DE3878278T2

DE3878278T2 - Magnetostriktiver drehmomentwandler.

Info

Publication number: DE3878278T2
Application number: DE8888301741T
Authority: DE
Inventors: Hideo Toyo Denso K K T Matsuki; Toru Yagi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2008-03-01
Also published as: US4962672A; EP0285260B1; EP0285260A3; US4899597A; EP0285260A2; DE3878278D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor zum Erfassen des Drehmoments einer drehenden Welle, insbesondere einen Drehmomentsensor, der zum Messen des Drehmoments einer Antriebswelle, Lenkwelle oder anderen drehenden Welle eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen geeignet ist.
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 dein auf eine Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, ein bandartiger magnetostriktiver Streifen gewickelt ist.
Die Struktur des aus dieser Publikation bekannten Drehmomentsensors erfordert, dar 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, uni 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.
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.
Weil weiter die Struktur so ist, daß die Spule und andere Komponenten, die für Beschädigung durch mechanischen Stoß relativ empfindlich sind, von außen her nur schwer entfernt werden können, muß während des Zusammenbaus und der Anbringung besondere Sorgfalt aufgewendet werden. Diese Struktur würde die Erfassungsgenauigkeit verschlechtern und ist weiter vom Gesichtspunkt der Wartung her nachteilig.
Aus der DE-A-3407917 ist ein Verfahren zur Belastungsmessung einer Welle bekannt, das die magnetostriktiven Eigenschaften eines magnetischen Materials nutzt, das an der Außenoberfläche einer nichtmagnetischen Buchse befestigt ist, die dann auf die Welle aufgepaßt und mit ihr fest verbunden wird.
Aus der DE-A-3436643 ist eine Vorrichtung zum Messen des Drehmoments eine drehenden Welle bekannt, in der ein Magnetkopf mit Abstand von der Welle um diese herum angeordnet ist.
Aus der EP-A-0168692 ist ein kontaktloser Drehmomentsensor zum Erfassen der Drehmomentbelastung einer Welle bekannt, der Elemente zum Erzeugen eines durch die Welle verlaufenden Magnetfelds und Elemente zum Erfassen von durch die Permeabilitätsänderungen verursachten Änderungen in diesem Feld umfaßt. Das Feld wird durch wenigstens einen Pol erzeugt, der der Welle benachbart, jedoch von ihr durch einen Luftspalt, der sich mit der Drehung der Welle nicht ändert, getrennt ist.
Aus der EP-A-0144803 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der umfaßt: eine Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, ein rohrförmiges Teil, das zur Aufnahme von Übertragung der Wellendrehung an der Welle anbringbar ist, eine Einfassung zur Aufnahme des rohrförmigen Teils unabhängig von seiner Drehung und an der Einfassung vorgesehene Mittel zum Messen des an die Welle angelegten Drehmoments.
In Hinblick auf die genannten Nachteile des herkömmlichen Drehmomentsensors ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentsensor aufzuzeigen, der als eine unabhängige Einheit separat von der Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, ausgebildet ist und in den die Welle nicht als eine Komponente des Drehmomentsensors einbezogen ist, wobei die Einheit an der Welle leicht montiert werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Drehmomentsensor aufzuzeigen, in dem ein magnetisches Element wie etwa ein magnetostriktiver amorpher Film an einem Teil befestigt ist, das durch ein Gehäuse oder Einfassungsteil bedeckt 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 dem Erfassungsmittel auf einem vorbestimmten Wert zu halten, und wobei die Erfassungsgenauigkeit verbessert wird.
Zur Verwirklichung der Ziele sieht die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt einen Drehmomentsensor vor, umfassend:
eine Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll;
ein rohrförmiges Teil, das zur Aufnahme von Übertragung der Wellendrehung an der Welle anbringbar ist;
ein an der Außenwand des rohrförmigen Teils vorgesehenes magnetisches Element, das auf Drehung des rohrformigen Teils anspricht;
ein Einfassungteil, das das rohrförmige Teil unabhängig von der Drehung des rohrförmigen Teils aufnimmt; und
