WO2001067058A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung eines an einem bauteil wirkenden moments - Google Patents

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WO2001067058A1
WO2001067058A1 PCT/DE2001/000845 DE0100845W WO0167058A1 WO 2001067058 A1 WO2001067058 A1 WO 2001067058A1 DE 0100845 W DE0100845 W DE 0100845W WO 0167058 A1 WO0167058 A1 WO 0167058A1
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torque
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Valentin Magori
Ulrich Wolff
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • GPHYSICS
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    • G01L1/162Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim.
  • Such a method and such a device are known from WO 97/09596.
  • torques acting on a rotor in particular a shaft driven by an electric motor
  • SAW surface wave
  • acoustic surface waves on a non-positive connection for example by gluing the piezoelectric substrate to the shaft, are excited by means of high-frequency interrogation pulses and reflectively delayed response signals, which are influenced by the torque to be measured, are evaluated for the determination of the torque.
  • load-bearing components or components which transmit forces in particular torques, such as shafts, material deformations occur due to expansion, compression and bending moments. There are considerable interferences on the respective sensor.
  • the object of the invention is to provide a method and a device of the type mentioned in the introduction, in which a high measuring accuracy is achieved with simple aids.
  • This object is achieved in the method according to the invention by the characterizing features of patent claim 1 and in the device by the characterizing features of patent claim ⁇ claim 4.
  • a surface distortion is measured in at least three different directions, whereby measurement values are obtained from three independent distortion components.
  • the three independent distortion components of the surface deformation are measured simultaneously.
  • at least three acoustic surface waves are excited, which propagate in different directions, for example below 0 °, 45 ° and - 45 ° or below 0 °, 60 ° and -60 ° to a preferred direction. Other directions of propagation can also be selected.
  • the surface acoustic waves are generated by electro-acoustic transducers (SAW interdigital transducers) and reflected by the reflectors assigned to the respective transducers and return to the transducer.
  • SAW interdigital transducers electro-acoustic transducers
  • the length of the respective terms is a measure of the distortion of the surface.
  • High-frequency interrogation pulses are used to generate the surface acoustic waves. These can be transmitted by radio using a receiving and transmitting antenna that is connected to the busbars of the interdigital transducers.
  • the SAW component designed as a reflective delay line forms a SAW radio sensor.
  • VDI series 8 No. 515, VDI-Verlag 1995, pages 62 to 79
  • several reflectors per SAW direction and reflectors in a resonator arrangement can also be used.
  • the paths of the three surface waves in particular, intersect in a common crossing point. This results in a compact construction of the SAW component. This also ensures that All measuring sections have the same temperature, which avoids measurement errors due to thermal inhomogeneities.
  • the SAW component in the device is arranged in an externally sealed cavity of the component, on which the torque measurement is carried out, and is non-positively connected to the component.
  • a carrier is preferably provided, which can be deformed rather by the torque to be measured, in particular torque.
  • the SAW component can be firmly connected to the carrier, for example by gluing.
  • the carrier is secured with a circuit in a recess of the component.
  • the support forming the deformation body can be designed as a round disk or rectangular support plate.
  • the recess in which the carrier is arranged is positively fitted into the surface of the component, in particular the shaft on which the torque is to be measured.
  • the carrier is pressed against the wall of the recess in the component or the shaft.
  • the connection between the component or the shaft and the carrier material can also be established by material bonding, for example cold pressure welding.
  • This non-positive fastening of the carrier in a recess, in particular the blind bore of the component means that forces acting on the component are transmitted to the carrier acting as a deformation body and thus to the SAW component attached to the carrier.
  • Cold pressure welding can create a permanent material bond between the carrier and component material.
  • the surface of the SAW component on which the transducer and reflector or resonator structures are provided preferably extends parallel to the shaft axis when used on a shaft, for example driven by an electric motor, for torque measurement.
  • the installation location of the SAW component on a shaft driven by an electric motor is basically between the location of the torque transmission from the motor stand to the motor rotor and the location of the torque transmission from the shaft to the driven body.
  • the installation location can be at the location of the torque transmission from the motor output shaft to the driven working shaft, for example in the area of a feather key.
  • the SAW component can be arranged in the same fitting groove in which the feather key for transmitting the torque from the motor shaft to the working shaft is located.
  • the fitting groove can be extended accordingly in the direction of the motor.
  • the feather key can also serve as a carrier for the SAW component.
