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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