DE102004033925B4

DE102004033925B4 - Drehmoment-Messaufnehmer

Info

Publication number: DE102004033925B4
Application number: DE200410033925
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schulder Gerhard
Original assignee: GTM Gassmann Testing and Metrology GmbH
Current assignee: GTM Testing and Metrology GmbH
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: DE102004033925A1

Abstract

Drehmoment-Messaufnehmer mit einem Verformungskörper, der mit mehreren, jeweils zu Messbrückenschaltungen zusammengeschalteten Dehnungsmesselementen bestückt ist, wobei der Verformungskörper axialsymmetrisch zu einer Krafteinleitungsachse (z) ausgeführt ist und aus einem zentralen Hohlkörper (1), der mindestens in einem dünnwandigen Bereich (12) mit Dehnungsmesselementen (13) bestückt ist, und mehreren Säulen (2) besteht, die radial im Abstand zum Hohlkörper (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) und die parallel dazu ausgerichteten Säulen (2) an den beiden Enden des Verformungskörpers einstückig miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmoment-Messaufnehmer mit einem Verformungskörper, der mit mehreren, jeweils zu Messbrückenschaltungen zusammengeschalteten Dehnungsmesselementen bestückt ist, wobei der Verformungskörper axialsymmetrisch zu einer Krafteinleitungsachse ausgeführt ist, und aus einem zentralen Hohlkörper, der mindestens in einem dünnwandigen Bereich mit Dehnungsmesselementen bestückt ist, und mehreren Säulen besteht, die radial im Abstand zum Hohlkörper angeordnet sind.
Derartige Drehmoment-Messaufnehmer sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Als Dehnungsmesselemente werden üblicherweise Dehnungsmessstreifen verwendet, an denen bei einer Längenänderung in Folge der Verformung des Verformungskörpers eine elektrische Widerstandsänderung auftritt, die in einer Messbrückenschaltung erfasst wird und ein zur Bestimmung der Momente dienendes Signal liefert.
Auf dem Gebiet der Mehrkomponentenmesstechnik ist ein öfter wiederkehrendes Problem, dass einem vergleichsweise kleinen zu messenden Drehmoment eine ebenfalls zu messende große Kraft überlagert ist. Als Beispiel hierzu diene die Untersuchung von Schraubverbindungen, bei der der Zusammenhang zwischen Schraubenanzugsmoment und Schraubenkraft gemessen wird.
Stand der Technik ist hier beispielsweise der Einsatz von bevorzugt drei zentrisch um die Mittelachse angeordneten Messaufnehmern, die in Normalrichtung die Kraft messen und tangential über Querkraftmessung das Drehmoment bestimmen. Voraussetzung für eine fehlerfreie Querkraftmessung ist allerdings eine für jeden Kraftaufnehmer oben und unten exakt fluchtende Krafteinleitung. Sobald diese Voraussetzung verletzt wird, entsteht ein Kräftepaar und damit eine Querkraft, die genau wie die vom zu messenden Drehmoment hervorgerufene Querkraft ein Dehnungsmessstreifen-Signal hervorruft. Da die Dehnungsmessstreifen-Messstelle zwischen beiden Querkraftanteilen nicht unterscheiden kann, entsteht hier ein sogenannter Übersprechfehler, der unter ungünstigen Kraft/Moment-Verhältnissen in die Größenordnung des zu messenden Drehmomentes kommen kann und dieses unter Umständen sogar übersteigt.
In einigen Fällen ist keine mechanische Entkopplung der Drehmomente von eventuell auftretenden axialen Kräften vorgesehen (beispielsweise DD 130 690 A1 , DE 38 21 262 A1 oder US 4,175,547 ).
In DE 213 505 A1 wird eine Messvorrichtung beschrieben, mit der sowohl Drehmomente als auch axiale Kräfte erfasst und gemessen werden können. Sowohl bei der in DE 213 505 A1 als auch bei einer in DE 82 17 948 U1 beschriebenen Messvorrichtung werden zwei verschiedene Verformungskörper durch eine Membran miteinander verbunden.
Es ist weiterhin Stand der Technik, einen Übersprechfehler zwischen axialen Kräften und Drehmomenten durch Kalibrieren zu ermitteln und dann bei der Messung durch Einfügung von Korrektionen zu kompensieren. Dazu ist allerdings Voraussetzung, dass die Kraftflüsse durch die Aufnehmer im späteren Einsatz den gleichen Verlauf wie bei der Kalibrierung haben. Dies ist aber in der Regel nicht der Fall und wird auch bei der Messung nicht erkannt, so dass die Korrektion dann falsch ist und die Messunsicherheit wesentlich größer wird als angenommen.
