DE102017209652A1

DE102017209652A1 - Arrangement for torque detection, drive and working device

Info

Publication number: DE102017209652A1
Application number: DE102017209652.7A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: WO2018224285A1; DE102017209652B4; EP3635357A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (100) zur Erfassung eines auf eine antriebsseitige Welle (15) eines Antriebs (80) und insbesondere auf eine Kurbelwelle (15) einer Arbeitsvorrichtung, einer Lenkung oder eines mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeugs (1) entlang einer Rotationsachse (Y) wirkenden Drehmomentes (M), bei welcher (i) die Welle (15) einen ersten Wellenabschnitt (17) und einen zweiten Wellenabschnitt (18) aufweist, welche voneinander materiell und räumlich getrennt und zueinander koaxial ausgebildet sind, (ii) zur mechanischen Kopplung der Wellenabschnitte (17, 18) miteinander und zur Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft zwischen und koaxial zu den Wellenabschnitten (17, 18) eine Koppelwelle (20) mit einem ersten Ende (20-1) und einem zweiten Ende (20-2) ausgebildet ist, (iii) einerseits der erste Wellenabschnitt (17) der Welle (15) und das erste Ende (20-1) der Koppelwelle (20) und andererseits der zweite Wellenabschnitt (18) der Welle (15) und das zweite Ende (20-2) der Koppelwelle (20) zur Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind, und (iv) eine Sensoreinheit (30) ausgebildet ist, die eingerichtet ist, eine auf die Koppelwelle (20) und/oder zwischen den Wellenabschnitten (17, 18) wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als ein Maß für das auf die Welle (15) wirkende Drehmoment zu erfassen.

The present invention relates to an arrangement (100) for detecting a vehicle (1) driven on a drive-side shaft (15) of a drive (80) and in particular on a crankshaft (15) of a working device, a steering or a motor driven by muscle power and / or by motor power ) along a rotational axis (Y) acting torque (M), wherein (i) the shaft (15) has a first shaft portion (17) and a second shaft portion (18), which are materially and spatially separated from each other and formed coaxially with each other, (ii) for mechanically coupling the shaft sections (17, 18) together and for transmitting torque and axial force between and coaxial with the shaft sections (17, 18) a coupling shaft (20) having a first end (20-1) and a second one (Iii) on the one hand, the first shaft portion (17) of the shaft (15) and the first end (20-1) of the coupling shaft (20) and on the other hand, the second shaft portion (18) the shaft (15) and the second end (20-2) of the coupling shaft (20) for transmitting torque and axial force are mechanically coupled or coupled together, and (iv) a sensor unit (30) is arranged, which is a to detect the axial force acting on the coupling shaft (20) and / or between the shaft sections (17, 18) or a variable representative thereof as a measure of the torque acting on the shaft (15).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines auf eine Welle und insbesondere auf eine Kurbelwelle einer Arbeitsvorrichtung, einer Lenkung oder eines mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrrades, Elektrofahrrades, eBikes oder Pedelecs, entlang einer Rotationsachse wirkenden Drehmomentes. Sie betrifft ferner einen Antrieb für eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere für eine Lenkung oder für mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec. Vorgeschlagen werden des Weiteren eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere eine Lenkung oder ein mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, ein Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec.The present invention relates to an arrangement for detecting a on a shaft and in particular on a crankshaft of a working device, a steering or driven by muscle power and / or engine power vehicle, in particular a bicycle, electric bicycle, eBikes or pedelecs, along a rotational axis acting torque. It further relates to a drive for a working device and in particular for a steering or for driven by muscle power and / or motor power vehicle, in particular for a bicycle, electric bicycle, eBike or pedelec. Further proposed are a working device and in particular a steering or a vehicle that can be driven by muscle power and / or with engine power, a bicycle, electric bicycle, eBike or pedelec.

Bei der Überwachung und/oder Steuerung von Antriebseinrichtungen, zum Beispiel im Bereich der Fahrzeugtechnik, ist es oft wünschenswert, das auf eine Welle einer Antriebseinheit wirkende Drehmoment zu erfassen.In the monitoring and / or control of drive devices, for example in the field of vehicle technology, it is often desirable to detect the torque acting on a shaft of a drive unit.

Dazu werden herkömmlicherweise z.B. Drehmomenterfassungseinrichtungen und deren Anordnungen eingesetzt, die mit den mechanischen Verspannungen in der Welle im Zusammenhang stehende Effekte ausnutzen, um so auf den Wert eines auf die Welle wirkenden Drehmomentes schließen zu können. Es werden z.B. Materialien eingesetzt, die von den mechanischen Belastungen abhängige magnetische und/oder elektrische Eigenschaften zeigen. Nachteilig ist dabei die notwendige und aufwendige materielle Modifikation der Welle.For this conventionally e.g. Torque detecting devices and their arrangements are used, which exploit the mechanical stresses in the shaft associated effects, so as to close the value of a torque acting on the shaft can. There are e.g. Used materials that show dependent on the mechanical stress magnetic and / or electrical properties. The disadvantage here is the necessary and complex material modification of the wave.

Andererseits sind aktive Sensoren denkbar, die magnetische Felder in die Welle einprägen und aus der von der mechanischen Belastung abhängigen Feldantwort der Welle auf das Drehmoment schließen. Diese aktiven Systeme sind - wie andere auch - apparativ vergleichsweise aufwendig und störanfällig.On the other hand, active sensors are conceivable, which impress magnetic fields into the shaft and from the dependent on the mechanical load field response of the shaft to close the torque. These active systems are - like others - comparatively expensive and prone to failure.

Bei anderen Konzepten zur Messung eines von einem Fahrer muskulär ausgeübten Drehmoments bei einem mit einem Motor kombinierten Antrieb werden zur Kraft- und Momentenmessung Übertragungswellen in den Kraft- und Momentenfluss eingebracht, die genügend Torsion aufweisen, um anhand dieser Torsion ein Drehmoment zu bestimmen. Dies führt zu einem Zielkonflikt in der Konstruktion der Welle. Diese soll einerseits stabil genug sein, um ein Drehmoment zu übertragen und nicht abzuscheren, und andererseits biegbar genug sein, um eine Torsion erfassen zu können.In other concepts for measuring a torque exerted by a driver in a motor combined with a motor drive for transmitting force and torque transmission waves are introduced into the force and moment flux, which have enough torsion to determine a torque based on this torsion. This leads to a conflict of objectives in the construction of the shaft. On the one hand, this should be stable enough to transmit a torque and not shear off, and on the other hand bendable enough to be able to detect a torsion.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung eines auf eine Welle wirkenden Drehmoments mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit vergleichsweise geringem Aufwand ein Drehmoment auch bei maximal starren und damit stabilen Wellen erfasst werden kann. Das erfasste Drehmoment kann z.B. auch ein muskulär aufgebrachtes Drehmoment sein. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine Anordnung zur Erfassung eines auf eine Welle eines Antriebs und insbesondere auf eine Kurbelwelle einer Arbeitsvorrichtung, einer Lenkung oder eines mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeugs entlang einer Rotationsachse wirkenden Drehmomentes geschaffen wird, bei welcher

(i) die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist, welche voneinander materiell und räumlich getrennt und zueinander koaxial ausgebildet sind,
(ii) zur mechanischen Kopplung der Wellenabschnitte miteinander und zur Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft zwischen und koaxial zu den Wellenabschnitten eine Koppelwelle mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende ausgebildet ist,
(iii) einerseits der erste Wellenabschnitt der Welle und das erste Ende der Koppelwelle und andererseits der zweite Wellenabschnitt der Welle und das zweite Ende der Koppelwelle zur Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind, und
(iv) eine Sensoreinheit ausgebildet ist, die eingerichtet ist, eine auf die Koppelwelle und/oder zwischen den Wellenabschnitten wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als ein Maß für das auf die Welle wirkende Drehmoment zu erfassen.

