AT527834B1 - Vorrichtung zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts (1), mit einer Magnetkupplung (2), deren eine Kupplungshälfte (3a) einen Anschluss (4) für eine Drehantriebsverbindung mit einem Prüfobjekt (1) aufweist und deren andere Kupplungshälfte (3b) mit einer Drehmomentreferenz (5) verbunden ist, wobei eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes zwischen den Kupplungshälften (3a,3b) vorgesehen ist, beschrieben. Um genaue und anpassbare Messbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass zur Einstellung der Messgenauigkeit und/oder des Messbereichs die Kupplungshälften (3a,3b) in Richtung der Drehachse (10) in unterschiedlichen Abständen (9) zueinander festlegbar sind.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts mit einer Magnetkupplung, deren eine Kupplungshälfte einen Anschluss für eine Drehantriebsverbindung mit einem Prüfobjekt aufweist und deren andere Kupplungshälfte mit einer Drehmomentreferenz verbunden ist, wobei eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes zwischen den Kupplungshälften vorgesehen ist.

[0002] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Magnetkupplung zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts einzusetzen (CN109540360A, US20150377723A1). Das Prüfobjekt wird dabei an eine Kupplungshälfte der Magnetkupplung angeschlossen, während die andere Kupplungshälfte mit einer Drehmomentreferenz, die beispielsweise eine Rotation dieser Kupplungshälfte verhindert, verbunden ist. Die koaxial verlaufenden Kupplungshälften sind im lastfreien Zustand entsprechend deren magnetischer Polung zueinander ausgerichtet. Übt nun das Prüfobjekt ein Drehmoment auf die daran angeschlossene Kupplungshälfte aus, so stellt sich ein Drehwinkelversatz zwischen den Kupplungshälften ein. Durch Erfassen des Drehwinkelversatzes zwischen den Kupplungshälften kann durch entsprechende vorangegangene Kalibrierung der Vorrichtung auf das Drehmoment des Prüfobjekts geschlossen werden. Grundsätzlich steigt der Drehwinkelversatz mit steigendem Drehmoment. Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist allerdings, dass für unterschiedliche Prüflasten unterschiedlich stark ausgebildete Magnetkupplungen eingesetzt werden müssen, anderenfalls die verlangten Messgenauigkeiten nicht erfüllt werden. Ist das Magnetfeld zwischen den Kupplungshälften zu stark für die Prüflast, so ergibt sich aufgrund des geringen Drehwinkelversatzes eine nur unzureichende Messauflösung, ist das Magnetfeld hingegen zu schwach, so drehen die Kupplungshälften durch, wodurch eine Drehmomentmessung gänzlich verhindert wird.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts der eingangs geschilderten Art vorzuschlagen, welche eine genaue Messung des Drehmoments von Prüfobjekten mit stark voneinander variierenden Prüflasten erlaubt.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass zur Einstellung der Messgenauigkeit und/oder des Messbereichs die Kupplungshälften in Richtung der Drehachse in unterschiedlichen Abständen zueinander festlegbar sind. Zufolge der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die Magnetkraft zwischen den Kupplungshälften auf einfache Art und Weise variiert und auch während der Prüfung auf die Prüflast des Prüfobjekts eingestellt werden. Die Festlegung unterschiedlicher Abstände ermöglicht somit eine Einstellung des Messbereichs, wobei als Messbereich ein Intervall zwischen zwei Drehmomentschwellwerten angesehen werden kann, in dem eine Drehmomentmessung innerhalb einer vorgegebenen Messgenauigkeit erfolgen kann. Wird beispielsweise festgestellt, dass bei gegebenen Abstand zwischen den Kupplungshälften die Prüflast des Prüfobjekts einen nicht wahrnehmbaren oder nur geringen Drehwinkelversatz zwischen den Kupplungshälften erzeugt, kann der Abstand zwischen den Kupplungshälften in Axialrichtung vergrößert werde, wodurch die Stärke des Magnetfelds abnimmt, sodass sich der Drehwinkelversatz bei gleichbleibendem Drehmoment vergrößert. Der mit einer ausreichenden Genauigkeit erfassbare Messbereich wird somit in Richtung geringerer Prüflasten verschoben. Wird umgekehrt eine ein Überspringen, d.h. das maximal übertragbare Drehmoment wird überschritten und die Kupplungshälften geraten außer Tritt, der Kupplungshälften verursachende Prüflast festgestellt, so kann durch Verringerung des Abstands zwischen den Kupplungshälften die Stärke der der Verdrehung entgegenwirkenden Magnetkraft erhöht werden. Der Messbereich wird somit in Richtung größerer Prüflasten verschoben. Voraussetzung für eine exakte Drehmomentmessung über verschiedene Messbereiche ist ein bekannter Zusammenhang zwischen dem Drehwinkelversatz zwischen den Kupplungshälften einerseits und dem daraus resultierenden Drehmoment bei vorgegeben Abstand zwischen den Kupplungshälften andererseits. Dieser Zusammenhang kann auf einfache Weise durch eine Kalibrierung der Vorrichtung mit Hilfe bekannter Prüflasten erfolgen, wobei der von der jeweiligen bekannten Prüflast erzeugte Drehwinkelversatz bei unterschiedlichen Abständen der Kupplungshälften festgestellt wird und daraus eine Kalibrierkurve erzeugt wird. Diese Kalibrierung kann mit unterschiedlichen bekannten Prüflasten erfol-

