Drehmomentsensor auswählen: Messwelle, Messflansch und Prüfstand richtig planen

→ Produktkategorie: Drehmomentsensoren

 

Ein Drehmomentsensor ist im Prüfstand nicht nur ein elektrisches Messgerät. Er wird als mechanisches Bauteil direkt in den Kraftfluss zwischen Antrieb, Prüfling und Belastungsmaschine eingebaut. Seine Bauform beeinflusst deshalb nicht nur Messbereich und Genauigkeit, sondern auch Wellenabstand, Kupplungsauswahl, Fluchtung, zulässige Drehzahl, Torsionssteifigkeit und das dynamische Verhalten des gesamten Prüfstands.

Für rotierende Messaufgaben kommen vor allem Messwellen, Messflansche und Sensoren mit angepasstem Kupplungs- oder Nabensystem infrage. Eine kompakte Messwelle lässt sich häufig einfach zwischen zwei Wellenenden montieren. Ein Messflansch bietet bei hohen Drehmomenten und begrenzter axialer Baulänge Vorteile. Ein abgestimmtes Kupplungssystem kann die mechanische Integration erleichtern, muss aber zu Drehzahl, Versatz, Torsionssteifigkeit und Lastwechseln passen.

Die Auswahl darf deshalb nicht allein nach dem Nenndrehmoment erfolgen. Ein Sensor mit ausreichendem Messbereich kann ungeeignet sein, wenn seine maximale Drehzahl zu niedrig ist, die Kupplungen unzulässige Querkräfte einleiten oder eine Torsionsresonanz im Arbeitsbereich des Prüfstands liegt.

Geeignete Produkte finden Sie in der Kategorie Drehmomentsensoren. Weitere Sensoren für Drehzahl, Kraft, Weg und Schwingung sind im Bereich Weg-, Kraft-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren zusammengefasst.

Was misst ein Drehmomentsensor?

Drehmoment beschreibt die Drehwirkung einer Kraft auf eine Welle. Es wird in Newtonmeter angegeben und ergibt sich grundsätzlich aus Kraft und wirksamem Hebelarm:

M = F × r

Dabei gilt:

• M = Drehmoment in Nm,
• F = tangential wirkende Kraft in N,
• r = wirksamer Hebelarm in m.

In einem rotierenden Drehmomentsensor wird das Drehmoment meist über die geringe elastische Torsion eines definierten Messkörpers erfasst. Auf diesem Messkörper befinden sich Dehnungsmessstreifen. Durch die Verdrehung ändern sie ihren elektrischen Widerstand. Eine Messbrücke und die nachgeschaltete Elektronik wandeln diese Änderung in ein nutzbares Ausgangssignal um.

Bei einer rotierenden Messung muss das Signal vom drehenden Messkörper zur stationären Datenerfassung übertragen werden. Dafür können je nach Sensor Schleifringe, induktive Übertragung, Telemetrie oder eine vollständig in den Rotor integrierte Elektronik eingesetzt werden.

Alternativ kann ein Reaktionsdrehmomentsensor eingesetzt werden. Er befindet sich nicht in einer frei rotierenden Welle, sondern misst das Gegenmoment an einem feststehenden Gehäuse, einer Lagerung oder einer Belastungseinrichtung. Diese Lösung ist konstruktiv anders zu bewerten als eine rotierende Messwelle.

Statisches und dynamisches Drehmoment unterscheiden

Ein konstantes Drehmoment verändert sich während der betrachteten Messzeit nur wenig. Typische Beispiele sind ein dauerhaft belasteter Antrieb, ein langsam laufendes Rührwerk oder die Ermittlung eines stationären Betriebspunkts.

Dynamisches Drehmoment verändert sich dagegen schnell. Es entsteht beispielsweise bei:

• Anfahr- und Bremsvorgängen,
• schnellen Lastwechseln,
• Schaltvorgängen in Getrieben,
• Verbrennungs- oder Kompressionszyklen,
• Schraubvorgängen,
• periodischen Pumpen- und Verdichterlasten,
• Torsionsschwingungen im Antriebsstrang.

