DE3816827A1 - Vorrichtung zum messen eines drehmomentes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines an einer Welle anliegenden Drehmomentes, die einen Sender und einen Empfänger aufweist.

Es sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen zum Messen von Drehmomenten bekannt, bei denen der Verdrehwinkel einer Welle, an der das Moment anliegt, Ausgangsbasis für die Umsetzung in den Drehmomentwert darstellt.

Ferner ist es auch bekannt, die zeitliche Verschiebung zweier von Näherungssensoren, die mit beabstandet an der Welle angebrachten Gegensensoren zusammenarbeiten, gemessenen Maximalwerte zu nutzen.

Lichtmeß-Systeme, die mit direkt strahlendem Licht arbeiten, sind ebenfalls bekannt, wobei die zeitliche Verschiebung des Lichtdurchlasses zur Drehmomentmessung genutzt wird.

Von Nachteil bei den bekannten Vorrichtungen ist, daß sie nur bei rotierenden Wellen vernünftige Meßergebnisse liefern. Bei Stillstehen der Welle oder bei langsamer Rotation wird trotzdem, daß ein Moment anliegt, kein brauchbarer Meßwert angezeigt.

Bei Maschinen und Geräten bei denen auch im Stillstand eine Überlastung, z.B. beim Anfahren, auftreten kann, sind solche Einrichtungen nicht einsetzbar. Darüber hinaus haben die bekannten Einrichtungen aufgrund ihres komplizierten Aufbaues begrenzte Einsatzmöglichkeiten, d.h. sie finden vorwiegend im Bereich von Labor- und Testeinrichtungen Einsatz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten an einer Welle vorzuschlagen, die einfach im Aufbau und robust auch für den Einsatz außerhalb von Testeinrichtungen ist und die zuverlässige Meßergebnisse sowohl bei rotierender, als auch bei zumindest zeitweise stillstehenden Wellen, die durch ein Drehmoment beaufschlagt sind, gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Sender eine ein diffuses Licht erzeugende Lichtquelle und als Empfänger ein Licht in ein proportionales elektrisches Signal umwandelnder Lichtmesser, insbesondere eine Photozelle oder Photodiode vorgesehen ist, daß beide in einem durch zwei Scheiben in zwei Räume unterteilten Gehäuse angeordnet sind, und daß die beiden Schlitz­ scheiben aneinander angrenzend angeordnet, aber mit Abstand zueinander auf der Welle befestigt sind.

Durch diese Ausbildung kann ein Spannungssignal erzeugt werden, welches dem anliegenden Drehmoment proportional ist. Dabei wird der Effekt genutzt, daß die Lichtmenge, die durch die Öffnungen strahlt, proportional der Fläche des Durchlasses ist. Vorraussetzung dazu ist jedoch, daß diffus reflektiertes Licht durch die Öffnung strahlt und an dem Empfänger diffus reflektiertes Licht aufgenommen wird. Da die beiden Schlitzscheiben so ausgebildet sind, daß sie mit der Welle so verbunden sind, daß zwischen den Befestigungsstellen ein Abstand gegeben ist, steht auch ein genügend großer Verdrehwinkel zur Verfügung.

Es wird mit einfachen Mitteln eine wirksame Meßeinrichtung geschaffen, die nicht nur unter Testbedingungen, sondern auch in Maschinen, die beispielsweise im Freien eingesetzt werden, also beispielsweise in der Landwirtschaft, verwendet werden könnten. Die Sensoren sind geschützt im Gehäuse untergebracht. Über die Verdrehung der Schlitzscheiben ist ein einfacher Nullabgleich möglich.

Bevorzugt sind die Schlitzscheiben mit axialem Abstand auf der Welle befestigt.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Schlitzscheiben mit identischen, im unbelasteten Zustand der Welle mit einem vorbestimmten Maß sich überdeckend angeordneten Öffnungen versehen sind. Die Schlitzscheiben können dabei so angeordnet sein, daß die Öffnungen kongruent sind, oder aber so, daß eine bestimmte Überdeckung vorgegeben ist, die die Nullstellung kennzeichnet, von der aus positive und negative Momente gemessen werden. Dabei sind die Schlitzscheiben an ihrem radial inneren Umfang mit dem einen Ende einer Hülse verbunden, die mit ihrem anderen Ende auf der Welle befestigt ist. Hierdurch wird ein möglichst großer Abstand zwischen den Befestigungsstellen gewährleistet.

