CN106289604A - 具有转矩测量构件的用于小型和微型驱动装置的传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电气的小型或微型驱动装置的传动装置(3)，具有：传动装置壳体(9)，在其中设置有传动机械装置；固定法兰(13)，用于将所述传动装置(3)固定在应用件上；支承在至少一个从动轴承(8)中的从动轴(7)，用于驱动应用件(5)，其中从动轴通过传动机械装置能够与小型或微型驱动装置连接；和转矩测量构件(15)，用于借助于弯曲弹性的元件(17)检测在小型或微型驱动装置(1)的运行期间在从动轴上出现的转矩。在弯曲弹性的元件上设置具有产生磁场的元件(23)和测量磁场的元件(25)的磁性传感器系统(19)以测量弯曲弹性的元件的旋转偏向。弯曲弹性的元件(17)沿轴向设置在传动机械装置与固定法兰(13)之间。

Description

具有转矩测量构件的用于小型和微型驱动装置的传动装置

技术领域

本发明涉及一种用于电气的小型或微型驱动装置的传动装置，具有：传动装置壳体，在其中设置有传动机械装置；固定法兰，用于将传动装置固定在应用件上；支承在至少一个从动轴承中的从动轴，用于驱动应用件，其中所述从动轴构成为通过传动机械装置能够与小型或微型驱动装置连接；和转矩测量构件，用于借助于弯曲弹性的元件检测在小型或微型驱动装置运行期间在所述从动轴上出现的转矩。

背景技术

小型或微型驱动装置在本发明的意义上是具有最大为1000W持续功率的电气驱动装置。

用于电气的小型或微型驱动装置的传动装置在降低从动转数(Abtriebsdrehzahl)一个减速比的同时，尤其引起由电机产生的在传动装置从动装置上的力矩的倍增。基于由于摩擦的损耗、减速比的影响以及由此产生的传动装置自动联锁(Getriebeselbsthemmung)，在从动装置上产生的力矩不总是与减速成正比地传递到电机上。因此不是总能够根据测量电机力矩来直接推断出存在于传动装置从动装置上的力矩。即便如此，为了确定这一点，也会测量从动力矩。

可以例如通过确定弯曲弹性的元件的弹性区域所引起的变形来测量转矩。由于狭窄的空间情况，直接在运动的从动轴上测量变形(在此特别是在精密仪器技术尺度中)是非常昂贵的。反作用力矩(Reaktionsmoment)的测量规避了传送来自运动部件和到达运动部件的信息的必要性。对于力、力矩和由此引起的变形的测量非常频繁地使用应变仪。

由德国专利文献DE 10 2006 057 539 A1已知例如用于行星齿轮传动装置的具有应变仪的转矩测量构件。由于电气性能的变化非常小，带有测量值放大器的特定计算电子装置是必要的，该特定计算电子装置通常以多个应变仪的信号为先决条件。该应变仪必须固定地施加到变形的元件上并且电气接触。除了装配成本之外，在狭窄的结构空间情况下，特别是对于施加传感器的可接近性是有问题的。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种传动装置，该传动装置具有用于测量从动轴上的转矩的转矩测量构件，该传动装置特别小并紧凑地构成，可简单和低成本地制造并且可装配并且可灵活地使用。

该任务根据本发明通过权利要求1的特征部分的特征解决。由此，在弯曲弹性的元件上设置具有产生磁场的元件和测量磁场的元件的磁性传感器系统以测量弯曲弹性的元件的旋转偏向(rotatorischen Auslenkung)，其中弯曲弹性的元件沿轴向设置在传动机械装置与固定法兰之间，能实现特别紧凑的结构形式。特别是磁性传感器系统的应用使得能够以低成本和简单的装配来精确检测转矩。

在本发明的一个有利的实施形式中，弯曲弹性的元件在周向上包围从动轴，其中该弯曲弹性的元件将在从动轴上出现的转矩转换为弯曲弹性的元件的旋转偏向。特别地，弯曲弹性的元件包括至少三个沿轴向平行于从动轴延伸的支柱。在此特别有利的是，弯曲弹性的元件(特别是其支柱)具有一径向高度，该径向高度是弯曲弹性的元件(特别是其支柱)的切向厚度的至少两倍那么大。有利地，弯曲弹性的元件(特别是其支柱)还具有一轴向长度，该轴向长度是弯曲弹性的元件(特别是其支柱)的切向厚度的至少四倍那么大。通过这样的设计方案，实现高的刚性(Steifigkeit)，因此实现关于径向干扰力的不灵敏性，以及实现低的刚性，因此实现关于旋转转矩的高度灵敏性。

