TWI708930B - 具有轉矩測量構件的用於小型和微型驅動裝置的傳動裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於電氣的小型或微型驅動裝置的傳動裝置(3)，具有：傳動裝置殼體(9)，在其中設置有傳動機械裝置；固定法蘭(13)，用於將該傳動裝置(3)固定在應用件上；支承在至少一個從動軸承(8)中的從動軸(7)，用於驅動應用件(5)，其中從動軸通過傳動機械裝置能夠與小型或微型驅動裝置連接；和轉矩測量構件(15)，用於借助於彎曲彈性的元件(17)檢測在小型或微型驅動裝置(1)的運行期間在從動軸上出現的轉矩。在彎曲彈性的元件上設置具有產生磁場的元件(23)和測量磁場的元件(25)的磁性感測器系統(19)以測量彎曲彈性的元件的旋轉偏向。彎曲彈性的元件(17)沿軸向設置在傳動機械裝置與固定法蘭(13)之間。

Description

具有轉矩測量構件的用於小型和微型驅動裝置的傳動裝置
本發明係關於一種用於電氣的小型或微型驅動裝置的傳動裝置，具有：傳動裝置殼體，在其中設置有傳動機械裝置；固定法蘭，用於將傳動裝置固定在應用件上；支承在至少一個從動軸承中的從動軸，用於驅動應用件，其中該從動軸構成為通過傳動機械裝置能夠與小型或微型驅動裝置連接；和轉矩測量構件，用於借助於彎曲彈性的元件檢測在小型或微型驅動裝置運行期間在該從動軸上出現的轉矩。
小型或微型驅動裝置在本發明的意義上是具有最大為1000W持續功率的電氣驅動裝置。
用於電氣的小型或微型驅動裝置的傳動裝置在降低從動轉數(Abtriebsdrehzahl)一個減速比(Untersetzungsverhältniss)的同時，尤其引起由電機產生的在傳動裝置從動裝置上的力矩的倍增。基於由於摩擦的損耗、減速比的影響以及由此產生的傳動裝置自動聯鎖(Getriebeselbsthemmung)，在從動裝置上產生的力矩不總是與減速成正比地傳遞到電機上。因此不是總能夠根據測量電機力矩來直接推斷出存在於傳動裝置從動裝置上的力矩。即便如此，為了確定這一點，也會測量從動力矩。
可以例如通過確定彎曲彈性的元件的彈性區域所引起的變形來測量轉矩。由於狹窄的空間情況，直接在運動的從動軸上測量變形(在此特別是在精密儀器技術尺度中)是非常昂貴的。反作用力矩(Reaktionsmoment)的測量規避了傳送來自運動部件和到達運動部件的資訊的必要性。對於力、力矩和由此引起的變形的測量非常頻繁地使用應變儀。
由德國專利文獻DE 10 2006 057 539 A1已知例如用於行星齒輪傳動裝置的具有應變儀的轉矩測量構件。由於電氣性能的變化非常小，帶有測量值放大器的特定計算電子裝置是必要的，該特定計算電子裝置通常以多個應變儀的信號為先決條件。該應變儀必須固定地施加到變形的元件上並且電氣接觸。除了裝配成本之外，在狹窄的結構空間情況下，特別是對於施加感測器的可接近性(Zugänglichkeit)是有問題的。
本發明的任務在於，提供一種傳動裝置，該傳動裝置具有用於測量從動軸上的轉矩的轉矩測量構件，該傳動裝置特別小並緊湊地構成，可簡單和低成本地製造並且可裝配並且可靈活地使用。
該任務根據本發明通過申請專利範圍第1項的特徵部分的特徵解決。由此，在彎曲彈性的元件上設置具有產生磁場的元件和測量磁場的元件的磁性感測器系統以測量彎曲彈性的元件的旋轉偏向(rotatorischen Auslenkung)，其中彎曲彈性的元件沿軸向設置在傳動機械裝置與固定法蘭之間，能實現特別緊湊的結構形式。特別是磁性感測器系統的應用使得能夠以低成本和簡單的裝配來精確檢測轉矩。
在本發明的一個有利的實施例中，彎曲彈性的元件在周向上 包圍從動軸，其中該彎曲彈性的元件將在從動軸上出現的轉矩轉換為彎曲彈性的元件的旋轉偏向。特別地，彎曲彈性的元件包括至少三個沿軸向平行於從動軸延伸的支柱。在此特別有利的是，彎曲彈性的元件(特別是其支柱)具有一徑向高度，該徑向高度是彎曲彈性的元件(特別是其支柱)的切向厚度的至少兩倍大。有利地，彎曲彈性的元件(特別是其支柱)還具有一軸向長度，該軸向長度是彎曲彈性的元件(特別是其支柱)的切向厚度的至少四倍大。通過這樣的設計方案，實現高的剛性(Steifigkeit)，因此實現關於徑向干擾力的不靈敏性，以及實現低的剛性，因此實現關於旋轉轉矩的高度靈敏性。
