CN104764550A - 用于检测机器元件的状态的装置 - Google Patents

Abstract

用于检测能绕一轴线(3)转动的机器元件的机械状态的装置(1)，所述机器元件尤其是一轴(2)，所述装置包括：一能沿轴向运动地布置在所述机器元件(2)上的调节机构(4)；用于将所述机器元件(2)的扭转转换成所述调节机构(4)的轴向移动的器件(9、10、11、12)；一相对于所述机器元件(2)静止布置的传感器(5)，所述传感器用于检测所述调节机构(4)的轴向移动，其特征在于，所述调节机构(4)配置有一标记(6)，为了检测所述调节机构(4)的轴向移动能够由所述传感器(5)检测所述标记，其中，从每单位时间检测到的标记(6)数目能够获知所述机器元件(2)的转速(n)。

Description

用于检测机器元件的状态的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的装置。此外，本发明涉及一种根据权利要求13所述的农用工作机。

背景技术

在农用工作机，例如牵引机、收割机、悬挂式农具和类似工作机上可以使用不同应用形式的能转动的机器元件、尤其是(驱动)轴，以便驱动各种机组或非常一般性地在这些机组之间传递机械驱动功率。在此，如也在机械制造的其它领域中那样，与对应的使用目的相关地经常存在这样的需要，即，能够获知被机器元件(尤其是轴)传递的转矩。

公知地，这可以通过检测机器元件本身的扭转来进行。于是从机器元件的扭转，即弹性转动中可以在知道机器元件的材料特性和几何形状的前提下计算作用到所述机器元件上的扭矩。因此，在轴的情况下例如可以获知通过轴传递的转矩，该转矩数值上相应于作用到所述机器元件上的扭矩。

旋转的机器元件的扭转可以由静止的传感器组件原则上地通过如下方式检测，即，在机器元件的两个沿轴向彼此间隔开的区域上进行机器元件的对应的转动角度的非常准确的检测。通过同时比较这些间隔开的区域中的转动角度可以获知机器元件的扭转。该方法的缺点是用于在两个彼此间隔开的部位上的转动角度检测的所需耗费，尤其是在安装空间和成本方面。此外，在转速较高时，精确测量不能执行或仅以巨大的测量技术上的耗费可以执行。

另一方面可行的是：由机器元件传递的转矩通过旋转的机器元件上的扭转测量来检测，例如借助于适用于此地布置的应变测量条。但是，在该方式的检测中，在旋转测量位置的测量信号的正确和无干扰传递的困难性上存在缺点。

对于其他方式的转矩获知参考DE 37 08 103 A1。该文献的图7例如示出了用于检测轴扭转的装置。环形的调节机构为此能轴向移动地布置在一轴上并且在两端上分别通过一弹性螺旋结构(具有相反的盘旋)与轴的沿轴向彼此间隔开的区域连接。通过由轴传递的转矩所引起的轴扭转引起中间的调节机构沿轴向方向的移动。在此，该移动随着增加的扭转而增加或随着减小的扭转而减小，从而使得调节机构的移动程度可以被看作对于扭转的量度。通过调节机构移动的传感式的、例如感应式的检测可以以该方式获知轴扭转以及利用轴传递的转矩。

对于农用机器上的大量控制和调节过程而言，在实践中经常希望的是：不仅识别利用机器元件传递的转矩，而且此外也识别该机器元件的转速。直到现在，转速获知通过独立的传感装置(转速传感器)来进行。该传感装置要求安装空间并基于所需的测量技术引起巨大的成本。

发明内容

本发明的任务是给出一种用于检测能转动的机器元件的机械状态的装置，该装置可以在比较紧凑的安装方式和小的结构耗费的情况下除了转矩获知之外也实现机器元件的转速获知。

该任务通过根据权利要求1的特征的装置来解决。该装置的特征在于，所述调节机构配置有一标记，为了检测所述调节机构的轴向移动能够由所述传感器检测所述标记，其中，从每单位时间检测到的标记的数目能够获知所述机器元件的转速。

