DE4232993A1

DE4232993A1 - Vorrichtung zur Messung der Torsion und/oder einer relativen Winkelbewegung

Info

Publication number: DE4232993A1
Application number: DE4232993A
Authority: DE
Inventors: Peter Apel; Ernst-Dieter Wambach; Franz-Josef Op Den Winkel; Barrie Lee
Original assignee: AB Elektronik GmbH
Current assignee: AB Elektronik GmbH
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2012-10-02
Also published as: DE4232993C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Torsion und/oder einer relativen Winkelbewegung einer Wellenkonfiguration mit wenigstens einer Spulenanordnung.

In der US-PS 4 682 104 ist eine Vorrichtung beschrieben, die zwei Scheiben verwendet, die in enger Nachbarschaft angebracht sind und mechanisch mit der zu messenden Welle verbunden sind. Eine der Scheiben ist mit Spulen versehen. Die Anordnung und die Ausrichtung der Spulen und damit deren Feldstärke hängt von dem Relativwinkel der Verdrehung zwischen den beiden Scheiben ab. Die Scheiben müssen von außen mit einem Wechselstrom versorgt werden.

Nachteilig ist, daß mit dieser Anordnung an drehenden Wellen nur sehr schwer und mit hohem Meßaufwand über Kontaktabgriffe eine Bestimmung der Torsion bzw. einer Winkelbewegung möglich ist. Darüber hinaus ist durch die Art des Aufbaues der Vorrichtung keine genaue Erfassung der Meßwerte möglich.

Aus der GB-PS 2 065 897 ist eine Vorrichtung bekannt, die zwei Seiten der Scheiben oder Zylinder mit überlappenden Segmenten aufweist. Der Grad der Überlappung entspricht dabei einem bestimmten Drehwinkel. Eine stationäre Spule, die sich in der Nähe des einen oder der beiden Scheiben oder Zylinder befindet, ändert ihre Impedanz durch Wirbelströme, die in den überlappenden Segmenten der Scheiben oder Zylinder induziert werden. Auch hier ist eine Bestimmung der einzelnen Meßwerte nur sehr schwer möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile bei einer Vorrichtung zur Messung der Torsion und/oder einer relativen Winkelbewegung der eingangs genannten Art zu beseitigen und eine Vorrichtung anzugeben, die an einer Wellenkonfiguration eine Bestimmung der Torsion und/oder einer Winkelbewegung in einfacher Weise ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst,

- daß auf der Wellenkonfiguration zwei Spulenanordnungen unter Belassung eines ersten Luftspaltes zwischen ihren Ringsegmenten angeordnet,
- daß eines der Ringsegmente der ersten Spulenanordnung mit einer ersten Ringspule und wenigstens eines der Ringsegmente der zweiten Spulenanordnung mit wenigstens einer weiteren Ringspule verbunden und
- daß die erste und die weiteren Ringspulen unter Belassung eines Luftspaltes von gegenüberliegenden Ringspulen, die eine Spulenringanordnung hält, umfaßt sind.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer Wellenkonfiguration durch die gegenüberliegenden Spulenanordnung die Torsion und/oder der Drehwinkel in Ruhe bzw. Bewegung gemessen werden kann. Die besonders ausgebildeten Ringsegmente ermöglichen, daß diese Messung bereits mit nur einer Ringspule auf der Empfängerspulenanordnung möglich ist. Werden zwei Wicklungen verwendet, ist mit den besonders ausgebildeten Ringsegmenten eine Linearisierung der Meßkurve möglich, so daß auch kleinste Meßwerte sicher und genau feststellbar sind. Wesentlich ist, daß durch die Größe und die Form der Segmente die Geradlinigkeit der Meßkurve beeinflußbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ringsegmente als apfelsinenscheibenförmige oder ananasringabschnittförmige Körper ausgebildet, die unter Belassung eines Abstandes in der Spulenanordnung angeordnet sind. Durch die Wahl zwischen Ringsegmenten mit scharfen Ecken (ananasabschnittsförmig) und solchen mit abgerundeten Kanten (apfelsinenscheibenförmig) kann die Genauigkeit und die produktionstechnischen Aufwendungen in ein entsprechendes Verhältnis zueinander gebracht werden. Je runder die Ringsegmente werden, um so kostengünstiger lassen sie sich fertigen, dagegen weicht die Meßwertkurve immer mehr von der Linearität ab.

