DE2907819A1 - Messvorrichtung fuer drehmomente - Google Patents

Messvorrichtung fuer drehmomente

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DE2907819A1
DE2907819A1 DE19792907819 DE2907819A DE2907819A1 DE 2907819 A1 DE2907819 A1 DE 2907819A1 DE 19792907819 DE19792907819 DE 19792907819 DE 2907819 A DE2907819 A DE 2907819A DE 2907819 A1 DE2907819 A1 DE 2907819A1
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DE19792907819
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Heinrich Gruenbaum
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft

Description

  • Messvorrichtung für Drehmomente
  • Die erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des von einer drehbaren Welle abgegebenen oder aufgenomrenen Drehmomentes.
  • Derartige Messvorrichtungen werden sowohl für Brüdfstände, als auch in Industrieanlagen benötigt, um die Belastung der iaschinen zu überwachen, aufrechtzuerhalten oder durch regeltechnische Beeinflussung des Drehmomentes nach einem vorbestimmten Programm ablaufen zu lassen.
  • Die bekannten Ausführungen arbeiten nach dem Drinzip des rotierenden Mess-Signals. Letzteres entsteht an einen umlaufenden wellenförmigen Körpers dessen Torsionsverdrchung, als dem Drehmomente proportional, elektrisch gemessen wird. Die Zuftihrung der Speise spannung und auch die Herausführung des rotierenden Mess-Signals erfolgt entweder über Schleifringe oder kontaktlos ber transformatorisch wirkende Induktionswicklungen, sowohl auf dem umlaufenden Körper, als auch im nicht rotierenden Gehäuse. Beide Lösungen sind nachteilig: die Schleifringe nutzen sich ab und die induktiv-transformatorische Übertragung ist aufwendig und platzraubend.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß solche in einem Gehause gelagerten Rotationskörper zu ihrer Verbindung mit der Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, eine Kardankupplung benötigen> wodurch überaus große Längenmaße entstehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zu schaffen, die ohne Schleifringe und induktiv-transformatorische Wicklungen auskommt. Auch soll sie, wenn nötig, auf die zu messende Welle direkt aufsetzbar sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen zwei rotierenden Bauteilen, de in Bezug auf die besagte Welle drehfreien, Jedoch axial festen Transmissionsglied und den drehfesten, Jedoch axial freien Translationsglied das Drehmoment bertragende und durch Rückstellmittel belastete Spreizelemente angeordnet sind, die das Translationsglied um einen dem. jeweiligen Werte des Drehmomentes verhältnisgleichen Stellweg verschieben, welcher über ein 1 Wälzlager auf ein nicht rotierendes Kraftinessglied 'ibertragen wird.
  • Um eine solche Messvorrichtung gleichzeitig als Kupplung verwenden zu können, wird nach einerifeiteren Ausbildung der wrrindung das Transmissionsglied mit Bauteilen zur Drehmoment-Übertragung auf eine koaxiale Welle ausgestattet.
  • Zur Übertragung auf parallele Wellen werden diese Bauteile als Riemenscheiben, Zahnräder oder Kettenräder ausgebildet.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden naher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 den Längsschnitt durch eine als elastische Kupplung arbeitende Messvorrichtung, Fig. 2 die Kraftverhältnisse am Spreizelement, Fig. 3 den teilweisen Längsschnitt durch eine als Keilriemenscheibe einsetzbare Messvorrichtung.
  • Die Welle 1 bildet einen integrierenden Bestandteil der Messvorrichtung. In der Ausführung nach Fig. 1 ist es eine nicht im Schnitt gezeichnete Vollwelle, beispielsweise die eines Vorgeleges, in der Ausführung nach Fig. 3 dagegen ist es eine teilweise geschnittene Hohlwelle. Sie dient zum Aufsetzen und Befestigen auf Wellenstümpfen von Motoren, Getrieben oder Maschinen aller Art.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Welle 2 ist, im Gegensatz zur Welle 1, kein integrierender Bestandteil der Messvorrichtung. Sie trägt lediglich die zweite Hälfte der elastischen Kupplung zur Verbindung koaxialer ellen.
  • Das Transmissionsglied 3 bildet mit der Welle 1 eine Art käfiglosen Kugellagers und deswegen könnte es, auf sich selbst gestellte überhaupt kein Drehmoment übertragen. Seine Führung auf einer Vielzahl von Kugeln in tiefen Rillen verleiht ihm aber eine wichtige Eigenschaft: es kann hohe Axialkräfte aufnehmen, den aber nahezu frei von Reibungsverlusten Relativdrehunfflen ausführen, die für den Spreizvorgang notwendig, winkelm8ßiz iedoch nur geringfugig sind.
  • Dem Translationsglied 4 verleihen seine Sugelf-lhrungen die F.igenscnaft, sich in axialer Richtung verlustfrei zu verstellen, daei aber das Drehmoment der Welle 1 in beiden Drehrichtungen zu ibertragen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zu dieser Zwecke sowohl am Umfang der Welle 1, als auch in der Bohrung dieses Gliedes mehrere axial verlaufende Führungsnuten eingeformt, in denen sich die Kugeln abrollen. In der Variante nach Fig. 3 trägt das Translationsglied 4 auf dem gleichen Teilkreis eine Anzahl eingepresster Bolzen 17, die in entsprechende Bohrungen der Hohlwelle 1 hineinragen. Zwischen Jedem Bolzen und der Bohrungswandung sind zahlreiche Kugeln 18 eingelegt, die nutenlos in axialer Richtung abrollen können.
  • Bei allen besprochenen Führungen sind statt der Kugeln auch anders geformte Wälzkörper denkbar. Dasselbe gilt auch fär die zwischen dem Transmissionsglied 3 und dem Translationsglied 4 angeordneten Spreizelemente.
