DE2332056B2

DE2332056B2 - Vorrichtung zur messung des drehmomentes einer welle

Info

Publication number: DE2332056B2
Application number: DE19732332056
Authority: DE
Inventors: James R Vergennes Vt. Parkinson (V.StA.)
Original assignee: Simmonds Precision Products, Ine, Tarrytown, N.Y. (V.St.A.)
Priority date: 1972-06-26
Filing date: 1973-06-23
Publication date: 1978-01-05
Also published as: DE2332056A1; CA981750A; FR2191110A1; CH569962A5; US3796093A; DE2332056C3; FR2191110B3; GB1391756A; JPS4993067A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle bei allen Wellengeschwindigkeiten, einschließlich im Stillstand, mit einer Vergleichseinrichtung, welche mit einer Welle starr verbunden ist und einer auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung, welche ebenfalls mit der Welle starr verbunden, jedoch von der Vergleichseinrichtung versetzt angeordnet ist, und mit mindestens einer Signale erzeugenden Meßeinrichtung, welche nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und derart ausgebildet ist, daß phasenvergleichbare Signale zur Ermittlung eines Signals erzeugt werden, welches einem Drehmoment entspricht.

Bei einer Einrichtung zur Messung einer Phasenverschiebung wird üblicherweise von der Bewegung des Systems, mit dem die Messung durchgeführt wird, ein Sinuswellenpaar erzeugt, indem ein Magnetfluß zwischen einer magnetischen Meßeinrichtung und dem System zur Erzeugung der Sinuswellen aufgerissen wird. Es ist auch bereits bekannt, ein System mit Fotozellen zu verwenden, bei dem ein Lichtstrahl durch Bewegung des Systems unterbrochen wird. Bei der bekannten magnetischen Einrichtung ist ein gezahntes Räderpaar mit dem System fest verbunden und an eine magnetische Meßeinrichtung gekoppelt, während bei einem optischen System geschlitzte Scheiben mit dem System fest

verbunden sind. Das gemessene Kennmerkmal wird auf die relative Stellung der Räder oder Scheiben zueinander bezogen und kann ein Drehmoment, eine Stellung oder irgendeine andere Eigenschaft eines Systems sein, welche durch eine relative Stellungsdifferenz zwischen den Komponenten cx-s Systems dargestellt werden kann.

Wenn ein Drehmoment das zu messende Kennmerkmal ist und das System, bei dem die Messung durchgeführt werden soll, eine Welle aufweist, so ist es bekannt von der Torsion der Welle ein Vergleichssignal und ein drehmoment-empfindliches Signal abzuleiten, wobei die relative Phasendifferenz zwischen den Signalen auf das Drehmoment der Welle bezogen wird.

Im einzelnen ist eine Vergleichsvorrichtung, welche ein gezahntes, an einer Manschette befestigtes Vergleichsrad aufweisen kann, an einer Welle befestigt, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Eine auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, welche ein gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes Rad aufweist, das direkt auf der Welle befestigt ist, ist von dem Punkt, an dem die Manschette der Vergleichseinrichtung befestigt ist, entfernt angeordnet und ist durch ein auf die Welle einwirkendes Drehmoment relativ zur Vergleichseinrichtung winkelmäßig verschiebbar.

Um von der relativen Stellung der zwei gezahnten Räder ein Signal abzuleiten, welches ein Drehmoment anzeigt, wird eine magnetische Meßeinrichtung mit dem gezahnten Vergleichsrad und eine zweite magnetische 3D Meßeinrichtung mit dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad magnetisch gekoppelt. Wenn sich die Welle dreht und die Zähne der zwei Räder an den ihnen zugeordneten magnetischen Meßeinrichtungen vorbei gehen, wird der Magnetfluß zwiischen den magnetischen Meßeinrichtungen und den Rädern gestört, und es werden durch die Meßeinrichtungen nachweisbare elektrische Sinuswellen erzeugt. Da die relative Stellung des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades in Bezug auf das gezahnte Vergleichsrad für die Torsion der Welle kennzeichnend ist, sind die Sinuswellen voneinander um eine Phasendifferenz verschoben, die auf die Stellung der zwei Räder und damit auf das Drehmoment der Welle bezogen ist.

Aus den US-Patenten Nr. 35 38 762 und 35 48 649 sind auch bereits verschiedene Abwandlungen der genannten Systeme bekannt, um eine Fehlausrichtung der Welle zu kompensieren und um an Stelie von zwei Meßeinrichtungen nur eine zu verwenden.

