Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung hochpräziser Drehmomente, ein Verfahren zu deren Ermittlung sowie die Verwendung derselben.

Nach bisherigem Stand der Technik wurden bereits Laufgewichte zur Drehmomenterzeugung eingesetzt [1]. Dabei werden jedoch keine kugelförmigen Massen verwendet und die Messgenauigkeit ist relativ gering, weil nicht nur die Masse des Laufgewichtes sondern auch noch weitere Bauteile zur Drehmomenterzeugung beitragen.

Neuere Geräte nutzen statt eines Laufgewichtes Massen (vorwiegend Massestapel), die an dem mittig drehbar gelagerten Balken mit möglichst identischem Abstand zur Drehachse angehangen werden [2] und [3]. Dabei werden zuweilen die Massestapel über dehnungskontrollierte Gelenke an den Balken angehangen [DE 100 32 978 B4] oder über Blechstreifen mit dem Balken verbunden, die in manchen Ausführungen auf einen konstanten Radius zum Drehpunkt des Balkens abrollen [US 4,543,814]. Über die einstellbare Ungleichheit der beiden Gewichtskräfte kann das Drehmoment diskret erzeugt werden. Ein Nachteil dieser Vorrichtungen ist, dass der Radius, an dem die Kräfte angreifen auch bei sehr großem Aufwand nicht genau bekannt ist. Da jedoch die Messunsicherheit der Drehmomenterzeugung direkt von der Unsicherheit des Radius abhängt, ist auch bei diesen Vorrichtungen die Messgenauigkeit eingeschränkt.

Bei besonders großen Drehmomenten wird ein anderes Verfahren (z.B. bei der PTB Braunschweig) angewendet. Steuerbare Belastungserzeuger (hier zwei Spindelantriebe) arbeiten entgegengesetzt gegen einen zweiarmigen, schwimmend gelagerten Hebel. Das dabei erzeugte Drehmoment wird mittels Zug-Druck-Aufnehmer und bekanntem Abstand derer zum Drehpunkt des Hebels erfasst [4] und [DE 102 38 077 B4].

In [5] wird in einem Vorlesungsmanuskript zur Erläuterung der Euler-Lagrange-Gleichungen auf S. 65 die Berechnung des Drehmomentes einer Kugel auf einem Balken erörtert. Da es sich in der Vorlesung um Modellbildung handelt, ist das dort gezeigte Vorgehen nicht geeignet, praktische Lösungshinweise zu geben. So ist es nicht Aufgabe des Manuskripts Vorschläge zur Erzeugung hochpräziser Drehmomente zu liefern, sondern ein physikalisches Modell, mit der dabei üblichen Vernachlässigung technischer Randbedingungen, zu erläutern. [5] gibt somit keinen Hinweis zur Lösung einer Messaufgabe. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung zur Erzeugung von hochpräzisen Drehmomenten und ein Verfahren zu deren Ermittlung bereitzustellen, mit denen frei wählbare Drehmomentwerte und -abfolgen mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit erzeugt und ermittelt werden können.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche eins sowie acht und neun. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 - prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines hochauflösenden Drehmoments mittels kugelförmigen Laufgewichts,

Figur 2 - prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Aktor zur Einstellung und Regelung der Neigung des Balkens.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen drehbar gelagerten Balken mit Führungscharakter (2), auf dem eine Kugel (1 ) mit sehr exakt bekanntem Gewicht angeordnet ist. Die Positionierung der Kugel (1 ) kann durch Abwälzen der Kugel (1 ) mit hoher Genauigkeit erfolgen. Dabei kann die Bewegung der Kugel (1 ) durch eine zusätzliche Positioniereinheit (3) oder aber auch durch eine direkte Regelung der Neigung des Balkens (2) erfolgen. Dabei ist es wichtig, dass einzig und allein die Kugel (1 ) ihre Position auf dem Balken (2) ändert und der mechanische Kontakt zwischen der Positioniereinheit (3) und der Kugel nur für kurze Zeit während der Verschiebung besteht. Im Messmodus befindet sich die Kugel im Ruhezustand und zwischen ihr und der Positioniereinheit gibt es keine Berührung. Die Position der Kugel (1 ) wird kontinuierlich über eine geeignete, berührungslos arbeitende, ortsfeste oder auf dem Balken (2) angebrachte Längenmesseinheit (4) hochgenau gemessen. Die Kugel (1 ) wirkt als Retroreflektor bei geeigneter Brechzahl des Materials oder als Spiegel bei reflektierender Oberfläche. Über die als bekannt angenommene Formgüte und den Durchmesser der Kugel kann auf die Lage des Masseschwerpunkts geschlossen werden.

