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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments
auf einem mechanischen Element.
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Die
Erfindung betrifft noch genauer eine Vorrichtung zur Messung eines
Drehmoments von dem Typ, welcher z.B. in der Veröffentlichung FR-2692986 beschrieben
ist. Diese Vorrichtung umfasst zwei Erzeuger eines Magnetfelds,
die fest mit einem ersten Träger
verbunden sind und welche in der Ebene eines Querschnitts einer
Welle angeordnet sind, und zwei Sensorvorrichtungen für ein magnetisches
Feld, die fest mit einem zweiten Träger verbunden sind und welche
in der Ebene eines anderen Querschnitts der Welle festgelegt sind,
wobei die Sensorbauteile ein Signal proportional zum Drehmoment
liefern aufgrund der relativen, winkelbezogenen Verschiebung der
Felderzeuger im Verhältnis
zu den Sensorbauteilen.
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Eine
derartige Vorrichtung kann direkt an jeder Art von mechanischem
Element montiert werden, jedoch hängt ihre Messpräzision,
insbesondere für schwache,
winkelbezogene Verschiebungen der Sensoren im Verhältnis zu
den Erzeugern zu einem großen
Teil von der anfänglichen
Positionierpräzision des
Magnetfeld-Sensors
gegenüber
dem magnetischen Übergang
ab, der an der Verbindung der zwei Magneten angeordnet ist, die
einen Magnetfeld-Erzeuger bilden. Tatsächlich erzeugt dieser, wenn
der Sensor im Verhältnis
zum magnetischen Übergang versetzt
ist, wenn kein Moment an dem mechanischen Element angelegt wird,
ein von null verschiedenes Signal, dessen Wert mit der Temperatur,
welche die Messung des Drehmoments stören wird, variiert.
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Es
ist zum Lösen
dieses Nachteils bekannt, die Positionierpräzision von Sensoren zu verbessern unter
einem Reduzieren der Toleranzen auf die Realisierungspräzi sion der
Teile und der Montage, jedoch wird diese Reduzierung der Toleranzen
von einer starken Erhöhung
der Kosten einer Realisierung der Vorrichtung begleitet. Eine andere
Lösung
besteht darin, das durch jeden Sensor ausgegebene Signal mittels
einem geeigneten, elektronischen Schaltkreis zu korrigieren, in
einer Weise, um elektronisch das Basissignal zu annullieren, welches
durch jeden Sensor ausgegeben wird, wenn kein Drehmoment an dem
mechanischen Element angelegt wird. Jedoch bringt diese Lösung die
Realisierung einer komplexen Vorrichtung mit sich, deren Kosten
wenig an einfachere Lösungen
angepasst sind.
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Schließlich beschreiben
die Dokumente FR-2716002, US-4503713 und FR-2643452 jedes eine Messvorrichtung eines
Drehmoments, in welcher jeder Aufnahmesitz für ein Sensorelement eine Form
aufweist, die fähig
ist, eine Einstellung durch Drehung des vorderen Sensors ohne Festlegung
in der Aufnahme zu erlauben.
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Somit
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Messung eines Drehmoments vorzuschlagen, welche eine exzellente Präzision in
der Messung bietet, unter einem Ermöglichen der anfänglichen
Einstellung der Position von Sensoren, und welche einfach und ökonomisch
zu realisieren ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist in dem unabhängigen
Anspruch 1 definiert. Die besonderen Ausführungsformen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 7 definiert.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung
eines Drehmoments auf einem mechanischen Element, welche zwei Erzeuger eines
Magnetfeldes umfasst, die in einer ersten Ebene des mechanischen
Elements befestigt sind, und zwei Sensorbauteile des Magnetfelds,
die in einer zweiten Ebene, parallel zur ersten, angeordnet sind, und
welche an einem Träger
befestigt sind, wobei die zweite Ebene im Verhältnis zur ersten Ebene versetzt ist.
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Gemäß der Erfindung
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Träger zwei
Sitzaufnahmen aufweist, die gegenüber den Magnetfeld-Erzeugern
ausgearbeitet sind, und welche dafür bestimmt sind, ein Sensorelement
aufzunehmen, an welchem ein Sensorbauteil eines Magnetfelds befestigt
ist, wobei die Form der Sitzaufnahmen angepasst ist zum Erlauben
der Bewegung der Sensorelemente in einer Weise, um die Einstellung
der anfänglichen Position
des sensiblen Elements von jedem Sensorbauteil des magnetischen
Felds an dem Träger
zu erlauben, wobei die Sensorelemente anschließend in den Sitzaufnahmen durch
Sperrmittel festgesetzt werden.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung trägt
das Sensorelement ebenso einen Schaltkreis einer Versorgung und
einer Behandlung des Signals.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung sind die Schließmittel durch Klebung von Sensorelementen
nach der Einstellung der anfänglichen Position
des sensiblen Elements der Sensorbauteile gebildet.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung sind die Magnetfeld-Erzeuger durch
Zusammenfügung
von zwei parallel-epipedischen Magneten gebildet, welche jeweils
Induktionsvektoren einer entgegengesetzten Richtung aufweisen.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung sind die Sitzaufnahmen durch zylindrische
Aufnahmen gebildet, die zum Aufnehmen eines Sensorelementes angepasst
sind, das aus einem Stopfen gebildet ist, wobei letzterer einen
Körper
aufweist, der zum freien Drehen im Inneren der zylindrischen Aufnahme
angepasst ist und welcher ein Sensorbauteil umfasst, dessen sensibles
Element im Verhältnis zur
Mitte der zylindrischen Aufnahme aus dem Zentrum gesetzt ist.
