DE4430503C1

DE4430503C1 - Torque sensor with strain gauge arrangement

Info

Publication number: DE4430503C1
Application number: DE4430503A
Authority: DE
Inventors: Dieter Doerrie; Paul Schwerdt
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Manner Sensortelemetrie 78549 Spaichingen D GmbH
Priority date: 1994-08-27
Filing date: 1994-08-27
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2014-08-28
Also published as: GB2292811B; ITRM950576A1; FR2724018A1; GB2292811A; IT1277917B1; GB9516607D0; FR2724018B1; ITRM950576A0

Abstract

In a torque sensor, a measuring element 5, which shows mechanical stresses as a function of torque and to which the strain gauge arrangement 6 is fitted, is formed by an annular region 5, lying in an axial plane, of a disc element 1. The disc element 1 has a first torque transmitting part 3 adjoining the measuring element region 5 radially on the inside and a second torque transmitting part 4 adjoining the measuring element region 5 radially on the outside, one of which forms the torque-introducing and the other the torque-delivering side for the measuring element region, the latter having a smaller axial thickness as compared with the torque transmitting parts, so that it shows mechanical stresses under the influence of torque. The axial thickness of the element 5 decreases radially outwardly. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit einer Dehnmeßstreifenanordnung. Der Drehmomentsensor besitzt eine drehmomenteinleitende und eine drehmomentausleitende Seite und wird über diese beiden Anschluß seiten mechanisch in den Übertragungsweg des zu messenden Drehmomentes eingebracht.The invention relates to a torque sensor according to the Preamble of claim 1 with a strain gauge arrangement. The torque sensor has a torque initiating and a torque-discharging side and is connected via these two mechanically into the transmission path of the measured Torque introduced.

Es sind Sensoren zur Messung eines Drehmomentes bekannt, bei de nen Dehnmeßstreifen, die als Meßbrücke geschaltet sind, auf ei ner Zylindermantelfläche, über die das zu messende Drehmoment übertragen wird, unter einem Winkel von 45° zur Mantellinie des Zylinders angeordnet sind.Sensors for measuring a torque are known in which NEN strain gauges, which are connected as a measuring bridge, on egg ner cylinder surface over which the torque to be measured is transmitted at an angle of 45 ° to the generatrix of the Cylinders are arranged.

Die Dehnmeßstreifen erstrecken sich folglich über einen gewissen Axialbereich und wandeln die von einem Drehmoment induzierten mechanischen Verspannungen des als Meßkörper dienenden Zylindermantels in entsprechende elektrische Meßsignale um. Neben solchen Sensoren mit Dehnmeßstreifenanord nung sind auch solche mit Federkörpergeometrien sowie solche mit einer magnetostriktiven Meßschicht, siehe z. B. die Patentschrift EP 0 285 259 B1, bekannt. The strain gauges extend consequently over a certain axial range and convert those from a torque induced mechanical tension of the as Measuring body serving cylinder jacket in corresponding electrical Measurement signals around. In addition to such sensors with a strain gauge arrangement are also those with spring body geometries and those with a magnetostrictive measuring layer, see e.g. B. the patent EP 0 285 259 B1.

Dabei ist es häufig wünschenswert, Sensoren mit möglichst gerin gen axialen Abmessungen zur Verfügung zu haben, um die zunehmen de Forderung nach kompakter, kostengünstiger Bauweise von drehmomenterzeugenden Maschinen und den zugehörigen, drehmo mentübertragenden Teilen zu erfüllen und um solche Sensoren auch unter beengten Einbaubedingungen anbringen zu können. Für Dreh momentsensoren, die auf dem Funktionsprinzip mit einer magneto striktiven Meßschicht beruhen, sind bereits Realisierungen mit vergleichsweise kurzer axialer Baulänge vorgeschlagen worden. So ist bei einem in der Patentschrift US 4.697.460 offenbarten Sen sor eine magnetische Scheibe quer zur Drehachse angeordnet, wel cher axial eine magnetische Sensoranordnung mit Erreger- und Sensorspule gegenübergestellt ist, was der Reduzierung der axia len Eaulänge Grenzen setzt. In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 43 33 199.8 wird ein Sensor angege ben, bei dem die axiale Ausdehnung einer die magnetische Meß schicht tragenden zylindrischen Mantelfläche die axiale Baulänge des Sensors bestimmt.It is often desirable to keep sensors as low as possible axial dimensions available to increase the de Demand for compact, inexpensive construction of torque generating machines and the associated torque ment-transmitting parts and such sensors to be able to be installed under cramped installation conditions. For shooting moment sensors based on the principle of operation with a magneto are based on strict measurement layers, are already realizations with comparatively short axial length has been proposed. So is in a Sen disclosed in US Pat. No. 4,697,460 sor a magnetic disc arranged transversely to the axis of rotation, wel cher axially a magnetic sensor arrangement with excitation and Sensor coil is juxtaposed, reducing axia len length limits. In the unpublished German patent application P 43 33 199.8 specifies a sensor ben, in which the axial extent of a magnetic measuring layer-bearing cylindrical outer surface the axial length of the sensor determined.

