DE102015201607A1

DE102015201607A1 - Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle

Info

Publication number: DE102015201607A1
Application number: DE102015201607.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Klopf; Simon Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-04
Also published as: WO2016120093A3; WO2016120093A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle (5) mit einem Sensor (10), welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers (7) der Welle (5) angeordnetes Sensorelement (30) umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft (FL1) erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle (5) berechenbar ist. Erfindungsgemäß weist der Sensor (10) einen Sensorkörper (20) auf, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring (26), welcher das Lager (7) umschließt, und einen Außenring (22) umfasst, welcher an eine tragende Struktur (3) angebunden und über mindestens zwei Stege (24) mit dem Innenring (26) verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (30) mit einem der Stege (24) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Sensoren zur Erfassung des Drehmoments stellen wichtige Komponenten von Motor- und Getriebeprüfständen aller Art dar. Sie sind darüber hinaus integraler Bestandteil vieler großindustriell eingesetzter Antriebssysteme. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise die Drehmomente in Schiffswellen, Windkraftanlagen oder Bohrgestängen überwacht. Drehmomentsensoren sind weit verbreitet, ihr vergleichsweise komplexer Aufbau und die damit verbundenen Kosten verhindern jedoch bisher ihren Einsatz in Massengütern. Die Messung des Drehmoments der Antriebswelle von Elektrofahrrädern stellt den ersten potentiellen Massenmarkt für Drehmomentsensoren dar, die für Industrieanlagen verwendeten Sensorkonzepte sind hierfür allerdings zu teuer.
Bei vielen Prüfständen oder Kalibriereinrichtungen genügt die Erfassung des Drehmoments mittels eines statischen Aufnehmers. Hierbei wird die Welle, deren Drehmoment erfasst werden soll, mit der einen Seite eines Verformungselements verbunden. Das andere Ende des auch Federkörper genannten Verformungskörpers wird mit einem feststehenden Konstruktionselement, wie zum Beispiel einem Träger oder einem Gehäuseteil verbunden. Das angreifende Drehmoment führt zu einer Verformung des Federkörpers durch Torsion. Die resultierende Verdrehung beträgt einige wenige Grad und kann durch eine Vielzahl von bekannten Messverfahren detektiert werden. Gebräuchlich sind hier vor allem magnetische Verfahren, die die Verdrehung einer an dem Federkörper angebrachten magnetischen Struktur relativ zu einem feststehenden Magnetfeldsensor erfassen. Auch optische Verfahren sind hierfür geeignet.
Alternativ ist es möglich, die in dem Federkörper aufgrund der Verformung entstehenden Materialdehnungen zu erfassen. Je nach Konstruktion resultieren diese aus Torsionsmomenten oder Scherkräften. Zur Messung dieser Materialdehnungen werden in der Regel aufgeklebte piezoresistive Dehnmessstreifen verwendet, die zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind. Alternativ können diese Dehnungen auch mittels des magnetoelastischen Messprinzips erfasst werden. Dieses beruht darauf, dass sich die Permeabilität ferromagnetischer Materialien bei eingebrachten Materialspannungen ändert. Diese Änderungen können durch eine geeignete Sensorik beispielsweise in Form eines Aufbaus mit Sender- und Empfängerspulen berührungslos erfasst werden.
Bei den meisten Anwendungen genügt die oben beschriebene statische Erfassung des Drehmoments nicht. Vielmehr ist es erforderlich, das Drehmoment von sich drehenden Wellen zu bestimmen. Hierfür wurden mitrotierende Sensoren entwickelt, die in die Antriebswelle integriert sind und deren Torsion messen. Dies erfolgt normalerweise über eines der beiden oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der durch die Torsion hervorgerufenen Materialdehnungen.
