DE3635299A1 - Verfahren und sensor zur drehmomentmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zur Messung des Drehmoments. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung ein Gerät und ein Verfahren zur Messung des Drehmoments bei rotieren­ den Wellen. Im einzelnen ergibt die Erfindung ein kontaktloses induktiv gekoppeltes Verfahren und Gerät zum Erfassen drehmoment-induzierter Streuflußände­ rungen in einem rotierenden ferromagnetischen Stab oder einer Welle. Die Erfindung findet besondere Anwendung in der Messung des Drehmoments bei einem Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs.

Auf dem Gebiet der Geräteausrüstung für mechanische Messungen ist die Messung des Drehmoments bei rotierenden Wellen immer schwierig gewesen. Das Drehmoment wird entweder indirekt als Funktion von Kraft und Drehzahl oder direkt gemessen. Große, bei verhältnismäßig hohem Drehmoment arbeitende Maschinen und sehr kleine, bei verhältnismäßig niedrigem Drehmoment arbeitende Ma­ schinen schließen die Verwendung einer indirekten Drehmomenterfassungsvorrichtung aus, so daß sie eine direkte Meßtechnik erforderlich machen. Auch auf anderen Gebieten wird die direkte Messung bevorzugt. Die direkte Messung der Torsion bei rotierenden Wellen kann nur durch Messung der tatsächlichen Beanspruchung in der Welle oder durch Messung des Gegendrehmoments bzgl. einer stabilen Bezugsplattform erfüllt werden, was unter manchen Bedingungen schwierig ist. Daher wird ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrich­ tung zur direkten Messung der Torsion bei einer rotieren­ den Welle benötigt.

Herkömmliche Verfahren zur direkten Messung der Wellen­ torsion können allgemein in zwei Kategorien eingeteilt werden: berührend und berührungslos.

Berührende Verfahren zur Drehmomentmessung, wie zum Beispiel die Verwendung eines Dehnungsmeßgeräts bzw. Dehnungsmeßstreifens an einem gedehnten Teil sind üblich. Dehnungsmeßstreifen sind sehr zuverlässige, geeignete und wirtschaftliche Sensoren. Sie funktionieren jedoch am besten, wenn sie in Verbindung mit stationären Teilen verwendet werden. Wenn sie bei einer rotierenden Welle verwendet werden, müssen die Verbindungsdrähte der Streifen über Schleifringe zur Stelle der Erregung, Erfassung und Verstärkung führen. Schleifringe sind als (elektrisch) verrauscht bekannt, unterliegen der Abnutzung und sind teuer in der Anwendung. Der gegenwär­ tige Stand der Technik bei rotierenden Dehnmeßstreifen- Drehmomentsensoren verwendet rotierende Transformatoren zum Induzieren eines erregenden Wechselsignals in einer Dehnmeßstreifenbrücke (Rosette) und überträgt dann unter Verwendung einer zweiten induktiv gekoppelten Wicklung das Ausgangssignal der Brücke zur getrennt liegenden Elektronik.

Abwandlungen solcher Übertrager-gekoppelten Dehnmeß­ streifen-Drehmomentsensoren sind zur Zeit unter ziemlich hohen Kosten kommerziell verfügbar. Die Komplexität und die Kosten solcher Übertrager-gekoppelten Geräte beschränken ihre Anwendung auf das Umfeld eines Labors oder Teststands.

Ein übliches kontaktloses Verfahren zur Messung des Drehmoments bezieht sich im allgemeinen auf die Messung magnetischer Eigenschaften. Die Änderung magnetischer Eigenschaften verschiedener Legierungen als Ergebnis einer einwirkenden Spannung ist wohlbekannt. Insbesondere neigt die Permeabilität eines magnetischen Werkstoffs zur Vergrößerung infolge einer Zugspannung und zur Verkleinung infolge einer Druckbeanspruchung. Diese Wirkung ist bei einigen Drehmomentmeßwandlern ausgenutzt worden. Beispielsweise wird im U.S.-Patent 44 14 855 die Permeabilitätsänderung einer magnetischen Schicht auf der Oberfläche eines nichtmagnetischen Zylinderstabs durch eine oder mehr nebeneinanderliegende Aufnehmerspu­ len an einem beanspruchten rotierenden Stab erfaßt. Für eine gegebene Aufnehmerspule ist die Induktivität der Spule direkt proportional zur Permeabilität der magnetischen Schicht. Da die Permeabilität der magneti­ schen Schicht direkt proportional zu den darauf einwirken­ den Kräften ist, ist die Induktivität der Aufnehmerspu­ len direkt proportional zur auf die magnetische Schicht einwirkenden Kraft. Daher kann die auf den zylindrischen Stab einschließlich der darauf befindlichen magnetischen Schicht einwirkende Kraft durch Erfassen der Induktivität der Aufnehmerspulen bestimmt werden. Die Temperaturabhängig­ keit eben dieser magnetischen Eigenschaften schränkt die Anwendbarkeit solcher berührungsloser Sensoren jedoch ein. Die Herstellung kraftübertragender Wellen unter Benutzung solcher Legierungen wirft auch viele Schwierigkeiten auf.

