WO2014124617A1 - Drehmomentmessvorrichtung - Google Patents

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WO2014124617A1
WO2014124617A1 PCT/DE2013/200342 DE2013200342W WO2014124617A1 WO 2014124617 A1 WO2014124617 A1 WO 2014124617A1 DE 2013200342 W DE2013200342 W DE 2013200342W WO 2014124617 A1 WO2014124617 A1 WO 2014124617A1
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WO
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measuring device
layer
hollow shaft
torque measuring
shaft
Prior art date
Application number
PCT/DE2013/200342
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French (fr)
Inventor
Frank Benkert
Jens Heim
Matthias Sperber
Jürgen GIERL
Christian Nuissl
Stefan GLÜCK
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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Priority to EP13824110.4A priority patent/EP2956750B1/de
Priority to CN201380073035.1A priority patent/CN105051511A/zh
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
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    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
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    • B62M6/50—Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof
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    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/225—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to foot actuated controls, e.g. brake pedals

Definitions

  • the invention relates to a torque measuring device and a bottom bracket, which is equipped with a torque measuring device. Furthermore, the invention relates to a method for producing a torque measuring device.
  • a torque measuring device with which a torque acting in a shaft is measured, usually detects a torsion of the shaft which is dependent on the torque to be measured.
  • the torsion can be detected optically, for example.
  • a torque measurement with optical methods is known in principle, for example from DE 10 2005 055 949 A1.
  • Magnetic measuring graduations are also suitable for detecting an angular position of a shaft or a rotation between two components which can be twisted relative to one another.
  • the state of the art in this context is exemplified by DE 10 2010 023 355 A1. It is also possible, acting in a shaft or sleeve torque on the torque-dependent change in magnetic properties of at least one magnetized portion of the shaft or the Sleeve to measure.
  • a measuring device based thereon is known, for example, from EP 2 365 927 A1, which relates to a bottom bracket.
  • strain gauges are also suitable for torque measurement, which are applied at a suitable point of a component loaded by a torque.
  • DE patent application 10 2012 208 492.4 discloses a method for producing a strain gauge arrangement in which a deformation-sensitive measuring layer is applied to the surface of a shaft and subsequently processed by means of a laser.
  • strain gauges in bicycles with electric auxiliary drive is described for example in CN201737127U.
  • a strain gauge is in this case on a torsion sleeve.
  • the object of the invention is to further develop a torque measuring device, in particular with regard to the reliable reproducibility of product properties in mass production compared to the cited prior art.
  • the torque measuring device comprises
  • a direct coating is understood to mean a coating which is produced directly on a component to be coated during its production process.
  • a typical general example of this is the painting of a component: the paint layer is only produced during the painting directly on the component to be painted.
  • a counter-example, which does not fall under the definition of a direct coating, is the sticking of a film on a component.
  • the direct coating which forms a total of a strain gauge or at least partially deformation-sensitive properties, can be generated according to DE patent application 10 2012 208 492.4.
  • the hollow shaft on which the strain gauge is produced in the form of a direct coating is preferably made of a metallic base material, in particular steel, wherein an insulating layer is applied to the base material, on which a deformation-sensitive layer is located as a measuring layer.
  • a metallic base material in particular steel
  • an insulating layer is applied to the base material, on which a deformation-sensitive layer is located as a measuring layer.
  • the construction of the torque measuring device according to the invention is characterized by a much better reproducibility and long-term stability of the metrological properties. Another advantage is that neither the hollow shaft nor the inner shaft is weakened by structures such as notches or grooves.
  • the insulating layer on which the deformation-sensitive layer provided for torque measurement is applied comprises, for example, an oxide or a carbide. Suitable materials for the insulating layer are in particular Al 2 O 3 and SiO 2 .
  • an amorphous carbon layer is suitable as an insulating layer.
  • the insulating layer can be produced, for example, in the PVD (physical vapor deposition) or PACVD (physically assisted chemical vapor deposit) method. The use of polymers for the production of the insulating layer is possible.