在一个实施形式中，转矩测量构件、固定法兰和从动轴承法兰形成模块式的功能组件，该功能组件独立于传动装置壳体能够与传动机械装置和从动轴组装并且构成为组合的部分而能够放置到从动轴上。优选地，弯曲弹性的元件和固定法兰一件式地构成。特别是，从动轴承法兰包括至少两个从动轴承，其中一个或两个从动轴承沿轴向设置在弯曲弹性的元件之内。这样进一步减小结构空间并且简化传动装置的装配。

在另一有利的实施形式中，磁性传感器系统设置在弯曲弹性的元件的支柱的间隙中。特别地，磁性传感器系统如此地设置在弯曲弹性的元件上，使得在弯曲弹性的元件旋转偏向时使产生磁场的元件相对于测量磁场的元件相切地移动。

特别地，产生磁场的元件与测量磁场的元件有利地沿径向、沿轴向或相切地间隔地设置在弯曲弹性的元件上，其中产生磁场的元件设置在弯曲弹性的元件的第一子元件上，该第一子元件与弯曲弹性的元件的第一轴向末端连接；并且测量磁场的元件设置在弯曲弹性的元件的第二子元件上，该第二子元件与弯曲弹性的元件的对置的第二轴向末端连接。

此外，当在弯曲弹性的元件的支柱之间设置机械过载保护时，这是有利的。在此，过载保护特别是构成为机械止挡件，其中止挡件作用在弯曲弹性的元件的一轴向侧面与另一轴向侧面之间并且因此在驱动力矩太大时抵制进一步旋转。

附图说明

本发明另外的有利的设计方案由以下附图描述和从属权利要求给出。其中：

图1是示出具有已连接的传动装置和略述的应用件的电气的微型驱动装置的应用的示意性视图；

图2是示出具有转矩测量构件的根据本发明的传动装置的第一实施形式的部分剖切的示意性视图；

图3是示出具有转矩测量构件的根据本发明的传动装置的第二实施形式的部分剖切的示意性视图；

图4a是示出根据本发明的传动装置的转矩测量构件的侧视图的示意性视图；以及

图4b是示出根据本发明的传动装置的转矩测量构件的弯曲弹性的元件的横截面的示意性视图。

在附图的不同图形中相同的构件总是设置有相同的参考标记。

附图标记清单：

1 小型或微型驱动装置

3 传动装置

5 应用件

7 从动轴

8 从动轴承

9 传动装置壳体

11 从动轴承法兰

13 固定法兰

15 转矩测量构件元件

17 弯曲弹性的元件

19 磁性传感器系统

21 支柱

23 产生磁场的元件

25 测量磁场的元件

27 功能组件

X-X 轴向方向

D 弯曲弹性的元件的切向厚度

H 弯曲弹性的元件的径向高度

L 弯曲弹性的元件的轴向长度

具体实施方式

对于以下的描述，需强调，本发明并不局限于这些实施例，且因此也不局限于所描述的特征组合的所有或多个特征，而是任意/每一个实施例的每一单个子特征在与所有结合在一起描述的子特征分开时，无论是单独存在，还是与另一实施例的任意特征组合，都具有本发明对象的意义。

图1是示出了带有已连接的传动装置3的小型或微型驱动装置1的示例性应用的示意性视图，该小型或微型驱动装置用于通过传动装置3的从动轴7来驱动虚线示出的应用件5。传动装置3可以特别构成为行星齿轮并且包括相应的、未示出的传动机械装置，该传动机械装置优选设置在传动装置壳体9中。从动轴7特别地借助于两个从动轴承8支承并且能够通过传动机械装置与小型或微型驱动装置1的未示出的驱动轴连接。从动轴承设置在从动轴承法兰11中。从动轴承法兰11在朝向应用件5的端侧形成传动装置3的固定法兰13。传动装置3借助于固定法兰13可与应用件5，特别是应用件5的壳体连接。从动轴承法兰11和固定法兰13特别是一件式地构成。

