WO2017012752A1 - Messanordnung zur messung des drehmomentes an einer welle, kurbeltrieb und fahrzeug - Google Patents

Messanordnung zur messung des drehmomentes an einer welle, kurbeltrieb und fahrzeug Download PDF

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WO2017012752A1
WO2017012752A1 PCT/EP2016/061751 EP2016061751W WO2017012752A1 WO 2017012752 A1 WO2017012752 A1 WO 2017012752A1 EP 2016061751 W EP2016061751 W EP 2016061751W WO 2017012752 A1 WO2017012752 A1 WO 2017012752A1
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WO
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shaft
sensor holder
measuring arrangement
sensor
measuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/061751
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Zimmermann
Uwe Kaechele
Julian Binder
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2017012752A1 publication Critical patent/WO2017012752A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • 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
    • G01L3/102—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 involving magnetostrictive means

Definitions

  • Measuring arrangement for measuring the torque on a shaft, crank mechanism and vehicle
  • the present invention relates to a measuring arrangement for measuring the torque on a shaft, a crank mechanism, and a vehicle. It relates in particular to a measuring arrangement for measuring the torsional moment of a shaft, a crank drive for a vehicle operable with muscle power and / or engine power and a vehicle operable with muscle power and / or engine power.
  • Electric and / or powered by muscle power vehicles are known from the prior art in different configurations. In such vehicles, it is often desirable to determine a torque or torque acting on a shaft. The effect of the
  • Magnetostriction, magnetoelasticity or the inverse magnetostriction or magnetoelasticity are exploited. This effect is due to the deformation of magnetic, in particular ferromagnetic substances due to an applied magnetic field. A corresponding body undergoes an elastic change in length at a constant volume. Conversely, in the case of inverse magnetostriction or magnetoelasticity, the magnetic properties are changed by an impressed change in length or shape.
  • a part of the wave is formed with or from a material showing the effect of inverse magnetostriction or magnetoelasticity.
  • Measurement deviations of the sensor signal occur, which are caused by a different distance or air gap between the sensor and the sensor shaft.
  • the measurement arrangement according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that the distance or air gap between the sensor holder and the sensor on the one hand and the shaft to be measured on the other hand can be formed particularly small or even minimized and that its changes when rotating the shaft also special kept low or even compensated. This will
  • a measuring arrangement for measuring the torque on a shaft and in particular of the torsional torque of the shaft which is formed with a sensor device which is adapted to measure a magnetic field carried or generated by the shaft, with a sensor holder for holding the sensor device and the Arrangement of the sensor device with respect to a region of an outer peripheral surface of the shaft and with at least one force element which is set up, in particular in the mounted state of the measuring arrangement
  • Outer peripheral surface of the shaft stationary and in particular with respect to position, orientation and / or distance to arrange temporally stable.
  • the force element causes the sensor to be set against the surface of the shaft to be measured.
  • an increased air gap can be avoided, which can arise due to a tolerance chain of the arrangement, which in turn consists of a fixed housing assembly and manufacturing tolerances results.
  • Furthermore, can be compensated according to the invention by the combination of sensor holder and force element errors in the concentricity and inclinations of the shaft and angle error.
  • the sensor holder may, for example, be displaced relative to an outer housing, for example by hiring, e.g. when tilting the shaft or at a
  • Deviation from a concentricity The distance from the region of the outer peripheral surface of the shaft, namely over the gap remains but because of the employment particularly low and / or constant.
  • Measuring arrangement results when the at least one force element is arranged on a side facing away from the shaft outside of the sensor holder a
  • the at least one force element is designed as an elastic force element, in particular in the form of a spring or the like.
  • the at least one force element having a first and a second end in the effective direction of the force, wherein the first end is supported on an outer side of the sensor holder facing away from the shaft and wherein the second end is arranged to face one of the shaft Support inside a housing surrounding the shaft and the measuring assembly. It is also of particular advantage if the sensor holder forms at least one bearing point, which is designed in particular as a sheath holder and / or by the at least one force element in the region of
  • Outer circumferential surface of the shaft is made resilient. This results in a particularly simple installation of the underlying sensor holder of the measuring arrangement. Furthermore, the number of parts to be assembled can be reduced by integrating the measuring arrangement into a bearing.
  • the contact points are designed as slide bearings and / or sliding bushes, preferably as elements inserted into the sensor holder and / or in that the sensor holder as a whole or a portion of the sensor holder facing the shaft is formed with or from a sliding material.
  • a particularly simple assembly of the measuring arrangement according to the invention results from the fact that the plain bearings and / or sliding bushes are formed as part of circle segments each with an arc of less than 180 °.
  • the reliability of the measuring arrangement according to the invention can be increased by an anti-rotation is formed, a co-rotation of the
  • the rotation can be part of the sensor holder and / or have one or more holes or ribs. It can additionally or alternatively also a negative play of the sensor holder in the housing are used.
  • the measuring arrangement according to the invention adjusts itself in that the area of the outer circumferential surface of the shaft is defined by a torsion element, in particular of a torsion wave, with or from a magnetostrictive and / or
  • magnetoelastic material is formed, which is set up for
  • Torque transmission as an intermediate shaft piece between the first and second shaft portions of the shaft.