Ein erheblicher Nachteil der bekannten Drehmomentmeßeinrichtungen dieser Art besteht insbesondere darin, daß zwischen dem System und der Meßeinrichtung eine relative Bewegung erforderlich ist, um brauchbare Sinuswellen zu erzeugen. Die gegenwärtig bekannten Meßvorrichtungen sind unwirksam, wenn das System sich im Stillstand befindet. Die bekannten Drehmomentsysteme sind daher nicht in der Lage bei geringen Drehzahlen oder beim Stillstand der Welle Messungen durchzuführen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine t>o Phasenmeßeinrichtung vorzuschlagen, mit der ein Kennmerkmal eines Systems gemessen werden kann, unabhängig davon, ob sich das System bewegt oder nicht. Dabei soll die Phasenmeßeinrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle bei allen hi Wellendrehzahlen, einschließlich Null, möglich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß mindestens eine Meßeinrichtung relativ zur Vergleichseinrichtung und zur auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung bewegbar ist, daß ein Antrieb die Meßeinrichtung bzw. Meßeinrichtungen antreibt, wobei eine die Geschwindigkeit der Welle messende Einrichtung derartig ausgebildet ist, daß der Antrieb dann erregbar ist, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Welle unter einen minimalen Ansprechwert sinkt.

Gegenüber dem Stand der Technik wird der Vorteil erzielt, daß auch bei stehender, oder sehr langsam drehender Welle einige ausreichende Phasenverschiebung meßbar ist.

Die Vergleichseinrichtung und die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung sind vorzugsweise als an sich bekannte gezahnte Räder ausgebildet.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung nach der Erfindung weist die Meßeinrichtung eine oder mehrere Getriebeschnecken auf, die nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Meßeinrichtung ein oder mehrere gezahnte Räder auf, die nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind. Vorzugsweise ist eine zweite Meßeinrichtung relativ zur Vergleichfeinrichtung und zur auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung bewegbar, nahe diesen Einrichtungen angeordnet und mit diesen Einrichtungen gekoppelt, wobei die zweite Meßeinrichtung einen Antrieb aufweist, der diese, gesteuert von der Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit, antreibt. Die zweite Meßeinrichtung ist vorzugsweise zu der ersten Meßeinrichtung um 180° versetzt angeordnet. Die zweite Meßeinrichtung weist vorzugsweise mindestens ein gezahntes Rad auf, das mit der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Meßeinrichtung mindestens eine Getriebeschnecke auf, die mit der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist.

Vorzugsweise ist eine Manschette mit der Welle und eine Wellenstellungsmeßeinrichtung mit der Manschette fest verbunden, und die Wellenstellungsmeßeinrichtung ist in einem Abstand zur Vergleichseinrichtung auf der gegenüberliegenden Seite zur Einrichtung, die auf ein Drehmoment anspricht, angeordnet. Die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, die Vergleichseinrichtung und die Wellenstellungsmeßeinrichtung weisen vorzugsweise gezahnte Räder und die Meßeinrichtung drei Getriebeschnecken auf, die mit den gezahnten Rädern entsprechend gekoppelt sind. In einer Abänderungsform der Erfindung kann die Meßeinrichtung auch drei gezahnte Räder aufweisen, die mit den zuvorgenannten Rädern entsprechend gekoppelt sind.

Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit eine Schaltung auf, die mit mindestens einer Meßeinrichtung gekoppelt ist, welche auf die Ausgangssignale anspricht und welche derart ausgebildet ist, daß der Antrieb erregt werden kann, wenn die Größe des Ausgangssignals vom Meßfühler unter einen minimalen Apsrechwert fällt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Explosionsansicht der bewegbaren

Meßeinrichtung die bei der vorliegenden Erfindung Anwendung findet;

F i g. 2 eine Reihe graphischer Darstellungen, welche die Wirkung der vorliegenden Erfindung beschreiben;

F i g. 3 eine andere Ausführungsform der bewegbaren Meßeinrichtungen, welche bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden;

Fig. 4 eine »Zweiwandler-Zwei Rad«-Drehmomentmeßeinrichtung mit einer bewegbaren Meßeinrichtung nach Fi g. 1;

Fig.5 eine Zweiwandler-Zwei RadM-Drehmomentmeßeinrichtung nach F i g. 3;

Fig.6 eine »Einwandler-Zwei Rad«-Drehmomentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Einrichtung nach F i g. I;

Fig. 7 eine »Einwandler-Zwei Rad«-Drehmomentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Einrichtung nach F ig. 3;

F i g. 8 eine »Dreiwandler-Drei Rad«-Drehmomentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach F i g. 1;

Fig. 9 eine »Dreiwandler-Drei Rad«-Drehmomentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach Fig. 3;

Fig. 10 eine »Vierwandler-Zwei Rad«-Drehmomentmeßeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach F i g. 1;

Fig. 11 eine »Vierwandler-Zwei Rad«-Drehmomentnießeinrichtung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach F i g. 3.

