DE3235122A1 - Drehmoment-messgeraet - Google Patents

Description

KOPPERS COMPANY, INC., The Koppers Building, 601 Grant Street, Pittsburgh, PA 15219, USA

Drehmoment-Meßgerät

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Drehmoments und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen des Drehmoments in einer Welle, die eine antreibende und eine angetriebene Einrichtung verbindet.

Durch die Messung des Drehmoments einer rotierenden Welle einer Kupplung zwischen einer antreibenden und einer angetriebenen Einrichtung ist es möglich, die Effizienz der Einrichtung während des Betriebes zu berechnen. Solche Meßwerte können auch benutzt werden, um in solchen Einrichtungen Leistungsschwingungen aufzudecken und die Betreiber von notwendigen Änderungen in den Betriebsbedingungen zu unterrichten, bevor solche Schwingungen bzw. Stöße die antreibende oder die angetriebene Einheit beschädigen können. Weiterhin können die Meßwerte dazu benutzt werden, um festzustellen, wann eine Wartung notwendig ist.

Beim Stand der Technik wurde auf vielfache Weise versucht, das Drehmoment zu messen. Einer dieser Versuche schlägt eine Einrichtung vor, bei der eine zusätzliche Laufbuchse auf die Kupplung aufgepaßt ist, um die Bewegung der Kupplung zu kompensieren. Obwohl hierdurch eine zufriedenstellende Messung des Drehmomentes möglich wur-

de, neigt die zusätzliche Laufbuchse dazu, den Preis der Kupplung zu erhöhen und erhöht im übrigen auch das Gewicht der Kupplung. Es wurden auch Dehnungs- bzw. Spannungsmesser mit Gleitringen verwendet, diese neigen jedoch dazu, rasch zu verschleißen und erfordern ein häufiges Ersetzen, wenn man sich auf eine genaue Messung verlassen will. Es wurde auch vorgeschlagen, innerhalb der Kupplung einen Signalübermittler zu plazieren. Da jedoch Kupplungen nicht in idealen Umgebungen betrieben werden, fallen die Fernsender häufig aus, wodurch es notwendig wird, die Einrichtung abzuschalten und die Kupplung zu lösen, um die übertragungseinrichtung zu ersetzen. Hieraus folgen teure Ausfallzeiten. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Drehmoments vor, welche weder die Kosten noch das Gewicht der Kupplung selbst erhöht, noch eine häufige Wartung der elektronischen Anlage erfordert.

Im Falle der vorliegenden Erfindung wird die Phasenbeziehung der von den Meßwertgebern A, B, C und D erzeugten Signale verglichen und durch eine elektronische Schaltung weiterverarbeitet und das resultierende erzeugte Signal ist das wahre Drehmoment, das über die Kupplung übertragen wird. Die durch die Meßköpfe erzeugten Signale umfassen ungewünschte Phasenverschiebungen, die durch Bewegung der Kupplungsmittellinie in entweder horizontale oder vertikale Richtungen oder in sowohl horizontale als auch vertikale Richtungen verursacht werden. Um diese durch die Bewegung der Kupplungsmittel1inie verursachten Fehlersignale zu eliminieren, kompensiert die Schaltung automatisch die horizontale Bewegung, indem sie den NuI1-Kreuzungspunkt der in jedem der Meßwertgeber durch eine solche Bewegung induzierten Spannungen bestimmt. Um die vertikale Bewegung zu kompensieren, löscht die Schaltung automatisch die voreilende Phasenverschie-

bung, die entweder im Sensor A oder im Sensor B induziert wird, wobei die nacheilende Phasenverschiebung in den Sensoren C oder D induziert wird, die den Sensoren A und B diametral gegenüberliegen. Sowohl die horizontale als auch die vertikale Kompensation der Bewegung der Kupplungsmittel! inie erfolgt daher selbsttätig ohne die Notwendigkeit, der Sensorschaltung korrigierende Signale zuzuführen oder die Sensorschaltung wieder vorzuspannen.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Teilschnitt in Seitenansicht einer Kupp- · lung, die das Verfahren und die Vorrichtung der

vorliegenden Erfindung zur Drehmomentsmessung verwendet;