ein Mittel zum Erfassen von Änderungen magnetischer Charakteristika des magnetischen Elements, wobei das Mittel an der Innenwand des Einfassungsteils angeordnet ist und einen vorbestimmten Abstand von dem magnetischen Element hält, um an die Welle angelegtes Drehmoment zu messen;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle Außenkeilnuten und das rohrförmige Teil Innenkeilnuten trägt, derart, daß sie entlang eines Teils der Länge des rohrförmigen Teils miteinander in Eingriff stehen, aber zwischen dem rohrförmigen Teil und der Welle keine Keilnutpassung aufweisen, wenn das rohrförmige Teil an der Welle angebracht ist, und
daß das magnetische Element ein an der Außenwand des rohrförmigen Teils angebrachter magnetostriktiver amorpher Film ist, der auf durch Drehung des rohrförmigen Teils verursachte Belastung anspricht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Drehmomentsensor vorgesehen, umfassend:
eine Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll; ein Wellenteil, das zur Aufnahme von Übertragung der Wellendrehung an der Welle anbringbar ist;
ein an der Außenwand des Wellenteils vorgesehenes magnetisches Element, das auf Drehung des Wellenteils anspricht;
ein Einfassungsteil, daß das Wellenteil unabhängig von der Drehung des Wellenteils aufnimmt; und
ein Mittel zum Erfassen von Änderungen magnetischer Charakteristika des Elements, wobei das Mittel an der Innenwand des Einfassungsteils angeordnet ist, um an die Welle angelegtes Drehmoment zu messen; dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle in zwei Hälften geteilt ist;
daß das Wellenteil an jedem Ende mit der jeweiligen Wellenhälfte durch ein Paar Flansche gekoppelt ist, wobei die Flansche Keilnuten aufweisen, um das Wellenteil mit den Wellenhälften zu koppeln; und
daß das magnetische Element ein an der Außenwand des Wellenteils befestigter magnetostriktiver amorpher Film ist, der auf durch Drehung des Wellenteils verursachte Belastung anspricht.
Die genannten und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen davon unter Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf den an einer zu messenden Welle angebrachten Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht davon entlang II-II in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht davon entlang Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht davon entlang Linie IV-IV in Fig. 1;
Fig. 5 zeigt eine Aufsicht, die die Innenoberfläche einer an dem Sensorgehäuse angebrachten Abdeckung darstellt;
Fig. 6 zeigt eine erläuternde Perspektivansicht der Innenfläche der Abdeckung;
Fig. 7 zeigt eine erläuternde Perspektivansicht einer an dem Sensorgehäuse vorgesehenen Kabelbaumklemme;
Fig. 8 zeigt eine erläuternde Perspektivansicht, die darstellt, wie man den Drehmomentsensor an der zu messenden Welle anbringt;
Fig. 9 zeigt eine erläuternde Ansicht, die den Erfassungsbetrieb des Drehmomentsensors illustriert;
Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm, das den Erfassungsbetrieb realisiert;
Fig. 11 zeigt eine axiale Schnittansicht des Drehmomentsensors gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht davon entlang Linie XII-XII in Fig.11; und
Fig. 13 zeigt eine erläuternde Perspektivansicht, die darstellt, wie man den Drehmomentsensor an der zu messenden Welle anbringt.
Zu Anfang wird ein Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist ein rohrförmiges Teil mit der Nummer 10 bezeichnet. In der dargestellten Ausführung ist das rohrförmige Teil 10 im wesentlichen ein echter Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt und umfasst eine Bohrung 14, wie am besten in Fig. 8 zu sehen, mit einem Durchmesser, der ein wenig größer ist als der Durchmesser der Welle 12, deren Drehmoment gemessen werden soll. Die Bohrung 14 verläuft über die volle Länge des rohrförmigen Teils 10. An beiden Seiten des zentralen Abschnitts des rohrförmigen Teils 10 sind Stufen 16 als ringförmige Vorsprünge derart geformt, daß zwischen ihnen ein zylindrischer Abschnitt 18 gebildet wird. Der zylindrische Abschnitt 18 hat über seine gesamte Länge einen konstanten Durchmesser und an diesem Abschnitt ist ein magnetisches Element wie etwa ein magnetischer amorpher Film 20 in geeigneter Weise wie etwa durch Plattieren befestigt. Die Stufen 16 können als eine Führung zum Anordnen des Films an dem Abschnitt in Position dienen. Den Stufen 16 folgen Schulterabschnitte und ein zwischen den Schulterabschnitten verbleibender