DE3512969C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentmeßschlüssel, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. Ein derartiger Drehmomentschlüssel ist aus der DE-OS 31 39 374 bekannt und weist gewöhnlich einen Ratschenkopf oder einen auswechselbaren Werkzeugteil und einen außerhalb des Drehzentrums am Hebelarm des Schlüssels angebrachten Meßwertgeber für die Drehmomenterfassung auf. Das an der Meßstelle auftretende Drehmoment hängt von der Länge des Abstandes der Meßstelle (Meßhebelarm) vom Drehzentrum ab und weist, bezogen auf das durch die am Hebel angreifende Querkraft und die vom Drehzentrum bis zum Kraftangriffspunkt reichende Hebelarmlänge definierte Drehmoment, einen geringeren Wert auf. Dieser "systematische" Fehler wird normalerweise in der Kalibrierung dahingehend berücksichtigt, daß das an der Meßstelle gemessene Moment tatsächlich einem größeren Moment am Werkzeugkopf entspricht.

Eine solche Kalibrierung setzt indessen einen örtlich definierten Kraftangriffs- oder Einleitungspunkt voraus. Wird in der Praxis ein anderer Krafteinleitungspunkt gewählt bzw. ist ein solcher erforderlich, wie es im Falle der Verwendung einer Hebelarmverlängerung der Fall ist, so entsteht ein unter Umständen beträchtlicher Meßfehler. Das heißt, bei einer von der Kalibrierungshebelarmlänge abweichenden Hebelarmerstreckung, also bei undefinierter Hebelarmlänge, ist bei gleicher Drehmomentanzeige das tatsächliche Drehmoment am Werkzeugkopf kleiner.

Um diese Unzulänglichkeit auszuschalten, ist es bekannt, am Hebelarm zusätzliche Meßstellen vorzusehen, um die Kraftverteilung vollständig zu erfassen und eine Kompensation des Meßfehlers durchzuführen (DE-OS 31 39 374.8). Dieser Weg ist verhältnismäßig aufwendig und umständlich.

Weiterhin sind andere Meßanordnungen mit Doppel-Biegebalken bekannt (US-Patent 35 76 128 und US-Patent 39 27 560) bei denen sich Fremdeinflüsse durch symmetrische Gestaltung theoretisch aufheben und deren fertigungsbedingte Abweichungen und Streuungen durch einen mechanischen oder elektrischen Abgleich der Empfindlichkeit der einzelnen Meßstellen korrigiert werden, um auch praktisch zu erreichen, daß sich die Störsignale gegenseitig vollständig kompensieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den systematischen Fehler, der proportional zur Querkraft ist, durch eine geeignete Gestaltung der Geometrie der Meßstelle zu kompensieren, so daß keine zusätzliche Meßstelle erforderlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Drehmomentmeßschlüssel mit auswechselbarem Werkzeugteil,

Fig. 2 Drehmomentbeanspruchungen am Werkzeugkopf bei unterschiedlichen Hebelarmlängen schematisch,

Fig. 3 einen im Bereich der Meßstelle und deren Umgebung als Doppelbiegearm ausgebildeten Hebelarm,

Fig. 4 die durch Drehmomentbeanspruchung bewirkte prinzipielle Verformung des Doppelbiegearms,

Fig. 5 die prinzipielle Verformung des Doppelbiegearms durch Querkraftwirkung,

Fig. 6 eine alternative Querschnittsform des Hebelarms an der Meßstelle.

Der Drehmomentmeßschlüssel gemäß Fig. 1 besteht aus einem Handgriff 1, einem diesen aufnehmenden Schaft 2 (Hebelarm) mit einem Aufnahmekopf 3 für einen Schraubenschlüssel 4 oder dergleichen Werkzeugteil. In seinem aufnahmekopfseitigen Bereich ist der Schaft 2 mit einem Meßwertgeber 5 (Meßstelle) versehen.

Bei einem solchen Drehmomentmeßschlüssel muß die Messung des Drehmoments außerhalb des Drehzentrums 6 erfolgen. Das an der Meßstelle 5 entstehende Drehmoment hängt von der Länge des Meßhebelarms a ab und enthält einen von der Querkraft F, also von der Hebelarmlänge L abhängigen systematischen Fehler. Dieser Fehler wird normalerweise in der Kalibrierung berücksichtigt und erfordert die Einhaltung eines definierten Krafteinleitungspunktes F.

Wird auf den Handgriff des Drehmomentmeßschlüssels eine Verlängerung 8 aufgesteckt, so entsteht ein unter Umständen erheblicher Meßfehler, der auf den weiter vom Drehzentrum entfernt liegenden Krafteinleitungspunkt F₁ zurückzuführen ist. Während bei der Kalibrierung mit der Hebelarmlänge l berücksichtigt wird, daß das gemessene Moment M _a einem größeren Moment M₀ am Werkzeugkopf entspricht (vergl. hierzu Fig. 2), ist es im Falle einer Hebelarmverlängerung (Hebelarmlänge l₁) so, daß bei gleicher Drehmomentanzeige M _a das tatsächliche Moment M₁ am Werkzeugkopf kleiner ist.

Um eine korrekte Messung zu erhalten, wird, wie die Fig. 3 im Prinzip zeigt, der Hebelarm in der Umgebung der Meßstelle 5 beispielsweise als Doppelliegebalken ausgebildet. Der dadurch bewirkten Verminderung der Steifigkeit des Hebelarms gegen Querkräfte bei näherungsweise unverminderter Biegesteifigkeit, ist eine Transformation der Querkraft bzw. der Querkräfte in ein Zusatzmoment immanent, das miterfaßt wird. Dabei kommt es darauf an, daß der Transformationsfaktor so gewählt wird, daß dieses Zusatzmoment dem zu korrigierenden systematischen Fehler a · F entspricht.