Bedingt durch die hohe Auflösung und Genauigkeit der Längenmessung in Kombination mit der Kenntnis der Masse der Kugel (1 ) können Drehmomente mit bisher nicht erreichter Präzision erzeugt werden. Als Lagerung für den Balken (2) werden spielfreie Lagerungen (5) mit geringster Reibung eingesetzt. Dem Fachmann sind hierfür geeignete Lagerungen geläufig. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einheit (6) zur Messung der Neigung des Balkens umfassen. Die räumliche Anordnung ist in Figur 2 nur beispielhaft dargestellt. Dem Fachmann sind hierfür geeignete Messvorrichtungen, Verfahren zu deren Betrieb und günstige Anordnungsvarianten bekannt.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen drehmomenterzeugenden Aktor (7) aufweisen, mit dem ein Drehmoment auf den Balken (2) in Form einer Kraft mit einem bestimmten Hebelarm vorzugsweise berührungslos erzeugt werden kann. Der Aktor (7) ist in Figur 2 als elektrodynamischer Aktor beispielhaft ausgeführt. Dem Fachmann sind auch hierfür geeignete Aktoren, Verfahren zu deren Betrieb und günstige Anordnungsvarianten bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung hochpräziser Drehmomente umfasst zwei sich abwechselnde Betriebsmodi, den Messmodus und den Positioniermodus. Im Messmodus ist die Kugel (1 ) auf dem Balken in Ruhe und es gibt keine Berührung mit der Positioniereinheit (3). Zwischen jeweils zwei Drehmomenterzeugungen im Messmodus erfolgt im Positioniermodus das Bewegen der Kugel (1 ) durch die Positioniereinheit (3) oder durch Rollen bei Neigung des Balkens (2). Das im Messmodus wirkende Drehmoment hängt von der Gewichtskraft und der Position der Kugel bezüglich des Drehpunktes (5), genauer dem effektiven Radius r_K _Ug ei (entspricht dem horizontalen Abstand zwischen dem Drehpunkt (5) und dem Kugelmittelpunkt) ab. Die für die messtechnische Anwendung interessante Änderung des Drehmomentes für zwei verschiedene Positionen der Kugel oder effektive Radien r_K _Ug ei lässt sich durch die Längenmesseinheit (4) sehr einfach mit einer sehr hohen Messgenauigkeit messen. Die Änderung des Drehmomentes zwischen zwei Drehmomenterzeugungen im Messmodus beträgt

ΔΜ = (r_Kugeii-r_Kugei2) ^* m ^* g, (Gleichung 1 ) wobei m die Masse der Kugel, g die Fallbeschleunigung am Messort und ΔΜ die Änderung des Drehmomentes sind. Die Verschiebung des Mittelpunktes der Kugel entspricht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung genau dem Messsignal der Längenmesseinheit (4) falls eine hinreichend ideal formtreue Kugel verwendet wird.

Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die alle die Messung des tatsächlichen momentanen Abstands zwischen Kraftangriffspunkt und Drehpunkt messen müssen, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nur die sehr einfach zu messende Abstandsänderung erfasst. Sowohl formtreue Kugeln als auch berührungslose Längenmessverfahren sind in vielfach höherer Präzision verfügbar, als die Messung des momentanen Abstands zwischen Kraftangriffspunkt und Drehpunkt nach dem Stand der Technik möglich wäre.

Der in Figur 2 beispielhaft dargestellte elektrodynamischer Aktor (7) erzeugt eine zum Spulenstrom proportionale Kraft und über den Abstand a_s uie ein Drehmoment. Dieses kann mit der Einheit (6) zur Messung der Neigung des Balkens und einer nicht gezeigten Vorrichtung zur Einstellung oder Regelung der Neigung des Balkens auf einen festen Wert verwendet werden.

Allerdings ist die Strom-Drehmoment-Kennlinie des Aktors (7) anfänglich unbekannt. Gleichung 1 gilt bei Verwendung des Aktors (7) dann nur noch für in beiden Positionen der Kugel (1 ) identischen Aktorstrom. Die Verschiebung der Kugel kann jedoch auch zur Ermittlung der anfänglich unbekannten Strom-Drehmoment-Kennlinie verwendet werden. Dazu wird für zwei Kugelpositionen im Messmodus die Stromdifferenz der Ströme durch den Aktor (7) durch die Differenz der zwei zugehörigen Drehmomente dividiert. Das ermittelte Verhältnis

K = (li ) ((r -r ) ^* m ^* g) (Gleichung 2) ist der Anstieg K der Strom-Drehmoment-Kennlinie im Arbeitspunkt. Die Strom- Drehmoment- Kennlinie ist damit auf die sehr genau messbaren Größen Wegdifferenz, Masse und Fallbeschleunigung entsprechend Gleichung 1 zurückgeführt.

