DE4009286A1 - Verfahren zum messen der torsion eines stabfoermigen koerpers sowie messelement zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Torsion eines stabförmigen Körpers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie auf ein Meßelement zur Durchfüh­ rung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patent­ anspruch 1 sowie ein Meßelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 6 sind bekannt. Bei einem wesentlichen Anwendungsfall des bekannten Verfahrens und des bekannten Meßelementes ist der stabförmige Körper eine Welle, deren Torsion bzw. Verdrehung gemessen wird, um das Drehmoment bestimmen zu können, das die Torsion der Welle verursacht und direkt proportional zur Torsion ist. Solche Drehmomentmessungen erfolgen zu Untersuchungs- und Prüfzwecken im Rahmen der Werkstoff-, Werkstück- und Funktionsprüfung von Maschinen und Maschinenteilen, aber auch im Rahmen von Steuerungs- und Riegelungsaufgaben. Beispielsweise die Steuerung eines selbsttätig schaltenden Kraftfahrzeugsgetriebes kann in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment der Eingangs- und Ausgangswelle des Getriebes erfolgen. Als Eingangsgröße für die Steuerung wird dann das Drehmoment auf einer der beiden genannten Wellen benö­ tigt. Eine Drehmomentmessung kann auch dazu benutzt werden, die Eingangsgröße für eine Lenkkraftverstärkung einer Kraftfahrzeuglenkung zu liefern, wozu das manuell auf die Lenkwelle aufgebrachte Drehmoment gemessen wird. Vorstehend ist auf das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung, nämlich die Drehmomentmessung an Wellen, bezug­ genommen. Es sei jedoch klargestellt, daß die Erfindung nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt ist und sich beispielsweise auch für die Torsionsmessung statisch auf Drehung belasteter Körper eignet.

In dem bekannten Fall wird in der Weise vorgegangen, daß eine DMS-Anordnung auf eine Mantelfläche der Welle geklebt wird. Bei der DMS-Anordnung handelt es sich um eine Anord­ nung aus vier metallischen Dehnungsmeßstreifen (abgekürzt DMS), die zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke verbunden sind und von einer Kunststoff-Trägerfolie getragen werden. Das Aufkleben der DMS-Anordnung auf die Mantelfläche der Welle muß manuell sehr sorgfältig ausgeführt werden, damit für hinreichenden Kraftfluß zwischen der Mantelfläche der Welle und der DMS-Anordnung gesorgt ist. Die aufgeklebte DMS-Anordnung ist auf der Wellenoberfläche ungeschützt, wenn nicht zusätzliche Schutzmaßnahmen getroffen werden. lm Betrieb über längere Zeitdauer kann es zu einem Langzeit­ kriechen der DMS-Anordnung auf der Wellenoberfläche kommen, was die Meßergebnisse verändert. Diese Nachteile wirken sich weniger störend im Laborbetrieb aus. Sie sind jedoch schwerwiegender bei großen Stückzahlen und Langzeitbetrieb, wie dies beispielsweise dann der Fall ist, wenn bei Serien­ kraftfahrzeugen eine Drehmomentmessung erfolgen soll. Ferner muß beispielsweise im Hinblick auf den letztgenannten Anwendungsfall gefordert werden, daß das Verfahren durch­ geführt werden kann, ohne daß größerer Aufwand für die Eichung bzw. Justierung erforderlich ist, und daß das von der DMS-Anordnung gelieferte Signal möglichst so hoch ist, um den Schaltungs- und Energieaufwand für die Ver­ stärkung des gelieferten Signals niedrig und die Meßge­ nauigkeit hoch zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, daß - bei gegebener Torsion - ein verhältnismäßig starkes Meßsignal geliefert wird. Ferner soll das Verfahren möglichst einfach durchführbar sein, wobei dennoch die Abhängigkeit von der sorgfältigen Ausführung handwerklicher Verfahrensschritte gering sein soll. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Meßelement derart weiterzubilden, daß es die Durchführung des den vorstehenden Anforderungen genügenden Verfahren fördert.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß mit dem auf­ grund und während der Torsion verformten Abschnitt des Körpers eine flache Membran fest verbunden wird. Die DMS- Anordnung, d. h. der zumindest eine Dehnungsmeßstreifen, ist an der Membran befestigt, so daß das von der DMS- Anordnung gelieferte elektrische Meßsignal unmittelbar ein Maß für die Verformung der Membran ist und nur mittelbar ein Maß für die torsionsbedingte Verformung des verformten Abschnitts. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Ver­ formung des verformten Abschnitts zunächst mechanisch über den fest mit dem Abschnitt verbundenen Rand der Membran zur Membran übertragen wird und dadurch eine Verformung der Membran hervorgerufen wird. Es ist gefunden worden, daß es dabei nicht nur zu Verformungen in der Ebene der unbelasteten Membran kommt, sondern daß die Membran zu­ sätzlich zonenweise auch senkrecht zur Membranebene ver­ formt wird, wobei dieser eine Welligkeit aufgeprägt wird. Aufgrund dieser zonenweisen Aufwölbung der Membran ist deren entlang der gewölbten Membranfläche gemessene Längen­ änderung größer als die zugrundeliegende Dehnung des ver­ formten Abschnitts, so daß der an der Membran befestigte Dehnungsmeßstreifen stärker gedehnt wird, als wenn er unmittelbar in Kontakt mit dem verformten Abschnitt stünde. Auf diese Weise hat die Membran eine mechanische Verstär­ kungsfunktion, die zu einem entsprechend vergrößerten Meßsignal führt. Eine weitere günstige Wirkung der er­ findungsgemäßen Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß der Dehnungsmeßstreifen an der Membran angebracht wird, d. h. einer ebenen Fläche, die grundsätzlich ein einfacheres und zuverlässigeres Anbringen der DMS-Anordnung erlaubt als beispielsweise eine gekrümmte Wellenoberfläche. Das zusätzlich erforderliche Befestigen der Membran am verformten Abschnitt verursacht keine Schwierigkeiten und kann - beispielsweise durch Schweißen - mit ausreichen­ der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durchgeführt werden.

