DE2157551A1

DE2157551A1 - Torsionsmeter

Info

Publication number: DE2157551A1
Application number: DE19712157551
Authority: DE
Inventors: Sidney Walter Thurlston Torquay Devon Gough (Großbritannien)
Original assignee: Dunlop Holdings Ltd
Current assignee: Dunlop Holdings Ltd
Priority date: 1970-11-19
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1972-05-25
Also published as: DE2157551B2; GB1369590A; JPS5431713B1; DE2157551C3

Description

DR. MOLLER-BOR^ DlPL-PHYS. DR. MANITZ DiPL-CHEM. DR. DEUFEL

DlPL-JNQ.FINSTERWALD DlPL-ING. GRÄMKOW 2157551

PATENTANWÄLTE

■KL/DT - D 1287 19. NOV. 1871

DUHLOP HOLDINGS LIMIED . Dunlop House, Ryder Street, St. James's, London S.W. 1 EtTGIAUD

Torsionsmeter

Die Erfindung bezieht sich auf ein Torsionsmeter und betrifft insbesondere ein Torsionsmeter bzw. ein Drehmomentenmeter vom Phasendrehungstyp.

Torsionsmeter dieses Typs umfassen im allgemeinen eine Torsionswelle, die sich torsionsmässig verdreht bzw. verdrillt, wenn zwischen ihren -Enden eine Torsionskraft bzw.. ein Drehmoment angelegt wird, und zwei ähnliche geschlitzte Scheiben, eine an jedem Ende der Welle,

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Jede Scheibe ist mit einer Lichtquelle und einer fotoelektrischen Zelle vorgesehen, die so angeordnet sind, dass bei einem Drehen der Scheibe die Schlitze Lichtimpulse zu der photoelektrischen Zelle durchtreten lassen. Die Frequenz der Impulse ist abhängig von der Anzahl der Schlitze und der Dreh-*· geschwindigkeit. Durch eine VinkelverSchiebung zwischen den zwei Scheiben infolge eines Verdrillens der Welle durch ein angelegtes Drehmoment bzw. eineangelegte Torsionskraft wird eine Phasendrehung Zwischen den Impulsen von den zwei Scheiben hervorgerufen und es wird ein Phasendrehungsmeter zur Messung dieser Phasendrehung·benutzt.

Solche Einrichtungen können nur eine angelegte Torsionskraft bei Drehzahlen oberhalb einer minimalen Drehzahl messen, die zur Erzeugung einer Schwellenfrequenz ■ genügt, die für das Phasenmeter erforderlich ist. Eine Eichung der Einrichtung ist durch diese Begrenzung erschwert und einer statischen Eichung der Verdrillung gegenüber der Torsionskraft muss eine Phasehdrehungs-Berechnung folgen, um eine Eichung des Meters für ein Ablesen einer Torsionskraft bzw. eines Drehmomentes zu ermöglichen.

Erfindungsgemäss umfasst ein Phasendrehungs-Torsionsmeter eine in Winkelrichtung flexible torsionsempfindliche Einrichtung, zwei Unterbrecherglieder, von denen eines an jeder Seite der torsionsempfindlichen Einrichtung angebracht und mit dieser drehfest verbunden ist, Einrichtungen zum Eichten eines Energiestrahles auf einen Unterbrecherbereich von jedem der Glieder, zwei Energiedetektoren, von denen einer so angebracht ist,

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dass er die von dem Unterbrecherbereich eines- der Unterbrecherslieder kommende Energie empfängt, und der andere so angebracht ist, dass" er die von dem Unterbrecherbereich des anderen Gliedes kommende Energie empfängt, eine Einrichtung zum Durchkreuzen beider Energiestrahlen mit der gleichen Frequenz zum Abtasten bzw. Bestreichen der empfindlichen Bereiche der entsprechenden ",Detektoren, und ein phasenempfindliches Meter zum Vergleichen der Phase der Ausgangssignale von den zwei Energiedetektoren.

Jedes Unterbrecherglied kann eine Scheibe oder eine Trommel sein, die einen sich axial erstreckenden Abschnitt aufweist, der mit einem Unterbrecherbereich vorgesehen ist. -

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben} in dieser zeigt:

Fig. 1 ' eine Draufsicht eines Torsionsmeters mit einer torsionsempfindlichen Welle,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Unterbrecherscheibe und einer ihr zugeordneten Abtastscheibe (scanning disc),

Fig. 3 eine Seitenansicht der. Fig. 2, in der

Einzelheiten der Iiichtquelle und des Detektors dargestellt sind,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsfοrm mit einem Torsions arm bzw. Drehmomentenarm und

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!Figuren 5 und 6 ein Mehrbereichs-Iorsionsmeter.

