DE3627739A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des von einer temperaturschwankungen unterworfenen welle uebertragenen drehmomentes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Dreh­ momentes, welches von einer Turbinenmaschine abgegeben wird, insbesondere von einem Turbomotor an den Eingang des Getriebes eines Hubschraubers.

Die Hubschraubermotoren übertragen die Kraft an das Haupt­ getriebe entweder mit niedriger Drehzahl über ein am Motor angebautes Untersetzungsgetriebe oder mit hoher Drehzahl, welche der des Wellenzuges einer freien Turbine entspricht.

Im erstgenannten Fall erfolgt die Messung des Drehmomentes gewöhnlich über ein im Untersetzungsgetriebe eingebautes Gerät, ohne daß dabei spezielle Schwierigkeiten auftreten.

Im zweiten Fall, wenn die Drehung einer freien Turbine direkt übertragen wird, hat die Welle, welche die Bewegung nach vorne überträgt, zwangsläufig eine große Länge und verformt sich infolgedessen durch Torsion.

Man verwendet dann gewöhnlich eine Meßvorrichtung für das Drehmoment mit einem Torsiometer, welcher diese Torsions­ verformung der Welle mißt, welche eine Funktion des über­ tragenen Drehmomentes ist.

Die Verdrehungssteifigkeit der Welle ist jedoch mit dem Wert des Elastizitätsmoduls des die Welle bildenden Materials verbunden und der Wert dieses Moduls ist eine Funktion der Temperatur desselben.

Wenn die Konzeption der Maschine es erlaubt, wird sie in einen Raum eingeschlossen, dessen Temperatur entweder gut bekannt ist oder gesteuert werden kann, beispielsweise durch Beriese­ lung oder durch Umlauf von Öl oder einer anderen Flüssigkeit.

Die Temperatur dieser Flüssigkeit liefert ein annehmbares Bild der Temperatur der Welle und kann daher als Korrektur­ parameter in einem elektronischen System zur Behandlung oder Verarbeitung der Angaben verwendet werden.

Wenn es sich um eine sehr lange Welle handelt, erstreckt sich diese durch verschiedene Bereiche, in denen die Tempe­ raturen von mehreren Variablen abhängen und deren Entwicklung während des Betriebes nur schwer vorhersehbar sind.

Wenn außerdem die Konstruktionstechnologie es unmöglich macht, ein Zirkulationssystem für eine Flüssigkeit vorzusehen, um die Temperatur zu homogenisieren, deren Wert ein Bild der Wellentemperatur geben könnte, so gelangt man dazu, eine Temperatur eines statischen Teiles zu verwenden, welche als Ausgang für die gewünschte Korrektur dienen kann, ohne jedoch eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen.

Eine bekannte Vorrichtung verwendet zur Messung des Wertes des übertragenen Drehmomentes ein erstes Tonrad (roue phoni­ que), welches auf der Welle befestigt ist, und ein zweites Tonrad, welches auf dem hinteren Ende einer sogenannten Bezugswelle befestigt ist, welche parallel zur ersten verläuft, wobei dieses Ende der Bezugswelle freiliegt, während ihr anderes Ende nahe dem Motor fest mit der Triebwelle verbunden ist.

Die Winkeleinstellung der Räder erfolgt in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der verwendeten elektronischen Meß­ schaltungen. Die ursprüngliche Winkelverstellung zwischen zwei übereinstimmenden Zähnen der Räder schwankt in Abhängig­ keit vom übertragenen Drehmoment.

Dieser Wert der ursprünglichen Zahnstellung und seine durch das Drehmoment hervorgerufene Vergrößerung erzeugen Signale, welche am Ausgang von Magnetfängern erscheinen, die direkt neben den Tonrädern angeordnet sind.

Diese bekannte Vorrichtung berücksichtigt jedoch nicht die Veränderungen des Elastizitätsmoduls infolge der Temperatur­ schwankungen.

Die Erfindung will daher ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Triebwelle schaffen, welche durch Torsion verformt wird, wobei das Ganze durch eine Vor­ richtung vervollständigt wird, welche Temperaturschwankungen berücksichtigt, welche den Wert des Elastizitätsmoduls des Materials beeinflussen können, aus dem diese Welle hergestellt ist.

Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des von einer Temperaturschwankungen unterworfenen langen Triebwelle, insbesondere zwischen dem Motor und dem Getriebe eines Hubschraubers, übertragenen Drehmomentes im wesent­ lichen dadurch, daß die Verschiebung der Triebwelle aufgrund der Linearausdehnung im Verhältnis zu der einer Bezugswelle gemessen wird, welche sich mit der Triebwelle zusammen aus­ dehnt, aber einen anderen Ausdehnungskoeffizienten hat.

