DE19820882C1

DE19820882C1 - Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung

Info

Publication number: DE19820882C1
Application number: DE19820882A
Authority: DE
Inventors: Khaldoun Alasafi; Ralf Gutoehrlein; Edmund Schiesle
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-05-09
Filing date: 1998-05-09
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-05-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung mit einem vom zu messenden Drehmoment beaufschlagbaren Träger mit wenigstens einem mechanischen Spanungen unterliegenden Meßbereich, einer magnetoelastischen Meßschicht auf dem Trägermeßbereich, wobei mechanische Spannungen eine entsprechende Änderung von deren Permeabilität verursachen, einer der Meßschicht zugeordneten Meßspule, deren Induktivität sich in Abhängigkeit von der Meßschichtpermeabilität ändert und die in einem zugehörigen Meßstromkreis eingeschleift ist, und einer vom Träger bewegungsentkoppelt angeordneten Auswerteeinheit. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Meßstromkreis von einem am Träger angebrachten elektrischen Schwingkreis gebildet, und es ist eine dem Träger bewegungsentkoppelt zugeordnete Antenneneinheit vorgesehen, die zur Abstrahlung eines Schwingungsanregungssignals für den Schwingkreis und zur Abtastung eines die Resonanzfrequenzinformation enthaltenden Meßsignals dient. DOLLAR A Verwendung z. B. als Drehmomentsensor in hydrodynamischen Wandlern von Kraftfahrzeuggetrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Vor richtungen dieser Art dienen zur Erfassung von Drehmomenten, wie sie beispielsweise in einem Automatikgetriebe eines Kraftfahr zeuges von der Kurbelwelle auf die Pumpenradhälfte eines hydro dynamischen Wandlers übertragen werden. Das Funktionsprinzip be steht darin, die vom Drehmoment in einem entsprechenden Übertra gungsbauteil, vorliegend Träger genannt, verursachten mechani schen Spannungen über eine magnetostriktive Meßschicht und eine Sensorpule in ein auswertefähiges, vom übertragenen Drehmoment abhängiges elektrisches Signal umzuwandeln.

Eine auf diesem Prinzip beruhende Vorrichtung zur berührungs freien Messung des zwischen einer Welle und einem weiteren Bau teil übertragenen Drehmoments ist beispielsweise aus der DE 43 33 199 C2 bekannt. Sie beinhaltet einen nichtmagnetischen Meß schichtträger, der ringscheibenförmig ausgebildet ist und mit einem radial inneren Endbereich an einer Welle festgelegt werden kann. An diesen radial inneren Endbereich schließt sich ein im Querschnitt U-förmiger Meßschichtträgerbereich an. Daran grenzt ein radial äußerer Endbereich an, der einen Außenflansch zur kraftschlüssigen Festlegung des Meßschichtträgers an dem weite ren Bauteil bildet. Die radial innenliegende Seitenwand der U-ringförmigen Meßschichtträgereinbuchtung ist mit einer weich magnetischen, magnetostriktiven Meßschicht beschichtet. Benach bart zur Meßschicht ist eine Meßspule an der ihr zugewandten Endseite eines Wellengehäuses stationär festgelegt. Wird ein Drehmoment von der Welle auf das weitere Bauteil übertragen, so hat dies aufgrund des Drehmomentkraftflusses eine Änderung des mechanischen Spannungszustands der Uringförmigen Meßschichtträ gereinbuchtung und folglich der von ihr getragenen magnetostrik tiven Meßschicht zur Folge. Dies ruft eine Permeabilitätsände rung der Meßschicht und damit eine Änderung der Induktivität der Meßspule hervor. Die Meßspuleninduktivität wird mittels einer Auswerteeinheit gemessen, die hieraus das Drehmoment bestimmt.

