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Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmesswelle.
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Aus der
EP 1 074 826 B1 und der
DE 40 09 286 A1 sind Drehmomentmesswellen bekannt, welche zylindrische Wellenabschnitte aufweisen, in welchen taschenförmige Ausnehmungen bzw. Membranen eingearbeitet werden und worin Dehnungsmessstreifen (DMS) zur Messung einer dem anliegenden Drehmoment proportionalen Spannung in dieser Membran appliziert werden. Drehmomentwellen nach diesem Stand der Technik weisen zumeist einen abgegrenzten linearen Messbereich auf und werden für ein bestimmtes maximales an der Drehmomentmesswelle anliegendes Drehmoment ausgelegt. Ein zumeist nachteiliger Nebeneffekt einer auf einen großen Messbereich ausgelegten Drehmomentmesswelle war der Umstand, dass im Bereich sehr kleiner zu messenden Drehmomente die Auflösung des über die DMS erzeugten elektrischen bzw. elektronischen Signals sehr gering ist.
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Um auch in einem kleinen Messbereich eine ausreichend hohe Auflösung des Messsignals zu liefern, sind bereits Drehmomentmesswellen, beispielsweise aus der
DE 10 2007 005 894 A1 , bekannt, welche über Ausnehmungen im zylindrischen Teil der Drehmomentmesswelle verfügen, durch welche Membranen mit unterschiedlichen, vorzugsweise zwei, Wandstärken gebildet werden. Hierdurch stehen, entsprechend des anliegenden Drehmoments und des hiermit verbundenen Verdrehwinkels, jeweils Sensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten zur Verfügung. Nachteilig wirkt sich bei derartigen Drehmomentmesswellen der Umstand aus, dass bei hohen Drehwinkeln die dünneren und empfindlichen Membranen bei einer weiteren Erhöhung der Belastung bzw. des anliegenden Drehmoments ebenfalls weiter belastet werden. Somit können die für kleine Messbereiche ausgelegen Membranen einer übermäßigen Belastung unterworfen werden, wobei diese Membranen ggf. bereits plastisch gedehnt werden und eine reproduzierbare Messung des anliegenden Drehmomentes nicht mehr möglich ist.
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Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Drehmomentmesswelle bereitzustellen, welche einerseits eine hohe Messempfindlichkeit bei einer großen Bandbreite ermöglicht und andererseits materialschonend ausgebildet ist.
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Als Lösung wird eine Drehmomentmesswelle vorgeschlagen, welche sich durch wenigstens zwei Messbereiche, einem ersten Messbereich mit einer hohen Empfindlichkeit und einer geringen Drehsteifigkeit und einem zweiten Messbereich mit einer geringen Empfindlichkeit und einer hohen Drehsteifigkeit auszeichnet.
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Vorteil dieser vorgeschlagenen Drehmomentmesswelle ist, dass die Drehmomentmesswelle zwei Messbereiche mit unterschiedlichen Drehsteifigkeiten aufweist, wodurch der an der Drehmomentmesswelle auftretende Torsionswinkel begrenzt wird und hierdurch der erste Messbereich mit der hohen Empfindlichkeit nicht mehr unzulässig hoch belastet wird.
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Somit können die Mittel zur Erfassung des Drehmomentes, welche aus federnd wirksamen Elementen bzw. Membranen bestehen können, auf den jeweils dafür vorgesehenen Messbereich ausgelegt werden. Die Auslegung kann dann derart erfolgen, dass die federnd wirksamen Elemente jeweils lineare Kennlinien aufweisen können und nicht in einen nicht-linearen bzw. plastischen Bereich hinein beansprucht werden.
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Auch bereits bekannte Drehmomentmesswellen weisen federnd wirksame Elemente auf, die unter Drehmoment eine Bewegung ermöglichen, welche letztlich dann zu einem zu dem Drehmoment proportionalen Messsignal führen. Auch diese federnd wirkenden Elemente werden letztlich nicht-lineare Kennlinien aufweisen, die – zumindest vor einen Bruch – stark ansteigen. Allerdings werden die Messbereiche derartiger Drehmomentmesswellen für so kleine Drehwinkel ausgelegt, dass diese Regionen der federnd wirkenden Elemente nicht erreicht werden. Insofern wird in vorliegendem Zusammenhang von einer linearen Kennlinie und einem korrespondierenden linearen Verhalten gesprochen, wenn im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit ein linearer Zusammenhang zwischen Drehmoment und Messsignal angenommen werden kann, was dann beispielsweise durch eine entsprechende Gleichung zu Interpolationszwecken genutzt werden kann.
