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Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor zum
Erfassen des Drehmoments einer drehenden Welle,
insbesondere einen Sensor, der zum Messen des Drehmoments einer
Antriebswelle, Lenkwelle oder anderen drehenden Welle eines
Kraftfahrzeugs oder dergleichen geeignet ist.
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Der Drehmomentsensor des indirekten Typs, der das
Drehmoment einer Welle durch Erfassen des
Verdrehungsbetrags darin mißt, kann ein statischen Drehmoment nicht
messen. Wegen dieser Unzulänglichkeit wurden kürzlich eine
Anzahl von Drehmomentsensoren des direkten Typs eingeführt,
die aufgrund von Prinzipien wie zum Beispiel der
Magnetostriktion arbeiten. Als ein Beispiel eines solchen
Drehmomentsensors kann das in der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 57(1982)-211030 beschriebene erwähnt werden, in
dem auf eine Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll,
ein bandartiger magnetostriktiver Streifen gewickelt ist.
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Die Struktur des aus dieser Publikation bekannten
Drehmomentsensors erfordert, daß das magnetostriktive Teil
direkt auf der Welle, deren Drehmoment gemessen werden
soll, befestigt werden muß, so daß die Welle selbst eine
Komponente des Drehmomentsensors wird. Dies ist aus
verschiedenen Gründen nachteilig. Erstens ist es während
der Herstellung des Drehmomentsensors allgemein
erforderlich, das magnetostriktive Teil auf einer Welle
beträchtlicher Länge, wie etwa einer Kraftfahrzeugsantriebswelle,
anzubringen, was mit hoher Positionierungsgenauigkeit nur
schwierig durchzuführen ist. Nachdem das magnetostriktive
Teil an der Welle befestigt wurde und bis zu der Zeit, zu
der die Welle in dem Fahrzeug angebracht wird, was
allgemein spät in dem Montageprozess der Fall ist, muß man
dann beim Transportieren und Aufbewahren der das
magnetostriktive Teil tragenden Welle allgemein sehr sorgfältig
sein, um das Teil vor Beschädigung und Anhaften von Staub
oder dergleichen zu schützen. Das Erfordernis dieser
Vorsichtsmaßnahmen verkompliziert den gesamten Prozess der
Anbringung der Welle sehr.
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Weil die Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll,
als eine Komponente des Sensors einbezogen ist, kann
darüberhinaus der Sensor nicht komplettiert werden, ohne
die anderen Komponenten an der Welle anzubringen. Als
Ergebnis ist es unmöglich, den Spalt zwischen dem
magnetostriktiven Teil und den zugeordneten Spulen einzustellen,
bis der Zusammenbau durchgeführt wird. Ein anderer Nachteil
ergibt sich aus der Tatsache, daß die Antriebswellen und
andere derartige Kraftfahrzeugteile nur eine angemessene
Festigkeit, jedoch keine hohe Dimensionspräzision
erfordern. Man muß daher eine spezielle, separate
Einstelleinrichtung zum Einstellen des Spalts verwenden, was zu
weiteren Nachteilen bezüglich Materialdisposition,
Funktionskontrolle, Wartung und dergleichen führt.
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Aus dem europäischen Patent 0144803 ist eine
Drehmomentmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriff des
Anspruchs 1 bekannt, umfassend ein Paar entgegengesetzt
drehender Elemente, die mit ihren Enden an der Welle
angebracht sind. Ein Meßsystem erfasst die relative
Position der entgegengesetzt drehenden Elemente zur
Bestimmung des Drehmoments.
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Aus der JP 61-137036 ist ein Lenkkraftdetektor
bekannt, der eine Kraft an einer Welle erfasst, die in eine
Eingangswelle und eine Ausgangswelle unterteilt ist.
Zwischen den zwei Wellenteilen ist ein
Magnetostriktionszylinder angeordnet und ein magnetisches Erfassungsmittel
erfasst Änderungen der magnetischen Charakteristiken des
Zylinders.
