WO2016078981A1

WO2016078981A1 - Erfassung von kräften und drehmomenten an einer antriebsvorrichtung

Info

Publication number: WO2016078981A1
Application number: PCT/EP2015/076301
Authority: WO
Inventors: Marcus Gutzmer; Uwe Krause; Markus Reinhard; Dirk Scheibner; Jürgen SCHIMMER; Jürgen ZETTNER
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2016-05-26
Also published as: DE102014223816A1; EP3207347A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (3) zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung (1). Die Messvorrichtung (3) umfasst ein um eine Drehachse (9) rotierbares Kraftübertragungselement (23), das von der Antriebsvorrichtung (1) antreibbar ist und wenigstens zwei Segmente (30, 31, 32) aufweist, die mittels wenigstens eines elastisch verformbaren Verbindungselements (40) elastisch miteinander verbunden sind. Ferner umfasst die Messvorrichtung (3) eine Sensorvorrichtung (25) zur Erfassung von Lageänderungen der Segmente (30, 31, 32) relativ zueinander und eine Auswerteeinheit (27) zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung (1) anhand von mittels der Sensorvorrichtung (25) erfasster Messdaten.

Description

Beschreibung

Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung mit einer derartigen Messvorrichtung. Unter Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung werden hier Kräfte und Drehmomente verstanden, die auf die Antriebsvorrichtung wirken oder von der Antriebsvorrichtung ausgeübt werden.

Derartige Kräfte und Drehmomente stellen wichtige Messgrößen an Antriebsvorrichtungen dar. Dies gilt insbesondere für Antriebsvorrichtungen von Riemengetrieben, beispielsweise von Schiebetüren. Die Erfassung von Kräften und Drehmomenten an derartigen Antriebsvorrichtungen kann für die Installation eines Riemens, die Zustandsüberwachung und die Erkennung sicherheitskritischer Zustände genutzt werden.

Für die Messung von Drehmomenten an Antriebsvorrichtungen sind verschiedene Verfahren bekannt. Dazu zählt z. B. eine indirekte Messung durch Auswertung eines Motorstroms. Eine derartige Messung ist jedoch relativ ungenau.

Weiterhin kann das Drehmoment durch eine Messung und Auswertung einer Torsion der Motorwelle ermittelt werden. Dabei wird z. B. mittels zweier Drehgeber eine Differenz von Torsi- onswinkeln an voneinander beabstandeten Orten entlang der Motorwelle gemessen. Diese Methode ist jedoch kostspielig und erfordert relativ viel Platz, der nicht immer verfügbar ist.

Kräfte und Drehmomente an einem Motor können auch als Lager- reaktionen am Stator des Motors bzw. an einer Aufhängung des Motors gemessen werden. Zur Messung von Drehmomenten ist dazu das Prinzip der Pendelmaschine bekannt. Dabei wird der Stator des Motors drehbar gelagert und ein von ihm erzeugtes Drehmo- ment wird mittels einer Kraftmessdose gemessen. Außerdem sind feststehende Messflansche zur Drehmomentmessung bekannt, die zwischen einem Motor und einer Motorhalterung montiert werden. Diese Messflansche beruhen auf der Auswertung von Deh- nungsmesstreifen auf einem definierten Verformkörper . Ein derartiger Messflansch muss mehrere Zentimeter lang sein, damit eine ausreichend große Verformung eintritt. Solche Mess^¬ vorrichtungen lassen sich aufgrund ihrer Abmessungen und Kosten nur bedingt in Antriebsvorrichtungen wie Antriebsvorrich- tungen von Riemengetrieben, insbesondere Kleinantrieben von Türen, integrieren.

Weiterhin messen die bekannten Verfahren in der Regel nur Drehmomente, aber keine Radialkräfte. Die Radialkraft ist bei Riemenantrieben jedoch als Maß für die Riemenspannung von besonderem Interesse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung, insbesondere an einer Antriebsvorrichtung eines Riemengetriebes, anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An^¬ spruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Erfassung von Kräf- ten und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung umfasst ein um eine Drehachse rotierbares Kraftübertragungselement, das von der Antriebsvorrichtung antreibbar ist und wenigstens zwei Segmente aufweist, die mittels wenigstens eines elas^¬ tisch verformbaren Verbindungselements elastisch miteinander verbunden sind. Ferner umfasst die Messvorrichtung eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Lageänderungen der Segmente relativ zueinander und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung anhand von mittels der Sensorvorrichtung erfasster Messdaten.

Die Erfindung nutzt aus, dass Kräfte und Drehmomente an einer Antriebsvorrichtung immer auch Verformungen eines von der Antriebsvorrichtung angetriebenen Kraftübertragungselements bewirken, wenn dieses belastet ist. Diese Verformungen sind je^¬ doch normalerweise extrem klein und deshalb nur mit unver^¬ hältnismäßig großem Aufwand detektierbar . Die Erfindung sieht daher ein Kraftübertragungselement vor, das aus mehreren Seg^¬ menten besteht, die miteinander elastisch verbunden sind. Die elastische Verbindung der Segmente führt vorteilhaft zu einer deutlich größeren Verformung des Kraftübertragungselements, die auf einfache und kostengünstige Weise erfassbar und zur Ermittlung der Kräfte und Drehmomente an einer Antriebsvorrichtung auswertbar ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Verbindungselement als eine elastisch verformbare Zwi- schenschicht zwischen zwei Segmenten ausgebildet ist, die mit beiden Segmenten verbunden ist. Beispielsweise eignet sich eine aus einem Polyurethan gefertigte Zwischenschicht.

