DE102007058657A1

DE102007058657A1 - Vorrichtung zur Messung eines Torsionsmoments und Anordnung, aus einer sich drehenden Welle und einer Vorrichtung zur Messung eines Torsionsmoments

Info

Publication number: DE102007058657A1
Application number: DE200710058657
Authority: DE
Inventors: Frank Claeyssen; François BARILLOT; Pascal Gouriet
Original assignee: Cedrat Technologies SA
Current assignee: Cedrat Technologies SA
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-08-07
Also published as: FR2909760A1; FR2909760B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung (4) zur Messung eines Torsionselements entlang einer Achse (X) zwischen einem ersten (11) und einem zweiten (13) Element, umfassend: - zumindest eine Anschlagsplatte (18, 20), die mit einem der zwei Elemente verbunden ist; - zumindest einen Meßfühler (22, 24) für die Verschiebung der Anschlagsplatte (18, 20); welche Vorrichtung ferner ein Zwischenorgan (16) umfaßt, das von den ersten und zweiten Elementen (11, 13) verschieden ist und zur Umwandlung einer relativen Winkelausdehnung des ersten und des zweiten Elements (11, 13) gegeneinander aufgrund eines Torsionsmoments in eine Verschiebung der Anschlagsplatte (18, 20) in eine Meßrichtung, die im wesentlichen parallel zur Torsionsachse (X) des ersten und zweiten Elements (11, 13) liegt. Die Erfindung ist anwendbar zur Messung des Torsionsmoments im Inneren einer Rotationswelle, wie etwa einer Lenksäule oder einer Ausgangswelle einer Rotationsmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Messung eines Torsionsmoments.
Sie betrifft insbesondere Vorrichtungen zur Messung eines Torsionsmoments in einer Rotationswelle, wie etwa einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs oder eine Antriebswelle oder einer Ausgangswelle einer Rotationsmaschine von der Art eines Verbrennungsmotors oder elektrischen Motors; das Torsionsmoment wird entlang der Längsachse dieser Rotationswelle ausgeübt.
Allgemein betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung des Torsionsmoments zwischen ersten und zweiten Elementen, die miteinander verbunden sind, wobei diese Vorrichtung umfaßt:

– zumindest eine Anschlagsplatte;
– zumindest einen Sensor zur Messung der Auslenkung der Anschlagsplatte.

Es ist bekannt, magnetische Vorrichtungen zur Messung des Torsionsmoments in einer Lenksäule eine Kraftfahrzeugs zu benutzen. Beispielsweise sind zwei Teilstücke der Säule durch einen Torsionsstaberbunden, und Permanentmagnete sind um die Säule herum verteilt. Ein Torsionsmoment, das auf die Lenksäule ausgeübt wird, bewirkt eine Verschiebung der Permanentmagnete, welche Verschiebung mit Hilfe eines Hall-Sonde zur Messung des Torsionsmoments detektiert wird.
Eine solche Meßvorrichtung weist den Nachteil auf, nicht ausreichend zuverlässig und empfindlich zu sein, insbesondere aufgrund der Verwendung eines Torsionsstabs geringer Steifheit. Ferner ist diese Vorrichtung sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
In diesem Zusammenhang hat die Erfindung zum Ziel, eine einfachere, kostengünstigere Meßvorrichtung vorzuschlagen, die es erlaubt, auf den Torsionsstab zu verzichten oder steifere Torsionsstäbe zu verwenden, und die ferner Betriebsmöglichkeiten bietet, die weniger temperaturempfindlich sind.
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung eine Meßvorrichtung für ein Torsionsmoment an einer Achse zwischen ersten und zweiten Elementen, umfassend:

– zumindest eine Anschlagsplatte, die mit einem der zwei Elemente verbunden ist;
– zumindest einen Sensor zur Messung der Auslenkung der Anschlagsplatte,

Die Vorrichtung kann ferner ein oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in technisch möglichen Kombinationen zu betrachten sind:

– die Vorrichtung umfaßt zwei Anschlagsplatten und zwei Sensoren, wobei jeder der Sensoren zur Messung der Verschiebung von einer der zwei Anschlagsplatten vorgesehen ist, und das Zwischenorgan ist zur Umwandlung der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Elemente entlang der Torsionsachse gegeneinander aufgrund des Torsionsmoments in jeweilige Verschiebungen der zwei Anschlagsplatten in entgegengesetzten Richtungen entlang der Meßrichtung vorgesehen;
– das Zwischenorgan ist dazu vorgesehen, die relative Verschiebung der ersten und zweiten Elemente gegeneinander in eine relative Verschiebung der oder jeder Anschlagsplatte mit größerer Auslenkung als der Verschiebung der ersten und zweiten Elemente gegeneinander umzuwandeln;
– das Zwischenorgan ist ein Teil, in das sich ein ringförmiges Volumen einfügt, das eine Drehachse um die Torsionsachse herum aufweist;
– das Zwischenorgan ist ein etwa ringförmiges Teil;
– das Zwischenorgan ist ein wellenförmiges Teil;
– das Zwischenorgan ist ein Teil aus einem elastisch deformierbaren Material;
– das Zwischenorgan umfaßt eine Anzahl von Befestigungspunkten am ersten Element, eine Anzahl von Befestigungspunkten am zweiten Element, und verformbare Bögen, die die Befestigungspunkte miteinander verbinden, wobei die oder jede Anschlagsplatte mit zumindest einigen ausgewählten Bögen verbunden ist;
– jeder Befestigungspunkt am zweiten Element ist zwischen zwei Befestigungspunkten am ersten Element angeordnet, und jeder Bogen verbindet einen Befestigungspunkt am ersten Element mit einem Befestigungspunkt am zweiten Element;
– alle oder ein Teil der Bögen des Zwischenorgans verbinden ihre jeweiligen Gipfelpunkte mit einer Anschlagsplatte durch Befestigungsmittel, welche Befestigungsmittel Mittel zu Erhaltung eines Zwischenraums zwischen den Gipfelpunkten der Bögen und der oder den Anschlagsplatten umfassen;
– die Mittel zur Erhaltung eines Zwischenraums sind durch Buckel gebildet, die auf allen oder einem Teil der Gipfelpunkte der Bögen angeordnet sind;
– die Befestigungspunkte sind in der gleichen Ebene angeordnet, und alle Bögen sind am gleichen Rand dieser Ebene angeordnet;
– die ersten und zweiten Elemente sind dazu vorgesehen, sich um die Torsionsachse aufgrund der Wirkung des Torsionsmoments zu drehen, und das Zwischenorgan ist ein im wesentlichen ringförmiges Teil, dessen Befestigungspunkte kreisförmig in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu Rotationsachse steht;
– das erste Element ist einteilig mit dem zweiten Element zur Bildung einer Rotationswelle verbunden;
– zumindest eines der Elemente ist mit der Welle durch einen Muffe verbunden, die die Welle umgibt;
– die ersten und zweiten Elemente sind verschieden voneinander, und die Vorrichtung umfaßt einen Torsionsstab zur Übertragung des Torsionsmoments zwischen den ersten und zweiten Elementen;
– die ersten und zweiten Elemente sind verschieden voneinander, und das Zwischenorgan ist zur Übertragung des Torsionsmoments zwischen den ersten und zweiten Elementen vorgesehen; und
– die Vorrichtung umfaßt ferner Mittel zur Messung der Winkelverschiebung der zumindest einen Anschlagsplatte, welche Mittel in der Nähe der Anschlagsplatte angeordnet sind.