Hinsichtlich des Meßelementes wird die Aufgabe durch die Merkmale gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Gemäß der Erfindung besteht das Meßelement, das an dem Körper angebracht werden soll, dessen Torsion gemessen werden soll, nicht nur aus der DMS-Anordnung, sondern zusätzlich aus einer flachen Membran, die einstückig mit einem entlang ihrem Rand ver­ laufenden, verdickten Flansch ausgebildet ist. Unmittelbar fest verbunden mit dem Körper wird dabei lediglich der verdickte Flansch, so daß sich die Membran entsprechend der auf sie aufgebrachten Belastung frei verformen kann. Die DMS-Anordnung ist an der Membran befestigt. Dieses Meßelement hat den schon vorstehend bei der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegten Vorteil, daß durch die Membran eine mechanische Verstärkung der über den verdickten Flansch eingeleiteten Verformung er­ folgt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Meß­ elementes die Notwendigkeit entfällt, die DMS-Anordnung unmittelbar an dem verformten Abschnitt des bisweilen geometrisch kompliziert geformten Körpers zu befestigen. Vielmehr wird die DMS-Anordnung an einer geometrisch ein­ fachen Fläche, nämlich einer Oberfläche der flachen Membran befestigt, wobei das dabei handzuhabende Werkstück klein und geometrisch einfach ist, nämlich lediglich aus der Einheit aus Membran und Flansch besteht.

Bei der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Meß­ elementes ist vorgesehen, daß die flache Membran kreis­ förmig und der Flansch ein geschlossener Ringflansch ist, der nur auf einer Seite der Membran ausgebildet ist, so daß die Einheit aus Membran und Flansch im Querschnitt ein flaches U-Profil hat und auf der anderen Seite der Membran eine ebene Grundfläche aufweist, auf der die DMS- Anordnung in Dünnfilmtechnik ausgebildet ist. Dünnfilm- Dehnungsmeßstreifen haben den Vorteil, daß sie mit sehr kleiner Flächenausdehnung ausgebildet werden können, daß sie der zu messenden Verformung praktisch keinen Wider­ stand entgegensetzen, daß sie eine streng lineare Wider­ stands-Dehnungscharakteristik aufweisen, daß sie hysterese­ frei sind und daß praktisch keine Kriechfehler auftreten.

