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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments
mit wenigstens einer Dehnungsmessstreifenanordnung in einer Verbindung,
die ein Getriebeausgangsmoment auf andere Komponenten eines Antriebsstrangs überträgt
und die einen torsionsweichen mittleren Abschnitt und zwei torsionssteifere
Seitenabschnitte aufweist.
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Beispiele
solcher Verbindungen sind die Antriebswellen und/oder zugehörige
Steckwellen oder Flanschwellen zwischen einem Getriebeausgang und
einem Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs.
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Solche
Vorrichtungen zur Messung eines Drehmoments dienen als Hilfsmittel
zur Ermittlung von Drehmomenten, die in einem Kraftfahrzeug-Getriebe
beim Betrieb des Kraftfahrzeuges auf der Straße wirksam
sind. Die Kenntnis dieser Momente ist wichtig, um Bauteile, insbesondere
Bauteile des Getriebes wie Wellen und Zahnräder sowie zugehörige Verzahnungen
richtig dimensionieren zu können.
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Ideal
wären Messungen im Getriebe oder an der Getriebeeingangswelle,
dort reicht der zur Verfügung stehende Platz aber in der
Regel nicht aus, um die Sensorik mit der notwendigen Signalübertragungs-
und Energieversorgungs-Hardware unterzubringen.
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Um
dennoch eine Kenntnis über die im Getriebe wirksamen Drehmomente
zu erlangen, hat man bisher für sehr hohe Drehmomente in
den Antriebsrädern angeordnete Radmessnaben und für moderate
Drehmomente Torsionsrohre von Antriebswellen mit Dehnungsmessstreifen
bestückt und aus den dort gemessenen Drehmomentwerten auf
die Drehmomente im Getriebe geschlossen. Solche Radmessnaben sind
zum Beispiel aus der
DE
196 27 385 A1 bekannt, die damit den eingangs genannten Stand
der Technik repräsentiert. Dehnungsmessstreifen sind passive
Aufnehmer, die mit einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom gespeist
werden. Eine veränderte Dehnung der Messstreifen bildet
sich in einer Widerstandsänderung der Messstreifen ab,
die mit Hilfe einer Strom- und/oder Spannungsmessung ermittelt werden
kann. Als Grundschaltung werden häufig Wheatstone-Brücken
verwendet. Solche konventionellen DMS-Brückenschaltungen
als Dehnungsmessstreifenanordnungen sind dem Fachmann bekannt und
werden zum Beispiel auch in der
DE 196 27 385 A1 vorgestellt.
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Die
im Getriebe wirkenden Drehmomente ergeben sich beim Straßenbetrieb
als Summe vielfältiger Einflüsse. Wesentliche
Einflüsse sind die mit den jeweils gültigen Übersetzungsverhältnissen
gewichteten Drehmomente, die vom Antriebsmotor und den angetriebenen
Rädern in den Antriebsstrang eingespeist werden, elastische
Torsionsmomente, die im Antriebsstrang wirken und die aus Trägheitsmomenten
und Winkelbeschleunigungen rotierender Komponenten des Antriebsstrangs
resultierenden Beschleunigungsmomente.
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Ein
Nachteil der Verwendung von Radmessnaben besteht darin, dass ein
am Rad messbares Drehmoment bei Drehzahländerungen nicht
mit dem Drehmoment am zugehörigen Drehmomentausgang des
Getriebes identisch ist. Bei Drehzahländerungen ist das
an der Radmessnabe auftretende Drehmoment um den Betrag kleiner
als das Drehmoment am Getriebeausgang, der zur Winkelbeschleunigung
der Trägheitsmomente zwischen Getriebeausgang und Radmessnabe
nötig ist. Eine rechnerische Korrektur dieses Einflusses
ist bei Kenntnis der Winkelbeschleunigung zwar möglich,
die Ermittlung der Winkelbeschleunigung erfordert aber zusätzliche
Drehwinkelmessungen mit hoher zeitlicher Auflösung. Bei der
DE 196 27 385 A1 wird
die Radmessnabe mit einem Radflansch des Kraftfahrzeugs verbunden.
Allein der Radflansch mit der dort üblicherweise befestigten
Bremsscheibe besitzt ein großes Trägheitsmoment.
Zur Eliminierung von Trägheitseinflüssen besitzt
die Radmessnabe nach der
DE
196 27 385 A1 Mittel, mit denen die Raddrehzahl mit hoher
Auflösung ermittelt werden kann. Ein weiterer Nachteil liegt
darin, dass Radmessnaben teuer sind und für gewöhnlich
den Einsatz von Spezialfelgen erfordern.
