DE4110280C2 - Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung des durch einen drehbaren Verformungskörper hindurchge­ leiteten Drehmomentes, wobei dieser Verformungskörper axial und/oder radial benachbarte Bereiche aufweist, die sich bei Durchleitung eines Drehmomentes relativ zueinan­ der elastisch verdrehen, und die in Umfangsrichtung er­ folgende Relativdrehung zwischen diesen Bereichen mittels mehrerer über den Umfang verteilter, elastisch angelenk­ ter Hebel in eine verstärkte Axialbewegung eines Geber­ ringes übersetzt und diese Axialbewegung als Maß für das übertragene Drehmoment gemessen wird, wozu die genannten Hebel gabelförmig ausgebildet und mit ihren beiden Gabel­ zinken an dem einen bzw. an dem anderen Bereich angelenkt sind, während der Gabelstiel an dem Geberring angelenkt ist.

Eine derartige Meßeinrichtung ist durch die DE-OS 37 08 103, Fig. 14-16 bekannt. Sie zeichnet sich durch hohe Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit aus.

Außerdem ist es bei der gleichen Meßeinrichtung durch die DE-OS 39 07 707 bekannt, den Herstellungsaufwand dadurch zu verringern, daß der Verformungskörper mit seinen rela­ tiv zueinander verdrehbaren Bereichen zusammen mit den Gabelzinken und den Gabelstielen der über dem Umfang ver­ teilten Hebel als einstückiges Gußteil ausgebildet wird. Diese Zusammenfassung mehrerer bisher getrennter Funk­ tionselemente zu einem einzigen Bauteil verringert zwar den Montageaufwand der Meßeinrichtung erheblich, verlangt aber zur Einhaltung enger Maßtoleranzen die Anwendung von Feinguß, der im Ausschmelz- oder Croning-Verfahren gewonnen wird und daher relativ aufwendig ist.

Schließlich ist es durch die DE 38 02 684 bei ähnlichen Meßeinrichtungen bekannt, die entsprechenden hebelartigen Bauelemente durch Stanzen herzustellen.

Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Meßeinrichtung dahingehend zu verbessern, daß sie auf wesentlich kostengünstigere Weise hergestellt werden und insbesondere auch in der Großserienfertigung Eingang finden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß alle funk­ tionalen Teile der Meßeinrichtung trotz ihrer teilweise komplizierten Form als Stanzteile gefertigt werden können, wenn man zumindest die Hebel zusätzlich prägt. Dies in Verbindung mit der anschließenden Schweiß- oder Lötverbindung aller genannten Teile ergibt eine drasti­ sche Reduzierung der Fertigungskosten. Damit eröffnet diese Herstellungsweise den Weg, die Meßeinrichtung kostengünstig in Großserie herzustellen.

Durch die Unterteilung des Verformungskörpers gelingt es, den Verformungskörper auch dann, wenn sehr hohe Drehmomente und Drehmomentstöße, wie etwa im Antriebsstrang von Kraft­ fahrzeugen, übertragen werden müssen, aus einzelnen, je­ weils für sich stanzfähigen Teilstücken zusammenzusetzen.

Die drehfeste Verbindung zwischen den zusammengehörenden Bereichen kann dabei durch Einprägungen, gegenseitiges Verzahnen, durch quer hindurchlaufende Bolzen, Befesti­ gungsschrauben oder dergleichen erfolgen.

Um ein zuverlässiges, maschinelles Verschweißen der Hebel mit den relativ zueinander verdrehbaren Bereichen des Verformungskörpers sicherzustellen, ist es besonders gün­ stig, den Verformungskörper nicht nur in etwa gleich starke Teilstücke aufzuteilen, sondern daneben ein in seiner Dicke davon abweichendes Endstück vorzusehen, das etwa der Wandstarke der Gabelzinken des Hebels entspricht und dieses Endstück mit den Gabelzinken zu verschweißen. Man erhält dadurch nicht nur die erwünschte, stanzfähige Materialstärke bei den Teilstücken des Verformungskör­ pers, sondern begünstigt zugleich auch durch die abge­ stimmte Wandstärke des Endstückes die Verschweißung mit dem Hebel.

Grundsätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, den Hebel als einteiliges Stanzteil herzustellen. Statt dessen kann der Hebel aber auch aus zwei separaten Stanzteilen, von denen jedes einen Gabelzinken trägt, gebildet werden, wo­ bei diese Stanzteile anschließend zusammengeschweißt werden.

