DE69103665T2

DE69103665T2 - Drehmomentmessvorrichtung an einer Welle.

Info

Publication number: DE69103665T2
Application number: DE69103665T
Authority: DE
Inventors: Fernand Peilloud
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2011-04-03
Also published as: TR25946A; FR2661246A1; RU2061947C1; DE69103665D1; ES2059074T3; CZ280079B6; EP0453344A1; FR2661246B1; US5195382A; CS9101103A2; EP0453344B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für das eine Welle beaufschlagende Drehmoment, an der zwei mehrpolige Magnete entlang zweier rechtwinkliger im axialen Abstand von der Welle verlaufender Querschnitte befestigt sind, die eine feststehende Fühleranordnung einschließen, welche auf den Vorbeilauf der Magnete anspricht und ein Signal erzeugt, das proportional zum Drehmoment geformt wird.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit der Welle und der von der Welle übertragenen Kraft.
Die Veröffentlichung FR-A 26 26 368 betrifft eine Meßvorrichtung für ein Drehmoment, bei der zwei Fühlerbauteile zusammen mit Codiermagneten zwei Meßanordnungen bilden. Diese Vorrichtung ermöglicht die Messung eines Drehmomentes, ausgehend von der Phasenverschiebung der von den Fühlerbauteilen abgegebenen Signale, wenn ein Codierteil winkelmäßig zum anderen Codierteil verschoben ist. Jedoch ermöglicht diese Vorrichtung nicht die permanente Messung des Drehmomentes, noch die Bestimmung seiner Abweichugen.
Die Veröffentlichung US-A 41 19 911 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Relativverschiebungen zwischen zwei Magneten mit magnetischer Zahnung, deren Pole sich abwechseln, wobei ein magnetoresistiver Fühler ein Signal liefert, daß dem Versatz der Magnete entspricht.
Patent abstract of Japan JP-A 19 78 26 beschreibt eine Drehmomentmeßvorrichtung mit zwei Trommeln, welche Nord- und Südpole aufweisen. Bei dieser Vorrichtung wirken die von den Trommeln ausgehenden Magnetfelder nicht zusammen um ein resultierendes Magnetfeld zu bilden, sondern laufen an Feldplatten vorbei, welche um eine Strecke voneinander verschoben sind, die einem Bruchteil des Polschrittes der Trommeln entspricht.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine Drehmomentmessung an einer Welle zu ermöglichen, selbst wenn diese blockiert ist, oder wenn die Drehgeschwindigkeit variiert.
Die Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung von einfachem und wirtschaftlichem Aufbau zum Ziel, welche die Messung kleiner Torsionswinkel ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist die Fühleranordnung zwischen den beiden Magneten angeordnet und weist zwei Detektorbauteile für die von den Magneten erzeugten sinusförmigen magnetischen Induktionsfelder auf, deren Mitten winkelmäßig um einen Abstand verschoben sind, der gleich einem Viertel der Periode der Induktionsfelder ist.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor; es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen geeigneten Aufbau der Vorrichtung auf einer Drehwelle, die über eine elastische Verbindung mit einem Torsionsstab gekuppelt ist,
Figur 2a eine schematische Darstellung der Einzelteile der Meßvorrichtung,
Figur 2b die Verteilung der magnetischen Induktionsfelder vor der Fühleranordnung,
Figur 3 ein Diagramm der Variation des durch die von den Magneten erzeugten magnetischen Induktionsfelder entstehenden Feldes,
Figur 4a ein Diagramm der Variation des durch die magnetischen Induktionsfelder erhaltenen Feldes in Phasenübereinstimmung,
Figur 4b ein Diagramm der Variation des durch die magnetischen Induktionsfelder entstandenen Feldes mit entgegengesetzter Phase,
Figur 5 ein Diagramm der Variation des unter dem Einfluß verschiedener Werte des Drehmomentes erhaltenen Feldes,
Figur 6 eine schematische Darstellung der Fühleranordnung im resultierenden Magnetfeld,
Figur 7 eine Kurve der Variationen des Ausgangssignals als Funktion der Winkelverschiebung der Welle und
die Figuren 8 und 9 Diagramme der Variation des Ausgangssignals als Funktion der Variationen des Drehmomentes für zwei Werte der Einstellung und Verteilung der Induktionsfelder.
In Figur 1 ist ein Wellenabschnitt 10 mit einem Wellenabschnitt 12 über eine verformbare elastische Verbindung gekoppelt, die wiederum aus einem Torsionsstab 11 besteht. Der üblicherweise als Eingangswelle bezeichnete Abschnitt 10 ist mit einem nicht dargestellten Motor verbunden. Der üblicherweise als Ausgangswelle bezeichnete Abschnitt 12 ist mit einem nicht dargestellten Aufnahmeteil versehen. Der Torsionsstab 11 ist koaxial und konzentrisch zu den Abschnitten 10 und 12 angeordnet und ermöglicht die Übertragung der Drehbewegung zwischen den beiden Wellenabschnitten, sowie eine Verformung des Torsionsstabes 11, wenn das Aufnahmeteil einen mechanischen Widerstand gegen die vom Rotor stammende Verdrehung bietet.
Der Wellenabschnitt 10 wird in einem Drehlager 13 geführt, das entlang des Umfangs des Torrsionsstabes 11 angeordnet ist.
