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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung
des auf eine Welle wirkenden Drehmoments mit einem an der Welle
angeordneten Geber und einem induktiven Sensor.
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Derartige
Vorrichtungen, auch als Drehmomentsensoren bezeichnet, und die zugehörigen Verfahren
sind in vielfältigsten
Ausführungen
und Anwendungen bekannt. Solche Sensoren sind für die direkte oder indirekte
Messung des Drehmoments an Wellen aller Art erforderlich. So werden
bei Maschinen oder Kraftfahrzeugen die auf eine Antriebswelle wirkenden
Drehmomente gemessen, um die Antriebe effektiv steuern zu können, z.B.
die Antriebsräder eines
vierrad-getriebenen Autos.
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Für Drehmomentsensoren
kommen unterschiedliche Messprinzipien in Betracht, beispielsweise
optische, kapazitive, induktive oder magnetische Prinzipien. Diese
Prinzipien beruhen meistens darauf, die Torsion einer Welle zu erfassen,
die durch das auf die Welle wirkende Drehmoment verursacht wird.
Die gemessene Torsion wird in ein Messsignal umgesetzt.
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Aus
der
DE 44 30 503 ist
ein Drehmomentsensor mit Dehnmessstreifenanordnung bekannt. Ähnliche
Anordnungen sind mit Piezogebern wie Piezowiderständen oder
Oberflächenwellenbauelementen
(SAW) möglich.
Die Torsion der Welle wird durch entsprechend angeordnete Bauelemente
erfasst. Die Signalübertragung
von den Bauelementen zu einer Signaleinheit erfolgt beispielsweise
telemetrisch. Bei diesen Anordnungen ist eine zuverlässige Befestigung
der Sensorelemente auf der Wellenoberfläche ein kritischer Punkt. Die
Befestigung darf keinen oder allenfalls geringen Alterungseinflüssen unterliegen.
Bei hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wie
in der Automobilindustrie scheiden diese Sensorsysteme aus.
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Aus
der
DE 101 61 803
A1 ist ein elektromagnetischer Drehmomentsensor bekannt,
der den magnetostriktiven Effekt der torsionsbeanspruchten elastischen
Welle ausnutzt. Hierbei werden die Dielektrizitätsänderungen einer ferromagnetischen
Welle aufgrund der Drehmomentbelastungen erfasst. Derartige Sensoren
haben meistens eine geringe Genauigkeit und sind vergleichsweise
teuer.
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Aus
der
DE 10 2004
012 256 A1 ist ein Drehmomentsensor mit einer Eingangs-
und einer Ausgangswelle bekannt, die durch einen Torsionsstab verbunden
sind. Ein zylindrischer Kern ist auf der gezahnten Außenumfangsfläche eines
einen großen Durchmesser
aufweisenden Endteils der Ausgangswelle angebracht, so dass er in
Bezug auf die Ausgangswelle in axialer Richtung verschiebbar ist.
Ein von der Eingangswelle vorstehender Schiebestift greift in eine
Spiralnut des zylindrischen Kerns in Umfangsrichtung des Endteils
durch einen langen Schlitz ein. Bei einem auf die Eingangswelle
wirkenden Drehmoment wird dieses über den Torsionsstab auf die
Ausgangswelle übertragen,
so dass sich die Eingangswelle und die Ausgangswelle relativ zueinander
verdrehen und der zylindrische Kern durch den Eingriff des Schiebestiftes
in axialer Richtung verschoben wird. Diese axiale Verschiebung wird
mit Hilfe zweier Spulen erfasst, deren Induktanzen sich gegenphasig ändern.
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Die
Signalauswertung erfolgt mit Hilfe eines die Induktivitäten einbeziehenden
geschlossenen magnetischen Kreises und eines nachgeschalteten Differenzverstärkers. Der
Herstellungsaufwand dieses mechanischen Systems aus zylindrischem
Kern, gezahntem Endteil und Schiebestift der anderen Welle ist erheblich.
Die Genauigkeit hängt
u.a. von geringen Spiel- und Reibungsverlusten ab. Darüber hinaus
ist der Drehmomentsensor nur für
zweiteilige Wellen geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und
kostengünstige
Vorrichtung zur Erfassung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments
sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
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Diese
Aufgabe löst
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass sie einen Drehmomentsensor mit einer
hohen Leistung und Effizienz sowie einer hohen Zuverlässigkeit
bei niedrigen Kosten vorsieht. Damit ist sie für Anwendungen geeignet, die
höchste
Anforderungen stellen, z.B. in der Automobilindustrie.
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Die
Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass sie eine Vorrichtung mit
hoher Temperaturstabilität ermöglicht.
