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Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Drehmomentsensors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Drehmomentsensoren werden in vielen Bereichen in der Industrie und der Forschung eingesetzt und müssen daher unterschiedlichen Anforderungen genügen. Um den verschiedenen Einsatzbereichen, Einbauverhältnissen und Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden, existiert eine Vielzahl von bekannten Drehmomentsensoren.
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Es sind sogenannte Drehmomentmeßwellen mit Anschlußflanschen bekannt, die als Voll- oder Hohlwellen ausgebildet sein können, die eine auf Torsion beanspruchte Meßfeder aufweisen. Nachteilig bei derartigen Drehmomentsensoren ist jedoch die große axiale Baulänge derartiger Meßwellen, sowie der konstruktive Aufwand zur Verringerung von Biegemomenten und Querkrafteinflüssen. Weiterhin besitzen derartige Meßwellen eine geringe Torsionssteifigkeit, geringe Radialsteifigkeit sowie eine geringe Axialsteifigkeit.
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Aus der
DE 42 08 522 A1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der zwei Anschlussflansche zum Ein- bzw. Ausleiten von Drehmomenten aufweist, wobei ein Flansch als Innennabe ausgebildet ist, die von dem zweiten konzentrisch angeordneten Flansch radial umgeben ist. Die beiden Flansche sind über mehrere symmetrisch angeordnete radiale Kraftübertragungselemente miteinander verbunden, wobei die Kraftübertragungselemente mit den entsprechend applizierten Meßwertgebern Scherkraftaufnehmer bilden. Durch die koaxial ineinander liegende Anordnung der Flansche ist der Drehmomentsensor zwar axial sehr kurzbauend, ist jedoch im Bezug auf seine radiale Ausdehnung sehr groß, wodurch der Drehmomentsensor ein großes Massenträgheitsmoment aufweist. Da die Drehmomente auch über den inneren Flansch übertragen werden müssen, ist der äußere Flansch hinsichtlich seiner Abmessungen überdimensioniert. Bei derartigen Drehmomentsensoren hat man weiterhin festgestellt, dass bei hohen Drehzahlen eine Verschiebung des Nullpunktes auftritt, zumal die maximal mögliche Drehzahl durch die Anordnung der Meßwertgeber und die dadurch auf die Meßwertgeber und die elektrische Verschaltung wirkenden Fliehkräfte beschränkt ist.
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Bei einem aus der
EP 0 575 634 A1 bekannten Drehmomentsensor sind die Verformungsbereiche in sich radial oder axial zwischen zwei Anschlussflanschen sich erstreckenden Stegen angeordnet, wobei die Stege mit den entsprechend applizierten Meßwertgebern Biegekraftaufnehmer bilden. Die Meßwertgeber sind über eine Brückenschaltung derart miteinander verbunden, dass der Einfluss der Verschraubungskräfte sowie eine unterschiedliche Momenteneinleitung kompensiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei derartigen Drehmomentsensoren bei der Messung von Biegedehnungen zusätzlich Einflüsse von Längs- und Querkräften auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei hohen Drehzahlen große Zentrifugalkräfte auf die Meßwertgeber wirken, die zu Meßungenauigkeiten führen.
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Aus der
DE 195 25 231 A1 ist weiterhin ein Drehmomentsensor bekannt, der zwei axial beabstandete Flansche, die über mehrere axiale Stege miteinander verbunden sind, aufweist. An den Stegen sind Scherkraftmeßwertaufnehmer appliziert, die auf einer gemeinsamen zu den Flanschen koaxialen Zylinderfläche angeordnet sind. Die Stege sind dabei Teile eines Ringes, der einstückig mit den Flanschen ausgebildet ist. Der Ring ist durch zwischen den Stegen eingebrachte schmale, parallel zu den Flanschflächen verlaufende Schlitze aufgetrennt, die endseitig Querabschnitte aufweisen.
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Aus der
DE 44 30 503 C1 ist ein weiterer Drehmomentsensor mit einer Dehnmessstreifenanordnung bekannt. Bei diesem Drehmomentsensor sind zwei gegenüberliegende Scheibenkörper vorgesehen, die jeweils einen beabstandeten Flansch zur Drehmomentein- und Drehmomentausleitung darstellen. Diese beiden Scheibenkörper sind mit einem kurzen rohrförmigen inneren Drehmomentübertragungsteil verbunden. Zur Drehmomenterfassung enthält der Scheibenkörper einen radialen kreisringförmigen Bereich mit vergleichsweise geringer axialer Dicke auf dessen radialer Außenfläche Scherkraftaufnehmer appliziert sind, die das übertragbare Drehmoment erfassen.
