DE10059917A1 - Measurement hub sleeve to monitor the loading on machine shafts, and the like, is in two half-shells with flanges and fitted with the data transmission unit, to be fitted rapidly and easily to the shaft without force flow interruption - Google Patents

Measurement hub sleeve to monitor the loading on machine shafts, and the like, is in two half-shells with flanges and fitted with the data transmission unit, to be fitted rapidly and easily to the shaft without force flow interruption

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DE10059917A1 DE2000159917 DE10059917A DE10059917A1 DE 10059917 A1 DE10059917 A1 DE 10059917A1 DE 2000159917 DE2000159917 DE 2000159917 DE 10059917 A DE10059917 A DE 10059917A DE 10059917 A1 DE10059917 A1 DE 10059917A1
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Abstract

The hub (1), to measure the loading on shafts (4) and the like, is a sleeve composed of two half-shells (1a,1b;2a,2b) locked together in a release fitting to lock at the measured machine component. The hub carries monitors (7a-7c) to register torque and bending strains, for their values to be transmitted to an external evaluation unit The measurement sleeve and flanges (2a,2b) are divided centrally. The flanges are attached to the measurement sleeve by release mountings. The measurement sleeve has at least one slip ring to transfer the measurement data, or it has fittings (9,11,12) for telemetric data transmission. The measurement sleeve has slits bisecting the circumference at a zone near one of the flanges. The measurement sleeve has expansion measurement strips (7a-7c) to react to different conditions at the measurement point.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messnabe zur Messung von Belastungen an Maschinen­ elementen wie Wellen oder Achsen.The invention relates to a measuring hub for measuring loads on machines elements such as shafts or axes.

Unter Belastung werden Achsen und Wellen elastisch verformt. Auf ihrer Oberfläche erfolgen Dehnungen und Stauchungen. Dieser Effekt wird bekanntermaßen zur Mes­ sung von Biege- und Drehmomenten im Bauteil genutzt, indem mehrere Dehnmess­ streifen (DMS) nach einem bekannten Schema (Wheatstonsche Brücke) auf die Oberfläche geklebt, elektrisch miteinander verbunden und durch eine elektrische Spannung gespeist werden.Axles and shafts are elastically deformed under load. On their surface stretching and compression occur. This effect is known to become a measurement solution of bending and torque in the component by using several strain gauges strip (DMS) according to a known scheme (Wheatston Bridge) on the Glued surface, electrically connected and by an electrical Voltage can be fed.

Die dem Biege- oder Drehmoment proportionale Dehnung auf dem Bauteil ist der Widerstandsänderung im DMS proportional und ändert den Stromfluss. Mit Verstär­ kern wird diese Änderung verstärkt und Messgeräten zugeführt. Die Anzeige am Messgerät entspricht dem zu messenden Biege- oder Drehmoment im Bauteil.The stretch on the component that is proportional to the bending or torque is the Resistance change in the strain gauge proportional and changes the current flow. With reinforcement At the core, this change is amplified and fed to measuring devices. The ad on The measuring device corresponds to the bending or torque to be measured in the component.

Nachteil dieser Methode ist der große zeitliche Aufwand für das Applizieren der Messstelle auf der Achse oder Welle mit DMS, besonders dann, wenn die Messstelle schlecht zugänglich ist:
The disadvantage of this method is the large amount of time required to apply the measuring point on the axis or shaft with strain gauges, especially if the measuring point is difficult to access:

  • - Die DMS müssen sicher geklebt werden.- The strain gauges must be glued securely.
  • - Sie sind miteinander elektrisch durch Löten zu verbinden.- They are to be electrically connected to each other by soldering.
  • - Lötstützpunkte müssen stabil befestigt werden, damit die steiferen Kabel gehalten werden.- Soldering points must be firmly attached so that the stiffer cables being held.
  • - Die gesamte Anordnung ist gemeinsam gegen Feuchtigkeit und gegen me­ chanische Berührung und somit gegen Zerstörung zu schützen, z. B. mit Hilfe von Silikonabdeckmitteln o. ä.- The entire arrangement is common against moisture and against me to protect mechanical touch and thus against destruction, e.g. B. with help of silicone masking agents or the like

Der Aufbau einer solchen Messstelle dauert einige Stunden bis Tage. Außerdem sind bei der Messung auf rotierenden Wellen noch Schleifringübertrager oder bei te­ lemetrischer Übertragung Elektronikbaugruppen auf der Welle zu befestigen und an­ zuschließen.It takes a few hours to days to set up such a measuring point. Moreover are slip ring transmitters or at te when measuring on rotating shafts  lemetric transmission to attach electronic assemblies to the shaft and to close.