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Die in den zwei Messbereichen auftretenden Belastungen an den federnd wirkenden Elementen verlaufen proportional, vorzugsweise linear proportional, zu einem an der Drehmomentmesswelle anliegenden Drehmoment. Da das anliegende Drehmoment an der Drehmomentmesswelle einen zu diesem Drehmoment proportionalen Drehwinkel bzw. Torsionswinkel erzeugt, wird weiterhin vorgeschlagen, dass sich die Drehmomentmesswelle durch Mittel zum Erhöhen der Drehsteifigkeit, wenn ein definierter Drehwinkel überschritten ist, auszeichnet. Vorteilhaft kann durch diese Maßnahme einerseits der erste Messbereich zum zweiten Messbereich abgegrenzt werden, indem ein definierter Drehwinkel zur Abgrenzung herangezogen wird, und andererseits wird ab Erreichen dieses definierten Drehwinkels die Drehsteifigkeit in dem Maße erhöht, dass die Mittel zum Messen des Drehmoments im ersten Messbereich nicht einer unzulässig hohen Belastung ausgesetzt werden.
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Um die Drehsteifigkeit der Drehmomentmesswelle ab einem definierten Drehwinkel auf möglichst einfache Weise zu erhöhen, wird daher ferner vorgeschlagen, dass die Drehsteifigkeitserhöhungsmittel einen Anschlag umfassen. Durch einen entsprechend ausgerichteten Anschlag kann der gesamte Messbereich in zwei Messbereiche unterteilt werden, wobei vorzugsweise der erste Messbereich eine lineare Kennlinie aufweist und der zweite Messbereich eine lineare Kennlinie aufweist und somit der gesamte Messbereich eine Gesamtkennlinie mit abschnittsweise linearen Abhängigkeiten aufweist.
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Alternativ bzw. kumulativ zu einem Anschlag wird vorgeschlagen, dass die Drehsteifigkeitserhöhungsmittel eine Anlage umfassen. Eine Anlage als Drehsteifigkeitserhöhungsmittel weist den Vorteil auf, dass die Änderung der Gesamtkennlinie der Drehmomentwelle einen stetigen Verlauf aufweisen kann, wobei die Abhängigkeit des Drehwinkels von dem anliegenden Drehmoment nicht mehr notwendiger Weise einen linearen Verlauf haben muss. Beispielsweise kann der Verlauf des Drehwinkels vom anliegenden Drehmoment in einem Bereich kleinerer Drehmomente eine hohe Empfindlichkeit und somit eine hohe Drehwinkeländerung in Abhängigkeit der Drehmomentänderung aufweisen und in einem zweiten Messbereich für höhere Drehmomente eine geringere Drehwinkeländerung in Abhängigkeit von der Drehmomentänderung aufweisen. Insofern versteht es sich in vorliegendem Zusammenhang, dass die Bezeichnung ”zwei Messbereiche mit unterschiedlichen Drehsteifigkeiten” in vorliegendem Zusammenhang nicht zwingend einen unstetigen Übergang zwischen den beiden Messbereichen vorsehen muss, wie dieses in der Regel bei einem Anschlag der Fall sein wird.
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Kumulativ bzw. alternativ schlägt die Erfindung eine Drehmomentmesswelle vor, welche sich durch wenigstens ein zwischen zwei Flanschen angeordneten Federelement mit einer wirksamen Federlänge sowie durch Mittel zur Änderung der Federlänge in Abhängigkeit vom Drehwinkel auszeichnet, um verschiede Messbereiche bereitzustellen.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Drehwinkel an der Drehmomentmesswelle im Gegensatz zu vorstehender Lösung oder zu anderen bekannten Lösungen nicht mehr lediglich von der Drehsteifigkeit der Drehmomentmesswelle abhängig ist, sondern dass der von dem Drehmoment abhängige Drehwinkel an der Drehmomentmesswelle eine Funktion der freien Federlänge eines Federelementes sein kann, wobei dann die Federsteifigkeit dieses Federelementes im gesamten Messbereich im Wesentlichen konstant bleiben kann. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass die Änderung der Federlänge je nach konkreten Erfordernissen im Wesentlichen stetig oder ab auch an gewissen Stellen unstetig erfolgen kann.
