DE19720325C1 - Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen - Google Patents
Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von ArmaturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von
Armaturen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 42 39 947 C1 ist ein derartiger Stellantrieb bekannt, bei dem an der für den
Handantrieb vorgesehenen die Schnecke tragenden Schneckenwelle eine
membranartige Scheibe aus hartem Werkstoff in axialer Richtung an dieser
festliegend angeordnet ist. Die Scheibe ist mit ihrem in radialer Richtung von der
Schneckenwelle und der dortigen Befestigung abliegenden Außenumfang in axialer
Richtung festliegend abgestützt. Auf wenigstens einer Seite der Scheibe ist
mindestens ein Dehnungsmeßstreifen appliziert, der zusammen mit der Scheibe eine
Kraftmeßvorrichtung bildet. Aufgrund der tiefen Einbaulage innerhalb des
Stellantriebes und der Vielzahl der die Scheibe umgebenden Maschinenelemente ist
die Zugänglichkeit der Kraftmeßvorrichtung erschwert.
Darüber hinaus ist beim bedarfsweisen Ausbau der Schnecke bzw. schneckennaher
Maschinenelemente stets auch der Ausbau sowie die Abkabelung der
Kraftmeßeinrichtung sowie deren anschließender Wiedereinbau und Anschluß der
Verbindungsleitungen erforderlich und störend. Insbesondere ist der dabei notwendige
Eingriff in die elektrische Verschaltung des Stellantriebes fehlerträchtig.
Aus der DE 295 04 573 U1 ist ein Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit einem
Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten, umlaufbaren Getriebe bekannt, bei
dem das Getriebe radial beweglich und mit einer Außenverzahnung ausgestattet ist,
die mit einer Schnecke auf einer zum Getriebe tangential angeordneten
Schneckenwelle in Eingriff steht. Dabei sind der Schneckenwelle eine
Kraftmeßeinrichtung zur Erfassung axialer Verschiebungen der Schneckenwelle und
Mittel zur manuellen Bedienung des Stellantriebes beigeordnet. Weiterhin ist dabei
vorgesehen, daß die Kraftmeßeinrichtung einen Kraftmeßbalken mit
Dehnungssensoren umfaßt, der einseitig geführt an einer Wandung des Gehäuses so
befestigt ist, daß das freie Ende des Kraftmeßbalkens in Richtung der Wandebene
beweglich ist, und in dessen freiem Ende ein Ende der Schneckenwelle axialspielfrei
drehbar gelagert ist.
Prinzipbedingt ist diese Art der Kraftmeßeinrichtung auf die Erfassung axialer
Verschiebungen eines Getriebeelements beschränkt und somit für Getriebe ohne axial
verschiebliche Getriebeelemente ungeeignet.
Weiterhin ist aus der Veröffentlichung "FAG Kraftmeßsystem MGZ", FAG Kugelfischer
Georg Schäfer KGaA, Publ. Nr. 55 130 DA ein Kraftmeßlager bekannt, das aus einem
Kraftmeßlagergehäuse und einem darin eingebauten Wälzlager besteht. Dieses
Gehäuse besteht aus zwei Ringen, nämlich einem inneren Ring, der das Wälzlager
aufnimmt, und einem äußeren Ring, der am Maschinenständer befestigt wird. Innerer
und äußerer Ring sind durch einen Steg elastisch miteinander verbunden. Dieser Steg
ist das eigentliche Meßglied. Wird das Wälzlager durch eine Kraft belastet, so wird der
Steg auf Biegung beansprucht. Die Biegungen führen zu Dehnungen und
Stauchungen an den Flanken des Steges. Die Dehnungen und Stauchungen sind der
angreifenden Kraft proportional und werden zur Messung der Kraft benutzt. Die
Messung erfolgt mit vier Dehnungsmeßstreifen, die auf den Flanken des Steges
aufgeklebt sind.
Da die Dehnungsmeßstreifen ölfrei zu halten sind, muß die vom Wälzlager
aufgenommene Getriebewelle aus dem Ölraum herausgeführt werden, was als
konstruktiv aufwendig und demzufolge nachteilig angesehen wird.
Darüber hinaus ist aus der Veröffentlichung "Das Kraftmeßlager, ein Hilfsmittel zum
Erkennen betriebs- und verfahrensbedingter Kräfte in Maschinen", D. Frase, SKF
Schweinfurt, WTS 74 07 20, ein Meßlager bekannt, bei dem eine begrenzte Anzahl
von Wälzkörpern die Belastung auf Wälzlagerringe übertragen, die über ihren Umfang
unterschiedlich beansprucht werden. Bei sich drehender Welle laufen die
Beanspruchungsverteilungen mit den Wälzkörpern in den Ringen um. Im
Kraftmeßlager wird die der Ringbeanspruchung proportionale Dehnung gemessen, die
ein Maß für die Größe der wirkenden Kraft ist.