Vorteilhaft ist es, wenn die Ringsegmente als magnetische Körper, von denen wenigstens eine Gruppe Spulenkörper sind, ausgebildet sinnd. Hierdurch ist es möglich, den magnetischen Fluß und damit die Linearität der Meßkurve gezielt zu beeinflussen.

Vorteilhaft ist es, wenn die Ringsegmente aus einem thermoplastischen, ferritgefüllten Material geformt sind. Durch die Wahl dieses Materials lassen sich alle möglichen Formen der Ringsegmente realisieren.

Vorteilhaft ist es,

- daß die als magnetische Körper ausgebildete Gruppe der Ringsegmente und die dazugehörige erste Ringspule der ersten Spulenanordnung und ihre leitenden Verbindungen und
- daß die als magnetische Körper ausgebildete erste und zweite Gruppe der Ringsegmente und die dazugehörige zweite und dritte Ringspule der zweiten Spulenanordnung und ihre jeweiligen leitenden Verbindungen jeweils unter Verwendung eines einzigen Wickeldrahtes hergestellt sind. Hierdurch werden insbesondere Lötstellen zwischen den einzelnen Spulenkörpern vermieden, die zum einen zeitaufwendig sind und zum anderen Anlaß zu Störungen in der Spulenanordnung geben können. Darüber hinaus lassen sich die einzelnen Spulen und ihre Verbindungen untereinander sehr schnell und günstig herstellen, so daß eine hohe Zeiteinsparung auftritt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Abstände der ersten Spulenanordnung im wesentlichen gleichgroß denen der ersten und zweiten Abständen, aber kleiner gegenüber den dritten Abständen der zweiten Spulenanordnung sind. Durch die Wahl der Abstände läßt sich der magnetische Fluß zwischen den einzelnen Ringsegmenten gezielt steuern.

Vorteilhaft ist es, wenn die Ringsegmente der ersten Spulenanordnung gegenüber den Ringsegmenten der zweiten Spulenanordnung um 2-5°, vorzugsweise 3°, versetzt gegeneinander angeordnet sind. Durch diese räumliche Versetzung beider Spulenanordnungen zueinander läßt sich die Torsion bzw. eine relative Winkelbewegung genau und sicher feststellen.

Vorteilhaft ist es, wenn die Wellenkonfiguration aus der Verbindung wenigstens zweier Wellen besteht, von denen jeweils die eine die erste und die andere die zweite Spulenanordnung trägt, die sich im Verbindungsbereich mit ihren Segmenten gegenüberliegen. Durch diese Gestaltung der Wellenkonfiguration, die durch eine, beide Wellen verbindende dritte Welle stabilisiert ist, läßt sich die Torsion bzw. die Winkelbewegung des ganzen Systems ermitteln und damit Rückschlüsse auf das Verhalten weiterer Teile, die mit der Wellenanordnung verbunden sind, erzielen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Lenkwinkelmeßvorrichtung in einer schematischen geschnittenen Darstellung,

Fig. 2 eine Anordnung von Ringsegmenten auf einer ersten Spulenanordnung in einer vergrößerten schematischen Seitenansicht,

Fig. 3 eine Anordnung von Ringsegmenten für eine zweite Spulenanordnung in einer vergrößerten schematischen Seitenansicht,

Fig. 4 eine grafische Darstellung einer Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einem Torsions- oder Drehwinkel.

Auf einer Wellenkonfiguration, die gemäß Fig. 1 aus der Verbindung einer Welle 3 mit einer Welle 4 besteht, sind sich gegenüberliegend zwei Spulenanordnungen 5 und 6 angeordnet. Diese Spulenanordnungen 5 und 6 weisen auf einer der Seitenflächen, wie insbesondere die Fig. 2 und 3 zeigen, Ringsegmente A1, B1 bzw. A2, B2 und C2 auf.

