DE102018211476A1

DE102018211476A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments an einer Welle

Info

Publication number: DE102018211476A1
Application number: DE102018211476.5A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Jochen Neumeister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Bestimmung eines Drehmoments (M) an einer Welle (13), mit einer ersten Welle (25) und einer zweiten Welle (27), wobei zwischen der ersten Welle (25) und der zweiten Welle (27) mittels einer Kupplung (35) mit einem ersten Kupplungsteil (38) und einem zweiten Kupplungsteil (40) das Drehmoment (M) übertragbar ist, wobei das erste Kupplungsteil (38) mit einer Antriebskontur (42), die mit ersten Welle (25) drehfest verbunden ist, ausgestattet ist, wobei die Antriebskontur (42) eine Antriebsrampe (44) aufweist und die zweite Welle (27) das zweite Kupplungsteil (40) mit einer Gegenantriebskontur (46) mit einer Gegenantriebsrampe (48) aufweist, und die Welle (27) axial verlagerbar ist, und ein Wegaufnehmer (52) angeordnet ist, der dazu geeignet ist, eine Verlagerung der einen Welle (27) aufzunehmen, wobei die Antriebskontur (42) derartig geformt ist, dass die Antriebskontur (42) eine Axialverzahnung hat.

Description

Stand der Technik
Aus der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2017 202 507.7 wird durch die Veröffentlichung jener Anmeldung eine Vorrichtung bekannt geworden sein, die derartig ausgeführt ist, dass sich unter der Last eines Antriebsmoments eine axiale Verschiebung eines Bauteils ergibt, die als Maß bzw. Wert im Verhältnis zum aufgebrachten Drehmoment steht. Das heißt, dass auf Grund der konstruktiven Eigenschaften aus der Verschiebung auf das Drehmoment geschlossen werden kann. Bei der dort vorgeschlagenen Konstruktion entsteht in Abhängigkeit vom aufgebrachten Drehmoment je nach Höhe des Drehmoments eine unterschiedliche, d. h. variable Länge der Achse. Speziell bei durchgängigen Achsen kann diese Längenänderung der Achse konstruktive Probleme erzeugen. Des Weiteren wird das Drehmoment dort ausschließlich entlang eines Schraubgewindes übertragen. Ein Gewindegang wird dabei stark belastet. Es soll auch deswegen eine geänderte Konstruktion vorgeschlagen werden, bei der die Belastung verringert ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments an einer Welle derartig ausgestattet ist, dass zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle mittels einer Kupplung ein Drehmoment übertragbar ist, und die Kupplung ein erstes Kupplungsteil und ein zweites Kupplungsteil zur Drehmomentübertragung aufweist, wobei das erste Kupplungsteil mit einer Antriebskontur und das zweite Kupplungsteil mit einer Gegenantriebskontur drehfest verbunden ist, wobei die Antriebskontur eine Stirnfläche aufweist, mit der das Drehmoment von der ersten Welle auf die zweite Welle übertragen wird und dabei eine der beiden Wellen axial verlagerbar ist. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt ist vorgesehen, dass das erste Kupplungsteil mit einer Antriebskontur versehen ist, die mit der ersten Welle drehfest verbunden ist, wobei die Antriebskontur eine Antriebsrampe aufweist und die zweite Welle das zweite Kupplungsteil mit der Gegenantriebskontur und einer Gegenantriebsrampe aufweist, und ein Wegaufnehmer angeordnet ist, der dazu geeignet ist, eine Verlagerung der einen der beiden Wellen aufzunehmen, wobei die Antriebskontur derartig geformt ist, dass die Antriebskontur eine Verzahnung in axialer Richtung hat. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Antriebskontur eine symmetrische Axialverzahnung ist. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebskontur und die Gegenantriebskontur jeweils axialsymmetrisch zur Drehachse sind. Es ist insbesondere vorgesehen, dass diese symmetrische Axialverzahnung mindestens zwei Zähne aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Axialverzahnung eine Flankensteigung in der Größenordnung von 45 Winkelgraden, ganz besonders genau 45 Winkelgrade aufweist. Dadurch ergeben sich nahezu bzw. vollständig symmetrische Kraftverhältnisse für beide Bewegungsrichtungen und die jeweils zugehörige Axialverschiebung. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die erste Welle und die zweite Welle mittels einer Feder gegeneinander verspannt sind, so dass sie im Ausgangszustand, wenn z. B. von dem ersten Kupplungsteil kein Antriebsmoment auf das zweite Kupplungsteil übertragen wird, die Antriebskontur an der Gegenantriebskontur vorzugsweise vollflächig aneinander anliegt. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist vorgesehen, dass nach radial innen eine Antriebskontur oder die Gegenantriebskontur durch eine Aussparung bzw. Ausnehmung begrenzt ist. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung nur in eine Drehmomentrichtung ein Drehmoment übertragen kann. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass eine Antriebskontur oder eine Gegenantriebskontur oder die Antriebskontur und die Gegenantriebskontur jeweils einen Steigungssektor aufweisen, der sich bei bestimmungsgemäßer Aneinanderlage vollständig ergänzt. Besonders bevorzugt wird, dass sowohl die Antriebskontur als auch die Gegenantriebskontur jeweils beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf oder gegebenenfalls auch mehr Steigungssektoren aufweisen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass ein Steigungssektor der Antriebskontur und ein Steigungssektor der Gegenantriebskontur derartig aufeinander abgestimmt sind, dass einzelne Punkte eines Steigungssektors axial symmetrisch angeordnet sind, sodass sich bei der Gegengeometrie an der gleichen Stelle jeweils ein entsprechender Punkt mit einer gleichen konstruktiven Eigenschaft befindet (Steigung). Des Weiteren ist vorgesehen, dass diese Geometrien einen Anstieg der Schrägen bzw. Rampen aufweisen, der über den ganzen Steigungssektor bzw. Winkelsektor hinweg kontinuierlich bzw. gleichmäßig ist. Des Weiteren müssen die radialen Schnittlinien der Flächen über den gesamten Umlauf den gleichen Winkel zur Wellenachse einnehmen. Ein bevorzugter Sonderfall ist hierbei, dass die Schnittlinien der Gleitflächen von außen nach innen senkrecht zur Achse erfolgen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der gezeigten Figuren detailliert beschrieben.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Überblick und in einer Längsschnittdarstellung,
2 zeigt das angewendete Prinzip bei der Übertragung des Drehmoments,
3 eine Stirnansicht auf eine Antriebskontur,
4 eine Seitenansicht auf eine Antriebskontur und eine Gegenantriebskontur, während ein Drehmoment aufgebracht ist,
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Antriebskontur,
6 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier Kupplungsteile in räumlicher Darstellung,
7 zeigt eine Seitenansicht auf eine schematische Kupplung nach dem System aus 6 mit zwei Zähnen je Antriebs- bzw. Gegenantriebskontur,
8 zeigt die Antriebskontur aus der 7 in einer Stirnansicht,
9 zeigt eine Seitenansicht auf die schematische Kupplung nach dem System aus 6 mit zwei Zähnen je Antriebs- bzw. Gegenantriebskontur unter der Last eines Drehmoments,
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
14, 15 und
16 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel,
17 und
18 zeigen alternative Einzelheiten zu dem Ausführungsbeispiel aus 14, 15 und 16 in zwei verschiedenen Betriebszuständen.