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In Hinblick auf die zuvor genannten Nachteile der
herkömmlichen Drehmomentsensoen ist es ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentsensor aufzuzeigen, der
als eine von der Welle, deren Drehmoment gemessen werden
soll, getrennte, unabhängige Einheit ausgebildet ist und in
den die Welle nicht als eine Komponente des
Drehmomentsensors
einbezogen ist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es,
einen Drehmomentsensor aufzuzeigen, in dem ein magnetisches
Element wie etwa ein magnetostriktiver amorpher Film an
einem Teil befestigt ist, welches durch ein Gehäuse
abgedeckt ist, um den Film beim Transport, bei der Lagerung
und beim Zusammenbau zu schützen, wobei keine spezielle
Einstelleinrichtung erforderlich ist, um den Spalt oder den
Abstand zwischen dem Film und den Erfassungsspulen auf
einem vorbestimmten Wert zu halten, und wobei die
Erfassungsgenauigkeit verbessert wird.
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Um diese Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende
Erfindung einen Drehmomentsensor zum Messen eines an eine
Welle angelegten Drehmoments vor, umfassend: ein
rohrförmiges Teil zum Kuppeln an eine Welle, deren Drehmoment
gemessen werden soll, wobei die Welle in eine erste
Wellenhälfte und eine zweite Wellenhälfte geteilt ist; ein an dem
rohrförmigen Teil befestigtes magnetisches Element; ein
Einfassungteil, das um das rohrförmige Teil herum
unabhängig von der Wellendrehung angeordnet ist und
wenigstens einen Abschnitt des rohrförmigen Teils, an dem das
magnetische Element befestigt ist, aufnimint; und ein
Erfassungsmittel, das an einer Innenwand des Einfassungsteils
angeordnet ist, um die Änderungen magnetischer
Charakteristiken des magnetischen Elements zum Messen des daran
angelegten Drehmoments zu erfassen; dadurch gekennzeichnet,
daß ein Flanschvorsprung vorgesehen ist und daß das
rohrförmige Teil ein offenes Ende aufweist, um darin die erste
Wellenhälfte kuppelnd aufzunehmen, und ein Flanschende zum
Kuppeln mit dem Flanschvorsprung, der die zweite
Wellenhälfte kuppelnd aufnimmt, so daß das rohrförmige Teil verdreht
wird, wenn die dersten und zweiten Wellenhälften relativ
zueinander drehen.
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines Beispiels
davon unter Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich.
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Fig. 1 zeigt eine axiale Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen Drehmomentsensors, angebracht an einer
Welle, deren Drehmoemt gernessen werden soll;
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Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht davon entlang der Linie
II-II in Fig. 1;
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Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf ein Gehäuse des in Fig. 1
gezeigten Drehmomentsensors;
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Fig. 4 zeigt in einer erläuternden Perspektivansicht, wie man
den Drehmomentsensor an der Welle, deren Drehmoment
gemessen werden soll, anbringt; und
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Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm, das den Erfassungsbetrieb
des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors darstellt.
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Zum Anfang wird unter Bezug auf die Figuren 1 bis
einschließlich 5 ein erfindungsgemäßer Drehmomentsensor
beschrieben.
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In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Hälfte
einer Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll und die
an geeigneter Stelle in zwei Hälften unterteilt ist. Die
Welle hat ein beträchtliche Länge und ist beispielsweise
eine Antriebswelle für ein Kraftfahrzeug. Die Wellenhälfte
10 nimmt in ihrem Durchmesser zu ihrem Ende 14 hin
stufenweise ab und an einem Abschnitt unmittelbar vor dem Ende
ist an ihrer Oberfläche eine Anzahl Nuten integral geformt,
um eine Keilnutabschnitt 12 zu bilden. Das Wellenende 14
ist mit einem Gewindeabschnitt 16 gebildet. Das
Bezugszeichen 18 zeigt allgemein eine Flanschkupplungshälfte, die
der anderen Kupplungshälfte 24 zugeordnet ist. Die
Kupplungshälfte 18 hat einen Vorsprung 20, der wie
dargestellt extrem verlängert ist und in seinem Loch mit
Keilnuten 22 versehen ist, um die außenkeilgenutete
Wellenhälfte 10 hierdurch aufzunehmen. Das Gewindeende 14 der den
Vorsprung durchdringenden Wellenhälfte ist mittels einer
Mutter 24 verschraubt und dort gesichert. Es wird
angemerkt, daß die zwischen den an der Welle und dem
Vorsprungsloch gebildeten Innen- und Außenkeilnuten 12,22
zulässige Toleranz bei der Maschinenbearbeitung auf dem
absoluten Minimum gehalten werden sollte, so daß die
keilgenutete
Welle in das Vorsprungsloch pressend eingepaßt
werden kann, ohne eine mechanische Verformung davon zu
erzeugen, so daß eine Drehung entlang die Wellenachse ohne
dazwischen irgendeinen Schlupf vollständig auf den
Vorsprung übertragen wird.