  • the use of a magnetostrictive and / or magnetoelastic material enables a very accurate determination of the torque to be transmitted or the experienced torsional moment of the shaft via a corresponding calibration.
  • crank mechanism for a vehicle operable with muscular and / or motive power, and more particularly for an electric bicycle having a shaft adapted for receiving and rotationally fixed coupling with at least one torque transmission crankshaft. Furthermore, one is
  • Measuring device designed to measure the torque on the shaft and in particular of the torsional moment of the shaft.
  • the present invention provides a
  • Muscle force and / or engine power operable vehicle in particular an electric bicycle.
  • This comprises a crank mechanism according to the invention, an electric drive, which is arranged in particular in the region of the crank mechanism, and a control unit, which is used to control the electric
  • Figure 1 is a schematic representation of an example of a
  • Measuring arrangement once as a cross section and once as a longitudinal section with respect to the underlying shaft
  • Figures 4 and 5 show perspective and transverse to the shaft or longitudinally sectioned views of an embodiment which can be further developed with a measuring arrangement according to the invention.
  • FIGS 6 and 7 show in more schematic and also in
  • the electric bicycle 1 comprises a crank mechanism 2 with two cranks 7, 8, on which pedals are arranged.
  • An electric drive 3 is integrated in the crank mechanism 2.
  • a gear shift 6 is arranged at the rear wheel 9.
  • a drive torque which is provided by the driver and / or by the electric drive 3, is transmitted from a chainring 4 on the crank mechanism 2 via a chain 5 to a pinion of the gear shift 6.
  • the force curve is in connection with a rear derailleur or set on the chain, the shift set, the pinion and the hub as part of the rear wheel.
  • a control unit 10 is further arranged, which is connected to the electric drive 3.
  • the reference numeral 1 1 denotes a battery which serves to supply power to the electric drive 3.
  • crank bearing 15 Integrated in the frame 12 is the crank bearing 15, bottom bracket or bottom bracket, which has a crankcase 60, in the interior of a
  • Embodiment of the measuring arrangement according to the invention is formed.
  • FIGS. 2 and 3 schematically show a transverse or longitudinal section of an embodiment of the measuring arrangement 100 according to the invention, in each case with respect to an underlying shaft 16. Shown is a state in which the measuring arrangement 100 in the crankcase 60 of a crank bearing 15, Bottom bracket or bottom bracket is mounted.
  • the measuring arrangement 100 of this embodiment has a sensor holder 20.
  • This may also be referred to as a sensor housing and takes in its interior 20i a sensor device 30, e.g. in form of
  • the sensor holder 20 faces a shaft 16 with a part of its outer side 20a and is arranged in spatial proximity to a section 17a of an outer circumferential surface 17 of the shaft 16 with a gap 50 in the form of an air gap therebetween. It can be provided in particular that the gap is formed only between the sensor head or device 30 and the region 17a of the outer peripheral surface 17 and that the outer side 20a of the sensor holder 20 otherwise rests on the outer peripheral surface 17 in the region 17a. As a result, the sensor device 30 is in relative proximity to the region or section 17a of the outer peripheral surface 17 of the shaft 16. The sensor device 30 can thus determine the magnetic properties and
  • a force element 41 is formed, which is supported with a first end 41 a on the outer side 20 a of the sensor holder 20 and a second end 41 b on the inside 60 b of the crankcase 60 and secured there.
  • the arrangement of the force element 41 here in the manner of a spring element in an elastic form, is designed so that it in the mounted state of
  • Measuring arrangement 100 the sensor holder 20 with respect to the area 17a of the outer peripheral surface 17 of the shaft 16 applied with a compressive force F and thus the sensor holder 20 against the region 17a of the outer peripheral surface 17 of the shaft 16 presses and temporally stable with respect to position, orientation and / or distance.
  • the shaft 16 is rotationally symmetrical about its axis of rotation X and rotatable about this axis of rotation X.
  • the shaft 16 in this embodiment consists of a first and a second shaft portion 16-1 and 16-2, respectively, which serve for torque transmission. Between the first shaft portion 16-1 and the second
  • Shaft section 16-2 is for torque transmission between them
  • Shaft sections 16-1, 16-2 arranged a torsion element 18, which may also be referred to as a torsion wave.
  • the torsion element is formed with or from a magnetostrictive and / or magnetoelastic material.
  • Shaft sections 16-1 and 16-2 thus also the torsion element 18 is exposed to this transmitting torque, which acts there as a torsional moment.
  • the torque thus leads to a deformation in the sense of a torsion of the torsion element 18.
  • This change in the magnetic field can be measured by the sensor device 30 and the magnetic field sensor. From the measurement of the magnetic field change conclusions can then be drawn on the actually acting torsional or torque transmitted.
  • a gap or gap 50 with gap spacing or gap width d is formed between the sensor holder 20 and the shaft 16. Due to the pressure of the Force element 41 and the pressure of the outer side 20a to the region 17a of the outer peripheral surface 17 of the shaft 16 and in particular of the torsion element 18, this gap width d of the gap 50 is kept constant and in particular low, compared with a corresponding arrangement without force element 41st
  • the sensor holder 20 forms for this purpose a bearing point 42 in the sense of a sliding bearing relative to the region 17a of the outer peripheral surface 17 of the shaft 16.