Wenn ein metallisches Teil magnetisiert wird, wird ein Streufluß an jeder Stelle erzeugt, an der eine Unstetigkeit, ein Riß oder Fehler im Material vorhanden ist. Die Größe des Streuflusses und deswegen die Empfind­ lichkeit der Erfassungseinrichtung für den Fehler hängt von der relativen Orientierung des Fehlers und des Feldes ab. Die vorliegende Erfindung wendet solche Streuflußprinzipien an und gründet auf der wohlbekannten Technik der Wirbelstromprüfung,bei der Unstetigkeiten, Risse, Einschlüsse oder andere Fehler in metallischen Gegenständen mittels Änderungen des Flusses infolge induzierten Stromflusses erfaßt werden. Wirbelstromprü­ fung wird in erster Linie als Ausleseverfahren oder als Mittel zur Qualitätssicherung verwendet.

Insbesondere werden Wirbelströme typischerweise in einem zu untersuchenden Gegenstand durch Induktion über eine benachbarte Spule erzeugt, die einen Erreger­ wechselstrom bewirkt. Die Wirbelströme erzeugen dann magnetische Felder, die sich auf die Spule mit derselben Frequenz übertragen wie diejenige des Erregerstroms, die aber eine abweichende Phase haben können. Die Phase und die Amplitude der induzierten Spannungen hängen von Strukturmerkmalen des geprüften Gegenstands ab. Die Phasenbeziehungen können durch geeignete Signal­ verarbeitungsschaltungen gemessen werden.

Das Fließen von Wirbelströmen in einem Prüfgegenstand wird vom Skin-Effekt beherrscht. Die Ströme fallen exponentiell mit der Tiefe ab, in Abhängigkeit von der Form des Gegenstands, seiner Dicke und seinen elektromagnetischen Eigenschaften. Zusätzlich zum Rückgang der Stromamplitude mit wachsender Tiefe unter­ halb der Oberfläche, eilt der Phasenwinkel des Stroms dem Erregersignal zunehmend nach. Während Wirbelstrom­ prüfung beim herkömmlichen Stand der Technik angewandt wurde, wendet die vorliegende Erfindung jedoch das Wirbelstromprüfverfahren auf neue Art an zum Erreichen eines zweckmäßigeren, zuverlässigeren, empfindlicheren Drehmomentsensors.

Eine weitere wichtige Einschränkung des herkömmlichen Stands von Drehmomenterfassungsvorrichtungen, die belastungsbedingte Materialeigenschaftsänderungen in einer rotierenden Welle messen, ist die Unempfind­ lichkeit für die Drehmomentrichtung. Ob das Drehteil im oder gegen den Uhrzeigersinn belastet wird, wird die sich ergebende induzierte Änderung der Materialeigen­ schaft identisch sein - zumindest in einem vollkommen elastischen System. Bei vielen Anwendungen, wie zum Bei­ spiel bei Sensoren für den Kraftaufwand zum Steuern eines Kraft­ fahrzeugs, ist das Vorzeichen (Richtung) des aufgebrach­ ten Drehmoments eine wesentliche Information.

Die hier beschriebene Erfindung ist ein berührungslo­ ser, induktiv gekoppelter Streufluß-Drehmomentsensor neuen Aufbaus und mit besonderem Arbeitsprinzip. Er ist weitaus einfacher, zweckmäßiger, empfindlicher, kostengünstiger und zuverlässiger als bisher bekannte Drehmomentsensoren. Er hat ein Ausgangssignal, das linear mit dem einwirkenden Drehmoment unter einem Wechsel des Arbeitsquadranten (Vorzeichen) verläuft. Die Erfindung findet besondere Anwendung bei der Bestim­ mung des Drehmoments zum Beispiel an einer Servolenkung oder einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs obwohl andere Anwendungen natürlich ebenfalls innerhalb des Anwendungsbereichs der Erfindung liegen.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein verbessertes Verfahren zur Drehmomentmessung an einem ferromagneti­ schen Teil. Das Verfahren umfaßt den Schritt zur Ausbil­ dung von Unstetigkeiten, wie zum Beispiel einer Folge von Schlitzen oder Rillen in der Oberfläche des ferromagne­ tischen Teils, auf das eine Drehkraft ausgeübt wird. Die Unstetigkeiten werden vorzugsweise spiegelbildlich zueinan­ der ausgebildet, so daß die eine Unstetigkeitsstelle in der Rich­ tung bezüglich der Mittelachse des ferromagnetischen Teils umgekehrt zu der anderen Unstetigkeitsstelle ist. Dann wird ein induzierter Strom im ferromagnetischen Teil durch Induktion von einer ersten,dem ferromagnetischen Teil benachbarten Spule erzeugt. Der induzierte Strom erzeugt daher ein elektrisches Erregungsfeld und bewirkt dadurch einen an den Unstetigkeitsstellen gemessenen Streufluß. Die Änderung des Streuflusses wird an jeder Unstetigkeitsstelle durch in Differenzanordnung geschaltete Sekundärspulen gemessen. Die Phase und die Amplitude des induzierten Stroms werden von den Ausgangssignalen der in Differenzanordnung verschal­ teten Sekundärspulen abgeleitet, so daß sie es ermöglichen, daß das Drehmoment an dem ferromagnetischen Teil als direk­ te Funktion der gemessenen Änderung des Streuflusses be­ stimmt werden kann. In Abwandlung kann anstelle der Anwen­ dung von zwei Gruppen von Schlitzen oder Rillen der Streu­ fluß und daher das Drehmoment als Funktion des Versatzes ferromagnetischer Vorsprünge an einer geteilten Buchse gemessen werden.

Der Drehmomentsensor der vorliegenden Erfindung weist eine Primärspule zur Erzeugung eines induzierten Erreger­ stroms in einem drehbeanspruchten ferromagnetischen Teil auf, das vorzugsweise zwei Unstetigkeitsstellen eine spiegelbild­ lich zur anderen, in der Oberfläche des ferromagnetischen Teils besitzt. In Abwandlung können die vorhandenen Unstetigkeits­ stellen im ferromagnetischen Teil eine geteilte Buchse mit ferromagnetischen Vorsprüngen darstellen . Diese erzeugt dadurch einen magnetischen Streufluß an den Unstetigkeits­ stellen oder Vorsprüngen. Der Drehmomentsensor weist weiter­ hin zwei in Differenzanordnung verschaltete Sekundärspulen zum Messen der Änderung des Streuflusses an jeder Unstetig­ keitsstelle auf. Das Ausgangssignal der Sekundärspulen wird an eine Schaltung zur Ableitung der Phasen- und Ampli­ tudeninformation aus den in Differenzanordnung verschal­ teten Sensorspulen weitergegeben, so daß das Drehmoment als Funktion der Ausgangsspannung der Sekundärspulen be­ stimmbar wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Streuflußerzeu­ gung an einer Oberflächenunstetigkeitsstelle bei einem ferromagnetischen Teil,

Fig. 2a-c eine schematische Darstellung der Form und Größenänderung einer Oberflächenunstetigkeitsstelle als Ergebnis von Belastungskräften,

Fig. 3 eine perspektivische, schematische Ansicht von Zug- und Druckkräften, die auf Unstetigkeitsstel­ len auf der Oberfläche einer ferromagnetischen Torsionswelle wirken,

Fig. 4a eine Schnittansicht der in Fig. 3 gezeigten Torsionswelle, wobei die Welle von einer Primärerregerspule und zwei in Differenzanordnung verschalteten Sekundärsensorspulen umgeben ist,

Fig. 4b eine perspektivische Ansicht der in Fig. 4a gezeigten Anordnung,

Fig. 5 einen Schaltplan zur Ableitung der Phasen- und Amplitudeninformation der in Differenzanordnung verschalteten Sensorspulen,

Fig. 6 einen Graf des Ausgangssignals der Sensorspulen, aufgetragen über dem Drehmoment,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines Drehmomentsensors in Buchsenform gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8A eine teilweise Seitenansicht eines Drehmomentsen­ sors, der eine geteilte Buchse mit ferromagne­ tischen Vorsprüngen aufweist, wobei der Dreh­ momentsensor eine neutrale Position einnimmt,

Fig. 8B eine schematische Ansicht des Streuflusses von den in Fig. 8A gezeigten Buchsen,

Fig. 9A eine teilweise Ansicht des in Fig. 8A gezeigten Drehmomentsensors, wobei die Buchsenabschnitte durch eine Drehwirkung versetzt sind,

Fig. 9B eine schematische Darstellung des Streuflusses von den in Fig. 9A gezeigten Buchsen,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines Drehmomentsensorbau­ teils, das eine geteilte Buchse verwendet, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, und eine Primär­ erregerspule und zwei in Differenzanordnung ver­ schaltete Sekundärsensorspulen aufweist.

Wenn ein ferromagnetisches Teil 10, wie schematisch in Fig. 1 gezeigt, innerhalb einer axialen Solenoidspule 12 angeordnet ist, in der ein Erregerstrom fließt, werden Wirbelströme, wie allgemein durch Pfeile 14 gezeigt, im Teil 10 erzeugt. Eine Unstetigkeit, Riß oder fehlerhafte Stelle in der Oberfläche ist mit einem Bezugszeichen 16 bezeichnet. Wenn solche Unstetigkeiten innerhalb der Eindring­ tiefe des ferromagnetischen Teils vorkommen, ist der Streu­ fluß an der Unstetigkeitsstelle, wie allgemein durch Pfei­ le 18 angegeben, höher als der allgemein durch Pfeile 20 dargestellte induzierte Fluß an anderen Teilen der angrenzenden Oberfläche, da der magnetische Leitwert der Unstetigkeitsstelle um mehrere Größenordnungen niedriger ist als der Leitwert innerhalb der Oberfläche des ferromag­ netischen Materials. Die Größe des Streuflusses 18, der mit derselben Frequenz wie der Erregerstrom auf die Spule gekoppelt wird, ist eine direkte Funktion der Größe, Anzahl und Tiefe der Unstetigkeitsstellen auf der Oberfläche.

Wenn ein Teil einer Zugbelastung ausgesetzt ist, schnüren sich Unstetigkeitsstellen auf der Oberfläche entweder ein oder erweitern sich. Die Fig. 2a bis c veran­ schaulichen einen am Umfang verlaufenden Schlitz oder eine Rille 22, die in die Oberfläche eines zylindrischen Stabes 24 senkrecht zu dessen Mittelachse eingebracht ist. Der zylindrische Stab 24 ist von einer Erregerspule umgeben, die allgemein mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet wird. Der Streufluß am Umfangsschlitz ist schematisch durch Flußlinien 28 gezeigt. Wenn keine Zugkräfte am Stab 24 angreifen, wird gemäß Fig. 2b nur ein Nennstreufluß am Schlitz 22 erzeugt. In dem einfachen Falle jedoch, daß eine Druckkraft 30 auf den Stab 24 ausgeübt wird, wird wie in Fig. 2a gezeigt, der Umfangsschlitz 22 zusammenge­ drückt und eingeengt, so daß sich der Streufluß am Umfangsschlitz 22 gegenüber demjenigen des unbelasteten Zustands gemäß Fig. 2b verringert. Wenn, wie in Figur 2 c gezeigt, umgekehrt eine Zugkraft 32 auf den zylindrischen Stab 24 einwirkt, weitet sich der Umfangsschlitz 22 auf, so daß sich der Streufluß gegenüber demjenigen des unbe­ lasteten Zustands gemäß Fig. 2b vergrößert. Bei diesem vereinfachten Beispiel wurde angenommen, daß die Abmessung des Schlitzes die einzige Einflußgröße ist, die sich auf den Fluß auswirkt. In Wirklichkeit aber wirken sich auch andere Einflußgrößen, wie zum Beispiel spezifischer Wider­ stand und Permeabilität des ferromagnetischen Stabs sowie die Amplitude und Frequenz des Erregerfeldes ebenfalls auf den Streufluß aus. Weitere Einflußgrößen, die sich auf den Streufluß auswirken, sind Temperatur und me­ chanische oder elektronische Instabilität.

Fig. 2 veranschaulicht den einfachen Fall reiner Druck­ oder Zugkräfte. In Fig. 3 ist ein ferromagnetischer Dreh­ stab 34 dargestellt, auf den eine Drehkraft einwirkt, die allgemein durch Pfeile 36 wiedergegeben sind. Auf dem Drehstab 34 sind zwei identische Oberflächenunstetig­ keitsstellen, wie zum Beispiel Schlitze oder Rillen 38 und 40 gezeigt. Die Schlitze 38 und 40 sind in einem Winkel bezüglich der Mittelachse des Drehstabs 34 angeordnet. Wenn die Schlitze 38 und 40 parallel zum magnetischen Feld angeordnet sind, das heißt parallel zur Achse des Drehstabs 34, wird keine wirksame Streuflußvergrößerung bewirkt. Wenn umgekehrt die Schlitze 38 und 40 senkrechter bezüglich der Achse des Stabs 34 angeordnet sind, ergibt sich eine verbesserte Empfindlichkeit für Flußänderungen. Der bevorzugte Winkel der Schlitze 38 und 40 liegt zwischen 60 und 75 Grad, ein Bereich, der maximale Zugfestigkeit und maximale Empfindlichkeit für den Streufluß ergibt. Zusätzlich sind die Schlitze 38 und 40 ineinander entgegen­ gesetzter Richtung, das heißt spiegelbildlich zueinander, so daß ein Schlitz entgegengesetzt zur Mittelachse des Stabs 34 wie der andere Schlitz ausgerichtet ist. Obwohl in Fig. 3 der Einfachheit der Darstellung wegen nur ein einziger Schlitz 38 und ein einziger Schlitz 40 gezeigt sind, sollte ein ferromagnetischer Drehstab 34 vorzugswei­ se mehr als einen Schlitz an jeder Oberflächenunstetig­ keitsstelle tragen.

Wie in Fig. 3 klar dargestellt ist, wird der Schlitz 40 eingeschnürt oder eingeengt, wenn der Stab 34 Drehkräf­ ten 36 unterliegt, während der Schlitz 38 aufgeweitet oder geöffnet wird.

Bei einem elastischen symmetrischen System können gleiche und entgegengesetzte Kräfte an den in Fig. 3 gezeigten Unstetigkeitsstellen mit einer Differenzmeßtechnik in geeigneter Weise gemessen werden. Vorzugsweise wird eine einzige Primärspule zur Erzeugung eines Erregerfeldes verwendet, während vorzugsweise zwei in Differenzanord­ nung verschaltete Sekundärspulen zur Erfassung der Streufluß­ änderung verwendet werden. In einem solchen System werden Gleichtakteffekte, wie zum Beispiel durch Temperatur verursachte Materialeigenschaftsänderungen wirksam beseitigt, während die Empfindlichkeit für die Verformung verdoppelt wird.

In den Fig. 4A und 4B ist der ferromagnetische Drehstab 34 gezeigt, der von einer einzigen Primärerregerspule 42 und zwei in Differenzanordnung verschalteten Fühler­ spulen 44 und 46 umgeben ist. Drehmomentsensoren der hier offenbarten Art sind äußerst empfindlich für Fremdmagnet­ felder. Wenn die Fühlerspulen 44 und 46 nicht in Differenz­ anordnung verschaltet wären, könnte das System wegen Fremdmagnetfeldern nicht arbeiten. Die Primärspule 42 dient zur Ausbildung eines induzierten Flusses, der all­ gemein mit 43 bezeichnet ist. Die in Differenzanordnung verschalteten Fühlerspulen 44 und 46 sind nahe den Schlitzen 38 bzw. 40 angeordnet. Wenn eine Drehbelastung auf den Stab 34 ausgeübt wird, vergrößert sich ein Streu­ fluß 48 am Schlitz 38, wogegen eine gleiche Verringerung des Streuflusses 48 am Schlitz 40 auftritt. Da diese Än­ derungen im Differenzverfahren durch die in Differenzan­ ordnung verschalteten Sekundärspulen 44 und 46 aufsummiert werden, kann eine wirksame Belastung gemessen werden,die zweimal so groß ist wie die tatsächliche Belastung.

Die Verwendung einer getrennten Erregung und in Differenz­ schaltweise betriebenen Fühlerspulen erlaubt eine verhält­ nismäßig hohe elektromagnetische Erregung und eine hohe Empfindlichkeitsstufe bei der Streuflußerfassung. Darüber hinaus gestatten die innewohnenden Gleichtaktunter­ drückungseigenschaften eines abgeglichenen in Differenzan­ ordnung verschalteten Fühlerpaars eine innere Beseiti­ gung von schädlichen Einflüssen, wie zum Beispiel Fremd­ magnetfeldern, Temperaturauswirkungen und mechanisch ver­ ursachten Änderungen.

Fig. 5 zeigt eine übliche herkömmliche Schaltung zur Bestimmung des Drehmoments an einem Stab 34, obwohl jede andere Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Phasen- und Amplitudeninformation aus den in Differenzanordnung ver­ schalteten Spulen ebenso verwendet werden können. Gemäß Fig. 5 ist ein Sinuswellenoszillator 50 mit einer Primär­ spule 42 verbunden und erzeugt den Erregerstrom zum Indu­ zieren eines Flusses im Stab 34. Die Sekundärspulen 44 und 46 sind mit einem vierfachen Zweiwegschalter 52 verbunden. Ein Nulldurchgangsdetektor 54 mit einem Operationsverstärker 56 und einem Inverter 58 verbindet den Sinuswellenoszillator 50 mit dem Schalter 52. Der Verstärker 56 ist ein Vergleicher mit einem Nullbezug auf. Das Ausgangssignal des Schalters 52 wird durch eine Integrationsschaltung 60 gefiltert. Ein zweiter Operationsverstärker 62 verstärkt das Ausgangssignal des Integrators 60. Im Betrieb erzeugt der Nulldurchgangsde­ tektor 54 positive Rechteckimpulse an einem Ausgang 7 des Vergleichers 56 bei positiven Auslenkungen der einge­ gebenen Sinuswellen, während ein Ausgang 2 des Inverters 58 positive Impulse für negative Auslenkungen der einge­ gebenen Sinuswelle erzeugt. Die positiven Impulse am An­ schluß 7 schalten Schalter B und C ein, die den Se­ kundärkreis der Spulen 44 und 46 schließen und einen Ausgangsstrom für den Integrator 60 erzeugen. Positive Impulse am Anschluß 2 schalten Schalter D und A ein, die ähnlich den Kreis der Spulen 44 und 46 schließen und einen Ausgangsstrom für den Integrator 60 erzeugen.

Die Erfindung wird wie folgt bei einem besonderen Beispiel angewendet. Ein zylindrischer Drehstab aus Werkzeugstahl mit einem Außendurchmesser von 12,7 mm wurde mit zwei Gruppen von Schlitzen unter 45° gegen die Mittelachse des Stabs versehen. Obwohl in dem besonderen Beispiel ein Winkel von 45° verwendet wurde, ist vorzugsweise ein Winkel zwischen 60 und 75° zu verwenden, um die Drehfestig­ keit und die Empfindlichkeit für den Streufluß möglichst groß zu machen. Jede Gruppe von Schlitzen bestand aus vier Vertiefungen, von denen jede 12 mm lang mal 0,1 mm breit mal 1,0 mm tief in die Oberfläche mittels einer elektrischen Ätzbearbeitung eingeschnitten war. Obwohl es möglich ist, gefräste oder geätzte Schlitze zu verwen­ den, können solche Techniken die kleinen, für die gewünschte Empfindlichkeit erforderlichen Schlitzabmessungen nicht erfüllen. Demgemäß ist die elektrische Entladungs-Ätzbearbeitung die bevorzugte Technik zur Herstellung der Schlitze. Zu­ sätzlich sollte die Tiefe der Schlitze für eine wirksame Empfindlichkeit mindestens vier bis fünf mal so groß wie die Schlitzweite sein. Bei Verwendung der in Fig. 5 ge­ zeigten Schaltung wurden die in Fig. 6 gezeigten Daten erhalten. In Fig. 6 stellt die Ausgangsspannung das Aus­ gangssignal der Integratorschaltung 60 dar; dieses Aus­ gangssignal ist linear bezüglich des einwirkenden Drehmo­ mentes. Sowohl eine Brückenschaltung als auch eine Differenzanordnung, die die Amplituden- und Phaseninforma­ tion aus den Fühlerspulen entnehmen können, können statt der in Fig. 5 gezeigten Schaltung eingesetzt werden.

Die beim Beispiel verwendete Drehwelle mit einem Durchmes­ ser von 12,7 mm vermag ein Drehmoment von mehr als 15 kg/m bei einer inneren Maximalbeanspruchung von nahezu 700 kg pro m² auszuhalten. Eine solche Welle konnte besonders bei automatischen Lenkkraftverstärkern Anwendung finden.

Die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors der vorliegenden Erfindung kann beträchtlich vergrößert werden durch Verwen­ dung einer ausgetieften, röhrenförmigen Buchse oder Dreh­ momenterfassungsröhre, wie in Verbindung mit Fig. 7 nach­ folgend eingehender beschrieben. Mit einer solchen Buchse wird das beträchtliche Anwachsen in der Belastungsempfind­ lichkeit durch Erhöhung interner Kräfte nur im Randbereich bewirkt. Zusätzlich kann die Empfindlichkeit durch Ver­ ändern des Schlitzwinkels vergrößert werden. Durch Ver­ schiebung des Schlitzwinkels zu einer mehr rechtwinkligen Ausrichtung gegenüber der Stabachse als der vorstehend erwähnte Winkel von 45° erhöht sich die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors bei nur leichten Einbußen an Lebens­ dauer. Eine Verminderung der Schlitzbreite vergrößert auch die Belastungsempfindlichkeit, da die physikalische Verkleinerung der Schlitzbreite für eine gegebene ausgeübte Belastung eine größere prozentuale Änderung erzeugt als für breite Schlitze. Die Kosten und die Schwierigkeit der Herstellung von Schlitzen mit weniger als 100 µm Weite müssen in Betracht gezogen werden. Die Empfindlich­ keit kann auch gesteigert werden durch Vergrößerung der Anzahl von Schlitzen am Umfang des Drehmomentsensorstabs.

Wie in Fig. 7 gezeigt, kann der Drehmomentsensor der vorliegenden Erfindung eine ausgetiefte, röhrenförmige Buchse oder Drehmomentsensorröhre 70 sein. Eine Anzahl von Schlitzen 72 ist vorzugsweise mittels elektrischer Ätzbearbeitung in die Buchse eingeschnitten. Das Schneiden der Schlitze 72 durch die Buchse 70 hindurch ist günstig, da eine hohe Kräftekonzentration an den Enden der Schlitze, das heißt an der Fußfläche der Schlitze auftritt, wenn ein Vollstab als Drehmomentsensorelement, wie in den Fi­ guren 4 A und 4 B gezeigt, verwendet wird. Darüber hinaus bedeutet dies für das verbleibende Material im Schlitz keinen Drehmomentsensorvorteil, wenn ein Vollstab verwendet wird.

Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Buchse 70 über einer Ein­ gangswelle 74 mit einem Stift 75 befestigt. Natürlich können auch andere Formen der Befestigung verwendet werden. Bei der gezeigten besonderen Form der Erfindung kann die Buchse 70 mit einem Flansch 76 ausgebildet werden, der an einer Ausgangswelle 77 mit Schrauben 78 oder einer ähnlichen Verbindung befestigt ist. Eine Sensorspule mit einer Erregungsspule 79 und zwei in Differenzanordnung verschalteten Aufnehmerspulen 80 ist zur Erfassung des Drehmoments, wie vorstehend beschrieben, vorgesehen. Schlitze 71 können in der Buchse 70 angebracht sein, um die Buchse bezüglich der Drehung für irgendwelche besonde­ ren Anwendungen zu schwächen, bei denen eine solche Dreh­ schwächung erwünscht ist. Da die Schlitze 71 parallel zur Achse der Welle 74 verlaufen, beeinflussen sie nicht den Streufluß.

Die Schlitze 72 sind vorzugsweise mit einem Winkel von näherungsweise 60-75° bezüglich der horizontalen Achse der Buchse 70 ausgerichtet. Wenn die Schlitze 72 einen Winkel von 0° aufwiesen, das heißt in Richtung der hori­ zontalen Achse verliefen, bestünde keine Empfindlichkeit für eine Änderung des Streuflusses. Höchste Empfindlichkeit tritt auf, wenn die Schlitze senkrecht zur horizontalen Achse verlaufen. Ein senkrechter Schlitz jedoch, würde dadurch in einer Zerstörung der Buchse 70 resultieren, daß diese in zwei getrennte Abschnitte zerschnitten würde. Der bevorzugte Winkel von 60 bis 75° oder das Geometrie­ verhältnis (Streckungsverhältnis) der Schlitze schafft eine maximale Röhrenfestigkeit und eine maximale Streufluß­ empfindlichkeit.

Bei einem besonderen Beispiel der in Fig. 7 gezeigten Ausführung, hat dieBuchse 70 Wände mit einer Dicke von nahezu 0,5 mm. Die Wanddicke könnte sich zwischen ungefähr 0,2 mm bis mehrere Millimeter ändern. Wenn die Röhre jedoch zu dünn ist, nimmt ihre Stärke bis zu einem Punkt ab, an dem sie zu zerbrechlich für eine praktische Anwendung ist. Die Schlitze 72 sind durch die Röhrenwand geschnitten und haben eine Breite von näherungsweise 0,1 mm und eine Länge von näherungsweise 5-12 mm. Die Empfindlichkeit für den Streufluß wird vergrößert, wenn die Schlitze enger sind.

Wie in den Fig. 8 bis 10 gezeigt, kann die Drehsensor - buchse in zwei getrennten Abschnitten 81 und 82 ausgeführt sein. Ein die Drehung ausführender Stab 84 führt durch die Buchsen, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Buchsen 81 und 82 sind an dem Drehstab 84 durch einen Stift 86 oder eine ähnliche Verbindung befestigt. Eine Sensorspule mit einer Erregerspule und in Differenzanordnung verschalteten Aufnehmerspulen sind wie vorstehend beschrieben vorgesehen. Jeder Buchsenabschnitt 81, 82 besitzt eine etwas gezahnte Endfläche 88, das heißt eine Endfläche 88 mit einer Reihe nach innen gekrümmter, hohler Abschnitte 90, die durch vorstehende Abschnitte 92 getrennt sind. Andere unregelmäßig geformte Endflächen können eben­ falls verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 8 bis 10 wird die Änderung des Streuflusses als Ergebnis des Versatzes benachbarter ferromagnetischer Vorsprünge 92 gemessen, und nicht der Versatz der Schlitze in der Buchse wie vorstehend beschrieben.

In Fig. 8A ist gezeigt, daß sich der Drehmomentsensor bei einem Streufluß gemäß Fig. 8B in einem 50%-effektiv gekoppelten, neutralen Zustand befindet. Die Vorsprünge 92 werden durch ein Eingangsdrehmoment entweder entkoppelt oder enger gekoppelt, so daß sich eine entsprechende Verstärkung oder Abnahme im Streufluß infolge des Spalts zwischen den getrennten Buchsen ergibt. Wie in Fig. 9A gezeigt, sind die Vorsprünge 92 loser gekoppelt, so daß sich der Streufluß vergrößert, wie in Fig. 9B gezeigt.

Die Erfindung schafft somit einen kontaktlosen, induktiv gekoppelten Streuflußdrehmomentsensor und ein Verfahren zur Messung des Drehmomentes durch Bestimmung der Änderung des Streuflusses an einer Oberflächenunstetigkeitsstelle infolge einer Drehbelastung. Zwei identische, spiegelbild­ liche Unstetigkeitsstellen werden auf einem ferromagneti­ schen Teil ausgebildet. Die Unstetigkeitsstellen können in Gruppen von Schlitzen oder ferromagnetischen Vorsprüngen auf der Oberfläche der Stirnseite des ferromagnetischen Teils bestehen. Als Ergebnis von Drehbelastungen an dem Teil ändern die Unstetigkeitsstellen ihre Form oder Größe oder werden verschoben, so daß sich eine Änderung im Streu­ fluß einstellt. Die Änderung im Streufluß wird von zwei in Differenzanordnung verschalteten Spulen erfaßt. Eine Modulator/Demodulatorschaltung gewährleistet die Bestimmung des Drehmomentes als Funktion des geänderten Flusses.

Claims (16)

1. Verfahren zur Messung des Drehmomentes in einem ferromagnetischen Teil, dadurch gekennzeichnet, daß ein ferromagnetisches Teil vorgesehen wird, mindestens zwei identische Gruppen paralleler Schlitze in dem ferro­ magnetischen Teil ausgebildet werden, wobei eine dieser Gruppen paralleler Schlitze spiegelbildlich zur Gruppe der anderen ist, so daß die erste Gruppe in der Ausrichtung entgegengesetzt bezüglich der horizontalen Mittelachse des ferromagnetischen Teils ist, und wobei jede Gruppe von Schlitzen in einen Winkel von 60 bis 75° bezüglich der horizontalen Mittelachse des ferromagnetischen Teils angeordnet ist, ein induzierter Strom in dem ferromagneti­ schen Teil durch Induktion von einer ersten diesem Teil benachbarten Spule erzeugt wird, so daß sich ein elektri­ sches Erregungsfeld für das ferromagnetische Teil ausbildet, wodurch ein bekannter Streufluß an diesen Schlitzen ent­ steht, das ferromagnetische Teil einer Drehbelastung un­ terzogen wird, die durch die Drehbelastung unter Änderung der Abmessungen der Schlitze verursachte Streuflußänderung jedes Schlitzes gemessen wird, wobei diese Streuflußände­ rung durch zwei in Differenzanordnung verschaltete Sekundärspulen gemessen wird, und eine geänderte Phase und Amplitude des Erregerfeldes aufgrund der Ausgangssignale der Sekundärspulen gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment des ferromagnetischen Teils als Funktion der gemessenen Streuflußänderung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in einer Tiefe von mindestens der vierfachen Schlitzbreite ausgebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ferromagnetisches Teil ein röhrenförmiges ferromagnetisches Teil vorgesehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze gänzlich durch die Wand des röhrenförmigen ferromagnetischen Teils hindurch ausgebildet wer­ den.

6. Verfahren zur Drehmomentmessung in einem ferromagne­ tischen Teil, dadurch gekennzeichnet, daß ein ferro­ magnetisches Teil mit zwei aneinandergrenzenden Abschnitten vorgesehen wird, ein induzierter Strom in den ferromag­ netischen Teil durch Induktion aus einer ersten dem Teil benachbarten Spule erzeugt wird, so daß sich ein elek­ trisches Erregerfeld für das ferromagnetische Teil ausbil­ det, wodurch ein bekannter Streufluß an Schlitzen erzeugt wird, das ferromagnetische Teil einer Drehbelastung ausgesetzt wird, die durch die Drehbelastung unter Versatz der aneinandergrenzenden Abschnitte verursachte Änderung des Streuflusses gemessen wird, wobei die Änderung des Streuflusses durch zwei in Differenzanordnung verschaltete Sekundärspulen gemessen wird, und eine geänderte Phase und Amplitude des Erregerfeldes aus den Ausgangssignalen der Sekundärspulen gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ferromagnetische Vorsprünge an den Stirnflächen der benachbarten Abschnitte so vorgesehen sind, daß der Versatz benachbarter ferromagnetischer Vorsprünge eine Änderung des Streuflusses zur Folge hat.

8. Verfahren nach Anspruch 6-7, dadurch gekennzeichnet, daß das als ferromagnetisches Teil eine röhrenformige Buchse mit zwei benachbarten Abschnitten vorgesehen wird.

9. Drehmomentsensor, gekennzeichnet durch ein ferro­ magnetisches Teil (24; 34; 70) mit mindestens einer von zwei Unstetigkeitsstellen, wobei diese Unstetigkeitsstellen in einem Winkel von 60-75° bezüglich der horizontalen Mittelachse des ferromagnetischen Teils angeordnet sind, eine Primärspule (42; 79) zur Erzeugung eines induzierten Erregerstromes in dem ferromagnetischen Teil, wodurch ein magnetischer Streufluß an den Unstetigkeitsstellen erzeugt wird, zwei in Differenzanordnung verbundene Sekun­ därspulen (44, 46; 80), wobei eine Differenzanordnung der Sekundärspulen zur Messung der dann auftretenden Streuflußänderung an jeder Unstetigkeitsstelle verwendet wird, wenn eine Drehbe­ lastung auf das ferromagnetische Teil einwirkt, und eine Amplituden- und Phaseneinrichtung zur Ableitung der Ampli­ tude und Phase des induzierten Stromausgangssignals der Sekundärspulen.

10. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Sekundärspulen (44, 46; 80) so ausge­ legt ist, daß sie nahe jeder Unstetigkeitsstelle in dem ferromagnetischen Teil liegt.

11. Drehmomentsensor nach Anspruch 2 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß jede der Unstetigkeitsstellen eine Tiefe von mindestens der vierfachen Ausdehnung der Breite besitzt.

12. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das ferromagnetische Teil (24; 34; 70) eine röhrenförmige Buchse (70) aufweist.

13. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unstetigkeitsstellen gänzlich durch die Wand der röhrenförmigen Buchse ausgebildete Schlitze (72) sind.

14. Drehmomentsensor, gekennzeichnet durch ein ferro­ magnetisches Teil mit zwei getrennten benachbarten Ab­ schnitten (81, 82) , eine Primärspule (72; 79) zur Erzeugung eines induzierten Erregerstromes im ferromagnetischen Teil, wodurch ein magnetischer Streufluß zwischen den Abschnitten erzeugt wird, zwei in Differenzanordnung ver­ schaltete Sekundärspulen (44, 46; 80) zur Messung der Änderung des Streuflusses, wenn eine Drehbelastung auf das ferromagnetische Teil einwirkt, und eine Amplituden- und Phaseneinrichtung (50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) zur Bestimmung der Amplitude und Phase des induzierten Stroms, der von den Sekundärspulen ausgegeben wird.

15. Drehmomentsensor nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ferromagnetische Vorsprünge (92) an der Stirnfläche der benachbarten Abschnitte (81, 82).

16. Drehmomentsensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das ferromagnetische Teil (24; 34; 70; 81, 82) eine röhrenförmige Buchse (70; 81, 82) aufweist.