Für eine dynamische Messung reicht eine hohe statische Genauigkeit allein nicht aus. Sensor, Verstärker und Datenerfassung müssen auch eine ausreichende Bandbreite und Abtastrate besitzen. Ein stark gefiltertes Signal kann bei konstantem Drehmoment sehr stabil aussehen, kurze Drehmomentspitzen aber vollständig unterdrücken.

Vor der Geräteauswahl muss daher geklärt werden, ob nur Mittelwerte und stationäre Kennlinien benötigt werden oder ob schnelle Spitzen, Schwingungen und Lastwechsel untersucht werden sollen.

Messwelle: universell und gut integrierbar

Eine Messwelle besitzt an beiden Seiten mechanische Wellenanschlüsse. Sie wird direkt in den rotierenden Antriebsstrang eingebaut und über Kupplungen mit Antrieb und Last verbunden. Je nach Ausführung stehen Passfedern, Klemmnaben, Verzahnungen oder andere Wellen-Naben-Verbindungen zur Verfügung.

Die Messwelle eignet sich besonders für:

• Motoren- und Getriebeprüfstände,
• Reibmomentmessungen an Lagern und Getrieben,
• Prüfung von Pumpen und Kompressoren,
• Schraub- und Montagewerkzeuge,
• temporäre Messungen an rotierenden Maschinen,
• Produktions- und End-of-Line-Prüfungen.

Ein wesentlicher Vorteil ist die vergleichsweise einfache mechanische Integration. Der Sensor kann häufig zwischen zwei handelsüblichen Ausgleichskupplungen montiert werden. Wellenenden, Kupplungsbohrungen und axiale Einbaulänge müssen jedoch sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.

Bei hohen Drehzahlen werden die Masse und der Durchmesser der Messwelle zunehmend wichtig. Der gesamte Rotor aus Sensor, Kupplungen und Anschlussnaben muss ausreichend ausgewuchtet sein. Auch die zulässige Drehzahl der Kupplungen und Spannsätze darf nicht unterhalb der Sensordrehzahl liegen.

Eine Messwelle benötigt meist mehr axiale Baulänge als ein Messflansch. Dafür ist sie bei kleinen und mittleren Drehmomenten häufig flexibel einsetzbar und kann bei wechselnden Prüfaufgaben leichter umgebaut werden.

Messflansch: kompakt bei hohen Drehmomenten

Ein Messflansch wird über Flanschverbindungen direkt in den Antriebsstrang eingebaut. Statt langer Wellenenden besitzt er kurze, großflächige Anschlussgeometrien. Dadurch kann der Sensor trotz hoher Drehmomenttragfähigkeit eine geringe axiale Baulänge erreichen.

Messflansche sind besonders interessant bei:

• hohen Nenndrehmomenten,
• leistungsstarken Motoren- und Getriebeprüfständen,
• begrenztem axialem Einbauraum,
• hohen Anforderungen an Torsionssteifigkeit,
• fest aufgebauten Serien- oder Entwicklungsprüfständen.

Die große Anschlussgeometrie ermöglicht eine steife Kraftübertragung. Das kann für dynamische Messungen von Vorteil sein, weil die zusätzliche elastische Verdrehung des Sensors und seiner Anschlüsse gering bleibt.

Der mechanische Aufbau ist jedoch aufwendiger als bei einer kleinen Messwelle. Flanschbild, Zentrierung, Schrauben, Vorspannung und Anlageflächen müssen genau definiert sein. Bereits geringe Verschmutzungen oder Beschädigungen an den Zentrierflächen können Rundlauf und Fluchtung beeinträchtigen.

Messflansche sind häufig stärker in einen konkreten Prüfstand eingebunden. Ein späterer Wechsel auf einen anderen Drehmomentbereich kann daher umfangreichere mechanische Anpassungen erfordern.