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Aus der
EP 1 074 826 B1 ist ebenfalls ein Drehmomentsensor bekannt. Dieser Drehmomentsensor ist einstückig ausgebildet, und enthält zwei axial gegenüberliegende durch eine schmale Nut getrennte Befestigungsflansche, die in einem radial innenliegenden Bereich durch ein kurzes axiales Momentenübertragungselement miteinander verbunden sind. Das Momentenübertragungslement besteht aus einer nach innen geschlossenen zylindrischen Mantelfläche, radial nach außen gerichteten axialen Stegen, zwischen denen koaxial zur Drehachse Messtaschen angeordnet sind. Durch die Messtaschen entstehen dünne membranartige Dehnungsbereiche als Verformungskörper, auf denen Dehnungsmessstreifen appliziert sind, die ein genaues Messsignal liefern, das dem übertragenen Drehmoment proportional ist. Allerdings ist der rohrförmige Messkörper in Längsrichtung zwischen den beiden Befestigungsflanschen angeordnet, so dass ein derartiger Drehmomentsensor für viele Anwendungen zu langbauend und deshalb in kurzen Wellenbereichen nicht einsetzbar ist.
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Ein weiterer Drehmomentsensor ist aus der
DE 10 2009 014 284 A1 bekannt, der sehr kurzbauend ausgebildet ist. Dieser Drehmomentsensor besteht aus zwei parallel gegenüberliegenden scheibenförmigen Befestigungsflanschen, die nur durch eine schmale Nut voneinander getrennt sind. Dabei sind die beiden Befestigungsflansche durch ein radial innenliegendes Momentenübertragungselement miteinander verbunden. Einer der beiden Befestigungsflansche ist dabei als Messflansch ausgebildet, der zwischen seiner äußeren Befestigungsringfläche und dem Momentenübertragungselement auf einem koaxial umlaufenden Bereich mehrere taschenförmige Ausnehmungen aufweist, auf deren Außen- oder Grundflächen der Taschen Scherkraftaufnehmer appliziert sind. Dabei sind die Ausnehmungen durch mindestens drei Messtaschen gebildet, die durch mindestens drei radiale Versteifungsstege voneinander getrennt werden. Durch den relativ kurzen radialen Abstand der Befestigungsfläche des Messflansches von den Messtaschen können radiale und/oder axiale Biegekräfte als parasitäre Belastung auftreten, die zur Verfälschung des zu messenden Drehmoments führen. Desweiteren unterliegenden die radial angeordneten Scherkraftaufnehmer insbesondere bei hohen Drehzahlen unterschiedlichen Fliehkräften, die auch zu Messfehlern führen können.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kurzbauenden Drehmomentsensor zu schaffen, dessen Empfindlichkeit und Messgenauigkeit verbessert wird und der möglichst einfach herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 9 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Anordnung einer schmalen Ringnut zwei dicht beabstandete Flansche zur Ein- und Ausleitung der Drehmomente entstehen. Hierdurch wird ein sehr kurzbauender Drehmomentsensor mit hoher Messgenauigkeit geschaffen, der vorteilhaft in nahezu alle Drehwellensysteme integrierbar ist. Durch die Anordnung der Ringnut entsteht auf dem Ringnutboden ein hohes Torsionsmoment mit hoher Scherspannungsdehnung, wobei durch die im axialen Bereich des Ringnutbodens applizierten Messwertgeber vorteilhafterweise eine hohe Messempfindlichkeit nutzbar ist.
