Rotierender Drehmomentaufnehmer mit integrierter hochgenauer Axialkraftmessung

Rotierender Drehmomentaufnehmer mit integrierter hochgenauer Axialkraftmessung MANNER Sensor Telemetrie GmbH Dr.-Ing. Ernst Manner Mai 2016 Ausgang...
Author: Inge Meissner
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Rotierender Drehmomentaufnehmer mit integrierter hochgenauer Axialkraftmessung

MANNER Sensor Telemetrie GmbH Dr.-Ing. Ernst Manner Mai 2016

Ausgangsbasis

Die dynamische Drehmomenterfassung an Antriebssträngen ist heute Stand der Technik Die Axialkräfte sind jedoch maßgeblich für Reibkräfte, Lagerschäden, Gelenkschäden, Dichtungsschäden verantwortlich Deshalb ist die Kenntnis der axialen dynamischen Axialkraftverhalten von besonderem Interesse Wünschenswert hierfür ist ein kompakter hochgenauer Kombinationsaufnehmer Er erfasst gleichzeitig hochgenau das dynamische Drehmoment, sowie die dynamische Axialkraft Anwendungsfälle für Kombinationsaufnehmer sind Messungen an Lüftern, Turbinen, Pumpen, Getrieben, Propellerantrieben und Gelenkwellen

Wunsch nach hoher Genauigkeit beider Messkanäle trotz extrem kurzer Einbaulänge Wunsch nach Übertragung der Signale berührungslos (Wartungsfreiheit) Copyright © 2016 MANNER All rights reserved. Manner Proprietary and Confidential Information.

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Antriebsstrang mit Drehmomentflansch Kupplung

Motor

Drehmomentmessflansch

Prüfling

Antriebsstrang mit Kombiflansch Drehmomentmessung und Axialkraftmessung Kupplung

Drehmomentmessflansch mit integriertem Axialkraftaufnehmer

Motor

Getriebe

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Typische Anwendungen für Drehmomentflansche mit integrierter Axialkraftmessung Gelenkwellenprüfstände Lagerprüfstände Rotorprüfstände (Lüfter, Windkraft, Propellerflugzeug) Antriebsstrang LKW/PKW Lagerbelastung Differential Automatik Getriebe Kupplungsprüfstände

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Typische Anwendung Gelenkwellenprüfstand

Erfassung der dynamischen Belastung der Gelenkwelle Erfassung parasitären Kräfte (Axialkraft, Biegemomente) Pulsierende Axialkraft bei Rotation

ß

Axialkraftamplitude wächst mit Beugewinkel

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Problem: Kraftaufspaltung bei Gelenkwellenanwendungen

Mit zunehmendem Beugewinkel b wird das Drehmoment in eine zusätzliche Axialkraft und Biegemoment-Komponenten aufgespaltet

Deshalb ist Kenntnis der dynamischen Axialkräfte wichtig

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Belastung Lager durch Automatikgetriebe Lagerbelastung

Kombinationsflansch Drehmoment/Axialkraft Wandler

Verbrennungsmotor

Der Wandler bläht sich auf >> axiale Ausdehnung Folge - Belastung der Lagerbauteile für benachbarte Funktionseinheiten Erfassung Lagerbelastung mittels Kombinationsflansch Copyright © 2016 MANNER All rights reserved. Manner Proprietary and Confidential Information.

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Belastung des Lagers am Differential durch Beugewinkel an Gelenkwelle Lager

Dichtung

Beugewinkel erzeugt pulsierende Axialkraft Pulsiere axiale Verschiebung

Zusätzliche Lagerbelastung durch Axialkraft Zusätzliche Dichtungslastung Erfassung Belastung mittels Kombinationsflansch

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Reibleistungsmessung an Lagerprüfstand

Kombinationsflansch Drehmoment/Axialkraft

Windkraftlagerprüfstand

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Belastung der Kupplung durch zusätzliche Axialkräfte

Lamellenkupplung

Belastungserfassung mittels Kombinationsflansch Drehmoment/Axialkraft

Fz

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Gelenkwelle

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Erfassung Drehmoment und Schub bei Lüfteranantrieb

Schub

Wirkungsgradmessung an Lüfter Kombinationsflansch Drehmoment/Axialkraft

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Meßglied für rotierende dyn. Drehmoment- und Axialkraftmessung 2 getrennte Meßaufnehmer in einem Flansch

