DE4028246A1 - Beruehrungsfreie messvorrichtung fuer drehmoment und/oder drehwinkel - Google Patents

Beruehrungsfreie messvorrichtung fuer drehmoment und/oder drehwinkel

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus einer Meßvorrichtung nach Gattung des Hauptanspruchs.
Eine solche berührungsfrei arbeitende Meßvorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments und/oder eines Drehwinkels an einer stehenden oder rotierenden Welle ist bekannt (EP 01 44 803 B1).
Diese bekannte Meßvorrichtung bestimmt das auf die Welle einwirkende Drehmoment und/oder den Verdrehwinkel, um welchen sich ein vorgegebener Wellenabschnitt verdreht, durch Ausnutzen des Wirbelstromeffekts und ordnet einer konzentrischen Spule zwei konzentrische Körper zu, die aus elektrisch leitenden Werkstoffen bestehen und deren gemeinsame Überdeckungsfläche sich mit zunehmendem, zwischen den beiden Körpern auftretendem Verdrehwinkel ändert. Die beiden Körper sind mit ihrem jeweiligen einen Ende drehfest mit der Welle verbunden und können ihre gemeinsame Überdeckungsfläche dadurch ändern, daß sie Ausschnitte auf­ weisen und die Ausschnitte des einen Körpers Fenster für die zwischen den Ausschnitten befindlichen Speichen des anderen Körpers bilden. Durch die Relativverdrehung der beiden Körper ändert sich die auf die Meßspule zur Aus­ nutzung des Wirbelstromeffekts wirksame Materialfläche der beiden Körper.
Als problematisch könnte bei dieser Meßvorrichtung angesehen werden, daß sich die beiden Körper nur sehr wenig relativ zueinander verdrehen. Bei einer Stahlwelle mit einem Durchmesser von 10 mm, die mit einem Dreh­ moment von 100 Nm beaufschlagt wird, ist der relative Verdrehwinkel je 100 mm Wellenlänge nur 7,29 Grad. In einem Gehäuse mit einem Außendurchmesser von ca. 50 mm, in dem auch die Meßspulen Platz finden müssen, wäre der mittlere Durchmesser der beiden Körper dann nur ca. 25 mm. Bei Betrachtung der relativen Verdrehung am Umfang der beiden Körper ergeben die 7,29 Grad nur 1,6 mm. Um eine Auflösung von 0,5 Nm zu erreichen, müßte das Meßsystem die relative Verschiebung an dem Umfang in Schritten von 0,008 mm mit Sicherheit erfassen können.
Um die relative Verdrehung am Umfang zu erhöhen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie: Verringerung des Wellendurchmessers, Vergrößerung des Körperdurch­ messers, Verlängerung des Achsenabschnittes oder eine Welle mit niedrigem Schubmodul.
Da aber die Anforderungen, die in der Praxis an eine derartige Meßvorrichtung gestellt werden, genau in entgegengesetzte Richtung gehen, d. h., möglichst kurz, möglichst schlank, möglichst torsionssteif, muß ein Kompromiß zwischen dem Gewünschten und dem Machbaren geschlossen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine berührungsfrei arbeitende Meßvorrichtung für Drehmoment und/oder Drehwinkel zu schaffen, bei der beliebig große Verdrehwinkel zwischen zwei zur Welle konzentrischen Körpern erreicht werden, ohne dabei einen der eben genannten Nachteile in Kauf zu nehmen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung löst die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat gegenüber den bekannten berührungsfreien Meßvorrichtungen den Vorteil, daß sie mit sehr großen Verdrehwinkeln arbeitet. Dabei wird weder auf die Torsionssteifigkeit der Welle verzichtet, noch müssen überdimensionale Abmessungen in Kauf genommen werden. Die großen Verdrehwinkel ermöglichen den Einsatz einfachster Meßmethoden, bis hin zum Zählen von Impulsen, bei gesteigerter Genauigkeit.
