CN103534505A

CN103534505A - 液力组件

Info

Publication number: CN103534505A
Application number: CN201280007396.1A
Authority: CN
Inventors: 马库斯·施洛瑟; 托尔斯藤·吕尔斯; 阿希姆·梅内; 迪特尔·劳克曼; 拉维·沙德; 布鲁诺·弗尔; 于尔根·基布勒; 克里斯蒂安·埃伯特
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2014-01-22
Also published as: DE102011010153B4; DE102011010153A1; WO2012104032A3; KR20140052947A; US20140050565A1; EP2671059A2; WO2012104032A2; JP2014508923A

Abstract

本发明涉及一种液力组件，该液力组件具有至少两个在之间形成工作腔的元件，该元件包括初级轮和次级轮。通过能被引入到工作腔中的工作介质在元件之间传递转矩。元件中的至少一个抗扭地布置在轴上。该液力组件具有用于测定至少间接地表征出轴的所传递的转矩和/或转数的参量的装置。根据本发明，轴至少在至少两个轴向地相互间隔的部段中由永磁材料构成，并且具有相对于相应的部段不旋转地设计的磁场。在与至少两个部段对应一致的区域中布置有磁场传感器。

Description

液力组件

技术领域

本发明涉及了一种具有权利要求1的前序部分所详细限定的特征的液力组件。

背景技术

德国专利文献DE102005052105B4描述了此类型的液力组件。该专利论述的是一种液力系统，其设计用于测定转矩或表征该转矩的参量的装置。在此，该结构相对昂贵，这是因为液力系统的两个元件之一必须相对于位置固定的元件支撑住，并且必须测量这个支撑件的区域中对于支撑所需的力。为此必然使得结构费用相对较高，并且必须使得支撑元件尤其可以旋转运动，这例如，对于液力减速器而言产生了相对高昂的成本。另外，支撑元件必须至少在特定的运转情况下处于不旋转的状态中，这是因为只有这样才能实现测量。这例如对于液力转换器或液力耦合器而言相应地耗费成本或部分地根本不可能实现。

发明内容

本发明的目的在于，避免上述缺陷并且提供一种液力组件，在该液力组件中简化了用于测定表征需传递的转矩和/或转数的参量的装置，并且能够以结构上的最小成本实现该装置的运转。

根据本发明，通过权利要求1的特征部分中的特征来实现该目的。与其相关的从属权利要求给出了根据本发明的解决方法的特别优选的设计方案。

开头所述目的的解决方案在于，轴至少在至少两个轴向彼此间隔的部段中分别由永磁材料构成，并且具有相对于轴的相应部段不旋转地设计的磁场。在与至少两个部段对应一致的区域中，例如，在围绕着轴的壳体上，则布置有磁场传感器。这种结构允许通过磁致伸缩物理效应或具有在磁致伸缩方面最重要部分的焦耳效应来测定相应的部段中的磁场变化。尤其能够测定第一部段中的磁场在轴的轴向方向上相对于第二部段中的磁场的微小的扭转。在已知部段彼此间的轴向间距和轴的材料特性和尺寸时，根据部段中的磁场相互之间的这种扭转能够确定出轴区域中的转矩。转矩使得轴由此相应地扭转。这种扭转则能够通过相互呈角度的两个部段中的磁场变化来测定，并且被视作为轴区域中所存在的转矩。

另外，当相对于部段之一不旋转地布置的磁场在周向上具有不变的非均匀性时，则测量始终能够确定轴的转数。例如可以通过材料改变、材料的机械改变或周向上相应地编码的磁场来实现这种设置，其中轴具有该磁场。对于转矩可替代地，由此还可以测定轴的转数。