  • the force element 41 and the bearing 42 can in combination as a holding and bearing assembly 40 for the sensor holder 20 at the area 17 a of
  • Outer peripheral surface 17 of the shaft 16 can be understood.
  • FIGS. 4 and 5 show an embodiment of a crankcase 60, which can be developed according to the invention.
  • Measuring arrangement 100 also disposed in the interior 60i of a crankcase 60.
  • the torsion element 18 is as
  • Torsionshülse formed and via first and second teeth 81 and 82 with the crankshaft 16 for torque introduction and with a
  • Such a transmission element includes e.g. a freewheel such that only torsional in one direction acting on the torsion shaft as a torsion 18. Furthermore, a gear stage would be provided in this case, which incorporates the electric motor of an electric bicycle in power transmission to the chainring.
  • a gap 50 is provided, which is constant in time and / or - compared to a corresponding arrangement without force element 41 - at least particularly low by the inventive design of the force element 41 in its width d, if a temporal constancy due to rotational errors is not achievable.
  • the gap 50 occurs because the sensor holder 20 is fixedly mounted in the housing 60.
  • FIGS. 6 and 7 show in schematic and perspective as well as partially sectioned view of other embodiments of the invention.
  • Measuring arrangement 100 according to the invention.
  • the holding and bearing assembly 40 is formed by the bearings 42 and the force element 41st The bearings 42 ensure between the
  • the force element 41 is attached to a first end 41 a on the outer side 20 a of the sensor holder 20 and with a second end 41 b on the inner side 60 b of the crankcase 60. It is supported between these points in order to bring about a positioning force F of the sensor housing 20 relative to the outer peripheral surface 17 of the shaft 16 of the torsion element 18, which leads to counterforces F1 and F1 in the region of the bearing points 42.
  • Torsion element 18 and the shaft 16 facing the outer side 20a of the sensor holder 20 the provision of an anti-rotation device 70 is advantageous.
  • This forms, for example, an attachment of the sensor holder 20 to a region of the crankcase 60 and thus ensures a rotationally fixed position of the sensor holder 20 in the crankcase 60 and with respect to the shaft 16 and the torsion element 18.
  • the sensor holder 20 is provided with a sensor head and is supported by a housing which is supported in the housing
  • the half-shell-shaped bearing shells of the sensor holder 20 enclose the shaft 16 at an angle of less than 180 °, whereby the alignment of sensor holder 20 and sensor device 30 is improved.
  • the bearings 42 provide contact points between the shaft 16 and the sensor holder 20 and can as in the
  • Sensor holder 20 used plain bearings or sliding bushes are performed, which comprise a maximum angle of 180 ° in section as Section Makilia, Inc.
  • the sensor holder 20 can be made entirely of a sliding material
  • a sliding material for the
  • anti-rotation device 70 may serve, for example, two holes that specify a provisional position of the sensor holder 20 in the housing 60.
  • ribs or individual bores can serve as anti-rotation device 70. It is also conceivable to use a negative of the housing contour.
  • two springs are designed laterally as a force element 41, which are fixedly supported in the outer housing 60 and set the sensor holder 20.
  • magnetostrictive and / or magnetoelastic effect occurs or is conceivable.
  • the use offers where special demands on the sensor position with respect to the shaft 16 to be measured are provided.
  • Particularly preferred is the use of bicycles or pedelecs.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung (100) zur Messung des Drehmomentes (M) an einer Welle (16) und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle (16), mit einer Sensoreinrichtung (30), welche eingerichtet ist, ein von der Welle (16) getragenes oder erzeugtes Magnetfeld (H) zu messen, einem Sensorhalter (20) zum Halten der Sensoreinrichtung (30) und zur Anordnung der Sensoreinrichtung (30) gegenüber einem Bereich (17a) einer Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) und mindestens einem Kraftelement (41), welches eingerichtet ist, durch Kraftbeaufschlagung den Sensorhalter (20) gegenüber dem Bereich (17a) der Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) ortsfest anzuordnen.

Description

Beschreibung Titel
Messanordnung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle, Kurbeltrieb und Fahrzeug
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle, einen Kurbeltrieb, und ein Fahrzeug. Sie betrifft insbesondere eine Messanordnung zur Messung des Torsionsmomentes einer Welle, einen Kurbeltrieb für ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug sowie ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug.
Elektrische und/oder mit Muskelkraft betreibbare Fahrzeuge sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei derartigen Fahrzeugen ist es oft wünschenswert, ein auf eine Welle wirkendes tordierendes Moment oder Drehmoment zu ermitteln. Dabei kann der Effekt der
Magnetostriktion, Magnetoelastizität oder der inversen Magnetostriktion oder Magnetoelastizität ausgenutzt werden. Dieser Effekt beruht auf der Deformation magnetischer, insbesondere ferromagnetischer Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Ein entsprechender Körper erfährt bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung. Umgekehrt werden bei der inversen Magnetostriktion oder Magnetoelastizität durch eine aufgeprägte Längen- oder Formänderung die magnetischen Eigenschaften geändert.
