Einrichtung zum elektrischen Messen der mechanischen Belastung einer rotierenden Welle
Um die Änderung einer physikalischen Grösse zu messen und als äquivalenten elektrischen Wert darzustellen, werden üblicherweise die Änderungen der zu messenden physikalischen Grösse, z. B. Drehmoment, Schubkraft, Gewicht, Druck, Dehnung, Vibrationsschwingung, Differentialdruck, Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung etc., in eine äquivalente Län genänderung umgesetzt, und die Längenänderung wird zu einer Induktionsänderung in einem elektrischen Wandler, z. B. einem Luftspaltmodulator, benutzt, wobei der Luftspaltmodulator eine dem Messwert äquivalente elektrische Spannung abgibt, die mittels eines Messinstrumentes angezeigt wird.
Es bestehen Schwierigkeiten, wenn solche Messungen an rotierenden Wellen erfolgen sollen. Die Bauformen der bekannten Messeinrichtungen sind unterschiedlich. Für Drehmomentmessung ist die Welle oft aufgetrennt, und es ist ein Torsionsstab von definierter Länge und von definiertem Querschnitt in die Trennstelle der Welle eingesetzt, dessen Verwindung gemessen wird. Anstelle eines eingesetzten Torsionsstabes kann die Welle auf eine definierte Länge einen kleineren Querschnitt aufweisen. Solche Torsionsstrecken in einer Welle stellen eine Schwächung dar, die insofern gewollt ist, als dadurch eine grössere Verwindung und eine grössere Messgenauigkeit erhalten wird. Eine solche Querschnittsverminderung an einer Welle kann aber teils unerwünscht, teils nicht durchführbar sein, wenn z. B.
Sicherheitsgründe dagegenstehen, oder wenn das Wellenmaterial bis nahe an die Fliessgrenze belastet ist. Dies kann in der Luftfahrtindustrie der Fall sein, wo zur Gewichtsverminderung die Wellen als dünnwandige Rohre ausgebildet werden, deren Dünnwandigkeit ausserdem die Eigenschwingungszahl so hoch hin aufs etzt, dass die Nenndrehzahl weit unterhalb der kritischen Drehzahl liegt.
Wenn in eine drehbelastete Welle eine Mess Strecke eingefügt wird, so entsteht an den Trennquerschnitten bei Drehrichtungswechsel Hysteresis.
Bei eingesetzten Torsionsstäben mit bezüglich der Welle hinreichend kleinerem Querschnitt kann diese Hysteresis dadurch ausgeschaltet werden, dass der Torsionsstab zwei, die Mess-Strecke begrenzende Flansche aufweist, mittels welchen er an der Welle befestigt ist, wobei diese Flansche die Messeinrichtung tragen. Bei dünnwandigen Hohlwellen oder bei massiven Wellen, bei denen in der Mess-Strecke der Wellenquerschnitt nicht vermindert sein darf, ist das Einsetzen eines solchen Torsionsstabes nicht möglich. Um die Messeinrichtung befestigen und auf der Welle eine Mess-Strecke begrenzen zu können, muss entweder eine Mess-Strecke von unvermindertem Querschnitt in die Welle eingesetzt werden, oder es muss durch auf die Welle aufgesetzte Flanschen eine Mess-Strecke begrenzt werden.
In beiden Fällen gelang es bis heute nicht, die mit der mechanischen Befestigung verbundene Hysteresis aus der Mess Strecke auszuschalten. Dies ist sehr nachteilig und kann eine Messung überhaupt unmöglich machen, dann nämlich, wenn bei massiven Wellen infolge einer kurzen Mess-Strecke die Verdrehung der Welle sehr klein ausfällt, und die Hysteresis die gleiche Grössenordnung wie die Messgrösse erreichen kann.
Die Erfindung hat eine Einrichtung zum Ziel, bei welcher die genannten Schwierigkeiten vermieden sind. Sie betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Messen der mechanischen Belastung einer rotierenden Welle mittels eines mit der Welle umlaufenden Luftspakmodulators und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle im Abstand der zu messenden Querschnitte zwei Ringflansche aufweist, die mit der Welle eine Einheit bilden, und der Stator des Luftspaltmodulators am einen Ringflansch und die in der Mitte des Luftspaltes liegende Modulatorzunge am anderen Ringflansch befestigt ist, so dass bei Belastung der Welle die Modulatorzunge aus der Luftspaltmitte verschoben wird.
