DE102012212060A1

DE102012212060A1 - Wellenanordnung mit einem Drehmoment-Sensor

Info

Publication number: DE102012212060A1
Application number: DE201210212060
Authority: DE
Inventors: Armin Gerner; Bernd Wittmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung, umfassend eine axial in eine Eingangswelle (1) und eine Ausgangswelle (2) geteilte Welle (3), ein Torsionselement (4), das mit der Eingangswelle (1) und der Ausgangswelle (3) drehmomentschlüssig verbunden ist, wobei das Torsionselement (4) in einem Drehmoment-freien Zustand eine die Drehachse der Welle (3) umlaufende permanente Magnetisierung aufweist, und einen als magnetischen Sensor ausgebildeten Drehmoment-Sensor, der in einem Drehmoment-belasteten Zustand des Torsionselementes (4) ein außerhalb des Torsionselementes (4) auftretendes Magnetfeld erfasst. Die Aufgabe, eine Wellenanordnung mit einem magnetischen Drehmoment-Sensor anzugeben, die die Erfassung von Drehmomenten innerhalb eines großen Wertebereiches ermöglicht und wenig Bauraum erfordert, wird für die eingangs genannte Wellenanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Torsionselement (4) zwischen einer Stirnfläche der Eingangswelle (1) und einer Stirnfläche der Ausgangswelle (2) befestigt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem als magnetischen Sensor ausgebildeten Drehmoment-Sensor.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das in einem Welle vorliegende Drehmoment beispielsweise mittels des inversen magnetostriktiven Effektes zu erfassen. Es ist insbesondere bekannt, in das den inversen magnetostriktiven Effekt aufweisende Material des Korpus der Welle eine die Drehachse der Welle umlaufende permanente Magnetisierung einzuprägen, die in einem Drehmoment-freien Zustand der Welle außerhalb der Welle kein Magnetfeld austreten lässt, so dass ein radial nahe der Magnetisierung angeordneter magnetischer Sensor bis auf geringe Störfelder kein Magnetfeld erfasst. In einem Drehmoment-belasteten Zustand der Welle bewirkt die elastische Spannung des magnetostriktiven Materials der Welle ein außerhalb der Welle auftretendes Magnetfeld, dessen insbesondere axiale Komponente von dem magnetischen Sensor erfasst wird, wobei die axiale Komponente ein Maß für das in der Welle vorliegende Drehmoment ist, so dass der magnetische Sensor als Drehmoment-Sensor wirkt.
DE 10 2006 054 179 A1 beschreibt eine Wellenanordnung, umfassend eine axial in eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle geteilte Welle, ein Torsionselement, das mit der Eingangswelle und der Ausgangswelle drehmomentschlüssig verbunden ist, wobei das Torsionselement in einem Drehmoment-freien Zustand eine die Drehachse der Welle umlaufende permanente Magnetisierung aufweist, und einen als magnetischen Sensor ausgebildeten Drehmoment-Sensor, der in einem Drehmoment-belasteten Zustand des Torsionselementes ein außerhalb des Torsionselementes auftretendes Magnetfeld erfasst. Das hülsenförmige, dünnwandige Torsionselement ist mit einem Ende an der Eingangswelle beabstandet von deren Stirnfläche mittels einer Verstiftung und mit dem anderen Ende an der Ausgangswelle mittels einer Verpressung, beabstandet von der Stirnfläche der Ausgangswelle, befestigt, so dass das Torsionselement radial über die Eingangswelle und die Ausgangswelle vorsteht und ein magnetischer Sensor, radial seitlich an dem Torsionselement angeordnet, ein Gehäuse erforderlich macht, das den Sensor aufnimmt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wellenanordnung mit einem magnetischen Drehmoment-Sensor anzugeben, die die Erfassung von Drehmomenten innerhalb eines großen Wertebereiches ermöglicht und wenig Bauraum erfordert.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs genannte Wellenanordnung dadurch gelöst, dass das Torsionselement zwischen einer Stirnfläche der Eingangswelle und einer Stirnfläche der Ausgangswelle befestigt ist.
Die Befestigung des Torsionselementes zwischen der Stirnfläche der Eingangswelle und der Stirnfläche der Ausgangswelle ermöglicht die platzsparende Anordnung des Torsionselementes derart, dass das Torsionselement den Raum zwischen den beiden aufeinander zu weisenden Stirnflächen der Eingangswelle und der Ausgangswelle ausfüllt und den Spalt zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle überbrückt. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Eingangswelle bzw. die Ausgangswelle aus einem Material ausgebildet ist, das den inversen magnetostriktiven Effekt gerade nicht zeigt und nur das Torsionselement der Drehmoment-Messung dient. Das Torsionselement kann direkt auf der Fläche der betreffenden Stirnfläche befestigt sein oder an der unmittelbar an die betreffenden Stirnfläche angrenzenden Mantelfläche der Eingangs- oder der Ausgangswelle, so dass eine auch in axialer Richtung, entlang der Erstreckung der Drehachse der Welle, platzsparende Anordnung gegeben ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Torsionselement mittels einer lösbaren mechanischen Befestigung, insbesondere mittels einer Schraubverbindung, einer Verzahnung, einer Steckverbindung, speziell mittels einer Vierkant- oder Mehrkantverbindung, an mindestens einer der beiden Stirnflächen befestigt ist. Das Torsionselement lässt sich beispielsweise zu Messzwecken einfach austauschen, um das Drehmoment innerhalb verschiedener Wertebereiche genauer erfassen zu können. Insbesondere können zwei oder mehr Torsionselemente vorgesehen sein, die jeweils einem bestimmten Wertebereich für das Drehmoment zugeordnet sind, die einfach ausgetauscht werden können, ohne den magnetischen Sensor sowie das den magnetischen Sensor aufnehmende Gehäuse ebenfalls austauschen zu müssen, so dass das Gehäuse als Gleichteil ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Torsionselement als Hohlwelle ausgebildet ist. Der Bohrungsdurchmesser der Hohlwelle bestimmt dabei, wie stark sich das Torsionselement bei einem vorgegebenen Drehmoment verdrehen kann und somit, auf welchen Wertebereich des Drehmomentes ein bestimmtes Torsionselement mit einem bestimmten Bohrungsdurchmesser anspricht. Auch in diesem Fall können verschiedene Torsionselemente untereinander ausgetauscht werden, ohne für jedes Torsionselement das den magnetischen Sensor aufnehmende Gehäuse neu auslegen und anpassen zu müssen, so dass ein für alle Torsionselemente passendes Gehäuse vorgesehen sein kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Außendurchmesser des Torsionselementes im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Eingangswelle und dem Außendurchmesser der Ausgangswelle im Bereich der jeweiligen Stirnfläche entspricht.