In 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Drehmoments M an einer Welle 13 dargestellt.
Das erwähnte Drehmoment M dient dazu ein Zahnrad 16, welches für ein allgemeines Drehmomentübertragungsteil steht, anzutreiben. Dieses Zahnrad 16 ist mit einer Aufnahme 19 drehfest verbunden. Die Aufnahme 19 wiederum ist in einem Lager 22 - z. B. einem Rahmen - aufgenommen. Hierzu können zwischen dem Lager 22 und der Aufnahme 19 auch noch weitere Lagerelemente dienen (Wälzlager, Gleitlager), die hier nicht dargestellt sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Lagerelemente eine axiale Position der Aufnahme 19 sichern. Die Aufnahme 19 ist demzufolge im Verhältnis zum Lager 22 darin drehbar gelagert. Die Aufnahme 19 ist vorzugsweise rohrförmig und weist in ihrem Inneren mehrere Bauteile auf. Eine hier als erste Welle 25 bezeichnete Welle ist mit der Welle 13 drehfest verbunden. Des Weiteren sitzt in der Aufnahme 19 eine zweite Welle 27 ein. Axial weiter nach links folgt dieser zweiten Welle 27 eine Feder 29, die nach links außen, vorzugsweise durch ein Sicherungselement 32, abgestützt ist. Dieses Sicherungselement 32 kann beispielsweise ein Sicherungsring sein. Die erste Welle 25 und die zweite Welle 27 sind in diesem Fall derartig geformt, dass diese miteinander durch eine Kupplung 35 miteinander verbunden sind. An der ersten Welle 25 ist ein erstes Kupplungsteil 38 und an der zweiten Welle 27 ein zweites Kupplungsteil 40 ausgebildet. Wird die erste Welle 25 durch ein Drehmoment M bewegt, so bewirkt diese erste Welle 25 mit ihrem ersten Kupplungsteil 38 eine Drehkraft (Drehmoment) auf das zweite Kupplungsteil 40 der zweiten Welle 27. Das erste Kupplungsteil 38 ist mit einer Antriebskontur 42 ausgestattet, die eine Antriebsrampe 44 aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Welle 25 derartig geformt ist, dass das erste Kupplungsteil 38 mit der Antriebskontur 42 - und hier ganz besonders mit der Antriebsrampe 44 - einstückig ausgebildet ist. Selbstverständlich kommt alternativ auch in Frage, dass das erste Kupplungsteil 38 mit der Antriebskontur 42 und der Antriebsrampe 44 aufgrund besonderer Eigenschaften (z.B. Materialhärte) als separates Bauteil gefertigt und mit der ersten Welle 25 gefügt ist. Das zweite Kupplungsteil 40 weist dagegen eine Gegenantriebskontur 46 mit einer Gegenantriebsrampe 48 auf. Auch hier kann aufgrund der speziellen Eigenschaften, die für ein zweites Kupplungsteil gefordert werden können (Härte), dieses zweite Kupplungsteil 40 mit der Gegenantriebskontur 46 und der Gegenantriebsrampe 48 als separates Bauteil gefertigt sein und mittels irgendwelcher bekannter Fügeelemente bzw. Fügemethoden mit der zweiten Welle 27 gefügt sein. Die Antriebskontur 42 ist dabei derartig geformt, dass diese eine Axialverzahnung hat. An der Aufnahme 19 - und hier ganz besonders beispielsweise im Bereich der Feder 29 - ist an einer Öffnung 50 in der Aufnahme 19 ein Wegaufnehmer 52 angeordnet. Dieser Wegaufnehmer 52 ist beispielsweise über eine Datenverbindung 53 mit einer Auswerteschaltung 54 verbunden.
Die zweite Welle 27 weist an ihrer Außenseite in Richtung einer Drehachse 60 eine Längsnut 49 auf. In dieser Längsnut 49 sitzt ein Mitnehmer 51 genanntes Teil, welches mit der zweiten Welle 27 beispielsweise durch zwei Schrauben - symbolisiert durch die beiden gestrichelten Linien - fest verbunden ist. Dieser Mitnehmer 51 gleitet im Falle einer Drehmomenteinleitung durch die Welle 13 in einer weiteren Nut 64. Dabei wird über den Mitnehmer 51 ein Drehmoment in die Aufnahme 19 eingeleitet, so dass über das Drehmomentübertragungsteil (bzw. Zahnrad 16) angetrieben werden kann und der axiale Versatz der Welle 27 bei Drehmomenteinwirkung nicht an die Aufnahmewelle weitergegeben wird.
Allgemein gesprochen ist somit eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Drehmoments M an einer Welle 13 offenbart, mit einer ersten Welle 25 und einer zweiten Welle 27, wobei zwischen der ersten Welle 25 und der zweiten Welle 27 mittels einer Kupplung 35 mit einem ersten Kupplungsteil 38 und mit einem zweiten Kupplungsteil 40 das Drehmoment M übertragbar ist. Das erste Kupplungsteil 38 ist mit einer Antriebskontur 42, die mit der ersten Welle 25 drehfest verbunden ist, ausgestattet. Die Antriebskontur 42 weist eine Antriebsrampe 44 auf und die zweite Welle 27 weist das zweite Kupplungsteil 40 mit einer Gegenantriebskontur 46 mit einer Gegenantriebsrampe 48 auf. Die Welle 27 ist axial verlagerbar. Das erste Kupplungsteil 38 der Kupplung 35 ist an einer Stirnfläche der ersten Welle 27 und das zweite Kupplungsteil 40 der Kupplung 35 ist an einer Stirnfläche der zweiten Welle 27 angeordnet bzw. ausgebildet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das erste Kupplungsteil 38 eine Antriebskontur 42 aufweist, welche derartig geformt ist, dass diese Antriebskontur 42 eine Axialverzahnung hat. Es ist dabei vorgesehen, dass diese Axialverzahnung der Antriebskontur 42 und deren mit einer Kraft der Gegenantriebskontur 46 beaufschlagbares Teil am Umfang der ersten Welle 25 ohne Hinterschnitt verläuft. Dabei sei darauf hingewiesen, dass dies insbesondere für eine Sicht aus der drehaxialen Richtung gilt.
