DE3933427A1 - Torque measuring device for rotary machine shaft - uses counter-torque exerted on machine housing supported by cross spring linkages - Google Patents

Abstract

The torque measuring device for a rotary machine shaft uses the counter-torque exerted on the housing (2) of the rotary machine (1), for compensating the rotation of the machine housing (2) relative to the torque axis (7). The machine housing is supported to be free from friction and displacement via a pair of cross spring linkages (14,15). Pref. the machine (1) is supported by a holder (6) which is mounted on the cross spring linkages (14,15). The force generator provides the counter-torque using a piezoelectric generator acting on the holder (6). ADVANTAGE - Accurate detection of varying torques generated by electric motor or IC engine.

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer umlaufenden Welle einer rotierenden Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention is based on a device for measuring the torque of a rotating shaft rotating machine according to the preamble of Claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Hierbei nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Drehmomentmeßvorrichtungen Bezug, wie er etwa in Chr. Rohrbach et al., Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag, Düsseldorf 1967, insbesondere S. 513, beschrieben ist. Bei einer der bekannten Drehmomentmeßvorrichtungen wird das zu messende Moment einer umlaufenden Welle einer rotierenden Maschine in einem feststehenden Verbraucher unter Energieverbrauch erzeugt. Dieses Moment wird kompensiert durch ein entgegengesetzt gerichtetes Moment, welches das feststehende Teil der Maschine am Umlaufen hindert. Wird nun das feststehende Teil der rotierenden Maschine in reibungsarmen Lagern drehbar gelagert, können das kompensierende und damit auch das zu messende Moment mittels eines am feststehenden Teil der rotierenden Maschine befestigten und auf einen feststehenden Kraftgeber wirkenden Hebelarms ermittelt werden. Als reibungsarme Lager werden hierbei bevorzugt Radialwälzlager verwendet, welche infolge von Reibung und Spiel der Wälzkörper jedoch die Genauigkeit der Drehmomentmessung gegebenenfalls erheblich beeinträchtigen.Here, the invention takes on a prior art Torque measuring devices reference, such as in Chr. Rohrbach et al., Manual for electrical measurement mechanical quantities, VDI-Verlag, Düsseldorf 1967, in particular p. 513. At one of the Known torque measuring devices will be the one to be measured Moment of a rotating shaft of a rotating machine in a fixed consumer under energy consumption generated. This moment is compensated for by a oppositely directed moment which the prevents the stationary part of the machine from rotating. Becomes  now the fixed part of the rotating machine in low-friction bearings can be rotated, can compensating and therefore also the moment to be measured by means of a fixed part of the rotating Machine attached and on a fixed power transmitter acting lever arm can be determined. As low-friction Bearings are preferably radial bearings, which due to friction and play of the rolling elements the accuracy of the torque measurement if necessary significantly affect.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer umlaufenden Welle einer rotierenden Maschine anzugeben, mit welcher auch sich rasch ändernde Drehmomente mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.The invention as defined in claim 1 solves the task of a device for measuring the Torque of a rotating shaft of a rotating one Specify machine with which also quickly changing Torques can be determined with high accuracy.

Die Drehmoment-Meßvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und großes Auflösungsvermögen auf. Dies ist dadurch bedingt, daß alle an der umlaufenden Welle angreifenden Kräfte und Momente, außer dem zu messenden Moment selber, durch eine nahezu reibungs- und verschiebungsfreie Lagerung der rotierenden Maschine aufgenommen werden. Gewicht der rotierenden Maschine, Maschinendrehzahl, Axialschub an der umlaufenden Ma­ schinenwelle und/oder Riemenspannung an einer gegebenenfalls vorgesehenen Riemenscheibe beeinflussen die Meßgenauigkeit nun nicht mehr. Unter Verwendung hochauflösender Kraftgeber können nun selbst instationäre Momente mit hoher Genauigkeit und großer Auflösung aufgenommen werden.The torque measuring device according to the invention draws high accuracy and high resolution on. This is due to the fact that everyone on the rotating Wave attacking forces and moments other than that too measuring moment itself, through an almost frictional and non-displacement bearing of the rotating machine be included. Weight of the rotating machine, Machine speed, axial thrust on the rotating dimension line shaft and / or belt tension on one Possibly provided pulley affect the Measurement accuracy no longer. Under use High-resolution power transmitters can now even be transient  Moments with high accuracy and high resolution be included.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigtThe invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments explained in more detail. Here shows