In Fig. 1 ist die bewegbare Meßeinrichtung 10 anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt, welche ein gezahntes ferromagnetische? Rad 11 aufweist, das mit einer nichtmagnetischen Welle 12 befestigt ist. Das gezahnte Rad 11 der magnetischen Meßeinrichtung 10 befindet sich in der Nähe eines gezahnten mit der Welle 14 befestigten ferromagnetischen Rades 13, bei dem die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll, und ist mit diesem gekoppelt. Das gezahnte Rad 11 ist in einem ferromagnetischen Gehäuse 15 untergebracht, welches eine magnetische Kopplung zwischen dem gezahnten Rad 11 und einem Permanentmagneten 16 bewirkt, der für den Magnetfluß im Meßsystem sorgt. Um ein Signal von der relativen Bewegung zwischen dem gezahnten Rad 11 und dem gezahnten Rad 13 ableiten zu können, ist ein eisernes Polstück und eine Meßfühlerspuleneinrichtung 17 mit dem Permanentmagneten 16 verbunden, wobei die Meßfühlerspule bei Änderung des Magnetflusses eine Spannung induziert. Ein ferrromagnetischer Schuh 18, auf dem der Pol und die Meßfühlerspuleneinrichtung 17 befestigt sind, sorgt für einen wirksamen magnetischen Rückfluß zum gezahnten Rad 13. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird über das gezahnte Rad 13, das gezahnte Rad 11, das Gehäuse 15, den Permanentmagneten 16, die Spuleneinrichtung 17, den Schuh 18 und zurück zum gezahnten Rad 13 ein magnetischer Kreis geschaffen. Wenn eine Anzahl in der Nähe angeordneter Meßeinrichtungen verwendet wird, wird ein nichtmagnetischer Separator 19 an das ferromagnetische Gehäuse 15 befestigt.

Wenn zwischen dem gezahnten Rad 13 auf der Welle 14, mit der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll, und dem gezahnten Rad 11 der bewegbaren Meßeinrichtung 10 eine relative Bewegung auftritt, bewirkt der sich ändernde Luftspalt eine Magnetflußändcrung, die in der Spulenanordnung 17 eine Spannung induziert, welche dazu verwendet wird, eine Sinuswelle bei allen Wdlcndrehzahlen abzuleiten, wie im folgenden näher erläutert wird.

Wie ohne weiteres verständlich ist, muß sich die Lineargeschwindigkeit des Zahnes auf dem gezahnten Wellenrad 13 von dem gezahnten Meßfühlerrad 11 wesentlich unterscheiden, damit eine brauchbare Flußänderung erzielt werden kann.

Die folgende Beschreibung bezieht sich in Form eines Beispiels auf Signale, die zwischen dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad und seinem Meßfühlerrad erzeugt wurden, jedoch können die gleichen Änderungen auch zwischen dem gezahnten Vergleichsrad und seinem Meßfühlerrad auftreten.

In F i g. 2 ist eine Sinuswelle 46 dargestellt, die in der Meßspule 17 induziert wurde, wobei die Ordinate die Spannung bedeutet. Die Sinuswelle ergibt sich aus der Änderung des Magnetflusses, welcher sich über das gezahnte auf ein Drehmoment ansprechende Rad 13 und das gezahnte Meßfühlerrad 11 erstreckt, wobei das Meßfühlerrad sich nicht dreht. Die Abszisse gibt die Zeil wieder, und die Frequenz ist gleich der Anzahl der Zähne des auf ein Drehmoment ansprechenden Rades welche an einem Punkt am Meßfühlerrad pro Sekunde vorbeistreichen. Wenn die Wellendrehzahl bis auf NuIi heruntergeht, wird die Ordinate, welche die in der Meßspule des Meßfühlers induzierte Spannung beudeutet, sehr klein, wie aus der Kurve 47 ersichtlich ist, und isi kaum brauchbar, da sie bis in den Rauschpegel fällt. Die Frequenz ist ebenfalls sehr niedrig und, wie zuvor erwähnt, eine Funktion der Anzahl der Zähne auf derr gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rade· 13, die an einem Punkt auf dem Meßfühlerrad 11 vorbeistreichen, wobei sich das Meßfühlerrad niehl bewegt. Wenn eine solche Situation auftritt, ist das ir der Meßfühlerspule 17 induzierte Signal nicht mehl brauchbar, so daß das Meßfühlerrad 11 in Drehung versetzt werden muß, um eine höhere relative Geschwindigkeit zwischen diesem und dem auf eir Drehmoment ansprechenden Rad zu erzielen. Dci minimale Ansprechwert bei dem die Drehung de; Meßfühlerrades 11 erforderlich wird, kann in etwi willkürlich auf den Punkt gelegt werden, bei dem die ir der Meßspule induzierte Spannung groß genug ist, urr eine genügende Phaseninformation für den zu verwen denden Schaltkreis zu erzielen, und niedrig genug, dat das Meßfühlerrad sich während der meisten Zeit irr Stillstand befindet, d. h. während des normalen Betrie bes. Dieser Punkt, der minimale Ansprechwert, kanr entweder durch einen vorgegebenen minimalen Span nungspegel gemessen werden, wobei in diesem Fall dei Antrieb für das Meßfühlerrad erregt und so langi anhalten würde, bis der Spannungspegel einen maxima len Ansprechwert überschreitet, was eine hohe WeI lendrehzahl anzeigen würde, oder er kann durch eini direkte Messung der Wellendrehzahl mit Hilfe eine zweiten stationären Meßfühlers gemessen werder dessen Schaltkreis den Antrieb erregen würde, wenn dii erforderliche minimale Wellendrehzahl unterschritte! würde. Es wird hierbei als bekannt vorausgesetzt, dal die in der Meßspule 17 induzierte Spannung und dii

wi relative Umfangsdurchgangsgeschwindigkeiten des ge zahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades i. und des Meßfühlerrades 11 von den Kennlinien de Spule selbst abhängen, ebenso wie der magnetisch' Schaltkreis, so daß beide Verfahren zur Messung de

iis minimalen Ansprechwertes nicht weiter beschriebe! werden.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Mcßfühlerrades 1 ist unwichtig, mit Ausnahme der Tatsache, daß sie grol

genug ist, um ein brauchbares Signal zu erzeugen, da nur eine Phaseninformation notwendig ist, um die Drehmomentkennmerkmale zu bestimmen.