Wird folglich beispielsweise über das angedeutete Kurbelsystem 55 und dessen nicht dargestellte Pedale beispielsweise eines Fahrrades und dessen hier dargestellte zwei Kurbelarme 56, 57 ein Drehmoment M auf die Welle 13 bewirkt, so führt dies zu einem Drehmoment M auf die erste Welle 25. Die Antriebskontur 42 der ersten Welle 25 bzw. ihres ersten Kupplungsteils 38 bewirkt über die Antriebsrampe 44 ein Drehmoment auf die Gegenantriebsrampe 48 der Gegenantriebskontur 46 des zweiten Kupplungsteils 40. Aufgrund der bereits erwähnten linearen, d. h. parallelen, Führung der zweiten Welle 27 zu der Drehachse 60 (über die Längsnut 49, den Mitnehmer 51 und die weitere Nut 64), führt dies zu einer axialen Verlagerung der zweiten Welle 27 gegen eine Federkraft F, so dass die Verlagerung einer Geberkante 63 der zweiten Welle 27 durch den Wegaufnehmer 52 erfasst und über die Datenleitung 53 entsprechende Daten - d. h. Daten, die die Position der Geberkante 63 angeben - an eine Auswerteschaltung 54 übermittelt werden kann. Die Stirnfläche der ersten Welle 25 und die Stirnfläche der zweiten Welle 27 sind jeweils Oberflächen einer Stirnverzahnung, so dass sich bei Einwirkung des Drehmoments M diese Stirnverzahnungen im Drehwinkel um die Drehachse 60 zueinander verdrehen und axial in Richtung der Drehachse 60 zueinander verschieben. Die zweite Welle 27 ist mit der Aufnahme 19 drehfest verbunden, so dass diese mit der Aufnahme 19 mitdreht.
In 2 ist eine prinzipielle Darstellung der Kupplung 35 aus dem Ausführungsbeispiel nach 1 dargestellt. Sowohl die Antriebskontur 42 des ersten Kupplungsteils 38 als auch die Gegenantriebskontur 46 des zweiten Kupplungsteils 40 weisen jeweils zwei Zähne 65 auf. Aufgrund der Darstellung in 2 ist an dem ersten Kupplungsteil 38 zu erkennen, dass dort zwei Zähne 65 ausgebildet sind. Von dem zweiten Kupplungsteil 40 ist ein Zahn 65 in einer Ansicht dargestellt. Der zweite hier nicht dargestellte Zahn 65 befindet sich in Blickrichtung auf die 2 deckungsgleich dahinter. In dieser Art und Weise ist die entsprechend den 1 und 2 beschriebene Kupplung 35 prinzipiell auch in anderen Maschinenelementen bzw. Getrieben zu verwenden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass eine axiale Auslenkung der zweiten Welle 27 sowohl von dem wirkenden Drehmoment M als auch von der Federkraft bzw. Federsteifigkeit der Feder 29 abhängig ist. Je größer die Federsteifigkeit der Feder 29 ist, desto unempfindlicher ist die Vorrichtung gegenüber kleinen Drehmomenten. Genauso gilt dies auch umgekehrt: je kleiner die Federsteifigkeit der Feder 29, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein hohes Drehmoment M die Kupplung 35 derartig belastet, dass z. B. eine Feder 29 auf Block geht und demzufolge nur noch festgestellt werden könnte, dass ein übertragenes Drehmoment M einen bestimmten Wert mindestens erreicht hat, so dass darüber hinausgehende Werte nicht mehr genau beziffert werden könnten. Eine solche Federkraft F könnte im Übrigen nicht nur durch eine Spiralfeder erzeugt werden. Es ist vielmehr auch möglich, dass eine zweite Welle 27 mit einem Ende in einem hydraulischen System integriert ist, wie dies z.B. in einem Schmierölkreislauf oder sonstigen Hydraulikkreislauf beispielsweise eines Kraftfahrzeugs möglich ist.
Des Weiteren sei an dieser Stelle in Bezug auf 2 erwähnt, dass das erste Kupplungsteil 38 eine Antriebskontur 42 und das zweite Kupplungsteil 40 eine Gegenantriebskontur 46 aufweisen, die zueinander spiegelbildlich sind. Allerdings sind diese beiden Konturen 42, 46 in 2 zueinander um 90° verdreht.
In 3 ist ein Blick auf die Gegenantriebskontur 46 dargestellt. Diese Gegenantriebskontur 46 ist hier um die Drehachse 60 herum in vier Quadranten zwischen 0° und 90 °, zwischen 90° und 180°, zwischen 180° und 270° und 270° und 0° eingeteilt. Diese Gegenantriebskontur 46 der zweiten Welle 27 weist in ihrem Zentrum eine Ausnehmung 68 auf, die beispielsweise eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen kann. Rund um diese Ausnehmung 68 sind, beginnend bei in etwa der Linie auf 315°, folgende Elemente angeordnet: Auf der 315°-Linie befindet sich ein Zahngrat 71, da diese Linie den höchsten Punkt eines Zahns 65 angibt (in axialer Richtung). In Richtung zur 0°-Linie geht von diesem Zahngrat 71 eine Flanke, die Zahnflanke 73, aus. In diesem Fall hat die Zahnflanke 73 auf der Position der 0°-Linie eine Steigung von 45°. Die Zahnflanke 73 fällt weiter ab und erreicht auf der 45°-Linie einen Nutgrund 75. Von der 45°-Linie aus steigt die Gegenantriebskontur 46 bzw. Gegenantriebsrampe 48 wieder an und erreicht bei der 90°-Linie eine Steigung von 45°. Auf der 135°-Linie wird wieder ein Zahngrat 71 erreicht. Danach fällt die Gegenantriebskontur 46 wieder ab, erreicht bei der 180°-Linie ein Gefälle von 45° und bei der 225°-Linie wird wieder ein Nutgrund 75 erreicht. Ab dieser Linie Nutgrund 75 steigt die Gegenantriebskontur 46 wieder an und erreicht bei der 270°-Linie eine Steigung von 45°, um bei 315° wieder den Zahngrat 71 zu erreichen. Wie gut erkannt werden kann, ist die Gegenantriebskontur 46 somit punktsymmetrisch zur Drehachse 60 als auch spiegelsymmetrisch beispielsweise auf einer Linie durch die 45°-Linie und die 225°-Linie bzw. durch die 135°-Linie und die 315°-Linie.
Die Antriebskontur 42 weist im Grunde genommen genau die gleiche Kontur auf, ist jedoch gegenüber der Darstellung nach 3 um 90° um die Drehachse 60 gedreht. Werden diese beiden Teile, die erste Welle 25 und die zweite Welle 27 gegeneinander verdreht, so verringert sich zwar die Auflagefläche mit zunehmendem Verdrehwinkel und erreicht nach 90° Relativdrehung bei diesem Beispiel ein Minimum. Bei 90° würden diese beiden Wellen 25, 27 durchdrehen. In den diversen Zwischensituationen zwischen der Antriebskontur 42 und der Gegenantriebskontur 46 verändert sich eine gegenseitige Auflagefläche von der vollen Fläche, wie sie in 3 gut erkennbar ist, mit zunehmendem Verdrehwinkel zu einer mehrfach in Umfangsrichtung auftretenden Linienberührung, die nicht zu einem jeweiligen Auflagepunkt verringert wird. Um diese Bedingungen zu erfüllen, muss die Konstruktion daher mindestens folgende Bedingungen erfüllen: die Konstruktion muss axial symmetrisch zum Mittelpunkt sein und mit einem Verdrehwinkel müssen die Flächen als Teilauflageflächen erhalten bleiben. Theoretisch ist es so, dass die Auflageflächen bei Winkel Null und keinem einwirkenden Drehmoment vollständig vorhanden sind. Bei Verdrehung sinkt der Flächenanteil um bei der Verdrehung von 90 Grad zu Null zu werden und als Linie zu entarten.