图2示出了根据本发明的具有转矩测量构件15的传动装置3的第一实施形式的部分剖切的示意性视图，该转矩测量构件15用于检测在小型或微型驱动装置1的运行中在从动轴7上出现的转矩。转矩测量构件15特别是构成为笼状的

转矩测量构件15包括至少一个弯曲弹性的元件17和设置在弯曲弹性的元件17上的用于测量弯曲弹性的元件17的旋转偏向的磁性传感器系统19。弯曲弹性的元件17优选沿轴向设置在传动机械装置或传动装置壳体9与固定法兰13之间。特别地，弯曲弹性的元件17沿周向包围从动轴7，其中该弯曲弹性的元件将在从动轴7上出现的转矩转换为弯曲弹性的元件17的旋转偏向。这能实现支承的反作用力矩的测量，该反作用力矩通过从动轴7和传动装置壳体9和传动机械装置传递给弯曲弹性的元件17。

在一个优选实施形式中，在从动轴承法兰11中设置至少两个从动轴承8，其中至少一个，优选两个从动轴承8沿轴向设置在弯曲弹性的元件17之内。

可选或补充地，一个从动轴承8沿轴向设置在弯曲弹性的元件17之前，而另一从动轴承8沿轴向设置在弯曲弹性的元件17之后，这也可以特别有利的。

在转矩测量构件15的特别的设计方案中，弯曲弹性的元件17包括沿轴向平行于从动轴7延伸的支柱21，优选多于两个支柱21。特别地，弯曲弹性的元件17的支柱21或支柱21的组的设置以均匀分布的方式设置在从动轴7的周围上。在此，当弯曲弹性的元件17的支柱21在支柱21的组内的间隔小于支柱21的从一个支柱21的组至下一个支柱21的组的间隔，这是特别有利的。

有利地，弯曲弹性的元件17，特别是支柱21由如下材料形成，该材料的屈服极限R_E≥500N/mm²和/或弹性极限σ_E≥450N/mm²。

有利地，磁性传感器系统19设置在弯曲弹性的元件17的支柱21的间隙中。磁性传感器系统特别是包括产生磁场的元件23和测量磁场的元件25。优选地，测量磁场的元件25是霍尔传感器或MR传感器。

在本发明的一个实施形式中，特别有利的是，磁性传感器系统和弯曲弹性的元件构成为满足如下条件：

$0.02\≤\left|\frac{C_{\mathrm{Torsion}}*\mathrm{\Δ}{\mathrm{Phi}}_{\mathrm{sensor}}}{2*M_{\mathrm{Getriebe}}}\right|\≤50$

在此M_Getriebe是传动装置3的持续转矩(Dauerdrehmoment)，该持续转矩可能在运行中短时被超过。

U_Sensor是测量磁场的元件25的输出信号。Phi(U)是取决于输出信号U_Sensor的测量磁场的元件25的角位置。测量磁场的元件25的角位置的偏向的跨距ΔPhi_sensor根据以下公式在测量磁场的元件25的输出信号的最小值与最大值之间得出：

ΔPhi_sensor＝Phi(U_sensorMax)-Phi(U_sensorMin)。

弯曲弹性的元件17的平均扭转弹性力C_Torsion由转矩的变化ΔM和角位置的相应变化ΔPhi根据以下公式得出：

c_Torsion＝ΔM/ΔPhi。

作为示例性的实施形式，根据本发明的传动装置3可以具有持续转矩M_Getriebe＝0.2Nm，其中测量磁场的元件25具有角位置偏向的跨距ΔPhi_sensor＝3.3°，并且弯曲弹性的元件具有扭转弹性力c_Torsion＝1.2Nm/°。对于该示例性的实施形式，那么特征数值为在一个可能的实施形式中，产生磁场的元件23有利地设置为沿径向方向与测量磁场的元件25相间隔。可选地，该设置可以构成为在轴向上或在切向上相间隔。在此，产生磁场的元件23可以特别是设置在从动轴承法兰11的外周上，而测量磁场的元件25可以设置在弯曲弹性的元件17的内周上。

有利地，产生磁场的元件23设置在弯曲弹性的元件17的第一子元件上，该第一子元件与弯曲弹性的元件17的第一轴向末端特别是与朝向固定法兰13的端侧连接；而测量磁场的元件25设置在弯曲弹性的元件17的第二子元件上，该第二子元件与弯曲弹性的元件17的对置的第二轴向末端，特别是与朝向传动装置3的端侧连接。

