Die Erfindung betrifft einen flanschförmigen Drehmomentaufnehmer und insbesondere einen Drehmomentaufnehmer, der relativ unempfindlich gegen Störkräfte ist und der zusätzlich auch für besonders hohe Drehzahlen geeignet ist. Ein derartiger Drehmomentaufnehmer hat zwei Befestigungsscheiben, nachfolgend als Flansche bezeichnet. Ein Flansch dieses Typs Drehmomentaufnehmer ist mit einer Antriebswelle, der andere Flansch mit einer von der Antriebswelle in Drehung zu setzenden Welle verschraubt. Beide Flansche sind mit einem Verformungselement verbunden, das sich unter dem Einfluss eines Drehmoments elastisch verformt. An ausgewählten Stellen des Verformungselements sind Dehnungsmessstreifen appliziert, um die an diesen Stellen auftretende Dehnung zu messen, die proportional zur Größe des Drehmoments ist. Diese Verformungselemente gibt es in unterschiedlichen Geometrien, wobei Biegekräfte oder Scherkräfte gemessen werden.

Charakteristisch für diese Verformungselemente ist, dass die Stellen, an denen die Dehnungsmessstreifen appliziert sind, ein Dehnungsverhalten aufweisen, das streng proportional dem anliegenden Drehmoment ist. Es handelt sich hierbei jedoch um eine theoretische Annahme. In der Praxis kommt es vor, dass die beiden Wellen nicht genau in der gleichen Achse liegen, wobei drei Fälle zu unterscheiden sind: Die Achsen sind parallel zueinander leicht versetzt oder sie stehen in einem Winkel zueinander oder die Achsen sind parallel zueinander versetzt und stehen auch in einem Winkel zueinander. In allen drei Fällen werden auf das Messelement zusätzliche Kräfte übertragen. In Abhängigkeit von der speziellen Geometrie des Verformungselements entstehen unterschiedlich große Messfehler.

Ein bisher üblicher Weg zur Verhinderung bzw. Verringerung solcher Messfehler ist die möglichst starre Ausbildung des Verformungselements. Diesem Weg sind jedoch physikalisch Grenzen gesetzt. Je steifer das Verformungselement ist, umso geringer ist die auftretende Dehnung und somit auch das Messsignal. Wenn das Verformungselement weniger starr ist, ergibt sich eine größere Dehnung und somit auch ein größeres Messsignal. Allerdings wird das Messsignal unerwünscht stark verfälscht, wenn einer der drei vorstehend genannten Fälle auftritt, bei welchen die Lage der beiden Wellenachsen nicht genau übereinstimmt. Somit ist ein Kompromiss zu finden zwischen einem dickeren, d.h. steiferen Verformungselement und einem dünnen Verformungselement, d. h. weniger steifen Verformungselement. Wenn jedoch die Anforderung nach hohen Drehzahlen gestellt wird, sollte der Abstand der Dehnungsmessstreifen vom Rotationszentrum möglichst gering sein, damit die auf die Dehnungsmessstreifen wirkenden Fliehkräfte gering sind. Insofern ist unter dieser Anforderung ein möglichst dünnes Verformungselement zu bevorzugen.

Bei einem aus der EP 0 575 634 A1 bekannten Drehmomentsensor sind die Verformungsbereiche in Stegen vorgesehen, die sich radial oder axial zwischen zwei Anschlussflanschen erstrecken, wobei pro Steg jeweils zwei Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Biegedehnung angeordnet sind und durch eine geeignete Brückenschaltung dafür gesorgt werden soll, dass Querkräfte, Quermomente unterschiedliche Momenteinleitung und ungleichmäßiges Verschrauben möglichst weitgehend kompensiert werden. Dieser Drehmomentsensor soll sich außerdem durch ein geringes Massenträgheitsmoment und hohe Messempfindlichkeit auszeichnen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass derartige Drehmomentsensoren beim Messen von Biegedehnungen gegen Einflüsse von Längs- und Querkräften sehr empfindlich sind und außerdem bei hohen Drehzahlen eine Nullpunktverschiebung bewirken, die schwer zu kompensieren ist. Dieser unerwünschte Effekt wird durch die sehr weit außen liegenden Dehnungsmessstreifen verursacht, weil darauf sehr hohe Fliehkräfte wirken.