Hinsichtlich des Zusammenschweißens ist das Widerstands­ schweißen, insbesondere das Buckelschweißen besonders zweckmäßig. Es genügt dabei, die Schweißbuckel am Hebel vorzusehen, wobei die Anschlußteile entsprechende Aus­ sparungen aufweisen können, um das Positionieren der He­ bel vor dem Schweißen zu erleichtern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiel es anhand der Zeichnung; Dabei zeigt,

Fig. 1 eine Seitenansicht der Meßeinrichtung

Fig. 2 eine Ansicht in Axialrichtung auf die mit den Hebeln bestückte Stirnseite der Meßeinrichtung

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III/III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Ansicht in Axialrichtung auf die rückwärti­ ge Stirnseite der Meßeinrichtung;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5.

Im Ausführungsbeispiel ist die Meßeinrichtung als naben­ förmiges Teil ausgebildet und funktioniert im Prinzip ge­ nauso wie in der Patentanmeldung P 40 14 521.2, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Wie die Stirnansichten gemäß Fig. 2 und 4 zeigen, besteht der Verformungskörper 50 aus zwei bei Drehmomentübertra­ gung sich relativ zueinander verdrehenden radial benach­ barten Bereichen 1 und 2 mit dazwischenliegenden Ausspa­ rungen 11. Diese beiden Bereiche sind durch drei über den Umfang verteilte, radial verlaufende Biegebalken 3a-3c miteinander verbunden. Die Biegebalken sind in bekannter Weise so dimensioniert, daß es bei Übertragung eines Drehmomentes durch die Meßeinrichtung zu einer dreh­ momentproportionalen Relativdrehung in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimetern zwischen den Bereichen 1 und 2 kommt.

Richtung und Größe dieser Relativdrehung werden durch drei über den Umfang verteilte, gabelförmige Hebel 4a-4c erfaßt, in eine verstärkte Axialbewegung übersetzt und diese Axialbewegung wird auf einen gemeinsamen Geberring 5 übertragen, vergleiche Fig. 1 . Die Axialposition dieses Geberringes 5 wird von einem Meßfehler 6 ermittelt und dient als Maß für das übertragene Drehmoment.

Wesentlich ist nun, daß der Verformungskörper 50 mit seinen sich bei Drehmomentbeaufschlagung elastisch gegen­ einander verdrehenden Bereichen 1 und 2 in mehrere gleichartige Teilstücke, nämlich in flache Scheiben 51, 52, 53 und 54 unterteilt ist, die axial aufeinanderfol­ gen, vergleiche Fig. 1 und 3. Dadurch wird die Wandstärke bezogen auf ein einzelnes Teilstück jeweils auf ein stanzfähiges Maß reduziert. Dabei sind alle Teilstücke zumindest weitestgehend konturgleich und die Teilstücke 51 bis 53 auch gleich dick, während das Teilstück 54, das als Träger für die Hebel 4a-4c fungiert, etwas dünner ausgeführt ist. Somit können alle Teilstücke mitsamt ihren sich radial erstreckenden Biegebalken durch einen einfachen Stanzvorgang hergestellt werden.

Die auf diese Weise gebildeten Innenbereich 151 bis 154 und Außenbereiche 251 bis 254 der Teilstücke 51 bis 54 werden axial fluchtend zusammengebaut und an den Innen- und/oder Außenbereichen miteinander verbunden, so daß ihre relative Verdrehbarkeit bestehen bleibt. Im Ausfüh­ rungsbeispiel erfolgt die Verbindung durch gestanzte Querbohrungen 7 in den Außenbereichen 251 bis 254, ver­ gleiche Fig. 3 und 4.

Während bei den bisher bekannten Bauformen die sich rela­ tiv zueinander verdrehenden Bereiche 1 oder 2 des Verfor­ mungskörpers 50 integraler Bestandteil eines wellen- oder nabenförmigen Körpers waren, ist bei der erfindungsgemä­ ßen Ausgestaltung dieser Teile als Stanzteile die Mög­ lichkeit zur Weiterleitung des Drehmomentes von den Stanzteilen an entsprechende Anschlußteile vorzusehen. Dies kann zweckmäßig über Querbohrungen des inneren und des äußeren Bereiches 1 bzw. 2 erfolgen.

Ebenso ist es aber auch möglich, die Scheiben am inneren oder äußeren Umfang drehfest mit Anschlußteilen zu ver­ binden. In Fig. 3 ist eine solche drehfeste Verbindung zwischen den inneren Bereichen 151 bis 154 einerseits und einem Wellenkörper 8 andererseits mittels einer Kerbver­ zahnung 9 angedeutet. Selbstverständlich kann statt dessen auch jede andere drehfeste Verbindung gewählt werden, wo­ bei diese Verbindung auf Seiten der Bereiche 1 und 2 durch Stanzen und gegebenenfalls durch Prägen herstellbar sein soll.