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Bekannt
sind ferner, wie bereits eingangs erwähnt, Drehmomentmessungen
mit Dehnungsmessstreifen, die eine Torsion von Antriebswellen des Kraftfahrzeugs
erfassen. Dabei ist jedoch problematisch, dass diese Antriebswellen
im Bereich von Spitzenbelastungen, wie sie für die Dimensionierung
von Getriebebauteilen gemessen werden sollen, zu plastischer Verformung
neigen, was nach einer plastischen Verformung aufgenommene Messergebnisse durch
einen Offset verfälscht.
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Solche
Spitzenbelastungen können zum Beispiel bei einer missbräuchlichen
Benutzung des Fahrzeugs auftreten. Spitzenbelastungen treten zum Beispiel
beim Übergang von glatter Fahrbahn zu einer griffigen Fahrbahn
auf, wenn das Fahrzeug auf glattem Untergrund mit hoher Motorleistung
und durchdrehenden Antriebsrädern bewegt wird. Beim Übergang
zu griffigem Untergrund treten dann dynamische Belastungsspitzen
auf, die um einen Faktor zwei bis drei über den Belastungen
liegen, die sich bei voller Motorleistung unter regulären
Bedingungen ergeben.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
einer Vorrichtung, mit der sich eine Kenntnis über die
im Getriebe wirksamen Drehmomente mit geringeren Kosten und ohne die
beschriebenen Nachteile zusätzlich notwendiger Drehwinkelmessungen
oder unerwünschter Einflüsse plastischer Verformungen
erlangen lässt.
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Diese
Aufgabe wird den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass die Dehnungsmessstreifen auf dem näher am Getriebeausgang
liegenden torsionssteifen Abschnitt angeordnet sind, erfolgt die Messwertaufnahme
an einem das Drehmoment übertragenden Element der Verbindung
des Getriebeausgangs mit dem Antriebsrad, welches eine vernachlässigbar
geringe plastische Deformation aufweißt. Als erwünschte
Folge werden die Ursachen der oben genannten Nachteile gemeinsam
beseitigt oder zumindest verringert. Durch die nahe am Getriebeausgang
erfolgende Anordnung der Dehnungsmessstreifen fällt der
Einfluss sämtlicher Trägheitsmomente weg, die
zwischen der neuen Anordnung und der bekannten Anordnung von Dehnungsmessstreifen
in Radmessnaben liegt. Dadurch, dass die Dehnungsmessstreifen nicht
in einem torsionsweichen Wellenabschnitt, sondern in dem torsionssteiferen
Abschnitt angeordnet sind, wird der unerwünschte Einfluss
plastischer Verformungen ausgeschlossen oder zumindest verringert.
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Die
neuen Vorrichtungen können leicht gegen Wasser und Schmutz
abgedichtet werden. Sie sind daher in Langzeitmessungen bei jedem
Wetter einsetzbar. Sie sind haltbarer als herkömmliche Messwellen,
bei denen Schäden an den Gelenken und Fettmanschetten auftreten
können. Ferner sind die neuen Vorrichtungen deutlich billiger
als Radmessnaben. Teure Radmessnaben und/oder Spezialfelgen sind
nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
lässt sich durch Umbau von Teilen der genannten Verbindung
zwischen dem Getriebeausgang und dem Antriebsrad kostengünstig
realisieren. Der torsionssteifere Abschnitt kann je nach Bauart der
Verbindung ein separates Bauteil darstellen.
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In
einer ersten Ausgestaltung kann er als separate Flanschwelle realisiert
sein, die in einen Getriebeausgang eingesteckt wird und an die eine
Antriebswelle angeflanscht wird. In einer zweiten Ausgestaltung
kann er als getriebeseitiger Gelenkkorb einer als Steck-Antriebswelle
ausgeführten Gelenkwelle realisiert sein. Sowohl die Flanschwelle
als auch die Gelenkwelle sind separat auswechselbare Bauteile, so
dass die Ausrüstung eines Testfahrzeugs mit diesen Ausgestaltungen
erfindungsgemäßer Vorrichtungen ohne großen
Aufwand möglich ist.