Auch für auf dem Dehnmeßstreifenprinzip beruhende Drehmomentsen soren sind schon verschiedentlich Realisierungen mit relativ kurzer axialer Baulänge vorgeschlagen worden. So ist ein gat tungsgemäßer Drehmomentsensor in der Offenlegungsschrift WO 92/18840 offenbart. Bei diesem Sensor besteht der Meßkörperbe reich aus vier radialen Stegen, die auf einer Axialseite bündig zu den radial innen bzw. außen angrenzenden Drehmomentübertra gungsteilen verlaufen, eine in radialer Richtung gleichmäßige axiale Dicke aufweisen und an ihrer Außenseite mit den jeweili gen Dehnmeßstreifen versehen sind. Demgemäß trägt die Dicke der Dehnmeßstreifenanordnung zur axialen Baulänge dieses Sensors bei. Weitere Drehmomentsensoren mit Dehnmeßstreifenanordnung und relativ geringer axialer Baulänge sind in den Patentschriften DE 27 08 484 C2 und DE 37 15 472 C2 sowie den Offenlegungsschriften DE 32 13 319 A1 und DE 42 08 522 A2 beschrieben. Dabei ist in der DE 32 13 319 A1 ein Sensor offenbart, bei dem der Meßkörper aus vier radialen Stegen besteht, deren axiale Dicke entlang der Radialerstreckung konstant ist, während ihre Breite in Umfangs richtung des zugehörigen Sensorkörpers entlang der Radialrichtung von innen nach außen abnimmt. Bei dem in der DE 42 08 522 A2 gezeigten, scherkraftaufnehmenden Drehmomentsensor besteht der Meßkörper aus vier radialen Stegen mit gegenüber den radial innen bzw. außen anschließenden Drehmomentübertragungsteilen verringerter, entlang der Radialrichtung konstanter axialer Dic ke, was durch beidseitiges Einbringen von Ausnehmungen in einen zugehörigen Sensorscheibenkörper erreicht wird.Also for torques based on the strain gauge principle sensors have already been realized in various ways with relative short axial length has been proposed. That's a gat according to the torque sensor in WO 92/18840. With this sensor there is the measuring body rich of four radial webs that are flush on one axial side to the radially inside or outside torque transmission parts run, a uniform in the radial direction have axial thickness and on the outside with the respective are provided against strain gauges. Accordingly, the thickness of the Strain gauge arrangement for the axial length of this sensor at. More torque sensors with strain gauge arrangement and relatively small axial length are in the patents DE 27 08 484 C2 and DE 37 15 472 C2 as well as the published documents DE 32 13 319 A1 and DE 42 08 522 A2. Here is in DE 32 13 319 A1 discloses a sensor in which the measuring body consists of four radial webs, the axial thickness along the Radial extension is constant while its width is circumferential direction of the associated sensor body along the radial direction decreases from the inside out. In the case of DE 42 08 522 A2 shown, shear force-absorbing torque sensor the measuring body from four radial ridges with opposite to the radial torque transmission parts connected inside or outside reduced axial dic constant along the radial direction ke, what by making recesses in both sides in one associated sensor disk body is reached.

Es ist des weiteren bekannt, die elektrischen Sensorsignale und die Stromversorgung von bzw. zum Sensor über telemetrische An ordnungen berührungslos zu übertragen, siehe z. B. die Offenle gungsschriften DE 38 25 706 A1 und DE 40 25 279 A1.It is also known the electrical sensor signals and the power supply from or to the sensor via telemetric connection transfer orders without contact, see e.g. B. the Offenle documents DE 38 25 706 A1 and DE 40 25 279 A1.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Drehmomentsensors mit Dehnmeßstreifenanordnung zugrunde, der eine vergleichsweise geringe axiale Baulänge und vorteilhaf te Meßeigenschaften besitzt.The invention is a technical problem of providing based on a torque sensor with a strain gauge arrangement, which is a comparatively small axial length and advantageous te measurement properties.

Dieses Problem wird durch einen Drehmomentsensor mit den Merkma len des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Dehnmeßstreifenanordnung befindet sich auf einem die Drehachse in einer Querebene umge benden, kreisringförmigen Bereich eines Scheibenkörpers, wobei der kreisringförmige Bereich von ausreichend geringer Dicke ist, um bei Einwirken eines Drehmomentes über die radial innen und außen anschließenden Drehmomentübertragungsteile des Scheiben körpers mechanische Spannungen, z. B. Scherspannungen, zu erzeu gen, die von der Dehnmeßstreifenanordnung sensiert werden. Ein solchermaßen aufgebauter Sensor kann in extremer axialer Kurz bauform realisiert werden, da die axiale Ausdehnung des Schei benkörpers aufgrund der mit dem Meßkörper in einer Axialebene liegenden Dehnmeßstreifen nicht durch die sensierenden Elemente bestimmt ist, sondern der Scheibenkörper axial bis auf eine Dic ke reduziert werden kann, welche noch die zur Drehmomentweiter leitung erforderliche, mechanische Stabilität gewährleistet. Da sich ohne weiteres die für die Dehnmeßstreifenanordnung erfor derliche elektrische Energie sowie die von den Dehnmeßstreifen erzeugten elektrischen Signale drahtgebunden oder drahtlos mit tels elektrischer oder elektronischer Komponenten mit relativ geringen Abmessungen übertragen lassen, wird die Reduzierung der axialen Sensorbaulänge auch nicht durch diese Energie- und Si gnalübertragungskomponenten begrenzt. Meßtechnisch vorteilhafte, sehr homogene Scherspannungen zur Erfassung durch die Dehnmeß streifen werden dadurch erzielt, daß die axiale Dicke des kreis ringförmigen Meßkörperbereichs radial von innen nach außen hin abnimmt.This problem is solved by a torque sensor with the characteristics len of claim 1 solved. The strain gauge arrangement is located on the reverse of the axis of rotation in a transverse plane end, circular region of a disc body, wherein the circular area is of a sufficiently small thickness, in order to apply a torque via the radial inside and external torque transmission parts of the discs body mechanical stresses, e.g. B. shear stresses to generate conditions that are sensed by the strain gauge arrangement. On sensor constructed in this way can be in extreme axial short design can be realized because the axial expansion of the Schei body due to the measuring body in an axial plane strain gauges do not lie through the sensing elements is determined, but the disc body axially except for a Dic ke can be reduced, which still further to torque required mechanical stability guaranteed. There easily researched for the strain gauge arrangement electrical energy and that from the strain gauges generated electrical signals wired or wireless with tels electrical or electronic components with relative small dimensions, the reduction of axial sensor length also not due to this energy and Si Signal transmission components limited. Technically advantageous, very homogeneous shear stresses for detection by the strain gauge Stripes are achieved in that the axial thickness of the circle annular measuring body area radially from the inside outwards decreases.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ermöglicht eine konstruktiv einfache und damit kostengünstige Fertigung des Drehmomentsensors, indem die vorgesehenen Scheibenkörper, aus denen der Sensor aufgebaut ist, so gestaltet sind, daß sie weit gehend als Drehteile gefertigt werden können. Der bei dieser Ausgestaltung vorgesehene zweite Scheibenkörper ist insbesondere für eine Realisierung einer Weiterbildung gemäß Anspruch 3 zweckmäßig, mit welcher erreicht wird, daß die Drehmomenteinlei tung und die Drehmomentausleitung für den Sensor auf etwa dem selben Radius liegen, was sowohl unter dem Gesichtspunkt der Drehmomentübertragung als auch montagetechnisch von Vorteil ist, da der Sensor auf der drehmomenteinleitenden und auf der drehmo mentausleitenden Seite jeweils auf gleicher radialer Höhe an den zugehörigen, benachbarten Abschnitten im Drehmomentübertragungs weg befestigbar ist.A development of the invention according to claim 2 enables one structurally simple and therefore inexpensive manufacture of the Torque sensor by the provided disc body which the sensor is built, are designed to be wide can be manufactured as turned parts. The one at this Design provided second disc body is in particular for the implementation of further training according to claim 3 expedient, with which it is achieved that the torque input tion and the torque rejection for the sensor on about that same radius, which is both from the point of view of Torque transmission and assembly technology is advantageous, since the sensor on the torque initiating and on the torque ment-leading side at the same radial height on the associated, adjacent sections in the torque transmission can be fastened away.