在理想的状态下，利用相应高的测量频率来测定轴中的转数和转矩，从而近似连续地提供转数和/或转矩供使用。在此对于作为液力组件的液力减速器或液力耦合器而言，测量转矩是有益的，这是因为在此利用位于轴之一中的相应的传感机构能够测定所传递的转矩。其原则上在液力转换器的情况下也够被考虑，其中在此基于位于初级轮和次级轮之间的导向叶片的支撑力矩，为了测定由部件传递的转矩，或者必须测定输入轴和输出轴的转矩，或除了轴之一中的转矩以外还必须测定导向叶片的支撑力矩。

只要磁场不旋转地且至少在用于测量的一定时间段中不变地设计，原则上就可以各个任意的样式和方法构造相对于轴的相应部段不旋转地布置的磁场。尤其磁场或磁场中的至少一个可以依据根据本发明的特别有利的和具有优点的液力组件的构造方式设计为永磁场。由此可以将轴，例如在安装之前，相应地磁化一次，或省去在轴区域中构造磁场所需的结构的成本。对于例如通过编码的磁场和/或在周向上具有至少两个磁性彼此不同的子区域的磁场对轴相应地磁化，示例性地应参考国际申请WO2005/064302A2。

在根据本发明的液力组件的一个尤其有利的和具有优点的构造形式中可以提出，即磁场传感器与轴无接触地布置。由此可以无摩擦损耗地实现测量转矩和/或转数。

根据本发明的液力组件的一个尤其有利和具有优点的构造形式另外提出，将轴构造成空心轴，其中，磁场传感器中的至少一个被布置在空心轴的内部中。空心轴的这种在旋转的空心轴内部中布置有磁场传感器的结构非常节省空间，这是因为，布置在空心轴内部的传感器在围绕着轴的壳体区域中不再需要额外的结构空间。

在液力组件的一个补充的或备选的构造形式中可以提出，将磁场传感器中的至少一个布置在围绕轴的密封件的区域中。为了在元件、例如初级轮和次级轮之间的工作腔中，在传递转矩的过程中将处于高压下的工作液体相对于外界密封，典型地在液力组件中，在轴区域中无论如何都需要至少一个密封件。这种围绕着轴的密封件理想地适于将磁场传感器集成在其中，磁场传感器可以是围绕着轴的线圈，并且由此结构空间中性地在对轴的至少两个轴向地相互间隔的部段适合地磁化时，并且在将磁场传感器布置在围绕轴的密封元件区域中时，实现一种具有相应的根据本发明的传感机构的液力组件。

在此尤其可以将磁场传感器中的至少一个布置在围绕轴的轴密封环中。典型地，这种轴密封环无论如何都具有能实现用于将线圈集成为磁场传感器的充足空间的构造形式。典型地，该轴密封环可非常良好地触及，并且与壳体的相应区域相连接，由此也能够简单且顺利地将导线从集成在轴密封环中的线圈区域例如朝向壳体外部地导向电子器件或类似物。

在根据本发明的液力组件的另一个有益的构造形式中，可以另外提出，将磁场传感器中的至少一个布置在两个围绕轴的轴密封环之间。在轴或工作腔的多级构造的密封件的两个围绕轴的轴密封环之间的这个区域中存在的可能性是，将一个或两个磁场传感器布置在这些轴密封环之间。这具有的优点是，来自工作腔的磨损粒不会在该程度上延伸到这个区域中，并且由此能够尽可能地避免磁场传感器受到污染。

在根据本发明的液力组件的一个尤其有利和具有优点的构造形式中可以提出，即轴密封件具有至少一个轴密封环和通过承载体与轴密封环相连接的活塞环。在这种结构中，然后可以将磁场传感器中的至少一个布置在承载体上。这种具有定位在工作腔和第一密封腔之间的活塞环的结构能够将第一密封腔中压力减小，与工作腔中的压力相比，例如减小到工作腔中的压力的大约20%。此外，活塞环经常通过承载体与轴密封环相连接，该轴密封环确保了第一密封腔相对于周围环境密封，或也可能相对于另一个第二密封腔密封。这种承载体，可能在轴向方向上延长，理想地适用于支承磁场传感器，这是因为该承载体典型地由相应地围绕轴的板材套筒（Blechhülse）构成。在承载体轴向长度足够的情况下，与轴的两个轴向地彼此间隔的部段对应一致地也能够非常良好地将两个磁场传感器以彼此之间一定的轴向间距定位在支撑件上，从而由此简单且有效地确保实现传感机构的集成。