Die Herstellung von Dünnfilm-DMS-Anordnungen erfordert jedoch mehrfache Polier- und Schleifvorgänge an der Grund­ fläche, auf der die Dünnfilm-DMS-Anordnung aufgebaut werden soll, sowie an den Schichten derselben und erfordert darüber hinaus, daß der Träger der Dünnfilm-DMS-Anordnung in eine Vorrichtung zum Aufdampfen oder Aufsputtern eingebracht werden kann. Dies macht die Ausbildung von Dünnfilm-DMS- Anordnungen trotz ihrer Vorteile an größeren und geometrisch komplizierter geformten Körper unmöglich oder erschwert sie zumindest. Die vorstehend beschriebene, bevorzugte Geometrie des erfindungsgemäßen Meßelementes liefert dagegen in Form der ebenen Grundfläche gut geeignete Voraussetzungen für die Ausbildung von Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen. Durch das erfindungsgemäße Meßelement wird somit in vielen An­ wendungsfällen erstmals die Ausnutzung der Vorteile von Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen zu Torsions- und Drehmoment­ meßzwecken möglich.

Das erfindungsgemäße Meßelement in seiner bevorzugten Ausführungsform wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt in eine als Bohrung ausgebildeter Ausnehmung im verformten Abschnitt des Körpers, wobei die Bohrungsachse die Torsionsachse schneidet. Das Meßelement wird derart in die Bohrung einge­ setzt, daß die DMS-Anordnung dem Bohrungsinneren zugewandt ist, so daß die gesamte DMS-Anordnung gegenüber Beschädigun­ gen von außen geschützt ist. Die feste Verbindung des Meßelementes mit dem Körper wird dabei vorzugsweise durch Schweißen in der Fuge zwischen dem Flansch des Meßelementes und der Bohrungswand hergestellt. Abgesehen davon, daß das Schweißen ein technisch leicht ausführbares Ver­ bindungsverfahren ist, ist ferner von Vorteil, daß sich möglicherweise dennoch einstellende Schweißfehler nicht auf das Meßergebnis auswirken. Ursächlich hierfür ist der verdickte Flansch des Meßelementes, der aufgrund seiner eigenen relativen Steifigkeit auch dann noch die Verformung des verformten Abschnitts unverändert zum Rand der Membran überträgt, wenn er seinerseits nicht an allen Stellen seines Umfangs gleichmäßig fest mit der Bohrungswand verbun­ den ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Hohlwelle zur Erläuterung des Prinzips der Erfin­ dung;

Fig. 2 eine Ansicht von zwei Mantellinien der Hohlwelle gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine kreisförmige Membran im unverformten und verformten Zustand;,

Fig. 4 einen Schnitt nach A-A in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt nach B-B in Fig. 3;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Meßelementes im montierten Zustand;,

Fig. 7 eine ausschnittsweise Darstellung des Schicht­ aufbaus einer Dünnfilm-DMS-Anordnung;

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Brückenschaltung des Meßelementes;

Fig. 9 das Schaltungsschema der Brückenschaltung gemäß Fig. 8;

Fig. 10 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine Welle mit einem Meßelement; und

Fig. 11 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, der Welle gemäß Fig. 10.

Im folgenden wird zunächst das Prinzip der Erfindung anhand der schematischen Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Hohlwelle 2, die ein Beispiel für einen stabförmigen, zur Übertragung eines Drehmoments M geeigneten und bestimmten Körper dar­ stellt. Die zylindrische Hohlwelle 2 hat ein kreisring­ förmiges Profil. Wenn sie durch das Drehmoment M belastet ist, wird die Hohlwelle 2 verdreht, und zwar um die mit ihrer geometrischen Achse zusammenfallende Torsionsachse T. Diese Verformung der Hohlwelle 2 in Form einer Verdrehung bzw. Torsion ist eine elastische Verformung innerhalb des durch den Werkstoff der Hohlwelle vorgegebenen Hookeschen Bereichs und somit proportional zum Drehmoment M.