Dies kann ausgenutzt werden, um das Drehmoment, das auf eine Welle wirkt, zu bestimmen. Dazu ist ein Teil der Welle mit oder aus einem Material gebildet, welches den Effekt der inversen Magnetostriktion oder Magnetoelastizität zeigt.
Problematisch ist jedoch, dass zwischen diesem Teil der Welle und einem Sensor, der das Magnetfeld und seine Änderung messen soll, ein bestimmter Abstand besteht, da der Sensor mit einem Sensorhalter außerhalb der zu vermessenden Welle angeordnet ist. Sind Sensor und Sensorwelle, also diejenige Welle, deren Drehmoment oder Torsionsmoment zu bestimmen ist und die entsprechend mit dem magnetostriktiven Material ausgebildet ist, nicht konstant konzentrisch zueinander ausgerichtet, so können statische
Messabweichungen des Sensorsignals auftreten, die bedingt sind durch einen unterschiedlichen Abstand oder Luftspalt zwischen Sensor und Sensorwelle.
Zusätzlich können durch Fehler im Rundlauf der Welle und der Koaxialität auch dynamische Fehler auftreten, die das Sensorsignal und deren Auswertung negativ beeinflussen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Messanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Abstand oder Luftspalt zwischen Sensorhalter und Sensor einerseits und der zu vermessenden Welle andererseits besonders gering ausgebildet oder gar minimiert werden kann und dass dessen Änderungen beim Rotieren der Welle ebenfalls besonders gering gehalten oder sogar ausgeglichen werden können. Dies wird
erfindungsgemäß durch eine Messanordnung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle erreicht, welche ausgebildet ist mit einer Sensoreinrichtung, welche eingerichtet ist, ein von der Welle getragenes oder erzeugtes Magnetfeld zu messen, mit einem Sensorhalter zum Halten der Sensoreinrichtung sowie zur Anordnung der Sensoreinrichtung gegenüber einem Bereich einer Außenumfangsfläche der Welle und mit mindestens einem Kraftelement, welches eingerichtet ist, insbesondere im montierten Zustand der Messanordnung durch
Kraftbeaufschlagung den Sensorhalter gegenüber dem Bereich der
Außenumfangsfläche der Welle ortsfest und insbesondere bezüglich Position, Orientierung und/oder Abstand zeitlich stabil anzuordnen.
Durch das Kraftelement wird der Sensor an der Oberfläche der zu vermessenden Welle angestellt. Somit kann ein vergrößerter Luftspalt vermieden werden, welcher entstehen kann auf Grund einer Toleranzkette der Anordnung, die ihrerseits aus einer festen Gehäusemontage und aus Fertigungstoleranzen resultiert. Weiterhin können durch die Kombination aus Sensorhalter und Kraftelement Fehler im Rundlauf und Neigungen der Welle sowie Winkelfehler erfindungsgemäß ausgeglichen werden.
Insbesondere wird durch Kraftbeaufschlagung der Sensorhalter an einer oder an mehreren Lagerstellen oder Auflagen gegenüber dem Bereich der
Außenumfangsflache der Welle ortsfest angeordnet. Dabei kann sich im Betrieb der Sensorhalter durch das Anstellen zum Beispiel relativ zu einem äußeren Gehäuse verschieben, z.B. bei einem Kippen der Welle oder bei einer
Abweichung von einem Rundlauf. Der Abstand gegenüber dem Bereich der Außenumfangsfläche der Welle, nämlich über den Spalt bleibt dabei aber wegen der Anstellung besonders gering und/oder konstant.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine besonders einfache Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen
Messanordnung ergibt sich, wenn das mindestens eine Kraftelement eingerichtet ist, an einer der Welle abgewandten Außenseite des Sensorhalters eine
Druckkraft so auszuüben, dass durch die Druckkraft der Sensorhalter an den Bereich der Außenumfangsfläche der Welle anliegt.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn das mindestens eine Kraftelement als elastisches Kraftelement, insbesondere in Form einer Feder oder dergleichen, ausgebildet ist. Durch diese Maßnahmen stellt sich ein besonders hoher Grad an Reproduzierbarkeit bei der Messanordnung ein, weil sich das Kraftelement auf Grund seiner Elastizität auf die jeweilige Beanspruchung einstellen kann.
Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Messanordnung und deren
Genauigkeit werden weiter gesteigert, indem das mindestens eine Kraftelement in Wirkrichtung der Kraft ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende sich an einer der Welle abgewandten Außenseite des Sensorhalters abstützt und wobei das zweite Ende eingerichtet ist, sich an einer der Welle zugewandten Innenseite eines die Welle und die Messanordnung umgebenden Gehäuses abzustützen. Es ist ferner von besonderem Vorteil, wenn der Sensorhalter mindestens eine Lagerstelle bildet, welche insbesondere als Haibschalenlagerung ausgebildet ist und/oder durch das mindestens eine Kraftelement am Bereich der
Außenumfangsfläche der Welle federnd angestellt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Montage des zu Grunde liegenden Sensorhalters der Messanordnung. Weiterhin kann durch Integration der Messanordnung in ein Lager die Anzahl der zu montierenden teile reduziert werden.
Durch das Ausbilden einer Lagerstelle mit ein oder mehreren Kontaktstellen zwischen Welle und Sensorhalter wird die Beeinflussung der Welle durch die Messanordnung gering gehalten.
