DE4232994C2 - Anordnung zur Bestimmung der Torsion, des Torsionsmomentes und/oder eines Drehwinkels wenigstens zweier miteinander verbundener Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Torsion, des Torsionsmomentes und/oder eines Drehwinkels wenigstens zweier miteinander verbundener Wellen.

Aus der US-PS 30 41 874 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Torsion, des Torsionsmomentes und/oder eines Drehwinkels wenigstens zweier verbundener Wellen bekannt. Auf der ersten Welle, die mit einem Schwächungsabschnitt versehen ist, und der zweiten Welle, die als Hohlwelle ausgebildet ist und die erste Welle umfaßt, sind zwei Spulenanordnungen unter Belassung eines ersten Luftspaltes zwischen ihren magnetischen Körpern angeordnet. Die magnetischen Körper der ersten Spulenanordnung sind gruppenweise mit einer ersten und einer zweiten Ringspule und die magnetischen Körper der zweiten Spulenanordnung mit einer dritten Ringspule verbunden. Die erste, zweite und dritte Ringspule sind unter Belassung eines weiteren Luftspaltes von einer vierten, fünften und sechsten Ringspule, die eine Spulenringanordnung hält, umfaßt.

Nachteilig ist, daß die für die Messung des Drehmomentes verwendeten Spulenanordnungen nur als eine auf der inneren Welle angeordneten Ringspule und zwei sich gegenüberliegende mit der diese umfassenden Hohlwelle verbundene Spulen ausgebildet sind. Hierdurch kann eine Torsion der mit dem Schwächungsabschnitt versehenen inneren Welle festgestellt werden. Eine Torsion einer rotierenden Welle ist dagegen nur fehlerhaft und mit hohem Aufwand meßbar.

Aus der DE-AS 21 54 731 ist ein Längenmeßtransformator bekannt. Sein drehendes Teil ist aus mehreren Schichten aufgebaut und weist Wicklungsabschnitte und zwei Phasen auf. Die Wicklungsabschnitte werden dabei durch Umwickeln, das aus der Transformatorenfertigung bekannt ist, hergestellt. Die Verbindung der einzelnen Spulen muß allerdings einzeln erfolgen, so daß durch die Vielzahl der zu machenden Schaltverbindungen eine hohe Störanfälligkeit gegeben ist.

In der DE-AS 19 02 247 ist ein Lagemeßtransformator angegeben, der aus einem Stator und einem Rotor besteht. Auf einer Grundfläche sind Leiterschichten befestigt, die gegenüber einer Grundplatte durch eine Kunststoffklebeschicht isoliert sind. Die Wicklungen selbst sind streifenförmig und werden durch ein Ausstanzen aus einer kreisförmigen Kupferplatte hergestellt. Die Verschaltungen der Wicklungsgruppen muß durch gesonderte Verbindungen hergestellt werden. Die Schicht der Rotorleiter ist von den Statorleitern durch einen schmalen Luftspalt entfernt. Wird mit dem Lagetransformator eine Lageveränderung gemessen, wird lediglich ein sinusförmiges Ausgangssignal abgegeben.

Aus der EP 0 251 918 A1 ist ein mehrere Spulen tragender Stator bekannt. Die Spulen sind jeweils mit einem durchgehenden Draht gewickelt und mit diesem unterein­ ander verbunden. Um allerdings drei Gruppen von Spulen herstellen zu können, sind drei gesonderte Drähte einzusetzen. Sollen weitere Verschaltungen vorgenommen werden, sind darüber hinaus separate Verbindungen notwendig.

Bekannt ist aus der DE 37 44 122 A1 Transformator mit mechanisch trennbarem, zylinderförmigem Innenteil und einem hohlzylindrischen Außenteil. Die Teile tragen eine Primär- und eine Sekundär- Wicklung, die horizontal unter Belassung eines Luftspaltes zueinander angeordnet sind. Hierbei wird zwar auf die Übertragungsmöglichkeit mit Hilfe eines koaxial rotierenden Transformators eingegangen. Die Spulen sind aber so ausgebildet, daß ein Einsatz zur Torsionsmessung nicht möglich ist.

