DE19834554A1

DE19834554A1 - Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen

Info

Publication number: DE19834554A1
Application number: DE1998134554
Authority: DE
Inventors: Herbert Moeller
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit einem Motor und einem in einem Gehäuse (7) angeordneten Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe bestehend aus einem angetriebenen und einem treibenden Getriebeelement (1, 2), wobei das treibende Getriebeelement (1) auf einer Welle (5) angeordnet ist, deren Wellenstümpfe (51, 52) in Lagern (31, 32) gehalten sind. Zur stationären Ermittlung und Überwachung von Abtriebskenngrößen des Getriebes wird vorgeschlagen, das Lager (32) auf mindestens eines der Wellenstümpfe (51, 52) in einer Lagerschale (4) mit zumindest partiell federbar verjüngten Wandbereichen (20) anzuordnen, wobei die federbar verjüngten Wandbereiche (20) als Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 42 39 947 ist ein derartiger Stellantrieb bekannt, bei dem an der für den Handantrieb vorgesehenen die Schnecke tragenden Schneckenwelle eine membranartige Scheibe aus hartem Werkstoff in axialer Richtung an dieser festliegend angeordnet ist. Die Scheibe ist mit ihrem in radialer Richtung von der Schneckenwelle und der dortigen Befestigung abliegenden Außenumfang in axialer Richtung festliegend abgestützt. Auf wenigstens einer Seite der Scheibe ist mindestens ein Dehnungsmeßstreifen appliziert, der zusammen mit der Scheibe eine Kraftmeßvorrichtung bildet. Aufgrund der tiefen Einbaulage innerhalb des Stellantriebes und der Vielzahl der die Scheibe umgebenden Maschinenelemente ist die Zugänglichkeit der Kraftmeßvorrichtung erschwert.

Darüber hinaus ist beim bedarfsweisen Ausbau der Schnecke bzw. schneckennaher Maschinenelemente stets auch der Ausbau sowie die Abkabelung der Kraftmeßeinrichtung sowie deren anschließender Wiedereinbau und Anschluß der Verbindungsleitungen erforderlich und störend. Insbesondere ist der dabei notwendige Eingriff in die elektrische Verschaltung des Stellantriebes fehlerträchtig.

Aus der DE 295 04 573 ist ein Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten, umlaufbaren Getriebe bekannt, bei dem das Getriebe radial beweglich und mit einer Außenverzahnung ausgestattet ist, die mit einer Schnecke auf einer zum Getriebe tangential angeordneten Schneckenwelle in Eingriff steht. Dabei sind der Schneckenwelle eine Kraftmeßeinrichtung zur Erfassung axialer Verschiebungen der Schneckenwelle und Mittel zur manuellen Bedienung des Stellantriebes beigeordnet. Weiterhin ist dabei vorgesehen, daß die Kraftmeßeinrichtung einen Kraftmeßbalken mit Dehnungssensoren umfaßt, der einseitig geführt an einer Wandung des Gehäuses so befestigt ist, daß das freie Ende des Kraftmeßbalkens in Richtung der Wandebene beweglich ist, und in dessen freiem Ende ein Ende der Schneckenwelle axialspielfrei drehbar gelagert ist.

Prinzipbedingt ist diese Art der Kraftmeßeinrichtung auf die Erfassung axialer Verschiebungen eines Getriebeelements beschränkt und somit für Getriebe ohne axial verschiebliche Getriebeelemente ungeeignet.