In Anspruch 4 ist eine Sensorrealisierung angegeben, bei der die elektrische Energie für die Dehnmeßstreifenanordnung sowie die von letzterer erzeugten Meßsignale drahtlos übertragen werden. Zum Aufbau einer solchen elektrischen Einrichtung sind dem Fach mann eine Vielfalt von elektrischen und/oder elektronischen Kom ponenten geläufig, die genügend geringe Abmessungen besitzen, welche nicht über die ohnehin zur Gewährleistung der erforderli chen mechanischen Stabilität notwendigen mechanischen Abmessun gen des Sensorscheibenkörpers hinausgehen, so daß die Reduzie rung der axialen Baulänge nicht durch diese Art der elektrischen Signalübertragung begrenzt ist. Dies wird zudem durch die Maß nahme gewährleistet, die elektrische Signalübertragung zum und vom Sensor über dessen Außenumfang vorzunehmen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer solchen Einrichtung ist durch Anspruch 5 gegeben. Mit der dort beanspruchten elektrischen Ein richtung erfolgt eine drahtlose elektrische Signalübertragung zum und vom Sensor radial von bzw. nach außen, wobei das Span nungswandlermodul innerhalb des oder der Sensorscheibenkörper aufgenommen ist, so daß auch hier keine Erhöhung der axialen Sensorbaulänge aufgrund seines elektrischen Signalverarbeitungs teils erforderlich ist. Gegebenenfalls erforderliche Verbin dungsleitungen vom Spannungswandlermodul zur radialen Sensorau ßenseite und/oder zur Dehnmeßstreifenanordnung können so in Aus nehmungen bzw. Bohrungen in dem oder den Scheibenkörpern des Sensors geführt sein, daß sie trotz geringer axialer Sensorbau länge nicht axial über den Sensorkörper vorstehen.In claim 4, a sensor implementation is specified in which the electrical energy for the strain gauge arrangement and the measurement signals generated by the latter are transmitted wirelessly. To build such an electrical device are the subject man a variety of electrical and / or electronic comm common components that have sufficiently small dimensions, which do not have the necessary to guarantee the Chen mechanical stability necessary mechanical dimensions go towards the sensor disc body, so that the reduction tion of the axial length by this type of electrical Signal transmission is limited. This is also due to the measure ensures the electrical signal transmission to and by the sensor over its outer circumference. A special one advantageous embodiment of such a device is Claim 5 given. With the electrical input claimed there direction is a wireless electrical signal transmission to and from the sensor radially from or to the outside, the span voltage converter module within the or the sensor disc body is added, so that here too no increase in the axial Sensor length due to its electrical signal processing is partly required. The connection may be required Cables from the voltage converter module to the radial sensor assembly The outside and / or the strain gauge arrangement can be switched off Takes or holes in the disc body or the Sensor be guided that despite the low axial sensor construction Do not protrude axially over the sensor body.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnun gen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zei gen:Preferred embodiments of the invention are in the drawings shown and are described below. Here zei gene:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Drehmomentsensor mit Dehnmeßstreifenanordnung und drahtloser elektrischer Signalübertragung mit kurzer axialer Baulänge und Fig. 1 shows a longitudinal section through a torque sensor with strain gauge arrangement and wireless electrical signal transmission with a short axial length and

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines gegenüber demjenigen von Fig. 1 konstruktiv geringfügig abgewandelten, je doch funktionsgleichen Drehmomentsensors, wobei zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus ein Viertel des Sensors weggebrochen ist, FIG. 2 shows a perspective view of a torque sensor which is structurally slightly different from that of FIG. 1, but has the same function, with a quarter of the sensor broken away to clarify the internal structure,

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer weiteren Sensorvariante. Fig. 3 is an electrical equivalent circuit of a further sensor variant.

Der in Fig. 2 gezeigte Drehmomentsensor entspricht bis auf ge ringfügige Abwandlungen im mechanischen Aufbau, insbesondere hinsichtlich der genauen Querschnittsform der verwendeten Schei benkörper sowie des Verlaufs von leitungsführenden Bohrungen in diesen Scheibenkörpern, demjenigen von Fig. 1, weshalb sämtliche entsprechenden Teile des Sensors von Fig. 2 mit denselben Bezugszeichen versehen sind, wie sie für den Sensor von Fig. 1 verwendet werden, so daß sich die nachfolgende Beschreibung auf beide Sensoren gemeinsam bezieht, soweit nicht speziell unterschieden wird.The torque sensor shown in Fig. 2 corresponds to up to ge slight modifications in the mechanical structure, in particular with regard to the exact cross-sectional shape of the disc body used and the course of conductive holes in these disc bodies, that of Fig. 1, which is why all corresponding parts of the sensor of Fig are provided with the same reference numerals. 2, as they are used for the sensor of FIG. 1 so that the following description refers to both sensors together, unless specifically distinguished.