Fig. 1 eine Ansicht einer stark vereinfachten ersten Ausführungsform der Drehmoment-Meßvorrichtung nach der Erfindung, Fig. 1 is a view of a highly simplified first embodiment of the torque measuring device according to the invention,

Fig. 2 eine Aufsicht in Pfeilrichtung auf die zumindest teilweise längs II-II geschnittene Drehmoment- Meßvorrichtung nach Fig. 1, Fig. 2 is a plan view in the arrow direction to the at least partially along II-II cut-torque measuring device according to Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht einer stark vereinfachten zweiten Ausführungsform der Drehmoment-Meßvorrichtung nach der Erfindung, und Fig. 3 is a view of a greatly simplified second embodiment of the torque measuring device according to the invention, and

Fig. 4 eine Aufsicht in Pfeilrichtung auf die zumindest teilweise längs IV-IV geschnittene Drehmoment- Meßvorrichtung nach Fig. 3. Fig. 4 is a plan view in the arrow direction of the cut at least partly along IV-IV torque measuring device according to FIG. 3.

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Das Bezugszeichen 1 bezieht sich auf eine beispielsweise als Elektro- oder Verbrennungsmotor ausgebildete rotierende Maschine mit einem Gehäuse 2 und einer aus den Fig. 2 und 4 ersichtlichen umlaufenden Welle 3. Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 ist an der umlaufenden Welle 3 eine Riemenscheibe 4 angebracht, welche die von der Maschine 1 abgegebene Leistung über einen Riemen 5 einem nicht dargestellten Verbraucher zuführt. Hingegen wird bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 und 4 die von der Maschine abgegebene Leistung über die Welle 3 unmittelbar einem ebenfalls nicht dargestellten Verbraucher, etwa einem Ventilator, zuge­ führt.In all figures, the same reference symbols also designate parts with the same effect. The reference numeral 1 relates to a rotating machine, for example in the form of an electric or internal combustion engine, with a housing 2 and a rotating shaft 3 shown in FIGS. 2 and 4. In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, a pulley 4 is attached to the rotating shaft 3 , which feeds the power output by the machine 1 to a consumer (not shown) via a belt 5 . In contrast, in the embodiment according to FIGS. 3 and 4, the power output by the machine via the shaft 3 leads directly to a consumer, also not shown, such as a fan.

Am Gehäuse 2 der Maschine 1 befestigt ist eine vorzugsweise als Joch ausgebildete Haltevorrichtung 6. Diese Haltevorrichtung weist eine parallel zur Momentachse 7 der Maschine 1 erstreckte Basisplatte 8 auf, auf der senkrecht zur Momentachse 7 verlaufende Tragschenkel 9, 10, 11, 12, 13 aufgebracht sind. Der Tragschenkel 9 ist etwa mittels Schrauben am Gehäuse 2 der Maschine 1 befestigt. Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 und 2 weist er eine Öffnung auf zur Durchführung des die Riemenscheibe 4 tragenden Teils der Welle 3.Attached to the housing 2 of the machine 1 is a holding device 6, preferably designed as a yoke. This holding device has a base plate 8 which extends parallel to the moment axis 7 of the machine 1 and on which support legs 9, 10, 11, 12, 13 which are perpendicular to the moment axis 7 are applied. The support leg 9 is fastened to the housing 2 of the machine 1 by means of screws, for example. In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, it has an opening for the passage of the part of the shaft 3 carrying the pulley 4 .

