DE4208522A1 - Drehmomentsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor mit zwei Anschlußkörpern zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmo­ menten, die mittels mehrerer Meßwertgeber tragender Übertragungselemente miteinander verbunden sind.

Solche Drehmomentsensoren werden an drehenden oder festen Wellen zur Bestimmung von übertragenen Drehmomenten, aber auch in Kalibrieranlagen eingesetzt. Ein gattungsgemäßer Drehmomentsensor ist das sogenannte Speichenrad, welches aus dem "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen", Rohrbach, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, Seite 515 und 516, bekannt ist. Diese Drehmomentsensoren verfügen über eine Innennabe, die mittels mehrerer Speichen mit einem Außenring verbunden ist. Die Speichen tragen Meßwertgeber, welche die Biegebelastung sensieren. Nachteilig bei den bekannten Speichenrädern ist die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Überlastung, die sehr leicht den gesamten Sensor unbrauchbar macht.

Als Drehmomentsensoren mit ausreichender Robustheit haben sich sogenannte Meßwellen bewährt, die eine auf Torsion beanspruchte Meßfeder aufweisen. Nachteilig bei diesen Meßwellen ist jedoch der nicht unbeträchtliche Raumbedarf, insbesondere die große Baulänge, und der konstruktive Aufwand zur Verringerung der Biegemoment- und Querkraft­ einflüsse.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehmomentsensor zu schaffen, dem diese Nachteile nicht anhaften, und der sich durch besondere Kompaktheit auszeichnet, insbesondere kurzbauend ist und darüber hinaus besonders robust gegen eventuelle Überlastungen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Übertragungselemente mit den entsprechend applizierten Meßwertgebern Scherkraftaufnehmer bilden.

Durch die Ausbildung der eigentlichen Meßfeder als Schubelemente wird eine hohe Sicherheit gegen Über­ lastungsschäden gewährleistet, ohne daß dadurch die Meßempfindlichkeit leidet. Dazu sollte die Erstreckung des Übergangselementes zwischen den beiden Anschlußkörpern weniger als den 1,5fachen Wert seiner Erstreckung in Umfangsrichtung betragen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die einen besonders gelungenen Kompromiß in Bezug auf Robustheit und Meßempfindlichkeit darstellt, ist vorgese­ hen, daß das Verhältnis der Erstreckung zwischen den Anschlußkörpern und der Erstreckung in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Dadurch ergibt sich außerdem eine hohe Verdrehsteifigkeit bzw. kleine Verdrehwinkel, so daß sehr hohe Eigenfrequenzen des Meßsystems erreichbar sind.

Eine besonders geringe Baulänge läßt sich erreichen, wenn die Anschlußkörper durch eine Innennabe und einen diese koaxial umgebenden Außenring gebildet werden. Bei dieser Ausführungsform lassen sich die Meßwertgeber an parallel zu den Stirnseiten der Innennabe bzw. des Außenringes verlaufenden Flächen der Übertragungselemente anordnen, wodurch bei hoher Meßempfindlichkeit eine besonders günstige Montagemöglichkeit und Zugänglichkeit der Applikationsstelle erreicht wird.

Eine in Bezug auf die Meßempfindlichkeit besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Meßwertgeber als Dehnungsaufnehmer ausgeführt sind, die in einem Winkel von 45° +/- 10° zur Längsachse des Übertra­ gungselementes angeordnet sind.

Eine besonders robuste Ausführung eines solchen Sensors, der darüber hinaus sehr günstige geschützte Applikations­ möglichkeiten für die Meßwertgeber bietet, erhält man, wenn die Übertragungselemente als Stege mit I-Profil ausgebildet sind. Aufgrund der guten Applikationsmöglich­ keiten und der hohen Meßsicherheit ist es von Vorteil, wenn die Meßwertgeber als Dehnungsmeßstreifen ausgeführt sind. Ideale Meßwertgeber zur Bestimmung von Scherkräften sind Dehnungsmeßstreifen-Rosetten mit zwei Meßgittern und einem 45°-Gitterwinkel. Ein besonders hohes Ausgangssignal erhält man, wenn alle Meßgitter zu einer Meßbrücke, insbesondere zu einer Diagonal-Meßbrücke, verschaltet sind.

