DE102015213466A1 - Measuring arrangement for measuring the torque on a shaft, crank mechanism and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Messanordnung (100) zur Messung des Drehmoments (M) an einer Welle (16) und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle (16) mit einer Sensoreinrichtung (30), welche eingerichtet ist, ein von der Welle (16) getragenes oder erzeugtes Magnetfeld zu messen, einem Sensorhalter (20) zum Halten der Sensoreinrichtung (30) und zur Anordnung der Sensoreinrichtung (30) gegenüber einem Bereich (17a) einer Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) und mindestens einer Führungshülse (41), welche eingerichtet ist, den Sensorhalter (20) zu tragen, in dem Bereich (17a) der Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) die Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) zu umfassen den Sensorhalter (20) gegenüber dem Bereich (17a) der Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) ortsfest anzuordnen.The invention relates to a measuring arrangement (100) for measuring the torque (M) on a shaft (16) and in particular of the torsional moment of the shaft (16) with a sensor device (30) which is arranged to be supported by the shaft (16) A sensor holder (20) for holding the sensor device (30) and the arrangement of the sensor device (30) against a portion (17 a) of an outer peripheral surface (17) of the shaft (16) and at least one guide sleeve (41), which is arranged to carry the sensor holder (20) in the region (17a) of the outer peripheral surface (17) of the shaft (16), the outer peripheral surface (17) of the shaft (16) to comprise the sensor holder (20) relative to the region (17a) the outer peripheral surface (17) of the shaft (16) to be arranged stationary.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle, einen Kurbeltrieb, und ein Fahrzeug. Sie betrifft insbesondere eine Messanordnung zur Messung des Torsionsmomentes einer Welle, einen Kurbeltrieb für ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug sowie ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug.The present invention relates to a measuring arrangement for measuring the torque on a shaft, a crank mechanism, and a vehicle. It relates in particular to a measuring arrangement for measuring the torsional moment of a shaft, a crank drive for a vehicle operable with muscle power and / or engine power and a vehicle operable with muscle power and / or engine power.
Elektrische und/oder mit Muskelkraft betreibbare Fahrzeuge sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei derartigen Fahrzeugen ist es oft wünschenswert, ein auf eine Welle wirkendes tordierendes Moment oder Drehmoment zu ermitteln. Dabei kann der Effekt der Magnetostriktion, Magnetoelastizität oder der inversen Magnetostriktion oder Magnetoelastizität ausgenutzt werden. Dieser Effekt beruht auf der Deformation magnetischer, insbesondere ferromagnetischer Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Ein entsprechender Körper erfährt bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung. Umgekehrt werden bei der inversen Magnetostriktion oder Magnetoelastizität durch eine aufgeprägte Längen- oder Formänderung die magnetischen Eigenschaften geändert.Electric and / or powered by muscle power vehicles are known from the prior art in different configurations. In such vehicles, it is often desirable to determine a torque or torque acting on a shaft. In this case, the effect of magnetostriction, magnetoelasticity or inverse magnetostriction or magnetoelasticity can be exploited. This effect is due to the deformation of magnetic, in particular ferromagnetic substances due to an applied magnetic field. A corresponding body undergoes an elastic change in length at a constant volume. Conversely, in the case of inverse magnetostriction or magnetoelasticity, the magnetic properties are changed by an impressed change in length or shape.
Dies kann ausgenutzt werden, um das Drehmoment, das auf eine Welle wirkt, zu bestimmen. Dazu ist ein Teil der Welle mit oder aus einem Material gebildet, welches den Effekt der inversen Magnetostriktion oder Magnetoelastizität zeigt.This can be exploited to determine the torque acting on a shaft. For this, a part of the wave is formed with or from a material showing the effect of inverse magnetostriction or magnetoelasticity.