Dabei kann insbesondere die unterschiedliche Ausdehnung durch Veränderung des Luftspaltes zwischen jeweils an den Wellen befestigten Zielen und diesen Zielen zugeordneten Magnet­ fängern gemessen werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die unter­ schiedliche Ausdehnung in eine Drehung von zwei jeweils mit den Wellen verbundenen Tonrädern transformiert.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Trieb­ welle verbundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß dem fest mit der Bezugswelle verbundenen Tonrad ein zusätzlicher Magnetfänger zugeordnet ist, welcher dem ungezahnten Bereich des Tonrades gegenüber liegt und dessen Achse parallel zu den Achsen der Wellen und rechtwinklig zur Ebene des Rades ver­ läuft, wobei die Wellen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist dem Tonrad der Triebwelle in der gleichen Weise ein derartiger Magnetfänger zugeordnet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist diese Vorrichtung, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle verbundene und nahe dem Getriebe von dieser unab­ hängige Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der beiden Tonräder parallel zueinander und schräg zur Achse der Wellen verlaufen und daß die Achsen der Magnetfänger rechtwinklig zu den Stirnflächen verlaufen, während die Wellen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle verbundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Ton­ rädern Magnetfänger zugeordnet sind, ist dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung Anordnungen aufweist, durch welche die Linearausdehnung der Bezugswelle in eine Drehbewegung des zugeordneten Tonrades transformierbar ist, wobei diese Wellen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffizienten hergestellt sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal bestehen diese Anordnungen aus wenigstens einer auf einem der Tonräder ausgebildeten und mit dem unabhängigen Ende der Bezugswelle zusammenwirkenden Schrägfläche.

Bei einer Ausführungsform ist die Schrägfläche eine an der Innenseite eines frei verdrehbar um die Triebwelle montierten kreisförmigen Tonrades ausgebildete Nut und das unabhängige Ende der Bezugswelle ragt durch eine Öffnung in der Triebwelle hindurch und greift in die Nut ein.

Bei einer Variante sind die Tonräder parallel und koaxial angeordnet und die Nut ist an der Oberfläche des mit der Triebwelle verbundenen Rades ausgebildet und wirkt mit einem Vorsprung des mit der Bezugswelle verbundenen Rades zusammen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeich­ nungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bekannten Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes durch Messung der unter­ schiedlichen Verformung der Triebwelle und der Bezugs­ welle durch Torsion;

Fig. 2A und 2B schematische Ansichten in Richtung der Pfeile II-II in Fig. 1, welche die Winkelverstellung der Tonräder in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wiedergeben;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungs­ form einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens;

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Variante;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels der Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 eine Teilansicht, welche die Spiralrampe zeigt, welche auf dem fest mit der Bezugswelle verbundenen Rad ausgebildet ist; und

Fig. 7 eine Ansicht einer Variante der Vorrichtung aus Fig.5.

Zunächst soll eine zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung zur Messung des von einer Triebwelle übertragenen Drehmomentes anhand der Fig. 1, 2A und 2B beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine hohle Triebwelle P, welche am einen Ende ein Zahnrad X trägt, an welchem ein nicht dargestelltes Ausgangsorgan eines Motors angreift. An ihrem anderen Ende steht diese Welle P in Antriebsverbindung mit einem ebenfalls nicht dargestellten Getriebe. Nahe diesem Ende trägt die Welle P ein Tonrad A. Im Inneren der Welle P ist eine Bezugswelle R angeordnet, welche mit ihrem Ende nahe dem Zahnrad X in der Welle P befestigt ist, während ihr anderes Ende frei liegt und einen Sektor eines Tonrades B trägt, der konzentrisch zum Rad A verläuft und parallel zu diesem durch eine Öffnung O in der Welle P aus dieser heraus­ ragt. Genau gegenüber den Zähnen der Tonräder A und B sind Magnetfänger C angeordnet.

Die Winkelstellung der Räder wird in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der elektronischen Meßschaltungen, denen durch die Magnetfänger erzeugte Signale zugeleitet werden und welche hier nicht erläutert werden sollen, da sie an sich bekannt sind, vorgenommen.

Die Winkelverstellung R ₀ der Zähne der Räder A und B wird zu R ₁, wenn die Triebwelle P sich durch Torsion aufgrund des vom Motor an das Getriebe übertragenen Drehmomentes verformt. Die Messung dieser Verformung ergibt ein Bild des übertragenen Drehmomentes, berücksichtigt jedoch nicht die Veränderungen des Elastizitätsmoduls des Materials der Welle P unter der Einwirkung der Temperatur.

