DE10154737C1 - Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten und der Drehrichtung in einer Antriebsanordnung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten und der Drehrichtung in einer Antriebsanordnung, umfassend ein Torsionselement 9, das vom Drehmoment beaufschlagbar ist und um eine Drehachse 8 drehend antreibbar ist; ein erstes Geberelement 16, das mit dem Torsionselement 9 drehfest verbunden ist und auf einem ersten Rotationskreis bewegt wird; ein zweites Geberelement 34, das in einem Referenzabstand zum ersten Geberelement 16 mit dem Torsionselement 9 drehfest verbunden ist und auf einem zweiten Rotationskreis bewegt wird; eine Sensoreinheit 35, die ortsfest und in einem Abstand zur Drehachse 8 angeordnet ist und die das Passieren der Geberelemente 16, 34 oder einer Referenzkante oder Referenzfläche erfasst und eine entsprechende Signalfolge erzeugt, wobei die Geberelemente unterschiedlich lange Signale und in einem relevanten Messbereich unterschiedlich lange Signalpausen zwischen den Signalen erzeugen, sowie eine Auswerteinheit 36, welcher die Signale zuführbar sind und die aus dem zeitlichen Abstand der Signale das anliegende Drehmoment ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Drehmo­ menten und der Drehrichtung in einer Antriebsanordnung.

Bevorzugt wird zur Drehmomentmessung an einem drehenden Bau­ element, beispielsweise einer Antriebswelle in einem Getriebe, die mit Drehmoment beaufschlagt ist, diese mit Dehnmessstrei­ fen bestückt. Die davon erzeugten elektrischen Signale werden über Schleifringübertrager nach außen übertragen. In solchen Einrichtungen können hochpräzise Drehmomentsignale erzeugt werden, wie sie beispielsweise bei Labormesseinrichtungen er­ forderlich sind. Die Signalübertragung kann auch kontaktlos mittels Sender und Empfänger erfolgen. Die Bestückung mit Messbrücken aus Dehnmessstreifen, deren Eichung und die Verka­ belung bedeuten hohe Kosten. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist die Signalübertragung von der rotierenden Welle auf die ste­ henden Bauteile. Sie birgt durch den hohen Integrationsgrad von Elektronikbauteilen in Getrieben darüber hinaus eine hohe Fehlerquote in sich. Für viele Einrichtungen und Maschinen ist die hohe Genauigkeit dieser Art von Messeinrichtungen nicht gefordert. Die vorgenannten Einrichtungen lassen sich jedoch nicht so entfeinern, dass Kostengrößen erreicht werden, die angemessen sind. Aus diesem Grunde kommen bei Antriebssystemen für Landmaschinen trotz des hohen Nutzens, den eine Drehmo­ mentmessung für den Arbeitsprozess bringt, solche Einrichtun­ gen praktisch nicht zum Einsatz. Ein Beispiel für die Integra­ tion einer solchen Einrichtung in ein Getriebe ist der DE 42 31 412 C1 zu entnehmen.

Die US 4 488 443 zeigt eine Vorrichtung zum Messen von Drehmo­ menten an einer Welle mit einer ersten Geberscheibe und einer zweiten Geberscheibe. Die erste Geberscheibe ist drehfest mit der Welle verbunden. Die zweite Geberscheibe ist drehfest mit einem Rohr verbunden, welches koaxial zur Welle angeordnet ist. Das Rohr ist an einem ersten Längsende, welches in einem Abstand zur ersten Geberscheibe angeordnet ist, drehfest mit der Welle verbunden. Das zweite Ende des Rohrs ist auf der Welle gleitend gelagert und der ersten Geberscheibe benachbart angeordnet. An dem zweiten Ende des Rohres ist ferner die zweite Geberscheibe befestigt. Die erste Geberscheibe und die zweite Geberscheibe weisen jeweils Zähne auf, die ausgehend von einer Stirnfläche in Richtung zur jeweilig anderen Geber­ scheibe vorstehen. Die Zähne der ersten Geberscheibe und die der zweiten Geberscheibe sind über den Umfang verteilt abwech­ selnd und mit Abstand zueinander angeordnet. Ein Sensor, der ortsfest zur Welle angeordnet ist, erfasst bei der Drehung der Welle das Passieren der Zähne. Bei einer hohen Drehmomentbe­ lastung tordiert die Wellen so dass die erste Geberscheibe re­ lativ zur zweiten Geberscheibe verdreht wird und sich die Ab­ stände zwischen den Zähnen der ersten Geberscheibe und denen der zweiten Geberscheibe verändern. Über die vom Sensor ermit­ telten Abstände zwischen den Zähnen lassen sich Rückschlüsse auf das aufgetretene Drehmoment ziehen. Nachteil ist jedoch, dass nicht ermittelbar ist, in welche Richtung die Welle dreht und in welche Richtung das Drehmoment wirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die geeignet ist, sowohl Drehmomente als auch die Drehrichtung zu ermitteln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten und der Drehrichtung in einer An­ triebsanordnung umfassend

• - ein Torsionselement, das vom Drehmoment beaufschlagbar ist und zum Übertragen von Drehmomenten um eine Drehachse dre­ hend antreibbar ist, und das durch eine Torsionswelle mit einem ersten Wellenende und einem zweiten Wellenende darge­ stellt ist,
• - ein erstes Geberelement, das zapfenförmig gestaltet ist und quer zur Drehachse drehfest am Torsionselement angebracht ist und bei Rotation des Torsionselements auf einem ersten Rotationskreis bewegt wird,
• - ein Referenzelement, das durch ein Rohr mit einem ersten Rohrende und einem zweiten Rohrende dargestellt ist, das ko­ axial um das Torsionselement angeordnet ist und dessen ers­ tes Rohrende mit dem ersten Wellenende fest verbunden ist,
• - ein zweites Geberelement, das Bestandteil des Referenzele­ ments ist, das am Außenumfang des zweiten Rohrendes des Re­ ferenzelements angeordnet ist, das in einem Referenzabstand zum ersten Geberelement mit dem Torsionselement drehfest verbunden ist und bei Rotation des Torsionselements auf ei­ nem zweiten Rotationskreis bewegt wird, wobei der erste Ro­ tationskreis und der zweite Rotationskreis aufeinanderlie­ gen,
• - eine Sensoreinheit, die ortsfest und in einem Abstand zur Drehachse angeordnet ist und die das Passieren der Geberele­ mente oder einer Referenzkante oder Referenzfläche erfasst und eine entsprechende Signalfolge erzeugt, wobei die Geber­ elemente unterschiedlich lange Signale und in dem relevanten Messbereich unterschiedlich lange Signalpausen zwischen den Signalen erzeugen sowie
• - eine Auswerteeinheit, welcher die Signale zuführbar sind und die aus dem zeitlichen Abstand und der zeitlichen Abfol­ ge der unterschiedlich langen Signale und Signalpausen das anliegende Drehmoment sowie die Drehrichtung ermittelt,
• - wobei das zweite Rohrende des Referenzelements eine Ausspa­ rung für den Durchtritt des am Torsionselement angebrachten ersten Geberelementes aufweist und beide Geberelemente in einer Ebene auf ihrem gemeinsamen Rotationskreisen umfangs­ versetzt angeordnet sind,
• - wobei am zweiten Rohrende des Referenzelementes eine erste Aussparung und diametral dazu eine zweite Aussparung vorge­ sehen ist und das erste Geberelement mit einem ersten Ansatz radial bis in die erste Aussparung hineinragt und mit einem zweiten Ansatz radial aus der zweiten Aussparung vorsteht und dessen vorstehender Abschnitt als Geberabschnitt dient, und
• - wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten maximalen Dreh­ moments das Referenzelement aus der Drehmomentweiterleitung teilnimmt,

gelöst.

In Abhängigkeit des anliegenden Drehmoments wird das Torsions­ element unterschiedlich stark tordiert. Hierdurch wird das erste Geberelement relativ zum zweiten Geberelement verdreht, so dass sich in Abhängigkeit des vorherrschenden Drehmoments unterschiedlich lange Signalpausen zwischen den Signalen erge­ ben. Mittels der Länge der Signalpausen lässt sich auf den Torsionswinkel und somit auf das anliegende Drehmoment schlie­ ßen.

Da die Geberelemente derart ausgestaltet sind, dass sie unter­ schiedlich lange Signale und im relevanten Messbereich unter­ schiedlich lange Signalpausen zwischen den Signalen erzeugen, lässt sich auf die Drehrichtung des Torsionselements schlie­ ßen. Das erste Geberelement kann zum Beispiel in Umfangsrich­ tung länger ausgebildet sein als das zweite Geberelement. Fer­ ner kann in Umfangsrichtung betrachtet der Abstand vom ersten Geberelement zum zweiten Geberelement geringer sein als vom zweiten Geberelement weiter zum ersten Geberelement. Bei einer Drehung in einer ersten Drehrichtung kann somit das lange Sig­ nal des ersten Geberelements durch eine lange Signalpause ge­ folgt sein. In diesem Fall wäre in der anderen Drehrichtung die lange Signalpause von dem langen Signal gefolgt. Mittels dieser Abfolge lässt sich die Drehrichtung bestimmen. Sofern man die Drehrichtung bestimmt hat, lässt sich im weiteren auch die Richtung des Drehmoments ermitteln.

Aufgrund dessen, dass das zweite Geberelement Bestandteil ei­ nes Referenzelements ist und dass der erste Rotationskreis und der zweite Rotationskreis aufeinanderliegen, lässt sich das Passieren der Geberelemente oder einer Referenzkante oder Re­ ferenzfläche derselben mit nur einem Sensor erfassen.

Das zweite Geberelement kann durch ein Zapfenelement darge­ stellt sein, dass auf der Außenfläche des Referenzelements zu der zweiten Aussparung aus der der zweite Ansatz austritt, um­ fangsversetzt angeordnet ist.

Das als zweites Geberelement dienende Zapfenelement ist hier­ bei in Umfangsrichtung länger ausgebildet als der als erstes Geberelement dienende zweite Ansatz.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Antriebsanordnung für ein landwirtschaftliches Gerät nä­ her erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt für einen Abschnitt einer Antriebsanordnung, der eine Drehmomentmeßvor­ richtung nach der Erfindung umfasst,

Fig. 2 einen Schnitt II-II gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt III-III gemäß Fig. 1 sowie die Zuordnung einer Auswerteeinheit.

Nachfolgend werden die Fig. 1 bis 3 zusammen beschrieben.

Es ist ein Abschnitt einer Antriebsanordnung für ein landwirt­ schaftliches Gerät dargestellt, wobei einem Gehäuse 1 oder Tragrahmen, der kastenförmig gestaltet ist, ein erstes Kegel­ radwinkelgetriebe 2 zugeordnet ist, dessen nach außen ragender Antriebszapfen 3 zur Einleitung eines Drehmomentes dient. Das erste Kegelradwinkelgetriebe 2 ist mit einem zweiten Kegelrad­ winkelgetriebe 4, das dazu beabstandet dem Gehäuse 1 zugeord­ net ist und einen Abtriebszapfen 5 aufweist, über die Drehmo­ mentmessvorrichtung 6 und eine Antriebswelle 7, welche zusam­ men um die Drehachse 8 drehbar sind, drehmäßig verbunden. Ein über den Antriebszapfen 3 eingeleitetes Drehmoment wird über diese Anordnung an den Abtriebszapfen 5 weitergeleitet. Die Antriebswelle 7 dient auch zum drehmomentmäßigen Anschluss ei­ nes oder mehrerer weiterer Kegelradwinkelgetriebe mit entspre­ chenden Abtriebszapfen. Dabei können in den Antriebsstrang zu den weiteren anzutreibenden Abschnitten eine oder mehrere ent­ sprechend der nachfolgend beschriebenden Drehmomentmessvor­ richtung 6 aufgebaute Drehmomentmessvorrichtungen eingeschal­ tet sein.

Die Drehmomentmessvorrichtung 6 umfasst das Torsionselement 9 in Form einer Welle mit einem Querschnitt, der für den im nor­ malen Arbeitsbereich erforderlichen Drehmomentbereich ausge­ legt ist. Das Torsionselement 9 weist ferner ein erstes Welle­ nende 10 und ein zweites Wellenende 11 auf. Diese sind gegen­ über dem dazwischen befindlichen und sich bei Drehmomentbelas­ tung verdrehenden Bereich verdickt ausgebildet. Das erste Wel­ lenende 10 ist über einen Zylinderstift 14 mit dem Anschluss­ element 12 verbunden. Dieses weist einen Klemmabschnitt 13 auf, der zur Verbindung mit der Antriebswelle 7 dient. Somit ist das erste Wellenende 10 drehmäßig mit der Antriebswelle 7 verbunden, so dass bei deren Antrieb es mit dieser drehen muss. Das zweite Wellenende 11 ist mit einem Verbindungszapfen 15 versehen, der zur drehfesten Verbindung mit einem Kegelrad des zweiten Kegelradwinkelgetriebes 4 dient. Des weiteren be­ sitzt das zweite Wellenende 11 eine Querbohrung 20, deren Ach­ se die Drehachse 8 rechtwinklig schneidet. In die Querbohrung 20 ist ein erstes Geberelement 16, das Zapfenform aufweist, mit seinem zylindrischen Verbindungsabschnitt 17 fest einge­ setzt. Das erste Geberelement 16 weist einen ersten Ansatz 18 und diametral dazu an dem anderen Ende einen zweiten Ansatz 19 auf.

Um das Torsionselement 9 herum ist ein rohrförmiges Referenz­ element 21 angeordnet, dessen erstes Rohrende 22 über eine Schweißnaht 23 beabstandet zum ersten Geberelement 16 fest mit dem Anschlusselement 12 verbunden ist. Es ist damit auch fest mit dem ersten Wellenende 10 des Torsionselements 9 verbunden, so dass es dessen Drehbewegung folgt. Das rohrförmige Refe­ renzelement 21 ist im Bereich seines zweiten Rohrendes 24 mit­ tels eines Wälzlagers 25 auf dem zweiten Wellenende 11 gela­ gert. Das zweite Rohrende 24 folgt damit dem ersten Rohrende 22, d. h. unterliegt keiner Verformung im Messbereich, während ein Referenzpunkt am zweiten Wellenende 11 abhängig von dem am Torsionselement 9 anliegenden Drehmoment einem im drehmo­ mentfreien Zustand am ersten Wellenende 10 entsprechend ange­ ordneten Referenzpunkt je nach Drehrichtung vor- oder nach­ eilt. An dem zweiten Rohrende 24 sind zwei diametral angeord­ nete Aussparungen, nämlich die erste Aussparung 26 und die zweite Aussparung 27 angebracht. Diese erstrecken sich in Um­ fangsrichtung des Rohres über einen begrenzten Bereich, wobei die beiden Aussparungen 26, 27 gleich ausgebildet sind. Der erste Ansatz 18 reicht bis in die erste Aussparung 26 hinein, schließt aber nach außen mit der Außenfläche 28 des rohrförmi­ gen Referenzelementes 21 ab. Der zweite Ansatz 19 durchragt die zweite Aussparung 27 und steht um ein bestimmtes Maß über die Außenfläche 28 des rohrförmigen Referenzelementes 21 vor. Die Umfangserstreckung der beiden Aussparungen 26, 27 ist um ein bestimmtes Maß größer als die der beiden Ansätze 18, 19. Dies bedeutet, dass bei Drehmomentbelastung des Torsionsele­ mentes 9 sich die beiden Ansätze 18, 19 im Rahmen ihres Frei­ heitsgrades in den Aussparungen 26, 27 frei bewegen können, bis die beiden Ansätze 18, 19 mit ihren Abflachungen 29, 30 an den entsprechenden Anschlagflächen 31, 32 zur Anlage kommen und ein vorbestimmtes maximales Drehmoment erreicht wird. Da­ nach nimmt auch das Referenzelement 21 an der Drehmomentwei­ terleitung vom ersten Kegelradwinkelgetriebe 2 an das zweite Kegelradwinkelgetriebe 4 teil. Da der als Geberabschnitt die­ nende Abschnitt des zweiten Ansatzes 19 über die Außenfläche 28 des rohrförmigen Referenzelementes 21 vorsteht übernimmt er praktisch die Funktion eines Geberelementes. Dieser ist bei Rotation auf einem Rotationskreis 33 zentriert. Von der Außen­ fläche 28 des rohrförmigen Referenzelementes 21 steht um­ fangsversetzt zu der zweiten Aussparung 27 ein zweites Geber­ element 34 vor, das in Umfangsrichtung betrachtet länger aus­ gebildet ist als der zweite Ansatz 19 bzw. als der als Geber­ abschnitt dienenden Abschnitt des zweiten Ansatzes. Das zweite Geberelement 34 ist auf dem gleichen Rotationskreis wie der zweite Ansatz 19 angeordnet. Ferner schließen das erste Geber­ element 16 und das zweite Geberelement 34 eine Winkel ein, der kleiner als 180° ist. Somit ist gewährleistet, dass die beiden Geberelemente bei einer Drehung kurz hintereinander folgende Signale gefolgt von einer langen Signalpause erzeugen. Bei Drehmomentbelastung in Drehrichtung N eilt der zweite Ansatz 19 des Geberelementes 16 dem zweiten Geberelement 34 vor, und das Maß der Voreilung wird durch einen Sensor 35, der dem Ro­ tationskreis 33 und damit den beiden Geberelementen 16, 34 ge­ genüberstehend angeordnet ist, erfasst. Das Sensorelement 35 ist mit einer Auswerteeinheit 36 verbunden, die dazu dient, aus der Abfolge, d. h. dem zeitlichen Versatz des Vorbei­ streichens des in Drehrichtung N voreilenden ersten Geberele­ mentes 16 zu dem nacheilenden zweiten Geberelement 34 das an­ stehende Drehmoment zu errechnen. Dieses ist proportional dem Abstand der beiden Geberelemente 16, 34 bzw. des zweiten An­ satzes 19 des ersten Geberelementes 16 zum zweiten Geberele­ ment 34.

Die Auswerteeinheit 36 kann ein akustisches Signal erzeugen oder auch Schaltfolgen auslösen, beispielsweise das Stillset­ zen des Antriebes. Sie kann aber auch dazu genutzt werden, das jeweils anstehende Drehmoment anzuzeigen oder akustisch zu warnen. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf die oben beschriebene Getriebeanordnung begrenzt. Neben dem Einsatz in Antrieben für landwirtschaftliche Geräte und Maschinen kommt generell eine Verwendung in einem An­ triebsstrang, auch beispielsweise dem eines Fahrrades, in Fra­ ge.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