Bereich. Das Ende wird im Durchmesser relativ so groß, daß es Wulstabschnitte 22 bildet. Unmittelbar unterhalb der Wulstabschnitte ist die Bohrungswand genutet, um eine Anzahl Keilnuten zur Bildung von Innenkeilnuten 24 zu bilden. Andererseits ist die Welle 12 mit zahlreichen Keilnuten zur Bildung von Außenkeilnuten 26 an zwei Abschnitten mit Abstand voneinander entlang der Wellenlänge versehen, entsprechend der Position, an der sich die Innenkeilnuten 24 befinden, wenn das rohrförmige Teil an der Welle angebracht ist, sodaß die Innen- und Außenkeilnuten ineinandergreifen, um die Übertragung der Drehung zu ermöglichen. Unter dem Abschnitt 18, an dem der magnetische amorphe Film 20 befestigt ist, ist die Keilnutpassung weggelassen, so daß das rohrförmige Teil 10 verdreht werden kann, um im dem Film eine Belastung zu erzeugen. Es ist jedoch auch möglich, eine der Keilvernutungen an der Welle oder dem Wulstabschnitt über die gesamte Länge einschließlich des Bereichs auszubilden, vorausgesetzt, daß sich dort keine ineinandergreifende zusammenpassende Paarung befindet. Weiter sollte angemerkt werden, daß während der Maschinenbearbeitung Toleranzen auf dem absoluten Minimum gehalten werden sollten, so daß die Welle in den Wulstabschnitt pressend gepaßt werden kann, ohne irgendeine mechanische Verformung zu bewirken. Somit steht die Welle 12 mit dem rohrförmigen Teil 10 in sicherem Eingriff ohne irgendeinen Schlupf dazwischen, sodaß Drehmoment, wenn es an die Welle angelegt wird, voll auf das rohrförmige Teil übertragen wird. An der Welle 12 nahe den Enden des rohrförmigen Teils 10 ist ein Paar Ringe 28 mit offenen Enden vorgesehen, die eine seitliche Bewegung des Teils 10 entlang der Welle verhindern.
An der Außenwand des rohrförmigen Teils 10 ist ein Paar Lager 34 eingelassen aufgepaßt. Die Lager 34 sind an der Außenoberfläche der Wulstabschnitte 22 vorgesehen und außerhalb der Lager 34 ist dann ein Gehäuse oder ein Einfassungsteil 32 vorgesehen, das als eine äußere Abdeckung für die Einheit dient. Weil das Gehäuse 32 mit dem rohrförmigen Teil 10 über die Lager 34 gekoppelt ist, kann es unabhängig von dem rohrförmigen Teil 10 sowie von der Welle 12 drehen, so daß, wenn das Teil 10 zusammen mit der Welle dreht, das Gehäuse 32 stationär gehalten werden kann, das heißt, eine Drehung zusammen damit kann verhindert werden. Die Bezugszeichen 36 zeigen Öldichtungen und die Bezugszeichen 38 Abdichtungen an. Und die Bezugszeichen 41 und 40 bezeichnen jeweils Ringe, die in das rohrförmige Teil und das Gehäuse eingelassen eingepasst sind, um eine seitliche Bewegung des Gehäuses durch die Lager zu verhindern.
Wie am besten in Fig. 1 gezeigt, hat das Gehäuse 32 eine zylindrische Form, dessen zentraler Abschnitt eingeschnürt ist und einen geringeren Durchmesser hat, um sein Gewicht zu vermindern. Und wie in Fig. 8 gezeigt, steigt die Gehäusewand an dem eingeschnürten zentralen Abschnitt zur Bildung eines erhabenen Abschnitts 43 lokal an. Der erhabene Abschnitt 42 ist an seiner oberen Fläche zur Bildung einer Öffnung 44 abgeschnitten, die durch eine Abdeckung 46 verschließbar ist. Die Abdeckung 46 ist, wie in Fig. 1 klar zu sehen rechteckig und kann an der Öffnung mittels Schrauben 52 befestigt werden, die durch an ohrartigen Abschnitten 48 der Abdeckung gebildete Löcher in in dem Gehäuse vorgesehene Gewindelöcher 50 geschraubt werden. Wie am besten in Fig. 6 zu sehen ist, ist an der Innenwand der Abdeckung entlang seines Umfangs eine Nut 54 gebildet. Zur dichten Abdichtung ist in der Nut ein O-Ring 56 vorgesehen (der Ring ist in den Figuren 5 und 6 weggelassen)
An der Innenoberfläche der Abdeckung 46 sind drei Kerne aus Siliziumstahlplatten durch Halter 66 in Kombination mit Schrauben 68 befestigt. Die Kerne sind so orientiert, daß sie - wie in einer Aufsicht der Fig. 5 gezeigt- zueinander rechtwinklig angeordnet sind. Insbesondere sind die Kerne miteinander derart kombiniert, daß ihre geschichteten Stahlplatten einander in einem rechten Winkel kreuzen, wie in Fig. 6 dargestellt. Von jedem der Kerne erstreckt sich ein Abschnitt vertikal zur Bildung eines Schenkels 60a,62a,64a, der als ein Pol dient, soweit, daß die Endflächen 60b,62b,64b der Schenkel im zusammengebauten Zustand dem amorphen Film eng benachbart sind. Die Schenkel 62a,64 sind länger als der Schenkel 60a, um