  • the measuring layer, which is located on the insulating layer is formed for example by a nickel alloy, in particular a NiCr alloy, and preferably has a thickness of 0.05 ⁇ to 1, 0 ⁇ on.
  • an organic or inorganic protective layer is applied to the measuring layer.
  • the total thickness of the deformation-sensitive direct coating including protective layer is preferably not more than 20 ⁇ .
  • the signal transmission component may be a slip ring.
  • a wireless, for example inductive signal transmission between the hollow shaft and a non-rotating component is provided.
  • the signal transmission in both cases it is also possible to conduct a line or wireless energy transmission between the hollow shaft equipped with the torque sensor and a surrounding, non-rotating component.
  • the non-contact signal and energy transfer compared to the simpler, working with abrading contacts solution has the principal advantage of lack of wear and lower sensitivity to dirt on.
  • by the non-touching transmission of signals and energy given an advantage in terms of the resulting during the rotation of the unit of inner shaft and hollow shaft Bremsmonnentes.
  • the hollow shaft optionally also has a signal evaluation component.
  • the energy required for the operation of this signal evaluation component can also be transmitted either via contact contact or contactless.
  • the signal processing can take place, for example, in a housing of the torque measuring device or in an external evaluation unit located outside the housing.
  • a component of a rotational speed measuring device can be arranged on the inner shaft or a rotatably connected with this part.
  • the torque measuring device is particularly suitable for use in a bicycle with electric auxiliary drive.
  • the torque measuring device is predestined for all applications in which a torque can be introduced into a drive shaft at two different locations and the summed introduced torque is forwarded by means of a single output shaft concentrically surrounding the drive shaft. In each case, the torque measuring device reliably detects the summed torque acting in the output shaft.
  • the method for producing the torque measuring device comprises the following features independently of the technical field of application: a) a coating providing a measuring layer for torque measurement, forming a strain gauge coating is applied as a direct coating on a base material of a hollow shaft, wherein the structuring of Strain gauge strip only after the application of the coating takes place on the hollow shaft, b) the hollow shaft is rotatably connected to a coaxially disposed inside this inner shaft, wherein the inner shaft forms a drive shaft and the hollow shaft an output shaft.
  • the strain gauge can either be generated on the present as a single part hollow shaft or only after the complete assembly of the hollow shaft and the inner shaft comprehensive assembly can be applied.
  • the method step a) can therefore be carried out before or after the method step b).
  • a strain gauge forming coating can be prepared in the PVD or PACVD process.
  • the structuring of this coating is preferably carried out by laser, as described in DE patent application 10 2012 208 492.4.
  • the laser-processed strain gauges in an advantageous embodiment, a strip structure, wherein the individual strips each describe a portion of a helix extending about the axis of rotation of the hollow shaft, which is inclined to the axis of rotation by 30 ° to 60 °, preferably by 45 °.
  • photolithographic processing is also possible.
  • a layer is processed directly, which is not arranged in a plane, but represents a spatial structure.
  • the arrangement of the deformation-sensitive structures on the surface of the hollow shaft is preferably carried out in a full bridge arrangement. Contact pads can be placed in areas of the surface of the direct coating that are not used for measuring the torque due to the aforementioned 45 ° meandering structure.
  • the contact points, as well as the other areas of the Torque measurement and optionally formed for signal processing surface areas are protected with a protective layer against environmental influences.
  • the entire torque measuring device is extremely space-saving.
  • Components of the energy and signal transmission technology, which are arranged outside the torque measuring device, are preferably also in a space-saving arrangement in a substantially sleeve-shaped component immediately surrounding the torque measuring device.
  • the torque and rotational speed measurement can be used to provide a power measurement system with which the cyclist's performance can also be determined and displayed in the semi-professional range.
  • FIG. 2 shows a detail of the bottom bracket of FIG. 1.
  • a in Fig. 1 generally designated by the reference numeral 1 bottom bracket has a shaft 2, by two rolling bearings 15,16, namely ball bearings, rotatable in the context of a not shown bicycle with electric Auxiliary drive is mounted. At both ends of the shaft 2, a crank, not shown, is attached in each case.