Figur 2 ein Blockschaltbild des Sensorschaltkreises der vorliegenden Erfindung;

Figur 3 eine schematische Darstellung des Sensor-Schaltkreises der vorliegenden Erfindung;

Figur 4 ein Steuerungsdiagramm für die Schaltung der vorliegenden Erfindung , und

Figur 5 eine grafische Darstellung der automatischen Schaltungs-Kompensation der Bewegung der Kupplungsmittellίnie.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist erkennbar, daß die allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnete Kupplung Lagerbüchsen 12 und 14 umfaßt, die sich nach auswärts erstreckende Zahnradzä'hne 16 und 18 aufweisen. Die Lagerbüchsen 12 und 14 sind auf einer Antriebswelle 20 und auf einer angetriebenen Welle 22 durch nicht dargestellte, konventio-

nelle Mittel, wie Mitnehmernuten od. dgl., befestigt. Mit diesen sich nach außen erstreckenden Zahnradzähnen 16 und 18 der Lagerbüchsen 12 und 14 wirken sich nach innen erstreckende Zahnradzähne 24 und 26 der Trommeln 28 und 30 zusammen. Die Trommeln 28 und 30 sind Über Distanzhalter 32 durch konventionelle Mittel, wie nicht dargestellte Bolzen od. dgl., wirkungsmäßig verbunden.

Die im Distanzhalter 32 zwischen den Trommeln 28 und 30 erzeugte Torsion steht in direkter Proportion zu dem Drehmoment, welches von der Antriebswelle 20 auf die angetriebene Welle 22 übertragen wird. Fehlersignale, die durch eine Bewegung der Achsmittellinie in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung erzeugt werden, erscheinen ebenfalls als Drehmomentsignale und müssen eliminiert werden, um die wahren Drehmomentswerte zu erhalten.

Wie in Figur 1 dargestellt, sind in die Oberfläche des Distanzhalters 32 zwei symmetrische geschlitzte Muster 34 und 36 eingeschnitten, die sich in Umfangsrichtung um die äußere Oberfläche des Distanzhalters 2 erstrecken. Die ■· geschlitzten Muster umfassen 65 Zähne bei einem Teilkreisdurchmesser von 8 _s125 inches.

Vier passive magnetische Meßwertgeber A, B, C und D sind in einer im wesentlichen horizontalen Ebene unter geringer Entfernung von den geschlitzten Mustern 34 und 36 angeordnet. Die Meßwertgeber sind annäherungsweise 0,060 inches von den geschlitzten Mustern entfernt. Die Befestigung kann in jeder gewünschten konventionellen Weise erfolgen, beispielsweise auf einem Zylinder, der die Aussenseite des Abstandshalters 32 umgibt.

Bei Rotation des Distanzhalters 32 wird durch die geschlit.zten Muster 34 und 36 in den passiven magnetischen

