DE69010378T2

DE69010378T2 - Vorrichtung zum Ermitteln des Drehmomentes einer rotierenden Welle.

Info

Publication number: DE69010378T2
Application number: DE69010378T
Authority: DE
Inventors: Shigeyuki Gotoh; Isao Suzuki; Kazunori Yokota
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1989-04-20
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2010-04-20
Also published as: EP0393683B1; EP0393683A2; DE69010378D1; US5062306A; EP0393683A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehmoment- Ermittlungsvorrichtung, die imstande ist, in einer berührungsfreien Weise und mit hoher Genauigkeit ein Drehmoment, das an drehenden Wellen, die in verschiedenen drehenden Mechanismen zur Anwendung kommen, wie z.B. Lenkwellen von Kraftfahrzeugen, Roboterarmen und dergleichen, aufgebracht wird, zu messen.

Beschreibung des Standes der Technik

Als eine Einrichtung, um ein an einer drehenden Welle aufgebrachtes Drehmoment zu messen, ist ein Drehmoment-Meßfühler einer derartigen Konstruktion, wie in Fig. 24 der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, vorgeschlagen worden. In diesem Zusammenhang kann auf die JP-A-63-36124 (Japanische Patentanmeldung-Offenlegungsschrift Nr. 36124/1988) Bezug genommen werden. Wie der Fig. 24 zu entnehmen ist, besteht dieser Drehmoment- Meßfuhler aus drei ringförmigen Kernen (Magneteisenkernen) 91, 92 und 93, die koaxial mit einer verdrehbaren Welle S angeordnet sind, welche einem Torsionswert unterworfen wird, der als eine Funktion einer Größe eines Drehmoments, das an der Welle aufgebracht wird, veränderlich ist. Die beiden inneren ringförmigen Kerne 92 und 93 sind mit der verdrehbaren Welle S an zwei unterschiedlichen Positionen mit Hilfe von jeweiligen Trägern 921 und 931 verbunden, wobei beide ringförmigen Kerne 92 und 93 einander gegenüberliegende Flächen haben, die jeweils mit Zahnhöckern 92A, 92B und 93A, 93B ausgebildet sind, während der äußere Ringkern 91 mit stationär gehaltenen Sensorspulen 91A und 91B ausgestattet ist. Im Betrieb unterliegt die verdrehbare Welle S bei Aufbringen eines Drehmoments einer Torsion, wodurch die einander gegenüberliegenden Flächenbereiche der in den ringförmigen Kernen 92 und 93 ausgebildeten Zahnhöcker 92A, 92B und 93A, 93B verändert wrden, was eine entsprechende Änderung in der Anzahl der magnetischen Kraftlinien 90 hervorruft. Demzufolge wird eine entsprechende Änderung der Induktivität an den Sensorspulen 91A und 91B verursacht. Da die Änderung in der Induktivität der Größe des aufgebrachten Drehmoments entspricht, ist es möglich, die letztere in Form der Änderung in der Induktivität zu ermitteln.
Die Fig. 25 zeigt eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung, die von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung entwickelt wurde und in JP-A-62-263490 offenbart ist. Die Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung umfaßt eine Antriebswelle 1 und eine Abtriebswelle 2, die durch ein zwischen diesen angeordnetes elastisches Element 10 untereinander verbunden sind, einen Sensorspulen 99A sowie 99B enthaltenden Resonanzkreis und einen Ermittlungskreis, der dazu eingerichtet ist, mit dem Resonanzkreis zusammenzuarbeiten. Im einzelnen sind die Sensorspulen 99A und 99B an der Antriebswelle 1 bzw. der Abtriebswelle 2 in Gegenüberlage zueinander montiert. Um die Antriebswelle herum ist eine Solenoidspule 95 gewickelt, die mit den Sensorspulen 99A und 99B durch einen Kondensator 98 in Reihe geschaltet ist, um dadurch einen Resonanzkreis zu bilden. Darüber hinaus sind eine Eingangsspule 96 und eine Ausgangsspule 97, die den oben erwähnten Ermittlungskreis bilden, längs des Außenumfangs der Solenoidspule 95 mit einem Abstand von dieser angeordnet. Jede der Sensorspulen 99A und 99B wird von einem Kern aus magnetischem Material und einem um den Kern herum gewickelten elektrischen leitfähigen Draht gebildet. Diese Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung arbeitet in der folgenden Weise. Wenn eine Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 2 bei Aufbringen eines Drehmoments eintritt, werden die einander gegenüberliegenden Flächenbereiche der Sensorspulen 99A und 99B verändert, was in einer entsprechenden Änderung in der Anzahl der magnetischen Kraftlinien resultiert, wodurch für eine gegenseitige Induktivität der Sensorspulen eine Änderung hervorgerufen wird, was eine Änderung in der zusammengesetzten Induktivität nach sich zieht. Auf diese Weise kann die Größe eines Drehmoments in Form der entsprechenden Änderung in der Induktivität ermittelt werden.
Der erstgenannte Drehmoment-Meßfühler, bei dem die drei ringförmigen Kerne verwendet werden, unterliegt jedoch einem Problem insofern, als eine Temperaturabhängigkeit in der Induktivität vorhanden ist, weil ein Kern aus magnetischem Material zum Einsatz kommt. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß, obwohl die Temperaturabhängigkeit am Nullpunkt aufgrund einer Differential-Ermittlungsmethode, die angewendet wird, kompensiert werden kann, die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Drehmoment-Meßfühlers zu bedeutsam ist, um aufgehoben zu werden.
Andererseits sind im Fall der letztgenannten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung, wobei ein Paar von Sensorspulen zum Einsatz kommt, zwei Sätze von Kreisen, von denen jeder die in Fig. 25 gezeigte Ausgetaltung hat, so verbunden, daß der Strom durch die Sensorspulen in derselben Richtung im einen Ermittlungskreis und in entgegengesetzten Richtungen im anderen Ermittlungskreis (d.h. in gleicher Phase bzw. in umgekehrter Phase) fließt, wobei der Unterschied oder das Verhältnis zwischen den Ausgängen von beiden Sätzen als das Ausgangssignal zum Zweck einer Temperaturkompensation verwendet wird. Da jedoch ein Kern aus magnetischem Material als die Sensorspule benutzt wird, wird ein Unterschied in der Temperaturabhängigkeit der jeweiligen Kopplungsfaktoren, die die gegenseitige Induktivität bestimmen, herausgefunden. Somit ist es unmöglich, eine Temperaturkompensation in adäquater Weise zu bewirken.
Vor allem wird die gegenseitige Induktivität durch den Kopplungsfaktor der zwei Sensorspulen bestimmt. Wenn ein Kern aus magnetischem Material (wie Ferrit oder dergleichen) zum Einsatz kommt, zeigt jedoch der Kopplungsfaktor auch eine Temperaturabhängigkeit in Übereinstimmung mit der Temperaturabhängigkeit der Permeabilität des Magnetkerns. Auch ändert sich die Temperaturabhängigkeit als Folge der Richtung der Kopplung (gleiche Phase und umgekehrte Phase) wie auch des Grades einer Kopplung (Größenwert der gegenüberliegenden Flächenbereiche). Demzufolge kann der Unterschied (oder das Verhältnis) zwischen den Ausgängen der zwei Sätze von Ermittlungskreisen nicht zu einer zufriedenstellenden Temperaturkompensation führen.
Wie aus dem Obigem ersichtlich wird, leiden beide bekannten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtungen unter der Empfindlichkeit der Temperaturkennwerte gegenüber dem Einfluß der Temperaturabhängigkeit.

