Einrichtung zum elektrischen Messen der mechanischen Belastung einer rotierenden Welle
Um die Änderung einer physikalischen Grösse zu messen und als äquivalenten elektrischen Wert darzustellen, werden üblicherweise die Änderungen der zu messenden physikalischen Grösse, z. B. Drehmoment, Schubkraft, Gewicht, Druck, Dehnung, Vibrationsschwingung, Differentialdruck, Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung etc., in eine äquivalente Län genänderung umgesetzt, und die Längenänderung wird zu einer Induktionsänderung in einem elektrischen Wandler, z. B. einem Luftspaltmodulator, benutzt, wobei der Luftspaltmodulator eine dem Messwert äquivalente elektrische Spannung abgibt, die mittels eines Messinstrumentes angezeigt wird.
Es bestehen Schwierigkeiten, wenn solche Messungen an rotierenden Wellen erfolgen sollen. Die Bauformen der bekannten Messeinrichtungen sind unterschiedlich. Für Drehmomentmessung ist die Welle oft aufgetrennt, und es ist ein Torsionsstab von definierter Länge und von definiertem Querschnitt in die Trennstelle der Welle eingesetzt, dessen Verwindung gemessen wird. Anstelle eines eingesetzten Torsionsstabes kann die Welle auf eine definierte Länge einen kleineren Querschnitt aufweisen. Solche Torsionsstrecken in einer Welle stellen eine Schwächung dar, die insofern gewollt ist, als dadurch eine grössere Verwindung und eine grössere Messgenauigkeit erhalten wird. Eine solche Querschnittsverminderung an einer Welle kann aber teils unerwünscht, teils nicht durchführbar sein, wenn z. B.
Sicherheitsgründe dagegenstehen, oder wenn das Wellenmaterial bis nahe an die Fliessgrenze belastet ist. Dies kann in der Luftfahrtindustrie der Fall sein, wo zur Gewichtsverminderung die Wellen als dünnwandige Rohre ausgebildet werden, deren Dünnwandigkeit ausserdem die Eigenschwingungszahl so hoch hin aufs etzt, dass die Nenndrehzahl weit unterhalb der kritischen Drehzahl liegt.
Wenn in eine drehbelastete Welle eine Mess Strecke eingefügt wird, so entsteht an den Trennquerschnitten bei Drehrichtungswechsel Hysteresis.
Bei eingesetzten Torsionsstäben mit bezüglich der Welle hinreichend kleinerem Querschnitt kann diese Hysteresis dadurch ausgeschaltet werden, dass der Torsionsstab zwei, die Mess-Strecke begrenzende Flansche aufweist, mittels welchen er an der Welle befestigt ist, wobei diese Flansche die Messeinrichtung tragen. Bei dünnwandigen Hohlwellen oder bei massiven Wellen, bei denen in der Mess-Strecke der Wellenquerschnitt nicht vermindert sein darf, ist das Einsetzen eines solchen Torsionsstabes nicht möglich. Um die Messeinrichtung befestigen und auf der Welle eine Mess-Strecke begrenzen zu können, muss entweder eine Mess-Strecke von unvermindertem Querschnitt in die Welle eingesetzt werden, oder es muss durch auf die Welle aufgesetzte Flanschen eine Mess-Strecke begrenzt werden.
In beiden Fällen gelang es bis heute nicht, die mit der mechanischen Befestigung verbundene Hysteresis aus der Mess Strecke auszuschalten. Dies ist sehr nachteilig und kann eine Messung überhaupt unmöglich machen, dann nämlich, wenn bei massiven Wellen infolge einer kurzen Mess-Strecke die Verdrehung der Welle sehr klein ausfällt, und die Hysteresis die gleiche Grössenordnung wie die Messgrösse erreichen kann.
Die Erfindung hat eine Einrichtung zum Ziel, bei welcher die genannten Schwierigkeiten vermieden sind. Sie betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Messen der mechanischen Belastung einer rotierenden Welle mittels eines mit der Welle umlaufenden Luftspakmodulators und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle im Abstand der zu messenden Querschnitte zwei Ringflansche aufweist, die mit der Welle eine Einheit bilden, und der Stator des Luftspaltmodulators am einen Ringflansch und die in der Mitte des Luftspaltes liegende Modulatorzunge am anderen Ringflansch befestigt ist, so dass bei Belastung der Welle die Modulatorzunge aus der Luftspaltmitte verschoben wird.
