DE2851342C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentfühler mit zwei relativ zuein­ ander entgegen einer Rückstellkraft um eine gemeinsame Drehachse ver­ drehbaren Teilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Drehmomentfühler ist aus der US-PS 25 92 796 bekannt. Dort werden zwei achsgleich angeordnete, sich nicht überlappende Wellen mit Hilfe eines Gestänges miteinander verbunden. Dieses Gestänge ist in einem Ring befestigt, dessen elastische Verformung als Maß für das Drehmoment bestimmt wird. Der Drehmomentfühler baut aber aufwendig und ist störanfällig. Die Festigkeit und die Länge des Gestänges ist auf die zu übertragenden Drehmomente abzustimmen.

Ferner ist in der DE-OS 23 10 500 eine Vorrichtung dargestellt, bei der zwischen den beiden relativ zueinander verdrehbaren Teilen ein Reaktionsring angeordnet ist, der mit den beiden Teilen über Kugeln gekoppelt ist. Dabei greifen die Kugeln in Spiralnuten eines der bei­ den Teile ein, so daß bei einer Verdrehung der beiden Teile relativ zueinander der Reaktionsring in Richtung der Drehachse der gesamten Anordnung verschoben wird und dabei den Kolben in einer Kammer ver­ schiebt, durch die ein Druckmittel strömt und dabei in der Kammer ei­ nen Druck aufbaut. Dieser Druck dient zur Rückstellung des Reaktions­ rings und ist gleichzeitig ein Maß für das zwischen den beiden relativ zueinander verdrehbaren Teilen wirksame Drehmoment. Die bekannte An­ ordnung ist kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentfühler zu schaffen, der besonders einfach baut und wobei die beiden drehbaren Teile leicht zueinander zentrierbar sind. Ferner soll eine hohe Meß­ genauigkeit möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Aufgabe erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Drehmomentfühler eine besonders einfache Konstruktion aufweist und jederzeit betriebsbereit ist, ohne daß vorher in einer Kammer ein Druck aufgebaut werden muß. Störanfällige Zwischengestänge sind nicht mehr erforderlich. Ein als Biegefeder dienender Rohrabschnitt kann we­ gen der gerundeten Form seiner Stützfläche, mit denen an den relativ zueinander verdrehbaren Teilen abgestützt ist, eine relativ große Kraft aufnehmen. Die verdrehbaren Teile lassen sich leicht zueinander zentrieren und die Anordnung arbeitet besonders reibungsarm, was zu einer hohen Meßgenauigkeit führt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteil­ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angege­ benen Vorrichtung möglich. Soll der Drehmomentfühler nicht rotierend betrieben werden, soll er also lediglich zur Ermittlung eines Reak­ tionsmoments gegenüber einem unbeweglichen Geräteteil dienen, so ge­ nügt an sich eine einzige Feder, deren Maßänderung erfaßt wird; die Feder muß dann ausreichend kräftig sein. Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 2 kann das übertragene Drehmoment größer sein als bei Ver­ wendung nur einer einzigen Biegefeder oder es können die einzelnen Biegefedern entsprechend klein sein.

Die Ausführungsform nach Anspruch 4 gestattet eine besonders einfache Erfassung der Maßänderung der Biegefeder auch bei einer rotierenden Anordnung, wobei ein feststehendes Gerät zur Ermittlung der Lageände­ rung des Rings Verwendung finden kann. Die Ausführungsform nach An­ spruch 5 vereinigt die Vorteile der relativ großen Belastbarkeit der rohrförmigen Biegefedern mit der leichten Feststellung der in Achs­ richtung der Drehachse erfolgenden Verschiebung des Rings, die ein Maß für das übertragene Drehmoment ist. Vorteilhaft ist gemäß Anspruch 6 ein berührungsloser Abstandsmesser vorgesehen, z. B. ein induktiver oder kapazitiver Abstandsmesser. Dieser kann bei einer drehfesten An­ ordnung unmittelbar mit der Biegefeder zusammenarbeiten, mit einer ro­ tierenden Anordnung ist er so angeordnet, daß er den Verschiebeweg des mit den Biegefedern rotierenden Rings erfaßt. Der Ring besteht vor­ zugsweise aus Metall, in den meisten Fällen kann er wahlweise aus ei­ nem magnetischen oder nichtmagnetischen Material bestehen.