Fig. 1 zeigt zwei zueinander parallele Mantellinien 4 und 6, die für den unbelasteten Zustand der Hohlwelle 2 ausgezogen dargestellt sind. Durch die Torsion der Hohl­ welle 2 aufgrund des Drehmoments M werden diese Mantellinien schraubenlinienförmig, wie dies gestrichelt in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 2 zeigt in einer Abwicklung schematisch die Mantellinien 4 und 6 der unbelasteten Hohlwelle sowie die sich aus den Mantellinien 4 und 6 durch die Verformung ergebenden Mantellinien 4′ und 6′. Wie Fig. 2 erkennen läßt, verringert sich der Abstand zwischen den Mantellinien 4 und 6 aufgrund der Torsion von einem Wert a auf einen Wert a′. Zugleich verlängern sich die Mantellinien von einem Wert b auf einen Wert b′. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß in der Mantelfläche der Hohlwelle 2 durch die Torsion eine Dehnung in Axialrichtung und eine Stauchung in Umfangsrichtung erfolgt.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine kreisförmige flache Membran 8, von der angenommen wird, daß ihre Membranebene im wesentlichen in der Mantelfläche der Hohlwelle 2 liegt und daß ihr Rand fest verbunden ist mit dem umgebenden Abschnitt der Hohlwelle 2, so daß die Membran 8 an der vorstehend beschriebenen, torsions­ bedingten Verformung teilnimmt. Abgesehen von ihrem einge­ spannten Rand kann sich die flache Membran 8 frei auslenken. Aufgrund der anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten Verformung wird die Membran 8 im wesentlichen in Axialrichtung der Hohlwelle 2, die in Fig. 3 durch einen Doppelpfeil X ange­ deutet ist, gedehnt und im wesentlichen in Umfangsrichtung, die in Fig. 3 durch einen Doppelpfeil U angedeutet ist, gestaucht, so daß sie eine im wesentlichen elliptische Form annimmt. Im verformten Zustand ist die Membran durch das Bezugszeichen 8′ bezeichnet. Klargestellt sei, daß die kreisförmige Membran 8 nicht geometrisch genau zu einer Ellipse verformt wird und daß auch die Hauptachsen der Verformung nicht genau mit der Axialrichtung X und der Umfangsrichtung U zusammenfallen, denn die Torsion der Welle hat nicht nur die anhand von Fig. 2 erläuterten Längenände­ rungen, sondern auch Winkeländerungen zur Folge. Ferner wird bei der Torsion auch der Rand der Membran senkrecht zur Ebene der unverformten Membran verformt, was nicht darge­ stellt ist. Für die vorliegende Erläuterung reicht es jedoch aus, lediglich eine Dehnung der Membran in Richtung einer Achse (Axialrichtung X) und eine Stauchung der Membran in Richtung einer dazu im wesentlichen senkrechten Achse (Umfangsrichtung U) zu berücksichtigen.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Membran gemäß A-A in Fig. 3, wobei der Umriß des Querschnits der nicht verformten Membran mit ausgezogenen Linien dargestellt ist und der Schnitt durch die neutrale Ebene der verformten Membran gestrichelt durch eine Kurve 10 dargestellt ist. Das Stauchen der Membran in Umfangsrichtung U hat zur Folge, daß die Membran senkrecht zu ihrer Membranebene auszuweichen versucht, so daß die Membran 8 eine gewisse Welligkeit ausbildet, wie dies durch die Kurve 10 schematisch gezeigt ist. Die Wellenkämme und Wellentäler verlaufen dabei im wesentlichen in Axialrichtung X. Dies heißt mit anderen Worten, daß die verformte Membran zonenweise zur einen und/oder anderen Seite aufgewölbt ist, wie dies schematisch Fig. 5 zeigt. In Fig. 5 ist wiederum der Umriß des Querschnitts der nicht verformten Membran 8 mit ausgezogenen Linien dargestellt, während der Schnitt durch die neutrale Ebene der verformten Membran durch eine gestrichelte Kurve 12 dargestellt ist. Durch die torsionsbedingte Dehnung wandert ein Randpunkt D der Membran zum Punkt D′, während zugleich ein Randpunkt C der Membran zum Punkt C′ wandert. Der Abstand c zwischen den Punkten C und D wird dabei auf den Abstand c′ zwischen den Punkten C′ und D′ vergrößert. Wegen der festen Verbindung des Randes der Membran 8 mit dem umgebenden, verformten Abschnitt der Hohlwelle 2 ist die Differenz Δ 1=c′-c gleich der torsionsbedingten Längenän­ derung des verformten Abschnitts der Hohlwelle in der betrachteten Schnittebene. Wie Fig. 5 erkennen läßt, ist jedoch wegen der Krümmung der Kurve 12 die entlang dieser Kurve gemessene Länge c′′ des Kurvenstücks zwischen den Punkten C′ und D′ größer als der Abstand c′. Entlang der Membranoberfläche erfolgt aufgrund der Verformung in der Schnittebene von Fig. 5 eine Längenänderung von c zu c′′, wobei diese Längenänderung Δ 2=c′′-c wegen c′′ < c′ größer ist als die Längenänderung Δ 1.