Die Welle kann mit den Ringflanschen aus einem vollen Zylinder gedreht sein. Die Einheit von der Welle und Ringflanschen kann auch Idadurch erhalten werden, dass die Ringflansche auf die Welle aufgezogen und mit dieser verschweisst sind.
Zweckmässigerweise kann auf jedem Ringflansch eine Hülse sitzen und beide Hülsen können gegeneinander gerichtet sein, und am freien Ende kann die eine Hülse den Modulatorstator und die andere Hülse die Modulatorzunge tragen und jede Hülse kann zudem einen Drehübertrager-Rotor tragen. Mit besonderem Vorteil kann die Modulatorzunge mittels einer Mikrometerschraube verschiebbar an der Hülse befestigt sein, wobei die Lage anhand eines Messtasters kontrollierbar ist.
Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 einen Axialschnitt durch die Einrichtung an einer Hohlwelle,
Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1,
Fig. 3 einen Grundriss zu Fig. 2, teilweise geschnitten nach der Linie A-A.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Hinweiszeichen versehen.
Die Einrichtung zum elektrischen Messen des Drehmomentes befindet sich an einer, mit Bezug auf ihren Durchmesser dünnwandigen Hohlwelle 11. Die Verwendung derartiger Hohlwellen ist in der Flug- zeugindustrie gebräuchlich. Diese Hohlwelle hat zwei Ringflansche mit je einem zylindrischen Ring 12 bzw. 14 von grösserem Durchmesser als das Rohr, der durch einen radial stehenden Steg 13 bzw. 15 mit der Hohlwelle 11 verbunden ist. Diese beiden Ringflansche bilden mit der Hohlwelle eine Einheit aus homogenem Material. Die Hohlwelle kann so hergestellt werden, dass man sie spanabhebend aus einem vollen Zylinder dreht, oder auch, indem das Rohr 11, die beiden Stege 13, 15 und die beiden Ringe 12, 14 aus gleichem Material hergestellt und dann miteinander verschweisst werden.
Der lichte Abstand zwischen den beiden Stegen 13, 15 ist die für die Drehmomentmessung zu berücksichtigende Torsionslänge.
Auf dem zylindrischen Ring 12 des linken Ringflansches sitzt fest eine Hülse 16 und auf dem zylindrischen Ring 14 des rechten Ringflansches sitzt fest eine Hülse 17. Die beiden Hülsen 16, 17 sind gegeneinander gerichtet. An der Hülse 16 ist ein Träger 18 mittels Schrauben 19 befestigt, welcher die festen Teile des Luftspaltmodulators 20 trägt. An der Hülse 17 ist ein Träger 21 mittels Schrauben 22 befestigt, welcher den beweglichen Teil des Luftspaltmodulators trägt. Auf den beiden Hülsen 16, 17 sitzen je der rotierende Teil eines Drehlübertragers, bestehend aus einem Ferritring 23, in dessen Nut eine Wicklung 24 liegt. Dem rotierenden Teil liegt je ein feststehender Teil mit einem Ferritring 25 gegenüber, in dessen Nut eine Wicklung 26 liegt.
Die beiden festen Ferritringe 25 sitzen in einer zylindrischen Hülse 27, die fest am Gehäuse 28 sitzt. Auf jedem der beiden Ringflansche 12, 14 sitzt ein Haltering 29, welcher den Ferritring 23 hält. Neben diesem Haltering sitzt der innere Lagerring eines Kugellagers 30. Im Gehäuse 28 sitzt zu beiden Seiten der Hülse 27 je eine Dichtungsscheibe 31, welche das Eindringen von Fett in den Messraum verhindert. Diese Dichtungsscheibe ist von einer Hülse 32 gehalten, in welcher der äussere Lagerring des Kugellagers sitzt. Das Gehäuse 28 ist zu beiden Seiten durch einen Deckel 33 verschlossen, dessen innerer Rand bis nahe an den Ringflansch 12 bzw. 14 reicht und das Eindringen von Staub verhindert. In jedem Deckel 33 ist ein unter dem Druck von Federn 34 stehender Druckring 35 eingelegt, der gegen den äusseren Kugellagerring drückt und das Kugellagerspiel frei hält.
Am Gehäuse sitzt ferner ein Steckeranschluss für die elektrischen Zuleitungen.