Bei der Verwendung von Dehnmessstreifen (DMS) ergibt sich die Problematik, dass an einem rotierenden System weder die Versorgung der Messbrücke noch der Signalabgriff über eine Kabelverbindung erfolgen können. Die Versorgung wird üblicherweise durch die Übertragung einer Wechselspannung mittels einer Transformatoranordnung bewerkstelligt, bei der eine Spule um die Antriebswelle gewickelt ist und sich folglich mitdreht. Die andere Spule steht fest und umgibt die Welle in einem etwas größeren Abstand. Zusammen mit der Welle, die als Eisenkern wirkt, ergibt sich so ein Transformator mit vergleichsweise guten Eigenschaften. Da die Ausgangssignale von DMS-Brücken relativ klein sind, erfolgt die Signalauswertung und Verstärkung in unmittelbarer Nähe der Messbrücke also durch eine sich mitdrehende Elektronik. Deren Ausgangssignal kann nun beispielsweise durch eine Sender- und eine Empfängerspule oder durch eine weitere Elektronik mittels eines Funkstandards nach außen, das heißt zum feststehenden Teil des Sensors übermittelt werden. Solche Sensoren und alle für sie benötigten Komponenten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie erfüllen die an sie gestellten Anforderungen, erfordern aber wie oben bereits ausgeführt ist, einen hohen konstruktiven Aufwand. Im Bereich der mitrotierenden Drehmomentsensoren haben magnetoelastische Sensoren prinzipbedingte Vorteile, da das verwendete Messverfahren berührungslos ist. Das Problem der Kontaktierung sich drehender Komponenten stellt sich hier also gar nicht, was sich in einem geringeren konstruktiven Aufwand niederschlägt.
Sowohl mit piezoresistiven als auch mit magnetoelastischen Sensoren lassen sich die Drehmomente an rotierenden Wellen sehr gut messen. Ihr größter Vorteil ist dabei das direkte Messprinzip. Die von ihnen erfasste Torsion der Welle steht in einem direkten Zusammenhang mit dem Drehmoment. Hieraus erwächst aber auch ihr größter Nachteil. Die Eigenschaften von Welle und Sensor sind untrennbar miteinander verbunden. Diese Sensoren lassen sich nicht auf einer bestehenden Welle applizieren, da die elastischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Welle die Sensorcharakteristik dominieren. Die Drehmomentsensoren sind vielmehr selbst Teil der Welle. Ihre spezifischen Anforderungen müssen daher von Beginn an bei Konstruktion des gesamten Antriebsstrangs berücksichtigt werden. Eine für ein System gefundene konstruktive Lösung lässt sich nicht einfach auf eine andere Anwendung übertragen.
Alternativ zur direkten Messung des Drehmoments ist es möglich, die bei der Übertragung des Drehmoments von einer Welle auf eine andere Welle entstehenden Kräfte auf deren Lager zu messen und hieraus auf das Drehmoment zu schließen. Dieser indirekte Ansatz ist aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in den Dokumenten DE 10 2012 200 232 A1 und DE 10 2010 027 010 A1 offenbart. Diese Dokumente enthalten aber keinerlei konkrete Umsetzung, wie die Messung der Lagerkräfte erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass über die Erfassung der Lagerkräfte der Welle das Drehmoment der Welle indirekt gemessen werden kann. Der Sensor umschließt dabei das Lager der Welle vollständig mit einem speziell gestalteten Verformungskörper. Die im Verformungskörper aufgrund der Lagerkräfte entstehenden Materialdehnungen werden vorzugsweise mittels piezoresistiver Sensorelemente erfasst, die sich in Dünnschichttechnologie kostengünstig herstellen lassen.
