DE3627739C2 - - Google Patents
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des
Drehmomentes,
mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Die Hubschraubermotoren übertragen die Kraft an das
Hauptgetriebe entweder mit niedriger Drehzahl über ein am
Motor angebautes Untersetzungsgetriebe oder mit hoher Drehzahl,
welche der des Wellenzuges einer freien Turbine entspricht.
Im erstgenannten Fall erfolgt die Messung des Drehmomentes
gewöhnlich über ein im Untersetzungsgetriebe eingebautes
Gerät, ohne daß dabei spezielle Schwierigkeiten auftreten.
Im zweiten Fall, wenn die Drehung einer freien Turbine direkt
übertragen wird, hat die Welle, welche die Bewegung nach vorne
überträgt, zwangsläufig eine große Länge und verformt sich
infolgedessen durch Torsion.
Man verwendet dann gewöhnlich eine Meßvorrichtung für das
Drehmoment mit einem Torsiometer, welcher diese
Torsionsverformung der Welle mißt, welche eine Funktion des
übertragenen Drehmomentes ist.
Die Verdrehsteifigkeit der Welle ist jedoch mit dem Wert
des Elastizitätsmoduls des die Welle bildenden Materials
verbunden und der Wert dieses Moduls ist eine Funktion der
Temperatur desselben.
Wenn die Konzeption der Maschine es erlaubt, wird sie in einen
Raum eingeschlossen, dessen Temperatur entweder gut bekannt
ist oder gesteuert werden kann, beispielsweise durch
Berieselung oder durch Umlauf von Öl oder einer anderen
Flüssigkeit.
Die Temperatur dieser Flüssigkeit liefert ein annehmbares
Bild der Temperatur der Welle und kann daher als
Korrekturparameter in einem elektronischen System zur
Behandlung oder Verarbeitung der Angaben verwendet werden.
Wenn es sich um eine sehr lange Welle handelt, erstreckt
sich diese durch verschiedene Bereiche, in denen die
Temperaturen von mehreren Variablen abhängen und deren
Entwicklung während des Betriebes nur schwer vorhersehbar
sind.
Wenn außerdem die Konstruktionstechnologie es unmöglich macht,
ein Zirkulationssystem für eine Flüssigkeit vorzusehen, um
die Temperatur zu homogenisieren, deren Wert ein Bild der
Wellentemperatur geben könnte, so gelangt man dazu, eine
Temperatur eines statischen Teiles zu verwenden, welche als
Ausgang für die gewünschte Korrektur dienen kann, ohne jedoch
eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen.
Zur Messung des Drehmomentes einer freien Welle ist in der
DE-OS 32 35 122.1 eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung
dieses Drehmomentes in Höhe der Lager einer Kupplung
beschrieben. Die Messung erfolgt hier mittels vier paarweise
diametral an den Enden der Kupplung beiderseits der
Symmetrieachse derselben angeordnete Sensoren, welche Reihen
von Schlitzen gegenüberliegen, die durch Zähne begrenzt werden.
Bei dieser Vorrichtung werden die Drehungsschwankungen, welche
an den Enden der Kupplung auftreten, durch die Sensoren
festgestellt und in elektrische Signale umgewandelt, welche
behandelt werden, um ein Maß des Drehmomentes zu liefern.
Eine der beschriebenen Art analoge Vorrichtung gemäß der
US-PS 44 44 063 wird verwendet, um bei Hubschraubern den Wert
des von der Welle zwischen Motor und Getriebe übertragenen
Drehmomentes zu messen. Sie besitzt ein erstes auf der Welle
befestigtes Tonrad und ein zweites fest auf dem hinteren Ende
einer sogenannten Bezugswelle montiertes Tonrad, wobei diese
Bezugswelle am hinteren Ende frei liegt, während ihr anderes
Ende nahe dem Motor fest mit der Übertragungswelle verbunden
ist.
Die Winkeleinstellung der Räder erfolgt in Abhängigkeit von
den Betriebsbedingungen der verwendeten elektronischen
Meßschaltungen. Die ursprüngliche Winkelverstellung zwischen
zwei übereinstimmenden Zähnen der Räder schwankt in
Abhängigkeit vom übertragenen Drehmoment.
