Die 20-kN·m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung der PTB gehört zu den besten Einrichtungen ihrer Art in der Welt. Um diese Spitzenstellung auch weiterhin sicherzustellen, werden regelmäßig Untersuchungen und Vergleiche durchgeführt. Dabei zeigte sich in

Die 20-kN·m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung der PTB gehört zu den besten Einrichtungen ihrer Art in der Welt. Um diese Spitzenstellung auch weiterhin sicherzustellen, werden regelmäßig Untersuchungen und Vergleiche durchgeführt. Dabei zeigte sich in den letzten Jahren eine kleine Unsymmetrie in den Armlängen des Hebels (der rechte Arm war ca. 10 µm zu kurz, der linke um etwa den selben Betrag zu lang), die jetzt trickreich behoben wurde.

Als die 20-kN·m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung vor etwas mehr als 10 Jahren als Hebel-Masse-System mit Luftlagerung entwickelt und gebaut wurde, bestand die Notwendigkeit, die beiden etwa 2 Meter langen Seitenteile des Hebels – die Hebelwangen – aus konstruktiven Gründen an den Enden gekröpft auszuführen, so dass der Hebel in der Mitte (am Luftlager) breiter wurde als an den Enden, wo die Kräfte eingeleitet werden. Seinerzeit als notwendiges Übel betrachtet, erweist sich diese Ausführung im Nachhinein als vorteilhaft – wenn man gewisse Möglichkeiten eingebaut hat.

So gibt es an der Übergangsstelle zum abgewinkelten Bereich als Stäbe ausgebildete Stabilisatoren, die die Hebelwangen miteinander verbinden und die mit Gewinde versehen sind. So kann mit Muttern und Kugelscheiben bzw. Kegelpfannen eine selbsteinstellende Verbindung zwischen Hebelwange und Stab erzeugt werden. Über die Muttern ist nun aber auch der Abstand der Hebelwangen geringfügig veränderbar, wobei sich erweist, dass sich in Folge der winzigen Deformation der Hebelwangen dabei auch die Länge des entsprechenden Hebelarms ändert - allerdings deutlich weniger. Aus Berechnungen mit Hilfe der FEM, der Finite-Elemente-Methode, (Bild 1 oben – aus Gründen der Symmetrie musste nur eine halbe Hebelwange – der Viertelhebel - modelliert werden, die Schraubverbindung ist im Modell nicht abgebildet) war bekannt, dass die Stabilisatoren keine tragende Funktion haben, also keine großen Kräfte aufnehmen müssen, sondern im Wesentlichen nur die mechanischen und geometrischen Eigenschaften des gesamten Hebels, wie Steifigkeit und Länge, beeinflussen.

Die Muttern (Bild 1 unten) wurden nun um einen Winkel von ca. 5° gegen den Stab verdreht. Bei einer Gewindesteigung von 3 mm ergibt das eine theoretische Abstandsänderung der Hebelwangen von 42 µm. Die resultierende Hebelarmlängenänderung betrug ca. 10 µm. Damit diese Änderungen auch kontrolliert erfolgen konnten, wurde ein mit einem hochauflösenden Verstärker verbundener, sehr stabiler Drehmomentaufnehmer in die Einrichtung eingebaut, und es wurden nach jedem Justageschritt Messungen durchgeführt, die die Änderung der Hebelarmlänge aufzeigten. Mit dieser Methode konnte die Unsymmetrie beider Seiten auf 1 µm bis 2 µm reduziert werden. Der absolute Vergleich erfolgte übrigens im Teilbereich mit der 1-kN·m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung, deren Hebelarmlängen auf einer Koordinatenmesseinrichtung mit einer Unsicherheit von nur 1 µm (bei 500 mm Hebelarmlänge) bestimmt worden waren, und die sich jüngst als Pilot-Messeinrichtung im weltweit ersten Schlüsselvergleich (CIPM key comparison CCM.T-K1) im Drehmoment bewährt hat.

Bild 1: Ergebnisse der FEM-Berechnungen am Viertelmodell des gekröpften, sich in der Höhe verjüngenden Hebels der 20-kN·m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung bei aufgebrachter Kraft F von 20 kN (oben – links: vertikale Durchbiegung, Farbskala in m, rechts: horizontale Längenänderung, Farbskala in m, X – Drehachse) sowie Mutter mit Kugelscheibe/Kegelpfanne auf Stabilisator (Foto unten).

Ansprechpartner:

Dirk Röske, FB 1.2, AG 1.22, dirk.roeske@ptb.de