Drehmomentsensor mit Kupplungssystem

Bei einem abgestimmten Kupplungssystem werden Sensor, Kupplungen und gegebenenfalls Anschlussnaben als gemeinsame mechanische Einheit betrachtet. Das bedeutet nicht zwingend, dass die Kupplung fest in den Sensor eingebaut ist. Entscheidend ist, dass alle Komponenten hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl, Steifigkeit, Versatz und Massenträgheit aufeinander abgestimmt sind.

Ein solches System kann die Montage erleichtern und typische Auslegungsfehler reduzieren. Besonders bei kompakten Prüfständen oder häufig wiederkehrenden Aufbauten ist es vorteilhaft, wenn Wellenanschlüsse, Kupplungsabstände und Befestigung bereits definiert sind.

Eine Kupplung hat mehrere Aufgaben:

• Drehmoment spielfrei oder mit definiertem Spiel übertragen,
• kleinen axialen, radialen oder winkligen Versatz ausgleichen,
• unerwünschte Biege- und Axialkräfte vom Sensor fernhalten,
• Montage und Demontage ermöglichen,
• gegebenenfalls den Antriebsstrang elektrisch oder thermisch entkoppeln.

Ein Kupplungssystem darf jedoch nicht als Ersatz für eine saubere Fluchtung verstanden werden. Flexible Kupplungen können nur begrenzte Abweichungen ausgleichen. Große Fluchtungsfehler erhöhen Lagerkräfte, Erwärmung und Schwingungen und können den Sensor beschädigen.

Messwelle, Messflansch und Kupplungssystem im Vergleich

Kriterium	Messwelle	Messflansch	Abgestimmtes Kupplungssystem
Typischer Einsatz	Universelle Prüfstände und rotierende Maschinen	Hohe Drehmomente und feste Prüfstandsaufbauten	Kompakte oder wiederkehrende Einbausituationen
Axiale Baulänge	Meist größer	Häufig gering	Vom Gesamtsystem abhängig
Mechanische Anpassbarkeit	Gut durch unterschiedliche Kupplungen	Flanschgeometrie weitgehend festgelegt	Auf definierte Anschlüsse optimiert
Torsionssteifigkeit	Abhängig von Welle und Kupplungen	Häufig hoch	Durch Sensor und Kupplungen gemeinsam bestimmt
Umbau auf andere Prüflinge	Vergleichsweise flexibel	Häufig höherer Anpassungsaufwand	Einfach, wenn passende Wechselnaben vorgesehen sind
Hohe Drehzahlen	Mit geeigneter Auswuchtung möglich	Gut geeignet bei entsprechender Freigabe	Alle Einzelkomponenten müssen freigegeben sein
Montageaufwand	Mittlerer Aufwand	Hohe Anforderungen an Zentrierung und Schraubmontage	Geringer, wenn vollständig vorkonfiguriert

Die Bauform allein entscheidet nicht über die Messqualität. Eine gut montierte Messwelle kann bessere Ergebnisse liefern als ein hochwertiger Messflansch mit unzureichender Zentrierung. Umgekehrt kann bei sehr hohen Drehmomenten ein steifer Messflansch konstruktiv deutlich geeigneter sein als eine lange Wellenlösung.

Messbereich und Überlast richtig auswählen

Der Nenndrehmomentbereich sollte möglichst gut zum tatsächlichen Arbeitsbereich passen. Ein sehr großer Sensor ist zwar mechanisch belastbar, nutzt bei kleinen Drehmomenten aber nur einen geringen Anteil seines Ausgangssignals.

Wird beispielsweise ein 1.000-Nm-Sensor dauerhaft nur zwischen 20 und 50 Nm betrieben, entspricht das lediglich 2 bis 5 % des Endwerts. Endwertbezogene Genauigkeits-, Nullpunkt- und Hystereseanteile wirken sich dann relativ stark auf den Messwert aus.