Wesentlich ist außerdem die Ausbildung der Hebel 4a-4c, die ebenfalls durch Stanzen und Prägen gefertigt werden. Fig. 1 zeigt den Hebel 4a in radialer Ansicht, entspre­ chend einer Ansicht auf Fig. 2 radial von oben. Man er­ kennt, daß er zwei Gabelzinken 40a und 41a aufweist, von denen der Erstgenannte am innenliegenden Bereich 154, der zuletzt genannte am außenliegenden Bereich 254 des Teil­ stückes 54 angeschweißt ist. Beide Zinken laufen bei 42a zusammen, sind dort miteinander verschweißt und der eine Zinken 40a läuft über die Verbindungsstelle 42a hinaus, fungiert dort also als Gabelstiel 43a, der mit dem Geber­ ring 5 verschweißt ist. Schließlich ist im Gabelzinken 41a ein in Radialrichtung wirksames Gelenk 44a angeord­ net.

Das Verschweißen der Gabelzinken untereinander wie auch mit ihren Anschlußteilen erfolgt durch Buckelschweißen. Die vorgeprägten Buckel , die beim Zusammenschweißen flach gedrückt werden, sind gestrichelt in Fig. 1 und durch Kreuzschraffur in Fig. 2 angedeutet. Aus Übersichtlich­ keitsgründen ist in Fig. 2 der Hebel 4b nur durch seine Mittellinie angedeutet und der Geberring 5 teilweise weg­ geschnitten.

Fig. 1 zeigt in Verbindung mit Fig. 3, daß das rechteck­ förmige Stabmaterial für den Hebel 4a etwa die gleiche Wandstärke aufweist wie die mit ihm zu verschweißenden Teile, nämlich wie die inneren und äußeren Bereiche 154 bzw. 254 des Teilstückes 54 und wie der Geberring 5.

Schließlich sei noch auf eine in den Fig. 4-6 darge­ stellte Überlastsicherung hingewiesen. Sie besteht aus einem H-förmigen Teil 10, das an mehreren über den Umfang verteilten Stellen in den Ausnehmungen 11 zwischen den sich relativ zueinander verdrehenden inneren und den äußeren Bereichen der Teilstücke 51 bis 54 angeordnet ist. Seine Aufgabe besteht darin, die Relativdrehung zwi­ schen Innenbereichen 1 und Außenbereichen 2 zu begrenzen, damit die sensiblen Teile der Meßvorrichtung, insbesonde­ re die gabelförmigen Hebel und die elastischen Verbindun­ gen zwischen Innen- und Außenbereichen bei Drehmomentstö­ ßen keine unzulässig hohe Verformung erleiden können. Außerdem hat Teil 10 die Aufgabe bei einem Bruch der ela­ stischen Biegebalken 3 ein gegenseitiges Verdrehen der Bereiche 1 und 2 des Verformungskörpers und ein axiales Auseinanderfallen der Scheiben 51 bis 54 zu verhindern.

Zu diesem Zweck ist das Sicherungsteil 10 in Umfangsrich­ tung mit einem Spiel u von einigen Zehntel Millimetern zwischen Innenbereich 1 und Außenbereich 2 eingebaut. Seine Halterung in Axial- und Radialrichtung erfolgt durch beidseitige Aussparungen 12 im mittleren Teilstück 252, in die entsprechende Vorsprünge 10a des Sicherungs­ teiles eingreifen. Vergleiche Fig. 5 und 6.

Die Begrenzung der elastischen Verdrehung zwischen dem innenliegenden Bereich 1 und dem außenliegenden Bereich 2 erfolgt nur bezüglich der Teilstücke 51 und 53, weil das dazwischenliegende Teilstück 52 in seinem Innenbereich in Radialrichtung verkürzt worden ist - siehe die Kante 152′ in Fig. 6 - , um Platz für das Sicherungsteil 10 zu schaffen.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht insbesondere bei hinsichtlich ihrer Befestigung am Verformungskörper gleichsinnig orientierten Gabelzin­ ken darin, daß die Einbaurichtung der Hebel 4a-4c so gewählt ist, daß der Gabelstiel 43a bei Drehmomentbeauf­ schlagung des Verformungskörpers 50 in der überwiegend zu erwartenden Richtung eine Verlagerung zum Verformungskör­ per hin durchführt.