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Dieses
Merkmal ermöglicht
die Einstellung der anfänglichen
Position des sensiblen Elementes durch eine einfache Drehung des
kreisförmigen Stopfens.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung weisen die Stopfen einen Anschlag
auf, welcher ihre axiale Verschiebung im Inneren der zylindrischen
Aufnahmen begrenzt.
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Dieses
Merkmal ermöglicht
es, den Wert des Luftspalts zwischen den Magnetfeld-Erzeugern und den
Sensorbauteilen vorzugeben.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung ist das mechanische Element eine drehende Welle,
und die zwei Erzeuger eines Magnetfelds sind symmetrisch im Verhältnis zur
Welle angeordnet.
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Andere
Merkmale und Vorteile werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen offenbar, in welchen:
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1 eine
Perspektivansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist.
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2 eine
Perspektivansicht der Vorrichtung vor der Montage der Sensorelemente
ist;
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3 eine
Perspektivansicht eines für
sich genommenen Sensorelements ist;
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4 eine
Seitenansicht des Sensorelements ist, das in 3 dargestellt
ist;
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5 eine
teilweise Seitenansicht eines Sensorelements und eines Magnetfeld-Erzeugers ist, der
ihm während
der anfänglichen
Phase der Einstellung gegenüberliegt.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Welle 1 ist
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung dafür
bestimmt, an einer Lenksäule
in einer Weise integriert zu werden, um die Verbindung zwischen
der Zahnstange und der Getriebewelle (nicht dargestellt) zu realisieren.
Zu diesem Zweck weist sie an ihren zwei Enden Befestigungszonen 20, 21 auf, die
durch Eindrücke
mit quadratischem Querschnitt symbolisiert sind. Die Welle 1 umfasst
ebenso auf an sich bekannte Art und Weise eine Zone 2 von
reduziertem Durchmesser, welche es erlaubt, axial die Verformung
in Drehung zu orten, und eine innere Lagerbahn 13, welche
es ermöglicht,
ein nicht-dargestelltes Wälzlager,
wie z.B. in FR-2750180 beschrieben, zu integrieren.
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1 stellt
die Welle 1 dar, welche mit einer Vorrichtung zur Messung
des Drehmoments ausgestattet ist, deren Funktionsweise in der Veröffentlichung
FR-2692986 beschrieben
ist. Diese Welle 1, welche vorteilhafterweise aus einem
ferromagnetischen Material realisier ist, weist einen Kragen 23 auf,
welcher an seinem Umfang die Lagerbahn 13 trägt und welcher
an seinen seitlichen Rändern
zwei Löcher 11 aufweist,
die symmetrisch beiderseits der Achse der Welle 1 angeordnet
sind. Die Welle 1 trägt ebenso
ein Kodierelement 3, welches aus einem im Wesentlichen
röhrenförmigen Körper gebildet
ist, der an einem Ende eine verjüngte
Bohrung mit quadratischem Querschnitt aufweist, der sich an der
Welle 1 einpressen wird, wobei das andere Ende des Körpers radial
durch einen ringförmigen
Teil 3a aus ferromagnetischem Material verlängert ist,
welcher zwei Erzeugerbauteile eines magnetischen Felds 4 trägt, die symmetrisch
im Verhältnis
zur Achse der Welle 1 angeordnet sind und welche gegenüberliegend
zu den Löchern 11 des
Kragens 23 kommen. Ein Kanalisierungsbauteil 6 aus
magnetischem Material ist an dem ringförmigen Teil 3a des
Kodierelements 3 in einer Weise angefügt, um die Linien des Magnetfelds
um die Erzeuger 4 zu kanalisieren.
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In
der dargestellten Ausführungsform
sind die Erzeuger eines Magnetfelds 4 aus zwei parallel-epipedischen
Magneten realisiert, welche Ende gegen Ende gesetzt sind und deren
magnetische Induktionsvektoren in eine entgegengesetzte Richtung gerichtet
sind, wobei diese Anordnung einen starken Magnetfeldgradienten für eine Verstellung
in Richtung OX erlaubt, wie dies in der Veröffentlichung FR-2692986 beschrieben
wird.
