DE102007023537A1

DE102007023537A1 - Vorrichtung zum Messen von Dehnungen

Info

Publication number: DE102007023537A1
Application number: DE102007023537A
Authority: DE
Inventors: Heiko Haag; Thorsten Eickmann
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wittenstein SE
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Dehnungen, insbesondere Drehmomentsensor mit Anschlüssen zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten und/oder Kippmomenten, die über Dehnungsmessstrukturen (3) miteinander verbunden sind, welche Messwertgeber aufweisen. Dabei soll die Vorrichtung als Ringflansch (1) ausgebildet sein, der in Segmente (2.1; 2.2) unterteilt ist und welche durch die Dehnungsmessstrukturen (3) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Dehnungen, insbesondere betrifft sie einen Drehmomentsensor mit Anschlüssen zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten und/oder Kippmomenten, die über Dehnungsmessstrukturen mit einander verbunden sind, welche Messwertgeber aufweisen.
Unter dem Begriff Dehnungen werden hierbei die verschiedensten Parameter wie Drehmomente, Kippmomente in x- und y-Richtung, Querkräfte, Torsionskräfte und dgl. verstanden.
Aus der DE 42 08 522 A1 ist bereits eine derartige Messvorrichtung bekannt, die als Drehmomentsensor die Form einer Scheibe hat, welche einen Außenring und eine konzentrisch zu diesem angeordnete Innennabe besitzt. Der Außenring und die Innennabe sind über vier radial verlaufende Stege miteinander verbunden, wobei auf jeden Steg ein Messwertgeber in der Form eines Dehnungsmessstreifens angeordnet ist, mit welchem die Torsinn des jeweiligen Steges erfasst wird. Dabei dienen sowohl der Außenring als auch die Innennabe als Anschlusskörper zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten. Hierzu besitzen sowohl der Außenring als auch die Innennabe mehrere am Umfang verteilte Durchgangsbohrungen, durch welche diese mit entsprechenden Anschlussflanschen zwecks Drehmomentübertragung verschraubt werden.
Eine derartige Vorrichtung als Drehmomentsensor ist besonders stabil ausgebildet, d. h. diese Vorrichtung besitzt eine hohe Biegefestigkeit, was insbesondere durch die I-profilartige Ausbildung der zwischen dem Außenring und der Innennabe vorgesehenen Stegen erreicht wird, was jedoch diese Vorrichtung weniger messempfindlich macht.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schmalbauende Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten und dgl. zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, aber dennoch präzise und sensibel auf die gewünschten Messgrössen, wie Dreh- und Kippmomente, Torsinns- und Querkräfte und dgl. anspricht.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass die Vorrichtung als Ringflansch ausgebildet ist, der in Segmente unterteilt ist, die durch die Dehnungsmessstrukturen miteinander verbunden sind.
Nach Maßgabe der Erfindung hat es sich bewährt, die Segmente abwechselnd mit einem Anschluss für die Einleitung und einem Anschluss für die Ausleitung der Drehmomente auszubilden, wobei dann die Anschlüsse der Segmente zweckmäßig abwechselnd eine glatte Durchgangsbohrung und eine durchgehende Gewindebohrung aufweisen, während einheitliche Bohrungen ebenfalls möglich sind.
Damit der Drehmomentsensor beim Verbinden mit Anschlussflanschen, z. B. von Antrieben, Getrieben, Maschinen und dgl., mit diesen nur mit den für den jeweiligen Anschluss vorgesehenen Segmenten des Ringflansches in Berührung bzw. Kontakt kommt, ist es vorteilhaft, wenn die Segmente mit der glatten Durchgangsbohrung gegenüber denen mit der Gewindebohrung – oder umgekehrt – in ihrer Dicke, bezogen auf beide Großflächen des Ringflansches, zurückgesetzt ausgebildet sind.