In US 3,225,592 A wird ein Drehmoment-Messaufnehmer der eingangs genannten Gattung beschrieben, bei dem ein Torsionsstab an einem ersten Ende drehfest mit einem Motor und an einem zweiten Ende drehfest an einer dünnen Metallplatte befestigt ist. Die dünne Metallplatte ist in einem käfigartigen Gestellt aufgenommen. Zusätzlich wird die dünne Metallplatte an einer weiteren dicken Platte abgestützt. Der Torsionsstab ist zweiteilig ausgestaltet, wobei die beiden Enden längsverschiebbar und drehfest miteinander verbunden sind.
Ein derartiger Drehmoment-Messaufnehmer erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand und Montageaufwand. Ebenso wie andere vergleichsweise komplexe Messaufnehmer (beispielsweise beschrieben in DE 888 462 ) weist dieser Messaufnehmer lediglich eine eingeschränkte Genauigkeit auf.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Drehmoment-Messaufnehmer der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass der Übersprechfehler zwischen Kräften und Momenten weitestgehend reduziert wird und eine möglichst einfache und kostengünstige Herstellung des Drehmoment Messaufnehmers ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hohlkörper und die parallel dazu ausgerichteten Säulen an den beiden Enden des Verformungskörpers einstückig miteinander verbunden sind.
Da die Messstellen für die Schubspannungsmessung, die der Bestimmung des Drehmoments dienen, von den Säulen getrennt sind, durch die der Axialkraftfluss erfolgt, wird das Problem des Übersprechens bei geeigneter Dimensionierung unter ein zulässiges Maß reduziert. Der Drehmoment-Messaufnehmer ist daher geeignet, trotz der Übertragung und ggf. Messung verhältnismäßig hoher Kräfte unabhängig davon die Momentenmessung durchzuführen.
Der Kraft- und/oder Momenten-Messaufnehmer kann vorteilhafterweise auch dann eingesetzt werden, wenn die Kraftmessung in Richtung der Krafteinleitungsachse nicht im Drehmoment-Messaufnehmer selbst, sondern beispielsweise in einem Kraft-Transferaufnehmer erfolgt. Die zu messende Axialkraft wird dann durch den Drehmoment-Messaufnehmer nur hindurchgeleitet; sie beeinflusst die Messung des Drehmoments und gegebenenfalls von Querkräften nicht, so dass damit die exakte Richtung der mit dem Transferaufnehmer gemessenen Kraft und deren Krafteintrittspunkt bestimmt werden können.
Die im Messbereich, nämlich im mittleren Bereich zwischen den beiden Enden des Verformungskörpers bestehende, vollständige Trennung der die Axialkraft übertragenden, verhältnismäßig dicken Säulen und des in diesem mittleren Bereich sehr dünnwandig ausgeführten Hohlkörpers verhindert einen Einfluss der Axialkräfte auf die der Drehmomentbestimmung dienenden Schubspannungsmessungen vollständig, so dass trotz sehr hoher Axialkräfte die Messung eines verhältnismäßig kleinen Drehmoments mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlkörper eine zylindrische Bohrung aufweist und zumindest in seinem mit Dehnungsmesselementen bestückten dünnwandigen Bereich von im Querschnitt geradlinigen Außenflächen begrenzt wird, die die Dehnungsmesselemente tragen. Die mit den Dehnungsmesselementen, insbesondere Dehnungsmessstreifen bestückten Außenflächen sind somit nur um eine Achse gekrümmt, so dass die Applikation der Dehnungsmesselemente ohne Schwierigkeiten möglich ist.
Vorzugsweise ist der Verformungskörper aus einem zylindrischen Grundköper hergestellt, der eine zentrale Bohrung und mehrere seitliche Ausnehmungen aufweist, die jeweils eine Zylindermantelfläche aufweisen, deren Zylinderachse quer zur Längsachse des zylindrischen Grundkörpers und im Abstand dazu verläuft. Die so gestalteten Ausnehmungen sind in fertigungstechnisch einfacher Weise herzustellen, beispielsweise durch Fräsen und anschließendes Schleifen. Die die Dehnungsmesselemente tragenden Außenflächen des zentralen Hohlkörpers sind von außen gut zugänglich, so dass die Anbringung der Dehnungsmesselemente erleichtert wird; gleichwohl ist dieser Bereich gegen mechanische Einflüsse aber gut durch die außenliegenden Säulen geschützt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
1 einen Verformungskörper eines Drehmoment-Messaufnehmers in räumlicher Darstellungsweise,
2 den Verformungskörper gemäß 1 in einer Seitenansicht,