  • SAW component can be arranged as a torque sensor with simple installation-specific installation, in particular on the motor shaft of the electric motor. Installation can be carried out using the same means that are available for motor assembly.
  • SAW components can be used as radio sensors (WO 97/09596). This enables simple, contactless transmission of the sensor signals via radio to a stationary interrogation and evaluation unit.
  • Figure 1 is a sectional view of a first embodiment installed in a shaft.
  • Fig. 2 is a view of the embodiment from below;
  • FIG. 3 shows a plan view of an SAW component which is used in the exemplary embodiment in FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a sectional illustration through an exemplary embodiment with an associated receiving and transmitting antenna
  • FIG. 5 shows a further embodiment for an SAW component in plan view
  • Fig. 6 shows another embodiment in plan view, installed in a shaft
  • Fig. 7 is a sectional representation of the embodiment of Figure 6 along the section line VII-VII.
  • FIGS. 6 and 7 are sectional representation of the embodiment of FIGS. 6 and 7 along the section line VIII-VIII in Fig. 7th
  • Fig. 10 is a perspective view of a shaft with a built-in embodiment and a stationary antenna of an interrogation and evaluation device.
  • the exemplary embodiments of an SAW (surface wave) sensor 16 shown in FIGS. 1 to 6 each have a carrier 3 to which an SAW component 2 is fastened, in particular by gluing.
  • the carrier 3 forms a deformation body, which in the exemplary embodiment in FIG. 1 to 4 is designed as a circular support plate which has a diameter of about 10.0 mm. 6 to 8, the carrier 3 is designed as a rectangular carrier plate.
  • the SAW component 2 is arranged on the underside of the carrier 3 in a recess 5 (FIGS. 4, 7).
  • the recess 5 is sealed by a cover 6. This can be done, for example, by means of roller seam welding which is customary in SAW technology.
  • the carrier 3 there is also a high-frequency bushing 17 for the galvanic connection of a transmitting and receiving antenna 15 to the two busbars of respective electroacoustic transducers 8, 9 and 10 (FIGS. 3, 5), which are designed in a known manner as interdigital transducers , intended.
  • each electroacoustic transducer 8, 9, 10 is assigned a reflector 11, 12, 13 (FIG. 3) which reflects the surface wave emitted by the respective electroacoustic transducer.
  • Each unit formed from an electroacoustic transducer and an associated reflector forms in a known manner a reflective delay line VDI series 8, No. 515, 1995, pages 62 to 79).
  • VDI series 8 No. 515, 1995, pages 62 to 79.
  • several reflectors can also be provided in the respective SAW direction, which can also have dispersive structures.
  • the reflectors can be provided in a resonator arrangement on the substrate 7, as shown in FIG. 5.
  • the paths of the three surface waves intersect at a common crossing point 14.
  • the length of the transit times of the surface waves from the respective transducer 8, 9, 10 to the assigned reflector or reflectors 11, 12, 13 and back to the converter is a measure of the distortion of the Surface of the piezoelectric substrate 7, which is firmly connected to the carrier 3.
  • the carrier 3 is installed in a recess 4 of the component 1 with a positive fit.
  • the carrier 3 is inserted into an approximately 5 mm deep blind hole of the component 1.
  • the carrier 3 has an external thread 18 on its upper (outer) part and is conically widened on its lower (inner) half.
  • a conical clamping ring 20, which is adapted to the lower half of the carrier 3, is inserted into the recess 4 designed as a blind bore.
  • the carrier 3 By means of a clamping nut 19, the internal thread of which is placed on the external thread 18 of the carrier 3, the carrier 3 is pressed against the wall of the recess 4 of the component 1 via the clamping ring 20. As a result, the carrier 3 is prestressed in the recess 4 with respect to the material of the component 1.
  • the required clamping force is supplied by the clamping nut 19 and transmitted by the clamping ring 20.
  • the clamping nut 19 presses on a flat surface of the clamping ring 20.
  • the rectangular carrier 3 is fitted and prestressed in a cutout of the component 1, which is designed, for example, as a shaft. Two screw connections 27 are used to transmit the pretension.
  • the rectangular support 3 can be designed as a key for transmitting a torque from a motor shaft of an electric motor to a rotor to be driven.
  • the rectangular carrier 3 is inserted into a longitudinal recess 4 of the shaft 1, its two lateral surfaces 26 resting against the side walls of the recess 4 with a positive fit.
  • the torque to be measured is transmitted on the two side surfaces 26, which extend parallel to the shaft axis 24.