Andere bekannte Konstruktionen haben diese Nachteile nicht. So werden von Mess­ geräteherstellern Drehmoment-Messwellen und Drehmoment-Messflansche ange­ boten, die aus einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil bestehen. Am feststehenden Bauteil befinden sich die elektrischen Ausgänge (Buchsen und Kabel) zum Anschluss der Messgeräte. Alle diese Drehmoment-Messwellen und -Flansche müssen jedoch in den Kraftfluss der zu messenden Welle zwischengeschaltet wer­ den. Die Messung kann nur zwischen trennbaren Getriebeteilen erfolgen; d. h. sie kann nicht an beliebigen Stellen einer zylindrischen Welle vorgenommen werden, ohne diese zu trennen. Das ist ein großer Nachteil. Außerdem können diese Dreh­ moment-Messwellen und -Flansche nicht gleichzeitig Biegemomente messen.Other known designs do not have these disadvantages. So from Mess device manufacturers using torque measuring shafts and torque measuring flanges messengers, which consist of a rotating and a fixed component. At the stationary component are the electrical outputs (sockets and cables) for connecting the measuring devices. All of these torque shafts and flanges but must be interposed in the power flow of the shaft to be measured the. The measurement can only be made between separable gear parts; d. H. she cannot be made anywhere on a cylindrical shaft, without separating them. This is a big disadvantage. In addition, this rotation Do not measure the moment measuring shafts and flanges at the same time.

Eine weitere bekannte Ausführung einer Messnabe (EP 0159 825 A2) kann ebenfalls nur Drehmomente messen. Sie verwendet einen Rohrkörper, der ungeteilt auf der Welle befestigt wird. Die Messung erfolgt so in einem parallelen Zweig zum Kraft­ fluss. Nachteil dieser Ausführung ist, dass die Messnabe axial auf die Welle aufge­ schoben werden muss, so dass der Kraftfluss bei der Montage getrennt werden muss und so großer Zeitaufwand nötig ist.Another known embodiment of a measuring hub (EP 0159 825 A2) can also only measure torques. It uses a tubular body that is undivided on the Shaft is attached. The measurement is carried out in a branch parallel to the force flow. The disadvantage of this design is that the measuring hub is axially fitted onto the shaft must be pushed so that the power flow is separated during assembly must and so much time is needed.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Messnabe zur Messung von Belastungen an Maschinenelementen wie Wellen oder Achsen zu schaffen, die ohne Unterbrechung des Kraftflusses im zu messenden Maschinenelement schnell und einfach montierbar ist.The invention is therefore based on the object of a measuring hub for measuring To create loads on machine elements such as shafts or axes without Interruption of the power flow in the machine element to be measured quickly and is easy to assemble.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale enthalten die Ansprüche 2 bis 7.This object is achieved by the invention according to the characterizing part of Pa claim 1 solved. Claims 2 contain further advantageous features to 7.

Die erfindungsgemäße Messnabe zeichnet sich zunächst in ihrer Halbschalenbau­ weise durch eine schnelle und effektive Montage am Messort aus. Eine Demontage oder gar Auftrennung des zu messenden Maschinenelementes ist nicht erforderlich. Außerdem ist die Messnabe durch Austausch von der Befestigung dienenden Flan­ schen in einfacher Weise an unterschiedliche Durchmesser des Maschinenelemen­ tes anpassbar. Unterschiedliche Bestückungen mit DMS ermöglichen außerdem eine einfache Anpassung des Messnabe an unterschiedliche äußere Bedingungen an der Messstelle. Aufgrund des größeren Außendurchmessers sind die Dehnungen auf der Messnabe größer als auf der Oberfläche des Maschinenelementes. Es tritt zusätzlich ein kleiner mechanischer Verstärkungseffekt ein, der zu einer höheren Messgenau­ igkeit führt.The measuring hub according to the invention is initially distinguished in its half-shell construction evidenced by a quick and effective installation at the measuring location. A disassembly  or even separation of the machine element to be measured is not necessary. In addition, the measuring hub is replaced by exchanging the mounting flange to different diameters of the machine elements customizable. Different configurations with strain gauges also allow one easy adjustment of the measuring hub to different external conditions on the Measuring point. Due to the larger outside diameter, the strains are on the Measuring hub larger than on the surface of the machine element. It occurs in addition a small mechanical gain effect that leads to a higher measurement accuracy leads.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher be­ schrieben. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be described in more detail below using an exemplary embodiment wrote. The associated drawings show in

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Messnabe in einer Seitenansicht und in Fig. 1 shows a measuring hub according to the invention in a side view and in

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Messnabe entsprechend Schnittlinie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a section through a measuring hub corresponding to section line II-II in FIG. 1.

