-
Vorrichtung zum mechanischen IV(essen von Drehmomenten, Leistungen
und Umfangskräften. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten,
Leistungen und Umfangskräften mit einem Differentialgetriebe mit drei Wellen. Der
Erfindungsgegenstand ist auf der Zeichnung in zwei verschiedenen Ausführungsformen
dargestellt. Zwischen einer Antriebsmaschine A und einer Arbeitsmaschine B ist irgendein
beliebiges bekanntes Differentialgetriebe (z. B. ein Planetenradgetriebe) D (Abb.
i) so eingeschaltet, daß die eine Welle i des Differentialgetriebes von der Antriebsmaschine
A angetrieben wird, die zweite
Welle 2 des Differentialgetriebes
dagegen zum Antrieb der Arbeitsmaschine B dient. Auf die dritte Welle 3 des Differentialgetriebes
wirkt eine dritte Maschine E entweder direkt oder - wie in der Abbildung - indirekt
unter Zwischenschaltung von Kegelrädern oder Stirnrädern. Es bezeichnet: n1 die
Drehzahl der von der Antriebsmaschine angetriebenen Welle x, n2 die Drehzahl der
die Arbeitsmaschine antreibenden Welle 2, n3 die Drehzahl der mit der dritten Maschine
verbundenen Welle 3 (Hohlwelle), ferner Ml, 1Y12 und :Y13 die entsprechenden Drehmomente
der drei Wellen und L1, L2 und L3 die Leistungen der drei Wellen. Dann gelten die
beiden Beziehungen:
Hierin ist k eine von den Drehzahlen unabhängige Konstante, die durch die Konstruktionsdaten
des Getriebes eindeutig bestimmt ist.
-
Bei Vernachlässigung der Reibungsverluste im Getriebe ist die an die
Arbeitsmaschine abgegebene Leistung L2 gleich der Summe der beiden dem Getriebe
zugeführten Leistungen L1 und L3 oder L3-L2-Ll. (Wenn die dritte Maschine nicht
antreibend wirkt, sondern angetrieben wird, so würde L3
- L1- L2 bzw. L3
- L2
- L1
zu setzen sein). Es gilt nun
| _M2 |
| # y12 |
| L2 _ L2 _ Q112 # sz2 _M1 |
| L3 L2-L1 t172 # 7z2-:Vli # n1 M2 |
| M 1 . 1Z2-izl |
| Setzt man Gleichung 2 ein, so wird |
| L3 k # @z2-nl |
| Aus Gleichung i folgt: |
| k#n_-nl-(k-I)#ns |
| Setzt man dies ein, so wird: |
| _L2 ____ _k . 1z1 |
| L3 k - i 113 |
Ein Differentialgetriebe bietet also hiernach die Möglichkeit, die zwei Leistungen
L2 und L3 lediglich durch Messung der Drehzahlen miteinander zu vergleichen. Ist
die Leistung L3 der dritten Maschine bekannt, so ist damit auch L2 bekannt. Die
Leistung L1 der Antriebsmaschine ist bei der Ableitung der Gleichung herausgefallen.
Die abgeleiteten Beziehungen gelten für jedes beliebige Differentialgetriebe mit
drei freien Wellen.
-
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Kombination eines an
sich bekannten, zwischen die Arbeitsmaschine B und die Antriebsmaschine A einzuschaltenden
Differentialgetriebes D (z. B. Planetenradgetriebes) mit irgendeiner beliebigen,
auf die dritte Welle 3 des Differentialgetriebes wirkenden Hilfmaschine, deren Leistungsgrößen
bekannt, meßbar oder regelbar sind und als Vergleichswerte zur Bestimmung der Leistungsgrößen
der Arbeitsmaschine B mittels der oben entwickelten Formeln dienen. Wenn die Leistungsgrößen
der Hilfsmaschinen bekannt sind, etwa dadurch, daß die den verschiedenen Drehzahlen
n3 entsprechenden Leistungen L3 mittels einer Eichkurve festgelegt sind, oder dadurch,
daß L3 oder auch der Quotient La: n3 konstant ist, so ist zur Bestimmung der von
der Arbeitsmaschine B aufgenommenen Leistung L2 nur die Messung der beiden Drehzahlen
n2 und zz3 erforderlich. Sind die Leistungsgrößen der Hilfsmaschine nicht bekannt,
so sind besondere Einrichtungen zu deren Messung nötig, z. B. kann man als Hilfsmaschine
einen Elektromotor verwenden und die ihm elektrisch zugeführte Leistung messen.
Diese Einrichtungen sind insofern einfach, als die Leistung der Hilfsmaschine sehr
klein sein kann im Verhältnis zu der Leistung L2 der Arbeitsmaschine. Es ist hierzu
nur erforderlich, die Konstruktionsgröße k des Differentialgetriebes annähernd gleich
Eins zu wählen. (Bei einem Planetenradgetriebe z. B. dadurch, daß alle vier Stirnräder
annähernd gleiche Zähnezahlen enthalten.) Dadurch wird der Quotient k ' groß, und
die Hilfsleistung L3 braucht nur wenige Prozente der zu messenden Arbeitsleistung
L2 zu betragen.