4 zeigt das Ausführungsbeispiel nach den 2, 3 und 4 in einer verdrehten Situation. Es ist dabei erkennbar, dass die erste Welle 25 mit dem Zahn 65 und dessen Zahnflanke 73 eine Zahnflanke 78 des Zahns 65 der zweiten Welle 27 drückt und dabei sich um die Drehachse 60 gegen das zweite Kupplungsteil 40 verdreht. Dabei wird die zweite Welle 27 um eine Wegstrecke Ds27 in Bezug auf die Darstellung in 4 nach links verschoben (in der angegebenen Pfeilrichtung auf der Drehachse 60). Diese Lageänderung Ds27 ist die Lageänderung, die dann durch einen Wegaufnehmer 52 erfasst wird.
5 zeigt eine tatsächliche Ausführung eines ersten Kupplungsteils 38. Dieses Kupplungsteil 38 weist an seinem Außenumfang einen verzahnten Ring auf, der die Antriebskontur 42 aufweist. Diese Antriebskontur 42 umfasst insgesamt vierundzwanzig Zähne 65, die unmittelbar radial innerhalb der Zähne 65 von der Ausnehmung 68 begrenzt sind. Zumindest was die Antriebskontur 42 bzw. Gegenantriebskontur 46 eines zweiten Kupplungsteils 40 angeht, kann dieses zweite Kupplungsteil und seine Gegenantriebskontur 46 beispielsweise komplementär ausgeführt sein.
Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 10 und deren Antriebskontur 42 eine symmetrische Axialverzahnung ist. Eine derartige symmetrische Axialverzahnung ist beispielsweise in den 1 bis 5 in unterschiedlichen Ausführungen dargestellt. Es ist dabei vorgesehen, dass die Antriebskontur 42 und die Gegenantriebskontur 46 jeweils axial symmetrisch zur Drehachse 60 sind. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die symmetrische Axialverzahnung bzw. die symmetrischen Axialverzahnungen mindestens zwei Zähne 65 aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch - im Gegensatz beispielsweise zu einer theoretisch möglichen Axialverzahnung mit einem Zahn - eine Symmetrie der Krafteinwirkung möglich ist. Wie bereits erwähnt, ist vorgesehen, dass die Axialverzahnung besonders bevorzugt eine Flankensteigung der Zahnflanken 73 aufweist, die 45 Winkelgrade hat.
Die in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele sind prinzipiell in beide Drehrichtungen betreibbar.
In 6 ist eine Kupplung 35 schematisch dargestellt. Hier ist das erste Kupplungsteil 38 oben und das zweite Kupplungsteil 40 unten dargestellt. Diese Kupplung 35 weist ebenso eine Ausnehmung 68 auf. Wie hier gut erkannt werden kann, ist hier zwar eine Axialverzahnung bei dem ersten Kupplungsteil 38 und auch bei dem zweiten Kupplungsteil 40 vorgesehen. Diese Axialverzahnung ist aber im Vergleich mit den zuvor beschriebenen Axialverzahnungen asymmetrisch. D. h. in diesem Fall, dass die Axialverzahnung derartig ausgeführt ist, dass ein Zahn 65 zwar eine Antriebsrampe 44 auf der einen Seite des Zahns 65 aufweist, aber in diesem Fall auf der anderen Seite des Zahns zwar ebenfalls eine Zahnflanke 73, die hierbei insbesondere als Anschlag 80 ausgeführt ist. Dies führt dazu, dass in diesem besonderen Fall mit einem Anschlag 80 ein erstes Kupplungsteil 38 zwar ein Drehmoment M25, 6, übertragen kann, aber ein Drehmoment -M25, welches der Richtung des Drehmoments M25, welches ein Antriebsmoment ist, entgegengesetzt ist, wegen der Gegenantriebsrampe bzw. Antriebsrampe 44 nur in geringerer Größe und dann auch nur nennenswert bei entsprechend hoher Andruckkraft zwischen den beiden Kupplungsteilen 38, 40 übertragen werden kann. Gegebenenfalls, d. h. bei zu geringerer Anpresskraft zwischen den beiden Kupplungsteilen 38, 40 überdreht beispielsweise das erste Kupplungsteil 38 in der Drehrichtung entgegen der Drehrichtung des Drehmoments M25 in 6 die Zahngrate 71 der Zähne 65 des zweiten Kupplungsteils 40.
In 7 ist eine Anordnung mit einer symmetrischen Axialverzahnung dargestellt, wobei diese Anordnung von der Anordnung nach 2 ausgeht. Diese Konstruktion ist, wie bereits erwähnt, derartig, dass in dem Fall, in dem die erste Welle 25 in positiver Drehrichtung um die Drehachse 60 ein Drehmoment +M25 überträgt, die beiden Anschläge 80 ohne eine Veränderung der Übergangsgeometrie von dem ersten Kupplungsteil 38 zu dem zweiten Kupplungsteil 40 direkt belastet. D. h., wenn das Drehmoment +M25 übertragen wird, verlagert sich das zweite Kupplungsteil und damit die zweite Welle 27 in Richtung der Drehachse 60 nicht. Dementsprechend kann in einer derartigen Betriebsrichtung auch keine Ermittlung des Drehmoments M durch die hier vorgeschlagene Erfindung ermittelt werden.
In 8 ist eine Ansicht auf die erste Welle 25 und hier insbesondere auf das erste Kupplungsteil 38 in einer stirnseitigen Ansicht dargestellt. Wie hier gut erkannt werden kann, weist dieses erste Kupplungsteil 38 eine Antriebskontur 42 auf, die insgesamt zwei Zähne 65 hat. Diese zwei Zähne 65 sind symmetrisch zur Drehachse 60 ausgebildet und somit achsensymmetrisch geformt. Die Anschläge 80 sind hier nur in einer Position als Linien erkennbar. Im Zentrum rund um die Drehachse 60 herum ist ebenfalls eine Ausnehmung 68 platziert bzw. angeordnet bzw. herausgearbeitet. In 8 erkennt man die beiden Sektoren, die insgesamt jeweils einen Zahn 65 ausmachen. Ausgehend von einem Zahngrat 71 an einer Position „12-Uhr“, verläuft die Geometrie des Zahns 65 derartig, dass seine Zahnflanke 78 hier entgegen der typischen Drehrichtung eines Uhrzeigers bis auf die Position „6-Uhr“ verläuft. Dort, unmittelbar vor dem Erreichen des Anschlags 80 auf der Position „6-Uhr“, befindet sich eine Geometrie, die einem Nutgrund 75 entspricht. Ähnlich zu der Darstellung nach 3, weist ein jeder dieser beiden Sektoren eine Zahnflanke 73 auf, die sich über einen Winkel von 180° von der „6-Uhr-Position“ zur„12-Uhr-Position“ nach oben schraubt.
Nimmt man für eine Zahnflanke 43 beispielsweise einen Sonderfall mit einer Steigung von 45° an, so ergibt sich bei Reibungsfreiheit und einer großen Ausnehmung 60 ein Drehmoment M mittels dem verbleibenden mittleren Radius R, über den übertragen wird (dieser ist dann fast so groß wie der Radius von Welle 25).