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Insbesondere wird dementsprechend eine Drehmomentmesswelle vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Federlänge mit zunehmendem Drehwinkel verkürzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Drehwinkeländerung in einem Messbereich mit geringem Drehmoment eine höhere Empfindlichkeit gegenüber einer Drehmomentänderung aufweist und dass die Drehwinkeländerung in einem Messbereich mit höherem Drehmoment eine geringere Empfindlichkeit gegenüber einem Drehmomentanstieg aufweist.
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Es versteht sich, dass die Federsteifigkeit nicht über die Länge der Feder konstant bleiben muss. Möglich ist beispielsweise auch der Einsatz einer Feder mit veränderlicher Torsions- oder Biegesteifigkeit in Abhängigkeit von der freien Federlänge.
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Die Aufgabe vorliegender Erfindung wird auch durch eine Drehmomentmesswelle gelöst, welche sich durch einen zentral zwischen zwei Flanschen angeordneten Messstab sowie durch eine radial außerhalb des Messstabs zwischen den Flanschen wirksame Federanordnung auszeichnet.
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Hierdurch kann vorteilhaft eine Drehmomentmesswelle bereitgestellt werden, bei welcher die Mittel zur Messung des Drehwinkels unabhängig von den Mitteln zur Erzeugung einer Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie bereitgestellt werden. Hierbei ist es insbesondere nicht mehr von Nöten, verschiedene Membranen für verschiedene Messbereiche zur Verfügung zu stellen, da an dem verwendeten Messstab lediglich Messwertaufnehmer, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, für den gesamten Messbereich erforderlich sind. Durch die separate Federanordnung kann den die Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie derart gewählt werden, dass die Messwertaufnehmer optimal arbeiten können. Hierbei hat die radial innen vorgesehene Anordnung des Messstabs den Vorteil, dass die Belastung auf die Messwertaufnehmer einerseits durch kleine Verdrehlängen, bedingt durch den kleinen Radius, auf welchem die Messwertaufnehmer wirksamen werden müssen, und andererseits durch geringe Fliehkräfte, ebenfalls bedingt durch den kleinen Radius, minimiert werden können.
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Zur Bereitstellung einer nach diesem Prinzip aufgebauten Drehmomentmesswelle wird ferner vorgeschlagen, dass die Federanordnung wenigstens zwei axial ausgerichtete Federelemente umfasst. Hierüber wird der Vorteil umgesetzt, dass die verwendeten Federelemente gleichmäßig auf dem Umfang verteilt werden können, so dass durch die Torsion der Drehmomentmesswelle keine schiefe Biegung außerhalb der Symmetrieachse, an der Drehmomentmesswelle selbst, entstehen kann, und so dass die Federelemente durch ihre axiale Ausrichtung als Biegefedern mit einer in einem großen Bereich linearen Federkennlinie verwendet werden können. Drehmomentmesswellen nach dem Stand der Technik verwenden im Gegensatz hierzu in der Regel ein zylindrisches Rohr, welches auf Torsion belastet wird.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass auch der Messstab selbst die Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie beeinflusst bzw. entsprechend rückstellend federnd wirksam ist. Durch die geeignete Wahl der Federn und durch den verhältnismäßig geringen Radius des Messstabs kann dieser Einfluss jedoch in gewünschter Weise bestimmt werden.
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Weiterhin kann diese Drehmomentmesswelle eine Umfangsrichtung mit wenigstens einem Federelement angeordnete Anlage aufweisen. Hierdurch kann vorteilhaft die axial ausgerichtete Feder derart an der Anlage anliegen, dass mittels der Anlage die freie Federlänge der Feder, statt der Biege- bzw. Torsionssteifigkeit der Feder, verändert wird.
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Insbesondere können Balkenfedern als Federelemente zur Anwendung kommen. Diese Ausführungsform bietet den weiteren Vorteil, dass in einer Drehmomentmesswelle mit axial angeordneten Federelementen, welche als Balkenfedern ausgeprägt sind, vorzugsweise einachsige Zug- oder Druckspannungen anstatt von möglicherweise mehrachsigen Spannungen auftreten. Auf dieses Weise kann die mechanische Kennlinie der Drehmomentmesswelle vorteilhaft beeinflusst werden, was wiederum die Genauigkeit der Drehmomentmesswelle insgesamt erhöht, da elektronische Anpassungsparameter nicht mehr in denselben Umfang, wie bei Drehmomentmesswellen nach dem Stand der Technik zur Anwendung kommen müssen.