Aus der DE 38 26 141 C2 ist ein Drehmomentsensor bekannt, bei dem auf einer Welle sich zwei und auf einer weiteren Welle ein Zylinder aus magnetischem Material befinden. Auf der ersten Welle ist der erste Zylinder flach ausgebildet, während am zweiten eine Reihe von Zähnen angeordnet sind, die eine rechteckige Gestalt haben, jeweils gleich hoch sind und umfangmäßig gleich beabstandet sind. Der Zylinder auf der zweiten Welle weist Zähne der gleichen Konfiguration auf, die denen des zweiten Zylinders gegenüberstehen. Umfaßt werden die Zylinder von einem hohlzylindrischen Gehäuse mit darin angeordneten Spulen.

Zwar wird durch eine Anordnung der magnetischen Zylinder auf einer Welle eine Messung der Torsion einer rotierenden Welle ermöglicht. Allerdings ist dieser Drehmomentsensor wegen des Einsatzes von weichmagne­ tischem Material anders als der erfindungsgemäße ausgebildet und in seinen Meßergebnissen nicht so genau.

In der US-PS 4 682 104 ist eine Anordnung 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 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 Kon­ taktabgriffe eine Bestimmung der Torsion, eines Torsions­ momentes bzw. eines Drehwinkels möglich ist. Hinzu kommt, daß die Anordnung nur unter Verwendung zusätzli­ cher Schutzmaßnahmen, wie z. B. eines Gehäuses, gegen um­ herfliegende Schmutz- und Ölteilchen im Kraft­ fahrzeugbereich und im Motorgehäuse einsetzbar ist.

Aus der GB-PS 2 065 897 ist eine Anordnung bekannt, die zwei leitende 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 Werte und ein Einsatz der Anordnung im Kraftfahrzeugbereich und im Motorge­ häuse nur mit hohem Aufwand möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile bei einer Anordnung zur Bestimmung der Torsion, eines Torsionsmomentes und/oder eines Dreh­ winkels der eingangs genannten Art zu beseitigen und eine Anordnung anzugeben, die insbesondere an zwei mit­ einander verbundenen und sich drehenden Wellen eine Be­ stimmung der Torsion, eines Torsionsmomentes und/oder eines Drehwinkels in einfacher Weise ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß durch die sich gegenüberliegende Spulenanordnungen, die von einer Spulenringanordnung umfaßt sind, die Torsion, das Torsionsmoment und ein Drehwinkel auch bei Umdrehung beider Wellen meßbar ist. Die äußere Spulenringanordnung erlaubt dabei ein leich­ tes Abgreifen der Meßwerte. Die Ausbildung der magnetischen Körper als Spulenkörper gewährleistet eine konstante und gleichbleibende Magnetisierung der einzel­ nen Körper. Sämtliche Ferritkerne für die zu bildenden Spulen können in einem Arbeitsgang auf dem Grund- bzw. Basiskörper verankert und damit die Herstellungskosten extrem minimiert werden. Dadurch, daß der Wicklungsdraht sowohl die Spule für jeden einzelnen magnetischen Kör­ per, die Verbindung zwischen den einzelnen magnetischen Körpern, die jeweilige Ringspule und die Verbindung von dem magnetischen Körper bzw. Körpergruppen zur Ringspule bildet, wird zum einen eine rationelle Herstellung der gesamten Spulenanordnung ermöglicht und zum anderen eine sichere Leitungsverbindung zwischen den einzelnen magne­ tischen Körpern und den Ringspulen gewährleistet. Gerade das Verbinden der einzelnen magnetischen Körper unterein­ ander und die Verbindung der zu ihnen gehörigen Ringspu­ le erfordert einen hohen Aufwand an Verknüpfungs- und Lö­ tarbeiten. Darüber hinaus sind gerade diese Lötverbindun­ gen Schwachpunkte, die die Zuverlässigkeit der jeweili­ gen Spulenanordnung beeinträchtigen können.