Die gezeigten Drehmomentsensoren bestehen aus einem ersten Scheibenkörper (1) und einem zweiten Scheibenkörper (9). Beide Scheibenkörper (1, 9) sind mit geringem Aufwand als um ihre Mittelachse (2) rotationssymmetrische Drehteile gefertigt, in die anschließend lediglich noch weiter unten erwähnte Bohrungen eingefügt sind. Der erste Scheibenkörper (1) besteht aus einem radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3), einem radial äußeren Drehmomentübertragungsteil (4) und einem zwischen diesen Drehmomentübertragungsteilen (3, 4) liegenden, kreisringförmigen Bereich (5) mit vergleichsweise geringer axialer Dicke (d₂), wobei sich letzterer genauer zwischen dem Innenradius (r₂) des radial äußeren (4) und dem Außenradius (r₁) des radial inneren Drehmomentübertragungsteils (3) erstreckt. Diese reduzierte Dicke (d₂) führt dazu, daß bei Durchleitung eines Drehmoments durch den ersten Scheibenkörper (1) in dem kreisringförmigen Bereich (5) merkliche Scherspannungen auftreten, während die demgegenüber mit deutlich größerer axialer Ausdehnung (d, d₁) gestalteten Drehmomentübertragungsteile (3, 4) mechanisch spannungsfester bleiben. Diese Scherspannungen können von einer Dehnmeßstreifenbrücke (6), die zu diesem Zweck auf einer Seite des kreisringförmigen Bereichs (5) angeordnet ist, erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Dehnmeßstreifen brücke (6) befindet sich hierbei innerhalb einer der beidseitig des kreisringförmigen Bereichs (5) zur Bildung desselben in den ersten Scheibenkörper (1) eingebrachten, ringförmigen Ausneh mungen (22) innerhalb eines Abschnitts des kreisringförmigen Meßkörpers (5), in welchem die Scherspannungen auftreten. Um möglichst homogene Scherspannungen im kreisringförmigen Meß körper (5) zu erzeugen, ist letzterer bei dem Sensor von Fig. 1 mit trapezförmigem Querschnitt so ausgelegt, daß dessen axiale Dicke (d₂) in radialer Richtung vom Innenbegrenzungsradius (r₁) zum Außenbegrenzungsradius (r₂) hin abnimmt.The torque sensors shown consist of a first disk body ( 1 ) and a second disk body ( 9 ). Both disc bodies ( 1 , 9 ) are manufactured with little effort as rotationally symmetrical rotating parts about their central axis ( 2 ), into which only the bores mentioned below are subsequently inserted. The first disc body ( 1 ) consists of a radially inner torque transmission part ( 3 ), a radially outer torque transmission part ( 4 ) and an annular region ( 5 ) between these torque transmission parts ( 3 , 4 ) with a comparatively small axial thickness (d₂), whereby the latter extends more precisely between the inner radius (r₂) of the radially outer (4) and the outer radius (r₁) of the radially inner torque transmission part ( 3 ). This reduced thickness (d₂) leads to the fact that when a torque is passed through the first disc body ( 1 ) in the annular region ( 5 ), noticeable shear stresses occur, whereas the torque transmission parts ( 3 , d₁), which are designed with a significantly larger axial extension (d, d₁) 4 ) remain mechanically tension-proof. These shear stresses can be detected by a strain gauge bridge ( 6 ), which for this purpose is arranged on one side of the annular region ( 5 ), and converted into electrical signals. The strain gauge bridge ( 6 ) is located within one of the two sides of the annular region ( 5 ) to form the same in the first disc body ( 1 ), annular recesses ( 22 ) within a section of the annular measuring body ( 5 ), in which the Shear stresses occur. In order to generate the most homogeneous shear stresses in the circular measuring body ( 5 ), the latter is designed in the sensor of Fig. 1 with a trapezoidal cross-section so that its axial thickness (d₂) in the radial direction from the inner boundary radius (r₁) to the outer boundary radius (r₂) decreases.

Der radial äußere Drehmomentübertragungsteil (4) weist einen Lochkreis (7) auf, der eine vorgegebene Anzahl von mit äquidistantem Winkelabstand angeordneten Schraubbohrungen beinhaltet, welche zur drehfesten Anbringung des ersten Scheibenkörpers (1) an die eine Seite eines Bauteils, dessen Drehmoment überwacht werden soll, mittels Schraubverbindungen dienen. Während der radial innere Drehmomentübertragungsteil (3) auf der Seite, auf welcher im ringförmigen Bereich (5) die Dehnmeßstreifenbrücke (6) angebracht ist, axial mit dem äußeren Drehmomentübertragungsteil (4) abschließt, erstreckt er (3) sich auf der gegenüberliegenden Seite unter abgestufter radialer Verjüngung axial über die Abmessung (d₁) des radial äußeren Drehmomentübertragungsteils (4) mit einer dagegen größeren Axiallänge (d) hinaus. Der zweite Scheibenkörper (9) ist zum ersten Scheibenkörper (1) parallel verlaufend auf den vorspringenden axialen Endbereich des radial inneren Drehmomentübertragungsteils (3) aufgesetzt und mit letzterem längs der Kontaktfläche (10) elektronenstrahlverschweißt. Der zweite Scheibenkörper (9) schließt dabei außenseitig bündig mit dem zugeordneten Stirnende des radial inneren Drehmomentübertragungsteils (3) des ersten Scheibenkörpers (1) ab, so daß die axiale Länge (d) dieses radial inneren Drehmomentübertragungsteils (3) und damit des Scheibenkörpers gleichzeitig die gesamte axiale Baulänge des Drehmomentsensors darstellt.The radially outer torque transmission part ( 4 ) has a bolt circle ( 7 ) which contains a predetermined number of screw bores arranged at an equidistant angular distance, which are used for the rotationally fixed attachment of the first disk body ( 1 ) to one side of a component whose torque is to be monitored, serve by means of screw connections. While the radially inner torque transmission part ( 3 ) on the side on which the strain gauge bridge ( 6 ) is attached in the annular region ( 5 ) is axially closed with the outer torque transmission part ( 4 ), it extends (3) on the opposite side under stepped radial taper axially beyond the dimension (d 1) of the radially outer torque transmission part ( 4 ) with a larger axial length (d). The second disc body ( 9 ) is placed parallel to the first disc body ( 1 ) on the projecting axial end region of the radially inner torque transmission part ( 3 ) and electron beam welded to the latter along the contact surface ( 10 ). The second disc body ( 9 ) is flush on the outside with the associated end face of the radially inner torque transmission part ( 3 ) of the first disc body ( 1 ), so that the axial length (d) of this radially inner torque transmission part ( 3 ) and thus of the disc body at the same time represents the total axial length of the torque sensor.

