DE69602029T2

DE69602029T2 - Einrichtung zur messung des drehmomentes einer drehenden welle

Info

Publication number: DE69602029T2
Application number: DE69602029T
Authority: DE
Inventors: Christophe Nicot
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2016-07-20
Also published as: EP0847520A1; BR9610055A; US5731529A; WO1997008527A1; KR19990044111A; FR2738339A1; EP0847520B1; JP2000508055A; AU6662196A; ES2130841T3; AR003395A1; FR2738339B1; DE69602029D1; TW301710B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Torsionsmoments einer sich drehenden Welle. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Einrichtung zur Torsionsmomentmessung, mit der sich der Einfluß der Längsbiegung auf die Meßgenauigkeit abschwächen läßt.
Die FR-2692986 beschreibt eine Einrichtung zum Messen des Torsionsmoments einer sich drehenden Welle mit zwei Magnetfeldgeneratoren, die mit einer ersten Halterung verbunden sind und in einer zur Welle rechtwinkligen Schnittebene liegen, sowie mit zwei Magnetfelddetektoren, die mit einer zweiten Halterung verbunden und in einer anderen zur Welle rechtwinkligen Schnittebene liegen. Die beiden Halterungen sind durch ein Führungslager verbunden, mit dem der Einfluß der Längsbiegung der Torsionswelle auf die Variation des Meßbereichs und folglich auf die Genauigkeit der Drehmomentmessung sich verringern läßt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die speziellen Eigenschaften von Torsionswellen mit einem Bereich verringerten Querschnitts aus. Die Verwendung derartiger Wellen in einer Einrichtung zur Torsionsmomentmessung mit dem Ziel, die Torsionsverformung im Bereich verringerten Querschnitts zu ermitteln, ist an sich bekannt und bspw. in der FR-2661246 beschrieben.
Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zum Messen des Torsionsmoments sich einer drehenden Welle zwei Magnetfeldgeneratoren auf, die symmetrisch bezüglich der Welle in einer ersten zur Welle rechtwinkligen Ebene festgelegt sind, sowie zwei Magnetfelddetektoren auf, die symmetrisch bezüglich der Welle in einer zu ersten parallelen und von ihr beabstandeten zweiten Ebene liegen. Die Einrichtung, in der die genannten Detektoren infolge der Winkelauslenkung der Magnefeldgeneratoren relativ zu den Magnetfelddetektoren ein dem Torsionsmoment proportionales Signal abgeben, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der ersten und der zweiten Ebene liegende Mittenebene durch den Punkt maximaler Durchbiegung der Welle unter dem Einfluss der Längsbiegung verläuft.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung weist die Welle einen Bereich verringerten Querschnitts auf, in dem sich der Punkt maximaler Durchbiegung befindet, und sind die Magnetfeldgeneratoren und die Magnetfelddetektoren auf einem ersten bzw. einem zweiten Halteelement angeordnet, die fest mit der Welle verbunden sind und gewährleisten, daß sich die Mittelebene genau am Ort der maximalen Durchbiegung befindet.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung bestehen das erste und das zweite Halteelement jeweils aus einem ersten, im wesentlichen rohrförmigen Element, das um die Welle herum verläuft und auf dem ein zweites, im wesentlichen ringförmiges Element befestigt ist, das sich radial erstreckt.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung liegt der Punkt maximaler Durchbiegung unter der Einwirkung der Längsbiegung lotrecht zur Mitte des Bereichs verringerten Querschnitts.
Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt, die von der Längsbiegung der Torsionswelle verursachte Variation des Lesebereichs zu verringern und dadurch die Genauigkeit der Torsionsmomentmessung auch ohne Zuhilfenahme eines Zwischenlagers zu verbessern.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Torsionsmomentmessung unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung;
Fig. 2 zeigt schaubildlich eine Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der die Mittenebene des Luftspalts durch den Ort maximaler Durchbiegung der Welle unter der Längsbiegung verläuft;
Fig. 3 zeigt schaubildlich die Einrichtung der Fig. 2 im längsgebogenen Zustand;
Fig. 4 zeigt schaubildlich eine Anordnung, bei der die Mittenebene des Luftspalts nicht durch den Ort maximaler Durchbiegung der Welle unter der Längsbiegung verläuft;
Fig. 5 zeigt schaubildlich die Anordnung der Fig. 4 im längsgebogenen Zustand; und
Fig. 6 zeigt einen Teil-Längsschnitt durch eine Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung für den Einsatz in einem Servolenkgehäuse.
Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung ist zum Messen der Torsion einer Welle 1 mit dem Durchmesser D bestimmt. Ihre Arbeitsweise ist in der FR-2692986 beschrieben. Die Welle 1 trägt ein erstes Halteelement 2, auf dem symmetrisch relativ zur Welle 1 zwei Magnetfeldgeneratoren 3a, 3b befestigt sind, deren Magnetfelder antiparallel gerichtet sind. Zwei Magnetfelddetektoren 4a, 4b sind symmetrisch relativ zur Welle 1 auf einem zweiten Halteelement 5 befestigt, das ebenfalls von der Welle 1 getragen wird, wobei die Magnetfelddetektoren 4a, 4b von den Magnetfeldgeneratoren 3a, 3b um einen Luftspalt E axial beabstandet sind.