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Durch die Anordnung der Messwertgeber im axialen Bereich des Ringnutbodens wird das Torsionsmoment relativ weit entfernt von den Drehmomenteinleitungs- und Drehomentausleitungsorten im Bereich der Befestigungsbohrungen der Flansche erfasst, das deshalb relativ frei von parasitären Biegespannungen ist. Da diese durch Befestigungsungenauigkeiten, Unrundheiten oder thermische Materialdehnung verursachten parasitären Biegespannungen von den Messwertgebern ferngehalten werden oder von diesen entkoppelt sind, wird vorteilhafterweise ohne zusätzliche Entlastungsnuten eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
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Die Erfindung hat durch die mindestens bis zur Ringnut axial durchgehenden Aussparungen in mindestens einem Flansch den Vorteil, dass dadurch die Messwertgeber an den Stellen mit dem höchsten Torsionsmoment oder der höchsten Scherspannungsdehnung genau applizierbar sind, was ebenfalls zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit führt. Dabei haben die so angeordneten Aussparungen auch den Vorteil, diese auf einfache Weise durch eine axiale spanabhebende Bearbeitungsweise ohne großen Aufwand genau herstellbar sind. Durch die Ausarbeitung der Aussparungen werden zwischen diesen gleichzeitig Versteifungsstege belassen, die vorteilhafterweise die axiale, radiale und tangentiale Biegesteifigkeit erhöhen, wodurch parasitäre Biegespannungen im Bereich der Messwertgeber weitgehend vermieden werden. Dabei kann die radiale Höhe der Aussparungen vorteilhaft genutzt werden, um die Biegesteifigkeit des Drehmomentsensors konkret einzustellen. Die seitlich bis mindestens zur Ringnut durchgehenden Aussparungen haben zusätzlich den Vorteil, dass die Messwertgeber seitlich bis in den Bereich der Ringnut auf einfache Weise in den Aussparungen appliziert werden können. Dabei ist es vorteilhaft nur einen Flansch mit Aussparungen zu versehen, da hierdurch die Biegesteifigkeit durch den anderen Flansch ohne Aussparungen insgesamt verbessert wird.
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Bei einer besonderen Ausführung der Erfindung, bei der die Aussparungen in einem radial innenliegenden Flanschringteil angeordnet sind, hat den Vorteil, dass dabei ein zentraler innerer verschließbarer Hohlraum ausbildbar ist, in dem die Messwertgeber und die Auswerteelektronik hermetisch abgedichtet und vor Feuchtigkeit und anderen ungünstigen Umwelteinflüssen geschützt werden können. Dabei sind die Messwertgeber auf einfache Art auf der innenliegenden Mantelfläche dieser Hohlraumbohrung applizierbar und mit der Auswerteelektronik leicht verbindbar. Dies hat bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten gleichzeitig den Vorteil, dass die Messwertgeber durch die hohen Zentrifugalkräfte nicht von ihren Befestigungsflächen abgelöst werden können oder keinen hohen Biegespannungen ausgesetzt sind. Da an eine am Umfang eines Flansches angeordnete Antennenspule die Messelektronik anschließbar ist, entsteht eine hermetisch abgeschlossene Messkette, deren Messsignale berührungslos auf eine stationäre Messstation übertragbar sind, wodurch eine hohe Lebensdauer und eine große Störunempfindlichkeit gewährleistet wird.
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Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung, bei der die Messwertgeber sowohl auf der radial innenliegenden Mantelfläche der zentralen Bohrung als auch auf den inneren Mantelflächen der Aussparungen angebracht sind, hat den Vorteil, dass damit eine hohe Messempfindlichkeit und eine hohe Messgenauigkeit erzielbar ist. Dabei ist gleichzeitig von Vorteil, dass die Messwertgeber auf einfache Art auch im Bereich der schmalen Ringnut angebracht werden können, da dieser Applikationsort auch seitlich durch die Aussparungen leicht erreichbar ist.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Seitenansicht auf den Drehmomentsensor;
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2: eine perspektivische Vorderansicht auf einen Flansch der geschlossenen Nabenseite;
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3: eine perspektivische Schnittdarstellung radial durch die Seitenansicht, und
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4: eine perspektivische Schnittdarstellung eines Drehmomentsensors mit radial außenliegenden Aussparungen.
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In 1 der Zeichnung ist ein einteiliger Drehmomentsensor perspektivisch dargestellt, der zwei rotationssymmetrische axial gegenüberliegende scheibenförmige Flansche 1, 2 enthält, die durch ein ringförmiges Momentenübertragungselement 3 starr miteinander verbunden sind, wobei die beiden Flansche 1, 2 durch eine schmale Ringnut 4 voneinander beabstandet und acht durchgehende axiale Aussparungen 5 aufweisen, zwischen denen radiale Versteifungsstege 6 belassen sind, wobei auf den inneren Mantelflächen 14 der Aussparungen 5 Messwertgeber 9 angeordnet sind.