Weiterhin ist aus der Veröffentlichung "FAG Kraftmeßsystem MGZ", FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, Publ. Nr. 55 130 DA ein Kraftmeßlager bekannt, das aus einem Kraftmeßlagergehäuse und einem darin eingebauten Wälzlager besteht. Dieses Gehäuse besteht aus zwei Ringen, nämlich einem inneren Ring, der das Wälzlager aufnimmt, und einem äußeren Ring, der am Maschinenständer befestigt wird. Innerer und äußerer Ring sind durch einen Steg elastisch miteinander verbunden. Dieser Steg ist das eigentliche Meßglied. Wird das Wälzlager durch eine Kraft belastet, so wird der Steg auf Biegung beansprucht. Die Biegungen führen zu Dehnungen und Stauchungen an den Flanken des Steges. Die Dehnungen und Stauchungen sind der angreifenden Kraft proportional und werden zur Messung der Kraft benutzt. Die Messung erfolgt mit vier Dehnungsmeßstreifen, die auf den Flanken des Steges aufgeklebt sind.

Da die Dehnungsmeßstreifen ölfrei zu halten sind, muß die vom Wälzlager aufgenommene Getriebewelle aus dem Ölraum herausgeführt werden, was als konstruktiv aufwendig und demzufolge nachteilig angesehen wird.

Darüber hinaus ist aus der Veröffentlichung "Das Kraftmeßlager, ein Hilfsmittel zum Erkennen betriebs- und verfahrensbedingter Kräfte in Maschinen", D. Frase, SKF Schweinfurt, WTS 74 0720, ein Meßlager bekannt, bei dem eine begrenzte Anzahl von Wälzkörpern die Belastung auf Wälzlagerringe übertragen, die über ihren Umfang unterschiedlich beansprucht werden. Bei sich drehender Welle laufen die Beanspruchungsverteilungen mit den Wälzkörpern in den Ringen um. Im Kraftmeßlager wird die der Ringbeanspruchung proportionale Dehnung gemessen, die ein Maß für die Größe der wirkenden Kraft ist.

Nachteiligerweise ist dieses Kraftmeßlager nicht geeignet zum Messen von Kraftkomponenten, um daraus die resultierende Kraft zu ermitteln.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur stationären Ermittlung und Überwachung von Abtriebskenngrößen eines Getriebes anzugeben, die auf ein axial verschiebliches Getriebeelement verzichtet und die Nachteile bekannter Kraftmeßlager vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüche 2 bis 6 beschrieben.

Die Erfindung geht von einem Stellantrieb mit einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe aus, die aus einem angetriebenen und einem treibenden Getriebeelement besteht, wobei das treibenden Getriebeelement auf einer Welle angeordnet ist, deren Wellenstümpfe in Lagern gehaltenen sind.

Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das Lager mindestens eines der Wellenstümpfe in einer Lagerschale angeordnet ist, die zumindest partiell federbar verjüngten Wandbereiche aufweist, wobei die federbar verjüngten Wandbereiche als Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung versehen sind.

Die am treibenden Getriebeelement wirkende Umfangskraft, die dem treibenden Drehmoment entspricht, bewirkt nach der Lehre der Kräfteverschiebung auf den Drehpunkt auf die Lager wirkende Abstützkräfte, die sich beim festen Lager gegen das Gehäuse richten und beim verschieblich angeordneten Lager auf die Lagerschale fortpflanzen und eine radiale Verschiebung der Lagerschale hervorrufen. Die radiale Verschiebung der Lagerschale bewirkt auf die federbar verjüngten Wandbereiche ein stellkraftabhängiges Biegemoment, das mit den Detektoren erfaßt wird und einem nicht näher beschriebenen Meßwertverarbeitungsmittel zuführbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Stellantriebes

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt eines Getriebes mit einer Kraftmeßeinrichtung

Fig. 3 eine Detaildarstellung einer Lagerschale mit federbarem Boden

Fig. 4 eine Detaildarstellung einer Lagerschale mit federbarem Außenring

Fig. 5 eine Detaildarstellung einer Lagerschale mit federbaren Gabeln.