Alle für
die Dimensionierung der Vorrichtung notwendigen kritischen Teile
können
aus demselben Material, z.B. Stahl sein: Dadurch wird es möglich, dass
Temperaturänderungen
keine relativen Änderungender
Dimensionen der Einzelteile der Vorrichtung zueinander bewirken
und deshalb auch keine Signalverschiebung bzw. Signaländerung.
Dies ist insbesondere bedeutsam im Hinblick auf mögliche radiale
Dimensionsänderungen,
die den Luftspalt zwischen dem rotierenden und ortsfesten Teil der Vorrichtung
beeinflussen könnten.
Insofern beeinflussen auch keine Effekte zweiter Ordnung das Sensorausgangssignal.
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Die
Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass das Ausgangssignal der
Vorrichtung differenziell ist, so dass parasitäre Effekte, z.B. temperaturabhängige Effekte,
in erster Näherung
keinen Einfluss auf das Messsignal haben.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung
in einfacher Weise aufgebaut ist und deshalb robust gegenüber Umwelteinflüssen wie
Feuchtigkeit, Schmutz, Öl
und externen Feldern ist. Darüber
erweist sich die Erfindung robust gegenüber Vibrationen. Die einzelnen
Elemente der Vorrichtung weisen ein geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit
aus, so dass eine rückwirkungsfreie
Messung ohne Vibrationen bei einer gleichzeitig hohen Empfindlichkeit
gegenüber
Beschleunigungen möglich
ist.
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Die
Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass eine günstige Massenproduktion
möglich
ist. So gibt es nur eine geringe Anzahl herzustellender Teile. Die
Elemente können
aus dünnwandigen
Blechen, Rohren bzw. im kostengünstigen
Spritzgussverfahren hergestellt werden. Für die Bearbeitung der Bleche
bzw. Rohre kommen einfache mechanische Schritte wie Pressen, Rollen,
Falzen oder Schneiden sowie Stanzen in Frage. Auch ein Laserschneiden
ist möglich.
Schließlich
erfordert der Zusammenbau der einzelnen Teile der Vorrichtung geringen
Aufwand.
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Die
Erfindung hat den zusätzlichen
Vorteil, dass eine drahtlose Übertragung
der Drehmomentinformationen von der rotierenden Welle zu der statischen
Erfassungs- und Steuereinheit mit Hilfe des magnetischen Flusses
möglich
ist. Durch die differenzielle Signalverarbeitung werden geringfügige Änderungen
des radialen Luftspalts sowie weitere parasitäre Einflüsse ausgeblendet.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Zusammenwirken
der Trägeranordnung
und der Gebersegmente die durch das wirkende Drehmoment verursachte
Verdrehung (Torsion) auf der Welle mechanisch verstärkt und
in eine lineare Bewegung umgewandelt wird, die dann induktiv erfasst
bzw. gemessen wird. Somit ergibt sich eine höhere Genauigkeit, da lineare
Bewegungen einfacher und genauer zu erfassen sind als kompliziertere Bewegungen
wie Drehbewegungen.
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Die
Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass sich der Verstärkungsfaktor
der mechanischen Verstärkung
der Drehbewegung in eine Linearbewegung durch die Dimensionierung
der Federelemente (Federn) wie der Federstege bzw. Schlitze der
Trägeranordnung,
ihre Anzahl und den Winkel der Federelemente in Bezug auf die Achsrichtung
der Welle bzw. des koaxial zur Welle angeordneten Gebers einstellen
lässt.
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Darüber hinaus
erfasst der Geber eine Torsion der Welle mittels einer elastischen
Deformation der gelenkfreien und reibungsfreien Federelemente, so
dass die Alterungsbeständigkeit
und Genauigkeit der Vorrichtung ausgezeichnet bleiben.
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Die
Erfindung hat außerdem
den Vorteil, dass sie sich sowohl für einstückige Wellen als auch für geteilte
Wellen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, einsetzen
lässt.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung besteht darin „ dass sie sich durch die
Wahl der Materialien und der Einzelteile einfach an unterschiedliche
Messbedingungen anpassen lässt.
So ist es möglich,
die Trägeranordnung
insbesondere aus nicht ferromagnetischem elastischen Material herzustellen,
während die
Gebersegmente aus ferromagnetischem Material sind. Beide Elemente
können
dabei so gewählt
werden, dass sie gegenüber
Temperaturänderungen ähnliche
Eigenschaften aufweisen, so dass sie sich gleichsinnig mit der Temperatur ändern. Diese Änderungen
werden durch die Differenzsignalmessung bzw. Differenzsignalverarbeitung
kompensiert.