einen vorbestimmten und einheitlichen Spalt oder Abstand "d" zu halten, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Endflächen der Schenkel sind mit dem selben Krümmungsradius wie die Außenfläche des rohrförmigen Teils, an den der amorphe Film befestigt ist, gerundet um die Erfassungsgenauigkeit zu verbessern. Die Innenwand der Abdeckung ist über ihren gesamten Bereich einschließlich ihres Außenrands abgeflacht, so daß man die Höhe der Schenkel leicht festlegen kann, um den Spalt bei einem vorbestimmten Wert zu halten, weil die Basis das Niveau für alle Schenkel ist. Die Tatsache, daß die Endfläche der Schenkel ähnlich dem Film gekrümmt ist, hilft den Spalt konstant zu halten. Weiter ist der Abdeckungsumfang ebenfalls flach gehalten, so daß die im dazu passenden Gehäuse gebildeten Gewindelöcher 50 ebenfalls auf dem koplanaren Niveau liegen. Somit ist der Zusammenbau im hohen Maße erleichtert.
Auf den zentralen Schenkel 60a ist eine Spule zur Bildung einer Erregerspule 70 gewickelt, wie in Fig. 5 dargestellt, und in ähnlicher Weise sind auf die verbleibenden beiden Schenkel 62a,64a in entgegengesetzte Windungsrichtungen zwei Erfassungsspulen 72 gewickelt. Die zwei Schenkel sind nach unten weisend und relativ zum zentralen Schenkel symmetrisch angeordnet. Die Erregerspule 70 und die Erfassungsspulen 72 sind derart angeordnet, daß zwischen ihnen erzeugte Flußwege relativ zur Längsachse des rohrförmigen Teils 10 und der Welle 12 im Winkel von ± 45 Grad verlaufen; anders gesagt stimmen die Flußwege mit den Richtungen überein, in denen die die Druck- und Zugbelastungen, die beim Anlegen eines Drehmoments an die Welle auftreten, maximal werden. Darüberhinaus sollte jedoch angemerkt werden, daß dem magnetischen amorphen Film 20 vor dem Befestigen an dem rohrförmigen Teil 10 eine uniaxiale magnetische Anisotropie auferlegt werden muß, die mit den selben Winkelgeraden relativ zur Achse des rohrförmigen Teils orientiert ist.
Abgesehen davon besteht eine enge Beziehung zwischen der Erregungsfrequenz des Wechselstroms und der Erfassungsgenauigkeit derartiger Drehmomentsensoren. Insbesondere steigt die Erfassungsgenauigkeit mit Erhöhung der Frequenz. Jedoch besteht ein Nachteil darin, daß mit höher steigender Stromfrequenz der Wirbelstromverlust größer wird, falls der Kern aus einem einzelnen Eisenkern hergestellt ist. Weil jedoch der in dieser Erfindung verwendete Kern aus geschichteten Siliziumstahlplatten hergestellt ist, die im rechten Winkel kreuzend miteinander verbunden sind, kann die Frequenz ohne das Problem des Wirbelstromverlusts vorteilhaft erhöht werden, um die Erfassungsgenauigkeit zu verbessern.
Die Innenwand der genannten Abdeckung 46 steht an einem durch die Spulen umgebenden Bereich nach außen vor, um einen Vorsprung 80 zu bilden. Der Vorsprung öffnet sich an seinem Ende zur Bildung eines Fensters 82, wo eine Durchführungstülle sitzt. Ein Kabelstrang 86 bündelt Kabel zusammen und kommt von außen her, verläuft durch die Tülle 84 und verzweigt dann die Drähte jeweils in Richtung zur Verbindung mit den Spulen. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist an einer Stelle vor der Verzweigung der Drähte eine Schelle 88 befestigt. Die Schelle 88 ist im Querschnitt omega-förmig und umfaßt eine Basis und einen Rohrabschnitt, der sich von der Basis erstreckt. Der Rohrabschnitt ist axial aufgetrennt, um den Kabelstrang 86 fest zu umgreifen. Die Schelle 88 ist an der Wand des Vorsprungs 80 befestigt, wobei die mit Befestigungen gekoppelte Basis sich von der vorstehenden Wand weg erstreckt. Der Kabelstrang 86 wird somit fest ergriffen, so daß die Drähte aus den Spulen nicht herausgezogen werden könne, selbst wenn eine unerwartete externe Zugkraft auf den Kabelstrang einwirken sollte. Die Tülle 84 ist entlang der Wand mit zwei ringförmigen Vorsprüngen mit Abstand voneinander versehen, um zu verhindern, daß die Tülle selbst aus dem Fenster 82 herausgezogen wird. Zum Abdichten wird das Fenster mit Kunststoff aufgefüllt, obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
Nachfolgend wird erläutert, wie man den Drehmomentsensor an der Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, befestigt, und wie man ihn anschließend verwendet.