在一个可选或附加的设计方案中，产生磁场的元件23可以在轴向方向X-X与测量磁场的元件25间隔地设置。在此，产生磁场的元件23和测量磁场的元件25在轴向上优选分别设置在弯曲弹性的元件17的对置的末端上。

特别地，产生磁场的元件23和测量磁场的元件25设置在转矩测量构件中，使得在弯曲弹性的元件17旋转偏向时，产生磁场的元件23相对于测量磁场的元件25特别是相切地移动。

有利地，产生磁场的元件23产生沿测量磁场的元件25方向的2极场，其中磁极相对于从动轴7相切地设置。

在一个有利的设计方案中，与测量磁场的元件25相比，产生磁场的元件23在弯曲弹性的元件17上设置在径向外侧。在此，产生磁场的元件23有利地可以特别设置在弯曲弹性的元件17的铁轭元件(Eisenrückschlusselement)上并且通过磁力保持在位置上。

在另一设计方案中，在弯曲弹性的元件17设置多个配置的分别有产生磁场的元件23和测量磁场的元件25的偶对(Paar)。在此，相应配置的产生磁场的元件23和测量磁场的元件25的偶对特别是分别设置在不同的弯曲弹性的元件17的支柱21的间隙中。

有利地，至少一个配置的产生磁场的元件23和测量磁场的元件25的偶对在间隙中相切地在圆周上间隔地设置。可选地或附加地，至少一个配置的产生磁场的元件23和测量磁场的元件25的偶对在间隙中沿轴向方向X-X间隔地设置。

在一个特别有利的设计方案中，具有弯曲弹性的元件17和磁性传感器系统19的转矩测量构件15连同固定法兰13和从动轴承法兰11形成模块式功能组件27，该功能组件独立于传动装置壳体9能够与传动机械装置和从动轴7组装并且构成为组合的部分而能够放置到从动轴7上。

在图3中示出了具有转矩测量构件15的根据本发明的传动装置3的第二实施形式的部分剖切的示意性视图。有利地，弯曲弹性的元件17和固定法兰13一件式地构成。

在本发明的另一有利的设计方案中，在弯曲弹性的元件17的支柱21之间设置机械过载保护。特别是，过载保护构成为机械止挡件，其中止挡件作用在弯曲弹性的元件17的一轴向侧面与另一轴向侧面之间并且因此在驱动力矩太大时抵制进一步旋转。

在图4a和图4b中在侧视图和横截面的示意性视图中示出了根据本发明的传动装置3的转矩测量构件15。

有利地，弯曲弹性的元件17(特别是其支柱21)具有轴向长度L，该轴向长度是弯曲弹性的元件17(特别是支柱21)的切向厚度D的至少四倍那么大。

在另一实施形式中，弯曲弹性的元件17(特别是其支柱21)具有径向高度H，该径向高度是弯曲弹性的元件17(特别是支柱21)的切向厚度(tangentiale Dicke)D的至少两倍那么大。

本发明并不局限于所说明和所描写过的实施例，而是还包含所有在本发明意义中起相同作用的实施方式。应强调的是，这些实施例不是局限于组合的所有特征，每个单个的子特征能从其它子特征中分离开来，也具有根据本发明的意义。此外，本发明迄今为此并未局限于在权利要求1中定义的特征组合，而是也可通过所有公开的单个特征的特定特征的各种任意的其它组合来定义。这意味着，实际上原则上能够略去权利要求1的每个单个特征，或者通过至少一个在本申请的其它位置中公开的单个特征来代替。

Claims (17)

1.用于电气的小型或微型驱动装置(1)的传动装置(3)，具有：传动装置壳体(9)，在其中设置有传动机械装置；固定法兰(13)，用于将所述传动装置(3)固定在应用件(5)上；支承在至少一个从动轴承(8)中的从动轴(7)，用于驱动所述应用件(5)，其中所述从动轴(7)构成为通过所述传动机械装置能够与所述小型或微型驱动装置(1)连接；和转矩测量构件(15)，用于借助于弯曲弹性的元件(17)检测在所述小型或微型驱动装置(1)的运行期间在所述从动轴(7)上出现的转矩，其特征在于，

在所述弯曲弹性的元件(17)上设置具有产生磁场的元件(23)和测量磁场的元件(25)的磁性传感器系统(19)以测量所述弯曲弹性的元件(17)的旋转偏向，其中所述弯曲弹性的元件(17)沿轴向设置在所述传动机械装置与固定法兰(13)之间。

