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Anordnung zur Drehmomentmessung Es ist bekannt, entsprechend der Torsion
einer Kraftwelle beeinflußte Meßgeräte zur Anzeige des an der Welle angreifenden
Drehmomentes zu verwenden. Die bekannten Einrichtungen haben einen sehr großen Raumbedarf,
der sich daraus ergibt, daß mit der Welle die Polräder zweier Wechselstromgeneratoren
gekuppelt sind, deren Spannungen hinsichtlich ihrer Phasenlage von der Torsion der
Welle abhängig sind. Es sind auch mechanische Drehmomentmesser bekannt, sogenannte
Einschaltdynamometer nach Amsler-Laffon benannt, bei denen Meßbetriebe angeordnet
sind. Bei diesen ist es notwendig, daß die gesamte Wellenleistung über das Getriebe
geleitet wird und daß ferner der treibende und angetriebene Teil der Welle verschiedene
Drehzahl haben. Eine solche Ausführung benötigt sehr kräftige Räder und ist in seiner
Verwendung auf verhältnismäßig niedrige Wellendrehzahlen beschränkt. Aus diesem
Grunde lassen sich die bekannten Einrichtungen nicht allgemein verwenden und besonders
dann nicht, wenn es sich darum handelt, die die Drehmomentmessung vornehmenden Glieder
auf geringstem Raum unterzubringen. Dies ist besonders der Fall, wenn das an Propellerwellen
von Flugzeugen angreifende Drehmoment gemessen werden soll.
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Eine solche Möglichkeit ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, daß auf
der in bekannter Weise als Torsionswelle ausgeführten Welle ein beiderseits des
tordierten Wellenteiles angreifendes, mehrteiliges Meßgetriebe sitzt, das auf mechanischem
Wege einen einen Zeiger od. dgl. tragenden Getriebeteil proportional der Torsion
verstellt. Man hat dann erfindungsgemäß eine
unmittelbare mit rein
mechanischen Mitteln bewirkte Anzeige. Da es sich um ein Getriebe handelt, ist der
Aufbau im Gegensatz zu den bekannten Drehmomentmeßeinrichtungen außerordentlich
einfach, und wenn man dafür sorgt, daß das Meßgetriebe hinsichtlich seiner Größe,
Zahnteilung, Zahnbreite usw. so dimensioniert ist, daß es eine Leistung aufnehmen
kann, die zur Maschinenleistung im gleichen Verhältnis steht wie der Drall des Maschinensatzes
zum Drall des Meßgetriebes, so sind Drehmomentstöße, die z. B. beim Anfahren entstehen
können, ohne jede Gefahr auf das Meßgetriebe, und dieses kann lange Zeit in Betrieb
sein, ohne daß es einer besonderen Wartung bedarf, d. h. bei geeigneter Lagerung
der einzelnen Getriebeteile wird dieses selbst hinsichtlich seiner Verzahnung usw.
praktisch nicht oder nur wenig beansprucht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. i und 2 dargestellt.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig.i ist mit W1 bzw. W2 die Welle bezeichnet,
deren Drehmoment zu messen ist. Zwischen den Wellenenden W1 und WZ befindet sich
das Torsionsstück T. Letzteres wird in bekannter Weise bei Belastung: der Welle
auf Torsion beansprucht. Der Winkel zwischen zwei auf den Wellen W1 und Wz gedachten
Punkten ist proportional dem an der Welle angreifenden Drehmoment. Zur Messung dieses
Winkels dient erfindungsgemäß ein Meßgetriebe, das im wesentlichen einem Planeten-,
Umlaufgetriebe entspricht. Dieses besteht aus einem ersten Teil S1, der fest auf
dem Wellenstück W1 sitzt. Ein zweiter Teil SZ sitzt drehbar auf dem Wellenstück
W1 und ist befestigt an einem Käfig K, der an dem Wellenstück W2 befestigt ist.