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Vorzugsweise ist die Balkenfeder radial breiter als in Umfangrichtung. Dies hat den Vorteil, dass die Drehmomentmesswelle bei insgesamt gleichbleibender Torsionssteifigkeit sehr biegesteif ausgestaltet werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird alternativ bzw. kumulativ eine Drehmomentmesswelle vorgeschlagen, welche sich durch zwei Flansche, die innerhalb des vorgesehenen Messbereichs um mehr als 0,5° gegeneinander verdrehbar angeordnet sind auszeichnet.
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Dies hat den Vorteil, dass der große Drehwinkel sowohl eine gute Auflösung als auch einen großen Messbereich ermöglicht, insbesondere wenn die Kennlinie der Drehmomentmesswelle bei größeren Drehwinkeln stark ansteigt, also insbesondere auch den linearen Kennlinienbereich verlässt. Durch eine degressive Ausgestaltung der Kennlinie kann in einem unteren Messbereich mittels eines großen Gradienten eine hohe Auflösung erreicht werden und in einem oberen Messbereich, in welchem die weitere Verdrehung der Welle auf Grund eines geringeren Gradienten der Kennlinie begrenzt wird, höhere Drehmomente gemessen werden.
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Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert, die insbesondere auch in anliegender Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine erste Drehmomentmesswelle in schematischer Ansicht, bei welcher ein erster Messstab empfindlicher ist und ab einem bestimmten Drehwinkel überbrückt wird, indem über Anschläge die gesamte Federlänge verkürzt wird;
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2 eine zweite Drehmomentmesswelle in schematischer Ansicht, bei welcher ein erster Messstab empfindlicher ist und ab einem bestimmten Drehwinkel überbrückt wird, indem über Anschläge die gesamte Federlänge verkürzt wird;
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3 eine Federkennlinie (Drehmoment-Drehwinkel) der Messstäbe der zweiten Drehmomentmesswelle;
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4 eine dritte Drehmomentmesswelle in schematischer Ansicht, bei welcher ein Messstab empfindlicher als eine Messhülse ist und ab einem bestimmten Drehwinkel überbrückt wird, indem über Anschläge die gesamte Federlänge verkürzt wird;
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5 eine Federkennlinie (Drehmoment-Drehwinkel) des Messstabs und der Messhülse der dritten Drehmomentmesswelle;
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6 eine vierte Drehmomentmesswelle in schematischer Ansicht, bei welcher ein zentral angeordneter Messstab sowie außen angeordnete, erste ab einem bestimmten Drehwinkel über Anschlage wirksame Federstäbe vorgesehen sind;
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7 eine Federkennlinie (Drehmoment-Drehwinkel) der vierten Drehmomentmesswelle;
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8 eine fünfte Drehmomentmesswelle in schematischer Ansicht, bei welcher ein zentral angeordneter Messstab sowie außen angeordnete, ab einem bestimmten Drehwinkel über Anschlage beeinflusste Federstäbe vorgesehen sind, die gegen Anlagen laufen;
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9 eine Federkennlinie (Drehmoment-Drehwinkel) der fünften Drehmomentmesswelle;
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10 eine sechste Drehmomentmesswelle in schematischer Ansicht, bei welcher ein zentral angeordneter Messstab sowie außen angeordnete runde Federstäbe vorgesehen sind, die gegen Anlagen laufen, welche bereits sehr dicht an den Federstäben angeordnet sind.
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1 zeigt eine Drehmomentmesswelle 10 mit einem Flansch 11 und einem Flansch 12 mittels welcher die Drehmomentmesswelle 10 in einem bestehenden Antriebsstrang eingebunden werden kann. Die gezeigte Drehmomentmesswelle 10 verfügt weiterhin über einen Zwischenflansch 15 und einen weiteren Zwischenflansch 16, welche die Gesamtanordnung in zwei Teilbereiche aufteilt. In einem ersten Teilbereich der Drehmomentmesswelle 10, zwischen dem Flansch 11 und dem Zwischenflansch 16, ist ein erster Messstab 13 angeordnet. Dieser erste Messstab 13 hat einen wesentlich kleineren Durchmesser als der in dem zweiten Teilbereich der Drehmomentmesswelle 10 befindliche zweite Messstab 14. Durch den kleineren Durchmesser des ersten Messstabes 13 ist demnach eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Drehmoment am ersten Messstab 13 vorhanden, wodurch an diesem Messstab vorzugsweise kleine Drehmomente mit hoher Auflösung gemessen werden können. Weiterhin befinden sich zwischen dem Flansch 11 und dem Zwischenflansch 16 die Anschläge 17 und 18, welche nach Erreichen eines definierten Drehwinkels aneinander aufliegen, so dass eine Verdrehung des ersten Messstabes 13 bei einer weiteren Erhöhung des Drehmomentes verhindert wird und somit der erste Teilbereich der Drehmomentmesswelle 10 zwischen dem Flansch 11 und dem Zwischenflansch 16 eine wesentlich höhere, vorzugsweise unendlich hohe, Drehsteifigkeit als der zweite Bereich der Drehmomentmesswelle 10 zwischen dem Flansch 12 und dem Zwischenflansch 15 aufweist.