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Da
auch auf Spezialfelgen und hochauflösende Messungen der
Raddrehzahl verzichtet werden kann, verringert sich der Messaufwand
weiter, wobei sich durch Wegfall störender Torsions- und Trägheitseinflüsse
gleichzeitig eine verbesserte Signalqualität ergibt. Insgesamt
ergibt sich damit ein verbessertes Verhältnis von Messaufwand
zur Signalqualität.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen,
der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht
sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu
erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen
Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit verschiedenen
Stellen, an denen Drehmomente messbar sind;
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2 einen
axialen Schnitt durch einen Teil einer Flanschwelle mit alternativen
Anordnungen von Dehnungsmessstreifen;
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3 einen
Radialschnitt durch die Flanschwelle;
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4 eine
Ausgestaltung mit einer Antriebswelle, die keinen separaten Steckflansch
aufweist; und
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5 einen
Teil einer solchen Antriebswelle mit einer im Inneren eines Gelenkkorbs
angebrachten Dehnungsmessstreifenanordnung.
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Im
Einzelnen zeigt die 1 einen Teil 10 eines
Antriebsstrangs mit einem Getriebe 12 und einer Verbindung 14,
die ein Getriebeausgangsmoment auf andere Komponenten 16 des
Antriebsstrangs überträgt. In der Darstellung
der 1 ist die andere Komponente 16 ein Antriebsrad 18 des
Kraftfahrzeugs. Das Getriebeausgangsmoment ist in dieser Ausgestaltung
das Drehmoment an einem Ausgang eines Differenzialgetriebes 12.
Die Verbindung 14, die das Getriebeausgangsmoment des Differenzialgetriebes 12 zum
Antriebsrad 18 überträgt, weist in der
Ausgestaltung der 1 eine Steckflansch 20, eine
Gelenkwelle 21 mit homokinetischen Gelenken 22, 24 und
einem mittleren Abschnitt 26, sowie eine Radnabe 28 auf.
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Mit
Bezug auf ihr Torsionsverhalten lässt sich eine solche
Verbindung 14 in den torsionsweicheren mittleren Abschnitt,
der in der Regel mit dem mittleren Abschnitt 26 der Gelenkwelle 21 identisch
ist, und torsionssteifere Seitenabschnitte 30 und 32 unterteilen.
Der näher am Getriebeausgang liegende torsionssteifere
Seitenabschnitt 30 umfasst in der Ausgestaltung der 1 insbesondere
die Bereiche der Steckflansch 20 und eines getriebeseitigen
Gelenkkorbs des Gelenks 24, die größere
Radien aufweisen. Der andere torsionssteifere Abschnitt 32 umfasst
insbesondere die Radnabe 28 und einen radseitigen Gelenkkorb
des Gelenks 22.
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Eine
plastische Verformung der Verbindung 14, die sich unter
der Einwirkung unzulässig großer Drehmomente einstellen
kann, erfolgt im Wesentlichen in dem mittleren Abschnitt 26.
Aus diesem Grund wird der mittlere Abschnitt 26 hier auch
als torsionsweicherer Abschnitt bezeichnet, während die äußeren
Abschnitte 30, 32 torsionssteifere Abschnitte
darstellen, die sich kaum plastisch verformen und daher auch als
plastisch deformationsfreie Abschnitte bezeichnet werden.
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Wie
bereits eingangs erwähnt, sind Drehmomentmessungen mit
einer Anordnung von Dehnungsmessstreifen auf dem torsionsweicheren
mittleren Abschnitt 26 (Messpunkt MP1) sowie Drehmomentmessungen
mit Messnaben als Radnaben 28 (Messpunkt MP2) bereits bekannt.
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Neu
ist dagegen die Dehnungsmessstreifenanordnung am Messpunkt MP3,
der auf dem näher am Getriebeausgang liegenden torsionssteiferen
Abschnitt 30 angeordnet ist. In der Ausgestaltung der 1 weist
die Verbindung 14 die Steckflansch 20 auf und
der Messpunkt MP3 liegt auf dem Steckflansch 20. Der Steckflansch 20 besitzt
eine Getriebeseite 34, die mit einer axialen Verzahnung
versehen ist und in ein entsprechendes Negativ der Verzahnung im
Differential-Getriebe eingesetzt wird. Der Steckflansch 20 weist
ferner eine Flanschseite 36 auf, an die eine Antriebswelle angeflanscht
(angeschraubt) wird. Die Flanschseite 36 besitzt einen
vergleichsweise großen Radius. Im Rahmen einer bevorzugten
Ausgestaltung sind die Dehnungsmessstreifen an der Flanschseite
der Flanschwelle an einer sich quer zur Drehachse angeordneten Fläche angeordnet.
