-
Vorrichtung zur elastischen Verbindung von Wellen und ihre Verwendung
als Drehmomentmesser
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur elastischen
Verbindung zweier koaxialer Wellen sowie zur Messung der zwischen zwei Elementen
koaxialer Wellen übertragenen Kräfte.
-
Zweck der Erfindung ist die Erzielung einer Vorrichtung zur Verbindung
zweier koaxialer Wellen, die gedrängt, statisch und dynamisch mit und ohne Belastung
ausgeglichen sowie zur Übertragung einer weitläufigen Reihe von Kräften (z. B. zwischen
einigen mkg und einer oberen Grenze, wie I500 mkgliegenden Drehmomenten) befähigt
ist.
-
Was die Messung der übertragenen Kräfte anbetrifft, so handelt es
sich bei dem Gegenstande der vorliegenden Erfindung darum, dieselbe in einer bequemen
Weise und unter den normalen Betriebsbedingungen der Maschine vornehmen zu können,
zu welcher die Welle gehört, an welcher die Messung vorgenommen werden soll, ohne
daß aber das Vorhandensein der Meßmittel die innere Struktur der Maschine ändert.
-
Zu diesem Zweck enthält die zwei koaxiale Wellen verbindende Vorrichtung
nach der Erfindung einen zur Übertragung der Kräfte vorgesehenen elastischen Ring
(oder ein System elastischer Ringe), der zu den Wellen konzentrisch angeordnet und
mit diesen derart verbunden ist, daß die durch ihn übertragenen Kräfte ihn diametral
zu verformen suchen.
-
Die Messung der von einem Element auf ein anderes, zum ersteren koaxiales
Element einer Welle übertragenen Kräfte beruht erfindungsgemäß im wesentlichen auf
der Messung der diametralen Verformungen des
elastischen Ringes
einer zwischen den beiden Wellenelementen eingesetzten Verbindungsvorrichtung der
vorstehend angeführten Art.
-
Eine derartige Verwendung eines Ringes oder eines Systems von Ringen
als Hauptelement einer Übertragungs- und/oder Meßvorrichtung der Kräfte zwischen
zwei koaxialen Wellen bringt erhebliche Vorteile. a) Die Ringe besitzen beträchtliche
Belastungsaufnahmefähigkeiten, ohne übertriebene Ausmaße zu benötigen. Es erleidet
beispielsweise ein Ring eines mittleren Halbmessers von I70 mm, einer Breite von
10 mm und einer Stärke von 45,8 mm bei einer Belastung von 5 t bloß eine Verformung
von I mm Erhöht man die Breite bis zu 60 mm, so kann dieser Ring mit einer gleichen
Verformung von I mm eine Belastung von 30 t ertragen. b) Die Verformung eines Ringes
bei einer gegebenen diametralen Belastung kann leicht in einer äußerst genauen Weise
berechnet werden. c) Die Herstellung eines kreisförmigen Ringes von rechteckigem
Querschnitt bietet keinerlei Schwierigkeiten. d) Es ist möglich, mehrere konzentrische
Ringe zu gruppieren, indem man sie untereinander derart befestigt, daß sie gleichzeitig
den Druck- oder den Dehnungsbeanspruchungen unterworfen werden, wobei das Ganze
eine Nutzbelastung zuläßt, die der Summe der Nutzbelastungeri der verschiedenen,
einzeln genommenen Ringe entspricht.
-
Das erfindungsgemäße Verbindungssystem, welches, wie bereits erwähnt,
zwecks Übertragung eines Drehmomentes zwischen zwei koaxialen Wellen auf die Verwendung
eines zu diesen Wellen konzentrischen Ringes beruht, der mit den beiden Wellen derart
verbunden ist, daß die dieserart übertragenen Kräfte den Ring diametral zu verformen
suchen, bildet ein gedrängtes umlaufendes Ganzes, das durch statische und dynamische
Bestimmung mit oder ohne Belastung ausgewogen ist und für eine ganze Reihe von Drehmomenten,
beispielsweise von einigen mkg bis zu I500 mkg, angewendet werden kann.
-
Es ist hervorzuheben, daß das statische und dynamische Gleichgewicht
des Systems sich erhält, ganz gleich wie die durch das übertragene Drehmoment verursachte
Verformung ausfällt, was für die Übertragung von Drehmomenten periodischer Unregelmäßigkeit
besonders wichtig ist. Diese Eigenschaft gestattet, ebenfalls die augenblickliche
Messung von veränderlichen Drehmomenten unter Vermeidung der Resonanzerscheinungen
(oder deren Kontrolle erlaubend) vorzunehmen.
-
Die Erfindung sieht ebenfalls die Verwendung der koaxialen Ringe
für die Übertragung der Längskräfte zwischen zwei in ihrer gegenseitigen Verlängerung
liegenden Wellen vor.