Um eine volle Abschirmung zu erreichen, ist vorgesehen, daß an das andere Ende der Hülse ein radial nach außen verlaufender Flansch angeschlossen ist.

Um die Bedingungen für das Vorliegen einer diffusen Beleuchtung zu verbessern, ist vorgesehen, daß die die Räume begrenzenden Flächen und die einander zugewandten Flächen der Schlitzscheiben geweißt sind. Dies kann durch einen weißen Anstrich, aber auch durch eine weiße Farbbeschichtung erreicht werden.

Die Bedingungen zur Erzeugung des diffusen Lichtes können noch dadurch verbessert werden, daß die Lichtquelle und/oder der Lichtmesser in einer Vertiefung der Innenfläche des Gehäuses angeordnet sind.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Gehäuse auf der Welle gelagert und nicht rotierend gehalten ist. Hierdurch wird die Verbindung über Kabel mit einer Stromquelle bzw. dem Anzeigeinstrument für den Drehmomentwert erleichtert.

Schließlich kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung den Öffnungen in den Schlitzscheiben eine solche Form gegeben werden, daß der an dem Lichtmesser gemessene Spannungswert dem anstehenden Drehmoment proportional ist.

Um eine Verfälschung der Ergebnisse zu verhindern ist vorgesehen, daß der Gehäuseinnenraum gegen Lichteinfall von außen abgeschirmt ist.

In der Zeichnung ist der Aufbau eines Ausführungsbei­ spieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung,

Fig. 2 ein Schaltschema für den Stromkreis der Lichtquelle,

Fig. 3 ein Schaltschema für den Stromkreis des Lichtmessers und

Fig. 4 eine Ansicht einer Schlitzscheibe.

Die in Fig. 1 dargestelle Vorrichtung umfaßt die Welle, welche mit einem Drehmoment beaufschlagt ist. Auf der Welle 1 ist das Gehäuse 2 über Lager 3 gehalten. Das Gehäuse 2 ist durch nicht dargestellte Mittel festgelegt, so daß es nicht an der Rotation der Welle 1 teilnimmt. Die Welle 1 ist abgesetzt ausgebildet, d.h. sie weist einen Abschnitt 21 mit reduziertem Durchmesser auf. Im Innenraum des Gehäuses 2 sind zwei Schlitzscheiben 4, 5 angeordnet. Die Schlitzscheiben 4, 5 weisen an ihrem radial inneren Umfang angeschlossenen Hülsen 8, 9 auf. Die Hülsen 8, 9 sind mit Bohrungen 10, 11 versehen, mit denen sie drehfest angebracht sind. Die drehfeste Anbringung kann beispielsweise durch einen entsprechenden Preßsitz erfolgen, d.h. die Hülsen 8, 9 sitzen mit ihren Bohrungen 10, 11 fest auf den an den Absatz 21 angrenzenden Abschnitt der Welle 1. Im Bereich des Endes der Hülsen 8, 9, mit denen diese auf der Welle 1 befestigt sind, sind an radial nach außen sich erstreckende Flansche 13, 12 angeschlossen. Zwischen der Innenfläche 20 des Gehäuses 2 sowie den Flächen 23 der beiden Flansche 12, 13, der Flächen 22 der Schlitzscheiben 4, 5 und der Außenfläche 24 der Hülsen 8, 9 werden zwei Räume A und B gebildet. Der Innenraum des Gehäuses 2 ist also in die beiden Räume A und B unterteilt. Die beiden Schlitzscheiben 4, 5 weisen, wie auch aus Fig. 4 ersichtlich ist, Öffnungen 6, 7 auf.