Der Drehmomentsensor ist darüber hinaus modular gestaltet, das heißt er kann besonders einfach mit mehreren Sensorelementen bestückt werden, um so den Betrag und die Richtung der wirkenden Lagerkraft exakt zu bestimmen. Seine Verwendung erfordert überdies lediglich konstruktive Änderungen im Bereich der Lager. Die Auslegung der Wellen und somit des gesamten Antriebsstrangs ist hiervon nicht betroffen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle mit einem Sensor zur Verfügung, welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers der Welle angeordnetes Sensorelement umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle berechnet werden kann. Erfindungsgemäß weist der Sensor einen Sensorkörper auf, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring, welcher das Lager umschließt, und einen Außenring umfasst, welcher an eine tragende Struktur angebunden und über mindestens zwei Stege mit dem Innenring verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement mit einem der Stege gekoppelt ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Lager in den Innenring des Sensorkörpers eingepresst werden kann. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Verbindung des Sensors mit dem Lager, dessen Lagerkräfte erfasst werden sollen. Zudem wird über Einpressverbindung sichergestellt, dass die Lagerkräfte nahezu verlustlos in den Sensorkörper übertragen werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann das mindestens eine Sensorelement auf dem Steg angeordnet oder in den Steg integriert werden. Das mindestens eine Sensorelement ist vorzugsweise als in Dünnschichttechnologie hergestelltes piezoresistives Sensorelement ausgeführt und weist einen metallischen Grundkörper auf, auf welchen eine Isolationsschicht und eine Funktionsschicht aus piezoresistiven Materialen aufgebracht werden kann, wobei die Funktionsschicht vier Widerstandsstrukturen aufweisen kann, welche zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden können. Die Stege nehmen die vom Lager auf den Innenring des Sensorkörpers wirkende Kraft auf und leiten sie über den Außenring an die tragende Struktur ab. Als Folge der Lagerkraft kommt es in der Sensorstruktur zu Materialspannungen, die sich aufgrund der gewählten Konstruktionsweise innerhalb der Stege konzentrieren. Um diesen Effekt noch zu verstärken, können die Stege dünner ausgeführt werden als der Innenring und der Außenring des Sensorkörpers. Die aus den Materialspannungen resultierenden Dehnungen der Stege werden beispielsweise mittels piezoresistiver Sensorelemente erfasst. Diese werden entweder auf den Stegen befestigt oder in die Stege eingebracht bzw. integriert. In beiden Fällen überträgt sich die Stauchung auf das piezoresistive Sensorelement und führt zu einer Veränderung der ohmschen Widerstände in den einzelnen Widerstandsstrukturen. Durch die Veränderung der ohmschen Widerstände ändert sich die Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke. Aus diesem Spannungssignal kann somit über eine geeignete Auswerteelektronik auf das wirkende Drehmoment geschlossen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der metallische Grundkörper mindestens zwei Anbindungsstrukturen aufweisen, welche über eine mechanische Verbindung mit dem Steg verbunden werden können. Der Grundkörper des Sensorelements ist beispielsweise in Form eines Streifens und/oder Riegels vorzugsweise aus Stahl hergestellt. Die mindestens zwei Anbindungspunkte können unterhalb eines ebenen Flächenelements angeordnet werden und beispielsweise durch Schweißpunkte oder Schweißnähte mit dem korrespondierenden Steg verbunden werden. Ebenso ist bei entsprechender Ausgestaltung dieser Strukturen eine Anbindung durch Widerstandsschweißen möglich. Im Falle einer runden Ausformung dieser Anbindungsstrukturen ist auch ein Einpressen in entsprechende Bohrungen im Steg möglich. Hartlöten und Kleben sind prinzipiell ebenfalls denkbar, sind aber nicht zu bevorzugen, da hier eine kraftschlüssige und über die gesamte Lebensdauer stabile Verbindung nur mit größerem Aufwand erzielt werden kann.
