DE29901513U1

DE29901513U1 - Vorrichtung zur Drehmomentmessung

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Publication number: DE29901513U1
Application number: DE29901513U
Authority: DE
Original assignee: KTR Kupplungstechnik GmbH
Current assignee: KTR Kupplungstechnik GmbH
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2009-01-30
Also published as: DE29801487U1

Description

PATENTANWALT

Bergiusstr. 2c, 30655 Hannover

Gebrauchsmusteranmeldung: &ldquor;Drehmomentmessung"

Anmelder: KTR Kupplungstechnik GmbH Rodder Damm 170 48432 Rheine

VORRICHTUNG ZUR DREHMOMENTMESSUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des in Geräte-, Maschinen- und ruhenden Vorrichtungsteilen eingeleiteten oder von diesen abgegebenen Drehmoments durch Messen der Torsion zwischen zwei voneinander entfernten Querschnitten des drehmomentbelasteten Bauteils mit einem Lichtstrahl sichtbarer oder unsichtbarer Wellenlänge der zwischen den Querschnitten auf strahlungsempfindliche Empfangsflächen projiziert wird und das Drehmoment über drehmomentabhängige Änderungen der bestrahlten Fläche (Flächendifferentiale) errechenbar ist.

Es ist bekannt, mit Dehnungsmeßstreifen als Drehmomentgeber bestückte Drehmomentmeßnaben (Torsionsdynamometer) sowohl für die Messung statischer Drehmomente als auch für die Messung zeitlich veränderlicher Drehmomente zu verwenden. Verschiedene Geräte für die Drehmomentmessung messen ferner mechanisch, induktiv, kapazitiv oder optisch den Verdrehwinkel zweier voneinander entfernter Wellenquerschnitte. Da der Verdrehwinkel innerhalb des Hookeschen Gesetzes dem einwirkenden Drehmoment proportional ist, kann das Drehmoment ermittelt werden.
Die bekannten Methoden erfordern jedoch einen recht hohen und damit kostenintensiven technischen Aufwand, der aus wirtschaftlichen Gründen nicht immer gerechtfertigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung zu schaffen, deren Einsatz kostengünstige, möglichst handelsübliche Bauteile ermöglicht, so daß technische Einrichtungen oder Bauteile durch eine Ausstattung mit Drehmomentmeßvorrichtungen nicht unvertretbar verteuert werden. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine mit dem vom Drehmoment beaufschlagten Bauteil verbindbare Meßnabe oder Torsionshülse oder eine Torsionswelle mit jeweils zwei axial entfernt voneinander angeordneten, sich radial erstreckenden Trägern für wenigstens eine Sendediode und eine handelsübliche Differential-Fotodiode als Empfangsdiode.

Weitere, den Erfindungsgegenstand vorteilhaft gestaltende Merkmale sind in den Schutzansprüchen enthalten.

In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den Radialschnitt durch eine Meßnabe auf einem Wellenzapfen in

Verbindung

mit einem an einer Seite angeordneten Adapter für den Anschluß einer
zweiten Welle,

Figur 2 die Darstellung des Arbeitsprinzips des Erfindungsgegenstandes,

Figur 3 die Stirnansicht einer radförmig ausgebildeten Meßnabe,

Figur 4 die Stirnansicht einer Torsionshülse mit paarweise angeordneten Diodenträgern,

Figur 5 eine Prinzipskizze eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung in

Gestalt einer Torsionswelle mit auf Übertragungshülsen angeordneten
Meßbauteilen,

Figur 6 eine Perspektive Darstellung des Ausfuhrungsbeispiels nach Fig. 5 als

Explosionsschaubild.

Auf einem Wellenzapfen 1 Fig. 1 ist eine über eine Paßfeder 2 formschlüssig verbundene Meßnabe 3 angeordnet. Jede andere geeignete Befestigung ist ebenso ausfuhrbar.