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Der zweite Teilbereich der Drehmomentmesswelle 10 zwischen dem Flansch 12 und dem Zwischenflansch 15 weist durch den zweiten Messstab 14, welcher einen wesentlich höheren Durchmesser als der Messstab 13 aufweist, eine gegenüber dem ersten Messstab 13 wesentlich höhere Drehsteifigkeit auf. Durch diese höhere Drehsteifigkeit des zweiten Messstabes 14 ist der zweite Teilbereich der Drehmomentmesswelle 10 zur Messung hoher Drehmomente bei einer geringen Auflösung geeignet. Der zweite Teilbereich der Drehmomentmesswelle 10 zwischen dem Flansch 12 und dem Zwischenflansch 15 hat somit eine über den gesamten Messbereich lineare Kennlinie, mittels welcher der Drehwinkel mit dem anliegenden Drehmoment in Beziehung gebracht wird.
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2 zeigt eine Drehmomentmesswelle 20 als weitere Ausführungsform mit einem Flansch 21 und einem Flansch 22, mittels welcher die Drehmomentmesswelle 20 in einem bestehenden Antriebsstrang eingefügt werden kann. Zwischen den Flanschen 21 und 22 befinden sich wiederum zwei Messstäbe, ein erster Messstab 23 und ein zweiter Messstab 24, welche ineinander übergehen und somit zwei in Serie geschaltete Drehfedern darstellen. Ferner weist die Drehmomentmesswelle 20 bzw. der zweite Messstab 24 ein Zwischenstück 26 auf, welches seinerseits mit einem Zwischenflansch 25 verbunden ist. Der Flansch 21 beinhaltet mehrere Anschläge 27, an welche der Zwischenflansch 25 anschlagen kann, sofern ein entsprechender Drehwinkel zwischen den Flanschen 21 und 22 der Drehmomentmesswelle 20 vorliegt.
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Ähnlich wie bei der Drehmomentmesswelle 10 werden an der Drehmonentmesswelle 20 bei einem anliegenden Drehmoment die Messstäbe 23 und 24 in linearer Abhängigkeit zum anliegenden Drehmoment verdreht. Hierin hat der Messstab 23 einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Messstab 24, wodurch der Messstab 23 eine wesentlich größere Empfindlichkeit gegenüber einem anliegenden Drehmoment aufweist, und der Messstab 23 für kleine Drehmomente bei einer sehr hohen Messauflösung eingesetzt werden kann. Erfolgt eine Verdrehung der Drehmomentmesswelle 20 durch ein höheres anliegendes Drehmoment, schlägt der Zwischenflansch 25 an dem Anschlag 27 an, wodurch ein weiteres Verdrehen des ersten Messstabes 23 verhindert wird und das gesamte anliegende Drehmoment nur noch über den zweiten Messstab 24 geleitet wird. Hohe Drehmomente werden in diesem Messbereich über den zweiten Messstab 24 erfasst und einer entsprechenden Messeinrichtung zugeführt. Auch diese Drehmomentmesswelle 20 kann derart ausgebildet werden, dass die Kennlinien der einzelnen Messstäbe, des ersten Messstabes 23 und des zweiten Messstabes 24, abschnittsweise linear bzw. proportional zum anliegenden Drehmoment ausgeführt sind.