Abriß der Erfindung

Demzufolge ist es ein prinzipielles Ziel dieser Erfindung, eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung zu schaffen, die im wesentlichen gegenüber den oben erwähnten Problemen unempfindlich und imstande ist, ein an einer drehenden Welle aufgebracht tes Drehmoment mit gesteigerter Genauigkeit in einer berührungsfreien Weise zu messen, und die ausgezeichnete Temperaturkennwerte besitzt.
Im Hinblick auf das obige Ziel und weitere Ziele, die mit fortschreitender Beschreibung ersichtlicher werden, wird gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung geschaffen, die eine ringförmige Sensorspule, welche einen Spulenkörper nicht enthält und an einer drehbaren Welle angeordnet ist, an welcher ein Drehmoment aufgebracht wird, und ein nichtferromagnetisches, lagejustierbares Metallkernelement umfaßt, das in der Nachbarschaft der Sensorspule angeordnet ist, wobei bei einem Verdrehen der drehbaren Welle aufgrund des Aufbringens eines Drehmoments das Metallkernelement sich innerhalb des durch die Sensorspule abgegrenzten Hohlraumes bewegt, um dadurch eine relative Winkelverschiebung zwischen der Sensorspule sowie dem Metallkernelement und folglich eine entsprechende Änderung in der Induktivität der Sensorspule hervorzurufen. Die Änderung in der Induktivität wird als ein Signal verwendet, das die Größe eines an der drehbaren Welle aufgebrachten Drehmoments darstellt.
Bei dieser Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung sind ein Kondensator und eine auf die drehbare Welle gewickelte Solenoidspule miteinander in Reihe geschaltet und an der drehbaren Welle befestigt. Die Sensorspule, der Kondensator und die Solenoidspule sind untereinander verbunden, um somit einen Resonanzkreis zu bilden. Ein von einer Eingangsspule sowie einer Ausgangsspule, die jede aus einem magnetischen, mit einer Spule umwickelten Kern bestehen, wobei die Eingangs- und Ausgangsspule auf beiden Seiten der drehbaren Welle in Gegenüberlage zu der Solenoidspule mit Luftspalten zwischen jeweils der Eingangs- sowie Ausgangsspule und der Solenoidspule angeordnet sind, gebildeter Ermittlungskreis ist vorgesehen. Der oben erwähnte Resonanzkreis und der Ermittlungskreis bilden einen Schwingkreis, der imstande ist, mit einer Resonanzfrequenz des Resonanzkreises zu schwingen, wodurch die relative Winkelverschiebung zwischen der Sensorspule und dem Metallkernelement, die dem aufgebrachten Drehmoment entspricht, in Form einer Änderung in der Schwingungsfrequenz des Schwingkreises erfaßt wird.
Eines der hervorzuhebenden Merkmale dieser Erfindung besteht darin, daß die durch Wickeln eines elektrisch leitfähigen Drahtes in einer Ringform ohne Verwendung irgendeines Spulenkörpers gebildete Sensorspule und das innerhalb des Hohlraumes oder durch den Hohlraum, der durch die Sensorspule abgegrenzt ist, hin- und herbewegbare Metallkernelement an der drehbaren Welle so angeordnet sind, daß eine Induktivität der Sensorspule in Übereinstimmung mit der Winkelverschiebung verändert wird, die zwischen der Sensorspule und dem Metallkernelement bei Aufbringen eines Drehmoments auf die drehbare Welle stattfindet, und daß der Ermittlungskreis in Gegenüberlage zu der Solenoidspule, wobei Luftspalte dazwischen vorhanden sind, für den Zweck angeordnet wird, die durch das Drehmoment hervorgebrachte Winkelverschiebung in Form einer entsprechenden Änderung in der Schwingungsfrequenz zu ermitteln. Die Sensorspule und das Metallkernelement bilden einen einzelnen Satz einer Meßfühlereinheit.
Das Metallkernelement wird aus einem Material gefertigt, das keinen Ferromagnetismus hervorbringt, wie beispielsweise Kupfer, und wird bevorzugt an der drehbaren Welle so angebracht, daß es bezüglich seiner Position justierbar ist, um eine Einstellung des Nullpunkts der Meßfühlereinheit zu ermöglichen.
Die Sensorspule und das Metallkernelement, die eine einzelne Meßfühlereinheit bilden, sind an den zugeordneten drehbaren Wellenstücken, die in Gegenüberlage zueinander angeordnet sind, jeweils befestigt. Die Sensorspule und das Metallkernelement können relativ zueinander in der Drehrichtung der drehbaren Wellenanordnung verlagert werden. Aufgrund dieser Anordnung ändert das Metallkernelement, indem es sich in den oder aus dem Hohlraum bewegt, der durch die Sensorspule abgegrenzt ist, wenn eine Winkelverschiebung zwischen der Sensorspule und dem Metallkernelement vorliegt, die Induktivität der Sensorspule entsprechend.
Die Sensorspule und das Metallkernelement sollten vorzugsweise von einem kreisförmigen Querschnitt sein, weil so im Vergleich mit einem rechteckigen Querschnitt eine größere gegenseitige Induktivität vorliegt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Paar von Meßfühlereinheiten vorgesehen, wobei die Sensorspule der einen Meßfühlereinheit so geschaltet ist, daß deren Induktivität abnimmt, während die Sensorspule der anderen Meßfühlereinheit so geschaltet ist, daß ihre Induktivität zunimmt. In diesem Fall kann der Unterschied oder das Verhältnis zwischen den zwei Schwingungsfrequenzen an den Resonanzkreis als der zusammgefaßte Ausgang der zwei Meßfühlereinheiten gelegt werden. Im Zusammenhang mit dieser Anordnung ist zu erwähnen, daß das Metallkernelement der einen Meßfühlereinheit mit einem einzigen Kernteil versehen ist, während dasjenige der anderen Meßfühlereinheit mit zwei getrennten Kernteilen ausgestattet ist.
Der Drehwellenbausatz enthält eine Antriebswelle sowie eine Abtriebswelle, die untereinander durch ein elastisches Element, wie eine Blattfederanordnung, verbunden sind. Alternativ kann der Wellenbausatz in einer einstückigen Konstruktion gefertigt sein. Im erstgenannten Fall werden die Sensorspule und das Metallkernelement in Gegenüberlage zueinander an jeweils an der Antriebswelle bzw. der Abtriebswelle fest angebrachten Montageeinrichtungen angeordnet. Im letztgenannten Fall werden die Sensorspule und das Metallkernelement in Gegenüberlage zueinander an jeweiligen Befestigungseinrichtungen angeordnet, die an der einzigen Welle mit einem geeigneten Abstand zwischen ihnen gehalten sind.
Die Solenoidspule kann durch Wickeln eines elektrisch leitfähigen Drahtes auf die und um die Außenumfangsfläche der drehbaren Welle herum hergestellt werden, wobei der Draht mit dem Kondensator und der Sensorspule verbunden wird, um einen geschlossenen Resonanzkreis zu bilden.
Die Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist imstande, äußerst vorteilhafte Funktionen und Wirkungen insbesondere dann hervorzubringen, wenn sie zum Messen in einer berührungsfreien Weise eines in einem drehenden Mechanismus, wie Kraftfahrzeug-Antriebssystemen, Lenkungssystemen oder dergleichen, übertragenen Drehmoments verwendet wird oder wenn sie in diese drehenden Mechanismen für deren Regelung auf der Basis des ermittelten Drehmoments eingegliedert wird.
In der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung findet eine relative Winkelverschiebung zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle oder zwischen zwei diskreten Positionen an der drehbaren Welle bei Aufbringen eines Drehmoments auf diese statt. Mit dem Auftreten der relativen Winkelverschiebung bewegt sich das Metallkernelement mit Bezug zur Sensorspule in den oder aus dem durch diese bestimmten Hohlraum. Als eine Folge wird die Induktivität der Sensorspule wegen der Änderungen in dem im Kernteil des Metallkernelements aufgrund dessen Bewegung relativ zur Sensorspule induzierten Wirbelstroms verändert.
Die Änderung in der Induktivität in der Sensorspule zieht eine entsprechende Änderung in der Resonanzfrequenz des an der drehbaren Welle angeordneten Resonanzkreises nach sich, und als Ergebnis dessen wird die Schwingungsfreuquenz des außenseitig der drehbaren Welle vorgesehenen Ermittlungskreises verändert. Da die Größe einer Änderung in der Induktivität der Sensorspule der Größe eines durch die Drehwelle übertragenen Drehmoments entspricht, ist es möglich, die Größe des Drehmoments auf der Grundlage der Größe in der Änderung in der Schwingungsfrequenz zu ermitteln.
Wenn ein Paar von Meßfühlereinheiten vorgesehen wird, wird der Unterschied und das Verhältnis zwischen den Ausgängen dieser Meßfühlereinheiten ermittelt, wodurch eine Messung eines Drehmoments mit einer gesteigerten Genauigkeit selbst für eine kleine Winkelverschiebung zwischen der Sensorspule und dem Metallkernelement erlangt werden kann.
Da das Metallkernelement aus einem gemäß der Lehre dieser Erfindung nichtferromagnetischen Material gefertigt ist, wird die Größe des in dem Metallkernteil induzierten Wirbelstroms wie auch diejenige des durch den Ermittlungskreis fließenden Stroms lediglich durch die geometrische Position des Metallkernelements bestimmt und zeigt keine Temperaturabhängigkeit. Somit kann eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung geschaffen werden, die in bezug auf die Temperaturkennwerte ausgezeichnet ist.
Weil die Sensorspule keinen Spulenkörper enthält, kann ferner ein schmaler Luftspalt zwischen der Sensorspule und dem Metallkernelement verwirklicht werden. Aufgrund dieses Merkmals kann sich die Induktivität der Sensorspule merklich verändern, um dadurch entsprechend die Drehmoment-Ermittlungsempfindlichkeit zu steigern.
Die Änderung in der Resonanzfrequenz, die in Abhängigkeit von der Größe des durch die drehende Welle übertragenen Drehmoments stattfindet, kann berührungsfrei durch die außenseitig der Welle angeordnete Ermittlungseinheit erfaßt werden. Dieses Merkmal trägt auch zu einer weiteren Steigerung in der Ermittlungsgenauigkeit und -empfindlichkeit bei.
Da die Signalübertragung zu dem außenseitig der drehbaren Welle vorgesehenen Ermittlungskreis in Form einer Frequenzübertragung verwirklicht wird, können ein hoher Rauschabstand und eine erhebliche Verminderung im Energieverbrauch der Erregerspule der Ermittlungseinheit erzielt werden.
Wie aus dem Obigen erkennbar wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung geschaffen, die imstande ist, in einer berührungsfreien Weise das durch eine Drehwelle übertragene Drehmoment mit einer hohen Ermittlungsempfindlichkeit und -genauigkeit zu erfassen, während sie verbesserte Temperaturkennwerte besitzt. Ferner ist es mit der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der Erfindung auch möglich, das an einer Welle aufgebrachte Drehmoment selbst in deren stationären Zustand zu messen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein genaueres Verständnis der Erfindung kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dieser, die beispielhaft gegeben wird und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen und zu würdigen ist, erlangt werden.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung unterliegenden Grundgedankens;
Fig. 2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Meßfühlereinheit der in Fig. 1 gezeigten Drehmoment- Ermittlungsvorrichtung;
Fig. 2A ist eine schematische Ansicht, die eine Abwandlung eines ein Teil der in Fig. 2 gezeigten Meßfühlereinheit bildenden Metallkernelements darstellt;
Fig. 3 und 4 sind Darstellungen zur Erläuterung einer relativen Winkelverschiebung zwischen einer Sensorspule und einem Metallkernelement in der in Fig. 1 gezeigten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung;
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung, die eine beispielhafte Anordnung des Ermittlungskreises in der in Fig. 1 gezeigten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Schaltschema, das einen in der in Fig. 1 gezeigten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung verwendeten Schwingkreis darstellt;
Fig. 7 ist ein Diagramm zur graphischen Erläuterung einer Beziehung zwischen der Winkelverschiebung und der Schwingungsfrequenz, die in der in Fig. 1 gezeigten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung erhalten wird;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zugrunde liegenden Gedankens;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung zugrunde liegenden Gedankens;
Fig. 10 ist eine perspektivische Übersichtsdarstellung, die eine Meßfühlereinheit in der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung von Fig. 9 zeigt;
Fig. 10A ist eine schematische Ansicht, die eine Abwandlung eines ein Teil der in Fig. 10 gezeigten Meßfühlereinheit bildenden Metallkernelements veranschaulicht;
Fig. 11 und 12 sind Darstellungen zur Erläuterung einer relativen Winkelverschiebung zwischen einer Sensorspule und einem Metallkernelement in der in Fig. 9 gezeigten Drehmoment- Ermittlungsvorrichtung;
Fig. 13 ist eine Schnittdarstellung, die eine beispielhafte Anordnung des Ermittlungskreises in der in Fig. 9 gezeigten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung veranschaulicht;
Fig. 14 ist ein Schaltschema, das einen in der in Fig. 9 gezeigten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung verwendeten Schwingkreis veranschaulicht;
Fig. 15 und 16 sind Diagramme zur jeweiligen graphischen Erläuterung einer in der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung von Fig. 9 verwirklichten Beziehung zwischen einer Winkelverschiebung sowie einer Schwingungsfrequenz und einer verwirklichten Beziehung zwischen einer Winkelverschiebung sowie einem Unterschied in Schwingungsfrequenzen;
Fig. 15A und 16A sind den Fig. 15 und 16 jeweils entsprechende Diagramme für die Fälle, wobei modifizierte, in den Fig. 2A und 10A gezeigte Meßfühlereinheiten verwendet werden;
Fig. 17A, 17B und 17C sind schematische Darstellungen zur Erklärung der Bedeutung von Bezugszeichen, die verschiedene Dimensionen eines ersten Kernelements, eines zweiten Kernelements und einer Sensorspule in der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung bezeichnen;
Fig. 18 und 19 sind Diagramme zur graphischen Erläuterung von Beziehungen zwischen relativen Größen des Metallkernelements und der Empfindlichkeit;
Fig. 20 ist ein Längsschnitt, der in konkreter Weise eine beispielhafte Konstruktion der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der dritten, in den Fig. 9 bis 14 dargestellten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 21 ist eine perspektivische Darstellung, die einen wesentlichen Teil der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung von Fig. 20 zeigt;
Fig. 22 ist ein Schnitt nach der Linie XXII-XXII in der Fig. 21;
Fig. 23 ist eine Schnittdarstellung einer Konstruktion zur Verbindung eines Antriebswellenstücks sowie eines Abtriebswellenstücks untereinander mittels einer Blattfederanordnung in der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung, die in Fig. 20 gezeigt ist;
Fig. 24 ist eine Schnittdarstellung, die eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 25 ist eine schematische erläuternde Darstellung einer anderen vorbekannten Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Erste Ausführungsform