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Die
Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass sie durch den Aufbau und
das Zusammenwirken der Trägeranordnung
und der Gebersegmente in Verbindung mit den Spulen bzw. den Spulenkernen
eine optimale Dimensionierung der magnetischen Kreise ermöglicht.
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Besonders
vorteilhaft ermöglicht
die Erfindung durch die differenzielle Signalauswertung eine einfache
Justierung der Vorrichtungselemente zueinander sowie eine entsprechende
Signalauswertung. Dabei wird das Ausgangssignal der Vorrichtung
zu Null, wenn kein Drehmoment auf die Welle wirkt.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind in abhängigen
Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben,
die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Gleiche Elemente
haben gleiches Bezugszeichen. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung der
Vorrichtung auf der das Drehmoment aufnehmenden Welle sowie eine
Draufsicht auf den Geber,
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2 eine
schematische Darstellung der Trägeranordnung
gemäß 1,
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3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung
der Funktionsweise der Trägeranordnung
gemäß 2,
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4 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
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5 ein schematisches Gehäuse und
ein Gebersegment als Teile der Ausführungsform gemäß 4,
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Trägeranordnung
in einer Abwicklung bzw. eines Querschnittes,
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7 ein
Ausführungsbeispiel
des induktiven Sensors,
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8 eine Darstellung zur Erläuterung
der Funktionsweise des induktiven Sensors, und
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9 eine schematische Darstellung eines anderen
Ausführungsbeispiels.
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Gemäß 1 ist auf einer Welle 1; die
das auf sie wirkende Drehmoment aufnimmt und in eine Torsionsbewegung
umsetzt, eine erfindungsgemäße Vorrichtung
aus einem Geber 2 und einem induktiven Sensor 12 dargestellt.
Die Welle ist im Ausführungsbeispiel
einstückig
hat durchgehend den gleichen Durchmesser. Grundsätzlich ist die Vorrichtung
jedoch auch auf Wellen mit unterschiedlichen Durchmessern, insbesondere
auch auf zweigeteilte Wellen anwendbar.
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Auf
der Welle 1 ist im Ausführungsbeispiel der
Geber 2 koaxial zu der Welle angeordnet. Der Geber 2 enthält eine
Trägeranordnung 3 sowie
ein zentrales Gebersegment 4 und zwei äußere Gebersegmente 5 und 6.
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Die
Trägeranordnung 3 ist
so geformt, dass sie die Torsion der Welle 1 aufnimmt und
in eine Drehbewegung der äußeren Gebersegmente
umsetzt. Dazu weist die Trägeranordnung 3 eine
Hülsenform
auf, die so ausgebildet ist, dass wellenseitig die beiden Endbereiche
fest mit der Welle verbunden sind, während der mittlere Bereich
frei von der Welle liegt. Auf der der Welle 1 abgewandten
Seite ist die Trägeranordnung
entsprechend der Verbindung mit den drei Gebersegmenten in drei
Segmentbereiche strukturiert, die die beiden äußeren Gebersegmente 5 und 6 sowie
das zentrale Gebersegment 4 tragen.
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Durch
die feste Verbindung der Endbereiche der Trägeranordnung 3 mit
der Welle 1 überträgt sich eine
Torsion der Welle auf eine Drehbewegung der Endbereiche der Trägeranordnung
bzw. der äußeren Gebersegmente.
Der Aufbau der Trägeranordnung gemäß der Erfindung
stellt nun sicher, dass die Drehbewegung der äußeren Gebersegmentbereiche
der Trägeranordnung 3 in
eine axiale Bewegung des zentralen Gebersegmentbereichs bzw. zentralen
Gebersegments 4 umgeformt wird. Dazu ist im Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2 die koaxial
zur Welle angeordnete Trägeranordnung 3 mit durch
Schlitze 10, 11 gebildeten Stegen 13, 14 zwischen
den äußeren Gebersegmentbereichen
und dem zentralen Segmentbereich versehen. Die beiden Reihen von
winkelförmig
zur Achse des Gebers 2 bzw. zur Welle 1 angeordneten
Federelemente 13, 14, die die drei Segmentbereiche
definieren, sind bezüglich
der Querachse des Gebers gespiegelt. Die Federelemente 13, 14 sind
als Federstege elastisch verformbar und transformieren die Drehbewegung der äußeren Segmentbereiche
gelenkfrei, spielfrei und reibungsfrei auf den zentralen Segmentbereich.