在一個實施例中，轉矩測量構件、固定法蘭和從動軸承法蘭形成模組式的功能元件，該功能元件獨立於傳動裝置殼體能夠與傳動機械裝置和從動軸組裝並且構成為組合的部分而能夠放置到從動軸上。較佳地，彎曲彈性的元件和固定法蘭一件式地構成。特別是，從動軸承法蘭包括至少兩個從動軸承，其中一個或兩個從動軸承沿軸向設置在彎曲彈性的元件之內。這樣進一步減小結構空間並且簡化傳動裝置的裝配。
在另一有利的實施例中，磁性感測器系統設置在彎曲彈性的元件的支柱的間隙中。特別地，磁性感測器系統如此地設置在彎曲彈性的元件上，使得在彎曲彈性的元件旋轉偏向時使產生磁場的元件相對於測量磁場的元件相切地移動。
特別地，產生磁場的元件與測量磁場的元件有利地沿徑向、沿軸向或相切地間隔地設置在彎曲彈性的元件上，其中產生磁場的元件設置在彎曲彈性的元件的第一子元件上，該第一子元件與彎曲彈性的元件的 第一軸向末端連接；並且測量磁場的元件設置在彎曲彈性的元件的第二子元件上，該第二子元件與彎曲彈性的元件的對置的第二軸向末端連接。
此外，當在彎曲彈性的元件的支柱之間設置機械超載保護時，這是有利的。在此，超載保護特別是構成為機械止擋件，其中止擋件作用在彎曲彈性的元件的一軸向側面與另一軸向側面之間並且因此在驅動力矩太大時抵制進一步旋轉。
1‧‧‧小型或微型驅動裝置
3‧‧‧傳動裝置
5‧‧‧應用件
7‧‧‧從動軸
8‧‧‧從動軸承
9‧‧‧傳動裝置殼體
11‧‧‧從動軸承法蘭
13‧‧‧固定法蘭
15‧‧‧轉矩測量構件元件
17‧‧‧彎曲彈性的元件
19‧‧‧磁性感測器系統
21‧‧‧支柱
23‧‧‧產生磁場的元件
25‧‧‧測量磁場的元件
2.7‧‧‧功能組件
X-X‧‧‧軸向方向
D‧‧‧彎曲彈性的元件的切向厚度
H‧‧‧彎曲彈性的元件的徑向高度
L‧‧‧彎曲彈性的元件的軸向長度
本發明另外的有利的設計方案由以下附圖描述和從屬申請專利範圍給出。其中：圖1是顯示出具有已連接的傳動裝置和略述的應用件的電氣的微型驅動裝置的應用的示意性視圖；圖2是顯示出具有轉矩測量構件的根據本發明的傳動裝置的第一實施例的部分剖切的示意性視圖；圖3是顯示出具有轉矩測量構件的根據本發明的傳動裝置的第二實施例的部分剖切的示意性視圖；圖4a是顯示出根據本發明的傳動裝置的轉矩測量構件的側視圖的示意性視圖；以及圖4b是顯示出根據本發明的傳動裝置的轉矩測量構件的彎曲彈性的元件的橫截面的示意性視圖。
在附圖的不同圖形中相同的構件總是設置有相同的參考標記。
對於以下的描述，需強調，本發明並不局限於這些實施例，且因此也不局限於所描述的特徵組合的所有或多個特徵，而是任意/每一個實施例的每一單個子特徵在與所有結合在一起描述的子特徵分開時，無論是單獨存在，還是與另一實施例的任意特徵組合，都具有本發明物件的意義。
圖1是顯示出帶有已連接的傳動裝置3的小型或微型驅動裝置1的示例性應用的示意性視圖，該小型或微型驅動裝置用於通過傳動裝置3的從動軸7來驅動虛線顯示出的應用件5。傳動裝置3可以特別構成為行星齒輪並且包括相應的、未顯示出的傳動機械裝置，該傳動機械裝置較佳設置在傳動裝置殼體9中。從動軸7特別地借助於兩個從動軸承8支承並且能夠通過傳動機械裝置與小型或微型驅動裝置1的未顯示出的驅動軸連接。從動軸承設置在從動軸承法蘭11中。從動軸承法蘭11在朝向應用件5的端側形成傳動裝置3的固定法蘭13。傳動裝置3借助于固定法蘭13可與應用件5，特別是應用件5的殼體連接。從動軸承法蘭11和固定法蘭13特別是一件式地構成。
圖2顯示出根據本發明的具有轉矩測量構件15的傳動裝置3的第一實施例的部分剖切的示意性視圖，該轉矩測量構件15用於檢測在小型或微型驅動裝置1的運行中在從動軸7上出現的轉矩。轉矩測量構件15特別是構成為籠狀的(käfigartig)。
