DE69110881T2

DE69110881T2 - Drehmomentenmessvorrichtung.

Info

Publication number: DE69110881T2
Application number: DE69110881T
Authority: DE
Inventors: David Julian Baker
Original assignee: TI Matrix Engineering Ltd
Current assignee: Matrix Engineering Ltd
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2011-04-03
Also published as: US5330039A; EP0523106A1; GB9007350D0; EP0523106B1; WO1991015684A1; ATE124510T1; DE69110881D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung des durch einen Drehkörper übertragenen Drehmoments.
Die Anmeldung befaßt sich mit der Messung des Drehmoments, das durch ein Kupplungselement in einer Kupplung der z. B. aus US-A-4 624 356 bekannten Art, die einen Antriebskörper zur Aufnahme eines Drehantriebs und ein Kupplungselement umfaßt, das zwischen einer ersten Position, in der der Drehantrieb über das Kupplungselement angreift, und einer zweiten Position, in der der Antrieb nicht so angreift, axial beweglich ist. Diese Kupplungen werden im industriellen Maschinenbau weithin benutzt, und es wäre in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft, wenn man das durch die Kupplung während des Betriebs übertragene Drehmoment messen könnte, etwa zur Überwachung der Leistung der Maschinen, in die sie eingebaut sind, und für Kontrollzwecke, z. B. zur Verhinderung von Überlastung.
Eine Kupplung der oben beschriebenen Art ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine auf das in der Kupplung in der ersten Position des Kupplungselements übertragene Drehmoment ansprechende Wandlereinrichtung zur Schaffung eines Ausgangssignals an ein erstes elektrisches Kupplungsmittel, wobei das erste elektrische Kupplungsmittel mit einem auf dem stationären Teil der Kupplung befindlichen zweiten elektrischen Kupplungsmittel zusammenwirkt, um das Ausgangssignal auf eine stationäre Aufzeichnungs- und/oder Anzeige- und/oder Kontrolleinheit zu übertragen.
Durch die Benutzung des zwischen dem das Drehmoment übertragenden Körper und dem stationären Körper arbeitenden Kupplungselement braucht der erstere nur den Wandler oder Fühler und das erste Kupplungselement zu tragen. Die Kupplungseinrichtung kann induktiv arbeiten und eine erste und eine zweite elektromagnetische Spule umfassen, die auf benachbarten Oberflächen des übertragenden Körpers und des stationären Körpers angeordnet sind. Die Kupplungseinrichtung kann jede zur Erregung des Wandlers oder Fühlers von den stationären Einheiten nötige Energie übertragen sowie auch die von dem Drehmoment abhängige Ausgangsgröße an sie. Die stationäre Einheit kann von dem das Drehmoment übertragenden Körper entfernt angeordnet sein, so daß sie beispielsweise vor Schwingungen und Ölspritzern geschützt ist, wenn der Körper in einen Brems- oder Kupplungsmechanismus eingebaut ist. Die stationäre Einheit kann die vom Drehmoment abhängige Ausgangsgröße zu Aufzeichnungs- und/oder Anzeige und/oder Steuerungszwecken benutzen. Die der stationären Anlage zugeführte Ausgangsgröße kann die rohe Wandlerausgangsgröße sein; sie kann aber auch durch miniaturisierte Verarbeitungseinrichtungen auf dem das Drehmoment übertragenden Körper verarbeitet werden. Demzufolge kann bei einer Kupplung mit einem drehbaren Antriebskörper, einem drehbaren Abtriebskörper und einem wahlweise zwischen einer Betriebsstellung und einer Außer-Betriebsstellung beweglichen Kupplungselement, in der ein Antrieb von dem Antriebskörper zu dem Abtriebskörper übertragen bzw. nicht übertragen