DE2157551C3 - Drehmomentmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmeßvorrich-

lung mit einem durch das zu messende Drehmoment beaufschlagten Torsionselement, an dessen Enden je ein Unterbrecherglied drehfest angebracht ist. mit Einrichtungen zum Richten je eines Energiestrahls auf den jeweiligen Unterbrecherbereich, mit je einem Energiedetektor zur Erfassung des unterbrochenen Energiestrahles und einem phasenempfindlichen Meßinstrument, an das die Ausgangssignale der Energiedetektoren angelegt sind.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-AS 12 24 956 bekannt Diese Vorrichtung ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Ausgangsimpulse der Energiedetektoä ren erst: ab einer bestimmten Minimaldrehzahl mit ausreichender Rate bzw. Frequenz am phasenempfindlichen Meßinstrument anliegen, so daß dieses richtig ansprechen kann. Unterhalb dieser Mininraldrehzahl, insbesondere bei Stillstand des Torsionselementes, ist

ίο die Frequenz der Detektorausgangsimpulse zu gering, die Signale sind für die phasenempfindliche Meßvorrichtung nicht verwendbar, und eine Messung ist nicht möglich.
Bei der Vorrichtung nach der DE-AS 12 24 956 kann keine statische Kalibrierung durchgeführt werden. Es ist nur eine Kalibrierung unter dynamischen Bedingungen oberhalb der minimalen Drehzahl möglich, was einen erheblichen Nachteil bedeutet Auch bedarf die Meßeinrichtung einer relativ aufwendigen Elektronik.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmeßvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau Messungen sowohl bei ruhendem als auch bei bewegtem Torsionselement erlaubt

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß je ein weiteres, den jeweiligen Energiestrahl zusätzlich unterbrechendes Glied un J eine Einrichtung zum synchronen Antrieb der beiden weiteren Unterbrecherglieder vorgesehen ist

Durch die Hinzufügung weiterer, sich synchron bewegender Unterbrecherglieder liefern die beiden Energiedetektoren auch bei ruhendem Torsionselement eine Ausgangsimpulsfolge mit ausreichender Frequenz, so daß in bekannter Weise durch Phasenvergleich eine vom zu bestimmenden Drehmoment abhängige Meßgröße ermittelt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei stillstehendem Torsionselement einfach kalibriert werden, wenn statische Drehmomente von leicht bestimmbarer Größe avi das Torsionselement ausgeübt werden können. Sie ist somit bei ruhendem und bei bewegtem Torsionselement einsetzbar.

Bei entsprechender Auslegung der Unterbrecherglieder und der Detektoren können außer den bekannteres weise eingesetzten Lichtstrahlen auch andere Energiequellen, beispielsweise Ultraschallgeber oder dergleichen verwendet werden.

Für die Messung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Vorrichtung so weitergebildet wird, daß der Querschnitt des durch jedes weitere Unterbrecherglied durchgelassenen Energiestrahls kleiner als der empfindliche Bereich des jeweiligen Energiedetektors ist. Durch Anordnen der weiteren Unterbrecherglieder zwischen der den Energiestrahl aussendenden Einrichtung und dem jeweils ersten Unterbrecherglied wird ein besonders guter Aufbau ermöglicht.

Eine Weiterbildung dadurch, daß die Unterbrecherglieder jeweils mit mindestens zwei Unterbreeherbereichen versehen sind, ermöglicht es, das Torsionsmeßgerät als Mehrbereichsinstrumenl zu verwenden, wobei vereinfachte phasenempfindliche Meßinstrumente mit eingeschränktem Frequenzbereich verwendet werden, ohne daß die Meßgenauigkeit herabgesetzt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung

^h'' der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die bevorzugte Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der ersten Unterbrecherglieder entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der weiteren

Unterbrecherglieder vorgesehen. Dadurch wird die Gefahr vermieden, daß bei fast oder vollständig übereinstimmenden Geschwindigkeiten der Unterbrecherbereichsbewegungen eine Ablesung nicht möglich ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den übrigen Unteransprüchen gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines Torsionsmeßgeräts mit ι ο einer torsionsempfindlichen Welle,

F i g. 2 eine Seitenansicht einer Unterbrecherscheibe und einer ihr zugeordneten Abtastscheibe,

F i g. 3 eine Seitenansicht des Gegenstands der F i g. 2, in der Einzelheiten der Lichtquelle und des Detektors is dargestellt sind,

Fig.4 die Unterbrecherscheibenanordnung eines Mehrbereichs-Torsionsmeßgerätes.