Zwischen den Halteelementen 2, 5 weist die Welle 1 einen Bereich 6 mit verringertem Durchmesser d auf, der kleiner ist als der Durchmesser D der Welle 1. Da das Torsionsmoment der Welle 1 eine Funktion der vierten Potenz des Durchmessers der Welle 1 ist, verändert sich die Torsionssteifigkeit beim Übergang von der Welle 1 mit dem Durchmesser D zum Bereich 6 mit verringertem Querschnitt um den Faktor (d/D)&sub4;. Diese Steifigkeitsänderung erlaubt auf an sich bekannte Weise, durch geschickte Wahl des Verhältnisses d/D die Torsionsverformung der Welle 1 im Bereich 6 verringerten Querschnitts zu lokalisieren. Desgleichen erlaubt sie, die Meßempfindlichkeit der Momentmeßeinrichtung zu verbessern. Darüberhinaus variiert auch die Biegesteife der Welle 1 mit der vierten Potenz des Durchmessers der Welle 1. Daher variiert beim Übergang von der Welle 1 mit dem Durchmesser D zum Bereich 6 verringerten Querschnitts auch die Längsbiegesteifigkeit mit dem Faktor (d/D)&sub4;. Folglich ist es möglich, die Längsbiegeverformung der Welle 1 und damit den Ort maximaler Biegung in den Einschnürbereich 6 zu bringen. Hierzu stützt man die Welle 1 auf zwei Lagern außerhalb des Bereichs 6 verringerten Querschnitts ab. Allgemein bestimmt sich der Ort maximaler Durchbiegung unter dem Einfluß der Längsbiegung aus den Belastungsbedingungen der Welle 1. In dem speziellen Fall, in dem die beiden Stützlager symmetrisch beiderseits des Bereichs 6 verringerten Querschnitts liegen, wie ihn die Fig. 2 zeigt, befindet das Durchbiegungsmaximum sich im Mittelpunkt G dieses Bereichs 6 verringerten Querschnitts.
Es ist dann besonders vorteilhaft, die Mittenebene des Luftspalts E durch den Mittelpunkt G des Bereichs 6 verringerten Querschnitts laufen zu lassen, wie in der Fig. 2 gezeigt. Die Mittenebene des Luftspalts E ist diejenige Ebene, die mittig zwischen der ersten Ebene P1, die rechtwinklig zur Welle 1 liegt und die aktiven Flächen der beiden Magnetfeldgeneratoren 3a, 3b enthält (man versteht unter den "aktiven" Flächen der Magnetfeldgeneratoren 3a, 3b deren den Detektoren 4a, 4b zugewandte Flächen), und der zweiten Ebene P2 liegt, die ihrerseits rechtwinklig zur Welle 1 und durch die Magnetfelddetektoren 4a, 4b verläuft. In dieser Konfiguration erzeugt eine Längsbiegung ein Verdrehen der Ebenen P1, P2 relativ zueinander um eine zu der der Welle 1 rechtwinklige Achse. Die von dieser Verdrehung verursachten Veränderungen des Luftspalts E wirken sich außerhalb der Biegung als eine Verbreiterung +dL des Luftspalts und innerhalb der Biegung als eine Verringerung -dL des Luftspalts jeweils in Längsrichtung aus, wie es die Fig. 3 zeigt. Läuft die Mittenebene nicht durch den Mittelpunkt G des Bereichs 6 verringerten Querschnitts, wie es die Fig. 4 zeigt, bewirkt die Biegung einen zusätzlichen radialen Versatz der Ebenen P1, P2 relativ zueinander. Dieser radiale Versatz bewirkt eine Radialkomponente +dR der Schwankung des Luftspalts E, die sich den Längsverschiebungen +dL und -dL hinzufügt, wie in Fig. 5 gezeigt, so daß entsprechend außerhalb der Biegung eine Längsverschiebung dR + dL und innerhalb der Biegung eine Längsverschiebung dR - dL entstehen. Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt also, die Radialkomponente der Schwankung der Spaltbreite E infolge der Längsbiegung der Welle 1 zu unterdrücken und daher diese Variation der Luftspaltbreite E auf die Längskomponente zu beschränken. Nun ist der mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erhaltene Torsionsmeßwert proportional der algebraischen Summe des Luftspalts Ea zwischen dem ersten Magnetfeldgenerator 3a und dem ersten Magnetfelddetektor 4a und dem Luftspalts Eb zwischen dem zweiten Magnetfeldgenerator 3b und dem zweiten Magnetfelddetektor 4b. Mit unterdrückter Radialkomponente ist also der Torsionsmeßwert proportional Ea + Eb = (E + dL) + (E - dL) = 2E und daher von der Längsbiegung unabhängig. Demgegenüber wäre beim Vorliegen einer Radialkomponente der Torsionsmeßwert proportional Ea + Eb = (E + dL + dR) + (E - dL + dR) = 2E + 2dR und daher von der Längsbiegung abhängig. Indem man also die Mittenebene des Luftspalts E in das Biegemaximum der Welle 1 legt, kann man den von der Längsbiegung der Welle verursachten Fehler der Torsionsmessung beseitigen.
Erfindungsgemäß sind die Abstützungen 2 und 5 derart gewählt, daß sie erlauben, die Mittenebene zwischen den Ebenen P1, P2, die die Magnetfeldgeneratoren 3a, 3b bzw. die Magnetfelddetektoren 4a, 4b enthalten, in den Mittelpunkt G der Längsbiegung der Welle 1 zu legen.
Da in der Fig. 1 die Magnetfelddetektoren 4a, 4b sich auf einem drehenden Teil befinden, wird das dem Meßmoment entsprechende elektrische Signal durch eine Drehdurchführung bspw. in der Art eines Spiralkabels 7 geführt, das in einem Schutzgehäuse 8 aufgewickelt ist.
Die Fig. 6 zeigt eine Anwendungsvariante des erfindungsgemäßen Drehmomentdetektors in einer Servolenkung 9. Die beiden Enden der Torsionswelle 1 sind so ausgeführt, daß einerseits über Verzahnungen 10 eine Verbindung zu einer Lenksäule und andererseits ein Zahnstangenritzel herstellbar sind. Die Abstützungen 2 und 5 für die Magnetfeldgeneratoren 3a, 3b bzw. die Magnetfelddetektoren 4a, 4b bestehen jeweils aus einem im wesentlichen rohrförmigen ersten Element 2a, 5a, das die Welle 1 umgreift und auf dem jeweils ein zweites, im wesentlichen ringförmiges Element 2b bzw. 5b befestigt ist, das eine Radialausdehnung hat und um das jeweilige erste Element 2a, 5a drehbar ist, um einen anfänglichen Lageabgleich der Detektoren 4a, 4b auf das Magnetfeld der Generatoren 3a, 3b zu ermöglichen. Im Beispiel der Fig. 6 besteht die zweite Abstützung 5 aus einer Verlängerung des Innenrings des Montagelagers 12. Die Drehdurchführung 13 kann in das Lenkgehäuse 14 eingefügt sein, wie es die Fig. 6 zeigt.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebene und dargestellten Ausführungen beschränkt, die nur beispielhaft gelten. In der Tat ist vorstellbar, anstelle der magnetischen bspw. optische Generatoren und Detektoren einzusetzen.