The inventive arrangement for detecting a torque acting on a shaft with the features of claim 1 has the advantage that with comparatively little effort, a torque can be detected even at maximum rigid and thus stable waves. The detected torque may, for example, also be a torque applied to the muscle. This is inventively achieved with the features of claim 1, characterized in that an arrangement for detecting a force acting on a shaft of a drive and in particular on a crankshaft of a working device, a steering or a driven by muscle power and / or engine power along a rotational axis torque created is at which

(i) the shaft has a first shaft portion and a second shaft portion, which are materially and spatially separated from each other and coaxial with each other,
(ii) for mechanically coupling the shaft sections together and for transmitting torque and axial force between and coaxial with the shaft sections, a coupling shaft is formed with a first end and a second end,
(iii) on the one hand the first shaft portion of the shaft and the first end of the coupling shaft and on the other hand, the second shaft portion of the shaft and the second end of the coupling shaft for transmitting torque and axial force are mechanically coupled or coupled together, and
(iv) a sensor unit is formed which is adapted to detect an axial force acting on the coupling shaft and / or between the shaft sections or a variable representative thereof as a measure of the torque acting on the shaft.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit im Hinblick auf die gegenseitige mechanische Kopplung stellt sich dann ein, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung

(A) einerseits der erste Wellenabschnitt der Welle und das erste Ende der Koppelwelle direkt und/oder über erste kooperierende Schrägverzahnungen oder erste kooperierende Gewinde miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind und
(B) andererseits der zweite Wellenabschnitt der Welle und das zweite Ende der Koppelwelle direkt und/oder über zweite kooperierende Schrägverzahnungen oder zweite kooperierende Gewinde miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind.

A particularly high degree of reliability with regard to the mutual mechanical coupling then arises when, according to a preferred embodiment of the arrangement according to the invention

(A) on the one hand, the first shaft portion of the shaft and the first end of the coupling shaft are mechanically coupled or coupled to each other directly and / or first cooperating helical gears or first cooperating threads and coupled, and
(B) on the other hand, the second shaft portion of the shaft and the second end of the coupling shaft are mechanically coupled or coupled via second cooperating helical gears or second cooperating thread directly and / or coupled.

Um die Position der Wellenabschnitte der Welle und/oder die Länge der Welle unabhängig von einem etwaig aufgebrachten Drehmoment konstant zu halten, können die Wellenabschnitte mit der Koppelwelle entsprechend mechanisch mit einer Kompensation gekoppelt sein.In order to keep the position of the shaft sections of the shaft and / or the length of the shaft constant regardless of any torque applied, the shaft sections may be mechanically coupled to the coupling shaft with compensation.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform weisen die ersten und zweiten Schrägverzahnungen bzw. kooperierenden Gewinde zueinander entgegengesetzte Orientierungen und/oder Umlaufsinne auf und sind insbesondere ansonsten identisch aufgebaut.In a preferred embodiment, the first and second helical gears or cooperating threads have mutually opposite orientations and / or circumferential directions and, in particular, are otherwise constructed identically.

Die Wellenabschnitte der Welle und die Koppelwelle können in ihrer koaxialen Ausrichtung zueinander unterschiedliche Ausgestaltungsformen zur mechanischen Ankopplung aneinander aufweisen.The shaft sections of the shaft and the coupling shaft may have in their coaxial alignment to each other different embodiments for mechanical coupling to each other.

So ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments eine der Wellen mit beiden Wellenabschnitten und der Koppelwelle als Hohlwelle, insbesondere mit Innenverzahnung oder Innengewinde ausgebildet. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die andere der Wellen mit beiden Wellenabschnitten und der Koppelwelle als Innenwelle, insbesondere mit Außenverzahnung oder Außengewinde, von der jeweiligen Hohlwelle zumindest teilweise umschlossen ausgebildet ist.Thus, in an advantageous embodiment of the inventive arrangement for detecting a torque, one of the shafts with two shaft sections and the coupling shaft is designed as a hollow shaft, in particular with internal toothing or internal thread. In this case, it is advantageous if the other of the shafts with two shaft sections and the coupling shaft as the inner shaft, in particular with external toothing or external thread, is at least partially enclosed by the respective hollow shaft.

Alternativ dazu kann eine andere Geometrie vorgesehen sein, bei welcher die Abfolge aus erstem Wellenabschnitt der zu Grunde liegenden Welle, Koppelwelle und zweitem Wellenabschnitt der zu Grunde liegenden Welle kaskadiert ineinander verschachtelt ist, wie nach dem Matrjoschkaprinzip.Alternatively, another geometry may be provided in which the sequence of the first shaft portion of the underlying shaft, coupling shaft and second shaft portion of the underlying shaft is cascaded into each other, as in the Matrjoschkaprinzip.

Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments ist einer der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle als Hohlwelle, insbesondere mit Innenverzahnung oder Innengewinde, und zur zumindest teilweise umschließenden und mechanisch gekoppelten oder koppelbaren Aufnahme des ersten bzw. des zweiten Endes der Koppelwelle als Innenwelle, insbesondere mit Außenverzahnung oder Außengewinde, ausgebildet.According to this preferred embodiment of the inventive arrangement for detecting a torque is one of the first and second shaft portions of the shaft as a hollow shaft, in particular with internal teeth or internal threads, and at least partially enclosing and mechanically coupled or coupled recording of the first and the second end of the coupling shaft Inner shaft, in particular with external toothing or external thread formed.

Der andere der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle ist dabei als Innenwelle, insbesondere mit Außenverzahnung oder Außengewinde, und zur zumindest teilweise umschließenden und mechanisch gekoppelten oder koppelbaren Aufnahme im anderen der ersten und zweiten Enden der Koppelwelle als Hohlwelle ausgebildet, insbesondere mit Innenverzahnung oder Innengewinde.The other of the first and second shaft portions of the shaft is formed as an inner shaft, in particular with external or external thread, and at least partially enclosing and mechanically coupled or coupled receptacle in the other of the first and second ends of the coupling shaft as a hollow shaft, in particular with internal toothing or internal thread.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform, die mit einfachen Messmitteln die Erfassung eines für das wirkende Drehmoment repräsentativen Maßes ermöglicht, sind die Wellenabschnitte der Welle und die Koppelwelle jeweils zu einem axialen Spiel relativ zueinander ausgebildet, insbesondere bei Antrieb der Welle, jeweils zwischen einem ersten Anschlag und einem zweiten Anschlag und/oder entgegen einer Federvorspannung mittels mindestens eines ersten Federelements, wobei das jeweilige axiale Spiel zwischen dem ersten Wellenabschnitt und der Koppelwelle einerseits und zwischen dem zweiten Wellenabschnitt und der Koppelwelle andererseits identisch sind mit entgegengesetzter Richtung und/oder Orientierung.In a particularly advantageous embodiment, which enables the detection of a measure representative of the torque acting with simple measuring means, the shaft portions of the shaft and the coupling shaft are each formed to an axial clearance relative to each other, in particular when driving the shaft, each between a first stop and a second stop and / or against a spring bias by means of at least one first spring element, wherein the respective axial clearance between the first shaft portion and the coupling shaft on the one hand and between the second shaft portion and the coupling shaft on the other hand are identical with opposite direction and / or orientation.

In diesem Fall kann das Maß eines axialen Spiels zwischen der Welle und insbesondere zwischen einem der ersten und zweiten Wellenabschnitte und der Koppelwelle als Maß für das auf die Welle einwirkende Drehmoment erfassbar sein, insbesondere mit einer Skalierung des Drehmoments über die Federkraft des Federelements, über Eigenschaften und insbesondere den Winkel der Schrägverzahnung, über den Durchmesser des Gewindes und/oder der Schrägverzahnung und/oder über einen Positions- und/oder Abstandssensor, vorzugsweise mittels eines Hallsensors und eines Magnetelements.In this case, the extent of an axial clearance between the shaft and in particular between one of the first and second shaft sections and the coupling shaft as a measure of the torque acting on the shaft can be detected, in particular with a scaling of the torque on the spring force of the spring element, on properties and in particular the angle of the helical toothing, the diameter of the thread and / or the helical toothing and / or a position and / or distance sensor, preferably by means of a Hall sensor and a magnetic element.

Alternativ dazu kann ein Messprinzip zu Grunde gelegt werden, bei dem es auf eine nachweisbare axiale Verschiebung der Koppelwelle nicht ankommt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments sind die Welle und insbesondere die ersten und zweiten Wellenabschnitte und die Koppelwelle im Wesentlichen axial spielfrei gegeneinander gelagert und stützen sich - vermittelt durch einen Drucksensor - gegeneinander ab.Alternatively, a measuring principle can be used as the basis on which a detectable axial displacement of the coupling shaft does not matter. In a preferred embodiment of the inventive arrangement for detecting a torque, the shaft and in particular the first and second shaft sections and the coupling shaft are substantially axially free of play against each other and supported - mediated by a pressure sensor - against each other.