Der zweite Scheibenkörper (9) ist auf demselben Radius (R) wie der erste Scheibenkörper (1) ebenfalls mit einem Lochkreis (8) versehen, der eine vorgegebene Anzahl von in äquidistantem Winkelabstand angeordneten Schraubgewindebohrungen beinhaltet, mit denen der Drehmomentsensor auf der dem Lochkreis (7) des ersten Scheibenkörpers (1) gegenüberliegenden Seite an einem dafür vorgesehenen weiteren Anschlußteil eines drehmomentüberwachten Bauteils befestigbar ist. Dabei bilden die Schraubverbindungen des einen Lochkreises die drehmomenteinleitenden und die Schraubverbindungen des anderen Lochkreises die drehmomentausleitenden Elemente, wobei die Wahl, welcher Lochkreis (7, 8) welche Funktion übernimmt, vom Sensoraufbau her gesehen beliebig ist und sich nach der jeweiligen Antriebs- und Belastungsmaschine richten kann, deren Drehmoment gemessen werden soll. Das Drehmoment wird folglich innerhalb des Sensors vom Lochkreis (8) des zweiten Scheibenkörpers (9) über letzteren, über den radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3) des ersten Scheibenkörpers (1) und über den kreisringförmigen Bereich (5), wo es die von der Dehnmeßstreifenbrücke (6) sensierten Scherspannungen induziert, zum radial äußeren Drehmomentübertragungsteil (4) des ersten Scheibenkörpers (1) geführt und von dort über den Lochkreis (7) ausgeleitet, oder der Drehmomentübertragungsverlauf ist umgekehrt, wenn das Drehmoment am Lochkreis (7) des ersten Scheibenkörpers (1) eingeleitet wird.The second washer body ( 9 ) is also provided with a bolt circle ( 8 ) on the same radius (R) as the first washer body ( 1 ), which contains a predetermined number of equidistant angular screw holes with which the torque sensor on the bolt circle ( 7 ) of the first disk body ( 1 ) opposite side can be fastened to a further connection part of a torque-monitored component provided for this purpose. The screw connections of one bolt circle form the torque-initiating elements and the screw connections of the other bolt circle the torque-diverting elements, the choice of which bolt circle ( 7 , 8 ) takes over which function is arbitrary from the sensor structure and depends on the respective drive and loading machine can whose torque is to be measured. The torque is consequently within the sensor from the bolt circle ( 8 ) of the second disc body ( 9 ) via the latter, via the radially inner torque transmission part ( 3 ) of the first disc body ( 1 ) and over the annular region ( 5 ), where it is from the strain gauge bridge ( 6 ) sensed shear stresses, led to the radially outer torque transmission part ( 4 ) of the first disc body ( 1 ) and from there via the bolt circle ( 7 ), or the torque transmission curve is reversed when the torque at the bolt circle ( 7 ) of the first disc body ( 1 ) is initiated.

Ersichtlich besitzen die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Drehmomentsensoren den montagetechnischen und drehmomentübertragungstechnischen Vorteil, daß die beiden drehmomentanschlußbildenden Lochkreise (7, 8) auf demselben Radius (R) liegen und der Sensor dennoch in einfacher Weise aus den beiden Drehteil-Scheibenkörpern (1, 9) gefertigt ist. Alternativ ist es natürlich auch möglich, bei etwas erhöhtem Konstruktionsaufwand den gezeigten oder einen ähnlich aufgebauten Sensor aus einem Werkstück herauszuarbeiten. Dies kann ggf. damit verknüpft werden, den zweiten Lochkreis (8) direkt am radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3) des ersten Scheibenkörpers (1) vorzusehen, welcher dann eine passend modifizierte Gestalt haben kann, indem er sich beispielsweise in dem axial vorspringenden Bereich nicht radial verjüngt, sondern sich mit gleichbleibendem Außenradius (r₁) oder sogar mit größer werdendem Radius nach außen erstreckt. Der zweite Scheibenkörper (9) kann dabei ggf. entfallen. As can be seen, the torque sensors shown in FIGS . 1 and 2 have the advantage in terms of assembly technology and torque transmission that the two bolt circles ( 7 , 8 ) forming the torque connection lie on the same radius (R) and the sensor is nevertheless easily removed from the two rotating part disk bodies ( 1 , 9 ) is manufactured. Alternatively, it is of course also possible to work out the sensor shown or a similarly constructed sensor from a workpiece with a somewhat increased construction effort. This can possibly be linked to providing the second bolt circle ( 8 ) directly on the radially inner torque transmission part ( 3 ) of the first disk body ( 1 ), which can then have a suitably modified shape, for example by not being radial in the axially projecting area tapered, but extends to the outside with a constant outer radius (r₁) or even with an increasing radius. The second disc body ( 9 ) can be omitted if necessary.