Dieser Wert der ursprünglichen Zahnstellung und seine durch
das Drehmoment hervorgerufene Vergrößerung erzeugen Signale,
welche am Ausgang von Magnetfängern erscheinen, die direkt
neben den Tonrädern angeordnet sind.
Diese bekannte Vorrichtung berücksichtigt jedoch nicht die
Veränderungen des Elastizitätsmoduls infolge der
Temperaturschwankungen.
Bekannt ist im übrigen auch aus der DE-OS 34 23 085 eine
Vorrichtung, bei welche die unterschiedliche lineare
Ausdehnung zweier Organe ausgenutzt wird, um die Temperatur
eines Heizelementes eines elektrischen Kochgerätes zu regeln
oder zu begrenzen.
Da man weiß, daß diese unterschiedliche Ausdehnung eine
Funktion des Integrals der Temperaturen ist, denen das eine
Organ gegenüber dem anderen, welches als Bezugsorgan dient,
ausgesetzt ist, wird ein Maß dieser Ausdehnung ausgenutzt,
um den durch Veränderung des Elastizitätsmoduls in
Abhängigkeit von der Temperatur eingebrachten Fehler zu
kompensieren.
Die Erfindung will daher ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Messung des Drehmomentes einer Triebwelle schaffen, welche
durch Torsion verformt wird, wobei das Ganze durch eine
Vorrichtung vervollständigt wird, welche Temperaturschwankungen
berücksichtigt, welche den Wert des Elastizitätsmoduls des
Materials beeinflussen können, aus dem diese Welle hergestellt
ist.
Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung
des von einer Temperaturschwankungen unterworfenen langen
Triebwelle, insbesondere zwischen dem Motor und dem Getriebe
eines Hubschraubers, übertragenen Drehmomentes
dadurch, daß die unterschiedliche
Linearausdehnung zwischen der Triebwelle und der Bezugswelle
gemessen wird und der Meßwert ausgenutzt wird, um den Fehler
aufgrund der Veränderung des Elastizitätsmoduls des Materials
der Triebwelle in Abhängigkeit von ihrer Temperatur zu
korrigieren.
Dabei kann insbesondere die unterschiedliche Ausdehnung
durch Veränderung des Luftspaltes zwischen jeweils an den
Wellen befestigten Zielen und diesen Zielen zugeordneten
Magnetfängern gemessen werden.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die
unterschiedliche Ausdehnung in eine Drehung von zwei jeweils
mit den Wellen verbundenen Tonrädern transformiert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens, welche eine nahe dem Getriebe von dessen
Triebwelle verbundene und nahe dem Getriebe von dieser
unabhängige Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe
jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger
zugeordnet sind, ist daduch gekennzeichnet,
daß dem fest mit der Bezugswelle verbundenen Tonrad ein
zusätzlicher Magnetfänger zugeordnet ist, welche dem
ungezahnten Bereich des Tonrades gegenüber liegt und dessen
Achse parallel zu den Achsen der Wellen und rechtwinklig zur
Ebene des Rades verläuft, wobei die Wellen aus Werkstoffen
mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt
sind.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist dem Tonrad der
Triebwelle in der gleichen Weise ein derartiger Magnetfänger
zugeordnet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
diese Vorrichtung, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen
Triebwelle verbundene und nahe dem Getriebe von dieser
unabhängige Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede
Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger
zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen
der beiden Tonräder parallel zueinander und schräg zur Achse
der Wellen verlaufen und daß die Achsen der Magnetfänger
rechtwinklig zu den Stirnflächen verlaufen, während die
Wellen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, welche eine
nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle verbundene und nahe
dem Getriebe von dieser unabhängige Bezugswelle besitzt, wobei
nahe dem Getriebe jede Welle ein Tonrad trägt und diesen
Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind, ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Anordnungen aufweist,
durch welche die Linearausdehnung der Bezugswelle in eine
Drehbewegung des zugeordneten Tonrades transformierbar ist,
wobei diese Wellen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
Gemäß einer weiteren Ausbildung bestehen diese Anordnung aus
wenigstens einer auf einem der Tonräder ausgebildeten und
mit dem unabhängigen Ende der Bezugswelle zusammenwirkenden
Schrägfläche.