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3 zeigt eine Kennlinie für eine Drehmomentmesswelle nach den 1 und 2. Hierin ist der Verdrehwinkel α über dem anliegenden Drehmoment T aufgetragen. Wie hierin ebenfalls deutlich, hat der erste Messstab 23 eine in zwei Abschnitten aufgeteilte Kennlinie 23A, in welcher der erste Abschnitt einen sehr hohen Gradienten, also eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einem anliegenden Drehmoment, und in einem zweiten Teilabschnitt einen Gradienten von 0 aufweist. Es wird deutlich, dass der erste Messstab 23 ab einem gewissen anliegenden Drehmoment nicht weiter belastet wird und somit die an diesem Messstab befindliche Messeinrichtung keiner Überbelastung unterworfen wird. Der Messstab 24 weist im Gegensatz hierzu eine Kennlinie 24A auf, welche zwar eine wesentlich geringere Steigung, also auch eine wesentlich geringere Empfindlichkeit gegenüber Drehmoment, aufweist, jedoch auch gerade hierdurch zur Messung von hohen Drehmomenten geeignet ist. Die Kennlinie 24A des zweiten Messstabes 24 verläuft stetig und linear im ganzen Messbereich.
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Die Drehmomentmesswellen 10, 20 weisen dann entsprechend eine Gesamtkennlinie auf, in welcher die Kennlinien 23A und 24A additiv überlagert sind.
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4 zeigt eine Drehmomentmesswelle 30 mit einem Flansch 31 und einem Flansch 32, mittels welcher die Drehmomentmesswelle 30 in einen bestehenden Antriebsstrang integriert werden kann. Der Flansch 31 ist wirkverbunden mit einer Messhülse 34, welche wiederum Anschläge 37 aufweist und mittels dieser in den zweiten Flansch 32 mündet. Mit dem Anschlag 37 ist weiterhin ein Zwischenstück 36 verbunden, welches an seinem dem Anschlag 37 gegenüberliegendem Ende einen Zwischenflansch 35 aufweist. Auch weist die Drehmomentmesswelle 30 einen Messstab 33 auf, welcher den Zwischenflansch 35 und den Flansch 32 wirkverbindet. Der Messstab 33 ist, ähnlich den vorherigen Ausführungsformen, dafür vorgesehen, ein geringes an der Drehmomentmesswelle 30 anliegendes Drehmoment über den durch dieses Drehmoment hervorgerufenen Drehwinkel zu messen. Der Messstab 33 ist ferner über den Flansch 35 und das Zwischenstück 36 in Serie mit der Messhülse 34 geschaltet. Erreicht nun das an der Drehmomentmesswelle 30 anliegende Drehmoment einen definierten Wert, schlägt der Anschlag 37 an dem Flansch 32 an, wodurch der Messstab 33 überbrückt wird und das anliegende Drehmoment lediglich über die Messhülse 30 übertragen wird. Somit weist die in dieser Figur abgebildete Drehmomentmesswelle 30 ebenfalls zwei Messbereiche auf, wobei ein erster Messbereich eine Kennlinie mit einem hohen Gradienten für geringe Drehmomente bei einer hohen Messauflösung aufweist und ein zweiter Messbereich eine Kennlinie mit einem geringen Gradienten, also auch einer geringeren Empfindlichkeit, für hohe Drehmomente aufweist.
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Die Abhängigkeiten der Drehwinkel des Messstabes 33 und der Messhülse 34 gegenüber dem an der Drehmomentmesswelle 30 anliegenden Drehmomentes, zeigt das in 5 dargestellte Diagramm. Hierin ist wiederum die Kennlinie 33A dem Messstab 33 zugeordnet, in welcher ein erster Bereich mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Drehmoment und ein zweiter Bereich mit einem nicht weiter anwachsenden Drehwinkel zu erkennen sind. Hierdurch wird deutlich, dass der Messstab 33 bevorzugt für eine Messung von geringen anliegenden Drehmomenten verwendet wird. Der Messbereich für hohe Drehmomente wird durch die der Messhülse 34 zugeordnete Kennlinie 34A dargestellt. Die Kennlinie 34A hat im Gegensatz zur Kennlinie 33A eine bis zu bestimmten Drehmomenten geringere aber insgesamt stetige Steigung, welche im gesamten Messbereich linear verläuft. Die Messhülse 34 weist folglich, ähnlich den vorherstehend erläuterten Ausführungsformen, einen großen Drehmomentmessbereich bei einer geringen Auflösung auf, indem auch hier beide Teilkennlinien 33A und 33B additiv überlagert werden.