Die Ringsegmente A1 und B1 der Spulenanordnung 5 weisen eine unterschiedliche Breite auf, sind aber in gleichen Abständen a1 zueinander angeordnet. Sie werden aus einem thermoplastischen, ferritgefüllten Material geformt. Sie weisen eine ananasringabschnittförmige Gestalt auf, können aber auch an den Kanten abgerundet sein und somit eine apfelscheibenförmige Konfiguration haben. Möglich ist es aber auch, die einzelnen Ringsegmente und auszubilden. Die Ringsegmente A weisen einen Spulenkern auf, der oval, rund oder dergleichen ausgebildet sein kann. Wesentlich ist, daß von der Mitte des Ringsegmentes A1 bis zur Mitte des Ringsegmentes B1 ein Winkel von 45° liegt. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Ringsegmente A1 bzw. B1 zueinander die gleichen Abstände haben und insgesamt acht Ringsegmente nebeneinander auf einer Scheibe angeordnet sind. Mit einem einzigen Wickeldraht werden dabei die Spulenkörper A1 gewickelt und ihre jeweiligen Verbindungen untereinander hergestellt. Danach wird die Ringspule 2 gewickelt. Die Spulenanordnung 6 weist gemäß Fig. 3 Ringsegmente A2, B2 und C2 auf, wobei die Ringsegmente A2 und B2 im wesentlichen die gleiche Größe haben. Zwischen ihnen liegt jeweils das Ringsegment C2, das wesentlich schmaler ist. Die Abstände zwischen den Ringsegmenten A2 und B2 weisen eine Breite a2 auf, die breiter als die Abstände b2 und c2 zwischen den Ringsegmenten B2 zu C2 und C2 zu A2 sind. Die Abstände b2 und c2 haben dabei in etwa die gleiche Breite wie der Abstand a1 zwischen den Ringsegmenten A1 und B1 der Spulenanordnung 5. Die Ringsegmente A2 und B2 sind, wie bereits beschrieben, als Spulenkörper ausgebildet. Mit einem einzigen Wickeldraht werden dabei die Spulenkörper A2 umwickelt und ihre Verbindungen zueinander hergestellt und danach die zugehörige Ringspule 7 gewickelt. Danach wird der gleiche Wickeldraht dazu verwendet, um die Spulenkörper B2 ihre Verbindungen untereinander und eine zugehörige Ringspule 8 zu wickeln. Zwischen beiden Ringkörperkonfigurationen A1, B2 bzw. A2, B2 und C2 wird ein Luftspalt 13 gelassen. Darüber hinaus sind beide Ringsegmentkonfigurationen in einem Winkel von etwa 3° zueinander positioniert.

Über beide Spulenanordnungen 5 und 6 wird unter Belassung eines weiteren Luftspaltes 14 eine Spulenringanordnung 11 geschoben. In der Spulenringanordnung sind weitere Ringspulen 1 sowie 9 und 10 angeordnet, die gegenüber den Ringspulen 2 sowie 7 und 8 positioniert sind.

Hierdurch entsteht durch die gegenüberliegenden Ringspulen 1 und 2 ein koaxialer rotierender Transformator. Wird an den Transformator Spannung angelegt, wird ein entsprechender Strom induziert, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das von den Ringsegmenten A1 zu den Ringsegmenten B1 fließt. Werden beide Spulenanordnungen 5 und 6 und damit ihre Ringsegmente A1 und B1 bzw. A2, B2 und C2 zueinander durch eine relative Bewegung zwischen den beiden Wellen 3 und 4 versetzt, verursacht eine Zunahme oder Abnahme eines elektrischen Feldes in den zwei separaten Sätzen A2 und B2 in der zweiten Spulenanordnung 6. Diese zwei separaten Signale werden transferiert in die Ringspulen 7 und 8, die magnetisch mit den stationären Spulen 9 und 10 gekoppelt sind. Das durch die relative Bewegung zwischen den beiden Spulenanordnungen 5 und 6 erzeugte Signal kann dabei entsprechend vergrößert bzw. verkleinert werden. Hierdurch entstehen Meßkurven, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Da die Scheibe in den Ringsegmenten A1 und B1 der Sender-Ringspule 5 asymmetrisch gegenüber den Ringsegmenten A2, B2 und C2 der Empfänger-Ringspule 6 sind, verursacht die Relativbewegung zwischen beiden eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Ausgangssignals. An dem Punkt, an dem beide Ausgangssignale Null sind, was einer Torsion bzw. Winkelbewegung ρ entspricht, wird mit "Kreuzpunkt" und "Null-Spannungs-Punkt B" bezeichnet. Dieser Punkt B hat in Fig. 4 eine bestimmte Vorspannung, wobei die Auslenkwinkel bis -3° und +3° mit ihrer entsprechenden Ausgangsspannung U_a jeweils zwei sich kreuzende Geraden ergibt. Diese Gerade als Meßkurve ist das Ergebnis der besonderen Ausgestaltung der Ringsegmente A1 und B2 bzw. A2, B2 und C2 beider Spulenanordnungen 5 und 6.