Wie in Fig. 8 dargestellt wird, um den Sensor an der Welle einer Kraftfahrzeugsantriebswelle oder dergleichen zu befestigen, die Welle 12 in die Bohrung 14 des rohrförmigen Teils 10 eingesetzt und so in Position gebracht, daß die Außen- und Innenkeilnuten 24,26 ineinander eingreifen. In diesem Stadium ist die Abdeckung 46 an dem Gehäuse noch nicht angebracht. Dann werden die Ringe 28 nahe beiden Enden des Teils auf die Welle gesetzt, um eine seitliche Bewegung des Teils 10 zu blockieren. Schließlich wird die Abdeckung 46 an dem Gehäuse befestigt und der Sensor ist nun fertig. Der so fertiggestellte Sensor wird dann an dem Kraftfahrzeug angebracht. Insbesondere wird das Sensorgehäuse 32 mittels einer Schraube und einer Mutter an einer an der Fahrzeugkarosserie angebrachten Lasche 93 befestigt, und zwar mittels eines Halters 92, der von einem entlang der Gehäusewand vorgesehenen Ringflügel absteht. Der Ringflügel 91 ist aus einem elastischen Material wie etwa Gummi hergestellt und absorbiert durch das Fahrzeug erzeugte mechanische Stöße, die andernfalls auf den Sensor übertragen würden.
Wenn die Anbringung auf diese Weise fertiggestellt ist, wird nach dem Erregen der Spule 70 durch Zufuhr von Strom aus einer Wechselstromquelle 94, wie in den Figuren 9 und 10 dargestellt, jeder an die Welle 12 angelegter Drehmomentbetrag auf das rohrförmige Teil 10 durch die Keilnutpassung als ein Drehmoment identischer Größe übertragen. Somit ergibt eine als Ergebnis dieses Drehmoments in dem magnetischen amorphen Film 20 erzeugte Druck- und Zugbelastung einen Anstieg der Magnetostriktion darin, wie dies wohl bekannt ist. Weil die genannten Spulen derart angeordnet sind, daß ihre Magnetpole verbindende Linien ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck bilden, wobei die Erregerspule 70 am oberen rechten Winkel angeordnet ist und die zwei Erfassungsspulen 72 an den jeweiligen unteren 45-Grad- Winkeln und weiter die Flußwege zwischen den Spulen mit den Richtungen der Anisotropie übereinstimmen, können die Erfassungsspulen die Änderung der Permeabilität erfassen, die aus der Magnetostriktion resultiert, verursacht durch das genannte Anlegen von Drehmoment, und Ausgangssignale erzeugen, die der darin induzierten elektromotorischen Kraft entsprechen. Wenn dann diese Ausgangssignale differenziell abgenommen, durch einen Verstärker 98 geeignet verstärkt und durch einen Gleichrichter 100 gleichgerichtet werden, kann man die Drehrichtung aus der Phase der Ausgangssignale bestimmen und aus dem Betrag der Ausgangssignale die Höhe des Drehmoments bestimmen. Wenn die erfassten Ausgangssignale unter Verwendung differenzieller Anschlüsse abgenommen werden, wirkt die Welle 12 nicht auf die Messergebnisse, auch wenn diese aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist.
Weil der erfindungsgemäße Drehmomentsensor als unabhängige Einheit erstellt wird, die die Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, nicht als eines ihrer bildenden Elemente verwendet, braucht er nur an einem geeigneten Abschnitt des Fahrzeugmontagevorgangs an der Welle angebracht werden. Das zylindrische Teil, an dem der magnetische amorphe Film angebracht ist, ist beträchtlich kürzer als die Antriebswelle oder dergleichen und ist daher sehr viel einfacher handzuhaben. Weil der magnetische amorphe Film durch das Gehäuseteil abgedeckt und geschützt ist, ergibt sich weiter eine zusätzliche Erhöhung der Betriebseffizienz, weil zu seinem Schutz vor Beschädigung und Anhaften von Staub und dergleichen für seine Transportlagerung und Anbringung weniger Aufmerksamkeit erforderlich ist. Weil der Drehmomentsensor als unabhängige Einheit konstruiert ist, könnte erwartet werden, daß bei seiner Anbringung an der Welle, deren Drehmoment übertragen werden soll, Probleme derart auftreten, daß zwischen den beiden ein Schlupf auftreten könnte, weil unter diesen Umständen eine genaue Erfassung nicht durchgeführt werden könnte. Jedoch ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor von solchen Problemen völlig frei, weil er wegen der Keilvernutung außerordentlich zuverlässig anbringbar ist.