3 einen Schnitte längs der Linie III-III in 2 und
4 einen Längsschnitt längs der Linie IV-IV in 3.
Der in der Zeichnung dargestellte Verformungskörper ist Teil eines Drehmoment-Messaufnehmers und bildet dessen Messfeder. Der Drehmoment-Messaufnehmer dient zur Messung eines Drehmoments Mz um eine Krafteinleitungsachse z, die mit der Längsachse des Verformungskörpers zusammen fällt. Gleichzeitig wird in den Verformungskörper eine Axialkraft Fz in Richtung der Achse z eingeleitet und übertragen.
Der Verformungskörper besteht aus einem zentralen Hohlkörper 1 und mehreren, beim dargestellten Ausführungsbeispiel vier Säulen 2, die radial im Abstand zum Hohlkörper 1 und parallel dazu angeordnet sind.
Der Hohlkörper 1 und die Säulen 2 sind an den beiden Enden des Verformungskörpers einstückig miteinander verbunden. Der zentrale Hohlkörper 1 bildet zusammen mit den Säulen 2 an den beiden Enden des Verformungskörpers jeweils einen Flansch 3, in dem achsparallele Gewindebohrungen 4 als Befestigungsbohrungen angeordnet sind, um den Verformungskörper mit (nicht dargestellten) Anschlussbauteilen zu verbinden, über die die zu messenden Momente sowie die zu übertragenden Axialkräfte eingeleitet werden.
Der Hohlkörper 1 weist eine zentrale, längsverlaufende, im wesentliche zylindrische Bohrung 5 auf, die an ihren beiden Enden beispielsweise erweitert sein kann.
Der Verformungskörper ist aus einem zylindrischen Grundkörper hergestellt, der die zentrale Bohrung 5 und mehrere seitliche Ausnehmungen 6 aufweist, die jeweils eine Zylindermantelfläche 7 aufweisen, deren Zylinderachse 8 quer zur Längsachse des zylindrischen Grundkörpers und im Abstand dazu verläuft. Die vier Ausnehmungen 6 sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Der Verformungskörper ist in axialer Richtung spiegelsymmetrisch zu einer zwischen den beiden Enden liegenden Mittelebene 9 ausgeführt.
Die Säulen 2 werden durch ebene, achsparallele Seitenflächen 10 der seitlichen Ausnehmungen 6 begrenzt.
Die Herstellung des Verformungskörpers kann daher beispielsweise in der Weise erfolgen, dass an einem zylindrischen, massiven Grundkörper die zentrale Bohrung 5 und vier seitliche Einfräsungen in Form der Ausnehmungen 6 vorgenommen werden, beispielsweise mit einem Scheibenfräser, dessen Fräserachse am Ende des Fräsvorgangs mit der Zylinderachse 8 zusammen fällt und dessen Fräserseiten die ebenen Seitenflächen 10 der Ausnehmungen 6 erzeugen. Der zylindrische Fräserumfang erzeugt hierbei die jeweils auf einem Zylindermantel liegenden Außenflächen 11 des Hohlkörpers 1. Anschließend ist eine Feinbearbeitung durch Schleifen möglich.
Die seitlichen Ausnehmungen 6 erstrecken sich so weit zur Mittelachse z hin, dass der Hohlkörper 11 in seinem mittleren Bereich sehr dünnwandig ausgeführt ist. Da die Ausnehmungen 6 zylinderförmig sind, sind die Außenflächen 11 Abschnitte von Zylindermantelflächen. Sie bilden in ihrem mittleren Bereich 12 Flächen, die im Querschnitt gemäß 3 geradlinig sind. Diese Außenflächen 11 sind nur um eine Achse, nämlich die Zylinderachse 8 gekrümmt.
Die dünnwandigen, an ihrer Außenfläche 11 um eine Achse gekrümmten Bereiche 12 des Hohlkörpers 1 sind mit Dehnungsmessstreifen 13 bestückt, die in der in 2 angedeuteten Weise schräg angeordnet sind, um eine Schubspannungsmessung im mittleren Bereich des Hohlkörpers 1 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck sind die als Dehnungsmesselemente dienenden Dehnungsmussstreifen 13 in bekannter Weise in elektrischen Messbrückenschaltungen zusammengeschaltet.
Ein zwischen den Flanschen 3 übertragenes Drehmoment führt zu einer Schubspannung, die im dünnwandigen mittleren Bereich 12 des Hohlkörpers 1 am größten ist. Diese Schubspannungen werden durch die Dehnungsmessstreifen 13 erfasst. Wegen der im Messbereich sehr dünnwandigen Ausführung des Hohlkörpers 1 liefern die dort positionierten Dehnungsmessstreifen 13 ein hohes Drehmomentsignal aus dem Drehmoment Mz. In diesem Bereich erfolgt praktisch keine Axialkraftübertragung, so dass störende Einflüsse durch Axialkräfte, die verhältnismäßig hoch sein können, weitestgehend ausgeschlossen sind. Die Übertragung einer Axialkraft Fz erfolgt fast ausschließlich durch die Säulen 2.

