Funktionsweise und Aufbau von Drehmomentsensoren

Eine genaue Drehmomenterfassung und Messung der Drehzahl ist aus der modernen Antriebstechnik mit ihren variablen und dynamischen Antrieben nicht mehr wegzudenken. KTR hat eine Drehmomentmesswelle entwickelt die mit integrierter Drehzahlmessung glänzt und zusätzlich Drehwinkel und Drehrichtung zuverlässig ermittelt.

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Im Laufe der Zeit sind viele Verfahren entwickelt worden, Drehmomente an umlaufenden Wellen zu messen. Die meisten Technologien basieren darauf, den Verdrehwinkel der Welle zu bestimmen und auf das Drehmoment zurückzuführen. Hierzu gelten vergleichende Zählverfahren mittels Encoder oder auch die von KTR entwickelte Lichtmengenmessung. Durchgesetzt hat sich die Verwendung von Dehnungsmessstreifen (DMS) bei denen das Messelement direkt mit der Welle verklebt wird und die Daten mittels Telemetrie (früher Schleifringe) von der Welle übertragen werden. Sie besitzen eine hohe Lebensdauer und ermöglichen den Bau von Aufnehmern mit einer hohen Genauigkeitsklasse.

1. Torsionswelle und Dehnungsmessstreifen (DMS)

Bei einem Drehmoment verdreht sich die Torsionswelle in einem Winkel von 45° zur Längsachse.

Ein DMS (Dehnungsmessstreifen) ist mit der Welle flächig verklebt und folgt der Verformung der Torsionswelle. Der DMS besteht aus 2 aufgefalteten Drähten, welche so angeordnet sind, dass je nach Drehmomenteinwirkung einer der beiden Drähten etwas länger wird und somit seinen elektrische Wiederstand ändert.

1. Direkte Montage

Abhängig von der Anwendung kann eine Drehmomentmesswelle auf mehreren Arten in den Antrieb integriert werden. Grundsätzlich wird sie zwischen Antrieb und Last montiert, so das ein auftretendes Drehmoment zu einer Torsion der Welle führt. Ziel ist es, den Sensor möglichst querkraftfrei zu betreiben.

Die wohl beliebteste und einfachste Anordnung besteht aus der direkten Montage. Hierbei wird die Messwelle direkt zwischen zwei Kupplungen montiert und fungiert als Zwischenstück einer doppelt kardanischen Anordnung. Motor und Last müssen bei dieser Anordnung eine Lagerung aufweisen, die die Komponenten zentrieren kann. Aufgrund des großen axialen Abstandes sind hier hohe Radialverlagerungen wie auch Winkelverlagerungen zulässig, so lange die Radialbewegungen nicht zu hohen Vibrationen führen.

Der Aufbau ist kostengünstig realisierbar, muss aber bei jedem Wechsel einer Komponente neu ausgerichtet werden.

2. Aufbau mit zusätzlicher Lagerung

Insbesondere bei häufigem Austausch der Last bzw. des Prüflings empfiehlt sich die Verwendung einer zusätzlichen Los- Festlagerung, welche die Messwelle von der Last entkoppelt.

Ein Austausch des Prüflings erfordert nur nicht mehr die Abstützung und Neuausrichtung des Sensors und kann beispielsweise durch eine steckbare Kupplung schnell von statten gehen.

3. Aufbau mit Sicherheitskupplung

In einigen Antrieben treten Spitzenmomente auf, die sich nicht vermeiden lassen und den gesamten Antriebsstrang gefährden können. Hier ist es notwendig, die Last mechanisch vom Antrieb zu trennen. Als Lösung werden frei schaltende Sicherheitskupplungen verwendet, deren Rutschmoment einstellbar ist und deren Auslösung sich durch einen Endschalter detektieren lässt, so dass die Steuerung den Antrieb ausschalten kann.