Auch der gesamte elektrische Teil der Drehmomentsensoren von Fig. 1 und 2 ist innerhalb des durch die axiale Länge (d) des inneren Drehmomentübertragungsteils (3) des ersten Scheibenkörpers (1) gegebenen Axialbereichs untergebracht und erhöht daher die axiale Baulänge der Sensoren nicht. Speziell erfolgt die Einkopplung der elektrischen Energie für die Dehnmeßstreifenbrücke (6) über ein gängiges Telemetriesystem mit einem radial außerhalb des Sensorkörpers (1, 9) stationär angeordneten Generator (12), der in diesem Beispiel mit kopfförmigem Kopplungsteil ausgebildet ist, wobei diesem Generatorkopf (12) eine am Außenumfang des zweiten Scheibenkörpers (9) unter Belassung eines Luftspaltes (21) angeordnete elektrische Wicklung (13) (beim Sensor von Fig. 2 ein elektrisch leitendes, zwischen zwei nebeneinanderliegenden Anschlußstellen aufgetrenntes Band) gegenüberliegt. Die Wicklung (13) sitzt dabei in einem im Querschnitt U-förmigen Ringteil (20), das in eine dazu passende Ausnehmung am Außenumfang des zweiten Scheibenkörpers (9) so eingefügt ist, daß es in radialer Richtung mit dem Außenumfang des zweiten Scheibenkörpers (9) fluchtend abschließt. Anstelle des kopfförmigen Kopplungsteils kann der Generator auch eine ringförmige Primärwicklung aufweisen, welche die Wicklung (13) auf dem Scheibenkörper (9) unter Belassung eines Ringspaltes elektromagnetisch koppelnd umgibt.The entire electrical part of the torque sensors of FIGS . 1 and 2 is accommodated within the axial region given by the axial length (d) of the inner torque transmission part ( 3 ) of the first disk body ( 1 ) and therefore does not increase the axial length of the sensors. In particular, the electrical energy for the strain gauge bridge ( 6 ) is coupled in via a conventional telemetry system with a generator ( 12 ) arranged in a stationary manner radially outside the sensor body ( 1 , 9 ), which is designed in this example with a head-shaped coupling part, this generator head ( 12 ) an electrical winding ( 13 ) arranged on the outer circumference of the second disk body ( 9 ) while leaving an air gap ( 21 ) (in the sensor of FIG. 2, an electrically conductive band separated between two adjacent connection points). The winding ( 13 ) is seated in a cross-sectionally U-shaped ring part ( 20 ), which is inserted into a matching recess on the outer circumference of the second disc body ( 9 ) in such a way that it is aligned with the outer circumference of the second disc body ( 9 ) in alignment. Instead of the head-shaped coupling part, the generator can also have an annular primary winding which surrounds the winding ( 13 ) on the disk body ( 9 ) in an electromagnetically coupling manner, leaving an annular gap.

Wie aus Fig. 2 erkennbar - in Fig. 1 sind die elektrischen Verbindungsleitungen der Übersichtlichkeit halber weggelassen - führt ein Satz elektrischer Leitungen (19) von der außenseitigen Wicklung bzw. dem Band (13) zu einem im inneren des radial inneren Drehmomentübertragungsteils (3) des ersten Scheibenkörpers (1) angeordneten Elektronikmodul (17), das bei montiertem Sensor mitrotiert. Das Elektronikmodul (17) sitzt hierbei in einer mittigen, rotationssymmetrischen, abgestuften Ausnehmung (18) im radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3). Letzteres ist dabei von topfförmiger Gestalt, indem die Ausnehmung (18) zur einen Axialseite hin von einem Bodenbereich (23) dieses Übertragungsteils (3) begrenzt ist. Die Verbindungsleitungen (19) sind im wesentlichen radial verlaufend durch eine Ausnehmung (16), die im zweiten Scheibenkörper (9) am dem radial äußeren Drehmomentübertragungsteil (4) zugewandten Bereich eingebracht ist, sowie durch eine Bohrung (15) im radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3) hindurchgeführt, die von der dem zweiten Scheibenkörper (9) zugewandten Seite des ersten Scheibenkörpers (1) zur diesem abgewandten Seite in den Bereich der Ausnehmung (18) im radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3) führt (wobei der genaue Verlauf der Durchführungen (15, 16) für die beiden Sensoren nach Fig. 1 und Fig. 2 etwas variiert) Wie ebenfalls wieder aus Fig. 2 ersichtlich, führt ein weiterer Satz von Verbindungsleitungen (11) vom radial mittig angeordneten Elektronikmodul (17) durch eine Radialbohrung (14) im radial inneren Drehmomentübertragungsteil (3) zur Dehnmeßstreifenbrücke (6). Ersichtlich sind alle elektrischen Leitungen so gelegt, daß sie nicht über die durch die beiden Scheibenkörper (1, 9) gegebenen Außenabmessungen des Sensors hinausragen.As can be seen from FIG. 2 - in FIG. 1 the electrical connection lines are omitted for the sake of clarity - a set of electrical lines ( 19 ) leads from the outside winding or the band ( 13 ) to an inside of the radially inner torque transmission part ( 3 ) of the first disc body ( 1 ) arranged electronics module ( 17 ), which rotates when the sensor is mounted. The electronics module ( 17 ) is seated in a central, rotationally symmetrical, stepped recess ( 18 ) in the radially inner torque transmission part ( 3 ). The latter is pot-shaped in that the recess ( 18 ) is delimited on one axial side by a bottom region ( 23 ) of this transmission part ( 3 ). The connecting lines ( 19 ) run essentially radially through a recess ( 16 ), which is made in the second disk body ( 9 ) on the area facing the radially outer torque transmission part ( 4 ), and through a bore ( 15 ) in the radially inner torque transmission part ( 3 ) which leads from the side of the first disc body ( 1 ) facing the second disc body ( 9 ) to the side facing away from it in the region of the recess ( 18 ) in the radially inner torque transmission part ( 3 ) (the exact course of the bushings ( 15 , 16 ) varies somewhat for the two sensors according to FIG. 1 and FIG. 2) As can also be seen again from FIG. 2, a further set of connecting lines ( 11 ) leads from the radially centrally arranged electronic module ( 17 ) through a radial bore ( 14 ) in the radially inner torque transmission part ( 3 ) to the strain gauge bridge ( 6 ). Obviously, all electrical lines are laid so that they do not protrude beyond the outer dimensions of the sensor given by the two disk bodies ( 1 , 9 ).