轉矩測量構件15包括至少一個彎曲彈性的元件17和設置在彎曲彈性的元件17上的用於測量彎曲彈性的元件17的旋轉偏向的磁性感測器系統19。彎曲彈性的元件17較佳沿軸向設置在傳動機械裝置或傳動裝置 殼體9與固定法蘭13之間。特別地，彎曲彈性的元件17沿周向包圍從動軸7，其中該彎曲彈性的元件將在從動軸7上出現的轉矩轉換為彎曲彈性的元件17的旋轉偏向。這能實現支承的反作用力矩的測量，該反作用力矩通過從動軸7和傳動裝置殼體9和傳動機械裝置傳遞給彎曲彈性的元件17。
在一個較佳實施例中，在從動軸承法蘭11中設置至少兩個從動軸承8，其中至少一個，較佳兩個從動軸承8沿軸向設置在彎曲彈性的元件17之內。
可選或補充地，一個從動軸承8沿軸向設置在彎曲彈性的元件17之前，而另一從動軸承8沿軸向設置在彎曲彈性的元件17之後，這也可以特別有利的。
在轉矩測量構件15的特別的設計方案中，彎曲彈性的元件17包括沿軸向平行於從動軸7延伸的支柱21，較佳多於兩個支柱21。特別地，彎曲彈性的元件17的支柱21或支柱21的組的設置以均勻分佈的方式設置在從動軸7的周圍上。在此，當彎曲彈性的元件17的支柱21在支柱21的組內的間隔小於支柱21的從一個支柱21的組至下一個支柱21的組的間隔，這是特別有利的。
有利地，彎曲彈性的元件17，特別是支柱21由如下材料形成，該材料的延展極限RE
Figure 105118905-A0202-12-0006-10
500N/mm2和/或彈性極限σE
Figure 105118905-A0202-12-0006-9
450N/mm2。
有利地，磁性感測器系統19設置在彎曲彈性的元件17的支柱21的間隙中。磁性感測器系統特別是包括產生磁場的元件23和測量磁場的元件25。較佳地，測量磁場的元件25是霍爾感測器或MR感測器。
在本發明的一個實施例中，特別有利的是，磁性感測器系統 和彎曲彈性的元件構成為滿足如下條件：
Figure 105118905-A0202-12-0007-3
在此MGetriebe是傳動裝置3的持續轉矩(Dauerdrehmoment)，該持續轉矩可能在運行中短時被超過。
USensor是測量磁場的元件25的輸出信號。Phi(U)是取決於輸出信號USensor的測量磁場的元件25的角位置。測量磁場的元件25的角位置的偏向的跨距△Phisensor根據以下公式在測量磁場的元件25的輸出信號的最小值與最大值之間得出：△Phisensor=Phi(UsensorMax)-Phi(UsensorMin)。
彎曲彈性的元件17的平均扭轉彈性力CTorsion由轉矩的變化△M和角位置的相應變化△Phi根據以下公式得出：c Torsion ==△M/△Phi。
作為示例性的實施例，根據本發明的傳動裝置3可以具有持續轉矩MGetriebe=0.2Nm，其中測量磁場的元件25具有角位置偏向的跨距△Phisensor=3.3°，並且彎曲彈性的元件具有扭轉彈性力cTorsion=1.2Nm/°。對於該 示例性的實施例，特徵數值為
Figure 105118905-A0202-12-0007-2
。在一個可能 的實施例中，產生磁場的元件23有利地設置為沿徑向方向與測量磁場的元件25相間隔。可選地，該設置可以構成為在軸向上或在切向上相間隔。在此，產生磁場的元件23可以特別是設置在從動軸承法蘭11的外周上，而測量磁場的元件25可以設置在彎曲彈性的元件17的內周上。
有利地，產生磁場的元件23設置在彎曲彈性的元件17的第 一子元件上，該第一子元件與彎曲彈性的元件17的第一軸向末端(Extremität)，特別是與朝向固定法蘭13的端側連接；而測量磁場的元件25設置在彎曲彈性的元件17的第二子元件上，該第二子元件與彎曲彈性的元件17的對置的第二軸向末端，特別是與朝向傳動裝置3的端側連接。
在一個可選或附加的設計方案中，產生磁場的元件23可以在軸向方向X-X與測量磁場的元件25間隔地設置。在此，產生磁場的元件23和測量磁場的元件25在軸向上較佳分別設置在彎曲彈性的元件17的對置的末端上。
特別地，產生磁場的元件23和測量磁場的元件25設置在轉矩測量構件中，使得在彎曲彈性的元件17旋轉偏向時，產生磁場的元件23相對於測量磁場的元件25特別是相切地移動。
有利地，產生磁場的元件23產生沿測量磁場的元件25方向的2極場，其中磁極相對於從動軸7相切地設置。