Dabei ist der Drucksensor eingerichtet, die axiale Kraft der Welle und insbesondere mindestens einen der ersten und zweiten Wellenabschnitte und der Koppelwelle als Maß für das auf die Welle wirkende Drehmoment über den zwischen der Welle und insbesondere zwischen einem der Wellenabschnitte und der Koppelwelle wirkenden axialen Druck zu erfassen.In this case, the pressure sensor is adapted to the axial force of the shaft and in particular at least one of the first and second shaft sections and the coupling shaft as a measure of the torque acting on the shaft via the axial pressure acting between the shaft and in particular between one of the shaft sections and the coupling shaft to capture.

Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass ein oder mehrere Drucksensoren in einem Lager der Welle und insbesondere der ersten und zweiten Wellenabschnitte und/oder in einem Lager der Koppelwelle integriert sind. Dabei ist dann ein jeweiliger dazu Drucksensor eingerichtet, die axiale Kraft der Welle und insbesondere mindestens eines der ersten und zweiten Wellenabschnitte und der Koppelwelle als Maß für das auf die Welle wirkende Drehmoment über den zwischen der Welle und insbesondere zwischen einem der Wellenabschnitte und der Koppelwelle wirkenden axialen Druck zu erfassen.Alternatively or additionally, it is conceivable that one or more pressure sensors are integrated in a bearing of the shaft and in particular of the first and second shaft sections and / or in a bearing of the coupling shaft. In this case, a respective pressure sensor is set up for this, the axial force of the To detect shaft and in particular at least one of the first and second shaft sections and the coupling shaft as a measure of the torque acting on the shaft via the acting between the shaft and in particular between one of the shaft sections and the coupling shaft axial pressure.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antrieb für eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere für eine Lenkung oder für ein mit Muskelkraft und/oder oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, ein Fahrrad, eine Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec.Furthermore, the present invention relates to a drive for a working device and in particular for a steering or for a muscle power and / or with motor power drivable vehicle, a bicycle, an electric bicycle, eBike or pedelec.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist ausgebildet mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Drehmomenterfassung, welche zur Erfassung eines auf eine Welle des Antriebes wirkenden Drehmomentes, eingerichtet ist.The vehicle according to the invention is designed with an inventive arrangement for torque detection, which is designed to detect a torque acting on a shaft of the drive.

Dabei kann erfindungsgemäß auf der Grundlage des erfassten Drehmomentes der Antrieb überwachbar und/oder steuerbar sein.In this case, according to the invention, the drive can be monitored and / or controlled on the basis of the detected torque.

Mannigfache Anwendungsgebiete sind denkbar, um den erfindungsgemäßen Antrieb zum Einsatz zu bringen. Grundsätzlich kommen sämtliche Anwendungen in Betracht, bei welchen mittels einer Welle eine axiale Kraft und/oder ein Drehmoment übertragen werden müssen.Mannigfache applications are conceivable to bring the drive according to the invention for use. In principle, all applications come into consideration, in which by means of a shaft axial force and / or torque must be transmitted.

So kann bzw. können bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Antriebs einer der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle als Antriebswelle und der andere der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle und/oder die Koppelwelle als Abtriebswelle fungiert bzw. fungieren. Eine jeweilige Abtriebswelle weist in vorteilhafter Weise ein Abtriebselement mechanisch gekoppelt oder koppelbar auf, insbesondere ein Zahnrad oder Kettenblatt.Thus, in a preferred embodiment of the drive according to the invention, one of the first and second shaft sections of the shaft can act as the drive shaft and the other of the first and second shaft sections of the shaft and / or the coupling shaft as the output shaft. A respective output shaft advantageously has a driven element mechanically coupled or coupled, in particular a gear or chainring.

Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere eine Lenkung oder ein mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec, welche mit einem erfindungsgemäßen Antrieb zum Antreiben ausgebildet sind, wobei auf der Grundlage des erfassten Drehmomentes ein oder der Antrieb überwachbar und/oder steuerbar ist.The present invention further provides a working device, and more particularly a steering system or a vehicle, bicycle, electric bicycle, eBike or pedelec drivable with muscular and / or motive power, which are provided with a drive according to the invention for driving, based on the detected torque or the drive is monitorable and / or controllable.

Figurenlistelist of figures

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 ist eine schematische Darstellung für ein Beispiel eines Fahrzeugs als Arbeitsvorrichtung nach Art eines Elektrofahrrads, bei welchem eine Ausführungsform der Erfindung realisiert ist.
2 und 3 zeigen in schematischer teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines in einer Wellenanordnung auftretenden Drehmoments in Situationen ohne und mit beaufschlagtem Drehmoment.
4 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments in einer Wellenanordnung, welche bei der Detektion ohne axiales Spiel auskommt.
5 bis 7 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht verschiedene Möglichkeiten der Verschachtelung einer Wellenanordnung bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments.
8 und 9 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht Aspekte auftretender Kräfte in Abhängigkeit unterschiedlicher Ausgestaltungen der involvierten Gewinde.
10 und 11 zeigen andere Ausgestaltungsformen Wellenanordnungen und Anordnungen zur Erfassung von Drehmomenten, bei denen das axiale Spiel oder eine axiale Verschiebung nach außen hin auftreten.

Embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1 is a schematic representation of an example of a vehicle as a working device in the manner of an electric bicycle, in which an embodiment of the invention is realized.
2 and 3 show a schematic partially sectioned side view of an embodiment of an inventive arrangement for detecting a torque occurring in a shaft assembly in situations with and without applied torque.
4 shows a schematic and partially sectioned side view of another embodiment of the inventive arrangement for detecting a torque in a shaft assembly, which manages in the detection without axial play.
5 to 7 show in schematic and partially sectioned side view various possibilities of nesting a shaft assembly in various embodiments of the inventive arrangement for detecting a torque.
8th and 9 show in schematic and partially sectioned side view aspects of forces occurring as a function of different embodiments of the threads involved.
10 and 11 Other embodiments form shaft assemblies and arrangements for detecting torques in which the axial play or an axial displacement occur outwardly.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.The following are with reference to the 1 to 11 Embodiments of the invention and the technical background described in detail. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals. Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.

Die Erfindung kann an jeder Art von Welle eingesetzt werden, an der ein Drehmoment anliegt und/oder erfasst werden soll. Derartige Wellen können beispielsweise bei Motoren oder sonstigen Antrieben eingesetzt werden, bei denen es auf eine Übertragung einer Kraft und somit eines Drehmoments ankommt. Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 beispielhaft ein Elektrofahrrad als eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 im Detail beschrieben. Es soll jedoch ausdrücklich erwähnt werden, dass die Erfindung auch bei jedem anderen Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. So ist der Einsatz generell bei allen Arbeitsvorrichtungen möglich, so auch in Handwerksgeräten, Küchengeräten, Gartengeräten, Trainingsgeräten, Fitnessgeräten oder Spielzeugen.The invention can be used on any type of shaft to which a torque is applied and / or to be detected. Such waves can be used for example in motors or other drives, where it depends on a transmission of a force and thus a torque. First, referring to 1 an example of an electric bicycle as a preferred embodiment of the vehicle according to the invention 1 described in detail. It is to be expressly mentioned, however, that the invention is also used in every other vehicle can come. Thus, the use is generally possible in all working devices, including in craft equipment, kitchen appliances, gardening tools, exercise equipment, fitness equipment or toys.

Das Fahrzeug 1 umfasst als Elektrofahrrad einen Rahmen 12, an dem ein Vorderrad 9-1, ein Hinterrad 9-2 und ein Kurbeltrieb 2 mit zwei Kurbeln 7 und 8 mit Pedalen 7-1 und 8-1 angeordnet sind. Ein elektrischer Antrieb 3 ist in den Kurbeltrieb 2 integriert. Am Hinterrad 9-2 ist eine Gangschaltung 6 angeordnet.The vehicle 1 includes a frame as an electric bicycle twelve on which a front wheel 9-1 , a rear wheel 9-2 and a crank mechanism 2 with two cranks 7 and 8th with pedals 7-1 and 8-1 are arranged. An electric drive 3 is in the crank drive 2 integrated. At the rear wheel 9-2 is a gearshift 6 arranged.

Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb 3 bereitgestellt wird, wird von einem Kettenblatt 4 am Kurbeltrieb 2 über eine Kette 5 auf ein Ritzel der Gangschaltung 6 übertragen.A drive torque, which by the driver and / or by the electric drive 3 is provided by a chainring 4 on the crank mechanism 2 over a chain 5 on a pinion gearshift 6 transfer.

