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Messvorrichtung für Drehmomente
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Die erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des von einer drehbaren
Welle abgegebenen oder aufgenomrenen Drehmomentes.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur Übertragung auf parallele Wellen werden diese Bauteile als Riemenscheiben,
Zahnräder oder Kettenräder ausgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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-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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In solcnen Fällen wäre die Ausführung nach Fig. 3 vorzuziehen.
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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.
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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.
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Hätte man statt dessen für die Ankoppelung das Bogenzahn-System gewalt,
so müßten Transmissionsglied 4 und Flansch 27 entsprechende Verzahnungen erhalten.
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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.
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L e e r s e i t e