Die Kurve 48 ist in Fig. 2 zeigt die sich ergebende Änderung, wenn der Meßfühlerradantrieb erregt wird. Der linke Teil der Kurve 48 zeigt die von der Wellendrehung induzierte Spannung bei Drehzahlen, welche groß genug sind, um in der Meßfühlerspule 17 brauchbare Spannungen zu induzieren, welche jedoch allmählich abnehmen. Wenn die Wellendrehzahl weiter abnimmt und die Spannung den minimalen Ansprechwert 49 erreicht, wird beim Punkt 50 der Antriebsmotor des Meßfühlerrades erregt, wodurch die relative Geschwindigkeit und somit der Spannungspegel und die Durchgangsfrequenz erhöht wird, so daß brauchbare Signale erzeugt werden, obgleich die Wellendrehzahl sich Null nähert. Die Kurve 51 nach Fig. 2 zeigt die Wellendrchzahl, welche der Kurve 48 zugeordnet ist, und die Kurve 52 zeigt die Meßfühlerradgeschwindigkeit, welche der Kurve 48 zugeordnet ist, wobei die Ordinate beider Kurven die Umdrehungen pro Zeiteinheit wiedergibt, während die Abszisse entsprechend der Kurve 48 die Zeit bedeutet.

Wie ohne weiteres ersichtlich ist, läßt sich die gleiche Diskussion auf die folgende Ausführungsform dieser Erfindung anwenden.

Eine andere Ausführungsform der bewegbaren Meßeinrichtung ist in Fig. 3 dargestellt, bei der an Stelle eines gezahnten Rades eine Getriebeschnecke verwendet wird. Die bewegbare Meßeinrichtung weist jo eine Getriebeschnecke 20 auf, die nahe des gezahnten Rades 13 und mit ihrer Achse in der Ebene desselben angeordnet ist, wobei das Rad 13 mit der Welle 14 befestigt ist, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Ein Permanentmagnet 16', der für den Magnetfluß im System sorgt, befindet sich unterhalb der Getriebeschnecke 20, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Die in der Fig. 1 dargestellte Spulenanordnung 17 und der Schuh 18 sind in F i g. 3 nicht aufgezeigt, wobei zu bemerken ist, daß ein magnetischer Rückfluß und eine Meßfühlerspule verwendet werden müssen, wobei ein magnetischer Weg zwischen der Getriebeschnecke 20 und des gezahntes Rades 13 den magnetischen Kreis vervollständigt. Wenn die Getriebeschnecke 20 angetrieben wird, bewegen sich ihre Zähne axial und durchlaufen dadurch die Zähne des gezahnten Rades 13, in gleicher Weise wie die Zähne des gezahnten Rades 11 gemäß Fig. 1.

Wenn zwischen den Zähnen der Getriebeschnecke 20 und des gezahnten Rades 13 eine relative Bewegung auftritt, bewirkt der sich ändernde Luftspalt in ähnlicher Weise wie nach Fi g. l.eine Magnetflußänderung, der in einer nicht näher dargestellten Spule in ähnlicher Weise wie nach F i g. I eine Spannung induziert.

In den übrigen Figuren werden die bewegbaren Meßeinrichtungen nach Fig. 1 und 3 in Verbindung mit verschiedenen Drehmomentmessungen, gemäß der Erfindung, gezeigt, die auf der Basis der Phasenverschiebung arbeiten.

In Fig.4 ist eine mit 24 bezeichnete Verglcichscin- t>o richtung dargestellt, die eine Manschette 25 und ein gezahntes Vergleichsrad 26 aufweist, das mit der Manschette 25 befestigt ist, die ihrerseits mit einer Welle 27 befestigt ist, an der das Drehmoment gemessen werden soll. Ein auf ein Drehmoment ansprechendes M gezahntes Rad 28, welches durch das auf die Welle 27 wirkende Drehmoment relativ zum gezahnten Rad verschoben wird, ist mit der Welle 27 befestigt und in einem bestimmten Abstand zum gezahnten Vergleichsrad 26 angeordnet.