Alternativ oder zusätzlich ist wenigstens ein Verbindungsele- ment als eine metallische Federstruktur ausgebildet, die mit zwei Segmenten verbunden ist.

Diese Ausgestaltungen sind kostengünstig realisierbar und ermöglichen eine hohe Elastizität der Verbindungselemente, die wiederum vorteilhaft große und daher leicht messbare Lageän^¬ derungen der Segmente relativ zueinander als Reaktionen auf Kräfte und Drehmomente an der Antriebsvorrichtung zur Folge hat . Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Segmente ring^¬ artig ausgebildet und in einem unbelasteten Zustand des Kraf^¬ tübertragungselements konzentrisch um die Drehachse angeord^¬ net sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist konstruktiv besonders einfach und effektiv, da sich durch die Lageänderung bereits nur zweier ringartiger Segmente Kräfte und Drehmomente an ei^¬ ner Antriebsvorrichtung erfassen und voneinander unterschei- den lassen, wie unten anhand von Ausführungsbeispielen dargelegt wird.

Vorzugsweise sind dabei zur Drehachse senkrechte Quer^¬ schnittsflächen der Segmente jeweils im Wesentlichen kreis- ringförmig ausgebildet und ein Außendurchmesser der

Querschnittsfläche eines ersten Segments ist kleiner als ein Innendurchmesser der Querschnittsfläche eines zweiten Seg^¬ ments, so dass das zweite Segment um das erste Segment herum verläuft und von dem ersten Segment bezüglich der Drehachse radial beabstandet ist.

Dies ermöglicht eine geometrisch besonders einfache Konstruk^¬ tion insbesondere eines zweiteiligen Kraftübertragungsele^¬ ments aus zwei konzentrischen ringförmigen Segmenten sowie eine einfache Erfassung deren relativer Lageänderungen sowohl bei seitlichen Kräften als auch bei axialen Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung, da die Lageänderungen für beiden Segmente in einer gemeinsamen zur Drehachse senkrechten Ebene erfasst werden können.

Ferner weist eine zur Drehachse senkrechte Außenoberfläche des Kraftübertragungselements vorzugsweise ein Oberflächen^¬ muster auf, das aus einem ersten Teilmuster auf einer Außenoberfläche eines ersten Segments und einem zweiten Teilmuster auf einer Außenoberfläche eines zweiten Segments besteht und derart ausgebildet ist, dass eine Lageänderung der Segmente relativ zueinander aus einer daraus resultierenden Lageänderung der Teilmuster relativ zueinander ermittelbar ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine einfache Erfassung der Lageänderungen der Segmente relativ zueinander durch eine Erfassung der Lageänderungen der Teilmuster relativ zueinander. Vorzugsweise umfasst die Sensorvorrichtung dabei erste Senso^¬ ren, die jeweils einem ersten Erfassungsgebiet im Bereich des ersten Teilmusters zugeordnet sind, und zweite Sensoren, die jeweils einem zweiten Erfassungsgebiet im Bereich des zweiten Teilmusters zugeordnet sind, und jeder Sensor ist dazu ausge^¬ bildet, in dem Erfassungsgebiet, dem er zugeordnet ist, das Oberflächenmuster berührungslos zu erfassen.

Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Erfassung der Lageänderungen von Teilmustern relativ zueinander durch eine Messung von Zeitdifferenzen, mit denen definierte Elemente verschiedener Teilmuster jeweils ein Erfassungsgebiet passieren, dem ein Sensor der Sensorvorrichtung zugeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da diese Zeitdifferenzen einfach und mit guter Messgenauigkeit erfassbar sind. Die berührungs^¬ lose Erfassung des Oberflächenmusters ermöglicht ferner vor^¬ teilhaft eine reibungsfreie und verschleißarme Erfassung der Lageveränderungen . Eine weitere Ausgestaltung sieht vor,

- dass das Oberflächenmuster ein optisch erfassbares Muster ist und die Sensoren optische Sensoren zur Erfassung des Oberflächenmusters in den Erfassungsgebieten sind,

- oder dass das Oberflächenmuster ein Oberflächenprofil ist und die Sensoren Abstandssensoren zur Erfassung jeweils eines Abstands einer sich in einem Erfassungsgebiet befinden^¬ den Oberfläche von einem dem Erfassungsgebiet zugeordneten Abstandssensor sind,

- oder dass das Oberflächenmuster eine magnetische Struktur ist und die Sensoren Magnetfeldsensoren zur Erfassung von

Magnetfeldern in den Erfassungsgebieten sind,

- oder dass das Oberflächenmuster eine kapazitive Struktur ist und die Sensoren kapazitive Sensoren zur Erfassung von Kapazitäten von Kondensatoren, die jeweils von einer sich in einem Erfassungsgebiet befindenden Oberfläche und einer

Messelektrode eines dem Erfassungsgebiet zugeordneten kapa^¬ zitiven Sensors gebildet werden, sind, - oder dass das Oberflächenmuster eine elektrische leitfähige Struktur ist und die Sensoren induktive Sensoren zur Erfassung elektrisch leitfähiger Strukturen in den Erfassungsgebieten sind.

Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Verwendung kommerziell verfügbarer Sensoren und damit eine kostengünstige Realisierung der Sensorvorrichtung. Eine zu der oben genannten Ausgestaltung mit ringartigen Segmenten alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kraftübertragungselement mehrere Segmente aufweist, die jeweils als ein Zylindersektor ausgebildet sind, der in zu der Drehachse senkrechten Ebenen einen im Wesentlichen kreissektorförmigen Querschnitt aufweist. Dabei sind jeweils zwei benachbarte Segmente mittels eines elastisch verformba^¬ ren Verbindungselements elastisch miteinander verbunden.

Auch diese alternative Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht vorteilhaft relativ große Verformungen des Kraftübertragungs^¬ elements durch dessen Aufbau aus elastisch miteinander verbundenen Segmenten.

Dabei weist die Sensorvorrichtung vorzugsweise Sensoren auf, die dazu ausgebildet sind, Segmentabstände benachbarter Seg^¬ mente zu erfassen.

Dies nutzt vorteilhaft aus, dass Drehmomente und Kräfte an der Antriebsvorrichtung die Segmentabstände benachbarter Seg- mente verändern bis die elastische Verformung der Verbindungselemente die Drehmomente und Kräfte kompensiert. Daher können die Drehmomente und Kräfte aus den Segmentabständen ermittelt werden. Eine Weitergestaltung der vorgenannten Ausgestaltung sieht von dem Kraftübertragungselement beabstandete Sensoren zur berührungslosen Erfassung von Segmentabständen benachbarter Segmente vor. Die berührungslose Erfassung des Segmentabstände ermöglicht vorteilhaft eine reibungsfreie und verschleißarme Erfassung der Segmentabstände. Auch diese Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft mit kommerziell verfügbaren optischen, in- duktiven oder kapazitiven Sensoren oder Magnetfeldsensoren realisiert werden, indem die Segmente mit entsprechenden, von den jeweiligen Sensoren erfassbaren Strukturen versehen werden . Zusätzlich oder alternativ zur vorgenannten Weitergestaltung der Erfindung können Sensoren zur berührungslosen Erfassung von Segmentabständen benachbarter Segmente auch direkt an dem Kraftübertragungselement angeordnet werden. Beispielsweise weist dabei jedes Segment eine Elektrode auf, die mit einer Elektrode eines benachbarten Segments einen Kondensator bil^¬ det, dessen Kapazität von dem Segmentabstand der beiden Seg^¬ mente abhängt und mittels eines als ein kapazitiver Sensor ausgebildeten Sensors erfasst wird. Diese Ausgestaltungen der Erfindungen können vorteilhaft durch die Anordnung von Sensoren an dem Kraftübertragungselement den Bauraumbedarf der Sensorvorrichtung verringern.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst eine erfin- dungsgemäße Messvorrichtung mit den oben genannten Vorteilen.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 eine Seitenansicht einer Antriebsvorrichtung mit einer Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und

Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung, ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur

Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung mit zwei ringartigen Segmenten in einer Ansicht von vorn, die in FIG 2 dargestellte Messvorrichtung bei einem einwirkenden axialen Drehmoment, einen Versatz von Streifen verschiedener Streifen- paare des Oberflächenmusters der in FIG 2 darge^¬ stellten Messvorrichtung bei einem einwirkenden axialen Drehmoment, die in FIG 2 dargestellte Messvorrichtung bei einer seitlich einwirkenden Kraft, einen Versatz von Streifen verschiedener Streifenpaare des Oberflächenmusters der in FIG 2 darge^¬ stellten Messvorrichtung bei einer seitlich einwir- kenden Kraft, ein Kraftübertragungselement mit einem zwei Kreis^¬ ringspuren aufweisenden Oberflächenmuster schematisch in einer Ansicht von vorn, eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des in FIG 7 dargestellten Kraftübertragungsele^¬ ments, ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur

Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung mit mehreren als Zylindersektoren ausgebildeten Segmenten bei einem einwirkenden axialen Drehmoment in einer Ansicht von vorn, Segmentabstände benachbarter Segmente des Kraftü^¬ bertragungselements der in FIG 9 dargestellten Messvorrichtung bei einem einwirkenden axialen Drehmoment,

FIG 11 die in FIG 9 dargestellte Messvorrichtung bei einer seitlich einwirkenden Kraft,

FIG 12 Segmentabstände benachbarter Segmente des Kraftü^¬ bertragungselements der in FIG 9 dargestellten Messvorrichtung bei einer seitlich einwirkenden

Kraft .

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. FIG 1 zeigt eine Seitenansicht einer Antriebsvorrichtung 1 mit einer Messvorrichtung 3 zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung 1.

Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst einen Motor 5 mit einer Mo- torwelle 7, die um eine Drehachse 9 drehbar ist, und einen

Motorflansch 11, über den die Antriebsvorrichtung 1 an einem Halterungsobjekt 13, beispielsweise an einer Wand, befestigt ist. Die Drehachse 9 der Motorwelle 7 definiert eine axiale Richtung. Zwischen dem Motorflansch 11 und dem Halterungsob- jekt 13 sind ein Dämpfungselement 15 und eine Abstandsplat^¬ te 17 angeordnet. Das Dämpfungselement 15 ist mittels mehre^¬ rer erster Befestigungselemente 19, die beispielsweise als Schraubelemente ausgebildet sind, an dem Motorflansch 11 be^¬ festigt. Ferner sind das Dämpfungselement 15 und die Ab- standsplatte 17 mittels mehrerer zweiter Befestigungselemente 21, die ebenfalls beispielsweise als Schraubelemente aus^¬ gebildet sind, an dem Halterungsobjekt 13 befestigt.

Die Messvorrichtung 3 umfasst ein um die Drehachse 9 rotier- bares Kraftübertragungselement 23, das an der Motorwelle 7 angeordnet und mittels dieser von der Antriebsvorrichtung 1 antreibbar ist. Ferner umfasst die Messvorrichtung 3 eine Sensorvorrichtung 25 mit Sensoren 25.1, 25.2 und eine Auswer- teeinheit 27 zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung 1. Ausführungsbeispiele von Messvorrichtungen 3 werden unten anhand weiterer Figuren beschreiben .

FIG 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrich^¬ tung 3 zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung 1 für ein Riemengetriebe in einer Ansicht von vorn, d. h. in einer Ansicht auf eine zur Drehachse 9 senkrechte Stirnseite 28 des Kraftübertragungselements 23. Das Kraftübertragungselement 23 ist als eine Riemenscheibe des Riemengetriebes ausgebildet, über die ein Riemen 29 des Riemengetriebes geführt wird. Das Kraftübertragungselement 23 umfasst zwei ringartig ausge^¬ bildete und in einem unbelasteten Zustand des Kraftübertra^¬ gungselements 23 konzentrisch um die Drehachse 9 angeordnete Segmente 30, 31. Ferner umfasst das Kraftübertragungselement 23 ein elastisch verformbares Verbindungselement 40, das die Segmente 30, 31 beweglich und elastisch miteinander verbindet. Zur Drehachse 9 senkrechte Querschnittsflächen der Seg^¬ mente 30, 31 sind jeweils im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet, wobei ein Außendurchmesser der

Querschnittsfläche eines ersten Segments 30 kleiner als ein Innendurchmesser der Querschnittsfläche des zweiten Seg^¬ ments 31 ist, so dass das zweite Segment 31 um das erste Seg^¬ ment 30 herum verläuft und von dem ersten Segment 30 bezüg^¬ lich der Drehachse 9 radial beabstandet ist. Das erste Seg^¬ ment 30 ist an der Motorwelle 7 befestigt.

Das Verbindungselement 40 ist zwischen einer dem zweiten Seg^¬ ment 31 zugewandten Außenoberfläche des ersten Segments 30 und einer dem ersten Segment 30 zugeordneten Innenoberfläche des zweiten Segments 31 angeordnet und mit den beiden Segmen- ten 30, 31 verbunden.

Beispielsweise ist das Verbindungselement 40 als elastisch verformbare, ringförmige Zwischenschicht zwischen den Segmen- ten 30, 31 ausgebildet, die z. B. aus einem Polyurethan ge^¬ fertigt ist. Alternativ kann das Verbindungselement 40 bei^¬ spielsweise als eine metallische Federstruktur ausgebildet sein .

Die Stirnseite 28 des Kraftübertragungselements 23 weist ein Oberflächenmuster 42 auf, das aus einem ersten Teilmuster 43 auf einer stirnseitigen Außenoberfläche des ersten Segments 30 und einem zweiten Teilmuster 44 auf einer stirnseitigen Außenoberfläche des zweiten Segments 31 besteht. Das Oberflä^¬ chenmuster 42 ist derart ausgebildet, dass eine Lageänderung der Segmente 30, 31 relativ zueinander aus einer daraus re^¬ sultierenden Lageänderung der Teilmuster 43, 44 relativ zueinander ermittelbar ist.

Die Sensorvorrichtung 25 ist zur berührungslosen Erfassung einer Lage der Teilmuster 43, 44 relativ zueinander ausgebildet und von dem Kraftübertragungselement 23 beabstandet ange^¬ ordnet. Dazu umfasst die Sensorvorrichtung 25 erste Sensoren 25.1, die jeweils einem ersten Erfassungsgebiet 51 im Bereich des ersten Teilmusters 43 zugeordnet sind, und zweite Senso^¬ ren 25.2, die jeweils einem zweiten Erfassungsgebiet 52 im Bereich des zweiten Teilmusters 44 zugeordnet sind. Jeder Sensor 25.1, 25.2 ist dazu ausgebildet, in dem Erfassungsge- biet 51, 52, dem er zugeordnet ist, das Oberflächenmuster 42 zu erfassen.