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Ver dritte Teil dieses Planetenradumlaufgetriebes besteht einerseits
aus den eine Einheit bildenden Rädern P1 und P2 bzw. den Rädern P3 und P4. Die Räder
P1 und P2 drehen sich um die Achse Al, die Räder P3 und P4 drehen sich um die Achse
A 2. P1 kämmt mit dem vom Käfig K getragenen zweiten Teil S2; P2 steht im Eingriff
mit einem lose auf der Welle Wl sitzenden Gegenrad GR. Mit diesem steht im Eingriff
auch das Rad P3, während das Rad P4 mit der auf der Welle W1 sitzenden ersten Seite
S1 kämmt. Die Achse A2 sitzt in einem um das Wellenende W1 drehbaren Tragstück TK,
das zu einem Zeiger Z od. dgl. ausgebildet sein kann. Die Achse Al ist an einem
festen Teil, z: B. einem Stück des Lagergehäuses od. dgl., befestigt.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist die folgende: Zunächst sei
angenommen, daß die Welle Wi, T, W2 unbelastet läuft. Dann läuft das mit
dem Wellenende W2 verbundene Rad S2 und das mit dem Wellenende W1 verbundene Rad
vollkommen synchron und gleichphasig. S2 treibt P1 an, das um die im Raum feststehende
Achse A 1 rotiert. S1 treibt P4 an, das um eine Achse A2 rotiert, die in dem um
das Wellenstück W1 drehbaren Tragorgan TK sitzt. Von P1 wird über das starr oder
gegebenenfalls eine elastische Kupplung mit ihm verbundene Rad P2 auf das Gegenrad
GR, das drehbar auf dem Wellenende W1 sitzt, eingewirkt. Mit dem Gegenrad GR steht
auch das am Rad P4 sitzende -Rad P3 im Eingriff. Die Übersetzungsverhältnisse sind
so bemessen, daß zwischen den Rädern SZ und- P1 bzw. S1 und P4 eine hohe, zwischen
den Rädern P2 bzw. P3 und dem Gegenrad GR eine niedrige Übersetzung herrscht.
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In dem angenommenen Zustand läuft also dieses Meßradsystem in allen
seinen Teilen gleichphasig, das Gegenrad GR läuft im Sinne der Welle um, jedoch
schneller als diese; die Achse A2 steht fest im Raum und demgemäß das Tragorgan
TK, so daß der an diesem befestigte Zeiger Z vor einer die Nullstellung bestimmenden
Marke steht. Bei belasteter Welle ergibt sich infolge der Torsion in dem Wellenstück
T eine Winkelverschiebung zwischen den Rädern S1 und S2 und demgemäß den Rädern
P3, P4 gegenüber P1, P2. Das hat zur Folge, daß das Rad P4 sich zusätzlich auf dem
Umfange des Rades S1 um einen Winkel abwälzt, der dem Torsionswinkel im Wellenstück
T entspricht; d. h. also, das Tragorgan T und damit der Zeiger Z nehmen
eine neue Lage im Raum ein. Es läßt sich die Anordnung zweckmäßig so treffen, daß
schon geringe Torsionswinkel wesentlich vergrößert zur Anzeige kommen.
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Zur Auswuchtung "von Massenkräften kann die Anordnung so getroffen
werden, daß die Räder P1 bis P4 mehrfach, z. B. doppelt angeordnet werden, wie das
in Fig, i angedeutet ist.
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Eine verbesserte Ausführung ist in Fig. 2 dargestellt. Dort sind gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich eine nochmalige Beschreibung
erübrigt. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist aber die Achse Al der Räder P1,
P, nicht als feststehend im Raum gelagert, sondern in einem Drehkörper
DK, der mittels Kugellagerung KLl auf dem Käfig K sitzt. Bei dieser Ausführung
rotieren bei unbelasteter Welle das Gegenrad GR sowie der Drehkörper DK und das
Rad S2 gleichphasig mit der Welle. Die umlaufenden Glieder sind, sofern sie nicht
fest auf ihren Trägern sitzen, wie z. B. das Rad S1, auf dem Wellenstück W1 mittels
Kugellagerung KLl, KL2, KL3 bzw. Nadellagerung KL4 gelagert.