Nachteiligerweise ist dieses Kraftmeßlager nicht geeignet zum Messen von
Kraftkomponenten, um daraus die resultierende Kraft zu ermitteln.
Schließlich ist aus der DE 44 36 628 C1 eine Vorrichtung zur Messung einer
Durchbiegung eines Zylinders einer Rotationsdruckmaschine bekannt, bei der die
Durchbiegung des Zylinders auf einen Biegestab übertragen wird, der mit
Meßelementen ausgestattet ist. Dazu weist der Zylinder einen Zylinderzapfen auf, der
neben seiner drehbaren und axial verschieblichen Lagerung in einem Gestell über
einen gelenkigen Adapter mit dem Biegestab verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßeinrichtung in einem
Stellantrieb zur stationären Ermittlung und Überwachung von Abtriebskenngrößen
eines Getriebes anzugeben, die auf ein axial veschiebliches Getriebeelement
verzichtet und die Nachteile bekannter Kraftmeßlager vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüche 2 bis 4
beschrieben.
Die Erfindung geht von einem Stellantrieb mit einem Motor und einem in einem
Gehäuse angeordneten Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe aus, die aus
einem angetriebenen und einem treibenden Getriebeelement besteht, wobei das
treibende Getriebeelement auf einer Welle angeordnet ist, deren Wellenstümpfe in
Lagern gehaltenen sind.
Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das Lager mindestens eines der
Wellenstümpfe in einer radial verschieblichen, an einem mit dem Gehäuse fest
verbundenem Zapfen geführten Lagerschale angeordnet ist, wobei der Zapfen als
Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen
Verbiegung versehen ist.
Die am treibenden Getriebeelement wirkende Umfangskraft, die dem treibenden
Drehmoment entspricht, bewirkt nach der Lehre der Kräfteverschiebung auf den
Drehpunkt auf die Lager wirkende Abstützkräfte, die sich beim festen Lager gegen das
Gehäuse richten und beim verschieblich angeordneten Lager auf die Lagerschale
fortpflanzen und eine radiale Verschiebung der Lagerschale hervorrufen. Die radiale
Verschiebung der Lagerschale bewirkt auf den Zapfen ein stellkraftabhängiges
Biegemoment, das mit den Detektoren erfaßt wird und einem nicht näher
beschriebenen Meßwertverarbeitungsmittel zuführbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Stellantriebes
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt eines Getriebes mit einer
Kraftmeßeinrichtung
Der prinzipielle Aufbau eines Stellantriebes ist in Fig. 1 dargestellt. Ein derartiger
Stellantrieb umfaßt einen Motor 14 und ein Getriebe 15 mit einem Abtrieb 16, der mit
der zu steuernden Armatur 17 verbunden ist. Je nach Bauart der Armatur 17 kann der
Abtrieb 16 axial oder radial beweglich ausgeführt sein. Unabhängig von der Bauart der
Armatur 17 weist das Getriebe 15 mindestens eine Getriebestufe auf, an der eine Kraft
gemessen wird, die zur Stellkraft am Abtrieb 16 proportional ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 besteht diese in einem das Getriebe 15
umgebenden Gehäuse 7 angeordnete Getriebestufe aus einem angetriebenen
Getriebeelement 2 und einem treibenden Getriebeelement 1, wobei das treibenden
Getriebeelement 1 auf einer Welle 5 angeordnet ist, deren Wellenstümpfe 51 und 52
in Lagern 31 und 32 gehaltenen sind. Dabei sind das treibenden Getriebeelement 1
und das angetriebene Getriebeelement 2 als Stirnräder ausgeführt.
Das dem treibenden Getriebeelement 1 näher liegende Lager 32 ist in einer radial
verschieblichen, an einem zu dem Gehäuse 7 lagefixierten Zapfen 6 geführten
Lagerschale 4 angeordnet. Dabei ist der Zapfen 6 als Biegebalken in einem Durchlaß
des Gehäuses 7 ausgeführt. Dazu ist das lagerschalenferne Ende des Zapfens 6 auf
einer Montageplatte 8 befestigt, die mit Schrauben 9 fest mit dem Gehäuse 7
verbunden ist. Die Lagerschale 4 ist auf einer Innenfläche des Gehäuses 7 abgestützt.
Der Zapfen 6 ist mit Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen
Verbiegung versehen. Vorzugsweise sind die Detektoren 11 zur Erfassung seiner
stellkraftabhängigen Verbiegung am längst möglichen Hebelarm des Zapfens 6
angeordnet. Die Detektorposition, die in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 10 versehen
ist, liegt in unmittelbarer Nähe der Montageplatte 8 am lagerschalenfernen Ende des
Zapfens 6, einer Position, an der der Grad der Verbiegung des Zapfens 6 maximal
wird.
