DE4208522C2 - Drehmomentsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor mit ei­ ner in Bezug auf die Drehmomentachse radial innenliegenden Innennabe und einem dazu konzentrischen, radial außenliegenden Außenring, die durch mehrere radial verlaufende Stege mitein­ ander verbunden sind.

Solche Drehmomentsensoren werden an drehenden oder festen Wel­ len zur Bestimmung von übertragenen Drehmomenten, aber auch in Kalibrieranlagen eingesetzt. Ein gattungsgemäßer Drehmoment­ sensor ist das sogenannte Speichenrad, welches aus dem "Hand­ buch für elektrisches Messen mechanischer Größen", Rohrbach, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, Seite 515 und 516, bekannt ist. Diese Drehmomentsensoren verfügen über eine Innennabe, die mittels mehrerer Speichen mit einem Außenring verbunden ist. Die Speichen tragen Meßwertgeber, welche die Biegebelastung sensieren. Nachteilig bei den bekannten Speichenrädern ist die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Überlastung, die sehr leicht den gesamten Sensor unbrauchbar macht.

Aus der DE-OS 33 42 817 ist eine Meßnabe vorbekannt, die zwei Anschlußflansche zum übertragen von Drehmomenten enthält. Zwi­ schen den Anschlußflanschen sind axial angeordnete Übertra­ gungselemente befestigt, an denen Meßwertgeber angeordnet s­ ind. Allerdings ist diese Meßnabe nicht geeignet, Drehmomente zu messen, sondern soll nur Kräfte in Übertragungsrichtung oder quer zur Übertragungsrichtung erfassen.

Aus der DE 32 13 319 A1 ist eine Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentenkomponenten in mehreren Richtungen bekannt, bei der sich von einem zentralen Nabenteil vier Speichenteile zu einem starren, ringförmigen Felgenteil radial nach außen erstrecken. Ferner sind vier Sehnenteile vorgesehen, die je­ weils ein Speichenteil abstützen und dessen Verbindung zum Felgenteil herstellen. An den Speichenteilen befinden sich eine Vielzahl von mechano-elektrischen Wandlerelementen. Bei diesen Wandlerelementen handelt es sich um Biegekraftaufneh­ mer, die relativ empfindlich gegen Quer- und Längskräfte sind. Da insbesondere bei Drehmomentwellen diese in Längsrichtung häufig fest eingespannt werden, führt dies wegen der Übertra­ gung der Längskräfte leicht zu Meßfehlern.

Aus der WO 92/18840 ist als nachveröffentlichter Stand der Technik mit älterem Zeitrang ein Drehmomentwandler bekannt, der eine Torsionsmeßscheibe enthält. Diese Torsionsmeßscheibe besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring mit Keilnuten und dazwischen angeordneten radialen Verbindungsstegen. Dabei sind auf einer axialen Seite der Stege Scherkraftaufnehmer angeordnet, die zu einer Wheatstone'schen Meßbrücke verschal­ tet sind und zur Erfassung des Drehmoments dienen. Allerdings sind die Scherkraftaufnehmer außen an den axialen Stirnflächen der Verbindungsstege angeordnet und daher gegen äußere Beschä­ digungen nicht geschützt.

Als Drehmomentsensoren mit ausreichender Robustheit haben sich sogenannte Meßwellen bewährt, die eine auf Torsion beanspruch­ te Meßfeder aufweisen. Nachteilig bei diesen Meßwellen ist jedoch der nicht unbeträchtliche Raumbedarf, insbesondere die große Baulänge, und der konstruktive Aufwand zur Verringerung der Biegemoment- und Querkrafteinflüsse.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehmo­ mentsensor zu schaffen, dem diese Nachteile nicht anhaften, und der sich durch besondere Kompaktheit auszeichnet, insbe­ sondere kurzbauend ist und darüber hinaus besonders robust gegen eventuelle Überlastungen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus­ führungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Ausbildung der eigentlichen Meßfeder als Schubele­ mente wird eine hohe Sicherheit gegen Überlastungsschäden ge­ währleistet, ohne daß dadurch die Meßempfindlichkeit leidet. Dazu sollte die Erstreckung der Stege zwischen der Innennabe und dem Außenring weniger als den 1,5-fachen Wert seiner Er­ streckung in Umfangsrichtung betragen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die einen besonders gelungenen Kompromiß in Bezug auf Robustheit und Meßempfindlichkeit darstellt, ist vorgesehen, daß das Verhält­ nis der Erstreckung zwischen der Innennabe und dem Außenring und der Erstreckung in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Dadurch ergibt sich außerdem eine hohe Verdreh­ steifigkeit bzw. kleine Verdrehwinkel, so daß sehr hohe Eigen­ frequenzen des Meßsystems erreichbar sind.

Eine besonders geringe Baulänge läßt sich erreichen, wenn sich die Innennabe und der Außenring koaxial umgeben. Bei dieser Ausführungsform lassen sich die Meßwertgeber an parallel zu den Stirnseiten der Innennabe bzw. des Außenringes verlaufen­ den Flächen der Stege anordnen, wodurch bei hoher Meßempfind­ lichkeit eine besonders günstige Montagemöglichkeit und Zu­ gänglichkeit der Applikationsstelle erreicht wird.

Eine in Bezug auf die Meßempfindlichkeit besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Meßwertgeber als Dehnungsaufnehmer ausgeführt sind, die in einem Winkel von 45° +/- 10° zur Längsachse der Stege angeordnet sind.

