Dynamisches vs. Statisches Drehmoment 101
In der mechanischen Prüftechnik und Steuerung ist der Drehmoment-Transducer eine entscheidende Komponente zur Gewährleistung von Leistung, Effizienz und Sicherheit in verschiedenen Industriezweigen. Drehmoment-Transducer messen die Drehkraft oder das Moment, das auf ein Objekt ausgeübt wird.
Obwohl sie häufig als Drehmomentsensoren bezeichnet werden, lassen sich die Messgeräte in zwei grundlegende Kategorien einteilen, die auf der Art der Messung basieren: Dynamisch (Rotary) und Statisch (Reaction).
Für jeden Ingenieur, der einen Prüfstand entwirft oder einen Sensor auswählt, muss die erste Frage immer funktionsbezogen sein. Messen Sie das Drehmoment, das durch ein rotierendes Element übertragen wird, oder das Drehmoment, das gegen eine stationäre Befestigung reagiert?
Wiederholung der Grundlagen von Drehmoment-Transducern
Bevor wir die Kategorien untersuchen, ist es hilfreich, die grundlegende Terminologie für Drehmoment zu etablieren. Drehmoment ist das rotatorische Äquivalent zu linearer Kraft. Es wird definiert als das Produkt aus einer Kraft und dem senkrechten Abstand vom Anwendungspunkt zur Rotationsachse.
Ein Transducer wandelt die mechanische Dehnung, die durch dieses Drehmoment verursacht wird, in ein elektrisches Signal um, das gemessen werden kann. In modernen Sensoren basiert dieser Umwandlungsprozess auf Dehnungsmessstreifen, die resistive Elemente sind, die am Gehäuse oder der Welle des Sensors befestigt sind und deren elektrischer Widerstand proportional zur aufgebrachten mechanischen Dehnung zu- oder abnimmt.
Sensoren im Wellenstil haben eine integrale Welle, die direkt mit dem Antriebsstrang verbunden wird, während Flanschsensoren kompakter sind und Montageflansche für die direkte Befestigung zwischen rotierenden Teilen enthalten.
REFERENZ: Interface bietet eine umfassende Drehmoment-Übersicht in Interface’s Technical Library. Der Torque Measurement Primer ist hier detailliert oder steht zum Download zur Verfügung.
Dynamische Drehmoment-Transducer
Die dynamische (Rotary) Drehmomentmessung ist erforderlich, wenn der Sensor mit der Welle rotieren muss, typischerweise wenn die Komponente bei hohen Geschwindigkeiten arbeitet und/oder einer erheblichen Winkelbeschleunigung unterliegt. Der Sensor misst das aufgebrachte oder übertragene Drehmoment durch die rotierende Welle.
Messprinzip und Signalübertragung bei dynamischem Drehmoment
Der dynamische Transducer ist als rotierende Kupplung oder Welle konstruiert, die in Linie mit dem rotierenden Antriebsstrang montiert wird. Dynamische Sensoren liefern zwei primäre Ausgänge: Drehmoment und Rotationsgeschwindigkeit.
Kupplungen verbinden den Drehmomentsensor mit den Antriebs- und Lastwellen. Diese Komponenten übertragen das Drehmoment, während sie den Sensor von äußeren Lasten wie Biegung und Vibration isolieren.
Wellenverbindungen können mit oder ohne Passfeder ausgeführt sein. Passfederwellen bieten eine positive Eingriffnahme, können aber Rückschlag, Spiel oder verlorene Bewegung in einer mechanischen Verbindung verursachen und die Demontage erschweren. Glatte Wellen mit Klemmkupplungen bieten eine konsistente Drehmomentübertragung und vermeiden passfederbedingte Probleme. Montagekonfigurationen umfassen schwimmende und feste Montagen.
Bei dynamischen Transducern besteht die Hauptherausforderung in der Übertragung des elektrischen Signals von der rotierenden Welle zum stationären Datenerfassungssystem. Schleifringe bieten physischen elektrischen Kontakt über Ringe und Bürsten und eignen sich am besten für Anwendungen mit niedrigerer Geschwindigkeit und geringeren Kosten. Drahtlose Telemetrie bietet eine rotierende Antenne und einen Sender, der das Signal drahtlos an einen festen Stator und Empfänger sendet. Diese Methode wird für Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisions- und wartungsfreien Betrieb bevorzugt, wie sie in unserem AxialTQ verwendet wird.
Ingenieure müssen auch die Masse und Trägheit des Sensors berücksichtigen, da diese Faktoren das rotierende System beeinflussen und dessen Eigenfrequenz und dynamisches Verhalten beeinflussen können.