Der prinzipielle Aufbau eines Stellantriebes ist in Fig. 1 dargestellt. Ein derartiger Stellantrieb umfaßt einen Motor 14 und ein Getriebe 15 mit einem Abtrieb 16, der mit der zu steuernden Armatur 17 verbunden ist. Je nach Bauart der Armatur 17 kann der Abtrieb 16 axial oder radial beweglich ausgeführt sein. Unabhängig von der Bauart der Armatur 17 weist das Getriebe 15 mindestens eine Getriebestufe auf, an der eine Kraft gemessen wird, die zur Stellkraft am Abtrieb 16 proportional ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 besteht diese in einem das Getriebe 15 umgebenden Gehäuse 7 angeordnete Getriebestufe aus einem angetriebenen Getriebeelement 2 und einem treibenden Getriebeelement 1, wobei das treibenden Getriebeelement 1 auf einer Welle 5 angeordnet ist, deren Wellenstümpfe 51 und 52 in Lagern 31 und 32 gehaltenen sind. Dabei sind das treibende Getriebeelement 1 und das angetriebene Getriebeelement 2 als Stirnräder ausgeführt.

Das Getriebe 15 kann auch zweiteilig ausgeführt sein, wobei dann der erste Teil 15a das eigentliche Stellantriebsgetriebe und der zweite Teil 15b ein adaptiertes Vorgetriebe ist. Die besagte Getriebestufe kann auch im Vorgetriebe 15b untergebracht sein.

Das dem treibenden Getriebeelement 1 näher liegende Lager 32 ist in einer flexiblen Lagerschale 4 angeordnet. Gemäß Darstellung in Fig. 3 ist die Lagerschale 4 durch zumindest partiell federbar verjüngte Wandbereiche 20 gekennzeichnet, wobei die federbar verjüngten Wandbereiche 20 als Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung versehen sind. Die Lagerschale 4 ist auf einer Innenfläche des Gehäuses 7 abgestützt.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Lagerschale gemäß Fig. 3 aufgeständert und die federbar verjüngten Wandbereiche 20 mit den Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung bilden den Boden der Lagerschale 4. Die Lagerschale ist mit einem Zapfen 6 gegenüber dem Gehäuse 7 lagearretiert.

Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Lagerschale 4 gemäß Fig. 4 durch federbar verjüngte Wandbereiche 20 mit den Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung gekennzeichnet, die zwischen dem Lager 32 und dem Boden der Lagerschale 4 angeordnet sind.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei zeigen Fig. 5a eine Draufsicht und Fig. 5b eine Schnittdarstellung gemäß der in Fig. 5a aufgetragenen Schnittlinie. Die Lagerschale 4 ist in Form zweier gegenüberliegender, über dem Boden der Lagerschale 4 schwebender, das Lager 32 umgreifender Gabeln 21 ausgeführt. Die federbar verjüngten Wandbereiche 20 mit den Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung sind am Fußpunkt der Gabelzinken angeordnet.

Die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung aller Ausführungsformen sind mit einer Dichtung 12 gegen eindringendes Schmieröl aus dem Getrieberaum geschützt. Da die an die Dichtung 12 angrenzenden Bauteile rotationsfrei, axialverschiebungsfrei und nur geringfügig radial gegeneinander beweglich sind, genügt dazu vorteilhafterweise eine Dichtung 12 einfachster Bauart, beispielsweise eine Radial-Wellendichtring nach DIN 3760.

Die Detektoren 11 zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung sind als für sich bekannte Dehnungsmeßstreifen ausgeführt, die mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden sind.