在此，根据本发明认识到，利用结构简单的器件可以除了检测机器元件扭转之外也实现检测转速，如果因此其轴向移动被检测用于获知机器元件扭转的调节机构配置有一能由同一传感器检测的标记的话，该标记附加地能够实现转速获知。所述标记原则上可以涉及任何方式的记号，该记号可以被传感器检测用于获知转矩的目的。适宜地，所述标记为此而处在调节机构的一周向区域中。这类布置可以实现：从传感器所产生的测量信号不仅可以导出关于调节机构的轴向移动的信息，而且也可以导出关于机器元件转速的信息。如果所述调节机构在一周向区域上配置有例如一标记，那么该标记随着机器元件的每次全旋转刚好一次地被传感器检测到。对于全旋转的持续时间的待计算的倒数于是相应于机器元件的转速。

可以考虑：给调节机构不是仅配置一个如前所述的标记，而是配置多个分布在周边上的标记。通过较多数目的标记可以基于较小和较频繁的测量时间段来提高尤其在转速比较小时的测量准确性。

根据所述装置的一有利设计方案，所述标记优选这样地设计，使得从传感器的测量信号可以获知调节机构的轴向移动和机器元件的转速。换句话说，所述标记这样地构造，使得从中可以导出两类信息，即，机器元件的转速(对应于检测到的标记的频率)和扭转(对应于调节机构的轴向移动)。这可以以技术上不同的方式来转换。

一优选的设计可能性方案设置：标记通过配置给调节机构的、能以传感方式检测的特征来形成。该特征可以原则上不同地设计，以便能够实现适当的检测，例如通过调节机构的能光学检测的表面设计(例如调节机构的表面的类似于三角形的留空部和/或彩色设计)，通过调节机构的至少区域地磁化和/或通过其它能物理检测的设计。在此，为了避免摩擦损失优选地使用无接触的检测原理。适宜地，传感器涉及适用于对应检测所述特征的传感器，例如涉及光学传感器、磁性传感器、电容式传感器和/或电传感器。可以考虑检测的不同的可能性，只要保证了因此能够检测调节机构的轴向移动和机器元件的转速。

适宜地，所述有利地设置的特征构造在调节机构的周面上并且就一轴向方向而言具有变窄的周向延伸部，从而使得在传感器经过时产生的测量信号，尤其是该测量信号的持续时间提供了关于调节机构的轴向移动的信息。在此，以特别有利的方式，所述特征可以甚至具有这种形式的造形，使得测量信号的持续时间大致与所述机器元件的扭转成比例。换句话说，所述特征的适当的造形由此可以补偿调节机构的非线性的轴向移动。这样的造形例如可以通过构造在调节机构上的留空部和/或通过其它的表面起作用的特征来获得。

根据替换于此的实施方式，调节机构的移动可以借助于所谓的散斑干涉法(Speckle-Interferometrie)来获知。为此，调节机构的表面例如利用激光光线来扫描，以便根据调节机构粗糙表面上的光线反射的改变来检测调节机构的轴向移动。

为了能够从这些能产生的测量信号导出可用的信息，有利地设置一运算装置，该运算装置能够运行用于从测量信号的持续时间获知作用到所述机器元件上的扭矩进而获知由机器元件传递的转矩。

补充或替换地有利地设置有一运算装置，所述运算装置能够运行用于从每单位时间检测到的测量信号的数目获知所述机器元件的转速。

根据所述装置的一有利的应用，前面提到的运算装置还能够被运行用于通过机器元件的获知的扭矩和获知的转速的乘法获知通过所述机器元件传递的机械功率。在该情况下，所描述的装置涉及一种特别紧凑的功率测量装置，该功率测量装置利用仅一个传感器获知机器元件的转速、转矩以及传递的功率。