Aufbau und chemische Zusammensetzung von magnetostriktiven Meß schichten, deren magnetische Permeabilität von der einwirkenden mechanischen Spannung abhängt, sind beispielsweise in der DE 34 07 917 A1, in der oben erwähnten DE 43 33 199 C2 und in der deutschen Patentanmeldung 196 300 15.0 beschrieben. In letzterer sind zudem Verfahren zum Aufbringen von magnetostriktiven Meß schichten auf einem Träger detailliert angegeben.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind in den Offenle gungsschriften JP 1-9330 (A), JP 63-317731 (A) und JP 63-317732 (A) offenbart. Bei den dortigen Vorrichtungen ist die magneto elastische Meßschicht auf eine Antriebswelle gebondet, und der Schwingkreis beinhaltet außer der von der Meßschichtpermeabili tät beeinflußten Meßspule eine weitere Spule, welche mit einer auswerteseitigen Spule magnetisch-induktiv zusammenwirkt. Des weiteren ist auswerteseitig eine Sendespule vorgesehen, die an eine geeignete Stromversorgung angeschlossen ist, um ein Signal zur Anregung des Schwingkreises magnetisch-induktiv zu übertra gen.

Es ist bei Drehmomentmeßvorrichtungen mit magnetoelastischer Meßschicht bekannt, letztere auf einem bezüglich den angrenzen den Bereichen dünneren und daher leichter verformbaren Träger meßbereich aufzubringen, siehe z. B. die Offenlegungsschrift DE 43 09 413 A1.

Aus der Offenlegungsschrift DE 39 36 547 A1 ist eine telemetri sche Kommunikation zwischen zwei Geräten mittels eines magneti schen Nahfeldes bekannt, die dadurch störungsfrei gehalten wer den soll, daß in dem einen, eine Empfangsspule enthaltenden Ge rät zu der Empfangsspule eine Kompensationsspule in Reihe ge schaltet und so angeordnet ist, daß ein beide Spulen durchset zendes Störmagnetfeld zu sich gegenseitig aufhebenden, induzier ten Störspannungen in den beiden Spulen führt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Schaffung einer neuartigen Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung an einer Welle zugrunde, die insbesondere eine telemetrische Über tragung und digitalelektronische Auswertung der Meßdaten er laubt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 2 oder 3 gelöst.

In einer solchen Vorrichtung ist der Meßstromkreis von einem am Träger angebrachten elektrischen Schwingkreis mit von der Meß spuleninduktivität abhängiger Resonanzfrequenz gebildet, und die Vorrichtung weist eine dem Träger bewegungsentkoppelt zugeordne te, an die Auswerteeinheit angeschlossene Antenneneinheit auf, die zur Abstrahlung eines Schwingungsanregungssignals für den Schwingkreis und zur Abtastung eines die Resonanzfrequenzinfor mation enthaltenden Meßsignals dient, das schwingkreisseitig ab gestrahlt wird. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise am Triebstrang von Kraftfahrzeugen zwischen dem hydrodynamischen Wandler eines Automatikgetriebes und der motordrehmomentbeauf schlagten Kurbelwelle angebracht sein, um dort das Kurbelwellen- Drehmoment berührungslos elektrisch zu sensieren. Die Drehmo mentmessung kann so allgemein telemetrisch und digitalelektro nisch erfolgen. Eine derartige Vorrichtung eignet sich für den Dauerbetrieb unter schwierigen physikalischen und chemischen Um weltbedingungen, wie etwa in aggressiven chemischen Medien, bei hohen Temperaturen, starken Schwingungen und/oder Beschleunigun gen. Außerdem kann sie robust, gut gegen Überlast geschützt und kostengünstig realisierbar ausgelegt werden.

In der Vorrichtung nach Anspruch 1 ist speziell vorgesehen, daß das die Resonanzfrequenzinformation enthaltende Meßsignal von der Meßspule selbst abgestrahlt wird. Diese Auslegung der Meß spule als sendende, mit der Antenneneinheit auf Seiten der Aus werteeinheit zusammenwirkende Antennenspule macht eine separate Antennenspule im Schwingkreis entbehrlich.

In der Vorrichtung nach Anspruch 2 ist speziell der Träger im drehmomenteinleitenden und/oder drehmomentausleitenden Bereich und insbesondere auch im Trägermeßbereich bezüglich den übrigen Bereichen verdickt ausgebildet. Der Trägermeßbereich ist somit von störenden mechanischen Querkräften und thermischen Längen ausdehnungen weitgehend entkoppelt. Dadurch wird die Meßgenauig keit der Vorrichtung verbessert und gleichzeitig deren Anfällig keit für Umwelteinflüsse verringert.