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Der dargestellte Drehmomentsensor wird aus einem einstückigen Rundteil als Grundkörper ausgearbeitet, der vorzugsweise aus einem speziellen Edelstahl, Aluminium oder Titan besteht. Dabei werden die beiden Flansche 1, 2 dadurch gebildet, dass zwischen ihnen eine Ringnut 4 eingefräst oder durch andere Metallbearbeitungsverfahren eingelassen wird, deren Tiefe ein Achtel bis ein Drittel der Flanschdurchmesser oder des Sensordurchmessers beträgt. Um einen möglichst kurzen Drehmomentsensor zu schaffen, sind dabei Nutbreiten von 0,5 bis 10 mm denkbar. Sollte eine größere Baulänge notwendig sein, könnte die Ringnut 4 auch entsprechend breiter sein. Die Ringnut 4 wird dabei vorzugsweise in der axialen Mitte des Rundstücks vorgesehen, so dass etwa zwei gleich breite Flansche 1, 2 entstehen, die scheiben- oder ringförmig ausgebildet sind.
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Zur Befestigung des Drehmomentsensors in einem vorgesehenen Wellenstrang sind vorzugsweise auf dem radial äußeren Flanschringteil 7 der Flansche 1, 2 vorzugsweise acht Befestigungsbohrungen 11 angeordnet, die symmetrisch zur Drehachse 12 vorgesehen sind und vorzugsweise Gewindebohrungen darstellen. Die Dicke beziehungsweise Breite der Flansche ergibt sich im wesentlichen aus der Größe der zu übertragenen Drehmomente, wobei Flanschdicken von 5 bis 30 mm vorgesehen sind. Dabei können die Flansche 1, 2 auch verschiedene Dicken aufweisen, wenn dies wegen der Biegesteifigkeit, der Aussparungen oder der Antennenbreite notwendig ist. Zur Übertragung der Messsignale ist in einer der Flansche 1, 2 noch eine flache Nut 13 eingelassen, in der eine Antennenspule zur induktiven Übertragung befestigt wird. Da ein derartiger Drehmomentsensor in der Regel zwischen zwei rotierenden Wellenenden eingebaut wird, die mit Drehzahlen bis 35.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, ist dieser vorzugsweise rotationssymmetrisch rund ausgebildet. Aus messtechnischen gründen können die beiden Flansche 1, 2 im Querschnitt sowohl identisch als auch unterschiedlich ausgebildet sein.
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In 2 der Zeichnung ist die Vorderansicht des Drehmomentsensors mit seinem zweiten Flansch 2 in Draufsicht dargestellt. Dabei enthält der zweite Flansch 2 auch einen radial äußeren Flanschringteil 7, in den acht Befestigungsbohrungen 11 eingebracht sind. Dazu radial innenliegend sind vorzugsweise acht axiale Aussparungen 5 vorgesehen, die symmetrisch zur Drehachse 12 angeordnet sind und axial den zweiten Flansch 2 bis zur Ringnut 4 durchdringen. Dabei sind die Aussparungen 5 vorzugsweise etwa wie ein gleichschenkliges Trapez ausgebildet, wobei aber die radial innenliegende Mantelfläche 14 und die radial außenliegende Mantelfläche 15 mit dem jeweiligen Radius zur Drehachse abgerundet ausgebildet sind und damit einen koaxialen Ringnutabschnitt um die Drehachse 12 bilden. Dabei werden vorzugsweise Ringnutabschnittsbreiten von 5 bis 30 mm vorgesehen. Aus messtechnischen Gründen könnten diese Mantelflächen 14, 15 aber auch gradlinig ausgebildet sein. Dabei umfasst die tangentiale Länge der Aussparungen 5 einen Winkelbereich von vorzugsweise 30°. Die Aussparungen 5 werden dabei seitlich von zwei ebenen gegenüberliegenden radialen Begrenzungsflächen 16 begrenzt, die über Rundungen mit den Mantelflächen 14, 15 verbunden sind. Dabei sind die radialen Begrenzungsflächen sternförmig zur Drehachse 12 ausgerichtet. Zur Messung des Drehmoments können auf der inneren Mantelfläche 14 auch Messwertgeber 9 appliziert sein, die vorzugsweise in axialer Richtung auf der inneren Ringfläche im Bereich der Ringnut 4 angeordnet sind. Als Messwertgeber 9 sind dabei vorzugsweise Dehnungsmessstreifen in Form von Scherkraftaufnehmern vorgesehen. Als Messwertgeber 9 können aber auch Oberflächenwellenresonatoren sowie magnetorestriktive oder magnetoelastische Dehnungsaufnehmner eingesetzt werden.