  • the carrier 3 preferably consists of the same material as the component 1, which is designed, for example, as a shaft, and can be made of steel. This ensures a good fit in a variety of mechanical and thermal conditions.
  • the carrier can also consist of an elastic material that is softer than the material of the component 1.
  • the elastic material can be spring steel, for example. As a result, a strong prestress is achieved when the carrier 3, which acts as a deformation body, is fitted into the component 1.
  • the described installation of the SAW sensor 16 in the component 1 ensures a positive and non-positive connection over the entire measuring range of the torque to be measured. This is achieved by the sufficiently strong prestressing of the carrier 3 in the recess 4 of the component.
  • the carrier 3 can also be permanently connected to the material of the component 1 by material bonding, in particular by cold pressure welding.
  • the SAW sensor 16 is located on the underside (inside) of the carrier 3, which faces the component 1, in particular the shaft axis.
  • This arrangement has the advantage that when the SAW sensor 16 is used to measure torque on a shaft, the SAW sensor is pressed against the carrier 3 as a result of the centrifugal force due to the rotation of the shaft. Furthermore, the Sensor due to the accommodation in the cavity formed between the component 1 and the support 3 reaches a sharmaji to ⁇ protection against ambient environment.
  • a quartz cover (“all quartz package”) can be provided for the hermetic sealing of the SAW component 2, as described in G.K. Montress, T.E. Parker and J. Callera e "A miniature hybrid circuit SAW oscillator using an all quartz packaged resonator", Proceedings of the IEEE Ultrasonics Sy posi, 1985, Vol. 1, pages 277 to 282.
  • the quartz lid is tightly connected to the carrier material with an all-round glass frit.
  • the SAW sensor can also be attached to the outside of the carrier 3, the cover 6 welded on according to FIG. 4 preferably being used.
  • the high-frequency bushing 17 then takes place through the cover 6.
  • the SAW component shown in FIGS. 3 and 5 three sensor signals are obtained which enable the determination of three mutually independent distortion components which result from the load on the component 1, in particular the shaft during torque transmission.
  • the acoustic transducers 8, 9, 10 and the associated reflectors 11, 12, 13 are preferably arranged in such a way that the paths of the surface waves with respect to a preferred direction are below 0 °, 45 ° and -45 ° or below 0 °, 60 ° and -60 ° run.
  • the SAW component is arranged such that the preferred direction is determined by the shaft axis 24.
  • the arrangement can, for example, be such that the path of the surface wave, which is formed in the middle SAW unit formed by the electroacoustic transducer 9 and the associated reflector 12, runs parallel to the shaft axis 24. This direction of propagation then takes place at 0 ° and ⁇ Hj 3 ⁇ ö ⁇ tr rt ⁇ ! er rt P ) • ps C ⁇ 3 cn d? cn -3 rt H 03 CL ⁇ rt cn o ⁇ Q ⁇ ⁇ ⁇ tf P-
  • SAW sensors designed as radio sensors are installed at diametrical locations. Associated receive and transmit antennas 22 are inductively or capacitively coupled to the respective SAW radio sensor. This prevents forces from being transferred to the sensor that could falsify the measurement signal. More than two sensors can also be used on the circumference of the shaft.
  • FIG. 10 shows a stationary antenna 22 which comprises the shaft (component 1) in the region of the arrangement of the SAW sensor 16. This maintains constant radio contact with the stationary antenna 22, which is connected to an interrogation and evaluation device (not shown), regardless of the respective rotational angle position of the shaft.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung insbesondere eines an einer Motorwelle wirkenden Drehmoments, bei dem am piezoelektrischen Substrat eines OFW-Sensors (16) wenigstens drei akustische Oberflächenwellen mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen erzeugt werden, wobei den vom Sensor abgegebenen Antwortsignalen drei unabhängige vom zu messenden Drehmoment verursachte Verzerrungskomponenten für die Bestimmung des Drehmoments entsprechend.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines an einem Bauteil wirkenden Moments
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches .
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der WO 97/09596 bekannt. Beim bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung werden mittels eines OFW (Oberflächenwellen) -Funksensors an einem Rotor, insbesondere einer von einem Elektromotor angetriebenen Welle wirkende Drehmomente gemessen. Hierzu werden akustische Oberflächenwellen an einem kraftschlüssig, beispielsweise durch Kleben mit der Welle verbundenen piezoelektrischen Substrat mittels hochfrequenter Abfrageimpulse angeregt und reflektiv verzögerte Antwortsignale, welche vom zu messenden Drehmoment beeinflusst sind, für die Bestimmung des Drehmoments ausgewertet. Bei lastaufnehmenden Bauteilen oder Bauteilen, welche Kräfte insbesondere Drehmomente übertragen, wie beispielsweise Wellen, treten MaterialVerformungen durch Dehnung, Stauchung und Biegemomente auf. Am jeweiligen Messgeber (Sensor) ergeben sich erhebliche Störeinflüsse. Ferner ergeben sich bei der direkten Befestigung der Sensoren durch Kleben auf dem Bauteil, insbesondere auf der Welle Schwierigkeiten bei der Fertigung. Bei herkömmlicher Fertigungsumgebung ist eine Präzisionskle- bung nicht möglich. Die erforderliche thermische Härtung der Kleber wird durch die bei dem Bauteil, insbesondere einer Welle vorhandene große Wärmekapazität behindert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen mit einfachen Hilfsmitteln eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird. Diese Aufgabe wird beim Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan¬ spruches 4 gelöst.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Beim Verfahren sowie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird eine Oberflächenverzerrung in wenigstens drei verschiedenen Richtungen gemessen, wobei von drei unabhängigen Verzerrungskomponenten Messwerte erhalten werden. Die Messung der drei unabhängigen Verzerrungskomponenten der Oberflächenverformung erfolgt simultan. Hierzu werden mindes- tens drei akustische Oberflächenwellen angeregt, die sich in verschiedenen Richtungen, beispielsweise unter 0°, 45° und - 45° oder unter 0°, 60° und -60° zu einer Vorzugsrichtung ausbreiten. Es können auch andere Ausbreitungsrichtungen gewählt werden. Die akustischen Oberflächenwellen werden von elektro- akustischen Wandlern (OFW-Interdigitalwandlern) erzeugt und von den jeweiligen Wandlern zugeordneten Reflektoren reflektiert und gelangen wieder zum Wandler zurück. Die Länge der jeweiligen Laufzeiten sind ein Maß für die Verzerrung der 0- berfläche. Zur Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen dienen hochfrequente Abfrageimpulse. Diese können per Funk mittels einer Empfangs und Sendeantenne, die mit den Sammelschienen der Interdigitalwandler verbunden ist, übertragen werden. Das als reflektive Verzögerungsleitung ausgebildete OFW-Bauelement bildet einen OFW-Funksensor . In bekannter Wei- se VDI Reihe 8, Nr. 515, VDI-Verlag 1995, Seiten 62 bis 79) können auch mehrere Reflektoren pro OFW-Richtung sowie Reflektoren in Resonatoranordnung verwendet werden.
In bevorzugter Weise überkreuzen sich die Wege der insbeson- dere drei Oberflächenwellen in einer gemeinsamen Kreuzungsstelle. Man erreicht dadurch einen kompakten Aufbau des OFW- Bauelements. Hierdurch wird ferner sichergestellt, dass auf allen Messstrecken die gleiche Temperatur herrscht, wodurch Messfehler infolge thermischer Inhomogenitäten vermieden werden.
Bei der Vorrichtung ist zur Lösung obiger Aufgabe das OFW- Bauelement in einem nach außen abgedichteten Hohlraum des Bauteils, an welchem die Momentenmessung durchgeführt wird, angeordnet und kraftschlüssig mit dem Bauteil verbunden. Hierzu ist in bevorzugter Weise ein Träger vorgesehen, wel- eher durch das zu messende Moment, insbesondere Drehmoment verformbar ist. Beispielsweise durch Kleben kann das OFW-Bau- ele ent mit dem Träger fest verbunden werden. Der Träger ist mit For schluss in einer Ausnehmung des Bauteils befestigt. Der den Deformationskörper bildende Träger kann als runde Scheibe oder rechteckige Trägerplatte ausgebildet sein. Die Ausnehmung, in welcher der Träger angeordnet wird, ist in die Oberfläche des Bauteils, insbesondere der Welle, an welcher das Drehmoment gemessen werden soll, formschlüssig einge- passt. Mit Hilfe von Spannmitteln wird der Träger an die Wand der Ausnehmung im Bauteil bzw. der Welle angepresst. Die Verbindung zwischen dem Bauteil bzw. der Welle und dem Trägermaterial kann auch durch Stoffschluss, beispielsweise Kaltpressschweißen, hergestellt werden. Durch diese kraftschlüssige Befestigung des Trägers in einer Ausnehmung, insbeson- dere Sackbohrung des Bauteils werden am Bauteil wirksame Kräfte auf den als Deformationskörper wirkenden Träger und damit auf das am Träger befestigte OFW-Bauelement übertragen. Zur Erzielung einer hinreichend starken Vorspannung des Trägers gegenüber dem Bauteil können aus der Konstruktionslehre bekannte Mittel, welche Reibschluss mit oder ohne Zwischenelemente, beispielsweise Federelemente, herstellen, vorgesehen sein. Durch das Kaltpressschweißen lässt sich ein dauerhafter Stoffschluss zwischen dem Träger- und dem Bauteilmaterial herstellen.