Die gegenseitige Beeinflussung und die Reibung und damit die Abnutzung zwischen Messanordnung und zu vermessender Welle können besonders gering gehalten werden, wenn die Kontaktstellen als Gleitlager und/oder Gleitbuchsen ausgebildet sind, vorzugsweise als in den Sensorhalter eingesetzte Elemente und/oder dadurch, dass der Sensorhalter insgesamt oder ein Bereich des Sensorhalters, welcher der Welle zugewandt ist, mit oder aus einem gleitenden Material ausgebildet ist.
Eine besonders einfache Montage der erfindungsgemäßen Messanordnung ergibt sich dadurch, dass die Gleitlager und/oder Gleitbuchsen als Teilkreisstücke jeweils mit einem Bogen von weniger als 180° ausgebildet sind.
Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Messanordnung kann gesteigert werden, indem eine Verdrehsicherung ausgebildet ist, ein Mitdrehen des
Sensorhalters mit der Welle zu verhindern. Die Verdrehsicherung kann Teil des Sensorhalters sein und/oder eine oder mehrere Bohrungen oder Rippen aufweisen. Es kann zusätzlich oder alternativ auch ein spielbehaftetes negativ des Sensorhalters im Gehäuse zum Einsatz kommen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass die Positionierung der erfindungsgemäßen Messanordnung sich im Betrieb nicht verändert.
Ein besonders hohes Maß an Genauigkeit der Messergebnisse der
erfindungsgemäßen Messanordnung stellt sich dadurch ein, dass der Bereich der Außenumfangsfläche der Welle von einem Torsionselement, insbesondere von einer Torsionswelle, mit oder aus einem magnetostriktiven und/oder
magnetoelastischen Material gebildet wird, das eingerichtet ist zur
Drehmomentübertragung als Zwischenwellenstück zwischen ersten und zweiten Wellenabschnitten der Welle. Die Verwendung eines magnetostriktiven und/oder magnetoelastischen Materials ermöglicht über eine entsprechende Eichung eine sehr genaue Ermittlung des zu übertragenden Drehmoments oder des erfahrenen Torsionsmoments der Welle.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kurbeltrieb für ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug und insbesondere für ein Elektrofahrrad geschaffen, welcher eine Welle aufweist, die zur Aufnahme und drehfesten Kopplung mit mindestens einer Kurbel zur Drehmonentübertragung eingerichtet ist. Des Weiteren ist eine
erfindungsgemäße Messanordnung zur Messung des Drehmoments an der Welle und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle ausgebildet.
Durch diese Maßnahmen kann durch die Integration der erfindungsgemäßen Messanordnung im Kurbeltrieb eine besonders kompakte Bauweise erzielt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein mit
Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrrad. Dieses umfasst einen erfindungsgemäßen Kurbeltrieb, einen elektrischen Antrieb, welcher insbesondere im Bereich des Kurbeltriebs angeordnet ist, und eine Steuereinheit, welche zur Steuerung des elektrischen
Antriebs eingerichtet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiel eines
Fahrzeugs nach Art eines Elektrofahrrads, bei welchem eine erste Ausführungsform der Erfindung realisiert ist. Figuren 2 und 3 zeigen schematische und geschnittene Ansichten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Messanordnung, einmal als Querschnitt und einmal als Längsschnitt in Bezug auf die zu Grunde liegende Welle
Figuren 4 und 5 zeigen perspektivische und in Bezug auf die Welle quer bzw. längsgeschnittene Ansichten einer Ausführungsform, die mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung weitergebildet werden kann.
Figuren 6 und 7 zeigen in stärker schematisierter und ebenfalls in
perspektivischer und teilweise geschnittener radialer bzw. axialer Ansicht weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messanordnung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren weitere allgemeine Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf Figur 1 beispielhaft ein Elektrofahrrad 1 als eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs im Detail beschrieben.
Das Elektrofahrrad 1 umfasst einen Kurbeltrieb 2 mit zwei Kurbeln 7, 8, an dem Pedale angeordnet sind. Ein elektrischer Antrieb 3 ist in den Kurbeltrieb 2 integriert. Am Hinterrad 9 ist eine Gangschaltung 6 angeordnet.
Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb 3 bereitgestellt wird, wird von einem Kettenblatt 4 am Kurbeltrieb 2 über eine Kette 5 auf ein Ritzel der Gangschaltung 6 übertragen. Der Kraftverlauf erfolgt im Zusammenhang mit einem Schaltwerk oder -satz über die Kette, den Schaltsatz, das Ritzel und die Nabe als Teil des Hinterrades. Am Lenker des Fahrrads ist ferner eine Steuereinheit 10 angeordnet, welche mit dem elektrischen Antrieb 3 verbunden ist. Das Bezugszeichen 1 1 bezeichnet eine Batterie, welche zur Stromversorgung des elektrischen Antriebs 3 dient.
Im Rahmen 12 integriert ist das Kurbellager 15, Innenlager oder Tretlager, welches eine Kurbelgehäuse 60 aufweist, in dessen Innerem eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ausgebildet ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen schematisch einen Quer- bzw. Längsschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung 100, und zwar jeweils in Bezug auf eine zu Grunde liegende Welle 16. Dargestellt ist ein Zustand, bei dem die Messanordnung 100 im Kurbelgehäuse 60 eines Kurbellagers 15, Innenlagers oder Tretlagers montiert ist.