Während des Betriebes wird über den Momentenfluß 13 am treibenden Getriebeelement 1 gegen den Widerstand des getriebenen Getriebeelements 2 eine treibende Umfangskraft 61 entwickelt, die dem treibenden Drehmoment entspricht. Nach der Lehre der Kräfteverschiebung auf den Drehpunkt bewirkt diese treibende Umfangskraft 61 auf die Lager 31 und 32 wirkende Abstützkräfte 62 und 63, die sich beim festen Lager 31 gegen das Gehäuse 7 richten und beim verschieblich angeordneten Lager 32 auf die Lagerschale 4 fortpflanzen und eine zur treibenden Umfangskraft 61 proportionale, radiale Verschiebung der Lagerschale 4 hervorrufen. Die radiale Verschiebung der Lagerschale 4 bewirkt auf die federbar verjüngten Wandbereiche 20 ein stellkraftabhängiges Biegemoment, das mit den Detektoren 11 erfaßt wird und einem nicht näher beschriebenen, jedoch für sich bekannten Meßwertverarbeitungsmittel zuführbar ist.

Dabei ist es von Vorteil, das dem treibenden Getriebeelement 1 näherliegende Lager 32 verschieblich anzuordnen. Die treibende Umfangskraft 61 wird dabei über den kürzeren Hebel der Welle 5 in eine proportionale Abstützkraft 62 transformiert, die bei vorgegebener maximaler Verbiegung der federbar verjüngten Wandbereiche 20 im interessierenden Stellkraftbereich des Stellantriebs zu meßbaren Stellkräften führt. An einer Vorgabe der maximalen Verbiegung der federbar verjüngten Wandbereiche 20 besteht ein konstruktives Interesse insoweit, als jede Lageverschiebung der Welle 5 das Traktionsverhalten des treibenden Getriebeelements 1 zum getriebenen Getriebeelement 2 beeinflußt.

Insbesondere bei Ausführung des treibenden Getriebeelements 1 und des getriebenen Getriebeelements 2 als Stirnräder ist eine im wesentlichen konstante Beabstandung der das treibende Getriebeelement 1 tragenden Welle 5 zu der das getriebene Getriebeelement 2 tragenden, nicht dargestellten Welle im Hinblick auf das Verschleißverhalten der Getriebestufe einzuhalten.

Bezugszeichenliste

1

treibendes Getriebeelement

2

getriebenes Getriebeelement

31

,

32

Lager

4

Lagerschale

5

Welle

6

Zapfen

7

Gehäuse

11

Detektor/Dehnungsmeßstreifen

12

Dichtung

13

Momentenfluß

14

Motor

15

,

15

a,

15

b Getriebe

16

Abtrieb

17

Armatur

20

federbar verjüngter Wandbereich

21

Gabel

51

,

52

Wellenstumpf

61

treibende Umfangskraft

62

,

63

Abstützkraft

Claims

1. Kraftmeßeinrichtung in einem Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen nach Patent 197 20 325 mit einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe bestehend aus einem angetriebenen und einem treibenden Getriebeelement, wobei das treibende Getriebeelement auf einer Welle angeordnet ist, deren Wellenstümpfe in Lagern gehaltenen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (31, 32) mindestens eines der Wellenstümpfe (51, 52) in einer Lagerschale (4) mit zumindest partiell federbar verjüngten Wandbereichen (20) angeordnet ist, wobei die federbar verjüngten Wandbereiche (20) als Biegebalken ausgeführt und mit Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung versehen sind.

2. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die federbar verjüngten Wandbereiche (20) mit den Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung den Boden der Lagerschale (4) bilden und daß die Lagerschale (4) aufgeständert ist.

3. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die federbar verjüngten Wandbereiche (20) mit den Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung zwischen dem Lager (31, 32) und den Boden der Lagerschale (4) angeordnet sind.

4. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (4) in Form zweier gegenüberliegender, über dem Boden der Lagerschale (4) schwebender, das Lager (31, 32) umgreifender Gabeln (21) ausgeführt ist und daß die federbar verjüngten Wandbereiche (20) mit den Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung am Fußpunkt der Gabelzinken angeordnet sind.

5. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (11) zur Erfassung seiner stellkraftabhängigen Verbiegung Dehnungsmeßstreifen in geeigneter Form sind.

6. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das dem treibenden Getriebeelement (1) näherliegende Lager (32) verschieblich angeordnet ist.