Die Oberfläche des OFW-Bauelements, an welcher die Wandler- und Reflektor- bzw. Resonatorstrukturen vorgesehen sind, er- streckt sich vorzugsweise parallel zur Wellenachse beim Einsatz an einer beispielsweise von einem Elektromotor angetriebenen Welle für die Drehmomentmessung.
Für den Einbauort des OFW-Bauelements an einer von einem Elektromotor angetriebenen Welle sind mehrere Möglichkeiten vorhanden. Der Einbauort befindet sich grundsätzlich zwischen dem Ort der Drehmomentübertragung vom Motorständer auf den Motorläufer und dem Ort der Drehmomentübertragung von der Welle auf den angetriebenen Körper. In bevorzugter Weise kann der Einbauort an der Stelle der Drehmomentübertragung von der Motorausgangswelle auf die angetriebene Arbeitswelle, beispielsweise im Bereich einer Passfeder liegen. Das OFW-Bauelement kann in der gleichen Passnut angeordnet sein, in der auch die Passfeder zur Übertragung des Drehmoments von der Motorwelle auf die Arbeitswelle sitzt. Hierzu kann die Passnut in Richtung auf den Motor hin entsprechend verlängert sein. Die Passfeder kann gleichzeitig als Träger für das OFW- Bauelement dienen.
Hierdurch ist die Anordnung des OFW-Bauelements als Drehmomentsensor mit einfachem fertigungsgerechten Einbau insbesondere an der Motorwelle des Elektromotors ermöglicht. Der Einbau kann mit den gleichen Mitteln erfolgen, welche bei der Motormontage zur Verfügung stehen. OFW-Bauelemente können als Funksensoren (WO 97/09596) zum Einsatz kommen. Hierdurch ist eine einfache berührungslose Übertragung der Sensorsignale über Funk auf eine stationäre Abfrage- und Auswerteeinheit möglich.
Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schnittbildliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eingebaut in einer Welle; Fig. 2 eine Ansicht auf das Ausführungsbeispiel von unten;
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein OFW-Bauelement, welches beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zur Anwendung kommt;
Fig. 4 eine schnittbildliche Darstellung durch ein Ausführungsbeispiel mit zugehöriger Empfangs- und Sen- deantenne;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform für ein OFW-Bauelement in Draufsicht;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Draufsicht, eingebaut in eine Welle;
Fig. 7 eine schnittbildliche Darstellung des Ausführungsbeispiel der Fig. 6 entlang der Schnittlinie VII-VII;
Fig. 8 eine schnittbildliche Darstellung des Ausführungsbeispiels der Fig. 6 und 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII in Fig. 7
Fig. 9 eine Welle mit eingebauten Funksensoren, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind; und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer Welle mit einem eingebauten Ausführungsbeispiel und einer stationären Antenne einer Abfrage- und Auswerteeinrichtung.
Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele eines OFW (Oberflächenwellen) -Sensors 16 besitzen jeweils ei- nen Träger 3, an welchem ein OFW-Bauelement 2, insbesondere durch Kleben befestigt ist. Der Träger 3 bildet einen Deformationskörper, welcher beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 als kreisrunde Trägerplatte ausgebildet ist, die einen Durchmesser von etwa 10,0 mm aufweist. Beim Ausführungsbei- spiel der Fig. 6 bis 8 ist der Träger 3 als rechteckige Trägerplatte ausgebildet. Das OFW-Bauelement 2 ist an der Unter- seite des Trägers 3 in einer Vertiefung 5 (Fig. 4, 7) angeordnet. Die Vertiefung 5 wird durch einen Deckel 6 dicht verschlossen. Dies kann beispielsweise durch ein in der OFW- Technik übliches Rollennahtschweißen erfolgen. Im Träger 3 ist ferner eine Hochfrequenzdurchführung 17 für die galvani- sehe Verbindung einer Sende- und Empfangsantenne 15 mit den beiden Sammelschienen jeweiliger elektroakustischer Wandler 8, 9 und 10 (Fig. 3, 5), welche in bekannter Weise als Inter- digitalwandler ausgebildet sind, vorgesehen.