Von der Meßnabe erstrecken sich radial und parallel zwei rotationssymmetrische Flansche 4 und 5 als Träger wenigstens einer Sendediode 6 und einer zugehörigen Empfangsdiode 7. Als Sendediode wird vorzugsweise eine Infrarot-Diode eingesetzt, während die Empfangsdiode eine Differential-Fotodiode mit strahlungssensitiven Empfangsflächen 8 und 9 ist. Zum Fokussieren dient eine Linse 10 oder geeignete Blende, um auf den strahlungsempfindlichen Flächen 8 und 9 ein scharf abgegrenztes Strahlenbündel zu werfen und damit eindeutig abgegrenzte Auftreffbereiche 12, 12a, 12 b zu schaffen.

Die Meßnabe 3 kann mit einem Adapter 20 verbunden, beispielsweise verschraubt, werden, um in einfacher Weise eine Verbindung mit einem weiteren Wellenzapfen 21 herzustellen. Bei dem gezeigten Beispiel wird diese Verbindung über eine drehelastische Kupplung mit einer Kupplungsnabe 22 und einem elastischen Zahnkranz 23 verwirklicht.
Andere Befestigungsarten der Drehmomentnabe sind denkbar und möglich, beispielsweise eine Einspannung zwischen zwei Wellenflanschen oder zwei Adaptern mit Kupplungselementen.

In Ruheposition, d. h. bei einem Drehmoment 0, wird das Strahlenbündel 11 genau zentrisch auf die beiden parallelen Empfangsflächen 8 und 9 geworfen, so daß sie gleiche Anteile an bestrahlter Fläche aufweisen. Diese Symmetrie wird durch die Einwirkung eines Drehmoments, und zwar in Abhängigkeit von dessen Größe, zunehmend verlassen. Beispiele solcher Verschiebungen der bestrahlten Fläche oder Auftrefffläche sind durch die Bezugsziffern 12a und 12b gekennzeichnet. Die Verschiebung erfolgt außerdem drehrichtungsabhängig, d. h. bei einer Drehrichtungsumkehr in die entgegengesetzte Richtung, so daß nicht die lichtempfindliche Fläche 8, sondern die Fläche 9 einen größeren Anteil erhalten würde. Die Verschiebungsanteile oder Flächendifferentiale werden durch eine geeignete programmierte Einrichtung in das zu ermittelnde Drehmoment umgesetzt.

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Die Meßvorrichtung gemäß Figur 3 besteht aus einer auf der Welle 1 verdrehsicher sitzenden Nabe 30, die über Speichen 31 zwei in Wellenrichtung hintereinander angeordnete Felgen 32 trägt, in welchen sich die Sende- bzw. Empfangsdioden 6, 7 befinden.

Bei einer weiteren Vorrichtungsausführung (Figur 4) ist die auf der Welle 1 sitzende Nabe 40 lediglich mit paarweise in Wellenrichtung hintereinander angeordneten, laschenförmigen Ansätzen als Diodenträger 41 und 42 versehen. Die Trägerpaare 41, 42 sind zur Vermeidung einer Unwucht um 180° gegeneinander versetzt. Beide Paare können mit Sende- und Empfangsdioden 6, 7 bestückt sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist eine Welle 51 mit einem Torsionsabschnitt 52 verringerten Durchmessers mit Hülsen 54 und 55 versehen. Die Hülsen sind mit einem Ende beispielsweise durch Aufschrumpfen mit der Torsionswelle fest verbunden, wie mit 56 angedeutet ist. Die einander benachbarten freien Enden der Hülsen 54 und 55 tragen ringförmige Scheiben 57, 58. Sie können durch eine Klebeschicht gegen Verdrehung auf den Hülsen gesichert sein. Die Scheiben dienen zur Montage oder Befestigung der Sendediode 513 und der Fotodiode 514, sowie der elektronischen Bausteine für die Spannungsversorgung 517, für die Meßdatenaufbereitung (Signalaufbereitung und Differenzbildung) 511 und den Datensender 512.

Die Torsionswelle 51 wird von einem Gehäuse 515 umfaßt, daß sich auf Wälzlagern 516 abstützt.

