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Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung mit einem Momentaufnehmer, auf den ein zu messendes Drehmoment ausgeübt wird und der beispielsweise ein zylindrischer Körper ist, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die Offenlegungsschrift
DE 101 56 346 A1 offenbart eine Drehmomentmessvorrichtung, die vergleichbar einem Speichenrad mit einer Nabe, einem die Nabe konzentrisch umschließen Kreisring und vier radialen Speichen ausgeführt ist, die einstückig mit der Nabe und dem Kreisring sind. Gemessen wird eine Biegung der Speichen bei einer Verdrehung der Nabe gegenüber dem Kreisring mit Dehnmessstreifen, die auf die Speichen geklebt sind.
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Eine vergleichbare Drehmomentmessvorrichtung offenbart die Offenlegungsschrift
DE 36 11 336 A1 mit der Maßgabe, dass die Naben zweier derartiger gleichachsig angeordneter Speichenräder starr miteinander verbunden sind und die sie umschließenden Kreisringe Abstand voneinander aufweisen, so dass sie gegeneinander verdrehbar sind.
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Schließlich offenbart die Offenlegungsschrift
DE 27 19 712 A1 eine weitere Drehmomentmessvorrichtung, die nach Art eines Speichenrades mit sechs radialen Speichen ausgeführt ist, wobei die Speichen nicht einstückig mit einer Nabe und einem die Nabe konzentrisch umschließenden Kreisring sind, sondern dass die Speichen Blattfedern sind, die starr mit der Nabe und dem Kreisring verschraubt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Drehmomentmessvorrichtung mit hoher Messgenauigkeit vorzuschlagen, wobei nicht maßgeblich ist, ob die Messgenauigkeit höher als im Stand der Technik ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist der Momentaufnehmer zwischen mindestens zwei Zugmitteln aufgehängt, vorzugsweise zwischen drei oder mehr Zugmitteln, die nach Art von Speichen angeordnet sind, in deren Zentrum sich der Momentaufnehmer befindet. Die Zugmittel greifen mit Abstand voneinander am Momentaufnehmer an. Eine Drehmomentachse eines auf den Momentaufnehmer ausgeübten Drehmoments verläuft in einem Winkel zu mindestens einem Zugmittel. Anders ausgedrückt sind die Zugmittel in Bezug zum Momentaufnehmer so angeordnet, dass ein auf den Momentaufnehmer ausgeübtes Drehmoment den Momentaufnehmer schwenkt und die oder mindestens ein Zugmittel spannt oder eine Spannung des Zugmittel erhöht, wenn die Zugmittel von vorn herein gespannt sind, also unter einer Zug-Vorspannung stehen Ein Schwenkwinkel des Momentaufnehmers oder eine Spannung der Zugmittel, die ein auf den Momentaufnehmer ausgeübtes Drehmoment verursacht, sind ein Maß für das Drehmoment, wobei eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels des Momentaufnehmers oder der Spannung der Zugmittel von dem auf den Momentaufnehmer ausgeübten Drehmoment an sich nicht linear ist. Gemessen wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Schwenkwinkel des Momentaufnehmers oder die Spannung mindestens eines Zugmittels und daraus das auf den Momentaufnehmer ausgeübte Drehmoment ermittelt.
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Die Erfindung ermöglicht eine Drehmomentmessvorrichtung hoher Genauigkeit, guter Auflösung und einer hohen Auflösung bei kleinem Drehmoment aufgrund der Nichtlinearität zwischen dem gemessenen Wert und dem zu ermittelnden Drehmoment.
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Die Zugmittel sind vorzugsweise seil- oder stangen-, beispielsweise speichenförmig, sie können biegeschlaff, biegesteif und/oder biegeelastisch sein. Die Zugmittel können schwenkbar oder starr, d. h. winkelfest angebracht sein.