  • Gemäß der Zeichnungen setzen sich diese Spreizelemente aus mehreren auf dem gleichen Teilkreis liegenden Kugeln 5 zusammen welche sich an den zur Jeweiligen Axialebene A-A gleichermaßen geneigten Stützflächen der beiden Glieder 3 und 4 abrollen können.
  • Um die Drehmoment-Übertragun in beiden Drehrichtungen zu ermöglichen, sind jeder Kugel 5 zwei symmetrisch zur besagten Axialebene A-A verlaufende Stützflächen an jedem der beiden Glieder 3 und 4 zugeordnet.
  • Die Herstellung solcher Stützflächen kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind in die einander zugewandten Seiten der Glieder 3 und 4 kegelige Aussparungen eingebohrt, welche die Kugeln 5 aufnehmen. er schrumpfen die Stützflächen zu geraden Linien, nämlich den Kegelerzeugenden zusammen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besitzen die beiden Glieder 3 und 8 angedrehte Ringe, in welche die zur Axialebene symmetrisch geneigte Flächen eingefrnst oder eingeschliffen sind.
  • Das Schema in Fzg. 2 veranschaulicht die Kräfteverhältnisse bei der Drehrnoment-Lbertragung mittels der beschriebenen Spreizelemente. Die in Unfangsrichtung wirkende Tangentialkraft Ft ist ein Drehomentfator aus der Beziehung M = Ft.r, wo M das Drehmoment und r der Angriffsradius der Kugeln 5 ist. Durch den Neigungswinkel Ol/der Stützflächen zur Axialebene A-A entsteht die axial gerichtete Kraft Fa = Ft tgote. Da Ft dem Drehmoment proportional ist, muß ihm auch Fa verhältnisgleich sein. Die Axialkraft Fa ist somit ein Maß für das Drehmoment.
  • -Vorbedingung für das Zustandekommen der beschriebenen Krfte ist das Vorhandenein von Mitteln, welche sowohl die nach links gerichtete Kraft Fa als auch ihre gleichgroße nach rechts gerichtete Reaktionskraft aufnehmen. Letztere wird eindeutig durch die Kugellagerung des Transmissionsgliedes 3 aufgefangen. Nach links besteht ein Verbindungsweg über das auf dem Translationsglied 4 sitzende Wälzlager 6, den Mantel 7 auf dessen Aussenring und die Druckpunkte bzw. Bolzen 8 zum nicht rotierenden Kraftmessglied 9.
  • Zum Auffangen dient das Wälzlager 11, welches durch einen Sicherungsring oder eine Stellschraube 12 gehalten wird. Die Rotation der Vorrichtung hört bereits beim Mantel 7 des Wälzlagers 6 auf. Um ein Mit laufen dieses Mantels und des Kraftmessgliedes sicher zu verhindern, ist am Letzteren eine Öse oder ein Haltebolzen 13 vorgesehen.
  • Das Funktionsprinzip des Kraftmessgliedes 9 berfihrt den Erfindungsgegenstand nur am Rande. So könnte die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gezeigte Scheibe 10 mit Dehnungsmess-Streifen beklebt sein, wobei der Bolzen 8 die zum Ansprechen der Messbrlicke erforderliche elastische Deformation dieser Scheibe bewirkt. Genau so bekannt sind auch magnetoelastische, induktive oder kanazitive Systeme. Selbst ein hydraulischer, mit öl gefüllter und mit einer Membrane versehener Kraftaufnehmer wäre hier denkbar.
  • Wichtig ist nur festzuhalten, daß jeder KraftauSnehmer, unabhängig von seinem Arbeitsprinzip, einen nachgiebigen, elastischen Bauteil aufweist, zu dessen Deformation ein gewisser Stellweg erforderlich ist. Fast immer besteht auch zwischen diesem Stellweg und dem abgegebenen Mess-Signal eine strenge Proportionalit~.t, wodurch das lineare Verhalten der Messeinrichtung von vornherein gegeben ist. Bei Verwendung derartig wirkender Kraftmessglieder 9 muß also der durch die Spreizelemente des Erfindungsgegenstandes erzeugte Stellweg des Translationsgliedes 4 dem jeweiligen Wert des Drehmomentes verhältnisgleich sein.
  • Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird als Rückstellmittel f?ir die Belastung der Spreizelemente lediglich der er^r.-hnte elastische Bauteil des nicht rotierenden Kraftmessgliedes 9 herangezogen. Bei großen Drehmomenten könnte allerdings die hohe Axialbelastung zum frühzeitigen Verschleiß der Wälzlager 6 und 11 und zu erhöhten Verlusten in denselben führen.
  • In solcnen Fällen wäre die Ausführung nach Fig. 3 vorzuziehen.
  • Hier sind an den Bolzen 17 des Translationsgliedes 4 zylindrische Schraubenfedern 19 angebracht, welche dieses Glied unmittelbar umso mehr an die Spreizelemente drücken, Je größer der Stellweg wird. Es handelt sich also bei dieser Federanordnung um ein zusi.tzliches rotierendes Rückstellmittel, dessen Kraft sich zu der des elastischen Bauteiles hinzuaddiert. Die Linearität des Mess-Signales wird dabei nicht beeintrchtigt, weil beide Summanden in direkter Proportionalität zum Verstellweg stehen. Sofern ein ausgesprochenes Wegmessglied 9 Verwendung findet, das ganz ohne Kraftaufwand funktioniert, tritt der Grenzfall ein, bei dem die wälzlager 6 und 11 total entlastet werden und nur die mitrotierende Federanordnung als Rückstellmittel arbeitet.
  • Die Ankoppelung der beiden koaxialen Wellen 1 und 2 im Ausf.lhrungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt über einen Kunststoffring 14. Das Transmissionsglied 3 ist hier mit einer Anzahl Bolzen 15 ausgestattet, welche in die Löcher des Kunststoffringes 14 eingreifen, genau so, wie es bei den Bolzen 16 der Fall ist, die vom Flansch 27 auf der Welle 2 getragen werden.
  • Hätte man statt dessen für die Ankoppelung das Bogenzahn-System gewalt, so müßten Transmissionsglied 4 und Flansch 27 entsprechende Verzahnungen erhalten.
  • Die auf das Transmissionsglied 3 im Ausf'thrungsbeispiel nach Fig. 3 aufgesetzte Keilriemenscheibe 20 hat die zusätzliche 'Aufgabe, den Spreizraum abzudichten und die Fliehkraft der Kugeln 5 aufzufangen.
  • L e e r s e i t e

