Was ist ein Drehmomentsensor?
Ein Drehmomentsensor ist ein Gerät zur Messung des Drehmoments (der Kraft, die eine Welle verdreht).
Der Drehmomentsensor wandelt die winzige Verdrehung der Welle, wenn ein Drehmoment auf die Welle ausgeübt wird, in ein Drehmoment um, das ausgegeben und angezeigt wird. Sie werden in verschiedenen Situationen eingesetzt, in denen eine Drehmomentmessung erforderlich ist, z. B. beim Drehmomentmanagement an Produktionslinien und bei der Leistungsbewertung von Industrieanlagen.
Je nach Produkt können sie auch als Drehmomentmessgeräte oder Drehmomentmesser bezeichnet werden. Für die Verwendung der verschiedenen Bezeichnungen gibt es keine Regeln, aber sie werden im Allgemeinen wie folgt verwendet. In diesem Artikel wird die Bezeichnung Drehmomentsensoren unabhängig von ihrer Verwendung verwendet.
- Drehmomentsensoren
Es handelt sich um ein in Elektrofahrrädern, Robotern usw. eingebautes Messgerät, bei dem das erfasste Drehmoment zur Steuerung des Motors oder Roboters verwendet wird. - Drehmomentmessgeräte
Es handelt sich um ein Messgerät, mit dem das Anzugsdrehmoment eines Schraubendrehers o. Ä. gemessen und der Drehmomentwert an Ort und Stelle anhand einer Anzeige überprüft werden kann. Es wird auch in Motorprüfgeräten verwendet, um das Drehmoment eines Motors zu bewerten.
Anwendungen von Drehmomentsensoren
Ein bekanntes Beispiel für den Einsatz von Drehmomentsensoren sind elektrisch unterstützte Fahrräder. Bei elektrisch unterstützten Fahrrädern erfasst der Drehmomentsensor die Kraft (das Drehmoment), die durch das Treten des Menschen ausgeübt wird. Der Motor erzeugt dann als Reaktion auf dieses Drehmoment die erforderliche Hilfskraft, wodurch die Belastung durch das Treten der Pedale verringert wird.
Drehmomentsensoren werden häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt. In der Industrie werden sie vor allem für die Qualitätskontrolle und die Testforschung eingesetzt.
1. Qualitätskontrolle
Für die Qualitätskontrolle werden sie hauptsächlich in folgenden Situationen eingesetzt:
- Stichprobenkontrollen
Prüfung der Festigkeit, mit der die Verschlüsse von Behältern während der Produktion angezogen werden - Regelmäßige Kontrollen
Kontrollen vor Arbeitsbeginn, um sicherzustellen, dass die an den Produktionslinien verwendeten elektrischen Schraubenzieher innerhalb der normalen Grenzen arbeiten
2. Prüfung und Forschung
Zu Prüf- und Forschungszwecken werden sie hauptsächlich in folgenden Situationen eingesetzt:
- Festigkeitsmessungen
Messung der Festigkeit von Prüfmaterialien und Bauteilen gegen Verdrehung - Bewertung der Motorleistung
Messungen zur Bewertung der Leistung von Motoren unter Last - Messung des Rotationsmoments von Maschinen
Messung des Drehmoments von Walzen, z. B. an Rotationsdruckmaschinen, um die optimalen Betriebsbedingungen der Maschine zu ermitteln
Funktionsweise von Drehmomentsensoren
Drehmomentsensoren erfassen ein Drehmoment in folgender Reihenfolge:
- Eine Torsionskraft (Drehmoment) wird auf die Welle ausgeübt.
- Das Drehmoment verursacht eine Torsion/Dehnung in der Welle.
- Die Torsion/Dehnung der Welle wird gemessen.
- Das auf die Welle wirkende Drehmoment wird aus der gemessenen Größe berechnet.
Die Torsion/Dehnung der Welle wird verarbeitet und als elektrisches Signal ausgegeben. Viele Drehmomentsensoren sind mit einem Verstärker ausgestattet. Das elektrische Signal wird durch den Verstärker verstärkt und durch einen A/D-Wandler in einen messbaren Wert umgewandelt. Einige Drehmomentsensoren sind mit einer Anzeige ausgestattet, so dass der Drehmomentwert an Ort und Stelle visuell überprüft werden kann.