Aus den Fig. 2 und 3 ist der Luftspaltmodulator und seine Befestigung deutlich sichtbar. Der Träger 18 hat zwei parallele, scheibenförmige Fortsätze 40, an die auf der Innenseite je eine Büchse 41 angenietet ist. In jeder Büchse 41 sitzt ein Modulatorkern 42, der aus Ferrit besteht, in welchen zwei ringförmige Wicklungen 43, 43' eingebettet sind. Der Ferritkern 42 sitzt in einer, in die Büchse 41 passenden Büchse 44 und ist auf der Aussenseite von einem Kunstharzmantel 45 umgeben. Im Ferritkern ist eine Gewindebüchse 46 eingelassen, in welche eine von aussen durch den Trägerfortsatz 40 geführte Befestigungsschraube 47 eingeschraubt ist.
Zwischen den beiden Modulatorkernen 42, die zusammen mit dem Träger 18 einen Stator bilden, befindet sich die Modulatorzunge 50, die in der Mittelebene gespalten ist. Das verdickte Hinterteil 51 der Zunge ist prismatisch ausgebildet und geschliffen und sitzt in einer Ausnehmung 52 des Zungenträgers, in welchen es seitlich verstellbar geführt ist. Zum seitli chen Verstellen ! der Zunge 50 sitzt das Zungenhinter- teil 51 auf einer, im Zungenträger 21 gelagerten Schraubenspindel 53, die auf der einen Seite einen Stellring 54 und auf der anderen Seite ein Schnekkenrad 55 trägt, das mit einer Schnecke 56 kämmt, deren Schaft 57 durch den Steg 15 des Ringflansches hindurchgeführt ist und somit von aussen verstellt werden kann. Die Zunge 50 kann mittels der Schraube 58 in der eingestellten Lage festgeklemmt werden.
Im Zungenträger 21 ist ferner ein Gewindeloch 59 in Querrichtung vorgesehen zum Einsetzen eines Messtasters, dessen Taststift an der Zunge anliegt, um die Zunge zu Eichzwecken verstellen zu können.
Wenn die Welle 11, die mit grosser Geschwindigkeit dreht, belastet wird und somit ein Drehmoment überträgt, verdrehen sich die beiden Ringflanschen 12, 14 gegeneinander, wobei der Verdrehungswinkel dem Drehmoment proportional ist. Infolge dieser Verdrehung verschiebt sich die Modulatorzunge 50 aus der Mitte des Luftspaltes zwischen ! den beiden Ferritkernen 42 des Luftspaltmodulators und ändert dadurch die Induktivität in den Wicklungen 43, 43'.
In an sich bekannter Weise sind die Wicklungen 43 beider Kerne unter sich parallel und die Wicklungen 43t beider Kerne unter sich in Reihe und gegeneinander geschaltet. Den Wicklungen 43 wird über den einen Drehübertrager eine primäre Wechselspannung zugeführt, die in den Wicklungen 431 eine Sekundärspannung induziert, die in der Mittellage der Zunge Null ist und bei Abweichung ansteigt und die über den anderen Drehübertrager abgenommen wird und als Messwertspannung in einer elektrischen Anzeigeeinrichtung ausgewertet werden kann.
Da die Zungenverschiebung im Luftspalt direkt mit der Winkelverdrehsunglder Ringflansche übereinstimmt und ohne Übersetzung erfolgt, sind die Luftspaltänderungen sehr klein, d. h. in der Grössenordnung von Tausendstel Millimeter. Die gezeigte Einrichtung kann hinreichend genau eingestellt werden und infolge der Massnahme, dass die Ringflansche mit der Welle eine Einheit aus homogenem Material bilden, erfolgen Drehrichtungswechsel ohne Hysteresis. Dies ist wesentlich, da bei bisher bekannten Einrichtungen mit an der Welle befestigten Flanschen oder Trägern eine Hysteresis von einigen Tausendstel Millimetern nicht zu vermeiden war, die hier das Messresultat vollständig fälschen würde.
Im gezeigten Beispiel ist der Luftspaltmodulator so eingebaut, dass der Luftspalt parallel zur Wellenachse liegt. Wenn der Luftspaltmodulator mit anderen Haltern so eingebaut wird, dass der Luftspalt quer zur Wellenachse liegt, kann die Einrichtung zur Dehnungsmessung benutzt werden.
