Optisches Messverfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Absolutdrehwinkel und Drehmoment an Wellen

Abstract

Absolut messende Drehwinkel- und Drehmomentmesssysteme haben in der Industrie eine große Bedeutung. Bislang erfolgt die Erfassung beider Messgrößen getrennt. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein berührungsloses Messverfahren zur Erfassung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments untersucht. Um das vorliegende Drehmoment einer mechanischen Welle berührungslos erfassen zu können, werden mit einem Laserverfahren zwei codierte Markierungen in Umfangsrichtung und entsprechendem Abstand aufgebracht, die mittels eines optischen Systems ausgelesen werden. Beide Markierungen codieren jeweils den absoluten Drehwinkel über 360°, sodass bei Erfassung beider Drehwinkel auf eine Winkeldifferenz und indes auf ein vorliegendes Drehmoment geschlossen wird. Die Weiterentwicklung vorhandener Codierungen als auch die Detektierbarkeit der absoluten Drehwinkel und des daraus berechneten Drehmoments sind in dieser Arbeit beschrieben. Darüber hinaus wird die Erfassung der Unrundheit und die Wirkung dieser auf die Winkelmessung im Rahmen der wissenschaftlichen Frage untersucht. Hierzu sind sowohl die Modellvorstellung als auch experimentelle Messergebnisse in der Arbeit beschrieben. Die gleichzeitige Erfassung der Unrundheit bietet die Möglichkeit zur Ermittlung der winkelabhängigen Abstandsänderung, sodass eine Anwendung in der zustandsorientierten Instandhaltung (z. B. von Lagern) denkbar ist. Ferner sind Vorüberlegungen zur industriellen Einsetzbarkeit einbezogen, um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen und Datenverarbeitung weiter zu optimieren. In Versuchen mit einem Motorenprüfstand wird das prototypisch umgesetzte Messsystem in der industriellen Praxis untersucht und diskutiert. Bei einer Drehzahl von 500 1/min wurde die generelle Machbarkeit der optischen Drehmomentmessung mit einem Fehler von bis zu 11 % nachgewiesen.

Absolutely measuring angle of rotation and measuring torque are of great importance in industry. So far, the acquisition of both variables is done separately. Within the scope of this thesis, a non-contact measurement method for the determination of the absolute rotation angle and torque is investigated. In order to detect the torque of a mechanical shaft contactless, two coded markings in the circumferential direction and corresponding distance are applied with a laser, which are red by means of an optical system. Both markings encode the absolute angle of rotation within 360°, so that when the two angles of rotation are detected, an angle difference and thus torque are inferred. Further development of existing codings as well as the detectability of the absolute rotation angles and the torque calculated therefrom are described in this work. In addition, the detection of the circularity and the effect of this on the angle measurement in the context of the scientific question is examined. For this purpose, both the model presentation and experimental measurement results are described in the work. The simultaneous detection of the circularity offers the possibility of determining the angle-dependent change in distance, so that an application in condition-based maintenance (e.g. of bearings) is conceivable. Furthermore, preliminary considerations for industrial applicability are included in order to enable a compact design and further optimize data processing. In experiments with an engine test bench, the implemented prototypical measuring system is investigated and discussed in industrial practice. At a speed of 500 1/min, the general feasibility of optical torque measurement was demonstrated with an error of up to 11 %.