Der weitere berührungslose Abstandsmesser gemäß Anspruch 7 ermöglicht es, Verschiebungen des Rings, die durch Temperatureinflüsse oder Axilverschiebungen der ganzen Anordnung bewirkt sind, zu erfassen und einen durch diese Einflüsse bewirkten Meßfehler des ersten Abstands­ messers zu korrigieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Axialschnitt durch einen Drehmomentfühler, der für rotierenden Betrieb geeignet ist, entsprechend der Schnittlinie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt entsprechend der Linie III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1.

Die Vorrichtung weist ein mit einer Welle 1 gekoppeltes Teil 2 auf und ein mit einer Welle 3 gekoppeltes getriebe­ nes Teil 4, die Teile 2 und 4 sind im wesentlichen rotations­ symmetrisch, das Teil 4 greift dabei in eine im wesentlichen zylindertopfförmige Aussparung 5 des Teils 2 ein. Die Teile 2 und 4 sind durch drei Biegefedern 8, die als Rohrabschnitte ausgebildet sind, drehfest gekoppelt. Durch die Elastizität der Biegefedern ist jedoch eine geringe Verdrehung der bei­ den Teile 2 und 4 relativ zueinander möglich. Die Biegefe­ dern 8 greifen in Aussparungen 9 im Teil 2 und 10 im Teil 4 ein, die im Ruhezustand der Anordnung, wenn also keine äuße­ ren Kräfte und Momente einwirken, miteinander fluchten. Die Biegefedern 8 sind dabei so in die Aussparungen 9 und 10 eingesetzt, daß die Rohrachse der die Biegefedern bildenden Rohrabschnitte radial zur Drehachse der gesamten Anordnung verlaufen. Diese Rohrachsen liegen dabei auch in einer Ebene. In Fig. 2 sind lediglich zwei Biegefedern 8 eingezeichnet, um die Aussparungen 9 und 10 an einer Stelle besser sicht­ bar zu machen. Die Aussparungen 9 und 10 sind im Bereich der Stirnseite 12 des Teiles 2, das die Aussparung 5 be­ grenzt, radial nach außen bzw. innen mit Erweiterungen 14 bzw. 16 versehen.

Ein aus Stahlblech gebildeter ebener Ring 20, der kon­ zentrisch zur Drehachse der ganzen Anordnung angeordnet ist, liegt an den in Fig. 1 am weitesten nach rechts vorstehen­ den Bereichen der Biegefedern 8 an und ist an diesen be­ festigt. In Fig. 1 ist aus zeichnerischen Gründen der Ring 20 jedoch in einem geringen Abstand von den Biegefedern 8 dargestellt, und die Art der Befestigung ist in Fig. 1 nicht zu sehen. Zur Befestigung weist der Ring 20 Laschen 21 auf, die um die Wand der rohrförmigen Biegefeder 8 teilweise herum­ gebogen sind und diese somit teilweise umgreifen und somit den Ring 20 an diesen Biegefedern befestigen, so daß der Ring 20 an der Außenwandung der Biegefedern 8 unmittelbar anliegt, wie auch die Fig. 3 und 4 zeigen. Die Laschen 21 befinden sich im Bereich der Erweiterungen 14 und 16 der Aussparungen 9 und 10, so daß verhindert ist, daß diese Laschen 21 mit den Teilen 2 und 4 in Berührung kommen können.

Eine radial außenliegende Begrenzungsfläche 25 der Ausspa­ rung 9 und eine radial innenliegende Begrenzungsfläche 26 der Aussparung 10 haben einen Abstand voneinander, der ge­ ringfügig größer ist als die maximale Länge (in Richtung der Rohrachse gemessen) der Biegefeder 8, so daß der radia­ le Abstand von der Drehachse 30 der Anordnung bei allen drei Biegefedern 8 gleich groß ist, wie Fig. 2 zeigt. Die Biegefedern 8 sind gleichmäßig verteilt, ihr Winkelabstand voneinander beträgt also 120°. In Tangentialrichtung ist die Aussparung 9 durch eine im wesentlichen ebene Fläche 31 und durch eine im wesentlichen ebene Fläche 32 be­ grenzt, und die Aussparung 10 ist durch entsprechende Flächen 33 und 34 begrenzt, die in Fig. 2 und 3 erkennbar sind. Der Abstand der Flächen 31 und 32 voneinander und der Flächen 33 und 34 voneinander ist dabei gleich groß und so bemessen, daß die Biegefedern 8 selbst im Ruhezu­ stand mit einer geringen Vorspannung an diesen Flächen an­ liegt, so daß ein Spiel vermieden ist. Um die Lage der Biegefedern 8 in den Aussparungen 9 und 10 auch in einer Richtung parallel zur Drehachse 30 zu definieren, weisen die Wände 31, 32, 33, 34 rinnenförmige Aussparungen 36 bzw. 37 auf, der Längsrichtung parallel zur Rohrachse verläuft und die deswegen, weil sie eine gewisse Breite aufweisen, eine definierte Lage der Biegefedern sichern, die sich mit ihrem den Wänden 31, 32, 33, 34 zugewandten Bereich, der gerundet ist, mittels der Aussparungen 36 und 37 zentriert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung im Ruhezustand, wenn kein Drehmoment übertragen wird. In Fig. 3 ist gezeigt, wie sich die Biegefeder 8 verformt, wenn vom Teil 2 auf das Teil 4 ein Drehmoment übertragen wird und daher sich die Teile 2 und 4 relativ zueinander verdrehen, wobei der Drehwinkel von der Größe des Drehmoments und der Steif­ heit der Biegefedern 8 abhängt. Außerdem wirkt sich der radiale Abstand der Biegefedern von der Drehachse 30 aus, und zwar sind bei einem relativ großen Abstand die auf die Biegefedern 8 einwirkenden Kräfte bei einem bestimmten Drehmoment kleiner als bei einem kleinen radialen Abstand.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Biegefedern 8, die im kräfte­ losen Zustand einen kreisförmigen Querschnitt haben, ela­ stisch zu einem ellipsenförmigen Querschnitt verformt, wo­ bei der Ring 20 während dieser Verformung vom kreisförmi­ gen zum elliptischen Querschnitt sich in der Darstellung der Fig. 1 und 3 nach rechts bewegt. Die Anordnung ist so getroffen, daß beim größten auftretenden Drehmoment der in den Fig. 1 und 3 am weitesten links liegende Bereich der Biegefedern 8 noch nicht mit dem Boden 40 der topfför­ migen Aussparung 5 in Berührung kommt, so daß nicht die Gefahr besteht, daß sich die Biegefedern in unerwünschter Weise relativ zu den Aussparungen 36 und 37 verschieben.

Da die Außenwandung der rohrförmigen Biegefeder 8 an den Wänden 31 bis 34 nur mit relativ kleinen Flächenbereichen anliegt, treten während der Verformung der Biegefeder 8 nur geringe Reibungskräfte auf. Um auch die Reibungskräfte im Bereich der Stirnflächen der Biegefeder 8 möglichst klein zu halten, wo diese mit den Flächen 25 und 26 in Kontakt kommen kann, sind die Stirnflächen etwas ausge­ spart, wie Fig. 4 zeigt, und zwar springen diese Stirn­ flächen in einem Bereich 41 und 42 etwas zurück, so daß die Länge der Biegefeder 8 in diesem Bereich geringfügig kürzer ist als in dem Bereich 43, wo die Laschen 21 an­ greifen, und in dem diesem Bereich 43 diametral gegen­ überliegenden Bereich 44.

Je größer das durch die gezeigte Anordnung übertragene Drehmoment ist, um so stärker werden die Biegefedern 8 verformt, und um so weiter wird der Ring 20 in der Dar­ stellung der Fig. 1 und 3 nach rechts bewegt. Diese Bewegung des Rings 20 ist unabhängig von der Drehrichtung, in der die Anordnung betrieben wird und unabhängig davon, ob das Teil 2 das treibende Teil ist oder das Teil 4 das treibende Teil ist. Hierin liegt ein weiterer Vorteil die­ ser Anordnung.

Die Verschiebebewegung des Rings 20 in Richtung der Dreh­ achse 30 wird durch einen induktiven Abstandsmesser 50 erfaßt, der an einem Halter 51 befestigt ist, der an einem Teil 52 eines nicht näher dargestellten Gehäuses der ge­ samten Anordnung angeschweißt ist. Die Lager 53 und 54 der Wellen 1 bzw. 3 sind ebenfalls in dem Gehäuse in nicht näher dargestellter Weise angeordnet. Der Abstandsmesser 50 ist so angeordnet, daß er der Ringfläche des Rings 20 ge­ nau gegenübersteht und somit den Abstand von dem aus Stahl­ blech hergestellten Ring 20 unabhängig von der Drehlage der Anordnung und unabhängig davon, wo sich gerade die Biegefedern 8 relativ zum Abstandsmesser 50 befinden, er­ faßt. Da alle drei Biegefedern 8 gleich stark verformt werden, bleibt die Ebene des Rings 20 immer senkrecht zur Drehachse 30. Um Verschiebebewegungen des Rings 20 parallel zur Drehachse 30, die nicht auf einer Verformung der Fe­ dern 8 beruhen, erfassen zu können, ist ein weiterer induk­ tiver Abstandsmesser 56 vorgesehen, der nicht den Abstand vom Ring 20 erfaßt, sondern den jeweiligen Abstand der Stirnseite 12 des Teils 2. Tritt lediglich eine Axialver­ schiebung der ganzen Anordnung relativ zum Träger 51 und somit auch relativ zu den Abstandsmessern 50 und 56 auf, so stellen die beiden Abstandsmesser die gleiche Abstands­ änderung fest, und dieses Meßergebnis kann in einer Sub­ traktionsschaltung dazu verwendet werden, daß als resul­ tierende Abstandsänderung des Rings 20 der Wert 0 angezeigt wird. Es werden somit lediglich Verschiebungen des Rings 20 relativ zu der Stirnseite 12 ausgewertet.

Die Biegefeder 8 besteht aus einem geeigneten Federstahl, ihre Abmessungen (Länge, Durchmesser, Wandstärke) werden in Abhängigkeit von den durch die Vorrichtung zu übertragen­ den Drehmomenten und von der Anzahl der vorhandenen Biege­ federn gewählt.

Die geschilderte Vorrichtung eignet sich auch besonders zur Verwendung bei Kraftfahrzeug-Automatikgetrieben, um die in derartigen Getrieben auftretenden Drehmomente zu messen.

Claims (8)

1. Drehmomentfühler mit zwei relativ zueinander entgegen einer Rück­ stellkraft um eine gemeinsame Drehachse verdrehbaren Teilen (2, 4) zwischen denen als Kraftübertragungsglied mindestens eine Biegefeder angeordnet ist, deren Lageänderung die Größe eines Ausgangssignals der Anordnung beeinflußt, die Rückstellkraft erzeugt und sich mit je einem Endbereich an den beiden relativ zueinander verdrehbaren Teilen derart abgestützt ist, daß durch eine Verdrehung der beiden Teile relativ zu­ einander der Abstand zwischen den beiden Endbereichen veränderbar ist, wobei die durch die Verformung bewirkte Maßänderung der Biegefeder in einer im wesentlichen quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Endbereichen verlaufenden Richtung als Maß für das Drehmo­ ment verwendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (8) durch einen Rohrabschnitt gebildet ist, der im Bereich zweier einander diametral gegenüberliegender Mantellinie an den relativ zueinander verdrehbaren Teilen (2, 4) abgestützt ist.

2. Drehmomentfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere Biegefedern (8) auf einem zur Drehachse (30) konzentrischen Kreis angeordnet sind.

3. Drehmomentfühler nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Biegefeder (8) derart angeordnet ist, daß die Maßänderung in einer Richtung parallel zur Drehachse am größten ist.

4. Drehmomentfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zur Drehachse (30) konzentrischer Ring (20) an dem mittleren Bereich der Biegefeder (8) abgestützt ist.

5. Drehmomentfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrachse der Rohrabschnitte (Biegefeder 8) radial zur Drehachse (30) verläuft.

6. Drehmomentfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein berührungsloser Abstandsmesser (50) zur Erfassung der Maßänderung der Biegefeder (8) vorgesehen ist.

7. Drehmomentfühler nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslose Abstandsmesser (50) derart angeordnet ist, daß er auf Lageänderung des Rings (20) anspricht, und daß ein weiterer berüh­ rungsloser Abstandsmesser (56) vorgesehen ist, der eine parallel zur Drehachse (30) erfolgende Verschiebung eines der relativ zueinander drehbaren Teile (2, 4) erfaßt.

8. Drehmomentfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt im Bereich seiner Stirnflächen zur Reibungsverminderung Aussparungen aufweist.