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gen, wodurch eine Schar an Kalibrierkurven erhalten werden kann, anhand deren der Zusammenhang zwischen Drehmoment, Winkelversatz und Abstand der Kupplungshälften bestimmt werden kann.

[0005] Während eine der Kupplungshälften an das Prüfobjekt zur Drehmomenübertragung angeschlossen ist, ist die andere Kupplungshälften mit einer Drehmomentreferenz verbunden. Diese Drehmomentreferenz kann bei statischen Prüfbedingungen ein Lager sein, das eine Rotation der an die Drehmomentreferenz angeschlossenen Kupplungshälfte verhindert. Bei dynamischen Prüfbedingungen kann die Drehmomentreferenz jedoch ebenfalls die Kupplungshälfte mit einem bekannten Referenzdrehmoment beaufschlagen. Bevorzugt können die Kupplungshälften als gegensinnig gepolte flanschförmige Gleichteile ausgebildet sein. Auf diese Weise wird bei geeigneter Anordnung der einzelnen Magnetpole ein gleichmäßiges magnetisches Feld erreicht. Die Polpaarzahl bestimmt den maximalen Verdrehwinkel bis es zu einem Überspringen kommt und beeinflusst somit den Messbereich und die Genauigkeit. Je weniger Polpaare vorgesehen sind, desto größer ist der mögliche Verdreh-/Messwinkel, was zu einer höheren Messgenauigkeit führt. Vorzugsweise liegt die Polpaarzahl bei weniger als 5, insbesondere weniger als 4. Die Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes kann im einfachsten Fall eine an den Kupplungshälften angeordnete Skala sein, die den Winkelversatz visualisiert bzw. beziffert. Vor allem für die Weiterverarbeitung der erfassten Winkelversatzinformationen günstige Bedingungen ergeben sich allerdings, wenn die Messeinrichtung ein Winkelsensor ist, der beispielsweise an einer mit der verdrehbaren Kupplungshälfte verbundenen Welle angeordnet ist. Die Bestimmung des Abstands der Kupplungshälften in Richtung der Drehachse kann ebenfalls über eine Skala erfolgen, wobei sich auch hier vorteilhafte Verarbeitungsbedingungen ergeben, wenn ein Abstandssensor eingesetzt wird.