Kombimessaufnehmer

Drehmoment

Axialkraft

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Die Technik des Kombiflansches Drehmomentflansch mit integrierter Axialkraftmessung Axialkrafterfassungsektion

Drehmomenterfassungsektion

Merkmale:

2 getrennte Meßaufnehmer in einem Flansch Extrem geringes Übersprechen zwischen den beiden Meßgrößen Hochgenaue Erfassung Axialkraft und Drehmoment Kontaktlose Signalübertragung Kontaktlose Signalübertragung

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Digitalisierung der Meßwerte im Rotor Einsatzbereich -40..+160°C

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Die bewährte Technik Belastungsmessung am Messkörper mittels DMS Digitale Übertragungstechnik DMS

DMS mit Drehmomenteinwirkung

+

Verformung

Deformation > Veränderung des elektronischen Widerstandes

DMS 3

4+

1

+ -2

Ub

𝑅+

𝑅∆+

+

M

Ud

𝑅 − 𝑅∆−

Für die optimale Kompensation der Temperaturdrift werden normalerweise zwei doppelte DMS zu einer Wheatstone-Brücke verbunden. Die Ausgangsspannung der DMS Ud und der Ausgang des Messverstärkers Ua sind proportional zum Drehmoment M

𝑅 − 𝑅∆−

-

Ua

𝑅 + 𝑅∆+ GND

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Ua (Ud)

M

Übersprechverhalten des Kombiflansches

Der Kombiflansch zeichnet durch äußerst geringes Übersprechverhalten aus !

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Elektrisches Blockdiagramm Kombiflansch

Netzwerkfähigkeit mit hochfrequenter Echtzeiterfasssung Typische Konfiguration Messflansch

Steuerung

Wie bringe ich die Drehmomentdaten zur Steuerung ?

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Digitale Verarbeitung (EtherCAT® Datensatz)

Einfache Pick Up

Keine Umschließung notwendig

Geometrie Flansch 500Nm/5kN

Geometrie Flansch 5kNm/10kN

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Geometrie Flansch 10kNm/30kN

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Geometrie Auswerteeinheit

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Technische Daten Kombiaufnehmer

Ty p s p e zifis c h e m e c h a n is c h e D a te n (b e is p ie lh a ft) D rehm onent M n o m (N m ) A xialkraft Fz n o m (N ) G ew icht (R otor) (kg): 2 Trägheitsm om ent (kgm ):

5.000 10.000 12,5 0,0714

(mit/ohne D rehzahlerfassungssystem)

D rehsteifigkeit (kN m /°): Verdrehw inkel bei M nom (°): Axiale Steifigkeit (kN /m m ) c :a R adiale Steifigkeit (kN /m m ) c :r Biegem om ent Steifigkeit (kN m /°) c :b M ax. Axialkraft (kN ): M ax. Seitenkraft (kN ): M ax. Biegem om ent (kN m ): Stauchung bei m ax. axialer Last (m m ): W uchtqualität (D IN ISO 1940): M ax. D rehzahl (U m dreh/m in): H ighspeed O ption (rpm ): D rehzahlerfassung (ind., Zähne/U m dr.): H ohlw elle (O ption):

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400 0,01 300 4.000 3 20 20 20 < 0,15 G 6,3 (G 2,5 O ption) 8.000 12.000 120 ja

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Hochgenaue Kalibrierstände (rückführbar auf nationalen Standards und DKD)

Kalibrierstand I

Kalibrierstand II

Kalibrierstand III

Luftgelagert

Inline

Inline

10..1000 Nm

100..5000 Nm

2..50 kNm

Typisches Kalibrierprotokoll für einen 20 kNm Drehmomentmessflansch

12 Darstellung der Ergebnisse in Diagrammen / Results in diagrams Bezugswert / Reference value:

4,0016

range: 20 kNm

VDC

Links- bzw. Rechtsdrehmoment / clockwise resp. anticlockwise torque %

Abweichungen bezogen auf den Endwert / deviation relative to max. calibration torque