Vorteilhaft ist es, wenn die Spulenkörper der ersten und der zweiten Spulenanordnung um 2-5°, vorzugsweise um 3°, versetzt gegeneinander angeordnet sind. Durch diese versetzte Anordnung der Spulenkörper ist eine genaue Mes­ sung der Torsion bzw. eines Drehwinkels möglich.

Vorteilhaft ist es, wenn die Ringspulen im Basiskörper, im Grundkörper bzw. Außenkörper durch Anpreßringe aus einem magnetisch leitenden, z. B. einem thermoplasti­ schen ferritgefüllten Material, gehalten sind. So ist eine magnetische Abschirmung der gegenüberliegenden Ring­ spulen gewährleistet, wodurch die Meßgenauigkeit durch das Verhindern von Streufeldern wesentlich erhöht wird.

Damit die Gesamtanordnung einheitlich ist, ist es vor­ teilhaft, den Grundkörper, den Basiskörper und den Außen­ körper aus einem Isolierstoff mit im wesentlichen glei­ chen elektrischen und/oder verarbeitungstechnischen Ei­ genschaften herzustellen.

Vorteilhaft ist es,

• - daß die erste und die zweite Welle ineinandergeschoben und mit einer dritten Welle diese umfassend verbunden sind und
• - daß in der ersten Welle ein Stift eingebracht ist, der in eine im wesentlichen rechteckige Ausnehmung des über die erste Welle geschobenen Teils der zweiten Welle ragt.

Dadurch ist es möglich, die Torsion bzw. einen Dreh­ winkel durch eine Verdrehung der dritten Welle zu be­ stimmen. Der Stift, der in die Ausnehmung eingreift, ver­ hindert, daß es bei Überschreitung eines bestimmten Tor­ sionsmomentes oder Drehwinkels zu einer mechanischen Be­ grenzung kommt. Dadurch wird gewährleistet, daß die Wel­ lenkonfiguration nicht zerstört wird. Gesichert ist dar­ über hinaus, daß durch diese Wahl der Wellenkonfi­ guration eine genaue Bestimmung der Torsion, eines anlie­ genden Torsionsmomentes und/oder eines Drehwinkels mög­ lich ist.

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

Fig. 1a eine Lenkwinkel-Meßanordnung in einer schema­ tischen perspektivischen Darstellung mit teil­ geschnittenen Spulenanordnungen,

Fig. 1b auf Wellen aufschiebbare und sich gegenüber­ liegende Spulenanordnungen in einer perspekti­ vischen Darstellung,

Fig. 2 eine Torsionsmeßanordnung in einer geschnitte­ nen schematischen Darstellung.

In den Fig. 1a, 1b und 2 ist eine Lenkwinkel-Meßan­ ordnung mit ihren erfindungswesentlichen Elementen

• - eine Spulenanordnung 31
• - eine Spulenanordnung 32 und
• - einer Spulenringanordnung 33

dargestellt.

Eine Welle 26 ist, wie Fig. 1a zeigt, mit einer Welle 27 verbunden. Hierzu ist, wie aus Fig. 2 auch deutlich hervorgeht, die Welle 27 mit ihrem Teil 27′ über die Welle 26 geschoben. Beide Wellen 26 und 27 umfassen die Welle 25 kraftschlüssig. Die Welle 27 weist auf ihrem Teil 27′ eine Ausnehmung 39 auf. In diese Ausnehmung ragt ein auf der Welle 26 angebrachter Stift 38. Dieser Stift 38 liegt bei einer nicht vorhandenen Verdrehung der beiden Wellen 26 und 27 untereinander in etwa in der Mitte der Ausnehmung 39.

