DE102016219962A1

DE102016219962A1 - Drehmomentmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102016219962A1
Application number: DE102016219962.5A
Authority: DE
Inventors: Cornel Marian Amariei
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-19
Anticipated expiration: 2036-10-14
Also published as: DE102016219962B4; WO2018069160A1; KR20190059978A; JP2019532311A; US20190242765A1; CN110050178A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung zur Messung des Drehmoments in einer durch Torsion beanspruchten Welle (1) mit zwei axial angeordneten Wellenabschnitten (1.1, 1.2), wobei ein erster Wellenabschnitt (1.1) als Antriebswelle dient und ein zweiter Wellenabschnitt (1.2) als Abtriebswelle dient und mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden ist.Erfindungsgemäß wirdauf dem ersten Wellenabschnitt (1.1) ein ringförmiges lichtempfindliches Element (3) angebracht,auf dem zweiten Wellenabschnitt (1.2) ein ringförmiges lichtemittierendes Element (4) angeordnet undzwischen den Wellenabschnitten (1.1, 1.2) ein Messkörper (2) mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) angeordnet,das ringförmige lichtempfindliche Element (3) mit dem ringförmigen lichtemittierenden Element (4) elektrisch leitend über den belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden,außerhalb der Welle (1) ein Leuchtelement (6) und ein Photoelement (7) angeordnet,wobei das Licht des Leuchtelements (6) auf das ringförmige lichtempfindliche Element (3) gerichtet ist, und

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung zur Messung des Drehmoments in einer durch Torsion beanspruchten Welle mit zwei axial angeordneten Wellenabschnitten, wobei ein erster Wellenabschnitt als Antriebswelle dient und ein zweiter Wellenabschnitt als Abtriebswelle dient und mit einem belastungsabhängigen Sensor verbunden ist.
Sowohl für Anwendungen in der Industrie als auch für Anwendungen in anderen Bereichen ist es häufig erforderlich, die Beanspruchung von Wellen infolge von Torsionsbeanspruchungen zu ermitteln. Insbesondere in allgemeinen Automotiv- und Fahrzeuganwendungen werden derartige Vorrichtungen zur Drehmomentmessung benötigt.
Aus dem bekannten Stand der Technik sind vielfältige Anordnungen zur Drehmomentmessung an Wellen bekannt.
Dabei werden elektrische Messwiderstände, meist in Form von Dehnungsmessstreifen, am Außenzylinder einer Welle angebracht. Die Messwiderstände können in Längsrichtung oder dazu geneigt angeordnet sein.
In US 2013/0024137 A1 ist ein Drehmomentsensor beschrieben, bei dem ein Messelement an einer Welle für ein Tretlager eines Fahrrads angeordnet ist, wobei das Messelement senkrecht zum Radius der Welle angeordnet ist.
Ferner ist aus WO 2014/124617 A1 eine für ein Tretlager geeignete Drehmomentmessvorrichtung bekannt, welche eine als Antriebswelle vorgesehene innere Welle, eine mit der inneren Welle verbundene, diese umgebende, als Abtriebswelle vorgesehene Hohlwelle umfasst, wobei die Hohlwelle eine einen Dehnungsmessstreifen umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmessvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Drehmomentbelastung an einer Welle drahtlos erfasst werden kann.
Erfindungsgemäß gelingt die Aufgabe mit einer Drehmomentmessvorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unterasprüche.
Bei der Drehmomentmessvorrichtung sind auf dem ersten Wellenabschnitt ein ringförmiges lichtempfindliches Element und auf dem zweiten Wellenabschnitt ein ringförmiges lichtemittierendes Element angeordnet. Zwischen den Wellenabschnitten befindet sich ein Messkörper mit einem belastungsabhängigen Sensor.
Das ringförmige lichtempfindliche Element ist mit dem ringförmigen lichtemittierenden Element elektrisch leitend über den belastungsabhängigen Widerstand verbunden. Außerhalb der Welle sind ein Leuchtelement und ein Photoelement stationär so angeordnet, dass das Licht des Leuchtelements auf das ringförmige lichtempfindliche Element gerichtet ist und das vom lichtemittierenden Element ausgesendete Licht von dem Photoelement empfangen wird und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.
Die Anordnung ermöglicht es, auf einer drehenden Welle einen elektrischen Widerstandswert zu ermitteln, der ein Maß für das von der Welle übertragene Drehmoment ist, und diesen Wert auf einen außerhalb der sich bewegenden Welle stationär angeordneten Empfänger drahtlos zu übertragen.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass der belastungsabhängige Sensor ein elektrischer Widerstandssensor ist. Solche Sensoren sind kostengünstig und gestatten eine genaue Messung.
Als Leuchtelement dient zweckmäßigerweise eine Leuchtdiode (kurz LED genannt).
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der belastungsabhängige Widerstand an einem Messkörper angeordnet, der zwischen dem ersten Wellenabschnitt und dem zweiten Wellenabschnitt drehgesichert angeordnet ist.
Ferner ist es vorteilhaft, den belastungsabhängigen Widerstand an der Außenseite des Messkörpers in Längsrichtung anzuordnen. Damit ergibt sich eine hohe Messgenauigkeit und eine gute Zugänglichkeit zum Messwiderstand.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass am Messkörper mehrere elektrische Widerstandssensoren angeordnet sind. Damit kann eine höhere Empfindlichkeit der Messanordnung erreicht werden.
Die Anordnung der elektrischen Widerstandssensoren kann in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung erfolgen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, für die elektrischen Widerstandssensoren eine wheatstonesche Brückenschaltung zu verwenden. Damit kann eine günstige Auswertung des Messergebnisses erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Messvorrichtung