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Die
Abwicklung der Trägeranordnung 3 gemäß 2 zeigt
in der Draufsicht die Trägerelemente 41, 51 und 61,
auf denen die Gebersegmente 4, 5 und 6 befestigt
werden. Die relativen Bewegungen der Trägerelemente 41, 51 und 61 zueinander
sind durch die Stege 13, 14 bestimmt. Da die Außenelemente 51 und 61 der
Trägeranordnung
achsseitig mit der Welle verbunden sind, ist durch zwei quer zur Achsrichtung
angedeutete Pfeile eine auf die Trägeranordnung übertragene
Torsionsbewegung der Welle 1 schematisch dargestellt. Dabei
sind jeweils durchgezogene bzw. punktierte Pfeile einander zugeordnet.
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Die
Drehbewegung der äußeren Teile 51 und 61 wird
durch die Anordnung der Federstege 13, 14 bzw.
der Schlitze 10 bzw. 11 in eine Bewegung des zentralen
Segmentbereichs 41 in Richtung der Längsachse der Trägeranordnung
bzw. der Welle 1 umgesetzt. Die geschlitzten Bereiche werden
so gestaltet, dass die Bewegung des zentralen Bereichs 41 eine
lineare Bewegung in Achsrichtung ist. Durch die Wahl des Materials
der Trägeranordnung
ist sichergestellt, dass es sich um eine elastische Deformation
handelt, die nach Abklingen des Drehmoments wieder in die Ausgangslage
zurückkehrt.
Die geometrischen Beziehungen der geschlitzten Bereiche zwischen
den Segmentbereichen 41, 51 und 61 bestimmen
dabei den Verstärkungsfaktor
der mechanischen Transformation der Drehbewegung der äußeren Segmentbereiche 51, 61 bezogen
auf den zentralen mittleren Segmentbereich 41. Maßgeblich
ist hier die Dimensionierung der Federstege bzw. Schlitze. Insbesondere
sind ihre Dimensionen Länge
zu Breite sowie deren Anzahl, der Winkel bezüglich der Achsrichtung und
der Abstand untereinander maßgeblich.
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Die
Trägeranordnung
ist vorzugsweise aus nicht ferromagnetischem elastischem Material,
z.B. rostfreiem Stahl, Aluminium, Keramik oder ähnlichem. Das nicht ferromagnetische
Trägermaterial
ist aus Gründen
der Optimierung des magnetischen Kreises des induktiven Sensors
und der Messwertaufnahme zweckmäßig, um
einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden.
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Gemäß 1b in
Verbindung mit 2 sind auf den drei Segmentbereichen 41, 51 und 61 der Trägeranordnung 3 die
Gebersegmente 4, 5 und 6 befestigt, mit
denen die eigentliche drahtlose Messwertübertragung des mechanisch in
eine Linearbewegung umgesetzten Drehmoments in Verbindung mit dem
induktiven Sensor erfolgt. Die drei Gebersegmente sind bevorzugt
rohrförmig
und aus ferromagnetischem Material. Sie sind im Ausführungsbeispiel
ebenfalls koaxial zur Welle und zur Trägeranordnung auf den Gebersegmentbereichen 41, 51 und 61 befestigt.
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Die
relative axiale Bewegung des zentralen Gebersegments 4 bezogen
auf die beiden äußeren fixen
Gebersegmente 5 und 6 wird durch einen induktiven
Sensor 12 erfasst. Der Sensor enthält die beiden Spulen 7 und 8,
die in Verbindung mit dem E-förmigen
magnetischen Kern 9 und den Gebersegmenten 4, 5 und 6 zwei
geschlossene, differenziell wirkende magnetische Kreise erzeugen.
Die Spulen 7 und 8 sowie der Kern 9 sind
ortsfest angeordnet, während
sich die Gebersegmente 4, 5 und 6 mit
der Achse drehen. Die Spuleneinheit ist mit dem drehbaren Teil der
Gebersegmente durch den magnetischen Fluss gekoppelt, der mit Hilfe
der Luftspalte d zwischen dem Kern 9 und den Gebersegmenten
einerseits und d1, d2 zwischen den Gebersegmenten 4, 5 und 6 untereinander
andererseits aufgebaut wird. Der Kern 9 ist dabei ebenso
wie die Gebersegmente vorzugsweise aus ferromagnetischem Material.
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Die
magnetischen Kreise verlaufen gemäß 8a gegenläufig vom
zentralen Bereich und die äußeren Bereiche
des Kerns 9 über
den Luftspalt d zu dem zugeordneten äußeren Bereich des drehbaren
Gebersegments 5 bzw. 6 und von diesem über die
Luftspalte d1 bzw. d2 zwischen den Gebersegmenten 5 bzw. 6 zum
Gebersegment 4 sowie d zum Mittelbutzen des Kerns 9 zurück.