In F i g. 1 ist eine Drehmomentmeßvorrichtung mit einer Torsionswelle 1 gezeigt, die eine Stahlwelle umfaßt, die so dimensioniert ist, daß sie sich unter dem Einfluß eines zwischen ihren Enden 2 und 3 esgelegten Drehmoments auf solche Weise elastisch verdreht bzw. verwindet, daß der Verdrehungswinkel proportional zum angelegten Drehmoment ist

Zwei ähnliche als Unterbrecherglieder dienende Scheiben 4,5 sind an jeweils einem Ende der Welle 1 an den Endabschnitten 2, 3 starr befestigt Jede Unterbrecherscheibe 4,5 weist längs des Umfangs eine Reihe von in Umfangsrichtung mit Abstand angeordneten radialen Schlitzen 6 auf, wie F i g. 2 zeigt

Zwei ähnliche als Unterbrecherglieder dienende Abtastscheiben 7,8 sind an einer Welle 9 so angebracht, daß ihre äußeren Kantenbereiche mit jeder der Unterbrecherscheiben 4,5 überlappen. Es ist eine Welle 9 mit einem kleinen Motor 10 mit konstanter Drehzahl vorgesehen, so daß die Abtastscheiben in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Unterbrecherscheiben gedreht werden können. Jede Abtastscheibe 7,8 -^eist eine Reihe von Löchern 11 auf, die mit gleichem Abstand um die Scheibe herum in solchem radialen Abstand angeordnet sind, daß die Löcher mit den Schlitzen 6 in den Unterbrecherscheiben 4, 5 überlappen. Die Löcher 11 sind in einem Abstand voneinander angeordnet, der erläutert wird.

im Überiappungsbereich einer Uuterbrecherscheibe 4 und der ihr zugeordneten Abtastscheibe 7 ist auf einer Seite eine als Energiedetektor dienende fotoelektrische Zelle 12 angeordnet. Sie ist eine Kegelreflektorzelle, die Licht über einen rechtwinkligen Bereich 13 empfängt, der so angeordnet ist, daß er hinter dem Überlappungsbereich liegt. Auf der anderen Seite der Scheiben ist eine Lichtquelle 14 vorgesehen. Die Unterbrecherscheibe 5 und die ihr zugeordnete Abtastscheibe 8 sind mit einer ähnlichen Lichtquelle 15 und einer fotoelektrischen ss Zelle 16 versehen.

Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Zellen 12, 16 werden einem phasenempfindlichen Frequenzmeßgerät 17 zugeführt, das eine Anzeige liefert, die stets proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden &o Ausgangssignalen ist.

Die Frequenz des Ausgangssignals einer fotoelektrischen Zelle wird aus zwei Komponenten gebildet. Die erste Komponente ist durch die Anzahl der als Energiestrahlen dienenden Lichtstrahlen gegeben, die ^ pro Sekunde die Abtastscheibe durch die Zellenöffnung 13 durchqueren. Die Fre ysenz dieser Komponente liegt oberhalb der Schwellenfrequenz des phasenempfindlichen Meßinstrumentes, was durch Drehen der Abtastscheibe mit genügend hoher Drehzahl erreicht wird. Die zweite komponente ist durch jede Unterbrechung gegeben, die der durchquerende Strahl beim Durchkreuzen der öffnung 13 erfährt Diese Unterbrechungen werden durch die Unterbrecherscheibe bewirkt und sind von der Drehzahl dieser Scheibe und der Anzahl ihrer Schlitze abhängig.

Der Abstand zwischen den Löchern 11 kann größer als die Größe der öffnung 13 sein, so daß jeweils nur ein Loch Licht zu der Zelle durchläßt Alternativ können die Löcher in einem Abstand voneinander angeordnet sein, der gleich dem Abstand der Schlitze in den Unterbrecherscheiben oder ein Vielfaches davon ist In diesem Fall sollten die Löcher in der Umfangsbreite schmaler als der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Schlitze in der Unterbrecherscheibe sein, um zu gewährleisten, daß die fotoelektrische Zelle keinen kontinuierlichen Lichtstrahl empfängt.

Die Frequenz des Ausgangsstufe der anderen fotoelektrischen Zelle ist auf gleiche "Weise gebildet. Da die Unterbrecherscheiben 4, 5 beide dieselbe Anzahl von Schlitzen aufweisen und sich mit der Drehzahl der Torsionswelle drehen und da die Abtastscheibtn 7, 8 beide dieselbe Anzahl von Löchern aufweisen und durch dieselbe Achse 9 gedreht werden, ist die Frequenz der Ausgangssignale der beiden fotoelektrischen Zellen gleich. Jegliches Verbiegen bzw. Verdrillen der Torsionswelle 1 aufgrund eines Drehmoments zwischen ihren Enden 2, 3 bewirkt jedoch eine Änderung der Phasenlage der beiden Signale zueinander, die am Meßgerät 17 angezeigt wird.

