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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des auf eine Welle wirkenden Drehmomentes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Drehmomentsensoren zur Messung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments werden in den vielfältigsten Anwendungen eingesetzt, wie z. B. für die Messung des Drehmoments an Wellen aller Art, darunter auch in der Kfz-Technik zur Messung des auf eine Antriebswelle wirkenden Drehmomentes. Eine gattungsgemässe Messanordnung umfasst in der Regel eine angetriebene Welle mit zwei Gebern, die links und rechts eines Torsionsabschnittes der Welle angeordnet sind und die auf Grund der Torsion der Welle einen, bestimmten Phasenversatz aufweisen. Der Phasenversatz wird wiederum von einem oder mehreren Sensoren detektiert, einer Auswerteeinheit zugeführt und schliesslich das Drehmoment berechnet.
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Aus der
DE 4038413 A1 ist eine Anordnung zur Messung des auf eine Welle wirkenden Drehmomentes bekannt, das zwei an den Enden der Welle befestigte Geberräder umfasst. Das erste Geberrad wird dabei von einem ersten Sensor und das zweite Geberrad von einem zweiten Sensor abgetastet. Die Sensoren sind wiederum mit einem Mikrocomputer verbunden, der die Sensorsignale auswertet und das Drehmoment auf der Grundlage eines Phasenversatzes berechnet. Diese Anordnung ist jedoch relativ platzaufwendig.
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Aus der
DE 42 15 306 A1 ist ein Dehnungstransformator bekannt, bei dem eine mit einer Welle rotierender Meßwertaufnehmer und ein Meßfühler zur Umwandlung einer drehmomentabhängigen Verformung der Welle in ein auswert- und anzeigbares Signal verwendet wird.
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Aus der
DE 39 16 959 A1 ist ein Meßaufnehmer zur Messung einer Torsion bekannt, bei dem ein kapazitiver Wandler auf einer Welle angeordnet ist. Zur Erfassung der Torsion sind zwei Kondensatoranordnungen auf der Welle vorgesehen, die in einem Winkel von 180° zueinander verdreht und mittels einer Reihenschaltung verschaltet sind.
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Eine weitere Möglichkeit, eine Deformation zu erfassen, ist aus der
US 4 966 039 A bekannt. Bei dieser Ausgestaltung werden die piezo-resistiven Widerstände auf der Membranoberfläche eines Drucksensors verwendet.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehmomentenerfassung zu schaffen, die wesentlich kleiner realisiert werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den Sensor einstückig, als möglichst kleine kompakte Einheit zu bilden, wobei der Sensor wenigstens ein Sensorelement, das mit einem Geber zusammenwirkt, und eine integrierte Auswerteelektronik aufweist. Die gesamte Sensoranordnung mit Auswerteeinheit ist vorzugsweise in einem Gehäuse mit externen Anschlüssen untergebracht, das von außen kontaktiert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor zwei benachbart angeordnete Sensorelemente. Der Sensor kann besonders klein gebaut werden, wenn die Sensorelemente in sehr geringem Abstand nebeneinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Sensorelementen sollte vorzugsweise weniger als 5 mm und insbesondere zwischen 1 mm und 4 mm betragen.
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Die Sensorelemente sind vorzugsweise Hall-Elemente, können aber auch als AMR- oder GMR-Sensorelemente gebildet sein (AMR: Anisotropic Magneto Resistive, GMR: Giant Magneto Resistive). Der Sensor umfasst vorzugsweise nur einen Magneten, dessen Magnetfeld von beiden Sensorelementen genutzt wird.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für jedes Sensorelement ein geeignet geformtes Flussleitelement zur Bündelung des von einem Magneten erzeugten magnetischen Flusses vorgesehen, welches gleichzeitig das magnetische Übersprechen der Sensorelemente minimiert. Dadurch lässt sich insbesondere eine höhere Messgenauigkeit erzielen.
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Die Anzahl der Markierungen eines Gebers ist vorzugsweise kleiner als drei und insbesondere hat ein Geber nur eine Markierung, d. h. die Markierung wird jeweils nur einmal pro Umdrehung der Welle vom Sensor erfasst.
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Die Ausgangssignale der Sensorelemente sind vorzugsweise mittels eines UND-Gatters verknüpft. Die Auswerteeinheit kann das zu ermittelnde Drehmoment somit anhand des Tastverhältnisses berechnen.