在一個有利的設計方案中，與測量磁場的元件25相比，產生磁場的元件23在彎曲彈性的元件17上設置在徑向外側。在此，產生磁場的元件23有利地可以特別設置在彎曲彈性的元件17的鐵軛元件(Eisenrückschlusselement)上並且通過磁力保持在位置上。
在另一設計方案中，在彎曲彈性的元件17設置多個配置的分別有產生磁場的元件23和測量磁場的元件25的偶對(Paar)。在此，相應配置的產生磁場的元件23和測量磁場的元件25的偶對特別是分別設置在不同的彎曲彈性的元件17的支柱21的間隙中。
有利地，至少一個配置的產生磁場的元件23和測量磁場的 元件25的偶對在間隙中相切地在圓周上間隔地設置。可選地或附加地，至少一個配置的產生磁場的元件23和測量磁場的元件25的偶對在間隙中沿軸向方向X-X間隔地設置。
在一個特別有利的設計方案中，具有彎曲彈性的元件17和磁性感測器系統19的轉矩測量構件15連同固定法蘭13和從動軸承法蘭11形成模組式功能元件27，該功能元件獨立於傳動裝置殼體9能夠與傳動機械裝置和從動軸7組裝並且構成為組合的部分而能夠放置到從動軸7上。
在圖3中顯示出具有轉矩測量構件15的根據本發明的傳動裝置3的第二實施例的部分剖切的示意性視圖。有利地，彎曲彈性的元件17和固定法蘭13一件式地構成。
在本發明的另一有利的設計方案中，在彎曲彈性的元件17的支柱21之間設置機械超載保護。特別是，超載保護構成為機械止擋件，其中止擋件作用在彎曲彈性的元件17的一軸向側面與另一軸向側面之間並且因此在驅動力矩太大時抵制進一步旋轉。
在圖4a和圖4b中在側視圖和橫截面的示意性視圖中顯示出根據本發明的傳動裝置3的轉矩測量構件15。
有利地，彎曲彈性的元件17(特別是其支柱21)具有軸向長度L，該軸向長度是彎曲彈性的元件17(特別是支柱21)的切向厚度D的至少四倍大。
在另一實施例中，彎曲彈性的元件17(特別是其支柱21)具有徑向高度H，該徑向高度是彎曲彈性的元件17(特別是支柱21)的切向厚度(tangentiale Dicke)D的至少兩倍大。
本發明並不局限於所說明和所描寫過的實施例，而是還包含所有在本發明意義中起相同作用的實施方式。應強調的是，這些實施例不是局限於組合的所有特徵，每個單個的子特徵能從其它子特徵中分離開來，也具有根據本發明的意義。此外，本發明迄今為此並未局限於在申請專利範圍第1項中定義的特徵組合，而是也可通過所有公開的單個特徵的特定特徵的各種任意的其它組合來定義。這意味著，實際上原則上能夠略去申請專利範圍第1項的每個單個特徵，或者通過至少一個在本申請的其它位置中公開的單個特徵來代替。
3‧‧‧傳動裝置
7‧‧‧從動軸
8‧‧‧從動軸承
9‧‧‧傳動裝置殼體
11‧‧‧從動軸承法蘭
13‧‧‧固定法蘭
15‧‧‧轉矩測量構件元件
17‧‧‧彎曲彈性的元件
19‧‧‧磁性感測器系統
21‧‧‧支柱
23‧‧‧產生磁場的元件
25‧‧‧測量磁場的元件
27‧‧‧功能組件
X-X‧‧‧軸向方向

Claims (13)

  1. 一種用於電氣的小型或微型驅動裝置(1)的傳動裝置(3)，具有：傳動裝置殼體(9)，在其中設置有傳動機械裝置；固定法蘭(13)，用於將該傳動裝置(3)固定在應用件(5)上；支承在至少一個從動軸承(8)中的從動軸(7)，用於驅動該應用件(5)，其中該從動軸(7)構成為通過該傳動機械裝置能夠與該小型或微型驅動裝置(1)連接；和轉矩測量構件(15)，用於借助於彎曲彈性的元件(17)檢測在該小型或微型驅動裝置(1)的運行期間在該從動軸(7)上出現的轉矩，其特徵在於，在該彎曲彈性的元件(17)上設置具有產生磁場的元件(23)和測量磁場的元件(25)的磁性感測器系統(19)以測量該彎曲彈性的元件(17)的旋轉偏向，其中該彎曲彈性的元件(17)沿軸向設置在該傳動機械裝置與固定法蘭(13)之間；且該彎曲彈性的元件(17)包括至少三個沿著軸向平行於該從動軸(7)延伸的支柱(21)；且該彎曲彈性的元件(17)的該等支柱(21)具有一徑向高度(H)，該徑向高度(H)是切向厚度(D)的至少兩倍大；且該彎曲彈性的元件(17)的該等支柱(21)具有一軸向長度(L)，該軸向長度(L)是該切向厚度(D)的至少四倍大；且該產生磁場