Jede Welle 26, 27 weist ein entsprechendes Wellenende 28, 29 auf, das selbstverständlich auch verzahnt sein kann (Fig. 1a). Auf der Welle 26 wird die Spulenanord­ nung 31 und auf der Welle 27 die Spulenanordnung 32 ange­ ordnet und mit einer entsprechenden Passung (Paßring 14) festgelegt. Beide Spulenanordnungen 31 und 32 werden dann von der Spulenringanordnung 33 unter Freilassung eines Luftspaltes 30 umfaßt. Wie der Schnitt in Fig. 1a besonders verdeutlicht, befinden sich Ringspulen 2′, 2′′ auf Isolierkörpern 1 in der Spulenanordnung 31 und eine Ringspule 2 auf einem Isolierkörper 1′ in der Spulenanord­ nung 32, die Ringspulen 7 und 7′′ sowie 8′′ gegenüberlie­ gen, die von einem Außenkörper 18 der Spulenringanord­ nung 33 in einer Isolierung (Isolierring 8) angepreßt (Anpreßring 6, 36, 37) im Außenkörper 18 gehalten werden. Gehalten werden die Ringspulen 2′ und 2′′ in einem Basiskörper der Spulenanordnung 31 (siehe auch Fig. 2) und die Ringspule 2 von einem Grundkörper 10 der Spulenanordnung 32 mit Anpreßringen 6′, 36′ und 37′. Der Grundkörper 10, der Basiskörper 11 und die Außenkör­ per 18 bestehen aus einem Isolierstoff, vorzugsweise aus dem gleichen Isoliermaterial. Die Anpreßringe bestehen aus einem thermoplastischen ferritgefüllten Material. Da­ durch, daß die Anpreßringe aus dem thermoplastischen fer­ ritgefüllten Material hergestellt sind, ist eine magneti­ sche Abschirmung der Ringspulen gesichert, was zu einer Verbesserung der Meßgenauigkeit in hohem Maße beiträgt.

An den Stirnseiten der Spulenanordnung 31 und 32 liegen sich, wie auch Fig. 1b zeigt, Spulenkörper 7′ und 3 unter Belassung eines Luftspaltes 23 gegenüber. Die Spu­ lenkörper 7′ und 3 bestehen aus einem Ferritkern, um den eine Spule gewickelt ist, die jeweils mit den Ringspulen 2′, 2′′ sowie 2 verschaltet sind. Vorteilhaft ist es, wie die Fig. 1b und 2 zeigen, auf der Stirnseite des Grundkörpers 10 und des Basiskörpers 11 auf jeweils einen Ringkörper 12 bzw. 28 jeweils eine Ferritkern-Ring­ anordnung 20 bzw. 5 aus einem thermoplastischen, ferrit­ gefüllten Material aufzuformen. Die Ferritkern- Ringanordnung 5 besteht aus einer ringförmigen Fläche, die in Kerne 5′′ übergeht. Die Kerne 5′′ weisen an ihren gegenüberliegenden Enden flache Scheiben (nicht bezeich­ net) auf, so daß jeder Kern 5′′ die Form eines Garnrol­ lengrundkörpers oder einen kleinen Kabeltrommel erhält. Ebenso besteht die Ferritkernanordnung 20 aus einem Ring 20′, auf der ebenso gestaltete Kerne 20′′ angeordnet sind. Mit einem Wickelungsdraht 34 werden für die Spulen­ kernanordnung 32 beginnend von einem Anfang 34′ nachein­ ander die Spulenkörper 3 bis zum Ende 34′′ und danach die Ringspule 2 gewickelt, um letztendlich das Ende des Wic­ kelungsdrahtes 34 mit dem Anfang 34′ zu verbinden. Danach werden die sechs Spulenkörper 3 mit einer Verguß­ masse 17 vergossen, die großflächig die Ferritkern-Ringa­ nordnung 5 nach dem Erkalten schützend abdeckt. Ebenso erhält die Ringspule 2 eine isolierende Abschlußschicht, z. B. in Form eines schmalen Textilbandes.