Die Schlitzscheiben 4 und 5 sind mit ihren Öffnungen 6, 7 einander gegenüber so angeordnet daß die Öffnungen 6 der Schlitzscheibe 4 deckungsgleich zu den Öffnungen 7 der Schlitzscheibe 5 angeordnet sind, wenn kein Drehmoment an der Welle 1 anliegt. Im Bereich des Raumes A ist eine Vertiefung 15 in dem Gehäuse 2 angeordnet, in der sich eine Lichtquelle 14 befindet. Die Lichtquelle 14 ist über einen Schalter 26 mit einer Stromquelle 18 verbindbar. Die Lichtquelle 14 ist zur Erzeugung eines diffusen Lichtes ausgebildet. Im Bereich des Raumes B des Gehäuses 3 ist in einer Vertiefung 17 eine Photozelle 16 angeordnet. Diese Photozelle 16 steht mit einem Verbraucher in Form eines Spannungsmessers 19 in Verbindung. Der Spannungsmesser 14 zeigt auf seiner Skala ein der gemessenen Spannung proportionales Drehmoment an. Es ist das Drehmoment, das an der Welle 1 anliegt. Bei Anliegen eines Drehmomentes an der Welle 1 kann sich, da die Welle 1 verdreht wird, die Position der Öffnungen 6 und 7 in den beiden Schlitzscheiben 4 und 5 zueinander verändern. Hierdurch kann ein Teil der von der Lichtquelle 14 erzeugten Lichtmenge, die durch den freien Querschnitt des Überdeckungsbereiches zwischen den beiden Öffnungen 6, 7 der Schlitzscheiben 4 und 5 vom Raum A in den Raum B hindurchtreten. Mit steigendem Drehmoment wird die durchtretende Lichtmenge größer. Bei negativem Moment verkleinert sich der freie Querschnitt, wodurch die durchtretende Lichtmenge geringer wird. Dadurch ist auch eine Erkennung der Wirkungsrichtung des anliegenden Momentes möglich.

Die Form der Öffnungen 6, 7 kann so gewählt werden, daß eine Proportionalität gegeben ist.

Um die Wirkung zur Erzeugung eines diffusen Lichtes zu verbessern, ist vorgesehen, die den Räumen zugewandten Flächen bzw. die Räume A und B begrenzenden Flächen 20, 22, 23, 24 des Gehäuses 2, der Schlitzscheiben 4, 5, der Hülsen 8, 9 und der Flansche 12, 13 mit einem weißen Farbauftrag zu versehen. Ferner sind auch die einander zugewandten Flächen 25 der beiden Schlitzscheiben 4 und 5 mit einer weißen Farbschicht versehen.

Bezugszeichenliste

1 Welle
2 Gehäuse
3 Lager
4, 5 Schlitzscheiben
6, 7 Öffnungen
8, 9 Hülsen
10, 11 Bohrung in Hülse
12, 13 Flansch
14 Lichtquelle
15, 17 Vertiefung
16 Lichtmesser
18 Stromquelle
19 Spannungsmesser
20 Innenfläche des Gehäuses
21 Absatz der Welle
22, 
23, 24 Flächen
25 einander zugewandte Flächen der Schlitzscheiben
26 Schalter
A, B Räume

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Messen eines an einer Welle anliegenden Drehmomentes, die einen Sender und einen Empfänger aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender eine ein diffuses Licht erzeugende Lichtquelle (14) und als Empfänger ein Licht in ein proportionales elektrisches Signal umwandelnder Lichtmesser, insbesondere eine Photozelle (16) oder Photodiode vorgesehen sind, daß beide in jeweils einem durch zwei Schlitzscheiben (4, 5) in zwei Räume (A, B) unterteilten Gehäuse (2) angeordnet sind und daß die beiden Schlitzscheiben (4, 5) aneinander angrenzend angeordnet, aber mit Abstand zueinander auf der Welle (1) befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzscheiben (4, 5) mit axialem Abstand auf der Welle (1) befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzscheiben (4, 5) mit identischen, im unbelasteten Zustand der Welle (1) mit einem vorbestimmten Maß sich überdeckend angeordneten Öffnungen (6, 7) versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzscheiben (4, 5) an ihrem radial inneren Umfang mit dem einen Ende einer Hülse (8, 9) verbunden sind, die mit ihrem anderen Ende auf der Welle (1) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das andere Ende der Hülse (8, 9) ein radial nach außen verlaufender Flansch (12, 13) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Räume (A, B) begrenzenden Flächen (20, 21, 22, 23, 24) und die einander zugewandten Flächen (25) der Schlitzscheiben (4, 5) geweißt sind, insbesondere einen weißen Anstrich oder Farbbeschichtung aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) und/oder der Lichtmesser (16) in einer Vertiefung (15, 17) der Innenfläche (20) des Gehäuses (2) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) auf der Welle (1) gelagert und nicht rotierend gehalten ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6, 7) der Schlitzscheiben (4, 5) eine zur Erzielung eines dem anstehenden Drehmoment proportionalen Spannungswertes an den Lichtmesser (16) angepaßte Form aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseinnenraum (A, B) gegen Lichteinfall von außen abgeschirmt ist.