wird, erfindungsgemäß eine Wandlereinrichtung in Form einer in das Kupplungselement eingebauten Dehnungsmeßstreifeneinrichtung, die auf das durch das Kupplungselement übertragene Drehmoment anspricht, und eines mit einem Transformator gekoppelten, abgestimmten Oszillators vorgesehen sein, um Energie zur Erregung der Dehnungsmeßstreifeneinrichtung und die Ausgangsgröße der Dehnungsmeßstreifeneinrichtung von der Kupplung zu übertragen. Die primäre und sekundäre Wicklung des Kupplungstransformators sind vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kupplungselements und eines stationären Kupplungsteils angeordnet, die einen Abstand voneinander haben, der während des Betriebs wenigstens annähernd konstant bleibt.
Die Ausgangsgröße des Dehnungsmeßstreifens oder anderen Sensors kann zu Meßzwecken dienen, z. B. zur kontinuierlichen Messung oder Bedarfsmessung der aktuellen Drehmomentübertragung. Die Ausgangsgröße kann gewünschtenfalls aufgezeichnet werden und kann statt dessen oder zusätzlich auf einen Mikroprozessor gegeben werden, der die Ausgangsgröße zwecks Schaffung einer gewünschten Funktion behandelt. So könnte bei einer Kupplung der Mikroprozessor so ausgebildet sein, daß er eine wahlweise eingegebene oder aus den früheren Erfahrungsdaten der Kupplung gewonnene Größe des normalen Betriebsdrehmoments speichert und eine Anzeige jeder die bestimmte Größe überschreitenden Abweichung davon angibt und/oder einen Alarm auslöst und/oder die Kupplung löst, um einen Überlastungsschaden zu verhindern. Die Erfindung kann somit so ausgebildet sein, daß sie als Drehmomentbegrenzer arbeitet und bei einem Bremsmechanismus Drehmoment zwischen einem bestimmten Maximal- und Minimalwert ausübt.
Bei einer Reibungskupplung könnte der Prozessor so arbeiten, daß Stoßbelastungen durch außenblickliche Freigabe und folgendes erneutes Greifen abgeschwächt werden, so daß die Maschinenbeschleunigung unter Kontrolle gehalten werden könnte. Bei einer durch Strömungsmitteldruck betätigten Kupplung könnte der Arbeitsdruck in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Drehmomentsensors auf einen Wert geregelt werden, der zu dem aktuellen übertragenen Drehmoment paßt. Die Arbeitslebensdauer der Kupplungslager könnte so verlängert werden, weil maximale Drucke nur bei Bedarf ausgeübt würden. Der Regler oder Mikroprozessor könnte gewünschtenfalls einen geeigneten Speicher zur Registrierung der Betriebsstunden der Kupplung beinhalten, um die Wartung zu unterstützen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Seitenschnitt einer mit Strömungsmitteldruck betätigten Zahnkupplung nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine teilweise Axialansicht eines Teils der Kupplung der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die elektrischen Steuerungsanordnungen für die Kupplung der Fig. 1 erläutert; und
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich der der Fig. 1 einer elektromagnetisch betätigten Zahnkupplung nach der Erfindung.
Die in den Fign. 1 und 2 gezeigte Kupplung hat ein festes Gehäuse oder einen Träger, von dem in der Zeichnung nur ein ringförmiges Trägerelement 2 gezeigt ist. Eine durch ein Lager 5 in dem Trägerelement 2 koaxial drehbar gelagerte Antriebswelle 4 kann durch einen Motor (nicht dargestellt) drehangetrieben werden. Das Trägerelement 2 ist außen an dem als vorderes Ende bezeichneten Ende abgestuft, und auf dem Teil mit dem verringerten Durchmesser vor der Stufe ist außen ein Antriebsring 6 aufgenommen. Der Antriebsring 6 enthält in einer Umfangsrille ein Dichtelement 7, das mit dem den verringerten Durchmesser aufweisenden Teil des Trägerelements 2 in Eingriff ist. Der Antriebsring 6 hat auch einen nach hinten über den den größeren Durchmesser aufweisenden Teil des Trägerelements 2 vorstehenden Hülsenteil zum Zwecke des Dichtungseingriff mit einem Dichtungselement 9, das in einer Umfangsrille des Trägerelements aufgenommen ist.