Alternativ kann der metallische Grundkörper in eine korrespondierende Aussparung im Steg eingepresst werden, um die mechanische Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Steg herzustellen. Bei dieser Ausführungsform ist der Grundkörper vorzugsweise aus Stahl beispielsweise durch Drehen mit einer hochpräzisen Außenkontur hergestellt. Die Verbindung zum Sensorkörper erfolgt durch das Einpressen dieser Außenkontur in eine entsprechend geformte Aussparung im korrespondierenden Steg. Unterhalb dieser hochpräzisen runden Kontur befindet sich eine beliebig geformte Kontur, die beim Einpressen als Anschlag genutzt werden kann. Nach dem Fügen bzw. Einpressen kann das Sensorelement beispielsweise durch einen oder mehrere Schweißpunkte zusätzlich gesichert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensorkörper beispielsweise vier Stege aufweisen, wobei zwei benachbarte Stege im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet werden können. Dadurch ist der Sensor modular gestaltet, das heißt er kann besonders einfach mit mehreren Sensorelementen bestückt werden. Im einfachsten Fall besitzt der Sensor nur ein Sensorelement, welches mit einem Steg verbunden ist. Diese Ausführungsform ist ausreichend, wenn die Richtung der Lagerkraft bekannt und unveränderlich ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensor mindestens zwei Sensorelemente umfassen, welche mit verschiedenen Stegen verbunden sind und Lagerkräfte erfassen, welche in verschiedene Richtungen wirken. Dadurch können auch Lagerkräfte erfasst und berechnet werden, deren Richtung sich je nach Betriebssituation ändern, wie beispielsweise bei Getrieben mit mehreren Zahnrädern auf einer Welle. Um Betrag und Richtung der wirkenden Lagerkraft exakt zu bestimmen werden Signale der mindestens zwei Sensorelemente entsprechend ausgewertet. Zudem kann auch bei festen Übersetzungsverhältnissen das Nutzsignal besser von Störgrößen getrennt werden. Um Störgrößen wie beispielsweise Querkräfte auf das Lager eliminieren zu können oder um ein redundantes Signal zu erhalten kann der Sensor auch mit mehr als zwei Sensorelementen bestückt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensor mindestens eine Auswerteelektronik umfassen, welche mit mindestens einem Sensorelement elektrisch verbunden und auf dem Innenring des Sensorkörpers angeordnet werden kann. Die Sensorelemente sind beispielsweise durch Drahtbonden mit je einer Leiterplatte verbunden, auf welcher sich eine geeignete Auswerteschaltung befindet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensor ein Schutzgehäuse umfassen, welches sich über Stützstellen am Innenring und am Außenring abstützt. Das Schutzgehäuse schützt Sensorelemente und Auswerteschaltungen vor Umgebungseinflüssen. Zudem kann das Schutzgehäuse mit einem Stecker ausgeführt werden, um die Signale des Sensors abzugreifen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung von mehreren Wellen und Zahnrädern zur Illustration des Zustandekommens von Lagerkräften, welche mit Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle erfasst werden können.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
3 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements, welches in Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle eingesetzt werden kann.
4 zeigt eine Schnittdarstellung des Sensorelements aus 3.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
7 zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus 6.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
Ausführungsformen der Erfindung
1 dient der Illustration des Zustandekommens von Lagerkräften. 1 zeigt mehrere Wellen W1, W2, W3, welche über Zahnräder Z1, Z2, Z3 miteinander verbunden sind. Die Anordnung dient der Übertragung eines ersten Drehmoments M1 von einer ersten Welle W1 über ein zweites Drehmoment M2 einer zweiten Welle W2 auf eine dritte Welle W3, welche ein drittes Drehmoment M3 aufweist. Dies erfolgt durch die mit den Wellen W1, W3 verbundenen Zahnräder Z1 und Z3 über ein Zwischenzahnrad Z2, welches mit der zweiten Welle W2 verbunden ist. Auf ein Lager der zweiten Welle W2 wirken dabei zwei Kräfte. Zum einen wirkt eine am Berührungspunkt zwischen dem ersten Zahnrad Z1 und dem zweiten Zahnrad Z2 wirkende Kraft F₁₂ bzw. F₂₁ auch auf das Lager der zweiten Welle W2, da das zweite Zahnrad Z2 über die zweite Welle W2 dort gelagert ist.
Zum anderen muss die zwischen dem dritten Zahnrad Z3 und dem zweiten Zahnrad Z2 wirkende Kraft F₃₂ bzw. F₂₃ vom Lager aufgenommen werden. Aus der Addition dieser beiden Kräfte F₁₂ und F₃₂ ergibt sich die insgesamt auf das Lager der zweiten Welle W2 wirkende Lagerkraft F_L2. Das Lager nimmt diese Kraft F_L2 auf und gibt sie an die umliegende Struktur weiter. Die resultierenden Materialspannungen innerhalb dieser Struktur führen zu Materialdehnungen, die proportional zur Lagerkraft F_L2 und damit proportional zum Drehmoment M2 sind. In 1 befindet sich in der Umgebung des Lagers eine Testbohrung B1, welche durch die in 1 dargestellte Kraft F_L2 entsprechend der gestrichelten Darstellung B2 gestaucht wird. Mittels eines piezoresistiven Sensorelements können diese Materiadehnungen erfasst werden. Anschließend wird hieraus mittels einer geeigneten Auswerteelektronik das Drehmoment M2 bestimmt.