Anhand der Fig. 1 bis 7 ist eine erste Ausführungsform der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung gezeigt, bei welcher ein einziges Paar aus einer Sensorspule und einem Metallkernelement dazu dient, eine Meßfühlereinheit oder -schaltung zu bilden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung eine Meßfühlereinheit J, die durch eine Sensorspule 31 sowie ein Metallkernelement 32, die zu einem Paar zusammengefaßt und jeweils an drehbaren Wellenstücken 1 bzw. 2 befestigt sind, welche in Gegenüberlage zueinander angeordnet sind, gebildet wird, eine LC-Reihenschaltungseinheit K, die fest an dem drehbaren Wellenstück 1 gehalten ist, und eine Ermittlungsschaltungseinheit L (Fig. 6), die seitwärts der drehbaren Welle 1 angeordnet ist, wobei die Meßfühlereinheit J und die LC-Reihenschaltung K in Serie miteinander verbunden sind, um dadurch einen Resonanzkreis zu bilden. Die Schaltkreise J, K und L wirken miteinander zusammen und dienen der Drehmomentermittlung.
Im einzelnen sind die drehbaren Wellenstücke 1 und 2 untereinander durch ein zwischengefügtes elastisches Element 10, wie z.B. ein elastisches Gummibauteil, eine Metall-Blattfederanordnung oder dergleichen, verbunden. Die spulenkörperfreie Sensorspule 31 ist allein durch einen elektrisch leitfähigen Draht 312 gebildet, der ohne Verwendung irgendeines Spulenkörpers gewickelt wird, um so einen hohlen Innenraum 313 zu bestimmen, wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Sensorspule 31 wird fest an dem drehbaren Wellenstück 1 an dessen einem Ende 11 mittels eines geeigneten (nicht dargestellten) Befestigungsglieds angebracht. Andererseits wird das Metallkernelement 32 von einer Welle 322 und einem relativ dicken scheibenförmigen Kernteil 321, das auf der Welle 322 an einer mittig liegenden Stelle von dieser angebracht wird, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, gebildet, wobei wenigstens das Kernteil 321 vorzugsweise aus einem nichtferromagnetischen Material, wie Kupfer, besteht. Das Metallkernelement 32 wird an dem drehbaren Wellenstück 2 an einem Ende 21 von diesem durch ein (nicht dargestelltes) Paßteil in dem Zustand befestigt, wobei das Kernteil 321 innerhalb des hohlen Innenraumes 313 der Sensorspule 31 angeordnet ist.
Das Metallkernelement 32 wird fest am drehbaren Wellenstück 2 mittels eines (nicht dargestellten) Paßteils, das imstande ist, mit einem Gewindeabschnitt 325 am Ende der Welle 322 in Gewindeeingriff zu kommen, angebracht. Die Sensorspule 31 und das Metallkernelement 32 werden so angeordnet, daß das scheibenförmige Kernteil 321 des Metallkernelements 32 in der Mitte der Sensorspule 31 - bei Betrachtung in deren axialer Richtung - liegt, wenn auf die drehbare Wellenanordnung kein Drehmoment aufgebracht wird (d.h., wenn keine Winkelverschiebung vorliegt), wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Lagejustierung zu diesem Zweck kann durch entsprechendes Drehen der Welle 322 des Metallkernelements 32 mittels eines geeigneten Werkzeugs, wie eines Schraubendrehers, das in einen in der Stirnfläche des Gewindeabschnitts 325 der Welle 322 ausgebildeten Schlitz 326 eingesetzt wird, bewerkstelligt werden, um dadurch die Position des Gewindeabschnitts 325 mit Bezug zum (nicht dargestellten) Paßteil zu justieren.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht die LC-Reihenschaltung K, die durch Zusammenwirken mit der Meßfühlerschaltung J den Resonanzkreis bildet, aus einer um das drehbare Wellenstück 1 außen herumgewickelten Solenoidspule 5 und einem mit der Solenoidspule 5 in Reihe geschalteten Kondensator 59, wobei die Solenoidspule 5 und der Kondensator 59 fest an dem drehbaren Wellenstück 1 gehalten sind.
Die Ermittlungsschaltung L zur Ermittlung der von der Solenoidspule 5 ausgegebenen Resonanzfrequenz wird, wie in Fig. 1 und 5 gezeigt ist, durch eine mit einer Antriebsenergiequelle verbundene Eingangsspulenanordnung 6 und eine Ausgangsspulenanordnung 7 zur Erzeugung eines Ermittlungssignals gebildet. Die Eingangsspulenanordnung 6 besteht aus einem Magnetkern 61 und einem elektrisch leitfähigen, um den Kern 61 gewickelten Draht 62, während die Ausgangsspulenanordnung 7 von einem magnetischen Kern 71 und einem um diesen herumgewickelten elektrisch leitfähigen Draht 72 gebildet wird. Die Eingangsspulenanordnung oder -einheit 6 und die Ausgangsspuleneinheit 7 werden in Gegenüberlage zur Solenoidspule 5 angeordnet, wobei Luftspalte M zwischen der Solenoidspule 5 und der Eingangs- sowie Ausgangsspuleneinheit 6 sowie 7 jeweils bestimmt werden, wie am besten in Fig. 5 gezeigt ist.
Gemäß der Fig. 6 sind die Ermittlungsschaltung J, die LC-Reihenschaltung K und der Ermittlungskreis L elektrisch mit einer Impulsformerschaltung N verbunden, um dadurch einen Schwingkreis zur Erzeugung eines Ausgangssignals f&sub0;, das eine Resonanzfrequenz kennzeichnet, zu bilden. In Fig. 6 bezeichnen die Bezugszahlen 41 einen Vergleicher, 42 eine Diode und 43 einen Strombegrenzungswiderstand, die als wesentliche Elemente der Formerschaltung N dienen. Ferner bezeichnet ein Bezugszeichen V eine Antriebsenergiequelle.
Im folgenden wird eine Funktionsweise der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung unter der Annahme erläutert, daß das drehbare Wellenstück 1 als Antriebswelle dient, während das drehbare Wellenstück 2 eine Abtriebswelle darstellt. Wenn die Abtriebswelle 2 durch die Antriebswelle 1 gedreht wird, wobei auf jene ein Drehmoment aufgebracht wird, unterliegt das zwischen diese Wellenstücke 1 und 2 eingefügte elastische Element 10 einer Verdrehung oder Torsion. Als Ergebnis erfolgt eine Winkelabweichung zwischen der Sensorspule 31, die an der Antriebswelle 1 fest ist, und dem scheibenförmigen Kernteil 321 des Metallkernelements 32, das an der Abtriebswelle 2 gehalten ist derart, daß es innerhalb des Hohlraumes 313 der Sensorspule 31 zu positionieren ist, wobei die Abweichung durch eine relative Winkelverschiebung θ in Fig. 4 wiedergegeben ist.
Aufgrund der Winkelverschiebung zwischen dem Kernteil 321 des Metallkernelements 32 und der Sensorspule 31, was von einer Bewegung (nach links oder rechts bei Betrachtung von Fig. 3) des scheibenförmigen Kernteils 321 des Metallkernelements innerhalb des durch die Sensorspule 31 bestimmten Hohlraumes 313 begleitet ist, wird ein in dem scheibenförmigen Kernteil 321 erzeugter Wirbelstrom entsprechend verändert, wodurch eine entsprechende Änderung in der Induktivität der Sensorspule 31 hervorgerufen wird. Gleichzeitig unterliegt die Resonanzfrequenz der mit der Meßfühlerschaltung J verbundenen LC-Reihenschaltung K einer Änderung, die wiederum eine entsprechende Verschiebung in der Schwingungsfrequenz im Ermittlungskreis L und folglich in der Ausgangsfrequenz f&sub0; der in Fig. 6 gezeigten Schaltung hervorruft. Da die Größe der Änderung in der Induktivität der Sensorspule 31 der Größe des aufgebrachten Drehmoments entspricht, ist es möglich, das aufgebrachte Drehmoment auf der Grundlage der Größe der Änderung in der Schwingungsfrequenz zu bestimmen.
In der Ermittlungsschaltung L wird das Ausgangssignal der Solenoidspule 5 durch die Eingangsspuleneinheit 6 sowie die Ausgangsspuleneinheit 7 erfaßt, um anschließend der Formerschaltung N eingegeben zu werden. Beiläufig sei bemerkt, daß der Frequenzausgang f&sub0; der Formerschaltung N in der Form eines Spannungssignals unter Verwendung eines an sich bekannten Frequenz-Spannungs-Wandlers od. dgl. abgeleitet werden kann.
Die Fig. 7 ist ein Diagramm, das graphisch lediglich beispielhaft eine Beziehung zwischen der relativen Winkelverschiebung und der Schwingungsfrequenz durch eine Kurve A erläutert.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform, wobei die Meßfühlerschaltung J durch die den Hohlraum 313 bestimmende Sensorspule 31 und das innerhalb des Hohlraumes 313 bewegbare Metallkernelement 32 gebildet wird, ohne von irgendeinem Magnetkern Gebrauch zu machen, kann eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung geschaffen werden, in welcher der durch die Ermittlungsschaltung fließende Strom allein durch die geometrische Position des Metallkernelements 32 bestimmt wird und die somit ausgezeichnete Temperaturkennwerte hervorbringen kann.
Weil die Sensorspule 31 keinen Spulenkörper enthält, kann auch der Spalt zwischen der Sensorspule 31 sowie dem scheibenförmigen Metallkernteil 321 minimiert werden, wodurch der Grad einer Induktivitätsänderung erhöht werden kann, und dementsprechend kann die Empfindlichkeit der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gesteigert werden. Weil zusätzlich eine Lagejustierung des Metallkernelements 32 unter Anwendung des Gewindeabschnitts 325 bewerkstelligt wird, wird die Nullpunktjustierung oder -einstellung in hohem Maß erleichtert.
Weil die Änderung in der Induktivität in einer berührungsfreien Weise ermittelt werden kann, wie vorstehend beschrieben wurde, können ferner eine merklich gesteigerte Ermittlungsgenauigkeit wie auch eine hohe Empfindlichkeit verwirklicht werden. Schließlich kann die Signalübertragung vom Resonanzkreis auf den Ermittlungskreis durch die Solenoidspule einen hohen Rauschabstand wie auch einen verminderten Energieverbrauch in der Erregerspule der Ermittlungsschaltung gewährleisten.