Gemäß einem zweiten Aspekt umfaßt die Erfindung eine Anordnung aus einer Rotationswelle mit einem ersten Element und einem zweiten Element, das mit dem ersten Element drehbar verbunden ist, und einer Vorrichtung zur Messung des Torsionsmoments zwischen den genannten ersten und zweiten Elementen, wobei sich die Rotationswelle entlang der Torsionsachse erstreckt.
Die Anordnung kann ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in technisch möglichen Kombinationen zu betrachten sind:

– die Welle bildet eine Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, das erste Element ist drehbar mit einem Lenkrad verbunden, und das zweite Element ist dazu vorgesehen, die Richtungsräder des Fahrzeugs auszurichten; und
– die Welle ist eine Auslaßwelle einer Rotationsmaschine, wobei das erste Element mit dem Rotor der Maschine verbunden ist und das zweite Element eine Last aufnimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung deutlich, welche beispielhaft und in keiner Weise beschränkend mit Bezug auf die folgenden Figuren erfolgt:
1 ist eine schematische Teildarstellung einer Rotationswelle wie etwa der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung eines Torsionsmoments auf die Welle;
2 ist eine perspektivische Ansicht des Verstärkungsorgans der Verschiebung in 1;
3 ist eine ähnliche Ansicht wie in 2 und zeigt unter anderem zwei ringförmige Anschlagsplatten, die von dem Verstärkungsorgan getragen werden;
4 ist ein radialer Schnitt durch das Verstärkungsorgan und die zwei Anschlagsplatten entlang der Achse IV-IV in 3;
5 ist ein radialer Schnitt durch das Verstärkungsorgan und die zwei Anschlagsplatten entlang der Achse V-V in 3;
6 ist eine Ansicht ähnlich wie in 4 einer Variante der Ausführung der Erfindung;
7 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Torsionsmoments in einer Ruhestellung, in der das Torsionsmoment null ist;
8 ist eine Darstellung ähnlich wie in 6 der Meßvorrichtung in einer sogenannten Drehmomentsituation, in der das Torsionsmoment nicht gleich null ist;
9 bis 11 sind Ansichten ähnlich wie in 1 von Ausführungsvarianten der Erfindung; und
12 ist eine schematische vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Vorrichtung zur Messung des Torsionsmoments Mittel zur Messung der Winkelverschiebung von einer der Anschlagsplatten umfaßt.
1 zeigt teilweise eine Rotationswelle 2 und eine Vorrichtung 4 zur Messung eines Torsionsmoments im Inneren der Rotationswelle 2. Das Torsionsmoment wirkt entlang der Längsachse X der Rotationswelle 2. Die Rotationswelle 2 kann in nicht beschränkender Weise die Lenksäule eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, eine Transmissionswelle oder eine Ausgangswelle einer Rotationsmaschine sein. wie etwa eines Elektromotors oder Verbrennungsmotors.
Bei einer Lenksäule ist die Lenksäule 2 an einem ersten Ende 6, das in 1 rechts angeordnet ist, mit dem Lenkrad eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) verbunden. Sie ist zur Drehung mit dem Lenkrad um die Längsachse X verbunden und erstreckt sich entlang dieser Achse X. Die Säule 2 ist dazu vorgesehen, die Richtungsräder des Kraftfahrzeugs auszurichten, und zwar über das zweite Ende 8, das dem ersten Ende gegenüberliegt und in der 1 links angeordnet ist.
Im Fall einer Ausgangswelle einer Rotationsmaschine wird die Säule 2 an einem ersten Ende 6, das mit dem Rotor der Maschine fest verbunden ist, zur Drehung angetrieben und überträgt eine Rotationsbewegung zum Lastantrieb des gegenüberliegenden zweiten Endes B.
Die Meßvorrichtung 4 umfaßt:

– eine erste Hülse 10, die fest mit einem ersten Teil 11 der Rotationswelle 2 verbunden ist, der beispielsweise in der Nähe seines ersten Endes 6 angeordnet ist,
– eine Muffe 12, die fest mit einem zweiten Teil 13 der Welle 2 verbunden ist, der mehr oder weniger in der Nähe des zweiten Endes 8 angeordnet ist,
– eine zweite Hülse 14, die fest mit der Muffe 12 verbunden ist,
– ein Verstärkungsorgan 16, das erste und zweite bewegliche Anschlagsplatten 18 und 20 trägt und
– Sensoren 22 und 24 zur jeweiligen Messung der axialen Auslenkungen der ersten und zweiten Anschlagsplatten 18, 20 entlang der Längsachse X.