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Bei unbelasteter Welle ist eine Relativbewegung zwischen dem Rad S1
und dem Rad P4 nicht vorhanden, so daß der Tragkörper TK über das Rad P4,
Achse A 2 mitgenommen wird und auf der Welle rotiert. Mit der gleichen Drehzahl
rotiert das Gegenrad GR und das Rad S2 auf dem Wellenstück W1 und ebenso der die
Achse A2 tragende Drehkörper DK auf dem Käfig K. Zur Vornahme einer Messung ist
es notwendig, daß die Achse A2 und damit der Drehkörper im Raume stillsteht. Hierzu
muß der Drehkörper DK bis zum Stillstand, der an einem genau definierten Punkt eintreten
muß, abgebremst werden. Es dient dazu eine, mittels eines Handgriffes betätigte
Reibungsbremse, die auch einen permanenten Magneten enthält. Das Reibungsbremsmoment
ist etwas kleiner als die Getriebereibung. Es wird also mit zunehmendem Reibungsbremsmoment
die Geschwindigkeit des Drehkörpers mehr und mehr abgebremst, so daß dieser mit
immer größer werdendem Schlupf gegenüber dem Käfig K auf diesem rotiert.
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Da es mit Rücksicht auf die Eichung des Meßradsystems, d. h. auf die
Stellung des Zeigers gegenüber einer ein für allemal angebrachten Skala darauf ankommt,
daß für die Messung die Achse A, an einer
ganz bestimmten Stelle
im Raum feststeht, so genügt es nicht, den Drehkörper alleine durch Reibung abzubremsen.
Es ist auch nicht praktisch, ihn etwa durch einen Anschlag od. dgl. aus der vollen
Tourenzahl heraus festzuhalten, da dann zu große Drehmomentstöße sich auf das Meßgetriebe
auswirken würden. Aus diesem Grunde ist die langsame Abbremsung vorzuziehen, die
durch das Reibungsbremsmoment und durch ein zusätzliches, durch den permanenten
':Magneten hervorgerufenes Wirbelstrombremsmoment zustande kommt. Bei eingerücktem
Handgriff HG
läuft der Drehkörper DK mit gegenüber der Hauptwelle außerordentlich
geringer Drehzahl um, bis der Feststeller FS in eine Raste des Drehkörpers DK einfällt.
Ist die Welle nun, wie angenommen, unbelastet, so stellt sich, wie zu dem Ausführungsbeispiel
zu Fig. i beschrieben, der Tragkörper TK mit dem Zeiger Z gegenüber der Skala auf
eine Nullstellung ein. Ist die Welle hingegen belastet, so wird zwischen den Rädern
Sl und P4 proportional der Torsion eine Relativbewegung stattfinden, was eine Drehung
des Tragkörpers TK zur Folge hat.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden zweckmäßig die um die Welle
umlaufenden Teile mehrfach, z. B. doppelt, ausgeführt, damit ein Massenausgleich
stattfindet. Ebenso wird zweckmäßig die ganze Einrichtung in Öl laufen, so daß das
Lagergehäuse LG
gleichzeitig als Ölkammer dient.
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Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3 und q. sind dazu geeignet,
um als an sich selbständige Meßgeräte vorhandenen Wellen zugefügt zu werden. Aus
diesem Grunde ist das Lagergehäuse LG mehrteilig ausgeführt und besteht aus
den Hälften LG, und LG,. Ebenso sind auch die ersten und zweiten Teile
S1 und S. des ,Nleßradgetriebes sowie der Käfig K zweiteilig ausgeführt. Das Lagergehäuse
wird mit den Schrauben StBl und StB2 auf dem Gleitlager GL aufgespannt, die anderen,
mit der Hauptwelle umlaufenden Teile entsprechend auf ihr befestigt.
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Bei diesen Ausführungsbeispielen tritt also an die Stelle des Drehkörpers
DK nach Fig. 2 das Lagergehäuse. In diesem ist also die Welle A1 gelagert. Die Welle
A2 ist, wie bei der Anordnung nach Fig. 2 in einem Drehkörper DK befestigt,
der gleichzeitig den Zeiger Z bildet. Der Drehkörper ist um die Hilfswelle HW schwenkbar,
er ist durch das Ausgleichgewicht AG ausgewuchtet. Die Ausführung der ersten
Teile S1 und S2 bzw. der dritten Teile P1 bis P4 entspricht der nach Fig. i und
2. Unterschiedlich gegenüber diesen Ausführungen ist, daß der erste Teil S1 mit
dem dritten Teil P4 über das auf der Hilfswelle HW sitzende Zwischenrad ZW, und
der zweite Teil S2 mit dem dritten Teil P, über das Zwischenrad Zblj@ gekuppelt
ist. Das auch hier vorhandene Gegenrad GR sitzt auf der Hilfswelle HW. Eine am Drehkörper
DK
angreifende Spannfeder SPF dient zur Beseitigung von Zahnluft.
