DE4327539A1

DE4327539A1 - Method and device for determining the moment of inertia of a rotor, referred to its axis of rotation

Info

Publication number: DE4327539A1
Application number: DE19934327539
Authority: DE
Inventors: Herbert Blachucik; Manfred Hund
Original assignee: Hofmann Maschinenbau GmbH
Current assignee: Hofmann Maschinenbau GmbH
Priority date: 1993-08-16
Filing date: 1993-08-16
Publication date: 1995-02-23

Abstract

A method and a device for determining the moment of inertia of a rotor, referred to its axis of rotation, in which the rotor is driven about its axis of rotation for a rotational oscillation and a restoring torque is generated, different angular directive forces being used in various measurement runs and the associated frequencies resulting in the process being determined and the moment of inertia of the rotor being determined from these.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe griff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.The invention relates to a method according to the Oberbe Handle of claim 1 and a device according to the preamble of claim 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.In the areas of technology where driving forces transmitted by means of rotating machine elements are the knowledge of the moments of inertia of the used rotors in relation to their axes of rotation of Meaning. Furthermore, if rotors, for example as Flywheels for the drive or as a load in measuring devices are used, such as in exhaust test benches, knowledge of the Moment of inertia of each as a flywheel acting rotors in any combination can be coupled together.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Trägheitsmasse eines Rotors, bezogen auf seine Drehachse, zu schaffen.The object of the invention is a method and Device for determining the mass of inertia Rotors, based on its axis of rotation.

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.This task is ge in the process of the beginning named type according to the invention by the characterizing Features of claim 1 and the Vorrich tion of the type mentioned by the character nenden features of claim 2 solved.

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.In the invention, the rotor is in several measuring cycles fen set in torsional vibrations about its axis of rotation. An electric motor is used as the drive rate that can be operated in torque control. In this way, a restoring torque can be obtained generate that to the deflection or the angle of rotation proportional at all times, but opposite is. Here, an angle standard corresponds to resulting from the deflecting torque and the deflection angle can be determined, a spring constant for egg a linear spring vibration. The benchmark (Angular directional torque) D = M / α, where M is the torque is that causes the deflection (angle of rotation α).

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.There is a different one during each measuring run Guide angle for use. This can be done happen that the angular direction by the torque Size that caused the deflection changed becomes. In each measuring run with the appropriate setting The frequency of the torsional vibration is the standard measure up.

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.By forming the difference from at least two to Applied angle standard and by Dif Reference formation of the assigned frequencies of the rotation Vibrations in these two measuring runs become bearings forces (friction losses), which during the measurement effects come into play, compensate and go into the evaluated result when determining the Moment of inertia. There can be more than two Measuring runs are carried out and several of these Combinations of won in two runs NEN measured values are used to form the difference.

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.To determine the actual torque, use the drive coupled to a torque measuring device. The se can consist of a between the rotary drive and the Rotor switched deformation body (torsion bar), the with transducers, for example strain gauges, is occupied. The torque measuring device can however also be formed by one with the Drive motor housing rigidly connected measuring ball ken, which is supported by a force transducer.

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.In a preferred manner, the implementation of the Measuring runs of the rotor on the measuring spindle of a balance machine can be clamped. The electric motor or the drive motor of the balancing machine then serves also as a rotary drive to generate the rotary swivel supply. For this purpose, the drive motor is the balancing measure seem so designed that he is also in moments t control can be operated. It follows from this the advantage that the rotor only once on the measuring spindle centered must be clamped to both the unbalance measurement as well as the measurement of the carrier unit torque related to the axis of rotation ren.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigtThe figures are used to illustrate an embodiment the invention explained in more detail. It shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des Trägheitsmoments eines Ro tors, bezogen auf seine Rotationsachse, als Ausführungsbeispiel; und Figure 1 is a block diagram of a device for determining the moment of inertia of a ro tor, based on its axis of rotation, as an embodiment. and

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Drehmo mentmeßeinrichtung zur Bestimmung des Ist- Drehmoments. Fig. 2 shows an embodiment of a torque measuring device for determining the actual torque.

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.The device shown schematically in FIG. 1 has a rotary drive 2 for generating a torsional vibration. This torsional vibration is transmitted via a measuring spindle 14 on which a rotor 1 (test specimen) is clamped centrally. The rotary drive 2 is designed so that it can be operated in Momentre gelung. For example, the rotary drive 2 is designed as a DC machine. With the rotary drive 2 , a rotary encoder 9 for the angle of rotation α (deflection of the torsional vibration) as well as a torque generator 3 for the generated actual torque Mdist are provided. An embodiment of the torque sensor 3 is shown in Fig. 2 and will be explained in detail.