Problematisch ist jedoch, dass zwischen diesem Teil der Welle und einem Sensor, der das Magnetfeld und seine Änderung messen soll, ein bestimmter Abstand besteht, da der Sensor mit einem Sensorhalter außerhalb der zu vermessenden Welle angeordnet ist. Sind Sensor und Sensorwelle, also diejenige Welle, deren Drehmoment oder Torsionsmoment zu bestimmen ist und die entsprechend mit dem magnetostriktiven Material ausgebildet ist, nicht konstant konzentrisch zueinander ausgerichtet, so können statische Messabweichungen des Sensorsignals auftreten, die bedingt sind durch einen unterschiedlichen Abstand oder Luftspalt zwischen Sensor und Sensorwelle.The problem, however, is that between this part of the shaft and a sensor which is to measure the magnetic field and its change, there is a certain distance, since the sensor is arranged with a sensor holder outside the shaft to be measured. If the sensor and the sensor shaft, that is to say the shaft whose torque or torsion moment is to be determined and which is correspondingly formed with the magnetostrictive material, are not constantly concentric with each other, then static measurement deviations of the sensor signal may occur which are caused by a different distance or air gap between Sensor and sensor shaft.
Zusätzlich können durch Fehler im Rundlauf der Welle und der Koaxialität auch dynamische Fehler auftreten, die das Sensorsignal und deren Auswertung negativ beeinflussen.In addition, due to errors in the concentricity of the shaft and the coaxiality, dynamic errors can also occur which adversely affect the sensor signal and its evaluation.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Messanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Abstand oder Luftspalt zwischen Sensorhalter und Sensor einerseits und der zu vermessenden Welle andererseits besonders gering ausgebildet oder gar minimiert werden kann und dass dessen Änderungen beim Rotieren der Welle ebenfalls besonders gering gehalten oder sogar ausgeglichen werden können. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Messanordnung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle erreicht, welche ausgebildet ist mit einer Sensoreinrichtung, welche eingerichtet ist, ein von der Welle getragenes oder erzeugtes Magnetfeld zu messen, mit einem Sensorhalter zum Halten der Sensoreinrichtung sowie zur Anordnung der Sensoreinrichtung gegenüber einem Bereich einer Außenumfangsfläche der Welle und mit mindestens einer Führungshülse, die eingerichtet ist, den Sensorhalter zu tragen, in dem Bereich der Außenumfangsfläche der Welle die Außenumfangsfläche der Welle zu umfassen und – insbesondere im montierten Zustand der Messanordnung – den Sensorhalter gegenüber dem Bereich der Außenumfangsfläche der Welle ortsfest und insbesondere bezüglich Position, Orientierung und/oder Abstand zeitlich stabil anzuordnen. The measurement arrangement according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that the distance or air gap between the sensor holder and the sensor on the one hand and the shaft to be measured on the other hand can be formed particularly small or even minimized and that its changes when rotating the shaft also special kept low or even compensated. This is inventively achieved by a measuring arrangement for measuring the torque on a shaft and in particular of the torsion of the shaft, which is formed with a sensor device which is adapted to measure a magnetic field carried or generated by the shaft, with a sensor holder for holding the sensor device and for arranging the sensor device relative to a region of an outer circumferential surface of the shaft and having at least one guide sleeve which is adapted to carry the sensor holder, in the region of the outer peripheral surface of the shaft to comprise the outer peripheral surface of the shaft and - in particular in the mounted state of the measuring arrangement - the Sensor holder relative to the region of the outer peripheral surface of the shaft stationary and in particular with respect to position, orientation and / or distance to arrange temporally stable.
Durch die Führungshülse wird der Sensor an der Oberfläche der zu vermessenden Welle ortsfest angeordnet oder angestellt. Somit kann ein vergrößerter Luftspalt vermieden werden, welcher entstehen kann auf Grund einer Toleranzkette der Anordnung, die ihrerseits aus einer festen Gehäusemontage und aus Fertigungstoleranzen resultiert. Weiterhin können durch die Kombination aus Sensorhalter und Führungshülse Fehler im Rundlauf und Neigungen der Welle sowie Winkelfehler erfindungsgemäß ausgeglichen werden. Through the guide sleeve, the sensor is fixedly arranged or employed on the surface of the shaft to be measured. Thus, an increased air gap can be avoided, which can arise due to a tolerance chain of the arrangement, which in turn results from a solid housing assembly and manufacturing tolerances. Furthermore, can be compensated according to the invention by the combination of sensor holder and guide sleeve errors in the concentricity and inclinations of the shaft and angle error.