Die Stirnseite des Antriebringes 6 an der Stufe des Trägerelements ist ausgenommen, und ein Kanal 10 erstreckt sich von der Außenfläche des Trägerelements zu der durch die Ausnehmung und die Stufe gebildeten Kammer. Der Kanal 10 steht über die Leitung 11 mit einer Druckmittelquelle 12 in Verbindung, von der ein Druckmittel, z. B. Luft oder eine Hydraulikflüssigkeit, durch die Leitung oder den Kanal der Kammer zugeführt werden kann, um den Antriebsring 6 auf dem Trägerelement 2 zu einer von der Stufe weg gerichteten Bewegung zu veranlassen. Die Antriebswelle 4 hat in Längsrichtung verlaufende Keile 14, und ein die Welle umgebendes, ringförmiges Kupplungselement 20 hat auf seiner Innenfläche ausgebildete, die Keile aufnehmende Nuten, so daß das Kupplungselement durch die Welle drehangetrieben wird und sich auf dieser axial bewegen kann. Das Kupplungselement 20 hat um die Nuten herum ein Innenteil 21, das in dem Ringraum zwischen dem Trägerring 2 und der Antriebswelle 4 aufgenommen ist, und einen Mittelteil 22, das sich von dem vorderen Ende des Innenteils radial nach außen erstreckt.
Das Kupplungselement 20 hat auch ein Außenteil, das radial neben dem Antriebsring 6 liegt und nach vorne ragende, radial gerichtete Kupplungszähne 24 in ringförmiger Anordnung hat. Ein Kupplungsabtriebsteil 25 hat eine ringförmige Anordnung radial gerichteter Zähne 26, die mit den Zähnen 24 zusammenwirken.
Zwischen dem Außenteil des Kupplungselements 20 auf der den Zähnen 24 entgegengesetzten Seite und dem drehfesten Antriebsring 6 ist ein weiteres Lager 29 vorgesehen, um die Relativdrehung dieser Teile aufzunehmen und den durch Strömungsmitteldruck erzeugten Schub des Antriebsrings auf das Kupplungselement zu übertragen.
In der in Fig. 1 gezeigten Lage haben die Zähne 24, 26 etwas Abstand voneinander, so daß die Kupplung nicht in Eingriff ist, wobei das Kupplungselement 20 mit der Antriebswelle 4 frei rotiert. Der Eingriff erfolgt durch Einwirkung von Strömungsmitteldruck durch den Kanal 10, wodurch der Antriebsring 6 veranlaßt wird, sich wie gezeigt axial nach links zu verschieben und das Kupplungselement 20 durch die durch das Lager 29 übertragenen Kräfte in die gleiche Richtung zu schieben, bis die beiden Zahnsätze miteinander in Eingriff sind. Das Drehmoment wird dann von der Antriebswelle 4 durch das Kupplungselement 20 dem Abtriebsteil 25 zugeführt. Eine zwischen der Welle 4 und dem Kupplungselement 20 wirkende Feder 30 wird durch diese Bewegung des Kupplungselements gespannt.
Wenn die Kupplung getrennt werden soll, wird der Strömungsmitteldruck entspannt, und die Feder 30 bewirkt die zwangsweise Rückkehr des Kupplungselements 20 in die gezeigte Position, in der die Zähne 24, 26 außer Eingriff sind.