Eine Buchse mit einer Riffelung mit Winkelspiel ist zwischen der Eingangswelle 10 und der Ausgangswelle 12 vorgesehen und ermöglicht eine freie winkelmäßige Verschiebung der Welle 11 für einen Winkel, der dem Buchsenspiel entspricht. Jenseists dieses Winkelwertes sind die Wellen 10 und 12 über die Flanken der Riffelung miteinander in Verbindung und damit drehfest miteinander verbunden.
Ein Kugellager 20 ist im Klemmsitz auf der Ausgangswelle 12 angeordnet und weist einen inneren Ring 21 und einen äußeren Ring 22 auf. Die Innenfläche 23 des inneren Ringes 21 bildet eine Stütze für einen mehrpoligen Magneten 40, der entlang eines rechtwinkligen Querschnitts zur Welle 12, beispielsweise mittels Verklebung, sowohl mit einer Lagerstelle 24 der Welle 13, als auch mit der Fläche 23 des Ringes 21 fest verbunden ist.
Eine Buchse 25, mit freier Einstellung auf der Eingangswelle 10, besitzt eine Schulter 26, auf der sich ein mehrpoliger Magnet 21 abstützt, der beispielsweise mittels Klebung zugleich mit der Schulter 26 und einer Lagerstelle 27 verbunden ist, welche an der Buchse 25 in einen rechtwinkligen Querschnitt zur Welle 10 vorgesehen ist.
Der Abstand der mehrpoligen Magnete 40 und 41 ist teilweise durch die Länge der Lagerstelle 27 der Buchse 25 gegeben, deren Fläche 28 im Gleitkontakt mit der Fläche 29 der Lagerstelle 24 der Aufnahmewelle steht.
Die Buchse 25 weist außerdem eine Feststellvorrichtung in Form einer Schraube 30 an der Motorwelle 10 auf.
Ein magnetoresistiver Fühler oder ein Hall-Effekt-Fühler 31 ist an einer Halteplatte 32 vorgesehen, welche mit elektrischen Verbindungsanschlüssen 33 versehen ist. Die Halteplatte 32 sitzt im Klemmsitz in einem feststehenden Gehäuse 35 zwischen einer Schulter 36 des Gehäuses, die außerdem eine Durchlaßöffnung für den Leiter 37 aufweist, sowie einem ringförmigen Flansch 38, der sich auf der Fläche des äußeren Ringes 22 des Lagers 20 abstützt.
Das Gehäuse 35 enthält also die Anordnung der Magneten 40, 41, den Fühler 31 sowie das Lager 20 und weist an seinem Ende 39 einen umgebogenen Rand 43 zur axialen Halterung des Lagers 20 auf.
Die Vorrichtung enthält außerdem die Dichtungen 44 und 45, die zwischen dem Ring 22 und dem Ring 21 des Kugellagers, bzw. zwischen dem Gehäuse 35 und der Buchse 25 angeordnet sind, um das Gehäuse 35 abzuschließen.
Figur 2a zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Meßbestandteile. Die Magnete 40 und 41 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, wie z.B. einem Plastoferrit, das aus ferromagnetischen Teilchen und einem Kunststoff als Bindemittel besteht. Die Magnete sind in identischer Weise magnetisiert, auf einer ihrer Flächen 401 und 411, durch ein bekanntes mehrpoliges Magnetisierungsverfahren.
Die magnetischen Flächen 401 und 411 sind einander zugewandt. Der Halleffektfühler 31 (oder der magnetoresistive Fühler) wird zwischen den beiden Flächen 401 und 411 angeordnet, ohne daß er eine der beiden magnetischen Flächen berührt.
Jeder Magnet 40 und 41 erzeugt ein magnetisches Induktionsfeld H 40 oder H 41 in einer Richtung senkrecht zu den Flächen 401 oder 411.
Die magnetische Induktion H 40 oder H 41, gemessen im halben Abstand von den Flächen 401 und 411, in einer Richtung senkrecht zu diesen Flächen, weist ein sinusförmiges zyklisches Funktionsprofil auf. Der Fühler 31 mißt den magnetischen Induktionswert, der aus der Überlagerung der magnetischen Induktionsfelder H 40 und H 41 resultiert.
Figur 3 zeigt eine Einzeldarstellung der magnetischen Induktionsfelder H 40 und H 41, die um den Wert S phasenverschoben sind, an einer Meßstelle, die im halben Abstand zwischen den Magneten 40 und 41 liegt, als Funktion ihrer Stellung entlang einer Kurve, parallel zu den Flächen 401 und 411.
Das resultierende magnetische Induktionsfeld HR an jeder Stelle der Kurve ist gleich der algebraischen Summe der sinusförmigen Felder H 40 und H 41. Das Feld HR ist also eine sinusförmige Funktion mit gleicher Periode P wie die beiden Felder H 40 und H 41.
Der Wert der magnetischen Phasenverschiebung S wird ursprünglich durch eine Verdrehung der Buchse 25 auf der Eingangswelle 10 eingestellt. Die Feststellschraube 30 gewährleistet die Beibehaltung dieser ursprünglichen Einstellung.
Figur 4a zeigt eine Einzeldarstellung der beiden magnetischen Induktionsfelder H 40 und H 41 mit übereinstimmender Phase, während also die Phasenverschiebung S gleich Null ist.
Das resultierende magnetische Induktionsfeld HR nimmt also einen Wert an, der dem Zweifachen des Wertes einer der beiden Einzelfelder zu jedem Meßzeitpunkt entspricht.
Figur 4b zeigt eine Einzeldarstellung der beiden magnetischen Induktionsfelder H 40 und H 41 mit entgegengesetzter Phase, wenn also die Phasenverschiebung S gleich eine Halbperiode einer der beiden Magnetfelder H 40 und H 41 ist. Das resultierende magnetische Induktionsfeld nimmt also zu jedem Meßzeitpunkt den Wert Null an.