Aus der DE 32 12 946 A1 ist ein Drehmomentmesssystem bekannt, das als Rohr ausgebildet ist. Über den Rohrumfang sind in der Rohrwand vier im Wesentlichen rechteckige Aussparungen vorgesehen, um vier in axialer Richtung sich erstreckende Stege auszubilden. Die Mantelfläche jedes Stegs dient zur Aufnahme eines Dehnungsmessstreifens in Form eines Scherkraftaufnehmers. Mit diesen Dehnungs- messstreifen kann ein auf das so konfigurierte Rohr aufgebrachtes Drehmoment gemessen werden. Wenn ein derartiges Messsystem eine hinreichende Biegesteifigkeit gewährleisten soll, sind aber relativ große Außendurchmesser erforderlich, die häufig Nachteile aufweisen.

Auch in dem Dokument DE 102015110861 A1 wird das vorstehend genannte Problem beschrieben, das bei parallelem und bei winkligem Versatz der miteinander zu verbindenden Wellen auftritt.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, einen Drehmomentaufnehmer bereitzustellen, der eine besonders genaue Messung des Drehmoments auch dann ermöglicht, wenn die beiden miteinander verbundenen Wellen nicht genau in der gleichen Achse liegen. Außerdem soll die genaue Messung auch bei hohen Drehzahlen möglich sein und weiterhin soll eine Möglichkeit geschaffen werden, weitere Messfehler zu korrigieren, die z. B. durch Vibrationen entstehen.

Die Aufgabe wird mit einem Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 gelöst, der folgende Merkmale aufweist: ein Verformungselement, an dem Dehnungsmessstreifen befestigt sind, zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche, die mit dem Verformungselement integral verbunden sind, wobei das Verformungselement in der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers angeordnet ist. Mit anderen Worten: Es handelt sich um ein einziges stabförmiges Verformungselement, welches einen vorzugsweise runden oder auch rechteckigen Querschnitt aufweisen kann. Der Mittelpunkt eines runden Querschnitts liegt genau auf der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers. Der Schnittpunkt der Diagonalen eines rechteckigen Querschnitts liegt ebenfalls genau auf der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers.

Im Randbereich der Befestigungsflansche sind Befestigungsbohrungen vorgesehen. Am äußeren Randbereich der Befestigungsflansche oder zwischen den Befestigungsbohrungen sind wenigstens 3 stabförmige Federelemente befestigt, wobei die Federelemente einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite radial auf die Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers gerichtet ist. Auf jedem der wenigstens 3 Federelemente ist wenigstens ein Dehnungsmessstreifen angeordnet, vorzugsweise sind es aber zwei zu einer Halbbrücke verschaltete Dehnungsmessstreifen. Diese Dehnungsmessstreifen generieren Dehnungssignale, die in einem vorbestimmten Zusammenhang mit dem Versatz der beiden Wellen stehen. Mit Hilfe dieser Dehnungssignale können die Drehmomentmesssignale korrigiert werden.

Der besondere Vorteil dieser Konstruktion liegt auch noch darin, dass dieser Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer auch für sehr hohe Drehzahlen geeignet ist. Der Grund dafür ist, dass das in der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers liegende Verformungselement einen vergleichsweise relativ geringen Durchmesser aufweist. Unter einem relativ geringen Durchmesser ist folgendes zu verstehen: Wenn ein Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer ohne die stabförmige Federelemente verwendet werden soll, muss das Verformungselement einen größeren Durchmesser haben, damit es die notwendige Steifheit aufweist. Wenn die Dehnungsmesstreifen jedoch auf einem Verformungselement mit einem größeren Durchmesser angeordnet und somit die elektrischen Anschlussdrähte von der Drehachse weiter entfernt sind, entstehen an den Dehnungsmessstreifen und den elektrischen Anschlussdrähten auch größere Zentrifugalkräfte. Bei der Konstruktion nach Anspruch 1 kann der Durchmesser des Verformungselements demzufolge gering ausgebildet sein, sodass auch die auftretenden Zentrifugalkräfte an den Dehnungsmessstreifen gering sind. Demzufolge treten auch bei hohen Drehzahlen vergleichsweise geringe Zentrifugalkräfte auf. Somit haben die Federelemente mit dem Rechteckquerschnitt eine Doppelfunktion: Einerseits werden Korrektur-Messignale bereitgestellt, mit deren Hilfe das Drehmomenten-Messsignal korrigiert werden kann und andererseits kann das Verformungselement relativ dünn ausgebildet sein, sodass die Abstände der Dehnungsmesstreifen vom Rotationszentrum des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers gering gehalten werden können.