Die Haltevorrichtung 6 und damit auch der Maschine 1 sind nahezu reibungs- und verschiebungsfrei gelagert. Hierzu sind zwei vorzugsweise jeweils als Kreuzfedergelenke 14, 15 ausgebildete Federgelenke vorgesehen. Diese Kreuzfedergelenke haben zylindrische Form und weisen - wie in der Meßgeräteindustrie üblich - an beiden Enden nicht bezeichnete Bünde auf, mit denen sie jeweils an einem der Tragschenkel 10, 11, 12 und 13 (Fig. 2) bzw. 9, 11, 12 und 13 (Fig. 4) befestigt sind. Die Gelenkachsen der Kreuzfedergelenke 14 und 15 liegen hierbei jeweils auf der Momentachse 7. Ein nicht bezeichnetes, um die Gelenkachse drehbares Mittelstück des jeweiligen Kreuzfedergelenks 14 bzw. 15 ist an einem feststehenden Träger 16 bzw. 17 angebracht.The holding device 6 and thus also the machine 1 are mounted almost without friction and displacement. For this purpose, two spring joints are preferably provided, each designed as cross spring joints 14, 15 . These cross spring joints have a cylindrical shape and - as is customary in the measuring instrument industry - have unidentified frets at both ends, with which they each on one of the support legs 10, 11, 12 and 13 ( Fig. 2) or 9, 11, 12 and 13 ( Fig. 4) are attached. The joint axes of the cross spring joints 14 and 15 each lie on the moment axis 7 . A non-designated center piece of the respective cross spring joint 14 or 15 , which can be rotated about the joint axis, is attached to a fixed support 16 or 17 .

An die Haltevorrichtung 6 ist ein Hebelarm 18 angesetzt. Dieser Hebelarm ruht auf einem feststehenden Kraftgeber. A lever arm 18 is attached to the holding device 6 . This lever arm rests on a fixed power transmitter.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 ist der Kraftgeber als Regelkreis ausgebildet mit einem Differentialtransformator 19 als Wegaufnehmer, einem Hub/Zug-Magnet 20 als Rückstellglied und einer die Stromversorgung des Hub/Zug-Magneten 20 regelnden Eletronik 21. Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 ist der Kraftgeber als piezoelektrischer Kraftgeber 22 ausgebildet.In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, the force transducer is designed as a control circuit with a differential transformer 19 as a displacement sensor, a hub / train magnet 20 be controlled as a restoring member, and a power to the hub / train-magnet 20 Eletronik 21st In the embodiment according to FIGS . 3 and 4, the force transmitter is designed as a piezoelectric force transmitter 22 .

Bei den zuvor beschriebenen Meßvorrichtungen nach der Erfindung wird das an der umlaufenden Welle 3 erzeugte, zu messende Drehmoment kompensiert durch ein Drehmoment, das das Gehäuse 2 der rotierenden Maschine 1 am Umlaufen hindert und gebildet wird mit dem Hebelarm 18 und dem feststehenden Kraftgeber. Hierbei läßt sich eine äußerst hohe Genauigkeit der Drehmomentmessung erreichen, da alle an der Welle 3 der Maschine 1 angreifenden Kräfte und Drehmomente, außer dem zu messenden Drehmoment selber, von den vorzugsweise als Kraftfedergelenke ausgebildeten Federgelenken aufgenommen werden. Federgelenke weisen gegenüber den bei Drehmomentmessungen üblichen Radial­ wälzlagern den großen Vorteil auf, daß sie bei Drehwinkel von bis zu einigen Grad sich nahezu reibungs- und verschie­ bungsfrei um ihre Gelenkachse schwenken lassen. Daher beeinflussen das Gewicht der Maschine 1, die Spannung des Riemens 5, der Axialschub der Welle 3 oder die Maschinendrehzahl die Messung nicht. Im Gegensatz zu Messungen mit Radialwälzlagern, bei denen die Reibung und das Spiel der Wälzkörper das Meßergebnis wesentlich beeinflussen, hängt die Meßgenauigkeit bei der Meßvorrichtung nach der Erfindung im wesentlichen nur noch von der Genauigkeit der Kraftmessung am Hebelarm 18 ab. In the measuring devices according to the invention described above, the torque to be measured generated on the rotating shaft 3 is compensated for by a torque which prevents the housing 2 of the rotating machine 1 from rotating and is formed with the lever arm 18 and the fixed force transmitter. Here, an extremely high accuracy of the torque measurement can be achieved, since all forces and torques acting on the shaft 3 of the machine 1 , apart from the torque to be measured itself, are absorbed by the spring joints, which are preferably designed as force spring joints. Spring joints have the great advantage over the radial roller bearings that are customary in torque measurements that they can be pivoted about their joint axis almost without friction and displacement at angles of rotation of up to a few degrees. Therefore, the weight of the machine 1 , the tension of the belt 5 , the axial thrust of the shaft 3 or the machine speed do not influence the measurement. In contrast to measurements with radial roller bearings, in which the friction and the play of the rolling elements significantly influence the measurement result, the measurement accuracy in the measuring device according to the invention essentially depends only on the accuracy of the force measurement on the lever arm 18 .