Die großen Verdrehwinkel können z. B. mit einem Spindel-Mutter-Trieb in Linearbewegungen umgesetzt werden. Dadurch lassen sich z. B. Eisenkerne von Differentialtransformatoren verschieben oder ein Anker zu einem Joch hin- oder wegbewegen.
Durch die Möglichkeit der Übertragung der relativen Verdrehung auf stationär gelagerte Hilfswellen kann das gesamte Meßsystem in einem Gehäuseflansch unter­ gebracht werden. Dadurch wird eine enorme Service­ freundlichkeit erzielt. Die Welle muß lediglich zwei Zahnräder tragen, die die relatvie Verdrehung schlupffrei auf die Hilfswellen übertragen.
Die Erfindung eignet sich für jedes Meßverfahren, bei dem die relative Verschiebung oder Verdrehung zweier Körper erfaßt wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1-4 jeweils einen Schnitt durch erste Ausführungsbeispiele mit oder ohne Gehäuse und Wellenlagerung.
Fig. 1:
1: Welle
2a, 2b: drehfest befestigte Körper
3a, 3b: Hilfswellen
4a, 4b: relativ zueinander verdrehte Körper
5a, 5b: Getriebe
6a, 6b: Lagerungen der Welle
7: Gehäuse
8: Gehäuseflansch
9a, 9b: Lagerungen der Hilfswellen
Fig. 2:
1: Welle
2a, 2b: drehfest befestigte Körper
4a, 4b: relativ zueinander verdrehte Körper
5a: Getriebe
9: Lagerung des verdrehbaren Körpers
Fig. 3:
 1: Welle
 2a, 2b: drehfest befestigte Körper
 4a, 4b: relativ zueinander verdrehte Körper
 5a: Getriebe
Fig. 4:
 1: Welle
 2a, 2b: drehfest befestigte Körper
 4a: stationäres Joch
 4b: drehbarer Anker
 5a: Getriebe
 6a, 6b: Lagerung der Welle
 7: Gehäuse
10a, 10b: stationäre Spulen
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, den mit dem Drehmoment auftretenden Verdreh­ winkel oder die relatvie Verdrehung am Umfang zweier im Abstand drehfest an der Welle befestigten Körper mit einer Übersetzung auf zwei weitere Körper zu übertragen und gleichzeitig nach dem Prinzip einer Meßuhr zu vervielfältigen.
Das kann nach zwei Grundprinzipien erfolgen.
  • a) Die Rotation der Welle wird über zwei Abtriebe auf zwei weitere, von der Welle getrennt gelagerte Körper übertragen. Sobald die Welle sich dreht, rotieren die beiden Körper, dem Übersetzungs­ verhältnis entsprechend, synchron zueinander. Der mit dem Drehmoment auftretende Verdrehwinkel der beiden Abtriebe wird mit dem entsprechenden Übersetzungsverhältnis auf die beiden Körper Übertragen.
  • b) Die relative Verdrehung zwischen, im Abstand drehfest an der Welle befestigten Körpern, wird über, mit der Welle mitrotierende Getriebe, mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis auf weitere Körper, die auf der Welle gelagert sind, übertragen.
Jedes der beiden Grundprinzipien bietet bestimmte Vorteile.
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
Die Welle 1 stellt gleichzeitig die Antriebswelle für zwei weitere Getriebe 5a, 5b dar. Jedes Getriebe 5a, 5b treibt eine Hilfswelle 3a, 3b an, auf der sich jeweils ein Körper 4a, 4b befindet. Der durch ein Drehmoment verursachte relative Verdrehwinkel an der Welle 1 wird durch die Getriebe 5a, 5b den Übersetzungen entsprechend auf die beiden Körper 4a, 4b übertragen. Die Hilfswellen 3a, 3b sind in einem Gehäuseflansch 8 gelagert, der seinerseits am Gehäuse 7 befestigt wird. Der Gehäuseflansch 8 dient gleichzeitig als Träger des Erfassungssytems 10a, 10b.