Am Lenker des Fahrzeuges 1 ist ferner eine Steuereinheit 10 angeordnet, welche mit dem elektrischen Antrieb 3 verbunden ist. Im oder am Rahmen 12 ist ferner eine Batterie 11 ausgebildet, welche zur Stromversorgung des elektrischen Antriebes 3 dient.At the handlebars of the vehicle 1 is also a control unit 10 arranged, which with the electric drive 3 connected is. In or on the frame twelve is also a battery 11 formed, which for powering the electric drive 3 serves.

Im Rahmen 12 integriert ist ferner ein Kurbellager 13 oder Tretlager, welches ein Kurbelgehäuse 14 und eine Kurbelwelle als Welle 15 aufweist, welche erfindungsgemäß zweigeteilt ist mit einem ersten Wellenabschnitt 17 und einem zweiten Wellenabschnitt 18 in koaxialer Anordnung zueinander und mit einer Koppelwelle 20 dazwischen zur Vervollständigung und mechanischen Kopplung der Wellenanordnung 60.As part of twelve integrated is also a crank bearing 13 or bottom bracket, which is a crankcase 14 and a crankshaft as a shaft 15 has, which is divided into two parts according to the invention with a first shaft portion 17 and a second shaft portion 18 in coaxial arrangement with each other and with a coupling shaft 20 in between to complete and mechanically couple the shaft assembly 60 ,

Im Bereich des aus dem Kurbeltrieb 2 und dem elektrischen Antrieb 3 gebildeten Antriebs 80 und insbesondere im Bereich des Kurbelgehäuses 14 mit der Kurbelwelle 15 und der Wellenanordnung 60 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Drehmomenterfassung ausgebildet. Diese kann insbesondere zur Bewertung der aufgenommenen Daten zu dem auf die Kurbelwelle 15 wirkenden Drehmoment und zur Steuerung des Antriebs 80 und insbesondere des elektrischen Antriebs 3 mit der Steuereinheit 10 verbunden sein.In the area of the crank drive 2 and the electric drive 3 formed drive 80 and in particular in the area of the crankcase 14 with the crankshaft 15 and the shaft arrangement 60 is an embodiment of the arrangement according to the invention 100 designed for torque detection. This can, in particular, be used to evaluate the recorded data for the crankshaft 15 acting torque and for controlling the drive 80 and in particular the electric drive 3 with the control unit 10 be connected.

2 und 3 zeigen in schematischer teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Erfassung eines in einer Wellenanordnung 60 auftretenden Drehmoments 15-5 und entsprechender axialer Kraft 15-4 in Situationen ohne und mit beaufschlagtem Drehmoment 15-5. 2 and 3 show a schematic partially sectioned side view of an embodiment of an inventive arrangement 100 for detecting a torque occurring in a shaft assembly 60 15-5 and corresponding axial force 15-4 in situations without and with applied torque 15-5 ,

Die Wellenanordnung 60 der Anordnung 100 zur Erfassung eines Drehmoments besteht dem Kern nach aus einer Welle 15 mit einem ersten Wellenabschnitt 17 und einem dazu koaxial angeordneten zweiten Wellenabschnitt 18 sowie einer zu beiden Wellenabschnitten 17 und 18 koaxial angeordneten Koppelwelle 20, deren erstes Ende 22-1 als Innenwelle vom zweiten Ende 17-2 des ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15 als Hohlwelle aufgenommen ist oder wird und deren zweites Ende 20-2 ebenfalls als Innenwelle vom ersten Ende 18-1 des zweiten Wellenabschnitts 18 der Welle 15 ebenfalls als Hohlwelle aufgenommen ist oder wird.The wave arrangement 60 the arrangement 100 for detecting a torque consists of the core of a shaft 15 with a first shaft section 17 and a coaxially arranged second shaft portion 18 and one to both shaft sections 17 and 18 coaxially arranged coupling shaft 20 , whose first end 22-1 as an inner shaft from the second end 17-2 of the first shaft section 17 the wave 15 is received as a hollow shaft or is and the second end 20-2 also as inner shaft from the first end 18-1 of the second shaft section 18 the wave 15 is also included as a hollow shaft or is.

Der erste Wellenabschnitt 17 der Welle 15 weist zumindest im Bereich des zweiten Endes 17-2 ein Innengewinde 16-1 oder alternativ dazu eine Innenverzahnung als Schrägverzahnung auf, welches bzw. welche eingerichtet ist, mit einem im Bereich des ersten Endes 20-1 der Koppelwelle 20 ausgebildeten Außengewinde 22-1 einzugreifen bzw. - als Außenverzahnung im Sinne einer Schrägverzahnung aufgefasst - zu kämmen.The first wave section 17 the wave 15 points at least in the area of the second end 17-2 an internal thread 16-1 Alternatively, an internal toothing as a helical toothing, which is or which is arranged, with one in the region of the first end 20-1 the coupling shaft 20 trained external thread 22-1 intervene or - to be combated as external toothing in the sense of a helical toothing.

Entsprechend weist der zweite Wellenabschnitt 18 der Welle 15 zumindest im Bereich des ersten Endes 18-1 ebenfalls ein Innengewinde 16-2 oder alternativ dazu eine Innenverzahnung als Schrägverzahnung auf, welches bzw. welche eingerichtet ist, mit einem im Bereich des zweiten Endes 20-2 der Koppelwelle 20 ausgebildeten Außengewinde 22-2 einzugreifen bzw. - als Außenverzahnung im Sinne einer Schrägverzahnung aufgefasst - zu kämmen.Accordingly, the second shaft section 18 the wave 15 at least in the area of the first end 18-1 also an internal thread 16-2 or alternatively an internal toothing as a helical toothing, which is or which is arranged, with one in the region of the second end 20-2 the coupling shaft 20 trained external thread 22-2 intervene or - to be combated as external toothing in the sense of a helical toothing.

Die Welle 15 ist durch Lager 61 und 62 am ersten Ende 17-1 des ersten Wellenabschnitts 17 der Welle 15 bzw. am zweiten Ende 18-2 des zweiten Wellenabschnitts 18 der Welle 15 eingefasst und wird durch diese um die Rotationsachse 15-3, 20-3 rotierbar gehaltert.The wave 15 is through bearings 61 and 62 at the first end 17-1 of the first wave section 17 the wave 15 or at the second end 18-2 of the second shaft section 18 the wave 15 edged and becomes through this around the axis of rotation 15-3 . 20-3 rotatably supported.

Zwischen der Stirnseite des ersten Endes 20-1 der Koppelwelle 20 und dem ersten Wellenabschnitt 10 der Welle 15 als Hohlwelle, also in dessen Innerem, ist ein erstes Federelement 51 ausgebildet, um eine Vorspannung zwischen dem ersten Wellenabschnitt 17 und der Koppelwelle 20 zu schaffen. In analoger Weise ist zwischen der Stirnseite des zweiten Endes 20-2 der Koppelwelle 20 und dem zweiten Wellenabschnitt 18 als Hohlwelle, also in dessen Innerem, ein zweites Federelement 52 ausgebildet, um eine Vorspannung zwischen dem zweiten Wellenabschnitt 18 und der Koppelwelle 20 zu schaffen.Between the front of the first end 20 - 1 the coupling shaft 20 and the first shaft portion 10 the wave 15 as a hollow shaft, ie in its interior, is a first spring element 51 formed to a bias voltage between the first shaft portion 17 and the coupling shaft 20 to accomplish. In an analogous manner is between the end face of the second end 20 - 2 the coupling shaft 20 and the second shaft portion 18 as a hollow shaft, ie in its interior, a second spring element 52 formed to a bias voltage between the second shaft portion 18 and the coupling shaft 20 to accomplish.