Eine besonders robuste Ausführung eines solchen Sensors, der darüber hinaus sehr günstige geschützte Applikationsmöglich­ keiten für die Meßwertgeber bietet, erhält man, wenn die Stege mit I-Profil ausgebildet sind. Aufgrund der guten Applikationsmöglichkeiten und der hohen Meßsicherheit ist es von Vorteil, wenn die Meßwertgeber als Dehnungsmeßstreifen ausgeführt sind. Ideale Meßwertgeber zur Bestimmung von Scher­ kräften sind Dehnungsmeßstreifen-Rosetten mit zwei Meßgittern und einem 45°-Gitterwinkel. Ein besonders hohes Ausgangssignal erhält man, wenn alle Meßgitter zu einer Meßbrücke, insbeson­ dere zu einer Diagonal-Meßbrücke, verschaltet sind.

Um zusätzlich zum Drehmoment auch Axialkraftkomponenten messen zu können, ist es von Vorteil, wenn weitere Meßwertgeber an den Stegen angeordnet sind. Durch vollständige Applikation der Schubelemente läßt sich ein hochgenauer Drehmomentsensor auf­ bauen, der z. B. als Kalibrier-Transferaufnehmer einsetzbar ist.

Weitere vorteilhafte Merkmale sowie Aufbau und Funktion der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Hierzu zeigt

Fig. 1 die stirnseitige Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A/A der Fig. 1 und

Fig. 3 einen Viertelschnitt in perspektivischer Dar­ stellung.

Der scheibenförmige Drehmomentsensor besitzt einen Außenring 1 und eine konzentrisch verlaufende Innennabe 2, die durch vier radial verlaufende Stege 3 miteinander verbunden sind. Der Außenring 1 und die Innennabe 2 sind durch vier zwischen den Stegen 3 liegende Ausnehmungen 4, welche jeweils die Form eines Kreisringstückes mit abgerundeten Endbereichen aufweisen, voneinander getrennt.

Sowohl der Außenring 1 als auch die Innennabe 2 weisen mehrere am Umfang verteilte Durchgangsbohrungen auf, durch welche sie mit entsprechenden Wellenflanschen zwecks Drehmomentübertragung verschraubbar sind.

Um eine besonders hohe Stabilität, insbesondere Biegestei­ figkeit, zu erreichen, sind die Stege 3 als I-Profile mit zwischen zwei Flanschbereichen 5 herausgefrästem Stegab­ schnitt 6 ausgebildet, wobei die Stegabschnitte parallel zur Stirnseite von Innennabe 2 und Außenring 1 verlaufen. Zur Gewährleistung einer besonderen Stabilität und Biegefestigkeit der Stege 3 ist auch vorgesehen, daß die Länge der Stege 3, das heißt die Erstreckung in radialer Richtung, und die Breite, das heißt die Erstreckung in Umfangsrichtung, etwa gleich groß ist.

Auf jedem Stegabschnitt 6 eines Steges 3 ist beidseitig je ein Dehnungsmeßstreifen mit zwei Meßgittern appliziert, wobei der Gitterwinkel 45° zur Steglängsachse beträgt. Dadurch läßt sich mit hoher Empfindlichkeit die Scher­ belastung ermitteln, welche unter Beaufschlagung des Drehmomentsensors durch ein Drehmoment auftritt. Zur Erzielung eines hohen Ausgangssignals werden die Meßgitter eines Dehnungsmeßstreifens (die Dehnungsmeßstreifen sind in Fig. 1 schematisch angedeutet) zu einer Diagonalbrücke verschaltet.

Das am Sensor angreifende Drehmoment kann, da der Teilkreis (Stegmitte) bekannt ist, auf einfache Weise aus den in Umfangsrichtung wirkenden Scherbelastungen der vier Stege 3 ermittelt werden.

Claims (8)

1. Drehmomentsensor mit einer in Bezug auf die Drehmoment­ achse radial innenliegenden Innennabe (2) und einem dazu konzentrischen, radial außenliegenden Außenring (1), die durch mehrere radial verlaufende Stege (3) miteinander verbunden sind, wobei die Stege (3) ein I-Profil aufwei­ sen, das durch Stegabschnitte (6) bewirkt wird, die vorder- und rückseitige Ausnehmungen auf den Stirnseiten der Stege (3) in axialer Richtung aufweisen und wobei ferner auf den parallel zu den Stirnseiten liegenden Flä­ chen der Stege (3) in diesen Ausnehmungen Scherkraft-Meß­ aufnehmer angeordnet sind.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung eines Steges (3) zwischen der Innen­ nabe (2) und dem Außenring (1) weniger als den 1,5-fachen Wert seiner Erstreckung in Umfangsrichtung beträgt.

3. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Erstrec­ kung zwischen der Innennabe (2) und dem Außenring (1) und der Erstreckung in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegt.

4. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber Dehnungsauf­ nehmer sind, welche in einem Winkel von 45° +/- 10° zur Längsachse der Stege (3) angeordnet sind.

5. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber Dehnungsmeß­ streifen sind.

6. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber Dehnungsmeßstreifen-Rosetten mit zwei Meßgittern und ei­ nem 45°-Gitterwinkel sind.

7. Drehmomentsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgitter zu einer Diagonal-Meßbrücke verschaltet sind.

8. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) weitere Meß­ wertgeber zur Ermittlung von Axialkraftkomponenten tra­ gen.