Die Muffe 12 weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Sie ist um die Rotationswelle 2 herum angeordnet und liegt im wesentlichen koaxial zu dieser Welle 2. Die Muffe 12 weist ein festes starres Ende 26 auf, das an der Welle 2 in der Nähe des zweiten Endes 8 dieser Welle 2 befestigt ist. Die Muffe 12 erstreckt sich axial von ihrem festen Ende 26 bis zu einem freien Ende 28, das in der Nähe der Hülse 10 angeordnet ist. Die Muffe 12 ist an der Welle 2 ausschließlich an ihrem Ende 26 befestigt und ist gegenüber der Welle 2 über den Rest ihrer axialen Länge frei.
Die erste Hülse 10 umläuft die Welle 2. Die zweite Hülse 14 umläuft die Muffe 12 und ist fest an dem freien Ende 28 der Muffe 12 befestigt. Die zweite Hülse 14 ist in Bezug auf die Hülse 10 in der Nähe derselben angeordnet. Die Ausübung eines Torsionsmoments auf die Welle 2 erzeugt eine Winkelverschiebung zwischen den zwei Hülsen 10, 14 um die Längsachse X.
Wie in 2 dargestellt ist, ist das Verstärkungsorgan 16 ein Teil, das sich in ein ringförmiges Volumen einpaßt, das eine Rotationsachse um die Längsachse X herum aufweist. Dieses Organ hat eine allgemein ringförmige Form, vorzugsweise mit einer Drehsymmetrie um die genannte Längsachse X. Das Verstärkungsorgan 16 ist vorzugsweise ein ringförmiges elastisches Teil, das die Muffe 12 umgibt. Wie in 1 dargestellt ist, ist das Verstärkungsorgan 16 axial an einem Rand der Hülse 14 gegenüber der Hülse 10 angeordnet.
Das Organ 16 weist eine wellenförmige Form auf. Es trägt eine Anzahl von Befestigungspunkten 30 an der ersten Hülse 10, eine Anzahl von Befestigungspunkten 32 an der zweiten Hülse 14 und verformbare Bögen 34 (oder Materialbrücken), die die Befestigungspunkte 30 und 32 miteinander verbinden.
Wie man in 2 sieht, sind die Befestigungspunkte 30, 32 kreisförmig in der gleichen Ebene P senkrecht zur Achse X angeordnet; die Ebene P schneidet die Achse X in Punkt O. Jeder Befestigungspunkt 30 an der ersten Hülse 10 ist zwischen zwei Befestigungspunkten 32 an der zweiten Hülse 14 angeordnet. Somit verbinden die Bögen 34 die Befestigungspunkte 30 mit den Befestigungspunkten 32. Alle Bögen 34 sind beispielsweise am gleichen Rand der Ebene P angeordnet und wölben sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene P, d. h. parallel zur Achse X. Die Bögen 34 sind in einer Richtung gegenüberliegend zur Hülse 14 gekrümmt.
Das Organ 16 ist aus einem relativ elastischen Material hergestellt, wie beispielsweise einem Polymer oder aus Metall. Das Organ 16 umfaßt typischerweise drei Punkte 30, drei Punkte 32 und sechs Bögen 34.
Das Verstärkungsorgan 16 ist fest mit den Hülsen 10 oder 14 durch Schrauben oder Bolzen 36 verbunden. Der äußere Durchmesser der Hülse 14 ist größer als derjenige der Hülse 10. Infolge dessen sind Öffnungen 38 in der Hülse 14 zum Durchlaß der Bolzen 36 angeordnet, welche die Hülse 10 mit dem Verstärkungsorgan 16 verbinden. Die Größe der Öffnungen 38 ist so gewählt, das eine Winkelverschiebung der Hülse 10 gegenüber der Hülse 14 möglich wird.
Die Anschlagsplatten 18 und 20 sind Teile mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche senkrecht zur Längsachse X. Diese Anschlagsplatten 18, 20 sind vorzugsweise rotationssymmetrisch um diese Achse X, sind vorzugsweise konzentrisch und allgemein ringförmig und erstrecken sich in Ebenen, die jeweils parallel zur Ebene P stehen. Die erste Anschlagsplatte 18 weist einen inneren Durchmesser auf, der etwas größer ist als der Außendurchmesser der zweiten Anschlagsplatte 20. Sie sind an einem Rand des Organs 16 der Hülse 14 gegenüberliegend angeordnet.
Wie in den 3 bis 6 dargestellt ist, sind die Bögen 34 an ihren Gipfelpunkten 35 jeweils mit den Anschlagsplatten 18 und 20 durch Befestigungsmittel 60, 61 verbunden; diese Befestigungsmittel ermöglichen es, die Anschlagsplatten 18, 20 unabhängig voneinander anzutreiben.
Wie in den 2, 4 und 5 gezeigt ist, umfassen die Befestigungsmittel der Anschlagsplatten 18, 20 und der Bögen 34 Mittel zur Erhaltung eines Zwi schenraums zwischen dem Gipfelpunkt 35 der Bögen 34 und den zwei Anschlagsplatten 18, 20, welche Mittel zur Beabstandung vorteilhafterweise durch erste 60 und zweite Buckel 61 gebildet werden, die auf den Gipfelpunkten 35 der genannten Bögen 34 angeordnet sind.
Allgemein sind somit die Anschlagsplatten 18, 20 an den Gipfelpunkten 35 der Bögen 34 unter Zwischenanordnung der Mittel zur Aufrechterhaltung eines Zwischenraums zwischen dem jeweiligen Gipfelpunkt 35 und den beiden Anschlagsplatten 18, 20 befestigt.
Wie in 2 dargestellt ist, erstrecken sich die Gipfelpunkte 35 der Bögen 34 in einer Ebene, die im wesentlichen parallel zur Ebene P steht, und tragen entweder einen ersten Buckel 60 oder einen zweiten Buckel 61. Jeder Buckel 60, 61 bildet eine Fläche, die im wesentlichen parallel zur Ebene P steht und über dem jeweiligen Gipfelpunkt 35 vorspringt und dessen Höhe sich in der Richtung X erstreckt.
Vorteilhafterweise sind die ersten Buckel 60 und zweiten Buckel 61 abwechselnd auf den Gipfelpunkten 35 der Bögen 34 verteilt. Die ersten Buckel 60 erstrecken sich radial auf einer ersten Zone des Gipfelpunkts 35 des Bogens 34, beispielsweise vom äußeren Umfang 160 des ringförmigen Verstärkungsorgans 16. Die zweiten Buckel 61 erstrecken sich radial auf einer zweiten Zone des Gipfelpunkts des Bogens 34, beispielsweise beginnend am inneren Umfang 161 des Verstärkungsorgans 16; die zweite Zone ist von der ersten Zone des Gipfelpunkts 35 des Bogens 34 verschieden.