An der Außenumfangsfläche der Koppelwelle 20 ist eine Marke 70 ausgebildet, welche fest mit der Koppelwelle 20 verbunden ist. In der in 2 dargestellten Situation wirkt kein Drehmoment, weder auf die Wellenabschnitte 17, 18 der Welle 15, noch auf die Koppelwelle 20.On the outer peripheral surface of the coupling shaft 20 is a brand 70 formed, which firmly with the coupling shaft 20 connected is. In the in 2 shown situation, no torque acts, neither on the shaft sections 17 . 18 the wave 15 , still on the coupling shaft 20 ,

Dagegen wird in der Situation gemäß 3, zum Beispiel über den ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15, die Wellenanordnung 60 mit einem Drehmoment 15-5 beaufschlagt, wodurch über die Kopplung mittels der Gewinde 16-1, 22-1 einerseits und 16-2, 22-2 andererseits eine axiale Kraft 15-4 entsteht, welche über die Verschiebung 71 der Marke 70 im Vergleich zu deren hier als 70' markierte ursprüngliche Position und deren Wert Δx zusammen mit dem wirkenden Drehmoments 15-5 quantifizierbar ist.On the other hand, in the situation according to 3 , for example, over the first wave section 17 the wave 15 , the wave arrangement 60 with a torque 15 - 5 which causes over the Coupling by means of the thread 16 - 1 . 22 - 1 on the one hand and 16-2 . 22-2 on the other hand, an axial force 15 - 4 which arises about the displacement 71 of the brand 70 compared to theirs here as 70 ' marked original position and its value Δx together with the acting torque 15 - 5 is quantifiable.

Bemerkenswert bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Drehmomenterfassung gemäß den 2 und 3 ist, dass auf Grund der gegensätzlichen Sinne oder Orientierungen der Gewindekombinationen mit den Gewinden 16-1, 22-1 einerseits und 16-2, 22-2 andererseits die Verschiebung 71 der Marke 70 bewirkt wird durch ein Einschrauben des zweiten Endes 20-2 der Koppelwelle 20 in den zweiten Wellenabschnitt 18 der Welle 15 bei einem gleichzeitigen Ausschrauben des ersten Endes 20-1 der Koppelwelle 20 aus dem ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15, so dass insgesamt keine Positionsänderung der äußeren axialen Anschläge 63 und 64 der Wellenanordnung 60 und/oder keine Änderung in der Länge 65 der Wellenanordnung 60 entlang der Rotationsachse 15-3, 20-3 nach außen auftreten.Noteworthy in the embodiment of the inventive arrangement 100 for torque detection according to 2 and 3 is that due to the opposing senses or orientations of the thread combinations with the threads 16 - 1 . 22 - 1 on the one hand and 16-2 . 22-2 on the other hand, the shift 71 of the brand 70 is effected by screwing the second end 20 - 2 the coupling shaft 20 in the second shaft section 18 the wave 15 with simultaneous unscrewing of the first end 20 - 1 the coupling shaft 20 from the first shaft section 17 the wave 15 , so that overall no change in position of the outer axial stops 63 and 64 the shaft arrangement 60 and / or no change in length 65 the shaft arrangement 60 along the axis of rotation 15 - 3 . 20 - 3 occur to the outside.

Bei der in den 2 und 3 gezeigten Anordnung 100 zur Drehmomenterfassung erfolgt die Messung der axialen Verschiebung 71 der Marke 70 und die Bestimmung des Wertes Δx mittels einer Sensoreinheit 30, welche einen Abstandssensor 31 aufweist. Das bedeutet, dass das den 2 und 3 zu Grunde gelegte Messprinzip eine Abstandsmessung ist.In the in the 2 and 3 shown arrangement 100 for torque detection, the measurement of the axial displacement takes place 71 of the brand 70 and the determination of the value Δx by means of a sensor unit 30 , which is a distance sensor 31 having. That means that that 2 and 3 Underlying measurement principle is a distance measurement.

Demgegenüber zeigt 4 in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Erfassung eines Drehmoments in einer Wellenanordnung 60, welche bei der Detektion ohne axiales Spiel auskommt und daher keine Abstandsmessung zu Grunde legt.In contrast, shows 4 in a schematic and partially sectioned side view of another embodiment of the arrangement according to the invention 100 for detecting a torque in a shaft assembly 60 , which does not require any axial play in the detection and therefore no distance measurement is based.

Stattdessen werden die Federelemente 51 und 52, die bei der Anordnung 100 gemäß den 2 und 3 zwischen den Stirnseiten der Koppelwelle 20 und den Hohlwellen der ersten und zweiten Wellenabschnitte 17 und 18 der Welle 15 zur Vorspannung vorgesehen sind, ersetzt durch entsprechende Drucksensoren 35 als Teil der Sensoreinheit 30. Anstelle des Messens einer axialen Verschiebung einer Marke und damit der Koppelwelle 20 relativ zu den ersten und zweiten Wellenabschnitten 17 und 18 der Welle 15 erfolgt eine Druckmessung mittels der Drucksensoren 35, also deren Dilatation und Kompression beim Beaufschlagen mit einem Drehmoment 15-4 und mit einer aus dem Miteinandereingreifen der Gewindepaare 16-1, 22-1 bzw. 16-2, 22-2 resultierenden axialen Kraft 15-5.Instead, the spring elements 51 and 52 that with the arrangement 100 according to the 2 and 3 between the end faces of the coupling shaft 20 and the hollow shafts of the first and second shaft sections 17 and 18 the wave 15 are provided for bias, replaced by appropriate pressure sensors 35 as part of the sensor unit 30 , Instead of measuring an axial displacement of a mark and thus the coupling shaft 20 relative to the first and second shaft sections 17 and 18 the wave 15 a pressure measurement takes place by means of the pressure sensors 35 , ie their dilation and compression when applied with a torque 15 - 4 and with one of the intermeshing of the thread pairs 16-1 . 22-1 respectively. 16-2 . 22-2 resulting axial force 15 - 5 ,

Alternativ zu der in 4 dargestellten Anordnung 100 ist es auch möglich, einen Sensor 35 zu verbauen, der auf Zug und Druck reagiert.Alternatively to the in 4 illustrated arrangement 100 it is also possible to use a sensor 35 to obstruct, which responds to train and pressure.

Als weitere Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 ist denkbar, Druck- und/oder Zugsensoren 35 in dem Bereich der Kugellager zu positionieren. Dadurch können die Sensoren 35 ortsfest verbaut werden und müssen nicht berührungslos ausgelesen werden.As a further variant of an arrangement according to the invention 100 is conceivable, pressure and / or tension sensors 35 in the area of the ball bearings. This allows the sensors 35 be installed stationary and do not have to be read without contact.

5 bis 7 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht verschiedene Möglichkeiten der Verschachtelung einer Wellenanordnung 60 bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Erfassung eines Drehmoments 15-4. 5 to 7 show in schematic and partially sectioned side view various possibilities of nesting a shaft assembly 60 in various embodiments of the arrangement according to the invention 100 for detecting a torque 15-4 ,

Die Anordnung 100 gemäß 5 folgt im Wesentlichen dem in den 2 und 3 dargestellten Schema, bei welchem die ersten und zweiten Wellenabschnitte 17 und 18 der Welle 15 als außenliegende Hohlwellen an ihren zweiten bzw. ersten Enden 17-2 bzw. 18-1 das erste Ende 20-1 bzw. das zweite Ende 20-2 der Koppelwelle 20 als Innenwelle in sich aufnehmen.The order 100 according to 5 follows essentially in the 2 and 3 illustrated scheme in which the first and second shaft sections 17 and 18 the wave 15 as external hollow shafts at their second and first ends 17-2 respectively. 18-1 the first end 20-1 or the second end 20-2 the coupling shaft 20 absorb as an inner wave in itself.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 100 gemäß 6 ist die Situation invertiert. Die außenliegenden Wellenabschnitte 17 und 18 sind als Innenwellen ausgebildet und werden von einer Koppelwelle 20, die als Hohlwelle fungiert, an ihrem zweiten Ende 17-2 bzw. an ihrem ersten Ende 18-1 von der Koppelwelle 20 aufgenommen und von dieser umfasst.In the inventive arrangement 100 according to 6 the situation is inverted. The outer shaft sections 17 and 18 are designed as internal shafts and are of a coupling shaft 20 , which acts as a hollow shaft, at its second end 17-2 or at its first end 18-1 from the coupling shaft 20 included and covered by this.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 100 gemäß 6 liegt eine verschachtelte oder kaskadierte Anordnung vor, bei welcher der erste Wellenabschnitt 17 der Welle 15 als Innenwelle mit seinem zweiten Ende 17-2 in der Koppelwelle 20 aufgenommen ist und von dieser umfasst wird, wobei das erste Ende 20-1 der Koppelwelle 20 als Hohlwelle fungiert. Dagegen ist das zweite Ende 20-2 der Koppelwelle 20 als Innenwelle im ersten Ende 18-1 des zweiten Wellenabschnitts 18 der Welle 15, welches als Hohlwelle fungiert, aufgenommen und wird von dieser umfasst.In the inventive arrangement 100 according to 6 there is a nested or cascaded arrangement in which the first shaft section 17 the wave 15 as an inner shaft with its second end 17-2 in the coupling shaft 20 is included and is covered by this, the first end 20-1 the coupling shaft 20 acts as a hollow shaft. The opposite is the second end 20-2 the coupling shaft 20 as an inner shaft in the first end 18-1 of the second shaft section 18 the wave 15 , which acts as a hollow shaft, received and is covered by this.