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wellenanordnung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Wellenanordnung, umfassend eine axial in eine Eingangswelle 1 und eine Ausgangswelle 2 geteilte Welle 3, und ein Torsionselement 4, das mit der Eingangswelle 1 und der Ausgangswelle 2 drehmomentschlüssig, nämlich drehfest, verbunden ist. Das Torsionselement 4 ist dabei als Hohlwelle ausgebildet und im wesentlichen vollständig zwischen einer Stirnfläche 5 der Eingangswelle 1 und einer Stirnfläche 6 der Ausgangswelle 2 angeordnet, so, dass der Freiraum zwischen den beiden Stirnflächen 5, 6 wird durch das Torsionselement 4 ausgefüllt und überbrückt ist. Dabei bedeutet ‚im wesentlichen vollständig zwischen den Stirnflächen angeordnet’, dass von dem Torsionselement 4 allenfalls nur die der Befestigung an der Eingangswelle 1 bzw. an der Ausgangswelle 2 dienenden endseitigen Befestigungsabschnitte neben den Stirnflächen 5, 6 angeordnet sein können, der die unten näher beschriebene permanente Magnetisierung tragende Abschnitt des Torsionselementes 4 jedoch zwischen den beiden Stirnflächen angeordnet ist.
Das Torsionselement 4 ist mittels einer lösbaren mechanischen Befestigung, insbesondere mittels einer Verschraubung, an der Stirnfläche 5 der Eingangswelle 1 befestigt und mittels einer weiteren lösbaren mechanischen Befestigung, beispielsweise einer weiteren Verschraubung, an der Stirnfläche 6 der Ausgangswelle 2. Die Gewinde der jeweiligen Verschraubung können unmittelbar an der Stirnfläche 5 oder 6 ausgebildet sein, oder unmittelbar angrenzend an die Stirnfläche 5 oder 6, nämlich an der Mantelfläche der Eingangswelle 1 oder der Ausgangswelle 2 in dem Abschnitt, der an die Stirnfläche 5 oder 6 angrenzt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Außendurchmesser des Torsionselementes 4 im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Eingangswelle 1 und dem Außendurchmesser der Ausgangswelle 2 im Bereich der jeweiligen Stirnfläche 5, 6 entspricht und jedenfalls nicht um mehr als ca. 15 Prozent übersteigt. Insbesondere kann in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass die äußere, zylindrische Mantelfläche des Torsionselementes 4 im wesentlichen fluchtend mit der ebenfalls zylindrischen Mantelfläche der Eingangswelle 1 und der Ausgangswelle 2 angeordnet ist.
Die Eingangswelle 1, das Torsionselement 4 sowie die Ausgangswelle 2 sind um eine gemeinsame Drehachse 7 der Welle 3 drehbar angeordnet.
Das Torsionselement 4 ist aus einem den inversen magnetostriktiven Effekt aufweisenden Material ausgebildet und weist eine die Drehachse 7 umlaufende permanente Magnetisierung auf, die, in einem Drehmoment-freien Zustand der Welle 3 bzw. des Torsionselementes 4 kein äußeres Magnetfeld erzeugt. Liegt in der Welle 3 ein Drehmoment vor, also in einem Drehmoment-belasteten Zustand des Torsionselementes 4, tritt außerhalb des Torsionselementes 4 eine axiale Komponente eines aufgrund der mechanischen Spannungen in dem Material des Torsionselementes 4 aufgrund des inversen magnetostriktiven Effektes erzeugten zusätzlichen Magnetfeldes auf.
Die Wellenanordnung umfasst weiter einen magnetischen Sensor, beispielsweise einen Hall-Sensor oder eine sogenannte Fluxgate-Spule, der die axiale Komponente des Magnetfeldes außerhalb des Torsionselementes 4 bei Vorliegen eines Drehmomentes in dem Torsionselement 4 nach Betrag und Richtung erfasst und damit als Drehmoment-Sensor ausgebildet ist.
Der bildlich nicht dargestellte magnetische Sensor ist innerhalb eines Gehäuses 8 aufgenommen, wobei das Gehäuse 8 den magnetischen Sensor lagerrichtig zu der permanenten Magnetisierung des Torsionselementes 4 ausgerichtet hält.
Die Welle 3 ist mittels zweier Wälzlager drehbar an einer nicht dargestellten Wellenaufnahme gelagert; an dieser Wellenaufnahme ist ebenfalls das Gehäuse 8 aufgenommen.
Das Torsionselement 4 ist als Hohlwelle ausgebildet und weist eine Durchgangsbohrung auf. Aufgrund der lösbaren Befestigung des Torsionselementes 4 zwischen den beiden Stirnflächen 5, 6 der Eingangswelle 1 bzw. der Ausgangswelle 2 lässt sich das dargestellte Torsionselement 4 gegen ein anderes Torsionselement austauschen, das einen abweichenden Innendurchmesser der Bohrung aufweist bzw. als Vollwelle ausgebildet ist, wobei das andere Torsionselement im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser aufweist wie das dargestellte Torsionselement 4. Dieses andere Torsionselement ermöglicht die Erfassung von Drehmomenten in einem abweichenden Wertebereich als das dargestellte Torsionselement 4, ohne das Gehäuse 8 mit dem magnetischen Sensor austauschen zu müssen, so dass das Gehäuse 8 für verschiedene Torsionselemente mit unterschiedlichen Innendurchmessern der Bohrung geeignet ist und keine bauraummäßige Anpassung an die Anschlusskonstruktion, nämlich an die Wellenaufnahme, erfolgen muss.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war das Torsionselement 4 durch je eine Verschraubung mit der Eingangswelle 1 bzw. mit der Ausgangswelle 2 lösbar verbunden. Es versteht sich, dass andere, lösbare mechanische Befestigungen vorgesehen sein können, beispielsweise mittels eines Vierkants oder einer Verzahnung oder mittels einer drehmomentschlüssigen Steckverbindung.
Bezugszeichenliste