Zweite Ausführungsform

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß die Solenoidspule 5 und die Ermittlungsschaltung L von dieser letzteren durch Solenoidspulen 50 sowie 51 und Ermittlungsteile 65 sowie 75 einer jeweils unterschiedlichen Anordnung ersetzt werden, wie in Fig. 8 gezeigt ist.
Im einzelnen sind die Solenoidspulen 50 und 51 angeordnet und in Reihe miteinander derart geschaltet, daß die durch die Solenoidspulen 50 und 51 fließenden Ströme in der Umfangsrichtung der drehbaren Welle einander entgegengesetzt sind. Durch Anordnen der Solenoidspulen 50 und 51 in dieser Weise können die Eingangsspule 65 und die Ausgangsspule 75 der Ermittlungsschaltung L in ihrer Größe vermindert werden. Das heißt mit anderen Worten, daß jede der Spulen 65 und 75 unter Verwendung einer kleinen Solenoidspule ohne die Anwendung eines U-förmigen Magnetkerns wie im Fall der ersten Ausführungsform geschaffen werden kann. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die Spulen 65 und 75 in Gegenüberlage zueinander an zwischenliegenden Teilen der Solenoidspulen 50 und 51 angeordnet sind, wobei dazwischen jeweils Spalte gebildet werden. In Fig. 8 bezeichnen die Bezugszahlen 651 und 751 jeweils Magnetkerne, während die Bezugszahlen 652 und 752 jeweils elektrisch leitfähige Drähte kennzeichnen.
Die zweite Ausführungsform bringt derartige vorteilhafte Wirkungen hervor, daß die Ermittlungsschaltung L mit einer verminderten Größe zusätzlich zu den Vorteilen der ersten Ausführungsform gefertigt werden kann, wobei die Herstellungskosten entsprechend herabgesetzt werden.