0,04 0° inc 0,03

0° dec

0,02

0° inc2 120° inc

0,01

120° dec 0,00

240° inc

-0,01

240° dec

-0,02 -0,03 -20

-16

-12

-8

-4

0

4

8

12

16

20

kN·m

Weitere MANNER Messflansche Digitale Erfassung im Rotor Digitalisierung bereits im Rotor mit 16 oder 24 Bit hohe Genauigkeit 0,05 % (Lin./Hysterese) Geringste Remanenz, durch spez. Materialvorbehandlung Nutzbar als Transfernormale mit 24 Bit Auflösung sehr starr/extrem hohe Biegemomentfestigkeit hohe Überlast-Kapazität Verfügbare Messbereiche 1 Nm ... 1000 kNm hohe Drehzahlen bis zu 30 000 (150000) U/min (größenabhängig) mehrere Drehmomentbereiche (remote programmierbar) Schutzart IP54 (opt. IP67) ATEX II 2 G EEx ib IIC T4 zertifiziert (optional) Optionale Umgebungstemperaturbereiche -40 ..+160°C integriertes Drehzahlerfassungssystem (optional) integrierte Temperaturerfassung Netzwerkfähig (EtherCAT, CAN)

Für die Anwendung in modernen Prüfständen ist die Netzwerkfähigkeit unabdingbar Copyright © 2016 MANNER All rights reserved. Manner Proprietary and Confidential Information.

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Nicht überall ist der typische Standardmessflansch einsetzbar!

Gründe für die Notwendigkeit maßgeschneiderter Messeinrichtungen: Einbauverhältnisse, verfügbarer Platz

Freier Innenraum (Hohlwellenausführung)

Hohe parasitäre Kräfte (überlagerte Biegemomente, Seiten- und Axialkräfte)

Besondere Anforderungen an Wellendynamik (Drehsteifigkeit, Baulänge) Copyright © 2016 MANNER All rights reserved. Manner Proprietary and Confidential Information.

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MANNER spezialisierte Drehmomentaufnehmer (digitale Erfassung im Rotor, Auflösung 16 bit)

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Weltweiter Service der Firma Manner

Entwicklung

Analyse und Beratung

Zentrifugentest

Schulung

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Installation / Wartung

Drehmomentmessung

Kalibrierung

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Alle Produkte von MANNER werden von MANNER entwickelt und produziert Produktion

ISO 9001:2000 zertifiziert hochqualifizierte Mitarbeiter

Produkte

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Qualitätspolitik

Maxime: keine Kompromisse höchstmögliches Qualitätsniveau

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MANNER Sensortelemetrie Eschenwasen 20 D-78549 Spaichingen Tel:

+49 (0)7424 9329-0

Fax:

+49 (0)7424 9329-29

Email:

[email protected]

website: www.sensortelemetrie.de

Produktion, Entwicklung und Service

Standort: (Ca. 90 km Südl. von Stuttgart, nahe der A81

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Referenzen (1/2)

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Referenzen (2/2)

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Hauptkunden von Drehmomentmessungen der Firma Manner GmbH

* Renk (Prüfstände mit hoher Drehzahl) * Siemens turbo machines * Snecma (Turbinen) * Winergy (Windkraftanlagen) * Eickhoff (Prüfstände für Windkraftanlagen) * Flender * ZF Kassel (Prüfstände für Helikopter) * Teamtechnik (Prüfstände für Getriebe) * ZF Friedrichshafen (Prüfstände für Getriebe) * Universität München * Augusta (Prüfstände für Helikopter) * Techno Mechanica * Hindustan India (Prüfstände für Helikopter) * Wärtsilä Motoren (Finland) * Daimler Benz (Prüfstände für Automobile * Daimler (Prüfstände für LKW) * Hörbiger * Universität Stuttgart * Iveco (Forschung Schweiz) * Schindler Schweiz * MATSUI (Japan) * Boeing (Helikopter) * Toyota (Japan) * Siemens * Voith * Liebherr * Ina Copyright © 2016 MANNER All rights reserved. Manner Proprietary and Confidential Information.