[0006] Um eine schnelle Bestimmung des Drehmoments über unterschiedliche Messbereiche zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass eine Recheneinheit mit der Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes und mit einem Sensor zur Bestimmung des Abstands der Kupplungshälften in Richtung der Drehachse signalverbunden ist. Auf der Recheneinheit kann die Schar der Kalibrierkurven und/oder der mathematische Zusammenhang zwischen Drehmoment, Winkelversatz und Abstand der Kupplungshälften hinterlegt sein, sodass mithilfe der von der Messeinrichtung, insbesondere von einem Winkelsensor, und von dem Sensor zur Bestimmung des Abstands der Kupplungshälften erhaltenen Informationen auf das Drehmoment geschlossen werden kann. Vorzugsweise liest die Recheneinheit nicht nur Informationen aus, sondern kann auch Steuergrößen vorgeben. Als Steuergröße kann ein Drehmoment für die dehmomentreferenzseitige Kupplungshälfte oder der Abstand zwischen den Kupplungshälften vorgegeben werden.

[0007] Grundsätzlich kann der Abstand zwischen den Kupplungshälften entlang diskreter Abstandsstufen festgelegt werden, was einen geringeren Rechenaufwand bedingt. Besonders feine Abstufungen und damit eine besonders hohe Messgenauigkeit ergibt sich jedoch, wenn der Abstand stufenlos festlegbar ist. Dies kann auch dadurch erfolgen, dass zur Einstellung des Abstandes zwischen den Kupplungshälften eine Kupplungshälfte auf einem Linearschlitten gelagert ist. Im Sinne eines einfachen Anschlusses des Prüfobjektes empfiehlt es sich, dass die dzehmomentreferenzseitige Kupplungshälfte auf dem Linearschlitten gelagert ist. Vorteilhafterweise kann über die Lage des Linearschlittens auf den Abstand der Kupplungshälften in Richtung deren Drehachse geschlossen werden, sodass der Sensor zur Bestimmung des Abstandes im Linearschlitten integriert sein kann. Die Recheneinheit kann die Lage des Linearschlittens vorgeben.

[0008] Vorzugsweise sind beide Kupplungshälften je über eine Welle auf einem Drehlager gelagert. Besonders bei kleinen Prüflasten kann die Reibung der Drehlager das Messergebnis wesentlich verfälschen, was die Messgenauigkeit im Messbereich kleiner Drehmomente verschlechtert. Um daher auch eine ausreichende Messgenauigkeit in diesen Messbereichen kleiner Drehmomente zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die anschlussseitige Kupplungshälfte drehfest mit einer Welle verbunden ist, welche drehbar in einem radialen Magnetlager gelagert ist. Auf diese Weise wird die lagerungsbedingte Reibung deutlich reduziert, sodass diese auch bei besonders kleinen Drehmomenten vernachlässigt werden kann. Als radiale Magnetlager können permanente oder aktive radiale Magnetlager eingesetzt werden. Zwischen dem radialen Magnet-

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lager und der anschlussseitigen Kupplungshälfte kann eine magnetische Abschirmung, beispielsweise in Form ferromagnetischer Blechteile vorgesehen sein, um eine gegenseitige Beeinflussung der Magnetkupplung und der Magnetlager zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen dem Magnetlager und der anschlussseitigen Kupplungshälfte größer als der Abstand zwischen den Kupplungshälften zueinander sein.

[0009] Um einerseits eine zugkraftbedingte Überlastung der Drehmomentreferenz in Richtung der Drehachse zu verhindern und andererseits die Laufstabilität der Welle der anschlussseitigen Kupplungshälfte weiter zu verbessern, kann zwischen den Kupplungshälften ein Axialanschlag angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein Mindestabstand zwischen den Kupplungshälften vorgegeben werden, sodass eine ruckartige Erhöhung der Stärke des Magnetfelds durch einen zu geringen Abstand zwischen den Kupplungshälften und somit ein ruckartiger Zugkrafteintrag auf die Drehmomentreferenz in Richtung der Kupplungshälften verhindert werden kann. Darüber hinaus kann der Axialanschlag vom Magnetlager hervorgerufene und die Laufstabilität begünstigende Axialkräfte abstützen. Um dabei das Abstützen zur Erhöhung der Laufruhe besonders reibungsarm auszugestalten, kann zwischen der anschlussseitigen Kupplungshälfte und dem Axialanschlag ein gegen den Axialanschlag angestelltes Spitzenlagervorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Anschlag nicht magnetisch. Beispielsweise kann der Anschlag eine zwischen den kupplungshälften angeordnete Glasplatte sein.