Das von der Antriebswelle auf das Abtriebsteil 26 übertragene Drehmoment wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung gemessen, die in dem Kupplungselement angeordnet ist und aus einer Dehnungsmeßstreifenbrücke besteht, die erforderlichenfalls eine Temperaturausgleichsbrücke sein kann. Die Dehnungsmeßstreifen 32 der Brücke sind in nierenförmigen Schlitzen 33 aufgenommen, die in dem Mittelteil 22 des Kupplungselements 20 ausgebildet sind.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Dehnungsmeßstreifensensor, der im Betrieb natürlich rotiert, und der stationären Einrichtung, die sich auf dem festen Gehäuse oder Träger befindet oder entfernt angeordnet ist, erfolgt elektromagnetisch durch zusammenwirkende Spulen 35, 36, die in einander gegenüberliegende Ausnehmungen an der Außenseite des Innenteils 21 des Kupplungselements und an der Innenseite des einen reduzierten Durchmesser aufweisenden Teils des Trägerelements 2 eingesetzt sind. Die stationäre Primärspule 36 auf dem Trägerelement 2 hat eine größere axiale Länge als die Sekundärspule 35 auf dem Kupplungselement 20, so daß die Spulen unabhängig davon induktiv gekuppelt sind, wie die axiale Position des Kupplungselements 20 ist. Die Leitungen 37 verlaufen zwischen den Dehnungsmeßstreifen 32 und der Spule 35, und die Leitungen 39 gehen von der Spule 36 zu der stationären Behandlungs- oder Empfängereinrichtung. Diese Einrichtung kann Mittel zur Anzeige und/oder Aufzeichnung einer Angabe des übertragenen Drehmoments und/oder Mittel zur Ausübung einer gewünschten Steuerungsfunktion umfassen.
Die Einrichtung kann zweckmäßigerweise eine Steuerungsanlage umfassen, wie etwa die in Fig. 3 schematisch dargestellte Anlage 45.
Die Steuerungsanlage 45 hat eine Energiezuführeinheit 46, die über eine Leitung 47 mit der Netzstromversorgung verbunden ist, und eine Ansteuerlogik 49, die auf eine Auf-Zu-Regelung 50 anspricht, die entfernt angeordnet sein kann. Die Energiezuführungseinheit 46 führt auch über die Leitungen 39 und die Spulen 35, 36 der Dehnungsmeßbrücke Energie zu. Da diese Komponenten auch die Ausgangsgröße des Dehnungsmeßstreifens führen, sind die Leitungen 39 an eine Modulator-Demodulator-Einheit 51 angeschlossen, die in die Steueranlage eingebaut ist, durch welche die Dehnungsmeßbrücke mit Energie versorgt wird und von der die Ausgangsgröße des Dehnungsmeßstreifens der Ansteuerlogik 49 zugeführt wird.
Ein in der Zuführleitung 11 zwischen der Strömungsmitteldruckquelle 12 und dem Kanal 10 befindliches Magnetventil 52 spricht auf eine Ausgangsgröße der Ansteuerlogik an und kann in die Steueranlage 45 eingebaut sein. Die Ansteuerlogik 49 ist so ausgebildet, daß sie eine geeignete Steuerfunktion ausübt, z. B. kann sie - wie oben beschrieben - auf die Dehnungsmeßstreifen-Ausgangsgröße ansprechen, um das Magnetventil 52 zu veranlassen, die Strömungsmitteldruckzufuhr zu der Kupplung abzuschalten, wenn das von dem Kupplungselement 20 übertragene Drehmoment einen bestimmten Wert oder Wertebereich übersteigt, der vorher in einen Speicher der Ansteuerlogik eingegeben werden kann oder aufbauend auf früheren Erfahrungswerten der Kupplung durch die Ansteuerlogik aufgestellt wird.
Die Steueranlage 45 enthält auch eine Nachrichtenübertragungsschnittstelle 54, über die der Wert in der Logik 49 des durch die Kupplung zugeführten Drehmoments angezeigt und/oder außerhalb und/oder entfernt von der Anlage 45 aufgezeichnet werden kann. Die Kupplungsleistung kann so überwacht werden. Die Schnittstelle 54 erlaubt auch den Zugriff zu der Ansteuerlogik, um die Steuerfunktion, z. B. den vorbestimmten Wert selektiv einstellen zu können. Die Empfindlichkeit der Kupplung kann so während, des Betriebs nötigenfalls aus der Ferne verändert werden, etwa wenn eine größere Gefahr der Überlastung besteht.