  • the shaft 2 is hollow and is also referred to as the inner shaft. With the inner shaft 2, a hollow shaft 3, which surrounds the shaft 2 concentrically, firmly connected on one side. In not connected to the inner shaft 2 portion of the hollow shaft 3, this is spaced from the shaft 2, so that an annular gap between the inner shaft 2 and the hollow shaft 3 is formed.
  • the hollow shaft 3 functions in cooperation with the inner shaft 2 as a torque measuring device 4, which is described below, also with reference to FIG. 2:
  • a strain gauge produced as a direct coating 5. Since the entire on the Tretkurbeln on both sides of the inner shaft 2 is passed in this introduced torque via the hollow shaft 3 to the chainring carrier, the torsion of the hollow shaft 3 shows exactly the sum of the torque applied to the inner shaft 2 by the driver.
  • a first signal and energy transfer component 6 In addition to the strain gauge 5 is located on the hollow shaft 3, a first signal and energy transfer component 6. A cooperating with this second signal and energy transfer component 7, the hollow shaft 3 concentrically surrounding, arranged in a substantially sleeve-shaped sensor housing 8.
  • the signal and energy transfer components 6.7 of the inductive energy and signal transmission between the rotating, the inner shaft 2 and the serve Hollow shaft 3 comprehensive assembly and the rigidly arranged in the bicycle frame sensor housing 8.
  • a cable connected to this sensor port 9 typically passes within a frame tube of the bicycle.
  • a speed measuring component 10 can be seen, which is mounted on the inner shaft 2 and cooperates with another frame-fixed speed measuring component.
  • the strain gauge strip 5 produced as a direct coating on the hollow shaft 3 comprises an insulation layer 11 produced directly on the base material, namely steel, the hollow shaft 3, a measuring layer 12 directly formed on the base material, laser-structured, the actual strain-sensitive layer the measuring layer 12 as well as contact points against environmental influences shielding protective layer 13.
  • FIG. 2 With regard to the structuring of the strain gauge 5, reference is made to FIG. 2, in which a toothing 14 can be seen, which serves for the connection of the chainring carrier to the hollow shaft 3.
  • the strain gage 5 as a whole lies on a cylindrical surface, namely the surface of the hollow shaft 3, and is produced during the production of the torque measuring device 4 on this surface.
  • a three-dimensional deformation-sensitive structure namely the strain gage 5 formed as a direct coating, is produced directly. This generation includes the application of the strain-sensitive layer by PVD or PACVD method and the subsequent laser structuring of the layer.

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Abstract

Eine insbesondere für ein Tretlager (1) geeignete Drehmomentmessvorrichtung umfasst - eine als Antriebswelle vorgesehene innere Welle (2), - eine mit der inneren Welle (2) verbundene, diese koaxial umgebende, als Abtriebswelle vorgesehene Hohlwelle (3), wobei die Hohlwelle (3) eine einen Dehnungsmessstreifen (5) umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung aufweist.

Description

Bezeichnung der Erfindung Drehmomentmessvorrichtung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung sowie ein Tretlager, welches mit einer Drehmomentmessvorrichtung ausgerüstet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eine Drehmomentmessvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Eine Drehmomentmessvorrichtung, mit der ein in einer Welle wirkendes Dreh- moment gemessen wird, erfasst üblicherweise eine von dem zu messenden Drehmoment abhängige Torsion der Welle. Die Torsion kann beispielsweise optisch detektiert werden. Eine Drehmomentmessung mit optischen Methoden ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2005 055 949 A1 bekannt. Zur Detektion einer Winkellage einer Welle oder einer Verdrehung zwischen zwei relativ zueinander tordierbaren Bauteilen sind auch magnetische Maßverkörperungen geeignet. Als Stand der Technik ist in diesem Zusammenhang beispielhaft die DE 10 2010 023 355 A1 zu nennen. Ebenso ist es möglich, ein in einer Welle oder Hülse wirkendes Drehmoment über die drehmomentabhängige Veränderung magnetischer Eigenschaften zumindest eines magnetisierten Abschnitts der Welle beziehungsweise der Hülse zu messen. Eine hierauf basierende Messvorrichtung ist zum Beispiel aus der EP 2 365 927 A1 , die ein Tretlager betrifft, bekannt.