Claims

Drehmoment-Messaufnehmer mit einem Verformungskörper, der mit mehreren, jeweils zu Messbrückenschaltungen zusammengeschalteten Dehnungsmesselementen bestückt ist, wobei der Verformungskörper axialsymmetrisch zu einer Krafteinleitungsachse (z) ausgeführt ist und aus einem zentralen Hohlkörper (1), der mindestens in einem dünnwandigen Bereich (12) mit Dehnungsmesselementen (13) bestückt ist, und mehreren Säulen (2) besteht, die radial im Abstand zum Hohlkörper (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) und die parallel dazu ausgerichteten Säulen (2) an den beiden Enden des Verformungskörpers einstückig miteinander verbunden sind.
Drehmoment-Messaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) eine zylindrische Bohrung (5) aufweist und zumindest in seinem mit Dehnungsmesselementen (13) bestückten dünnwandigen Bereich (12) von im Querschnitt geradlinigen Außenflächen (11) begrenzt wird, die die Dehnungsmesselemente (13) tragen.
Drehmoment-Messaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper aus einem zylindrischen Grundkörper hergestellt ist, der eine zentrale Bohrung (5) und mehrere seitliche Ausnehmungen (6) aufweist, die jeweils eine Zylindermantelfläche (7) aufweisen, deren Zylinderachse (8) quer zur Längsachse des zylindrischen Grundkörpers und im Abstand dazu verläuft.
Drehmoment-Messaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (2) durch ebene, achsparallele Seitenflächen (10) der seitlichen Ausnehmungen (6) begrenzt werden.
Drehmoment-Messaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier Ausnehmungen (6) rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Drehmoment-Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper in axialer Richtung spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene (9) ausgeführt ist.
Drehmoment-Messaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Hohlkörper (1) zusammen mit den Säulen (2) an den beiden Enden des Verformungskörpers jeweils einen Flansch (3) bildet, in dem achsparallele Gewindebohrungen (4) als Befestigungsbohrungen angeordnet sind.