4. Feststehende Montage

Bei der feststehenden Montage wird die Messwelle mit Hilfe eines Ständers fest auf der Arbeitsplatte montiert. Da Antrieb und Last jeweils Radial- und Winkelverlagerungen aufweisen, muss die Messwelle beidseitig mit doppelt kardanischen Kupplungen ausgestattet werden. Ansonsten treten an den Lagern der Messwelle Querkräfte auf, die die Messungen verfälschen können. Aufgrund der kurzen Abstände zur Kompensation der Radialverlagerungen sind bei diesem Aufbau nur kleine Verlagerungen zulässig.

5. Vertikale Montage

Bei der vertikalen Montage muss darauf geachtet werden, Kupplungen mit einer Abstützvorrichtung zu verwenden oder solche, welche das zusätzliche Gewicht tragen können. Zur Zentrierung der Komponenten fertigt KTR auch Zentriergehäuse, in welchen die Messwelle untergebracht ist.

6. Wahl der Kupplungen

Je nach Aufbau sind einfach oder doppelt kardanische Kupplungen zu verwenden. In jedem Fall sollte die Kupplung spielfrei sein und für das Drehmoment des Aufnehmers vorgesehen sein. Je nach Anwendung empfiehlt sich hier eine zusätzliche Sicherheit, da Drehmomentspitzen und kritische Betriebszustände mit beachtet werden müssen.

KTR bietet standardmäßig steife Stahllamellenkupplungen an. Auch steckbare ROTEX GS Kupplungen werden häufig verwendet. Letztere besitzen eine höhere Dämpfung, die dazu führt, dass Drehmomentspitzen von dem Drehmomentsensor nicht mehr in der Form wahrgenommen werden wie bei der Verwendung von steifen Kupplungen.

7. Kalibrierung

Bei der Kalibrierung werden die Kenngrößen eines Drehmomentsensors untersucht. Dieses geschieht mithilfe von Referenzen, welche in regelmäßigen Abständen von einem akkreditierten Prüflabor geprüft wird. KTR führt eine Werkskalibrierung in Anlehnung an VDI/VDE 2646 für die Messbereiche von 10 Nm bis 100 kNm durch.

Hierbei werden mehrere Belastungszyklen gefahren und die wichtigsten Eigenschaften des Sensors ermittelt (relative und absolute Abweichung, Spannweite, Nullpunktabweichung, Umkehrspanne, usw.). Jeder Sensor wird bei der Kalibrierung so eingestellt, dass die Ausgangsspannung der Skalierung entspricht, die in den Datenblättern angegeben wird (z.B. 10 Newtonmeter/V).

Empfehlenswert ist die Überprüfung der Kalibrierung in einem festgelegten Zeitintervall, dessen Höhe sich nach der Einsatzhäufigkeit und der Belastung richtet.

Neben der Standardbaureihe fertigt KTR kundenspezifische Drehmomentsensoren, die in Ausstattung und Wahl der Kupplungen frei spezifiziert werden können. Das KTR-Prüffeld besitzt Belastungsmaschinen bis 500 kNm.

Die Verwendung von Drehmomentsensoren ist nicht auf einzelne Branchen beschränkt. Naturgemäß finden sie in Prüfständen ihren Einsatz. In den vergangenen Jahren werden sie aber auch vermehrt in der Qualitätssicherung und zur Maschinensteuerung angewendet. Aufgrund jahrelanger Erfahrung kann KTR bei der Auslegung und Zusammenstellung der optimalen Komponenten unterstützen.

Die Frage nach dem geeigneten Ausgabegerät richtet sich nach der Anwendung. Grundsätzlich kommen alle Datenerfassungssysteme in Betracht, welche einen Spannungseingang besitzen. Dieses können einfache Datenlogger oder Anzeigen sein oder man entscheidet sich für eine Software mit Datenerfassungskarte. Die Anforderung an die Software / Hardware richtet sich dabei an die Aufgabe des Antriebs.

In vielen Fällen ist eine kostengünstige Universalsoftware ausreichend. Sobald aber eine Analyse der Daten erforderlich ist oder eine große Anzahl von Daten gespeichert werden müssen, empfiehlt sich der Einsatz einer speziell zugeschnittenen Software. KTR steht auch hier beratend zur Seite.