Dritte Ausführungsform

In der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform sind ein Metallkernelement 32, das ein einziges scheibenförmiges Kernteil hat, und ein Metallkernelement 34, das zwei scheibenförmige Kernteile besitzt, zusammen mit zwei unabhängigen Schwingkreisen vorgesehen, wie in den Fig. 9 bis 14 gezeigt ist.
Im einzelnen ist das drehbare Wellenstück 1 an einem Endabschnitt 11 von diesem mit Sensorspulen 31 und 33 versehen, während das drehbare Wellenstück 2 an seinem Endabschnitt 21 mit Metallkernteilen 32 und 34 ausgestattet ist. Die Sensorspule 31 und das Metallkernelement 32 wirken zusammen, um eine Meßfühlereinheit Jx zu bilden, während die Sensorspule 33 und das Metallkernelement 34 eine Meßfühlereinheit Jy bilden, wobei diese Meßfühlereinheiten Jx und Jy fest an der drehbaren Welle an diametral einander gegenüberliegenden Stellen (vgl. Fig. 9, 10 und 12) fest angebracht sind. Die Meßfühlereinheit Jx bildet einen ersten Schwingkreis im Zusammenwirken mit einer LC-Reihenschaltung Kx sowie einer Ermittlungsschaltung Lx, während die Meßfühlereinheit Jy einen zweiten Schwingkreis zusammen mit einer LC-Reihenschaltung Ky und einer Ermittlungsschaltung Ly bildet. Die Konstruktion der Meßfühlereinheit Jx selbst ist im wesentlichen dieselbe wie diejenige der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in den Fig. 9, 11 und 12 gezeigt ist, unterliegt bei Auftreten einer relativen Winkelverschiebung aufgrund eines an der drehbaren Wellenanordnung aufgebrachten Drehmoments, was von einer Verlagerung des Kernelements 32 der Meßfühlereinheit Jx innerhalb des Hohlraumes 313 der Sensorspule 31 in deren axialer Richtung begleitet ist wie im Fall der ersten und zweiten Ausführungsformen, die Schwingungsfrequenz des ersten Schwingkreises der durch eine Kurve X in Fig. 15 (die der in Fig. 7 gezeigten Kurve A entspricht) angegebenen Änderung. Das heißt mit anderen Worten, daß die Meßfühlereinheit Jx derart geschaltet ist, daß dann, wenn das scheibenförmige Kernteil 321 des Metallkernelements 32 innerhalb der Sensorspule 31 vom mittigen Teil weg bewegt wird, die Induktivität der Sensorspule 31 vergrößert wird. Im folgenden wird diese Schaltungsart der Meßfühlereinheit als eine Gegenphasenschaltung bezeichnet.
Andererseits ist im Fall der Meßfühlereinheit Jy die Sensorspule 33 eng in ein Durchgangsloch 161, das in einem Tragarm 16 wie im Fall der ersten Ausführungsform ausgebildet ist, eingepaßt, wie in Fig. 10 zu sehen ist, obgleich das in Fig. 2 in Verbindung mit der ersten Ausführungsform nicht dargestellt ist. Auch ist das Metallkernelement 34 der Meßfühlereinheit Jy mit einem Paar von scheibenförmigen Kernteilen 341 und 342 ausgestattet, die auf der Welle 343 (Fig. 10) montiert sind, was gegensätzlich zum Metallkernteil 32 der Meßfühlereinheit Jx ist. Die Welle 343 ist an ihrem einen Ende mit einem Gewindeabschnitt 345 ausgestattet, durch welchen die Welle 343 an einem (nicht gezeigten) Träger befestigt wird und zur Einstellung der Nullposition justiert werden kann.
Bei der oben beschriebenen Konstruktion des Metallkernelements 34 der Meßfühlereinheit Jy wird bei Auftreten einer relativen Winkelverschiebung aufgrund des Aufbringens eines Drehmoments das eine der scheibenförmigen Kernteile 341 und 342 des Metallkernelements 34 in den von der Sensorspule 33 bestimmten Hohlraum bewegt. Wenn die relative Winkelverschiebung vergrößert wird, wird folglich die Schwingungsfrequenz des zweiten Schwingkreises erhöht, wie durch eine Kurve Y in Fig. 15 angegeben ist. Das heißt mit anderen Worten, daß die Meßfühlereinheit Jy derart geschaltet ist, daß, wenn eines der scheibenförmigen Kernteile 341 und 342 sich nahe an die Sensorspule 33 bewegt, was von einem entsprechenden Anstieg in der relativen Winkelverschiebung begleitet ist, eine Induktivität der Sensorspule 33 vermindert wird. Im folgenden wird diese Schaltungsart als eine Vorwärtsphasenschaltung bezeichnet.
In den oben beschriebenen Schwingkreisen (Fig. 14) werden die von den Ermittlungsschaltungen Lx und Ly ausgegebenen Schwingungsfrequenzen durch jeweilige Impulsformerschaltungen Nx und Ny verarbeitet, um jeweils als Ausgangssignale fx und fy herausgezogen zu werden. Bei Übertragung eines Drehmoments zwischen den drehbaren Wellenstücken 1 und 2 verändern sich die relativen Winkelpositionen von diesen von dem in Fig. 11 gezeigten Zustand zu dem in Fig. 12 gezeigten Zustand, wodurch eine relative Winkelverschiebung θ hervorgerufen wird, die wiederum in Änderungen in den Spalten zwischen den Sensorspulen 31 sowie 33 bzw. den Metallkernelementen 32 sowie 34 jeweils resultiert, wodurch die Induktivitäten der Sensorspulen 31 sowie 33 dazu gebracht werden, sich entsprechend zu ändern, wie oben beschrieben wurde.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Meßfühlereinheiten Jx und Jy in der Gegenphasenschaltung bzw. in der Vorwärtsphasenschaltung geschaltet, wie vorher erwähnt wurde. Demzufolge kann die Beziehung zwischen der Winkelverschiebung θ und der Schwingungsfrequenz durch eine Kurve X für den Ausgang fx des Schwingkreises, der die in der Rückwärtsphase geschaltete Meßfühlereinheit Jx enthält, und durch eine Kurve Y für den Ausgang fy, der in der in der Vorwärtsphase geschalteten Meßfühlereinheit Jy seinen Ursprung hat, dargestellt werden. Wenn der Unterschied in der Schwingungsfrequenz (fx - fy) als ein zusammengefaßtes Ausgangssignal verwendet werden soll, kann die betreffende Beziehung durch eine in Fig. 16 gezeigte Kurve B dargestellt werden. Diese Kurve B zeigt eine im wesentlichen doppelt so große Änderung wie in dem Fall, da lediglich eine der Rückwärts- oder Vorwärtsphasenschaltungen verwendet wird. Das heißt, daß es durch Vorsehen von zwei jeweils in den Vorwärts- und Rückwärtsphasen geschalteten Sensorkanälen möglich ist, einen zusammengefaßten Ausgang eines erhöhten Größenwerts für eine vorgegebene Winkelverschiebung (Unterschied in der Schwingungsfrequenz zwischen den beiden Ermittlungskanälen) abzuleiten, was bedeutet, daß die Messung eines Drehmoments mit einer entsprechend gesteigerten Genauigkeit durchgeführt werden kann.
Wie aus der obigen Beschreibung verständlich wird, kann die Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zu den Vorteilen der ersten und zweiten Ausführungsformen dieser Erfindung die vorteilhafte Wirkung hervorbringen, daß ein Ausgang eines erhöhten Größenwerts verfügbar gemacht wird, um eine Drehmomentermittlung mit einer höheren Genauigkeit zu gewährleisten.
Bei den drei oben beschriebenen Ausführungsformen wird das erste Metallkernelement 32, das ein einziges Kernteil 321 hat, derart konstruiert, daß das scheibenförmige Kernteil 321 die Welle 322 rechtwinklig kreuzt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß das erste Metallkernelement alternativ in einer solchen Konstruktion verwirklicht werden kann, wie in Fig. 2A gezeigt und die allgemein durch eine Bezugszahl 38 bezeichnet ist. Im einzelnen wird das Kernelement 38, wie in Fig. 2A gezeigt ist, durch ein Kernteil 381 mit einem maximalen Durchmesser, das in der Mitte angeordnet ist, durch stirnseitige Teile 382 mit einem verminderten Durchmesser und durch konkav gekrümmte Flächen 383, die das mittige Kernteil 381 sowie die stirnseitigen Teile 383 untereinander verbinden, gebildet.
Ferner ist in Verbindung mit der dritten Ausführungsform das zweite Metallkernelement 34, das die zwei Kernteile 341 und 342 besitzt, so ausgebildet, wie in Fig. 10 gezeigt ist, wobei die scheibenförmigen Kernteile 341 und 342 die Welle 343 wie im Fall des ersten Metallkernelements 32 rechtwinklig kreuzen. Jedoch kann als eine Version dieser Ausführungsform das zweite Metallkernelement mit einer solchen Konstruktion gefertigt werden, die in Fig. 10A gezeigt und allgemein durch eine Bezugszahl 39 bezeichnet ist und welche beide stirnseitigen Teile 391 sowie 392 mit einem maximalen Durchmesser, ein Mittelteil 393 mit einem verminderten Durchmesser und verbindende Teile 394 sowie 395, von denen jedes eine konvexartig gekrümmte Fläche besitzt, einschließt.
Wenn die beiden Metallkernelemente 38 und 39 in der Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform anstelle der Metallkernelemente 32 bzw. 34 verwendet werden, kann mit dem Metallkernelement 38 eine solche Schwingungsfrequenz-Ausgangscharakteristik, wie sie durch eine Kurve Z1 in Fig. 15A gezeigt ist, erhalten werden, die am Nullpunkt abrupt knickt, während für das Metallkernelement 39 eine Schwingungsfrequenz-Ausgangscharakteristik verwirklicht wird, wie sie durch eine konkave lineare Kurve Z2 wiedergegeben ist, die im Nullpunkt abrupt abknickt (wie auch in Fig. 15A gezeigt ist). Durch Bestimmen des Unterschiedes zwischen den ausgehenden Schwingungsfrequenzen Z1 und Z2, wie in Fig. 16 dargestellt ist, kann ein zusammengefaßter Ausgang Z3, der eine größere Änderungsrate als eine Funktion der Winkelverschiebung zeigt, erhalten werden, wie in Fig. 16A dargestellt ist, wodurch die Genauigkeit in der Drehmomentmessung entsprechend gesteigert werden kann.