Für die Auswahl werden mindestens benötigt:

• kleinstes relevantes Drehmoment,
• typisches Betriebsdrehmoment,
• maximales stationäres Drehmoment,
• kurzzeitige Last- und Anfahrspitzen,
• Drehmoment in beiden Drehrichtungen,
• mögliche Blockier- oder Fehlerfälle.

Messbereich und zulässige Überlast sind nicht identisch. Die Überlastgrenze beschreibt eine kurzfristig tolerierbare Belastung, bei der der Sensor nicht unmittelbar beschädigt wird. Sie ist kein zusätzlicher Messbereich, in dem die spezifizierte Genauigkeit weiterhin gilt.

Bei einem abrupten Blockieren können wesentlich höhere Drehmomente entstehen als im normalen Betrieb. Falls solche Ereignisse möglich sind, müssen mechanischer Überlastschutz, Rutschkupplung, Drehmomentbegrenzung oder eine schnelle Abschaltfunktion vorgesehen werden.

Drehzahl und mechanische Leistung erfassen

Aus dem Drehmoment allein lässt sich die mechanische Wellenleistung nicht bestimmen. Zusätzlich wird die zeitlich zugehörige Drehzahl benötigt.

Für eine rotierende Welle gilt:

P = M × ω

Mit Drehmoment in Nm und Drehzahl in min⁻¹ kann die Leistung praktisch wie folgt berechnet werden:

P [kW] = M [Nm] × n [min⁻¹] / 9.550

Bei 100 Nm und 3.000 min⁻¹ ergibt sich beispielsweise:

P = 100 × 3.000 / 9.550 = 31,41 kW

Einige Drehmomentsensoren liefern zusätzlich ein Drehzahl- oder Impulssignal. Alternativ wird ein separater Drehzahlsensor eingesetzt.

Bei dynamischen Prüfungen müssen Drehmoment und Drehzahl synchron erfasst werden. Unterschiedliche Abtastraten, Filterzeiten oder Zeitstempel können zu falschen Leistungsspitzen und sogar zu scheinbaren Wirkungsgraden von mehr als 100 % führen.

Bandbreite, Lastwechsel und Torsionsschwingungen

Der Antriebsstrang eines Prüfstands besteht aus mehreren elastischen und trägen Komponenten. Motorrotor, Kupplungen, Sensor, Prüfling und Belastungsmaschine bilden gemeinsam ein torsionsfähiges mechanisches System.

Dieses System besitzt Eigenfrequenzen. Werden sie durch Lastwechsel, Zahneingriffe, Verbrennungsimpulse oder Reglerbewegungen angeregt, können Torsionsschwingungen entstehen. Das Drehmoment am Sensor kann dann deutlich stärker schwanken als der Mittelwert vermuten lässt.

Für dynamische Messungen müssen daher betrachtet werden:

• Messbandbreite des Sensors,
• Abtastrate der Datenerfassung,
• analoge und digitale Filter,
• Torsionssteifigkeit der Kupplungen,
• Massenträgheitsmomente aller rotierenden Bauteile,
• mögliche Eigenfrequenzen des Wellenstrangs,
• maximale Amplitude kurzzeitiger Drehmomentspitzen.

Eine weiche Kupplung kann Schwingungen dämpfen oder den Antriebsstrang entkoppeln. Gleichzeitig verändert sie aber dessen Eigenfrequenz und kann zusätzliche Verdrehung verursachen. Eine besonders steife Kupplung verbessert dagegen die unmittelbare Übertragung, leitet Stöße aber stärker an den Sensor weiter.

Fluchtung und unerwünschte Kräfte

Der Messkörper eines Drehmomentsensors ist für Torsion ausgelegt. Zusätzliche Axialkräfte, Radialkräfte und Biegemomente können den Messwert beeinflussen und die Lager oder Messstruktur belasten.

Der Einbau muss daher möglichst koaxial und spannungsfrei erfolgen. Zu prüfen sind:

• radialer Parallelversatz,
• Winkelversatz,
• axiale Position der Wellenenden,
• Rundlauf der Anschlussflächen,
• Planlauf von Flanschen,
• thermisch verursachte Längenänderungen,
• Lagerbewegung unter Last.