Durch die Übertragung der Längenänderung Δ 1 auf die Membran 8 erfolgt somit eine mechanische Verstärkung im Verhältnis Δ 2/Δ 1. Dies wird bei der Erfindung ausge­ nutzt, indem eine DMS-Anordnung an der Membran befestig wird und somit der größeren Längenänderung Δ 2 ausgesetzt ist als der in der Hohlwelle 2 bewirkten Längenänderung Δ 1.

Klargestellt sei, daß die Kurve 10 die Aufwölbung schema­ tisch zeigt und insbesondere nicht in jedem Fall zwei linke (in Fig. 4) Wellenkämme und ein Wellental auftreten. Ferner sind der betrachteten Verformung der Membran 8 aufgrund von Dehnung und Stauchung weitere, nicht dargestellte und nicht erläuterte, Verformungen überlagert. Der Verstärkungseffekt ist jedoch schon in vorstehender Weise erläuterbar.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines montierten Meßelementes 16. Dieses umfaßt eine flache, ebene, kreis­ förmige Membran aus einem metallischen Werkstoff, beispiels­ weise einem austhienitischen Stahl. Einstückig mit der Membran 8 ist ein verdickter Flansch 18 ausgebildet, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines geschlossenen Ringflansches hat. Dieser Ringflansch befindet sich nur auf einer Seite der Membran 8, so daß die Einheit aus der Membran 8 und dem Flansch 18 im Querschnitt ein flaches U-Profil hat und auf der anderen Seite der Membran 8 eine ebene Grundfläche 20 aufweist. Verdickt ist der Flansch 18 in Dickenrichtung der Membran 8, so daß er in dieser Richtung beispielsweise eine Abmessung hat, die gleich dem Siebenfachen der Dicke d der Membran 8 ist. Radial innen und außen ist der Flansch 18 begrenzt durch kreiszylindrische Mantelflächen, deren Mantellinien parallel zueinander ver­ laufend senkrecht zur Membranebene stehen.

Das Meßelement 16 ist eingesetzt in einen verformten Abschnitt 14 des Körpers, dessen Torsion gemessen werden soll, also beispielsweise in die Wand der Hohlwelle 2. In diesem Abschnitt 14 ist eine Ausnehmung 22 in Form einer Bohrung ausgebildet, in die das Meßelement 16 mit seinem Flansch 18 eingepaßt ist. In der Fuge zwischen der Innenwand der Ausnehmung 22 und der Außenwand des Flansches 18 sind der Abschnitt 14 und das Meßelement 16 miteinander ver­ schweißt, wie dies durch die Schweißnaht 24 gezeigt ist, die beispielsweise durch Laserschweißen erzeugt worden sein kann.