Wie aus 2 bis 8 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle 5 jeweils einen Sensor 10, 10A, 10B, 10C, welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers 7 der Welle 5 angeordnetes Sensorelement 30, 30A umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft FL₁, FL₂, FL₃, FL₄ erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle 5 berechnet bzw. bestimmt werden kann. Erfindungsgemäß weist der Sensor 10, 10A, 10B, 10C einen Sensorkörper 20, 20A, 20B aufweist, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring 26, welcher das Lager 7 umschließt, und einen Außenring 22, 22A, 22B umfasst, welcher an eine tragende Struktur 3 angebunden und über mindestens zwei Stege 24, 24A mit dem Innenring 26 verbunden ist. Das mindestens eine Sensorelement 30, 30A ist mit einem der Stege 24, 24A gekoppelt.
Wie aus 2 bis 8 weiter ersichtlich ist, weist der Sensor 10, 10A, 10B, 10C einen speziell gestalteten Sensorkörper 20, 20A, 20B auf, welcher als Verformungskörper wirkt. Der Sensorkörper 20, 20A, 20B besteht aus einem inneren Teil, der als Innenring 26 ausgeführt ist und das Lager 7 komplett umschließt, und einem äußeren Teil, der als Außenring 22, 22A, 22B ausgeführt ist, über welchen die Anbindung zur tragenden Struktur 3 erfolgt, welche beispielsweise als Getriebegehäuse ausgeführt ist. Der Innenring 26 und der Außenring 22, 22A, 22 sind über mehrere Stege 24, 24A miteinander verbunden. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Sensorkörper 20, 20A, 20B jeweils vier Stege 24, 24A auf. Hierbei sind zwei benachbarte Stege 24, 24A im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. Diese Stege 24, 24A nehmen die vom Lager 7 auf den Innenring 26 des Sensorkörpers 20, 20A, 20B wirkende Kraft FL₁, FL₂, FL₃, FL₄ auf und leiten diese über den Außenring 22, 22A, 22 an die tragende Struktur 3 ab. Als Folge der Lagerkraft FL₁, FL₂, FL₃, FL₄ kommt es in der Sensorstruktur zu Materialspannungen, welche sich aufgrund der gewählten Konstruktionsweise innerhalb der Stege 24, 24A konzentrieren. Um diesen Effekt noch zu verstärken, können die Stege 24, 24A dünner ausgeführt werden als der Innenring 26 und/oder der Außenring 22, 22A, 22 des Sensorkörpers 20, 20A, 20B, wie aus 7 und 8 ersichtlich ist. Die aus den Materialspannungen resultierenden Dehnungen der Stege 24, 24A werden mittels Sensorelemente 30, 30A erfasst.
Wie aus 3 und 4 weiter ersichtlich ist, sind die Sensorelemente 30, 30A als in Dünnschichttechnologie hergestellte piezoresistive Sensorelemente ausgeführt und weisen einen metallischen Grundkörper 31 auf, auf welchen eine Isolationsschicht 33 und eine Funktionsschicht 32 aus piezoresistiven Materialen aufgebracht ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich auf einem Grundkörper 31 aus Stahl eine Dünnschicht, welche mindestens aus der Isolationsschicht 33 (z.B. Siliziumoxid) und der Funktionsschicht 32 besteht. Für die Funktionsschicht 32 können bekannte piezoresistiven Materialien, wie beispielsweise NiCr-Legierungen, Platin, Poly-Silizium, Titanoxinitrid usw. verwendet werden. Aus der Funktionsschicht 32 werden durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Nassätzen, Trockenätzen, Laserabtragen usw., mindestens vier Widerstände 34 strukturiert, welche zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Die Widerstandsstrukturen 34 sind typischerweise mäanderförmig ausgeführt und so angeordnet, dass sie paarweise auf Dehnungen in Raumrichtungen empfindlich sind, welche senkrecht aufeinander stehen. Zuleitungen 36 zur Brücke und Kontaktierflächen 38 können in der Ebene der Funktionsschicht 32 oder in einer zusätzlichen Metallisierungsebene ausgeführt werden. Zusätzlich kann die Funktionsschicht 32 durch eine Passivierschicht (z.B. Siliziumnitrid) oder andere Maßnahmen (z.B. Vergelung) geschützt werden.