Dynamische Anwendungen
Dynamische Sensoren sind entscheidend für die Messung der kontinuierlichen Kraftübertragung in Betriebssystemen. Sie werden häufig in Antriebsstrangtests verwendet, um das durch die Antriebswelle eines Fahrzeugs zwischen Motor und Getriebe übertragene Drehmoment zu messen. Sie sind unverzichtbar in Turbomaschinen zur Überwachung des Drehmoments und der Leistungsabgabe von Hochgeschwindigkeitsgas- oder Dampfturbinen. Sie sind die bevorzugten Sensoren bei Hochgeschwindigkeitstests zur Bewertung der Haltbarkeit von Motorkomponenten und Pumpen. In der Prozesssteuerung überwachen sie das Mischer- oder Extruderdrehmoment, um die Materialkonsistenz sicherzustellen.
Statische Drehmoment-Transducer
Die statische (Reaction) Drehmomentmessung erfolgt, wenn es keine oder vernachlässigbare Winkelbeschleunigung des rotierenden Elements gibt, oder häufiger, wenn die Messung am nicht rotierenden Reaktionselement eines Systems vorgenommen wird.
Messprinzip und Bauform bei statischem Drehmoment
Das Kernprinzip eines Reaktionsdrehmoment-Transducers besteht darin, das statische (Reaktions-) Drehmoment zu messen, das durch eine rotierende Komponente, wie einen Elektromotor oder eine Pumpe, gegen ihren stationären Befestigungspunkt erzeugt wird. Die primäre Ausgabe dieses Sensortyps ist nur das Drehmoment.
Der Sensor selbst ist ein fester Block oder Gehäuse, das entlang des Kraftpfads montiert wird und nicht rotiert. Diese feste Konfiguration vereinfacht den gesamten Prüfaufbau erheblich.
Der bemerkenswerteste technische Vorteil ist die Signalübertragung: Strom und Daten werden über eine einfache fest verdrahtete Kabelverbindung gesendet. Da der Sensor fest ist, gibt es keine technische Herausforderung bei der Überbrückung eines rotierenden Elements zu einem Datenerfassungssystem. Folglich sind die Masse und Trägheit des Sensors für die Messung weitgehend irrelevant, da sie das dynamische Verhalten des rotierenden Antriebsstrangs nicht beeinflussen.
Statische Anwendungen
Statische Sensoren sind ideal für Tests, bei denen die Rotationskomponente fest ist oder sich langsam bewegt. Typische Anwendungen umfassen Motor- und Aktuatortests an einem Dynamometer, wobei der Transducer am Reaktionsarm oder Rahmen verschraubt wird. Sie sind hilfreich für Bremsentests und messen das Haltemoment gegen einen festen Anker. Für die Befestigungsanalyse messen diese statischen Sensoren das auf eine stationäre Verbindung aufgebrachte Drehmoment. Sie werden auch bei Qualitätsprüfungen verwendet, wie z.B. der Messung des Drehmoments, das erforderlich ist, um eine feste Lenksäule zu drehen.
Sehen Sie sich diese Motor-Dynamometer-Anwendung mit AxialTQ an
Technische Synthese: Dynamisch vs. Statisch
Die Entscheidung zwischen statischen (Reaktions-) und dynamischen (Rotary-) Drehmomentsensoren hängt von zwei primären Faktoren ab: dem Zustand der Komponente und der Methode der Signalübertragung.
Aus mechanischer und installationstechnischer Sicht ist der statische Sensor einfacher. Er ist fest und einfach zu installieren, und seine Trägheit ist vernachlässigbar. Der dynamische Sensor rotiert jedoch mit der Welle, erfordert präzise Ausrichtung und zwingt Ingenieure dazu, die hinzugefügte Trägheit in ihrer Systemmodellierung zu berücksichtigen.
In Bezug auf die Signalverarbeitung verwendet der statische Sensor ein einfaches, robustes Kabel, was zu seinen im Allgemeinen niedrigeren Kosten und geringerer Komplexität beiträgt. Der dynamische Sensor erfordert anspruchsvolle und daher teurere Hardware zur Signalübertragung, was sowohl die Komplexität als auch den Wartungsaufwand des Systems erhöht.
Ein statischer Sensor ist die logische Wahl zur Messung von Haltekräften, Motoreffizienz bei niedrigen Geschwindigkeiten oder jeder Situation, in der eine feste Struktur das Drehmoment angemessen absorbieren kann. Umgekehrt ist ein dynamischer Sensor unerlässlich, wenn Hochgeschwindigkeitsleistung, Winkelbeschleunigungsanalyse oder kontinuierliche Überwachung der Kraftübertragung erforderlich ist.
Das Verständnis der Unterscheidung ist wesentlich für die Auswahl des richtigen Sensors für jede gegebene Anwendung. Verwenden Sie unseren Torque Transducer Selection Guide, um alle Optionen zu überprüfen. Nutzen Sie Interface’s ForceEDU Torque Transducer Cheat Sheet für Begriffe und Referenzen.