Bevorzugte Abmessungen des vorstehend beschriebenen Meßele­ mentes sind eine Dicke d von 0,21 mm, ein Innendurchmesser des Flansches 18 von 4,0 mm, eine radiale Dicke e des Flansches 18 von 1,5 mm und eine axiale Höhe h von 1,5 mm.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ausbildung ist die Membran 8 an ihrem Rand mit dem verformten Abschnitt 14 verbunden, so daß sie an dessen Verformung teilnimmt und dabei ihrerseits in der vorstehend anhand der Fig. 1 bis 5 erläuterten Weise verformt wird. Der verdickte Flansch 18 stellt ein Element mit verhältnismäßig großer Querschnitts­ fläche und verhältnismäßig großem Volumen dar, so daß er einerseits relativ steif ist und andererseits eine wesent­ lich größere Wärmekapazität als die Membran 8 hat. Dies führt dazu, daß die beim Verschweißen des Meßelementes 16 mit dem verformten Abschnitt 14 auftretenden Wärmebela­ stungen und temperaturbedingten mechanischen Spannungen weitgehend vom Flansch 18 absorbiert werden, so daß die Membran 8 und insbesondere die von ihr getragene, noch zu erläuternde DMS-Anordnung 26 sowie deren Lötstellen 28 vor zu hoher Wärmebelastung während des Verbindens des Meßele­ mentes 16 mit dem verformten Abschnitt 14 geschützt sind und außerdem temperaturbedingte mechanische Spannungen von der Membran 8 ferngehalten sind. Eine Folge der verhältnismäßig großen Steifigkeit des Flansches 18 besteht darin, daß dieser auch dann in gewünschter Weise an der Verformung des Abschnitts 14 teilnimmt und dessen Verformung zur Membran 8 überträgt, wenn der Flansch 18 nicht über seinen gesamten Umfang gleichmäßig fest mit dem Abschnitt 14 verbunden ist, d. h. wenn die Schweißnaht 24 möglicherweise Fehlstellen hat. Beispielsweise selbst dann, wenn der Flansch 18 nur am rechten und linken Scheitelpunkt des elliptischen Umrisses der Membran 8′ gemäß Fig. 3 mit dem Abschnitt 14 verbunden wäre, würde bei einer Verformung des Abschnitts 14 der verdickte Flansch 18 und somit die von ihm gehaltene Membran 8 im wesentlichen in die elliptische Form gebracht werden. Dies heißt mit anderen Worten, daß die mittels des beschriebenen Meßelementes 16 durchgeführte Messung der Torsion eines Körpers verhältnismäßig unempfindlich ist gegen Fehler, die beim Verbinden des Meßelementes mit dem verformten Abschnitt 14 des Körpers auftreten könnten.

Auf der ebenen Grundfläche 20 ist die DMS-Anordnung 26 fest angebracht. Diese ist in Dünnfilmtechnik hergestellt. Ihr Schichtaufbau ist schematisch in Fig. 7 gezeigt. An der Grundfläche 20 haftet eine isolierende SiO₂-Schicht 30. An dieser haftet eine Widerstandsschicht 32, in der die Widerstände der DMS-Anordnung ausgebildet sind. Diese elektrischen Widerstände bestehen beispielsweise aus NiCr. An der Widerstandsschicht 32 haftet eine Leiterschicht 34, in der die elektrischen Leiter und Kontaktflächen ausgebil­ det sind und die beispielsweise aus Ni besteht. An der Leiterschicht 34 haftet eine Schutzschicht 36, die wiederum beispielsweise aus SiO₂ besteht. Die Herstellung einer derartigen Dünnfilm-DMS-Anordnung ist an sich bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert. Da diese Dünnfilm- DMS-Anordnung an der Einheit aus der Membran 8 und dem Flansch 18 angebracht wird, bevor das Meßelement 16 mit dem verformten Abschnitt 14 verbunden wird, stößt die Durchfüh­ rung der bei der Herstellung der DMS-Anordnung in Dünnfilm­ technik erforderlichen Schritte auf keine besonderen Schwie­ rigkeiten und sind all diejenigen Schwierigkeiten vermieden, die auftreten würden, wenn versucht würde, eine Dünnfilm- DMS-Anordnung an dem auf Torsion beanspruchten Körper, beispielsweise der Hohlwelle 2, anzubringen, der wesentlich größer als die Einheit aus der Membran 8 und dem Flansch 18 sowie komplizierter geformt ist.

Wie Fig. 6 erkennen läßt, ist das Meßelement 16 am bzw. im verformten Abschnitt derart angeordnet, daß die DMS-Anord­ nung 26 des Meßelementes dem Inneren des Körpers, beispiels­ weise dem Inneren der Hohlwelle 2 gewandt ist, so daß die DMS-Anordnung 26 vor Beschädigungen von außen geschützt ist.

Fig. 8 zeigt in Draufsicht die in der Widerstandsschicht 32 ausgebildeten elektrischen Widerstände sowie die in der Leiterschicht 34 ausgebildeten Leiter und Kontaktflächen. Das zugeordnete Schaltungsschema ist in Fig. 9 gezeigt. Die Anordnung der Widerstände auf der Membran 8 ist außer in Fig. 8 auch schematisch in Fig. 3 gezeigt.