Die jeweils relevanten Paare von Gewinden oder Verzahnungen 16-1, 22-1 bzw. 16-2, 22-2 sind in den Anordnungen 100 der 5 bis 7 nicht explizit dargestellt. The relevant pairs of threads or gears 16-1 . 22-1 respectively. 16-2 . 22-2 are in the orders 100 of the 5 to 7 not explicitly shown.

8 und 9 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht Aspekte auftretender Kräfte FA, FM, FG in Abhängigkeit unterschiedlicher Ausgestaltungen des Paares an Gewinden 16-1, 22-1. 8th and 9 show in schematic and partially sectioned side aspects of forces occurring FA . FM . FG depending on different configurations of the pair of threads 16-1 . 22-1 ,

10 und 11 zeigen andere Ausgestaltungsformen von Wellenanordnungen 60' und von Anordnungen 100' zur Erfassung von Drehmomenten, bei denen das axiale Spiel oder eine axiale Verschiebung 71 nach außen hin auftreten. 10 and 11 show other embodiments of shaft assemblies 60 ' and of orders 100 ' for detecting torques where the axial play or an axial displacement 71 occur to the outside.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:These and other features and characteristics of the present invention will be further elucidated with reference to the following statements:

In Anwendungen mit Antriebsmotoren ist die Messung der abgegebenen Drehmomente 15-4 ein häufig auftretendes Problem. Der Zielkonflikt besteht darin, dass zur Übertragung von Drehmomenten 15-4 starre Verbindungswellen notwendig sind, um eine Übertragung der Motorkraft auf irgendeine Art von Applikation zu ermöglichen.In applications with drive motors, the measurement of the delivered torques 15-4 a common problem. The conflict of objectives is that for the transmission of torque 15-4 rigid connection shafts are necessary to allow transmission of motor power to any type of application.

Beispiele hierfür sind, der Antriebsmotor eines KFZ und die Antriebswelle 15, Antriebsräder, der Antriebsmotor 3 einer Werkzeugmaschine - z.B. Drehmaschine - und das Werkstück, das angetrieben wird, und der Antriebsmotor einer Bohrmaschine und der Bohrkopf.Examples include the drive motor of a motor vehicle and the drive shaft 15 , Drive wheels, the drive motor 3 a machine tool - eg lathe - and the workpiece being driven and the drive motor of a drill and the drill head.

In allen Fällen ist es ein mechanisches Bestreben, die Übertragungsstrecke so starr wie möglich zu machen, um eine gute Kraftübertragung zu gewährleisten. Problematisch an dieser Stelle ist nur, dass dann eine Drehmomentmessung nicht mehr möglich ist oder nur mit sehr hohem technischen Aufwand eine Minimaltorsion noch gemessen wird, die trotz der starren Verbindung immer noch auftritt.In all cases, it is a mechanical endeavor to make the transmission path as rigid as possible in order to ensure good power transmission. The problem at this point is only that then a torque measurement is no longer possible or only with very high technical effort a minimum twist is still measured, which still occurs despite the rigid connection.

Beispiele hierfür sind Dehnmessstreifen, die Minimaltorsionen erfassen.Examples include strain gauges that detect minimal torsions.

In vielen Applikationen wird auf eine Messung des Drehmoments einfach verzichtet und der Motor wird gesteuert gefahren also ohne direkte Messung eines Drehmoments.In many applications, measurement of the torque is simply dispensed with and the motor is driven in a controlled manner, ie without direct measurement of a torque.

Eine Lösung des beschriebenen Konflikts zwischen starrer Verbindung einerseits und Beweglichkeit zur Messung des Drehmoments andererseits ist durch die in den 10 und 11 dargestellte Konstruktion gegeben, z.B. mit dem Anwendungshintergrund eines E-Bike als Fahrzeug 1 und einer entsprechenden Wellenanordnung 60' mit einem ersten Wellenabschnitt 17' und einem zweiten Wellenabschnitt 18'.A solution of the described conflict between rigid connection on the one hand and mobility for measuring the torque on the other hand is by in the 10 and 11 shown construction given, for example, with the application background of an e-bike as a vehicle 1 and a corresponding shaft arrangement 60 ' with a first shaft section 17 ' and a second shaft portion 18 ' ,

Das Drehmoment 15-4 setzt sich in eine Verschraubung zwischen einem Kettenrad 4 und eine Tretachse 15-3 einer Welle 15' um. Damit kann an der axialen Verschiebung des Kettenrades 4 das Drehmoment 15-4 abgelesen werden.The torque 15-4 sits down in a screw connection between a sprocket 4 and a pedal axle 15-3 a wave 15 ' around. This can be due to the axial displacement of the sprocket 4 the torque 15-4 be read.

Nachteil der Konstruktion ist, dass eine variable Länge und/oder Position der Achse oder Welle 15' vorliegt, nämlich in Abhängigkeit vom aufgebrachten Drehmoment 15-4.Disadvantage of the design is that a variable length and / or position of the axle or shaft 15 ' is present, namely in dependence on the applied torque 15-4 ,

Speziell bei durchgängigen Achsen kann die Längenänderung der Achse konstruktive Probleme erzeugen.Especially with continuous axes, the change in length of the axle can create design problems.

Die vorliegende Erfindung kann bei bevorzugten Ausgestaltungsformen auch dieses Problem beheben, welches mit Anordnungen gemäß den 10 und 11 und der drehmomentabhängigen Längenänderung oder Position der Welle 15' im Zusammenhang steht.The present invention can also solve this problem in preferred embodiments, which with arrangements according to the 10 and 11 and the torque-dependent change in length or position of the shaft 15 ' is related.

In 11 schraubt sich der rechte Wellenteil des zweiten Wellenabschnitts 18' der Welle 15' in die linke Hohlwelle des ersten Wellenabschnitts 17' der Welle 15'. Dadurch ergibt sich ein axialer Wellenversatz Δx, der gemessen und dann als Maß für das anliegende Drehmoment 15-4 ausgewertet werden kann.In 11 the right shaft part of the second shaft section screws 18 ' the wave 15 ' in the left hollow shaft of the first shaft section 17 ' the wave 15 ' , This results in an axial shaft offset Ax which measured and then as a measure of the applied torque 15 - 4 can be evaluated.

Im Fall eines nicht offenen Wellenendes kann dieser axiale Versatz Δx nur schwer über ein Lager aufgefangen werden.In the case of a non-open shaft end, this axial offset Ax difficult to catch through a camp.

Erfindungsgemäß soll das Problem der Längenänderung dadurch gelöst werden, dass das Schraubenprinzip aus den 10 und 11 zweifach angewandt wird, aber mit gegensinnigen Gewinden oder Verzahnungen 16-1, 22-1 bzw. 16-2, 22-2, so dass eine gegenseitige Kompensation bewirkt wird.According to the invention, the problem of length change should be solved by the fact that the screw principle from the 10 and 11 is applied twice, but with opposing threads or gears 16-1 . 22-1 respectively. 16-2 . 22 -2, so that a mutual compensation is effected.

Die vorgeschlagene Konstruktion verwendet das ursprüngliche Prinzip aus den 10 und 11.The proposed construction uses the original principle from the 10 and 11 ,

Als wesentliche Neuerung kommt hinzu, dass das Prinzip der gegenseitigen Verzahnung oder Verschraubung 16-1, 22-1 bzw. 16-2, 22, 2 zweifach angewandt wird, und zwar einmal mit einem Rechts- und einmal mit einem Linksgewinde oder mit zwei zueinander gegensinnigen Verzahnungen. Somit besteht die gesamte Wellenanordnung 60 aus drei Einzelteilen, nämlich den ersten und zweiten Wellenabschnitten 17 und 18 der Welle 15 und der dazwischen vorgesehenen Koppelwelle 20.Another significant innovation is that the principle of interlocking or screwing together 16-1 . 22-1 respectively. 16-2 . 22 . 2 is applied twice, once with a right and even with a left-hand thread or with two mutually opposing teeth. Thus, the entire shaft arrangement exists 60 of three separate parts, namely the first and second shaft sections 17 and 18 the wave 15 and the coupling shaft provided therebetween 20 ,

Die ersten und zweiten Wellenabschnitte 17 und 18 der Welle 15 sind über Lager 61, 62 der Wellenanordnung 60 gefasst. Der durch die Koppelwelle 20 gebildete mittlere Teil der Wellenanordnung 60 wird über die zwei Schraubverbindungen mit den Kombinationen der Gewinde 16-1, 22-1 und 16-2, 22-2 geführt, wobei über die Federn 51, 52 eine Vorspannung der Kombinationen der jeweiligen zwei Gewinde 16-1, 22-1 und 16-2, 22-2 erfolgt.The first and second shaft sections 17 and 18 the wave 15 are over camp 61 . 62 the shaft arrangement 60 caught. The through the coupling shaft 20 formed middle part of the shaft arrangement 60 is about the two screw connections with the combinations of threads 16-1 . 22-1 and 16-2 . 22-2 guided, being over the springs 51 . 52 a bias of the combinations of the respective two threads 16-1 . 22-1 and 16-2 . 22-2 he follows.