Die erfindungsgemäße Messnabe ist in Form zweier zylindrischer Halbschalen ge­ staltet und weist demzufolge eine zylindrische, aus zwei Teilhülsen 1a und 1b beste­ hende Messhülse 1 auf, die ihrerseits wiederum an ihren Stirnseiten mit jeweils ei­ nem halbkreisförmigen Flansch 2a und 2b verbunden sind, vorzugsweise durch Schraubverbindungen 3. Der Innendurchmesser der Flansche 2a; 2b ist an den Au­ ßendurchmesser der zu messenden Welle 4 angepasst, während - wie aus Fig. 2 zu ersehen - der Innendurchmesser der Teilhülsen 1a; 1b nur geringfügig kleiner als de­ ren Außendurchmesser, jedoch signifikant größer als der Außendurchmesser der Welle 4 ist. Die Teilhülsen 1a; 1b bilden damit im montierten Zustand eine die Welle 4 mit Abstand umschließende rohrförmige Messhülse 1 mit dünner Wandung. Die Montage erfolgt mittels in den Flanschen 2a; 2b angeordneter, nur schematisch dar­ gestellter Schraubverbindungen 5, die es gestatten, die Messnabe auf der Welle 4 rutschfest zu verspannen. Die lösbare Verbindung zwischen Teilhülsen 1a; 1b und Flanschen 2a; 2b ermöglicht außerdem die einfache Anpassung der Messnabe an verschiedene Durchmesser der Welle 4. The measuring hub according to the invention is staltet ge in the form of two cylindrical half-shells and therefore has a cylindrical, made up of two partial sleeves 1 a and 1 b in the best immediate measuring sleeve 1, which in turn on their end faces, each egg nem semicircular flange 2 a and 2 b are connected , preferably by screw connections 3 . The inside diameter of the flanges 2 a; 2 b is adapted to the outside diameter of the shaft 4 to be measured, while - as can be seen from FIG. 2 - the inside diameter of the partial sleeves 1 a; 1 b is only slightly smaller than its outer diameter, but is significantly larger than the outer diameter of the shaft 4 . The partial sleeves 1 a; 1 b thus form a tubular measuring sleeve 1 with a thin wall surrounding the shaft 4 at a distance in the assembled state. The assembly is carried out in the flanges 2 a; 2 b arranged, shown only schematically illustrated screw connections 5 , which allow the measuring hub on the shaft 4 to clamp non-slip. The detachable connection between partial sleeves 1 a; 1 b and flanges 2 a; 2 b also enables the measuring hub to be easily adapted to different diameters of the shaft 4 .

Jede der Teilhülsen 1a; 1b weist außerdem einen sich etwa von einem der Flansche 2a; 2b ausgehend in axialer Richtung zum anderen Flansch 2a; 2b bis etwa zur Mitte der Teilhülse 1a; 1b hin erstreckenden Schlitz 6. Dieser teilt in seinem Erstreckungs­ bereich die Teilhülse 1a; 1b in zwei gleich große Umfangsabschnitte. Im dargestellten Beispiel sind die Schlitze 6 in der linken Hälfte der Messnabe gelegen und anhand der unteren Teilhülse 1b in aufgebrochener Darstellung zu sehen.Each of the partial sleeves 1 a; 1 b also has an approximately from one of the flanges 2 a; 2 b starting in the axial direction to the other flange 2 a; 2 b to about the middle of the partial sleeve 1 a; 1 b extending slot 6 . This divides the partial sleeve 1 a in its extension area; 1 b in two circumferential sections of equal size. In the illustrated example the slots 6 are located in the left half of the measuring hub and on the basis of the lower part shell 1 b shown in cutaway illustration.