Der Sensor von Fig. 1 bietet zudem einen Schutz vor unbefugten Manipulationen. Sobald bei der Montage des dort gezeigten Sensors die Dehnmeßstreifenbrücke (6) angebracht, das Elektronikmodul (17) von der offenen Topfseite des inneren Drehmomentübertragungsteils (3) in die Ausnehmung (18) eingesetzt und die elektrischen Verbindungsleitungen gelegt sind, wird die betreffende Zugangsseite für diese Elemente mit einem Abschlußdeckel (24) abgedeckt. Letzterer ist von der axialen Außenseite des ersten Scheibenkörpers (1) her an diesem so befestigt, daß er nur von einer hierzu befugten Person zerstörungsfrei wieder gelöst werden kann. Der Deckel (24) erstreckt sich radial bis zum Innenradius (r₂) des äußeren Drehmomentübertragungsteils (4). Zusammen mit der auf der gegenüberliegenden Seite geschlossenen Ausbildung des Sensors hat dies zur Folge, daß das Elektronikmodul, die Dehnmeßstreifenbrücke (6) und die verbindenden Leitungen vor unbefugten Eingriffen gesichert sind. The sensor of FIG. 1 also offers protection against unauthorized manipulation. As soon as the strain gauge bridge ( 6 ) is attached to the assembly of the sensor shown there, the electronics module ( 17 ) is inserted from the open pot side of the inner torque transmission part ( 3 ) into the recess ( 18 ) and the electrical connection lines are laid, the relevant access side becomes available for them Elements covered with an end cover ( 24 ). The latter is fastened to the first disc body ( 1 ) from the axial outside thereof in such a way that it can only be detached without destruction by a person authorized to do so. The cover ( 24 ) extends radially to the inner radius (r₂) of the outer torque transmission part ( 4 ). Together with the closed design of the sensor on the opposite side, this has the consequence that the electronics module, the strain gauge bridge ( 6 ) and the connecting lines are secured against unauthorized access.

In Fig. 3 ist für eine weitere Drehmomentsensorvariante das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild gezeigt. Dieser Sensor entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen den oben beschriebenen, wobei insoweit gleiche Bezugszeichen für funktionell gleiche Elemente gewählt sind. Unterschiedlich ist bei diesem Sensor, daß der generatorseitige Teil der elektromagnetischen Kopplungsstrecke zwischen dem rotierenden Sensorteil (25) und einem den Sensor umgebenden, stationären Bauteil (26) aus einem Primärwicklungsband (12b) anstelle des kopfförmigen Generatorkopplungsteils (12) besteht. Auf dem stationären Bauteil (26) ist eine HF-Generatoreinheit (12a) montiert, die einerseits mit dem Primärwicklungsband (12b) und andererseits über eine Kabelverbindung (27) mit einer zugehörigen Auswerteeinheit (28) elektrisch verbunden ist. Die der Generatorwicklung (12b) gegenüberliegende Wicklung (13) an der radialen Sensoraußenseite ist wie bei den obigen Sensoren über einen durchgeführten Leitungssatz (19) mit dem im inneren des Sensors (25) aufgenommenen Elektronikmodul (17) verbunden, welches neben seiner Funktion als Spannungswandlereinheit auch die Funktion eines Sensorsignalverstärkers hat. Zu erkennen ist auch ein Kalibrierwiderstand (29) am Elektronikmodul (17). Die Dehnmeßstreifenbrücke (6) ist mit dem Leitungssatz (11) an das Elektronikmodul (17) angeschlossen und besitzt an ausgewählten Punkten Meßstellen (6a). Selbstverständlich kann die Dehnmeßstreifenbrücke (6) auch in zwei sich diametral gegenüberliegende, miteinander verschaltete Halbbrücken mit je zwei Meßstellen (6a) aufgeteilt sein.The associated electrical equivalent circuit diagram is shown in FIG. 3 for a further torque sensor variant. The structure of this sensor essentially corresponds to that described above, with the same reference numerals being chosen for functionally identical elements. The difference with this sensor is that the generator-side part of the electromagnetic coupling path between the rotating sensor part ( 25 ) and a stationary component ( 26 ) surrounding the sensor consists of a primary winding band ( 12 b) instead of the head-shaped generator coupling part ( 12 ). An HF generator unit ( 12 a) is mounted on the stationary component ( 26 ), which is electrically connected on the one hand to the primary winding tape ( 12 b) and on the other hand via a cable connection ( 27 ) to an associated evaluation unit ( 28 ). The winding ( 13 ) opposite the generator winding ( 12 b) on the radial outside of the sensor is connected to the electronics module ( 17 ) accommodated in the interior of the sensor ( 25 ) via a lead set ( 19 ), as in the case of the above sensors, which, in addition to its function as Voltage converter unit also has the function of a sensor signal amplifier. A calibration resistor ( 29 ) on the electronics module ( 17 ) can also be seen. The strain gauge bridge ( 6 ) is connected to the electronics module ( 17 ) with the cable set ( 11 ) and has measuring points ( 6 a) at selected points. Of course, the strain gauge bridge ( 6 ) can also be divided into two diametrically opposed, interconnected half bridges, each with two measuring points ( 6 a).