Damit zwei Signale, die eine Phasendifferenz aufweisen, welche zum Drehmoment der Welle 27 in Beziehung stehen, bei allen Wellendrehzahlen, einschließlich Null, erzeugt werden können, ist eine bewegbare Meßeinrichtung 29 vorgesehen. Die bewegbare Meßeinrichtung 29 weist ein ferromagnetisches gezahntes Rad 30 auf, das sich in der Nähe des gezahnten Vergleichsrades 26 befindet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist und ferner ein weiteres ferromagnetisches gezahntes Rad 31, welches in der Nähe des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades 28 angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist, wobei das gezahnte Rad 30 mit dem gezahnten Rad 31 axial ausgerichtet sich auf einer nichtmagnetischen Welle befindet, die mit einem geeigneten Antrieb 33 verbunden ist, so daß die Zahnräder gemeinsam mit gleicher Geschwindigkeit in Phase zueinander angetrieben werden können. Eine Einheit dieser bewegbaren Meßeinrichtung ist in F i g. 1 im einzelnen dargestellt.

Wie zuvor erläutert wurde, bewirkt das Drehmoment auf der Welle 27 eine Torsion derselben, wodurch eine relative Verschiebung zwischen dem gezahnten Vergleichsrad 26 und dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rad 28 bewirkt wird, die ihrerseits zwischen einem Sinuswellenpaar, das von der Bewegung zwischen den gezahnten Rädern 26 und 28 und den gezahnten Rädern 30 und 31 der bewegbaren Meßeinrichtung 29 abgeleitet ist, eine diesbezügliche Phasenverschiebung bewirkt. Wenn die Welle 27 sich mit einer ausreichenden Geschwindigkeit dreht, ist zwischen der Welle und der Meßeinrichtung 29 eine relative Bewegung vorhanden, so daß auch brauchbare Signale erzeugt werden, wenn die bewegbare Meßeinrichtung 29 stillsteht. Wenn die Welle 27 ausreichend langsam wird, derart, daß die induzierten Signale unterhalb eines brauchbaren Ansprechwertes sind oder die Welle 27 stillsteht und eine Drehmomentmessung durchgeführt werden soll, so läuft die bewegbare Meßeinrichtung 27 an und wird durch einen Antrieb 33 angetrieben, so daß zwischen den zwei gezahnten Radgruppen 26 und 28 sowie 30 und 31 erneut eine relative Bewegung vorhanden ist, so daß brauchbare Signale erzeugt werden können.

In Fig. 5 ist eine »Zwei Rad-Zweiwandler« Einrichtung nach Fig.4 dargestellt, bei der die Ausführungsform der bewegbaren Meßeinrichtung nach Fig.3 angewendet wird. Eine Vergleichseinrichtung 24, die ein gezahntes mit einer Manschette 25 befestigtes Vergleichsrad 26 aufweist, ist an einer Welle 27 befestigt, ar der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll Das gezahnte auf ein Drehmoment ansprechende Rac 28, das von den· Drehmoment auf der Welle 27 relativ zum gezahnten Vergleichsrad 26 verschoben wird, is direkt mit der Welle 27 befestigt und von derr gezahnten Vergleichsrad 26 in einem Abstand angeord net. Um die Sinuswelle abzuleiten, deren Phasendiffe rcnz zum Drehmoment auf der Welle 27 in Beziehung steht, ist eine bewegbare Meßeinrichtung 35 vorgese hen, welche in diesem Ausführungsbeispiel eini Getriebcschnccke 36 aufweist, welche in der Nähe dei gezahnten Vcrglcichsrades 26 angeordnet und mi diesem magnetisch gekoppelt ist, sowie eine weiten Getriebcschnccke 37, die in der Nähe des gezahnten au ein Drehmoment ansprechenden Rades 28 angcordnc und mit diesem magnetisch gekoppelt ist.

Um das Sinuswellensignal zu erzeugen, wenn die Welle 27 sich langsam dreht, oder sogar stillsteht, sind die Getriebeschnecken 36 und 37 mit einem Antrieb verbunden, der eine mit der Getriebeschnecke 36 befestigte Riemenscheibe 39, eine mit der Getriebeschnecke 37 befestigte Riemenscheibe 40, einen Riemen U zwischen der Riemenscheibe 39 und 40 und einen Riemen 42 aufweist, welcher die Riemenscheibe 40 mit einem Motor 43 verbindet.

Wenn sich die Welle 27 langsam oder überhaupt nicht dreht, werden die Getriebeschnecken 36 und 37 in Drehung versetzt, und ihre Zähne bewegen sich relativ zu den gezahnten Rädern 26 und 28 so, daß die das Drehmoment anzeigenden Signale, gemäß der Erfindung, erzeugt werden können. Es wird bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls davon ausgegangen, daß die bewegbare Meßeinrichtung 3 eine Spule, einen Magneten und einen magnetischen Rückfluß für jede Getriebeschnecke aufweist, wie im einzelnen aus den F i g. 1 und 3 ersichtlich ist.

Es muß noch erwähnt werden, daß die Getriebeschnecken 36 und 37 mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben werden müssen, so daß geringe Phasendifferenzen gemessen werden können. Aus diesen Gründen müssen Synchronisierriemen und -scheiben mit einem sehr geringen Schlupf, falls ein solcher überhaupt vorhanden ist, verwendet werden. An Stelle der Synchronisierriemen kann in vorteilhafter Weise auch ein Getriebe verwendet werden, daß frei von einem toten Gang ist.