Auf der Oberfläche der Teilhülsen 1a; 1b sind als Messwertaufnehmer Dehnmess­ streifen (DMS) 7a; 7b; 7c ortsfest angebracht und mittels Verdrahtungen 8 mit einer Rotorelektronik 9 verbunden, die an einer der beiden Teilhülsen 1a; 1b oder einem Flansch 2a; 2b befestigt ist. Die Rotorelektronik 9 ist durch weitere Verdrahtungen 10 mit einer vorzugsweise auf der Welle 4 angebrachten, vorteilhafterweise aufgekleb­ ten Ringantenne 11 verbunden, die mit einer im Abstand von dieser angeordneten Statorelektronik 12 zusammenarbeitet. Die Verbindung der Verdrahtungen 8 auf den beiden Teilhülsen 1a; 1b wird durch Kontaktleisten 13 hergestellt. Eine Übertragung besteht in der Anordnung von Schleifringen auf den Teilhülsen 1a; 1b der Messhülse 1.On the surface of the partial sleeves 1 a; 1 b are strain gauges (strain gauges) 7 a; 7 b; 7 c fixed and connected by means of wiring 8 to a rotor electronics 9 , which on one of the two sleeves 1 a; 1 b or a flange 2 a; 2 b is attached. The rotor electronics 9 is connected by further wiring 10 to a ring antenna 11 , which is preferably attached to the shaft 4 , advantageously glued on th, and which cooperates with a stator electronics 12 arranged at a distance therefrom. The connection of the wiring 8 on the two sleeves 1 a; 1 b is produced by contact strips 13 . A transmission consists in the arrangement of slip rings on the partial sleeves 1 a; 1 b of the measuring sleeve 1 .

Die Anordnung der DMS 7a; 7b; 7c entspricht der Messaufgabe, mit der erfindungsge­ mäßen Messnabe sowohl Biege- als auch Drehmomentbelastungen erfassen zu können. Demzufolge sind DMS 7a und 7b mit einer Erstreckungsrichtung parallel zur Rotationsachse der Welle 4 in dem Bereich der Schlitze 6 angeordnet, und zwar paarweise in Ebenen X bzw. Y, die aufeinander senkrecht stehen und zur Trenn­ ebene zwischen den Teilhülsen 1a; 1b um 45° verdreht sind. Sie dienen der Erfas­ sung der Biegungen in den Ebenen X bzw. Y. Paarweise auf jeder Teilhülse 1a; 1b und symmetrisch zu der durch die Schlitze 6 und die Rotationsachse der Welle 4 aufgespannten Ebene sind die DMS 7c im ungeschlitzten Bereich der Teilhülsen 1a; 1b angeordnet. Sie dienen der Erfassung von auf die Welle 4 wirkenden Drehmo­ menten.The arrangement of the DMS 7 a; 7 b; 7 c corresponds to the measuring task of being able to detect both bending and torque loads with the measuring hub according to the invention. Accordingly, strain gauges 7 a and 7 b are arranged with an extension direction parallel to the axis of rotation of the shaft 4 in the region of the slots 6 , in pairs in planes X and Y, which are perpendicular to one another and for the parting plane between the partial sleeves 1 a; 1 b are rotated by 45 °. They serve the detection of the bends in the planes X and Y. In pairs on each partial sleeve 1 a; 1 b and symmetrical to the plane spanned by the slots 6 and the axis of rotation of the shaft 4 , the strain gauges 7 c are in the unslit region of the partial sleeves 1 a; 1 b arranged. They serve the detection of torques acting on the shaft 4 .

Die Übertragung der Messdaten der DMS 7a; 7b; 7c erfolgt auf telemetrischem Wege über die Rotorelektronik 9 und die Ringantenne 11 an die Statorelektronik 12, die in bekannter und nicht dargestellter Weise mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist. Handelt es sich bei dem zu messenden Maschinenelement um eine feststehende Achse, so kann selbstverständlich die auf der Messnabe angeordnete "Rotorelektro­ nik" 9 direkt mit der Auswerteeinheit verbunden werden.The transmission of the measurement data from the DMS 7 a; 7 b; 7 c takes place telemetrically via the rotor electronics 9 and the ring antenna 11 to the stator electronics 12 , which is connected in a known and not shown manner to an evaluation device. If the machine element to be measured is a fixed axis, the "rotor electronics" 9 arranged on the measuring hub can of course be connected directly to the evaluation unit.

So wie die Auswechselbarkeit der Flansche 2a; 2b eine leichte Anpassung der Mess­ nabe an unterschiedliche Durchmesser der Welle (bzw. Achse) 4 gestattet, so kann durch mit unterschiedlichen DMS 7a; 7b; 7c bestückte Teilhülsen 1a; 1b eine Anpas­ sung an die äußeren Bedingungen an der Messstelle erfolgen. Dies kann z. B. bei Messungen unter extremen Temperaturen der Fall sein. Just like the interchangeability of the flanges 2 a; 2 b allows the measuring hub to be easily adapted to different diameters of the shaft (or axis) 4 , so with different strain gauges 7 a; 7 b; 7 c equipped partial sleeves 1 a; 1 b an adaptation to the external conditions at the measuring point. This can e.g. B. for measurements under extreme temperatures.