在本发明的一个具有优点的进一步的构造形式中可以提出，即轴在部段之一的区域中，在一个或多个围绕轴的周向分布的位置上这样设计，即轴的机械负载导致产生应力梯度。基于焦耳效应，在这种情况下出现了随着这些位置的定位相应产生的磁场变化。当在部段之一的区域中存在一个或多个在周向上分散布置的、导致产生这种磁场变化的位置时，无需设置专门用于转数测量的磁场，由此仍能够测量转数，这是因为要在每次旋转时根据位置的数量一次或多次地探测通过该具有应力梯度的位置引起的表征的磁场变化。由此能够非常简单地传导转数信号。

在该想法的一个非常具有优点的进一步引申中可以提出，即将这些位置设计为用于来自轴的两个密封件之间的区域中的润滑剂的卸载孔或排出孔。这种卸载孔可以例如设置在两个轴密封环之间的区域中，或活塞环和轴密封环之间的区域中，也就是与工作腔相邻的密封区域中，以便在压力较低的情况下相应地、例如延伸通过轴的内部的中心孔或类似物导出润滑剂。这种卸载孔引起应力梯度，由此在没有制造技术方面的成本时，并且已经集成有一个或多个产生副作用的卸载孔的情况下，能够简单且有效对在相应的部段中与轴共同旋转的、在圆周上的不均匀的磁场进行转数测量。

根据本发明的液力组件的构造形式在此可以是转换器或液力耦合器。该部件尤其还可以是液力减速器。可以相应简单地构造该减速器，这是因为由于与现有技术中的结构相比，能够将减速器集成地构造在壳体中，这是因为可以测定轴区域中的转矩，并且为此无需定子围绕其轴线的旋转运动。另外，能够通过简单和紧凑地集成传感机构、例如将其集成到轴密封环中或密封件的区域中，从而以最小的成本和最小的结构空间将传感机构集成到相应的能够非常简单、有效且节省空间地设计的减速器中。这既允许测量转矩又允许测量转数，并且由此确保将用于控制减速器或用于控制减速器之一的所有方式作为利用包括的制动系统进行制动的可能方式之一。

由于能够相应地简单并且非常抵抗温度、环境影响以及类似物地构造磁场传感器，所以能够在多种条件下使用这种根据磁致伸缩原理构造的传感器。这些传感器能够例如使用在润滑油或工作介质的区域内，并且尤其还能够在环境温度相应较高时安全且可靠地运转。

附图说明

根据本发明的液力组件的其他具有优点的构造方式由其余的从属权利要求给出，并且借助下面根据附图详细阐述的实施例来清楚地展现。

在此示出：

图1是液力减速器的原理图；

图2是用于测量在根据图1的减速器的轴上的转矩和/或转数的结构；

图3是布置磁场传感器的可能的第一实施方式；

图4是布置磁场传感器的可能的第二实施方式；

图5是布置磁场传感器的可能的第三实施方式；

图6是布置磁场传感器的第四可能的实施方式；和

图7是根据图6轴中的扭转应力曲线图。

具体实施方式

在图1的描述中，可以在原理图中识别出一个非常简单地构造的、减速器1形式的液力组件1。液力组件1包括初级轮2，该初级轮可旋转运动地设计，并且抗扭地布置在轴3上。液力减速器1的初级轮也称为转子。转子2在此在其外端部上具有叶片安装区域，其与次级轮4中的对应一致的叶片安装区域共同形成以5来表示的环形工作腔。次级轮4在构造减速器时典型地是固定的，并且在此处所示出的非常简单的实施例中集成地设计在壳体6中。次级轮也被称为定子4。如果应该利用减速器1进行无磨损制动，则减速器1的工作腔5始终填充有工作介质，例如在水减速器的情况下填充冷却循环的冷却水，或填充作为工作介质的油。工作腔5通过在此根据原理示出的密封件7相对于外界环境密封，轴3通过所示出的轴承8、例如滚动轴承相应地支撑。