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Die 2 zeigt
einen axialen Schnitt durch einen Teil des Steckflansch 20 mit
alternativen Anordnungen von Dehnungsmessstreifen. Eine erste Dehnungsmessstreifenanordnung 38.1 befindet
sich im Inneren des Steckflansch 20 auf der Flanschseite 36.
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In
der Ausgestaltung der 2 ist ein Trägerring 40 am
Umfang des Steckflansch 20 befestigt. Der Trägerring 40 nimmt
an seinem inneren oder äußeren, dem Steckflansch 20 zugewandten
Umfang eine Rotorelektronik 42 auf, die an die Dehnungsmessstreifenanordnung 38 angeschlossen
ist. Darüber hinaus trägt der Trägerring 40 an
seinem äußeren Umfang eine Rotorantenne 44,
die an die Rotorelektronik 42 elektrisch angeschlossen
ist und die induktiv, insbesondere transformatorisch, an eine Statorantenne 46 gekoppelt
ist. Der Trägerring 40 besteht bevorzugt aus einem
leichten Material wie Aluminium und wird mit dem Steckflansch 20 verschraubt.
Aus der Verwendung eines leichten Materials ergibt sich der Vorteil
eines vergleichsweise geringen Trägheitsmoments und entsprechend
geringer scherender Belastungen der Schraubverbindung. Dies gilt
analog auch für die folgenden Ausgestaltungen nach den 3, 4 und 5.
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Die
Statorantenne 46 ist über einen Verstärker 48 an
ein Messsystem 50 angeschlossen, das Signale der Dehnungsmessstreifenanordnung 38.1 verarbeitet. Über
die induktive Kopplung versorgt das Messsystem 50 die Rotorelektronik 42 mit
elektrischer Energie. Die Rotorelektronik 42 gibt Treibersignale
für die Dehnungsmessstreifenanordnung 38.1 aus
und gibt Signale, die sie von der Dehnungsmessstreifenanordnung 38.1 empfängt, über
die Rotorantenne 44 und den Verstärker 48 an
das Messsystem 50 weiter.
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Sowohl
die Rotorantenne 44 als auch die Rotorelektronik 42 werden
bevorzugt wenigstens teilweise versenkt in Nuten 41, 43 des
Trägerrings 40 untergebracht. Dies trägt
dazu bei, die Abmessungen des mit der Flanschwelle 20 rotierenden
Trägerrings 40 zu begrenzen und die außen
angebrachte Rotorantenne 44 vor Verschmutzungen und mechanischen
Beschädigungen zu schützen. Alternativ oder ergänzend
zu einer Anordnung auf der Flanschseite 36 können
Dehnungsmessstreifenanordnungen 52 auch auf der Außenseite
der Flanschwelle 20 angeordnet werden.
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In
der Ausgestaltung der 2 und 3 erstreckt
sich der Trägerring 40 über die Flanschseite 36 der
Flanschwelle 20 hinaus und nimmt im montierten Zustand
den Gelenkkorb des Gelenks 24 der Antriebswelle 21 auf.
Es versteht sich aber, dass der Trägerring 40 alternativ
oder ergänzend auch einen Überstand in die andere,
zum Getriebe 12 weisende Richtung aufweisen kann. Dies
gilt analog auch für die folgenden Ausgestaltungen nach
den 4 und 5.
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3 zeigt
einen Radialschnitt durch die Flanschwelle 20 mit innen
liegenden Dehnungsmessstreifenanordnungen 38.1 und 38.2,
der Rotorelektronik 42 und der Rotorantenne 44.
Sowohl die Rotorelektronik 42 als auch die Rotorantenne 44 ist bevorzugt
gekrümmt ausgestaltet, wobei die Krümmung jeweils
an korrespondierende Krümmungen der zugehörigen
Aufnahme, beziehungsweise Nut 41, 43, angepasst
ist. Gewindebohrungen 54 dienen zum Anschrauben der Gelenkwelle 21.
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Im
Fahrbetrieb überträgt der Steckflansch 20 das
Drehmoment vom Ausgang des Getriebes 12 über Schraubverbindungen
an die Gelenkwelle 21 zum Antriebsrad 18. Dabei
wird die elastische Torsionsdeformation des Flansches, die als Folge
des zu messenden Drehmoments auftritt, mit den Dehnungsmessstreifenanordnungen 38 und/oder 52 gemessen.
