CN107209072A - 用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于间接检测能旋转地被支承的轴(5)的扭矩的传感器组件(1)，其具有传感器(10)，该传感器包括至少一个布置在轴(5)的与支承结构(3)连接的轴承(7)附近的传感器元件(30)，该传感器元件检测轴承力(FL)的沿预定方向作用的分量，由此可计算轴(5)的扭矩。根据本发明，传感器(10)具有至少一个带有外部轮廓的传感器主体(20)，该传感器主体支承对应的传感器元件(30)并且被压入到容纳孔(12)中，其中传感器元件(30)与轴承(7)具有预定的间距并且具有预定的角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1所述类型的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件。
背景技术
用于检测扭矩的传感器构成所有类型的发动机和变速器试验台的重要部件。此外，其为许多在大型工业上所使用的驱动系统的集成组成部分。在其辅助下监测例如在船用推进轴、风力设备或钻杆中的扭矩。扭矩传感器被广泛应用，然而其相对复杂的结构和与之相关的成本阻碍了目前其在散装货物中的使用。电动自行车的驱动轴的扭矩的测量构成扭矩传感器的第一潜在的大众市场，然而用于工业设备的传感器方案对此过于昂贵。
在许多试验台或标定装置中借助于静态接收器就足以检测扭矩。在此应被检测扭矩的轴与变形元件的其中一侧连接。也称为弹簧体的变形体的另一端部与固定的结构元件、例如支架或壳体件连接。作用的扭矩通过扭转引起弹簧体的变形。所产生的扭转为几度并且可通过许多已知的测量方法被探测。在此首先常用的是电磁方法，其检测安装在弹簧体处的磁性结构相对于固定的磁场传感器的转动。对此光学方法也是适用的。
作为替代可行的是，检测在弹簧体中由于变形产生的材料拉伸。根据不同的结构该材料拉伸由扭转力矩或剪切力产生。为了测量该材料拉伸，通常使用胶合式压阻应变片，其被连接成惠斯通电桥。作为替代，该拉伸也可借助于磁弹性测量原理被检测。这所基于的原理是，铁磁性材料的渗透性在引入材料张力时会变化。该变化可通过合适的传感装置、例如以具有发送器线圈和接收器线圈的结构形式无接触地被检测。
在大部分应用中上述对扭矩的静态检测是不够的。而必要的是，确定旋转中的轴的扭矩。为此开发了共转的传感器，其被集成到驱动轴中并且测量该驱动轴的扭矩。这通常通过上述用于确定由扭转引起的材料拉伸的两个方法中的一个来进行。
在应变片(DMS)的使用中出现的问题是，在旋转的系统处通过线束连接既不可进行测量电桥的供电又不可截获信号。供电通常借助于变压器组件通过交流电压的传递实现，在该变压器组件中一个线圈围绕驱动轴缠绕从而随之一起转动。另一线圈保持固定并且以稍大的间距包围该轴。因此，与用作铁芯的轴一起获得具有相对良好特性的变压器。因为DMS电桥的输出信号相对较小，所以在测量电桥的邻近处通过共转的电子部件进行信号评估和放大。现在其输出信号例如可通过发送器线圈和接收器线圈或者通过另一电子部件借助于无线电标准向外部、即向传感器的固定部分传输。这种传感器和所有为此所需要的部件由现有技术已知。其满足对其提出的要求，但如上所述也要求较高的结构复杂性。在共转的扭矩传感器领域中，磁弹性传感器具有原理相关的优点，因为所使用的测量方法是无接触式的。所以在此完全没有接触旋转部件的问题，这体现在较小的结构复杂性上。
不仅可利用压阻式传感器而且可利用磁弹性传感器很好地测量在旋转轴处的扭矩。在此其最大的优点是直接测量原理。由其检测的轴扭转与扭矩直接相关。然而由此也产生其最大的缺点。轴和传感器的特性不可分地彼此关联。这种传感器不可用于已存在的轴上，因为轴的弹性和/或磁性特征主导传感器特性。相反地，扭矩传感器本身是轴的一部分。因此其特定的要求必须从一开始就在整个传动系的设计中被考虑到。为一个系统找到的设计解决方案不可简单地用于另一个应用场合。这导致了例如磁弹性传感器的制造商提供由轴(包括所有齿轮)、集成的扭矩传感器和所需轴承组成的整套总成。该集成主要在生产技术上提供了很好的解决方案。然而其同样有很强的专用性从而很难甚至完全不可用于其它应用场合。由此用于这些解决方案的零件数以及进而潜在的成本自然受到限制。
除了直接测量扭矩还可行的是，测量在将扭矩从一个轴传递到另一轴时在其轴承上产生的力并且由此推算出扭矩。这种间接方法由现有技术已知并且例如在文件DE102012 200 232 A1和DE10 2010 027 010 A1中被公开。然而这些文件不包括具体的实施方式，例如可如何进行轴承力的测量。