Claims (9)

  1. A n s p r ü c h e ¾ Vorrichtung zum essen des von einer drehbaren Welle abgegebenen oder aufgenommenen Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei rotierenden Bauteilen, der. n bezug auf diese Welle (1) drehfreien, jedoch axial festen Transmissionsglied (3) und dem drehfesten, edoch axial freien Translationsglied (4) das Drehmo-ment übertragende und durch Rückstellmittel belastete Spreizelemerte angeordnet sind, die das Translationsglied (4) um einen de jeweiligen Werte des Drehmomentes verhältnisgleichen Stellveg verschieben, welcher über e.n Wälzlager (6) auf ein nicht rstierendes Kraftmessglied (9) übertragen wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsglied (3) mit Bauteilen (15) zur Drehmoment-übertagung auf eine koaxial Welle (2) ausgestattet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsglied (3) mit Bauteilen (20) wie Riemenscheiben, ZahnrMder oder Kettenräder zur Drehmoment-Übertragung auf eine parallele Welle ausgestattet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gehrung verlustfreier Drehverstelluntren des Transmissionsgliedes (3) und axialer Verschiebungen des Translationsgliedes (4) Wälzkörper-Führungen vorgeschen sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einen der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet5 daß die Spreizelemente mehrere auf dem gleichen Teilkreis angeordnete Wälzkörperd (5) sind, die sich an den zur jeweiligen Axialebene (A-A) gleichermaßen geneigten Stützflächen des Transmissionsgliedes (3) sowie des Translationsgliedes (4) abrollen.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeden Wälzkörperd (5) zwei symmetrisch zu seiner Axialebene (A-A) liegende Stützflächen an jedem der beiden Glieder (3 und !4) zugeordnet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch geXennzeichnet, daß als Rückstellmittel für die Belastung der Sprelzelemente der elastische Bauteil des nicht rotierenden Kraftmessgliedes (9) herangezogen wird.
  8. 3. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, a als zusätzliches Rückstellmittel eine mit dem Translationsglied (4) mitrotierende Federanordnung (19) vorgesehen ist, welche dieses Glied gegen die Spreizelemente dr,ickt.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einen integrierenden Bestandteil der Vorrichtung bildende Welle (1) als Hohlwelle ausgef.lhrt ist.
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