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Im
Normalzustand, also ohne einwirkendes Drehmoment, sind die zwischen
den beiden Spulen abzugreifenden Spannungen U1 und U2 entgegengesetzt
gleich groß,
so dass das differenzielle Ausgangssignal Null wird. Eine axiale
Bewegung des zentralen Gebersegments 4 ändert jedoch die Balance des
magnetischen Flusses, so dass die magnetischen Kreise gegeneinander
verstimmt werden. Dies bewirkt eine gegenphasige Änderung
der Spannungen U1 bzw. U2, die zu einem von von Null verschiedenen Differenzsignal
führen.
Mit Hilfe einer nachfolgenden Signalverarbeitung kann ein Ausgangssignal des
Sensors erzeugt werden, das die Differenz der beiden Sensorsignale
U1 und U2 in Bezug auf die Summe der beiden Signale setzt. Insbesondere
kann man das Differenzsignal in Bezug auf den Mittelwert der beiden
Messsignale setzen. Auf diese Weise wird ein Sensorausgangssignal
erzeugt, das in erster Ordnung unabhängig von Schwankungen des Luftspaltes
d zwischen dem Kern 9 und den Gebersegmenten ist.
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Durch
den Aufbau der Trägeranordnung,
bei der die Gebersegmente aus ferromagnetischem Material sind und
die Trägeranordnung
aus nicht ferromagnetischem Material, lassen sich die magnetischen
Kreise des Sensors optimieren, ohne dass ein magnetischer Kurzschluss
auftreten kann. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Gebersegmente und
die Trägeranordnung
aus Materialien gewählt sind,
die einen näherungsweise
gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen, um bei Temperaturänderungen
eine möglichst
geringe mechanische Veränderung
zu erzeugen. So können
beispielsweise die Trägeranordnung
und die Gebersegmente bevorzugt aus nicht ferromagnetischem bzw.
ferromagnetischem Stahl sein.
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Um
die Vorrichtung weiter zu verbessern und die Empfindlichkeit zu
erhöhen,
ist eine nicht gezeichnete Auswerteschaltung der Sensorsignale zweckmäßig, die
in der Lage ist, mögliche
Wirbelströme
abzuschwächen
oder zu unterdrücken.
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3a zeigt
das Prinzip der mechanischen Transformation der Drehbewegung der äußeren Gebersegmente
in eine Linearbewegung des zentralen Gebersegments anhand eines
vereinfachten Modells. Darin sei angenommen, dass drei die Gebersegmente
symbolisierende Elemente 23, 24 und 25 durch
Stangen 26 und 27 verbunden sind. Die Elemente 23, 24 und 25 können sich
entlang ihrer Wirkungslinien in schematisch angedeuteten Führungen 31, 32 sowie 34, 35 und 36 bewegen.
Eine Veränderung
der Elemente 23 und 24 aus ihrer Ruhelage a erfolgt
dabei gegenläufig,
so dass Element 23 sich um einen Wert +da in positiver
Richtung und der Punkt 24 um einen Wert –da gegenüber ihren
jeweiligen Ruhelagen verändern.
Die Änderungsbewegung überträgt sich
mittels der Stangen 26 und 27 auf das Element 25,
das daraufhin gegenüber
seiner Ruhelage b eine Bewegungsänderung –db in der
durch den Pfeil angezeigten Richtung ausführt. Bei einer gegenläufigen Bewegung
der Elemente 23 und 24 in die andere Richtung
würde entsprechend
der Punkt 25 in die entgegengesetzte Richtung um einen
positiven Betrag +db ausgelenkt werden.
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Obwohl
es sich bei dem Modell gemäß 3a um
eine vereinfachte Darstellung handelt, lassen sich mit einer Simulation
die Auswirkungen einer Drehung der Elemente 23 und 24 auf
eine Bewegung des Elements 25 darstellen, 3b.
In diesem Beispiel ist das lineare Ausgangssignal erkennbar. Wie
Versuche gezeigt haben, stimmt der theoretische Ansatz des Modells
mit den ausgeführten
Beispielen eines erfindungsgemäßen Sensors
grundsätzlich
gut überein.
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Gemäß 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines fertig zusammengebauten Sensors gemäß der Erfindung dargestellt.
Um den Bezug zu den Elementen der 1 und 2 deutlich
zu machen, sind die Ziffern der Bezugszeichen in 4 gegenüber 1 verdoppelt. So ist auf der Welle 1 der
drehbare Geber 22 befestigt. Dem Geber zugeordnet ist der
ortsfest angeordnete Teil 1212 des induktiven Sensors.
Der Geber 22 enthält
zwei Hülsen 71 und 72,
die die äußeren ferromagnetischen
Gebersegmente 55 und 66 tragen.
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Eine
entsprechende Hülse 71 bzw. 72 ist
in 5 nochmals in größerer Detailliertheit
dargestellt. Die beiden Gehäuseteile bzw.
