Methoden zur Drehmomentmessung in der Antriebstechnik

Drehmoment ist in zahlreichen Anwendungen eine wichtige mechanische Größe. Das präzise Messen von Drehmomenten, insbesondere an rotierenden Teilen, stellt hohe Anforderungen an den Prüfstandhersteller und den Anwender.

Für die Ermittlung des Drehmoments gibt es zwei unterschiedliche Ansätze: die direkte und die indirekte Methode.

Direkte Methode

In der direkten Methode erfolgt die Bestimmung des Drehmomentsignals direkt durch Messung des Drehmoments im Antriebsstrang. Die Messung erfolgt in der Regel berührungslos durch Drehmoment-Messflansche, wie z.B. dem digitalen Drehmomentaufnehmer T12 oder T40B von HBM.

Die direkte Methode zur Messung des Drehmoments bietet zahlreiche technologische Vorzüge. Die von HBM entwickelte Flanschtechnologie mit ihrer extrem kurzen Bauweise ermöglicht die einfache Integration hochwertiger Drehmomentaufnehmer in Prüfstände. Weitere Pluspunkte sind eine höhere Messgenauigkeit sowie die Möglichkeit zum Messen höherer Drehzahlen.

Indirekte Methode

Die indirekte Ermittlung des Drehmoments erfolgt indirekt durch Messung der elektrischen Leistung des Elektromotors am Umrichter des Antriebs. 

Zusammen mit einer Drehzahlmessung kann das Drehmoment berechnet werden. Bei elektrischen Maschinen ist es mit heutigen Messmitteln einfach, die elektrische Leistung und die Drehzahl zu bestimmen. Bei der Berechnung des Drehmoments können allerdings relativ große Fehler und damit Messunsicherheiten entstehen, da Verlustleistung und Betriebszustände der Maschinen mit eingehen. Eine Kalibrierung ist ebenfalls nur schlecht möglich. Die indirekte Ermittlung des Drehmoments erfolgt mit der Methode der Reaktionskraftmessung. Dabei wird die am Ende des Hebelarms wirkende Kraft mit einem Kraftaufnehmer erfasst. Die Ermittlung des Drehmoments erfolgt indirekt durch Messung bestimmter Hilfsgrößen im Antriebsstrang. Dazu gehören alle Verfahren, die entweder die durch die Torsion der Welle entstehenden Dehnungen an der Oberfläche oder deren Verdrehwinkel messen. In beiden Fällen wird im Anschluss rechnerisch über die bestimmte Hilfsgröße das Drehmoment ermittelt.

Abb.1 Reaktionsmomentmessung mit Kraftaufnehmer
Abb. 2: Reaktionsmomentmessung / Pendelmaschine

Nachteile der indirekten Methode:

Reaktionsmomentmessung mittels eines Kraftaufnehmers

Die Drehmomenterfassung über die Reaktionsmomentmessung mittels eines Kraftaufnehmers - z.B. eine pendelnd gelagerte Bremse (s. Abb. 1) - erfordert eine aufwändige Mechanik. Störeinflüsse wie Veränderungen der Pendellagerung der Bremse über die Zeit oder die Ausdehnung des Hebelarmes bei sich verändernden Temperaturbedingungen müssen berücksichtigt werden, da diese ansonsten zu Messfehlern führen können.

Darüber hinaus ist diese Methode aufgrund der großen Massen für dynamische Untersuchungen ungeeignet, da die große Masse quasi als „mechanischer Tiefpass“ fungiert (s. Abb. 2).

Ermittlung über Hilfsgrößen

Bei der Ermittlung der Messgröße Drehmoment über Hilfsgrößen wie z.B. Dehnung und Verdrehwinkel sind Einzelfehler zu berücksichtigen, die sich aus den Toleranzen des Durchmessers und der Länge der Antriebswelle oder aus einem im Verdrehwinkel liegenden Messfehler ergeben. Zusätzlich  sind bei solchen Messmethoden Fehler zu beachten, die sich aus fehlender oder eingeschränkter Temperaturkompensation ergeben.

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