Meßwertgebern A, B, C und D ein Wechselstromsignal induziert. Das Meßkopfsignal wird durch den Verstärker 38 (sh. Figur 3) verstärkt. Es wird vorausgesetzt, daß jeder Meßwertgeber einen identischen Meßgeberstromkreis 40, der mit demjenigen für A in Figur 3 gezeigten identisch ist, aufweist. Das verstärkte Signal wird zu einem Spannungskomparator 42 des Meßgeberstromkreises 40 übertragen. Der Ausgang des (Comparators 42 erzeugt ein Rechteckwellensignal, welches bei dem gleichen Nulldurchgangspunkt schaltet, wie das Wechselstromsignal des Meßwertgebers A. Es wird weiterhin vorausgesetzt, daß die Signale aus den Meßwertgebern B, C und D in gleicher Weise verstärkt und geformt werden. Das Rechteckwellensignal wird dann der Diode D1 zugeführt, wo der untere Bereich abgeschnitten wird und die Ausgangsspannung wird über die Spannungsteiler R1 und R2 auf ein niedrigeres Betriebslevel reduziert. Die Pufferschaltungen 50 bis 53 sorgen für eine Signalbearbeitung, die dazu dient, die logischen Stromkreise mit kleinster Belastung 54, 44, 55 und 46 zu isolieren und zu schützen. Inverter-Gatter 54 und 55 an den Meßgeberstromkreisen A und C dienen dazu, die Phasen dieser Signale zu ändern, wie es aus dem Steuerungsdiagramm gemäß Figur 4 ersichtlich ist. Die Signale aus Meßkopf A und Meßkopf B werden im NAND-Gatter 44 kombiniert. Die ähnlichen Wellenfunktionen aus C und D werden im NAND-Gatter 46 kombiniert. Die kombinierten Signale aus den Meßgebern A und B und C und D werden dem NAND-Gatter 48 zugeführt. Das Ausgangssignal des Gatters 48 ist im Steuerungsdiagramm dargestellt, bevor jedwede vertikale Verschiebung vorgekommen ist,und zwar als Signal E in Figur 4. Das gleiche Ausgangssignal ist als Signal E1 in Figur 4 dargestellt, nachdem eine vertika-

Ie Verschiebung an dem angetriebenen oder dem Lastenende der Distanzhaiterwelle 32 aufgetreten ist. Man bemerke, daß der durchschnittliche Wert der Wellenform bei E

gleich ist dem durchschnittlichen Wert der Wellenform bei E1, gemittelt über eine (elektrische) 360° -Rotation, d.h. über einen vollen Zahn. Man sieht daher, daß der Fehler, der durch eine vertikale Achsbewegung am angetriebenen Ende verursacht wurde, gelöscht bzw. eliminiert worden ist. Dies trifft auch zu für vertikale Achsbewegung am Antriebsende. Das Ausgangssignal des Gatters 48 ist ein Signal, bei dem jede durch eine horizontale oder vertikale Bewegung der Kupp!ungsmittel1inie induzierte Komponente eliminiert ist, und es stellt ein Signal dar, das in das wahre Drehmoment, welches der Kupplung zugeführt wurde, konvertibel ist. Eine solche Konversion kann in konventionellen, den Mittelwert eines Signals bildenden Stromkreisen, wie beispielsweise in Figur 3 dargestellt, vollzogen worden.

Die Bewegung der Kupp! ungsmi ttelli nie in einer horizontalen Richtung wird eine Änderung der Amplitude des induzierten Wechselstromsignals bewirken, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Diese Amp!itudenvariationen werden eine Änderung der Phase des Ausgangssignals bewirken, wenn keine Kompensation vorgesehen ist. Lediglich der Nulldurchgangspunkt des Wechselstromsignals bleibt der gleiche, da die Betriebsfrequenz die gleiche bleibt. Ein Spannungskomparator 42, sh. Figur 3, arbeitet als Null-Durchgangs-Detektor und als Pulskonverter, um das durch den Meßkopf erzeugte Wechselstromsignal in ein Rechteckswellensignal umzuwandeln, welches direkt proportional der Frequenz oder Winkelrotation des Distanzhalters 32 ist.