Hülsen
sind identisch und werden spiegelbildlich zum zentralen Geberbereich
auf der Welle montiert. Die Hülsen
können
aus einem gerollten, gestanzten bzw. gefalzten Stahlrohr geformt
sein. Die Rohrdicke hängt
von der Dimensionierung der Anordnung ab und kann im Ausführungsbeispiel
zwischen 0,5 und 1 mm betragen. Dünnwandige Hülsen verringern Wirbelstromverluste.
Die Legierungen sind so gewählt,
dass Ummagnetisierungsverluste gering gehalten werden. Die Hülsen 71 und 72 sind
im Ausführungsbeispiel
mit Hilfe zweier Schellen 74 und 75 auf der Welle 1 fixiert.
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Auf
dem nicht ferromagnetischen Gehäuseteil 71 und 72 sind
im Sensorbereich die äußeren Gebersegmente 55 und 66 endseitig
befestigt. Da der auf der Hülse
aufgebrachte und befestigte Ring ferromagnetisch sein muss, ist
das Gebersegment aus einem Ring 55a bzw. 66a,
vorzugsweise aus Aluminium, und einem darauf aufgebrachten ferromagnetischen
Material 55 bzw. 66 aufgebaut, 5b.
Die Beschichtung des Aluminiumrings kann beispielsweise mittels
eines mit Epoxydharz gefüllten
Eisenpulvers erfolgen. Der Aluminiumring selbst dient wiederum der
Isolation des magnetischen Kreises von der Trägeranordnung.
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Zwischen
den Schellen 74, 75 und den Gebersegmenten 55, 66 sind
Lager 76, 78 angeordnet, die auf der wellenabgewandten
Seite den ortsfesten induktiven Sensorteil 1212 mit den
Sensorspulen 77, 88 tragen.
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Das
zentrale Gebersegment 44 des Gebers wird von einer geformten
Hülse 73 getragen
und fixiert. Die Hülse 73 ist
dabei so geformt, dass sie die mechanische Transformation der Drehbewegung
der äußeren Gebersegmente
des Gebers in die lineare Bewegung des mittleren Gebersegments 44 des
Gebers ausführen
kann. Dazu weist die Hülse 73 an
ihren Außenbereichen
Schlitze 95 (6) auf, in die Mitnehmer 71a, 72a des
Gehäuses 71, 72 eingreifen, um
einen Kraftschluss zwischen dem Gehäuse 71, 72 und
dem Trägerteil 73 zu
bewirken. Im Zentrumsbereich trägt
die Formhülse 73 einen
ferromagnetischen Ring mit dem zentralen Gebersegment 44.
Der ferromagnetische Ring ist mit dem zentralen Teil der Hülse 73 so
verbunden, dass keine Delamination auftritt. Als Ausführung kommt
dabei ein mit ferromagnetischem Pulver gefüllter Epoxydring in Betracht,
der auf den zentralen Teil der Hülse 73 angeformt
ist oder ein Ferritring, der angeklebt ist. Das zentrale Gebersegment 44 erstreckt
sich in radialer Richtung bis auf die gleiche Höhe wie die äußeren Gebersegmente 55 und 66 und
weist beidseitig einen Luftspalt d1 bzw. d2 zu diesen Elementen
auf. Im Abstand von den Gebersegmenten des Gebers befindet sich,
ebenfalls durch einen Luftspalt d getrennt, der ortsfeste Teil des
induktiven Sensors mit dem Kern 99 und Spulen 77 sowie 88.
Der Aufbau der Trägeranordnung
mit den Elementen 71, 72, 73, 55a und 66a erlaubt
eine besonders effektive Entkopplung des Sensors gegenüber Schwingungen
der Welle 1.
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6 zeigt eine Ausführungsform der Hülse 73 in
einem stirnseitigen Schnitt sowie als Abwicklung. Dabei sind die äußeren Segmentbereiche 90, 91 mit
dem zentralen Segmentbereich 92 mittels jeweils zweier
Federstege 93, 94 verbunden, die in radialer Richtung,
d.h. senkrecht zur Zeichenebene eine vergleichsweise längere Dimensionierung
haben. Damit wird einerseits eine elastische Verbindung zwischen
den äußeren Bereichen 90, 91 und dem
zentralen Bereich 92 hergestellt und andererseits eine
Dimensionierung möglich,
um die Drehbewegung der Teile 90 und 91 gegeneinander
in eine lineare Bewegung des zentralen Trägerbereichs 92 zu gewährleisten.
Die möglichen
Dimensionierungsparameter sind durch Messpfeile gekennzeichnet.