Um einen kreisringartigen Ringflansch zu erhalten ist es ferner von Vorteil, wenn sämtliche Anschlüsse der Segmente einem gleichen Lochkreisdurchmesser angehören, in dem sich auch die als Dehnungsmessstrukturen ausgebildeten Stege in ihrer Längserstreckung befinden.
Zur Erfassung der Parameter wie Drehmoment usw. ist es zweckmäßig, ein- oder beidseitig der Stege die Messwertgeber in der Form von Dehnungsmessstreifen vorzusehen, die mit mindestens einem Kabel verbunden sind, das in bogenförmige Nutabschnitte je Segment verlegbar ist.
Hierbei kann zur besseren Aufnahme des Ringflansches an den Anschlussflanschen vorteilhaft vorgesehen sein, dass die im Bereich des Zentrums des Ringflansches angeordneten bogenförmigen Wangen der Nutabschnitte bzw. rückseitig von diesen vorgesehene Wangenstege entsprechend der abwechselnden Segmentanschlüsse über die jeweilige Großfläche der Segmente ragen, wobei die erhöhten Wangen der Nutabschnitte auf der einen Großfläche des Ringflansches bei den Segmenten mit der Gewindebohrung und die Wangenstege auf der anderen Großfläche bei den Segmenten mit der Durchgangsbohrung – oder umgekehrt – vorgesehen sind.
Hierbei genügt es, wenn der Ringflansch mindestens vier Segmente und vier Stege aufweist, wobei letztere jeweils mit mindestens einem Messwertgeber bestückt werden können. Beide Elemente, die Segmente und die Stege sind dabei vorteilhaft rotationssymmetrisch anzuordnen, wobei es zur Erhöhung der Messgenauigkeit auch zweckmäßig sein kann, dass der Ringflansch acht Segmente aufweist, die dann durch acht Stege miteinander verbunden sind.
Bei den Segmenten selbst hat sich eine Bauform bewährt, bei welcher diese eine Dicke von etwa 5 bis 30 mm aufweisen und dass die Segmente beispielsweise als pyramidenförmige Sechsecke ausgebildet sind, die mit ihren jeweiligen Spitzen nach außen zeigen, wobei der gemeinsame Lochkreisdurchmesser der Anschlüsse und der Stege gegebenenfalls im oberen Drittel der Segmente verläuft. Hierbei ist es zweckmäßig, dass dann die bogenförmigen Nutabschnitte je Segment beispielsweise in deren unterem Drittel in einem gemeinsamen Kreisdurchmesser verlaufen, wobei es natürlich auch möglich ist, die Anschlüsse zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten und dgl. versetzt anzuordnen oder sämtliche Anschlüsse mit durchgehenden Bohrungen bzw. mit Gewindebohrungen auszubilden.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten oder dgl. vorteilhaft zwischen einem Antrieb, wie Elektromotor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes und einer Maschine verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, diese zeigt in
1 eine Draufsicht auf einen als Ringflansch ausgebildeten erfindungsgemäßen Drehmomentsensor,
2 einen Querschnitt gemäß der Linie A–A in 1
3 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie B–B in 2, wobei der ganze Ringflansch gezeigt ist,
4 eine perspektivische Darstellung des Ringflansches gemäß 1 schräg von oben gesehen und
5 eine perspektivische Darstellung des Ringflansches gemäß 1 schräg von unten gesehen.
Der in 1 in der Draufsicht dargestellte Drehmomentsensor hat die Form eines Ringflansches 1, der in diesem Ausführungsbeispiel in acht Segmente 2 rotationssymmetrisch unterteilt ist, die durch Dehnungsmessstrukturen in der Form von schmalen Stegen 3 miteinander verbunden sind. Die Stege 3 verlaufen entlang einer Kreislinie 4, deren Mittelpunkt im Zentrum 5 des Ringflansches 1 liegt.