Die DMS-Anordnung 26 umfaßt vier jeweils einen Dehnungsmeß­ streifen bildende Widerstände R1, R2, R3 und R4. Diese sind in der in Fig. 9 erkennbaren Weise zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke geschaltet, der über zwei Kontaktflächen 40 und 44 die Speisespannung U_B zugeführt wird, während über zwei Kontaktflächen 38 und 42 die Signalspannung U_S abgenommen wird. Wenn die Widerstände in der in Fig. 3 gezeigten Weise auf der Membran 8 angeordnet sind, führt eine Verformung der Membran 8 zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Widerstände R2 und R4, wie dies in Fig. 9 durch Pfeile neben diesen Widerständen angedeutet ist, und zu einer Verringerung des elektrischen Widerstandes der Widerstände R1 und R3, wie dies ebenfalls durch Pfeile in Fig. 9 angedeutet ist. Demzufolge addieren sich die Signale der vier Dehnungsmeßstreifen bzw. Widerstände zur Signalspannung U_S. Diese ist wegen der anhand der Fig. 1 bis 5 erläuterten mechanischen Verstärkungswirkung der Membran größer, als wenn die gleiche DMS-Anordnung unmittelbar auf der Ober­ fläche des verformten Abschnitts 14 angebracht wäre.

Die Fig. 10 und 11 zeigen als Beispiel für einen stabför­ migen, auf Torsion beanspruchten Körper eine als Hohlwelle ausgebildete Welle 46. An ihren beiden axialen Enden ist die Welle 46 mit Kupplungsflanschen 48 versehen. Die zylindri­ sche Wand 50 der Welle 46 zwischen den Flanschen 48 bildet den bei Torsionsbeanspruchung verformten Abschnitt 14 der Welle. An diesem Abschnitt 14 ist eine Abflachung 52 ausgebildet, in der wiederum die Ausnehmung 22 als Bohrung ausgebildet ist. In der Ausnehmung 22 ist das bereits anhand der Fig. 6 bis 8 erläuterte Meßelement 16 befestigt, wobei dessen Membranebene im wesentlichen parallel zur Torsions­ achse T der Welle 46 derart verläuft, daß die auf der Mitte der Membran 8 errichtete Normale N die Torsionsachse T schneidet. Durch diese Anordnung des Meßelementes 16 in der Wand 50 der Welle 46 ist sichergestellt, daß die Membran 8 im wesentlichen in einer zylindrischen Mantelfläche der Welle 46 liegt und die zweiachsige Verformung, bestehend aus Stauchung und Dehnung, erfährt, wie sie anhand der Fig. 1 bis 5 erläutert worden ist.

An die Kontaktflächen 38, 40, 42 und 44 sind elektrische Leitungen angeschlossen, von denen in Fig. 10 lediglich zwei Leitungen 54 und 56 gezeigt sind, wobei der Anschluß beispielsweise über die Lötstellen 28 (siehe Fig. 6) erfolgt. Diese Leitungen führen beispielsweise zu einem (nicht gezeigten) Steckeranschluß, wenn die Welle 46 stationär ist oder lediglich in einem begrenzten Winkel­ bereich gedreht wird, oder zu (nicht dargestellten) Schleif­ ringen auf der Welle 46, wenn diese im Betrieb umläuft.