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Die Aussparungen 5 werden vorzugsweise seitlich in den zweiten Flansch 2 eingefräst, so dass es hierbei auf die Breite des Ringspalts 4 nicht ankommt, um dort Scherkraftaufnehmer zu applizieren. Der Drehmomentsensor ist aber auch mit 3, 4, 16 oder 32 Aussparungen 5 ausführbar. Das zwischen den Aussparungen 5 belassene Material stellt dabei radiale Versteifungsstege 6 dar, durch die die Biegesteifigkeit des Sensors in axialer und radialer Richtung verbessert wird. Dabei sind die Versteifungsstege 6 sternförmig und symmetrisch zur Drehachse 12 angeordnet und umfassen im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Winkelbereich von ca. 15°. Die Aussparungen 5 können aber auch andere Querschnittsformen wie zum Beispiel kreisförmig, rechteckförmig oder quadratisch ausgebildet sein, wobei lediglich deren innere Mantelflächen 14 in den Ringnutboden 24 der Ringnut 4 übergehen und symmetrisch zur Drehachse 12 angeordnet sein müssen.
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Im Zentrum um die Drehachse 12 besteht der zweite Flansch 2 aus einer ebenen radialen Begrenzungswand 17, die den Drehmomentsensor gegenüber einem inneren zylindrischen axialen Hohlraum 10 hermetisch dicht verschließt. Allerdings könnte der Drehmomentsensor auch aus einem zentralen Vollmaterial bestehen, so dass dessen Endbereich dann die Begrenzungswand 16 darstellen würde.
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In 3 der Zeichnung ist der Drehmomentsensor als radiales Schnittbild dargestellt, aus dem die Anordnung der beiden Flansche 1, 2 näher ersichtlich ist. So ist der erste Flansch 1 ohne Aussparungen 5 als Vollring ausgebildet. Im Zentrum symmetrisch zur Drehachse 12 ist von Seiten des ersten Flansches 1 eine zylindrischer Sackbohrung 18 angeordnet, bei der der Boden der Sackbohrung 18 die radiale Begrenzungswand 16 des zweiten Flansches 2 bildet. Dabei stellt die Sackbohrung 18 einen zentralen Hohlraum 10 im Drehmomentsensor dar, dessen Durchmesser etwa ein Drittel bis ein Halb des Gesamtdurchmessers der Flansche 1, 2 aufweist. Dieser Hohlraum 10 erstreckt sich auch bis in den zweiten Flansch 2 und bildet zwischen den Aussparungen 5 einschließlich des Ringnutbodens 24 einen membranartigen Verformungskörper 19, auf dessen innenliegender Mantelfläche 22 vorzugsweise die Messwertgeber 9 angeordnet sind. Dabei hat die Anordnung der Messwertgeber 9 auf der innenliegenden Mantelfläche 22 der Sackbohrung 18 den Vorteil, dass sich die Messwertgeber 9 auch bei hohen Drehzahlen und hohen Zentrifugalkräften nicht ablösen können und gleichzeitig innerhalb der Sackbohrung 18 hermetisch dicht verschließbar sind. Dazu wird vorzugsweise die Öffnung auf der Außenseite des ersten Flansches 1 durch ein nicht dargestelltes verschweißbares Deckelblech hermetisch dicht verschlossen in dessen Hohlraum 10 gleichzeitig noch eine nicht dargestellte Messelektronik einbringbar ist, die von der Antennenspule gespeist wird und wobei gleichzeitig die erfassten Messsignale über die Antennenspule mittels eines nicht dargestellten Telemetriesystems auf ein ortsfestes Antennenelement übertragen werden. Bei einer alternativen Ausführung könnten die Aussparungen 5 gleichzeitig auch noch durch den ersten Flansch 1 durchgefräst werden, so dass die Aussparungen 5 beide Flansche 1, 2 als auch die Ringnut 4 durchdringen. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei hohen Drehzahlen die Zentrifugalkräfte gleichmäßig auf die Verformungskörper wirken, wodurch messwertverfälschende Biegespannungen reduziert werden können.