发明内容
相比而言，根据本发明的具有独立权利要求1所述特征的用于间接检测能旋转地被支承的轴的传感器组件具有的优点是，可通过检测轴的轴承力间接测量轴的扭矩。为此优选使用压阻式传感器元件，其可以薄膜技术成本低廉地生产。至少一个传感器元件被引入到包围轴承的支承结构中并且检测由于轴承力产生的材料拉伸或材料压缩。可非常紧凑地设计、缩小且非常低成本地生产各个传感器元件。根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的实施方式有利地在轴承区域中仅要求微小的结构变化。轴的设计不受此影响。因此使用根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的实施方式原理上也可仅以微小的改变用在现有的系统中。
本发明的实施方式提供了用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的具有传感器的传感器组件，传感器包括至少一个设置在轴的与支承结构连接的轴承附近中的传感器元件，该传感器元件检测朝预定方向作用的轴承力分量，由该轴承力分量可计算出轴的扭矩。根据本发明传感器具有至少一个带有外部轮廓的传感器主体，其支承相应的传感器元件并且被压入到容纳孔中，其中传感器元件与轴承具有预定间距并且具有预定角度。
通过在从属权利要求中列出的措施和改进方案可有利地改进在独立权利要求1中说明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件。
特别有利的是，用于对应的传感器主体的容纳孔可引入在支承结构中。这意味着，传感器主体直接压入到支承结构中。作为替代，容纳传感器元件的壳体可利用其外部轮廓压入到引入支承结构中的容纳孔中。在本实施方式中用于传感器主体的容纳孔可被引入壳体的支撑结构中，其中壳体可将作用的轴承力分量通过支撑结构传递到传感器主体。在两种情况中材料拉伸或材料收缩传递到传感器元件上并且可由传感器元件检测和输出。可有利的是，在传感器主体的区域中在传感器壳体的外部轮廓处设置有至少一个凹口，以实现将力中心地传导到传感器主体或传感器元件上。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，至少一个传感器元件可实施为以薄膜技术生产的压阻式传感器元件并且具有金属基体，在该金属基体上涂覆有绝缘层和由压阻材料制成的功能层，其中功能层具有四个连接成惠斯通电桥的电阻结构。材料拉伸或材料收缩传递到压阻式传感器元件上并且促使在各个电阻结构中的欧姆电阻改变。通过欧姆电阻的改变惠斯通电桥的输出电压也改变。从而由该输出电压可通过合适的评估电子部件推算出作用的扭矩。在测量电桥的信号和与扭矩成比例的轴承力之间的确切关系取决于传感器元件相对于轴承的定位。这对位置公差和制造公差提出了一定的要求，但也在应用中提供了较大的自由度。因此如果将传感器元件仅以相对于轴比先前更大的距离或者相对于所期望的轴承力的方向以另一角度布置，则例如利用设计的传感器方案也可测量更大的扭矩。此外也可围绕轴承布置多个传感器元件，以例如在变换的条件下监测轴的轴承力的方向。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，传感器可包括至少两个传感器元件，其布置在轴承附近的不同位置中。该至少两个传感器元件可具有不同的检测方向并且检测所作用的轴承力的朝不同方向作用的分量。此外两个相邻传感器元件的检测方向可基本上相互垂直地延伸。由此也可检测且计算轴承力，其方向根据例如在轴上具有多个齿轮的变速器中的运行情况改变。为了准确地确定所作用的轴承力的大小和方向，相应地评估至少两个传感器元件的信号。此外即使在传动比固定时也可将有效信号更好地与干扰量分开。为了可消除干扰量、例如在轴承上的横向力或者为了获得冗余信号，传感器也可以多于两个的传感器元件实施。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，传感器可包括至少一个评估电子部件，该评估电子部件可与至少一个传感器元件电连接。该传感器元件例如通过引线接合分别与电路板连接，在该电路板上设置有合适的评估电路。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在以下说明中对其予以详细阐述。在附图中相同的附图标记表示执行相同或相似功能的部件或元件。