Um zusätzlich zum Drehmoment auch Axialkraftkomponenten messen zu können, ist es von Vorteil, wenn weitere Meßwertgeber an den Übertragungselementen angeordnet sind. Durch vollständige Applikation der Schubelemente läßt sich ein hochgenauer Drehmomentsensor aufbauen, der z. B. als Kalibrier-Transferaufnehmer einsetzbar ist.

Weitere vorteilhafte Merkmale sowie Aufbau und Funktion der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschrei­ bung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Hierzu zeigt

Fig. 1 die stirnseitige Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A/A der Fig. 1 und

Fig. 3 einen Viertelschnitt in perspektivischer Darstellung.

Der scheibenförmige Drehmomentsensor besitzt einen Außenring 1 und eine konzentrisch verlaufende Innennabe 2, die durch vier radial verlaufende Stege 3 miteinander verbunden sind. Der Außenring 1 und die Innennabe 2 sind durch vier zwischen den Stegen 3 liegende Ausnehmungen 4, welche jeweils die Form eines Kreisringstückes mit abgerundeten Endbereichen aufweisen, voneinander getrennt.

Sowohl der Außenring 1 als auch die Innennabe 2 weisen mehrere am Umfang verteilte Durchgangsbohrungen auf, durch welche sie mit entsprechenden Wellenflanschen zwecks Drehmomentübertragung verschraubbar sind.

Um eine besonders hohe Stabilität, insbesondere Biegestei­ figkeit, zu erreichen, sind die Stege 3 als I-Profile mit zwischen zwei Flanschbereichen 5 herausgefrästem Stegab­ schnitt 6 ausgebildet, wobei die Stegabschnitte parallel zur Stirnseite von Innennabe 2 und Außenring 1 verlaufen. Zur Gewährleistung einer besonderen Stabilität und Biegefestigkeit der Stege 3 ist auch vorgesehen, daß die Länge der Stege 3, das heißt die Erstreckung in radialer Richtung, und die Breite, das heißt die Erstreckung in Umfangsrichtung, etwa gleich groß ist.

Auf jedem Stegabschnitt 6 eines Steges 3 ist beidseitig je ein Dehnungsmeßstreifen mit zwei Meßgittern appliziert, wobei der Gitterwinkel 45° zur Steglängsachse beträgt. Dadurch läßt sich mit hoher Empfindlichkeit die Scher­ belastung ermitteln, welche unter Beaufschlagung des Drehmomentsensors durch ein Drehmoment auftritt. Zur Erzielung eines hohen Ausgangssignals werden die Meßgitter eines Dehnungsmeßstreifens (die Dehnungsmeßstreifen sind in Fig. 1 schematisch angedeutet) zu einer Diagonalbrücke verschaltet.

Das am Sensor angreifende Drehmoment kann, da der Teilkreis (Stegmitte) bekannt ist, auf einfache Weise aus den in Umfangsrichtung wirkenden Scherbelastungen der vier Stege 3 ermittelt werden.

Claims (11)

1. Drehmomentsensor mit zwei Anschlußkörpern zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten, die mittels mehrerer, Meßwertgeber tragender, Übertragungselemente miteinan­ der verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente (3) mit den entsprechend applizierten Meßwertgebern Scherkraftaufnehmer bilden.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Erstreckung eines Übertragungselementes (3) zwischen den beiden Anschlußkörpern (1, 2) weniger als den 1,5fachen Wert seiner Erstreckung in Umfangsrichtung beträgt.

3. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Erstreckung zwischen den Anschlußkörpern (1, 2) und der Erstreckung in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegt.

4. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschluß­ körper durch eine Innennabe (2) und einen diese koaxial umgebenden Außenring (1) gebildet werden.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßwertgeber an parallel zu den Stirn­ seiten der Innennabe (2) bzw. des Außenringes (1) verlaufenden Flächen (6) angeordnet sind.

6. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertge­ ber Dehnungsaufnehmer sind, welche in einem Winkel von 45° +/- 10° zur Längsachse des Übertragungselementes angeordnet sind.

7. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra­ gungselemente als Stege (3) mit I-Profil ausgebildet sind.

8. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertge­ ber Dehnungsmeßstreifen sind.

9. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertge­ ber Dehnungsmeßstreifen-Rosetten mit zwei Meßgittern und einem 45°-Gitterwinkel sind.

10. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßgitter zu einer Diagonal- Meßbrücke verschaltet sind.

11. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra­ gungselemente (3) weitere Meßwertgeber zur Ermittlung von Axialkraftkomponenten tragen.