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.The output signals of the angle of rotation sensor 9 and the torque sensor 3 are fed to a computer 5 . For the implementation of the different measuring runs who the different target torques Mdsoll, which testify the deflection (angle of rotation α) of the torsional vibration, he used. In the illustrated game Ausführungsbei the rotation angle α is kept the same size for the several measuring runs to be carried out. The torsional vibration is caused by a restoring torque that is proportional to the deflection (angle of rotation α) at all times, but in the opposite direction. The spring constant, which is the guide variable for the linear spring oscillation, corresponds to the angular guide variable D for the torsional vibration, which can be determined from the deflecting torque and the deflection (angle α).

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.Accordingly, the rotary drive 2 is acted upon in various measuring runs with corresponding restoring torques M Mdoll, which is proportional to the deflection (angle of rotation α) at all times, but in the opposite direction.

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.From the actual signals of the angle encoder 9 and the torque sensor 3 , the frequency of the rotational vibration is determined in a, for example, the computer 5 connected frequency determination device 6 be determined. The frequency determination device 6 detects the frequencies that occur at the respective different restoring torques or angular reference values in the different measurement runs. The resulting angle values D _i , D _j , in the various measurement runs. . . and associated frequencies f _i , f _j . . . are fed to an evaluation device 8 .

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:In the evaluation device 8 , the difference is formed from two angular reference values (D _i - D _j ) which have been used in two measuring runs. Furthermore, the difference is formed from the squares of the associated frequencies (f _i ² - f _j ²) of the frequencies determined in the two measurement runs. In order to determine the moment of inertia J of the rotor 1 executing the torsional vibration, based on its axis of rotation determined by the measuring spindle 14 , the evaluation device 8 carries out a determination according to the following formula:

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.To determine the actual torque may be the torque measuring Mdisd 3 is formed as shown in Fig. 2. This embodiment of a torque transmitter has a torque lever 11 which is rigidly connected to a housing 10 of the rotary drive 2 . The rotary drive 2 is preferably designed as a DC machine. This is carried out for the implementation of the measuring runs with various torque specifications to generate the different angular reference variables (analogue to spring constants) in torque control. The moment regulation is used in such a way that a spring is formed as in the linear spring oscillation.

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.The torque lever 11 is supported on both sides by stops 15 , 16 . The acting torques are transmitted via the torque lever 11 to a bending rod 12 provided with strain gauges, and the strain gauges connected to bridges emit corresponding force transducer signals. These are fed to a measuring amplifier 13 , the degree of amplification of which is set in accordance with the geometric dimensions of the measuring arrangement. The Meßver stronger 13 provides the calculated actual torque for the computer 5 .

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.The torque sensing can also be connected between the rotary drive 2 and the measuring spindle 14 . For example, instead of the measuring arrangement shown in FIG. 2, a torsion bar provided with strain gauges can be used to determine the actual torque.

Claims

1.Procedure for determining the moment of inertia of a rotor on its axis of rotation, in which the rotor is driven for a torsional vibration about its rotational axis and a restoring torque is generated and in which the frequency of the torsional vibration and one of the restoring torque and the angle of rotation (deflection ) resulting angular reference, the moment of inertia of the rotor is determined, characterized in that the rotor is rotatably connected with a measuring spindle, which is rotatably mounted in bearings for forming its axis of rotation, that at least two measuring runs are carried out with different angular reference and who in the respective measuring run, the resulting frequency of the torsional vibration is determined and that the moment of inertia of the rotor about the axis of rotation is determined from the difference between two angle parameters and the difference between the associated frequencies.

2. Device for determining the moment of inertia of a rotor, based on its axis of rotation with a drive for a torsional vibration of the rotor about its axis of rotation, characterized in that the rotary drive ( 2 ) is coupled to a torque measuring device ( 3 ) that the torque measuring device ( 3 is) part of a torque control loop (3-5), that to the torque control loop (3-5), a frequency measuring device (6) for measuring the frequency of the torsional vibration is connected, that to the torque control circuit (3-5) further comprises a restoring torque determining means ( 7 ) is connected, which determines the corresponding angular reference variable from the torque setpoint and the deflection angle of the torsional vibration, and that the angular reference variable determining device ( 7 ) and the frequency measuring device ( 6 ) are connected to an evaluation device ( 8 ), which consists of the difference between two different, determined in the measuring runs Angle standard values and the difference between two associated frequencies of the torsional vibrations determines the moment of inertia of the rotor, based on the axis of rotation.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the torque measuring device ( 3 ) in a known manner with the motor housing ( 10 ) rigidly connected measuring bar ( 11 ) which is connected to a force transducer ( 12 ).

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the rotary drive ( 2 ) is an electric motor, which can be operated in torque control.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the rotary drive ( 2 ) is a DC machine.

6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the rotary drive ( 2 ) is a drive motor for a balancing machine and that the motor is clamped onto the measuring spindle of the balancing machine.