  • - Die beiden Körper 4a, 4b können scheibenförmige Polarisationsfilter sein. Durch die relative Verdrehung zwischen den Polarisationsfiltern ändert sich ihr Durchlässigkeitsgrad, und durch Messen der relativen Helligkeit kann das Drehmoment an der Welle 1 erfaßt werden.
  • - Die beiden Körper 4a, 4b können auch konzentrisch ineinander verschachtelte und gegeneinander verdreh­ bare Schlitzzylinder sein, die ihre gemeinsame Überdeckungsfläche mit dem zwischen ihnen auftretenden relativen Verdrehwinkel ändern. Diese Änderung kann z. B. nach dem Wirbelstromprinzip erfaßt werden.
  • - Selbst zwei Lochscheiben, wie sie in Winkelgebern üblich sind, können gegeneinander verdreht werden. Die Löcher werden z. B. mit Gabellichtschranken gezählt und die beiden Zählerstände miteinander verglichen. Die Differenz zwischen den Zählerständen ist ein digitaler Maßstab für das Drehmoment.
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2
Die Welle 1 trägt zwei drehfest an ihr befestigte und gegeneinander verdrehbare Körper 2a, 2b. Der Körper 2b trägt ein Getriebe 5a, das von dem Körper 2b bei einer Relativverdrehung zwischen ihnen angetrieben wird. Das Getriebe 5a verdreht einen weiteren, drehbar auf der Welle 1 gelagerten Körper 4b relativ zu einem am Körper 2b oder an der Welle 1 befestigten Körper 4a.
  • - Die Körper 4a, 4b und das Erfassungssystem können von gleicher Art sein, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargestellt.
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
Die Welle trägt zwei drehfest an ihr befestigte und gegeneinander verdrehbare Körper 2a, 2b. Der Körper 2b trägt mehrere drehbar gelagerte Körper 4b und einen oder genausoviele drehfest gelagerte Körper 4a. Bei einer Relativverdrehung zwischen den beiden drehfest an der Welle 1 befestigten Körpern 2a, 2b wird jeder der Körper 4b von dem Körper 2a relativ zu einem der Körper 4a verdreht.
  • - Die Körper 4a, 4b können wie bei den Ausführungs­ beispielen nach Fig. 1 Polarisationsfilter tragen, und ein Meßsystem erfaßt die relative Helligkeit.
  • - Die Körper 4b können Muttern sein, die jeweils eine Spindel fassen und die Körper 4a dienen jeweils als Verdrehsicherung der Spindel. Wenn die Muttern 4b verdreht werden, bewegen sich die Spindeln in axialer Richtung. Die Spindeln können einzeln jeweils einen, oder gemeinsam einen Eisenkern eines konzentrisch zur Welle 1 angeordneten stationären Differentialtrans­ formators bewegen oder Anker zu einem stationären Joch hin- oder wegbewegen.
Ausführungsbeispiel nach Fig. 4
Die Welle trägt zwei drehfest an ihr befestigte und gegeneinander verdrehbare Körper 2a, 2b. Auf dem Körper 2b sind weitere Körper 4b um zur Wellenachse senkrechte Achsen drehbar gelagert. Bei einer Relativverdrehung zwischen den drehfest befestigten Körpern 2a, 2b werden die Körper 4b von dem Körper 2a um ihre eigene Lagerungsachse gedreht.
  • - Die Körper 4b können eine stabförmige Ausbildung haben und Anker für ein zur Welle 1 konzentrisches Joch 4a mit konzentrischen Spulen 10a, 10b darstellen. Wenn sich die Körper 4b in dem Spalt des Jochs 4a um ihre eigene Lagerungsachse verdrehen, verstärken oder schwächen sie den magnetischen Fluß in dem Joch 4a.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele möglich.