Eine Federkonstante D ergibt sich als ein Quotient aus einer Federkraft F und der Wegänderung ΔI - z. B. Kompression - der Feder oder der parallel angeordneten Federn der Anzahl i. $D = F/ Δ I .$
Ein Moment M ergibt sich aus dem Produkt der Federkraft und dem Radius bzw. Hebelarm, insbesondere mittlerem Radius R zu $M = F * R$
Unter Berücksichtigung der mehreren Federn der Anzahl i ergibt sich das Moment zu $M = i * D * R * Δ I .$
Das Drehmoment M ergibt sich für beliebigen Kontursteigungswinkel α (Winkel der Zahnflanken) der Rampen, bei angenommener Reibungsfreiheit und einer großen Ausnehmung 60 zu $M = i * D * R * tan α * Δ I$
In 9 ist die aus den 7 und 8 bekannte Anordnung der ersten Welle 25 mit der zweiten Welle 27 und der Kupplung 35 dargestellt. Es ist dabei dargestellt, wie durch die erste Welle 25 über deren erstes Kupplungsteil 38 in Richtung des Drehmoments -M25 auf das zweite Kupplungsteil 409 ein Drehmoment -M27 auf die zweite Welle 27 übertragen wird. Dabei überträgt die Antriebsrampe 44 das Drehmoment - M25 auf die Gegenantriebsrampe 48 der zweiten Welle 27. Diese Übertragung des Drehmoments erfolgt dabei gegen eine Kraft einer Feder, die hier nicht dargestellt ist und letztlich auf die zweite Welle 27 wirkt, und dabei über die Kupplung 35 auf die erste Welle 25 übertragen wird. Die beiden schrägen Ebenen der Antriebsrampe 44 bzw. Gegenantriebsrampe 48 gleiten dabei aufeinander ab und bewegen die zwei Wellenteile erste Welle 25, zweite Welle 27 gegen die Federkraft auseinander. Wie bereits erwähnt, ist die bei dabei erfolgende axiale Verschiebung Ds27 ein Maß für das angelegte Drehmoment -M25.
In dem Ausführungsbeispiel nach den 7, 8 und 9 sind zwei Sektoren, d. h. zwei Zähne 65 vorgesehen. Grundsätzlich ist es auch möglich, statt zwei Sektoren auch einen Sektor, d. h. einen Zahn 65 zu verwenden. Dann hätte eine Zahnflanke 73 einen vollen Umlauf von 360 Winkelgraden. Eine Anzahl i der Sektoren kann somit beispielswiese 1, 2, 3, 4, 5 oder weitere ganzzahlige Vielfache von Eins betragen. Dementsprechend ist eine Winkelbreite eines Sektors einem Bruchteil eines vollen Umfangs von 360 Winkelgraden geteilt durch die Anzahl der Sektoren i (360 Winkelgrade/i).
Damit ein kontinuierliches Gleiten der beiden aneinander liegenden Flächen Antriebsrampe 44, Gegenantriebsrampe 48 bzw. die entsprechenden Zahnflanken 73, 78 aufeinander gewährleistet werden kann, sind die Bedingungen erforderlich, wonach die Konstruktion der Kupplung 35 bzw. des ersten Kupplungsteils 38 und des zweiten Kupplungsteils 40 axial symmetrisch ist. D. h. ein Punkt auf der Oberfläche auf der Zahnflanke 73 bzw. Zahnflanke 78 bzw. Antriebsrampe 44 bzw. Gegenantriebsrampe 48 ist so symmetrisch, dass dieser sich im gleichen Maß auf einem anderen Sektor mit gleichem Radius und gleichen Teilwinkel auf dem entsprechenden Gegenstück befindet. Ein Anstieg der Schräge, d. h. Antriebsrampe 44 bzw. Gegenantriebsrampe 48 muss über das entsprechende Winkelsegment bzw. des Sektors hinweg kontinuierlich erfolgen. Werden ausgehend von der Drehachse 60 radiale Schnittlinien durch eine Antriebsrampe 44 bzw. eine Gegenantriebsrampe 48 einbeschrieben, so muss über deren gesamten radialen Verlauf dieser Schnittlinie der gleiche Winkel zur Wellenachse eingenommen werden. Das heißt zum Beispiel, dass eine Antriebskontur 42 bzw. Gegenantriebskontur 46 bzw. eine Antriebsrampe 44 eine Gegenantriebsrampe 48 beispielsweise einerseits (erstes Kupplungsteil 38) innenkonisch ausgebildet sein kann, so dass eine radiale Schnittlinie durch die entsprechende Fläche, beispielsweise mit der Drehachse 60 einen Winkel von 80° einschließt (Hohlkonizität). Das entsprechende Gegenstück des zweiten Kupplungsteils 40 würde dann einen Winkel zwischen einer radialen Schnittlinie und der Drehachse 60 einen Winkel von 100° einnehmen (Außenkonizität). Ein bevorzugter Sonderfall dieser allgemeinen Formulierung ist, dass die erwähnten Schnittlinien durch die Antriebskontur 42 bzw. Gegenantriebskontur 46 bzw. der Gleitflächen von außen nach innen jeweils senkrecht zur Drehachse 60 angeordnet sind. Dann wären zumindest in einem Sonderfall die Antriebskontur 42 und die Gegenantriebskontur 46 gleich gestaltet.
Verglichen mit allgemeinen bekannten Gegenständen ist die Orientierung einer derartigen Antriebskontur 42 bzw. Gegenantriebskontur 46 am leichtesten vergleichbar mit dem Konstruktionsprinzip einer so genannten Wendeltreppe. Von der Vorstellung her wäre somit eine ausgleichende Fläche über die Kanten, d. h. Vorderkanten, d. h. der Kanten, die zum Aufwärtsgeher auf den Treppenstufen gerichtet wäre, gespannt, so dass diese Kanten alle direkt auf die zentrale Achse (wie Drehachse 60) zulaufen. Dementsprechend würde, wie beispielsweise in 7 und 8 in analoger Weise nur ein Segment der Wendeltreppe verwendet, welches ein Winkel von 180° aufspannt.
Aus dem Konstruktionsprinzip dieser Kupplung 35 geht bei diesem Ausführungsbeispiel auch hervor, dass die Steigung der Antriebsrampe 44 und der Gegenantriebsrampe 48 nach radial innen zur Drehachse 60 hin immer steiler wird bzw. ist. Demgegenüber ist die Steigung dieser Rampen an der Außenseite und somit an den Stellen, die von der Drehachse 60 am weitesten entfernt sind, am flachsten, d. h. am geringsten. Im Zentrum der Konstruktion, d. h. am Ort der Drehachse 60, ergibt sich damit das Erfordernis rund um die Drehachse 60, die Aussparung bzw. Ausnehmung 68 vorzusehen. Diese Ausnehmung 68 kann dann beispielsweise dafür genutzt werden, dass dort z. B. im Falle einer zylindrischen Ausführung der Aussparung 68 eine innere Führungsachse angeordnet werden kann. Dann könnten die erste Welle 25 und die zweite Welle 27 dort auf der inneren Führungsachse gleitend geführt werden.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 dargestellt. Gut zu erkennen ist ein Vorrichtungshalter 85, der auf einer Seite, in 10 der rechten Seite, eine Lageraufnahme 87 aufweist. Auf der linken Seite der 10 ist in gleicher Weise eine Lageraufnahme 89 dargestellt. Die Lageraufnahme 87 weist ein Lager 91 auf, von dem hier Wälzkörper 93 (Lagerkugeln) gut erkennbar sind. Auf der linken Seite ist ein Lager 95 erkennbar, von dem die Wälzkörper 97 (Lagerkugeln) ebenfalls gut erkennbar sind. In dem Lager 91 ist eine erste Welle 25 gelagert. Hierzu ist in der ersten Welle 25 eine Lagernut 99 eingearbeitet, in der die Wälzkörper 93 abwälzen. Weiter nach links erstreckt sich von der ersten Welle 25 eine Auskragung 100, die hier beispielsweise durch zwei Arme, einer über der Drehachse 60 und einer unter der Drehachse 60, angeordnet bzw. ausgebildet ist. Radial innerhalb der Auskragung 100 befindet sich eine Kupplung 35. Diese Kupplung 35 ist vom Typ her prinzipiell so gestaltet, wie die Kupplung 35 entsprechend den 1 bis 5. D. h., dass diese Kupplung 35 ein erstes Kupplungsteil 38 aufweist, welches an der ersten Welle 25 ausgebildet bzw. befestigt ist. Diese Kupplung 35 funktioniert genauso wie die Kupplung nach den 1 bis 5: Die erste Welle 25 wird mittels eines Drehmoments M25 angetrieben. Dadurch wird das erste Kupplungsteil 38 verdreht, so dass deren Antriebsrampen 44 der verschiedenen Zähne 65 die Gegenantriebsrampen 48 der Zähne 65 des zweiten Kupplungsteils 40 der zweiten Welle 27 antreiben. Die zweite Welle 27 weist an ihrem Außenumfang mindestens ein, hier zwei Federlager 103 auf. Es kann sinnvoll sein mindestens drei oder vier oder fünf oder mehr Federlager 103 vorzusehen, um eine gute Zentrierung der Wellen zueinander zu ermöglichen. Dieses Federlager 103 dient dazu, mittels mindestens eines Federelements 105 zwischen der Auskragung 100 der Welle 25 und einer Auskragung 100 einer dritten Welle 108, dann in einem Gleichgewicht zwischen den beiden Auskragungen 100 gehalten zu werden, wenn von der Welle 25 z. B. keine Kraft auf die zweite Welle 27 ausgeübt wird.
Wie 10 entnommen werden kann, ist nicht nur zwischen der ersten Welle 25 und der zweiten Welle 27 eine Kupplung 35 ausgebildet, sondern ist zwischen der zweiten Welle 27 und der dritten Welle 108 ebenfalls eine Kupplung 111 ausgebildet. Hier in diesem Beispiel ist diese zweite Kupplung 111 im Grunde genommen gleich ausgebildet wie die Kupplung 35 zwischen der ersten Welle 25 und der zweiten Welle 27. Dies führt dazu, dass, beispielsweise ausgehend lediglich von der Gestaltung der Kupplungen 35, 111, die erste Welle 25 durch die dritte Welle 108 ausgetauscht werden könnte. Diese Anordnung führt dazu, dass dann, wenn von der ersten Welle 25 ein Drehmoment M25 auf das erste Kupplungsteil 38 ausgeübt wird, zwischen den Antriebsrampen 44, 48 Druckkräfte wirken, die zu einem Verschieben der zweiten Welle 27 gegen die Federelemente 105 bzw. des mindestens einen Federelements 105 über ein Federlager 103 führt. Diese Übertragung von Druckkräften zwischen der Antriebsrampe 44 und der Gegenantriebsrampe 48 führt dazu, dass die zweite Welle 27 zu einer antreibenden Welle wird. Dies führt dazu, dass die Antriebsrampe bzw. die Antriebsrampen 44 die Gegenantriebsrampen 48 der zweiten Kupplung 111 an der dritten Welle 108 drücken und so das Drehmoment M25 an die dritte Welle 108 übertragen. Durch diese Übertragung von der ersten Welle 25 über die erste Kupplung 35 auf die zweite Welle 27 und von dort über die zweite Kupplung 111 auf die dritte Welle 108 bewegt sich letztlich das Federlager 103 entgegen einem Federelement 105 oder mehreren Federelementen 105, so dass vorzugsweise am radialen Außenbereich des Federlagers 103 mittels eines Wegaufnehmers 52 über eine Datenleitung 53 und eine Auswerteschaltung 54 letztlich die Position des Federlagers 103 ermittelt werden kann und so über bekannte Federsteifigkeiten der Federelemente 105 auf das Drehmoment M25 geschlossen werden kann. Auch hier führt eine bekannte Orientierung der Antriebsrampe 44 und ihr Relativwinkel zur Drehachse 60 zu einer letztlich bekannten Längskraft in Richtung der Drehachse 60, die eine Verlagerung des Federlagers 103 unter Einwirkung der Federelemente 105 auf das Federlager 103 bewirkt.