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Wie bereits angesprochen, sind die Zugmittel vorzugsweise nach Art von Speichen angeordnet, in deren Zentrum der Momentaufnehmer angeordnet ist. Die Zugmittel können radial oder in Richtung einer Sekante verlaufen, wobei grundsätzlich auch eine einander kreuzende Anordnung der Zugmittel möglich ist. Ein auf den Momentaufnehmer ausgeübtes Drehmoment verschwenkt den Messaufnehmer und verursacht oder erhöht eine Zugspannung der Zugmittel, wobei beides als Maß für das auf den Momentaufnehmer ausgeübte Drehmoment herangezogen werden kann. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht drei radial und mit gleichen Winkelabständen angeordnete Zugmittel vor.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zugmittel gespannt sind, d. h. eine Zug-Vorspannung aufweisen, wenn kein Drehmoment auf den Momentaufnehmer ausgeübt wird. Ein auf den Momentaufnehmer ausgeübtes Drehmoment erhöht die Zugspannung der Zugmittel. Die Vorspannung hat den Vorteil einer stabilen und ortsfesten Aufhängung des Momentaufnehmers und dass von vorn herein eine Kraft auf den Momentaufnehmer ausgeübt wird, die einem auf den Momentaufnehmer ausgeübten Drehmoment entgegenwirkt. Lose Zugmittel und ein momentfreier Schwenkwinkel des Momentaufnehmers werden vermieden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zugmittel in Bezug auf einen Umfang des Momentaufnehmers nach innen versetzt am Momentaufnehmer angreifen. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht einen Momentaufnehmer mit großem Durchmesser oder allgemein großer Querschnittsfläche und damit einen mechanisch stabilen Momentaufnehmer. Gleichzeitig bewirkt ein auf den Momentaufnehmer ausgeübtes Drehmoment einen großen Schwenkwinkel des Momentaufnehmers und eine große Zugkraft auf die Zugmittel, wenn die Zugmittel mit kleinem Abstand von einer Drehmomentachse am Momentaufnehmer, also weit nach innen versetzt am Momentaufnehmer angreifen. Weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung ist eine Drehmomentmessvorrichtung mit kleinem Durchmesser bzw. kleinem Umfang, weil sich ein Teil einer Länge der Zugmittel innerhalb des Momentaufnehmers erstreckt.
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Die Zugmittel sind bei Ausführungen der Erfindung in einer Ebene oder auf einer Kegelfläche angeordnet, wobei beide Anordnungen in axialer Richtung gesehen radiale oder in Richtung von Sekanten verlaufende, auch einander kreuzende Zugmittel ermöglichen. Eine Anordnung der Zugmittel auf einer Kegelfläche erhöht eine Steifigkeit der Aufhängung des Momentaufnehmers in einer axialen Richtung, eine Anordnung von Zugmitteln auf zwei entgegengesetzt orientierten Kegelflächen erhöht eine Steifigkeit der Aufhängung des Momentaufnehmers in beiden Achsrichtungen.
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In vorzugsweiser Ausgestaltung der Erfindung greifen jeweils mehrere Zugmittel an axial beabstandeten Stellen am Momentaufnehmer an. Dadurch wird der Momentaufnehmer gegen Kippen, also gegen ein Schwenken um eine Radialachse, gehalten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Drehmomentmessvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die in der Zeichnung gezeigte erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung 1 weist einen zylindrischen Momentaufnehmer 2 auf, der koaxial in einem zylinderrohrförmigen Gehäuse 3 angeordnet ist. Die Zylinderform ist nicht zwingend für den Momentaufnehmer 2. Der Momentaufnehmer 2 ist an beiden Enden mit je drei Zugmitteln 4 aufgehängt. Die Zugmittel 4 können biegeschlaff nach Art von Seilen, elastisch oder biegesteif nach Art von Drahtspeichen sein. Die Aufzählung ist nicht abschließend, sondern beispielhaft. In der gezeichneten Ausführungsform sind die Zugmittel 4 radial nach Art von Speichen und in Radialebenen des Momentaufnehmers 2 an dessen beiden Enden angeordnet. Eine andere Anzahl oder Anordnung der Zugmittel 4 ist möglich. Insbesondere können mehr als drei Zugmittel 4 vorgesehen sein, denkbar ist auch eine Ausführung mit nur zwei Zugmitteln 4, die einander gegenüber am Momentaufnehmer 2 angreifen (nicht dargestellt). Auch können die Zugmittel 4 in Richtung von Sekanten und beispielsweise einander kreuzend, also beispielsweise dreimal zwei Paar einander kreuzender Zugmittel 4 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Abweichend von der Zeichnung können die Zugmittel 4 auf Kegelflächen anstatt in Radialebenen angeordnet sein, wobei die Zugmittel 4 an den beiden Enden des Momentaufnehmers 2 vorzugsweise auf einander entgegengesetzt orientierten Kegelflächen angeordnet sind. Durch die Anordnung der Zugmittel 4 auf Kegelflächen wird ein Halt des Momentaufnehmers 2 in axialer Richtung verbessert.