Die in Fig. 4 dargestellte Kupplung hat wiederum ein festes Gehäuse oder einen Träger mit einem ringförmigen Trägerteil 60, in dem durch Lager 62 ein Antriebselement 61 koaxial drehbar gelagert ist. Das Trägerelement 60 hat nach der Darstellung eine nach links offene ringförmige Ausnehmung, in der eine stationäre Spule 64 aufgenommen ist. Das Antriebselement 61 hat einen axial neben der Spule 64 angeordneten Außenflansch 65, der als Kupplungselement dient und mit Kupplungszähnen 66 versehen ist, die sich an seinem Außenrand axial von der Spule 64 weg erstrecken.
Ein Abtriebsteil 70 ist auf dem Antriebsteil 61 durch Lager 71 drehbar gelagert und trägt an einer dem Flansch 65 gegenüberliegenden Querseite ein bewegliches, ringförmiges Kupplungselement 72. Das Kupplungselement 72 wird von dem Element 70 auf axial vorspringenden Bolzen 74 gehalten, so daß es zu dem Flansch 65 hin und von ihm weg axial beweglich ist. Die Bolzen 74 ragen von dem Abtriebsteil 70 in Aussparungen in dem Element 72, die von der dem Flansch 65 gegenüber liegenden Seite offen sind. Druckfedern 75, die auf dem Bolzen 74 zwischen ihren Köpfen und den Böden der Aussparungen aufgenommen sind, drücken das Element 72 gegen das Abtriebselement 70. Ein Ring aus Kupplungszähnen 76 ist an dein äußeren Umfang des Elements 72 für den Eingriff mit den Zähnen 66 vorgesehen.
In der in Fig. 4 gezeigten Position haben die Zähne 66, 76 etwas Abstand voneinander, so daß die Kupplung außer Eingriff ist und das Abtriebsteil 70 von dem Antriebsteil 61 frei ist. Der Eingriff erfolgt durch Erregung der Spule 64, um das Kupplungselement 72 wie gezeigt nach rechts zu bewegen und die Federn 75 zusammenzudrücken, bis die beiden Zahnsätze miteinander in Eingriff sind. Das Drehmoment wird darin von dem Antriebsteil 61 durch das Kupplungselement 72 zu dem Abtriebselement 70 übertragen. Wenn die Kupplung getrennt werden soll, wird die Spule 64 außer Strom gesetzt, und die Federn 75 bewirken die zwangsweise Rückkehr des Kupplungselements 72 in die dargestellte Lage, in der die Zähne 66, 76 voneinander Abstand haben.
Das übertragene Drehmoment wird durch in dem Flansch 65 befindliche Sensoren gemessen, die wiederum durch eine Dehnungsmeßbrücke, nötigenfalls mit Temperaturkompensation gebildet werden können. Die Dehnungsmeßstreifen 77 der Brücke können in der gleichen Weise in dem Flansch aufgenommen sein wie die Meßstreifen 32 in dem Kupplungselement 20.
Die elektrische Verbindung zwischen den rotierenden Dehnungsmeßstreifensensoren und der stationären Vorrichtung erfolgt elektromagnetisch mittels einer Spule 79, die in eine Aussparung in dem Flansch 65 so eingesetzt ist, daß sie mit der Spule 64 zusammenwirkt. Die Spule 64 fungiert somit ähnlich der festen Spule 36 der Fig. 1, dient aber zusätzlich zur Herstellung des Kupplungseingriffs. Die stationäre Einrichtung, mit der die Spule 64 verbunden ist, kann Mittel zur Anzeige und/oder zur Registrierung einer Angabe des übertragenen Drehmoments und/oder Mittel zum Empfangen oder Ausüben einer gewünschten Steuerungsfunktion umfassen. Die Einrichtung kann somit der Anlage 45 entsprechen, die verändert wurde, um die Kupplungsposition durch Ein- oder Ausschaltung der Spule 64 anstatt durch Betätigung des Magnetventils 52 zu steuern.
Die Erfindung kann in verschiedenen Weisen ausgeführt werden, die sich von der im einzelnen beschriebenen und dargestellten Ausführungsform unterscheiden.