Die Sensorelemente 30, 30A werden entweder, wie in 2, 6 und 7 ersichtlich ist, auf den Stegen 24 befestigt oder in die Stege 24A eingebracht, wie aus 5 und 8 ersichtlich ist. In beiden Fällen überträgt sich die Stauchung auf das korrespondierende piezoresistive Sensorelement 30, 30A und führt zu einer Verringerung eines ohmschen Widerstands bei parallel zur Kraftrichtung verlaufenden Widerstandsstrukturen 34. Durch die in diesem Fall „negative Querkontraktion" werden die senkrecht zur Kraftrichtung verlaufenden Widerstandsstrukturen 34 gedehnt, was zu einer Widerstandserhöhung führt. Durch die Veränderung der ohmschen Widerstände ändert sich die Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke. Aus diesem Spannungssignal kann somit über eine geeignete Auswerteelektronik auf das Drehmoment der Welle 5 geschlossen werden.
Wie aus 2, 6 und 7 ersichtlich ist, weist das Sensorelement 30 in den dargestellten Ausführungsbeispielen einen Grundkörper 31 aus Stahl auf, welcher die Form eines Streifens und/oder Riegels besitzt. Unterhalb eines ebenen Flächenelements sich mindestens zwei Anbindungsstrukturen 28.2 angeordnet, über welche die mechanische Verbindung 28 zum Sensorkörper 20 hergestellt wird. Die mechanische Verbindung 28 kann beispielsweise durch Schweißpunkte oder Schweißnähte erfolgen. Ebenso ist bei entsprechender Ausgestaltung dieser Strukturen 28.2 eine Anbindung durch Widerstandsschweißen möglich. Im Falle einer runden Ausformung dieser Anbindungsstrukturen 28.2 ist auch ein Einpressen in entsprechende Bohrungen im Steg 24 des Sensorkörpers 20 möglich. Hartlöten und Kleben sind prinzipiell ebenfalls denkbar, sind aber nicht zu bevorzugen, da hier eine kraftschlüssige und über die gesamte Lebensdauer stabile Verbindung nur mit größerem Aufwand erzielt werden kann.
Wie aus 5 und 8 ersichtlich ist, weist das Sensorelement 30A in den dargestellten Ausführungsbeispielen einen Grundkörper 31 aus Stahl auf, welche eine beispielsweise durch Drehen hergestellte hochpräzise Außenkontur aufweist. Die mechanische Verbindung 28 zum Sensorkörper 20A, 20B erfolgt durch das Einpressen dieser Kontur in eine entsprechend geformte Aussparung 28.1 im Steg 24A des Sensorkörpers 20A, 20. Unterhalb dieser hochpräzisen runden Kontur befindet sich eine beliebig geformte Kontur, welche beim Einpressen als Anschlag genutzt werden kann. Nach dem Fügen bzw. Einpressen kann das Sensorelement 30A durch einen oder mehrere Schweißpunkte zusätzlich gesichert werden.
Basierend auf dem oben beschriebenen Grundprinzip können verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle 5 realisiert werden. Hierbei können die Anzahl der Stege 24, 24A, die Zahl der verwendeten Sensorelemente 30, 30A und die Anbindung an die umgebende Struktur variiert werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C weisen einen modular gestalteten Sensor 10, 10A, 10B, 10C auf, welcher besonders einfach mit mehreren Sensorelementen 30, 30A bestückt werden kann.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weist der Sensor 10 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel im einfachsten Fall nur ein Sensorelement 30 auf. Diese Ausführungsform ist ausreichend, wenn die Richtung der Lagerkraft FL₁ bekannt und unveränderlich ist. Dies ist bei der beispielhaft in 1 dargestellten Situation für die zweite Welle W2 der Fall. Jedoch kann auch bei festen Übersetzungsverhältnissen die Verwendung von zwei Sensorelementen 30 vorteilhaft sein, um das Nutzsignal besser von Störgrößen trennen zu können.