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Ein
Sensorelement 9, welches einen zylindrischen Körper 15 aufweist,
vorteilhafterweise aus ferromagnetischem Material realisiert, wird
axial durch die Lö cher 11 eingefügt, wobei
diese letzteren einen passenden Durchmesser besitzen, um die freie
Drehung des Sensorelements 9 gemäß der Achse OZ zu erlauben.
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Dieses
Sensorelement 9, welches getrennt in den 3 und 4 dargestellt
ist, weist an einem Ende seines zylindrischen Körpers 15 einen magnetischen
Sensor 7 auf, der dafür
bestimmt ist, gegenüberliegend
zu einem Erzeuger eines Magnetfelds 4 zu liegen, wobei
das andere Ende einen Ansatz 16 umfasst, welcher die axiale
Bewegung des Sensorelements 9 im Inneren der Löcher 11 begrenzt.
Der magnetische Sensor 7 weist ein sensibles Element 19 auf,
welches auf außer
Mitte gesetzte Art und Weise im Verhältnis zum kreisförmigen Querschnitt
des Sensorelementes 9 in einer Weise gesetzt ist, damit die
Drehung des Sensorelementes 9 eine Verstellung gemäß der Achse
OX des sensiblen Elements 19 hervorruft.
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Der
zylindrische Körper 15 des
Sensorelements 9 weist ebenso eine Abflachung 17 auf,
welche einen Raum freilässt, über welchen
ein elektrischer Kontakt in den magnetischen Sensor 7 hereingeht,
und eine elektrische Versorgungsschaltung kann z.B. mittels eines
koaxialen Steckers sichergestellt werden.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung wird nun erläutert werden.
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Während der
Montage in der Fabrik der Elemente, welche die Vorrichtung bilden,
beendet der Arbeiter die Montage durch das Einsetzen der Sensorelemente 9 im
Inneren der Löcher 11 und
durch die Messung des Signals, welches durch die zwei Sensorelemente 9 geliefert
wird, mit Hilfe eines geeigneten Geräts. Da dieses Signal abhängig von
der Position des sensiblen Elementes 19 gegenüber dem magnetischen Übergang
ist, welcher durch die Zusammenfügung
der zwei parallel-epipedischen Magnete gebildet wird, welche einen
Felderzeuger 4 bilden, kann der Arbeiter somit deutlich
dieses Signal abstellen, unter einem Drehen des Sensorelements 9 in
einer Weise, um das sensible Element 19 gegenüberliegend
zum magnetischen Übergang
des Erzeugers eines Magnetfelds zu bringen.
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Dieser
anfängliche
Einstellvorgang der Position eines Sensorelements 9 ist
in 5 dargestellt, in welcher man sieht, dass das
sensible Element 19 um einen Abstand „e" gegenüber der Mitte des zylindrischen
Körpers 15 des
Sensorelementes 9 außer Mitte
gesetzt ist, wobei eine Winkeldrehung α von diesem letzteren eine Verschiebung
gemäß OX der Position
des sensiblen Elements 19 um einen Abstand „d" derart hervorruft,
dass: d = e·sin(α).
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Es
ist somit für
den Arbeiter leicht, das sensible Element 19 gegenüberliegend
zum magnetischen Übergang
zu bringen, unter einem Koordinieren der Drehung des Sensorelements 9 mit
dem Lesen des durch den magnetischen Sensor 7 ausgegebenen
Signals, wobei der Einstellbereich, der durch die Drehung des Sensorelements 9 geboten
wird, deutlich größer als
die Positionierschwankungen der Erzeugerbauteile eines magnetischen
Felds 4 ist.
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Die
Stärke
des durch jeden magnetischen Sensor 7 gelieferten Signals
kann ebenso moduliert werden, unter einem Verändern der axialen Eindringung
des Sensorelements 9 in die Löcher 11, um den Luftspalt
zwischen dem magnetischen Sensor 7 und dem Erzeugerbauteil
eines magnetischen Feldes 4, das ihm gegenüberliegt,
zu verändern.
In dem dargestellten Beispiel wird dieser Luftspalt auf einen konstanten
Wert gebracht, unter einem In-Anschlagbringen des Ansatzes 16 gegen
die Wand des Kragens 23 derart, dass die Stärke des
durch jeden Sensor gelieferten Signals äquivalent ist.
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Wenn
einmal diese Einstellungen ausgeführt sind, werden die Sensorelemente 9 z.B.
mittels einer Klebung festgelegt bzw. unbeweglich gemacht.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung keineswegs auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt,
welches nur zu Zwecken eines Beispiels gegeben worden ist. Insbesondere
ist die Erfindung an jeder Art von mechani schem Element anwendbar,
wie z.B. einem Träger
oder einem Rahmen, auf welchem es notwendig ist, eine Vorrichtung
zur Messung des Drehmoments zu integrieren.