Die Stromübertragung zur Versorgung der mit der Torsionswelle rotierenden elektronischen Bauteile geschieht induktiv über ein konzentrisch angeordnetes Spulenpaar 518, 519. Die äußere Primärspule 518 steht still und wird über Aussparungen im Gehäuse 515 befestigt. Die Sekundärspule 519 ist mit der rotierenden Hülse 54 verbunden.
Der übertragene Strom wird im Baustein 517 zur Versorgung der übrigen elektronischen Bauteile aufbereitet. Das Bauteil 517 stellt so die elektrische Leistung für alle rotierenden Elemente zur Verfugung, nämlich für die Leucht- oder Sendediode 513, für die Meßdatenaufbereitung 511 und den Datensender 512. Nach der Aufbereitung der gemessenen Daten in der Meßdatenaufbereitung 511 werden diese über eine Senderantenne 520 drahtlos an die feststehende Empfangseinheit 521 übertragen.

Auch dieses Element wird in Aussparungen im Gehäuse 515 befestigt.

Da die optischen Bauteile, die Sendediode 513 und die Empfangsdiode 514 dicht bei einander stehen müssen, ist vorgesehen, die relative Winkelposition der beiden Enden der Torsionswelle über die Hülsen 54 und 55 zur Mitte hin zu übertragen. Die Winkeländerung wird direkt über eine Positionsänderung registriert.

Innerhalb des Gehäuses befinden sich zwei konzentrisch angeordnete Kunststoffringe 523 und 524 auf denen sich jeweils eine der Induktionsspulen 518 bzw. 519 befinden. Wird an die äußere Spule ein Wechselstrom gelegt, entsteht durch Induktion in der inneren rotierenden Spule 519 ein Strom, dessen Größe für die Versorgung der auf der Welle befindlichen Bauteile ausreicht. Das Prinzip entspricht dem eines Transformators, wobei im vorliegenden Fall auf verstärkende Ferritkerne verzichtet wird und eine Spule in Rotation versetzt werden kann. Um die auf diese Weise übertragene elektrische Leistung für die nachfolgenden elektronischen Bauteile verwenden zu können, muß der Strom aufbereitet werden. Dies geschieht in dem Baustein 517. Er formt als Stromrichter den aus der Spule kommenden Wechselstrom in einen Gleichstrom um und hält die Spannung konstant. Von diesem Baustein ausgehend, werden die Sendediode 513, die Meßdatenaufbereitung 511 und die Sendeelektronik 512 mit Leistung versorgt.

Der Abstand der Sendediode 513 von der Empfangsdiode 514 beträgt nur wenige Millimeter. Das Bauteil 525, eine Schraube, dient der Justierung. Die Vorrichtung ist notwendig, um auf mechanische Weise den Lichtstrahl der Sendediode zu bündeln und das Meßsystem abzugleichen. Tritt kein Drehmoment auf, muß der Lichtstrahl exakt auf die Mitte der beiden lichtempfindlichen Flächen der Empfangsdiode 514 treffen, so daß beide Flächen gleichmäßig stark bestrahlt werden und zur Differenz 0 führt.
Die im Strahlengang befestigte Schraube besitzt eine Bohrung geringen Durchmessers, die exzentrisch angeordnet und axial ausgerichtet ist. Wird die Schraube gedreht, beschreibt die Bohrung mit dem austretenden Lichtstrahl eine Kreisbahn um die Schraubenachse. Auf diese Weise kann der horizontale Auftrefrpunkt des Lichtstrahls auf die als Differenzdiode ausgeführte Empfangsdiode justiert werden. Die gleichzeitige vertikale Veränderung hat keinen Einfluß auf die Meßwerte, da die Differenzdiode zwei benachbarte

lichtempfindliche Flächenelemente besitzt und nur eine eindimensionale horizontale Positionsveränderung registriert wird.

Die gemessenen Spannungen der beiden bestrahlten Flächen der Differenzdiode werden in dem Baustein 511 für die Meßdatenaufbereitung elektronisch subtrahiert, so daß ein einzelnes aussagekräftiges Signal entsteht. Die aufbereiteten Daten werden dem Datensender 512 zugeführt.

Die gesamten elektronischen Bauteile können sich auf einer Platine befinden, die auf die Trägerscheibe 58 gesetzt wird. Über die Funkantenne 520 gelangt das Datensignal zu dem im festen Gehäuse installierten Empfangsbaustein 521, von dem die Daten abgenommen werden können.