Die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung sind mit einer
Dichtung 12 gegen eindringendes Schmieröl aus dem Getrieberaum geschützt. Da die
an die Dichtung 12 angrenzenden Bauteile rotationsfrei, axialverschiebungsfrei und nur
geringfügig radial gegeneinander beweglich sind, genügt dazu vorteilhafterweise eine
Dichtung 12 einfachster Bauart, beispielsweise eine Radial-Wellendichtring nach DIN
3760.
Die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung sind als für
sich bekannte Dehnungsmeßstreifen ausgeführt, die mit einer nicht dargestellten
Auswerteeinrichtung verbunden sind.
Während des Betriebes wird über den Momentenfluß 13 am treibenden
Getriebeelement 1 gegen den Widerstand des getriebenen Getriebeelements 2 eine
treibende Umfangskraft 61 entwickelt, die dem treibenden Drehmoment entspricht.
Nach der Lehre der Kräfteverschiebung auf den Drehpunkt bewirkt diese treibende
Umfangskraft 61 auf die Lager 31 und 32 wirkende Abstützkräfte 62 und 63, die sich
beim festen Lager 31 gegen das Gehäuse 7 richten und beim verschieblich
angeordneten Lager 32 auf die Lagerschale 4 fortpflanzen und eine zur treibenden
Umfangskraft 61 proportionale, radiale Verschiebung der Lagerschale 4 hervorrufen.
Die radiale Verschiebung der Lagerschale 4 bewirkt auf den Zapfen 6 ein
stellkraftabhängiges Biegemoment, das mit den Detektoren 11 erfaßt wird und einem,
nicht näher beschriebenen, jedoch für sich bekannten Meßwertverarbeitungsmittel
zuführbar ist.
Dabei ist es von Vorteil, das dem treibenden Getriebeelement 1 näherliegende Lager
32 verschieblich anzuordnen. Die treibende Umfangskraft 61 wird dabei über den
kürzeren Hebel der Welle 5 in eine proportionale Abstützkraft 62 transformiert, die bei
vorgegebener maximaler Verbiegung des Zapfens 6 im interessierenden
Stellkraftbereich des Stellantriebs zu meßbaren Stellkräften führt. An einer Vorgabe
der maximalen Verbiegung des Zapfens 6 besteht ein konstruktives Interesse insoweit,
als jede Lageverschiebung der Welle 5 das Traktionsverhalten des treibenden
Getriebeelements 1 zum getriebenen Getriebeelement 2 beeinflußt.
Insbesondere bei Ausführung des treibenden Getriebeelements 1 und des getriebenen
Getriebeelements 2 als Stirnräder ist eine im wesentlichen konstante Beabstandung
der das treibende Getriebeelement 1 tragenden Welle 5 zu der das getriebene
Getriebeelement 2 tragenden, nicht dargestellten Welle im Hinblick auf das
Verschleißverhalten der Getriebestufe einzuhalten.
1
treibendes Getriebeelement
2
getriebenes Getriebeelement
31
,
32
Lager
4
Lagerschale
5
Welle
6
Zapfen
7
Gehäuse
8
Montageplatte
9
Schraube
10
Detektorposition
11
Detektor / Dehnungsmeßstreifen
12
Dichtung
13
Momentenfluß
14
Motor
15
Getriebe
16
Abtrieb
17
Armatur
51
,
52
Wellenstumpf
61
treibende Umfangskraft
62
,
63
Abstützkraft
Claims (4)
1. Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit
einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten Getriebe mit
mindestens einer Getriebestufe bestehend aus einem angetriebenen und einem
treibenden Getriebeelement, wobei das treibende Getriebeelement auf einer
Welle angeordnet ist, deren Wellenstümpfe in Lagern gehaltenen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Lager (31, 32) mindestens eines der Wellenstümpfe (51, 52) in einer
radial verschieblichen, an einem mit dem Gehäuse (7) fest verbundenem Zapfen
(6) geführten Lagerschale (4) angeordnet ist, wobei der Zapfen (6) als
Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren (11) zur Erfassung seiner
stellkraftabhängigen Verbiegung versehen ist.
2. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung
am längst möglichen Hebelarm des Zapfens (6) angeordnet sind.
3. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung
Dehnungsmeßstreifen in geeigneter Form sind.
4. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet,
daß das dem treibenden Getriebeelement (1) näherliegende Lager (32)
verschieblich angeordnet ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997120325 DE19720325C1 (de) | 1997-05-15 | 1997-05-15 | Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen |
DE1998134554 DE19834554A1 (de) | 1997-05-15 | 1998-07-31 | Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19720325C1 (de) |
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1997
- 1997-05-15 DE DE1997120325 patent/DE19720325C1/de not_active Expired - Fee Related
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DE-Z.:"FAG Kraftmeßsystem MGZ", FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, Publ. Nr. 55130DA * |
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EP1314871A3 (de) * | 2001-11-23 | 2003-10-22 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Bestimmung der Lagerkräfte einer angetriebenen Welle, insbesondere für Kraftstoffeinspritzpumpen von Brennkraftmaschinen |
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