Wie aus dem Obigen ersichtlich wird, ist die Änderung in der Schwingungsfrequenz als eine Funktion der Winkelverschiebung linear, wenn im Gegensatz zu dem Fall, wobei die in Fig. 2 und 10 gezeigten Metallkernelemente 32 und 34 verwendet werden, die Metallkernelemente 38 und 39 zum Einsatz kommen. Eine solche Linearität des Ausgangs ist der Tatsache zuzuschreiben, daß das Metallkernelement 38 die konkav gekrümmte Fläche 383 besitzt, während das Metallkernelement 39 mit den konvex gekrümmten Flächen 394 und 395 versehen ist. Es ist selbstverständlich, daß diese Metallkernelemente 38 und 39 so ausgestaltet werden, daß sie für eine Nullpunktjustierung empfänglich sind, obwohl eine Erläuterung hierfür weggelassen wird.
In Verbindung mit den Abmessungen der Sensorspule und des Metallkernelements wird vorgezogen, daß die unten angegebenen Beziehungen existieren sollten, um die Ermittlungsempfindlichkeit zu steigern. Es ist zu bemerken, daß, obgleich die folgende Erläuterung unter Bezugnahme auf die Fig. 17A bis 17C unter derAnnahme gegeben wird, daß die in Fig. 2 und 10 gezeigten Metallkernelemente verwendet werden, sie auch auf die in den Fig. 2A und 10A dargestellten Metallkernelemente anwendbar ist.
Was die Sensorspule angeht, so wird allgemein vorgezogen, daß die Spulenbreite a (Fig. 17C) der maximalen Größe einer Torsion vergleichbar sein soll, die im Zentrum der Sensorspule in deren axialer Richtung bei Auftreten einer maximalen relativen Winkelverschiebung θ (siehe Fig. 4) zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle stattfindet. Das heißt, daß die Breite a eine durch a ≈ (R + r) θ gegebene Beziehung besitzt, wobei R den Radius der Sensorspule und r den Radius der drehbaren Welle von der Mittelachse zur Sensorspulen-Montagefläche bezeichnen.
Die Größe des ersten Metallkernelements, das in Fig. 17A dargestellt ist, wird vorzugsweise so dimensioniert, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
a/2 ≤ d ≤ 2a/3, und
D&sub2; > 1,4 D&sub1;
worin d die Breite des mittigen Kernteils mit einem maximalen Durchmesser angibt, D&sub2; den maximalen Durchmesser bezeichnet und D&sub1; den Durchmesser des verminderten stirnseitigen Teils des Kernelements kennzeichnet. Es ist experimentell bestätigt worden, daß mit dem oben angegebenen Dimensionsbereich die Drehmoment-Ermittlungsempfindlichkeit gesteigert werden kann, wie aus der Fig. 18 verständlich wird.
Andererseits sollten im Fall des zweiten, in Fig. 17B dargestellten Metallkernelements vorzugsweise die folgenden Bedingungen erfüllt werden:
3a/2 ≤ d ≤ 2a,
D&sub2; > 1,4 D&sub1; und
2,2a ≤ l ≤ 2,4a
worin, wie aus der Fig. 17B zu sehen ist, d die Breite der seitlichen Kernteile, von denen jedes einen maximalen Durchmesser hat, bezeichnet, D&sub2; den maximalen Durchmesser angibt, D&sub1; den Durchmesser des verminderten Verbindungsteils zwischen den Kernteilen von maximalem Durchmesser kennzeichnet und l den Abstand zwischen den Kernteilen von maximalem Durchmesser oder die Länge des zwischen diesen verlaufenden Teils mit vermindertem Durchmesser darstellt. Mit dem oben erwähnten Bereich von Abmessungen kann, wie experimentell bestätigt worden ist, die Drehmoment-Ermittlungsempfindlichkeit gesteigert werden, wie aus der Fig. 19 ersichtlich wird.
Die Fig. 20 bis 23 zeigen ein konkretes Beispiel der Konstruktion oder Anordnung der einzelnen Komponenten, die die Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der dritten Auführungsform bilden. Insbesondere wird die Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung gemäß der Fig. 20 innerhalb eines Gehäuses 1b eingebaut, das am einen Ende einen Befestigungsflansch 1a hat und einen wellenverbundenen Spulenkörper 15, der auf die drehbare Welle 1, die als Antriebswelle dient, durch Schrauben aufgebracht sowie durch eine Mutter 1e festgelegt ist, einen auf der Seite der drehbaren Welle 2, die als eine Abtriebswelle dient, gehaltenen Rotor 22, eine Sensorspule 33 und ein Metallkernelement 34, die jeweils auf dem Spulenkörper 15 bzw. dem Rotor 22 montiert sind, sowie weitere Bauteile, die hier nicht erläutert werden, weil der Grundgedanke dieser Erfindung ohne deren Erläuterung zu verstehen ist, umfaßt. Am anderen Ende des Gehäuses 1b ist mit Hilfe von Schrauben eine Stirnplatte 1c befestigt, von der sich koaxial mit der drehbaren Welle 1 eine Hülse 1d erstreckt, um die Welle zu umhüllen.
Der wellenverbundene Spulenkörper 15 ist mit Solenoidspulen 50 und 51 der LC-Reihenschaltungen Kx und Ky, die vorher im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschrieben wurden, versehen, wobei die Spulen um den Spulenkörper 15 herum in einer in den Fig. 20 und 21 gezeigten Weise gewickelt sind. Auch sind am Spulenkörper 15 die Kondensatoren 59 fest angebracht. In Verbindung mit den Solenoidspulen 50 und 51 sind die Eingangsspule 65 sowie die Ausgangsspule 75 in Gegenüberlage angeordnet (siehe Fig. 8 und 22), wie vorher im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde.
Ferner sind die Sensorspulen 31 und 33 an dem an dem Spulenkörper 15 vorgesehenen Paßteil 16 (siehe Fig. 21) angeordnet, während die Metallkernelemente 32 und 34 an einer im Rotor 22 vorgesehenen Konsole 25 angeordnet sind (siehe Fig. 21). Die Sensorspulen 31 und 33 sind eng in das im Paßteil 16 ausgebildete Durchgangsloch 161 eingesetzt (siehe Fig. 10).
Das Metallkernelement 34 ist bewegbar an der Konsole 25 an beiden Enden der Welle 343 montiert, wie in Fig. 21 gezeigt ist. Ein Endabschnitt der Welle 343 ist in die ortsfeste Konsole 25 eingeschraubt. Demzufolge wird die Nullpunktjustierung durch Drehen des Schraubenkopfes 347 der Welle 343 durchgeführt, um dadurch das Metallkernelement 34 in Fig. 21 im wesentlichen auf- oder abzubewegen. Das Metallkernelement 32 wird ebenfalls in derselben Weise bewegt.
Wie in Fig. 20 und 23 gezeigt ist, ist zwischen die drehbaren Wellen 1 und 2 eine elastische Blattfederanordnung eingefügt. Im einzelnen besteht die Blattfederanordnung 101 aus zwei Paaren von flachen Blattfeder- und gewellten Blattfederbauteilen. Die Bauteile werden durch ein Durchgangsloch 1f, das in dem Endabschnitt der drehbaren Welle 1 mit dem relativ kleineren Durchmesser ausgebildet ist, so eingesetzt, daß beide Enden der Bauteile aus den Durchgangslöchern 1f vorstehen, worauf die drehbare Welle 2 von relativ größerem Durchmesser, die eine in der Stirnfläche ausgebildete Kerbe 2a besitzt, in die drehbare Welle 1 eingepaßt wird, wobei die vorragenden Endstücke der Bauteile in der Kerbe 2a aufgenommen werden, um dadurch die Wellen 1 und 2 mittels der zwischengefügten Blattfederanordnung 101 so zu verbinden, daß eine Drehmomentübertragung möglich ist. Des weiteren sind in der Welle 2 in diametraler Gegenüberlage zueinander Aussparungen 26 so ausgebildet, daß diametral durch die drehbare Welle 1 sich erstreckende Stifte, die diametral vergrößerte Köpfe 24 haben, welche als ein Anschlag dienen, in die Aussparungen 26 eingesetzt werden. Die Abmessungen der Aussparungen 26 und der vergrößerten Köpfe 24 werden so gewählt, daß der maximale Winkel einer relativen Winkelverschiebung zwischen den Wellen 1 und 2 sechs Grad nicht überschreitet. Der Rotor 22 ist mit der drehbaren Welle 2 über ein Halteglied 23 verbunden, und zwischen den Rotor 22 sowie die Antriebswelle 1 ist ein Rollenlager 221 eingesetzt.
Bei Auftreten einer relativen Winkelverschiebung aufgrund eines zwischen den Wellen 1 und 2 übertragenen Drehmoments erfolgen Lageverschiebungen zwischen den Sensorspulen 31, 33 und den Metallkernelementen 32, 34. Ein Drehmoment kann dann auf der Grundlage der Lageverschiebungen ermittelt werden, wie im einzelnen in Verbindung mit der dritten Ausführungsform erläutert wurde.
Eine Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung umfaßt eine ringförmige, spulenkörperfreie Sensorspule, die auf einer drehbaren Welle angeordnet ist, und ein lagejustierbares, nicht ferromagnetisches Metallkernelement, das benachbart zur Sensorspule angeordnet ist. Wenn die Welle verdreht wird, bewegt sich das Kernelement in einem durch die Sensorspule bestimmten Hohlraum, um dadurch eine Induktivität dieser in Übereinstimmung mit der Winkelverschiebung zwischen der Sensorspule und dem Kernelement zu verändern. Ein Ermittlungsteil ist in Gegenüberlage zu einer Solenoidspule, die auf die Welle gewickelt ist, mit einem Abstand dazwischen angeordnet, um die Winkelverschiebung in Form einer Änderung in einer Schwingungsfrequenz zu ermitteln. Eine Meßfühlereinheit wird durch die Sensorspule und den Metallkern gebildet. Es können ein Paar ven Meßfühlereinheiten angeordnet werden, wobei die eine Meßfühlereinheit so geschaltet wird, daß die Induktivität der zugeordneten Sensorspule vermindert wird, während die andere Meßfühlereinheit so geschaltet wird, daß die Induktivität der zugeordneten Sensorspule vergrößert wird. Ein Unterschied oder ein Verhältnis zwischen den zwei Schwingungsfrequenzen kann in einen Resonanzkreis eingeführt werden.