In Fig.6 ist eine »Einwandler-Zwei Rad« Drehmomentmeßeinrichtung dargestellt, die auf der Basis der Phasenverschiebung arbeitet und bei der die bewegbare Meßeinrichtung Anwendung findet.

Die Vergleichseinrichtung 53 weist demzufolge ein gezahntes Vergleichsrad 54 auf, das an einer Manschette 55 befestigt ist, die ihrerseits an der Welle 56 befestigt ist, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Ein gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 57 ist mit der Welle 56 befestigt und relativ zum gezahnten Vergleichsrad 54 in bezug auf das auf die Weile 56 wirkende Drehmoment verschiebbar, wobei die Zähne der gezahnten Räder 54 und 57 parallel zur Achse der Räder und ineinandergreifend angeordnet sind, wie aus der Figur deutlich ersichtlich ist, so daß ein einziges gezahntes Meßrad über die ineinandergreifenden Vorsprünge 58 angeordnet werden kann. Die bewegbare Meßeinrichtung, welche von dem Antrieb 60 angetrieben wird, ist im einzelnen in F i g. 1 dargestellt.

Wenn zwischen der bewegbaren mit einem gezahnten Rad versehene Meßeinrichtung 11 und den gezahnten Rädern 54 und 57 eine relative Bewegung auftritt, wird nur eine einzige Sinuswelle erzeugt, bei der zwei beliebige benachbart liegende Schwingungen relativ zueinander verschoben werden, und zwar als Funktion der relativen Stellung der gezahnten Räder 54 und 57 in Bezug zueinander. Die zwei benachbart liegenden Schwingungen können als ein Signalpaar betrachtet werden, das durch eine Phasendifferenz zueinander in Beziehung steht, die eine Funktion des Drehmomentes auf der Welle ist.

In F i g. 7 ist eine »Einwandler-Zwei Rad« Einrichtung nach F i g. 5 in Verbindung mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach F i g. 3 dargestellt. Die bewegbare Meßeinrichtung, die im einzelnen in F i g. 3 dargestellt ist, weist eine Gctriebcschncckc 59 auf, die in der Nähe der gezahnten Räder 54 und 57 angeordnet und mit diesen magnetisch gekoppelt ist, und wird von einem Antrieb 60 angetrieben.

Es finden hier die gleichen zuvor beschriebenen Prinzipien Anwendung.

In Fig. 8 ist eine »Dreiwandler-Drei Rad« Drchmo^r» mentmeßeinrichtung aufgezeigt, die auf der Basis der Phasenverschiebung arbeitet und bei der eine Wellenfehlausrichtung kompensiert wird und bei der die bewegbare Meßeinrichtung nach F i g. I verwendet wird. Die Einrichtung nach F i g. 8 weist eine stationäre Meßeinrichtung auf; diese Anwendung stellt eine Verbesserung einer bekannten Einrichtung dar.

Um die Felllausrichtung der Welle 61 nach F i g. 8 zu kompensieren, ist ein gezahntes Wellenstellungsmeßrad 62 mit der Manschette 63 befestigt, und von dem gezahnten Vergleichsrad 64 auf der gegenüberliegenden Seite zum gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 65 angeordnet. Das gezahnte Wellenstellungsmeßrad 62 dient dazu eine Sinuswelle zu erzeugen, die eine Phasendifferenz relativ zu der Sinuswelle aufweist, welche durch das gezahnte Vergleichsrad 64 erzeugt wird und die zur Wellenfehlausrichtung in Beziehung steht. Diese Phasendifferenz dient dazu irgendeine fehlerhafte Phasendifferenz zu beseitigen, die durch die Wellenfehlausrichtung zwisehen den Sinuswellen, welche durch das gezahnte Vergleichsrad 64 und das gezahnte auf ein Drehmoment ansprechende Rad 65 erzeugt werden, eingeführt wird.

In Fig. 9 ist die »Dreiwandler-Drei Rad« Drehmomentmeßeinrichtung nach Fig. 8 mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach F i g. 3 dargestellt.

Ein gezahntes Wellenstellungsrad 62, ein gezahntes Vergleichsrad 64 und ein gezahntes auf fin Drehmoment ansprechendes Rad 65 sind aus der Fig. 9 ersichtlich, wobei das gezahnte Rad 62 und das gezahnte

!5 Vergleichsrad 64 mit einer Manschette 63 befestigt sind, die ihrerseits auf der Welle 61 befestigt ist, dessen Drehmoment gemessen werden soll, und das auf ein Drehmoment ansprechende Rad 65 ist direkt mit der Welle 61 befestigt.

Um die drei Sinuswellen, bei allen Wellendrehzahlen, einschließlich Null, ableiten zu können, ist eine bewegbare Meßeinrichtung 66 vorgesehen, die eine Getriebeschnecke 67 aufweist, welche in der Nähe des gezahnten Vergleichsrades 64 angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist und eine weitere Getriebeschnecke 68, die in der Nähe des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades angeordnet und mit diesem ebenfalls magnetisch gekoppelt ist und ferner ein drittes Getrieberad 69, welches in der Nähe des gezahnten Rades 62 angeordnet und mit diesem gekoppelt ist. Die bewegbare Meßeinrichtung 66 ist im einzelnen aus F i g. 3 zu entnehmen.