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Das
Dehnungsmessstreifen-Signal wird durch die Rotorelektronik 42 in
ein Messsignal umgewandelt, in dem sich die elastische Deformation
und damit das zu messende Drehmoment abbildet. Das Messsignal wird
mit dem Telemetriesystem aus Rotorelektronik 42, Rotorantenne 44 und
Statorantenne 46 berührungslos an eine Statoreinheit
aus Verstärker 48 und Messsystem 50 übertragen.
Die Rotorelektronik 42 und die Rotorantenne 44 des
Telemetriesystems zeichnen sich durch eine bogenförmig
gekrümmte Form aus, die an die Form des Trägerrings angepasst
ist. Diese Anpassung ermöglicht die platzsparende Unterbringung,
was bei den beengten Platzverhältnissen am Getriebeausgang
wichtig ist und die Drehmomentmessung am Getriebeausgang erst ermöglicht.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung mit einer Antriebswelle 56,
die keinen separaten Steckflansch aufweist. Im Vergleich mit dem
Gegenstand der 1 bis 3 ist die
Antriebswelle 56 als bauliche Einheit der Gelenkwelle 21 und
des Steckflansch 20 aus der 1 realisiert.
Dabei wird der Gelenkkorb des getriebeseitigen Gelenks 24 nicht wie
beim Gegenstand der 1 mit einem Steckflansch 20 verschraubt,
sondern ist zusammen mit einem Wellenabschnitt 58 aus einem
Stück hergestellt worden. Bei dieser Ausgestaltung werden
Dehnungsmessstreifen 60.1 an der Innenseite und/oder Dehnungsmessstreifen 60.2 an
der Außenseite des Gelenkkorbs angeordnet. Die Anordnung
an der Innenseite wird durch die Fettfüllung des Gelenks
und die Manschette 62 besonders gut vor Wasser und Schmutz
geschützt. Innerhalb der Antriebswelle 56 wird
das Drehmoment mit in Führungen beweglichen Übertragungsrollen 64 vom
Gelenkkorb auf den mittleren Abschnitt 26 der Welle übertragen.
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Diese
Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindung 14 eine
Antriebswelle 56 mit einem getriebeseitigen Gelenkkorb
aufweist und Dehnungsmessstreifenanordnungen (60.1, 60.2)
auf einer Fläche des Gelenkkorbs angeordnet sind. Auch hier
sind die Dehnungsmessstreifen bevorzugt an einer sich quer zur Drehachse
angeordneten Fläche angeordnet.
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5 zeigt
einen Teil einer solchen Antriebswelle 56 mit einer im
Inneren des Gelenkkorbs angebrachten Dehnungsmessstreifenanordnung 60.1.
Die Rotorelektronik 42 und die Rotorantenne 44 ist,
wie in der 5 dargestellt ist, auf einem
Trägerring 40 oder, alternativ dazu, direkt auf
dem Gelenkkorb angeordnet. Das Getriebe-seitige Gelenk 24 der
Antriebswelle 56 überträgt das Getriebeausgangsmoment über
den Gelenkkorb und die Übertragungsrollen 64 an
den mittleren Abschnitt 26 der Antriebswelle 56 und
damit letztlich zum Antriebsrad 18. Mit konventionellen
Anordnungen von Dehnungsmessstreifen wie DMS-Brückenschaltungen
wird ein elektrisches Signal als Bild der Dehnung der Streifen,
die sich als Folge der Torsion und damit als Folge des übertragenen
Drehmoments einstellt, erzeugt und mit einem in den Trägerring 40 oder
den Gelenkkorb integrierten Telemetrie-Teilsystem aus Rotorelektronik 42 und
Rotorantenne 44 an einen komplementären Teil des
Telemetriesystems aus Statorantenne 46, Verstärker 48,
usw. übertragen. Bei der Verwendung eines Trägerringes 40 kann
dieser eine Aufnahme für die Manschette 62 (Faltenbalg)
aufweisen und mit dem Gelenkkorb dicht verschraubt oder auf andere
Weise drehfest mit dem Gelenkkorb verbunden werden.
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Die
Erfindung wurde unter Bezug auf eine Ausgestaltung erläutert,
bei der das Getriebe 12 ein Differenzial ist und ein Antriebsrad 18 die
andere Komponente ist, auf die das Getriebeausgangsmoment übertragen
wird. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht auf diese
Ausgestaltung beschränkt ist und in Verbindungen anderer
Komponenten wie Differenzialen und Verteilergetrieben und/oder Differenzialen
und Wechselgetrieben und/oder Verteilergetrieben und Wechselgetrieben
angewendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19627385
A1 [0005, 0005, 0007, 0007]