* LuK * DMT * TÜV Essen * Bosch Schwieberdingen * Bosch Rexroth * FM Blickle * MTU (Schiffsmotoren) * Kendrion Binder * SMS Buss (chemische Industrie) * Wackerchemie (chemische Industrie) * MAN (Schiffsmotoren) * Airbus (Prüfstände) * DAF (Prüfstände für LKW) * BMW formula 1 (Prüfstände) * Porsche (Prüfstände) * Ford (Prüfstände) * Nissan (Japan) * Voith Howden (China) * Universität Darmstadt * Siemens railways * HSVA (Forschung für Schiffspropeller) * GE (Nuova Pinigone, Gasturbinen) * Siemens (Gasturbinen) * Gazprom Russia (Gasturbinen) * ATEC (Kupplungen für hohe Drehzahlen) * Moog * Torque meters UK * Siemens Turbo pumps (Frankental) 36

Hauptkunden für HochgeschwindigkeitDrehmomentmessungen der Firma Manner GmbH

* GE (Nuovo Pignone , Gasturbinen) * Gasprom (Gasturbinen, Russia) * Siemens (Turbomaschinen, Gasturbinen) * Snecma (Jetturbinen Testanlagen) * Renk (Hochgeschwindigkeitstestanlagen) * ZF Kassel (Helikopter-Testanlagen) * Agusta (Helikopter-Testanlagen) * Boeing (Helikopter, Hochgeschwindigkeit) * BMW racing (Testanlagen, Hochgeschwindigkeit) * Eurocopter (Helikopter) * MTU (Aero Engines) * FEV Aachen (Turbolader, 200.000 U/Min) * Bosch Mahle (Turbolader, 200.000 U/Min)

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Standorte für Verkauf und Service weltweit Standorte

Hamburg

Berlin Hannover

Leverkusen Cologne Frankfurt

Nuremberg Stuttgart Spaichingen

Munich

Verkauf und Servicestandorte Zentrale

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Standorte für Verkauf und Service weltweit Vertretungen - Adressen

Lescate SAS Parc des Nations - Paris Nord 2 385, rue de la Belle Etoile B.P. 51231 F - 95956 Roissy Ch. De Gaulle Cedex, France Tel.: +33 148 63 95 10 Fax +33 148 63 77 60 www.lescate.com

Senstel Sensor Telemetry UK 4 Cross Bank Skipton, North Yorkshire BD23 6 AH, United Kingdom Tel.+Fax. +44 1756709334 qqq.senstel.co.uk

MEAS France 26 rue de Dames F - 78340 Les Clayes sous Bois, France Tel.: +33 130 79 33 00 Fax. +33 134 81 03 59 www.meas-spec.com

Protección, Medición y Analysis s.l. Poligono La Casera - e/El Crusero, 20 Edificio Azul, 1 - D E - 48550 Muskiz (Viscaya), Spain Tel.+Fax. +34 94 636 88 20 www.promedyasistemas.com

Kistler Nordic AB Särkiniementie 3 FIN - 00210 Helsinki, Finland Tel.: +358 961215 66 Fax. +358 961215 60 www.kistler.fi

Load Indicator System AB E A Rosengrens Gata 32 SE - 421 31 Västra Frölunda, Sweden Tel.: +46 31 722 79 00 www.lisab.se

S.I. Instruments Eric St. Martins 256 South road, Hilton, S.A. 5033 G.P.O. Box 1530, Adelaide 5001 Australia Tel.: +61 88 8352 5511 Fax. +61 88 8352 6011

Aimil Ltd Naimex House, BSEL, Tech Park, B, Win, 906 Sector 30A, Opp Vashi Railway Station Vashi, avi Mumbai 400705, India Tel.: +91 22 396 466 00 Fax. +91 22 396 466 66 www.aimil.com DAEHYUN TECHNOLOGY CO., LTD. 1013, Biz-Center, SK-Technopark, 190-1, Sangdaewon-Dong, Jungwon-Gu, Seongnam-Si, Gyeonggi-Do, 462-721, South Korea Tel.: +82 31 776 2525 Fax. +82 31 776 2526

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MT-Solutions GmbH Pestalozzistraße 3 D - 76676 Graben-Neudorf, Germany Tel.: +49 7255 7624 181 Fax. +49 7255 7624 183

United Target 7B15 WestPoint Building No. 88 Yongding Road, 100039 Beijing, China Tel.: +86 10 588951 31/32/33 Fax. +86 10 588951 35 www.unitedtarget.com MS Tech 2803, U-Tower, 1029, Yeongdeok-dong, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, 446-569, South Korea Tel.: +82 31 287 0316

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