Die Messanordnung 100 dieser Ausführungsform weist einen Sensorhalter 20 auf. Dieser kann auch als Sensorgehäuse bezeichnet werden kann und nimmt in seinem Inneren 20i eine Sensoreinrichtung 30 z.B. in Form eines
Magnetfeldsensors auf. Der Sensorhalter 20 ist mit einem Teil seiner Außenseite 20a einer Welle 16 zugewandt und in räumlicher Nähe zu einem Abschnitt 17a einer Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 mit einem Spalt 50 in Form eines Luftspalts dazwischen angeordnet. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Spalt nur zwischen Sensorkopf oder -einrichtung 30 und dem Bereich 17a der Außenumfangsfläche 17 ausgebildet ist und dass die Außenseite 20a des Sensorhalters 20 ansonsten auf der Außenumfangsfläche 17 im Bereich 17a aufliegt. Dadurch befindet sich die Sensoreinrichtung 30 in relativer Nähe zum Bereich oder Abschnitt 17a der Außenumfangsfläche 17 der Welle 16. Die Sensoreinrichtung 30 kann so die magnetischen Eigenschaften und
insbesondere das von der Welle 16 im Bereich 17a getragene oder erzeugte magnetische Feld und/oder Feldänderungen messen.
Zwischen der der Welle 16 abgewandten Seite der Außenseite 20a des
Sensorhalters 20 und dem umgebenden Kurbelgehäuse 60 ist ein Kraftelement 41 ausgebildet, welches sich mit einem ersten Ende 41 a an der Außenseite 20a des Sensorhalters 20 und mit einem zweiten Ende 41 b an der Innenseite 60b des Kurbelgehäuses 60 abstützt und dort befestigt ist. Die Anordnung des Kraftelements 41 , hier nach Art eines Federelements in elastischer Form, ist so ausgebildet, dass es im montierten Zustand der
Messanordnung 100 den Sensorhalters 20 gegenüber dem Bereich 17a der Außenumfangsflache 17 der Welle 16 mit einer Druckkraft F beaufschlagt und somit den Sensorhalter 20 gegenüber dem Bereich 17a der Außenumfangsflache 17 der Welle 16 andrückt und bezüglich Position, Orientierung und/oder Abstand zeitlich stabil anordnet.
Die Welle 16 ist um ihre Drehachse X rotationssymmetrisch ausgebildet und um diese Drehachse X rotierbar.
Die Welle 16 besteht bei dieser Ausführungsform aus einem ersten und einem zweiten Wellenabschnitt 16-1 bzw. 16-2, die der Drehmomentübertragung dienen. Zwischen dem ersten Wellenabschnitt 16-1 und dem zweiten
Wellenabschnitt 16-2 ist zur Drehmomentübertragung zwischen diesen
Wellenabschnitten 16-1 , 16-2 ein Torsionselement 18 angeordnet, welches auch als Torsionswelle bezeichnet werden kann. Das Torsionselement ist mit oder aus einem magnetostriktiven und/oder magnetoelastischen Material gebildet.
Bei Übertragung eines Drehmoments zwischen den ersten und zweiten
Wellenabschnitten 16-1 und 16-2 ist somit auch das Torsionselement 18 diesem übertragenden Drehmoment ausgesetzt, welches dort als Torsionsmoment wirkt. Das Drehmoment führt also zu einer Deformation im Sinne einer Torsion des Torsionselementes 18. Auf Grund der (inversen) magnetostriktiven und/oder magnetoelastischen Eigenschaften des zu Grunde liegenden Materials des Torsionselementes 18 führt die Deformation des Torsionselementes 18 zu einer Änderung des durch das Torsionselement 18 getragenen und/oder erzeugten Magnetfeldes.
Diese Änderung im Magnetfeld kann durch die Sensoreinrichtung 30 und den Magnetfeldsensor gemessen werden. Aus der Messung der Magnetfeldänderung können dann Rückschlüsse auf das tatsächlich wirkende Torsionsmoment oder das übertragene Drehmoment gezogen werden. Zwischen dem Sensorhalter 20 und der Welle 16 ist ein Abstand oder Spalt 50 mit Spaltabstand oder Spaltbreite d ausgebildet. Durch die Druckkraft des Kraftelements 41 und den Andruck der Außenseite 20a an den Bereich 17a der Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 und insbesondere des Torsionselements 18 wird diese Spaltbreite d des Spalts 50 konstant und insbesondere gering gehalten, und zwar verglichen mit einer entsprechenden Anordnung ohne Kraftelement 41.
Der Sensorhalter 20 bildet dazu eine Lagerstelle 42 im Sinne eines Gleitlagers gegenüber dem Bereich 17a der Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 aus.
Das Kraftelement 41 und die Lagerstelle 42 können in Kombination als Halte- und Lageranordnung 40 für den Sensorhalter 20 am Bereich 17a der
Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 aufgefasst werden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform eines Kurbelgehäuses 60, welches erfindungsgemäß weitergebildet werden kann.