Bei Getrieben mit mehreren Zahnrädern auf einer Welle kann sich je nach Betriebssituation auch die Richtung der Lagerkraft ändern. Um Betrag und Richtung der wirkenden Lagerkraft exakt bestimmen zu können, sind zwei Sensorelemente 30, 30A erforderlich. 5 zeigt einen solchen Sensor 10A mit zwei eingepressten Sensorelementen 30A. In der Mitte des Sensorkörpers 20A ist das Lager 7 eingepresst. Am Rand des Sensorkörpers 20A sind Bohrungen 22.1 in den Außenring 22A für eine Schraubverbindung zur umgebenden Struktur 3 eingebracht. Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, ist ein erstes Sensorelement 30A in einen ersten Steg 24A eingepresst und erfasst einen in der Darstellung nach unten wirkenden Anteil FL₁ der Lagerkraft. Ein zweites Sensorelement 30A ist in einen zweiten Steg 24A eingepresst und erfasst einen in der Darstellung nach links wirkenden Anteil FL₂ der Lagerkraft. Aus den erfassten Kraftanteilen können Betrag und Richtung der wirkenden Lagerkraft bestimmt werden.
Um Störgrößen, wie beispielsweise Querkräfte, auf das Lager 7 eliminieren zu können oder um ein redundantes Signal zu erhalten kann der Sensor 10B, 10C mit mehr als zwei Sensorelementen 30, 30A bestückt werden. 6 und 7 zeigen einen Sensor 10B mit vier aufgeschweißten Sensorelementen 30. Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, ist ein erstes Sensorelement 30 auf einen ersten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach unten wirkenden Anteil FL₁ der Lagerkraft. Ein zweites Sensorelement 30 ist auf einen zweiten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach links wirkenden Anteil FL₂ der Lagerkraft. Ein drittes Sensorelement 30 ist auf einen dritten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach oben wirkenden Anteil FL₃ der Lagerkraft, und ein viertes Sensorelement 30 ist auf einen vierten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach rechts wirkenden Anteil FL₄ der Lagerkraft.
8 zeigt einen Sensor 10C mit vier eingepressten Sensorelementen 30A, welche analog zum vorherigen Ausführungsbeispiel vier in unterschiedliche Richtungen wirkende Kraftanteile FL₁, FL₂, FL₃, FL₄ der Lagerkraft erfassen. Der Rand des Sensorkörpers 20 bzw. 20A ist bei diesen Ausführungsbeispielen so gestaltet, dass sich der Außenring 22 bzw. 22B kraftschlüssig in ein entsprechendes Gegenstück der umgebenden Struktur 3 beispielsweise durch Einpressen einbringen lässt.