Zur Drehmomentmessung sind prinzipiell auch Dehnungsmessstreifen geeig- net, welche an geeigneter Stelle eines durch ein Drehmoment belasteten Bauteils appliziert werden. Die DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Dehnmesstreifenanordnung, bei welchem an der Oberfläche einer Welle eine verformungssensitive Messschicht aufgebracht und anschließend mittels Laser bearbeitet wird.
Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen bei Fahrrädern mit elektrischem Hilfsantrieb ist beispielsweise in der CN201737127U beschrieben. Ein Dehnungsmessstreifen befindet sich in diesem Fall auf einer Torsionshülse.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmessvorrichtung insbesondere hinsichtlich der zuverlässigen Reproduzierbarkeit von Produktei- genschaften in der Massenfertigung gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Drehmomentmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Tretlager nach Anspruch 16, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Drehmomentmessvorrichtung oder dem Tretlager erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt. Die Drehmomentmessvorrichtung umfasst
- eine als Antriebswelle vorgesehene innere Welle, - eine mit der inneren Welle verbundene, diese koaxial umgebende, als Abtriebswelle vorgesehene Hohlwelle, wobei die Hohlwelle eine einen Dehnungsmessstreifen umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung aufweist.
Unter einer Direktbeschichtung wird hierbei eine Beschichtung verstanden, die während ihres Herstellungsprozesses direkt auf einem zu beschichteten Bauteil erzeugt wird. Ein typisches allgemeines Beispiel hierfür ist die Lackierung eines Bauteils: Die Lackschicht wird erst während des Lackierens direkt auf dem zu lackierenden Bauteil erzeugt. Ein Gegenbeispiel, welches nicht unter die Definition einer Direktbeschichtung fällt, ist das Aufkleben einer Folie auf ein Bauteil.
Die Direktbeschichtung, welche insgesamt einen Dehnungsmessstreifen bildet oder zumindest partiell verformungssensitive Eigenschaften aufweist, kann gemäß der DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 erzeugt werden.
Die Hohlwelle, auf welcher der Dehnungsmessstreifen in Form einer Direktbeschichtung erzeugt ist, ist vorzugsweise aus einem metallischen Grundwerk- stoff, insbesondere Stahl, hergestellt, wobei auf dem Grundwerkstoff eine Isolationsschicht aufgebracht ist, auf welcher sich eine verformungssensitive Schicht als Messschicht befindet. Im Vergleich zu einem auf ein tordierbares Teil aufgeklebten Dehnungsmessstreifen zeichnet sich der erfindungsgemäße Aufbau der Drehmomentmessvorrichtung durch eine sehr viel bessere Repro- duzierbarkeit und langfristige Stabilität der messtechnischen Eigenschaften aus. Ein weitere Vorteil ist dadurch gegeben, dass weder die Hohlwelle noch die innere Welle durch Strukturen wie Kerben oder Nuten geschwächt ist. Die Isolationsschicht, auf welcher die zur Drehmomentmessung vorgesehene verformungssensitive Schicht aufgebracht ist, umfasst beispielsweise ein Oxid oder ein Karbid. Geeignete Werkstoffe für die Isolationsschicht sind insbesondere AI2O3 sowie SiO2. Ebenso ist als Isolationsschicht eine amorphe Kohlen- stoffschicht geeignet. Die Isolationsschicht ist beispielsweise im PVD (physical vapour deposition)- oder PACVD (physical assisted chemical vapour depositi- on)-Verfahren herstellbar. Auch die Verwendung von Polymeren zur Herstellung der Isolationsschicht ist möglich. Die Messschicht, welche sich auf der Isolationsschicht befindet, ist beispielsweise durch eine Nickellegierung, insbesondere eine NiCr-Legierung, gebildet und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,05 μιτι bis 1 ,0 μιτι auf.