2.根据权利要求1所述的传动装置(3)，其特征在于，所述弯曲弹性的元件(17)包括至少三个沿轴向平行于所述从动轴(7)延伸的支柱(21)。

3.根据权利要求1或2所述的传动装置(3)，其特征在于，所述弯曲弹性的元件(17)具有一径向高度(H)，该径向高度是切向厚度(D)的至少两倍那么大；以及具有一轴向长度(L)，该轴向长度是所述切向厚度(D)的至少四倍那么大。

4.根据权利要求2或3所述的传动装置(3)，其特征在于，所述磁性传感器系统(19)设置在所述弯曲弹性的元件(17)的支柱(21)的间隙中。

5.根据权利要求1至4之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述产生磁场的元件(23)与所述测量磁场的元件(25)间隔地设置在所述弯曲弹性的元件(17)上，其中所述产生磁场的元件(23)设置在所述弯曲弹性的元件(17)的第一子元件上，该第一子元件与所述弯曲弹性的元件(17)的第一轴向末端连接；并且所述测量磁场的元件(25)设置在所述弯曲弹性的元件(17)的第二子元件上，该第二子元件与所述弯曲弹性的元件(17)的对置的第二轴向末端连接。

6.根据权利要求1至5之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述磁性传感器系统(19)设置在所述弯曲弹性的元件(17)上，使得在所述弯曲弹性的元件(17)旋转偏向时，所述产生磁场的元件(23)相对于所述测量磁场的元件(25)相切地移动。

7.根据权利要求1至6之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述产生磁场的元件(23)沿所述测量磁场的元件(25)的方向产生2极场，其中磁极相对于所述从动轴(7)相切地设置。

8.根据权利要求1至7之一所述的传动装置(3)，其特征在于，与所述测量磁场的元件(25)相比，所述产生磁场的元件(23)在所述弯曲弹性的元件(17)上设置在径向外侧。

9.根据权利要求1至8之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述产生磁场的元件(23)设置在所述弯曲弹性的元件(17)的铁轭元件上并且通过磁力保持在位置上。

10.根据权利要求1至9之一所述的传动装置(3)，其特征在于，在所述弯曲弹性的元件(17)上设置多个配置的分别有产生磁场的元件(23)和测量磁场的元件(25)的偶对。

11.根据权利要求1至10之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述转矩测量构件(15)、所述固定法兰(13)和从动轴承法兰(11)形成模块式的功能组件(27)，该功能组件独立于所述传动装置壳体(9)能够与所述传动机械装置和从动轴(7)组装并且构成为组合的部分而能够放置到所述从动轴(7)上。

12.根据权利要求1至11之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述弯曲弹性的元件(17)和固定法兰(13)一件式地构成。

13.根据权利要求1至12之一所述的传动装置(3)，其特征在于，在所述从动轴承法兰(11)中设置至少两个从动轴承(8)，其中第一从动轴承(8)沿轴向设置在所述弯曲弹性的元件(17)之前，而第二从动轴承(8)沿轴向设置在所述弯曲弹性的元件(17)之后。

14.根据权利要求1至13之一所述的传动装置(3)，其特征在于，在所述从动轴承法兰(11)中设置至少两个从动轴承(8)，其中一个或两个从动轴承(8)沿轴向设置在所述弯曲弹性的元件(17)之内。

15.根据权利要求2至14之一所述的传动装置(3)，其特征在于，在所述弯曲弹性的元件(17)的支柱(21)之间设置机械过载保护。

16.根据权利要求15所述的传动装置(3)，其特征在于，所述过载保护构成为机械止挡件，其中所述止挡件作用在所述弯曲弹性的元件(17)的一轴向侧面与另一轴向侧面之间并且因此在驱动力矩太大时抵制进一步旋转。

17.根据权利要求1至16之一所述的传动装置(3)，其特征在于，所述弯曲弹性的元件(17)、所述磁性传感器系统(19)和所述传动机械装置构成为使得所述弯曲弹性的元件(17)的平均扭转弹性力(C_Torsion)与所述测量磁场的元件(25)的角位置的偏向的跨距(ΔPhi_sensor)的乘积除以所述传动装置的双倍持续转矩(M_Getriebe)得到的数值位于0.02至50的范围中。