Interessiert nur der Mittelwert eines Momentes, so eignet sich eine Kraftmessung wie sie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 vorgesehen ist. Bei dieser Kraftmessung gibt der Differentialtransformator 19 dann ein Signal ab, wenn infolge des Ansteigens eines an der umlaufenden Welle 3 auftretenden Drehmomentes der Hebelarm 18 im Gegenuhrzeigersinn aus seiner Ruhelage verdreht wird. Das vom Differentialtransformator abgegebene Signal wird in der Elektronik 21 verarbeitet. Die als Regler wirkende Elektronik 21 erhöht den durch den Hub/Zug-Magneten 22 fließenden Strom. Der Hub/Zug-Magnet 22 weist nun eine größere Kraft auf und führt den Hebelarm 18 wieder in die Ruhelage zurück. Der in der Spule des Hub/Zug-Magneten 22 fließende Strom ist hierbei dem zu messenden Drehmoment proportional.If only the mean value of a moment is of interest, a force measurement as is provided in the embodiment according to FIGS. 1 and 2 is suitable. In this force measurement, the differential transformer 19 then emits a signal when the lever arm 18 is rotated counterclockwise from its rest position due to the increase in a torque occurring on the rotating shaft 3 . The signal emitted by the differential transformer is processed in the electronics 21 . The electronics 21 acting as a controller increase the current flowing through the stroke / pull magnet 22 . The stroke / pull magnet 22 now has a greater force and returns the lever arm 18 to the rest position. The current flowing in the coil of the lifting / pulling magnet 22 is proportional to the torque to be measured.

Sollen instationäre Drehmomentverläufe, etwa die Momente an Rotoren von Elektromotoren, gemessen werden, so eignet sich eine Kraftmessung wie sie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 vorgesehen ist. Der hierbei verwendete piezoelektrische Kraftgeber 22 weist gegenüber dem zuvor beschriebenen Regelkreis eine äußerst hohe Auflösung auf. Daher ist es möglich, mit einer Meßvorrichtung gemäß den Fig. 3 und 4 extrem starke Schwankungen des Drehmomentes auch im Kilohertz-Bereich mit hoher Genauigkeit zu erfassen.If non-steady-state torque curves, for example the moments on rotors of electric motors, are to be measured, then a force measurement as is provided in the embodiment according to FIGS. 3 and 4 is suitable. The piezoelectric force generator 22 used here has an extremely high resolution compared to the control loop described above. It is therefore possible to use a measuring device according to FIGS . 3 and 4 to detect extremely strong fluctuations in the torque, even in the kilohertz range, with high accuracy.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer umlaufenden Welle (3) einer rotierenden Maschine (1), deren Gehäuse (2) um die Momentachse (7) drehbar gelagert ist, wobei das Drehmoment kompensiert ist durch ein Gegendrehmoment, welches durch einen auf das Maschinengehäuse (2) wirkenden und dieses am Umlaufen hindernden Kraftgeber erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinengehäuse (2) nahezu reibungs- und verschiebungsfrei gelagert ist.1. Device for measuring the torque of a rotating shaft ( 3 ) of a rotating machine ( 1 ), the housing ( 2 ) of which is rotatably mounted about the moment axis ( 7 ), the torque being compensated for by a counter-torque which is caused by a on the machine housing ( 2 ) acting and this prevents rotation of the power generator, characterized in that the machine housing ( 2 ) is mounted almost without friction and displacement. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung mindestens zwei Federgelenke vorgesehen sind.2. Device according to claim 1, characterized in that for storage at least two spring joints are provided. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federgelenke als Kreuzfedergelenke (14, 15) ausgebildet sind.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the spring joints are designed as cross spring joints ( 14, 15 ). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Maschine (1) tragende Haltevorrichtung (6) vorgesehen ist, welche an den mindestens zwei Federgelenken aufgehängt ist.4. Device according to one of claims 2 or 3, characterized in that a holding device ( 6 ) carrying the machine ( 1 ) is provided, which is suspended from the at least two spring joints. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kraftgeber eine hohe Auflösung aufweist.5. Device according to one of claims 1-4, characterized ge indicates that the encoder has a high resolution having. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftgeber ein piezoelektrischer Kraftgeber (22) ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the force transmitter is a piezoelectric force transmitter ( 22 ).