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Eine besonders kleine Dimensionierung der Anordnung kann erreicht werden, wenn die Welle wenigstens einen torsionssteifen Abschnitt und wenigstens einen Torsionsabschnitt aufweist, der im wesentlichen die gesamte Torsion der Welle aufnimmt. Der Torsionsabschnitt kann entweder selbst als Geber für den Sensor dienen oder kann Markierungen aufweisen, die vom Sensor erfasst werden.
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Wahlweise können die Geber auch an zwei torsionssteifen Abschnitten der Welle befestigt sein und sich von dort in Richtung des Sensors erstrecken.
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Der Torsionsabschnitt kann entweder als separates Element gebildet sein, das aus einem anderen Material wie die übrige Welle besteht, oder ein Abschnitt einer einstückigen Welle mit geringerem Durchmesser sein.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Welle zwei äussere, im wesentlichen torsionssteife Abschnitte und einen mittleren Torsionsabschnitt, wobei die Geber an den torsionssteifen Abschnitten befestigt sind und sich bis zum Sensor erstrecken.
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Die Geber befinden sich aus Gründen der geringeren Fliehkraft vorzugsweise möglichst nahe der Wellenachse.
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Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Welle mit gleichbleibendem Durchmesser vorgegeben ist, sind die Geber mit einem ihrer Enden in großem Abstand voneinander am Umfang der Welle befestigt und erstrecken sich von dort freitragend mit ihrem anderen Ende in Axialrichtung bis zum Sensor.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht einer Messanordnung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform mit Markierungen, die auf einem Torsionselement angeordnet sind;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit fingerartigen Gebern;
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4 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels von 3;
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5 ein Ausführungsbeispieles eines Sensors mit Flussleitelementen;
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6 eine Darstellung einer logischen Verknüpfung der Ausgangssignale der Sensorelemente;
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7a, b die Ausgangssignale der Sensorelemente mit und ohne anliegendes Drehmoment; und
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8 eine Messanordnung an einer Welle ohne Torsionselement gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine Anordnung zur Messung des auf eine Welle 1 wirkenden Drehmomentes. Die Welle 1 umfasst zwei äussere, im wesentlichen torsionssteife Abschnitt 2, 3, die über einen Torsionsabschnitt 4 miteinander verbunden sind. Der Torsionsabschnitt 4 ist im Verhältnis zur übrigen Welle relativ kurz, so dass die gesamte Torsion der Welle auf einen relativ kurzen Abschnitt konzentriert ist.
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An diesem Abschnitt ist ein ortsfester Sensor 9 mit zwei Sensorelementen 5, 6 angeordnet, die dicht nebeneinander positioniert sind.
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Als Sensorelemente 5, 6 können insbesondere Hall-Sensoren eingesetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient das Torsionselement 4 selbst als Geber, der von den Sensorelementen 5, 6 erfasst wird. Bei Anliegen eines Drehmomentes an der Welle 1 verwindet sich das Torsionselement 4, so dass zwischen dem vom Sensorelement 5 und dem vom Sensorelement 6 erzeugten Ausgangssignal ein Phasenversatz entsteht, aus dem sich wiederum das Drehmoment ermitteln lässt.
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Die Ausgangssignale der Sensorelemente 5, 6 werden einer Auswerteeinheit 7 zugeführt, die vorzugsweise mit den Sensorelementen 5, 6 als integrierter Schaltkreis (IC) realisiert ist. Wie zu erkennen ist, sind die Sensorelemente 5, 6 auf einem Siliziumsubstrat angeordnet, in dem die Auswerteeinheit 7 integriert ist.
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Der Sensor 9 umfasst ferner einen Magneten 8 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes. Der Magnet 8, die Sensorelemente 5, 6 und das Substrat 7 bilden vorzugsweise eine Einheit, die in einem Gehäuse untergebracht werden kann und die daher besonders kompakt ist.
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2 zeigt eine Messanordnung an einem Torsionsabschnitt 4, an dem Markierungen 12, 13 angeordnet sind, die jeweils mit einem der Sensorelemente 5, 6 zusammen wirken. Der Torsionsabschnitt 4 hat entlang seines Umfanges vorzugsweise nur jeweils eine Markierung 12, 13, so dass bei einer Umdrehung der Welle jeweils nur ein Sensorsignal erzeugt wird.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messanordnung. Die Welle 1 umfasst hier zwei äussere, im wesentlichen torsionssteife Abschnitte 2, 3 und einen mittleren Torsionsabschnitt 4, der im wesentlichen die gesamte Torsion der Welle 1 aufnimmt.