Nach Anspruch 2 bestehen die Federelemente aus einem anderen Material als das Verformungselement. Nach Anspruch 3 weist das Material der Federelemente eine andere Federkonstante als das Material des Verformungselements auf.

Konstruktionen nach den Ansprüchen 2 und 3 ermöglichen die Erfüllung spezifischer Anforderungen bezüglich des Schwingungsverhalten, d. h. der Eigenfrequenz des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers, was besonders bei Motorenprüfständen von Bedeutung sein kann.

Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Messung eines Drehmoments gelöst, wobei das Verfahren in folgende Schritte unterteilt ist:

a. Bereitstellen eines Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers, der folgende Merkmale aufweist:

- ein Verformungselement (1 ), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind,

- zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche (3, 4), die mit dem Verformungselement (1 ) integral verbunden sind, wobei

- das Verformungselement (1 ) symmetrisch in der Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers angeordnet ist und

- die Befestigungsflansche (3, 4) Befestigungsbohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen aufweisen, und

- wenigstens 3 stabförmige Federelemente (6), die sich zwischen den beiden Flanschen (3, 4) erstrecken und an diesen entweder zwischen den Befestigungsbohrungen oder außerhalb der Befestigungsbohrungen (5) befestigt sind, wobei die Federelemente (6) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, deren schmale Seite radial auf die Drehachse gerichtet ist, und auf jedem Federelement wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (7) angeordnet ist. b. Messen des Drehmoments mittels des Verformungselements (1 ) und gleichzeitig separates Messen der an den wenigstens 3 Federelementen (6) auftretenden Dehnungen. c. Korrektur des Drehmoment-Messsignals mit Hilfe der an den wenigstens 3 Federelementen (6) gemessenen Dehnungswerte unter Nutzung von vorher ermittelten Korrekturwerten.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Federelementen, auf denen Dehnungsmessstreifen appliziert sind.

Die Fig. 1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen:

Zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche (3, 4) aus Stahl und ein zylinderförmiges Messelement (1 ) sind einstückig gefertigt. Auf der Oberfläche des zylinderförmigen Messelements (1 ) sind Dehnungsmessstreifen (2) appliziert, die in den Zeichnungen nur symbolisch dargestellt sind. Das Verformungselement (1 ) hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist um die Drehachse des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers angeordnet, d.h. rotationssymmetrisch zu dieser. Die Befestigungsflansche (3, 4) sind mit Bohrungen (5) entsprechend den an der Stirnseite jeder der beiden Wellen vorhandenen Bohrungen versehen. Zwischen den Befestigungsbohrungen sind Federelemente (6) mit rechteckigem Querschnitt angeordnet. Die schmale Seite des Querschnitts ist radial auf das Rotationszentrum des Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers gerichtet. Auf jedem der Federelemente ist eine DMS-Halbbrücke (7) appliziert.

Von dem mit beiden Wellen verschraubten Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer wird ständig das aufgebrachte Drehmoment gemessen. Die Drehmomentmesssignale werden einer Korrektur-Elektronik zugeführt. Gleichzeitig werden die an den Federelementen auftretenden Dehnungen gemessen und die daraus resultierenden Messsignale ebenfalls der Korrektur-Elektronik zugeführt. Die Korrektur-Elektronik weist eine Speichereinheit auf, in der durch einen Kalibriervorgang gewonnene Korrekturdaten gespeichert sind und die zur Korrektur des Drehmoment-Messsignals verwendet werden.