Wie aus den Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, sind beim OFW-Bauelement auf einem piezoelektrischen Substrat 7 drei akustische Wandler 8, 9 und 10 vorgesehen, welche in unterschiedlichen Richtungen akustische Oberflächenwellen im in piezoelektrischen Substrat 2 erzeugen. Jedem elektroakustischen Wandler 8, 9, 10 ist ein Reflektor 11, 12, 13 (Fig. 3) zugeordnet, welcher die vom jeweiligen elektroakustischen Wandler ausgesendete Oberflächenwelle reflektiert. Jede aus einem e- lektroakustischen Wandler und einem zugeordneten Reflektor gebildete Einheit bildet in bekannter Weise eine reflektive Verzögerungsleitung VDI Reihe 8, Nr. 515, 1995, Seiten 62 bis 79) . Es können in bekannter Weise auch mehrere Reflektoren in der jeweiligen OFW-Richtung vorgesehen sein, die auch disper- sive Strukturen aufweisen können. Ferner können die Reflektoren in Resonatoranordnung auf dem Substrat 7 vorgesehen sein, wie es die Fig. 5 zeigt.
Wie aus den Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, kreuzen sich die Wege der drei Oberflächenwellen in einer gemeinsamen Kreuzungsstelle 14. Die Länge der Laufzeiten der Oberflächenwel- len vom jeweiligen Wandler 8, 9, 10 zum zugeordneten Reflektor bzw. zu den zugeordneten Reflektoren 11, 12, 13 und wieder zum Wandler zurück, ist ein Maß für die Verzerrung der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 7, welches fest mit dem Träger 3 verbunden ist.
Damit die Verzerrung der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 7 ein Maß für ein am Bauteil 1 wirkendes Moment, insbesondere Drehmoment ist, wird der Träger 3 mit Form- schluss in eine Ausnehmung 4 des Bauteils 1 eingebaut. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 wird der Träger 3 in eine etwa 5 mm tiefe Sackbohrung des Bauteils 1 eingesetzt. Der Träger 3 besitzt an seinem oberen (äußeren) Teil ein Außengewinde 18 und ist an seiner unteren (inneren) Hälfte konisch verbreitert. In die als Sackbohrung ausgebildete Ausnehmung 4 wird ein an die untere Hälfte des Trägers 3 ange- passter konischer Spannring 20 eingesetzt. Mittels einer Spannmutter 19, deren Innengewinde auf das Außengewinde 18 des Trägers 3 aufgesetzt wird, wird über den Spannring 20 der Träger 3 an die Wand der Ausnehmung 4 des Bauteils 1 angepresst. Hierdurch wird der Träger 3 in der Ausnehmung 4 gegenüber dem Material des Bauteils 1 vorgespannt. Die erfor- derliche Spannkraft wird durch die Spannmutter 19 geliefert und durch den Spannring 20 übertragen. Die Spannmutter 19 drückt hierzu auf eine plane Oberfläche des Spannringes 20.
Bei dem in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der rechteckige Träger 3 in einer Ausfräsung des beispielsweise als Welle ausgebildeten Bauteils 1 eingepasst und vorgespannt. Zur Übertragung der Vorspannung dienen zwei Ver- schraubungen 27. Der rechteckige Träger 3 kann als Passfeder zur Übertragung eines Drehmoments von einer Motorwelle eines Elektromotors auf einen anzutreibenden Rotor ausgebildet sein. Der rechteckige Träger 3 ist in eine längsverlaufende Ausnehmung 4 der Welle 1 eingesetzt, wobei seine beiden seitlichen Flächen 26 mit Formschluss an den Seitenwänden der Ausnehmung 4 anliegen. Das zu messende Drehmoment wird an den beiden Seitenflächen 26, welche parallel zur Wellenachse 24 sich erstrecken, übertragen. An den beiden Enden des rechteckigen im wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Trägers 3 sind Spalten 25 zwischen dem Material der Welle 1 und dem Träger 3 vorgesehen, so dass eine einwandfreie Übertragung des zu messenden Drehmoments auf den Träger 3 erfolgt. An der Unterseite des Trägers 3 befindet sich in der Vertiefung 5 das OFW-Bauelement. Für den Fall, dass der rechteckige Träger 3 als Passfeder ausgebildet ist, ragt diese mit einer bestimmten Abmessung über den Umfang der Welle 1 hinaus, so dass das von der Welle 1 vermittelte Drehmoment sicher auf den anzutreibenden Rotor übertragen wird.