Die Welle kann mit den Ringflanschen aus einem vollen Zylinder gedreht sein. Die Einheit von der Welle und Ringflanschen kann auch Idadurch erhalten werden, dass die Ringflansche auf die Welle aufgezogen und mit dieser verschweisst sind.
Zweckmässigerweise kann auf jedem Ringflansch eine Hülse sitzen und beide Hülsen können gegeneinander gerichtet sein, und am freien Ende kann die eine Hülse den Modulatorstator und die andere Hülse die Modulatorzunge tragen und jede Hülse kann zudem einen Drehübertrager-Rotor tragen. Mit besonderem Vorteil kann die Modulatorzunge mittels einer Mikrometerschraube verschiebbar an der Hülse befestigt sein, wobei die Lage anhand eines Messtasters kontrollierbar ist.
Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 einen Axialschnitt durch die Einrichtung an einer Hohlwelle,
Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1,
Fig. 3 einen Grundriss zu Fig. 2, teilweise geschnitten nach der Linie A-A.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Hinweiszeichen versehen.
Die Einrichtung zum elektrischen Messen des Drehmomentes befindet sich an einer, mit Bezug auf ihren Durchmesser dünnwandigen Hohlwelle 11. Die Verwendung derartiger Hohlwellen ist in der Flug- zeugindustrie gebräuchlich. Diese Hohlwelle hat zwei Ringflansche mit je einem zylindrischen Ring 12 bzw. 14 von grösserem Durchmesser als das Rohr, der durch einen radial stehenden Steg 13 bzw. 15 mit der Hohlwelle 11 verbunden ist. Diese beiden Ringflansche bilden mit der Hohlwelle eine Einheit aus homogenem Material. Die Hohlwelle kann so hergestellt werden, dass man sie spanabhebend aus einem vollen Zylinder dreht, oder auch, indem das Rohr 11, die beiden Stege 13, 15 und die beiden Ringe 12, 14 aus gleichem Material hergestellt und dann miteinander verschweisst werden.
Der lichte Abstand zwischen den beiden Stegen 13, 15 ist die für die Drehmomentmessung zu berücksichtigende Torsionslänge.
Auf dem zylindrischen Ring 12 des linken Ringflansches sitzt fest eine Hülse 16 und auf dem zylindrischen Ring 14 des rechten Ringflansches sitzt fest eine Hülse 17. Die beiden Hülsen 16, 17 sind gegeneinander gerichtet. An der Hülse 16 ist ein Träger 18 mittels Schrauben 19 befestigt, welcher die festen Teile des Luftspaltmodulators 20 trägt. An der Hülse 17 ist ein Träger 21 mittels Schrauben 22 befestigt, welcher den beweglichen Teil des Luftspaltmodulators trägt. Auf den beiden Hülsen 16, 17 sitzen je der rotierende Teil eines Drehlübertragers, bestehend aus einem Ferritring 23, in dessen Nut eine Wicklung 24 liegt. Dem rotierenden Teil liegt je ein feststehender Teil mit einem Ferritring 25 gegenüber, in dessen Nut eine Wicklung 26 liegt.
Die beiden festen Ferritringe 25 sitzen in einer zylindrischen Hülse 27, die fest am Gehäuse 28 sitzt. Auf jedem der beiden Ringflansche 12, 14 sitzt ein Haltering 29, welcher den Ferritring 23 hält. Neben diesem Haltering sitzt der innere Lagerring eines Kugellagers 30. Im Gehäuse 28 sitzt zu beiden Seiten der Hülse 27 je eine Dichtungsscheibe 31, welche das Eindringen von Fett in den Messraum verhindert. Diese Dichtungsscheibe ist von einer Hülse 32 gehalten, in welcher der äussere Lagerring des Kugellagers sitzt. Das Gehäuse 28 ist zu beiden Seiten durch einen Deckel 33 verschlossen, dessen innerer Rand bis nahe an den Ringflansch 12 bzw. 14 reicht und das Eindringen von Staub verhindert. In jedem Deckel 33 ist ein unter dem Druck von Federn 34 stehender Druckring 35 eingelegt, der gegen den äusseren Kugellagerring drückt und das Kugellagerspiel frei hält.
Am Gehäuse sitzt ferner ein Steckeranschluss für die elektrischen Zuleitungen.