Auf die Messschicht wird in bevorzugter Ausgestaltung eine organische oder anorganische Schutzschicht aufgebracht. Die Gesamtdicke der verformungssensitiven Direktbeschichtung einschließlich Schutzschicht beträgt vorzugsweise nicht mehr als 20 μιτι.
Zusätzlich zur als Dehnungsmessstreifen fungierenden Direktbeschichtung befindet sich auf der Hohlwelle gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eine Signalübertragungskomponente, welche mit einer weiteren, ortsfesten Signalübertragungskomponente zusammenwirkt. In einer einfachen Ausgestaltung kann es sich bei der Signalübertragungskomponente um einen Schleifring handeln. Alternativ ist eine drahtlose, beispielsweise induktive Signalübertragung zwischen der Hohlwelle und einem nicht rotierenden Bauteil vorgesehen. Zusätzlich zur Signalübertragung ist in beiden Fällen auch eine leitungsgebundene beziehungsweise drahtlose Energieübertragung zwischen der mit der Dreh- momentsensorik ausgerüsteten Hohlwelle und einem umgebenden, nicht rotierenden Bauteil möglich. Die berührungsfreie Signal- und Energieübertragung hat gegenüber der einfacheren, mit schleifenden Kontakten arbeitenden Lösung den prinzipiellen Vorteil fehlenden Verschleißes sowie geringerer Schmutzempfindlichkeit auf. Zudem ist durch die nicht berührende Übertragung von Signalen und Energie ein Vorteil hinsichtlich des bei der Rotation der Einheit aus innerer Welle und Hohlwelle entstehenden Bremsmonnentes gegeben.
Neben einer Signalübertragungskomponente weist die Hohlwelle optional auch einer Signalauswertungskomponente auf. Die für den Betrieb dieser Signalauswertungskomponente benötigte Energie kann ebenfalls entweder über berührende Kontakt oder kontaktlos übertragen werden. In Ausführungsformen, in denen sich keine Signalauswertungskomponente auf der Hohlwelle oder einem mit dieser verbundenen Teil befindet, kann die Signalverarbeitung beispiels- weise in einem Gehäuse der Drehmomentmessvorrichtung oder in einer außerhalb des Gehäuses liegenden externen Auswerteeinheit erfolgen.
Unabhängig davon, wie eine eventuelle Signalauswertungskomponente auf der rotierbaren Hohlwelle oder einem drehfest mit dieser verbundenen Teil ausge- bildet ist, kann auf der inneren Welle oder einem mit dieser drehfest verbundenen Teil eine Komponente einer Drehzahlmessvorrichtung angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung ist besonders für die Verwendung in einem Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb geeignet. Allge- mein ist die Drehmomentmessvorrichtung für alle Anwendungen prädestiniert, bei welchen ein Drehmoment an zwei verschiedenen Stelle in eine Antriebswelle einleitbar ist und das summierte eingeleitete Drehmoment mittels einer einzigen, die Antriebswelle konzentrisch umgebenden Abtriebswelle weitergeleitet wird. Die Drehmomentmessvorrichtung erfasst in jedem solchen Fall zuverläs- sig das summierte, in der Abtriebswelle wirkende Drehmoment.
Das Verfahren zur Herstellung der Drehmomentmessvorrichtung umfasst unabhängig vom technischen Anwendungsgebiet folgende Merkmale: a) eine eine Messschicht zur Drehmomentmessung bereitstellende, einen Dehnungsmessstreifen bildende Beschichtung wird als Direktbeschichtung auf einem Grundwerkstoff einer Hohlwelle aufgebracht, wobei die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens erst nach der Aufbringung der Beschichtung auf die Hohlwelle erfolgt, b) die Hohlwelle wird drehfest mit einer koaxial innerhalb dieser angeordneten inneren Welle verbunden, wobei die innere Welle eine Antriebswelle und die Hohlwelle eine Abtriebswelle bildet.