Um diesen Nachteil auszuschalten, wird erfindungsgemäß die Welle P als Prüfkörper bezüglich der Temperatur verwendet. Tatsächlich ist ihre Länge eine Funktion des Integrals der Temperaturen, denen sie über ihre gesamte Länge ausgesetzt ist.

Vorteilhafterweise wird die Welle P somit in Verbindung mit der Bezugswelle verwendet, welche aus einem Werkstoff her­ gestellt ist, der einen vom Werkstoff der Triebwelle P deutlisch unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizient besitzt.

Es ergibt sich daher eine unterschiedliche Ausdehnung, welche in Höhe der Tonräder meßbar ist.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist und analog zur Anordnung der Fig. 1 die Wellen P ₁ und R₁ in identischer Weise angeordnet besitzt, hat die Welle R ₁ einen linearen Ausdeh­ nungskoeffizienten, welcher stark von dem der Welle P ₁ ab­ weicht, wobei zwei zusätzlich kontaktlose Magnetfänger D vorgesehen sind, die an sich bekannt sind und eine Spule enthalten, deren Induktanz vom Abstand zwischen dem Fänger und einem Metallziel abhängt. Das Ziel eines jeden Magnet­ fängers wird durch eines der Tonräder A oder B gebildet, wobei jeder Magnetfänger mit seiner Achse parallel zu den Wellen P ₁ und R₁ liegt, jedoch gegenüber dem vollen Teil des zugeordneten Rades rechtwinklig zu dem Rad.

Dank dieser Anordnung erhält man außer der Messung des gelie­ ferten Drehmomentes durch die Magnetfänger C eine Messung der linearen Ausdehnung Δ L.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Wellen P ₂ und R ₂ auf die gleiche Weise angeordnet ebenso wie die Räder A und B, doch besitzen deren Zähne parallele, schräg zur Achse der Wellen P ₂, R ₂ ver­ laufende Stirnflächen. Die Magnetfänger C ₂ und C ₃ sind mit ihren Achsen rechtwinklig zu den schrägen Stirnflächen der Zähne der Tonräder angeordnet, deren Abstand in Abhängigkeit von der unterschiedlichen linearen Ausdehnung Δ L schwankt, so daß infolgedessen der Luftspalt E zwischen dem Magnetfänger C ₂ und dem Rad A konstant bleibt, während der Luftspalt E ₁ zwischen dem Magnetfänger C ₃ und dem Rad B sich mit Δ L ver­ ändert, wodurch infolgedessen die Amplitude des vom Magnet­ fänger erzeugten Signals modifiziert wird.

In der Praxis erlaubt die Nähe der Räder A und B, die Messung mit einem einzigen Magnetfänger durchzuführen, welcher auf die Veränderung des Luftspaltes anspricht.

Gemäß einer anderen Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die unterschiedliche lineare Ausdehnung Δ L dadurch gemessen, daß man dieselbe in eine Drehbewegung transformiert.

Zu diesem Zweck sind, wie Fig. 5 zeigt, die Wellen P ₃ und R ₃ wie bei den vorhergehenden Beispielen angeordnet, wobei die Triebwelle P ₃ ihr Tonrad A ₃ trägt, während das der Bezugs­ welle R ₃ zugeordnete Tonrad aus einem kreisringförmigen Rad b ₃ besteht, welches einen äußeren Zahnkranz F trägt, der frei verdrehbar um die Welle P ₃ über der Öffnung O derselben mon­ tiert ist.

Vorzugsweise wird das kreisringförmige Tonrad B ₃ in axialer Richtung auf der Welle P ₃ zwischen dem Tonrad A ₃ derselben und einem Ringbund G festgehalten, welcher außen auf der Welle P ₃ ausgebildet ist.

Das Ringrad B ₃ weist an seiner Innenseite eine Nut H (Fig. 6) auf, welche gegenüber seiner Achse I geneigt ist und in welche ein Finger J hineinragt, welcher durch ein Endstück der Welle R ₃ gebildet wird, welche seitlich abgebogen ist.

Sobald sich Δ L ändert, verschiebt sich der Finger J und verdreht das Rad B ₃ im Winkel in entsprechender Weise um die Achse I unter Zwischenwirkung der schräg laufenden Nut H vor den Magnetfängern C ₃. Bei einer in der Fig. 7 dargestellten Variante ragt das der Triebwelle P ₄ zugeordnete Tonrad A ₄ transversal in diese hinein und das Rad B ₄ ist fest mit der Welle R ₄ verbunden und erstreckt sich parallel zum Rad A ₄ ebenfalls transversal in die Welle R ₄.