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Der langgestreckte Vorsprung 20 der Kupplungshälfte
bildet einen rohrförmigen Abschnitt 28. Der rohrförmige
Abschnitt 28 ist hohl gemacht und hat über seine Länge
einen einheitlichen Innendurchmesser. Die Dicke des
rohrförmigen Abschnitts ist relativ klein, so daß er leicht
verdreht werden kann. Der rohrförmige Abschnitt ist im
Mittelabschnitt mit einer ringförmigen Ausnehmung gebildet,
an der ein magnetisches Element wie etwa ein magnetischer
amorpher Film 30 in geeigneter Weise wie etwa Plattieren
befestigt ist. Die Kupplungshälfte 18 steht der anderen
Kupplungshälfte 34 gegenüber, die die andere Hälfte 36 der
Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, aufnimmt.
Insbesondere ist die Wellenhälfte 36 an einen Vorsprung 40
gekuppelt, die mit ihren daran gebildeten Außenkeilnuten 38
mit den in dem Vorprungsloch gebildeten, komplementären
Innenkeilnuten in Eingriff steht. Das den Vorsprung 40
durchdringende, mit einem Gewinde versehene Ende 42 wird
mittels einer Mutter 44 verschraubt und somit an der
anderen Kupplungshälfte 34 starr befestigt. Die zwei
Kupplungshälften sind miteinander durch Befestigen der
Flansche 26,46 via Bolzen 52 und Muttern 54 durch Löcher
48,50 gekoppelt, wie dies in Fig. 4 klar dargestellt ist.
Wie weiter dargestellt, wird verhindert, daß die zwei
Wellenenden tief in den Rohrabschnitt eintreten, so daß sie
auf die Messgenauigkeit keinen schlechten Einfluß ausüben.
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Auf die Wellenhälfte 10 an einem Abschnitt nahe den
Außenkeilnuten 12 ist ein erstes Lager 58 unter Kraft
aufgepaßt. Außerhalb des Lagers 58 ist eine Abdeckung 60
vorgesehen. Die Abdeckung 60 ist im wesentlichen
zylinderförmig mit einem Flanschabschnitt an ihrem äußeren Ende,
wie dies am besten in Fig. 4 zu sehen ist. Ähnlich ist ein
zweites Lager 62 auf den rohrförmigen Abschnitt 18 der
Kupplungshälfte unter Kraft aufgepaßt und außerhalb des
Lagers ist ein Gehäuse oder Einfassungsteil 64 gehalten.
Das Gehäuse 64 hat eine der Abdeckung 60 ähnliche Form und
ist an seinem Ende ebenfalls mit einem Flansch versehen.
Die Abdeckung 60 und das Gehäuse 64 können somit
flanschgekoppelt werden durch Einschrauben von Schrauben 70 in
Gewindelöcher 69, die an drei, von dem Flanschabschnitt der
Abdeckung nach außen vorstehenden, ohrartigen Abschnitten
67 gebildet sind, durch Löcher 68, die an ähnlichen, von
dem Flanschabschnitt des Gehäuses vorstehenden Vorsprüngen
66 gebildet sind. Die Abdeckung und das Gehäuse, die zu
einer Einheit miteinander verbunden sind, sind somit über
das Lager 58 mit der Wellenhälfte 10 und über das Lager 62
mit dem rohrförmigen Abschnitt gekoppelt. Die Einheit ist
weiter durch Flanschkupplungen mit der anderen Wellenhälfte
36 gekoppelt. Daher können die Abdeckung und das Gehäuse
unabhängig von den Wellenhälften 10, 36 oder dem dazwischen
gekoppelten rohrförmigen Abschnitt 18 drehen, so daß sie,
wenn die Wellenhälften oder der rohrförmige Abschnitt
drehen, stationär gehalten werden können, in anderen Worten
kann hierdurch ein Mitdrehen verhindert werden.
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Entlang der Abdeckung 60 ist ein Ringflügel 72
vorgesehen. Der Flügel 72 ist aus einem elastischen
Material wie etwa Gummi gemacht und hat einen C-förmigen
Querschnitt. An den Flügel ist eine Halterung 74
angeschlossen, die wiederum über einen Bolzen 76 und eine Mutter 78
an einer Lasche 80 befestigt wird, die an einer
Fahrzeugkarosserie angebracht ist, wie dies weiter unten bezüglich
Fig. 4 erläutert wird. Der Flügel 72 absorbiert von der
Fahrzeugkarosserie verursachte mechanische Stöße, die
andernfalls direkt auf das Sensorgehäuse übertragen würden.