Der Dehnungsmessstreifen kann hierbei entweder auf der als Einzelteil vorliegenden Hohlwelle erzeugt werden oder erst nach der kompletten Montage der die Hohlwelle sowie die innere Welle umfassenden Baueinheit aufgebracht werden. Das Verfahrensschritt a) kann also vor oder nach dem Verfahrensschritt b) ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, die als Dehnungsmessstreifen fungierende Direktbeschichtung als beliebigen Zwischenschritt während der Fertigung der Drehmomentmessvorrichtung aufzubringen.
Die verformungssensitive Eigenschaften aufweisende, einen Dehnungsmessstreifen bildende Beschichtung kann im PVD- oder PACVD-Verfahren hergestellt werden. Die Strukturierung dieser Beschichtung erfolgt vorzugsweise per Laser, wie in der DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 beschrieben.
Der per Laser bearbeitete Dehnungsmessstreifen weist in vorteilhafter Ausgestaltung eine Streifenstruktur auf, wobei die einzelnen Streifen jeweils einen Abschnitt einer um die Rotationsachse der Hohlwelle verlaufenden Schraubenlinie beschreiben, welche zur Rotationsachse um 30° bis 60°, vorzugsweise um 45°, schräg gestellt ist. Alternativ zur Laserbearbeitung der verformungssensitiven Schicht ist auch eine photolitographische Bearbeitung möglich. In jedem Fall wird dabei direkt eine Schicht bearbeitet, die nicht in einer Ebene angeordnet ist, sondern eine räumliche Struktur darstellt. Die Anordnung der verformungssensitiven Strukturen an der Oberfläche der Hohlwelle erfolgt vor- zugsweise in Vollbrückenanordnung. In durch die genannte 45°- Mäanderstruktur entstehenden, nicht zum Messen des Drehmoments genutzten Bereichen der Oberfläche der Direktbeschichtung sind Kontaktpads platzierbar. Die Kontaktierungsstellen können ebenso wie die übrigen Bereiche der zur Drehmomentmessung sowie gegebenenfalls zur Signalverarbeitung ausgebildeten Oberflächenbereiche mit einer Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Einschließlich der gesamten Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Energie- und Signalübertragungstechnik ist die gesamte Drehmo- mentmessvorrichtung äußerst platzsparend aufgebaut. Komponenten der E- nergie- und Signalübertragungstechnik, welche außerhalb der Drehmomentmessvorrichtung angeordnet sind, befinden sich vorzugsweise in ebenfalls raumsparender Anordnung in einem die Drehmomentmessvorrichtung unmittelbar umgebenden, im Wesentlichen hülsenförmigen Bauteil.
Bei der Verwendung der Drehmomentmessvorrichtung in einem Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb sind sämtliche Komponenten der Drehmoment- und Drehzahlsensorik in den Rahmen, innerhalb des Einbauraums des Tretlagers, integrierbar. Durch die Drehmoment- und Drehzahlmessung kann eine Leis- tungsmesssystem bereitgestellt werden, mit welchem auch im semiprofessionellen Bereich die Leistung des Radfahrers ermittel- und anzeigbar ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen in teilweise vereinfachter Darstellung:
Kurze Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 ein Tretlager mit einer Drehmomentmessvorrichtung,
Fig. 2 ein Detail des Tretlagers nach Fig. 1 .