Weil die Neigung des Balkens (2) sowohl beim Verschieben der Kugel im Positioniermodus als auch im Messmodus bei ruhender Kugel eingestellt oder geregelt werden kann, ist eine konstante Neigung des Balkens realisierbar.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich sowohl kontinuierliche Drehmomentverläufe als auch Drehmomente in diskreten Stufen erzeugen. Die diskreten Stufen der Drehmomente sind ohne Verwendung des Aktors (7) durch die Positioniergenauigkeit der Positioniereinheit (3) im Positioniermodus und die Gewichtskraft der Kugel (1 ) bestimmt. Dabei wird die Messgenauigkeit der Längenmesseinheit (4) sinnvollerweise um ein vielfaches besser als die Positioniergenauigkeit der Positioniereinheit (3) sein. Um möglichst kleine diskrete Stufen der einstellbaren Drehmomente zu erzielen, sind eine hohe Positioniergenauigkeit und eine kleine Masse der Kugel vorteilhaft. Durch den Fachmann ist bei bekannter Positioniergenauigkeit ein Kompromiss zwischen kleinster Schrittweite und den maximal erzeugbaren Drehmomenten durch die Wahl der Kugelmasse und der Länge des Balkens (2) wählbar.

Auch eine Kombination mehrerer abrollender Kugeln unterschiedlicher Massen ist als Ausführungsform denkbar. Die Verwendung mehrerer abrollender Kugeln ist eine günstige Ausführungsform, um die durch die Gewichtskraft erzeugten und durch die Positioniergenauigkeit bedingten diskreten Stufen der Drehmomente möglichst klein und die durch die Längenmessauflösung begrenzte Messgenauigkeit weiter zu steigern. Beträgt beispielsweise die Auflösung der Wegmessung 1 nm und die Gewichtskraft einer ersten Kugel 10 N, beträgt gemäß Gleichung 1 die Auflösung der Drehmomentenmessung 10 ^"8 Nm. Wird zusätzliche eine um den Faktor 1000 leichtere zweite Kugel und ein zweites Wegmesssystem gleicher Auflösung verwendet, beträgt die Drehmomentenauflösung durch Verwendung beider Kugeln und einer entsprechend angepassten Gleichung 1 nun 10 ^"11 Nm.

Zwischen den diskreten Stufen der Drehmomente durch die Positionen der Kugel im Messmodus kann eine Interpolation durch Drehmomente erfolgen, die durch den Aktor (7) erzeugt werden. Hierbei ist es für die Messunsicherheit der Drehmomentenerzeugung günstig, wenn die Strom- Drehmoment-Kennlinie wie oben beschrieben vorher bei einem größerem Abstand zweier Kugelpositionen erfolgt, beispielsweise beim maximal zulässigen positivem und negativem Aktorstrom, und der, der kleinsten Schrittweite bei 30 der Kugelpositionierung entsprechende Aktorstrom, nur ein Bruchteil des maximalen Aktorstromes beträgt.

Anhand der auf die sehr genau messbaren Größen Wegdifferenz, Masse und Fallbeschleunigung zurückgeführten, kontinuierlichen Drehmomente bietet sich der Einsatz in Drehmoment-Normalmesseinrichtungen an. Weiterhin könnte die Erfindung Anwendung in den nationalen und internationalen Kalibrierlaboren finden. Bezugszeichenliste

1 - Kugel

- Balken mit Führung

- Positioniereinheit

- berührungslos arbeitende Langenmesseinheit - Drehpunkt der spielfreien Lagerung des Balkens - Einheit zur Messung der Neigung des Balkens - drehmomenterzeugender Aktor

Literaturliste

[1 ] - T. Allgeier, U. Kolwinski, D. Schwind (2002): "Jockey-Weight Lever Machines for Force and Torque" (IMEKO Publikation 2002)

[2] - H. Gassmann, T. Allgeier, U. Kolwinski (2000): "A new Design of Primary Torque Standard Machines" (IMEKO Publikation 2000)

[3] - H. W. Werner, D. Schwind (2006): "25 kNm Torque Calibration Machine reaches Ubmc = 0.008 % using new Design Features" (IMEKO Publikation 2006)

[4] - D. Peschel, D. Mauersberger, D. Schwind, U. Kolwinski (2005): "The new 1.1 MNm Torque Standard Machine of the PTB Braunschweig/Germany" (IMEKO Publikation 2005)

[5] - Kugi, A. et. al.: Vorlesung und Übung Modellbildung; Institut für Austomatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, SS2013.