Beispielsweise ist das Oberflächenmuster 42 ein optisch erfassbares Muster. Dabei ist das Oberflächenmuster 42 z. B. ein grafisches Muster und die Sensorvorrichtung 25 umfasst als Kameras ausgebildete Sensoren 25.1, 25.2 zur Aufnahme von Bildern der Erfassungsgebiete 51, 52. Oder das Oberflächenmuster 42 ist z. B. ein Licht reflektierendes Muster und die Sensorvorrichtung 25 umfasst Lichtquellen zur Beleuchtung der Erfassungsgebiete 51, 52 und optische Sensoren 25.1, 25.2 zur Erfassung reflektierten Lichts. Alternativ ist das Oberflächenmuster 42 ein Oberflächenprofil (Höhenprofil) und die Sensorvorrichtung 25 umfasst als Ab^¬ standssensoren ausgebildete Sensoren 25.1, 25.2 zur Erfassung jeweils eines Abstands einer sich in einem Erfassungsgebiet 51, 52 befindenden Oberfläche von einem dem Erfassungsgebiet 51, 52 zugeordneten Abstandssensor.

Alternativ ist das Oberflächenmuster 42 eine magnetische Struktur und die Sensorvorrichtung 25 umfasst als Magnetfeld- sensoren ausgebildete Sensoren 25.1, 25.2 zur Erfassung von Magnetfeldern in den Erfassungsgebieten 51, 52.

Alternativ ist das Oberflächenmuster 42 eine elektrische leitfähige Struktur und die Sensorvorrichtung 25 umfasst als induktive Sensoren ausgebildete Sensoren 25.1, 25.2 zur Er^¬ fassungen elektrisch leitfähiger Strukturen in den Erfassungsgebieten 51, 52.

Alternativ ist das Oberflächenmuster 42 eine kapazitive

Struktur und die Sensorvorrichtung 25 umfasst als kapazitive Sensoren ausgebildete Sensoren 25.1, 25.2 zur Erfassung von Kapazitäten von Kondensatoren, die jeweils von einer sich in einem Erfassungsgebiet 51, 52 befindenden Oberfläche und ei^¬ ner Messelektrode eines dem Erfassungsgebiet 51, 52 zugeord- neten kapazitiven Sensors gebildet werden.

In dem in FIG 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Oberflächenmuster 42 ein Streifenmuster, das aus mehreren Streifenpaaren 45 von Streifen 46, 47 besteht, von denen ein erster Streifen 46 auf der stirnseitigen Außenoberfläche des ersten Segments 30 verläuft und der zweite Streifen 47 auf der stirnseitigen Außenoberfläche des zweiten Segments 31 verläuft. Dabei verlaufen beide Streifen 46, 47 eines jeden Streifenpaares 45 im unbelasteten Zustand des Kraftübertra- gungselements 23 entlang einer von der Drehachse 9 ausgehen^¬ den Halbgerade. Die ersten Streifen 46 bilden das erste Teil^¬ muster 43 und die zweiten Streifen 47 bilden das zweite Teilmuster 44 des Oberflächenmusters 42. Alternativ kann das Oberflächenmuster 42 auch beispielsweise durch um die Drehachse 9 verlaufende Kreisringspuren 61, 62 gebildet sein, siehe FIG 7 und FIG 8. Im in FIG 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier erste Erfassungsgebiete 51 und vier zweite Erfassungsgebiete 52 je^¬ weils symmetrisch um die Drehachse 9 herum verteilt, wobei jeweils ein erstes Erfassungsgebiet 51 und ein zweites Erfas^¬ sungsgebiet 52 auf einer von der Drehachse 9 ausgehenden Halbgerade liegen.

FIG 3 zeigt die in FIG 2 dargestellte Messvorrichtung 3 bei einem einwirkenden axialen Drehmoment, das von einem durch die Pfeile angedeuteten Zug des Riemens 29 bewirkt wird.

Durch das Drehmoment werden die Segmente 30, 31 relativ zuei^¬ nander soweit gedreht, bis das Drehmoment durch die elasti^¬ sche Verformung des Verbindungselements 40 kompensiert wird. Die Drehung der Segmente 30, 31 relativ zueinander führt zu einem Versatz der beiden Streifen 46, 47 jedes Streifenpaa- res 45 um einen Versatzwinkel δ relativ zueinander, der bei einer reinen Drehung der Segmente 30, 31 relativ zueinander für alle Streifenpaare 45 gleich groß ist. Dieser Versatzwin^¬ kel δ wird vorzugsweise durch eine Messung einer Zeitdiffe^¬ renz ermittelt, mit der die beiden Streifen 46, 47 eines Streifenpaares 45 zwei Erfassungsgebiete 51, 52 passieren, die auf einer von der Drehachse 9 ausgehenden Halbgerade lie^¬ gen, da sich der Versatzwinkel δ einfach aus der Multiplika^¬ tion dieser Zeitdifferenz mit der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Kraftübertragungselements 23 ergibt

FIG 4 zeigt diesen Versatzwinkel δ der Streifen 46, 47 von vier Streifenpaaren 45, die entlang des Umfangs des Kraftü^¬ bertragungselements 23 in Abständen von 90 Grad aufeinander folgen und mit einem Index i entlang dieses Umfangs numme- riert sind.