在结构方面可以使用各种器件来将机器元件的扭转转换成调节机构的轴向移动。一优选的改进方案设置：所述调节机构构造为中空体、尤其构造为中空轴体和/或构造为环形体，所述机器元件被引导穿过所述中空体，其中，所述调节机构借助于一弹性螺旋结构与所述机器元件连接。在此，弹性螺旋结构在最简单的情况下可以使用一螺线弹簧，该弹性螺旋结构引起机器元件扭转到调节机构的轴向移动的所追求的转换。因为该转换纯机械式地进行，所以不需要外部能量供给。此外，在比较小的扭转的情况下已经获得了比较强的并且由此能以传感方式容易检测的沿轴向偏转，这是因为在螺旋的比较小的升高的前提下，螺旋形状引起旋转运动(扭转)到平移运动(轴向移动)中的加强；在此，在另外的意义中，肘杆效应起作用。有利地，所述调节机构和弹性螺旋结构构造为公共的中空体。

一结构上有利的改进方案设置：所述调节机构沿第一轴向方向通过一左旋的弹性螺旋结构与所述机器元件连接并且沿与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向通过一右旋的弹性螺旋结构与所述机器元件连接。在该情况下，所述调节机构相应地在两端上通过相反转动的螺旋结构与机器元件连接，由此获得了特别准确和对称的(沿两个负载方向相同起作用的)反应行为。

所提到的装置可以在机械制造的不同领域中使用用于能转动的机器元件，例如轴。尤其可看作为有利的是：利用特别紧凑的安装方式和利用仅一个唯一的传感器可以获知被机器元件传递的转矩和该机器元件的转速。基于所提到的优点以及按照简单和可靠的解决方案的现有的需求，本发明也涉及一种农用工作机，尤其是车辆、悬挂式农具、收割机或类似工作机，其配备有如前面所述那样的装置。在本说明书的意义中的机器元件优选考虑传递功率的能转动的构件，尤其是轴。

附图说明

本发明随后根据一实施例来阐释。为此参考随后的附图。其中：

图1在侧视图中示出了根据本发明的装置的实施例的简化视图；

图2在立体图中示出了在图1中示出的装置的一部分。

具体实施方式

在图1中，在侧视图中示出了根据本发明的一实施例的用于检测轴2的机械状态的装置1。连续的轴2能够绕轴线3转动，尤其是用于将机械驱动功率在(这里未示出的)机器部件之间传递。例如可以是农用工作机的驱动系(例如行驶驱动装置)之内的轴。

在旋转状态下，例如当轴2被驱动马达直接或间接驱动时，该轴以转速n绕轴线3转动。如果轴2被用于驱动其它的机器部件，例如用于车辆推进的车轮(或任意其它的消耗装置)，那么轴2处在机械负载的状态下，这是因为该轴传递转矩，该转矩又作为扭矩M_T返回作用到轴2上。在此，所述扭矩M_T导致轴2绕轴线3的弹性转动，也就是扭转。因为轴2的弹性扭转与扭矩M_T成比例，所以通过测量轴2的扭转可以获知扭矩M_T进而由轴2所传递的转矩。该原理如下地利用了根据本发明的装置1：

所述装置1具有器件9、10、11、12，利用这些器件，轴2的扭转可以变成能沿轴向在轴2上运动的调节机构4的轴向移动。为此，在所示的实施例中，在轴2的沿轴向彼此间隔开的两个区域上分别在轴2上布置一抗相对转动的固定装置12。在这两个固定装置12之间延伸着形式为中空轴9的中空体，该中空轴分别在端侧上借助于固定装置12之一与轴2连接。在此，轴2被引导穿过所述中空轴9，其中，所述中空轴9至少在一中央区域中具有这样的内直径，该内直径至少略微大于轴2的在那里的外直径，从而使得该中央区域不与轴2的壳面接触。中空轴9就轴向方向z而言被划分成多个区段。在分别在端侧的区段上，中空轴9像之前实施的那样借助于固定装置12抗相对转动地与轴2连接。中空轴9的处于其间的区段10、4、11基于中空轴9的较大的内直径而与轴2间隔开并且由此可以沿轴向相对所述轴2运动。中空轴9的中央区段由一环形的调节机构4形成，所述调节机构在两端上分别邻接一弹性螺旋结构10、11并且由它们来保持。弹性螺旋结构10、11中的每个在它们的背离调节机构4的端部上通过各一个固定装置12与轴2连接。

