25.10.2012
Im Rahmen des Europäischen Metrologieforschungsprogramms EMRP wird im gemeinsamen Forschungsprojekt IND09 die dynamische Messung mechanischer Größen (Kraft, Druck, Drehmoment) erforscht. Für die Bestimmung von Modelleigenschaften einer Messeinrichtung für dynamische Drehmomentkalibrierung sollen Massenträgheitsmoment und Torsionssteifigkeit von Komponenten der Einrichtung bestimmt werden. Zu diesem Zweck wurden zwei Messaufbauten entwickelt.
1) Bestimmung der Torsionssteifigkeit
Die Torsionssteifigkeit ist definiert als das Verhältnis von auf ein Messobjekt einwirkendem Drehmoment M und der daraus resultierenden Torsion Δφ
c = M / Δφ .
Im Messaufbau zur Bestimmung der Torsionssteifigkeit wird ein bekanntes Drehmoment erzeugt, gleichzeitig werden die Torsionswinkel oberhalb und unterhalb des Messobjektes erfasst. Zur Bestimmung der Torsionssteifigkeit werden verschiedene Drehmomentstufen angefahren und die resultierende Torsion als Differenz dieser beiden Winkel bestimmt. Somit lässt sich feststellen, ob sich das Messobjekt linear verhält. Durch eine Umkehr der Belastungsrichtung können richtungsabhängige Effekte und Hystereseeinflüsse erkannt werden.
Bild 1: Messaufbau zur Bestimmung der Torsionssteifigkeit
2) Bestimmung des Massenträgheitsmomentes
Der Messaufbau zur Bestimmung des Massenträgheitsmoments basiert auf dem Grundprinzip eines physikalischen Pendels. Die Bewegungsgleichung eines Pendels lässt sich für kleine Schwingungsamplituden linearisieren. Für diesen Fall ergibt sich ein Zusammenhang vom Massenträgheitsmoment des Pendels J und dem Quadrat der Schwingzeit τ des Pendels
J = m g l τ² / ( 4 π²) .
Um eine möglichst geringe Dämpfung des Pendels zu erreichen, wurde dieses mit einem Luftlager aufgebaut. Die Messung der Pendelschwingung erfolgt berührungslos mittels eines optischen Winkelmesssystems. In den Pendelarm können zusätzliche Massestücke eingehängt werden. Diese Massestücke haben ein bekanntes Massenträgheitsmoment. Werden sie in bekanntem Abstand von der Drehachse im Pendel eingehängt, so lässt sich mit Hilfe des Satzes von Steiner das zusätzlich wirkende Massenträgheitsmoment errechnen.Durch Hinzufügen bekannter Massenträgheitsmomente kann so mittels Extrapolation das kombinierte Massenträgheitsmoment von Pendel und Messobjekt bestimmt werden.
Literatur:
[1] L. Klaus, T. Bruns, M. Kobusch, “Determination of Model Parameters of a Dynamic Torque Calibration Device” in Proc. of XX IMEKO World Congress; 2012, Busan, Republic of Korea, 
Link
[2] C. Bartoli et al., “Traceable Dynamic Measurement of Mechanical Quantities: Objectives and First Results of this European Project” in Proc. of XX IMEKO World Congress; 2012, Busan, Republic of Korea, Link
[3] Homepage des gemeinsamen Forschungsprojekts “Dynamic Measurement of Mechanical Quantities” EMRP IND09: Link
Ansprechpartner:
Leonard Klaus, FB 1.7, AG 1.73, E-Mail: leonard.klaus@ptb.de