Als Folge der Einstellung der magnetischen Phasenverschiebung auf einen ursprünglichen Wert Null bewirkt das Auftreten eines Drehmomentes zwischen dem Eingangswellenabschnitt 10 und dem Ausgangswellenabschnitt 12 eine Winkelverschiebung der Magnete 40 und 41, aufgrund der Torsionswelle 11. Diese Winkelverschiebung bewirkt eine Veränderung der magnetischen Phasenverschiebung S zwischen den Induktionsfeldern H 40 und H 41.
Das resultierende magnetische Induktionsfeld HR nimmt dabei einen Wert an, der kleiner ist als der ursprüngliche in Figur 4a dargestellte Wert. Wenn die der Torsion entsprechende Verschiebung eine Phasenverschiebung von einer Halbperiode (S=P/2) entspricht, ist das magnetische Feld HR Null.
Wenn das Drehmoment Null ist, so verbindet die Torsionswelle 11 in elastischer Weise den Wellenabschnitt 10 mit dem Wellenabschnitt 12 und zwar in deren ursprünglichen Ausrichtung, so daß das resultierende Induktionsfeld HR seinen Ursprungswert annimmt.
Figur 5 zeigt die Variation des resultierenden magnetischen Induktionsfeldes HR für drei Werte des Drehmomentes mit ursprünglicher Einstellung, bei der also S = 0 ist, ohne Auftreten eines Drehmomentes.
Ohne ein derartiges Drehmoment behält das magnetische Induktionsfeld HR seinen Scheitelwert von + 2b, wie es in Figur 4a dargestellt ist. Das Auftreten eines Zwischen- Drehmomentes bewirkt eine Relativverdrehung der Magnete 40 und 41 und führt zu einer Phasenverschiebung 0< S< P/2 der Felder H 40 und H 41, wobei das resultierende Feld HR einen Scheitelwert (+ a) annimmt, der kleiner als (+ 2b) ist. Das Auftreten eines Drehmomentes an den Grenzen der Meßmöglichkeiten in der Vorrichtung führt zu einer Relativverdrehung der Magnete 40 und 41 und einer Phasenverschiebung der Felder H 40 und H 41 mit einer Phasenverschiebung S = P/2. Das resultierende Feld HR nimmt also den Wert Null an.
(a) kann alle Werte zwischen + 2b und 0 annehmen und zwar proportional zu S, d.h. 0< S< P/2. Der Wert von S hängt nur von dem am Stab 11 anliegenden Drehmoment ab, zwischen der Eingangswelle 10 und der Ausgangswelle 11. Die Beziehung zwischen dem Wert des anliegenden Drehmomentes und der Phasenverschiebung S hängt nur von den physikalischen Eigenschaften und der Steifigkeit des Torsinsstabes 11 ab.
Die Umformung in elektrische Signale der Variationen des magentischen Induktionsfeldes HR als Funktion des Drehmomentes erfolgt mittels des Fühlers 31. Der Fühler 31 besteht aus zwei im wesentlichen identischen Bauteilen 301 und 302, die entweder Hall-Effekt-Bauteile oder magnetoresistive Bauteile sind und welche Ausgangsspannungen liefern, die proportional zum sie durchsetzenden magnetischen Induktionsfeld HR sind.
Wie in Figur 6 dargestellt sind die Mitten C1, C2 der darauf ansprechenden Bauteile 301 und 302 quadratrisch bezüglich des sinusförmigen magnetischen Induktionsfeldes HR angeordnet, d.h. in einem Abstand d=(2n + 1) P/4 voneinander, wobei n eine ganze positive Zahl oder Null ist.
Figur 7 zeigt die Variation des Signals, welches das an der Drehwelle gemessene Drehmoment darstellt. Für ein konstantes, auf den Torsionsstab 11 ausgeübtes Drehmoment, entsprechend einer Winkelverdrehung θ der Eingangswelle 10 des Torsionsstabes 11 und der Ausgangswelle 12 werden elektrische Spannungssignale V 301 und V 302 von jedem der ansprechenden Bauteile 301 und 302 abgegeben. Die Amplituden dieser Signale bezüglich einer Spannungskosntanten Vo sind proportional zum Wert des Induktionsfeldes HR, welches diese beiden Bauteile durchsetzt. Die Signale weisen gleiche Amplitude auf, wobei jedes mit einer Variation der gleichen Art beaufschlagt wird, sowie der gleichen Periode P entsprechend der sinusförmigen Funktion HR bei einer Phasenverschiebung zwischen ihnen von P/4.
Die Signale sind auf einen Wert Vo zentriert, dem die von dem einen oder anderen ansprechenden Bauelement bei Fehlen des magnetischen Feldes abgegebene Spannung entspricht.
Jedem Wert θ entspricht ein Wert V1 des Signals V 301 und ein Wert V2 des Signals V 302, sowie der quadratische Mittelwert, welcher durch die Beziehung Vq = [(V1 - V0)² + (V2 - V0)²]1/2 gegeben ist, der unabhängig ist von θ, dem gleichzeitigen Verdrehwinkel der Wellen 10, 11 und 12.
Der quadratische Wert Vq hingegen hängt nur von der Amplitude der Signale V 301 und V 302 ab und demzufolge vom Scheitelwert des magnetischen Induktionsfeldes HR und vom Wert des zwischen der Welle 10 und der Ausgangswelle 12 herrschenden Drehmomentes.
Es sei betont, daß Vq direkt durch eine Messung der Spannungen V1 und V2 erhalten werden kann und damit der Wert Vo mittels einer elektronischen Verarbeitung oder einer bekannten Information.
Der Wert Vq ist in Figur 7 eingetragen, wobei V0 als Ursprung dient.
Die Beziehung zwischen Vq und dem Drehmoment Ct, welches an der Welle 11 angreift, sofern die ursprüngliche magnetische Phasenverschiebung auf Null eingestellt worden ist, ist in Figur 8 dargestellt. Hierbei variiert Vq umgekehrt proportional zum auftretenden Drehmoment.
Sofern die ursprüngliche magnetische Phasenverschiebung auf einen Wert S = P/2, eingestellt ist, ändert sich Vq also proportional zum auftretenden Drehmoment, wie es in Figur 9 dargestellt ist.