减速器1可以例如布置在载货车辆、轨道车辆或类似物中。转子2使得位于工作腔5中的工作介质随着其叶片区域共同运动，并且由此导致将相应的转矩传递到定子4上。由于定子4在自身方面并不是可旋转运动地设计的，由此产生了相应的制动力矩。积累的功率转化成工作介质中的热量。一旦工作介质是配备有减速器1的机动车的冷却循环中的冷却介质，该热量将通过冷却介质直接导出，一旦油被用作为减速器1的工作介质，将通过热交换器由机动车的循环中的冷却介质来对其冷却。

在此，这种减速器1通常构成制动系统的一部分，并且与另一个制动器相结合。这例如可以是发动机减速器、摩擦减速器、以及可能用于再生制动器的发电机。为了现在能够将制动功率理想地分配给各个减速器重要的是已知通过各个减速器所施加的制动力矩。为此应该相应地测量对于在此所示出的实施例而言在减速器1的区域中的制动力矩。图1中根据原理所示出的减速器1为此应该具有用于测定所传递的转矩的装置，图2中根据原理地示出了该装置。这个装置主要由轴3的两个具有永磁场的部段9，10构成。为此，至少这两个部段9，10、但尤其是整个轴3可以由永磁性的材料制成。正如说明书中所述的现有技术中所示出的那样，部段9，10可以具有永磁场，其持续地存在于轴3的区域中或部段9，10的区域中，并且由此在将轴3安装到减速器1中之前仅仅需要产生一次即可。位于这两个部段9，10中的磁场在此相对于轴3的各个部段9，10不旋转地设计。

如图2所示的那样，现在出现通过转矩M1对轴3的加载，由此通过与轴3抗扭连接的转子2以及上述减速器1的作用原理形成相应的反向力矩，其在图2的描述中以M2表示。基于转矩和反向力矩出现轴3的（微小的）扭转。由两个部段9，10之间的轴向间距I、轴3在该区域中的材料特性和几何尺寸和第一部段9相对于第二部段10的扭转角度，由此能够得到轴3的区域中的转矩。在此，轴3自身构成初级传感器。围绕轴3的部段9，10，磁场传感器11，12无接触地布置作为次级传感器。这些磁场传感器设计为围绕轴3线圈的形式。它们通过相应的传导元件13与布置在例如减速器1的壳体6外部的评估电子器件14相连接。通过磁场传感器11，12能够测定位于部段9，10的区域中的磁场。如果在两个部段9，10之间出现角度偏转，由此这些相对于轴不旋转地形成在部段9，10中的磁场也彼此相互成该角度地旋转。这个旋转角度壳体通过磁场传感器11，12来测定，并且允许利用结构的几何特性和材料特性推断出转矩。

用于测定转矩的装置在此使用了磁致伸缩的原理或焦耳效应。线圈形式的磁场传感器11，12无接触地围绕轴3，由此产生了额外的摩擦成本或类似物。另外，该装置相对小且非常牢固，由此也能够用作在润滑油中、高温情况下和减速器1的工作腔中。轴本身或轴3的磁化的部段9，10用作为初级传感器，由此该装置的结构出乎寻常地紧凑，这是因为仅仅磁场传感器11，12需要额外的结构空间。为了相对更为节省空间地将该装置布置在减速器1中，尤其可以提出，将该装置布置在密封件7的区域中，或集成在密封件中。