Claims

1. Einrichtung zum Messen des Torsionsmoments einer sich drehenden Welle (1) mit zwei Magnetfeldgeneratoren (3a, 3b), die symmetrisch zur Welle (1) in einer zur Welle rechtwinkligen ersten Ebene (P1) angeordnet sind, und zwei Magnetfelddetektoren (4a, 4b), die symmetrisch zur Welle (1) in einer zweiten Ebene (P2) liegen, die parallel zur ersten Ebene (P1) ist und von diese axial beabstandet verläuft, wobei die Magnetfelddetektoren (4a, 4b) ein Signal abgeben, das portional dem Torsionsmoment infolge der relativen Winkelauslenkung der Magnetfeldgeneratoren (3a, 3b) gegenüber den Magnetfelddetektoren (4a, 4b) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenebene zwischen der ersten Ebene (P1) und der zweiten Ebene (P2) durch den Ort des Maximums der Durchbiegung verläuft, die die Welle (1) infolge der Längsbiegung erfährt.

2. Torsionsmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) einen Bereich (6) verringerten Querschnitts enthält, in dem sich das Durchbiegungsmaximum befindet, und daß die Magnetfeldgeneratoren (3a, 3b) und die Magnetfelddetektoren (4a, 4b) von einer ersten bzw. einer zweiten Abstützung (2 bzw. 5) gehalten sind, die auf der Welle (1) befestigt sind und die Sollage der Mittenebene im Durchbiegungsmaximum gewährleisten.

3. Torsionsmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (2) und die zweite (5) Abstützung jeweils aus einem im wesentlichen rohrförmigen ersten Element (2a, 5a) bestehen, das die Welle (1) umgreift und auf dem ein im wesentlichen ringförmiges zweites Element (2b, 5b) befestigt ist, das sich radial erstreckt.

4. Torsionsmomentmeßeinrichtung nach einem de Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der von der Längsbiegung verursachten Biegeauslenkung lotrecht zur Mitte des Bereichs (6) verringerten Querschnitts liegt.

5. Verwendung der Torsionsmomentmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 in einer Servolenkvorrichtung (9), deren Montagelager (12) zu einer (5) der Abstützungen verlängert ist.