Die Fluchtung sollte nicht nur im Stillstand erfolgen. Bei Erwärmung können sich Motor, Getriebe und Lagerböcke ausdehnen und ihre Position verändern. Bei anspruchsvollen Prüfständen muss deshalb die Fluchtung im betriebswarmen Zustand berücksichtigt werden.

Das Sensorgehäuse darf ebenfalls nicht unzulässig verspannt werden. Bei Sensoren mit feststehendem Gehäuseteil muss die Drehmomentstütze beziehungsweise Gehäusebefestigung entsprechend der Montageanleitung ausgeführt sein.

Kupplungen richtig dimensionieren

Die Kupplung muss mindestens das maximale Betriebs- und Spitzendrehmoment übertragen können. Zusätzlich sind maximale Drehzahl, zulässiger Versatz, Torsionssteifigkeit, Massenträgheit und Auswuchtqualität zu prüfen.

Typische Kupplungsbauarten sind:

• Metallbalgkupplungen für spielfreie und torsionssteife Verbindungen,
• Lamellenkupplungen für hohe Drehzahlen und Drehmomente,
• Elastomerkupplungen zur Dämpfung von Stößen und Schwingungen,
• Oldham- oder Ausgleichskupplungen bei begrenztem Parallelversatz,
• starre Kupplungen bei sehr genau fluchtenden Wellen.

Zwischen Sensor und Prüfstand sind häufig zwei Kupplungen erforderlich. Sie reduzieren die Übertragung unerwünschter Kräfte und erleichtern den Einbau. Der Sensor darf dabei nicht als mechanisches Lager verwendet werden, sofern seine Konstruktion dies nicht ausdrücklich vorsieht.

Klemmnaben und Schrumpfscheiben ermöglichen häufig eine spielfreie Verbindung. Passfederverbindungen sind robust und einfach, können bei wechselnder Last jedoch konstruktionsabhängig Spiel oder lokale Spannungsspitzen erzeugen.

Einbauposition im Prüfstand festlegen

Der Sensor misst immer das Drehmoment an seiner tatsächlichen Einbauposition. Verluste in Lagern, Kupplungen, Riemen oder Getriebestufen zwischen Sensor und Prüfling sind im Ergebnis enthalten beziehungsweise nicht enthalten – abhängig davon, auf welcher Seite sie liegen.

Eine typische Anordnung lautet:

Antrieb → Kupplung → Drehmomentsensor → Kupplung → Prüfling → Belastungsmaschine

Bei einem Getriebeprüfstand kann für eine direkte Wirkungsgradbestimmung eine zweite Messstelle erforderlich sein:

Antrieb → Drehmomentsensor Eingang → Getriebe → Drehmomentsensor Ausgang → Belastungsmaschine

Mit synchron gemessener Drehzahl können Eingangs- und Ausgangsleistung berechnet werden. Der mechanische Wirkungsgrad ergibt sich aus:

η = P_aus / P_ein × 100 %

Die Position sollte außerdem einen sicheren Zugang zu Kabeln, Steckern und Befestigungen ermöglichen. Rotierende Teile benötigen eine geeignete Schutzabdeckung. Diese darf den Sensor nicht berühren und muss auch bei einem möglichen Kupplungsdefekt ausreichenden Schutz bieten.

Ausgangssignale und Datenerfassung

Drehmomentsensoren können je nach Ausführung unterschiedliche Signale liefern. Dazu gehören beispielsweise:

• unverstärkte DMS-Brückensignale,
• analoge Spannungs- oder Stromsignale,
• Frequenz- oder Impulssignale,
• herstellerspezifische Sensorschnittstellen,
• digitale Kommunikationsschnittstellen.

Bei der Auswahl ist nicht nur die Signalart wichtig. Datenerfassung und Messverstärker müssen auch zur Bandbreite, Versorgung, elektrischen Isolation und erforderlichen Kanalzahl passen.