Die 4 und 5 zeigen radiale Schnitte der Anordnung aus dem Verstärkungsorgan und den zwei Anschlagsplatten 18, 20 in einer Ebene, die die Längsachse X enthält und die Gipfelpunkte 35 durchläuft, wo diese jeweils mit den ersten 60 und zweiten Buckeln 61 versehen sind. Wie in 5 darge stellt ist, ist die erste Anschlagsplatte 18 auf den zweiten Buckeln 60 befestigt, die auf den Gipfelpunkten von drei der Bögen 34 gebildet werden. Wie in 4 sichtbar ist, ist die zweite Anschlagsplatte 20 bezüglich dieser auf den zweiten Buckeln 61 befestigt, die auf den Gipfelpunkten der drei anderen Bögen 34 gebildet sind. Die Bögen 34, die mit der ersten Anschlagsplatte 18 verbunden sind, und die Bögen 34, die mit der zweiten Anschlagsplatte 20 verbunden sind, wechseln sich somit um das Organ 16 herum ab.
Die Anschlagsplatten 18, 20 sind beispielsweise an den Buckeln 60, 61 in nicht beschränkender Weise durch Verfahren wie etwa Schweißen, Kleben oder Schrauben befestigt. Wie in 6 dargestellt ist, können alternativ zu den Buckeln die Verbindungsmittel zumindest eine Befestigungsschraube 62 umfassen, die eine entsprechende Öffnung in eine Anschlagsplatte 18, 20 und den Gipfelpunkt 35 des entsprechenden Bogens 34 unter Zwischenlage einer Unterlegscheibe 63 um die Schraube 62 herum zur Aufrechterhaltung eines Zwischenraums zwischen der Anschlagsplatte 18, 20 und dem jeweiligen Gipfelpunkt 35 durchläuft. Eine Mutter 64 wirkt mit dem Gewindeende der Schraube 62 zusammen und gerät in Anschlag gegen die Anschlagsplatte 18, 20 oder das Verstärkungsorgan 16.
Wie in den 1 und 12 dargestellt ist, sind die Sensoren 22 und 24 Näherungssensoren zur Messung der jeweiligen axialen Verschiebungen der ersten Anschlagsplatte 18 und der zweiten Anschlagsplatte 20 in der Richtung X. Die Sensoren 22,24 sind mit einem Element verbunden, das bezüglich der Rotationswelle 2 fest steht, so daß sie in einem festen Bezugssystem angeordnet sind, einerseits in einer Richtung parallel zur Achse X gegenüber jeder beweglichen Anschlagsplatte und andererseits in einer radialen Richtung senkrecht zur Achse X. Die ringförmige Struktur der Anschlagsplatten 18 und 20 und die Anordnung der Sensoren 22 und 24 ermöglichen gleichzeitig die kollisionsfreie Drehung der Anschlagsplatten 18, 20, die durch die Rotationswelle 2 angetrieben werden, und die Messung des Abstands zwischen den zwei Anschlagsplatten 18, 20 und den Sensoren 22, 24 in dem festen Koordinatensystem.
Die Abstandssensoren 22, 24 sind vorzugsweise berührungslose Sensoren. Es handelt sich beispielsweise um induktive Sensoren mit variabler Reluktanz, um Wirbelstrom-Sensoren, um Sensoren auf Grundlage des Magneto-Wider stands, um Hall-Effekt-Sonden, um kapazitive Sensoren oder um optische Sensoren. Die Art der Anschlagsplatten 18 und 20 kann in Abhängigkeit von der Funktion der Sensoren gewählt werden. Falls es sich bei den Sensoren um Wirbelstrom-Sensoren handelt, können die ringförmigen Anschlagsplatten metallisch oder mit einem elektrischen Leiter beschichtet sein, um die Detektion eines elektromagnetischen Signals durch die Sensoren 22, 24 zu ermöglichen. Im Fall eines Sensors auf Basis des Magneto-Widerstands oder des Hall-Effekts wird die Anschlagsplatte mit magnetischen Materialien beschichtet sein. Im Fall optischer Sensoren wie beispielsweise Lasern wird die Anschlagsplatte mit einem reflektierenden Material beschichtet.
Die Vorrichtung umfaßt ferner Rechnermittel 40, die mit den Sensoren 22 und 24 verbunden sind. Die Rechnermittel 40 empfangen die Ergebnisse der von den Sensoren 22 und 24 durchgeführten Messungen und sind dazu vorgesehen, daß Torsionsmoment im Inneren der Welle 2 durch Berechnung oder mit Hilfe vorbestimmter Kurven abzuleiten.
Die Funktionsweise dieser Meßvorrichtung wird im folgenden detailliert beschrieben.
Wenn die Rotationswelle 2 ein Torsionsmoment aufnimmt, verformt sich die Welle 2, und die gegenüberliegenden Enden 6 und 8 der Welle 2 unterliegen einer Winkelverschiebung gegeneinander um die Achse X. Infolge dessen unterliegen auch die erste Hülse 10, die mit dem ersten Teil 11 der Welle 2 in der Nähe des Endes 6 verbunden ist, und die Muffe 12, die mit dem zweiten Teil 13 der Welle 2 in der Nähe des gegenüberliegenden Endes 8 verbunden ist, einer Winkelverschiebung gegeneinander (entsprechend einer Drehung mit kleinem Ausschlag). Die Hülse 14 ist mit der Muffe 12 verbunden, so daß die Hülsen 10 und 14 eine Winkelverschiebung gegeneinander erfahren. Die Winkelverschiebung entspricht kleinen relativen Verschiebungen in Umfangsrichtung der Hülse 14 gegenüber der Hülse 10.
Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, führt die Winkelverschiebung der Hülsen 10 und 14 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse X zu einer kleinen Verschiebung der Anschlagsplatten 18 und 20 parallel zur Achse X. Übrigens sind das Material zum Aufbau des Organs 16 und seine Geometrie derart gewählt, daß der Ausschlag der axialen Verschiebung der Anschlagsplatten 18 und 20 eher größer ist als die Amplitude T der relativen Umfangsverschiebung der zwei Hülsen 10 und 14, beispielsweise um einen Faktor, der im wesentlichen zwischen 3 und 10 liegt.