FIG 5 zeigt die in FIG 2 dargestellte Messvorrichtung 3 bei einer seitlich einwirkenden Kraft, die von einem durch die Pfeile angedeuteten Zug des Riemens 29 bewirkt wird. Durch die Kraft werden die Segmente 30, 31 relativ zueinander so^¬ weit seitlich verschoben, bis die Kraft durch die elastische Verformung des Verbindungselements 40 kompensiert wird. Diese Verschiebung bewirkt eine entsprechende Verschiebung Δ der beiden Streifen 46, 47 jedes Streifenpaares 45. Diese Ver^¬ schiebung Δ bewirkt einen Versatzwinkel δ der beiden Strei^¬ fen 46, 47 relativ zueinander, der von der Richtung der

Streifen 46, 47 relativ zu der Richtung der Verschiebung Δ abhängt. Dabei ist der Versatzwinkel δ beispielsweise durch den Winkel zwischen dem ersten Streifen 46 und einer Gerade durch die Drehachse 9 und das äußere (umfangsseitige) Ende des zweiten Streifens 47 des jeweiligen Streifenpaares 45 de^¬ finiert .

FIG 6 zeigt diesen Versatzwinkel δ der Streifen 46, 47 von vier Streifenpaaren 45 analog zu FIG 4, wobei der Indexwert i=l dasjenige Streifenpaar 45 bezeichnet, das in Figur 5 von der Drehachse 9 horizontal nach links verläuft, und die In- dexwerte im Uhrzeigersinn zunehmen.

Ein Vergleich der Figuren 4 und 6 zeigt, dass die Erfassung von Messsignalen für mehrere Streifenpaare 45 es ermöglicht, Drehungen und Verschiebungen der Segmente 30, 31 relativ zu- einander und damit Drehmomente und zur Drehachse 9 senkrechte Kräfte an der Antriebsvorrichtung voneinander zu unterscheiden .

Die Figuren 7 und 8 zeigen ein Kraftübertragungselement 23 einer Messvorrichtung 3, das sich von dem Kraftübertragungselement 23 des in FIG 2 dargestellten Ausführungsbeispiels durch das Oberflächenmuster 42 unterscheidet und ansonsten analog zu dem in FIG 2 dargestellten Kraftübertragungsele^¬ ment 23 ausgebildet ist. Dabei zeigt FIG 7 schematisch eine Ansicht des Kraftübertragungselements 23 von vorn und FIG 8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des Kraftübertragungselements 23. Das Oberflächenmuster 42 weist statt radialer Streifen 46, 47 zwei um die Drehachse 9 verlaufende periodische Kreisringspu^¬ ren 61, 62 auf, die ein Oberflächenprofil bilden. Dabei ver^¬ läuft eine erste Kreisringspur 61 auf der stirnseitigen Au- ßenoberfläche des ersten Segments 30 und die zweite Kreis^¬ ringspur 62 verläuft auf der stirnseitigen Außenoberfläche des zweiten Segments 31. Die erste Kreisringspur 61 bildet das erste Teilmuster 43 und zweite Kreisringspur 62 bildet das zweite Teilmuster 44 des Oberflächenmusters 42.

Entlang jeder Kreisringspur 61, 62 variiert das Oberflächenprofil periodisch in Abhängkeit von einem Sektorwinkel. Dabei weisen beide Kreisringspuren 61, 62 dieselbe Winkelperiode auf, sind jedoch vorzugsweise gegeneinander um ein Viertel dieser Winkelperiode phasenversetzt.

Die Oberflächenprofile der Kreisringspuren 61, 62 variieren dabei beispielsweise wenigstens annähernd sinusförmig in Ab^¬ hängigkeit von dem Sektorwinkel.

Die Sensorvorrichtung 25 für ein in den Figuren 7 und 8 dargestelltes Kraftübertragungselement 23 umfasst vorzugsweise als Abstandssensoren ausgebildete Sensoren 25.1, 25.2, wobei wenigstens ein erster Sensor 25.1 einem ersten Erfassungsge- biet 51 im Bereich der ersten Kreisringspur 61 zugeordnet ist und wenigstens ein zweiter Sensor 25.2 einem zweiten Erfassungsgebiet 52 im Bereich der zweiten Kreisringspur 62 zugeordnet ist. Die Erfassungsgebiete 51, 52 erstrecken sich bei^¬ spielsweise jeweils über den Bereich etwa einer Winkelperio- de a .

Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvor^¬ richtung 3 zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung 1 in einer Ansicht von vorn analog zu der Darstellung des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels. Auch bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kraftübertragungselement 23 als eine Riemen- scheibe eines Riemengetriebes ausgebildet, über die ein Rie^¬ men 29 des Riemengetriebes geführt wird.

Das Kraftübertragungselement 23 weist mehrere gleichartige Segmente 32 auf, die jeweils als ein Zylindersektor ausgebil^¬ det sind, der in zu der Drehachse 9 senkrechten Ebenen einen im Wesentlichen kreissektorförmigen Querschnitt aufweist. Zueinander benachbarte Segmente 32 sind jeweils miteinander mittels eines elastisch verformbaren Verbindungselements 40 beweglich und elastisch miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Verbindungselemente 40 jeweils als eine elastisch verformbare Zwischenschicht zwischen zwei Segmenten 32 ausge^¬ bildet, die z. B. aus einem Polyurethan gefertigt ist. Alter^¬ nativ können Verbindungselemente 40 beispielsweise jeweils als eine metallische Federstruktur ausgebildet sein.