Sobald zum Beispiel am rechten Wellenende, also am zweiten Wellenabschnitt 18 der Welle 15, ein Drehmoment 15, 4 im Uhrzeigersinn angelegt wird, ergibt sich eine Verdrehung zwischen dem zweiten Wellenabschnitt 18 und der Koppelwelle 20 mit dem Effekt, dass sich die gekoppelten Schraubgewinde 16-2, 22-2 eindrehen und die Feder 52 weiter eingedrückt wird. Im gleichen Maß ergibt sich eine entgegengesetzte Verdrehung zwischen der Koppelwelle 20 als Mittelstück und dem ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15 als linkem Wellenende, wobei sich auf Grund des umgekehrten Gewindesinns mit einem Rechts- bzw. Linksgewinde die Schraubverbindung mit den Gewinden 16-1, 22-1 im gleichen Maß herausdrehen.As soon as, for example, at the right end of the shaft, ie at the second shaft section 18 the wave 15 , a torque 15, 4 is applied in a clockwise direction, there is a rotation between the second shaft portion 18 and the coupling shaft 20 with the effect of having the coupled screw thread 16-2 . 22-2 screw in and the spring 52 is pressed further. To the same degree results in an opposite rotation between the coupling shaft 20 as a center piece and the first shaft section 17 the wave 15 as the left shaft end, wherein due to the reverse sense of thread with a right-hand or left-hand thread, the screw with the threads 16-1 . 22-1 to the same extent.

Das bedeutet, dass die äußeren Wellenteile oder Wellenabschnitte 17, 18 der Welle 15 axial fixiert bleiben und nur eine axiale Verschiebung Δx in Bezug auf die Koppelwelle 20 auftritt. Diese axiale Verschiebung Δx ist wiederum ein direktes Maß für das an der Wellenanordnung 60 und insbesondere an der Welle 15 ihrer ersten und zweiten Wellenabschnitte 17, 18 sowie an der Koppelwelle 20 anliegende Drehmoment 15-4. Gleichermaßen ist auch der Verdrehwinkel Δφ ein Maß für das anliegende Drehmoment 15-4.This means that the outer shaft parts or shaft sections 17 . 18 the wave 15 remain axially fixed and only an axial displacement Ax with respect to the coupling shaft 20 occurs. This axial displacement Ax again is a direct measure of that at the shaft assembly 60 and especially on the shaft 15 their first and second shaft sections 17 . 18 as well as on the coupling shaft 20 applied torque 15-4 , Equally, the angle of rotation is also Δφ a measure of the applied torque 15-4 ,

Wichtig bei der Konstruktion ist das gleiche Absolutmaß der Gewindesteigung zwischen einem Links- und dem Rechtsgewinde für die Gewinde 16-1, 16-2; 22-1, 22-2.Important in the construction is the same absolute dimension of the thread pitch between a left and the right thread for the thread 16-1 . 16-2 ; 22 -1, 22-2 ,

Der Versatz Δx kann induktiv, optisch, kapazitiv, oder über Transformatorprinzipien erfasst werden. Eine Messung des Winkelversatzes Δφ zur Auswertung des Drehmoments 15-4 ist ebenfalls denkbar.The offset Δx can be detected inductively, optically, capacitively or via transformer principles. A measurement of the angular offset Δφ for the evaluation of the torque 15-4 is also possible.

Die Erfindung ist prinzipiell bei jedem Antrieb 80 anwendbar, egal ob dieser elektrisch, verbrennungstechnisch oder - wie bei Turbinen - mit Wind- oder Wasserkraft betrieben wird.The invention is in principle with any drive 80 applicable, regardless of whether this is electrical, combustion-related or - as in turbines - operated by wind or water power.

Auch eine Erfassung des Drehmoments ohne eine explizite Verschiebung, d.h. ohne axialen Versatz Δx ist denkbar.Also, a detection of the torque without an explicit displacement, i. without axial offset Δx is conceivable.

Hierzu wird der Spielraum zwischen der Welle 15 und ihrer Wellenabschnitte 17, 18 einerseits und der Koppelwelle 20 andererseits minimiert, vorzugsweise auf den Wert Null, und stattdessen wird eine Krafterfassung oder Druckmessung, z.B. durch das Vorsehen von einem oder von zwei Piezoelementen 35 als Teil einer Sensoreinheit 30 zwischen einem jeweiligen Wellenabschnitt 17, 18 und der Koppelwelle 20 implementiert.This is the space between the shaft 15 and their shaft sections 17 . 18 on the one hand and the coupling shaft 20 on the other hand minimizes, preferably to the value zero, and instead a force detection or pressure measurement, eg by the provision of one or two piezo elements 35 as part of a sensor unit 30 between a respective shaft section 17 . 18 and the coupling shaft 20 implemented.

Es sei hier noch erwähnt, dass auch andere Konstruktionen denkbar sind, bei denen sich die Kraftmessung durch geeignete Lagerung an nicht drehenden Teilen befindet.It should be mentioned here that other constructions are conceivable in which the force measurement is by suitable storage on non-rotating parts.

Im Folgenden soll noch dargestellt werden, wie die Dimensionierung der erfindungsgemäßen Anordnung 100 für einen Drehmomentsensor über unterschiedliche Gewindesteigungen möglich ist.Below will be shown how the dimensioning of the arrangement according to the invention 100 for a torque sensor over different thread pitches is possible.

In 8 ist die Kraftaufteilung oder Kraftzerlegung dargestellt, die sich bei Anliegen einer Drehmomentkraft FM an der Koppelwelle 20 einstellt. Es ergibt sich eine Kraftkomponente FA in Richtung der Achse 15-3, 20-3 der Wellen 50, 20. Diese Kraft FA drückt die Koppelwelle 20 in den ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15 - hier in Form einer Hülse mit Innengewinde 16-1 - hinein. Des Weiteren wird sich eine Kraftkomponente FG einstellen, die senkrecht auf den Gewinden 16-1, 22-1 lastet und in der Abbildung mit der Kraft FG beschrieben ist. Angedeutet ist auch noch, wie sich der Winkel der Gewindesteigung α auf das Kräftedreieck überträgt.In 8th is shown the force distribution or force decomposition, which is due to a torque force FM on the coupling shaft 20 established. This results in a force component FA in the direction of the axis 15-3 . 20-3 the waves 50 . 20 , This power FA pushes the coupling shaft 20 in the first wave section 17 the wave 15 - Here in the form of a sleeve with internal thread 16-1 - inside. Furthermore, there will be a force component FG Adjust perpendicular to the threads 16-1 . 22-1 loads and is described in the figure with the force FG. Also indicated is how the angle of the thread pitch α transmits to the force triangle.

9 zeigt das Kräftedreieck bei einer höheren Gewindesteigung. Man erkennt, dass sich ein niedrigerer axialer Kraftanteil FA einstellt und ebenso die Belastung auf die Gewinde 16-1, 22-1 sinkt. 9 shows the force triangle at a higher thread pitch. It can be seen that a lower axial force component FA adjusts and also the load on the thread 16-1 . 22-1 sinks.

Aus diesen Zusammenhängen ist ersichtlich, dass über die Gewindesteigung die Umsetzung von Momentenkraft zu axialer Kraft eingestellt werden kann. Die axiale Kraft ergibt sich zu FA = FM / tan(a).It can be seen from these relationships that the conversion of torque force to axial force can be adjusted via the thread pitch. The axial force results in FA = FM / tan (a).