[0010] Damit die Vorrichtung als transportabler Prüfstand ausgeführt sein kann, wird vorgeschlagen, dass die Magnetkupplung, die Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes und ein Lagerkörper zum Festlegen des Prüfobjekts auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Je nach Ausführungsform können auch der Linearschlitten und/oder der Axialanschlag und/oder der Winkelsensor und oder die Lager für die Kupplungshälften am Träger angeordnet sein. Um die Komponenten auf einfache Weise miteinander ausrichten zu können, kann der Träger ein Trägerprofil sein, in dessen Profilführung die Komponenten festgelegt werden können.

[0011] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es wird eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt.

[0012] Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts 1 eingesetzt und weist eine Magnetkupplung 2 mit zwei Kupplungshälften 3a,3b auf. Eine Kupplungshälfte 3a ist mit einem Anschluss 4 zum Drehantriebsverbinden mit dem Prüfobjekt 1 drehantriebsverbunden. Die andere Kupplungshälfte 3b ist mit einer Drehmomentreferenz 5, beispielsweise eine Antriebsmaschine verbunden. Die Drehmomentreferenz 5 kann die Kupplungshälfte 3b mit einer Rotation beaufschlagen oder aber eine Rotation dieser blockieren. Beide Kupplungshälften 3a,3b können mit Wellen 6 drehantriebsverbunden sein. Die Welle 6 der drehmomentreferenzseitigen Kupplungshälfte 3b kann über eine Abtriebskupplung 7 mit der Drehmomentreferenz 5 verbunden sein. Im lastfreien Zustand sind die kollinear zueinander ausgerichteten Kupplungshälften 3a,3b verdrehfrei zueinander ausgerichtet. Wird beispielsweise über das Prüfobjekt 1 eine Prüflast auf die Kupplungshälfte 3a ausgeübt, so wird diese aus ihrer Ruhelage um ihre Drehachse verdreht. Durch den so erzeugten Drehwinkelversatz kann auf das Drehmoment der Prüflast geschlossen werden. Der Drehwinkelversatz wird durch eine Messeinrichtung, beispielsweise Winkelsensoren 8, erfasst. Die Winkelsensoren 8 können an der mit der jeweiligen Kupplungshälfte 3a,3b verbundenen Welle 6 vorgesehen sein. Erfindungsgemäß kann der Abstand 9 in Richtung der Drehachse 10 zwischen den Kupplungshälften 3a,3b eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Stärke des der Verdrehung entgegenwirkenden Magnetfelds zwischen den Kupplungshälften 3a,3b angepasst werden. Ein geringerer Abstand bedeutet eine höhere Stärke des Magnetfelds, sodass ein größeres Drehmoment für einen bestimmten Drehwinkelversatz ausgeübt werden muss. Ein größerer Abstand bedeutet eine geringere Stärke des Magnetfelds, sodass ein geringeres Drehmoment für einen bestimmten Drehwinkelversatz ausgeübt werden muss. Durch Variation des Abstands kann somit der Messbereich und die Messgenauigkeit eingestellt werden, da bei einer geringeren Stärke des Magnetfelds bereits kleine Drehmomentunterschiede einen größeren Drehwinkelversatz bedingen und somit eine höhere Messauflösung.