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Eine weitere Drehmomentmesswelle 40 ist in 6 dargestellt, welche wiederum einen Flansch 41 und einen Flansch 42 aufweist, mittels welcher die Drehmomentmesswelle 40 in einen bestehenden Antriebsstrang integriert werden kann. Im Gegensatz zu den vorherstehend erläuterten Ausführungsformen beinhaltet die Drehmomentmesswelle 40 lediglich einen einzigen zentralen Messstab 43. Der zentrale Messstab 43 verbindet unmittelbar den Flansch 41 mit dem Flansch 42 und misst folglich das gesamte an der Drehmomentmesswelle 40 anliegende Drehmoment. Die Drehmomentmesswelle 40 weist darüber hinaus axial zur Drehmomentmesswelle angeordnete Federstäbe 48 auf. Die Federstäbe 48 sind radial außen an der Drehmomentmesswelle 40 angeordnet und weisen jeweils einen Anschlag 47 auf, welche in den Flansch 42 eingreifen. Bei Erreichen eines Grenzdrehmomentes und eines hiermit in Verbindung stehenden Drehwinkels schlagen die Anschläge 47 an dem Flansch 42 an, wodurch es zu einer Erhöhung der Drehsteifigkeit der Drehmomentmesswelle 40 kommt. Durch die Drehsteifigkeitserhöhung wird die Drehmomentmesswelle 40 unempfindlicher gegenüber Drehmoment, wodurch ein weiteres Verdrehen der Drehmomentmesswelle und des zentralen Messstabes 43 erschwert wird. Hierdurch kommt es wieder zu einer Teilung des Messbereichs in zwei Teilbereiche, einem ersten Teilbereich für geringe Drehmomente mit einer hohen Auflösung und einem zweiten Teilbereich für hohe Drehmomente mit einer geringen Auflösung. Ein besonders hervorzuhebender Vorteil dieser Ausführungsform ist der Umstand, dass lediglich eine Messeinrichtung für beide Drehmomentmessbereiche erforderlich ist, da beide Messbereiche, durch die Entkopplung der Messeinrichtung von der Einrichtung zur Erhöhung der Drehsteifigkeit, mittels einer Messeinrichtung erfasst werden.
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7 zeigt exemplarisch eine Kennlinie 40A der Drehmomentmesswelle 40. Hierin ist wieder ein erster Teilbereich sichtbar, in welchem die Steigung, also die Empfindlichkeit der Drehmomentmesswelle gegenüber Drehmoment, sehr hoch ist und einen zweiten Teilbereich, in welchem die Empfindlichkeit wegen der geringen Steigung geringer ist. Auffällig ist hierbei, dass der gesamte Messbereich durch eine Kennlinie abgebildet werden kann, da in der Drehmomentmesswelle 40 lediglich ein Messwertaufnehmer zum Einsatz kommt. Somit ist keine Einrichtung zur Überlagerung bzw. Auswertung zweier einzelner Messwerte erforderlich. Ebenso verringert sich aus demselben Grund die Möglichkeit einer Fehlmessung, da eine Verschiebung bzw. Drift des Messwertes und eine damit notwendige Kalibrierung der Drehmomentmesswelle 40 nur noch an einer Messeinrichtung erforderlich ist.
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Eine weitere Ausführungsform einer Drehmomentmesswelle zeigt 8, in welcher die Drehmomentmesswelle 50 mit dem Flansch 51 und Flansch 52 dargestellt ist, mittels welcher die Drehmomentmesswelle in einen bestehenden Antriebsstrang integriert werden kann. Zwischen dem Flansch 51 und dem Flansch 52 befindet sich wiederum ein zentraler Messstab 53, welcher den Flansch 52 und den Flansch 51 wirkverbindet und das gesamte an der Drehmomentmesswelle 50 anliegende Drehmoment erfasst. Auch diese Drehmomentmesswelle 50 weist axiale und parallel zum zentralen Messstab 53 angeordnete Federstäbe 58, welche ebenfalls zwischen dem Flansch 51 und dem Flansch 52 angeordnet sind, auf und dem an der Drehmomentmesswelle 50 anliegenden Drehmoment einen Torsionswiderstand entgegenbringen. Die als Balkenfeder wirkenden Federstäbe 58 verbiegen sich unter einem anliegenden Drehmoment und beginnen mit steigender Verformung an der Anlage 59 anzuliegen. Durch das allmähliche Anliegen an der Anlage 59 erfahren die Federstäbe 58 eine Verkürzung ihrer wirksamen Federlänge, wodurch es zu einer Versteifung der Drehmomentmesswelle 50 kommt. Die mit wachsendem anliegendem Drehmoment ansteigende Versteifung der Drehmomentmesswelle 50 hat eine degressive Drehwinkel-Drehmomentkennlinie der Drehmomentmesswelle 50 zur Folge. Da die Federstäbe 58 in entspannten Zustand einen kleinen Abstand zu den Anlagen 59 aufweisen, bilden diese Anlagen 59 zunächst Anschläge in dem Moment, in welchem es zu einem ersten Kontakt kommt. Der verhältnismäßig kleine Abstand und der geringe Winkel, in dem dieser Kontakt stattfindet bedingen, dass sich die Steigung an dieser Stelle nur unwesentlich unstetig verändert.