Je niedriger die Gewindesteigung α ist, desto höher wird die axiale Kraft FA. Für eine möglichst symmetrische Auslegung von vortreibender Kraft und Rückstellkraft ist eine Gewindesteigung von α = 45° besonders vorteilhaft.The lower the thread pitch α, the higher the axial force FA becomes. For a possible symmetrical design of vorrreibender force and restoring force a thread pitch of α = 45 ° is particularly advantageous.

Von Bedeutung ist ebenfalls der Durchmesser des Gewindes. Da das Drehmoment ist definiert als Produkt aus (a) Hebelkraft, die senkrecht zu einem Hebelarm wirkt, und (b) der Länge des Hebelarms, stellt sich abhängig vom Durchmesser des jeweiligen Gewindes 16-1, 16-2, 22-1, 22-2 bei fest vorgegebenem Drehmoment 15-4 eine Hebelkraft FM ein die mit steigendem Durchmesser sinkt. Damit ist auch über den Durchmesser des Gewindes 16-1, 16-2, 22-1, 22-2 der Drehmomentsensor 100 skalierbar.Of importance is also the diameter of the thread. Since the torque is defined as the product of (a) leverage acting perpendicular to a lever arm, and (b) the length of the lever arm, depends on the diameter of the respective thread 16-1 . 16-2 . 22-1 . 22-2 at a fixed torque 15-4 a leverage FM one that decreases with increasing diameter. This is also about the diameter of the thread 16-1 . 16-2 . 22-1 . 22-2 the torque sensor 100 scalable.

Die senkrecht auf das Gewinde 16-1, 16-2, 22-1, 22-2 wirkende Kraft FG bestimmt sich zu FG = FM / sin(a), wobei α wieder die Gewindesteigung bezeichnet.The perpendicular to the thread 16-1 . 16-2 . 22-1 . 22-2 acting force FG is determined to FG = FM / sin (a), where α again denotes the thread pitch.

Claims

Arrangement (100) for detecting a torque (M) acting on a shaft (15), in particular for detecting the on the shaft (15) of a Drive (80) or on a crankshaft (15) of a working device, a steering or a vehicle (1) driven by muscle power and / or by motor power along a rotational axis (Y) acting torque (M), in which - the shaft (15) a first shaft portion (17) and a second shaft portion (18), which are materially and spatially separated from each other and formed coaxially to each other, - for mechanically coupling the shaft portions (17, 18) with each other and for transmitting torque and axial force between and coaxial to the shaft sections (17, 18) a coupling shaft (20) with a first end (20-1) and a second end (20-2) is formed, - on the one hand, the first shaft portion (17) of the shaft (15) and the first End (20-1) of the coupling shaft (20) and on the other hand, the second shaft portion (18) of the shaft (15) and the second end (20-2) of the coupling shaft (20) mechanically coupled to each other for transmitting torque and axial force or a sensor unit (30) is arranged, which is an axial force acting on the coupling shaft (20) and / or between the shaft sections (17, 18) or a size representative thereof as a measure of the To detect torque acting on the shaft (15).

Arrangement (100) according to Claim 1 in which - on the one hand, the first shaft portion (17) of the shaft (15) and the first end (20-1) of the coupling shaft (20) directly and / or first cooperating helical gears (16-1, 22-1) or first cooperating Thread (16-1, 22-1) are mechanically coupled or coupled together and - on the other hand, the second shaft portion (18) of the shaft (15) and the second end (20-2) of the coupling shaft (20) directly and / or via the second Cooperating helical gears (16-2; 22-2) or second cooperating threads (16-2; 22-2) are mechanically coupled to each other or can be coupled.

Arrangement (100) according to Claim 2 in which the first and second helical toothings (16-2; 22-2) or cooperating threads (16-2; 22-2) have mutually opposite orientations and / or circumferential directions and in particular are otherwise constructed identically.

Arrangement (100) according to one of the preceding claims, in which - One of the shaft (15) with two shaft sections (17, 18) and the coupling shaft (20) as a hollow shaft, in particular with internal toothing (16-1, 16-2, 22-1, 22-2) or internal thread (16-1 , 16-2, 22-1, 22-2), and - The other of the shaft (15) with two shaft sections (17, 18) and the coupling shaft (20) as an inner shaft, in particular with external teeth (16-1, 16-2, 22-1, 22-2) or external thread (16- 1, 16-2, 22-1, 22-2), is formed by the respective hollow shaft at least partially enclosed.

Arrangement (100) according to one of Claims 1 to 3 in which - one of the first and second shaft sections (17, 18) of the shaft (15) as a hollow shaft, in particular with internal toothing (16-1, 16-2) or internal thread (16-1, 16-2), and at least partially enclosing and mechanically coupled or coupled receiving the first and the second end (20-1, 20-2) of the coupling shaft (20) as an inner shaft, in particular with external teeth (22-1, 22-2) or external thread (22-1 , 22-2), and - the other of the first and second shaft sections (17, 18) of the shaft (15) as an inner shaft, in particular with external teeth (16-1, 16-2) or external threads (16-1, 16 -2), and at least partially enclosing and mechanically coupled or coupled recording in the other of the first and second ends (20-1, 20-2) of the coupling shaft (20) as a hollow shaft, in particular with internal teeth (16-1, 16-2 22-1, 22-2) or internal threads (16-1, 16-2, 22-1, 22-2).

Arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the shaft portions (17, 18) of the shaft (15) and the coupling shaft (20) are each formed to an axial clearance relative to each other, in particular when driving the shaft (15), respectively between a first stop (41) and a second stop (42) and / or against a spring bias by means of at least one first spring element (51, 52), wherein the respective axial clearance between the first shaft portion (17) and the coupling shaft (20) on the one hand and between the second shaft portion (18) and the coupling shaft (20), on the other hand, are identical in opposite direction and / or orientation.

Arrangement (100) according to Claim 6 in which the degree of axial play between the shaft (15) and in particular between one of the first and second shaft sections (17, 18) and the coupling shaft (20) can be detected as a measure of the torque acting on the shaft (50), in particular with a scaling of the torque via the spring force of the spring element (51), over properties and in particular the angle of the helical gearing, over the diameter of the thread (16-1, 16-2, 22-1, 22-2) and / or Helical toothing and / or a position and / or distance sensor (31), preferably by means of a Hall sensor (32) and a magnetic element (33).

Arrangement (100) according to one of Claims 1 to 5 in which - the shaft (15) and in particular the first and second shaft sections (17, 18) and the Coupling shaft (20) are mounted axially against each other substantially against each other and mediated by a pressure sensor (35) against each support and - the pressure sensor (35) is arranged, the axial force (15-5) of the shaft (15) and in particular at least one of first and second shaft sections (17, 18) and the coupling shaft (20) as a measure of the torque (15-4) acting on the shaft (15) via the shaft (15) and in particular between one of the shaft sections (17, 18 ) and the coupling shaft (20) acting axial pressure.

Arrangement (100) according to one of Claims 1 to 5 in which - one or more pressure sensors (35) in a bearing of the shaft (15) and in particular the first and second shaft sections (17, 18) and / or a bearing of the coupling shaft (20) are integrated and - a respective pressure sensor (35 ), the axial force (15-5) of the shaft (15) and in particular at least one of the first and second shaft sections (17, 18) and the coupling shaft (20) as a measure of the torque acting on the shaft (15) ( 15-4) via the between the shaft (15) and in particular between one of the shaft sections (17, 18) and the coupling shaft (20) acting axial pressure.

Drive (80) for a working device and in particular for a steering or for a driven with muscle power and / or motor power vehicle (1), bicycle, electric bicycle, eBike or pedelec, - with an arrangement (100) for torque detection according to one of Claims 1 to 9 for detecting a torque acting on a shaft (15) of the drive (80), - in which, in particular on the basis of the detected torque, the drive (80) can be monitored and / or controlled.

Drive (80) to Claim 10 in which - one of the first and second shaft portions (17, 18) of the shaft (15) as the drive shaft and the other of the first and second shaft portions (18, 17) of the shaft (15) and / or the coupling shaft (20) as the output shaft acts or act and - a respective output shaft has an output element (4) mechanically coupled or coupled, in particular a gear or chainring.

Working device and in particular steering or with muscle power and / or motor power driven vehicle (1), bicycle, electric bicycle, eBike or pedelec, with a drive (80) according to claim 10 or 11 for driving, - In which on the basis of the detected torque of the drive (80) can be monitored and / or controlled.