Insbesondere wird durch das Umfassen der Welle durch die Führungshülse die räumliche Nähe der Sensoreinrichtung und die Konstanz des Abstands zwischen Sensoreinrichtung und dem Bereich der Außenumfangsfläche der Welle auf besonders einfache Art und Weise gewährleistet. Dadurch ist das von der Welle getragene oder erzeugte Magnetfeld zur Bestimmung des Drehmoments oder Torsionsmoments der Welle besonders zuverlässig und mit gesteigerter Genauigkeit messbar. In particular, the spatial proximity of the sensor device and the constancy of the distance between the sensor device and the region of the outer circumferential surface of the shaft are ensured in a particularly simple manner by embracing the shaft through the guide sleeve. As a result, the magnetic field carried or generated by the shaft for determining the torque or torsional moment of the shaft can be measured particularly reliably and with increased accuracy.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist die Führungshülse hohlzylindrisch ausgebildet ist und sie umfasst oder umgreift die Außenumfangsfläche der Welle. Dadurch lassen sich die Produktions- und Montageprozesse für die Führungshülse auf besonders einfache Weise realisieren. In a preferred embodiment of the measuring arrangement according to the invention, the guide sleeve is formed as a hollow cylinder and it comprises or surrounds the outer peripheral surface of the Wave. As a result, the production and assembly processes for the guide sleeve can be realized in a particularly simple manner.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung weist die Führungshülse eine Umfangsinnenfläche auf, welche der Außenumfangsfläche der Welle zugewandt ist. Die Umfangsinnenfläche weist auf oder bildet mindestens eine Lagerstelle. Die mindestens eine Lagerstelle ist eingerichtet, an der Außenumfangsfläche der Welle als Kontaktstelle in Gleitlagerung anzuliegen. Entsprechend kann durch diese Maßnahmen einerseits die notwendige Innigkeit des Kontakts zwischen Sensorhalter und Sensoreinrichtung einerseits und der Welle und deren Außenumfangsfläche andererseits gewährleistet werden. Dies geschieht, ohne dass durch ein Übermaß an Reibung zwischen den Komponenten eine Beeinflussung des Laufs der Welle oder eine Abnutzung am Sensorhalter auftreten.In another preferred embodiment of the measuring arrangement according to the invention, the guide sleeve has a circumferential inner surface, which faces the outer peripheral surface of the shaft. The circumferential inner surface has or forms at least one bearing point. The at least one bearing point is adapted to abut against the outer peripheral surface of the shaft as a contact point in slide bearing. Accordingly, on the one hand the necessary intimacy of the contact between sensor holder and sensor device on the one hand and the shaft and its outer peripheral surface on the other hand can be ensured by these measures. This is done without an interference of the components between the components influencing the running of the shaft or wear on the sensor holder occur.
Weiterhin kann durch Integration der Messanordnung in ein Lager die Anzahl der zu montierenden Teile reduziert werden.Furthermore, by integrating the measuring arrangement into a bearing, the number of parts to be assembled can be reduced.
Um die Montage, die Reparatur und die Wartung der erfindungsgemäßen Messanordnung einfach zu gestalten, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform vorgesehen, dass Lagerstellen oder Kontaktstellen als in die Führungshülse eingesetzte Elemente ausgebildet sind.To make the assembly, repair and maintenance of the measuring arrangement according to the invention simple, it is provided according to an advantageous embodiment that bearings or contact points are formed as inserted into the guide sleeve elements.