图1示出了多个轴和齿轮的示意图以说明轴承力的产生，该轴承力可利用根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的实施例进行检测。
图2示出了根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的第一实施例的示意图。
图3示出了图2的根据本发明的传感器组件的剖视图。
图4示出了根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的第二实施例的示意图。
图5示出了用于传感器元件的传感器主体的容纳孔的俯视图，该传感器元件可用在根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的实施例中。
图6示出了具有传感器元件的传感器主体的实施例的俯视图，该传感器元件可用在根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的实施例中并且可被压入到图5的容纳孔中。
图7示出了在将传感器主体压入到容纳孔中的过程之前图5的容纳孔的剖视图和图6的传感器主体的视图。
图8示出了传感器元件的实施例，其可用在根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的实施例中。
图9示出了图3的传感器元件的视图。
图10示出了根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的第三实施例的示意图。
图11示出了图10的根据本发明的传感器组件的剖视图。
图12示出了根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的传感器的实施例的示意性俯视图。
图13示出了根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的第四实施例的示意性剖视图。
图14示出了根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件的第五实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
图1用于说明轴承力的产生。图1示出了多个通过齿轮Z1、Z2、Z3相互连接的轴W1、W2、W3。该组件用于将第一轴W1的第一扭矩M1通过第二轴W2的第二扭矩M2传递到具有第三扭矩M3的第三轴W3上。这借助与轴W1、W3连接的齿轮Z1和Z3并通过与第二轴W2连接的中间齿轮Z2进行。在此在第二轴W2的轴承上作用有两个力。一方面作用在第一齿轮Z1和第二齿轮Z2之间的接触点处的力F12或F21也作用在第二轴W2的轴承上，因为第二齿轮Z2通过第二轴W2在此被支承。另一方面作用在第三齿轮Z3和第二齿轮Z2之间的力F32或F23必须被轴承吸收。由两个力F12和F32的相加得到总共作用在第二轴W2的轴承上的轴承力FL2。轴承吸收该力FL2并且将其传递给周围结构。在该结构内部所产生的材料应力导致与轴承力FL2成比例从而与扭矩M2成比例的材料拉伸。对此在包围轴承7的结构3中引入孔B1，该孔通过在图1中所示的力FL2相应于虚线图示B2收缩。借助于压阻式传感器元件可检测该材料拉伸。然后由此借助于合适的评估电子部件确定扭矩M2。
如由图2至14可见，所示出的根据本发明的用于间接检测能旋转地被支承的轴5的扭矩的传感器组件1、1A、1B、1C、1D的实施例分别包括传感器10、10A、10B、10C、10D，该传感器包括至少一个布置在轴5的与支承结构3连接的轴承7附近中的传感器元件30，该传感器元件检测轴承力FL朝预定方向作用的分量，由此可计算出轴5的扭矩。根据本发明，传感器10、10A、10B、10C、10D具有至少一个带有外部轮廓24的传感器主体20，该传感器主体支承相应的传感器元件30并且被压入到容纳孔12、52.1中，其中传感器元件30与轴承7具有预定的间距并且具有预定的角度。
如由图2和图3进一步可见，所示出的根据本发明的传感器组件1的第一实施例具有传感器元件30，该传感器元件被压入到支承结构3的容纳孔12中。类似于图1中的孔B1，在图2和图3中的容纳孔12也相应于所标出的力FL收缩。在第一实施变型方案中，传感器元件30通过传感器主体20直接压入到支承结构3中。在第二实施变型方案中传感器元件30通过传感器主体20被压入到传感器壳体50、50A的支撑结构52中，该传感器壳体又被压入到容纳孔12中。在这两种情况中收缩传递到传感器元件30上并且可由此被检测和评估。
在传感器元件30的输出信号和与扭矩成比例的轴承力FL之间的确切关系主要取决于传感器元件30的定位。这对位置公差和制造公差提出了一定的要求，但也在应用中提供了较大的自由度。因此，如果将传感器元件30仅以相对于轴5比先前稍大的距离或者相对于轴承力FL的方向以另一角度布置，则例如利用设计的传感器方案也可测量更大的扭矩。如由图4进一步可见，围绕轴承7也可布置多个传感器元件30，以例如在变换的条件下监测轴5的轴承力FL的方向。
如由图4进一步可见，在根据本发明的传感器组件1A的第二实施例中传感器10A具有多个传感器元件30。在此第一传感器元件30在图示中布置在轴承7的下方并且检测轴承力FL的向下作用的分量。第二传感器元件30在图示中布置在轴承7左侧附近并且检测轴承力FL的向左作用的分量。第三传感器元件30在图示中布置在轴承7的上方并且检测轴承力FL的向上作用的分量。第四传感器元件30在图示中布置在轴承7右侧附近并且检测轴承力FL的向右作用的分量。由所检测的力分量可确定所作用的轴承力的大小和方向。此外可消除在轴7上的干扰量、例如横向力或者可产生冗余信号。
如由图5至图9进一步可见，传感器元件30具有钢制的传感器主体20，该传感器主体具有例如通过车削制造的高精度的外部轮廓24，该外部轮廓适于压入到容纳孔12、52.1的相应成型的内部轮廓14中。为了方便压入，可在容纳孔12、52.1的边缘处且在传感器主体20的待引入的边缘处分别构造引入斜面16、26。在高精度的圆形的外部轮廓24下方存在有任意成型的轮廓，该轮廓在压入时可用作止挡22。在所示的实施例中该轮廓构造为六边形。在接合或压入之后传感器元件30可通过一个或多个焊点附加地固定。
在由钢制成的传感器主体20上存在有薄膜，该薄膜至少由绝缘层33(例如二氧化硅)和功能层32组成。作为功能层32可使用压阻式材料，例如NiCr合金、铂、多晶硅、氧氮化钛等。由功能层32通过合适的方法(例如湿式蚀刻、干式蚀刻、激光烧蚀等)构造至少四个连接成惠斯通电桥的电阻34。电阻结构34通常实施为蜿蜒形状并且布置成使得其成对地对彼此垂直的空间方向上的拉伸感知灵敏。电桥的引线36和接触面38可实施在功能层32的平面中或实施在附加的金属化平面中。作为附加，可通过钝化层(例如氮化硅)或其他措施(例如胶凝)保护功能层32。
如由图10和图11可见，在所示出的根据本发明的传感器组件1B的第三实施例中传感器10B具有传感器元件30，其传感器主体20直接被压入到支承结构3的容纳孔12中。此外在所示出的实施例中传感器10B不具有自己的壳体。例如通过变速器壳体确保对传感器元件30和相应评估电子部件40的保护以防止环境影响，该变速器壳体在此也包括支承结构3。可通过保护性凝胶或保护帽进行对传感器元件30和评估电子部件40的保护以防止油飞溅或磨损。传感器元件30通过其传感器主体20在轴承7附近被压入到变速器壳体或在变速器内部的支承结构3中。在接合或压入之后传感器元件可通过一个或多个焊点附加地固定。传感器元件30检测由于轴承力产生的材料拉伸并且将其借助于由电阻结构34形成的桥接电路转换成输出电压。传感器元件30例如通过引线接合与电路板42的内部接触点48连接，在该电路板上存在有合适的评估电路44，该评估电路例如实施为ASIC(专用集成电路)。评估电路44评估电桥电压并且以电压(例如0–5V)、电流(例如4–20mA)的形式或以数字形式提供与扭矩成比例的输出信号。例如可通过焊接或插入的电缆在外部接触点46上截取该信号。整个传感器10B的电压供电同样通过外部接触点46进行。通过电缆可将信号向外传导或者传递到同样集成在变速器壳体中的控制器。
如由图12至图14可见，在所示出的实施例中传感器元件30具有壳体50、50A。壳体50、50A在应用中提供很多优点。壳体50、50A在其压入区域中设计为使得横向收缩传递到传感器元件30上。传感器元件30通过传感器主体20被压入到在支撑结构52中的容纳孔52.1中，该支撑结构相对于壳体50、50A的该部分沿径向延伸从而沿外力FL的方向延伸。在接合或压入之后传感器元件30可通过一个或多个焊点附加地固定。
在传感器元件30和支撑结构52的区域中壳体50、50A具有高精度的外部轮廓54，该外部轮廓适于被压入到支承结构3的相应设计的容纳孔12中。以这种方式建立的传力连接保证了由于轴承力FL产生的收缩通过传感器壳体50、50A传递到传感器主体20上，由此传递到传感器元件30上。如由图14进一步可见，在所示出的实施例中传感器壳体50A的外部轮廓54A在传感器元件30的区域中具有多个凹口54.1，以实现将力FL中心地传递到传感器元件30上。