Im Falle einer derartigen Weiterbildung wird erfindungsgemäß die
Messanordnung 100 ebenfalls im Inneren 60i eines Kurbelgehäuses 60 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist das Torsionselement 18 als
Torsionshülse ausgebildet und über erste und zweite Verzahnungen 81 bzw. 82 mit der Kurbelwelle 16 zur Drehmomenteinleitung und mit einem
Getriebeelement für den Drehmomentabtrieb verbunden.
Ein derartiges Getriebeelement beinhaltet z.B. einen Freilauf derart, dass nur Torsionsmomente in einer Richtung auf die Torsionswelle als Torsionselement 18 einwirken. Weiterhin wäre in diesem Fall eine Getriebestufe vorgesehen, die den Elektromotor eines Elektrofahrrads in Kraftübertragung auf das Kettenblatt einbindet.
Zwischen dem Torsionselement 18 und dem Sensorhalter 20 ist wiederum ein Spalt 50 vorgesehen, der durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kraftelements 41 in seiner Breite d zeitlich konstant und/oder - im Vergleich zu einer entsprechenden Anordnung ohne Kraftelement 41 - zumindest besonders gering ist, wenn eine zeitliche Konstanz auf Grund von Rotationsfehlern nicht erreichbar ist. Herkömmlicherweise tritt der Spalt 50 auf, weil der Sensorhalter 20 ortsfest im Gehäuse 60 montiert ist. Durch ein erfindungsgemäßes Kraftelement 41 und die Anstellung kann der Spalt 50 in seiner Breite d gering gehalten werden.
Durch eine Verdrehsicherung 70 - hier nach Art eines Anschraubpunktes - wird im Betrieb eine feste Positionierung und/oder Orientierung des Sensorhalters 20 in Bezug auf das Kurbelgehäuse 60 einerseits und in Bezug auf die Welle 16 andererseits gewährleistet.
Die Figuren 6 und 7 zeigen in schematischer und perspektivischer sowie teilweise geschnittener Ansicht andere Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Messanordnung 100.
Die Halte- und Lageranordnung 40 wird gebildet von den Lagerstellen 42 und dem Kraftelement 41 . Die Lagerstellen 42 gewährleisten zwischen dem
Sensorgehäuse 20 einerseits und dem Bereich 17a Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 und insbesondere des Torsionselement 18 andererseits einen Kontakt im Sinne eines Gleitlagers. Das Kraftelement 41 ist mit einem ersten Ende 41 a an der Außenseite 20a des Sensorhalters 20 und mit einem zweiten Ende 41 b an der Innenseite 60b des Kurbelgehäuses 60 angebracht. Es stützt sich zwischen diesen Punkten ab, um eine Anstellkraft F des Sensorgehäuses 20 gegenüber der Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 des Torsionselements 18 zu bewirken, die im Bereich der Lagerstellen 42 zu Gegenkräften F1 und F1 führt.
Auf Grund der trotz der Gleitlagereigenschaften der Lagerstellen 42 vorhandenen Reibungskräfte zwischen Außenumfangsfläche 17 der Welle 16 und des
Torsionselements 18 und der der Welle 16 zugewandten Außenseite 20a des Sensorhalters 20 ist das Vorsehen einer Verdrehsicherung 70 vorteilhaft. Diese bildet zum Beispiel eine Befestigung des Sensorhalters 20 an einem Bereich des Kurbelgehäuses 60 und sorgt somit für eine drehfeste Position des Sensorhalters 20 im Kurbelgehäuse 60 und gegenüber der Welle 16 und dem Torsionselement 18.
Aus den Figuren 6 und 7 wird ersichtlich, dass der Sensorhalter 20 mit einem Sensorkopf versehen und durch ein im Gehäuse abgestütztes und
vorgespanntes elastisches Element als Kraftelement 41 mit zwei halbschalenförmigen Lagerschalen ausgebildet und auf der Welle 16 als Sensorwelle angestellt sein kann. Dabei umschließen die halbschalenförmigen Lagerschalen des Sensorhalters 20 die Welle 16 mit einem Winkel von insgesamt weniger als 180°, wodurch die Ausrichtung von Sensorhalter 20 und Sensoreinrichtung 30 verbessert wird. Die Lagerstellen 42 stellen Kontaktstellen zwischen Welle 16 und Sensorhalter 20 bereit und können als in den
Sensorhalter 20 eingesetzte Gleitlager oder Gleitbuchsen ausgeführt werden, welche im Schnitt als Teilkreisstücke einen maximalen Winkel von 180° umfassen.
Der Sensorhalter 20 kann insgesamt aus einem gleitenden Material,
vorzugsweise aus einem Kunststoff bestehen. Er kann aber auch aus zwei Komponenten gebildet sein, zum Beispiel einem Gleitwerkstoff für die
Lagerstellen 42 und einem Formwerkstoff für die Aufnahme, das Gehäuse und die Halterungen.
Als Verdrehsicherung 70 können zum Beispiel zwei Bohrungen dienen, die eine vorläufige Position des Sensorhalters 20 im Gehäuse 60 vorgeben. Optional können auch Rippen oder einzelne Bohrungen als Verdrehsicherung 70 dienen. Denkbar ist auch der Einsatz eines Negativs der Gehäusekontur.