Der Träger 3 besteht in den Ausführungsbeispielen vorzugsweise aus dem gleichen Material, wie das beispielsweise als Welle ausgebildete Bauteil 1 und kann aus Stahl bestehen. Hierdurch wird ein guter Passsitz bei vielfältigen mechani- sehen und thermischen Bedingungen erreicht. Der Träger kann jedoch auch aus einem elastischen Material bestehen, das weicher als das Material des Bauteils 1 ist. Das elastische Material kann beispielsweise Federstahl sein. Hierdurch wird eine starke Vorspannung beim Einpassen des als Deformations- körper wirkenden Trägers 3 in das Bauteil 1 erreicht.
Durch den beschriebenen Einbau des OFW-Sensors 16 in das Bauteil 1 wird ein Form- und Kraftschluss über den gesamten zu erfassenden Messbereich des zu messenden Drehmoments gewähr- leistet. Dies wird durch die hinreichend starke Vorspannung des Trägers 3 in der Ausnehmung 4 des Bauteils erreicht. Der Träger 3 kann mit dem Material des Bauteils 1 auch durch Stoffschluss, insbesondere durch Kaltpressschweißen dauerhaft verbunden werden.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen befindet sich der OFW-Sensor 16 an der Unterseite (Innenseite) des Trägers 3, welcher dem Bauteil 1, insbesondere der Wellenachse zugewandt ist. Durch diese Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass beim Einsatz des OFW-Sensors 16 bei der Drehmomentmessung an einer Welle durch die Rotation der Welle der OFW-Sensor infolge der Fliehkraft gegen den Träger 3 gepresst wird. Ferner ist der Sensor infolge der Unterbringung in dem Hohlraum, der zwischen dem Bauteil 1 und dem Träger 3 gebildet wird, ein zu¬ sätzlicher Schutz gegen Umgebungseinflüsse erreicht.
Ferner kann zur hermetischen Abdichtung des OFW-Bauelements 2 ein Quarzdeckel ("all quartz package" ) vorgesehen sein, wie es in G.K. Montress, T.E. Parker und J. Callera e "A minia- ture hybrid circuit SAW oscillator using an all quartz packa- ged resonator" , Proceedings of the IEEE Ultrasonics Sy po- siu , 1985, Vol. 1, Seiten 277 bis 282, beschrieben ist. Der Quarzdeckel ist mit einer umlaufenden Glasfritte dicht mit dem Trägermaterial verbunden.
Bei einer weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform kann der OFW-Sensor auch außenliegend am Träger 3 befestigt sein, wobei bevorzugt der gemäß Fig. 4 aufgeschweißte Deckel 6 zur Anwendung kommt. Die Hochfrequenzdurchführung 17 erfolgt dann durch den Deckel 6.
Mit den in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des OFW-Bauelements werden drei Sensorsignale gewonnen, die die Bestimmung von drei voneinander unabhängigen Verzerrungskomponenten, welche aus der Belastung des Bauteils 1, insbesondere der Welle bei einer Drehmomentübertragung resultie- ren, ermöglichen. In bevorzugter Weise sind die akustischen Wandler 8, 9, 10 sowie die zugeordneten Reflektoren 11, 12, 13 in der Weise angeordnet, dass die Wege der Oberflächenwellen bezüglich einer Vorzugsrichtung unter 0°, 45° und -45° oder unter 0°, 60° und -60° verlaufen. Bei Anwendung des OFW- Sensors 16 zur Drehmomentmessung an einer Welle, insbesondere Motorwelle erfolgt die Anordnung des OFW-Bauelements so, dass durch die Wellenachse 24 die Vorzugsrichtung bestimmt ist. Die Anordnung kann beispielsweise so erfolgen, dass der Weg der Oberflächenwelle, die in der vom elektroakustischen Wand- 1er 9 und dem zugeordneten Reflektor 12 gebildeten mittleren OFW-Einheit gebildet wird, parallel zur Wellenachse 24 verläuft. Diese Ausbreitungsrichtung erfolgt dann unter 0° und
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sind an diametralen Orten als Funksensoren ausgebildete OFW- Sensoren eingebaut. Zugeordnete Empfangs- und Sendeantennen 22 sind induktiv oder kapazitiv an den jeweiligen OFW-Funk- sensor angekoppelt. Hierdurch wird vermieden, dass Kräfte auf den Sensor übertragen werden, die das Messsignal verfälschen könnten. Es können auch mehr als zwei Sensoren am Umfang der Welle eingesetzt werden.