1: Eingangswelle
2: Ausgangswelle
3: Welle
4: Torsionselement
5: Stirnfläche der Eingangswelle 1
6: Stirnfläche der Ausgangswelle 2
7: Drehachse
8: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006054179 A1 [0003]

Claims

Wellenanordnung, umfassend eine axial in eine Eingangswelle (1) und eine Ausgangswelle (2) geteilte Welle (3), ein Torsionselement (4), das mit der Eingangswelle (1) und der Ausgangswelle (3) drehmomentschlüssig verbunden ist, wobei das Torsionselement (4) in einem Drehmoment-freien Zustand eine die Drehachse der Welle (3) umlaufende permanente Magnetisierung aufweist, und einen als magnetischen Sensor ausgebildeten Drehmoment-Sensor, der in einem Drehmoment-belasteten Zustand des Torsionselementes (4) ein außerhalb des Torsionselementes (4) auftretendes Magnetfeld erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (4) zwischen einer Stirnfläche der Eingangswelle (1) und einer Stirnfläche der Ausgangswelle (2) befestigt ist.
Wellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (4) mittels einer lösbaren mechanischen Befestigung, insbesondere mittels einer Schraubverbindung, einer Verzahnung, einer Steckverbindung, speziell mittels einer Vierkant- oder Mehrkantverbindung, an mindestens einer der beiden Stirnflächen befestigt ist.
Wellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (4) als Hohlwelle ausgebildet ist.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser des Torsionselementes (4) im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Eingangswelle (1) und dem Außendurchmesser der Ausgangswelle (2) im Bereich der jeweiligen Stirnfläche (5, 6) entspricht.