Benachbarte Segmente 32 weisen voneinander einen Segmentab^¬ stand d auf, der im unbelasteten Zustand des Kraftübertra^¬ gungselements 23 für alle Paare benachbarter Segmente 32 gleich ist. Drehmomente und Kräfte an der Antriebsvorrichtung verändern die Segmentabstände d benachbarter Segmente 32 bis die elastische Verformung der Verbindungselemente 40 die Drehmomente und Kräfte kompensiert. Die Segmentabstände d benachbarter Segmente 32 werden mittels Sensoren 25.1 bis 25.3 der Sensorvorrichtung 25 erfasst und von der Auswerteeinheit 27 zur Ermittlung der Drehmomente und Kräfte ausgewertet. Dabei umfasst die Sensorvorrichtung 25 beispielsweise Senso^¬ ren 25.1, 25.2, die räumlich beabstandet vom Kraftübertra^¬ gungselement 23 analog zu Figur 1 und der Beschreibung von FIG 2 angeordnet, jeweils einem Erfassungsgebiet 51, 52 im Bereich der Segmente 32 zugeordnet und als optische, indukti- ve oder kapazitive Sensoren oder als Magnetfeldsensoren ausgebildet sind. Im Fall, dass die Sensoren 25.1, 25.2 indukti^¬ ve Sensoren sind, weisen die Segmente 32 jeweils beispiels^¬ weise wenigstens einen elektrisch leitfähigen, Bereich auf, der in einem Erfassungsgebiet 51, 52 von einem induktiven Sensor erfasst werden kann. Im Fall, dass die Sensoren 25.1,

25.2 kapazitive Sensoren sind, weisen die Segmente 32 jeweils wenigstens einen kapazitiven Bereich auf, der in einem Erfas- sungsgebiet 51, 52 mit einer Messelektrode eines kapazitiven Sensors jeweils einen Kondensator bilden kann, dessen Kapazität von dem kapazitiven Sensor erfassbar ist. Im Fall, dass die Sensoren 25.1, 25.2 Magnetfeldsensoren sind, weisen die Segmente 32 jeweils wenigstens einen magnetischen Bereich auf, dessen Magnetfeld in einem Erfassungsgebiet 51, 52 von einem Magnetfeldsensor erfasst werden kann.

Alternativ umfasst die Sensorvorrichtung 25 des in FIG 9 Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung 3 Sensoren 25.3, die an dem Kraftübertragungselement 23 angeordnet sind. Dabei ist jedem Paar benachbarter Segmente 32 ein derartiger Sensor

25.3 zugeordnet, der zur Erfassung des Segmentabstands d die^¬ ser Segmente 32 ausgebildet ist. Beispielsweise weisen die Segmente 32 jeweils eine Elektrode auf, die mit einer Elekt- rode eines benachbarten Segments 32 einen Kondensator bildet, dessen Kapazität von dem Segmentabstand d der beiden Segmente 32 abhängt und über einen als kapazitiven Sensor ausgebildeten Sensor 25.3 erfasst wird. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass die Segmente 32 jeweils selbst als eine Elektrode ausgebildet sind und ist in Figur schematisch angedeutet, wo^¬ bei nur zwei dieser kapazitiven Sensoren 25.3 dargestellt sind .

FIG 9 zeigt das Kraftübertragungselement 23 bei einem einwir- kenden axialen Drehmoment, das von einem durch Pfeile ange^¬ deuteten Zug des Riemens 29 bewirkt wird.

FIG 10 zeigt die Auswirkung dieses Drehmoments auf die Seg^¬ mentabstände d benachbarter Segmente 32. Dabei nummeriert ein Index i die Verbindungselemente 40 entlang des Umfangs des Kraftübertragungselements 23, wobei der Indexwert i=l das sich in FIG 9 von der Motorwelle 7 horizontal nach links er- streckende Verbindungselement 40 bezeichnet und die Indexwer^¬ te im Uhrzeigersinn zunehmen.

FIG 11 zeigt das in FIG 10 dargestellte Kraftübertragungsele- ment 23 bei einer seitlich einwirkenden Kraft, das von einem durch Pfeile angedeuteten Zug des Riemens 29 bewirkt wird.

FIG 12 zeigt die Auswirkung dieser Kraft auf die Segmentab^¬ stände d benachbarter Segmente 32 analog zu dem in FIG 10 dargestellten Diagramm.

Ein Vergleich der Figuren 10 und 12 zeigt, dass sich Drehmomente und Kräfte an der Antriebsvorrichtung anhand der Verteilung der Segmentabstände d benachbarter Segmente 32 vonei- nander unterscheiden lassen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs^¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche

1. Messvorrichtung (3) zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung (1), die Messvorrichtung (3) umfassend

ein um eine Drehachse (9) rotierbares Kraftübertragungs^¬ element (23) ,

das von der Antriebsvorrichtung (1) antreibbar ist und wenigstens zwei Segmente (30, 31, 32) aufweist, die mit- tels wenigstens eines elastisch verformbaren Verbindungs^¬ elements (40) elastisch miteinander verbunden sind, eine Sensorvorrichtung (25) zur Erfassung von Lageänderungen der Segmente (30, 31, 32) relativ zueinander und eine Auswerteeinheit (27) zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung (1) anhand von mittels der Sensorvorrichtung (25) erfasster Messdaten.

2. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbindungsele- ment (40) als eine elastisch verformbare Zwischenschicht zwi^¬ schen zwei Segmenten (30, 31, 32) ausgebildet ist, die mit beiden Segmenten (30, 31, 32) verbunden ist.

3. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem Polyurethan gefertigt ist.

4. Messvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbindungsele^¬ ment (40) als eine metallische Federstruktur ausgebildet ist, die mit zwei Segmenten (30, 31, 32) verbunden ist.

5. Messvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,

gekennzeichnet durch ringartig ausgebildete Segmente (30, 31), die in einem unbelasteten Zustand des Kraftübertragungs- elements (23) konzentrisch um die Drehachse (9) angeordnet sind .

6. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehachse (9) senkrechte

Querschnittsflächen der Segmente (30, 31) jeweils im Wesent^¬ lichen kreisringförmig ausgebildet sind und ein Außendurchmesser der Querschnittsfläche eines ersten Segments (30) kleiner als ein Innendurchmesser der Querschnittsfläche eines zweiten Segments (31) ist, so dass das zweite Segment (31) um das erste Segment (30) herum verläuft und von dem ersten Seg^¬ ment (30) bezüglich der Drehachse (9) radial beabstandet ist.

7. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Drehachse (9) senkrech^¬ te Außenoberfläche des Kraftübertragungselements (23) ein Oberflächenmuster (42) aufweist, das aus einem ersten Teilmuster (43) auf einer Außenoberfläche eines ersten Segments (30) und einem zweiten Teilmuster (44) auf einer Außenober- fläche eines zweiten Segments (31) besteht und derart ausge^¬ bildet ist, dass eine Lageänderung der Segmente (30, 31) re^¬ lativ zueinander aus einer daraus resultierenden Lageänderung der Teilmuster (43, 44) relativ zueinander ermittelbar ist.

8. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (25) erste Sensoren (25.1), die jeweils einem ersten Erfassungsgebiet (51) im Bereich des ersten Teilmusters 43 zugeordnet sind, und zweite Sensoren (25.2), die jeweils einem zweiten Erfas- sungsgebiet (52) im Bereich des zweiten Teilmusters (44) zu^¬ geordnet sind, umfasst, und dass jeder Sensor (25.1, 25.2) dazu ausgebildet ist, in dem Erfassungsgebiet (51, 52), dem er zugeordnet ist, das Oberflächenmuster (42) berührungslos zu erfassen.

9. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenmuster (42) ein optisch erfassbares Muster ist und die Sensoren (25.1, 25.2) optische Sensoren zur Erfassung des Oberflächenmusters (42) in den Erfas^¬ sungsgebieten (51, 52) sind,

oder dass das Oberflächenmuster (42) ein Oberflächenprofil ist und die Sensoren (25.1, 25.2) Abstandssensoren zur Erfassung jeweils eines Abstands einer sich in einem Erfas^¬ sungsgebiet (51, 52) befindenden Oberfläche von einem dem Erfassungsgebiet (51, 52) zugeordneten Abstandssensor sind,

oder dass das Oberflächenmuster (42) eine magnetische Struktur ist und die Sensoren (25.1, 25.2) Magnetfeldsensoren zur Erfassung von Magnetfeldern in den Erfassungsgebieten (51, 52) sind,

oder dass das Oberflächenmuster (42) eine kapazitive

Struktur ist und die Sensoren (25.1, 25.2) kapazitive Sen^¬ soren zur Erfassung von Kapazitäten von Kondensatoren, die jeweils von einer sich in einem Erfassungsgebiet (51, 52) befindenden Oberfläche und einer Messelektrode eines dem Erfassungsgebiet (51, 52) zugeordneten kapazitiven Sensors gebildet werden, sind,

oder dass das Oberflächenmuster (42) eine elektrische leitfähige Struktur ist und die Sensoren (25.1, 25.2) in^¬ duktive Sensoren zur Erfassung elektrisch leitfähiger Strukturen in den Erfassungsgebieten (51, 52) sind.

10. Messvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mehrere Segmente (32), die jeweils als ein Zylindersektor ausgebildet sind, der in zu der Drehach- se (9) senkrechten Ebenen einen im Wesentlichen kreissektor- förmigen Querschnitt aufweist, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente (32) mittels eines elastisch verformbaren Verbindungselements (40) elastisch miteinander verbunden sind.

11. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (25) Sensoren (25.1 bis 25.3) aufweist, die dazu ausgebildet sind, Segmentabstände (d) benachbarter Segmente (32) zu erfassen.

12. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 11,

gekennzeichnet durch von dem Kraftübertragungselement (23) beabstandete Sensoren (25.1, 25.2) zur berührungslosen Erfas- sung von Segmentabständen (d) benachbarter Segmente (32) .

13. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 11 oder 12,

gekennzeichnet durch an dem Kraftübertragungselement (23) an^¬ geordnete Sensoren (25.3) zur berührungslosen Erfassung von Segmentabständen (d) benachbarter Segmente (32).

14. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (32) eine Elektro^¬ de aufweist, die mit einer Elektrode eines benachbarten Seg- ments (32) einen Kondensator bildet, dessen Kapazität von dem Segmentabstand (d) der beiden Segmente (32) abhängt und mit^¬ tels eines als ein kapazitiver Sensor ausgebildeten Sensors (25.3) erfasst wird.

15. Antriebsvorrichtung (1) mit einer Messvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.