Device for electrical measurement of the mechanical load on a rotating shaft
In order to measure the change in a physical variable and to represent it as an equivalent electrical value, the changes in the physical variable to be measured, e.g. B. torque, thrust, weight, pressure, elongation, vibration, differential pressure, angular velocity, acceleration, etc., converted into an equivalent length change, and the change in length becomes an induction change in an electrical converter, eg. B. an air gap modulator is used, wherein the air gap modulator emits an electrical voltage equivalent to the measured value, which is displayed by means of a measuring instrument.
Difficulties exist when such measurements are to be made on rotating shafts. The designs of the known measuring devices are different. For torque measurement, the shaft is often separated, and a torsion bar of a defined length and cross-section is inserted into the separation point of the shaft, the torsion of which is measured. Instead of an inserted torsion bar, the shaft can have a smaller cross-section over a defined length. Such torsion stretches in a shaft represent a weakening, which is intended insofar as a greater twist and greater measurement accuracy is obtained as a result. Such a reduction in cross-section on a shaft can, however, be partly undesirable, partly not feasible if, for. B.
There are safety reasons on the other hand, or if the shaft material is loaded close to the flow limit. This can be the case in the aviation industry, where the shafts are designed as thin-walled tubes to reduce weight, the thin walls of which also set the natural frequency of vibration so high that the nominal speed is far below the critical speed.
If a measuring section is inserted into a rotationally loaded shaft, hysteresis occurs at the separating cross-sections when the direction of rotation changes.
In the case of torsion bars with a sufficiently smaller cross-section in relation to the shaft, this hysteresis can be eliminated in that the torsion bar has two flanges delimiting the measurement path, by means of which it is attached to the shaft, these flanges carrying the measuring device. With thin-walled hollow shafts or massive shafts, where the shaft cross-section must not be reduced in the measuring section, the use of such a torsion bar is not possible. In order to fix the measuring device and to be able to limit a measuring section on the shaft, either a measuring section with an undiminished cross-section must be inserted into the shaft, or a measuring section must be limited by flanges placed on the shaft.
In both cases, it has not yet been possible to eliminate the hysteresis associated with the mechanical fastening from the measurement section. This is very disadvantageous and can make a measurement impossible at all, namely if, in the case of massive shafts, the rotation of the shaft is very small as a result of a short measurement distance and the hysteresis can reach the same order of magnitude as the measured variable.
The invention aims at a device in which the aforementioned difficulties are avoided. It relates to a device for the electrical measurement of the mechanical load on a rotating shaft by means of an air-gap modulator rotating with the shaft and is characterized in that the shaft has two ring flanges at the distance of the cross-sections to be measured, which form a unit with the shaft, and the stator of the Air gap modulator is attached to one ring flange and the modulator tongue located in the middle of the air gap is attached to the other ring flange, so that when the shaft is loaded, the modulator tongue is shifted from the center of the air gap.
The shaft can be rotated from a full cylinder with the ring flanges. The unity of the shaft and ring flanges can also be obtained by pulling the ring flanges onto the shaft and welding them to it.
Conveniently, a sleeve can sit on each annular flange and both sleeves can face each other, and at the free end one sleeve can carry the modulator stator and the other sleeve the modulator tongue and each sleeve can also carry a rotary transmitter rotor. The modulator tongue can particularly advantageously be attached to the sleeve in a displaceable manner by means of a micrometer screw, the position being controllable with the aid of a measuring probe.
An Ausführungsbeispiei the invention is explained in more detail with reference to the drawing. Show in the drawing
1 shows an axial section through the device on a hollow shaft,
FIG. 2 shows an enlarged section from FIG. 1,
Fig. 3 is a plan view of Fig. 2, partially sectioned along the line A-A.
In the figures, the same parts are provided with the same reference symbols.
The device for electrically measuring the torque is located on a hollow shaft 11 which is thin-walled in relation to its diameter. The use of such hollow shafts is common in the aircraft industry. This hollow shaft has two ring flanges, each with a cylindrical ring 12 or 14 of larger diameter than the tube, which is connected to the hollow shaft 11 by a radially extending web 13 or 15. These two ring flanges form a unit made of homogeneous material with the hollow shaft. The hollow shaft can be manufactured in such a way that it is rotated by machining from a full cylinder, or by making the tube 11, the two webs 13, 15 and the two rings 12, 14 from the same material and then welding them together.
The clear distance between the two webs 13, 15 is the torsional length to be taken into account for the torque measurement.