Diese Wahl der Einbaurichtung geht von folgender Erkennt­ nis aus: Bei Durchleitung eines Drehmomentes durch den Verformungskörper werden die Gabelzinken und die Gabel­ stiele durch Biegemomente beansprucht, die in allen Schweißpunkten als Reaktion nicht nur Schubspannungen, sondern auch Biegespannungen hervorrufen. Bei schwellen­ der Drehmomentbelastung, wie sie im praktischen Einsatz häufig vorkommt, können positive Biegespannungen (Zug­ spannungen) in den Schweißpunkten zu Dauerbrüchen des Materials führen. Liegen hingegen an den selben Stellen negative Biegespannungen (Druckspannungen) vor, so be­ steht diese Gefahr nicht. Um dies zu erreichen, muß die Drehmomentrichtung bei der in Fig. 2 dargestellten Anord­ nung der Hebel 4a-4c im Innenbereich 1 des Verformungs­ körpers im Uhrzeigersinn bzw. am Außenbereich 2 entgegen dem Uhrzeigersinn wirken. Dies ist in Fig. 2 durch ent­ sprechende Pfeile verdeutlicht.

Man erhält also durch die beschriebene Ausrichtung der Hebel 4a-4c eine wesentlich stabilere Verbindung zwi­ schen den Hebeln und den mit ihnen verbundenen Anschluß­ teilen.

Da sich diese Vorteile auch dann ergeben, wenn der Ver­ formungskörper, die Hebel und der Geberring nicht als Stanzteile ausgebildet, sondern auf andere Weise herge­ stellt sind, wird für diese Maßnahme selbstständiger Schutz, also unabhängig von den Merkmalen im Kennzeichen von Patentanspruch 1 beansprucht.

Anstelle des gezeigten nabenförmigen Verformungskörpers kann dieser auch axial benachbarte Anschlußflächen auf­ weisen oder in anderer Weise in ein Maschinenelement, insbesondere eine Welle, integriert sein.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung des durch einen drehbaren Ver­ formungskörper (50) hindurchgeleiteten Drehmomentes, wo­ bei der Verformungskörper (50) axial und/oder radial be­ nachbarte Bereiche (1, 2) aufweist, die sich bei Durch­ leitung eines Drehmomentes relativ zueinander elastisch verdrehen, und die in Umfangsrichtung erfolgende Relativ­ drehung zwischen diesen Bereichen (1, 2) mittels mehrerer über den Umfang verteilter, elastisch angelenkter Hebel (4a-4c) in eine verstärkte Axialbewegung eines Geber­ ringes (5) übersetzt und diese Axialbewegung als Maß für das übertragene Drehmoment gemessen wird, wozu die ge­ nannten Hebel (4a-4c) gabelförmig ausgebildet und mit ihren beiden Gabelzinken (40a, 41a) an dem einen, bzw. dem anderen Bereich (1, 2) angelenkt sind, wogegen der Gabelstiel (43a) an dem Geberring (5) angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (50), die Hebel (4a-4c) und der Geberring (5) jeweils als Stanzteile ausgebildet sind, wozu der Verformungskörper (50) zur Erreichung stanzfähi­ ger Materialstärke in mehrere axial aufeinanderfolgende dünnere Teilstücke (51 bis 54) unterteilt ist und die axial benachbarten Bereiche (151 bis 154; 251 bis 254) drehfest miteinander verbunden sind, wobei zumindest die Hebel (4a-4c) zusätzlich ge­ prägt sind und daß die Hebel durch Schweißen oder Löten mit den relativ zueinander verdrehbaren Bereichen (1, 2) und dem Geberring (5) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (50) in mindestens zwei etwa gleichstarke Teilstücke (51, 52, 53) und ein in seiner Dicke davon abweichendes, etwa der Wandstärke der Gabel­ zinken (40a, 41a) entsprechendes Endstück (54) unterteilt ist und daß das Endstück (54) Träger der Gabelzinken (40a, 41a) ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (51-54) als flache Scheiben ausge­ bildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drehfeste Verbindung (9) zwischen den Teilstücken (51 bis 54) zugleich zur Drehmoment-Einleitung oder Ableitung von bzw. zu benachbarten Anschlußteilen (8) dient.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hebel aus zwei miteinander verschweißten Stanz­ teilen gebildet ist, von denen jedes einen Gabelzinken (40a, 41a) trägt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hebel (4a-4c) vorgeprägte Schweißbuckel zum Buckelschweißen aufweißt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehbarkeit zwischen den Bereichen (1, 2) durch ein zwischengebautes Sicherungsteil (10) begrenzt ist, das ein Auseinanderfallen der Scheiben (51 bis 54) verhindert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaurichtung der Hebel (4a-4c) so gewählt ist, daß die Gabelzinken (40a, 41a) und damit auch der Gabelstiel (43a) bei Drehmomentbeaufschlagung des Verfor­ mungskörpers (50) in der überwiegend zu erwartenden Rich­ tung eine Verlagerung zum Verformungskörper hin durch­ führt.