Bei einer Ausführungsform ist die Schrägfläche eine an der
Innenseite eines frei verdrehbar um die Triebwelle montierten
kreisförmigen Tonrades ausgebildete Nut und das unabhängige
Ende der Bezugswelle ragt durch eine Öffnung in der Triebwelle
hindurch und greift in die Nut ein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den
Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele im einzelnen
erläutert; es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bekannten Vorrichtung
zur Messung des Drehmomentes durch Messung der
unterschiedlichen Verformung der Triebwelle und der
Bezugswelle durch Torsion;
Fig. 2A und 2B schematische Ansichten in Richtung der Pfeile
II-II in Fig. 1, welche die Winkelverstellung der
Tonräder in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wiedergegeben;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Variante;
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 eine Teilansicht, welche die Spiralrampe zeigt, welche
auf dem fest mit der Bezugswelle verbundenen Rad
ausgebildet ist; und
Fig. 7 eine Ansicht einer Variante der Vorrichtung aus
Fig. 5.
Zunächst soll eine zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung
zur Messung des von einer Triebwelle übertragenen Drehmomentes
anhand der Fig. 1, 2A und 2B beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine hohle Triebwelle P,
welche am einen Ende ein Zahnrad X trägt, an welchem ein
nicht dargestelltes Ausgangsorgan eines Motors angreift. An
ihrem anderen Ende steht diese Welle P in Antriebsverbindung
mit einem ebenfalls nicht dargestellten Getriebe. Nahe diesem
Ende trägt die Welle P ein Tonrad A. Im Inneren der Welle P
ist eine Bezugswelle R angeordnet, welche mit ihrem Ende nahe
dem Zahnrad X in der Welle P befestigt ist, während ihr anderes
Ende frei liegt und einen Sektor eines Tonrades B trägt, der
konzentrisch zum Rad A verläuft und parallel zu diesem durch
eine Öffnung O in der Welle P aus dieser herausragt. Genau
gegenüber den Zähnen der Tonräder A und B sind Magnetfänger C
angeordnet.
Die Winkelstellung der Räder wird in Abhängigkeit von den
Betriebsbedingungen der elektronischen Meßschaltungen, denen
durch die Magnetfänger erzeugte Signale zugeleitet werden und
welche hier nicht erläutert werden sollen, da sie an sich
bekannt sind, vorgenommen.
Die Winkelverstellung R 0 der Zähne der Räder A und B wird zu
R 1, wenn die Triebwelle P sich durch Torsion aufgrund des vom
Motor an das Getriebe übertragenen Drehmomentes verformt. Das
Maß dieser Verformung ergibt ein Bild des übertragenen
Drehmomentes, berücksichtigt jedoch nicht die Veränderungen
des Elatizitätsmoduls des Materials der Welle P unter der
Einwirkung der Temperatur.
Um diesen Nachteil auszuschalten, wird die
Welle P als Prüfkörper bezüglich der Temperatur verwendet.
Tatsächlich ist ihre Länge eine Funktion des Integrals der
Temperaturen, denen sie über ihre gesamte Länge ausgesetzt
ist.
Vorteilhafterweise wird die Welle P somit in Verbindung mit
der Bezugswelle verwendet, welche aus einem Werkstoff
hergestellt ist, der einen vom Werkstoff der Triebwelle P
deutlich unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizient
besitzt.
Es ergibt sich daher eine unterschiedliche Ausdehnung, welche
in Höhe der Tonräder meßbar ist.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist und analog zur
Anordnung der Fig. 1 die Wellen P 1 und R 1 in identischer Weise
angeordnet besitzt, hat die Welle R 1 einen linearen
Ausdehnungskoeffizienten, welcher stark von dem der Welle P 1
abweicht, wobei zwei zusätzlich kontaktlose Magnetfänger D
vorgesehen sind, die an sich bekannt sind und eine Spule
enthalten, deren Induktanz vom Abstand zwischen dem Fänger
und einem Metallziel abhängt. Das Ziel eines jeden
Magnetfängers wird durch eines der Tonräder A oder B gebildet,
wobei jeder Magnetfänger mit seiner Achse parallel zu den
Wellen P 1 und R 1 liegt, jedoch gegenüber dem vollen Teil des
zugeordneten Rades rechtwinklig zu dem Rad.