Aus den Fig. 2 und 3 ist der Luftspaltmodulator und seine Befestigung deutlich sichtbar. Der Träger 18 hat zwei parallele, scheibenförmige Fortsätze 40, an die auf der Innenseite je eine Büchse 41 angenietet ist. In jeder Büchse 41 sitzt ein Modulatorkern 42, der aus Ferrit besteht, in welchen zwei ringförmige Wicklungen 43, 43' eingebettet sind. Der Ferritkern 42 sitzt in einer, in die Büchse 41 passenden Büchse 44 und ist auf der Aussenseite von einem Kunstharzmantel 45 umgeben. Im Ferritkern ist eine Gewindebüchse 46 eingelassen, in welche eine von aussen durch den Trägerfortsatz 40 geführte Befestigungsschraube 47 eingeschraubt ist.
Zwischen den beiden Modulatorkernen 42, die zusammen mit dem Träger 18 einen Stator bilden, befindet sich die Modulatorzunge 50, die in der Mittelebene gespalten ist. Das verdickte Hinterteil 51 der Zunge ist prismatisch ausgebildet und geschliffen und sitzt in einer Ausnehmung 52 des Zungenträgers, in welchen es seitlich verstellbar geführt ist. Zum seitli chen Verstellen ! der Zunge 50 sitzt das Zungenhinter- teil 51 auf einer, im Zungenträger 21 gelagerten Schraubenspindel 53, die auf der einen Seite einen Stellring 54 und auf der anderen Seite ein Schnekkenrad 55 trägt, das mit einer Schnecke 56 kämmt, deren Schaft 57 durch den Steg 15 des Ringflansches hindurchgeführt ist und somit von aussen verstellt werden kann. Die Zunge 50 kann mittels der Schraube 58 in der eingestellten Lage festgeklemmt werden.
Im Zungenträger 21 ist ferner ein Gewindeloch 59 in Querrichtung vorgesehen zum Einsetzen eines Messtasters, dessen Taststift an der Zunge anliegt, um die Zunge zu Eichzwecken verstellen zu können.
Wenn die Welle 11, die mit grosser Geschwindigkeit dreht, belastet wird und somit ein Drehmoment überträgt, verdrehen sich die beiden Ringflanschen 12, 14 gegeneinander, wobei der Verdrehungswinkel dem Drehmoment proportional ist. Infolge dieser Verdrehung verschiebt sich die Modulatorzunge 50 aus der Mitte des Luftspaltes zwischen ! den beiden Ferritkernen 42 des Luftspaltmodulators und ändert dadurch die Induktivität in den Wicklungen 43, 43'.
In an sich bekannter Weise sind die Wicklungen 43 beider Kerne unter sich parallel und die Wicklungen 43t beider Kerne unter sich in Reihe und gegeneinander geschaltet. Den Wicklungen 43 wird über den einen Drehübertrager eine primäre Wechselspannung zugeführt, die in den Wicklungen 431 eine Sekundärspannung induziert, die in der Mittellage der Zunge Null ist und bei Abweichung ansteigt und die über den anderen Drehübertrager abgenommen wird und als Messwertspannung in einer elektrischen Anzeigeeinrichtung ausgewertet werden kann.
Da die Zungenverschiebung im Luftspalt direkt mit der Winkelverdrehsunglder Ringflansche übereinstimmt und ohne Übersetzung erfolgt, sind die Luftspaltänderungen sehr klein, d. h. in der Grössenordnung von Tausendstel Millimeter. Die gezeigte Einrichtung kann hinreichend genau eingestellt werden und infolge der Massnahme, dass die Ringflansche mit der Welle eine Einheit aus homogenem Material bilden, erfolgen Drehrichtungswechsel ohne Hysteresis. Dies ist wesentlich, da bei bisher bekannten Einrichtungen mit an der Welle befestigten Flanschen oder Trägern eine Hysteresis von einigen Tausendstel Millimetern nicht zu vermeiden war, die hier das Messresultat vollständig fälschen würde.
Im gezeigten Beispiel ist der Luftspaltmodulator so eingebaut, dass der Luftspalt parallel zur Wellenachse liegt. Wenn der Luftspaltmodulator mit anderen Haltern so eingebaut wird, dass der Luftspalt quer zur Wellenachse liegt, kann die Einrichtung zur Dehnungsmessung benutzt werden.