Nebenbei bezeichnet in Fig. 1 die Bezugszahl 84 Dichtungen.
Die Bezugszahlen 86,88,90 bezeichnen neben den Lagern 58,62
vorgesehene Ringe, die eine seitliche Bewegung der
Abdeckung und des Gehäuses durch die Lager zu verhindern.
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Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, enthält das
Gehäuse 64 eine zylinderförmige Spule 94, die entlang der
Gehäuseinnenwand angebracht ist. Erregungs- und
Erfassungswicklungen 96 sind um die Spule herum gewickelt.
Insbesondere ist die Spule durch eine Trennwand 98 in zwei
Abschnitt unterteilt und die Erregerwicklung wird zuerst um
beide Abschnitte herum gewickelt, wobei sie ein an der
Trennwand gebildetes, nicht dargestelltes Loch durchläuft.
Die Erfassungswicklung wird dann für jeden Abschnitt
gesondert auf die Erregerwicklung gewickelt. Alternativ
kann die Erfassungswicklung zuerst gewickelt werden und
dann darauf die Erregerwicklung.
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Die Gehäusewand steht an einem Abschnitt zur Bildung
eines Vorsprungs 100 nach außen ab. Das Ende des Vorsprungs
ist zur Bildung eines Fensters 102 geöffnet, wie am besten
in Fig. 3 zu sehen. Das Fenster 102 ist mit Kunststoff
aufgefüllt und eine Tülle 104 sitzt an den Fensterrahmen
und nimmt einen Kabelstrang 106 auf. Der Kabelstrang kommt
von außen her und fast mit den Wicklungen 96 verbundene
Drähte zusammen. Die Tülle 104 nimmt darin eine Schelle 108
auf, die ein in Achsrichtung geschlitztes ringförmiges Rohr
110 aufweist und zwei Vorsprünge 112, die sich von dem Rohr
seitlich und leicht nach oben zur Tüllenöffnung hin
erstrecken. Der Kabelstrang wird durch das Schellenrohr 110
in der Tülle fest umgriffen. Weiter ist der Abstand oder
die Weite zwischen den Enden der zwei Vorsprünge 112 in
Richtung orthogonal zur Längsachse der Tülle größer als der
Innendurchmesser eines Stufenabschnitts 114 (Fig. 1), der
an der Tüllenbohrungsinnenwand gebildet ist. Wenn daher der
Kabelstrang 106 unerwarteter externer Zugkraft unterworfen
wird, werden die Vorsprünge durch den Stufenabschnitt 114
blockiert, weil die Vorsprünge so angeordnet sind, daß sie
sich um ein der Zugkraft entsprechendes Ausmaß seitlich
strecken. Somit kann der Kabelstrang 106 stabil in Position
in der Tülle gehalten werden, so daß verhindert wird, daß
die Drähte in dem Kabelstrang von den Wicklungen 96
getrennt werden.
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Nachfolgend wird erläutert, wie der Drehmomentsensor
an der Welle, deren Drehmomentsensor gemessen werden soll,
angebracht oder zusammengebaut wird, gefolgt durch den
Erfassungsmodus.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, wird die Wellenhälfte 10
durch die Abdeckung 60 geschoben, wobei man die Abdeckung
60 mittels den Schrauben 70 an dem Gehäuse 64 befestigt,
und dann wird der langgestreckte Vorsprung 20 der
Kupplungshälfte 18 in das Gehäuse 64 eingesetzt, so daß er die
Wellenhälfte 10 aufnimmt. Die Wellenhälfte steht mit dem
Vorsprung über Keilnuten in Eingriff und wird durch die
Mutter 24 gesichert. Die andere Wellenhälfte 36 wird mit
der anderen Kupplungshälfte 34 an der anderen Seite
gekoppelt. Die zwei Kupplungshälften 18,34 werden dann
mittels den Bolzen 52 und Muttern 54 aneinander befestigt.
Das Gehäuse 64 wird schließlich mit dem Bolzen 76 und der
Mutter 78 an der an der Fahrzeugkarosserie angebrachten
Lasche 80 befestigt, und zwar über die von dem Flügel 72
abstehende Halterung 74.