-
Der Erfindungsgegenstand ist in den Zeichnungen dargestellt, und
zwar zeigt-Fig. 1 einen Querschnitt nach Linie I-I der Fig. 2 durch das schematisch.
dargestellte erfindungsgemäße Kupplungssystem, Fig. 2 einen Axialschnitt nach derLinie
2-2 der Fig. I, Fig. 3 die Seitenansicht einerAusführungsform des als Drehmomentmesser
verwendeten Kupplungssystems; Fig, 5 ist ein Axialschnitt durch eine die Längskräfte
zwischen zwei koaxialen - Wellen übertragenden Vorrichtung, Fig. 6 eine der Fig.
5 entsprechende schematische Seitenansicht ; Fig. 7 zeigt schematisch einen Axialschnitt
durch eine Vorrichtung zur elastischen Übertragung eines Drehmomentes und einer
Längskraft zwischen koaxialen Wellen; Fig. 4 ist ein Axialschnitt nach der Linie
4-4 der Fig. 3.
-
Gemäß der Fig. I und 2 soll die Welle I die treibende und die Welle
2 die getriebene Welle sein. Diese beiden Wellen sind erfindungsgemäß durch Vermittlung
eines zu den Wellen 1 und 2 konzentrischen Ringes 3 gekuppelt. Zwischen Ring 3 und
Triebwelle I sind zwei Stangen 4a und 4b angeordnet, die an ihrem einen Ende auf
einer von der Welle I getragenen Gabel 6a bzw. 6b und an ihrem anderen Ende auf
einem mit dem Ring 3 fest verbundenen Teil 5a bzw. 5b verschwenkbar angebracht sind.
In ähnlicher Weise ist der Ring 3 ebenfalls durch Stangen 7a und 7b, die zwischen
von der Welle 2 getragenen Gabeln 8a bzw. 8b und den mit dem Ring 3 fest verbundenen
Teilen 5a und 5b eingesetzt sind, mit der Welle 2 verbunden.
-
Bei einer solchen Anordnung drückt sich die Übertragung eines Drehmomentes
von der Welle I auf die Welle 2 durch eine einer über die Teile 5a und 5 b verlaufenden
Linie folgende, auf den Ring 3 ausgeübte diametrale Kraft aus, wobei diese Kraft
eine Dehnungskraft ist, wenn bei einer Anordnung wie jener der Fig. I die Wellen
sich im Uhrzeigersinne drehen, oder eine Kompressionskraft, wenn sie sich im entgegengesetzten
Sinne drehen.
-
Wie man sieht, kann man dieserart eine elastische Kupplung erzielen,
welche die weiter obengenannten Vorteile bietet, die sich einerseits aus den den
elastischen Ringen innewohnenden Eigenschaften und andererseits daraus ergeben,
daß der zur Übertragung dienende Ring zu den zu kuppelnden Wellen konzentrisch ist.
-
Überdies erlauben die Verformungen solcher Ringe, wie bereits erwähnt,
eine bequeme und genaue Berechnung des Wertes jener Kraft, welcher sie unterworfen
werden. Die Erfindung sieht demnach die Kombination einer Kupplungsvorrichtung wie
die vorstehend beschriebene mit Vorrichtungen vor, welche das Messen der Verformungen
des Ringes erlauben.
-
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines solchen Drehmomentmessers.
-
In diesen Figuren findet man wieder die Triebwelle 1 vor, die mit
sich diametral gegenüberliegenden Gabeln 6a und 6b versehen ist, an welchen zwei
in bezug auf die Achse der Welle I symmetrische Stangen 4a und 4b angelenkt sind.
-
Die Welle 2, welche koaxial im Innern der Welle I sitzt, trägt zwei
sich diametral gegenüberliegende Gabeln 8aund8b, an welchen zwei in bezug auf die
gemeinsame Rotationsachse der Wellen I und 2 symmetrische Stangen 7a und 7b angelenkt
sind.
-
Die Gelenkachsen der Stangen in den Gabeln 6a und 8a sowie 6b und
8a sind auf einen gleichen, zur gemeinsamen Achse der Wellen 1 und 2 konzentrischen
Kreis
verteilt und verlaufen parallel zu dieser Achse.
-
Die vier in Frage kommenden Stangen sind in einer gleichen, zu dieserAchsesenkrechten
Ebene angeordnet.
-
Wie bereits angeführt, sind die Stangen 4a und 7a an einem Teil 5a
und die Stangen 4b und 7b an einem Teil 5b angelenkt, wobei die beiden Teile 5a
und 5b an einem zu den Wellen I und 2 konzentrischen Ring 3 befestigt sind.
-
Wie mit Bezug auf die Fig. I und 2 erläutert wurde, erzeugt der von
der Welle I vermittels der Gestänge 4a, 7a, 5a einerseits und qb, 7b, 5 b andererseits
auf die Welle 2 übertragene Drehmoment jederzeit eine diametrale elastische Verformung
des Ringes 3, deren Charakteristik je nach der Art des übertragenen Drehmomentes
und je nachdem, ob eine lose oder feste Kupplung erzielt. : werden soll, theoretisch
oder experimentell bestimmt werden kann. Die Verformungen des Ringes 3 werden mit
Hilfe eines geeigneten elektromagnetischen, stroboskopischen u. ä. Gerätes gemessen.