Claims

1. Meßvorrichtung für das eine Welle (10, 11, 12) beaufschlagende Drehmoment, welche zwei mehrpolige Magnete (40, 41) aufweist, die entlang zweier rechtwinkliger im axialen Abstand von der Welle laufender Querschnitte befestigt sind, sowie eine feststehende Fühleranordnung (31) zwiwchen den beiden Magneten (40, 41) aufweist, die auf den Vorbeilauf der Magnete (40, 41) anspricht und die Ausgangssignale liefert zur Erzeugung eines Signals das proportional zum Drehmoment geformt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) aus zwei Bauteilen (301, 302) besteht, deren Mitten C1, C2 quadratisch bezüglich des magnetischen sinusförmigen Induktionsfeldes HR angeordnet sind, das durch die Überlagerung der von den Magneten (4β. 41) erzeugten sinusförmigen magnetischen Induktionsfeldern entsteht.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (40, 41) von einer ringförmigen Einstellanordnung (25) getragen werden.

3. Meßvorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle in an sich bekannter Weise aus zwei über ein Verbindungsteil (11) elastisch miteinander gekuppelten Abschnitten (10, 12b) besteht und von einem Lager (20) getragen wird, das in einem Montagegehäuse (35) angeordnet ist, welches die Fühleranordnung (31) trägt.

4. Meßvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Montagegehäuse (35) die Anordnung aus Magneten (40, 41) und die Fühleranordnung (31) trägt und an jedem Ende durch eine Dichtung (44, 45) verschlossen ist.