A sleeve 16 is firmly seated on the cylindrical ring 12 of the left ring flange and a sleeve 17 is firmly seated on the cylindrical ring 14 of the right ring flange. The two sleeves 16, 17 are directed towards one another. A carrier 18, which carries the fixed parts of the air gap modulator 20, is fastened to the sleeve 16 by means of screws 19. A carrier 21 is fastened to the sleeve 17 by means of screws 22 and carries the movable part of the air gap modulator. The rotating part of a rotary transmitter, consisting of a ferrite ring 23, in the groove of which a winding 24 is located, is seated on each of the two sleeves 16, 17. Opposite the rotating part is a fixed part with a ferrite ring 25, in the groove of which there is a winding 26.
The two fixed ferrite rings 25 sit in a cylindrical sleeve 27 that is firmly seated on the housing 28. A retaining ring 29, which holds the ferrite ring 23, sits on each of the two ring flanges 12, 14. The inner bearing ring of a ball bearing 30 sits next to this retaining ring. In the housing 28, on each side of the sleeve 27, there is a sealing washer 31, which prevents the penetration of grease into the measuring chamber. This sealing washer is held by a sleeve 32 in which the outer bearing ring of the ball bearing sits. The housing 28 is closed on both sides by a cover 33, the inner edge of which extends close to the annular flange 12 or 14 and prevents the ingress of dust. In each cover 33 a pressure ring 35 under the pressure of springs 34 is inserted, which presses against the outer ball bearing ring and keeps the ball bearing play free.
A plug connection for the electrical leads is also located on the housing.
From FIGS. 2 and 3, the air gap modulator and its attachment can be clearly seen. The carrier 18 has two parallel, disk-shaped extensions 40, to which a bushing 41 is riveted on the inside. In each sleeve 41 there is a modulator core 42, which consists of ferrite, in which two annular windings 43, 43 'are embedded. The ferrite core 42 sits in a sleeve 44 that fits into the sleeve 41 and is surrounded on the outside by a synthetic resin jacket 45. A threaded bushing 46 is embedded in the ferrite core, into which a fastening screw 47 guided from the outside through the carrier extension 40 is screwed.
The modulator tongue 50, which is split in the central plane, is located between the two modulator cores 42, which together with the carrier 18 form a stator. The thickened rear part 51 of the tongue is prismatic and ground and sits in a recess 52 of the tongue carrier in which it is laterally adjustable. For lateral adjustment! The tongue 50 sits the tongue rear part 51 on a screw spindle 53 mounted in the tongue carrier 21, which carries an adjusting ring 54 on one side and a worm wheel 55 on the other side, which meshes with a worm 56 whose shaft 57 passes through the web 15 of the ring flange is passed through and can thus be adjusted from the outside. The tongue 50 can be clamped in the set position by means of the screw 58.
In the tongue carrier 21, a threaded hole 59 is also provided in the transverse direction for inserting a probe, the stylus of which rests against the tongue in order to be able to adjust the tongue for calibration purposes.
When the shaft 11, which rotates at high speed, is loaded and thus transmits a torque, the two annular flanges 12, 14 rotate against each other, the angle of rotation being proportional to the torque. As a result of this rotation, the modulator tongue 50 shifts from the center of the air gap between! the two ferrite cores 42 of the air gap modulator and thereby changes the inductance in the windings 43, 43 '.
In a manner known per se, the windings 43 of both cores are connected in parallel with each other and the windings 43t of both cores are connected in series and against one another. A primary alternating voltage is fed to the windings 43 via the one rotary transmitter, which induces a secondary voltage in the windings 431, which is zero in the central position of the tongue and increases if there is a deviation and which is taken via the other rotary transmitter and evaluated as a measured value voltage in an electrical display device can be.
Since the tongue displacement in the air gap corresponds directly to the angular twisting of the ring flanges and takes place without translation, the changes in the air gap are very small; H. on the order of thousandths of a millimeter. The device shown can be set with sufficient precision and, as a result of the measure that the ring flanges and the shaft form a unit made of homogeneous material, the direction of rotation is changed without hysteresis. This is essential because with previously known devices with flanges or supports attached to the shaft, a hysteresis of a few thousandths of a millimeter could not be avoided, which would completely falsify the measurement result.
In the example shown, the air gap modulator is installed in such a way that the air gap is parallel to the shaft axis. If the air gap modulator is installed with other brackets in such a way that the air gap is perpendicular to the shaft axis, the device can be used for strain measurement.