Wie aus 5 bis 8 weiter ersichtlich ist, weisen die dargestellten Sensoren 10A, 10B, 10C jeweils ein Schutzgehäuse 46 auf, um die Sensorelemente 30, 30A und Auswerteelektroniken 40 vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Das Schutzgehäuse 46 stützt sich über Stützstellen 46.1 am Innenring 26 und am Außenring 22, 22A, 22B des Sensorkörpers 20, 20A, 20B ab. Teil dieses Schutzgehäuses 46 ist ein nicht näher dargestellter Stecker, um die Signale des Sensors 10A, 10B, 10C abzugreifen. Die Sensorelemente 30, 30A sind beispielsweise durch Drahtbonden mit je einer Leiterplatte 42 verbunden, auf welcher sich eine geeignete Auswerteschaltung 44 befindet. Diese wertet die Brückenspannung aus und stellt ein Ausgangssignal in Form einer Spannung (z.B. 0–5 V), eines Stroms (z.B. 4–20 mA) oder in digitaler Form bereit. Dieses Signal kann an den Kontaktstellen, beispielsweise durch angelötete oder aufgesteckte Kabel abgegriffen werden. Die Spannungsversorgung des Sensors 10A, 10B, 10C erfolgt ebenfalls über diese Kontaktstellen. Die Signale der Sensorelemente 30, 30A können entweder getrennt nach außen geführt und einem Steuergerät zur Verfügung gestellt werden, welches daraus das Drehmoment ermittelt. Alternativ kann diese Signalverarbeitung noch innerhalb des Sensors 10A, 10B, 10C mit Hilfe einer weiteren nicht näher dargestellten Elektronik erfolgt, welche ein dem ermittelten Drehmoment entsprechendes Signal nach außen gibt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jedem Sensorelement 30, 30A eine eigene Auswerteelektronik 40 zugeordnet, welche jeweils eine Leiterplatte 42 und eine Auswerteschaltung 44 umfasst und auf dem Innenring 26 des Sensorkörpers 20, 20A, 20B angeordnet ist. Alternativ kann eine Auswerteelektronik 40 für mehrere Sensorelemente 30, 30A eingesetzt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle zur Verfügung, welche in vorteilhafter Weise überall dort eingesetzt werden können, wo eine kostengünstige Erfassung des Drehmoments von Antriebswellen erforderlich ist. Die Synergie zu der bei Bosch im Bereich der Hochdrucksensorik etablierten und mit hohen Stückzahlen (in 2013 mehr als 30 Mio. Sensorelemente) laufenden Dünnschichttechnologie bietet ein hohes wirtschaftliches Potential. Die für diese Technologie erforderlichen Auswerteschaltungen werden bei Bosch und externen Anbietern ebenfalls in sehr hohen Stückzahlen und damit sehr kostengünstig hergestellt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012200232 A1 [0008]
DE 102010027010 A1 [0008]

Claims

Sensoranordnung (1, 1A, 1B, 1C) zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle (5) mit einem Sensor (10, 10A, 10B, 10C), welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers (7) der Welle (5) angeordnetes Sensorelement (30, 30A) umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft (FL₁, FL₂, FL₃, FL₄) erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle (5) berechenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10, 10A, 10B, 10C) einen Sensorkörper (20, 20A, 20B) aufweist, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring (26), welcher das Lager (7) umschließt, und einen Außenring (22, 22A, 22B) umfasst, welcher an eine tragende Struktur (3) angebunden und über mindestens zwei Stege (24, 24A) mit dem Innenring (26) verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (30, 30A) mit einem der Stege (24, 24A) gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (7) in den Innenring (26) des Sensorkörpers (20, 20A, 20B) eingepresst ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (30, 30A) auf dem Steg (24) angeordnet oder in den Steg (24A) integriert ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (30, 30A) als in Dünnschichttechnologie hergestelltes piezoresistives Sensorelement ausgeführt ist und einen metallischen Grundkörper (31) aufweist, auf welchen eine Isolationsschicht (33) und eine Funktionsschicht (32) aus piezoresistiven Materialen aufgebracht, wobei die Funktionsschicht (32) vier Widerstandsstrukturen (34) aufweist, welche zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (31) mindestens zwei Anbindungsstrukturen (28.2) aufweist, welche über eine mechanische Verbindung (28) mit dem Steg (24) verbunden sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (31) in eine korrespondierende Aussparung (28.1) im Steg (24A) eingepresst ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (20, 20A, 20B) vier Stege (24, 24A) aufweist, wobei zwei benachbarte Stege (24, 24A) im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10A, 10B, 10C) mindestens zwei Sensorelemente (30, 30A) umfasst, welche mit verschiedenen Stegen (24, 24A) verbunden sind und Lagerkräfte (FL₁, FL₂, FL₃, FL₄) erfassen, welche in verschiedene Richtungen wirken.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10A, 10B, 10C) mindestens eine Auswerteelektronik (40) umfasst, welche mit mindestens einem Sensorelement (30, 30A) elektrisch verbunden ist und auf dem Innenring (26) des Sensorkörpers (20, 20A, 20B) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10A, 10B, 10C) ein Schutzgehäuse (46) umfasst, welches sich über Stützstellen (46.1) am Innenring (26) und am Außenring (22, 22A, 22B) abstützt.