Es wird wiederum auf Figur 5 bezug genommen. Jede ansteigende vertikale Bewegung der Welle 20 bewirkt, daß das Wechselstromsignal, welches in dem Sensor-Meßkopf A induziert wird, phasenverschoben wird und zwar in eine positive oder vorauslaufende Richtung bei Drehung der Welle

im Uhrzeigersinn. Umgekehrt wird das identische Signal, welches in den Sensor-Meßkopf C induziert wird, welcher diametral gegenüberliegend dem Meßkopf A angeordnet ist, bezüglich seiner Phase verschoben, und zwar in eine negative oder nacheil-ende Richtung. Diese Phasenvoreilung beim Meßkopf A ist exakt gleich der Phasenverzögerung beim Meßkopf C (bezüglich der Größe), und wenn diese beiden Signale im NAND-Gatter 48 kombiniert werden, so löscht sich die positive und die negative Phasenverschiebung aus. Dieses Phänomen tritt auch auf zwischen dem Meßkopf B und dem Meßkopf D, wenn die Welle 22 ansteigt oder abfällt in vertikaler Richtung. Das unerwünschte Fehlersignal, welches durch die vertikale Bewegung der Mittellinie verursacht wird, wird daher eliminiert und das wahre Drehmomentsignal, welches direkt proportional der Torsion, d.h. der Verwindung der Welle ist, verbleibt.

Während im Vorstehenden nur ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden ist, versteht es sich von selbst, daß die Erfindung im Umfang der Ansprüche auch auf andere Weise verkörpert werden kann.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

-40- Leerseite

Claims (5)

K''BROSE0^bROSEK" D-8023 München-Puilach. Wiener Sir. 2; Jen (0J9) 7 93 38 W J felnx KVJW bias d; Cnblos: «Patentibus- München KOPPERS COMPANY, INC., The Koppers Building, 601 Grant Street, Pittsburgh, PA 15219, USA ihr zeichen: 8ÖM57 Tag: 22. September 1£ Your ref: Date: Re-a U PATENTANSPRÜCHE

1.^Vorrichtung zum Messen des Drehmoments einer rotierenen Welle, gekennzeichnet durch

(a) eine Vielzahl von geschlitzten Mustern (34, 36), die auf dieser Welle (32) ausgebildet sind,

(b) eine Mehrzahl von Meßwertgebern (A, B, C, D), die in einer horizontalen Ebene und in geringem Abstand zu und an gegenüberliegenden Seiten des geschlitzten Musters relativ zu der Mittellinie der Welle angeordnet sind,

(c) wobei die Meßwertgeber (A, B, C₅ D) so ausgebildet sind, daß sie ein Signal aufnehmen können, weichesaus der Rotation der geschlitzten Muster (34, 36} auf der Welle (32) resultiert,

(d) eine Schaltungseinrichtung zum Analysieren dieser durch die Meßwertgeber nachgewiesenen Signale und zum

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Umwandeln dieser Signale in ein Signal, welches das Drehmoment darstellt» welches auf die Welle einwirkt, und 5

(e) eine Einrichtung zum Anzeigen dieses Drehmoments!- gnals als direkten Meßwert des Drehmoments.

2. Verfahren zum effektiven Kompensieren der Bewegung der Wellenmittellinie in der horizontalen Richtung durch Nachweis des NuI1durchgangspunktes des in den Sensor-Meßkopf induzierten Wechselstromsignals.

3. Verfahren zum genauen Kompensieren der Bewegung der Wellenmittellinie in der vertikalen Richtung durch gegenseitiges Auslöschen des auf der einen Seite der Kupplung auftretenden Phasenverschiebungssignals mit dem auf der anderen Seite der Kupplung auftretenden identischen Phasenverschiebungssignals, und zwar an beiden Enden des Kupplungs-Distanzhalters (32).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei geschlitzte Muster (34, 36) vorgesehen sind, die aus einer Vielzahl von Zähnen bestehen, die in die Welle geschnitten sind.

5. Verfahren zum Bestimmen des Drehmoments einer rotierenden Welle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(a) Einschneiden einer Vielzahl von geschlitzten Mustern in die Welle,

(b) Nachweisen eines durch die Rotation dieser Muster erzeugten Signals mittels passiver Meßwertgeber (A, B, C₃ D), und

(c) Analysieren dieses Signals zum Umwandeln desselben in

eine Meßgröße, die dem auf die Welle einwirkenden Drehmoment entspricht.