Für Leistungsberechnungen sollten Drehmoment- und Drehzahlkanal dieselbe Zeitbasis verwenden. Bei mehreren Sensoren, beispielsweise an Ein- und Ausgang eines Getriebes, ist eine synchrone Mehrkanalerfassung besonders wichtig.

Zusätzlich sollten die Rohwerte gespeichert werden. Wird nur die berechnete Leistung aufgezeichnet, lassen sich spätere Auffälligkeiten durch Signalfilter, Drehzahlaussetzer oder Drehmomentspitzen kaum nachvollziehen.

Kalibrierung und Nullpunktprüfung

Ein Drehmomentsensor wird üblicherweise mit definierten Drehmomenten kalibriert. Dazu wird eine bekannte Kraft über einen bekannten Hebelarm oder eine geeignete Drehmomentreferenz aufgebracht. Der Sensorwert wird mit der Referenz verglichen.

Die Kalibrierung kann unter anderem folgende Eigenschaften bewerten:

• Nullpunkt,
• Empfindlichkeit und Spanne,
• Linearität,
• Hysterese,
• Wiederholbarkeit,
• Verhalten in beiden Drehrichtungen.

Nach dem Einbau sollte der Nullpunkt bei vollständig entlastetem Antriebsstrang kontrolliert werden. Ein deutlicher Nullpunktversatz kann auf mechanische Verspannung, Kabelprobleme, eine ungeeignete Gehäusebefestigung oder eine noch anliegende Last hinweisen.

Ein elektronischer Nullabgleich darf eine mechanische Vorspannung nicht einfach verdecken. Zunächst muss geprüft werden, ob der Prüfstand tatsächlich lastfrei und korrekt ausgerichtet ist.

Das Kalibrierintervall richtet sich nach Einsatzhäufigkeit, Lastkollektiv, Überlastungen, geforderter Messunsicherheit und interner Prüfmittelüberwachung. Nach einer erheblichen Überlast oder mechanischen Beschädigung sollte der Sensor unabhängig vom regulären Intervall überprüft werden.

Praxisbeispiel: Motor- und Getriebeprüfstand

Ein Elektromotor soll gemeinsam mit einem Untersetzungsgetriebe geprüft werden. Am Motorausgang liegen im Normalbetrieb 60 bis 180 Nm bei bis zu 5.000 min⁻¹ an. Beim schnellen Hochlauf können kurzzeitig etwa 260 Nm auftreten.

Zunächst wird ein Sensor mit 1.000 Nm Nenndrehmoment betrachtet. Er bietet eine große Überlastreserve, würde im normalen Betrieb jedoch nur zu 6 bis 18 % ausgelastet. Dadurch wäre die relative Messunsicherheit unnötig hoch.

Stattdessen wird eine rotierende Messwelle mit einem Messbereich gewählt, der den normalen Bereich gut abdeckt und gleichzeitig ausreichende Reserve für die bekannten Anfahrspitzen besitzt. Die tatsächliche Überlastgrenze wird zusätzlich mit einem möglichen Blockierfall verglichen.

Der Sensor wird zwischen Motor und Getriebe montiert. Zwei spielfreie Ausgleichskupplungen reduzieren die Einleitung von Biege- und Axialkräften. Motor, Sensorlagerbock und Getriebe werden zunächst geometrisch ausgerichtet und anschließend unter betriebswarmer Temperatur kontrolliert.

Die Drehzahl wird über einen separaten Impulsgeber erfasst. Drehmoment- und Drehzahlkanal werden synchron aufgezeichnet, damit die momentane Eingangsleistung berechnet werden kann. Für die Bestimmung des Getriebewirkungsgrads wird am Ausgang eine zweite abgestimmte Messstelle vorgesehen.

Bei ersten Lastwechseln treten auffällige periodische Drehmomentspitzen auf. Eine Frequenzanalyse zeigt eine Torsionsresonanz in der Nähe einer häufig verwendeten Betriebsdrehzahl. Durch eine Anpassung der Kupplungssteifigkeit und der Reglerparameter wird der kritische Bereich verschoben.