Die gegenseitige Beeinflussung und die Reibung und damit die Abnutzung zwischen Messanordnung und zu vermessender Welle können besonders gering gehalten werden, wenn die Kontaktstellen als Gleitlager und/oder Gleitbuchsen ausgebildet sind, vorzugsweise als in den Sensorhalter eingesetzte Elemente und/oder dadurch, dass der Sensorhalter insgesamt oder ein Bereich des Sensorhalters, welcher der Welle zugewandt ist, mit oder aus einem gleitenden Material ausgebildet ist.The mutual influence and the friction and thus the wear between the measuring arrangement and the shaft to be measured can be kept particularly low if the contact points are designed as slide bearings and / or sliding bushes, preferably as elements inserted into the sensor holder and / or in that the sensor holder as a whole or a portion of the sensor holder facing the shaft is formed with or from a sliding material.
Eine besonders einfache Montage der erfindungsgemäßen Messanordnung ergibt sich dadurch, dass die Gleitlager und/oder Gleitbuchsen als Teilkreisstücke jeweils mit einem Bogen von weniger als 180° ausgebildet sind.A particularly simple assembly of the measuring arrangement according to the invention results from the fact that the plain bearings and / or sliding bushes are formed as part of circle segments each with an arc of less than 180 °.
Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Messanordnung kann gesteigert werden, indem eine Verdrehsicherung ausgebildet ist, ein Mitdrehen des Sensorhalters mit der Welle zu verhindern. Die Verdrehsicherung kann Teil des Sensorhalters sein und/oder eine oder mehrere Bohrungen oder Rippen aufweisen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass die Positionierung der erfindungsgemäßen Messanordnung sich im Betrieb nicht verändert.The reliability of the measuring arrangement according to the invention can be increased by an anti-rotation is formed to prevent co-rotation of the sensor holder with the shaft. The rotation can be part of the sensor holder and / or have one or more holes or ribs. These measures ensure that the positioning of the measuring arrangement according to the invention does not change during operation.
Ein besonders hohes Maß an Genauigkeit der Messergebnisse der erfindungsgemäßen Messanordnung stellt sich dadurch ein, dass der Bereich der Außenumfangsfläche der Welle von einem Torsionselement, insbesondere von einer Torsionswelle, mit oder aus einem magnetostriktiven und/oder magnetoelastischen Material gebildet wird, das eingerichtet ist zur Drehmomentübertragung als Zwischenwellenstück zwischen ersten und zweiten Wellenabschnitten der Welle. Die Verwendung eines magnetostriktiven und/oder magnetoelastischen Materials ermöglicht über eine entsprechende Eichung eine sehr genaue Ermittlung des zu übertragenden Drehmoments oder des erfahrenen Torsionsmoments der Welle.A particularly high degree of accuracy of the measurement results of the measuring arrangement according to the invention is achieved in that the area of the outer circumferential surface of the shaft is formed by a torsion element, in particular by a torsion shaft, with or out of a magnetostrictive and / or magnetoelastic material which is adapted for torque transmission as an intermediate shaft piece between the first and second shaft portions of the shaft. The use of a magnetostrictive and / or magnetoelastic material enables a very accurate determination of the torque to be transmitted or the experienced torsional moment of the shaft via a corresponding calibration.
Die Herstellung und die Montage der erfindungsgemäßen Messanordnung lassen sich weiter vereinfachen, wenn eine besonders geringe Anzahl herzustellender und zu montierender Einzelkomponenten ausgebildet sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Führungshülse mit dem Sensorhalter verbunden ist, insbesondere in materialeinstückiger Form, und/oder dass die Führungshülse einen Aufnahmebereich aufweist, der zur Aufnahme und Halterung des Sensorhalters eingerichtet ist.The manufacture and assembly of the measuring arrangement according to the invention can be further simplified if a particularly small number of individual components to be produced and assembled are formed. This can be achieved in that the guide sleeve is connected to the sensor holder, in particular in materialeinstückiger form, and / or that the guide sleeve has a receiving area, which is adapted for receiving and holding the sensor holder.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kurbeltrieb für ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug und insbesondere für ein Elektrofahrrad geschaffen, welcher eine Welle aufweist, die zur Aufnahme und drehfesten Kopplung mit mindestens einer Kurbel zur Drehmonentübertragung eingerichtet ist. Des Weiteren ist eine erfindungsgemäße Messanordnung zur Messung des Drehmoments an der Welle und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle ausgebildet.According to a further aspect of the present invention, there is provided a crank mechanism for a vehicle operable with muscular and / or motive power, and more particularly for an electric bicycle having a shaft adapted for receiving and rotationally fixed coupling with at least one torque transmission crankshaft. Furthermore, a measuring arrangement according to the invention for measuring the torque on the shaft and in particular of the torsion torque of the shaft is formed.