Bei einer ersten Ausführungsform, die in Figur 1 dargestellt ist, basiert ein Torsionsmesser auf einer üorsionswelle 1, die eine Stahlwelle umfasst, die so dimensioniert ist, dass sie sich unter dem Einfluss eines zwischen ihren Enden 2 und 3 angelegten Drehmomentes bzw. einer solchen Torsionskraft in einer solchen Weise elastisch verdreht bzw. verwindet, dass der Verdrehungswinkel proportional zu der angelegten torsionskraft bzw, dem angelegten Drehmoment ist. ·

Zwei ähnliche Unterbrecherscheiben 4,5 sind, jede an einem Ende der Welle 1, an den Endabschnitten 2, 3 starr befestigt. Jede Unterbrecherscheibe 4,5 weist eine Seihe von in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet en',radial en Schlitzen 6, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, um ihren Umfang auf.

Zwei ähnliche abtastende Scheiben 7» 8 sind an einer Welle 9 in einer solchen Weise angebracht, dass die äusseren Kanten der Scheiben jedei der Unterbrecherscheiben 4, 5 überlappen. Die Welle 9 ist mit einem kleinen Motor 10 konstanter Drehzahl vorgesehen, so dass die Abtastscheiben in einer Eichtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Unterbrecherscheiben gedreht werden können. Jede Jtbtastscheibe 7»8 weist eine Seihe von Löschern 11 auf, die gleichmässig mit Abstand um die Scheibe bei einem solchen Badius angeordnet sind, dass die Löscher die Schlitze 6 in den Unterbrecherscheiben 4,5 überlappen. Die Löscher 11 sind mit einem nachfolgend erläuterten Abstand von-

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_ 5 — '

einander angeordnet.

In dem Überlappungsbereich einer Unterbrecherscheibe 4 und der dieser zugeordneten Äbtastscheibe 7 ist auf einer Seite eine photoelektrische Zelle*12 angeordnet* Die photoelektrische Zelle 12 ist von dem Kegelreflektortyp, der Licht über einen rechtwinkligen Bereich 13 empfängt, welcher so angeordnet ist, dass er sich hinter dem Überlappungsbereich befindet, iftaf der anderen Seite-der Scheiben ist eine Lichtquelle 14 vorgesehen. Die andere Unterbrecherscheibe 5 unä ihre zugeordnete Abtastscheibe 8 sind mit einer ähnlichen Lichtquelle 15 und photoelektrischen Zelle 16 vorgesehen.

Die Ausgangssignale von den photoelektrischen Zellen 12, 16 werden auf ein ph as en empfindliches Frequenzmeter 17 gegeben, das eine Anzeige proportional zu irgendeiner Phasendifferenz zwischen den zwei Ausgangssignal· en liefert.

Die Ausgangsfrequenz des Signals von einer photoelektrischen Zelle besteht aus zwei Komponenten. Die erste Komponente ist durch die Anzahl von Lichtstrahlen ge-

, ,. „ . , , , ,. .b?w. JStrahlBnzsrlegungsscheibe geben, die pro Sekunde durch die Ab tast scheibe/das Zellenfenster 13 durchqueren, und die Frequenz dieser Komponente ist grosser als die Schwellenfrequenz des phasenempfindlichen Meters vorgesehen, in_dem die Abtastscheibe mit einer genügend hohen Drehzahl gedreht wird. Die zweite Komponente ist durch jegliche Unter-, brechung_gegeben, die in dem durchquerenden Strahl aus-— geführt wird, wenn er das Fenster 13 durchkreuzt. Diese · Unterbrechungen erfolgen durch die Unterbrecherscheibe und sind von der Drehzahl dieser Scheibe und der Anzahl

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von Schlitzen, die diese aufweist, abhängig.

Die Löscher 11 können mit einem Abstand angeordnet sein, der grösBer als die Distanz über das Fenster IJ ist, so dass nur ein Loch zu-irgend einer gegebenen Zeit Licht zu der Zelle durchlässt." Alternativ können die Löcher mit einem Abstand angeordnet sein, der gleich dem Abstand oder ein Vielfaches des Abstandes der Schlitze in den Unterbrecherscheiben ist, und in diesem Fall . sollten die Löcher enger in der Umfangsbreite als die * Distanz zwischen den Kanten von benachbarten Schlitzen in der Unterbrecherscheibe sein, um zu gewährleisten, dass die photoelektrische Zelle keinen kontinuierlichen Lichtstrahl empfängt.