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9 zeigt ein Diagramm mit einer Kennlinie 50A der Drehmomentmesswelle 50. Es wird deutlich, dass bei einem sehr geringen anliegenden Drehmoment T die Kennlinie der Drehmomentmesswelle 50 eine hohe Steigung aufweist und mittels dieser eine hohe Auflösung des Drehwinkels α möglich ist. Mit steigendem anliegendem Drehmoment T verringert sich allmählich die Empfindlichkeit der Drehmomentmesswelle durch die abfallende Steigung der Kennlinie 50A. Die degressive Änderung der Kennlinie 50A hat somit im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen eine stetige Kennlinie zur Folge.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesswelle. Die gezeigt Drehmomentmesswelle 50 weist, wie die vorherstehend beschriebenen Ausführungsformen, einen Flansch 61 und einen Flansch 62 zur Integration der Drehmomentmesswelle 60 in einen Antriebsstrang auf. Zwischen den beiden Flanschen 61 und 62 ist der zentrale Messstab 63 zur Messung eines anliegenden Drehmomentes angeordnet. Der Messstab 63, die Federstäbe 68 sowie die Anlagenkörper 69B sind axial zur Rotationsachse der Drehmomentmesswelle angeordnet. Die Federstäbe 68, welche in einem radial außen liegenden Bereich der Drehmomentmesswelle 60 angeordnet sind, verformen sich unter einer tangential zur Achse der Drehmomentmesswelle 60 wirkenden Kraft und bewirken durch ihren Widerstand gegen Verbiegen die der Drehmomentmesswelle 60 zugeordneten Kennlinie.
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Durch die aus dem anliegenden Drehmoment resultierende Verformung der Federstäbe beginnen diese sich an die Anlagen 69, welche an einer Außenfläche der Anlagenkörper 69B angeordnet sind, anzulegen. Hierdurch erfolgt einer Verkürzung der freien Federlänge der Federstäbe 68 und folglich eine Versteifung der gesamten Drehmomentmesswelle 60, wodurch die in 9 dargestellte Kennlinie resultiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehmomentmesswelle
- 11
- Flansch
- 12
- Flansch
- 13
- erster Messstab
- 14
- zweiter Messstab
- 15
- Zwischenflansch
- 16
- Zwischenflansch
- 17
- Anschlag
- 18
- Anschlag
- 20
- Drehmomentmesswelle
- 21
- Flansch
- 22
- Flansch
- 23
- erster Messstab
- 23A
- Kennlinie des ersten Messstabs 13, 23
- 24
- zweiter Messstab
- 24A
- Kennlinie des zweiten Messstabs 14, 24
- 25
- Zwischenflansch
- 26
- Zwischenstück
- 27
- Anschlag
- 30
- Drehmomentmesswelle
- 31
- Flansch
- 32
- Flansch
- 33
- Messstab
- 33A
- Kennlinie des Messstabs 33
- 34
- Messhülse
- 34A
- Kennlinie der Messhülse 34
- 35
- Zwischenflansch
- 36
- Zwischenstück
- 37
- Anschlag
- 40
- Drehmomentmesswelle
- 40A
- Kennlinie der Drehmomentmesswelle 40
- 41
- Flansch
- 42
- Flansch
- 43
- zentraler Messstab
- 47
- Anschlag
- 48
- Federstab
- 50
- Drehmomentmesswelle
- 50A
- Kennlinie der Drehmomentmesswelle 50
- 51
- Flansch
- 52
- Flansch
- 53
- zentraler Messstab (gestrichelt dargestellt)
- 57
- Anschlag (exemplarisch beziffert)
- 58
- Federstab
- 59
- Anlage (exemplarisch beziffert)
- 60
- Drehmomentmesswelle
- 61
- Flansch
- 62
- Flansch
- 63
- zentraler Messstab
- 68
- Federstab (exemplarisch beziffert)
- 69
- Anlage (exemplarisch beziffert)
- 69B
- Anlagekörper (exemplarisch beziffert)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1074826 B1 [0002]
- DE 4009286 A1 [0002]
- DE 102007005894 A1 [0003]