Analog werden mit einem Wickelungsdraht 35 für die Spu­ lenkernanordnung 31 von einem Anfang 35′ zuerst zwei Spu­ lenkörper 7′, danach die Ringspule 2′′ über ein Ende 35′′ und dann von einem Anfang 35′′′ und ein Ende 35′′′′, darauf vier weitere Spulenkörper 7′ und zuletzt die Ring­ spule 2′ nach Zusammenführen mit dem Anfang 35′ fer­ tiggestellt. Zwischen den Ringspulen 2′ und 2′′ befindet sich ein Ringkörper 24. Auch hier werden dann die Spulen­ körper 7′ vergossen und die Ferritkern-Ringanordnung 20 großflächig abgedeckt.

In der Spulenringanordnung 33 werden die Leitungsenden der Ringspulen 8′′ (Spulendraht 22), 7 und 7′′, zwischen denen ein Ringkörper 13 angeordnet ist, mit Leitungs­ brücken 15, 16 und 19 verbunden, die nach außen führen.

An die Leitungsbrücke ist eine nicht dargestellte Wech­ selstromquelle angeschlossen. Diese Wechselstromquelle versorgt die Ringspule 8′′, induziert in der gegenüber­ liegenden Ringspule 2 einen Wechselstrom und erzeugt in den Spulenkörpern 3 ein magnetisches Wechselfeld. Der magnetische Fluß, der von den Spulenkörpern 3 erzeugt wird, wandert über den Luftspalt 23 in die gegenüber­ liegenden Spulenkörper 7′. Hier schließt sich der magne­ tische Kreis, so daß je nach Größe der Induktivität gege­ ben durch die Verstellung der Spulenkörper 3 gegenüber den Spulenkörpern 7′ sich eine veränderte Spannungen an den Leitungsbrücken 15 und 16 ergeben.

Wird beispielsweise durch ein höheres Drehmoment der Drehwinkel zwischen den beiden Wellen 26 und 27 verän­ dert, kommt es zu einer Verstellung der Spulenkörper 3 und 7′ gegeneinander. Hierdurch wird an den Leitungs­ brücken 15 und 16 eine Spannungsänderung entsprechend dem Drehwinkel festgestellt. Durch die unsymmetrische Verteilung der mit den Ringspulen 2′ und 2′′ verbundenen zwei bzw. vier Spulenkörpern 7 ist durch entsprechende weitere Verschaltung der Leitungsbrücken 15 und 16 meß- und anzeigbar, ob es zu einer Drehwinkelveränderung, ver­ ursacht durch eine Rechts- oder Linksdrehung, gekommen ist. Der maximale durch ein Drehmoment verursachbare Drehwinkel wird durch den in der Ausnehmung 39 bewegba­ ren Stift 38 begrenzt und somit eine Zerstörung der Wel­ lenverbindung bzw. der Sensoranordnung bei höheren Dreh­ momenten vermieden.

Bezugszeichenliste

1 Isolierkörper
1′ Isolierkörper
2, 2′, 2′′ Ringspule
3 Spulenkörper
4 Vertiefung
5 Ferritkern-Ringanordnung
5′ Ring
5′′ Kern
6 Anpreßring
7 Ringspule
7′ Spulenkörper
7′′ Ringspule
8 Isolierring
8′′ Ringspule
9 Ausnehmung
10 Grundkörper
11 Basiskörper
12 Ringkörper
13 Ringkörper
14 Paßring
15 Leitungsbrücke
16 Leitungsbrücke
17 Vergußmasse
18 Außenkörper
19 Leitungsbrücke
20 Ferritkern-Ringanordnung
20′ Ring
20′′ Kern
21 Ringkörper
22 Spulendraht
23 Luftspalt
24 Ringkörper
25 Welle
26 Welle
27 Welle