F ig. 10 zeigt eine weitere Drehmomentmeßeinrichtung mit der eine Wellenfehlausrichtung kompensiert

^r)5 werden kann, indem nur zwei anstelle von drei Rädern nach Fig. 8 verwendet werden, die mit der Welle befestigt sind. Eine Vergleichseinrichtung 70 weist ein gezahntes Vcrgleichsrad 71 auf, das mit einer Manschette 72 befestigt ist, die ihrerseits mit der Welle befestigt

w) ist. Ein auf ein Drehmoment ansprechendes gezahntes Rad 74 ist von dem gezahnten Vergleichsrad 71 entfernt auf der Welle 73 befestigt.

Um die Fchlausrichtung der Welle 73 zu kompensieren, sind zwei bewegb.trc Meßeinrichtungen 75 und 76 diametral gegenüberliegend angeordnet und befinden sich in der Nähe des gezahnten auf ein Drehmoment ansprechenden Rades 74 und des gezahnten Verglcichsrades 71 und sind mit diesem magnetisch gekoppelt. Die

zwei Antriebsmotoren 77 und 78 müssen synchron laufen oder können durch einen Antrieb mit einem entsprechenden Getriebe ersetzt werden, um das gleiche Ergebnis zu erreichen.

Wenn die Welle 73 sich langsam dreht oder stillsteht, so bewirken die Antriebe 77 und 78 eine Bewegung der Meßeinrichtungen 75 und 76 derart, daß zwei Sinuswcllenpaare erzeugt werden können, in denen die Phasenverschiebung, bewirkt durch die Wellenfehlausrichtung, gelöscht werden kann.

In Fig. 11 ist die Drehmomentmeßeinrichtung nach Fig. 10 mit der bewegbaren Meßeinrichtung nach F i g. 3 dargestellt.

Wie in F i g. 10 ist auch in F i g. 11 eine Vergleichseinrichtung 70 aufgeführt, die ein gezahntes an eine ι '-> Manschette 72 befestigtes Vergleichsrad 71 aufweist, welche ihrerseits mit der Welle 73 befestigt ist, an der die Drehmomentmessung durchgeführt werden soll. Ein gezahntes auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 74 bt mil der Welle 73 befestigt. An Stelle der gezahnten Rader in den bewegbaren Meßeinrichtungen nach Fig. 10, weisen die in F i g. 11 dargestellten Meßeinrichtungen 75 eine Getriebeschnecke 79 auf, die mit dem gezahnten Vergleichsrad 7t magnetisch gekoppelt ist und eine weitere Getriebeschnecke 80, die mit dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 74 magnetisch gekoppelt ist. Eine zweite bewegbare Meßeinnrichtung 76 weist eine Getriebeschnecke 81 auf, die mil dem gezahnten Vergleichsrad 71 magnetisch gekoppelt ist und ferner eine weitere Getriebeschnecke 82, die mit dem gezahnten auf ein Drehmoment ansprechendes Rad 74 magneiisch gekoppelt ist.

Um die ein Drehmoment anzeigenden Signale dann zu erzeugen, wenn die Welle 73 sich langsam bewegt, werden die bewegbaren Meßeinrichtungen 75 und 76 in ü der bereits zuvor beschriebenen Weise angetrieben.

In jeder der in den F i g. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsformen wird das Drehmoment der Welle durch Vergleich der Phase der Sinuswellen bestimmt, welche durch das gezahnte Vergleichsrad und das w gezahnte auf ein Drehmoment ansprechende Rad bei hohen Drehzahlen erzeugt werden und durch Vergleich der Phase der Sinuswellen, welche durch die bewegbaren Meßeinrichtungen im Zusammenwirken mit den gezahnten Rädern bei geringen Drehzahlen, einschließlieh Null, erzeugt werden. Die in den F i g. 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen schließen ebenfalls die Verwendung eines dritten gezahnten Rades ein, so daß die Wellenfehlausrichtung berücksichtigt wird. Die in den F i g. 10 und 11 dargestellten Ausführungsformen umfassen den Vergleich zweier Phasen, wobei der erste zwischen zwei Sinuswellen erfolgt, die durch eine bewegbare Meßeinrichtung erzeugt werden, und der zweite zwischen zwei Sinuswellen, die durch die andere bewegbare Meßeinrichtung erzeugt werden. Die Ergebnisse dieser zwei Vergleiche werden addiert um ein Signal zu erzeugen, das ein Drehmoment unabhängig von der Wellenfehlausrichtung darstellt, die sich verändern kann, wie beispielsweise bei einem Schiff od. dgl., und zwar durch die Wirkung einer winkelmäßigen Verschiebung einer bewegbaren Meßeinrichtung in bezug auf eine andere. Die winkelmäßige Verschiebung beträgt vorzugsweise 180°, die auch irgendein anderer Winkel, ausgenommen 90°, sein kann.

