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Drehmomentmeßschlüssel
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentmeßschlüssel mit einem
Ratschenkopf oder einem auswechselbaren Werkzeugteil und einem außerhalb des Drehzentrums
am Hebelarm des Schlüssels angebrachten Meßwertgeber für die Drehmomenterfassung.
Das an der Meßstelle auftretende Drehmoment hängt von der Länge des Abstandes der
Meßstelle (Meßhebelarm) vom Drehzentrum ab und weist bezogen auf das durch die am
Hebel angreifende Querkraft und die vom Drehzentrum bis zum Kraftangriffspunkt reichende
Hebelarmlänge definierte Drehmoment einen geringeren Wert auf. Dieser£ 11systematische"
Fehler wird normalerweise in der Kalibrierung dahingehend berücksichtigt, daß das
an der Meßstelle gemessene Moment tatsächlich einem größeren Moment am Werkzeugkopf
entspricht.
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Eine solche Kalibrierung setzt indessen einen örtlich definierten
Kraftangriffs- oder einleitungspunkt voraus. Wird in der Praxis ein anderer Krafteinleitungspunkt
gewählt bzw. ist ein solcher erforderlich, wie es im Falle der Verwendung einer
Hebelarmverlängerung der Fall ist, so entsteht ein unter Umständen beträchtlicher
Meßfehler. Das heißt, bei einer von der Kalibrierungshebelarmlänge abweichenden
Hebelarmerstreckung, also bei undefinierter Hebelarmlänge, ist bei gleicher Drehmomentanzeige
das tatsächliche Drehmoment am Werkzeugkopf kleiner.
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Um diese Unzulänglichkeit auszuschalten, ist es bekannt, am Hebelarm
zusätzliche Meßstellen vorzusehen, um die Kraftverteilung vollständig zu erfassen
und eine Kompensation des Meßfehlers durchzuführen (DE-OS 31 39 374.8).
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Dieser Weg ist verhältnismäßig aufwendig und umständlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Meßfehler
durch eine solche Gestaltung der Geometrie der Meßstelle zu kompensieren, daß die
Querkraft ohne zusätzliche Meßstelle erfaßbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hebelarm
einen im Bereich der Meßstelle und deren Umgebung befindlichen Abschnitt geringerer
Steifigkeit gegen Querkraftbeanspruchung aufweist und daß die querkraftbedingte
elastische Verformung in diesem Abschnitt durch den Meßwertgeber für das Drehmoment
miterfaßt wird und dieses Verformungssignal dem auf das an der Meßstelle angreifenden
Drehmoment zurückgehenden Signal überlagert wird, und daß diese beiden Signale,
das tatsächliche Drehmoment am Werkzeugkopf indizieren.
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Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Drehmomentmeßschlüssel mit auswechselbarem
Werkzeugteil, Fig. 2 Drehmomentbeanspruchungen am Werkzeugkopf bei unterschiedlichen
Hebelarmlängen schematisch, Fig. 3 einen im Bereich der Meßstelle und deren Umgebung
als Doppelbiegearm ausgebildeten Hebelarm, Fig. 4 die durch Drehmomentbeanspruchung
bewirkte prinzipielle Verformung des Doppelbiegearms.
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Fig. 5 die prinzipielle Verformung des Doppelbiegarms durch Querkraftwirkung,
Fig. 6 eine alternative Querschnittsform des Hebelarms an der Meßstelle.
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Der Drehmomentmeßschlüssel gemäß Fig. 1 besteht aus einem Handgriff
1, einem diesen aufnehmenden Schaft 2 (Hebelarm) mit einem Aufnahmekopf 3 für einen
Schraubenschlüssel 4 oder dergleichen Werkzeugteil. In seinem aufnahmekopfseitigen
Bereich ist der Schaft 2 mit einem Meßwertgeber 5 (Meßstelle) versehen.
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Bei einen solchen DrehmomentmeSsclllüssel mulJ die Messung des Drehmoments
außerhalb des Drehzentrums 6 erfolgen. Uas an der Meßstelle 5 entstehende Drehmoment
hängt von der Länge des Meßhebelarms a ab und enthält einen von der QuerKraft F,
also von der Hebelarmlänge 1 abhängigen systematischen Fehler. Dieser Fehler wird
normalerweise in der Kalibrierung berücksichtigt und erfordert die Einhaltung eines
definierten Krafteinleitungspunktes F.
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Wira auf den Handgriff des Drehmomentmeßschlüsseis eine VerlängetlJng
8 aufgesteckt, so entsteht ein unter Umständen erheblicher Meßfehler, der auf den
weiter vom Drehzentrum entfernt liegenden Krafteinleitungspunkt Fl zurückzuführen
ist. Während bei der Kalibrierung mit der Hebelarmlänge 1 berücksichtigt wird, daß
das gemessene Moment M einem größeren Moment M am Werkzeugkopf entspricht (vergl.
hierzu Fig.2), aist es im Falle einer HeBelarmverlängerung (Hebelarmlänge 11) so,
daß bei gleicher Drehmomentanzeige M das tatsächliche Moment M1 am Werkzeugkopf
kleiner ist. a eine korrekte Messung zu erhalten, wird, wie die Figur 3 im Prinzip
zeigt, der hebelarm in der Umgebung der Meßstelle 5 beispielsweise als Doppelbiegebalken
ausgebildet. Der dadurch bewirkten Verminderung der Steifigkeit des Hebelarms gegen
Querkräfte ist eine Transformation der Querkraft bzw. der Querkräfte in ein Zusatznoment
immanent, das miterfaßt wird. Dabei Kommt es darauf an, daß der Transformationsfaktor
geeignet gewählt wird.