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7 zeigt
einen schematischen Aufbau des ortsfesten induktiven Sensorteil 1212.
Dabei ist vorgesehen, dass die Spulen 77, 88 auf
zwei voneinander beabstandete Spulenkörper 96 und 97 aufgewickelt
sind. Über
den Umfang dieses Sensorteils sind E-förmige Ferritkerne 99 verteilt,
um einen ausreichenden magnetischen Fluss erzielen zu können. Im
Ausführungsbeispiel
sind die Sekundärwicklungen
Ns der Spulen in radialer Richtung nahe der Gebersegmente angeordnet,
während
die den magnetischen Fluss erzeugenden Primärwicklungen Np auf der wellenabgewandten
Seite angeordnet sind, siehe auch 8a.
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Ein
elektrisches Ersatzschaltbild der Primärwicklungen Np und der Sekundärwicklungen
Ns der beiden Spulen 77 und 88 zeigt 8b.
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In
einfacher Weise kann zusätzlich
zu dem Drehmomentsensor ein Drehwinkelsensor vorgesehen sein. Dazu
ist auf der Hülse 72 ein
Zahnrad 100 angeordnet, das in ein anderes Zahnrad 101 eingreift.
Das Zahnrad 101 trägt
auf seiner Achse einen Magneten 102, der sich bei einer
Drehung der Welle 1 ebenfalls dreht. Der Drehwinkel des
Magneten 102 wird mit einem Sensor 103 erfasst
und in ein Messsignal umgesetzt.
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9 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem die Trägeranordnung
auf der Welle zwei als Hülsen
ausgebildete Gehäuseteile 81 und 82 enthält. Wie
im Ausführungsbeispiel
der 4 sind die Hülsen
außenseitig
mit den Schellen 74 und 75 auf der Welle befestigt.
Im zentralen Bereich der Trägeranordnung
erstrecken sich die Hülsen
ring- bzw. flanschförmig von
der Welle weg. Die wellenabgewandten äußeren Enden der ringflanschartigen
Hülsenbereiche
tragen die äußeren Gebersegmente 85 und 86.
Zwischen den Ringflanschbereichen der Hülsen und 81 und 82 ist
ein Ring 87 angeordnet, der auf seiner wellenabgewandten
Seite das zentrale Gebersegment 84 trägt.
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Gemäß der Erfindung
haben die Gebersegmente 84, 85 und 86 den
gleichen radialen Abstand von der Welle und sind untereinander in
axialer Richtung durch jeweils einen Ringspalt getrennt. Der Ring 87 der
Trägeranordnung
ist mit Bezug auf die flanschartigen Hülsenendbereiche mit Hilfe von
Federelementen bzw. Federstäben 83 (83a, 83b, 83c)
fixiert, die den zentralen Ringteil 87 mit den jeweils
zugeordneten Endteilen der Hülsen 81 bzw. 82 verbinden. Die
Definition der Ringebene quer zur Achse der Trägeranordnung bzw. der Welle
erfolgt im Ausführungsbeispiel
mittels der drei Federstäbe 83 zur
jeweils zugeordneten Hülse 81 bzw. 82.
Bevorzugt liegen sich die Federstäbe jeweils spiegelbildlich
auf beiden des ringförmigen
Trägers 87 gegenüber.
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Die
Federn 83 tragen einerseits den Ring 87 und verursachen
andererseits eine Bewegung des Ringes in axialer Richtung, wenn
sich die Hülsen 81 bzw. 82 aufgrund
eines Drehmoments gegeneinander verdrehen. Wie bereits am Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, verschiebt sich dabei das zentrale Gebersegment 84 in
axialer Richtung, was mit Hilfe des induktiven Sensors und der Spulenanordnung 77, 78 sowie
den E-Kernen 89 wie in der zuvor beschriebenen Weise erfasst
und in ein Messsignal umgesetzt wird.
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Die
Form der Federn 83 zwischen den Hülsenteilen 81, 82 und
dem zentralen Trägerelement 87 kann
entsprechend der gewünschten
Ausführungsform
den Messgegebenheiten angepasst sein. So können die Federstäbe 83 nicht
nur wie gezeigt eine gradlinige Verbindung zwischen der inneren
Trägeranordnung
und den Hülsenendteilen
herstellen. Vielmehr können
die Federstäbe 83 auch
in einem dem Wellenumfang angepassten Bogen zu den Hülsenendteilen
hin verlaufen. Schließlich
können
die Federnstäbe
in sich gewunden sein. In jedem Fall ist dabei zu gewährleisten,
dass die Trägeranordnung einerseits
eine ausreichende Steifigkeit hat und andererseits die Drehbewegung
der Hülsen 81, 82 gegeneinander
in eine lineare axiale Bewegung des zentralen Gebersegments 84 gegenüber den äußeren Gebersegmenten 85, 86 umsetzt.