[0013] Zur Bestimmung des Abstandes 9 kann ein in einer Antriebseinheit 11 eines Linearschlit-

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tens 12 integrierter Sensor eingesetzt werden. Eine Recheneinheit 13 kann mit dem Sensor bzw. mit der Antriebseinheit 11 und mit den Winkelsensoren 8 signalverbunden sein, sodass die erfassten Informationen zur Drehmomentbestimmung verarbeitet werden können. Die Recheneinheit 13 kann auch die Antriebseinheit 11 des Linearschlittens 12 zur Festlegung unterschiedlicher Abstände 9 zwischen der Kupplungshälften 3a,3b ansteuern.

[0014] Um den Reibungseinfluss zu minimieren, kann die Welle 6 der anschlussseitigen Kupplungshälfte 3a auf einem permanenten radialen Magnetlager 14 und einem axialen Spitzen-Pfannen-Lager 15 gelagert sein. Die Lagerung der Welle 6 der drehmomentreferenzseitigen Kupplungshälfte 3b kann auf einem Wälzlager 16 erfolgen, weil die verursachte Reibung gegebenenfalls bei entsprechender Kalibrierung keinen Einfluss auf die Drehmomentmessung hat.

[0015] Zur Vorgabe eines Mindestabstands zwischen den Kupplungshälften 3a,3b und zum Überlastungsschutz der Drehmomentreferenz 5 kann zwischen den Kupplungshälften ein Axialanschlag 17 angeordnet sein. Darüber hinaus kann der Axialanschlag 17 zur Aufnahme der Axialkraft des anschlussseitigen Magnetlagers 14 dienen, was auf besonders reibungsarme Art und Weise durch den Einsatz eines gegen den Axialanschlag 17 angestellten Spitzlagers 15 erfolgen kann. Im Falle eines Einsatzes eines aktiven Magnetlagers kann auf eine solche Abstützung verzichtet werden, da hierbei ein regelbarer, axialer Elektromagnet die Axialkräfte aufnehmen kann.

[0016] Ein Lagerkörper 18 zum Befestigen des Prüfobjekts 1, die Winkelsensoren 8, die Lager 14,15,16, die Magnetkupplung 2, der Linearschlitten 12 samt Sensor zur Bestimmung des Abstands 9 und Antriebseinheit 11, sowie der Axialanschlag 17 können auf einem gemeinsamen Träger 19 angeordnet sein. Der Träger 19 kann eine Basisplatte oder ein Trägerprofil sein, in dessen Profilführung 20 die Komponenten festgelegt werden können.

Claims (7)

x bes AT 527 834 B1 2025-07-15 Ss N Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Drehmomentmessung eines Prüfobjekts (1) mit einer Magnetkupplung (2), deren eine Kupplungshälfte (3a) einen Anschluss (4) für eine Drehantriebsverbindung mit einem Prüfobjekt (1) aufweist und deren andere Kupplungshälfte (3b) mit einer Drehmomentreferenz (5) verbunden ist, wobei eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes zwischen den Kupplungshälften (3a,3b) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Messgenauigkeit und/oder des Messbereichs die Kupplungshälften (3a,3b) in Richtung der Drehachse (10) in unterschiedlichen Abständen (9) zueinander festlegbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (13) mit der Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes und mit einem Sensor (11) zur Bestimmung des Abstands (9) der Kupplungshälften (3a,3b) in Richtung der Drehachse (10) signalverbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Abstandes (9) zwischen den Kupplungshälften (3a,3b) eine Kupplungshälfte (3a,3b) auf einem Linearschlitten (12) gelagert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anschlussseitige Kupplungshälfte (3a) drehfest mit einer Welle (6) verbunden ist, welche drehbar in einem radialen Magnetlager (14) gelagert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kupplungshälften (3a,3b) ein Axialanschlag (17) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der anschlussseitigen Kupplungshälfte (3a) und dem Axialanschlag (17) ein gegen den Axialanschlag (17) angestelltes Spitzenlager (15) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkupplung (2), die Messeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkelversatzes und ein Lagerkörper (18) zum Festlegen des Prüfobjekts (1) auf einem gemeinsamen Träger (19) angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen