DE3704049A1

DE3704049A1 - Magnetostriktive vorrichtung zum messen einer verdrehung bzw. eines drehmoments

Info

Publication number: DE3704049A1
Application number: DE19873704049
Authority: DE
Inventors: Shoichi Edo; Hiroyuki Aoki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-02-10
Filing date: 1987-02-10
Publication date: 1987-08-13
Also published as: US4823620A; US4964308A; DE3704049C2

Description

Die Erhebung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Verdrehung einer wenigstens im Bereich ihrer Oberfläche aus einem magnetischen Material bestehenden, feststehenden oder drehbaren Welle unter Ausnützung des magnetostriktiven Effekts.

Die Messung der Verdrehung einer feststehenden oder drehbaren Welle unter Ausnützung des magnetostriktiven Effekts ist seit langem bekannt.

Bei der Verdrehung einer Welle treten im Bereich der Oberfläche beträchtlich größere Spannungen auf als im inneren Kernbereich, wobei im Oberflächenbereich je nach der Richtung des die Verdrehung bewirkenden Drehmoments in einem Winkel von 45° in bezug auf die Längsachse der Welle nach rechts oder links geneigt verlaufende Zugspannungen und in einem Winkel von 45° in entgegengesetzter Richtung geneigt verlaufende Druckspannungen wirksam werden. Bei einer aus einem magnetischen Werkstoff gefertigten Welle tritt aufgrund der Zug- und Druckspannungen ein magnetostriktiver Effekt im Werkstoff der Welle auf, wodurch sich die magnetische Permeabilität ändert. Bei einer Welle aus einem magnetischen Werkstoff des positiven Typs tritt in Richtung der Zugspannung eine Erhöhung der magnetischen Permeabilität auf, während die Zugspannung bei einem Werkstoff mit negativer Magnetostriktion eine Verringerung der Permeabilität in der betreffenden Richtung bewirkt.

Unter Ausnützung des vorstehend erläuterten Effekts arbeitende Torsions-Meßvorrichtungen haben wenigstens eine Erregerspule zum Erzeugen eines magnetischen Kreises um die der Einwirkung eines Drehmoments unterworfene Welle herum und Einrichtungen zum Registrieren von Änderungen der Permeabilität des Werkstoffs der Welle.

Bekannte Torsions-Meßvorrichtungen sind im Hinblick auf ihre Empfindlichkeit und/oder Genauigkeit noch nicht vollständig befriedigend, insbesondere bei der Verwendung an einer rotierenden Welle. Zu den Gründen für eine unzureichende Genauigkeit der Torsionsmessung gehört eine ungleichmäßige und örtlich anisotrope Verteilung der Permeabilität in der der Messung unterworfenen Welle.

Es gibt bereits verschiedene Vorschläge für die Verbesserung der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Torsionsmessung mittels des magnetischen Verfahrens. So arbeitet eine in JP-A 59-77 326 beschriebene Torsions-Meßvorrichtung mit einer Folie aus einem magnetostriktiven Material, z. B. einer amorphen Eisenlegierung, welche zwei Reihen von parallelen Schlitzen aufweist und stoffschlüssig um eine der Einwirkung eines Drehmoments unterworfene Welle herum an dieser befestigt ist. Auf der Welle sind dann die parallelen Schlitze der einen Reihe in einem Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Welle geneigt, und die der anderen Reihe in entgegengesetzter Richtung ebenfalls in einem Winkel von ca. 45°. In bezug auf eine Querschnittsebene der Welle sind die beiden Reihen von Schlitzen symmetrisch angeordnet. Um die beiden Reihen von Schlitzen ist jeweils eine Erregerspule angeordnet. Bei Einwirkung eines Drehmoments auf die Welle treten in der magnetostriktiven Folie parallel zu den Schlitzen der einen Reihe gerichtete und von einer beträchtlichen Erhöhung der Permeabilität begleitete Zugkräfte und parallel zu den Schlitzen der anderen Reihe gerichtete und von einer beträchtlichen Verringerung der Permeabilität begleitete Kompressionskräfte auf. Derartige Änderungen der Permeabilität werden mittels einer Brückenschaltung erfaßt.

Ein Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht jedoch darin, daß die notwendigerweise zwischen der Oberfläche der Welle und der geschlitzten magnetostriktiven Folie vorhandene Kleberschicht aufgrund wiederholter Verdrehung der Welle, Temperaturänderungen der Welle und/oder Alterung ihre Festigkeit einbüßt. Dadurch ändert sich die Beziehung zwischen der Größe des auf die Welle einwirkenden Drehmoments und dem Ausmaß der Verformung der magnetostriktiven Folie, so daß sich die Genauigkeit der Torsionsmessung verringert.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer magnetostriktiven Torsionsmeßvorrichtung, welche über einen langen Zeitraum stabile Meßergebnisse zu liefern vermag, und mittels welcher die Verdrehung einer feststehenden oder einer rotierenden Welle unbeeinflußt von örtlich anisotrper Verteilung der Permeabilität der Welle genau meßbar ist.

Demgemäß schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Verdrehung einer wenigstens im Bereich ihrer Oberfläche aus einem magnetischen Werkstoff gefertigten Welle, mit einer nahe der Welle angeordneten Erregerspule zum Erzeugen eines magnetischen Kreises, in welchem der Magnetfluß durch einen ausgewählten Abschnitt der Welle hindurch verläuft, einer Meßeinrichtung zum Messen von durch die Einwirkung eines Drehmoments auf die Welle hervorgerufenen magnetostriktiven Änderungen und mit Magnetfluß-Leiteinrichtungen, welche die Oberfläche des ausgewählten Abschnitts der Welle in eine Reihe von länglichen und zueinander parallelen Bereichen unterschiedlicher Höhe unterteilen. Die Magnetfluß- Leiteinrichtungen sind einstückig mit der Welle ausgebildet, und die vorstehend genannten länglichen und zueinander parallelen Bereiche sind in einem vorbestimmten Winkel relativ zur Achse der Welle geneigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Magnetfluß- Leiteinrichtungen eine Reihe von parallelen Nuten und Stegen auf, welche in dem vorbestimmten Winkel von vorzugsweise 45° zur Längsachse der Welle geneigt verlaufen. In dem ausgewählten Abschnitt der Welle verhindern die Nuten weitgehend einen Verlauf des Magnetflusses in Längsrichtung der Welle und bewirken, daß der größte Anteil des Magnetflusses entlang den geneigt angeordneten Stegen verläuft, d. h. also in der Richtung der bei einer Verdrehung der Welle entstehenden Zug- oder Druckspannungen. Derartige Zug- oder Druckspannungen rufen deshalb besonders deutliche Änderungen der Permeabilität hervor, was der Empfindlichkeit der Torsionsmessung zugute kommt. Durch Verteilung der geneigt verlaufenden Nuten und Stege über den gesamten Umfang der Welle oder durch Verlängerung der Nuten in Form von Schraubenlinien ist es möglich, eine durch Verdrehung hervorgerufene magnetostriktive Änderung um die gesamte Welle herum zu messen und einen Mittelwert zu ermitteln. Eine Drehung der Welle hat dabei dann keine Schwankungen des von der Torsionsmeßvorrichtung gelieferten Ergebnisses zur Folge.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Magnetfluß- Leiteinrichtungen, z. B. geneigt verlaufende Nuten und Stege, an der Welle selbst ausgebildet, ohne daß dazu ein zusätzliches Teil aus magnetischem Werkstoff an der Welle befestigt zu werden braucht. Selbstverständlich ist dann auch keine Kleberschicht vorhanden. Dementsprechend ändert sich die Meßgenauigkeit der Vorrichtung auch dann nicht, wenn die Welle einer wiederholten Verdrehung unterworfen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an zwei Abschnitten der Welle jeweils eine Reihe von länglichen, zueinander parallelen und geneigten Nuten und Stegen ausgebildet, wobei die Nuten und Stege des einen Abschnitts denen des anderen Abschnitts entgegengesetzt geneigt sind, so daß die beiden Reihen von Nuten und Stegen in bezug auf eine Querschnittsebene der Welle symmetrisch angeordnet sind. Dabei ist dann jeder Abschnitt von einer Erregerspule umgeben. Eine solche Anordnung ermöglicht die Messung der Verdrehung der Welle durch Ermittlung des Unterschieds der Permeabilitätsänderungen in den betreffenden Abschnitten. Diese Torsionsmeßvorrichtung bietet den Vorteil, daß sich der Nullpunkt des Meßergebnisses nicht verschiebt, selbst wenn sich die Permeabilität der Welle unter dem Einfluß von Temperatur- oder anderen Faktoren ändert.

Die erfindungsgemäße Torsionsmeßvorrichtung ist für eine rotierende Welle verwendbar und ermöglicht eine genaue Messung der Verdrehung der Welle selbst wenn diese mit einer hohen Drehzahl rotiert. Damit ermöglicht die Erfindung beispielsweise die unmittelbare Verwendung einer Antriebsübertragungswelle für die Messung eines auf diese einwirkenden Drehmoments. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Torsionsmeßvorrichtung ohne die Verwendung von Kupplungen oder ähnlichen Übertragungseinrichtungen.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Welle zur Erläuterung der Ausrichtung von durch Einwirkung eines Drehmoments auf die Welle hervorgerufenen Zug- und Druckspannungen,

Fig. 2 und 3 schematisierte Seiten- bzw. Stirnansichten eines Abgriffsteils einer bekannten Torsionsmeßvorrichtung,

Fig. 4 eine teilweise im Schnitt dargestellte, schematisierte Seitenansicht eines Abgriffsteils einer Torsionsmeßvorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Seitenansicht zweier an der in Fig. 4 gezeigten Welle ausgebildeter Reihen einander entgegengesetzt geneigter Nuten,

Fig. 6 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht einer der in Fig. 5 dargestellten Nuten,

Fig. 8 ein Diagramm einer elektrischen Schaltung zum Messen einer Verdrehung unter Verwendung des in Fig. 4 gezeigten Abgriffsteils,

Fig. 9A und 9B grafische Darstellungen von Änderungen der Potentiale an zwei Verbindungspunkten der Schaltung nach Fig. 8 bei Verdrehung der Welle im Uhrzeiger- bzw. im Gegenzeigersinn,

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Potentialdifferenz zwischen den beiden vorstehend genannten Verbindungspunkten von der Richtung und Größe der Verdrehung,

Fig. 11 eine grafische Darstellung einer Ausgangscharakteristik einer Torsionsmeßvorrichtung gemäß einer Fig. 4 entsprechenden Ausführungsform,

Fig. 12 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Empfindlichkeit einer Torsionsmeßvorrichtung der in Fig. 4 gezeigten Art von der Frequenz einer an die Erregerspulen der Vorrichtung gelegten Wechselspannung,

Fig. 13 eine grafische Darstellung einer Ausgangscharakteristik einer herkömmlichen Torsionsmeßvorrichtung,

Fig. 14 eine schematisierte Darstellung einer örtlichen anisotropen Verteilung der magnetischen Permeabilität in einem Oberflächenbereich einer gewöhnlichen Welle,

Fig. 15 eine grafische Darstellung der Änderungen von Ausgangssignalen einer herkömmlichen Torsionsmeßvorrichtung während einer Umdrehung einer zu untersuchenden Welle,

Fig. 16 eine Seitenansicht einer Welle mit zwei Reihen von einander entgegengesetzt geneigten Rippen anstelle der in Fig. 5 gezeigten Nuten,

Fig. 17 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 17-17 in Fig. 16,

Fig. 18 eine vergrößerte Schnittansicht einer der in Fig. 16 gezeigten Rippen,

Fig. 19 eine Seitenansicht einer Welle mit einer abgewandelten Ausführung der Nuten gemäß Fig. 5,

Fig. 20 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 20-20 inFig. 19,

Fig. 21 eine vergrößerte Schnittansicht einer der in Fig. 19 gezeigten Nuten,

Fig. 22 eine teilweise im Schnitt dargestellte, schematisierte Seitenansicht eines Abgriffsteils einer Torsionsmeßvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 23 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Vorrichtung nach Fig. 22 von der Tiefe der in Fig. 22 gezeigten Spiralnuten,

Fig. 24 eine Seitenansicht eines Teils der in Fig. 22 dargestellten Welle,

Fig. 25 und 26 grafische Darstellungen der Abhängigkeit der Empfindlichkeit der in Fig. 22 gezeigten Torsionsmeßvorrichtung von der Breite der an der Welle ausgebildeten Spiralnuten bzw. -stege,

Fig. 27 bis 31B vereinfachte Darstellungen von den in Fig. 4 Dargestellten entsprechenden Nuten und Stegen zur Erläuterung ihrer Breite, Länge und gegenseitigen Abstände,

Fig. 32 bis 34 schematisierte, vergrößerte Schnittansichten von den in Fig. 22 Dargestellten entsprechenden Nuten und Stegen,

Fig. 35 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke einer an der Welle nach Fig. 22 ausgebildeten karburierten Schicht und dem Grad der Hysterese der Welle,

Fig. 36 eine vergrößerte Schnittansicht der vorstehend genannten karburierten Schicht,

Fig. 37 und 38 jeweils die Hauptelemente eines Abgriffsteils entsprechend Fig. 22 zur Darstellung ihrer relativen Breite,

Fig. 39 eine grafische Darstellung einer Ausgangscharakteristik einer Torsionsmeßvorrichtung der in Fig. 22 gezeigten Art bei andauernder Verdrehung der zu untersuchenden Welle um einen vorbestimmten Winkel und

Fig. 40 eine grafische Darstellung des Verlaufs von Ausgangssignalen der gleichen Vorrichtung bei einer Umdrehung der Welle.

Durch die Einwirkung eines in bezug auf den Querschnitt einer in Fig. 1 gezeigten zylindrischen Stange oder Welle 100 im Uhrzeigersinn gerichteten Drehmoments T entsteht eine in bezug auf die Längsachse C der Welle 100 in einem Winkel von ca. 45° nach rechts geneigt verlaufende Zugspannung +σ und eine in bezug auf die Axialrichtung in einem Winkel von ca. 45° nach links geneigt verlaufende Druckspannung -σ am Umfang der Welle 100. Bei einer Welle 100 aus einem magnetischen Werkstoff mit positiver Magnetostriktion bewirkt dies eine Erhöhung der magnetischen Permeabilität in Richtung der Zugspannung +σ und eine Verringerung derselben in Richtung der Druckspannung -σ.

Fig. 2 und 3 zeigen die Umrisse eines Abgriffsteils einer bekannten Torsionsmeßvorrichtung zum Messen eines auf die Welle 100 aus magnetischem Werkstoff einwirkenden Drehmoments. Zu dem Abgriffsteil gehört ein Joch 12 aus einem eine hohe Permeabilität aufweisenden Werkstoff, z. B. "Permalloy", welches nahe der zylindrischen Oberfläche der Welle angeordnet ist, so daß zwischen dieser und den magnetischen Polen des Jochs 12 jeweils ein enger Spalt 13 von einer vorbestimmten Breite verbleibt. Das Joch 12 trägt in einer diagonalen Anordnung ein Paar Erregerspulen 14 zum Erzeugen eines Magnetkreises, in welchem die Welle 100 ein Teil des Weges für den Magnetfluß darstellt, und ein Paar Sonderspulen 16. Zu der Torsionsmeßvorrichtung gehört ferner eine (nicht gezeigte) elektrische Schaltung, welche bei Ausübung eines beispielsweise im Uhrzeigersinn gerichteten Drehmoments auf die Welle eine Ausgangsspannung erzeugt, welche der Summe der durch die in bezug auf die Axialrichtung in einem Winkel von 45° nach rechts geneigt verlaufende Zugspannung +σ hervorgerufenen Erhöhung der Permeabilität und der durch die in bezug auf die Axialrichtung in einem Winkel von 45° nach links geneigt verlaufende Druckspannung hervorgerufenen Verringerung der Permeabilität entspricht. Eine Torsionsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet nach dem gleichen Prinzip.

Fig. 4 bis 7 zeigen das Abgriffteil einer Torsionsmeßvorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung. Das Abgriffsteil steht in Wirkbeziehung zu einer zylindrischen Welle 20, welche unter Einwirkung eines zu messenden Drehmoments steht. Die Welle 20 ist wenigstens in ihrem zylindrischen Oberflächenbereich aus einem magnetostriktive Eigenschaften aufweisenden magnetischen Werkstoff gefertigt, z. B. aus Kohlenstoffstahl oder einem legierten Stahl wie Ni-Cr-Mo-Stahl oder einer FE-13A1-Legierung Zum Abgriffteil gehört ein aus einem Werkstoff hoher Permeabilität gefertigtes zylindrisches Jocj 24, welches derart um die Welle 20 herum angeordnet ist, daß zwischen der Oberfläche der Welle und den Polen des Jochs schmale Spalte 25 von einer vorbestimmten Breite verbleiben. Das Joch 24 umschließt ein Paar Erregerspulen 26 A und 26 B.

Auf einem Abschnitt 20 a der Welle 20 ist in deren zylindrischer Oberfläche eine erste Reihe von Nuten 22 a ausgebildet, welche parallel zueinander in einem Winkel von 45° zur Längsachse C der Welle 20 verlaufen. Durch die Ausbildung der Nuten 22 A ist zwischen diesen eine entsprechende Anzahl von erhöhten Stegen 23 A auf dem Abschnitt 20 a der Welle 20 vorhanden, welche in demselben Winkel wie die Nuten 22 A geneigt verlaufen. In einem dem Abschnitt 20 a in geringem Axialabstand benachbarten Abschnitt 20 b der Welle 20 ist in der zylindrischen Oberfläche eine zweite Reihe von parallelen Nuten 22 B ausgebildet, welche in den ersten Nuten 22 A entgegengesetzter Richtung in einem Winkel von 45° zur Achse C der Welle 20 geneigt verlaufen. Zwischen den Nuten 22 B verbleibende Stege 23 B sind in demselben Winkel geneigt wie diese. Die erste und die zweite Reihe von Nuten 22 A bzw. 22 B sind somit in bezug auf eine Querschnittsebene der Welle 20 symmetrisch ausgebildet. Die im Joch 24 zur Linken angeordnete Erregerspule 26 A umgibt die erste Reihe der in der Welle 20 ausgebildeten Nuten 22 A, während die zur Rechten angeordnete Erregerspule 26 B die zweite Reihe der Nuten 22 B umgibt. Für die Messung einer Verdrehung der Welle 20 bzw. eines auf diese einwirkenden Drehmoments wird eine vorbestimmte Wechselspannung an die beiden Erregerspulen 26 A und 26 B gelegt.

Fig. 8 zeigt eine elektrische Schaltung zum Messen eines Drehmoments T unter Verwendung des in Fig. 4 bis 7 gezeigten Abgriffsteils. Die Schaltung umfaßt eine Brückenschaltung, welche aus den jeweils eine Induktivität L 1 bzw. L 2 darstellenden Erregerspulen 26 A und 26 B sowie aus zwei denselben Widerstandswert R aufweisenden Widerständen 30 A und 30 B zusammengesetzt ist. Für die Abgleichung ist ferner ein Regelwiderstand 32 vorhanden. Ein als Wechselspannungsquelle dienender Oszillator 34 ist mit den Verbindungspunkten A und C der Brückenschaltung verbunden, um die Erregerspulen 26 A und 26 B in der gleichen Richtung zu erregen und die Brückenschaltung mit einer konstanten Wechselspannung zu speisen, welche eine Amplitude V und eine Frequenz f hat. Bei Erregung der Erregerspulen 26 A und 26 B durch die Wechselspannung entstehen um jede Spule 26 A und 26 B herum Magnetkraftlinien mit einem Magnetfluß, welcher von der Welle 20 über einen Spalt 25 zum Joch 24 und über den anderen Spalt 25 zurück zur Welle 20 verläuft. Um die Empfindlichkeit der Torsionsmeßvorrichtung zu erhöhen, sind die beiden Erregerspulen 26 A und 26 B vorzugsweise so angeschlossen, daß die von ihnen erzeugten Magnetfelder gleichsinnig gerichtet sind.

Bei Ausübung eines wie in Fig. 4 dargestellt im Uhrzeigersinn gerichteten Drehmoments T auf die Welle 20 entfaltet die in der Welle 20 erzeugte Zugspannung +σ ihre größte Wirkung in den Stegen 23 B, da diese in der Richtung der Zugspannung verlaufen, während die Druckspannung -σ ihre größte Wirkung in den entgegengesetzt geneigt verlaufenden Stegen 23 A entfaltet. Bei einer Welle 20 aus einem magnetischen Werkstoff mit positiv magnetostriktiver Eigenschaft bewirkt die Zugspannung in den Stegen 23 B eine beträchtliche Erhöhung der Permeabilität, während die Druckspannung in den linksseitigen Stegen 23 A eine beträchliche Verringerung der Permeabilität zur Folge hat. Daraus ergibt sich eine Verringerung der Induktanz L 1 der Spule 26 A und eine entsprechende Vergrößerung der Induktanz der anderen Spule 26 B. Unter Einwirkung eines in bezug auf die Achse C im Gegenzeigersinn gerichteten Drehmoments tritt die umgekehrte Wirkung ein. Aufgrund derartiger Änderungen der Induktanzen L 1 und L 2 ist die in Fig. 8 gezeigte Brückenschaltung dann nicht mehr abgeglichen, so daß zwischen einander gegenüberliegenden Verbindungspunkten B und B′ eine Potentialdifferenz vorhanden ist, welche als Ausgangssignal für die Ermittlung des Drehmoments bzw. der Verdrehung verwendbar ist.

Die in den Gliedern ABC und AB′C der Brückenschaltung fließenden Ströme i 1 bzw. i 2 lassen sich durch die folgenden Gleichungen (1) bzw. (2) ausdrücken:

i 1 = V/[R ² + (2πfL 1)²]^1/2 (1)
i 2 = V/[R 2 + (2πfL 2)²]^1/2 (2).

Eine Vergrößerung oder Verminderung der Induktanz L 1 (oder L 2) bewirkt somit eine Verringerung bzw. Verstärkung des Stroms i 1 (oder i 2).

Das Potential V 1 an der Verbindungsstelle B und das Potential V 2 an der Verbindungsstelle B′ lassen sich durch die folgenden Gleichungen (3) bzw. (4) ausdrücken:

V 1 = i 1 · R (3)
V 2 = i 2 · R (4).

Die vorstehend erwähnte Potentialdifferenz Vd ist durch den folgenden Ausdruck definiert:

Vd = V 1 - V 2 (5).

Ein in Verbindung mit der in Fig. 8 gezeigten Brückenschaltung verwendeter Differentialverstärker 36 erzeugt an seinen Ausgängen 38, 38′ eine Ausgangsspannung, welche die Richtung und Größe des auf die Welle 20 einwirkenden Drehmoments T angibt. Fig. 9A zeigt die Änderung des Potentials V 1 am Verbindungspunkt B in Abhängigkeit von der Richtung und Größe eines auf die Welle 20 in Fig. 4 einwirkenden Drehmoments, während Fig. 9B entsprechende Änderungen des Potentials V 2 am Verbindungspunkt B′ darstellt. Fig. 10 zeigt die Änderungen der Potentialdifferenz Vd in Abhängigkeit von der Richtung und Größe des Drehmoments. Die Potentialdifferenz Vd, d. h. also das dem jeweiligen Drehmoment entsprechende Ausgangssignal der vorstehend beschriebenen Schaltung verläuft linear, bis die Spannungen in den geneigt verlaufenden Stegen 23 A, 23 B an der Welle 20 eine Größenordnung von 10^-4 unterschreiten.

Die gemäß der Erfindung an der Welle 20 ausgebildeten, geneigt verlaufenden Nuten 22 A, 22 B und Stege 23 A, 23 B dienen der Nutzbarmachung des sogenannten Skin-Effekts, welcher beim Eintritt einer elektromagnetischen Welle in einen magnetischen Werkstoff auftritt. Der Skin-Effekt ergibt sich aus der Eindringtiefe δ, welche durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt werden kann und das Eindringen der elektromagnetischen Welle bis zu einer Tiefe angibt, in welcher die Amplitude der Welle bis auf 1/e des Anfangswerts abgeklungen ist.

δ = 1/(π · µ · σ · f)^1/2 (6)

Darin ist µ die Permeabilität des magnetischen Werkstoffs und σ die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs.

Wie in Fig. 7 dargestellt, ist die Tiefe der in der Welle 20 ausgebildeten geneigten Nuten 22 A und 22 B größer als die Eindringstufe δ des Werkstoffs der Welle. Im allgemeinen ist eine Tiefe der Nuten 22 A, 22 B von ca. 0,5 bis 1,5 mm ausreichend, sofern die an die Erregerspulen 26 A und 26 B gelegte Wechselspannung eine ausreichend hohe Frequenz f hat. Beispielsweise bei der als Werkstoff für die Welle verwendbaren Fe-13A1-Legierung beträgt die Permeabilität µ 4 × 10^-5 H/m und die elektrische Leitfähigkeit σ ist gleich 10⁶ Ω^-1m^-1. Bei einer Eingangsfrequenz f von 10⁴ Hz ergibt sich dabei nach Gleichung (6) eine Eindringtiefe δ von ca. 0,6 mm. In diesem Falle ist die Tiefe der Nuten 22 A, 22 B vorzugsweise größer als 0,6 mm und beträgt bis zu 1,0 mm, um die Empfindlichkeit der Torsionsmeßvorrichtung zu verbessern. In der sich durch das von der jeweiligen Erregerspule 26 A und 26 B erzeugte magnetische Feld erstreckenden Welle 20 verteilt sich der Magnetfluß im wesentlichen nur in der Oberflächenschicht, deren Dicke ungefähr gleich der Eindringtiefe δ ist. Bei Nichtvorhandensein der Nuten 22 A, 22 B verläuft ein großer Teil des Magnetflusses parallel zur Längsachse C der Welle 20. Die geneigten Nuten 22 A und 22 B unterbrechen einen solchen axialen Verlauf des Magnetflusses und bewirken, daß ein großer Teil desselben entlang den zwischen den Nuten 22 A, 22 B gebildeten Stegen 23 A bzw. 23 B verläuft. Die geneigt verlaufenden Nuten 22 A, 22 B bilden somit einen magnetischen Widerstand und bewirken zusammen mit den Stegen 23 A, 23 B eine geometrische Anisotropie des Magnetismus. Dementsprechend bewirkt eine Verformung oder Verdrehung der Welle 20 unter dem Einfluß eines Drehmoments eine relativ große Änderung der Permeabilität in den beiden Abschnitten 20 a und 20 b der Welle 20. Da die Zug- und Druckspannungen in der Hauptsache einander entgegengesetzt in einem Winkel von jeweils 45° zur Längsachse der Welle gerichtet sind, ist eine optimale Erhöhung der Empfindlichkeit der Torsionsmeßvorrichtung dadurch erzielbar, daß man die Nuten 22 A und 22 B so ausbildet, daß sie einander entgegengesetzt jeweils in einem Winkel von 45° zur Achse der Welle verlaufen.

Dabei ist die Tatsache zu berücksichtigen, daß sich die Eindringtiefe δ mit abnehmender Eingangsfrequenz f vergrößert. Ist die Eingangsfrequenz f dabei so niedrig, daß die Eindringtiefe δ größer ist als die Tiefe der Nuten 22 A und 22 B, dann tritt eine beträchtliche Verschlechterung der Empfindlichkeit der Torsionsmeßvorrichtung ein, da dann ein größerer Teil des Magnetflusses in Längsrichtung der Welle verläuft. Bei Erhöhung der Frequenz f entsteht in der Welle ein Wirbelstrom, welcher in Radialrichtung der Welle eine solche Verteilung aufweist, daß er im Bereich der Achse am stärksten und an der zylindrischen Oberfläche gleich Null ist. Dementsprechend vermag die Magnetisierung an der Oberfläche der Welle Änderungen des äußeren Magnetfeldes zu folgen, während die Magnetisierung im inneren Bereich abgeschirmt ist. Der bevorzugte Bereich der Frequenz der an die Erregerspule 26 A und 26 B gelegten Wechselspannung liegt zwischen etwa 1 kHz und ca. 100 kHz. Bei Verwendung einer Spannung mit einer derart hohen Frequenz ist eine genügend hohe Empfindlichkeit bei niedriger Hysterese erzielbar. Fig. 11 zeigt die Ausgangscharakteristik der in Fig. 4 bis 8 dargestellten Torsionsmeßvorrichtung unter den vorstehend anhand von Fig. 7 erläuterten Bedingungen. Fig. 12 zeigt die Abhängigkeit dieser Vorrichtung von der Eingangsfrequenz f. Daraus ist ersichtlich, daß sich die Empfindlichkeit durch Erhöhung der Eingangsfrequenz f auf 10 kHz oder darüber beträchtlich steigern läßt, da dann der Skin-Effekt voll zur Wirkung kommt.

Fig. 13 zeigt die Ausgangscharakteristik der in Fig. 2 und 3 dargestellten bekannten Torsionsmeßvorrichtung, bei welcher die Welle 100 weder mit Nuten und Stegen noch mit irgendwelchen anderen Erhebungen versehen ist. In Fig. 13 ist zu erkennen, daß das Ausgangssignal der Torsionsmeßvorrichtung sich nicht auf Null einstellt, wenn die Welle 100 nicht unter Einwirkung eines Drehmoments steht. Die Ursachen hierfür liegen hauptsächlich in einer nicht ausreichend genauen Bearbeitung der Magnetpole des Jochs 12, in kleinen Unregelmäßigkeiten in der Anordnung der Erregerspulen 14 und Sondenspulen 16 und in örtlichen Ungleichmäßigkeiten der Permeabilität der Welle 100. Die Abweichung des Ausgangssignals von 0 mV in Abwesenheit eines Drehmoments erschwert die Messung von Drehmomenten kleiner Größenordnung. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei der bekannten Vorrichtung daraus, daß durch spanende Bearbeitung und/oder Wärmebehandlung der Welle 100 örtliche Spannungen in dieser hervorgerufen werden und zurückbleiben können. Derart zurückgebliebene Spannungen können zur Folge haben, daß sich der Magnetfluß ungleichmäßig in der Welle 100 verteilt. Dementsprechend ist dann auch die Permeabilität ungleichmäßig über den Umfang der Welle 100 verteilt, wie dies in Fig. 14 in schematisierter Form für verschiedene Drehwinkel der Welle dargestellt ist. Bei der Drehung einer solchen Welle ohne Belastung durch ein Drehmoment ergeben sich dann das in Fig. 15 dargestellte Ausgangssignal der Torsionsmeßvorrichtung. Die Ungleichmäßigkeit der Verteilung der Permeabilität verschwindet auch nicht, solange die Größe eines auf die Welle ausgeübten Drehmoments innerhalb eines üblichen Meßbereichs liegt. Selbst wenn also ein Drehmoment einer gegebenen Größenordnung auf die Welle ausgeübt wird, spiegelt das Ausgangssignal der Torsionsmeßvorrichtung das im unbelasteten Zustand der Welle erhaltene Meßergebnis wider und variiert in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle, wie in Fig. 15 zu erkennen.

In der in Fig. 4 bis 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die geneigt verlaufenden Nuten 22 A und 22 B gleichmäßig im wesentlichen über den gesamten Umfang der Welle verteilt, so daß durch das Drehmoment T hervorgerufene Änderungen der Permeabilität im wesentlichen am gesamten Umfang der Welle meßbar sind. Dementsprechend zeigt das Ausgangssignal der Torsionsmeßvorrichtung nur äußerst geringe Änderungen in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 20. Selbst bei temperaturabhängigen Änderungen der Permeabilität des Werkstoffs der Welle läßt sich der Nullpunkt des Ausgangssignals stabil halten, da die Nuten 22 A und 22 B der ersten bzw. der zweiten Reihe in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind, so daß für die Messung die Differenz der Änderungen der Permeabilität in den Abschnitten 20 a und 20 b der Welle 20 herangezogen werden kann.

Wie in Fig. 16 bis 18 dargestellt, können die geneigt verlaufenden Nuten 22 A, 22 B der in Fig.4 bis 8 dargestellten Ausführungsform durch zwei Reihen von parallel zueinander auf der zylindrischen Oberfläche der Welle 20 angebrachten Rippen 40 A und 40 B ersetzt werden. Die Rippen 40 A und 40 B verlaufen geneigt und sind im wesentlichen in der gleichen Weise angeordnet wie die Nuten 22 A bzw. 22 B in Fig. 4 bis 6. Die Rippen 40 A, 40 B sind aus einem nicht magnetischen und vorzugsweise elektrisch hoch leitfähigen Werkstoff, z. B. aus Kupfer. Die Rippen 40 A, 40 B sind sehr dünn und können durch ein galvanisches Verfahren auf der Welle 20 aufgebracht sein. Dabei ist jedoch sowohl die Dicke als auch die Breite der einzelnen Rippen 40 A, 40 B größer als die Eindringtiefe δ des Werkstoffs der Welle. Der Ersatz der Nuten 22 A, 22 B durch die nicht magnetischen Rippen 40 A bzw. 40 B erfordert keinerlei Änderung in der Anordnung des Jochs 24 und der Erregerspulen 26 A, 26 B wie in Fig. 4 dargestellt. Die nicht magnetischen Rippen 40 A, 40 B verhindern, daß ein großer Teil des Magnetflusses in der eine der Eindringtiefe δ etwa gleiche Stärke aufweisenden Oberflächenschicht der Welle 20 parallel zur Achse der Welle verläuft, und bewirken, daß ein großer Teil des Magnetflusses parallel zu den Rippen 40 A, 40 B entlang den sich zwischen diesen erstreckenden Bereichen 41 A bzw. 41 B verläuft. Dies ermöglicht die Messung eines auf die Welle 20 einwirkenden Drehmoments mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit unter Ausnutzung der vorstehend anhand von Fig. 4 bis 8 erläuterten Effekte.

In einer in Fig. 19 bis 21 dargestellten Ausführungsform sind die in Fig. 4 bis 7 gezeigten Nuten 22 A, 22 B mit einem nicht magnetischen und vorzugsweise elektrisch hochleitfähigen Werkstoff 44, z. B. Kupfer, ausgefüllt, dessen Oberfläche im wesentlichen bündig mit der zylindrischen Umfangsfläche der Welle verläuft. Das Einbringen der nicht magnetischen Füllungen 44 bewirkt eine weitere Verkleinerung der parallel zur Achse der Welle 20 verlaufenden Komponente des Magnetflusses und eine entsprechende Verstärkung der parallel zu den Nuten 22 A, 22 A, 22 B in den Stegen 23 A bzw. 23 B verlaufenden Komponente des Magnetflusses, und damit eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit für die Messung eines Drehmoments.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 22. Diese unterscheidet sich von der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform allein durch die Gestaltung der in den beiden Abschnitten 20 a und 20 b der Welle 20 ausgebildeten Nuten und Stege. Im Abschnitt 20 a der Welle 20 ist hier in der Oberfläche derselben eine Reihe zueinander paralleler Spiralnuten 46 A ausgebildet, welche in bezug auf die Längsachse der Welle 20 eine Steigung von 45° haben. Durch die Auusbildung der Spiralnuten 46 A ergibt sich die Ausbildung von in der gleichen Richtung verlaufenden, parallelen Stegen 48 A. In dem zur Rechten liegenden Abschnitt 20 b ist in der Umfangsfläche der Welle 20 eine Reihe von zueinander parallelen Spiralnuten 46 B ausgebildet, welche in bezug auf die Längsachse der Welle 20 eine derjenigen der Spiralnuten 46 A entgegengesetzte Steigung von 45° haben, und zwischen denen zueinander parallele Stege 48 B in derselben Richtung verlaufen. Die Erweiterung der in Fig. 4 gezeigten, relativ kurzen und im wesentlichen linearen Nuten 22 A, 22 B zu den Spiralnuten 46 A bzw. 46 B erfordert keine wesentliche Änderung in der Anordnung des zylindrischen Jochs 24 und der Erregerspulen 26 A, 26 B.

Das Drehmoment-Abgriffsteil nach Fig. 22 arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das in Fig. 4 Gezeigte und bietet dieselben Vorteile, wobei jedoch die Spiralnuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B im Hinblick auf die Ausschaltung ungünstiger Einflüsse einr ungleichmäßigen Verteilung der Permeabilität in der Welle 20 noch wirksamer sind.

Die Tiefe der Nuten 46 A, 46 B bzw. der Höhenunterschied zwischen den Stegen 48 A, 48 B und den Nuten 46 A, 46 B dürfte gewöhnlich mit etwa 0,5 bis ca. 1,5 mm ausreichend sein, sofern die an die Erregerspulen 26 A, 26 B gelegte Wechselspannung eine genügend hohe Frequenz hat. Damit ist jedoch keine Begrenzung beabsichtigt. Je nach dem Einfluß des vorstehend erwähnten Wirbelstroms kann die Tiefe der Nuten 46 A, 46 B auch weniger als 0,5 mm oder mehr als 1,5 mm betragen. Eine Verringerung der Tiefe der Nuten auf weniger als 0,1 mm ist jedoch wegen der sich dabei ergebenden Herabsetzung der Meßempfindlichkeit nicht wünschenswert, wie in Fig. 23 dargestellte Versuchsergebnisse zu erkennen geben. Auf der anderen Seite läßt sich die Empfindlichkeit zwar durch eine Vergrößerung der Tiefe der Nuten 46 A, 46 B steigern, dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß dies einen erhöhten Aufwand bei der Bearbeitung der Welle erfordert und daß übermäßig tiefe Nuten die Festigkeit der Welle und damit ihre Brauchbarkeit als Maschinenelement ungünstig beeinflussen.

Die Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B können beliebig breit sein, soweit dies zum Hervorbringen der angestrebten geometrischen Anisotropie des Magnetismus zuträglich ist. In dem in Fig. 22 gezeigten Beispiel haben die Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B jeweils die gleiche Breite W von beispielsweise 2 mm. Die Nuten 46 A, 46 B und die Stege 48 A, 48 B können jedoch gegebenenfalls auch verschieden breit sein. In einem in Fig. 24 dargestellten Extremfall haben einander abwechselnd benachbarte Nuten 46 A (46 B) und Stege 48 A (48 B) ungleichmäßig verschiedene Breiten W 1, W 2, W 3, W 4 bzw. W 5. Fig. 25 zeigt das Ergebnis einer Untersuchung betreffend die Abhängigkeit der Drehmoment-Meßempfindlichkeit von der Breite der Nuten 46 A, 46 B. Es ist zu erkennen, daß sich die Meßempfindlichkeit mit zunehmender Breite der Nuten erhöht. Fig. 26 zeigt das Ergebnis einer Untersuchung betreffend den Einfluß der Breite der Stege 48 A, 48 B auf die Drehmoment-Meßempfindlichkeit. Daraus ist zu erkennen, daß die Breite der Stege die Empfindlichkeit nur solange beeinflußt, als sie unterhalb eines ziemlich niedrigen Wertes liegt. Die in Fig. 25 und 26 aufgezeigten Beziehungen erlauben die Bestimmung einer geeigneten Breite der Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B in Abstimmung auf den Durchmesser der Welle 20. In den meisten Fällen ist diese Breite größer als etwa 1 mm, bei sehr dünnen Wellen kann die Mindestbreite jedoch auch etwa 0,1 mm betragen.

In der in Fig. 22 gezeigten Ausführungsform ist die Länge der einzelnen Spiralnuten 46 A, 46 B jeweils beträchtlich größer als ihre Breite. Unter Einbeziehung der relativ kurzen Nuten 22 A, 22 B der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind im folgenden die Beziehungen zwischen Länge und Breite der einzelnen Nuten anhand der vereinfachten Darstellungen in Fig. 27 bis 29 erläutert. In Fig. 27 ist die Länge L der einzelnen Nuten 22 A, 22 B gleich der Breite W derselben. Dementsprechend ist der Querabstand R zwischen benachbarten Nuten 22 A einer Reihe gleich dem Längsabstand S. Bei einer solchen Ausgestaltung der Nuten läßt sich eine geometrische Anisotropie des Magnetismus entlang den Nuten nicht hervorbringen. Um die angestrebte geometrische Anisotropie des Magnetismus hervorbringen zu können, muß die Länge L jeder Nut 22 A, 22 B größer als ihre Breite W sein, wie in Fig. 28A sowie in Fig. 4 und 22 dargestellt, oder auch kleiner als die Breite W, wie Fig. 28B zeigt. Ist ferner der Abstand P zwischen benachbarten Nuten 22 A oder 22 B einer Reihe in Umfangsrichtung der Welle 20 größer als Null, wie in Fig. 29 dargestellt, dann ist die durch die Nuten 22 A oder 22 B hervorgebrachte geometrische Anisotropie des Magnetismus ungenügend, selbst wenn die Länge L jeder Nut von der Breite W derselben verschieden ist, da es ein solcher Abstand P ermöglicht, daß der Magnetfluß parallel zur Längsachse der Welle 20 verläuft. Der Umfangsabstand P zwischen benachbarten Nuten einer Reihe ist deshalb vorzugsweise nicht größer als Null. Dies bedeutet, daß die Nuten jeder Reihe vorzugsweise so angeordnet sind, daß eine parallel zur Längsachse der Welle auf der Umfangsfläche derselben verlaufende Gerade in jedem Abschnitt 22 a und 22 b wenigstens eine Nut und vorzugsweise wenigstens zwei Nuten überschneidet, wie dies bei der Anordnung der Nuten 46 A, 46 B in der Ausführungsform nach Fig. 22 der Fall ist.

Die vereinfachten Darstellungen in Fig. 30, 31A und 31B dienen der Erläuterung der Beziehungen zwischen der Länge L und der Breite B der Stege 23 A, 23 B in Fig. 4. Ist die Länge L gleich der Breite W, wie in Fig. 30 dargestellt, dann ist der Querabstand R′ zwischen zwei benachbarten Stegen 23 A oder 23 B einer Reihe gleich dem Längsabstand S′. Mit einer solchen Ausgestaltung der Stege läßt sich die angestrebte geometrische Anisotropie des Magnetismus nicht erzielen. Deshalb muß die Länge L der einzelnen Stege 23 A, 23 B größer sein als ihre Breite W, wie in Fig. 31A sowie in Fig. 4 und 22 dargestellt, oder aber kleiner als die Breite W, wie in Fig. 31B zu erkennen.

Wie man in Fig. 32 erkennt, sind die Kanten und Ecken der Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B der Ausführungsform nach Fig. 22 (und die entsprechenden Bereiche der Ausführungsform nach Fig. 4) vorzugsweise gerundet, um die Bearbeitung zu erleichtern und einer Kerbwirkung vorzubeugen. Die Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B können auch, wie in Fig. 33 dargestellt, eine vollständig gerundete Form erhalten, um einem durch Kerbwirkung hervorgerufenen Bruch der Welle vorzubeugen und die Bearbeitung noch weiter zu erleichtern.

Die Bearbeitung der Welle 20 zur Ausbildung der Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B oder der Nuten und Stege der Ausführungsform nach Fig. 4 kann nach herkömmlichen Verfahren erfolgen, z. B. durch mechanisches Zerspanen oder elektrische Funkenerosion. Eine spanlose Bearbeitung ist ebenfalls möglich, wobei Walzen den Vorzug verdient, da das durch Walzen hervorgerufene plastische Fließen des Werkstoffs der Welle eine Ausrichtung des Kristallgefüges bewirkt und dadurch die magnetische Anisotropie verstärkt. Bei der Bearbeitung durch Walzen können die Spiralnuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B die in Fig. 34 dargestellte Querschnittsform erhalten.

Nach der Bearbeitung zur Ausbildung der Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B wird die Welle 20 vorzugsweise wenigstens einer Art einer Wärmebehandlung unterworfen, z. B. karburiert, einsatzgehärtet und/oder getempert. Eine solche Wärmebehandlung dient dazu, die Festigkeit der Welle 20 zu erhöhen und die magnetischen Eigenschaften der Welle zu stabilisieren. Insbesondere des Karburieren der Welle 20 bewirkt eine Verringerung der Hysterese, wie aus einem in Fig. 35 dargestellten Untersuchungsergebnis hervorgeht. Beim Karburisieren wird die Behandlungstiefe zweckmäßig auf etwa 0,1 bis 1,5 mm eingestellt. Eine Einstellung der Behandlungstiefe beim Karburisieren auf weniger als 0,1 mm ist nur schwer bewerkstelligbar. Außerdem beträgt die Hysterese bei einer nur bis zu einer derart geringen Tiefe karburierten Welle bis zu 15 bis 20%. Dies bedeutet, daß ein solch flaches Karburieren im Hinblick auf die Auswirkung auf die Hysterese einem einfachen Einsatzhärten oder Tempern gleichzustellen ist. Andererseits ist das Karburieren zu einer Tiefe von mehr als 1,5 mm unwirtschaftlich, da es sehr lange Zeit beansprucht und keine weitere nennenswerte Verringerung der Hysterese erbringt. Wie in Fig. 36 dargestellt, wird die Welle 20 vorzugsweise bis zu einer solchen Tiefe karburiert, daß die karburierte Schicht 50 in den Stegen 48 A, 48 B jeweils wenigstens 10% der Querschnittsfläche des Stegs einnimmt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß das Verhältnis zwischen der Dicke T der karburierten Schicht 50 zur Gesamthöhe jedes Steges 46 A, 46 B vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 ist. Bei einer geringeren Tiefe der karburierten Schicht 20 bleibt die Hysterese der karburierten Welle 20 noch immer größer als 15%.

Bei der in Fig. 22 gezeigten Vorrichtung ist die Länge jeder Erregerspule 26 A, 26 B in Längsrichtung der Welle 20 ungefähr gleich der Länge des jeweiligen mit Nuten versehenen Abschnitts 20 a bzw. 20 b der Welle 20. Dies stellt den Idealfall dar. In der Praxis bewirken jedoch geringfügige Längsversetzungen der Spulen 26 A, 26 B durch Ungenauigkeiten bei der Montage der Vorrichtung eine Verschiebung des Nullpunkts des Ausgangssignals. Aus diesem Grunde verdient die in Fig. 37 gezeigte Anordnung den Vorzug. Die Länge z der beiden mit Nuten versehenen Abschnitte 20 a, 20 b ist hier größer als die Länge x der jeweiligen Erregerspule 26 A bzw. 26 B, und vorzugsweise auch größer als die Länge y des Jochs 24 der jeweiligen 26 A bzw. 26 B. Bei einer solchen Anordnung zeigt das Ausgangssignal der Torsionsmeßvorrichtung keine Abweichung des Nullpunkts, selbst wenn sich bei der Ausrichtung der jeweiligen Spulen 26 A, 26 B um die Nuten 46 A bzw. 46 B und Stegen 48 A bzw. 48 B versehenen Abschnitte herum ein geringfügiger Fehler einstellt. Als Alternative bietet sich die in Fig. 38 dargestellte Anordnung an. Hier ist die Länge z der beiden mit Nuten versehenen Abschnitte 20 a, 20 b kleiner als die Länge x der jeweiligen Spule 26 A bzw. 26 B. Im Hinblick auf die Torsionsmeßempfindlichkeit ist es aber zweckmäßig, wenn die Länge z der mit den Nuten 46 A, 46 B und Stegen 48 A, 48 B versehenen Abschnitte größer ist als die Länge y des Jochs 24 der jeweiligen Spule 26 A bzw. 26 B, da ein vergrößerter Oberflächenbereich der Welle 20 dazu beiträgt, die geometrische Anisotropie des Magnetismus herbeizuführen.

In den in Fig. 4 und 22 gezeigten Ausführungsbeispielen dient das jeweils dort vorgesehene Joch 24 dazu, die Empfindlichkeit der Vorrichtung durch Bündelung der Kraftlinien des Magnetfelds zu verbessern. Je nach der Stärke des Erregerstroms kann das Joch 24 jedoch auch weggelassen werden.

Anstelle der Verwendung der in Fig. 8 gezeigten elektrischen Schaltung ist es auch möglich, ein Paar Sondenspulen zu verwenden, welche durch Messung von durch Änderungen des Magnetflusses in der Welle hervorgerufenen Änderungen der elektromotorischen Kraft ein der Größe des Drehmoments entsprechendes Ausgangssignal erzeugen.

Beispiel

Untersucht wurde eine Torsionsmeßvorrichtung mit einem Abgriffsteil der in Fig. 22 gezeigten Art und einer elektrischen Schaltung nach Fig. 8.

Als Welle 20 diente eine einen Durchmesser von 20 mm aufweisende zylindrische Stange aus Nickel-Chrom-Molybdänstahl (SNCM 420 gemäß JIS). Die Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B verliefen in Schraubenlinien oder Spiralform wie in Fig. 22 dargestellt. Die Tiefe der Nuten 46 A, 46 B gegenüber der angrenzenden Stegoberfläche betrug 1 mm. Die Nuten 46 A, 46 B und Stege 48 A, 48 B jedes Abschnitts verliefen in einem Winkel von 45° zur Längsachse der Welle 20 geneigt. In Längsrichtung der Welle betrug die Länge LA jedes mit den Nuten versehenen Abschnitts 20 a, 20 b 10 mm, und der Abstand D zwischen den Abschnitten 20 a, 20 b betrug 5 mm. Die Breite der Nuten 46 A, 46 B sowie der Stege 48 A, 48 B betrug jeweils 2 mm. Die mit den Nuten versehene Welle 20 wurde durch Wärmebehandlung karburiert. Die Tiefe der karburierten Schicht betrug etwa 0,9 mm unter Zugrundelegung einer Vickers-Härte (Hv) von 550. Für die Messung des Drehmoments verwendbare magnetische Effekte traten deshalb nahezu ausschließlich in der karburierten Schicht in Erscheinung.

Die Wicklung der Erregerspulen 26 A, 26 B bestand jeweils aus vierundvierzig Windungen eines 0,6 mm starken Kupferdrahts, und die Spalte 25 zwischen der Welle 20 und den Spulen 26 A, 26 B mit dem jeweiligen Joch 24 hatten eine Breite von 1 mm. Die Wicklungen der beiden Spulen 26 A, 26 B waren so angeschlossen, daß die von ihnen erzeugten Magnetfelder gleichsinnig ausgerichtet waren. Die in bezug auf die mit den Nuten versehenen Abschnitte 20 a, 20 b der Welle 20 gleichsinnige Ausrichtung der durch die Erregerspulen 26 A bzw. 26 B erzeugten Magnetfelder erfolgte mit dem Ziel einer Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit. Für die Messung eines auf die Welle 20 ausgeübten Drehmoments T wurde unter Verwendung des in Fig. 8 gezeigten Oszillators 34 eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 30 kHz an die Spulen 26 A, 26 B gelegt.

Bei Arretierung der Welle 20 in einem gegebenen Drehwinkel zeigte die Torsionsmeßvorrichtung die in Fig. 39 dargestellte Ausgangscharakteristik. Zunächst wurde das Ausgangssignal im unbelasteten Zustand der Welle durch Abgleichen der Brückenschaltung nach Fig. 8 mittels des Regelwiderstands 32 auf 0 mV eingestellt. Im Anschluß daran war keine Änderung des Nullpunkts zu beobachten. Bei Drehung der Welle 20 um ihre Längsachse zeigte die Torsionsmeßvorrichtung die in Fig. 40 dargestellte Ausgangscharakteristik. Wie man in dieser Figur erkennt, war bei einer vollen Umdrehung der Welle 20 keine Änderung des Nullpunkts zu beobachten, und die Beziehung zwischen der Größe des Drehmoments und der Spannung des Ausgangssignals wurde nicht im geringsten vom jeweiligen Drehwinkel der Welle 20 beeinflußt.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen eines auf eine wenigstens in einem Oberflächenbereich aus einem magnetischen Werkstoff gefertigte Welle ausgeübten Drehmoments,
gekennzeichnet durch eine zunächst der Welle (20) angeordnete Erregerspule (26 A) zum Erzeugen eines Magnetkreises, in welchem der Magnetfluß durch einen ausgewählten Abschnitt (20 a) der Welle verläuft,
durch eine Spüreinrichtung (Fig. 8) zum Erfassen einer durch ein auf die Welle ausgeübtes Drehmoment hervorgerufenen magnetostriktiven Änderung in dem gewählten Abschnitt der Welle, und
durch einstückig mit der Welle ausgebildete Einrichtungen (22 A, 23 A; 40 A, 41 A; 46 A, 48 A) zur Ausrichtung des Magnetflusses durch Unterteilung der Oberfläche der Welle in eine Reihe von länglichen und zueinander parallelen Bereichen, welche in bezug auf die Oberfläche der Welle in unterschiedlicher Höhe in einem vorbestimmten Winkel zur Längsachse der Welle verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Winkel etwa 45° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen und zueinander parallelen Bereiche (22 A, 23 A; 40 A, 41 A; 46 A, 48 A) derart angeordnet sind, daß eine parallel zur Längsachse der Welle an die Oberfläche des Abschnitts (20 a) der Welle gelegte Gerade die Einrichtungen zur Ausrichtung des Magnetflusses überschneidet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere zunächst der Welle (20) angeordnete Erregerspule (26 B) zum Erzeugen eines Magnetkreises, in welchem der Magnetfluß durch einen anderen Abschnitt (20 b) der Welle verläuft, und durch weitere einstückig mit der Welle ausgebildete Einrichtungen (22 B, 23 B; 40 B, 41 B; 46 B, 48 B) zur Ausrichtung des Magnetflusses durch Unterteilung der Oberfläche des betreffenden Abschnitts der Welle in eine weitere Reihe von länglichen und zueinander parallelen Bereichen, welche in bezug auf die Oberfläche der Welle in unterschiedlicher Höhe und in den entsprechenden Bereichen der einen Reihe entgegengesetzter Richtung in einem vorbestimmten Winkel zur Längsachse der Welle verlaufen, wobei die Spüreinrichtung (Fig. 8) eine Einrichtung zum Erfassen einer durch das Drehmoment in dem anderen Abschnitt der Welle hervorgerufenen magnetostriktiven Änderung umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen und zueinander parallelen Bereiche des einen ausgewählten Abschnitts (20 a) und die betreffenden Bereiche des anderen Abschnitts (20 b) in bezug auf eine Querschnittsebene der Welle (20) im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltungsanordnung (Fig. 8) mit einer Wechselspannungs-Brückenschaltung, in welcher die eine Erregerspule (26 A) und die andere Erregerspule (26 B) zwei benachbarte Seiten bilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ausrichtung des Magnetflusses eine Reihe von in der Oberfläche des gewählten Abschnitts (20 a, 20 b) der Welle (20) ausgebildeten, länglichen und zueinander parallelen Nuten (22, 46) aufweisen, welche unter dem vorbestimmten Winkel geneigt verlaufen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ausrichtung des Magnetflusses eine Reihe von zueinander parallelen Stegen (23, 48) aufweisen, welche jeweils durch zwei benachbarte Nuten (22, 46) begrenzt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten mit einem nicht magnetischen Werkstoff (44) ausgefüllt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht magnetische Werkstoff (44) ein elektrisch leitender Werkstoff ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 46) derart geformt und angeordnet sind, daß eine parallel zur Längsachse der Welle (20) an die Oberfläche des betreffenden Abschnitts (20 a, 20 b) der Welle gelegte Gerade wenigstens eine der Nuten schneidet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (46) entlang Schraubenlinien bzw. spiralförmig verlaufen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (50) der Welle (20) nach Ausbildung der Nuten (22, 46) wenigstens in dem gewählten Abschnitt (20 a, 20 b) karburiert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner gekennzeichnet durch eine weitere zunächst der Welle (20) angeordnete Erregerspule (26 B) zum Erzeugen eines Magnetkreises, in welchem der Magnetfluß durch einen anderen Abschnitt (20 b) der Welle verläuft, und durch eine in dem anderen Abschnitt ausgebildete weitere Reihe von Nuten (22 B, 46 B), welche in den Nuten der einen Reihe entgegengesetzter Richtung in dem vorbestimmten Winkel zur Längsachse der Welle verlaufen, wobei die Spüreinrichtungen (Fig. 8) eine Einrichtung zum Erfassen einer durch das Drehmoment in dem anderen Abschnitt der Welle hervorgerufenen magnetostriktiven Änderung umfassen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem gewählten Abschnitt (20 a) ausgebildete Reihe von Nuten (22 A, 46 A) und die in dem anderen Abschnitt (20 b) ausgebildete Reihe von Nuten (22 B, 46 B) in bezug auf eine Querschnittsebene der Welle (20) im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (46 A) in dem gewählten Abschnitt (20 a) und die Nuten (46 B) in dem anderen Abschnitt (20 b) jeweils entlang Schraubenlinien bzw. spiralförmig verlaufen, so daß jeweils zwei benachbarte Nuten parallel zueinander entlang Schraubenlinien bzw. spiralförmig verlaufende Stege (48 A bzw. 48 B) begrenzen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung der Welle (20) gemessene Länge (z) des ausgewählten Abschnitts (20 a) und des anderen Abschnitts (20 b) der Welle größer ist als die in Längsrichtung der Welle gemessene Länge (x) der jeweils zugeordneten Erregerspule (26 A bzw. 26 B).

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ausrichtung des Magnetflusses eine Reihe von auf der Oberfläche der Welle (20) angeordneten länglichen und zueinander parallelen Erhebungen (40 A) aufweisen, welche unter dem vorbestimmten Winkel geneigt verlaufen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (40 A) aus einem nicht magnetischen Werkstoff gebildet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht magnetische Werkstoff ein elektrisch leitendes Metall ist und daß die Erhebungen (40 A) als plattierte Schichten ausgebildet sind.