Demnach stellt das Verstärkungsorgan 16 eine Umwandlung des Torsionsmoments auf die Welle 2 in eine axiale Verschiebung der Anschlagsplatten sicher, die leicht meßbar ist.
In 7 ist eine Ruhesituation dargestellt, in der kein Torsionsmoment auf die Rotationswelle in der Längsrichtung X ausgeübt wird.
8 zeigt eine Situation, die als Drehmomentsituation bezeichnet wird, in der die Welle 2 einer Torsinn unterworfen ist. In dieser Position wird angenommen, daß die Hülse 14 fest steht und daß die Hülse 10 nach rechts in 8 relativ zur Hülse 14 verschoben wird, wie durch den Pfeil T dargestellt ist, entsprechend einer relativen Umfangsverschiebung der zwei Hülsen.
Wie in 8 sichtbar ist, bleiben die Punkte 30 des Organs 16, die mit der Hülse 10 verbunden sind, fest, während die mit der Hülse 14 verbundenen Punkte 32 sich in 8 nach rechts verschieben. Es sei hier angenommen, daß die Verbindungen zwischen den Bolzen 36 und dem Organ 16 einerseits und zwischen dem Bolzen 36 und den Hülsen 10 und 14 andererseits ausreichend fest sind, so daß die Bolzen 36 ständig verhältnismäßig parallel zur Achse X stehen. Somit erfahren die Punkte 32 die gleiche relative Verschiebung T gegenüber den Punkten 30.
Diese relative Verschiebung T der Punkte 32 gegenüber den Punkten 30 führt zu einer Verbiegungsdeformation der Bögen 34, die zu ihrer Verschiebung entlang der Richtung X führt, die jeweils durch Pfeile L₀ und L₁ in 8 dargestellt ist.
Die Bögen 34, die in 8 rechts von den Befestigungspunkten 32 angeordnet sind, werden zusammengedrückt, da die sie einschließenden Befestigungspunkte 30 und 32 dazu tendieren sich anzunähern. Hierdurch hat die Konvexität dieser Bögen 34 die Tendenz anzuwachsen, und die Höhe dieser Bögen 34 neigt dazu sich zu vergrößern. In dem Ausführungsbeispiel in den 7 und 8 entsprechen diese Bögen 34 den Bögen, auf welchen auf den Gip felpunkten 35 die zweiten Buckel 61 angeordnet sind, die mit der zweiten Anschlagsplatte 20 verbunden sind.
Demnach wird sich die zweite Anschlagsplatte 20, die an den Bögen 34 befestigt ist, nach oben in 7 verschieben und sich beispielsweise an einen der Sensoren 22, 24 annähern; in diesem Ausführungsbeispiel sind die zwei Sensoren 22, 24 an derselben Seite der zwei Anschlagsplatten angeordnet. Da der zweite Sensor 24 die axiale Verschiebung der zweiten Anschlagsplatte 20 mißt, mißt er in der Ruhestellung einen Abstand D20 zwischen diesem Sensor 24 und der Anschlagsplatte 20, und er mißt in der Drehmomentsituation einen Abstand D'₂₀. Somit entspricht die axiale Verschiebung der zweiten Anschlagsplatte 20 dem Wert (D₂₀ – D'₂₀); dieser Wert ist hier aufgrund der oben beschriebenen Annäherung positiv.
Im Gegensatz dazu erfahren die Bögen 34, die in 8 links von den Befestigungspunkten 32 gelegen sind, eine Streckung, da die Befestigungspunkte 30 und 32, die diese einschließen, dazu neigen, sich voneinander zu entfernen. Die Wölbung dieser Bögen 34 neigt dazu sich zu vermindern, so daß sich die Höhe dieser Bögen 34 vermindert. In dem Ausführungsbeispiel der 7 und 8 entsprechen diese Bögen 34 denjenigen Bögen, auf welchen an den Gipfelpunkten 35 die ersten Buckel 60 angeordnet sind, die mit der ersten Anschlagsplatte 18 verbunden sind.
Somit wird sich die erste Anschlagsplatte 18, die mit den Bögen 34 verbunden ist, nach unten in 4 verschieben und sich beispielsweise von einem der Sensoren 22, 24 entfernen. Da der erste Sensor 24 die axiale Verschiebung dieser ersten Anschlagsplatte 18 mißt, mißt er in der Ruhestellung eine Abstand D₁₈ zwischen diesem Sensor 18 und dieser Anschlagsplatte 18, und er mißt in der Drehmomentsituation einen Abstand D'₁₈. Demnach entspricht die axiale Verschiebung der ersten Anschlagsplatte 18 dem Abstand (D₁₈–D^, ₁₈); dieser Wert wird aufgrund der oben beschriebenen Entfernung voneinander negativ sein.
Der Ausschlag oder der Wert der axialen Verschiebungen der Anschlagsplatten 18 und 20 wird demnach durch die Sensoren 22 und 24 bestimmt, welche diese Informationen an die Rechnermittel 40 übertragen. Diese Rechnermittel bewerten aufgrund dieser Informationen das Torsionsmoment, das auf die Rotationswelle 2 ausgeübt wird.
Die Mittel 60, 61 zur Aufrechterhaltung eines Zwischenraums zwischen dem Gipfelpunkt 35 der Bögen 34 und den zwei Anschlagsplatten 18, 20 ermöglichen axiale Verschiebungen der zwei Anschlagsplatten 18, 20 ohne Kollision zwischen den Gipfeln 35 der Bögen 34 und den Anschlagsplatten 18, 20. Somit lassen die ersten Buckel 60 die axiale Verschiebung der ersten Anschlagsplatte 18 ohne Kollision mit den Gipfelpunkten 35 der Bögen 34 zu, die mit der zweiten Anschlagsplatte 20 verbunden sind. In gleicher Weise ermöglichen die zweiten Buckel 61 die axiale Verschiebung der zweiten Anschlagsplatte 20 ohne Kollision mit den Gipfelpunkten 35 der Bögen 34, die mit der ersten Anschlagsplatte 18 verbunden sind.
In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Bedingung der Kollisionsfreiheit für die erste Anschlagsplatte 18 beschrieben durch: X'61 < X'60 + e und es sei X61 + |L1| < X60 – |L0| + e (E0)wobei