3 ein Ersatzschaltbild der elektrischen Komponenten.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie aus 1 ersichtlich ist, besteht die Welle 1 aus einem ersten Wellenabschnitt 1.1 und einem zweiten Wellenabschnitt 1.2.
Im dargestellten Fall dient der erste Wellenabschnitt 1.1 als Antriebswelle, in die ein zu übertragendes Drehmoment eingeleitet wird und der zweite Wellenabschnitt 1.2 als Abtriebswelle, auf die das Drehmoment übertragen wird. Auf dem ersten Wellenabschnitt 1.1 befindet sich ein lichtempfindliches Element 3. Am zweiten Wellenabschnitt 1.2 ist ein lichtemittierendes Element 4 angeordnet. Das lichtempfindliche Element 3 und das lichtemittierende Element 4 sind jeweils am Umfang der Wellenabschnitte 1.1 und 1.2 angeordnet.
Zwischen dem ersten Wellenabschnitt 1.1 und dem zweiten Wellenabschnitt 1.2 befindet sich ein als Messkörper 2 dienender weiterer Wellenabschnitt. Am Außenzylinder des Messkörpers 2 ist in Längsrichtung der belastungsabhängige Sensor 5 angeordnet, der als elektrischer Messwiderstand ausgebildet ist.
Außerhalb der Welle 1 sind ein Leuchtelement 6 und ein Photoelement 7 stationär angeordnet.
2 erläutert die Funktionsweise der Messvorrichtung. Ein von dem außerhalb der Welle 1 stationär angeordneten Leuchtelement 6 ausgestrahlter erster Lichtstrahl L1 trifft auf das am ersten Wellenabschnitt 1.1 angeordnete lichtempfindliche Element 3, welches einen elektrischen Strom erzeugt, der über den belastungsabhängigen Sensor 5 auf das lichtemittierende Element 4 geleitet wird.
Der als Messwiderstand ausgebildete belastungsabhängige Sensor 5 ist im Messkörper 2 so angeordnet, dass er bei einer Torsion des Messkörpers 2, infolge des zu ermittelnden, auf den Messkörper 2 übertragenen Drehmoments, seinen Widerstandswert verändert.
In Abhängigkeit vom jeweiligen Widerstandswert des Messwiderstands, und damit auch in Abhängigkeit von dem auf die Welle 1 wirkenden Drehmoment, trifft auf das lichtemittierende Element 4 ein elektrischer Strom, dessen Wert ein Maß für das zu messende Drehmoment ist.
In Abhängigkeit von der Stromstärke leuchtet das lichtemittierende Element 4 mit einer Intensität, die von dem zu bestimmenden Drehmoment abhängig ist. Der von dem lichtemittierenden Element 4 ausgehende zweite Lichtstrahl L2 trifft auf das außerhalb der Welle 1 stationär angeordnete Photoelement 7, welches einen Stromwert liefert, der ein Maß für das zu bestimmende Drehmoment ist.
In 3 ist das Ersatzschaltbild der im Messkörper 2 verwendeten elektrischen Komponenten dargestellt. Der von dem lichtempfindlichen Element 3 erzeugte Strom fließt durch den belastungsabhängigen Sensor 5, der in Abhängigkeit von der im Messkörper 2 sich ergebenden Torsion, welche von dem übertragenen Drehmoment hervorgerufen wird, steht. Je nach der Stärke dieses Stroms leuchtet das lichtemittierende Element 4 mit unterschiedlicher Intensität.
Bezugszeichenliste