在图3的描述中可以识别出具有减速器1的轴3和壳体6的一个相应的截面。在此，围绕轴3（但仅仅在轴3上方示出）布置有两个轴密封环15，这两个密封环将位于所示部段的左侧的环境区域连同位于所示部段的右侧的工作腔5相对密封。在此以公知的类型和方式设计轴密封环15。这些密封环额外具有两个线圈形式的磁场传感器11，12。通过将磁场传感器11，12集成到轴密封环15中，实现了非常紧凑的结构。由于轴密封环15无论如何都要存在，所以仅仅最小化地调整这些密封环的构造形式，并且由此能够以现有的结构顺利地进行加装，这是因为可以这样设计由轴密封环15和集成的磁场传感器11，12构成的整体结构，即这在外部尺寸方面相应于传统的轴密封环15。由于初级传感器在轴3的区域中仅仅通过磁化影响（eingepraegt），所以由此实际上不会产生与结构空间相关的额外的成本。

图4中示出了类似的视图。在此处所述的实施例中，在两个轴密封件14之间将两个磁场传感器11，12集成到位于轴密封环15之间的空间中。在传统的结构中无论如何都存在的空间尤其可以用于集成磁场传感器11，12，这是因为在此具有相对受控的和相同的条件，还因为在该区域中存在适当的压力和来自工作腔5的区域的相对少量的磨损粒。磁场传感器由此能够在不变的条件下长时间地进行工作，由此能够提高结构的可靠性。这也适用于图3中所示的结构。

在图5的描述中可以看出一个可替代的实施方式。轴3在此设计为空心轴，该空心轴在其内部具有贯穿孔或盲孔16。由于对部段9，10的磁化不仅向外作用而且还作用到空心轴的内部，所以磁场传感器11，12不仅仅围绕轴3布置而且还布置在轴3的内部中。这些磁场传感器通过相应的承载体17位置固定地与不转动的部分、例如壳体6相连接。然后可以与上述实施例类似地测量这些磁场传感器。这些磁场传感器由于集成到轴中因此被安全和可靠地保护防止轴3的外部区域所产生的异常现象。通过承载体17能够简单地向外引导传导元件13。

在图6的描述中示出了与图3和图4中所示出的结构类似的另一个实施方式。在该结构中仅仅示出了一个轴密封件15。该轴密封件通过承载体18与活塞环19相连接，并且对其进行支承。承载体18在此可以作为环形的板材件围绕轴3。活塞环19与相应的槽20在轴3中共同作用，并且将工作腔5相对于位于活塞环19和轴密封环15之间的第一密封区域1密封。因此在工作腔的区域中典型地会存在量级例如为10bar的压力。在活塞环19和轴密封环15之间的第一密封区域21中，然后典型地在1.5至2.5bar的量级之间调整压力。承载体18也在传统的设计中是公知的和普遍的。在此，它具有相对较小的轴向长度。在图6所示的实施例中，承载体18的这个轴向长度相应地变大，以便扩大第一密封区域21，并且实现用于与承载体18相连接的磁场传感器11，12的空间。由此可以实现磁场传感器11，12的结构上的集成，其中，仅仅需要对结构进行最小化的调整。为了能够实现减速器1相对于周围环境的良好密封，此外能可选地设置另一个轴密封环15，以便在此处所示的轴密封环15的背离第一密封腔21的侧面上形成第二密封腔。另外，第一密封腔21通过卸载孔22与设计为空心轴的轴13的区域中的孔16相连接。油通过该卸载孔22可以从第二密封腔中流出，并且由此决定性地改善了减速器1的密封。

除了通过磁场传感器11，12以及轴3的磁化部段9，10进行测量的转矩以外，利用用于测定转矩的装置另外提供的可能性是，对于转矩补充或附加地测定轴3的转数。在此例如可以这样形成磁场，即磁场具有围绕轴3的周向的磁性影响不同的子区域，由此能够通过磁场传感器11，12探测相应的区域，并且将其对应于轴的运转。