Die Nut H ₁ wird durch zwei parallele Zähne K begrenzt, welche zur Achse I schräg stehen und von der Seitenfläche des Rades A ₄ zum Rad B ₄ vorspringen, wobei letzteres einen Zahn M be­ sitzt, welcher in entsprechender Weise zur Neigung der Zähne K geneigt ist und zwischen dieselben greift.

Die Veränderung von Δ L ruft eine Winkelbewegung des Rades B ₄ durch das Zusammenwirken der Zähne M und K vor dem oder den Magnetfängern C ₄ hervor.

Die durch die Magnetfänger, welche den Tonrädern in den ver­ schiedenen Ausführungsbeispielen zugeordnet sind, erzeugten Signale werden in geeigneten elektronischen Schaltungen be­ arbeitet, wobei diese Schaltungen allgemein bekannt sind und keinen Teil der Erfindung bilden.

Die Neigung der Nuten H und H ₁ ist naturgemäß proportional zur Schwankung der Temperatur. Die ursprüngliche Einstellung und der Verlauf der Neigung werden unter Berücksichtigung der Art des Werkstoffes der Triebwelle und der Bezugswelle ausgeführt.

In den verschiedenen Durchführungsbeispielen können Wärme­ brücken zwischen den Wellen P und R vorgesehen werden, um die Übereinstimmung ihrer Temperatur zu gewährleisten.

Es dürfte einleuchten, daß das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenso bei einer Turbinenmaschine anwendbar sind wie bei einem vom Motor getrennten Getriebe.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung des von einer Temperaturschwankungen unterworfenen langen Triebwelle übertragenen Drehmomentes, insbesondere der Welle zwischen Motor und Getriebe eines Hub­ schraubers, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Triebwelle (P) aufgrund der Linear­ ausdehnung im Verhältnis zu der einer Bezugswelle (R) gemessen wird, welche sich mit der Triebwelle zusammen ausdehnt, aber einen anderen Ausdehnungskoeffizienten hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Ausdehnung durch Veränderung des Luft­ spaltes zwischen jeweils an den Wellen (P, R) befestigten Zielen (A; B) und diesen Zielen zugeordneten Magnetfängern (C) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Ausdehnung in eine Drehung von zwei jeweils mit den Wellen (P; R) verbundenen Tonrädern trans­ formiert wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle ver­ bundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige Bezugs­ welle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß dem fest mit der Bezugswelle (R ₁) verbundenen Tonrad (B) ein zusätzlicher Magnetfänger (D) zugeordnet ist, welcher dem ungezahnten Bereich des Tonrades (B) gegenüber liegt und dessen Achse parallel zu den Achsen der Wellen (P ₁, R ₁) und rechtwinklig zur Ebene des Rades verläuft, wobei die Wellen aus Werkstoffen mit unterschied­ lichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeicnnet, daß dem Tonrad (A) der Triebwelle (P ₁) in der gleichen Weise ein derartiger Magnetfänger (D) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle ver­ bundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige Bezugs­ welle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der beiden Ton­ räder (A, B) parallel zueinander und schräg zur Achse der Wellen (P ₂, R ₂) verlaufen und daß die Achsen der Magnetfänger (C ₂, C ₃) rechtwinklig zu den Stirnflächen verlaufen, während die Wellen (P ₂, R ₂) aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle ver­ bundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige Bezugs­ welle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein Ton­ rad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie Anordnungen (H, J) aufweist, durch welche die Linearausdehnung der Bezugswelle (R ₃) in eine Drehbewegung des zugeordneten Tonrades (B ₃) transfor­ mierbar ist, wobei diese Wellen (P ₃, R ₃) aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen aus wenigstens einer auf einem der Tonräder (A ₃, B ₃) ausgebildeten und mit dem unabhängigen Ende der Bezugswelle (R ₃) zusammenwirkenden Schrägfläche (H) bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche eine an der Innenseite eines frei verdrehbar um die Triebwelle (P ₃) montierten kreisringförmigen Tonrades (B ₃) ausgebildete Nut (H) ist und das unabhängige Ende der Bezugswelle (R ₃) durch eine Öffnung (O) der Triebwelle (P ₃) hindurchragt und in die Nut eingreift.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonräder (A ₄, B ₄) parallel und koaxial angeordnet sind und die Nut (H) an der Oberfläche des mit der Triebwelle (P ₄) verbundenen Rades (A ₄) ausgebildet ist und mit einem Vor­ sprung (M) des mit der Bezugswelle (R ₄) verbundenen Rades (B ₄) zusammenwirkt.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Triebwelle (P) und der Bezugswelle (R) Wärmebrücken ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verarbeitung der von den Magnetfängern (C, D) erzeugten Signale elektronische Schal­ tungen vorgesehen sind.