Alle, in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (9)

1. Berührungsfreie Meßvorrichtung für Drehmoment und/oder Drehwinkel an stehenden oder rotierenden Wellen, mit zwei, vorzugsweise zur Welle konzent­ rischen, mit ihren jeweiligen Endbereichen dreh­ fest an der Welle befestigten und gegeneinander verdrehbaren Körper, ferner mit einem Meßsystem, welches aus der sich mit dem Verdrehwinkel ändernden Relativposition zweier oder mehrerer Körper das von der Welle übertragene Drehmoment und/oder deren Drehwinkel über einen vorgegebenen Wellenabschnitt ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Relativ­ verdrehung zwischen den beiden drehfest an der Welle (1) befestigten Körper (2a, 2b) mindestens ein weiterer Körper (4b) über mindestens ein Getriebe (5a, 5b) mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen relativ zu mindestens einem zweiten Körper (4a) verdreht oder verschoben wird.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Übersetzungsverhältnisse der Getriebe (5a, 5b) mit dem zunehmenden Verdrehwinkel zwischen den beiden Körpern (2a, 2b) oder (4a, 4b) ändert, oder, daß die Übersetzungsverhältnisse in Stufen oder stufenlos einstellbar ist.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Körper (4a, 4b) auf einer gemeinsamen oder auf jeweils einer Hilfsachse drehbar und gegeneinander verdrehbar gelagert oder auf jeweils einer drehbar gelagerten Hilfswelle (3a, 3b) drehfest und gegeneinander verdrehbar be­ festigt sind, und daß sie bei einer Rotation der Welle (1) durch die Wirkung des Getriebes (5a, 5b), den Übersetzungsverhältnissen entsprechend, ebenfalls rotieren.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich bei einer Relativverdrehung der beiden an der Welle (1) drehfest befestigten Körper (2a, 2b) die beiden weiteren Körper (4a, 4b), den Übersetzungsverhältnissen des Getriebes (5a, 5b) entsprechend, relativ zueinander verdrehen oder gleichzeitig, sich oder andere Körper, relativ zueinander verschieben.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Körper (4a, 4b), von denen mindestens ein Körper (4b) drehbar oder verschiebbar ist, auf der Welle (1), auf einem oder auf beiden der drehfest an der Welle (1) befestigten Körper (2a, 2b) gelagert sind, und, daß bei einer Relativverdrehung zwischen den beiden drehfest an der Welle (1) befestigten Körper (2a, 2b) mindestens einer der dreh­ bar oder verschiebbar gelagerten Körper (4b) durch ein Getriebe (5a) relativ zu dem oder den anderen Körpern (4a), den Übersetzungsverhältnissen des Getriebes entsprechend, verdreht oder verschoben wird.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der weiteren Körper (4a) stationär gelagert ist, und, daß mindestens ein weiterer Körper (4b) bei einer Relativverdrehung zwischen den drehfest an der Welle (1) befestigten Körpern (2a, 2b) durch die Wirkung des Getriebes (5a) um eine bestimmte Achse relativ zum ersten Körper (4a) gedreht, gekippt oder entlang der Achse verschoben wird, oder daß der Körper (4b) bei seiner Drehbewegung um die eigene Achse einen oder mehrere weitere Körper verschiebt.
7. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wirkung der Getriebe (5a, 5b) gegeneinander verdrehten Körper (4a, 4b) sich gegenüberliegende scheibenförmige Polarisationsfilter sind, die ihren Durchlässigkeitsgrad mit dem zwischen ihnen auf­ tretenden Verdrehwinkel ändern und, daß mindestens ein Meßsystem die relative Helligkeit auf beiden einander abgewandten Seiten der Polarisations­ erfaßt.
8. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ zueinander verdrehten Körper (4a, 4b) Schlitzzylinder sind, die ihre gemeinsame Über­ deckungsfläche mit dem zwischen ihnen auftretenden Verdrehwinkel ändern, und, daß ihr relativer Verdreh­ winkel nach dem Wirbelstromprinzip oder einem anderen Meßverfahren erfaßt wird.
9. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ verdrehten oder verschobenen Körper (4a, 4b) oder die von ihnen relativ verschobenen Körper Anker für ein oder mehrere stationäre Joche oder Eisenkerne für eine oder mehrere stationäre Spulen darstellen, und daß der magnetische Fluß in dem Joch oder die Induktivität der Spule erfaßt wird.
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