27′ Teil
28 Wellenende
29 Wellenende
30 Luftspalt
31 Spulenanordnung
32 Spulenanordnung
33 Spulenringanordnung
34 Wicklungsdraht
34′ Wicklungsdraht-Anfang
34′′ Wicklungsdraht-Ende
35 Wicklungsdraht
35′ Wicklungsdraht-Anfang
35′′ Wicklungsdraht-Ende
35′′′ Wicklungsdraht-Anfang
35′′′′ Wicklungsdraht-Ende
36 Anpreßring
36′ Anpreßring
37 Anpreßring
37′ Anpreßring
38 Stift
39 Ausnehmung

Claims (6)

1. Anordnung zur Bestimmung der Torsion, des Torsions­ momentes und/oder eines Drehwinkels wenigstens zweier miteinander verbundener Wellen (25, 26, 27)

• - wobei mit einem ungeschnittenen Wicklungsdraht (35; 34) durch Umwickeln von Kernen (40; 5′′) einer auf einer Stirnseite eines Basis- bzw. Grundkör­ pers (11; 10) angeordneten Ferritkern-Ringanord­ nung (20; 5) jeweils Spulenkörper (7′; 3), durch Umwickeln zwischen Anpreßringen (36′, 37′; 6′) auf dem Basis- bzw. Grundkörper (11; 10) jeweils Ring­ spulen (2′, 2′′; 2) angeordnet sind und die Spulen­ körper (7) des Basiskörpers (11) gruppenweise un­ tereinander und jeweils mit seiner ersten und sei­ ner zweiten Ringspule verbunden und zu einer er­ sten Spulenanordnung ausgebildet sind bzw. die Spulenkörper (3) des Grundkörpers (10) unterein­ ander mit seiner Ringspule (2) verbunden und zu einer zweiten Spulenanordnung (32) ausgebildet sind,
• - wobei die erste und die zweite Spulenanordnung (31; 32) so auf der ersten und zweiten Welle (26; 27), die kraftschlüssig miteinander verbunden sind, angeordnet sind, daß sich die Spulenkörper (7; 3) unter Belassung eines ersten Luftspaltes (23) in deren Verbindungsbereich gegenüberstehen und
• - wobei ein Außenkörper (18) einer Spulenringanord­ nung (33) zwischen weiteren Anpreßringen (36, 37, 6) drei weitere Ringspulen (7, 7′′, 8′′) so hält, daß seine erste und zweite Ringspule (7, 7′′) die erste und die zweite Ringspule (2′, 2′′) der ersten Spulenanordnung (31′) und seine dritte Ringspule (8′′) die Ringspule (2) der zweiten Spulenanordnung (32) unter Freilassung eines zweiten Luftspaltes (30) umfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper (7′, 3′) der ersten und der zweiten Spulenanordnung (31, 32) um 2° bis 5°, vor­ zugsweise um 3°, versetzt gegeneinander angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ferritkern-Ringanordnung (5; 20) und die Anpreßringe (6′; 36′, 37′; 6, 36, 37) aus einem magnetisch leitenden, z. B. einem thermopla­ stischen ferritgefülltem Material hergestellt sind.

4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10), der Basiskörper (11) und der Außenkörper (18) aus einem Isolierstoff mit im wesentlichen gleichen elek­ trischen und/oder verarbeitungstechnischen Eigen­ schaften besteht.

5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement für die Aufbringung der Ferritkern-Ringanordnung (5, 20) ein Ringkörper (12, 21) ist, der aus einem metallischen, magnetisch nicht leitenden Material gebildet ist.

6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die erste und die zweite Welle (26, 27) in­ einandergeschoben und mit einer dritten Welle (25) diese umfassend verbunden sind und
• - daß in der ersten Welle (26) ein Stift (38) einge­ bracht ist, der eine im wesentlichen rechteckige Ausnehmung (39) des über die erste Welle (26) ge­ schobenen Teils (27′) der zweiten Welle (27) ragt.