Das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine stationäre Antenne 22, welche die Welle (Bauteil 1) im Bereich der Anordnung des OFW-Sensors 16 umfasst. Hierdurch wird ein ständiger Funkkontakt mit der stationären Antenne 22, welche an ein nicht näher dargestelltes Abfrage- und Auswertegerät angeschlossen ist, unabhängig von der jeweiligen Drehwinkelposition der Welle aufrechterhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung eines an einem Bauteil wirkenden Moments, insbesondere Drehmoments, bei dem akustische Oberflä- chenwellen an einem zumindest kraftschlüssig mit dem Bauteil verbundenen piezoelektrischen Substrat durch hochfrequente Abfrageimpulse angeregt und reflektiv verzögerte Antwortsignale, welche vom zu messenden Moment beeinflusst sind, für die Bestimmung des Moments ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass am Substrat wenigstens drei akustische Oberflächenwellen (OFW) mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen erzeugt werden und dass die dadurch gebildeten Antwortsignale, welche drei unabhängige vom zu messenden Moment verursachte Verzerrungskomponenten aufweisen, zur Mo- mentenbestimmung ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Ausbreitungsrichtungen der OFW sich an einer gemeinsamen Kreuzungsstelle überkreuzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsrichtungen unter 0°, 45° und -45° oder unter 0°, 60° und -60° zu einer Vorzugsrichtung liegen.
4. Vorrichtung zur Messung eines an einem Bauteil (1) wirkenden Moments, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem OFW-Sensor (16), der ein OFW-Bauelement (2) mit re- flektiver Verzögerungsleitung aufweist, dessen piezoelektri- sches Substrat (7) zumindest kraftschlüssig mit dem Bauteil (1) verbunden ist, an welchem das zu messende Moment wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Bauelement (2) in einem nach außen abgedichteten Hohlraum (5) des Bauteils (1) angeordnet ist und über einen Formschluss mit dem Bauteil (1) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Bauelement (2) mit einem Träger (3) fest verbunden ist, und dass der Träger (3) mit Formschluss in ei¬ ner Ausnehmung (4) des Bauteils (1) befestigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) mit Vorspannung oder Stoff- schluss, insbesondere Kaltpressschweißen in die Ausnehmung (4) des Bauteils (1) eingesetzt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6; dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus dem gleichen Material wie das Bauteil (1) besteht.
8.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus einem elastischen Material besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Trägers (3) so bemessen sind, dass senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen (OFW) einwirkende Kräfte das OFW-Bauelement nicht beeinflussen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Bauelement (2) in einer Vertiefung (5) am Träger (3) angeordnet ist, welche mit einem Deckel (6) dicht abgeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des OFW-Bauelements (2) durch einen Quarzdeckel geschützt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem piezoelektrischen Substrat (7) des OFW-Bauelements (2) wenigstens drei akustische Wandler (8, 9, 10) mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtun- gen der von ihnen erzeugten Oberflächenwellen und den jeweiligen Wandler zugeordneten Reflektoren (11, 12, 13) gebildet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroakustischen Wandler (8 - 10) und die Reflektoren (11 - 13) so angeordnet sind, dass die Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenwellen sich in einer gemeinsamen Kreuzungsstelle (14) kreuzen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der OFW-Sensor als Funksensor ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14; dadurch gekennzeichnet, dass der als Funksensor ausgebildete OFW-Sensor (16) eine als Schleifenantenne ausgebildete Empfangs- und Sendeantenne (14) aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem OFW-Sensor (16) induktiv eine Emp- fangs-Sendeanstenne (21) gekoppelt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16; dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Drehmoment, welches von dem OFW-Bauelement (2) erfasst wird, überträgt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17; dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment von einem Elektromotor er- zeugt wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) ein Verbindungselement bildet, das einen Formschluss zwischen dem als Welle ausgebildeten Bauteil (1) und einem anzutreibenden Rotor bildet.
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