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Die Zugmittel 4 sind gespannt, in der Ausführungsform mit Schraubnippeln 5, die am Gehäuse 3 eingehängt sind. Grundsätzlich genügt eine Spannmöglichkeit eines der Zugmittel 4 an jedem Ende des Messaufnehmers 2, das gilt jedenfalls für drei Zugmittel 4.
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In der gezeichneten Ausführungsform der Erfindung greifen die Zugmittel 4 nahe einem Zentrum bzw. einer Achse des Momentaufnehmers 2 an diesem an. Die Angriffsstellen der Zugmittel 4 am Momentaufnehmer 2 sind beispielsweise höchstens ½ eines Radius vom Zentrum bzw. der Achse des Momentaufnehmers 2 entfernt, vorzugsweise greifen die Zugmittel 4 mit ungefähr 1/3, ¼ oder 1/10 des Radius des Momentaufnehmers 2 entfernt von dessen Zentrum bzw. Achse an. Der zentrums- bzw. achsnahe Angriff der Zugmittel 4 am Momentaufnehmer 2 hat zum einen den Vorteil, dass die Zugmittel 4 bei gegebener Länge weniger weit nach außen über den Momentaufnehmer 2 vorstehen, was eine kleinere Drehmomentmessvorrichtung 1 ermöglicht. Zum anderen hat der zentrums- bzw. achsnahe Angriff der Zugmittel 4 am Momentaufnehmer 2 den Vorteil einer höheren Auflösung der Drehmomentmessung, weil ein gegebenes, um die Achse des Momentaufnehmers 2 wirkendes Drehmoment eine größere Kraft auf die Zugmittel 4 bewirkt, wenn die Zugmittel 4 zentrums- bzw. achsnah und nicht außen an einem Umfang des Momentaufnehmers angreifen. Ein dritter Vorteil ist ein verhältnismäßig massiver und damit stabiler Momentaufnehmer 2.
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Durch das Aufhängen bzw. Einspannen des Momentaufnehmers 2 an seinen beiden Enden, d. h. an axial beabstandeten Stellen, ist der Momentaufnehmer 2 stabil gegen Kippen um eine radiale Kippachse gehalten. Axial bezieht sich auf eine Achse senkrecht zu den Radialebenen, in denen sich die Zugmittel 4 befinden. Sind die Zugmittel 4 auf Kegelflächen angeordnet, bezieht sich axial auf Achsen der Kegel.
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Um ein Drehmoment auf den Momentaufnehmer 2 ausüben zu können, weist dieser in der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform drei Gewindelöcher 6 an einem Stirnende auf, an denen ein Teller, eine Reibscheibe, eine Welle usw. mit dem Momentaufnehmer 2 verschraubt werden kann (nicht dargestellt). Das Ausüben eines Drehmoments auf den Momentaufnehmer 2 um dessen Achse verschwenkt den Momentaufnehmer 2 und bewirkt bzw. erhöht eine Zugspannung der Zugmittel 4. Sowohl ein Schwenkwinkel des Momentaufnehmers 2 als auch die Zugspannung bzw. die Erhöhung der Zugspannung der Zugmittel 4 sind messbar und ein Maß für das auf den Momentaufnehmer 2 ausgeübte Drehmoment, wobei eine Abhängigkeit nichtlinear ist, sondern ein kleines Drehmoment einen verhältnismäßig größeren Schwenkwinkel des Momentaufnehmers 2 und eine verhältnismäßig höhere Zugspannungsänderung der Zugmittel 4 bewirkt als ein größeres Drehmoment. Das bedeutet, die Drehmomentmessvorrichtung 1 weist für kleine Drehmomente eine verbesserte Auflösung auf. Messeinrichtungen für den Drehwinkel des Momentaufnehmers 2 und die Zugspannung eines der Zugmittel 4 (es genügt die Messung der Zugspannung eines Zugmittels 4) sind in der Zeichnung symbolisch mit einem Weg- bzw. Drehwinkelsensor 7 und einem Kraftsensor 8. Es genügt eine der beiden Messmöglichkeiten.
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Die Zugmittel 4 können starr, womit winkelfest gemeint ist, oder schwenkbar am Momentaufnehmer 2 und/oder dem Gehäuse 3 befestigt sein. In der Ausführungsform sind die Zugmittel 4 mit Nippeln 9 schwenkbar am Momentaufnehmer 2 und mit den Schraubnippeln 5 winkelfest am Gehäuse 3 befestigt.