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Zwischen den beiden Flanschen 1, 2 ist bis zum Momentenübertragungselement 3 eine radial nach außen offene schmale Ringnut 4 in den Grundkörper eingefräst, so dass sich die beiden Flansche 1, 2 parallel beabstandet axial gegenüber stehen. Dabei sind die gegenüberliegenden Flansche 1, 2 innerhalb der Ringnut 4 als ebene Nutflächen 20 ausgebildet. Die Ringnut 4 hat dabei vorzugsweise eine Nuttiefe von 20 bis 30% des Gesamtdurchmessers des Drehmomentsensors, damit die Einspannkräfte an den Befestigungbohrungen 11 den notwendigen Abstand zum Verformungskörper bilden, wodurch parasitäre Biegespannungen von dem Messwertgebern 9 ferngehalten werden. Am Boden der Ringnut 4 verbleibt zwischen dieser und dem zentralen Hohlraum 10 eine ringförmige Metallschicht, über die das Drehmoment von einem Flansch 1, 2 zum anderen Flansch 1, 2 übertragen wird und die das Momentenübertragungselement 3 bildet. Dabei richtet sich die Dicke der ringförmigen Metallschicht nach der Größe der zu übertragenen Drehmomente und besitzt vorzugsweise eine radiale Dicke von 1 bis 20 mm. Bei einem Drehmomentsensor ohne Sackbohrung 18 kann das Momentenübertragungselement 3 auch als Vollwelle ausgebildet sein.
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Auch die Durchmesser und Dicken der Flansche 1, 2 sind von den zu übertragenen Drehmomenten abhängig, so dass bei einem Nenndrehmoment von zum Beispiel 100 N vorzugsweise Flanschdurchmesser von 120 mm und bei einem Nenndrehmoment von zum Bespiel 10 kN vorzugsweise Flanschdurchmesser von ca. 260 mm vorgesehen sind. Dabei sind bei den vorgenannten Drehmomenten Flanschdicken von 5 bis 30 mm notwendig, so dass sich minimale axiale Sensorlängen von ca. 11 bis 61 mm ergeben, die extrem kurzbauend und daher für nahezu alle Anwendungsfälle einsetzbar sind.
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Eine alternative Ausführungsform eines derartigen kurzbauenden Drehmomentsensors ist aus der 4 der Zeichnung ersichtlich. Dieser Drehmomentsensor unterscheidet sich von dem nach 1 bis 3 der Zeichnung im wesentlichen dadurch, dass die Befestigungs- 11 und Montagebohrungen 21 auf einem radial inneren Flanschringteil 8 und die Aussparungen 5 mit dem Momentenübertragungselement 3 auf einem radial äußeren Flanschringteil 7 angeordnet sind. Der Drehmomentsensor ist ebenfalls aus einem einstückigen Grundkörper ausgearbeitet, der vorzugsweise aus einem speziellen Edelstahl, Aluminium, aber auch aus Titan bestehen kann. Die beiden Flansche 1,2 sind dabei durch eine radial innenliegende Ringnut 4 gebildet, die sich von einer innenliegenden Durchgangsbohrung 23 radial nach außen erstreckt. Dabei endet die Ringnut 4 unterhalb der Aussparungen 5 und belässt zu dieser einen relativ dünnen axialen Verbindungsteil, der einen membranartigen Verformungskörper 19 bildet. Auf dem Verformungskörper 19 sind im axialen Bereich der Ringnut 4 auf dessen Ringnutboden 24 und/oder der inneren Mantelfläche 14 der Aussparungen 5 Messwertgeber 9 vorzugsweise Scherkraftaufnehmer in Form von Dehnungsmessstreifen angeordnet.
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Die Aussparungen 5 auf dem äußeren Flanschringteil 7 bestehen aus vorzugsweise 16 axial durchgehenden Hohlräumen, die seitlich in den radial äußeren Flanschringteil 7 eingearbeitet sind. Der Querschnitt der Hohlräume ist vorzugsweise etwa trapezförmig mit abgerundeten Ecken und abgerundeten inneren 14 und äußeren Mantelflächen 15, wobei die Rundungen der Mantelflächen 14, 15 dem Radius um die Drehachse 12 entsprechen. Allerdings könnten die Querschnitte auch wie gleichsinnige Trapeze mit geraden Mantelflächen ausgebildet sein. Darüberhinuas könnten die Aussparungen 5 auch andere rechteckige oder runde Querschnittsformen aufweisen.
