DE19821381C2

DE19821381C2 - Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten

Info

Publication number: DE19821381C2
Application number: DE1998121381
Authority: DE
Inventors: Werner Steprath
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: DE19821381A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten, insbesondere über eine Torsionsmessung an Achsen oder Wellen.

Es ist bereits aus dem "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf 1967, Seiten 178 bis 193 bekannt, dass eine Drehmomentenmessung an einem ferromagnetischen Stab in einem Magnetfeld durchgeführt wird. Unterwirft man diesen Stab, der eine Achse oder eine Welle sein kann, einer me chanischen Spannung in etwa der Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes, so ändert dieser seine magnetischen Ei genschaften; dieser physikalische Effekt wird als soge nannte Magnetoelastizität bezeichnet.

Ein an der Welle oder Achse angreifendes Drehmoment ver ursacht bei der bekannten Messanordnung eine der Torsion proportionale mechanische Spannung und damit auch eine Dehnung der Oberfläche der Welle, die als Änderung der Permeabilität erfasst werden kann. Die Erfassung eines gut auswertbaren Messsignals ist insofern schwierig, da das Material der Achse oder Welle in der Regel auch auf der Oberfläche Inhomogenitäten aufweist. Auch der unver meidliche Luftspalt zwischen der Achse oder der Welle und dem Sensor sowie eine Temperaturänderungen hat einen stö renden Einfluss auf das Messsignal. Darüber hinaus lässt sich oft auch eine Signalstreuung über eine Umdrehung der Achse oder Welle hier nicht sicher vermeiden.

Würdigungen

Bei dem in der DE 38 30 735 A1 bzw. in der DE 40 04 590 A1 beschriebenen Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehmoments eines rotierenden Maschinenteils wird ein als Speichenrad ausgebildetes Torsionselement verwendet. Die Speichen sind hier mit einer ersten und einer zweiten Hülse mit ausgebildeten Längsschlitzen verbunden. Zwischen den beiden Hülsen wird relativ zu diesen eine an der Nabe des Speichenrads befestigte dritte Hülse bewegt. Bei Durchbiegung der als Biegestäbe dienenden Speichen werden die Hülsen relativ zueinander verdreht, wobei entsprechend dem sogenannten Wirbelstromprinzip in mit hochfrequentem Wechselstrom durchflossenen Spulen die Impedanz verändert und somit ein Signal erzeugt wird. Ergänzend wird in der DE 40 04 590 A1 ein Überlastschutz für die Speichen beschrieben.

Auch bei der Vorrichtung nach der DE 38 38 810 A1 wird das Torsionsmoment mit Hilfe eines Speichenrads ermittelt. Hierbei sind auf den Speichen auf allen vier Seiten Meßstreifen angeordnet, mit denen ein auszuwertendes Meßsignal erzeugt wird.

Ferner ist aus der DE 43 33 199 C2 ein Drehmomentsensor bekannt, bei dem als Referenz- und Meßschicht Schichten aus einem amorphen, weichmagnetischen und magnetorestriktiven Material verwendet werden. Die Meßschicht befindet sich in einem koaxial zur Welle angeordneten Träger, der einer Meßspule gegenüberliegt. Diese Vorrichtung baut aber sehr aufwendig.

Beim Torsionsmeßsensor nach der US 4,697,461 A ist eine Torsionsscheibe an der Welle befestigt. Mit Hilfe eines magnetfeldempfindlichen Sensors wird die Veränderung der Konfiguration des magnetischen Feldes erfaßt. Hier wird aber mit einer Vollscheibe gearbeitet.

Eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse oder Welle, bei der das Drehmoment durch eine Veränderung der Permeabilität und damit eine Induktivitätsänderung an einer in diesem Bereich befindlichen induktiven Anordnung messbar ist, wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben.

Bei dieser Lösung weist der mindestens eine Bereich eine Durch-messererweiterung auf, an deren in Achsrichtung stirn seitigen Flanken Speichen angeordnet sind, die ebenfalls bei einer Torsion eine Selektierung der auftretenden Kräfte und Feldlinien vornehmen können. Die Speichen sind dabei bevorzugt in ihrer radialen Ausdehnung in einer Drehrichtung geneigt und werden damit gegensinnig beansprucht.

Die Messsignalerfassung kann in vorteilhafter Weise dadurch vorgenommen werden, dass die induktive Anordnung eine Trans formatorschaltung ist, bei der über den Bereiche mit den Speichen die magnetische Kopplung der Transformatorspulen erfolgt, wobei die Transformatorschaltung eine Primärspule über der Durchmessererweiterung mit zwei beidseitig ange ordneten Sekundärspulen aufweist und die beiden Sekundärspulen gegensinnig in Reihe geschaltet sind. Die Spulen sind vor nehmlich ortsfest, also nicht mitdrehend angeordnet, wobei die Primär- und Sekundärspulen auch vertauscht werden können. Weiterhin ist es auch möglich zwei Spulen als Differenzdrossel zu schalten.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Insbesondere weisen alle Ausführungsformen und deren Kom binationen auch noch folgende vorteilhafte Eigenschaften auf: es ist eine völlig berührungsfreie Drehmomentener fassung möglich; es besteht eine Unempfindlichkeit gegen radiale, axiale und winklige Verlagerungen der Achse oder der Welle; die Messbarkeit besteht bei allen Drehzahlen und im Stillstand der Welle; eine einfachste Umbaumög lichkeit an der Achse oder Welle ist gegeben; es besteht eine geringstmögliche Beeinflussung der Konstruktion der Welle oder des Gehäuses bezüglich Drehsteifigkeit, Masse und Werkstoff, wobei ein kleinster Einbauraum, eine leich te Montage und eine einfache Befestigung des Messwertauf nehmers herstellbar ist; es ist eine einfache Nullpunkt findung durch eine geeignete Strukturierung möglich; es besteht eine Fliehkraft- und Magnetfeldunabhängigkeit; andere Magnetfelder anderer elektronischer Einheiten kön nen den Messeffekt nicht oder nur geringfügig beeinflus sen; es besteht eine weitgehende Schmutzunempfindlich keit, eine Drehrichtungsunabhängigkeit und eine weitge hende Temperatur- und Schwingungsunempfindlichkeit und weiterhin sind Verbesserungen im Hinblick auf Reibungs-, Verschleiß- und die Wartungsfreiheit, die Stückkosten, die Funktionssicherheit und eine mögliche Redundanz bei den Sicherheitsfunktionen erreicht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments an einer Achse oder Welle werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Messanordnung mit Vertiefungen als Strukturierung der Oberfläche einer Welle;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit Speichen an einer Durchmessererweiterung und

Fig. 3 einen Schnitt A-A durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Drehmomentenmessung an einer Welle 1 dargestellt, bei der die Messanordnung eine Transformatorschaltung mit einer Primärspule 2, einer ersten Sekundärspule 3 und einer zweiten Sekundärspule 4 aufweist. Der Sekundärstromkreis ist dabei so geschaltet, dass die beiden Sekundärspulen 3 und 4 gegensinnig geschaltet sind, d. h. jeweils gleiche induzierte Ströme in den Sekundärspulen 3 und 4 würden sich aufheben. Die prinzipielle Funktionsweise einer solchen Transformatorschaltung ist beispielsweise in dem eingangs gewürdigten "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, Seiten 181 bis 193 beschrieben.

Die magnetische Kopplung zwischen der Primärspule 2 und den Sekundärspulen 3 und 4 erfolgt über strukturierte Be reiche 5 und 6. Im Bereich 5 sind eine Anzahl spiralförmig verlaufender Vertiefungen 7 angebracht, die in gleicher Richtung verlaufende Stege 8 bilden. Der Anstellwinkel der Stege 8 gegenüber der Längsachse ist dabei so gewählt, dass der sich ergebende Verlauf der Stege 8 im wesentlichen der Richtung der auftretenden Druck- oder Dehnungskräfte bei einer Torsion der Welle 1 entspricht.

Die durch ein äußeres Drehmoment hervorgerufene Torsion der Welle 1 führt somit zu einer in die Stege 8 geleiteten Dehnkraft, wobei dieser gedehnte Bereich massgeblich die Permeabilität und damit die magnetische Kopplung auf der Oberfläche der Welle im Kopplungsbereich 5 beeinflusst und dadurch ein weitgehend von Inhomogenitäten freies Messsignal an der Transformatorschaltung 2, 3, 4 ermöglicht.

Im Kopplungsbereich 6 sind Vertiefungen 9 angeordnet, die Stege 10 herausbilden, wobei diese Vertiefungen 9 und die Stege 10 in der jeweils anderen Spiralrichtung zu den Vertiefungen 7 und Stege 8 des Kopplungsbereichs 5 verlaufen. Dadurch würde eine Torsion, die in den Stegen 8 zu einer Dehnung führt, zu einer Stauchung in den Stegen 10 und umgekehrt führen. Auch hierdurch ist somit ein gegensinniger Messeffekt erreicht, der die Messsignalauswertung verbessert.

Die Vorrichtung nach der Fig. 1 kann auch noch mit einer magnetisch leitenden Folie auf den Stegen 8 und 10 versehen werden, was den Messeffekt noch weiter verstärken kann. Weiterhin ist auch eine hier nicht gezeigte Ausführung der Strukturierung ausschließlich mit einer Folie vorteilhaft möglich.

Bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 ist eine Durchmessererweite rung 11 auf einer Welle 12 angebracht, auf der eine ande re Art der Strukturierung für die Selektion der Druck- bzw. Dehnkräfte angebracht ist. Auf den axialen Flanken der Durchmessererweiterung 11 sind, wie insbesondere auch aus dem Schnitt A-A nach Fig. 3 ersichtlich, Speichen 13 angebracht, die eine den Stegen 8 und 9 nach der Fig. 1 vergleichbare Funktion aufweisen.

Bei einer Torsion der Welle 12 nach der Fig. 2 treten hier auf den axialen Flanken der Durchmessererweiterung 11 in der Erstreckung der Speichen 13 auch Druck- bzw. Dehnkräfte auf, die wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 zu einer Beeinflussung der Permeabilität im Kopp lungsbereich der Transformatorschaltung 2, 3, 4 führt. Die Neigung der Speichen 13 gegenüber einer radialen Erstrec kung kann auch hier an den gegenüberliegenden Seiten ge gensinnig sein. Die Transformatorschaltung 2, 3, 4 ent spricht in ihrer Funktion im übrigen der Ausführung nach der Fig. 1.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse oder Welle (12), bei der

1. mindestens ein Bereich (11) der Achse oder Welle (12) sich in einem Magnetfeld befindet und
2. der Bereich (11) eine Durchmessererweiterung aufweist, an deren in Achsrichtung stirnseitigen Flanken jeweils Speichen (13) in einer Ebene senkrecht zur Achse oder Welle (12) verlaufen, deren Permeabilität sich durch ein anliegendes Drehmoment aufgrund der Druck- bzw. Dehnungskräfte verändert, wobei
3. durch eine in dem Bereich (11) befindliche induktive Anordnung (2, 3, 4) eine aus der Veränderung der Permeabilität resultierende Induktivitätsänderung erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (13) in ihrer radialen Ausdehnung in einer Drehrichtung geneigt und damit gegensinnig beansprucht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Anordnung eine Transformatorschaltung (2, 3, 4) ist, bei der über den Bereich (11) mit den Speichen (13) die magnetische Kopplung der Transformatorspulen (2, 3, 4) erfolgt, daß

1. die Transformatorschaltung eine Primärspule (2) über der Durchmessererweiterung (11) mit zwei beidseitig neben der Durchmessererweiterung (11) angeordneten Sekundärspulen (3, 4) aufweist, wobei die beiden Sekundärspulen (3, 4) gegensinnig in Reihe geschaltet sind.