschten Mass der Störfilterung ab.
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Durch die Verwendung einer solchen mechanischen Dämpfungseinrichtung
entfällt das Erfordernis eines elektronischen Geräuschfilters am Ausgang der Belastungszelle
28. Blfolgedessen entsteht keine zeitlicze Verzögerung der endgültigen Messwertangabe
dieses Systems.
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/Ansprüche