Bei der Ausführungsform der Figur 7 sind seitlich zwei Federn als Kraftelement 41 ausgebildet, die sich ortsfest im äußeren Gehäuse 60 abstützen und den Sensorhalter 20 anstellen.
Als Einsatzgebiete der Erfindung kommen unter anderem alle Anwendungen in Frage, bei denen eine Drehmomentmessung mittels (inversem)
magnetostriktivem und/oder magnetoelastischem Effekt erfolgt oder denkbar ist. Insbesondere bietet sich der Einsatz dort an, wo besondere Anforderungen an die Sensorlage in Bezug auf die zu vermessende Welle 16 gestellt werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz bei Fahrrädern oder Pedelecs.

Claims

Ansprüche
1 . Messanordnung (100) zur Messung des Drehmomentes (M) an einer Welle (16) und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle (16), mit:
- einer Sensoreinrichtung (30), welche eingerichtet ist, ein von der Welle (16) getragenes oder erzeugtes Magnetfeld (H) zu messen,
- einem Sensorhalter (20) zum Halten der Sensoreinrichtung (30) und zur Anordnung der Sensoreinrichtung (30) gegenüber einem Bereich (17a) einer Außenumfangsflache (17) der Welle (16) und
- mindestens einem Kraftelement (41 ), welches eingerichtet ist, durch Kraftbeaufschlagung den Sensorhalter (20) gegenüber dem Bereich (17a) der Außenumfangsflache (17) der Welle (16) ortsfest anzuordnen.
2. Messanordnung (100) nach Anspruch 1 ,
wobei das mindestens eine Kraftelement (41 ) eingerichtet ist, an einer der Welle (16) abgewandten Außenseite (20a) des Sensorhalters (20) eine Druckkraft so auszuüben, dass durch die Druckkraft der
Sensorhalter (20) an den Bereich (17a) der Außenumfangsflache (17) der Welle (16) anliegt.
3. Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Kraftelement (41 ) ein elastisches
Kraftelement ist.
4. Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei das mindestens eine Kraftelement (41 ) in Wirkrichtung der Kraft ein erstes und ein zweites Ende (41 a, 41 b) aufweist,
- wobei das erste Ende (41 a) sich an einer der Welle (16)
abgewandten Außenseite (20a) des Sensorhalters (20) abstützt und
- wobei das zweite Ende (41 b) eingerichtet ist, sich an einer der Welle (16) zugewandten Innenseite (60b) eines die Welle (16) und die Messanordnung (100) umgebenden Gehäuses (60) abzustützen.
Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sensorhalter (20) mindestens eine Lagerstelle (42) bildet, welche insbesondere als Haibschalenlagerung ausgebildet ist und/oder durch das mindestens eine Kraftelement (41 ) am Bereich (17a) der Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) federnd angestellt ist.
Messanordnung (100) nach Anspruch 5,
wobei die mindestens eine Lagerstelle (42) eine oder mehrere
Kontaktstellen zwischen der Welle (16) und dem Sensorhalter (20) definiert.
Messanordnung (100) nach Anspruch 6,
wobei die Kontaktstellen als Gleitlager und/oder Gleitbuchsen ausgebildet sind, vorzugsweise als in den Sensorhalter (20) eingesetzte Elemente und/oder dadurch, dass den Sensorhalter (20) insgesamt oder ein Bereich des Sensorhalters (20), welcher der Welle (16) zugewandt ist, mit oder aus einem gleitenden Material ausgebildet ist.
Messanordnung (100) nach Anspruch 7,
wobei die Gleitlager und/oder Gleitbuchsen als Teilkreisstücke jeweils mit einem Bogen von weniger als 180°ausgebildet sind.
Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Verdrehsicherung (70), welche eingerichtet ist, ein Mitdrehen des Sensorhalters (20) mit der Welle (16) zu verhindern und welche insbesondere Teil des Sensorhalters (20) ist und/oder ein oder mehrere Bohrungen oder Rippen aufweist.
Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Bereich (17a) der Außenumfangsfläche (17) der Welle (16) von einem Torsionselement (18), insbesondere von einer Torsionswelle, mit oder aus einem magnetostriktiven und/oder magnetoelastischen Material gebildet wird, das eingerichtet ist zur Drehmomentübertragung als Zwischenwellenstück zwischen ersten und zweiten
Wellenabschnitten (16-1 , 16— 2) der Welle (16).
1 1 . Kurbeltrieb (2) für ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug (1 ), insbesondere für ein Elektrofahrrad (1 ),
mit:
- einer Welle (16), welche zur Aufnahme und drehfesten Kopplung mit mindestens einer Kurbel (7, 8) zur Drehmonentübertragung eingerichtet ist, und
- mit einer Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Messung des Drehmoments (M) an der Welle (16) und insbesondere des Torsionsmomentes der Welle (16).
12. Mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug (1 ),
insbesondere Elektrofahrrad (1 ), umfassend:
- einen Kurbeltrieb (2) nach Anspruch 1 1 ,
- einen elektrischen Antrieb (3), welcher insbesondere im Bereich des Kurbeltriebs (2) angeordnet ist, und
- eine Steuereinheit (10), welche zur Steuerung des elektrischen
Antriebs (3) eingerichtet ist.
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