Weil darüberhinaus die Anzahl von Komponenten, die eine präzise Positionierung relativ zueinander erfordern, auf dem Minimum gehalten wird, ist es beim Fertigungsvorgang nicht besonders schwierig sicherzustellen, daß die Positionen der Lager 34 und die Dimensionen des Gehäuses 32, der Abdeckung 46 und der Kerne 60,62,64 etc. innerhalb vorgeschriebener Toleranzen gehalten werden. Dieses plus der Effekt der als Ergebnis der flachen Innenfläche der Abdeckung 46, an der die Kerne befestigt sind, erhalten wird, ermöglicht, daß der Spalt "d" (Fig.4) zwischen den Endflächen der Spulenschenkel und dem magnetischen amorphen Film bei einer konstanten Größe gehalten wird, wodurch irgendwelche speziellen Einstellungsmittel nicht erforderlich sind. Hierdurch kann man einen kompakten, leichten und billigen Drehmomentsensor erhalten und die Dimensionsvarianz verringern und demzufolge die Varianz der Erfassungsausgangssignale unter verschiedenen Drehmomentsensoren, die gemäß dieser Erfindung hergestellt werden. Er führt weiter zur verbesserten Wartung oder Montageeffizienz von dem Gesichtspunkt, daß die Spulen an der Abdeckung befestigt sind, der von außen leicht zugänglich ist.
Die Figuren 11,12 und 13 zeigen eine zweite Ausführung des ertindungsgemäßen Drehmomentsensors. Kurz zusammengefaßt, worin der Sensor sich von der ersten Ausführung unterscheidet, bevor die genaue Beschreibung der Struktur beginnt, ist die Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, nun in zwei Hälften geteilt und der Sensor ist zwischen ihnen vorgesehen. Der Sensor hat eine ähnliche Form wie der der ersten Ausführung außer, daß statt des rohrförmigen Teils ein massives kurzes Wellenstück verwendet wird, das ähnlich wie das rohrförmige Teil der ersten Ausführung funktioniert. Das Wellenstück trägt an der Oberfläche den magnetischen amorphen Film und ist über zwei Flanschkupplungen mit den zwei Wellenhälften verbunden. Der Sensor gemäß der zweiten Ausführung ist insbesondere darauf gerichtet, eine leichte Anbringung des Sensors an einer langen Welle wie etwa einer Antriebswelle des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Nachfolgend wird der Aufbau des Sensors bezüglich der Figuren 11, 12 und 13 beschrieben. In den Figuren bezeichnet die Nummer 100 das genannte massive kurze Wellenteil. Das Wellenteil 100 ist im Querschnitt rund und hat eine ähnliche Steifigkeit wie die Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll. Das Wellenteil 100 hat in seiner Längsmitte einen größeren Durchmesser zur Bildung eines zentralen Abschnitts 120 mit kreisförmigem Querschnitt, an den an einer durch Stufen 140 geführten Position der magnetische amorphe Film 160 befestigt ist. Das Wellenteil 100 ist nahe der jeweiligen Enden 200 mit Keilnuten 180 versehen. Die Enden sind jeweils mit Gewindeabschnitten 220 versehen.
Das Bezugszeichen 240 bezeichnet eine Hälfte der links vom Wellenteil in Fig. 11 liegenden Flanschkupplungen, die mit der anderen Kupplungshälfte 340 verbunden ist. Die Kupplungshälfte 240 hat einen Wulst 260 und an ihrer Innenfläche sind Innenkeilnuten 280 gebildet, die auf die Augenkeilnuten 180 des Wellenteils passen. Die dazwischen zulässige Toleranz ist ähnlich der der ersten Ausführung so klein wie möglich gehalten. In dem Wulst 260 ist eine Ausnehmung 300 gebildet, in die das Gewinde 200 des Wellenteils vorsteht. In der Ausnehmung ist auf das Gewindeende eine Mutter 320 aufgepaßt und dort befestigt. Die andere Hälfte 340 der Kupplungen nimmt entsprechend eine Hälfte 360 einer Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, auf. Die zwei Kupplungshälften sind mittels Bolzen 440, die in ihren Flanschabschnitten 380,400 gebildete Durchgangslöcher 420,441 durchdringen, und Muttern 460 verbunden.
Darüberhinaus sind weitere Flanschkupplungen vorgesehen, umfassend eine gemäß Fig. 11. an der rechten Seite des Wellenteils vorgesehene Kupplungshälfte 480 und eine andere Hälfte 500. Die Kupplungshälfte 480 nimmt in ihrem Wulst 520 das gegenüberliegende Ende des Wellenteils 100 auf, das über Außenkeilnuten 180 mit in dem Wulstloch gebildeten Innenkeilnuten 540 passend in Eingriff steht. Dann wird das Wellenteil in der Ausnehmung 300 mittels einer Mutter 560 befestigt. Die letzte Kupplungshälfte 500 nimmt das Ende der anderen Hälfte der Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, auf. Die beiden Kupplungshälften sind miteinander durch Bolzen 660, die an den Flanschabschnitten 600,620 gebildete Durchgangslöcher 640,650 durchdringen, und darauf aufgesetzte Muttern 680 befestigt. Die zwei Wellenhälften 360,580 der Welle werden somit über die Flanschkupplungen mit dem Wellenteil 11 gekoppelt. Als Ergebnis wird, wenn die zwei Wellenhälften ineinander entgegengesetzte Richtungen verdreht werden, das angelegte Drehmoment auf das dazwischen angeordnete Wellenteil 100 übertragen. Es sollte bemerkt werden, daß die Form der Flanschkupplungen und dergleichen so genau bearbeitet werden muß, daß die zentrale Achse des Wellenteils mit den Achsen der zwei Wellenhälften im zusammengebauten Zustand fluchtet.