1: Welle 1.1 erster Wellenabschnitt 1.2 zweiter Wellenabschnitt
2: Messkörper
3: lichtempfindliches Element
4: lichtemittierendes Element
5: belastungsabhängiger Sensor
6: Leuchtelement
7: Photoelement
L1: erster Lichtstrahl
L2: zweiter Lichtstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0024137 A1 [0005]
WO 2014/124617 A1 [0006]

Claims

Drehmomentmessvorrichtung zur Messung des Drehmoments in einer durch Torsion beanspruchten Welle (1) mit zwei axial angeordneten Wellenabschnitten (1.1, 1.2), wobei ein erster Wellenabschnitt (1.1) als Antriebswelle dient und ein zweiter Wellenabschnitt (1.2) als Abtriebswelle dient und mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - auf dem ersten Wellenabschnitt (1.1) ein ringförmiges lichtempfindliches Element (3) angebracht ist, - zwischen den Wellenabschnitten (1.1, 1.2) ein Messkörper (2) mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) angeordnet ist, - auf dem zweiten Wellenabschnitt (1.2) ein ringförmiges lichtemittierendes Element (4) angeordnet ist, - das ringförmige lichtempfindliche Element (3) mit dem ringförmigen lichtemittierenden Element (4) elektrisch leitend über den belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden ist, - außerhalb der Welle (1) ein Leuchtelement (6) und ein Photoelement (7) angeordnet sind, - wobei das Licht des Leuchtelements (6) auf das ringförmige lichtempfindliche Element (3) gerichtet ist und - das vom lichtemittierenden Element (4) ausgesendete Licht von dem Photoelement (7) empfangen wird und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.
Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der belastungsabhängige Sensor (5) ein elektrischer Widerstandssensor ist.
Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtelement (6) eine Leuchtdiode ist.
Drehmomentmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der belastungsabhängige Sensor (5) an einem Messkörper (2) angeordnet ist, der zwischen dem ersten Wellenabschnitt (1.1) und dem zweiten Wellenabschnitt (1.2) angeordnet ist.
Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der belastungsabhängige Sensor (5) an der Außenseite des Messkörpers (2) in Längsrichtung angeordnet ist.
Drehmomentmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Messkörper (2) mehrere elektrische Widerstandssensoren angeordnet sind.
Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstandssensoren in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung angeordnet sind.
Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstandssensoren in einer wheatstoneschen Brückenschaltung angeordnet sind.