Das Beispiel zeigt, dass die Auswahl des Drehmomentsensors nicht mit dem passenden Nm-Bereich abgeschlossen ist. Sensor, Kupplungen, Drehzahlmessung, Mechanik und Datenerfassung bilden ein gemeinsames Prüfstandssystem.

Auswahlhilfe für den Drehmomentsensor

Für eine belastbare Auslegung sollten mindestens folgende Angaben vorliegen:

• minimales, typisches und maximales Drehmoment,
• erwartete Drehmoment- und Schockspitzen,
• Messung in einer oder beiden Drehrichtungen,
• minimale, normale und maximale Drehzahl,
• statische oder dynamische Messaufgabe,
• erforderliche Messbandbreite und Abtastrate,
• verfügbarer axialer und radialer Einbauraum,
• Wellen- oder Flanschabmessungen,
• erlaubter Parallel-, Winkel- und Axialversatz,
• gewünschte Kupplungsbauart,
• Umgebungs- und Betriebstemperatur,
• Schutzart und Umgebungsbedingungen,
• gewünschtes Ausgangssignal,
• zusätzliche Drehzahl- oder Drehrichtungserfassung,
• Kalibrier- und Dokumentationsanforderungen.

Aus diesen Daten lässt sich entscheiden, ob eine kompakte Messwelle, ein steifer Messflansch oder ein abgestimmtes Sensor-Kupplungs-System die bessere Lösung darstellt.

Welche Produkte eignen sich?

Die Kategorie Drehmomentsensoren enthält rotierende Sensoren für Prüfstände, Maschinen und industrielle Überwachungsaufgaben.

HySense TQ100 rotierender Drehmomentsensor

Der HySense TQ100 arbeitet nach dem DMS-Prinzip mit Schleifringübertragung. Er besitzt eine integrierte Richtungserkennung und ist für konstante sowie veränderliche Drehmomente an rotierenden Wellen vorgesehen.

Der angebotene Messbereich reicht von 1 bis 500 Nm. Die Messgenauigkeit ist mit 0,1 % des Endwerts angegeben. Durch beidseitige Passfederanschlüsse kann der Sensor in geeignete Wellenstränge und Prüfstandsaufbauten integriert werden.

HySense TQ110 rotierender Drehmomentsensor

Der HySense TQ110 ist ebenfalls als rotierender Drehmomentsensor mit Schleifringübertragung vorgesehen. Für die Baureihe werden eine Fehlergrenze von 0,1 % des Endwerts und eine Reproduzierbarkeit von ±0,05 % angegeben.

Die konkrete Ausführung muss anhand von Drehmomentbereich, Drehzahl, Wellenanschlüssen und benötigter Messkette ausgewählt werden.

Drehzahlsensoren und ergänzende Messgrößen

Zur Berechnung der mechanischen Leistung kann der Drehmomentsensor mit einem Sensor aus der Kategorie Drehzahlsensoren und Drehzahlmessgeräte kombiniert werden.

Im übergeordneten Bereich Weg-, Kraft-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren stehen außerdem Sensoren zur Erfassung ergänzender Prüfstandsgrößen zur Verfügung. Dazu gehören beispielsweise Kraft, Position und Schwingung.

Messflansche und speziell abgestimmte Kupplungssysteme sind projektbezogen auszulegen. Dabei müssen Sensor, mechanische Schnittstellen, Kupplungen, Drehzahl und erwartete Dynamik gemeinsam betrachtet werden.

Fazit: Der Drehmomentsensor ist Teil des mechanischen Prüfstands

Die richtige Bauform hängt nicht nur vom Drehmomentbereich ab. Messwelle, Messflansch und Kupplungssystem unterscheiden sich in Baulänge, Torsionssteifigkeit, Anschlussgeometrie, maximaler Drehzahl und mechanischem Integrationsaufwand.