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein in Fig. 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Tretlager weist eine Welle 2 auf, die durch zwei Wälzlager 15,16, nämlich Kugellager, rotierbar im Rahmen eines nicht weiter dargestellten Fahrrads mit elektrischem Hilfsantrieb gelagert ist. An beiden Enden der Welle 2 ist jeweils eine nicht dargestellte Tretkurbel befestigt. Die Welle 2 ist hohl und wird auch als innere Welle bezeichnet. Mit der inneren Welle 2 ist eine Hohlwelle 3, welche die Welle 2 konzentrisch umgibt, einseitig fest verbunden. Im nicht mit der inneren Welle 2 verbundenen Abschnitt der Hohlwelle 3 ist diese von der Welle 2 beabstandet, so dass ein Ringspalt zwischen der inneren Welle 2 und der Hohlwelle 3 gebildet ist. Auf der in der Anordnung nach Fig. 1 rechten Seite der Hohlwelle 3 ist diese in nicht dargestellter Weise drehfest, direkt oder indirekt, mit einem Kettenblattträger des Fahrrads verbunden. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Tretlagers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik, insbesondere auf die EP 2 365 927 A1 , verwiesen.
Die Hohlwelle 3 fungiert in Zusammenwirkung mit der inneren Welle 2 als Drehmomentmessvorrichtung 4, welche im Folgenden, auch anhand Fig. 2, beschrieben ist: Auf der Außenoberfläche der Hohlwelle 3 befindet sich ein als Direktbeschich- tung hergestellter Dehnungsmessstreifen 5. Da das gesamte über die Tretkurbeln auf beiden Seiten der inneren Welle 2 in dieses eingeleitete Drehmoment über die Hohlwelle 3 zum Kettenblatträger geleitet wird, zeigt die Torsion der Hohlwelle 3 exakt die Summe des auf die innere Welle 2 vom Fahrer aufge- brachten Drehmoments an.
Zusätzlich zum Dehnungsmessstreifen 5 befindet sich auf der Hohlwelle 3 eine erste Signal- und Energieübertragungskomponente 6. Eine mit dieser zusammenwirkende zweite Signal- und Energieübertragungskomponente 7 ist, die Hohlwelle 3 konzentrisch umgebend, in einem im Wesentlichen hülsenförmigen Sensorgehäuse 8 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dienen die Signal- und Energieübertragungskomponenten 6,7 der induktiven Energie- und Signalübertragung zwischen der rotierenden, die innere Welle 2 sowie die Hohlwelle 3 umfassenden Baueinheit und dem starr im Fahrradrahmen angeordneten Sensorgehäuse 8. Am Sensorgehäuse 8 ist auch ein Sensoran- schluss 9 erkennbar. Ein an diesen Sensoranschluss 9 angeschlossenes Kabel verläuft typischerweise innerhalb eines Rahmenrohrs des Fahrrads. Weiter ist in Fig. 1 eine Drehzahlmesskomponente 10 erkennbar, welche auf der inneren Welle 2 befestigt ist und mit einer weiteren, rahmenfesten Drehzahlmesskomponente zusammenwirkt.
Der als Direktbeschichtung auf der Hohlwelle 3 hergestellte Dehnungsmess- streifen 5 umfasst eine direkt auf dem Grundwerkstoff, nämlich Stahl, der Hohlwelle 3 erzeugte Isolationsschicht 1 1 , eine auf dieser direkt erzeugte, per Laser strukturierte, die eigentliche verformungssensitive Schicht darstellende Messschicht 12, sowie eine die Messschicht 12 sowie Kontaktierungsstellen gegen Umwelteinflüsse abschirmende Schutzschicht 13.