Claims

1. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung, um ein an einer drehenden Welle (1, 2) aufgebrachtes Drehmoment zu ermitteln, die umfaßt:

- einen an der Welle gehaltenen Kondensator (59);

- Solenoidspuleneinrichtungen (5), die auf die genannte Welle gewickelt und mit dem besagten Kondensator sowie der erwähnten Sensorspule verbunden sind, um einen Rsonanzkreis (K, J) zu bilden; und

- Ermittlungseinrichtungen (L), die einen Satz einer Eingangsspule (6) sowie einer Ausgangsspule (7), von denen jeder einen Magnetkern (61, 71) und einen elektrisch leitfähigen, um diesen Magnetkern gewickelten Draht (62, 72) umfaßt, enthalten, wobei die genannten Eingangs- und Ausgangsspulen der besagten Ermittlungseinrichtungen in Gegenüberlage zu den erwähnten Solenoidspuleneinrichtungen in radial auswärts beabstandeter Lagebeziehung zum Außenumfang der Welle angeordnet sind und wobei die besagten Ermittlungseinrichtungen im Zusammenwirken mit dem genannten Resonanzkreis einen Schwingkreis bilden, der imstande ist, bei der Resonanzfrequenz des genannten Resonanzkreises zu schwingen, um die dem Drehmoment entsprechende Winkelverschiebung in Fprm einer Änderung in der Schwingungsfrequenz zu ermitteln, gekennzeichnet durch

- eine ringförmige, spulenkörperfreie Sensorspule (31), die mit der Welle drehbar angeordnet sowie durch Wickeln eines elektrisch leitfähigen Drahtes (312), um einen Hohlraum (313) zu bestimmen, gebildet ist; und

- ein lagejustierbares, nichtferromagnetisches Metallkernelement (32), das mit der Welle drehbar an einer der genannten Sensorspule benachbarten Position angeordnet ist, wobei das besagte Kernelement mit der genannten Sensorspule so verbunden ist, daß, wenn sich zwischen dem besagten Kernelement sowie der genannten Sensorspule bei einem Verdrehen der Welle in Abhängigkeit von einem Aufbringen eines Drehmoments auf diese eine relative Winkelverschiebung entwickelt, das besagte Kernelement innerhalb des Hohlraumes der genannten Sensorspule bewegt wird, um dadurch eine Induktivität der genannten Sensorspule in Übereinstimmung mit der relativen Winkelverschiebung zu verändern.

2. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Solenoidspuleneinrichtungen ein Paar von Solenoidspulen umfassen, die derart angeordnet sind, daß Richtungen von Strömen, die in dem genannten Paar von Solenoidspulen fließen, in der Umfangsrichtung der Welle einander entgegengesetzt sind, wobei das genannte Paar von Solenoidspulen in Reihe miteinander geschaltet ist.

3. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Hohlraum der genannten Sensorspule in einer die Längsachse der Welle einschließenden Ebene liegt, daß das besagte Kernelement ein an der Welle durch Paßeinrichtungen (22, 35) montiertes Wellenstück (322) sowie ein an dem Wellenstück vorgesehenes Kernteil (321)enthält und daß das genannte Kernteil imstande ist, eine Bewegung in den sowie aus dem erwähnten Hohlraum auszuführen.

4. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Hohlraum und das genannte Kernteil von kreisförmigem Querschnitt sind.

5. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Wellenstück mit einem Gewindeabschnitt (325) ausgebildet ist, der mit den Paßeinrichtungen in Gewindeeingriff kommen kann, und daß die Position des genannten Kernteils mit Bezug zu dem erwähnten Hohlraum der genannten Sensorspule durch Justieren eines Ausmaßes der Eingreifverbindung des genannten Wellenstücks mit den Paßeinrichtungen mit Hilfe des besagten Gewindeabschnitts veränderbar ist.

6. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Metallkernelement aus Kupfer gefertigt ist.

7. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Wellenstück des besagten Kernelements im wesentlichen die Gestalt eines Zylinders und das genannte Kernteil des besagten Kernelements die Gestalt einer Scheibe haben, wobei das genannte Wellenstück einen gegenüber dem Durchmesser der besagten Scheibe kleineren Durchmesser hat.

8. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Wellenstück des besagten Kernelements ein in der Mitte angeordnetes Teil (381) mit maximalem Durchmesser, jeweils an seinen beiden Enden angeordnete Teile (382) mit vermindertem Durchmesser und konkav gekrümmte Flächenteile (383), die sich jeweils von den genannten Teilen mit vermindertem Durchmesser zu dem genannten Teil mit maximalem Durchmesser hin erstrecken, besitzt.

9. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch

a ≈ (R + r) θ

ausgedrückte Beziehung besteht, worin a die Breite der genannten Sensorspule darstellt, R den Radius der genannten Sensorspule angibt, θ einen maximalen Winkel der Winkelverschiebung darstellt und r einen radialen Abstand von der Längsachse der Welle zu einer Befestigungsfläche der genannten Sensorspule bezeichnet.

19. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Beziehungen bestehen, die durch

a/2 ≤ d ≤ 2a/3 und

D&sub2; > 1,4 D&sub1;

ausgedrückt sind, worin d die Breite des genannten Kernteils des besagten Kernelements darstellt, D&sub2; den Durchmesser des genannten Kernteils angibt und D&sub1; den Durchmesser des genannten Wellenstücks des besagten Kernelements bezeichnet.

11. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung zur Ermittlung eines an einer drehenden Welle (1, 2) aufgebrachten Drehmoments, die umfaßt:

- erste und zweite Kondensatoren (59), die an der Welle gehalten sind;

- erste und zweite Solenoidspuleneinrichtungen (50, 51), die auf die Welle gewickelt und mit den genannten ersten sowie zweiten Kondensatoren und den erwähnten ersten sowie zweiten Sensorspulen verbunden sind, um dadurch jeweils Resonanzkreise (Jx, Kx, Jy, Ky) zu bilden; und

- erste sowie zweite Ermittlungseinrichtungen (Lx, Ly), von denen jede einen Satz aus einer Eingangsspule (65) und einer Ausgangsspule (75), deren jede aus einem Magnetkern (651, 751) sowie einem elektrisch leitfähigen, um den besagten zugeordneten Magnetkern gewickelten Draht (652, 752) besteht, enthält, wobei die genannten Eingangsspulen und die genannten Ausgangsspulen der erwähnten ersten sowie zweiten Ermittlungseinrichtungen jeweils in Gegenüberlage zu den genannten ersten und zweiten Solenoidspuleneinrichtungen in radial auswärts beabstandeter Lagebeziehung zum Außenumfang der Welle angeordnet sind und wobei die erwähnten ersten sowie zweiten Ermittlungseinrichtungen im Zusammenwirken mit den genannten zugeordneten Resonanzkreisen Schwingkreise bilden, die imstande sind, bei den Resonanzfrequenzen der genannten Resonanzkreise jeweils zu schwingen, um die relativen, dem Drehmoment entsprechenden Winkelverschiebungen in Form von Änderungen in den Schwingungsfrequenzen zu ermitteln, gekennzeichnet durch

- erste und zweite ringförmige, spulenkörperfreie Sensorspulen (31, 33), von denen jede mit der Welle drehbar angeordnet sowie jede durch Wickeln eines elektrisch leitfähigen Drahtes (312), um einen Hohlraum (313) zu bestimmen, gebildet ist; und

- erste sowie zweite nichtferromagnetische Metallkernelemente (32, 34), von denen jedes mit der genannten Welle drehbar angeordnet ist, wobei die besagten ersten und zweiten Kernelemente jeweils mit den erwähnten ersten und zweiten Sensorspulen so verbunden sind, daß, wenn relative Winkelverschiebungen zwischen den besagten ersten sowie zweiten Kernelementen und den erwähnten ersten sowie zweiten Sensorspulen jeweils bei einem Verdrehen der Welle in Abhängigkeit vom Aufbringen eines Drehmoments auf diese stattfinden, die besagten ersten und zweiten Kernelemente jeweils innerhalb der zugeordneten Hohlräume der erwähnten ersten und zweiten Sensorspulen bewegt werden, um dadurch Induktivitäten der zugeordneten Sensorspulen in Übereinstimmung mit den relativen Winkelverschiebungen jeweils zu verändern.

12. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede der erwähnten ersten und zweiten Solenoidspuleneinrichtungen ein Paar von Solenoidspulen umfaßt, die derart angeordnet und miteinander in Reihe geschaltet sind, daß Richtungen von in dem genannten Paar von Solenoidspulen fließenden Strömen in der Umfangsrichtung der Welle einander entgegengesetzt sind.

13. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Hohlraum der genannten ersten Sensorspule in einer die Längsachse der Welle einschließenden Ebene liegt, daß das besagte erste Kernelement ein an der Welle durch Paßeinrichtungen (22, 25) montiertes Wellenstück (322) sowie ein an dem genannten Wellenstück vorgesehenes einzelnes Kernteil (321) enthält und daß das genannte Kernteil imstande ist, eine Bewegung in den sowie aus dem erwähnten Hohlraum auszuführen.

14. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Hohlraum der genannten zweiten Sensorspule in einer die Längsachse der Welle einschließenden Ebene liegt, wobei das besagte zweite Metallkernelement ein an der genannten drehbaren Welle durch Paßeinrichtungen (22, 25) montiertes Wellenstück (343) sowie zwei axial beabstandete, am besagten Wellenstück vorgesehene sowie für ein Bewegen in dem erwähnten Hohlraum der genannten zweiten Sensorspule im wesentlichen längs deren Achse eingerichtete Kernteile (341, 342) enthält.

15. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Wellenstücke der genannten ersten und zweiten Kernelemente jeweils im wesentlichen die Gestalt eines Zylinders sowie die besagten Kernteile der genannten ersten und zweiten Kernelemente jeweils die Gestalt einer Scheibe haben, wobei die besagten Wellenstücke einen gegenüber den Durchmessern der genannten Scheiben kleineren Durchmesser haben.

16. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Wellenstück des besagten ersten Kernelements ein in der Mitte angeordnetes Teil (381) mit maximalem Durchmesser, jeweils an seinen beiden Enden angeordnete Teile (382) mit vermindertem Durchmesser und konkav gekrümmte Flächenteile (383), die sich jeweils von den genannten Teilen mit vermindertem Durchmesser zu dem genannten Teil mit maximalem Durchmesser hin erstrecken, besitzt.

17. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch

a ≈ (R + r) θ

ausgedrückte Beziehung besteht, worin a die Breite einer jeden der genannten ersten und zweiten Sensorspulen darstellt, R den Radius einer jeden der genannten ersten und zweiten Sensorspulen angibt, θ eine maximale Winkelverschiebung darstellt und r einen radialen Abstand von der Längsachse der Welle zu Befestigungsflächen der genannten ersten und zweiten Sensorspulen bezeichnet, wobei für das erwähnte erste Kernelement durch

a/2 ≤ d ≤ 2a/3 und

D&sub2; > 1,4 D&sub1;

ausgedrückte Beziehungen bestehen, worin d die Breite eines jeden der besagten ersten und zweiten Kernteile darstellt, D&sub2; den Durchmesser eines jeden der besagten ersten und zweiten Kernteile angibt und D&sub1; den Durchmesser des erwähnten Wellenstücks eines jeden der besagten ersten und zweiten Kernelemente bezeichnet, während für das erwähnte zweite Kernelement durch

3a/2 ≤ d ≤ 2a

D&sub2; > 1,4 D&sub1; und

2,2a ≤ l ≤ 2,4a

ausgedrückte Beziehungen bestehen, worin l den Abstand zwischen den besagten Kernteilen des erwähnten zweiten Kernelements bezeichnet.

18. Drehmoment-Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle ein Antriebswellenstück (1) und ein Abtriebswellenstück (2) umfaßt, die untereinander durch ein zwischengefügtes elastisches Element (10) verbunden sind, wobei die genannte erste sowie zweite Sensorspule an dem besagten Antriebswellenstück und das erwähnte erste sowie zweite Kernelement an dem besagten Abtriebswellenstück montiert sind.

19. Drehmoment-Ermitlungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte erste Sensorspule und das erwähnte erste Kernelement derart angeordnet sind, daß eine Induktivität der besagten ersten Sensorspule erhöht wird, wenn das genannte Kernteil des erwähnten ersten Kernelements von dem Hohlraum der besagten ersten Sensorspule weg bewegt wird, während die besagte zweite Sensorspule und das erwähnte zweite Kernelement derart angeordnet sind, daß eine Induktivität der besagten zweiten Sensorspule vermindert wird, wenn sich eines der genannten beiden Kernteile des erwähnten zweiten Kernelements nahe zum Hohlraum der besagten zweiten Sensorspule bewegt.