DE102020131588A1

DE102020131588A1 - Elastisches Übertragungselement für ein Spannungswellengetriebe, Verfahren

Info

Publication number: DE102020131588A1
Application number: DE102020131588.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Heim
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elastisches Übertragungselement für ein Spannungswellengetriebe, wobei das elastische Übertragungselement eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen aufweist, insbesondere von Scherdehnungen und/oder -stauchungen, die durch ein Drehmoment verursacht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung mindestens einen ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor und einen zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor umfasst, wobei der erste Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal im Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Übertragungselement für ein Spannungswellengetriebe, wobei das elastische Übertragungselement eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen aufweist, insbesondere von Scherdehnungen und/oder -stauchungen, die durch ein Drehmoment verursacht sind. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet.
In dem Artikel von Hashimoto, M. et al.: „A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives“ in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Ausgabe 2, Seiten 1034-1039, April 1991 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe beschrieben. Zur Messung dienen Dehnungsmessstreifen, welche auf einem elastischen Übertragungselement des Spannungswellengetriebes angeordnet sind.
Die DE 10 2004 041 394 A1 zeigt eine Wellengetriebevorrichtung mit einem Drehmomentdetektionsmechanismus, welcher auf einem flexiblen Außenzahnrad mehrere Dehnungsmesser mit Widerstandsdrahtbereichen umfasst, die über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen sind.
Die JP 2016-045055 A zeigt die Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrücke mit einem Dehnungsmesstreifen auf einer rotierenden Welle eines Wellgetriebes.
Aus der US 6,840,118 B2 ist ein Drehmoment-Messverfahren zum Messen eines in einer Wellengetriebevorrichtung übertragenen Drehmomentes bekannt. In der Wellengetriebevorrichtung steht ein flexibles, kreisförmiges Außenverzahnungsrad teilweise im Eingriff mit einem starren Innenverzahnungsrad. Auf der Oberfläche des flexiblen Außenverzahnungsrades sind mehrere Sätze von Dehnungsfühlern befestigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Störeinflüsse bei der Messung einer mechanischen Beanspruchung, insbesondere einer durch ein Drehmoment erzeugten Scherdehnung in einem Spannungswellengetriebe, vorteilhaft verringern zu können, sodass eine präzise und hochwertige Drehmomentmessung vorzugsweise kosteneffizient und möglichst bauraumneutral ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elastisches Übertragungselement für ein Spannungswellengetriebe, wobei das elastische Übertragungselement eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen aufweist, insbesondere von Scherdehnungen und/oder - stauchungen, die durch ein Drehmoment verursacht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung mindestens einen ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor und einen zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor umfasst, wobei der erste Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal im Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist.
Mithilfe der Dehnungsmessstreifen-Sensoren können Scherdehnungen, insbesondere im Stirnbereich und/oder im zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements, erfasst werden, die durch das Drehmoment erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass sich die Winkelung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren zur lokalen Polachse insbesondere jeweils auf den lokalen Winkel zwischen dem oder den zur Messung vorgesehenen Streifen eines Dehnungsmessstreifen-Sensors und der lokalen Polachse, die sich ausgehend von einer zentralen Achse des Übertragungselements in radiale Richtung nach außen erstreckt, bezieht.
Es ist erfindungsgemäß sowohl denkbar, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung bzw. die Dehnungsmessstreifen-Sensoren auf einer Außenseite (bzw. Stirnseite) des Stirnbereichs angeordnet sind, die von einem zylindrischen Teil bzw. einem Hülsenbereich des elastischen Übertragungselements abgewandt ist, als auch auf einer Innenseite des Stirnbereichs, die zum zylindrischen Teil bzw. dem Hülsenbereich des elastischen Übertragungselements hingewandt ist. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind dabei jeweils zur lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements angewinkelt, verlaufen also insbesondere nicht parallel zur Polachse. Die Messrichtungen der Dehnungsmessstreifen-Sensoren erstrecken sich somit vorzugsweise jeweils lokal in eine Richtung, die zwischen der lokalen Polachse und der lokalen Polarwinkelrichtung, liegt. