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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zur Ermittlung von
Drehmomenten an Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
der Druckschrift
DE
101 20 580 A1 wird eine kapazitiver Drehmomentsensor mit
einem Kondensator beschrieben, der sich aus zwei Einzelkapazitäten zusammensetzt.
Der Kondensator dient als kapazitiver Wandler zur Erfassung des
Torsionsweges bei der Messung von Drehmomenten an Wellen. Die Kapazitäten des
Kondensators werden durch jeweils einen Kammring gebildet, wobei
jeder Kammring mit einem Wellenabschnitt der Welle verbunden ist
und bei einer Torsion der Welle die beiden Kammringe ihre relative
Winkellage zueinander ändern.
Die beiden Kammringe weisen jeweils zahnförmige Plattenelemente auf,
die axial an jedem Plattenring überstehen,
wobei die Plattenelemente der beiden Kammringe sich axial überlappen.
In Umfangsrichtung klafft zwischen zwei benachbarten Plattenelementen
eines Kammringes eine Lücke
mit etwa der Breite eines Plattenelements, so dass bei einer Torsion
der Welle die Plattenelemente zwischen einer Überdeckungsposition und einer
Position zu verdrehen sind, in welcher die Plattenelemente des ersten Kammringes
in den Lücken
des zweiten Kammringes liegen. Bei einer Überdeckungsposition besitzt
der Kondensator seine maximale Kapazität; liegen dage gen die Plattenelemente
in den Lücken
des angrenzenden Kammringes, nimmt die Kapazität ein Minimum ein. Die Kapazität des Kondensators
stellt ein Maß für das auf
die Welle wirkende Drehmoment dar, so dass durch Messung der Kapazität das Drehmoment
ermittelt werden kann. Da bei diesem Drehmomentsensor die Änderung
der absoluten Kapazität proportional
zum Drehmoment gemessen wird, beeinflussen die äußeren Bedingungen wie beispielsweise
Temperatur oder Verschmutzung den Wert der Kapazität und damit
auch des zu ermittelnden Drehmomentes. Hierdurch besteht die Gefahr
eines verhältnismäßig hohen
Messfehlers.
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In
der Druckschrift
DE
44 14 070 A1 wird ein kapazitiver Drehmomentsensor auf
der Basis einer Differenzialkondensatoranordnung zur Ermittlung des
auf eine Welle wirkenden Drehmomentes beschrieben. Hierzu werden
zwei einzelne Plattenelemente mit einem ersten Wellenabschnitt der
Welle und ein weiteres Plattenelement mit einem zweiten Wellenabschnitt
verbunden, wobei die Plattenelemente etwa radial zu den Wellenabschnitten
angeordnet sind und im Übrigen
parallel zueinander liegen und ein übereinander gestapeltes Paket
bilden. Überträgt die Welle
kein Drehmoment, dann steht die mittlere Platte, welche mit einem
ersten Wellenabschnitt verbunden ist, mittig zwischen den beiden äußeren Platten,
die beide mit dem zweiten Wellenabschnitt verbunden sind. Im Falle
eines auf die Welle wirkenden Drehmomentes tordiert die Welle, wodurch
die Relativposition zwischen mittlerer Platte und den beiden außen liegenden
Platten verändert wird
Hierdurch ändert
sich auch die Relativkapazität, welche
sich aus der Differenz der Einzelkapazitäten der jeweils einem Wellenabschnitt
zugeordneten Plattenelementen ermittelt. Die Relativkapazität ist ein
Maß für das vom
Wellenstück übertragene
Drehmoment, wobei zur Auswertung eine konstante Wechselspannung
angelegt wird und der fließende Strom
proportional zur Relativkapazität
und somit auch zum Drehmoment ist.
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Die
Differenzialkondensatoranordnung kann zwar äußere Einflüsse wie z. B. temperaturbedingte Dehnungen
kompensieren. Allerdings weist diese Anordnung den Nachteil auf,
dass die Plattenelemente sich nicht in Umfangsrichtung erstrecken,
sondern in einer Radialebene liegen, so dass im Falle einer Wellentorsion
sich die Plattenebenen einander annähern bzw. voneinander entfernen,
wobei bereits minimale Positionsänderungen
(z.B. durch Biegung) zu verhältnismäßig großen Kapazitätsänderungen führen. Hierdurch
gestaltet sich die Messanordnung als störfällig.
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Die
WO 00/33043 A1 beschreibt eine Messanordnung zur Ermittlung von
Drehmomenten an Wellen, die auf einer absoluten Kapazitätsmessung
beruht. Hierfür
sind auf der Welle spiralförmig
verlaufende, kapazitive Streifen angeordnet, die mit einem ortsfesten
Stator-Kondensator-Plattenelement, welches auf Abstand zur Welle
liegt, zusammenwirken. Das Stator-Kondensator-Plattenelement ist
nicht mit der Welle verbunden, was den Nachteil mit sich zieht, dass
die äußeren Bedingungen
einen erheblichen Einfluss auf die Messung haben können. Insbesondere
Temperaturänderungen
oder Verschmutzungen beeinträchtigen
die Güte
des Messergebnisses, weil sich die Relativposition zwischen den
wellenfesten und den ortsfesten kapazitiven Elementen bei sich ändernden äußeren Bedingungen
verändern
kann, wodurch die Messgüte
erheblich leiden kann.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Messanordnung zur Ermittlung
von Drehmomenten an Wellen zu schaffen, welche sich durch eine hohe
Messgenauigkeit bei einem zugleich einfachen konstruktiven Aufbau
auszeichnet. Zweckmäßig soll
die Messanordnung unempfindlich gegen wechselnde äußere Bedingungen
sein.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Die
erfindungsgemäße Messanordnung weist
zwei konzentrisch um die Welle angeordnete Plattenringe auf, die
drehfest mit einem ersten bzw. einem zweiten Wellenabschnitt verbunden
sind. Die beiden Plattenringe besitzen jeweils eine Mehrzahl über den
Umfang verteilter Kondensatorplattenelemente, wobei sich die Plattenelemente
der beiden Plattenringe axial und auch radial überlappen. Bei einer Torsion
der beiden Wellenabschnitte ändern
die Plattenelemente ihre relative Winkellage zueinander. Des Weiteren
ist vorgesehen, dass die Plattenelemente der beiden Plattenringe
eine unterschiedlich große
Ober- bzw. Mantelfläche
besitzen.
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Hierdurch
werden gegenüber
Ausführungen aus
dem Stand der Technik verschiedene Vorteile erzielt. Zum einen ist
der konstruktive Aufbau sehr einfach zu realisieren und außerdem unempfindlich
gegen äußere, mechanische
Einwirkungen wie z. B. Stöße oder
dergleichen. Da sich bei einer Torsion der Welle die Winkellage
der beiden Plattenringe zueinander ändert und die Winkellage auch
bei auf die Welle einwirkenden äußeren Kräften in
der Regel unverändert
bleibt, haben derartige mechanische Störungen so gut wie keinen Einfluss
auf das Messergebnis.
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Gleiches
gilt für
Wärmeeinflüsse und
Verschmutzungen. Da es sich um einen Differentialkondensator handelt,
dessen Kapazitätsverhältnis sich aus
der Differenz der Einzelkapazitäten
der Kondensatoren zwischen den Plattenringen zusammensetzt, werden
thermische oder sonstige Einflüsse,
die in gleicher Weise beide Plattenringe beaufschlagen, durch die
Differenzermittlung kompensiert.
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Im
Rahmen der Erfindung kommen verschiedene Ausführungen in Betracht. Beispielsweise
ist es möglich,
dass einer der Plattenringe zweiteilig aufgebaut ist, indem die
Plattenelemente dieses Plattenringes jeweils zwei konzentrische
Teilelemente aufweisen, die radial beabstandet sind und einen zwischenliegenden
Aufnahmeraum begrenzen, in den bei einer Torsion der Welle die Plattenelemente
des benachbarten Plattenringes einragen. Man erhält dadurch ein in Radialrichtung
geschichtetes Plattenpaket mit insgesamt drei Elementen, die sich
jeweils in Umfangsrichtung sich erstrecken. Das zweiteilig aufgebaute
Plattenelement des einen Plattenringes besitzt insgesamt, durch
die Addition der Oberflächen seiner
beiden Teilelemente, eine üblicherweise
größere Fläche als
das in der Regel einstückig
aufgebaute Plattenelement des benachbarten Plattenringes, welches
in Überdeckungslage
in den Aufnahmeraum zwischen den beiden Teilelementen einragt. Hierdurch
wird der Signalhub (Kapazitätsänderung) vergrößert und
es werden durch die geschlossene Anordnung Störeinflüsse durch externe elektrische Felder
reduziert.
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Möglich ist
aber auch eine Ausführung
mit jeweils nur einem Plattenring pro Wellenseite.
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Die
für den
Aufbau des Differenzkondensators erforderliche Plattenanordnung
erfolgt dadurch, dass die in Umfangsrichtung gemessene Breite eines Plattenelements
eines ersten Plattenrings größer ist als
die Lücke
zwischen zwei benachbarten elektrisch isolierten Plattenelementen
des zweiten Plattenringes. In dieser Ausführung existiert mindestens
eine Relativwinkellage zwischen den beiden Plattenringen, in der
die Überlappung
zwischen den Plattenelementen symmetrisch ist (beide Kondensatoren
haben die gleiche Kapazität).
Bei Verdrehung der Plattenringe zueinander wird die Überlappung
asymmetrisch und die Kapazitäten
der beiden Kondensatoren ändern
sich gegenläufig.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführung
ist vorgesehen, dass die Plattenelemente jedes Plattenringes breiter
sind als die Lücken
des jeweils benachbarten Plattenringes, wobei jeweils zwei benachbarte Plattenelemente
auf beiden Plattenringen elektrisch isoliert sind. Hierdurch entsteht
eine Kondensatorbrückenschaltung.
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Zur
Erhöhung
der Kapazität
kann ein Dielektrikum zwischen den Plattenelementen angeordnet sein.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Messwerte insbesondere berührungslos
auf eine Auswerteeinheit übertragbar
sind, beispielsweise mittels Spulen, was zweckmäßig dadurch erreicht wird,
dass eine drehfest mit einem Wellenabschnitt verbundene Spule als
Transformator auf der Rotorseite mit einer stationären Übertragungsspule
auf der Statorseite zusammenwirkt. Wird beispielsweise über eine Wechsel spannung
auf die Statorspule die Kondensatoranordnung auf dem Rotor gespeist,
kann eine Spannung, die zu der Differenz der Einzelkondensatoren
und damit auch zum Drehmoment proportional ist, abgegriffen und
mit einem zweiten Spulenpaar rückübertragen
werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Welle mit zwei Wellenabschnitten, welche über einen
Torsionsabschnitt mit verjüngtem
Querschnitt verbunden sind, wobei auf jedem Wellenabschnitt ein
Plattenring drehfest aufsitzt und jeder Plattenring mit einer Mehrzahl über den
Umfang verteilter Kondensatorplattenelementen versehen ist,
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2 einen
Schnitt durch die Welle im Bereich der sich überlappenden Plattenringe,
wobei die Plattenelemente des ersten Plattenringes zwei konzentrisch
angeordnete und verbundene Teilelemente aufweist, zwischen die jeweils
ein Plattenelement des zweiten Kondensatorelementes einragt,
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3 eine
schematische Abwicklung des Plattenrings und der Überlappung
der Plattenelemente ohne Verdrehung (Torsion),
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4 eine
perspektivische Ansicht auf die Welle mit den Plattenringen, teilweise
in freigeschnittener Ansicht,
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5 eine
weitere perspektivische Ansicht auf eine Welle mit Plattenringen,
wobei als Auswerteeinheit jeweils eine rotorseitige und eine statorseitige Übertragungsspule
vorgesehen sind,
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6 eine
Welle einschließlich
Plattenringen im Schnitt in Ausführung
eines Differenzkondensators,
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7 eine
Prinzipdarstellung für
die Auswertungsschaltung der Kondensatoranordnung nach 6,
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8 eine
Anordnung als Brückenschaltung (zweifacher
Differenzkondensator) einer Kondensatoranordnung,
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9 eine
Prinzipdarstellung mit die Auswertungsschaltung der Kondensatoranordnung
nach 8.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 gezeigte Messanordnung zur Ermittlung von Drehmomenten
an einer Welle 1, die zwei gegenseitig zu tordierende Wellenabschnitte 1a und 1b umfasst,
welche über
einen Torsionsabschnitt 1c geringeren Durchmessers miteinander
verbunden sind, umfasst einen Kondensator mit zwei Plattenringen 2 und 3,
die jeweils mit einem der Wellenabschnitte 1a bzw. 1b drehfest
gekoppelt sind. Die beiden Plattenringe 2 und 3 bilden
gemeinsam zwei Kondensatoren, deren Kapazitätsverhältnis (Differenz) ein Maß für die Torsion
zwischen den beiden Wellenabschnitten 1a und 1b und
somit auch für
das auf das Welle wirkende Drehmoment darstellt.
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Der
erste, mit dem ersten Wellenabschnitt 1a drehfest verbundene
Plattenring 2 ist koaxial zur Wellenachse 10 angeordnet
und umgreift die Mantelfläche
der Welle im Bereich des Torsionsabschnittes 1c konzentrisch.
Der Plattenring 2 umfasst einen hülsenförmigen Mitnehmer 4, über den
die drehfeste Verbindung mit dem Wellenabschnitt 1a hergestellt wird,
sowie eine stirnseitig sich vom Mitnehmer 4 erstreckende
Ringstruktur mit einer Mehrzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter Plattenelemente 6. Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Plattenring 2 mit insgesamt zwei konzentrischen
und zueinander radial beabstandeten Ringen ausgeführt, die
jeweils Träger
von Plattenelementen 6 sind.
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Der
zweite Plattenring 3, welcher drehfest mit dem benachbarten
Wellenabschnitt 1b verbunden ist, ist analog zum ersten
Plattenring aufgebaut. Der zweite Plattenring 3 besitzt
einen Mitnehmer 5, über
den die drehfeste Kopplung zum Wellenabschnitt 1b hergestellt
wird, sowie eine sich konzentrisch zum Torsionsabschnitt 1c der
Welle erstreckende Ringstruktur, welche Träger von einzelnen, über den
Umfang gleichmäßig verteilter
Plattenelemente 7 ist. Die Plattenelemente 7 des
zweiten Plattenringes 3 liegen in dem Ringraum zwischen
den beiden Teilringen des ersten Plattenringes 2, wodurch
sich die axialer Richtung eine Überlappung
zwischen den beiden Plattenringen ergibt.
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Wie
der Schnittdarstellung nach 2 zu entnehmen,
können
die Plattenelemente des ersten Plattenringes 2 aus jeweils
zwei Teilelementen 6a und 6b bestehen, welche
konzentrisch zueinander mit radialem Abstand angeordnet und elektrisch
gekoppelt sind. In den Zwischenraum zwischen den beiden Teilelementen 6a und 6b können die
Plattenelemente 7 des benachbarten und zusammenwirkenden Plattenringes 3 einragen.
Dies entspricht beispielsweise einer tordierten Stellung der Welle 1.
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In
der Summe übersteigt
die Mantel- bzw. Oberfläche
der beiden Platten-Teilelemente 6a und 6b des
ersten Plattenringes die entsprechende Mantel- bzw. Oberfläche der
Plattenelemente 7 des benachbarten Plattenringes 3.
Hierdurch erhält
man eine unterschiedliche Einzelkapazität der jeweiligen Plattenringe.
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In
einer beispielsweise nicht tordierten Position (3)
ist schematisch die Anordnung der Plattenelemente als Abwicklung
dargestellt. Die Plattenelemente 7 liegen symmetrisch über den
Plattenelementen 6. Die Überlappung 11 ist
schraffiert dargestellt.
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Zur
Erhöhung
der Kapazität
kann es vorteilhaft sein, ein Dielektrikum zwischen den Plattenelementen
unterschiedlicher Plattenringe anzuordnen.
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Der
perspektivischen Darstellung gemäß 4 ist
zu entnehmen, dass der erste Plattenring 2 zwei konzentrische
Hülsen
mit metallisierter Plattenstruktur aufweist, wobei die Plattenstrukturen
die sich in Achsrichtung einerseits sowie in Umfangsrichtung andererseits
erstreckenden Plattenelemente 6a und 6b (als Bestandteil
des ersten Plattenringes 2) bzw. 7 (als Bestandteil
des zweiten Plattenringes 3) umfassen. Zwischen die beiden
konzentrischen Hülsen
des ersten Plattenringes 2 ragt die Hülse des 2. Plattenringes 3 ein.
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Die
Darstellung aus 5 entspricht derjenigen aus 4,
wobei zusätzlich
eine rotorseitige Übertragungsspule 8 und
eine statorseitige Übertragungsspule 9 dargestellt
ist. Über
die statorseitige Übertragungsspule 9 kann
beispielsweise an Anschlüssen 9a und 9b eine
konstante Wechselspannung aufgegeben werden. Die Rückübertragung
der gemessenen Spannung, die proportional zur Kapazität des Differentialkondensators
ist, also zur Differenz der Einzelkapazitäten, und damit auch ein Maß für das anliegende
Drehmoment darstellt, erfolgt durch ein zweites Spulenpaar, das
aber aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt wurde.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es handelt sich um einen differenziellen Kondensator, bestehend
aus den beiden konzentrischen Plattenringen, die jeweils mit über den
Umfang gleichmäßig verteilten
Plattenelementen 6 und 7 versehen sind. Die Plattenelemente 6 des
ersten Plattenringes umgreifen die Plattenelemente 7 des
zweiten Plattenringes radial. Die Plattenelemente 6 besitzen
eine in Umfangsrichtung gesehen geringere Breite als die Plattenelemente 7 des
zweiten Plattenringes. Die Breite der Plattenelemente 7 ist
so bemessen, dass die Lücke
zwischen benachbarten Plattenelementen 6 des ersten Plattenringes
von den Plattenelementen 7 überbrückt werden kann. Die Lücken zwischen
den weiteren Plattenelementen 7 des zweiten Plattenringes
sind dagegen breiter bemessen als die Plattenelemente 6 des
ersten Plattenringes.
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In 7 ist
eine Prinzipdarstellung einer Auswertungsschaltung gezeigt, die
sich auf die Messanordnung nach 6 bezieht.
Mit den Buchstaben A und C sind benachbarte Plattenelemente 6 des
ersten Plattenringes, mit dem Buchstaben B ist ein unmittelbar mit
diesen Plattenelementen zusammenwirkendes Plattenelement 7 des
zweiten Plattenringes bezeichnet. Als Auswertungsmöglichkeit
kann die Kapazitätsänderung
durch Auswertung des Impedanzverhältnisses oder des Spannungsverhältnisses erfasst
werden. Es kommt auch eine Verwendung als zeitbestimmende Glieder
in Oszillator- und Zeitgeberschaltungen in Betracht, wobei die Verhältnisse von
Frequenz bzw. Periode oder Phase bzw. Phasenverschiebung und Zeit
gemessen werden.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Der Aufbau der Messanordnung entspricht im Wesentlichen dem Differentialkondensator aus 6,
jedoch mit dem Unterschied, dass die Plattenelemente jedes einzelnen
Plattenringes in Umfangsrichtung so breit ausgeführt sind, dass diese in mindestens
einer Relativ-Winkellage der beiden Plattenringe die Lücke zwischen
benachbarten Plattenelementen des jeweils anderen Plattenringes übergreifen.
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In 9 ist
die zu 8 gehörende
Auswerteschaltung dargestellt, wobei die Buchstaben A, B und C wiederum
benachbarte Plattenelemente 6 des ersten Plattenringes
bzw. hiermit zusammenwirkende und benachbarte Plattenelemente 7 des
zweiten Plattenringes bezeichnen. Auch im Ausführungsbeispiel nach 8 und 9 handelt
es sich bei der Messanordnung um einen Kondensatorbrückenschaltung.
Als Auswertungsmöglichkeit
kommt zusätzlich
zu den zum vorherigen Ausführungsbeispiel Genannten
die Auswertung der Brückenspannung bei
Wechselspannungsspeisung hinzu.