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Im Falle der Figur 3 ist die Hebelarmlänge vom Drehzentrum 6 bis zur
Meßstelle 5 wieder mit a bezeicllnet, während e die Länge des gewünschten Transformationsgliedes
(Doppelbiegebalken), b die Hebelarmbreite, c die handstärke des Hebelarms und d
den Abstand der Wandungsitten des geschlitzten Hebelarms voneinander kennzeichnen.
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Unter der Voraussetzung Wandstärke c<<d errechnet sich die Länge
c des Transformationsfaktors näherungsweise zu e = 2ac.
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3d Unter dem Einfluß eines Drehmoments verformt sich der Doppelbiegebalken
gemäß Fig. 3 in der in Fig. 4 uargestellten Weise.
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Im oberen Steg 9 des Balkenabschnitts entstehen Zugspannungen, die
an seiner Außenseite 9' größer sind als an seiner Innenseite 9". Die infolge der
Ausbiegung des Balkenabschnitts nach oben an seinem unteren Steg 10 auftretenden
Druckbeanspruchungen sind an dessen Außenseite 1U' ebenfalls größer als an seiner
Innenseite 10". Die Zug- oder Druckbeanspruchungen können in den Punkten A und/oder
B oder in den Punkten C und/oder D gemessen werden, wobei die Signale entsprechend
den besagten Beanspruchungen in den Punkten A oder B größer sind als in den Punkten
C oder D. Es empfiehlt sich daher eine Messung an der Stelle A und/oder B, die mittels
Dehnmeßstreifen erfolgen kann.
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Die durch die Querkraft F erzeugte Verformung des Doppelbiegebalkens
ist in Fig. 5 veranschaulicht. Hier handelt es sich um eine Verformung des Balkenabschnitts
mit Wendepunkt. Trotz dieser im Vergleich zur drehmomentbedingten Verformung völlig
anderen Verbiegung erhält man in den Punkten A,B,C und fl ein Signal in gleicher
Richtung wie bei Drehmomentbelastung. Im Wendepunkt E entsteht kein querkraftabhängiges
Signal.
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Infolge dieser mechanischen Gegebenheiten kann durch geeignete Wahl
der geometrischen Abmessungen des geschlitzten Balkenabschnitts, insbesondere des
Verhältnisses Länge zur Höhe der Stege 9 und 10, erreicht werden, daß die Meßgröße
M = M + a.F = M , also gleich dem Drehmoment am Werkzeugkopf wird. a 0 Durch Veränuerung
des Widerstands des Balkenabschnitts im Bereich der Meßstelle gegen Biegung kann
der Transformationsfaktor durch zusätzliche, nicht mit einem Dehnmeßstreifen beklebte
Stege 11, die in der Biegeachse liegen und den Widerstand gegen Biegung erhöhen,
reduziert werden, ohne daß dabei die Empfindlichkeit des Balkenabschnitts auf Drehmomentbeanspruchung
nennenswert beeinflulst wird. Line Querschnittsform der Meßstelle gemäß Fig.
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@ führt näherungsweise zu einer Transformationslänge e#2 a(bc2 + f3).
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3 bcd Ls ist ersichtlich, da ohne weiteres auch andere Querschnitte
des balken-bzw. Hebelarmabschnitts im Bereich der Meßstelle verwirklichbar sind,
insbesondere kann der Hebelarm in dieser Bereich mehrfach durchbrochen sein, um
die Empfindlichkeit für Drehmoment und Querkraft unabhänig voneinander einstellen
zu können.
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Nach abgeschlossener Verklebung eines Doppelbiegebalkens gemäß Fig.
@ mit Dehnmeßstreifen kann die Meßempfindlichkeit auf einfache Weise abgeglichen
werden. So kann im Falle eines zu geringen Meßsignals das Maß e durch spanabhebende
Bearoeitung im Punkt 12 vergrößert werden, wodurch das querkraftbedingte Zusatzmoment
M@ = F.e erhöht wird.
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4 Andererseits kann bei einem zu großen Meßsignal das al e an der
Stelle 13 vergrößert werden, so da die bereits fixierte Meßstelle sich scheinbar
in Richtung auf die Mitte des Biegebalkens zubewegt und damit ihre Anteil vermindert
( Im Punkt E ist das Signal = O).
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Mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung lassen sich auch Zusatzmomerte
am Handgriff (MZ in Fig. 2) durch die erhöhten Querkräfte in ihrer Auswirkung auf
die betreffende Schraubverbindung richtig bewerten.
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Die Summe der beiden das tatsächliche Drehmoment am Werkzeugkopf verifizierenden
Signale werden in bekannter Weise ausgewertet.