Arten von Drehmomentsensoren
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Wellendrehung und -dehnung, aber die folgenden vier Methoden werden in den derzeit in der Praxis verwendeten Drehmomentsensoren häufig verwendet:
1. Dehnungsmessstreifen-Drehmomentsensoren
Bei dieser Methode werden Dehnungsmessstreifen (DMS) zur Messung der Dehnung an der Welle verwendet. Ein Dehnungsmessstreifen (DMS) ist ein Sensor, der die Dehnung anhand des elektrischen Widerstands misst, der sich beim Ausdehnen und Zusammenziehen ändert. Die Welle erzeugt beim Aufbringen eines Drehmoments eine Zug- und Druckspannung in der ±45°-Richtung. Die Dehnung in Richtung dieser Spannung wird mit einem Dehnungsmessstreifen gemessen.
2. Kapazitive Drehmomentsensoren
Bei dieser Methode wird die Dehnung der Welle durch Änderungen der Kapazität eines Kondensators gemessen. Zwei Elektroden werden auf der Welle angebracht und die Kapazitätsänderung wird gemessen, wenn sich die Position der Elektroden bei einer Verformung der Welle ändert.
Diese Methode hat einen einfacheren Aufbau und eine kürzere Wellenlänge als die Dehnungsmessstreifen-Methode und wird häufig in Drehmomentsensoren für Roboter eingesetzt.
3. Magnetostriktive Drehmomentsensoren
Diese Methode misst die Belastung der Welle durch die Änderung der Induktivität der Spule. Wenn eine Torsionskraft auf die Welle einwirkt, ändert sich die magnetische Permeabilität (Durchlässigkeit des magnetischen Flusses). Dieses Prinzip wird als inverser magnetostriktiver Effekt bezeichnet. Magnetostriktive Drehmomentsensoren platzieren eine Spule außerhalb der Welle und erfassen Änderungen der magnetischen Permeabilität der Welle durch Änderungen der Induktivität der Spule.
Magnetostriktive Drehmomentsensoren haben die folgenden Vorteile, da sie das Drehmoment berührungslos messen können:
- Das Drehmoment an rotierenden Wellen, wie z. B. an den rotierenden Wellen von Motoren und Verbrennungsmotoren, kann gemessen werden.
- Das Drehmoment kann ohne Beeinträchtigung der Festigkeit der Welle gemessen werden, da der Sensor nicht an der Welle befestigt werden muss.
4. Optische Drehmomentsensoren
Bei dieser Methode wird ein optischer Sensor verwendet, um die Belastung der Welle zu messen. Wenn sich die Welle verdreht oder verformt, verschiebt sich die Position des Lichtsenders und -empfängers, was zu einem Unterschied in der empfangenen Lichtmenge führt. Diese Differenz in der empfangenen Lichtmenge wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und als Drehmoment erfasst.
Weitere Informationen zu Drehmomentsensoren
Produkte mit eingebauten Drehmomentsensoren
Die jüngsten technologischen Entwicklungen haben dazu geführt, dass Drehmomentsensoren immer kleiner werden und Produkte mit eingebauten Drehmomentsensoren zur Verfügung stehen. In diesem Abschnitt werden Produkte mit eingebauten Drehmomentsensoren für industrielle Anwendungen vorgestellt:
1. Motor mit eingebautem Drehmomentsensor
In diesem Produkt sind ein Motor, ein Untersetzungsgetriebe und ein Drehmomentsensor integriert. Da weder ein externes Untersetzungsgetriebe noch ein Drehmomentsensor erforderlich sind, kann die Ausrüstung verkleinert werden.
Der Drehmomentsensor ermöglicht die direkte Messung des Drehmoments an der Abtriebswelle, was eine hochpräzise Drehmomentsteuerung ermöglicht. Dadurch kann das Gerät sanft angetrieben oder der Kontakt mit Menschen erkannt werden, um das Gerät sicherer zu machen.
2. Drehmomentsensoren in Robotern
Gelenkroboter mit eingebauten Drehmomentsensoren sind in den letzten Jahren auf den Markt gekommen. Vor allem die Zahl der Roboter mit eingebauten Drehmomentsensoren in der Kategorie der kooperativen Roboter nimmt zu. Bei kooperativen Robotern sind sie zylindrisch geformt und in den Roboterarm integriert.
Drehmomentsensoren erfassen das Ausgangsdrehmoment der Rotationsachsen des Roboters und steuern Kräfte wie die für die Aufgabe des Roboters erforderliche Schubkraft oder erkennen den Kontakt mit einer Person oder einem Hindernis. Für Roboter sind Drehmomentsensoren notwendige Geräte, um anspruchsvollere Aufgaben zu erfüllen und mit Menschen im selben Raum zusammenzuarbeiten. Es wird erwartet, dass der Markt für Drehmomentsensoren in diesem Bereich in Zukunft wachsen wird.