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Zwischen den Aussparungen 5 sind ebenfalls 16 Versteifungsstege 6 belassen, durch die das Drehmoment mit übertragen wird und die dem Drehmomentsensor in axialer und radialer Richtung eine hohe Biegesteifigkeit verleihen. Zur Erhöhung der axialen und radialen Biegesteifigkeit sind bei der Hälfte der Aussparungen 5' die radiale Querschnittshöhe etwas kleiner gewählt als bei den benachbarten Aussparungen 5. Dadurch erhöht sich insgesamt auch die Ringdicke des Momentenübertragungselements 3, wodurch auch höhere Drehmomente übertragbar sind. Um einen hinreichenden Abstand zum Momentenübertragungselement 3 und eine einfache Applizierung der Messwertgeber 9 zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, für die radiale Höhe der Aussparungen 5 5 bis 20% vom Sensordurchmesser vorzusehen. Bei dem dargestellten Drehmomentsensor sind hingegen die tangentialen Längen der Aussparungen 5 und die Dicke der Versteifungsstege gleich. Es ist aber auch denkbar, sowohl die Stegdicken als auch die tangentialen Längen der Aussparungen unterschiedlich auszubilden, wobei die unterschiedlichen Aussparungen 5 und/oder Stegdicken auf ihrem Flanschringteil 7, 8 symmetrisch zur Drehachse 12 verteilt sein sollten. Zur verbesserten Krafteinleitung der Drehmomente in die Verformungskörper 19 ist es vorteilhaft, die Befestigungsbohrungen 11 oberhalb oder unterhalb der Aussparungen 5 und zu diesen symmetrisch anzuordnen. Zur einseitigen Montage des Drehmomentsensors sind zwischen den Befestigungsbohrungen 11 noch Montagebohrungen 12, deren Durchmesser größer ist als der der Befestigungsbohrungen 11. Auch bei dem Drehmomentsensor mit radial innenliegender Ringnut 4 kann einer der Flansche 1, 2 ohne durchgehende Aussparungen 5 vorgesehen sein, wodurch sich die Radial- und Torsionssteifigkeit des Sensors erhöhen lässt.
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Die vorstehend beschriebenen Drehmomentsensoren arbeiten im Messbetrieb wie folgt: Die Flansche 1, 2 des Drehmomentsensors nach 1 bis 3 werden dabei in eine ein Drehmoment übertragende rotierbare Welle mittels der Befestigungsbohrungen 11 eingebaut. Das zu übertragene Drehmoment wird dabei zum Beispiel von der Schraubverbindung an den Befestigungsbohrungen 11 des ersten Flansches 1 zum Momentenübertragungselement 3 und von diesem über die Versteifungsstege 6 zum äußeren Flanschringteil 7 zu der Schraubverbindung dieses zweiten Flansches 2 übertragen. Dabei entsteht aufgrund des Torsionsmoments in der Ringfläche des Momentenübertragungselements 3 im Bereich der Ringnut 4 eine relativ hohe Scherdehnung, die vorzugsweise von Scherkraftaufnehmern 9 erfasst wird. Da diese Scherdehnung proportional zum übertragenen Drehmoment verläuft, entspricht die dadurch hervorgerufene Widerstandänderung in den Scherkraftaufnehmern 9 dem übertragenen Drehmoment. Die Scherkraftaufnehmer 9 sind vorzugsweise als Wheatstonesche Brücke geschaltet und werden von einer vorzugsweise im Hohlraum 10 der Sackbohrung 18 untergerbachten Auswerteschaltung gespeist. Die notwendige Messenergie und die Messwertübertragung erfolgt über die in der Nut 13 vorgesehene Antennenspule telemetrisch auf ein nicht dargestelltes stationäres Messteil und umgekehrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4208522 A1 [0004]
- EP 0575634 A1 [0005]
- DE 19525231 A1 [0006]
- DE 4430503 C1 [0007]
- EP 1074826 B1 [0008]
- DE 102009014284 A1 [0009]