Im Falle der Fig. 3 ist die Hebelarmlänge vom Drehzentrum 6 bis zur Meßstelle 5 wieder mit a bezeichnet, während e die Länge des gewünschten Transformationsgliedes (Doppelbiegebalken), b die Hebelarmbreite, c die Wandstärke des Hebelarms und d den Abstand der Wandungsmitten des geschlitzten Hebelarms voneinander kennzeichnen.

Unter der Voraussetzung Wandstärke c « d errechnet sich die Länge e des Transformationselementes näherungsweise zu

Unter dem Einfluß eines Drehmomentes verformt sich der Doppelbiegebalken gemäß Fig. 3 in der in Fig. 4 dargestellten Weise.

Im oberen Steg 9 des Balkenabschnitts entstehen Zugspannungen, die an seiner Außenseite 9′ größer sind als an seiner Innenseite 9″. Die infolge der Ausbiegung des Balkenabschnitts nach oben an seinem unteren Steg 10 auftretenden Druckbeanspruchungen sind an dessen Außenseite 10′ ebenfalls größer als an seiner Innenseite 10″. Die Zug- oder Druckbeanspruchungen können in den Punkten A und/oder B oder in den Punkten C und/oder D gemessen werden, wobei die Signale entsprechend den besagten Beanspruchungen in den Punkten A oder B größer sind als in den Punkten C oder D. Es empfiehlt sich daher eine Messung an der Stelle A und/oder B, die mittels Dehnmeßstreifen erfolgen kann.

Die durch die Querkraft F erzeugte Verformung des Doppelbiegebalkens ist in Fig. 5 veranschaulicht. Hier handelt es sich um eine Verformung des Balkenabschnitts mit Wendepunkt. Trotz dieser im Vergleich zur drehmomentbedingten Verformung völlig anderen Verbiegungen erhält man in den Punkten A, B, C und D ein Signal in gleicher Richtung wie bei Drehmomentbelastung. Im Wendepunkt E entsteht kein querkraftabhängiges Signal.

Infolge dieser mechanischen Gegebenheiten kann durch geeignete Wahl der geometrischen Abmessungen des geschlitzten Balkenabschnitts, insbesondere des Verhältnisses Länge zur Höhe der Stege 9 und 10, erreicht werden, daß die Meßgröße M = M _a + a · F = M₀, also gleich dem Drehmoment am Werkzeugkopf wird.

Durch Veränderung des Widerstands des Balkenabschnitts im Bereich der Meßstelle gegen Biegung kann der Transformationsfaktor durch zusätzliche, nicht mit einem Dehnmeßstreifen beklebte Stege 11, die in der Biegeachse liegen und den Widerstand gegen Biegung erhöhen, reduziert werden, ohne daß dabei die Empfindlichkeit des Balkenabschnitts auf Drehmomentbeanspruchung nennenswert beeinflußt wird. Eine Querschnittsform der Meßstelle gemäß Fig. 6 führt näherungsweise zu einer Transformationslänge

Es ist ersichtlich, daß ohne weiteres auch andere Querschnitte des Balken- bzw. Hebelarmabschnitts im Bereich der Meßstelle verwirklichbar sind, insbesondere kann der Hebelarm in diesem Bereich mehrfach durchbrochen sein, um die Empfindlichkeit für Drehmoment und Querkraft unabhängig voneinander einstellen zu können.

Nach abgeschlossener Verklebung eines Doppelbiegebalkens gemäß Fig. 3 mit Dehnmeßstreifen kann die Meßempfindlichkeit auf einfache Weise abgeglichen werden. So kann im Falle eines zu geringen Meßsignals das Maß e durch spanabhebende Bearbeitung im Punkt 12 vergrößert werden, wodurch das querkraftbedingte Zusatzmoment

erhöht wird.

Andererseits kann bei einem zu großen Meßsignal das Maß e an der Stelle 13 vergrößert werden, so daß die bereits fixierte Meßstelle sich scheinbar in Richtung auf die Mitte des Biegebalkens zubewegt und damit ihren Anteil vermindert (Im Punkt E ist das Signal = 0).

Mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung lassen sich auch Zusatzmomente am Handgriff (M₂ in Fig. 2) durch die erhöhten Querkräfte in ihrer Auswirkung auf die betreffende Schraubverbindung richtig bewerten.

Die Summe der beiden das tatsächliche Drehmoment am Werkzeugkopf verifizierenden Signale werden in bekannter Weise ausgewertet.

Claims (3)

1. Drehmomentmeßschlüssel mit einem außerhalb des Drehzentrums am Hebelarm des Schlüssels angebrachten Dehnungsmesser für die Drehmomenterfassung und mit einer Kompensationseinrichtung für einen durch unterschiedliche Hebelarmlängen sich ändernden Drehmoment-Meßfehler, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (2) einen im Bereich der Meßstelle (5) und deren Umgebung befindlichen Abschnitt aufweist, bei dem bei nur geringfügig verminderter Biegesteifigkeit die Steifigkeit gegen Querkraftbeanspruchung soweit vermindert ist, daß die querkraftbedingte elastische Verformung in diesem Abschnitt durch den Dehnungsmesser miterfaßt wird und den Drehmoment-Meßfehler kompensiert.

2. Drehmomentmeßschlüssel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geringere Steifigkeit gegen Querkraftbeanspruchung aufweisende Abschnitt des Hebelarms (2) als Doppelbiegebalken (9, 10) ausgebildet ist.

3. Drehmomentmeßschlüssel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (2) im Bereich der Meßstelle (5) mehrfach durchbrochen ist.