erstes Kegelradwinkelgetriebe

3

Antriebszapfen

4

zweites Kegelradwinkelgetriebe

5

Abtriebszapfen

6

Drehmomentmeßvorrichtung

7

Antriebswelle

8

Drehachse

9

Torsionselement

10

erstes Wellenende

11

zweites Wellenende

12

Anschlußelement

13

Klemmabschnitt

14

Zylinderstift

15

Verbindungszapfen

16

erstes Geberelement

17

Verbindungsabschnitt

18

erster Ansatz

19

zweiter Ansatz

20

Querbohrung

21

rohrförmiges Referenzelement

22

erstes Rohrende

23

Schweißnaht

24

zweites Rohrende

25

Wälzlager

26

erste Aussparung

27

zweite Aussparung

28

Außenfläche

29

Abflachung

30

Abflachung

31

Anschlagfläche

32

Anschlagfläche

33

Rotationskreis

34

zweites Geberelement

35

Sensorelement

36

Auswerteeinheit
N Drehrichtung

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten und der Drehrich­ tung in einer Antriebsanordnung umfassend
ein Torsionselement (9), das vom Drehmoment beaufschlagbar ist und zum Übertragen von Drehmomenten um eine Drehachse (8) drehend antreibbar ist, und das durch eine Torsionswelle mit einem ersten Wellenende (10) und einem zweiten Wellenende (11) dargestellt ist,
ein erstes Geberelement (16), das zapfenförmig gestal­ tet ist und quer zur Drehachse (8) drehfest am Torsi­ onselement (9) angebracht ist und bei Rotation des Tor­ sionselements (9) auf einem ersten Rotationskreis be­ wegt wird,
ein Referenzelement (21), das durch ein Rohr mit einem ersten Rohrende (22) und einem zweiten Rohrende (24) dargestellt ist, das koaxial um das Torsionselement (9) angeordnet ist und dessen erstes Rohrende (22) mit dem ersten Wellenende (10) fest verbunden ist,
ein zweites Geberelement (34), das Bestandteil des Re­ ferenzelements (21) ist, das am Außenumfang des zweiten Rohrendes (24) des Referenzelements (21) angeordnet ist, das in einem Referenzabstand zum ersten Geberele­ ment (16) mit dem Torsionselement (9) drehfest verbun­ den ist und bei Rotation des Torsionselements (9) auf einem zweiten Rotationskreis bewegt wird, wobei der erste Rotationskreis und der zweite Rotationskreis auf­ einanderliegen,
eine Sensoreinheit (35), die ortsfest und in einem Ab­ stand zur Drehachse (8) angeordnet ist und die das Pas­ sieren der Geberelemente (16, 34) oder einer Referenz­ kante oder Referenzfläche erfasst und eine entsprechen­ de Signalfolge erzeugt, wobei die Geberelemente (16, 34) unterschiedlich lange Signale und in dem relevanten Messbereich unterschiedlich lange Signalpausen zwischen den Signalen erzeugen sowie
eine Auswerteeinheit (36), welcher die Signale zuführ­ bar sind und die aus dem zeitlichen Abstand und der zeitlichen Abfolge der unterschiedlich langen Signale und Signalpausen das anliegende Drehmoment sowie die Drehrichtung ermittelt,
wobei das zweite Rohrende (24) des Referenzelements (21) eine Aussparung (27) für den Durchtritt des am Torsionselement (9) angebrachten ersten Geberelementes (16) aufweist und beide Geberelemente (16, 34) in einer Ebene auf ihrem gemeinsamen Rotationskreisen (33) um­ fangsversetzt angeordnet sind,
wobei am zweiten Rohrende (24) des Referenzelementes (21) eine erste Aussparung (26) und diametral dazu eine zweite Aussparung (27) vorgesehen ist und das erste Ge­ berelement mit einem ersten Ansatz (18) radial bis in die erste Aussparung (26) hineinragt und mit einem zweiten Ansatz (19) radial aus der zweiten Aussparung (27) vorsteht und dessen vorstehender Abschnitt als Ge­ berabschnitt dient, und
wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten maximalen Drehmoments das Referenzelement (21) an der Drehmoment­ weiterleitung teilnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Geberelement (34) durch ein Zapfenelement dargestellt ist, das auf der Außenfläche (28) des Refe­ renzelementes (21) zu der zweiten Aussparung (27), aus der der zweite Ansatz (19) austritt, umfangsversetzt angeord­ net ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als zweites Geberelement dienende Zapfenelement in Umfangsrichtung länger ausgebildet ist, als der als erstes Geberelement (16) dienende zweite Ansatz (19).