Claims

1. Kupplung umfassend ein Antriebselement (4; 61) zum Aufnehmen eines Drehantriebs und ein Kupplungselement (20; 75), das zwischen einer ersten Position, in der der Drehantrieb mittels des Kupplungselements an ein angetriebenes Element (25; 70) gelegt wird, und einer zweiten Position, in der der Antrieb nicht so angelegt wird, axial beweglich ist, gekennzeichnet durch Wandlermittel (32; 77), die auf den in der Kupplung in der ersten Position des Kuppplungselements (20; 75) übertragenen Drehmoment reagierend sind, um ein Ausgangssignal an das erste elektrische Kupplungsmittel (35; 79) vorzusehen, wobei das erste elektrische Kupplungsmittel mit dem zweiten elektrischen Kupplungsmittel (36; 64), das von einem feststehenden Teil (2; 60) der Kupplung getragen wird, zusammenwirkt, um das Ausgangssignal zu einer feststehenden Aufzeichnungs- und/oder Anzeige- und/oder Steuereinheit (45) zu übertragen.

2. Kupplung nach Anspruch 1, wobei das Wandlermittel (32) am Kupplungselement (20) angeordnet ist und wobei das erste und das zweite elektrische Kupplungsmittel (35, 36) in konzentrischem Verhältnis zueinander am Kupplungselement bzw. am feststehenden Teil (2) angeordnet sind.

3. Kupplung nach Anspruch 1, wobei das Wandlermittel (77) am Antriebselement (61) angeordnet ist und wobei das erste und das zweite elektrische Kupplungsmittel in axial entgegengesetztem Verhältnis zueinander (79, 64) am Antriebselement bzw. am feststehenden Teil (60) angeordnet sind.

4. Kupplung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die elektrischen Kupplungsmittel (35; 36; 64; 79) induktiv gekoppelte elektromagnetische Wicklungen aufweisen.

5. Kupplung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Wandlermittel (32; 77) elektrisch erregt werden muß, wobei die elektrische Erregung durch die elektrischen Kupplungsmittel (35, 36; 64, 69) beeinflußt wird.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kupplungselement (20) unter Flüssigkeitsdruck bewegt wird und wobei der Flüssigkeitsdruck auf das Ausgangssignal des Wandlermittels (32; 77) hin geregelt wird.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kupplungselement (72) durch Erregung einer elektromagnetischen Wicklung (64) beweglich ist und wobei die elektromagnetische Wicklung auch als das zweite elektrische Kupplungsmittel wirkt.

8. Kupplung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wandlermittel (32; 77) einen oder mehrere Dehnungsmesser (32) aufweist.

9. Kupplung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrische Behandlungsmittel (45) angeordnet ist, um das übertragene Drehmoment, wie vom Wandlermittel gemessen, anzuzeigen und/oder aufzuzeichnen.

10. Kupplung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrische Behandlungsmittel (45) angeordnet ist, um das Abweichen des übertragenen Drehmoments, wie vom Wandlermittel gemessen, von einem vorbestimmten Wert und/oder von einem vorbestimmten Wertebereich zu fühlen und ein derartiges Abweichen anzuzeigen und)oder auf das Fühlen einer derartigen Abweichung hin eine Steuerfunktion auszuüben.

11. Kupplung nach Anspruch 10, wobei der vorbestimmte Wert und/oder der vorbestimmte Wertebereich selektiv einstellbar sind.

12. Kupplung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das elektrische Behandlungsmittel (45) Mittel aufweist, durch die der vorbestimmte Wert und/oder der vorbestimmte Wertebereich entsprechend der Kupplungserfahrung eingestellt werden.

13. Kupplung nach Anspruch 10, 11 oder 12 wobei die Steuerfunktion das Ausrücken der Kupplung, entweder momentan oder bis zum Rücksetzen, umfaßt.