Die "^usgangsfrequenz von der anderen '..photoelektrischen Zelle ist in der gleichen Weise aufgebaut. Weiterhin ist, , da jede Unterbrecherscheibe 4,5 die gleiche Anzahl von Schlitzen aufweist und sich mit der Torsionswellen-Drehzahl dreht und da jede Abtastscheibe 7i⁸ die gleiche Anzahl von Löchern aufweist und durch die gleiche Welle 9 gedreht wird, die Ausgangsfrequenz :' :. jeder photoelek- \ trischen Zelle die gleiche. Jedoch hat jegliches Verbiegen bzw. Verwinden bzw. Verdrillen der Torsionswelle 1 aufgrund einer Torsionskraft bzw. eines Drehmomentes zwischen ihren Enden 2,3 eine Phasenänderung zwischen den zwei Frequenzen zur Folge, die an dem Meter 17 angezeigt wird.

Es wird jetzt die Eichung des Torsionsmeters beschrieben. Die Torsionswelle 1 wird stationär gehalten und eine Einrichtung wird aufgebaut, die eine Torsionskraft zwischen ihren Enden 2,3 anlegt. Der Kleinmotor 10 wird auf seine konstante Drehzahl eingestellt und es wird

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keine Torsionskraft an die Welle angelegt, "woraufhin jede Photo zelle einen Ausgang ".gleich der Frequenz der an dem Fenster 13 vorbeigehenden Löcher 11 multipliziert mit der Zahl von stationären Schlitzen 6, die sich "bereits über dem Fenster IJ befinden, liefert. Jegliche Phasendifferenz zwi&hen den Signalen ist der Nullfehler bzw. die Nullpunktsabweichung (aufgrund dessen, dass die zwei Unterbrecherscheiben sich nicht in perfekter Ausrichtung befinden) und so wird das Phasenmeter genullt bzw. auf Null eingestellt.

Eine gemessene Torsionskraft bzw. Hesstorsionskraft wird dann an die Welle angelegt, um eine relative Drehung der Scheiben hervorzurufen und eine Phasenänderung-in den Signalen zu erzeugen. Durch wiederholtes Anlegen einer verschiedenen statischen Torsionskraft ist eine vollständige Eichung der Meterskala in direkten Torsionsmesswerten möglich. ■

Es wird jetzt die Benutzung des Torsionsmeters beschrieben. Wenn die Einrichtung einmal geeicht ist, kann sie 'für! eine direkte Torsionsmessung benuteb werden, während sich die Torsionswelle dreht. Messungen können von einer Torsionswellen-Drehzahl Null !fall an aufwärts ausgeführt werden, da die Abtastscheiben gewährleisten, dass selbst bei der Drehzahl Nullceine gegebene Signalfrequenz das Torsionsmeter- bzw. Drehmomentmeter erreicht.

Bei einer zweiten in Fig. 4 dargestellten AusführungB-

form werden J>ei,einemDrehmomentemneter die Unterbrecherbzw. Strahlenzeriegungsscheiben und Abtastscheiben/wie bei 3er ersten Ausführungsfoxm benutzt. Die Drehmomentenwelle ist jedoch durch einen Drehmomentenarm 18 ersetzt, der eine Drehverschiebung der Enden 2,3 in Abhängigkeit von dem " übertragenen Dreh-

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moment, gestattet. ^;

Bei einer dritten, in den Figuren 5 und 6 .dargestellten Ausführungsform ist ein lorsionsmeter im wesentlichen so angeordnet, wie es in.bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass die Abtast- und Unterbrecher scheiben mit mehr als einer Reihe von Löchern bzw. Schlitzen vorgesehen sind. Jede Seihe 19, 20 von Schlitzen ist so angeordnet, dass sie eine verschiedene Anzahl von Schlitzen aufweist, und so kann durch eine geeignete Anpassung des Frequenzmeters das ÜJorsionsmeter so angeordnet sein, dass es als ein MehrbereichBinstrument zur Messung einer Torsionskraft bzw. eines Drehmomentes über einen weiten Bereich von Torsions* wellen-Drehzahlen dient* In Fig. 5 ist ebenfalls eine Überl&ßtungB-Schutzeinrichtung dargestellt, die zwei Klaueneinrichtungen bzw. Mitnehmer einrichtungen 21,22 umfasstv /öle an. gegenüberliegenden Enden der Torsionswelle ©ngebraöhj* und so ".ineinandergreifend angeordnet sind* dass ei© üfeermässiges Verdrillen der Welle und ein mögliches permanentes Verdrillen verhindert ist.

Be kann eine andere Einrichtung als die Abtast scheibe

benutzt werden* aam einen Strahl den Detektorbereich r j. ' zu !»ssen

icher Weise kann eine einzige Licht-

werden und können zwei getrennte, wenngleich synchronisierte Motoren benutzt werden, die Ab-

tastscheibe zu drehen. Weiterhin können die Öffnungen in den Scheiben irgend eine geeignete Gestalt ebenso wie

• das Fenster der photoelektrischen Zelle aufweisen.

Irgendeine Energiequelle, die leicht unterbrechbar ist, kann zusammen mit einem geeigneten Detektor benutzt werden.