-
So trägt z. B., wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, jeder Teil
5a und 5b einen Kern 11, während die Welle I durch Vermittlung eines Ringes 12 die
mit diesen Kernen zusammenwirkenden Spulen I3 trägt. Die sich aus den Verformungen
des Ringes 3 ergebenden Bewegungen des Kernes 11 werden vermittels der von den Kollektorringen
14 aufgenommenen Stromschwankungen gemessen.
-
Es ist zu bemerken, daß die Stangen 4a, 7a, 4b, 7b mit Hilfe von
Gegengewichten 40a, 70a, 40b, 70b um ihre Gelenkachsen auf den Gabeln 6a, 8a, 6b,
8b im Gleichgewicht gehalten werden, wobei die Berichtigung von statischen Momenten
berücksichtigt ist, die sich bei jeder Stange aus deren Verbindung mit dem Teil
5a bzw. 5b ergeben.
-
Unter solchen Umständen, d. h. nach dem eben angeführten statischen
Ausgleich, gilt der dynamische Ausgleich unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte
für alle normalen Verformungen des Ringes, ganz gleich welches Drehmoment zur Anwendung
kommt.
-
Das eben beschriebene elastische Kupplungssystem läßt mehrere Parameter
zu, auf welche einzuwirken möglich ist, nämlich: a) den Halbmesser des die Gelenkachsen
der Gabeln 6a, 8a, 6b, 8b tragenden Kreises, b) die Länge der Stangen 4a, 7a, 4b>
7b und c) die geometrische und elastische Charakteristik des Ringes 3.
-
Die treffende Auswahl dieser Parameter erlaubt es, das übertragene
Drehmoment zu kontrollieren und die Kupplung lose oder fest einzustellen.
-
Die Verwendung von dem Fliehkraftfeld unterworfenen Stangen ist ein
günstiger Faktor, da sie die Einführung von Dämpfungsfaktoren, beispielsweise vermittels
Zentrifugalgewichten, erlaubt.
-
Die das Drehmoment messenden Vorrichtungen, von welchen ein Ausführungsbeispiel
vorstehend beschrieben wurde, finden im Luftfahrtwesen vorteilhaft Anwendung, können
aber auch in Verbindung mit den verschiedentlichsten Maschinen angewendet werden,
wobei sie deren innere Struktur nicht beeinflussen.
-
Sie sind in außerordentlich vorteilhafter Weise zum Messen erheblicher
Kräfte unter geringen Volumen, wie sie in der Flugzeugtechnik vorkommen, anwendbar
und erlauben die Messung des Drehmomentes ebensowohl während des Flilges als auch
am Boden oder im Versuchstand. Die erfindungsgemäße Detektion der Drehmomente erlaubt
die Synchronisierung oder die Regelung von Maschinen nach gewünschten Gesetzen und
mit bedeutend feineren Messungen, als wenn man Getnebesysteme nach Art der Differentialgetriebe
verwendet. Die erfindungsgemäßen Apparate erleichtern insbesondere den Vergleich
von zwei Drehmomenten nach sämtlichen gewünschten Gesetzen, die von dem reinen und
einfachen Gleichheitsgesetz sich unterscheiden können.
-
Die Fig. 5 und 6 stellen die Anwendung eines dynamometrischen Ringes
bei der Übertragung einer Längskraft zwischen zwei koaxialen Wellen dar. In diesem
Fall sind die Wellen I und 2 winkelmäßig durch eine zweckmäßige Vorrichtung, wie
einen Keil I5, untereinander verbunden. Jede Welle ist mit einem Ring 3 mittels
Stangen I6a, 16b bzw. I7a, I7b verbunden, die einerseits bei I8a, I8b, Iga, rgb
an die Welle I und 2 und andererseits mit ihrem anderen Ende an mit dem Ring3 fest
verbundene Teile 5a, gb angelenkt sind.
-
Die von der einen Welle auf die andere übertragene Längskraft ruft
eine diametrale Verformung (Dehnung oder Kompression) des Ringes 3 hervor, und zwär
der über die Teile 5a und gb verlaufenden Linie folgend.
-
Die im Hinblick auf die Verwendung der dynamometrischen Ringe sowie
der Messung ihrer Verformungen vorstehend angegebenen Vorteile gelten auch für diese
Ausführungsform.
-
Schließlich zeigt die Fig. 7 die Kombination einer elastischen Kupplung
mit einer die Längskräfte übertragenden Vorrichtung, und zwar von einer Welle I
auf eine Welle 2 mit Hilfe zweier Vorrichtungen, die ähnlich jenen der Fig. I und
2 einerseits und der Fig. 5 und 6 andererseits ausgebildet sind.
-
Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
zahlreiche Änderungen erfahren können, ohne deshalb aus dem Rahmen der Erfindung
zu treten.