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Wenn die Anordnung auf die Weise fertiggestellt ist,
wird die Erregerwicklung durch Anlegen eines Stroms von
einer Wechselstromquelle 120, wie in Fig. 5 gezeigt,
erregt. Jeder an die Kupplungshälften 10,36 angelegte
Drehmomentbetrag wird auf den rohrförmigen Abschnitt 28 als ein
Drehmoment identischen Betrags übertragen. Die in dem an
dem Abschnitt befestigten magnetischen amorphen Film 30
erzeugten Druck- und Zugkräfte ergeben, wie dies bekannt
ist, einen Anstieg der Magnetostriktion darin in der durch
die Bezugszahl 122 angezeigten Richtung. Die
Erfassungwicklungen erfassen die Permeabilitätsänderung, die von der
Magnetostriktion herrührt, welche durch das vorgenannte
Anlegen von Drehmoment erzeugt wird, und erzeugen
Ausgangssignale entsprechend der darin induzierten
elektromotorischen Kraft. Die Ausgangssignale werden differenziell
abgenommen, durch einen Verstärker 124 geeignet verstärkt
und durch einen Gleichrichter 126 gleichgerichtet. Man kann
dann aus der Phase der Ausgangssignale die Drehrichtung
bestimmen und aus dem Betrag des Ausgangssignals die Größe
des Drehmoments. Weil die Erfassungsausgangssignale unter
Verwendung differenzieller Anschlüsse abgenommen werden,
haben die Wellenhälften keine Wirkung auf die
Messergebnisse, selbst wenn diese aus ferromagnetischem Material
gemacht sind.
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Weil in der Ausführung die Wicklungen entlang der
Gehäusewand rund oder zylindrisch gemacht sind, können sie
Änderungen der an dem amorphen Film erzeugten
Magnetostriktion über seine gesamte Oberfläche als Durchschnitt
erfassen. Selbst wenn daher die befestigte Filmoberfläche
ungleichmäßig ist, so daß der Abstand zwischen dem Film und
den Wicklungen über die gesamte Oberfläche nicht
gleichmäßig ist, so wird der an dem ungleichmäßig beabstandeten
Abschnitt erfasste Wert durch die an den anderen
gleichmäßig beabstandeten Abschnitten erfassten Werte
weggemittelt. Der durch den ungleichmäßig befestigten Film
bewirkte Fehler kann somit in geeigneter Weise kompensiert
werden.
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Weil der erfindungsgemäße Drehmomentsensor als
unabhängige Einheit gebaut ist, die die Welle, deren
Drehmoment gemessen werden soll, nicht als eines seiner
bildenden Elemente benutzt, braucht man ihn nur an einem
geeigneten Schritt des Fahrzeugmontagevorgangs an der Welle
anbringen. Die Flanschkupplungshälfte, an der der
magnetische amorphe Film angebracht ist, ist beträchtlich kürzer
als eine der Wellenhälften wie etwa einer Antriebswelle
oder dergleichen, und ist daher viel einfacher handzuhaben.
Weil weiter der magnetische amorphe Film durch das Gehäuse
abgedeckt und geschützt ist, erhöht sich zusätzlich die
Betriebseffizienz, weil weniger Sorgfalt erforderlich ist,
um ihn während Transport, Lagerung und Anbringung vor
Beschädigung und Anhaften von Staub und dergleichen zu
schützen. Weil darüberhinaus die Wicklungen sogenannte
"offene" Wicklungen zylindrischer Form sind, ist der
erfasste Wert ein Durchschnittswert, der einen Fehler, der
durch einen ungleichmäßig aufgebrachten Abschnitt des
magnetischen amorphen Films, wenn überhaupt verursacht wird,
wirksam kompensieren kann. Weil in der Ausführung nur ein
Paar Flanschkupplungen zum Kuppeln der Wellenhälften
verwendet wird, ist der Sensor darüberhinaus kurz, kompakt
und leichtgewichtig. Obwohl in den vorstehend beschriebenen
Ausführungen ein magnetisches amorphes Material verwendet
wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, und es
kann irgendein Material mit ähnlichen magnetischen
Charakteristiken verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde somit aufgezeigt und
bezüglich einer bestimmten Ausführung beschrieben. Jedoch
wird angemerkt, daß die vorliegende Erfindung keineswegs
auf die Details der beschriebenen Anordnung beschränkt ist,
sondern sie kann geändert und modifiziert werden, ohne vom
Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.