Form und Anzahl der Befestigungen zwischen dem inneren Trägerelement
und den äußeren Hülsen der
Trägeranordnung
bestimmen die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors.
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Fertigungstechnisch
lässt sich
der Geber vergleichsweise einfach herstellen. So können die Hülsen 81, 82 der
Trägeranordnung
aus gepresstem rostfreiem Stahlrohr gefertigt sein. Der zentrale
Ring 87 der Trägeranordnung
kann aus gestanztem rostfreiem Stahl sein. Die äußeren und das zentrale Gebersegment 84, 85 und 86 können aus
zylindrischen Stahlrohren mit keinem oder allenfalls einem geringen
Anteil Kohlenstoff gefertigt sein. Die die Trägeranordnung verbindenden Federn 83 können aus Stahlband
bestehen, das mittels Punktschweißverbindungen P mit den Hülsen 81, 82 und
dem zentralen Ringelement 87 verschweißt wird. Dazu können die
Federn zunächst
auf dem Ring 87 verschweißt werden. Danach werden die
Federn durch entsprechende Schlitze der Hülsen 81, 82 gesteckt
und ebenfalls mit diesen Hülsen
punktverschweißt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 9 ermöglicht,
einen Drehmomentsensor gemäß der Erfindung industriell
in großer
Serie herzustellen. Er ist einfach an unterschiedliche Messbedingungen
anzupassen, indem einerseits die Federn 83 entsprechend
gewählt
und geformt werden. Um die Empfindlichkeit der Anordnung weiter
zu erhöhen,
ist der Drehmomentsensor gemäß 9 insbesondere für eine zweigeteilte Welle geeignet,
die auf ihrem jeweils einander zugewandten Ende jeweils einen Hülsenteil 81 oder 82 aufnimmt
und dort fixiert. Die beiden Wellenteile 1a und 1b können durch
einen Torsionsstab 1c geringeren Durchmessers als die Welle
selbst verbunden sein, der geringere Steifigkeit als die Welle selbst
aufweist.
-
Bei
der Dimensionierung des induktiven Sensors ist es wichtig, dass
Verluste, die sich als resistive Verluste, Magnetisierungsverluste
oder Wirbelstromverluste ergeben können, so klein wie möglich sind.
-
- 1
- Welle
- 2
- Geber
- 3
- Trägeranordnung
- 4
- zentrales
Gebersegment
- 5
- äußeres Gebersegment
- 6
- äußeres Gebersegment
- 7
- Spule
- 8
- Spule
- 9
- Magnetkern
- 10
- Schlitz
- 11
- Schlitz
- 12
- Induktiver
Sensor
- 13
- Federelement
- 14
- Federelement
- 22
- Geber
- 23
- Element
- 24
- Element
- 25
- Element
- 26
- Stange
- 27
- Stange
- 31
- Führung
- 32
- Führung
- 34
- Führung
- 35
- Führung
- 36
- Führung
- 41
- Trägerelement,
zentraler Segmentbereich
- 44
- zentrales
Gebersegment
- 51
- Trägerelement, äußerer Segmentbereich
- 55
- äußeres Gebersegment
- 55a
- Ring
- 61
- Trägerelement, äußerer Segmentbereich
- 66
- äußeres Gebersegment
- 66a
- Ring
- 71
- Hülse, Gehäuse
- 71a
- Mitnehmer
- 72
- Hülse, Gehäuse
- 72a
- Mitnehmer
- 73
- Hülse
- 74
- Schelle
- 75
- Schelle
- 76
- Lager
- 77
- Spule
- 78
- Lager
- 81
- Hülse
- 82
- Hülse
- 83
- Federelement
- 84
- zentrales
Gebersegment
- 85
- äußeres Gebersegment
- 86
- äußeres Gebersegment
- 87
- Ring
- 88
- Spule
- 89
- magnetischer
Kern
- 90
- äußerer Segmentbereich
- 91
- äußerer Segmentbereich
- 92
- zentraler
Segmentbereich
- 93
- Federelement
- 94
- Federelement
- 95
- Schlitze
- 96
- Spulenkörper
- 97
- Spulenkörper
- 99
- magnetischer
Kern
- 1212
- induktiver
Sensor
- a
- Ruhelage
- b
- Ruhelage
- da
- Auslenkung
- db
- Auslenkung
- d
- Luftspalt
- d1
- Luftspalt
- d2
- Luftspalt
- Np
- Primärwicklung
- Ns
- Sekundärwicklung
- P
- Punktschweißverbindung
- U1
- Spannung
- U2
- Spannung