DD248874A1 - Beruehrungsfreier drehmomentensensor, vorzugsweise an rotierenden bauteilen - Google Patents

Abstract

Geschaffen wird ein beruehrungsfreier Drehmomentensensor, der fuer genaue Messungen unter Laborbedingungen ebenso geeignet ist, wie fuer relativ grosse Messbereiche im Maschinenbau, Fahrzeugbau, Schiffbau und aehnliche Einsatzfaelle. Der Sensor ermoeglicht eine genaue Messsignalerfassung und eine verschleissfreie Uebertragung des Signals vom rotierenden Bauteil, z. B. der drehmomentfuehrenden Welle. Die Erfindung loest die Aufgabe, dass der Sensor universell einsetzbar, gegenueber elektrischen, mechanischen und thermischen Umwelteinfluessen unempfindlich, hinreichend genau und wartungsarm ist. Das wird dadurch erreicht, dass mittels eines speziell gestalteten kapazitiven Primaerwandlers auf der drehmomentfuehrenden Welle hilfsenergiefrei ein Signal erzeugt wird, das ueber Uebertragungskondensatorringe schleifringfrei an ein Messgeraet uebertragen wird. Fig. 1

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer drehmomentenführenden Welle und eines umgebenden raumfesten Gehäuses dadurch gelöst, daß in die. Welle ein Segment mit definierten Durchmesser und Länge eingearbeitet ist. Über dieses Segment, das vorteilhaft ein definierter Wellenabschnitt ist, wird eine einseitig fest mit der Welle verbundene Elektrodenhalterung angeordnet, so daß sich somit mindestens eine isolierte Elektrode, die auf der Elektrodenhalterung befestigt ist, und eine auf der Welle befestigte Gegenelektrode gegenüberstehen und einen an sich bekannten kapazitiven Primärwandler bilden. Durch die vom Drehmoment bewirkte Torsion des Segmentes, das als eine an sich bekannte Torsionsfeder beliebigen Materials ausgelegt ist, wird im kapazitiven Primärwandler eine Kapazitätsänderung erreicht, indem je nach Gestaltung der Elektroden die direkte Winkeländeruhg oder die Verschiebung eines Abstandes ausgenutzt werden. Der überraschende Effekt dieses Drehmomentensensors wird dadurch erreicht, daß mit dem passiven kapazitiven Primärwandler elektrisch in Reihe ein Übertragungsringkondensator verbunden ist/der aus dem äußeren und dem inneren Übertragungskondensatorring besteht, die auf dem raumfesten Gehäuse bzw. der drehmomentführenden Welle gegenüberliegend angeordnet sind. Der äußere und der innere, vorzugsweise als Ring ausgebildete, Übertragungskondensatorring wirken mittels eines definierten Spaltes als berührungslose Übertragungsstecke, die an sich bekannt ist, jedoch in einer derartigen Verwendung eine für die Drehmomentenmessung überaschende Lösung dargestellt. Diese Kombination von hilfsenergiefreier Drehmomentenerfassung im Primärwandler und einer schleifringfreien Meßwertübertragung auf das Meßgerät bewirken die neuartigen Effekte des Sensors. Eine besonderer Vorteil ist, daß auf der drehmomentführenden Welle keine aktiven elektronischen Bauelemente angeordnet sind.

Durch entsprechende Dimensionierung der Übertragungskondensatorringe bzw. deren Gestaltung als Segmente wird erreicht, daß die Kapazitätsänderung des Übertragungsringkondensators klein ist gegenüber der Meßkapazitätsänderung am Primärwandler. Die am Meßgerät, das eine entsprechende kapazitive Auswerteschaltung beinhaltet, wirksame Kapazität der Reihenschaltung von Primärwandler und Übertragungsringkondensator wird damit nur durch das Drehmoment verändert und somit können vorteilhafterweise beliebige Drehmomente schleifringfrei gemessen werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schnitt durch einen Sensor

Fig. 2: Elektrodenanordnung bei Winkeländerung

Fig. 3: Elektrodenanordnung bei Verschiebung eines Abstandes

In Fig. 1 ist die Anordnung von Welle 1, Elektrodenhalterung 2 und Gehäuse 5 zueinander dargestellt, wobei die Lage der Elektroden 3 und der Gegenelektroden 4 zueinander den kapazitiven Primärwandler bildet. Die Elektrodenhalterung 2 wird an der Einspannstelle 6 fest mit der Welle 1 verbunden, so daß das Segment 14 mit der definierten Länge 9 und dem Durchmesser D die Gesamtgröße des Sensors entscheidend beeinflußt. Für den Übertragungsringkondensator sind die entsprechenden Übertragungskondensatorringe 7 und 8 an der Elektrodenhalterung 2 bzw. dem Gehäuse 5 gegenüberliegend und durch den Luftspalt 13 getrennt voneinander angebracht. Durch das eingeleitete Drehmoment auf die Welle 1 werden die Elektrode 3 und die Gegenelektrode 4 relativ zueinander verschoben. In Fig. 2 ist die Variante der Änderung des Winkels 11 dargestellt. Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Elektroden, wobei der Abstand 10 durch das zu messende Drehmoment verändert wird. Das damit passiv erzeugte Signal wird über die Übertragungskondensatorringe 7 und 8 an ein Meßgerät 12 übertragen, ohne daß es an einer Stelle des Sensors zu einer Berührung zwischen Gehäuse 5 und drehmomentführende Welle 1 bzw. daran angeordneten Elementen kommt. Diese hilfsenergiefreie Drehmomentenerfassung und insbesondere die damit verbundene schleifringfreie Meßwertübertragung stellen die bedeutenden Vorteile des Sensors dar.