In der Vorrichtung gemäß Anspruch 3 ist die Meßschicht speziell als nanokristalline oder amorphe weichmagnetische magnetoelasti sche Meßfolie ausgebildet und mittels eines kraftschlüssigen Ringes aus einer Shape-Memory-Legierung kraftschlüssig mit dem Träger verbunden. Auf diese Weise lassen sich die Spannungen im Träger optimal auf die Meßschicht übertragen, ohne daß sie di rekt auf dem Träger abgeschieden werden muß.

In einer gemäß Anspruch 4 weitergebildeten Vorrichtung ist der Meßstromkreis in einem Modulträger aufgenommen, der im Träger meßbereich auf dem Träger festgeklipst ist. Dies erleichtert die Montage der Vorrichtung.

In einer gemäß Anspruch 5 weitergebildeten Vorrichtung umfaßt die an die Auswerteeinheit angeschlossene Antenneneinheit eine erste Antenne, die als Sende- und Empfangsantenne fungiert, und eine zweite Antenne, die als Kompensationsanstenne dient, mit der das Untergrundsignal der Sende- und Empfangsantenne kompen siert werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Genauigkeit der Vorrichtung weiter verbessern.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnun gen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Träger einer ersten Ausfüh rungsform der Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmo mentmessung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht längs der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung mit dem Träger von Fig. 1 und elektronischen Schaltkreiskomponen ten,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht längs der Linie IV-IV von Fig. 3,

Fig. 5 eine Längsschnittansicht längs der Linie V-V von Fig. 3,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer der Geräuschunterdrückung dienenden Verschaltung von in Fig. 5 gezeigten Antennen einheiten,

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur berüh rungsfreien Drehmomentmessung in einer ausschnittweisen, schematischen Draufsicht,

Fig. 8 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zur berüh rungsfreien Drehmomentmessung mit zwei Meßbereichen in einer ausschnittweisen, schematischen Draufsicht,

Fig. 9 eine Längsschnittansicht längs der Linie IX-IX von Fig. 8,

Fig. 10 eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung zur berüh rungsfreien Drehmomentmessung in einer ausschnittweisen, schematischen Draufsicht,

Fig. 11 eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung zur berüh rungsfreien Drehmomentmessung in einer ausschnittweisen schematischen Draufsicht und

Fig. 12 eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung zur berüh rungsfreien Drehmomentmessung in einer ausschnittweisen schematischen Draufsicht.

In Fig. 1 ist der mit dem zu messenden Drehmoment beaufschlagba re Träger 1 einer ersten Realisierung der Vorrichtung zur berüh rungsfreien Drehmomentmessung dargestellt. Dieser Träger 1 ist aus einer nichtmagnetischen Stahlblechlegierung gefertigt und hat einen unteren Anschlußbereich 2 zur Einleitung des Drehmo mentes, einen Trägermeßbereich 3, in dem eine Meßschicht 4 ange bracht ist, und einen oberen Anschlußbereich 5, der zur Auslei tung des Drehmomentes vorgesehen ist. Im unteren Anschlußbereich 2 ist der Träger 1 stirnseitig z. B. an einer nicht dargestellten Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors befestigbar. Der obere An schlußbereich 5 ist z. B. an einer ebenfalls nicht dargestellten antriebsseitigen Pumpenradhälfte eines hydrodynamischen Wandlers eines Kraftfahrzeug-Automatikgetriebes festlegbar.

Wird der Träger 1 mit Drehmoment beaufschlagt, so ergibt sich für ihn ein mechanischer Spannungszustand, der dem eines beid seitig eingespannten Biegebalkens entspricht. Je nach Drehmo mentrichtung tritt dann im oberen Anschlußbereich 5 eine maxima le mechanische Zug- oder Druckspannung und jeweils entgegenge setzt im unteren Anschlußbereich 2 eine maximale mechanische Druck- oder Zugspannung auf. Die im Trägermeßbereich 3 des Trä gers 1 auftretenden drehmomentproportionalen Zug- oder Druck spannungen werden nahezu verlustfrei auf eine Meßschicht 4 über tragen, die durch eine mit dem Untergrund molekular verzahnte nanokristalline oder amorphe weichmagnetische magnetoelastische Meßfolie gebildet ist. Die in einer solchen magnetoelastischen Meßfolie erzeugten mechanischen Spannungen führen über den ma gnetoelastischen Effekt zu einer reziprok spannungsproportiona len Änderung der magnetischen Permeabilität der Meßfolie.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Träger 1 im unteren An schlußbereich 2 und im Trägermeßbereich 3 gegenüber den übrigen Abschnitten 5 und 6 mit größerem Querschnitt, d. h. verdickt aus geführt. Dadurch wird formgebungsbedingt eine mechanische Ent kopplung des Meßbereichs 3 von störenden mechanischen Querkräf ten und eine thermische Entkopplung des Meßbereichs 3 von stö renden thermischen Längenausdehnungen erreicht.