的元件(23)係設置在該彎曲彈性的元件(17)的該等支柱(21)的間隙中且與該測量磁場的元件(25)間隔地設置；其中該產生磁場的元件(23)係設置在該彎曲彈性的元件(17)的第一子元件上，該第一子元件與該彎曲彈性的元件(17)的第一軸向末端連接；並且該測量磁場的元件(25)係設置在該彎曲彈性的元件(17)的第二子元件上，該第二子元件與該彎曲彈性的元件(17)的對置的第二軸向末端連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的傳動裝置(3)，其中，該磁性感測器系統(19)設置在該彎曲彈性的元件(17)上，使得在該彎曲彈性的元件(17)旋轉偏向時，該產生磁場的元件(23)相對於該測量磁場的元件(25)相切地移動。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，該產生磁場的元件(23)沿該測量磁場的元件(25)的方向產生2極場，其中磁極相對於該從動軸(7)相切地設置。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，與該測量磁場的元件(25)相比，該產生磁場的元件(23)在該彎曲彈性的元件(17)上設置在徑向外側。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，該產生磁場的元件(23)設置在該彎曲彈性的元件(17)的鐵軛元件上並且通過磁力保持在位置上。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，在該彎曲彈性的元件(17)上設置多個配置的分別有產生磁場的元件(23)和測量磁場的元件(25)的偶對。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，該轉矩測量構件(15)、該固定法蘭(13)和從動軸承法蘭(11)形成模組式的功能元件(27)，該功能元件(27)獨立於該傳動裝置殼體(9)能夠與該傳動機械裝置和該從動軸(7)組裝並且構成為組合的部分而能夠放置到該從動軸(7)上。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，該彎曲彈 性的元件(17)和該固定法蘭(13)為一件式地構成。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的傳動裝置(3)，其中，在該從動軸承法蘭(11)中設置至少兩個從動軸承(8)，其中第一從動軸承(8)沿著軸向設置在該彎曲彈性的元件(17)之前，而第二從動軸承(8)沿著軸向設置在該彎曲彈性的元件(17)之後。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的傳動裝置(3)，其中，在該從動軸承法蘭(11)中設置至少兩個從動軸承(8)，其中一個或兩個從動軸承(8)沿著軸向設置在該彎曲彈性的元件(17)之內。
  11. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，在該彎曲彈性的元件(17)的該等支柱(21)之間設置機械超載保護。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的傳動裝置(3)，其中，該機械超載保護構成為機械止擋件，其中該機械止擋件作用在該彎曲彈性的元件(17)的一軸向側面與另一軸向側面之間並且因此在驅動力矩太大時抵制進一步旋轉。
  13. 如申請專利範圍第1或2項所述的傳動裝置(3)，其中，該彎曲彈性的元件(17)、該磁性感測器系統(19)和該傳動機械裝置構成為使得該彎曲彈性的元件(17)的平均扭轉彈性力(CTorsion)與該測量磁場的元件(25)的角位置的偏向的跨距(△Phisensor)的乘積除以該傳動裝置的雙倍持續轉矩(MGetriebe)得到的數值位於0.02至50的範圍中。
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