An dem Außenumfang des zentralen Teils 120 sind Lager 700 eingebettet und außerhalb der Lager ist ein Gehäuse oder ein Einfassungsteil 740 vorgesehen. Das Gehäuse 740 ist ähnlich wie bei der ersten Ausführung aufgebaut. Das Gehäuse hat einen Flügel 760 mit C-förmigem Querschnitt, hergestellt aus Gummimaterial. Der Flügel 760 hat einen Halter 780, der mittels einem Bolzen 800 und einer Mutter 820 mit einer an der Fahrzeugkarosserie angebrachten Lasche 840 verbunden wird, wie in Fig. 13 gezeigt. Das Bezugszeichen 860 zeigt Öldichtungen und das Bezugszeichen 880 zeigt Ringe.
Das Gehäuse ist erhöht zur Bildung eines erhabenen Abschnitts 960 mit einer Öffnung 980, die mittels Schrauben 1160 und Scheiben 1080 durch eine Abdeckung 1000 verschließbar ist. Zur Abdichtung ist dazwischen ein O-Ring 1120 vorgesehen. Die Abdeckung ist an ihrer Innenfläche mit drei Kernen aus geschichteten Siliziumstahlplatten versehen. Die Kerne haben jeweils Schenkel 1200a,1220a,1240a und die Endflächen der Schenkel sind abgerundet, um den Spalt oder Abstand "d" von dem magnetischen amorphen Film 160 bei konstanter Größe zu halten, wie in Fig. 12 dargestellt. Eine Erregerspule 1340 und zwei Erfassungsspulen 1360 sind um die Kernschenkel gewunden. Die Spulen sind mit Drähten verbunden, die durch einen Kabelstrang 1480 verbunden sind, der durch eine Tülle 1460 läuft, die in einem Vorsprung 1420 gebildeten Fenster 1440 ruht. Weil jedoch diese Abschnitte oder Teile sehr den in der ersten Ausführung in Struktur und Funktion erläuterten entsprechen, wird eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
Nachfolgend wird das Anbringen des Sensors an der Welle unter Bezug auf die Fig. 13 erläutert.
Das Wellenteil 100 wird in das Gehäuse 740 eingesetzt. Die Kupplungshälfte 240 wird mit dem einen Ende de Wellenteils 100 dadurch verbunden, daß man die Außenkeilnuten 180 auf die Innenkeilnuten 280 aufpaßt. Dann wird das Wellenende durch die Mutter 320 befestigt. Dann wird diese Kupplungshälfte mittels den Bolzen 440 und Muttern 416 an der Kupplungshälfte 340 befestigt, welche an der einen Hälfte 360 der Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, angebracht wurde. Ähnlich wird das Wellenteil 100 mit der dritten Kupplungshälfte 480 verbunden, die wiederum an der vierten Kupplungshälfte 500 befestigt wird, die an der anderen Wellenhälfte 580 angeschlossen ist. Dann wird die Abdeckung 1000 an dem Gehäuse 740 angebracht. Schließlich wird das Gehäuse 740 über den Halter 780 durch den Bolzen 800 und die Mutter 820 an der Lasche 840 angebracht. Alternativ können, nachdem die ersten und dritten Kupplungshälften 240,480 an den Außenseiten des Wellenteils 100 angebracht wurden, die zweiten und vierten Kupplungshälften 340,500 miteinander verbunden werden. Nach Fertigstellung kann, wenn an die zwei Wellenhälften eine Torsionskraft angelegt wird, das Drehmoment in der gleichen Weise, wie dies bei der ersten Ausführung erläutert wurde, durch den magnetischen amorphen Film und die Erfassungsspulen erfasst werden.
Der Sensor gemäß der zweiten Ausführung hat den Vorteil, daß er zusätzlich zu den bezüglich der ersten Ausführung genannten Vorteilen einfacher an der Welle angebracht werden kann, insbesondere wenn die Welle lang ist, wie bei einer Fahrzeugsantriebswelle.
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungen ein magnetisches amorphes Material verwendet wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt und es kann jedes Material verwendet werden, daß ähnliche magnetische Charakteristika zeigt.
Die vorliegende Erfindung wurde somit unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben. Jedoch sollte hervorgehoben werden, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf die Details der beschriebenen Anordnungen beschränkt ist, sondern es können Änderungen und Modifizierungen durchgeführt werden, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Drehmomentsensor umfassend:

