DE4327539A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Trägheitsmoments eines Rotors, bezogen auf seine Rotationsachse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.

In den Bereichen der Technik, in denen Antriebskräfte mittels sich drehender Maschinenelemente übertragen werden, ist die Kenntnis der Trägheitsmomente der eingesetzten Rotore in Bezug auf ihre Drehachsen von Bedeutung. Ferner, wenn Rotore, beispielsweise als Schwungmassen für den Antrieb oder als Last in Meß­ vorrichtungen zum Einsatz kommen, wie beispielsweise bei Abgasprüfständen, ist ebenfalls die Kenntnis des Trägheitsmoments der jeweiligen als Schwungmassen wirkenden Rotore, die in beliebigen Kombinationen miteinander gekoppelt werden können, erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Trägheitsmasse eines Rotors, bezogen auf seine Drehachse, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrich­ tung der eingangs genannten Art durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruches 2 gelöst.

Bei der Erfindung wird der Rotor in mehreren Meßläu­ fen in Drehschwingungen um seine Drehachse versetzt. Als Antrieb kommt hierbei ein Elektromotor zum Ein­ satz, der in Momentregelung betrieben werden kann. Auf diese Weise läßt sich ein Rückstelldrehmoment erzeugen, das der Auslenkung bzw. dem Drehwinkel zu jeder Zeit proportional, jedoch entgegengerichtet ist. Hierbei entspricht eine Winkelrichtgröße, die sich aus dem auslenkenden Drehmoment und dem Auslenk­ winkel bestimmen läßt, einer Federkonstanten bei ei­ ner linearen Federschwingung. Die Winkelrichtgröße (Winkelrichtmoment) D = M/α, wobei M das Drehmoment ist, das die Auslenkung (Drehwinkel α) verursacht.

Während jedes Meßlaufs kommt eine unterschiedliche Winkelrichtgröße zur Anwendung. Dies kann dadurch geschehen, daß durch das Drehmoment die Winkelricht­ größe, welche die Auslenkung verursacht, geändert wird. In jedem Meßlauf mit entsprechend eingestellter Richtgröße wird die Frequenz der Drehschwingung ge­ messen.

Durch die Differenzbildung von mindestens zwei zur Anwendung gekommenen Winkelrichtgrößen und durch Dif­ ferenzbildung der zugeordneten Frequenzen der Dreh­ schwingungen in diesen beiden Meßläufen werden Lager­ kräfte (Reibungsverluste), welche während der Messun­ gen zur Auswirkung kommen, kompensiert und gehen in das ausgewertete Ergebnis bei der Bestimmung des Trägheitsmomentes nicht ein. Es können mehr als zwei Meßläufe durchgeführt werden und aus diesen mehrere Kombinationen von bei jeweils zwei Meßläufen gewonne­ nen Meßwerten zur Differenzbildung verwendet werden.

Zur Ermittlung des Ist-Drehmoments ist mit dem Dreh­ antrieb eine Drehmomentmeßeinrichtung gekoppelt. Die­ se kann aus einem zwischen dem Drehantrieb und den Rotor geschalteten Verformungskörper (Drehstab), der mit Meßwandlern, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, belegt ist, bestehen. Die Drehmomentmeßeinrichtung kann jedoch auch gebildet sein durch einen mit dem Gehäuse des Antriebsmotors starr verbundener Meßbal­ ken, der sich über einen Kraftmeßgeber abstützt.

In bevorzugter Weise kann für die Durchführung der Meßläufe der Rotor auf die Meßspindel einer Auswucht­ maschine aufgespannt werden. Der Elektromotor bzw. der Antriebsmotor der Auswuchtmaschine, dient dann auch als Drehantrieb zur Erzeugung der Drehschwin­ gung. Hierzu ist der Antriebsmotor der Auswuchtma­ schine so ausgestaltet, daß er zusätzlich in Momen­ tregelung betrieben werden kann. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß der Rotor nur einmal auf die Meß­ spindel zentriert aufgespannt werden muß, um sowohl die Unwuchtmessung als auch die Messung des Träg­ heitsmoments, bezogen auf die Drehachse, durchzufüh­ ren.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des Trägheitsmoments eines Ro­ tors, bezogen auf seine Rotationsachse, als Ausführungsbeispiel; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Drehmo­ mentmeßeinrichtung zur Bestimmung des Ist- Drehmoments.

Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrich­ tung besitzt einen Drehantrieb 2 für die Erzeugung einer Drehschwingung. Diese Drehschwingung wird über eine Meßspindel 14, auf welcher ein Rotor 1 (Prüf­ ling) zentrisch aufgespannt ist, übertragen. Der Drehantrieb 2 ist so ausgebildet, daß er in Momentre­ gelung betrieben werden kann. Beispielsweise ist der Drehantrieb 2 als Gleichstrommaschine ausgebildet. Mit dem Drehantrieb 2 sind ein Drehwinkelgeber 9 für den Drehwinkel α (Auslenkung der Drehschwingung) so­ wie ein Drehmomentgeber 3 für das erzeugte Ist-Dreh­ moment Mdist vorgesehen. Ein Ausführungsbeispiel des Drehmomentgebers 3 ist in Fig. 2 dargestellt und wird im einzelnen noch erläutert.

Die Ausgangssignale des Drehwinkelgebers 9 und des Drehmomentgebers 3 werden einem Rechner 5 zugeleitet. Für die Durchführung der verschiedenen Meßläufe wer­ den unterschiedliche Soll-Drehmomente Mdsoll, welche die Auslenkung (Drehwinkel α) der Drehschwingung er­ zeugen, verwendet. Beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel wird für die mehreren durchzuführenden Meßläufe der Drehwinkel α gleich groß gehalten. Die Dreh­ schwingung wird durch ein Rückstelldrehmoment be­ wirkt, das der Auslenkung (Drehwinkel α) zu jeder Zeit proportional, aber entgegengerichtet ist. Der Federkonstanten, welche bei der linearen Federschwin­ gung die Richtgröße ist, entspricht bei der Dreh­ schwingung die Winkelrichtgröße D, die sich aus dem auslenkenden Drehmoment und der Auslenkung (Drehwin­ kel α) bestimmen läßt.

Dementsprechend wird bei verschiedenen Meßläufen der Drehantrieb 2 mit entsprechenden Rückstelldrehmomen­ ten Mdsoll beaufschlagt, welche der Auslenkung (Dreh­ winkel α) zu jeder Zeit proportional, aber entgegen­ gerichtet ist.

Aus den Istsignalen des Drehwinkelgebers 9 und des Drehmomentgebers 3 wird die Frequenz der Drehschwin­ gung in einer, beispielsweise an den Rechner 5 ange­ schlossenen Frequenzbestimmungseinrichtung 6 be­ stimmt. Die Frequenzbestimmungseinrichtung 6 ermit­ telt die zu den jeweiligen unterschiedlichen Rück­ stelldrehmomenten bzw. Winkelrichtgrößen in den ver­ schiedenen Meßläufen auftretenden Frequenzen. Die in den verschiedenen Meßläufen sich ergebenden Winkel­ richtgrößen D_i, D_j, . . . und zugehörigen Frequenzen f_i, f_j . . . werden einer Auswerteeinrichtung 8 zugeleitet.

In der Auswerteeinrichtung 8 wird die Differenz aus zwei Winkelrichtgrößen (D_i - D_j), welche bei zwei Meßläufen zur Anwendung gekommen sind, gebildet. Fer­ ner wird die Differenz aus den Quadraten der zugehö­ rigen Frequenzen (f_i² - f_j²) der bei den beiden Meß­ läufen ermittelten Frequenzen gebildet. Zur Bestim­ mung des Trägheitsmoments J des die Drehschwingung ausführenden Rotors 1, bezogen auf seine durch die Meßspindel 14 bestimmte Drehachse, führt die Aus­ werteeinrichtung 8 eine Bestimmung nach folgender Formel durch:

Zur Bestimmung des Ist-Drehmoments Mdisd kann die Drehmomentmeßeinrichtung 3 so ausgebildet sein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Ausführungsform eines Drehmomentgebers besitzt einen Drehmomenthebel 11, der starr mit einem Gehäuse 10 des Drehantriebs 2 verbunden ist. Der Drehantrieb 2 ist in bevorzugter Weise als Gleichstrommaschine ausgebildet. Diese wird für die Durchführung der Meßläufe mit unterschiedli­ chen Drehmomentvorgaben zur Erzeugung der unter­ schiedlichen Winkelrichtgrößen (Analogon zu Federkon­ stanten) in Momentregelung betrieben. Die Momentrege­ lung wird in der Weise zum Einsatz gebracht, daß wie bei der linearen Federschwingung eine Feder nachge­ bildet wird.