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Bei unbelasteter Welle wirken die einzelnen Glieder des Meßgetriebes
als einfache Mitnehmer zwischen der Hauptwelle und dem Lagergehäuse, so daß dieses
mit der Welle umläuft. Hält man das Lagergehäuse fest, ,vas ohne weiteres z. B.
von Hand erfolgen kann, so ist die Wirkung die gleiche, wie zu Fig. 2 beschrieben,
d. h. über die mit gleicher Drehzahl und Phase angetriebenen Räder S1, S2, P1, P2,
P3, P4 wird das Gegenrad GR angetrieben. Tritt bei belasteter Welle eine dem angreifenden
Drehmoment entsprechende Torsion ein, so eilt das eine der Räder S1, S2 dem anderen
um einen entsprechenden Winkel nach. Dadurch sucht sich der dritte Teil des Meßgetriebes
P3, P4 auf dem Gegenrad GR zusätzlich abzuwälzen. Über die in dem Drehkörper DK
gelagerte Achse A 2 wird dieser demnach proportional der Torsion der Hauptwelle
um die Hilfswelle HW des Meßgetriebes verschwenkt.
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Eine Vereinfachung des Meßgetriebes ergibt die Ausführung nach Fig.
q.. Hier sind die dritten Teile P1, P2 sowie das auf der Hilfswelle sitzende Zwischenrad
ZW, weggelassen. An die Stelle des Gegenrades GR tritt bei dieser Ausführung ein
Doppelradsystem DRa, DRb, von dem DRa mit S2 und DRb mit P3 im Eingriff stehen.
Auch hier entsteht die gleiche Wirkung wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
3. Ist die Hauptwelle unbelastet, so wirken die einzelnen Glieder des Meßgetriebes
als Mitnehmer zwischen der Hauptwelle und dem Lagergehäuse, so daß dieses mit der
Hauptwelle umläuft. Bremst man z. B. von Hand das Lagergehäuse auf Stillstand ab,
so steht der Drehkörper DK im Raume still, weil die Zahnradübersetzung S2 DRa, DRbb-P3
die gleiche ist, wie die Zahnradübersetzung S,- ZW,- P4. Tritt jedoch infolge
eines an der Welle angreifenden Drehmomentes eine Torsion ein, die z. B. durch die
auf der Hauptwelle angegebene Mantellinie angedeutet ist, so wälzt sich das Rad
P3, P4
auf dem Zwischenrad ZW, bzw. dem Doppelrad DRa zusätzlich ab, wodurch
der die Achse A2 tragende Drehkörper DK um die Hilfswelle geschwenkt wird.
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Es wird also die praktische Ausführung so getroffen werden, daß die
Radien der einzelnen Räder des Meßgetriebes die folgende Beziehung zueinander haben:
Wenn z. B. S2 = q DRa; S1 = 2 ZW, und P3 = DRz ist,.so ergibt
sich aus Gleichung (i), daß ZW, = 2 # P4 zu wählen ist.
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Das Verhältnis zwischen dem Torsionswinkel a der Hauptwelle und dem
Ausschlag ß des Drehkörpers DK
ergibt sich zu
In dem genannten Beispiel wird ß = 4 , d. h. für einen entsprechenden Torsionswinkel
der Hauptwelle ergibt sich ein vierfacher Ausschlagwinkel des Drehkörpers
DK und damit eine sehr gut ablesbare Anzeige.
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Die Ausführung nach den Fig. 3 und q. hat noch den Vorteil, daß es
gleichgültig ist, an welcher Stelle im Raume das Lagergehäuse zum Stillstand kommt.
Bei stillstehendem Lagergehäuse kommt eine richtige Anzeige bei jeder Lage zustande.