Durch diese Maßnahmen kann durch die Integration der erfindungsgemäßen Messanordnung im Kurbeltrieb eine besonders kompakte Bauweise erzielt werden.By means of these measures, a particularly compact design can be achieved by integrating the measuring arrangement according to the invention in the crank mechanism.
Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrrad. Dieses umfasst einen erfindungsgemäßen Kurbeltrieb, einen elektrischen Antrieb, welcher insbesondere im Bereich des Kurbeltriebs angeordnet ist, und eine Steuereinheit, welche zur Steuerung des elektrischen Antriebs eingerichtet ist.In another aspect, the present invention provides a vehicle operable with muscular and / or motive power, particularly an electric bicycle. This comprises a crank mechanism according to the invention, an electric drive which is arranged in particular in the region of the crank mechanism, and a control unit which is set up to control the electric drive.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren weitere allgemeine Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben.Hereinafter, with reference to the figures, further general aspects and embodiments of the invention will be described in detail.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf
Das Elektrofahrrad
Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb
Am Lenker des Fahrrads ist ferner eine Steuereinheit
Im Rahmen
Die
Die Messanordnung
Zur ortsfesten Anordnung des Sensorhalters
Die
Der an sich im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildete Bereich der Führungshülse
Die Führungshülse
Auf der Innenfläche
Durch das Umschließen der Welle
Die Welle
Die Welle
Bei Übertragung eines Drehmoments zwischen den ersten und zweiten Wellenabschnitten
Diese Änderung im Magnetfeld kann durch die Sensoreinrichtung
Zwischen dem Sensorhalter
Der Sensorhalter
Die Führungshülse
Die
Im Falle einer derartigen Weiterbildung wird die erfindungsgemäße Messanordnung
Zwischen dem Torsionselement
Durch eine Verdrehsicherung
Die
Die Halte- und Lageranordnung
Auf Grund der trotz der Gleitlagereigenschaften der Lagerstellen
Aus den
Die Führungshülse
Aus den
Zusätzlich ist aus
Bei der Montage kann gemäß der Darstellung der
Die bei dieser Ausführungsform stellen in der Führungshülse
Die Führungshülse
Als Verdrehsicherung
Als Einsatzgebiete der Erfindung kommen unter anderem alle Anwendungen in Frage, bei denen eine Drehmomentmessung mittels (inversem) magnetostriktivem und/oder magnetoelastischem Effekt erfolgt oder denkbar ist. Insbesondere bietet sich der Einsatz dort an, wo besondere Anforderungen an die Sensorlage in Bezug auf die zu vermessende Welle
Im Hinblick auf zu verwendende gleitende Materialen können grundsätzlich sämtliche zur Verfügung stehenden Materialien verwendet werden, die gegenüber dem Torsionselement
Typische Reibwerte von verwendbaren Polymeren liegen im Bereich von 0,04 und 0,25. Denkbar ist die Verwendung von reibungsarmen Thermoplasten, z.B. von PTFE, Teflon, usw., insbesondere als Gleitschicht in Folienform oder dergleichen, von Kunststoffen mit Additiven, von Bronze, Messing usw. Typical coefficients of friction of useful polymers are in the range of 0.04 and 0.25. Conceivable is the use of low friction thermoplastics, e.g. of PTFE, Teflon, etc., especially as a sliding layer in sheet form or the like, of plastics with additives, of bronze, brass, etc.
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