Der Drehmomenthebel 11 ist beidseitig über Anschläge 15, 16 gestützt. Die sich auswirkenden Drehmomente werden über den Drehmomenthebel 11 auf einen mit Deh­ nungsmeßstreifen versehenen Biegestab 12 übertragen, und die zu Brücken verschalteten Dehnungsmeßstreifen geben entsprechende Kraftwandlersignale ab. Diese werden einem Meßverstärker 13 zugeleitet, dessen Ver­ stärkungsgrad entsprechend den geometrischen Abmes­ sungen der Meßanordnung eingestellt ist. Der Meßver­ stärker 13 liefert für den Rechner 5 das ermittelte Ist-Drehmoment.

Die Drehmomentabtastung kann auch zwischen den Dreh­ antrieb 2 und die Meßspindel 14 geschaltet sein. Bei­ spielsweise kann anstelle der in der Fig. 2 darge­ stellten Meßanordnung ein mit Dehnungsmeßstreifen versehener Torsionsstab zur Bestimmung des Ist-Dreh­ moments zum Einsatz kommen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung des Trägheitsmoments eines Rotors auf seine Rotationsachse, bei dem der Rotor für eine Drehschwingung um seine Ro­ tationsachse angetrieben und ein Rückstelldreh­ moment erzeugt wird und bei dem aus der Frequenz der Drehschwingung und einer aus dem Rückstell­ drehmoment und dem Drehwinkel (Auslenkung) sich ergebenden Winkelrichtgröße das Trägheitsmoment des Rotors bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einer Meßspindel, die zur Bil­ dung seiner Rotationsachse in Lagern drehbar gelagert wird, zentriert drehfest verbunden wird, daß wenigstens zwei Meßläufe mit unter­ schiedlicher Winkelrichtgröße durchgeführt wer­ den und im jeweiligen Meßlauf die sich daraus ergebende Frequenz der Drehschwingung ermittelt wird und daß aus der Differenz zweier Winkel­ richtgrößen und der Differenz der zugehörigen Frequenzen das Trägheitsmoment des Rotors um die Rotationsachse bestimmt wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung des Trägheitsmoments eines Rotors, bezogen auf seine Rotationsachse mit einem Antrieb für eine Drehschwingung des Rotors um seine Rotationsachse, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drehantrieb (2) mit einer Drehmomentmeßeinrichtung (3) gekoppelt ist, daß die Drehmomentmeßeinrichtung (3) Bestandteil eines Drehmomentregelkreises (3-5) ist, daß an den Drehmomentregelkreis (3-5) eine Frequenz­ meßeinrichtung (6) zur Messung der Frequenz der Drehschwingung angeschlossen ist, daß an den Drehmomentregelkreis (3-5) ferner eine Winkel­ richtgröße-Bestimmungseinrichtung (7) ange­ schlossen ist, welche aus dem Drehmomentsollwert und dem Auslenkwinkel der Drehschwingung die entsprechende Winkelrichtgröße bestimmt und daß die Winkelrichtgröße-Bestimmungseinrichtung (7) und die Frequenzmeßeinrichtung (6) an eine Aus­ werteeinrichtung (8) angeschlossen sind, welche aus der Differenz zweier unterschiedlicher, bei den Meßläufen bestimmten Winkelrichtgrößen und der Differenz zweier zugehöriger Frequenzen der Drehschwingungen das Trägheitsmoment des Rotors, bezogen auf die Rotationsachse, bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehmomentmeßeinrichtung (3) in bekannter Weise eine mit dem Motorgehäuse (10) starr verbundenen Meßbalken (11) aufweist, der mit einem Kraftmeßgeber (12) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drehantrieb (2) ein Elek­ tromotor ist, der in Momentregelung betreibbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (2) eine Gleichstrommaschine ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (2) ein Antriebsmotor für eine Auswuchtmaschine ist und daß der Motor auf die Meßspindel der Aus­ wuchtmaschine aufgespannt ist.