Die Segmente 2 besitzen für einen beiderseitigen Anschluss an nicht dargestellte Anschlussflansche, wie z. B. von einem Getriebe auf der einen Seite und von einer Maschine auf der anderen Seite, zum jeweiligen Einleiten bzw. Ausleiten der Drehmomente abwechselnd eine glatte Durchgangsbohrung 6 (Segmente 2.1) und eine Gewindebohrung 7 (Segmente 2.2), wobei diese Bohrungen 6; 7 auch einheitlich ausgebildet sein können.
Wie aus 2 und 3 ersichtlich ist, sind die Segmente 2.1 mit der glatten Durchgangsbohrung 6 gegenüber den Segmenten 2.2 mit der Gewindebohrung 7 in ihrer Dicke, bezogen auf beide Großflächen des Ringflansches 1 abwechselnd zurückgesetzt ausgebildet, sodass z. B. nur die vier Segmente 2.1 an dem Anschlussflansch einer Maschine und die vier Segmente 2.2 an dem Anschlussflansch eines Getriebes zur Anlage kommen, wobei zweckmäßigerweise sowohl die Durchgangsbohrungen 6 als auch die Gewindebohrungen 7 dem gleichen Lochkreisdurchmesser angehören sollten, der sich mit der Kreislinie 4 deckt.
Gemäß 1 sind beidseitig der Stege 3 Messwertgeber in der Form von Dehnungsmessstreifen 8 vorgesehen, die in den 2, 4 und 5 zeichnerisch weggelassen wurden. Die Dehnungsmessstreifen 8 sind über eine nicht dargestellte Brückenschaltung miteinander verbunden, wozu für die nötigen Kabel bogenförmige Nutenabschnitte 9 je Segment 2 vorgesehen sind, wobei die im Bereich des Zentrums 5 des Ringflansches 1 angeordneten bogenförmigen Wangen 10, der Segmente 2.2 entsprechend der abwechselnden Segmentanschlüsse (6; 7) über eine Innenseite bzw. Wange 10 der Segmente 2.1 ragen, sodass ein Führungsring für die Anschlussflansche gebildet wird. Dabei weisen die Wangen 10 der Segmente 2.2 einen kleineren Radius r_2.2 als die Wangen 10 der Segmente 2.1 mit einem Radius r_2. ₁ auf.
Auf der Seite des Ringflansches 1, auf der keine Kabelnuten 9 angebracht sind (Rückseite 5), sind zum Zentrieren gegenüber einem Maschinenanschluss abwechselnd nur Wangenstege 11 vorgesehen. Diese Wangenstege 11 stehen axial von den Segmenten 2.1 ab.
Die Segmente 2 selbst sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als pyramidenförmige Sechsecke ausgebildet, die mit ihren Spitzen nach außen zeigen, wobei die gemeinsame Kreislinie 4, auf der sich die Anschlüsse zum Ein- bzw. Ausleiten der Drehmomente in der Form der Durchgangsbohrungen 6 und der Gewindebohrungen 7 sowie die Stege 3 liegen im oberen Drittel der Segmente 2 verläuft, wodurch eine bessere Homogenität des gesamten Ringflansches 1 erreicht wird. Die Segmente 2 können jedoch in anderen Formen wie beispielsweise abgerundeten Formen, runden Formen, vieleckigen abgerundeten Formen oder Profilen beliebiger Art hergestellt werden. Hierauf sei die Erfindung nicht beschränkt.
Die in 2 angegebene Dicke 12 des Ringflansches 1 beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 11 mm, wobei generell dieses Maß von etwa 5 bis 30 mm betragen kann, um einen sensiblen Drehmomentsensor zu erhalten, mit dem präzise Messdaten ermittelt werden können.
Wie insbesondere aus den 1 und 5 ersichtlich, verlaufen sowohl die bogenförmigen Nutabschnitte 9 der Segmente 2 auf der einen Großseite des Ringflansches 1 als auch die bogenförmigen Wangenstege 11 auf dessen Rückseite gemäß 5 auf konzentrischen Kreisdurchmessern im unteren Drittel des Ringflansches 1, wobei die Wangenstege 11 nur jeweils an den Segmenten 2.1 angebracht sind.

Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung eine messgenaue Vorrichtung in der Form eines einfach. aufgebauten Drehmomentsensors geschaffen worden, der bevorzugt zur Messung von den unterschiedlichsten Dehnungen, z. B. zwischen einem Drehmomente abgebenden Antrieb, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines ohne viel Aufwand verwendet werden kann, wobei bereits bestehende Anlagen kostengünstig mit dem erfindungsgemäßen Drehmomentsensor nachgerüstet werden können. Bezugszeichenliste

1	Ringflansch
2	Segment
3	Dehnungsmessstruktur
4	Kreislinie
5	Zentrum
6/2.1	Durchgangsbohrung
7/2.2	Gewindebohrung
8	Dehnungsmessstreifen
9	Nutenabschnitt
10	Wange
11	Wangensteg
12	Dicke
r_2.1	Radius
r_2.2	Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4208522 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Messen von Dehnungen, insbesondere Drehmomentsensor mit Anschlüssen zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten und/oder Kippmomenten, die über Dehnungsmessstrukturen (3) miteinander verbunden sind, welche Messwertgeber aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Ringflansch (1) ausgebildet ist, der in Segmente (2.1; 2.2) unterteilt ist, die durch die Dehnungsmessstrukturen (3) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstrukturen als Stege (3) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (3) entlang einer Kreislinie (4) verlaufen, deren Mittelpunkt im Zentrum (5) des Ringflansches (1) liegt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2) abwechselnd mit einem Anschluss für die Einleitung (2.1) und einem Anschluss für die Ausleitung (2.2) der Drehmomente ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse der Segmente (2.1; 2.2) abwechselnd eine glatte Durchgangsbohrung (6) und eine Gewindebohrung (7) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2.1) mit der glatten Durchgangsbohrung (6) gegenüber denen (2.2) mit der Gewindebohrung (7) – oder umgekehrt – in ihrer Dicke, bezogen auf beide Großflächen des Ringflansches (1), abwechselnd zurückgesetzt ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Anschlüsse der Segmente (2) einem gleichen Lochkreisdurchmesser (4) angehören.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die als Dehnungsmessstrukturen ausgebildeten Stege (3) in ihrer Längserstreckung dem gleichen Lochkreisdurchmesser (4) sämtlicher Anschlüsse angehören.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein- oder beidseitig der Stege (3) die Messwertgeber (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Messwertgeber Dehnungsmessstreifen (8) dienen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertgeber (8) mit mindestens einem Kabel verbunden sind, das in bögenförmige Nutabschnitte (9) je Segment (2) verlegbar ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Rückseite des Ringflansches (1) von den Segmenten (2.1) axial Wangenstege (11) abragen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass erhöhte Wangen (10) der Nutabschnitte (9) auf der einen Großfläche des Ringflansches (1) bei den Segmenten (2.2) mit der Gewindebohrung (7) und die Wangenstege (11) auf der anderen Großfläche bei den Segmenten (2.1) mit der Durchgangsbohrung (6) oder umgekehrt vorgesehen sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zentrum (5) ausgerichtete stirnseitige Flächen, insbesondere Wangen (10) der Segmente (2.2) einen kleineren Radius (r_2.2) aufweisen, als die stirnseitigen Flächen, insbesondere Wangen (10) der Segmente (2.2), mit Radius (r_2.1).
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Stirnflächen, insbesondere Wangen (10) der Segmente (2.1), (2.2) zu einem Zentrum (5) in unterschiedlichen Radien (r_2.1, r_2. ₂) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (1) mindestens vier Segmente (2) und vier Stege (3) aufweist, die jeweils rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch acht Segmente (2) aufweist, die durch acht Stege (3) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (6, 7) zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten und/oder Kippmomenten zueinander versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (1) eine Dicke von etwa 5 bis 30 mm aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten und/oder Kippmomenten, insbesondere nach den Ansprüchen 1–22, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwischen einem Antrieb, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebe, und einer Maschine angeordnet wird.