Hinsichtlich der Strukturierung des Dehnungsmessstreifens 5 wird auf Fig. 2 verwiesen, in der auch eine Verzahnung 14 erkennbar ist, welche der Anbin- dung des Kettenblattträgers an der Hohlwelle 3 dient. Der Dehnungsmessstreifen 5 liegt insgesamt auf einer zylindrischen Oberfläche, nämlich der Oberflä- che der Hohlwelle 3 und wird während der Herstellung der Drehmomentmessvorrichtung 4 auf dieser Oberfläche erzeugt. Im Unterschied zum Stand der Technik, der das Aufkleben eines ursprünglich in einer Ebene gefertigten Dehnungsmessstreifens auf eine Welle oder ein sonstiges gekrümmtes Bauteil vorsieht, wird also nach der Erfindung unmittelbar eine dreidimensionale ver- formungssensitive Struktur, nämlich der als Direktbeschichtung ausgebildete Dehnungsmessstreifen 5 erzeugt. Diese Erzeugung schließt das Aufbringen der verformungssensitiven Schicht per PVD- oder PACVD-Verfahren sowie die anschließende Laserstrukturierung der Schicht ein. Bezugszeichenliste
1 Tretlager
2 innere Welle
3 Hohlwelle
4 Drehmomentmessvorrichtung
5 Dehnungsmessstreifen
6 erste Signal- und Energieübertragungskomponente
7 zweite Signal- und Energieübertragungskomponente
8 Sensorgehäuse
9 Sensoranschluss
10 Drehzahlmesskomponente
1 1 Isolationsschicht
12 Messschicht
13 Schutzschicht
14 Verzahnung
15 Wälzlager
16 Wälzlager

Claims

Patentansprüche
1 . Drehmonnentnnessvornchtung (4), umfassend
- eine als Antriebswelle vorgesehene innere Welle (2),
- eine mit der inneren Welle (2) verbundene, diese koaxial umgebende, als Abtriebswelle vorgesehene Hohlwelle (3),
wobei die Hohlwelle (3) eine einen Dehnungsmessstreifen (5) umfassende Di- rektbeschichtung zur Drehmomentmessung aufweist.
2. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (3) einen metallischen Grundwerkstoff, eine hierauf aufgebrachte Isolationsschicht (1 1 ), sowie eine auf dieser aufgebrachte, den Dehnungsmessstreifen (5) bildende Messschicht (12) aufweist.
3. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (1 1 ) ein Oxid umfasst.
4. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (1 1 ) ein Karbid umfasst.
5. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (1 1 ) amorphen Kohlenstoff umfasst.
6. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (1 1 ) ein Polymer umfasst.
7. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (12) mindestens 0,05 μιτι und höchstens 1 ,0 μιτι dick ist.
8. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (12) aus einer NiCr-Legierung gebildet ist.
9. Drehmonnentnnessvornchtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Messschicht (12) eine Schutzschicht (13) aufgetragen ist.
10. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Direktbeschichtung maximal 20 μιτι beträgt.
1 1 . Drehmomentmessvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine auf der Hohlwelle (3) angeordnete Signalübertragungskomponente (6).
12. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Signalübertragungskomponente ein Schleifring vorgesehen ist.
13. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragungskomponente (6) zur drahtlosen Signalübertragung ausgebildet ist.
14. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine auf der Hohlwelle (6) angeordnete Signalauswertungskomponente.
15. Drehmomentmessvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine auf der inneren Welle (2) angeordnete Drehzahlmesskomponente (10).
16. Tretlager, umfassend eine Drehmomentmessvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Verfahren zur Herstellung einer Drehmomentmessvorrichtung (4), mit folgenden Merkmalen: - eine eine Messschicht (12) zur Drehmomentmessung bereitstellende, einen Dehnungsmessstreifen (5) bildende Beschichtung wird als Direktbeschichtung auf einem Grundwerkstoff einer Hohlwelle (3) aufgebracht, wobei die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens (5) erst nach der Aufbringung der Be- Schichtung auf die Hohlwelle (3) erfolgt,
- die Hohlwelle (3) wird drehfest mit einer koaxial innerhalb dieser angeordneten inneren Welle (2) verbunden, wobei die innere Welle (2) eine Antriebswelle und die Hohlwelle (3) eine Abtriebswelle bildet.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens (5) durch Laserbearbeitung erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens (5) photolitographisch erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Direktbeschichtung zunächst eine Isolationsschicht (1 1 ) auf dem Grundwerkstoff der Hohlwelle (3) und anschließend die Messschicht (12) auf der Isolationsschicht (1 1 ) erzeugt wird.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten Isolationsschicht (1 1 ) und Messschicht (12) mit einem PVD oder PACVD-Verfahren erzeugt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass auf die Messschicht (12) eine organische oder anorganische Schutzschicht (13) aufgetragen wird.
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