Mit der Meßeinrichtung kann irgendein geeigneter Schaltkreis gekoppelt sein, um das Drehmoment auf der Welle von der relativen Phasendifferenz zwischen den Sinuswellen abzuleiten.

Beim normalen Betrieb der Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle nach der Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle nach der Erfindung wird sich die Welle während der meisten Zeit mit einer ausreichenden Drehzahl bewegen, so daß der Antrieb für die Meßfühler nur während des Anlaufvorgange.-,, eines Festlaufens oder eines Umkehrvorganges benötigt wird. Der Schaltkreis für den Antrieb der Meßfühler mißt ferner automatisch ein Absinken der Signalstürke unterhalb eines Ansprechwertes als ein Signal zur Betätigung des Antriebes.

Die Erfindung ist ferner nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt, die mit einer magnetischen Kopplung zwischen einer Meßeinrichtung und gezahnten auf einer Welle befestigten Rädern ausgerüstet sind. Hierfür lassen sich auch optische Kopplungen zwischen einem optischen Meßfühler und geschlitzten auf der Welle befestigten Scheiben verwenden, ebenso wie andere geeignete Kopplungen. Darüber hinaus lassen sich auch andere Kennmerkmale der rotierenden Wellen durch geeignete Anwendung dieses Prinzips messen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle bei allen Wellengeschwindigkeiten, einschließlich im Stillstand, mit einer Vergleichseinrichtung, welche mit einer Welle starr verbunden ist und einer auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung, welche ebenfalls mit der Welle starr verbunden, jedoch von der Vergleichseinrichtung versetzt angeordnet ist und mit mindestens einer Signale erzeugenden Meßeinrichtung, welche nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und derart ausgebildet ist, daß phasenvergleichbare Signale zur Ermittlung eines Signals erzeugt werden, welches einem Drehmoment entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Meßeinrichtung (10; bzw. 20, 16'; bzw. 29; bzw. 35; bzw.

U (Fig. 6); bzw. 76) relativ zur Vergleichseinrichtung (13; bzw. 26; bzw. 54; bzw. 64; bzw. 71), und zur auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung (28; bzw. 57; bzw. 65; bzw. 74) bewegbar ist, daß ein Antrieb (33; bzw. 43; bzw. 60; bzw. 77) die Meßeinichtung bzw. Meßeinrichtungen antreibt, wobei eine die Geschwindigkeit der Welle messende Einrichtung derartig ausgebildet ist, daß der Antrieb dann erregbar ist, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Welle unter einen minimalen Ansprechwert sinkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung und die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung als an sich bekannte gezahnte Räder ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine oder J5 mehrere Getriebeschnecken (20, bzw. 36, 37; bzw. 59; bzw. 67, 68; bzw. 78, 79) aufweist, die nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein oder mehrere gezahnte Räder (11 bzw. 30,31; bzw 54,57) aufweist, die nahe der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung angeordnet und mit diesen gekoppelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Meßeinrichtung (76) relativ zur Vergleichseinrichtung (71) und zur auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung (74) bewegbar, nahe diesen Einrichtungen angeordnet und mit diesen Einrichtungen gekoppelt ist und daß die zweite Meßeinrichtung einen Antrieb (77) aufweist, der diese, gesteuert von der Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit, antreibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (76) zu der ersten Meßeinrichtung um 180° versetzt angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung mindestens ein gezahntes Rad aufweist, daß mit der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist. tr>

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung mindestens eine Getriebeschnecke (81,82) aufweist, die mit der Vergleichseinrichtung und der auf ein Drehmoment ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der veranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Manschette (63) mit der Welle (61) und eine Wellenstellungsmeßeinrichtung (62) mit der Manschette (63) fest verbunden ist und daß die Wellenstellungsmeßeinrichtung (62) in einem zur Vergleichseinrichtung (64) auf der gegenüberliegenden Seite zur Einrichtung (65), die auf ein Drehmoment anspricht, angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, die Vergleichseinrichtung und die Wellenstellungsmeßeinrichtung gezahnte Räder (65, 64, 62) und die Meßeinrichtung drei Getriebeschnecken (6t>, 67, 69) aufweist, die mit den gezahnten Rädern entsprechend gekoppelt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Drehmoment ansprechende Einrichtung, die Vergleichseinrichtung und die Wellenstellungsmeßeinrichtung gezahnte Räder (65, 64, 62) und die Meßeinrichtung drei gezahnte Räder aufweist, die mit den zuvor genannten Rädern entsprechend gekoppelt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Wellengeschwindigkeit eine Schaltung aufweist, die mit mindestens einer Meßeinrichtung (20, 16; bzw. 29; bzw. 35; bzw. 11; bzw. 59; bzw. 66; bzw. 76) gekoppelt ist, welche auf die Ausgangssignale anspricht und welche derart ausgebildet ist, daß der Antrieb erregt werden kann, wenn die Größe des Ausgangssignals vom Meßfühler unter einen minimalen Ansprechwert fällt.