然而，当在轴3的区域中布置有相应位置时，该位置确保了在轴具有机械负载时出现的应力中的应力梯度，围绕轴3的周向尤其会出现磁场的这种不均匀性。这种位置可以例如是沿着轴向方向延伸的槽、阶梯或类似物。尤其可以相应地使用卸载孔22或多个在轴3的周向上布置的卸载孔22。在图7所示的图表中可以识别出在轴3的经过其轴向的延伸部的区域中的扭转应力。虚线在此显示出在其中没有布置卸载孔22的区域中的扭转应力。实线示出了在其中布置有卸载孔22的区域中的扭转应力。这个明显偏转的扭转应力相应于焦耳效应确保了在配属的部段的磁场、在此情况下是配属的第二部段10中的改变，从而在这个部段中在其上布置有卸载孔22的周向位置上产生磁场的相应变化。如果例如，围绕着周向布置有卸载孔22，那么当这些位置出现在特定的方位上时，则始终探测扭转应力中并且进而在磁场中的相应干扰。轴每旋转一次，便能够测定一次这个结果，由此形成了更简单和有效的转数传感器，其在无论如何都会出现的情况下相应使用密封系统的卸载孔22，以便在无额外的制造或安装成本的情况下能够简单、有效且可靠地测定轴3的转矩以及转数。

Claims

1.一种液力组件（1）

1.1带有至少两个在之间形成工作腔（5）的元件（2，4），所述元件包括初级轮（2）和次级轮（4），并且通过能被引入到所述工作腔中的工作介质在所述元件（2，4）之间传递转矩，

1.2所述元件（2，4）中的至少一个抗扭地布置在轴（3）上，

1.3带有用于测定至少间接地表征出所述轴（3）的所传递的所述转矩和/或转数的参量的装置，

其特征在于，

1.4所述轴（3）至少在至少两个轴向地相互间隔的部段（9，10）中分别由永磁材料构成，并且所述轴具有相对于相应的所述部段（9，10）不旋转地设计的磁场，并且

1.5在与至少两个所述部段（9，10）对应一致的区域中布置有磁场传感器（11，12）。

2.根据权利要求1所述的液力组件（1），其特征在于，所述部段（9，10）中的至少一个具有永久性的磁场。

3.根据权利要求1或2所述的液力组件（1），其特征在于，至少一个所述部段（9，10）的所述磁场设计为编码的磁场。

4.根据权利要求1，2或3所述的液力组件（1），其特征在于，至少一个所述部段（9，10）的所述磁场在周向上具有至少两个磁性彼此不同的子区域。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）与所述轴（3）无接触地设计。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）设计为线圈的形式。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）围绕所述轴（3）。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，轴（3）设计为空心轴，其中，所述磁场传感器（11，12）中的至少一个布置在所述空心轴的内部。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）中的至少一个布置在围绕所述轴（3）的密封件（7，15，19）的区域中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）中的至少一个布置在围绕所述轴（3）的轴密封环（15）中。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）中的至少一个布置在两个围绕所述轴（3）的轴密封环（15）之间。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述磁场传感器（11，12）中的至少一个布置在用于密封件（19）的保持件（18）的区域中。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，轴密封件具有至少一个轴密封环（15）和通过承载体（18）与所述密封环（15）相连接的活塞环（19），其中，所述磁场传感器（11，12）中的至少一个布置在所述承载体（18）上。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述轴（3）在所述部段（9，10）之一的区域中，在一个或多个围绕所述轴（3）的周向分布的位置上这样设计，即所述轴（3）的机械负载引起应力梯度。

15.根据权利要求14所述的液力组件（1），其特征在于，所述位置具有用于来自两个密封件（15，19）之间的区域（21）中的润滑剂的卸载孔（22）。

16.根据权利要求14所述的液力组件（1），其特征在于，所述位置具有轴向地相对于所述轴（3）延伸的边缘或槽。

17.根据前述权利要求中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述液力组件设计为液力耦合器或液力减速器（1）。

18.根据权利要求1至16中任一项所述的液力组件（1），其特征在于，所述液力组件设计为液力转换器。