Dank dieser Anordnung erhält man außer der Messung des
gelieferten Drehmomentes durch die Magnetfänger C eine
Messung der linearen Ausdehnung Δ L.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind die Wellen P 2 und R 2 auf die gleiche Weise
angeordnet ebenso wie die Räder A und B, doch besitzen
deren Zähne parallele, schräg zur Achse der Wellen P 2, R 2
verlaufende Stirnflächen. Die Magnetfänger C 2 und C 3 sind
mit ihren Achsen rechtwinklig zu den schrägen Stirnflächen
der Zähne der Tonräder angeordnet, deren Abstand in
Abhängigkeit von der unterschiedlichen linearen Ausdehnung Δ L
schwankt, so daß infolgedessen der Luftspalt E zwischen dem
Magnetfänger C 2 und dem Rad A konstant bleibt, während der
Luftspalt E 1 zwischen dem Magnetfänger C 3 und dem Rad B sich
mit L verändert, wodurch infolgedessen die Amplitude des
vom Magnetfänger erzeugten Signals modifiziert wird.
In der Praxis erlaubt die Nähe der Räder A und B, die Messung
mit einem einzigen Magnetfänger durchzuführen, welcher auf
die Veränderung des Luftspaltes anspricht.
Gemäß einer anderen Durchführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die unterschiedliche lineare Ausdehnung Δ L
dadurch gemessen, daß man dieselbe in eine Drehbewegung
transformiert.
Zu diesem Zweck sind, wie Fig. 5 zeigt, die Wellen P 3 und R 3
wie bei den vorhergehenden Beispielen angeordnet, wobei die
Triebwelle P 3 ihr Tonrad A 3 trägt, während das der Bezugswelle
R 3 zugeordnete Tonrad aus einem kreisringförmigen Rad B 3
besteht, welches einen äußeren Zahnkranz F trägt, der frei
verdrehbar um die Welle P 3 über der Öffnung O derselben
montiert ist.
Vorzugsweise wird das kreisringförmige Tonrad B 3 in axialer
Richtung auf der Welle P 3 zwischen dem Tonrad A 3 derselben
und einem Ringbund G festgehalten, welcher außen auf der
Welle P 3 ausgebildet ist.
Das Ringrad B 3 weist an seiner Innenseite eine Nut H (Fig. 6)
auf, welche gegenüber seiner Achse I geneigt ist und in welche
ein Finger J hineinragt, welcher durch ein Endstück der Welle
R 3 gebildet wird, welche seitlich abgebogen ist.
Sobald Δ L ändert, verschiebt sich der Finger J und
verdreht das Rad B 3 im Winkel mit einer entsprechenden
Amplitude Δ R G um die Achse I unter Zwischenwirkung der
schräg laufenden Nut H vor dem Magnetfänger C 3. Bei einer
in der Fig. 7 dargestellten Variante ragt das der Triebwelle P 4
zugeordnete Tonrad A 4 transversal in diese hinein und das
Rad B 4 ist fest mit der Welle R 4 verbunden und erstreckt sich
parallel zum Rad A 4 ebenfalls transversal in die Welle R 4.
Die Nut H 1 wird durch zwei parallele Zähne K begrenzt, welche
zur Achse I schräg stehen und von der Seitenfläche des Rades
A 4 zum Rad B 4 vorspringen, wobei letzteres einen Zahn M
besitzt, welcher in entsprechender Weise zur Neigung der
Zähne K geneigt ist und in bekannter Weise zwischen dieselben
greift, um die Veränderung von Δ L in eine Winkelbewegung
mit der Amplitude Δ R G des Rades B 4 umzuwandeln.
Die durch die Magnetfänger, welche den Tonrädern in den
verschiedenen Ausführungsbeispielen zugeordnet sind, erzeugten
Signale werden in geeigneten elektronischen Schaltungen
bearbeitet.
Die ursprüngliche Einstellung
und der Verlauf der Neigung der Nuten H und H 1 werden unter Berücksichtigung
der Art des Werkstoffes der Triebwelle und der Bezugswelle
ausgeführt.
In den verschiedenen Durchführungsbeispielen können
Wärmebrücken U zwischen den Wellen P und R vorgesehen werden,
um die Übereinstimmung ihrer Temperatur zu gewährleisten.