– X₆₀, X'₆₀ Koordinaten entlang der Achse X entsprechen, jeweils in der Ruhesituation und in der Drehmomentsituation, des Gipfelpunkts 35, auf welchem der ersten Buckel 60 angeordnet ist;
– X₆₁, X'₆₁ entsprechen jeweils Koordinaten entlang der Achse X in der Ruhesituation und in der Drehmomentsituation des Gipfelpunkts 35, auf welchem der zweite Buckel 61 angeordnet ist;
– L₀ und L₁ entsprechen axialen Verschiebungen der Gipfelpunkte 35, auf welchen jeweils die ersten 60 und zweiten Buckel 61 angeordnet sind; und
– e entspricht dem Wert des Zwischenraums zwischen den Gipfelpunkten 35 und den Anschlagsplatten 18, 20, entsprechend der Dicke der Buckel 60, 61.

Unter der Annahme, daß X₆₁ = X₆₀, d. h., daß die Gipfelpunkte 35 in der Ruheposition alle in der gleichen Ebene liegen, ergibt die Gleichung (E₀): e > |L1| + |L0| (E1)unter der Annahme, daß |L₁| = |L₀| = wobei L_MAX, der maximalen Verschiebung der Anschlagsplatten 18, 20 ergibt, ergibt die Gleichung (E₁): e > 2 LMAX
Es versteht sich, daß der Abstand zwischen der ersten Anschlagsplatte 18 und dem Verstärkungsorgan 16 verschieden von dem Abstand zwischen der zweiten Anschlagsplatte 20 und dem Verstärkungsorgan 16 sein kann, was von Bedeutung ist, damit keine Kollision zwischen der einen oder der anderen Anschlagsplatte mit dem Verstärkungsorgan 16 auftritt.
Wie in 12 gezeigt ist, kann die Vorrichtung 4 ferner Mittel 42 zur Messung der Winkelauslenkung der Anschlagsplatte 18 aufgrund des auf die Rotationswelle 2 ausgeübten Torsionsmoments umfassen. Diese Mittel 42 umfassen beispielsweise eine Hall-Sonde 44, die in der Nähe des äußeren Rands 46 der ringförmigen Anschlagsplatte 18 angeordnet ist, und Dauermagnete, die gleichmüßig entlang des Umfangsrands 46 der Anschlagsplatte verteilt sind.
Die zuvor beschriebene Meeßvorrichtung weist verschiedene Vorteile auf.
Sie benötigt keine Verwendung eines Torsionsstabs aufgrund des Einsatzes eines Zwischenorgans zur Umwandlung der Winkelverschiebung der ersten und zweiten Hülsen 10 und 14 gegeneinander in eine axiale Verschiebung der Anschlagsplatten 22 und 24. Diese axiale Verschiebung ist viel einfacher und ökonomischer zu messen als eine Winkelverschiebung.
Außerdem kann das Organ 16 die Rolle eines Verstärkers spielen, und eine leichte Umfangsverschiebung der Hülsen 10 und 14 gegeneinander kann durch das Organ 16 in eine viel größere Verschiebung der Anschlagsplatten 18 und 20 umgewandelt werden.
Unter anderem erlaubt das Organ 16 eine Umwandlung der relativen Verschiebung der ersten 10 und zweiten Hülsen 14 gegeneinander aufgrund des Torsionsmoments in jeweilige Verschiebungen L₀ und L₁ der zwei Anschlagsplatten 18 und 20 in umgekehrten Richtungen entlang der Längsrichtung. Man führt demnach redundante Messungen des Torsionsmoments an der Rotationswelle 2 durch. Diese zwei Messungen bieten die Möglichkeit einer Differenzmessung, die es erlaubt, bestimmte Fehler zu eliminieren, insbesondere solche aufgrund thermo-mechanischer Effekte.
Das Organ 16 hat eine einfache Form und kann beispielsweise preiswert durch Gießen hergestellt werden.
Die Meßvorrichtung kann zur Messung des Drehmoments vorgesehen werden, das insbesondere durch das Lenkrad oder das Zahnrad auf der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs ausgeübt wird, das in einer Richtung unter elektrischer oder hydraulischer Unterstützung ausgeübt wird. In Fahrzeugen, die mit einem elektrischen Hilfsmotor ausgestattet sind, kann die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung zur Messung eines durch den Elektromotor ausgeübten Drehmoments verwendet werden. Allgemein erlaubt die Meßvorrichtung die berührungslose Messung an einer Ausgangswelle einer Rotationsmaschine.
Schließlich werden die Kräfte, die vom Ende 6 der Rotationswelle 2 an das gegenüberliegende Ende 8 übertragen werden, nicht durch das Organ 16 geleitet. Diese Kräfte werden direkt entlang der Welle 2 übertragen. Die Hülsen 10 und 14 und das Organ 16 müssen daher nicht so dimensioniert werden, daß sie den maximalen Kräften zum Halten der Welle 2 widerstehen können, typischerweise den Kräften, die im Fall eines Einbruchsversuchs des Fahrzeugs auftreten.