Ein Vorteil dieser Anordnung nach 10 ist, dass durch die Anordnung einer zweiten Welle 27 mit an jedem axialen Ende der zweiten Welle 27 angeordneten Kupplungsteil (zweites Kupplungsteil 40 am rechten Ende, erstes Kupplungsteil 38 am linken axialen Ende) erreicht werden kann, dass die Kombination aus erster Welle 25, zweiter Welle 27 und dritter Welle 108 nach außen, zumindest im Hinblick auf einen hierbei nicht erkennbaren äußeren axialen Versatz zwischen der Welle 25 und der dritten Welle 108, nach außen konstruktiv ein axialer Versatz nicht weiter berücksichtigt werden muss. Allerdings ergibt sich zwischen den Wellen 25, 108 eine Verdrehung, solange die zweite Welle 27 nicht sowohl mit der ersten Welle 25 und auch der dritten Welle 108 auf Anschlag ist. Ist ein Federlager 103 zwischen mehreren Federelementen 105 angeordnet, befinden sich die Kräfte der Federelemente 105 gegen das Federlager 103 im Gleichgewicht. Und beginnt beispielsweise die Welle 25 ein Drehmoment M25 zu übertragen, so wird der mittlere Wellenteil, die zweite Welle 27, axial verschoben. Dabei kommt es beispielsweise zu einer Kompression des Federelements 105, welches sich zwischen der Auskragung 100 der dritten Welle 108 und dem Federlager 103 befindet. Des Weiteren wird die andere Feder bzw. das andere Federelement 105, welches sich zwischen dem Federlager 103 und der Auskragung der ersten Welle 25 befindet, gedehnt. Wie bereits erwähnt, ist die Verschiebung des mittleren Wellenteils zweite Welle 27 dann ein Maß für das Drehmoment M25. Es ist beim Verfahren vorgesehen, dass ein maximaler axialer Hub in einer Kupplung 35, 111 durch eine Blocklänge eines Federelements 105 begrenzt ist. Unter Blocklänge wird hier verstanden, dass das Federelement 105 und hier beispielsweise seine Windungen aneinander anliegen, da dann keine weitere elastische Bewegung des Federelements 105 möglich ist und somit ein Fortbewegen, beispielsweise einer Gegenantriebskontur 46 aus der Antriebskontur 42 heraus, nicht möglich ist. Ein Durchrutschen der Welle bzw. der Kupplung 35, 111 soll vermieden bzw. verhindert werden. Das Ausführungsbeispiel nach 10 zeigt ein Konstruktionsprinzip mit einer symmetrischen Verzahnung des ersten Kupplungsteils 38 und auch des zweiten Kupplungsteils 40.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wellenanordnung bzw. Kupplungsanordnung dargestellt, bei der nach außen hin, zwischen der ersten Welle 25 und der dritten Welle 108, kein axialer Versatz spürbar ist. Wie bereits beim Ausführungsbeispiel zuvor, ist zwischen der ersten Welle 25 und der dritten Welle 108 eine zweite Welle bzw. die zweite Welle 27 angeordnet. Sowohl zwischen der ersten Welle 25 und der zweiten Welle 27 befindet sich eine Kupplung 35 als auch zwischen der zweiten Welle 27 und der dritten Welle 108 befindet sich eine Kupplung 111. Mit der Kupplung 35 kann von der ersten Welle 25 auf die zweite Welle 27 ein Drehmoment übertragen werden. Mit der Kupplung 111 kann von der zweiten Welle 27 auf die dritte Welle 108 ein Drehmoment übertragen werden. Eine jede der Kupplungen 35, 111 im Ausführungsbeispiel nach 11 ist prinzipiell so ausgeführt, wie die Kupplungen aus den 6, 7, 8 und 9. Die Kupplungselemente der zweiten Welle 27, welche mit der Welle 25 zusammenwirken, sind hier mit zwei Zähnen 65 ausgebildet. Gleiches gilt auch für das erste Kupplungsteil 38 der Kupplung 111, bei der mit der dritten Welle 108 zusammengewirkt wird. Die Gegenantriebskontur 46 der zweiten Welle 27 und die Antriebskontur 42 der zweiten Welle 27 sind im Prinzip gleich ausgebildet, d. h., dass die beiden Konturen zwar im Prinzip spiegelbildlich ausgebildet sind, jedoch, wie in 11 gut zu erkennen ist, zueinander um einen Unterschiedswinkel, hier in etwa 30 Winkelgrade, um die Drehachse 60 verdreht sind.
Wird über die erste Welle 25 ein Drehmoment bzw. Antriebsdrehmoment M25 übertragen, so führt dies dazu, dass die beiden Anschläge 80 der ersten Welle 25 und der zweiten Welle 27 der Kupplung bzw. ersten Kupplung 35 direkt und nicht weiter verdrehbar aneinander anliegen. Dieses hierbei übertragene Drehmoment M25 wird wiederum an die Antriebskontur 42 der zweiten Kupplung 111, die linke Kupplung, übertragen. Die Antriebsrampe 44 gleitet dabei an der Gegenantriebsrampe 48 entlang, dabei wird das Federlager 103 verschoben, so dass von den beiden in 11 oben angeordneten Federelementen 105 die rechte Feder bzw. das rechte Federelement 105 komprimiert und die linke Feder bzw. das linke Federelement 105 gestreckt wird. Aus den Geometrien, hier insbesondere der Geometrie der Antriebsrampe 44 bzw. Gegenantriebsrampe 48 der linken Kupplung 111 zwischen der zweiten Welle 27 und der dritten Welle 108, sowie der Verlagerung des Federlagers 103 über den bereits bekannten Wegaufnehmer 52 kann auf eine Größe des Drehmoments M25 geschlossen werden.
In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, welches mit dem Ausführungsbeispiel nach 1 etwas Ähnlichkeit hat. Auch hier ist eine Vorrichtung 10 dargestellt, bei der auf eine Welle 13 ein Drehmoment M aufgebracht wird. Durch das Drehmoment M wird das Zahnrad 16 in Drehung versetzt und beispielsweise eine Kette oder ein Riemen oder ein anderes Zahnrad dadurch angetrieben. Die Welle 13 ist mit der rohrförmigen Welle 25 fest verbunden und beide sind in der Aufnahme 19 aufgenommen, und die Aufnahme 19 wiederum in dem Lager 22 drehbar gelagert. Mit der Welle 13 ist eine hier ebenfalls so genannte erste Welle 25 drehfest verbunden. Über eine Kupplung 35 ist diese erste Welle 25 mit einer zweiten Welle 27 gekoppelt. Die zweite Welle 27 ist in der Aufnahme 19 drehfest gekoppelt, d. h. diese zweite Welle dreht mit der Aufnahme 19 mit. Die zweite Welle 27 wird bei dem Aufbringen des Drehmoments M gegen die Feder 29 gedrückt, so dass die Feder 29 durch die zweite Welle 27 komprimiert wird. Zwischen der ersten Welle 25 und der zweiten Welle 27 findet durch das Aufbringen des Drehmoments M eine Relativdrehung statt, wie dies bei den zuvor bereits erwähnten Ausführungsbeispielen der Fall ist.
Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel nach 12 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel nach 13 erläutert. Es soll dabei gezeigt werden, wie mittels des axialen Versatzes der zweiten Welle 27 induktiv eine veränderte Lage der zweiten Welle 27 festgestellt werden kann. 13 zeigt einen Ruhezustand der Vorrichtung 10, d. h. ohne aufgebrachtes bzw. wirkendes Drehmoment M. Mit der zweiten Welle 27 ist ein ferromagnetischer Kern 110 bevorzugt fest verbunden. Dieser ferromagnetische Kern weist eine ringförmige Ausnehmung 113 auf. In dieser ringförmigen Ausnehmung 113 befinden sich zwei hier als Trafowicklungen 116, 117 bezeichnete Wicklungen. Diese beiden Trafowicklungen 116, 117 sind unter anderem durch das ferromagnetische Material und hier vor allem eines darin geführten elektromagnetischen Feldes miteinander gekoppelt. Die Trafowicklung 116 hat hier in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise die gleiche Windungszahl, wie die Trafowicklung 117. Im Idealfall hat dann dieser aus den beiden Trafo- bzw. Transformatorwicklungen 116, 117 gebildete Transformator bei gleicher Windungszahl eine Übertragung von Eins zu Eins. Das Übertragungsverhältnis ist dabei beispielsweise von der Füllung des Transformators und damit dem Kern 110 und dessen Platzierung bzw. Lage relativ zu den beiden Trafowicklungen 116, 117 abhängig. Wird, wie in 14 dargestellt, die Welle 13 derartig angetrieben, dass die erste Welle 25 die zweite Welle 27 axial verschiebt, so führt dies dazu, dass der mit der zweiten Welle 27 fest gekoppelte bzw. fest verbundene Kern 110 relativ zu den beiden Trafowicklungen 116, 117 bewegt wird. In diesem Fall führt dies dazu, dass die Trafowicklung 116 soweit relativ zu der Ausnehmung 113 bewegt wird, dass diese von der Kavität der Ausnehmung 113 nicht mehr umgeben ist. Dadurch, dass die Fertigung des Kernmaterials des Kerns 110 beispielsweise aus einem Eisen oder Stahl mit hohem µr (relative Permeabilität) erfolgt, beeinflusst dies den Übertragungsfaktor des Transformators bei geeigneter Form des Transformators stark. Daher kann aus einem gemessenen Übertragungsfaktor auf die Position des Kernmaterials des Kerns 110 relativ zu den Trafowicklungen 116, 117 oder beispielsweise nur einer der beiden Trafowicklungen, z. B. der Trafowicklung 116 geschlossen werden. Aus dieser veränderten Lage ergibt sich die geänderte Lage der Welle 27; aufgrund der bekannten Geometrie der zwischen Welle 25 und Welle 27 angeordneten Kupplung 35 ergeben sich die Kräfteverhältnisse und daraus ein Bezug zwischen den am Umfang in der Kupplung 35 wirkenden Kräfte aufgrund des Drehmoments M und einer wirkenden Kraft auf die Feder 29, die abhängig ist von einer Federkonstante und dem Weg, der durch den Transformator ermittelt wird und dem Kompressionsweg der Feder 29 entspricht. Weitere Störgrößen, wie z. B. die Temperatur bzw. Temperaturunterschiede können gut kompensiert werden.