如由图13和图14进一步可见，在设计其余壳体50、50A时相对比较自由。仅须注意的是，通过传感器壳体50、50A不应有其他的力耦合在信号路径中，因为这会导致传感器组件1C、1D的不期望的交叉灵敏性。实现这一点最好的方式是，从传感器壳体50、50A到其他部件没有其他的接触点。同样须避免通过布线而导入力。如由图13和图14进一步可见，在所示出的实施例中壳体50、50A主要由钢套构成，其在一侧通过盖板56闭合并且在另一侧通过插头58闭合。与合适的插头一起还可严密密封地实施这种构造，从而可直接使用在变速箱油中。类似于前述实施例传感器元件30借助于由电阻结构34形成的桥接电路将材料拉伸转换成输出电压。信号评估与前述实施例类似地进行。在第三实施例中电路板42基本上平行于支承结构3布置，与第三实施例不同的是，在第四和第五实施例中具有评估电路44A的电路板42A垂直于支承结构3并且布置在壳体50、50A的内部。类似于第三实施例，传感器元件30例如通过引线接合与内部接触点48A连接。评估电路44A的输出信号可通过外部接触点46A和插头58输出。
本发明的实施方式提供了用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件，其有利地可广泛用于需要低成本地检测驱动轴的扭矩的场合中。
Claims (10)
1.用于间接检测能旋转地被支承的轴(5)的扭矩的传感器组件(1、1A、1B、1C、1D)，该传感器组件具有传感器(10、10A、10B、10C、10D)，该传感器包括布置在所述轴(5)的与支承结构(3)连接的轴承(7)附近的至少一个传感器元件(30)，该传感器元件检测轴承力(FL、FL2)的沿预定方向作用的分量，由此能计算出所述轴(5)的扭矩，其特征在于，所述传感器(10、10A、10B、10C、10D)具有至少一个带有外部轮廓(24)的传感器主体(20)，该传感器主体支承相应的传感器元件(30)并且被压入到容纳孔(12、52.1)中，其中所述传感器元件(30)与所述轴承(7)具有预定的间距并且具有预定的角度。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，用于相应的传感器主体(20)的所述容纳孔(12)被引入所述支承结构(3)中。
3.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，容纳所述传感器元件(30)的壳体(50、50A)利用其外部轮廓(54、54A)被压入到引入所述支承结构(3)中的容纳孔(12)中。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，所述壳体(50A)的被压入的外部轮廓(54A)具有至少一个凹口(54.1)。
5.根据权利要求3或4所述的传感器组件，其特征在于，用于所述传感器主体(20)的容纳孔(52.1)被引入所述壳体(50、50A)的支撑结构(52)中，其中所述壳体将所作用的轴承力(FL、FL2)分量通过所述支撑结构(52)传递到所述传感器主体(20)上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述至少一个传感器元件(30)实施为以薄膜技术生产的压阻式传感器元件并且具有金属基体(31)，在该基体上涂覆有绝缘层(33)和由压阻材料制成的功能层(32)，其中所述功能层(32)具有连接成惠斯通电桥的四个电阻结构(34)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器(10A)包括至少两个传感器元件(30)，它们布置在轴承(7)附近的不同位置中。
8.根据权利要求7所述的传感器组件，其特征在于，所述至少两个传感器元件(30)具有不同的检测方向并且检测所作用的轴承力(FL、FL2)的朝不同方向作用的分量。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其特征在于，两个相邻传感器元件(30)的检测方向基本上相互垂直地延伸。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器(10B、10C、10D)包括至少一个评估电子部件(40、40A)，该评估电子部件与至少一个传感器元件(30)电连接。
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