Selbstverständlich ist es auch möglich, daß in der Empfängerspule nur eine Ringspule 7 installiert ist. Auch hierdurch wird bereits eine nach links oder nach rechts ausgeführte relative Winkelbewegung gemessen. Allerdings weichen die Meßwerte von der geraden Kurvenform, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, ab.

Von dieser geraden Kurvenform wird auch dann abgewichen, wenn die Ringsegmente eine mehr apfelsinenförmige Konfiguration aufweisen. Hierdurch ist es bei der Anwendung dieser Meßvorrichtung möglich, zwischen einer relativ einfachen positionstechnischen Gestaltung bis hin zu höchster Genauigkeit bei der Meßwerterfassung und Reproduzierbarkeit zu wählen.

Bezugszeichenliste:

1 Ringspule
2 Ringspule
3 Welle
4 Welle
5 Spulenanordnung
6 Spulenanordnung
7 Ringspule
8 Ringspule
9 Ringspule
10 Ringspule
11 Spulenringanordnung
13 Luftspalt
14 Luftspalt
A1 Ringsegment
B1 Ringsegment
A2 Ringsegment
B2 Ringsegment
C2 Ringsegment
a1, a2, b2, c2 Abstand
U_a Ausgangsspannung
Torsions- oder Drehwinkel
P Torsions- oder Drehwinkel 0

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Torsion und/oder einer relativen Winkelbewegung einer Wellenkonfiguration (3, 4) mit wenigstens einer Spulenanordnung (5, 6), dadurch gekennzeichnet,

- daß auf der Wellenkonfiguration (3, 4) zwei Spulenanordnungen (5, 6) unter Belassung eines ersten Luftspaltes (13) zwischen ihren Ringsegmenten (A1, B1; A2, B2, C2) angeordnet,
- daß eines der Ringsegmente (A1, B1) der ersten Spulenanordnung (5) mit einer ersten Ringspule (2) und wenigstens eines der Ringsegmente (A2, B2, C2) der zweiten Spulenanordnung (6) mit wenigstens einer weiteren Ringspule (11, 12) verbunden und
- daß die erste und die weiteren Ringspulen (2; 7, 8) unter Belassung eines Luftspaltes (14) von gegenüberliegenden Ringspulen (1; 9, 10), die eine Spulenringanordnung (15) hält, umfaßt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (A1, B1; A2, B2, C2) als apfelsinenscheibenförmige oder ananasringabschnittförmige Körper ausgebildet sind, die unter Belassung eines Abstandes (a1; a2, b2, c2) an der Spulenanordnung (5, 6) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (A1, B1; A2, B2, C2) als magnetische Körper, von denen wenigstens eine Gruppe (A1; A2, B2) Spulenkörper sind, ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (A1, B1; A2, B2, C2) aus einem thermoplastischen, ferritgefüllten Material geformt sind.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die als magnetische Körper ausgebildete Gruppe der Ringsegmente (A1) und die dazugehörige erste Ringspule (2) der ersten Spulenanordnung (5) und ihre leitenden Verbindungen und
- daß die als magnetische Körper ausgebildete erste und zweite Gruppe der Ringsegmente (A2, B2) und die dazugehörige zweite und dritte Ringspule (7, 8) der zweiten Spulenanordnung (6) und ihre jeweiligen leitenden Verbindungen jeweils unter Verwendung eines einzigen Wickeldrahtes hergestellt sind.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (a1) der ersten Spulenanordnung (5) im wesentlichen gleichgroß denen der ersten und zweiten Abständen (a2, b2), aber kleiner gegenüber den dritten Abständen (c2) der zweiten Spulenanordnung (6) sind.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (A1, B1) der ersten Spulenanordnung (5) gegenüber den Ringsegmenten (A2, B2, C2) der zweiten Spulenanordnung (6) um 2-5°, vorzugsweise 3° versetzt gegeneinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkonfiguration aus der Verbindung wenigstens zweier Wellen (3, 4) besteht, von denen jeweils die eine die erste und die andere die zweite Spulenanordnung (5, 6) trägt, die sich im Verbindungsbereich mit ihren Segmenten gegenüberliegen.