eine Welle (12), deren Drehmoment gemessen werden soll;

ein rohrförmiges Teil (10) das zur Aufnahme von Übertragung der Wellendrehung an der Welle (12) anbringbar ist;

ein an der Außenwand des rohrförmigen Teils (10) vorgesehenes magnetisches Element (20), das auf die Drehung des rohrförmigen Teils (10) anspricht;

ein Einfassungsteil (32), das das rohrformige Teil (10) unabhängig von der Drehung des rohrförmigen Teils (10) aufnimmt; und

ein Mittel (70,72) zur Erfassung von Änderungen magnetischer Charakteristika des magnetischen Elements (20), wobei das Mittel an der Innenwand des Einfassungsteils (32) angeordnet ist und einen vorbestimmten Abstand (d) von dem magnetischen Element (20) hält, um an die Welle (12) angelegtes Drehmoment zu messen;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Welle (12) Außenkeilnuten und das rohrförmige Teil (10) Innenkeilnuten trägt derart, daß diese entlang eines Teils der Länge des rohrförmigen Teils miteinander in Eingriff stehen, aber zwischen dem rohrförmigen Teil (10) und der Welle (12) unter dem magnetischen Element (20) keine Keilnutpassungen aufweisen, wenn das rohrförmige Teil (10) an der Welle (12) angebracht ist; und

daß das magnetische Element (20) ein an der Außenwand des rohrförmigen Teils (10) befestigter magetostriktiver amorpher Film ist, der auf durch Drehung des rohrförmigen Teils (10) verursachte Belastung anspricht.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, in dem das rohrförmige Teil (10) an der Welle (12) entfernbar anbringbar ist.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend Mittel (28) zum Verhindern seitlicher Bewegung des rohrförmigen Teils (10) entlang der Welle (12), wenn das rohrförmige Teil (10) an der Welle (12) angebracht ist.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 3, in dem das Mittel zum Verhindern seitlicher Bewegung ein Paar Ringe (28,28) ist, die auf die Welle (12) nahe beiden Enden des rohrförmigen Teils (10) aufgesetzt sind.

5. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem das Einfassungsteil (32) eine durch eine Abdeckung (46) verschließbare Öffnung (44) aufweist und das Mittel (70,72) zum Erfassen von Änderungen der Charakteristika des magnetischen Elements (20) an der Innenwand der Abdeckung (46) angeordnet ist.

6. Drehmomentsensor nach Anspruch 5, in dem die Innenwand der Abdeckung (46), an der das Erfassungsmittel (70,72) angeordnet ist, flach ist.

7. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Erfassungsmittel (70,72) einen Kern (60,62,64) mit Polen (60a,62a,64a) mit darauf gewundenen Spulen (70,72,72) aufweist, wobei die Pole (60a,62a,64a) unterschiedliche Längen haben, sodaß Endflächen (60b,62b,64b) der Pole (60a,62a,64a) den gleichen Krümmungsradius wie der des rohrförmigen Teils (10), an dem das magnetische Element(20) befestigt ist, aufweisen.

8. Drehmomentsensor umfassend:

eine Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll;

ein Wellenteil (100), das zur Aufnahme von Übertragung der Wellendrehung an der Welle anbringbar ist;

ein an der Außenwand des Wellenteils (100) vorgesehenes magnetisches Element (160), das auf die Drehung des Wellenteils (100) anspricht;

ein Einfassungsteil (740), das das Wellenteil (100) unabhängig von der Drehung des Wellenteils (100) aufnimmt;

und ein Mittel (1340,1360) zum Erfassen von Änderungen magnetischer Charakteristika des Elements (160), wobei das Mittel (1340,1360) an der Innenwand des Einfassungsteils (740) angeordnet ist, um an die Welle angelegtes Drehmoment zu messen;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Welle in zwei Hälften (360,580) geteilt ist;

daß das Wellenteil (100) an jedem Ende mit der jeweiligen Wellenhälfte (360,580) durch ein Paar Flansche (240,340;480,500) gekoppelt ist, wobei die Flansche Keilnuten (180,280;540) aufweisen, um das Wellenteil (100) mit den Wellenhälften (360,580) zu koppeln; und

daß das magnetische Element (160) ein an der Außenwand des Wellenteils (100) befestigter magnetostriktiver amorpher Film ist, der auf durch Drehung des Wellenteils (100) bewirkte Belastung anspricht.

9. Drehmomentsensor nach Anspruch 8, in dem das Einfassungsteil (740) eine durch eine Abdeckung (1000) verschließbare Öffnung (980) aufweist und das Mittel (1340,1360) zum Erfassen von Änderungen magnetischer Charakteristika des magnetischen Elements (160) an der Innenwand der Abdeckung (1000) angeordnet ist.

10. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, in dem die Innenwand der Abdeckung (1000) flach ist.

11. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in dem das Erfassungsmittel (1340,1360) einen Kern (1200,1220,1240) mit Polen (1200a,1220a,1240a), auf die jeweils Spulen (1340,1360) gewickelt sind, aufweist, wobei die Pole (1200a,1220a,1240a) unterschiedliche Längen haben, so daß Endflächen (1200b,1220b,1240b) der Pole den gleichen Krümmungsradius wie der des Wellenteils (100), an dem das magnetische Element (160) befestigt ist, aufweisen.