Claims (12)
1. Verfahren zur Messung des von einer Temperaturschwankungen
unterworfenen langen Triebwelle übertragenen Drehmomentes,
insbesondere der Welle zwischen Motor und Getriebe eines
Hubschraubers, bei welchem die Winkelverschiebung zwischen
dieser Triebwelle und einer nahe dem Motor fest mit der
Triebwelle verbundenen und nahe dem Getriebe von dieser
unabhängigen Bezugswelle mit einem anderen
Ausdehnungskoeffizienten gemessen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die unterschiedliche
Linearausdehnung zwischen der Triebwelle (P) und der
Bezugswelle (R) gemessen wird und der Meßwert ausgenutzt
wird, um den Fehler aufgrund der Veränderung des
Elastizitätsmoduls des Materials der Triebwelle in
Abhängigkeit von ihrer Temperatur zu korrigieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die unterschiedliche Ausdehnung durch Veränderung des
Luftspaltes zwischen jeweils an den Wellen (P, R) befestigten
Zielen (A; B) und diesen Zielen zugeordneten Magnetfängern (C)
gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die unterschiedliche Ausdehnung in eine Drehung von zwei
jeweils mit den Wellen (P; R) verbundenen Tonrädern
transformiert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 2, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen
Triebwelle verbundene und nahe dem Getriebe von dieser
unabhängige Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe
jede Welle ein Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger
zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem fest mit der
Bezugswelle (R 1) verbundenen Tonrad (B) ein zusätzlicher
Magnetfänger (D) zugeordnet ist, welche dem ungezahnten Bereich
des Tonrades (B) gegenüber liegt und dessen Achse parallel zu
den Achsen der Wellen (P 1, R 1) und drechtwinklig zur Ebene des
Rades verläuft, wobei die Wellen aus Werkstoffen mit
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Tonrad (A) der Triebwelle (P 1) in der gleichen Weise ein
derartiger Magnetfänger (D) zugeordnet ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
2, welche ein nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle
verbundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige
Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Triebe jede Welle ein
Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der beiden
Tonräder (A, B) parallel zueinander und schräg zur Achse der
Wellen (P 2, R 2) verlaufen und daß die Achsen der Magnetfänger
(C 2, C 3) rechtwinklig zu den Stirnflächen verlaufen, während
die Wellen (P 2, R 2) aus Werkstoffen mit unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
3, welche eine nahe dem Motor fest mit dessen Triebwelle
verbundene und nahe dem Getriebe von dieser unabhängige
Bezugswelle besitzt, wobei nahe dem Getriebe jede Welle ein
Tonrad trägt und diesen Tonrädern Magnetfänger zugeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß sie Anordnungen (H, J) aufweist,
durch welche die Linearausdehnung der Bezugswelle (R 3) in
eine Drehbewegung des zugeordneten Tonrades (B 3) transformierbar
ist, wobei diese Wellen (P 3, R 3) aus Werkstoffen mit
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anordnungen aus wenigstens einer auf einem der Tonräder
(A 3, B 3) ausgebildeten und mit dem unabhängigen Ende der
Bezugswelle (R 3) zusammenwirkenden Schrägfläche (H) bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schrägfläche eine an der Innenseite eines frei verdrehbar
um die Triebwelle (P 3) montierten kreisringförmigen Tonrades
(B 3) ausgebildete Nut (H) ist und das unabhängige Ende der
Bezugswelle (R 3) durch eine Öffnung (O) der Triebwelle (P 3)
hindurchragt und in die Nut eingreift.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Tonräder (A 4, B 4) parallel und koaxial angeordnet sind
und die Nut (H 1) durch Zähne (K) auf der Oberfläche des der
Triebwelle (P 4) zugeordneten Rades (A 4) gebildet wird, welche
mit einem Zahn (M) des auf der Bezugswelle (R 4) befestigten
Rades zusammenwirken, wobei die Zähne (K, M) übereinander
greifen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Triebwelle (P) und
der Bezugswelle (R) Wärmebrücken (U) ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Verarbeitung der von den
Magnetfängern (C, D) erzeugten Signale elektronische
Schaltungen vorgesehen sind.
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