Die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung kann in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden.
In 1 wird eine Muffe 12 zum Halten der Hülse 14 an einem Punkt 13 der Welle 2 verwendet, der von der Hülse 14 entfernt ist, um den Torsionswinkel aufgrund des Drehmoments zu vergrößern und die Messung des Drehmoments zu erleichtern. Je länger die Muffe ist, desto ausgeprägter ist der Torsionswinkel. Es ist auch möglich, die Hülse 10 mit der Welle 2 durch eine Muffe zu verbinden, die sich entlang der Welle 2 in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des Punkts 13 zu verbinden. Die Verwendung von zwei Muffen ermöglicht eine Vergrößerung des Torsionswinkels aufgrund des Drehmoments und eine Erleichterung der Messung des Drehmoments.
In der Ausführungsform, die in 9 dargestellt ist, ist die Welle 2 in zwei Teile 50 und 52 unterteilt, die axial in der Verlängerung voneinander angeordnet sind. Die Teile 50 und 52 sind miteinander durch Mittel 53 zur drehbaren Verbindung um die Achse X verbunden, welche die freie Drehung des Teils 50 gegenüber dem Teil 52 zulassen. Die Hülse 10 ist fest an dem Teil 50 angebracht, und die Hülse 14 ist fest am Teil 52 angebracht. Wie oben beschrieben, ist das Umwandlungsorgan 16 fest an den Hülsen 10 und 14 durch Bolzen 36 angebracht. Die Funktionsweise der Meßvorrichtung in 5 ist genau vergleichbar mit der Funktionsweise der Meßvorrichtung in 1. Ein auf die Welle 2 ausgeübtes Torsionsmoment bewirkt eine relative Winkelverschiebung der Teile 50 und 52 um die Drehverbindung 53 und somit der Hülsen 10 und 14 gegeneinander. Diese Winkelverschiebung wird in eine axiale Verschiebung der Anschlagsplatten 18 und 20 umgewandelt. Hingegen werden die Torsionskräfte vom Ende 6 der Welle 2 an ihr gegenüberliegendes Ende 8 nacheinander durch die Hülse 10, das Organ 16 und die Hülse 14 übertragen. Diese Organe müssen daher so dimensioniert sein, _daß sie die maximale Kraft aufnehmen können, für die die Welle 2 dimensioniert ist.
Ein besonderer Fall dieser Ausführungsform besteht darin, überhaupt keine Drehverbindung 53 zu verwenden, und die zwei Teile 50 und 52 sind somit unabhängig und bilden beispielsweise jeweils eine Welle, die sich entlang der Längsrichtung X erstreckt. In diesem Fall stellen die Organe 10, 14, 16 nicht nur die Übertragung der Kräfte sicher, sondern auch die Führung des Teils 50 gegenüber dem Teil 52.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die derjenigen aus 5 sehr nahe steht. In dieser Ausführungsform weist die Hülse 14 einen verminderten Durchmesser gegenüber der Hülse 10 auf. Die Bolzen 36 zur Verbindung des Organs 16 mit der Hülse 10 sind außerhalb der Hülse 14 angeordnet. Diese weist keine Öffnung 38 mehr zum Durchlaß der Bolzen 36 auf.
In noch einer weiteren Ausführungsform, die in 11 dargestellt ist, sind die Teile 50 und 52 der Welle 2 fest durch einen Torsionsstab 54 verbunden. Die Meßvorrichtung ist außerdem ähnlich zu derjenigen in 9. In dieser Ausführungsform werden die Torsionskräfte vom Ende 6 der Welle 2 zu ihrem gegenüberliegenden Ende 8 durch den Torsionsstab 54 übertragen und nicht über das Verstärkungsorgan 16. Das Organ 16 muß nicht so dimensioniert sein, daß es die maximalen Kräfte aufnimmt, die auf die Welle 2 in einem Einbruchsversuch auftreten.
Das Verstärkungsorgan 16 kann eine Anzahl von Befestigungspunkten und eine Anzahl von Materialbrücken aufweisen, die von Sechs verschieden ist, beispielsweise Vier, oder jede andere Zahl, die an die Größe der Hülsen und an die weiterzuleitenden Kräfte angepaßt ist.
Das Organ 16 kann axial zwischen den Hülsen 10 und 14 angeordnet sein. In diesem Fall werden die Anschlagsplatten 18 und 20 zwischen dem Organ 16 und einer der zwei Hülsen angeordnet. Die Anschlagsplatten 18 und 20 können auch Öffnungen zum Durchlaß der Bolzen 36 zur Verbindung des Organs 16 mit der entsprechenden Hülse aufweisen.
Für preiswerte Anwendungen kann die Torsinns-Meßvorrichtung vereinfacht werden und nicht mehr benötigen als eine einzige Anschlagsplatte 18 und einen einzigen Positionssensor 22.