Fig. 3 zeigt schematisch den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Träger 1 ergänzt um elektronische Schaltkreiskomponenten zur be rührungsfreien Drehmomentmessung. Auf der Meßschicht 4 im Trä germeßbereich 3 ist eine Meß- oder Sensorspule 7 angebracht, de ren Induktivität von der magnetischen Permeabilität der Meßfolie 4 abhängt. Die Sensorspule 7 bildet mit zwei parallel geschalte ten Kondensatoren 8, 9 und einer Sensorantenne 10 einen Meß stromkreis 11, der einen elektrischen Schwingkreis darstellt. Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises ist von der Indukti vität der Sensorspule 7 abhängig. Diese Resonanzfrequenz ver schiebt sich folglich mit sich änderndem, über den Träger 1 übertragenem Drehmoment. Die Kapazität eines der parallel ge schalteten Kondensatoren 9 ist einstellbar, um den Arbeitsbe reich bezüglich der Resonanzfrequenz des Meßstromkreises 11 ge eignet wählen zu können.

Über verdrillte Verbindungsleitungen ist die am unteren An schlußbereich 2 des Trägers 1 angebrachte, kreisförmige Sen sorantenne 10 in den Meßstromkreis 11 eingeschleift, wobei das Verdrillen das Ein- und Auskoppeln elektromagnetischer Stör strahlung in den Meßstromkreis 11 minimiert. Eine feststehende, mit dem Träger 1 nicht mitrotierende Elektronikeinheit 12, die unter anderem einen elektronischen Impulsoszillator enthält, er zeugt mit einer geeigneten Pulsfolgefrequenz kurze Rechteckim pulse, die über eine feststehende Meßgeräteantenne 13 abge strahlt und von der mit dem Träger 1 mitrotierenden Sensoranten ne 10 aufgenommen werden. Dazu ist die Meßgeräteantenne 13 koa xial geeignet nahe an der Sensorantenne 10 positioniert. Dadurch wird der Schwingkreis 11 zu gedämpften Schwingungen auf seiner Resonanzfrequenz angeregt. Als Folge davon strahlt die Sensoran tenne 10 ein Resonanzfrequenzsignal ab. Dieses Resonanzfrequenz signal wird von der Meßgeräteantenne 13 empfangen und der Elek tronikeinheit 12 zugeführt, in der das empfangene Resonanzfre quenzsignal über eine geeignete Signalaufbereitungselektronik mit einem passenden Bandpaßfilter einer Signalauswerteelektronik zugeführt wird. Die Verbindungsleitungen zwischen Elektronikein heit 12 und Meßgeräteantenne 13 sind ebenfalls verdrillt, um den Empfang von Störsignalen zu unterdrücken.

In der Signalauswerteelektronik wird die Frequenz des empfange nen Resonanzfrequenzsignals bestimmt, indem ein geeignet defi niertes Zeitfenster gesetzt wird, innerhalb welchem die Anzahl der Nulldurchgänge des empfangenen Schwingungssignals erfaßt, weiterverarbeitet und gezählt wird. Alternativ ist es auch mög lich, die Frequenz des empfangenen Resonanzfrequenzsignales da durch zu bestimmen, daß eine Signalauswerteelektronik von je weils einer bestimmten Anzahl von Schwingungen des Schwingungs signals die Zeitabstände der Nulldurchgänge elektronisch erfaßt und aus diesen elektronisch einen Mittelwert bildet. Die Elek tronikeinheit 12 speist über eine geeignete Schnittstelle den gemessenen Resonanzfrequenzwert in einen nicht dargestellten Mi krocomputer ein, in dem unter Berücksichtigung der Kennlinie der Sensorspuleninduktivität in Abhängigkeit des vom Träger 1 über tragenen Drehmomentes und gegebenenfalls in Abhängigkeit der Temperatur das momentane Drehmoment bestimmt wird. Es ist zweck mäßig, in einem solchen Mikroprozessor zusätzlich den berechne ten Drehmomentwert abhängig von der gewünschten Meßdynamik über mindestens zwei oder mehrere Kurbelwellenumdrehungen zu integrie ren, um gegebenenfalls so einen arithmetischen oder gewichteten Mittelwert zu bilden. Auf diese Weise können die Meßgenauigkeit und Störsicherheit der Vorrichtung erhöht werden.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist in dieser ersten Ausführungsform der Meßstromkreis 11 in einem Sensormodul 15 aufgenommen, das dauerhaft im Trägermeßbereich 3 auf dem Träger 1 festgeklipst ist. Dies ermöglicht ein einfaches Anbringen des Meßstromkreises 11 auf den Träger 1. Am Sensormodul 15 ist eine außen zugängli che Abgleichschraube 16 vorgesehen, über welche die Kapazität des variablen Kondensators 9 im Meßstromkreis 11 eingestellt werden kann. Zur Erhöhung der mechanischen Sicherheit kann das Modul 15 mit dem Trägermeßbereich 3 noch zusätzlich verklebt oder verschraubt werden. Durch die direkte mechanische Befesti gung des Meßstromkreises 11 auf dem Träger 1 wird erreicht, daß das von der Elektronikeinheit 12 ausgewertete Meßsignal prak tisch nicht mit der Umlauffrequenz der Anordnung moduliert ist.

Aus der Ansicht von Fig. 5 ist erkennbar, daß die Meßgerätean tenne 13 radial innerhalb der Sensorantenne 10 angeordnet ist. Mit der Meßgeräteantenne 13 ist zudem eine Kompensationsantenne 14 gekoppelt, die zu dieser axial versetzt positioniert ist. Die Kompensationsantenne 14 weist die gleiche eingeschlossene Fläche und Windungszahl wie die Meßgeräteantenne 13 auf, hat aber einen gegenüber dieser entgegengesetzten Windungssinn.

Fig. 6 veranschaulicht schematisch das Prinzip der Störstrah lungsunterdrückung durch dieses gegensinnige Verschalten der Meßgeräteantenne 13 mit der Kompensationsantenne 14. Meßgeräte antenne 13 und Kompensationsantenne 14 sind in der Elektronik einheit 12 unterbrechbar in Reihe geschaltet. Für die Zeitdauer der Aussendung einer Anregungsimpulsfolge für den Meßstromkreis 11 wird die Reihenschaltung von Meßgeräteantenne 13 und Kompen sationsantenne 14 unterbrochen, um die Abstrahlung elektromagne tischer Energie in den umgebenden Raum zu minimieren. Direkt nach Aussendung des Anregungsimpulses wird die Kompensationsan tenne 14 dann wieder zugeschaltet. Von elektromagnetischen Stör feldern in der Meßgeräteantenne 13 und in der Kompensationsan tenne 14 hervorgerufene Signale haben aufgrund des entgegenge setzten Windungssinnes der Antennen ein unterschiedliches Vor zeichen und heben sich somit weitgehend weg. Es ist bei Bedarf möglich, mit mehreren abzugleichenden Kompensationsantennen eine zusätzliche Verbesserung der elektromagnetischen Störstrahlungs unterdrückung in der Meßgeräteantenne 14 zu erzielen.

Fig. 7 zeigt eine zweite Realisierung der Erfindung, bei der ei ne feststehende ringförmige Meßgeräteantenne 17 und eine Kompen sationsantenne 18 auf derselben Höhe wie die Sensorspule 7 am Trägermeßbereich 3 angeordnet sind, so daß der hier verwendete Meßstromkreis 19 an die als Sende- und Empfangsantenne fungie rende Meßgeräteantenne 17 elektromagnetisch gekoppelt ist. Diese Ausführungsform kommt ohne Sensorantenne im Meßstromkreis 19 aus. Die Bestimmung der Resonanzfrequenz des Meßstromkreises 19 erfolgt entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsform.

Fig. 8 zeigt eine dritte Realisierung der Erfindung, bei welcher ein symmetrisch ausgebildeter Träger 20 verwendet ist. Auf diese Weise wird auch bei hohen Drehzahlen eine mechanische Unwucht weitgehend vermieden. Auf dem Träger 20 sind an geeigneten Stel len einander bezüglich eines mittigen Trägeranschlußbereichs ge genüberliegende Meßbereiche 21 und 22 vorgesehen, auf denen ent sprechend der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine ma gnetostriktive Meßschicht angebracht ist. In den jeweiligen Meßbereichen sind Sensormodule 23 und 24 angebracht, in deren zugehörige Meßstromkreise über verdrillte Leitungen zugehörige Sensorantennen 25 und 26 eingeschleift sind. Entsprechend der anhand der Fig. 1 bis 6 erläuterten ersten Ausführungsform wer den die Meßstromkreise in den Modulen 23 und 24 über Impulse, die von einer nicht gezeigten Elektronikeinheit erzeugt und über eine nicht mitbewegte Meßgeräteantenne 27 abgegeben werden, zu Schwingungen angeregt.

Fig. 9 veranschaulicht die Position der beiden Sensorantennen 25, 26 und der Meßgeräteantenne 27. Auf einen oder mehrere Anre gungsimpulse hin werden die gedämpften Sinusschwingungen der Meßstromkreise in den Sensormodulen 23 und 24 praktisch zeit gleich über die Antennen 25 und 26 in die Meßgeräteantenne 27 eingekoppelt, wobei über die Eletronikeinheit eine nicht gezeig te Kompensationsantenne zur Meßgeräteantenne 27 entsprechend der oben beschriebenen ersten Ausführungsform geschaltet ist, um elektromagnetische Störstrahlung im Antennenbereich zu kompen sieren. Aufgrund der geometrischen Anordnung der Meßbereiche 23, 24 ist bei Beaufschlagung des Trägers 20 mit einem Drehmoment abhängig von der Drehmomentrichtung das Signal vom Sensormodul 23 größer oder kleiner und das Signal vom Sensormodul 24 kleiner bzw. größer als die Signale der beiden Sensormodule 23, 24 ohne Drehmomentbeaufschlagung des Trägers 20. Die von den beiden Sen sormodulen 2324 herrührenden Signale, die in die Meßgerätean tenne 27 eingespeist werden, überlagern sich und bilden eine Schwebungsfrequenz, die der Differenz der beiden Einzelfrequen zen entspricht. Aus dieser Schwebungsfrequenz wird dann in der nicht dargestellten Auswerteeinheit das Drehmoment bestimmt, mit dem der Träger beaufschlagt ist, wobei es bei richtiger Anord nung und Verschaltung der Sensormodule 23 und 24 auf dem Träger teil 20 zusätzlich möglich ist, den Richtungssinn des Drehmomen tes elektronisch zu erfassen. Bei dieser Realisierung der Erfin dung können darüber hinaus die thermische Nullpunktsdrift und die thermische Empfindlichkeitsänderung der Permeabilität der Meßschichten weitestgehend kompensiert werden.

Fig. 10 zeigt eine vierte Realisierung der Erfindung, bei wel cher ein einseitig ausgebildeter Träger 28 vorgesehen ist, der jedoch zwei Meßbereiche 29 und 30 aufweist. Entsprechend der zu vor beschriebenen dritten Ausführungsform sind zu den jeweiligen Meßbereichen 29, 30 gehörende Sensormodule 31 und 32 auf dem Träger 28 über zu jeweiligen Modulen 31, 32 gehörende Sensoran tennen 33 und 34 und eine Meßgeräteantenne 35 an eine nicht dar gestellte Elektronikeinheit gekoppelt. Diese Elektronikeinheit wertet die Differenz der Einzelfrequenzen der von den Sensormo dulen 31 und 32 herrührenden Signale aus, so daß die thermische Nullpunktsdrift und die thermische Empfindlichkeitsänderung der Permeabilität der Meßschicht weitestgehend kompensiert werden können. Bei dieser Bauvariante ist weniger Material für den Trä ger 28 erforderlich, jedoch ist es zweckmäßig, durch geeignete zusätzliche Maßnahmen die insbesondere bei hohen Drehzahlen sich einstellende rotationsmechanische Unwucht zu minimieren.

In Fig. 11 ist eine fünfte Realisierung der Erfindung darge stellt, bei welcher wiederum ein einseitig ausgebildeter Träger 36 vorgesehen ist, der zwei Meßbereiche 37 und 38 aufweist. Die se Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebe nen vierten Ausführungsform darin, daß in die Meßstromkreise je weiliger Sensormodule 39 und 40 keine Sensorantennen einge schleift sind, sondern deren Sensorspulen entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung durch auf Höhe der Sensor module geführte ringförmige Meßgeräteantennen 40 und 41 elektro magnetisch an die nicht dargestellte Auswerteeinheit gekoppelt sind.

Fig. 12 zeigt eine sechste Realisierung, bei welcher ein symme trisch ausgebildeter Träger 42 mit einander gegenüberliegenden Meßbereichen 43 und 44 vorgesehen ist. Wie in der zuvor be schriebenen fünften Ausführungsform sind die Meßstromkreise in den Sensormodulen 45 und 46 über ringförmige Meßgeräteantennen 47 und 48 an die nicht dargestellte Auswerteeinheit elektromag netisch gekoppelt. Die physikalische Wirkungsweise dieses Bei spiels entspricht derjenigen des zuvor beschriebenen dritten Beispiels.

Wie die obige Beschreibung verschiedener vorteilhafter Ausfüh rungsbeispiele verdeutlicht, realisiert die Erfindung eine robu ste und kostengünstig herstellbare Vorrichtung zur berührungs freien Drehmomenterfassung mit frequenzanalogem und damit sehr gut mikroprozessorkompatiblem, telemetrischem Meßprinzip mit di gital auswertbarem Meßsignal.

Claims

1. Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung mit

1. einem vom zu messenden Drehmoment beaufschlagbaren Träger (1) mit wenigstens einem Meßbereich (3), in welchem bei Drehmoment einwirkung mechanische Spannungen erzeugt werden,
2. einer magnetoelastischen Meßschicht (4), die auf dem Träger meßbereich derart angebracht ist, daß sich mechanische Spannun gen im Trägermeßbereich auf die Meßschicht übertragen und eine entsprechende Änderung von deren Permeabilität verursachen,
3. einer Meßspule (7), die in der Umgebung der Meßschicht derart angeordnet ist, daß sich ihre Induktivität in Abhängigkeit von der Meßschichtpermeabilität ändert, und die in einen zugehörigen Meßstromkreis eingeschleift ist, der von einem am Träger (1) an gebrachten elektrischen Schwingkreis (11) mit von der Meßspulen induktivität abhängiger Resonanzfrequenz gebildet ist, und
4. einer vom Träger (1) bewegungsentkoppelt angeordneten Auswer teeinheit (12) mit angeschlossener Antenneneinheit (13),

dadurch gekennzeichnet, daß

1. ein die Resonanzfrequenzinformation des Schwingkreises (11) enthaltendes Meßsignal von der Meßspule (7) selbst abgestrahlt und von der an die Auswerteeinheit (12) angeschlossenen Anten neneinheit (13) abgetastet wird, die auch zur Abstrahlung eines Schwingungsanregungssignals für den Schwingkreis dient.

2. Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Träger (1) im drehmomenteinleitenden und/oder drehmoment ausleitenden Bereich (2) und im Trägermeßbereich (3) bezüglich den übrigen Bereichen (5, 6) verdickt ausgebildet ist.

3. Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Meßschicht (4) als nanokristalline oder amorphe weichma gnetische magnetoelastische Meßfolie ausgebildet ist, die mit tels eines Ringes aus einer Shape-Memory-Legierung kraftschlüs sig mit dem Träger (1) verbunden ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstromkreis (11) in einem Modulträger (15) aufgenommen ist, der im Trägermeßbereich (3) auf dem Träger (1) festgeklipst ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Auswerteeinheit angeschlossene Antenneneinheit eine Sende- und Empfangsantenne (13) und eine Kompensationsantenne (14) umfaßt, mit der das Untergrundsignal der Sende- und Emp fangsantenne (13) kompensiert wird.