Im Betrieb der jeweiligen Sensoren wird in der Außenumfangswicklung (13) eine elektrische Spannung mit Hilfe des Generators (12; 12a, 12b) induziert, die über die elektrischen Verbindungsleitungen (19) zum rotierenden Elektronikmodul (17) geführt, dort gewandelt und als Gleichspannung über den zweiten Satz von Verbindungsleitungen (11) zur elektrischen Versorgung der Dehnmeßstreifenbrücke (6) dieser zugeführt wird. Das an der Brückendiagonale dieser Dehnmeßstreifenanordnung (6) abgegebene Meßsignal wird über dieselbe elektrische Verbindungsstrecke in umgekehrter Richtung wie die elektrische Spannungsversorgung radial nach außen über den Generator (12; 12a, 12b) und die Kabel (27) zu der Auswerteeinheit (28) geführt.During operation of the respective sensors, an electrical voltage is induced in the outer circumferential winding ( 13 ) with the aid of the generator ( 12 ; 12 a, 12 b), which leads via the electrical connecting lines ( 19 ) to the rotating electronic module ( 17 ), converted there and as DC voltage is supplied to the strain gauge bridge ( 6 ) via the second set of connecting lines ( 11 ) for the electrical supply thereof. The measurement signal emitted at the bridge diagonal of this strain gauge arrangement ( 6 ) is sent radially outward over the same electrical connection path in the opposite direction as the electrical voltage supply via the generator ( 12 ; 12 a, 12 b) and the cables ( 27 ) to the evaluation unit ( 28 ) guided.

Es versteht sich, daß für den Fachmann neben den bereits angesprochenen weitere Varianten der dargestellten Drehmomentsensoren im Rahmen der Erfindung realisierbar sind. So kann beispielsweise eine andere herkömmliche Art elektrischer Signalübertragung zwischen dem rotieren Sensor und der äußeren, stationären Umgebung vorgesehen sein. Auch kann die genaue Gestaltung des den kreisringförmigen, mechanisch verspannbaren Bereich beinhaltenden Scheibenkörpers und eines ggf. vorgesehenen weiteren Scheibenkörpers auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sein. Gemeinsam ist allen derartigen Sensoren, daß sie eine Dehnmeßstreifenanordnung zur Drehmomentsensierung verwenden und eine extrem kurze axiale Bauform besitzen, da sich der mechanisch verspannende Bereich, auf dem die Dehnmeßstreifenanordnung sitzt, in einer Axialebene erstreckt. Diese sehr kurze axiale Baulänge macht es beispielsweise als besonderen Vorteil möglich, einen solchen Sensor zur Drehmomenterfassung in einen Gelenkwellenstrang mit Kreuzgelenk-Schiebestücken auf einfache Weise dadurch einzufügen, daß die Kreuzgelenk-Schiebestücke in geringem Umfang axial auseinandergeschoben werden, was in den meisten Fällen bei solchen Anordnungen möglich ist, wonach dort der Sensor eingesetzt werden kann.It is understood that in addition to those already known to those skilled in the art addressed further variants of the illustrated Torque sensors can be realized within the scope of the invention. So For example, another conventional type of electrical Signal transmission between the rotating sensor and the outer, stationary environment. Can also be the exact one Design of the circular, mechanically braced Area containing the disc body and a possibly provided further disc body on the respective Use case to be coordinated. Common to all such Sensors that they have a strain gauge arrangement for Use torque sensing and an extremely short axial Have a structural shape, since the mechanically bracing area, on which the strain gauge arrangement sits, in an axial plane extends. This very short axial length makes it possible as a special advantage, for example Torque sensor in a propeller shaft assembly with Universal joint sliding pieces in a simple way insert that the universal joint sliding pieces to a small extent be pushed axially apart, which in most cases such arrangements is possible, after which the sensor can be used.

Claims

1. Torque sensor with

- A strain gauge arrangement ( 6 ) which is attached to a measuring body ( 5 ) having mechanical stresses under the action of torque, wherein
- The measuring body is formed by an area ( 5 ) of a disk body ( 1 ) lying in an axial plane and
- The disc body further includes a radially inner to the measuring body area ( 5 ) adjoining first ( 3 ) and a ra dial outside to the measuring body area adjoining second torque transmission part ( 4 ), one of which is the torque initiating and the other the torque out conducting side for the measuring body area forms, the measuring body region having a smaller axial thickness than the torque transmission parts,

characterized in that

- The measuring body is formed as an annular region ( 5 ), the axial thickness (d₂) decreases in the radial direction from the inside to the outside.

2. Torque sensor according to claim 1, further characterized in that

- It has a second disc body ( 9 ) which is arranged parallel to the first ( 1 ) and is attached to the first torque transmission part ( 3 ) in a rotationally fixed manner,
- Both disk bodies ( 1 , 9 ) are of a shape that can be realized largely as a turned part and
- Of the second disc body ( 9 ) and the second torque transmission part ( 3 ) of the first disc body ( 1 ) which serves as a torque-initiating connector and the other as a torque-transmitting connector of the sensor.

3. Torque sensor according to claim 2, further characterized in that on the second disc body ( 9 ) and on the second, radially outer torque transmission part ( 4 ) of the first disc body ( 1 ) each have elements ( 7 , 8 ) for introducing the torque into or out of the torque Sensor are provided, which are at the same radial height (R).

4. Torque sensor according to one of claims 1 to 3, further characterized in that on the outer circumference of at least one disk body ( 9 ) a device ( 12 , 13 ) for wireless and contactless coupling of electrical energy for the strain gauge arrangement ( 6 ) and for decoupling the of the latter generated measurement signal is provided to the stationary outside environment.

5. Torque sensor according to claim 4, further characterized in that

- The device for wireless and non-contact transmission of electrical energy and electrical signals a telemetry system with a on the outer circumference of at least one disc body ( 9 ) arranged winding ( 13 ) and one of the winding radially opposite, stationary generator part (leaving an air gap ( 21 )) 12 ) includes and
- Of the disc body (s) ( 1 ), a voltage converter module ( 17 ) is received, which is electrically connected on the one hand to the winding ( 13 ) and on the other hand to the strain gauge arrangement ( 6 ).