Im folgenden wird die Kalibrierung des Torsionsmeßgeräts beschrieben. Die Torsionswelle 1 wird stationär gehalten und eine Einrichtung aufgebaut, die ein Drehmoment zwischen ihren Enden 2, 3 anlegt. Der kleine Motor 10 wird auf seine konstante Drehzahl eingestellt Es wird kein Drehmoment an die Welle angelegt, woraufhin jede Fotozelle ein Ausgangssignal mit einer Frequenz liefert, die gleich der Frequenz der sich an der Öffnung 13 vorbeibewegenden Löcher 11, multipliziert mit der Zahl von stationären Schlitzen 6, die sich bereits über der Öffnung 13 befinden, ist Jede Phasendifferenz zwischen den Signalen ist der Nullpunktfehler (aufgrund nicht perfekter Ausrichtung der beiden Unterbrecherscheiben). Dementsprechend wird der Nullpunkt des Phasenmeßgeräts eingestellt.

Ein gemessenes Drehmoment wird dann an die Welle angelegt, um eine relative Drehung der Scheiben zueinander hervorzurufen und eine Phasenänderung in den Signalen zu erzeugen. Durch wiederholtes Anlegen verschiedener statischer Drehmomente kann die Skala des Meßgeräts vollständig direkt in Drehmomentmeßwerten gereicht werden.

Im folgenden wird jetzt die Benutzung des Torsionsmeßgeräts beschrieben. Ist die Einrichtung einmal kalibriert, kann sie für direkte Drehmomentmessung bei sich drehender Torsionswelle verwendet werden. Die Messungen können von der Drehzahl Null der Torsionsweite an aufwärts ausgeführt werden, da die Äbtastscheiben gewährleisten, daß selbst bei der Drehzahl Null eine gegebene SignaKrequenz das Phasenmeßgerät erreicht.

Bei einer zweiten, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist ein Tnrsionfmeßgerät im wesentlichen entsprechend der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme angeordnet, daß die Abtast- und Unterbrecherscheiben mit mehr als einer Reihe von Löchern

bzw. Schlitzen versehen sind. Jede Reihe 19, 20 von Schlitzen besitzt eine unterschiedliche Anzahl von Schlitzen. Durch geeignete Anpassung des FrequenzmeOgeräts kann das Torsionsmeßgerät so angeordnet sein, daß es als Mehrbereichsinstrument zur Messung eines Drehmoments über einen weiten Bereich von Torsionswellen-Drehzahlen dient.

Statt der Abtastscheibe kann auch eine andere Einrichtung verwendet werden, damit ein Strahl den Detektorbereich durchquert. Auf ähnliche Weise kann eine einzige Lichtquelle verwendet werden, und es können zwei getrennte, wenngleich synchronisierte Motoren zur Drehung der Abtastscheibe verwendet werden. Des weiteren können die Öffnungen in den Scheiben ebenso wie die öffnung der fotoelektrischen Zelle eine beliebige geeignete Form besitzen.

Zusammen mit einem geeigneten Detektor kann jede leicht unterbrechbare Energiequelle verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf die Benutzung von Lichtenergie beschränkt.

Ein Torsionsmeßgerät gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß es auf eine stationäre oder sich drehende Welle ausgeübte Drehmomente messen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche;

1. Drehmomentmeßvorrichtung mit einem durch das zu messende Drehmoment beaufschlagten Torsionselement, an dessen Enden je ein Unterbrecherglied drehfest angebracht ist, mit Einrichtungen zum Richten je eines Energiestrahls auf den jeweiligen Unterbrecherbereich, mit je einem Energiedetektpr zur Erfassung des unterbrochenen Energiestrahles und einem phasenempfindlichen Meßinstrument, an das die Ausgangssignale der Energiedetektoren angelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß je ein weiteres, den jeweiligen Energiestrahl zusätzlich unterbrechendes Glied (7; 8) und eine Einrichtung (9, 10) zum synchronen Antrieb der beiden weiteren Unterbrecherglieder (7; 8) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des durch jedes weitere Unurbrecherglied (7; 8) durchgelassenen Energiestrahfs kleiner als der empfindliche Bereich (13) des jeweiligen Energiedetektors (12; 16) ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Unterbrecherglieder zwischen der den Energiestrahl aussendenden Einrichtung und dem jeweils ersten Unterbrecherglied (4; 5) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecherglieder (4; 5 und 7; 8) jeweils mit mindestens zwei Unterbrecherbereichen (19,20) versehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugte Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der ersten Unterbrecherglieiier (4; 5) entgegensetzt zur Bewegungsrichtung der Unterbrecherbereiche der weiteren Unterbrecherglieder (7; 8) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Energiestrahl ein Lichtstrahl ist und daß die Energiedelektoren (12; 16) fotoelektrische Zellen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Unterbrecherglied (4, S und 7,8) mit einer oder mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden-,Reihen (19, 20) von Schlitzen oder Öffnungen versehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erste Unterbrecherglied eine Scheibe(4;5) ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Unterbrecherglieder mit einer gemeinsamen Achse (9) von einem Synchronmotor (10) angetriebene Scheiben (7; 8) sind.