如从图1能取得的那样，调节机构4和弹性螺旋结构10、11构造为公共的中空体(中空轴9)。在此，通过如下方式来形成一弹性螺旋结构10、11，即，在涉及的区段中，将多个长形的、彼此平行的、但是相对于轴向方向z以锐角延伸的缺口13加入到中空轴9的首先闭合的壳面中。保留在这些缺口13之间的材料桥接部于是就轴线3而言具有螺旋形(或“螺线形”)走向。在此，螺旋结构10和11具有相对彼此相反的盘旋。就给出的轴向方向z而言，调节机构4通过一左旋的弹性螺旋结构11与轴2连接。沿相反的轴向方向(“-z”)，调节机构4与之相反通过一右旋的弹性螺旋结构10与轴2连接。

螺旋结构10、11中的每个螺旋结构像多个平行连接的螺线弹簧那样作用到能沿轴向运动的调节机构4上。在轴2相对小地扭转的情况下，中空体9的两个在端侧上的固定装置12已经相对彼此转动。与该转动的程度和方向相关地，通过调节机构4彼此连接的彼此相反的螺旋结构10、11造成能运动的调节机构4的轴向移动。由此，从调节机构4的该轴向移动的方向(零位态通过“0”给出)和程度可以读出轴2的扭转的方向和程度。为此目的，装置1还包括一静止布置的传感器5。在此情况下，原则上可以涉及任何适用于还要描述的使用目的的传感器，例如涉及光学传感器(例如激光)，电容式传感器、电传感器、磁性传感器或类似传感器。根据有针对性的优选实施例，其涉及一种磁性传感器。传感器5适用于检测调节机构4的轴向移动，该轴向移动基于已阐释的机械上的相互关系与作用到轴2上的扭矩M_T对应。同时，传感器5适用于检测轴2的转速n。为了能够实现这些，给调节机构4配置特别形式的标记6，这些标记可以被传感器5检测。

因此，调节机构4设有多个标记6，这些标记以均匀的间距分布在所述调节机构的周向上。在此，标记6通过特别的造形这样地设计，使得从正在探测的传感器5的测量信号可以获知调节机构4的轴向移动和轴2的转速n。在所示的例子中，标记6对应通过在中空体9的壳面中的近似三角形材料留空部7来形成。所述留空部7具有等腰的(在考虑拱曲的情况下：“拱曲的”)三角形的基本形状，该三角形的底边在就轴线3而言的一径向平面中延伸。相应地，留空部7具有就轴向方向z而言变窄的周向延伸部l。这在图1中通过尺寸说明l₁和l₂来说明，据此，缺口7的周向延伸部l从一最大值l₁随着增加的轴向方向z减小到与之相对的较小值l₂上。该缺口7的设计的效果是：在传感器5在轴2旋转期间经过标记6或留空部7时出现的、由传感器5产生的测量信号具有不同长度的持续时间。由此，传感器5的在通过一标记6时产生的测量信号的持续时间提供了这样的信息：调节机构4的轴向移动是否发生，以什么样的尺寸发生和沿哪个方向发生。因此，基于标记6的特别造形可以从测量信号的持续时间推断出轴2的扭转程度。

可以考虑对于缺口7的不同的造形。根据本发明的一有利的改进方案可以这样地设计所述造形，使得测量信号的持续时间大致与机器元件的扭转成比例。在该情况下，缺口7的造形有利地可以补偿调节机构4的轴向移动的可能存在的非线性。

由传感器5供给测量信号的运算装置8用于获知扭矩M_T。可以运行所述运算装置从测量信号的持续时间获知作用到轴2上的扭矩M_T。

同时能够运行所述运算装置8从测量信号每单位时间的以传感器5检测到的数目获知轴2的转速n。由此，根据本发明可以利用所述装置1的一(唯一的)传感器5获知轴2的扭矩M_T和转速n。