Eine für die Praxis vorgesehene Vorrichtung zeigt die Ausführung gemäß Figur 6. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Montagescheiben als Flanschringe 57 und 58 auf den Traghülsen 54 und 55 der Torsionswelle befestigt. Die Trägerscheibe 58 ist mit einer Platine 530 versehen, aufweicher alle rotierenden elektronischen Bauteile 511, 512 und 517 angeordnet sind.

Sowohl die Sendediode als auch die Empfangsdiode sind handelsübliche, äußerst kostengünstige Bauteile, die sich in eine ebenso einfach herstellbare Nabe einsetzen oder für eine Torsionswelle nutzen lassen. Die Meßvorrichtung zeichnet sich daher nicht nur durch eine ausreichende Genauigkeit aus, sondern bildet eine sehr kostengünstige Alternative zu den bislang bekannten Systemen.

Claims

DIPL.-ING. PATENTANWALT Bergiusstr. 2c, 30655 Hannover Gebrauchsmusteranmeldung: &ldquor;Drehmomentmessung" Anmelder: KTR Kupplungstechnik GmbH Rodder Damm 170 48432 Rheine SCHUTZANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Messen des in Geräte-, Maschinen- und ruhenden Vorrichtungsteilen eingeleiteten oder von diesen abgegebenen Drehmoments durch Messen der Torsion zwischen zwei voneinander entfernten Querschnitten des drehmomentbelasteten Bauteils, mit einem Lichtstrahl (11) sichtbarer oder unsichtbarer Wellenlänge der zwischen den Querschnitten auf strahlungsempfindliche Empfangsflächen (8, 9) projiziert wird und das Drehmoment über drehmomentabhängige Änderungen der bestrahlten Fläche (Flächendifferentiale) errechenbar ist, gekennzeichnet durch eine mit dem vom Drehmoment beaufschlagten Bauteil verbindbare Meßnabe (3) oder Torsionshülse oder eine Torsionswelle (51) mit jeweils zwei axial entfernt voneinander angeordneten, sich radial erstreckenden Trägern (4, 5, 57, 58) für wenigstens eine Sendediode (6, 513) und eine handelsübliche Differential-Fotodiode als Empfangsdiode (7, 514).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenträger Flansche (4, 5, 57, 58) oder Bunde sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichmäßig am Umfang der Träger verteilt angeordnete Dioden vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßnabe oder Torsionshülse (3) auf einer Welle (1) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßnabe oder Torsionshülse über ein- oder beidseitig anschraubbare Adapter mit einer Welle verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Adapter als Wellenkupplungen (20, 22, 23) ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Adapterkupplungen elastisch sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang Elemente (10, 525) zum Fokussieren des Strahlenbündels angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Träger für die Sende- und Empfangsdioden am freien Ende einer Trägerhülse (54, 55) angeordnet und jede Trägerhülse mit ihrem dem Diodenträger abgewandten Ende fest mit dem drehmomentbelasteten Bauteil verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Drehmoment ausgesetzte Bauteil eine Torsionswelle (51) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionswelle mit Kupplungselementen versehen und mit dem innerhalb eines Gehäuses (515) angeordneten Meßgeräteteilen als in sich abgeschlossen einsetzbare Meßeinheit ausgebildet ist.

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger der Sende- und Empfangsdioden kreisförmige Montagescheiben (57, 58) für die Elemente der Meßwertaumahmen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromversorgung für auf rotierenden Bauteilen angeordnete elektronische Bauteile mindestens ein einen Induktionsstrom erzeugendes Spulenpaar (518, 519) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bündelung des Lichtstrahls der Sendediode eine Justierschraube (525) mit exzentrischer, axialer Bohrung in dem die Sendediode tragenden Träger angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die für rotierende Bauteile gewonnenen Datensignale drahtlos zu einem ruhenden Empfangsbaustein (521) übertragen werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsbaustein im Vorrichtungsgehäuse installiert ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an der die Empfangsdiode tragenden Montagescheibe (58) alle rotierenden elektronischen Bauteile (511, 512, 517) befestigt sind.