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Die beiden torsionssteifen Abschnitte 2, 3 haben jeweils fingerartige, gegeneinander gerichtete Geber 10, 11, die von den Sensorelementen 5, 6 erfasst werden. Dabei werden die Geber des einen torsionssteifen Abschnittes 2 vom Sensorelement 5 und die Geber des torsionssteifen Abschnittes 3 vom anderen Sensorelement 6 erfasst. Wie zu erkennen ist, sind die Geber 10, 11 nicht ineinander verzahnt.
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Wahlweise können die Finger der Geber 10, 11 auch ineinander verzahnt sein. In diesem Fall ist ein einziges Sensorelement 5 ausreichend, um das Drehmoment anhand der unterschiedlich weiten Abstände zwischen den Zähnen bestimmen zu können.
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4 zeigt eine vertikale Schnittansicht der Welle 1 von 3. Wie zu erkennen ist, umfasst der Geber 11 zwei gegenüberliegende Finger, die in nahem Abstand an den Sensorelementen 5, 6 vorbeilaufen. Der Torsionsabschnitt 4 ist hier als stabförmiges Element gebildet.
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Zur Verbesserung des Messeffektes wird die in 5 gezeigte Anordnung vorgeschlagen. Dort ist ein Magnet 8 mit jeweils einem Flussleitelement 14 für ein Hall-Element 5, 6 dargestellt. Die Flusselemente 14 bewirken zum einen eine Bündelung des vom Magneten 8 erzeugten magnetischen Flusses auf die Sensorelemente 5, 6 und zum anderen eine Verringerung des magnetischen Übersprechens, welches die korrekte Messung der Phasenverschiebung der beiden Ausgangssignale stören kann.
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6 zeigt eine mögliche Verknüpfung der Sensorausgangssignale. In diesem Beispiel wird das Ausgangssignal des Sensorelementes 5 und das Ausgangssignal des Sensorelementes 6 über eine UND-Verknüpfung verknüpft und daraus ein Sensor-Ausgangssignal generiert.
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7a zeigt das Ausgangssignal der beiden Sensorelemente 5, 6 und der logischen UND-Verknüpfung ohne anliegendes Drehmoment. Ohne Torsion der Welle besteht kein Phasenversatz zwischen den Markierungen der Geber 10, 11 und somit auch kein Phasenversatz zwischen den Ausgangssignalen der Sensorelemente 5, 6. Das Tastverhältnis des Ausgangssignals nach der UND-Verknüpfung liegt bei 50% (wenn das Tastverhältnis als thigh/thigh + tlow definiert ist), wie im unteren Teil von 7a zu sehen ist.
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Liegt an der Welle 1 ein Drehmoment an, so sind die Ausgangssignale der Sensorelemente 5, 6 nicht mehr in Phase, wie in 7b dargestellt ist. Entsprechend zeigt das Ausgangssignal nach der UND-Verknüpfung ein deutlich geringeres Tastverhältnis als 50%.
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Auflösung und Messbereich werden durch geeignete Wahl von Material und Querschnitt des Torsionsbalkens 4 sowie durch die Breite der Markierungen 12, 13 bzw. Ärmchen 10, 11 abgestimmt.
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Im Unterschied zur rein zeitlichen Auswertung des Überlapps zweier getrennter Sensorsignale zeigt die Auswertung des Tastverhältnisses keine Drehzahlabhängigkeit.
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Die Auswertung des Ausgangssignals erfolgt schließlich auf dem IC-Schaltkreis 7.
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8 zeigt eine Messanordnung an einer im wesentlichen gleichmäßig dicken Welle ohne Torsionselement. In diesem Fall findet eine Torsion über die gesamte Länge der Welle 1 statt. Am Aussenumfang der Welle sind mehrere Markierungen 15, 16 in relativ grossem Abstand in Axialrichtung der Welle 1 angeordnet, die sich vom Punkt ihrer Befestigung in Richtung des Sensors 9 erstrecken.
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Die Stirnflächen der freien Enden der Markierungen 15, 16 liegen vorzugsweise in geringem Abstand gegenüber und sind nicht miteinander verzahnt oder verbunden.
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Die beiden linken Markierungen 15 wirken somit als Geber für das linke Sensorelement 5 und die beiden rechten Markierungen 16 als Geber für das rechte Sensorelement 6.