Claims (5)

1. Berührungsfreier Drehmomentsensor, vorzugsweise an rotierenden Bauteilen, unter Verwendung einer insbesondere drehmomentführenden Welle und eines umgebenden raumfesten Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß in die Welle (1) ein Segment (14), das einen vorzugsweise verringerten Durchmesser (D) und eine definierte Länge (9) aufweist, eingearbeitet ist und an der Welle (1) sowohl eine Elektrodenhaltung (2), die an einem Ende des Segmentes (14) in einer Einspannstelle (6) fest mit der WeIIe(I) verbunden ist und am anderen freien Ende mindestens eine, isolierte Elektrode (3) eines an sich bekannten kapazitiven Primärwandlers trägt, als auch mindestens eine Gegenelektrode (4), die insbesondere bezüglich der isolierten Elektrode (3) um einen Winkel (11) verschiebbar ist, angeordnet sind sowie die isolierte Elektrode (3) mit mindestens einem inneren Übertragungskondensatorring (7), der vorzugsweise auf die Elektrodenhalterung (2) isoliert befestigt ist, elektrisch leitend verbunden ist, so daß mittels eines definierten Spaltes (13), der vorzugsweise mit Luft gefüllt ist, und mindestens einem isolierten äußeren Übertragungskondensatorring (8), der auf dem raumfesten Gehäuse (5) angeordnet ist, eine hilfsenergiefreie Drehmomentenerfassung und eine schleifringfreie Meßwertübertragung auf ein Meßgerät (12) möglich ist.

2. Berührungsfreier Drehmomentensensor nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (14) als eine speziell eingefügte, an sich bekannte Torsionsfeder beliebigen Materials ausgelegt ist.

3. Berührungsfreier Drehmomentensensor nach Pkt. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenhalterung (2) vollständig aus einem isolierenden Material besteht.

4. Berührungsfreier Drehmomentensensor nach Pkt. 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (4) bezüglich der isolierten Elektrode (3) um einen variablen Abstand (10) verschiebbar ist.

5. Berührungsfreier Drehmomentensensor nach Pkt. 1, 2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskondensatorringe (7) bzw. (8) als Segmente ausgebildet sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen berührungsfreien Drehmomentensensor, vorzugsweise an rotierenden Bauteilen, womit die Drehmomentenmessung im Maschinenbau, Fahrzeugbau, Schiffbau u. ä. an beliebigen Bauteilen ebenso realisierbar ist, wie in einem separaten Drehmomentenaufnehmer unter Laborbedingungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind verschiedene Prinzipien zur Wandlung des Drehmomentes über mechanische Deformation in ein elektrisches Signal. So werden zum Messen dieserfür den Maschinenbau wichtigen Meßgeröße beispielsweise Dehnungsmeßstreifen in Richtung der Hauptspannungen (45° zur Längsachse) auf die drehmomentführenden Wellen appliziert oder es werden beidseitig eines torsionsweichen Wellenstücks Reflexionsmarken aufgeklebt, deren Verdrehung gegeneinander optisch abgegriffen wird. Nachteilig und störanfällig ist im ersten Fall die Signalübertragung vom rotierenden Wellenstrang zum raum- und gehäusefesten Empfänger mittels Schleifring oder Telemetrieübertragung. Das optische digitale Meßsystem erschwert den Betrieb innerhalb von Maschinen aufgrund der notwendigen Ölabdichtung. Diese Nachteile versucht ein berührungsfrei arbeitendes Verfahren zu umgehen, bei dem die spannungsabhängige Permeabilitätsänderung in der oberflächennahen Randschicht erfaßt wird (EP 0087002, vom 31.8.1983). Die aufwendige Konstruktion von Meßkopf, die Abhängigkeit der Meßempfindlichkeit von den magnetostriktiven Eigenschaften des Wellenmaterials und die Fehlereinflüsse von Oberflächeninhomogenitäten sind die Nachteile dieses Meßprinzips.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, einen berührungsfreien Drehmomentensensor zu schaffen, der mit geringem Aufwand herstellbar ist, möglichst verschleißfrei arbeitet und eine aufwandsarme störungsfrei Übertragung eines genauen Meßsignals auch von rotierenden Bauteilen ermöglicht.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen berührungsfreien Drehmomentensensor, vorzugsweise an rotierenden Bauteilen zu entwickeln, der entweder direkt in das rotierende Bauteil eingebaut oder als selbständige Drehmomentenmeßzelle aufgebaut ist, wobei eine berührungsfeie und störungssichere Übertragung einen minimalen Wartungsaufwand und einen universellen Einsatz ermöglicht. Es soll ein großer Meßbereich überstrichen werden und die Beeinflussung durch die Umwelt, z. B. durch Temperatur, Störfelder u. dgl. weitestgehend ausgeschlossen werden.