Claims

Meßvorrichtung (4) zur Messung eines Torsionsmoments entlang einer Achse (X) zwischen einem ersten (11; 50) und einem zweiten (13; 52) Element, umfassend: – zumindest eine Anschlagsplatte (18, 20), die mit einem der beiden Elemente verbunden ist; – zumindest einen Meßfühler (22, 24) für die Verschiebung der Anschlagsplatte (18, 20); gekennzeichnet durch ein Zwischenorgan (16), das von den ersten und zweiten Elementen (11, 13; 50, 52) verschieden ist und zur Umwandlung einer relativen Winkelauslenkung des ersten und des zweiten Elements (11, 50; 13, 52) gegeneinander aufgrund des Torsionsmoments in eine Verschiebung der Anschlagsplatte (18, 20) in einer Meßrichtung umzuwandeln, die im wesentlichen parallel zur Torsionsachse (X) des ersten und zweiten Elements (11, 13; 50, 52) liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Anschlagsplatten (18, 20) und zwei Meßfühler (22, 24), von denen jeder Meßfühler dazu vorgesehen ist, die Verschiebung einer der zwei Anschlagsplatten (18, 20) zu messen, wobei das Zwischenorgan (16) dazu vorgesehen ist, die relative Verschiebung der ersten und zweiten Elemente (11, 13; 50, 52) gegeneinander aufgrund des Torsionsmoments entlang der Torsionsachse (X) in entsprechende Verschiebungen der zwei Anschlagsplatten (18, 20) in entgegengesetzte Richtungen entlang der Meßrichtung umzuwandeln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenorgan (16) dazu vorgesehen ist, die relative Verschiebung des ersten und zweiten Elements (11, 13; 50, 52) gegeneinander in eine relative Verschiebung der oder jeder Anschlagsplatte (18, 20) mit größerer Auslenkung als die Verschiebung des ersten und zweiten Elements (11, 13, 50, 52) gegeneinander umzuwandeln.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenorgan (16) ein Teil ist, das sich in ein ringförmiges Volumen einpaßt, welches eine Rotationsachse um die Torsionsachse (X) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenorgan (16) ein im wesentlichen ringförmiges Teil ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenorgan (16) ein wellenförmiges Teil ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenorgan (16) ein Teil aus einem elastisch deformierbaren Material ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenorgan (16) eine Anzahl von Befestigungspunkten (30) am ersten Element, eine Anzahl von Befestigungspunkten (32) am zweiten Element und verformbare Bögen (34) aufweist, die die Befestigungspunkte (30, 32) miteinander verbinden, wobei die oder jede Anschlagsplatte (18, 20) zumindest mit einigen der Bögen (34) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Befestigungspunkt (32) am zweiten Element zwischen zwei Befestigungspunkten (30) am ersten Element angeordnet ist, und daß jeder Bogen (34) einen Befestigungspunkt (30) am ersten Element mit einem Befestigungspunkt (32) am zweiten Element verbindet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder ein Teil der Bögen (34) des Zwischenorgans (16) an ihren jeweiligen Gipfelpunkten (35) mit einer Anschlagsplatte (18, 20) durch Befestigungsmittel verbunden sind, welche Befestigungsmittel Mittel umfassen, um einen Zwischenraum zwischen dem Gipfelpunkt (35) der Bögen (34) und der oder den Anschlagsplatten (18, 20) zu erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erhaltung eines Zwischenraums als Buckel (60, 61) ausgebildet sind, die auf allen oder einem Teil der Gipfelpunkte (35) der Bögen (34) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungspunkte (30, 32) in der gleichen Ebene (P) angeordnet sind, und daß alle Bögen (34) am gleichen Rand dieser Ebene (P) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elemente dazu vorgesehen sind, sich um die Torsionsachse (X) aufgrund des Torsionsmoments zu drehen, und daß das Zwischenorgan (16) ein etwa ringförmiges Teil ist, dessen Befestigungspunkte (30, 32) kreisförmig in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse (X) steht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (11) einteilig mit dem zweiten Element (13) zur Bildung einer Rotationswelle (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Elemente (11, 13) mit der Welle (2) durch eine Muffe (12) verbunden ist, die die Welle (2) umgibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (50) und zweiten (52) Elemente voneinander verschieden sind, und daß die Vorrichtung eine Torsionsstange (54) umfaßt, die zur Übertragung des Torsionsmoments zwischen den ersten und zweiten Elementen (50, 52) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elemente (50, 52) voneinander verschieden sind, und daß das Zwischenorgan (16) zur Übertragung des Torsionsmoments zwischen dem ersten und zweiten Element (50, 52) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, ferner gekennzeichnet durch Mittel (42) zur Messung der Winkelverschiebung der zumindest ei nen Anschlagsplatte (18), welche Mittel (42) in der Nähe der Anschlagsplatte (18) angeordnet sind.
Anordnung aus einer Rotationswelle (2) mit einem ersten Element (11, 50) und einem zweiten Element (13, 52), das gegenüber dem ersten Element (11, 50) drehbar ist, und einer Vorrichtung (4) zur Messung des Torsionsmoments zwischen den ersten (11, 50) und zweiten Elementen (13, 52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Rotationswelle (2) sich entlang der Torsionsachse (X) erstreckt.
Anordnung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) eine Lenksäule eines Kraftfahrzeugs bildet, wobei das erste Element (11, 50) drehbar mit einem Lenkrad verbunden ist, und das zweite Element (13, 52) zur Ausrichtung der Richtungsräder des Fahrzeugs vorgesehen ist.
Anordnung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) eine Ausgangswelle einer Drehmaschine ist, und daß das erste Element (11, 50) mit dem Rotor dieser Maschine verbunden ist und das zweite Element (13, 51) eine Last aufnimmt.