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Die Erfindung ist nicht auf die Benutzung von Lichtenergie beschränkt.

Ein besonderes Merkmal eines Phasendrehungs-Iorsionsmeters gemäss der Erfindung besteht darin, dass es in der Lage ist, die Torsionskraft bzw. das Drehmoment in einerWelle zu messen, die entweder stationär ist oder sich dreht.

Patentansprüche -

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Claims

- ίο -

Pat ent ansprüch e

Phasendrehungs-Torsionsmeter mit einer in Winkelrichtung flexiblen iforsionsempfindliehen Einrieh-. tung, gekenn, ζ ei chne. t durch zwei Unterbrecherglieder (4,5) von denen eines an jeder Seite der torsionsempfindlichen Einrichtung (l) angebracht und' mit dieser d-rehf est verbunden ist, Einrichtungen (14,15) zum Eichten eines Energiestrahls auf einen Unterbrecherbereieh von jedem der Glieder (4,5)_} zwei Energiedetektoren (12,16), von denen einer so angebracht ist, dass er die von dem Unterbrecherbereieh eines der Unterbrecherglieder kommende Energie empfängt, und der andere so angebracht ist, dass er die von dem Unterbrecherbereieh des anderen Gliedesjfcommende Energie emp%ngt, eine Einrichtung (7,8,9,10) zum Durchkreuzen beider Energiestrahlen mit der gleichen Frequenz so, dass die empfindlichen Bereiche (13Ϊ-der entsprechenden Detektoren abgetastet werden, und ein phasenempfindliches Meter (17) zum Vergleichen der Phase der Ausgangssignale von den zwei Energiedetektoren.

Torsionsmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass ein EnergiestraTil quer durch den empfindlichen Bereich (13) eines Detektors (12,16) mittels eines drehbaren abtastenden bzw. zerlegenden Gliedes (7_S8) durchkreuzt wird.

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- li -

3· Torsionsmeter nach Anspruch 2_t dadurch g e ; kennzeichnet , dass ein Paar von zerlegenden Gliedern (7,8) so angeordnet ist, dass es mit einer konstanten Drehzahl gleichzeitig antreibbar ist, und dass jedes Glied . so angeordnet ist, dass es einen Energiestrahl veranlasst, quer durch ein Unterbrecherglied (4,5) hindurchzugehen. . . '

4. TorJonsme teer".-' nach einem der vorhergehenden ,Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Unterbrecherglied mit zumindest zwei j Unterbrecherbereichen (l9,2Q) vorgesehen ist, \ von denen jeder zum intermittierenden Unterbrechen i eines das Unterbrecherglied durchquerenden Energiestrahls angeordnet ist. _a r ;

5· Torsionsmeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η & ζ e i c Ii ώ. e,if_: _t \- dass die Energiestrahlen die empfindlichen Bereiche £13> der Detektoren (12, 16) in einer tung im-weßentliehen entgegengesetzt zu der Sewegungsrichtung der Unterbreckerbereiche der-, ■ Unterbreehergli«der relativ zu den empfindliclien Bereichender Detektoren .durchgueren· "

6. Torsionsmeter nach einem der vorhergehenden sprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e % , dass jeder Energiestrahl ein !lichtstrahl ist,

7. Torsionsmeter nach Aaspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass jeder Energiedetektor (12,16) eine-photo elektrische Zelle ist.

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8. Torsionsmeter nach !Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzei c'h net , dass jedes Unterbrecherglied mit einer od.er mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Reihen (19,20) von Schlitzen oder öffnungen vorgesehen ist zum intermittierenden Passieren von Licht durch das Unterbrecherglied, wenn ein Lichtstrahl durch den empfindlichen Bereich des Unterbrechergliedes fällt.

9. Torsionsmeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass jedes Unterbrecherglied eine Scheibe (4-,5) ist.

10. Torsionsmeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass jedes Abtastglied eine Scheibe (7,8) ist.

11. Törsionsmeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet j dass die in Winkelrichtung flexible tbrsionsempfindiiche Einrichtung ein Torsionsarm bzw. Drehjaomehtanaria (18) ist. ·

12, Torsionsmeter nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet , dass die in Winkelrichtung flexible torsionsempfindliche Einrichtung, eine Torsionswelle bzw. Drehmomentenwelle (1) 1st.

1*5· TdFsiöhsmeier nach Anspruch 12, dadurch g e k e η ή ζ ei c h η e t , dass ein Paar von wechselweise in Eingriff tretenden Klaueneinrichtungen bzw. Mitnehmereinrichtungen (21^22) an gegenüber-

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liegenden Enden der torsionsempfindlichen Einrichtung angebracht ist zur Verhinderung einer übermässigen relativen ¥inkel"bewegung der Enden der iJorsionsempfindlichen Einrichtung.

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