Wie die Fig. 10 und 11 erkennen lassen, ist die DMS-Anord­ nung 26 geschützt im Inneren der Welle 46 angeordnet. Ermöglicht ist dies dadurch, daß zunächst die DMS-Anordnung 26 an der Membran 8 des Meßelementes 16 angebracht worden ist, bevor das Meßelement 16 mit der Welle 46 fest verbunden worden ist. Die Fig. 10 und 11 lassen ohne weiteres erkennen, daß an gleicher Stelle, nämlich auf der Innenseite der Wand 50, eine Dünnschicht-DMS-Anordnung unmittelbar nicht hätte ausgebildet werden können. Klargestellt sei jedoch, daß die mechanische Verstärkungswirkung der Membran 8 auch dann auftritt und anwendbar ist, wenn die DMS-Anord­ nung beispielsweise als Foliendehnungsmeßstreifen ausgebil­ det ist, wenn sie auf der radial äußeren Seite der Membran angeordnet ist und wenn die Membran auf andere Weise als mittels des verdickten Flansches 18 am verformten Abschnitt 14 befestigt ist.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Messen der Torsion eines stabförmigen Körpers mittels einer DMS-Anordnung. Diese wird nicht unmittelbar am verformten Abschnitt des Körpers sondern an einer flachen, vorzugsweise scheibenförmigen Membran befestigt, die ihrerseits mit ihrem Rand am verformten Abschnitt fest angebracht ist. Die Membran bewirkt eine mechanische Verstärkung der zu messen­ den Verformung und somit eine stärkere Signalspannung. Zur Anwendung kommt dabei vorzugsweise ein Meßelement, das einen entlang dem Rand der Membran verlaufenden, verdickten Flansch aufweist, der einstückig mit der Membran ausgebildet ist und seinerseits am verformten Abschnitt befestigt ist, so daß er dessen Verformung zur Membran überträgt, jedoch störende Spannungen von der Membran fernhält und für vergleichmäßigte Krafteinleitung in die Membran sorgt.

Claims (13)

1. Verfahren zum Messen der Torsion eines stabförmigen Körpers um dessen Torsionsachse, wobei mit einem aufgrund und während der Torsion verformten Abschnitt des Körpers zumindest ein metallischer Dehnungsmeßstreifen verbunden wird, auf den die Verformung übertragen wird und dessen dadurch verursachte elektrische Widerstandsänderung als Maß für die Torsion gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem verformten Abschnitt des Körpers eine flache Membran an deren Rand fest verbunden wird und daß der zumindest eine Dehnungsmeßstreifen an der Membran befestigt wird, so daß die Membran die Verformung vom verformten Abschnitt zum Dehnungsmeßstreifen überträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran derart angeordnet wird, daß ihre Membranebene im wesentlichen parallel zur Torsionsachse verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran derart angeordnet wird, daß ihre Mittennormale die Torsionsachse schneidet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der zumindest eine Dehnungsmeß­ streifen an der Membran befestigt wird und danach die Membran mit dem verformten Abschnitt verbunden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im verformten Abschnitt des Körpers eine Ausnehmung ausge­ bildet wird und daß die Membran derart in der Ausnehmung angeordnet wird, daß sich der zumindest eine Dehnungsmeß­ streifen auf der dem Inneren des Körpers zugewandten Seite der Membran befindet.

6. Meßelement zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer flachen DMS-Anordnung aus zumindest einem metallischen Dehnungsmeßstreifen und zugehö­ rigen metallischen Kontaktflächen, gekennzeichnet durch eine flache Membran (8), die einstückig ausgebildet ist mit einem entlang dem Rand der Membran verlaufenden, verdickten Flansch (18), der zur Befestigung des Meßelementes (16) an einem Körper (46) dient, dessen Torsion gemessen werden soll, wobei die DMS-Anordnung (26) auf einer Seite der Membran fest angebracht ist.

7. Meßelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verdickte Flansch (18) außen durch eine Mantelfläche mit zueinander parallelen Mantellinien begrenzt ist, die senkrecht zur Membranebene verlaufen.

8. Meßelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flache Membran (8) kreisförmig ist und daß der Flansch (18) ein geschlossener Ringflansch ist.

9. Meßelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Membran (8) 0,16 bis 0,26 mm, vorzugsweise 0,21 mm, beträgt, daß der Innendurchmesser des Flansches (18) 3 bis 6 mm beträgt, daß die radiale Dicke (e) des Flansches 1,0 bis 2,5 mm beträgt und daß die axiale Höhe (h) des Ringflansches 1,0 bis 4 mm beträgt.

10. Meßelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (18) auf nur einer Seite der Membran (8) ausgebildet ist, so daß die Einheit aus Membran und Flansch im Querschnitt ein flaches U-Profil hat und auf der anderen Seite der Membran eine ebene Grundfläche (20) aufweist.

11. Meßelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS-Anordnung (26) auf der ebenen Grundfläche (20) ausgebildet ist.

12. Meßelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS-Anordnung (26) eine Dünnfilm-Anordnung ist.

13. Meßelement nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS-Anordnung (26) vier Dehnungsmeß­ streifen (R1, R2, R3, R4) aufweist, die elektrisch leitend zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke verbunden sind.