In 15 ist eine so genannte Nulllage des Transformators aus Trafowicklung 116 und Trafowicklung 17 in Zusammenwirkung mit dem Kern 110 und seiner Ausnehmung 113 dargestellt. Wie erkennbar ist, befindet sich die Trafowicklung 116 gerade noch in der Ausnehmung 113, und die Trafowicklung 117 gut in der Ausnehmung 113. Wird nun, wie in 16 dargestellt, die Welle 27 axial bewegt, so bewegt sich der Kern 110 mit. Dies bedeutet, dass sich aus der Nulllage heraus die Trafowicklung 116 relativ zur Ausnehmung 113 bewegt (in diesem Fall bewegt sich nur der Kern 110) und sich dadurch die Übertragungseigenschaft des Transformators verändert.
In den 17 und 18 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Transformators mit einer Trafowicklung 116 und einer Trafowicklung 117 sowie einem Kern 110 dargestellt. Wie dargestellt, weist der Kern 110 einen Zentralkern 120 auf, der aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist. Dieser Zentralkern 120 befindet sich radial innerhalb der beiden Spulen bzw. Trafowicklungen 116, 117. Beide Transformatorwicklungen 116, 117 sind mittig mit dem Abstand a angeordnet. Wie in 17 entnommen werden kann, befindet sich im Zentralkern 120 ein Zwischenstück, welches hier in diesem Beispiel genau die axiale Länge a aufweist, die dem Abstand der beiden Trafowicklungen 116, 117 untereinander entspricht. Dieser Zwischenkern 123 besteht nicht aus ferromagnetischem Material wie der Rest des Kerns 110, sondern aus nicht magnetischem Material. In diesem Beispiel ist dieser Drehmomentsensor so ausgeführt, dass die einzelnen Trafowicklungen 116, 117 jeweils eine eigene Induktivität L aufweisen. Diese wird im Idealfall in erster Näherung durch die bekannte Formel $L = μ r * μ 0 * A/I$
festgelegt. µr ist die Permeabilitätszahl, µ0 ist die magnetische Feldkonstante, A ist die Querschnittsfläche einer Trafowicklung, I ist die drehaxiale mittlere Länge der Magnetfeldlinien.
Im Realfall ist eine Trafowicklung 116, 117 mit fester Querschnittsfläche A ausgeführt. Die Füllung, d. h. das Kernmaterial des Kerns 120 und dessen Platzierung, hier in diesem Fall im Inneren der Trafowicklungen 116, 117, bestimmen den gemessenen Induktivitätswert. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist die Konstruktion so ausgeführt, dass sich bei einer vorgegebenen axialen Bewegungsrichtung der zweiten Welle 27 und dem mit dieser Welle 27 gekoppelten Kern 110 der Induktivitätswert der einen Spule erhöht (Trafospule 116) und sich der Induktivitätswert der anderen Trafospule 117 erniedrigt. Damit bietet der Unterschied oder das Verhältnis der gemessenen Induktivitätswerte der Trafospule 116 und der Trafospule 117 eine höhere Genauigkeit als eine einfache Induktivitätsmessung. Störende Einflüsse, wie z. B. Messabweichungen aufgrund schwankender Temperatur, können auf Basis einer solchen Differenzmessung gut kompensiert werden. Da der axiale Versatz mit dem anliegenden Drehmoment korreliert, kann aus der Differenz der Induktivitäten auf das anliegende Drehmoment M geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017202507 [0001]

Claims

Vorrichtung (10) zur Bestimmung eines Drehmoments (M) an einer Welle (13), mit einer ersten Welle (25) und einer zweiten Welle (27), wobei zwischen der ersten Welle (25) und der zweiten Welle (27) mittels einer Kupplung (35) mit einem ersten Kupplungsteil (38) und einem zweiten Kupplungsteil (40) das Drehmoment (M) übertragbar ist, wobei das erste Kupplungsteil (38) mit einer Antriebskontur (42), die mit ersten Welle (25) drehfest verbunden ist, ausgestattet ist, wobei die Antriebskontur (42) eine Antriebsrampe (44) aufweist und die zweite Welle (27) das zweite Kupplungsteil (40) mit einer Gegenantriebskontur (46) mit einer Gegenantriebsrampe (48) aufweist, und die Welle (27) axial verlagerbar ist, und ein Wegaufnehmer (52) angeordnet ist, der dazu geeignet ist, eine Verlagerung der einen Welle (27) aufzunehmen, wobei die Antriebskontur (42) derartig geformt ist, dass die Antriebskontur (42) eine Axialverzahnung hat.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) eine symmetrische Axialverzahnung ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) und die Gegenantriebskontur (46) jeweils axialsymmetrisch zur Drehachse (60) sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Axialverzahnung mindestens zwei Zähne (65) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverzahnung eine Flankensteigung von 45 Winkelgraden hat.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) eine asymmetrische Axialverzahnung ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) einen Anschlag (80) oder mehrere Anschläge (80) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) oder die Gegenantriebskontur (46) nach radial innen durch eine Ausnehmung (68) begrenzt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) axialsymmetrisch ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) mindestens einen Steigungssektor aufweist und eine Steigung des Steigungssektors kontinuierlich, vorzugsweise bei gleichem Radius konstant, ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskontur (42) mindestens einen Steigungssektor aufweist und dass eine radial ausgerichtete Oberflächenlinie des Steigungssektors mit einer Drehachse (60) des Steigungssektors einen Winkel einschließt, der an einer jeden solchen Stelle des Steigungssektors gleich ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 90 Winkelgrade groß ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (25) und mit ihrer Antriebskontur (42) und die zweite Welle (27) mit ihrer Gegenantriebskontur (46) durch eine Feder (29) aufeinander gepresst sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine weitere Kupplung (35) zwischen der zweiten Welle (2) und einer dritten Welle (108) aufweist, wobei die zweite Welle (27) axial verschieblich gelagert ist, wobei die zweite Welle in die eine Achsrichtung und in die andere Achsrichtung gefedert ist.