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

11

Messhülse
measuring sleeve

11

a Teilhülse
a partial sleeve

11

b Teilhülse
b partial sleeve

22

a Flansch
a flange

22

b Flansch
b flange

33

Schraubverbindung
screw

44

Welle
wave

55

Schraubverbindung
screw

66

Schlitz
slot

77

a Dehnmessstreifen (DMS)
a strain gauges

77

b Dehnmessstreifen (DMS)
b strain gauges

77

c Dehnmessstreifen (DMS)
c strain gauges

88th

Verdrahtung
wiring

99

Rotorelektronik
rotor electronics

1010

Verdrahtung
wiring

1111

Ringantenne
ring antenna

1212

Statorelektronik
stator electronics

1313

Kontaktleiste
contact strip

Claims (7)

1. Messnabe zur Messung von Belastungen an Maschinenelementen wie Wellen oder Achsen, mit einer das Maschinenelement umhüllenden und mit Mess­ wertaufnehmern sowie Mitteln zur Übertragung von Messwerten an eine ex­ terne Auswerteeinheit bestückten Messhülse, welche mittels zweier im axialen Abstand zueinander an der Messhülse angeordneter Flansche mit dem Ma­ schinenelement in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messnabe aus zwei Halbschalen (1a; 1b; 2a; 2b) besteht, welche unter Einschluss des zu messenden Maschinenelementes miteinander lös­ bar verbunden sind und
dass auf der Messhülse (1) Messwertaufnehmer (7a; 7b; 7c) für Drehmo­ ment- und Biegebelastungen angeordnet sind.1.Measuring hub for measuring loads on machine elements such as shafts or axes, with a measuring sleeve enveloping the machine element and equipped with measuring sensors as well as means for transmitting measured values to an external evaluation unit, which also has two flanges arranged at an axial distance from one another on the measuring sleeve the machine element is engaged, characterized in that
that the measuring hub consists of two half shells ( 1 a; 1 b; 2 a; 2 b), which, including the machine element to be measured, are detachably connected to each other and
that on the measuring sleeve ( 1 ) transducers ( 7 a; 7 b; 7 c) for torque and bending loads are arranged. 2. Messnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Mess­ hülse (1) als auch Flansche (2a; 2b) mittig geteilt sind.2. Measuring hub according to claim 1, characterized in that both measuring sleeve ( 1 ) and flanges ( 2 a; 2 b) are divided in the middle. 3. Messnabe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche (2a; 2b) lösbar mit der Messhülse (1) verbunden sind.3. Measuring hub according to claims 1 and 2, characterized in that the flanges ( 2 a; 2 b) are detachably connected to the measuring sleeve ( 1 ). 4. Messnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messhülse (1) mit mindestens einem Schleifring zur Übertragung der Messdaten versehen ist.4. Measuring hub according to claim 1, characterized in that the measuring sleeve ( 1 ) is provided with at least one slip ring for transmitting the measurement data. 5. Messnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messhülse (1) mit Mitteln (9; 11; 12) zur telemetrischen Übertragung der Messdaten verse­ hen ist.5. Measuring hub according to claim 1, characterized in that the measuring sleeve ( 1 ) is provided with means ( 9 ; 11 ; 12 ) for telemetric transmission of the measurement data. 6. Messnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhülsen der Messhülse (1) im einem der Flansche (2a; 2b) benachbarten Bereich mit den Umfang halbierenden Schlitzen (6) versehen sind.6. Measuring hub according to claim 1, characterized in that the partial sleeves of the measuring sleeve ( 1 ) in one of the flanges ( 2 a; 2 b) adjacent area with the circumferential bisecting slots ( 6 ) are provided. 7. Messnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhülsen (1a; 1b) der Messhülse (1) mit an unterschiedliche Bedingungen an der Messstelle angepassten Messwertaufnehmern (7a; 7b; 7c) bestückt sind.7. Measuring hub according to claim 1, characterized in that the partial sleeves ( 1 a; 1 b) of the measuring sleeve ( 1 ) are equipped with transducers ( 7 a; 7 b; 7 c) adapted to different conditions at the measuring point.
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