-
Je nach der Konstruktion des Differentialgetriebes ist die Hilfsleistung
entweder positiv (beschleunigend) oder negativ (verzögernd), d. h. als Hilfsmaschine
kann sowohl ein Antriebsmotor, welcher die Welle 3 antreibt, als auch eine Bremse
oder Bremsmotor, welcher von der Welle 3 angetrieben wird oder auch sie abbremst.
verwendet werden. Abb. i zeigt die Einrichtung eines Differentialgetriebes, bei
welcher die Hilfsmaschine beschleunigend auf Welle 3 wirken muß. Abb. 2 zeigt eine
Einrichtung, bei welcher die Hilfsmaschine verzögernd auf Welle q. wirken muß. In
den Abbildungen bedeutet A und E die Antriebsmaschine und B oder auch F die Arbeitsmaschine.
., In manchen Fällen kann es vorkommen, daß Arbeitsmaschine und Antriebsmaschine
vorübergehend ihre Rolle miteinander vertauschen, z. B. wenn die Arbeitsmaschine
große Schwungmassen enthält; es muß dann die Hilfsleistung ihr Vorzeichen wechseln,
nicht aber ihren Drehsinn. In derartigen Fällen
ist die Verwendung
solcher Hilfsmaschinen, die nur als Bremse oder nur als Antriebsmotor arbeiten können,
unzulässig. Nach einer besonderen Ausführungsform wird deshalb als Hilfsmaschine
eine elektrische Dynamomaschine verwendet, welche sowohl als Motor wie auch als
Generator arbeiten kann. Dadurch wird die Anwendung der Erfindung auch für solche
Betriebsarten möglich, bei welchen Antriebsmaschine A und Arbeitsmaschine B ihre
Rollen beliebig miteinander vertauschen können.
-
Wenn man während der Messung die Drehzahl der Hilfsmaschine so regeln
kann, daß lz, = lt, wird, so wird auch lt, - lt. = %. Eine gegenseitige
Drehung der Zahnräder des Differentialgetriebes findet dann überhaupt nicht mehr
statt, und alle Zahnreibungsverluste verschwinden. Die oben abgeleiteteiis Formeln
gelten in diesem Falle mathematisch genau. Um zu erreichen, daß stets die Drehzahl
n2 - n3 ist, wird nach einer weiteren Ausführungsform als Hilfsmaschine eine
elektrische Synchronmaschine verwendet, die von einer zweiten von der Welle 2 oder,
da in diesem Falle lt, = lt, ist, von der Welle = angetriebenen Synchronmaschine
gespeist wird oder j auch sie ihrerseits speist. Die beiden Maschinen können unmittelbar
nebeneinander I sitzen und ein gemeinsames Gehäuse erhalten, wenn der Anker der
Hilfsmaschine direkt auf der Hohlwelle 3 und der Anker der zweiten Synchronmaschine
unmittelbar daneben auf «-elle 2 sitzt. Hierdurch fallen Schleifringe I und die
damit verbundenen Reibungsverluste fort, da die beiden Anker synchron miteinander
rotieren und höchstens kleine Winkeländerungen ihrer gegenseitigen Lage vor- , kommen,
beide also durch ein elastisches Band leitend verbunden werden können. ! Eine Regelung
der Drehzahl kommt bei der Verwendung von Synchronmaschinen nicht in '. Frage. Da
ohne weiteres stets lt, - sz, ist, besteht zwischen der Leistung L3 der Hilfsmaschine
und der Leistung L,_ der Arbeitsmaschine mathe- i matisch genaue Proportionalität;
jede Änderung I oder zeitliche Schwankung der letzteren bedingt eine genaue proportionale
Änderung der ersteren, ; d. h. ihrer Stromaufnahme oder Stromabgabe, deren elektrische
Messung mittels Wattleistungsmesser in einfachster Weise erfolgen kann. Ebenso kann
mittels eines elektrischen Zählers die der Svnchroninaschine während einer gewissen
Zeit zugeführte oder auch von ihr abgegebene elektrische Arbeit gezählt werden,
welche der in der gleichen Zeit von der Ärbeitsmaschine verbrauchten Arbeit proportional
ist. Ferner kann die Drehzahl der Hilfsmaschine und damit die Drehzahl der Arheitsmaschine
durch Messung der Spannung oder der Frequenz der Hilfsmaschine bestimmt werden,
und ebenso kann das Drehmoment mittels Wattstrommesser gemessen werden. Schließlich
können zeitliche Schwankungen von Leistung, Drehzahl und Drehmoment durch entsprechende
elektrische Registrierinstrumente aufgezeichnet werden.