Messwellen sind flexibel und für viele Prüfstände gut einsetzbar. Messflansche bieten Vorteile bei hohen Drehmomenten, geringer axialer Baulänge und steifen Prüfstandsstrukturen. Ein abgestimmtes Kupplungssystem erleichtert die Integration und hält unerwünschte Kräfte vom Sensor fern.

Messbereich, Überlast und tatsächliche Drehmomentspitzen müssen getrennt bewertet werden. Ein unnötig großer Messbereich verschlechtert die relative Messqualität bei kleinen Lasten. Eine nominelle Überlastreserve ersetzt keinen Schutz vor Blockier- oder Schockmomenten.

Für dynamische Prüfungen sind zudem Bandbreite, Abtastrate, Torsionsschwingungen und synchrone Drehzahlmessung entscheidend. Nur zeitlich zusammengehörige Drehmoment- und Drehzahlwerte ermöglichen eine belastbare Berechnung der mechanischen Leistung.

Eine zuverlässige Prüfstandslösung entsteht deshalb aus dem vollständigen System: Drehmomentsensor, Kupplungen, Fluchtung, Lagerung, Drehzahlerfassung, Signalaufbereitung, Datenerfassung und Kalibrierung müssen zueinander passen.

Häufige Fragen zur Auswahl von Drehmomentsensoren

Wann eignet sich eine Messwelle?

Eine Messwelle ist für viele universelle Motoren-, Getriebe- und Maschinenprüfstände geeignet. Sie lässt sich über passende Kupplungen zwischen zwei Wellenenden montieren und ist besonders bei kleinen und mittleren Drehmomenten flexibel einsetzbar.

Wann ist ein Messflansch sinnvoll?

Ein Messflansch ist besonders bei hohen Drehmomenten, geringer verfügbarer Baulänge und hohen Anforderungen an die Torsionssteifigkeit interessant. Flanschbild, Zentrierung und Schraubverbindung müssen genau zum Prüfstand passen.

Warum werden zwei Kupplungen am Drehmomentsensor verwendet?

Die Kupplungen ermöglichen die Drehmomentübertragung und gleichen begrenzte Fluchtungsabweichungen aus. Dadurch werden Axial-, Radial- und Biegekräfte am Sensor reduziert. Eine korrekte Ausrichtung des Prüfstands bleibt trotzdem erforderlich.

Wie groß sollte der Messbereich gewählt werden?

Der typische Betriebsbereich sollte einen ausreichend großen Anteil des Sensornennbereichs nutzen. Gleichzeitig müssen bekannte Lastspitzen und Fehlerfälle berücksichtigt werden. Ein möglichst großer Sensor ist nicht automatisch die genaueste Lösung.

Kann ein Drehmomentsensor auch die Leistung messen?

Für die Leistung wird zusätzlich die Drehzahl benötigt. Aus synchron gemessenem Drehmoment und Drehzahl kann die mechanische Wellenleistung berechnet werden.

Was bedeutet dynamisches Drehmoment?

Dynamisches Drehmoment verändert sich schnell, beispielsweise bei Lastsprüngen, Schaltvorgängen oder Torsionsschwingungen. Für seine Erfassung sind eine ausreichende Sensorbandbreite und eine entsprechend schnelle Datenerfassung erforderlich.

Warum zeigt der Sensor nach dem Einbau einen Nullpunktversatz?

Mögliche Ursachen sind mechanische Verspannung, schlechte Fluchtung, unerwünschte Axial- oder Biegekräfte, eine falsche Gehäusebefestigung oder eine noch anliegende Restlast. Die Ursache sollte vor einem elektronischen Nullabgleich geprüft werden.

Wann muss ein Drehmomentsensor neu kalibriert werden?

Das Intervall richtet sich nach Belastung, Einsatzhäufigkeit und Genauigkeitsanforderung. Nach einer erheblichen Überlast, mechanischen Beschädigung oder auffälligen Nullpunktänderung sollte der Sensor unabhängig vom regulären Intervall geprüft werden.