可以设置：运算装置8还执行了轴2的扭矩M_T和转速n的乘法，以便获知通过轴2传递的机械功率。在该情况下，装置1能够相应地被使用作为功率传感器。

在图2中，在立体图中示出了已经根据图1阐释的装置1的一部分，即在去掉传感器5的情况下示出。可看到，轴2与固定在其上的中空轴9能够装配成一比较紧凑的并且耐用的安装组件。轴2通过环绕的中空轴9的存在而实际上没有被弱化。固定装置12例如可以热装到所述轴2上。

附图标记列表

1  装置

2  轴

3  轴线

4  调节机构

5  传感器

6  标记

7       留空部

8       运算器

9       中空轴

10      右旋螺旋

11      左旋螺旋

12      固定装置

13      长形缺口

l₁、l₂  周向延伸部

n       转速

M_T      扭矩

Claims (13)

1.用于检测能绕一轴线(3)转动的机器元件的机械状态的装置(1)，所述机器元件尤其是一轴(2)，所述装置包括：一能沿轴向运动地布置在所述机器元件(2)上的调节机构(4)；用于将所述机器元件(2)的扭转转换成所述调节机构(4)的轴向移动的器件(9、10、11、12)；一相对于所述机器元件(2)静止布置的传感器(5)，所述传感器用于检测所述调节机构(4)的轴向移动，其特征在于，所述调节机构(4)配置有一标记(6)，为了检测所述调节机构(4)的轴向移动能够由所述传感器(5)检测所述标记，其中，从每单位时间检测到的标记(6)的数目能够获知所述机器元件(2)的转速(n)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标记(6)这样地设计，使得从所述传感器(5)的测量信号既能够获知所述调节机构(4)的轴向移动也能够获知所述机器元件的转速(n)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述调节机构(4)配置有多个分布在周边上的标记(6)。

4.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，标记(6)通过一配置给所述调节机构(4)的、能以传感方式检测的特征来形成，尤其是，通过所述调节机构(4)的能光学检测的表面设计(7)、通过所述调节机构(4)的至少区域地磁化和/或通过所述调节机构(4)的另外的能物理检测的特性来形成。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述特征(7)构造在所述调节机构(4)的周面上并且就一轴向方向(z)而言具有变窄的周向延伸部(l)，从而使得所述测量信号的持续时间提供关于所述调节机构(4)的轴向移动的信息。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述特征(7)具有这种形式的造形，使得测量信号的持续时间大致与所述机器元件的扭转成比例。

7.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，设置有一运算装置(8)，所述运算装置能够运行用于从所述测量信号、尤其从所述测量信号的持续时间获知作用到所述机器元件(2)上的扭矩(M_T)。

8.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，设置有一运算装置(8)，所述运算装置能够运行用于从每单位时间检测到的测量信号的数目获知所述机器元件(2)的转速(n)。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述运算装置(8)能够运行用于通过所述机器元件(2)的转速(n)和扭矩(M_T)的乘法获知通过所述机器元件(2)传递的机械功率。

10.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述调节机构(4)构造为中空体、尤其构造为中空轴体(9)和/或构造为环形体，所述机器元件(2)被引导穿过所述中空体，其中，所述调节机构(4)借助于一弹性螺旋结构(10、11)与所述机器元件(2)连接。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述调节机构(4)和所述弹性螺旋结构(10、11)构造为公共的中空体(9)。

12.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述调节机构(4)沿第一轴向方向(z)通过一左旋的弹性螺旋结构(11)与所述机器元件(2)连接并且沿与所述第一轴向方向(z)相反的第二轴向方向(-z)通过一右旋的弹性螺旋结构(10)与所述机器元件(2)连接。

13.农用工作机，尤其是车辆、悬挂式农具、收割机或类似工作机，其具有一根据权利要求1所述的装置(1)。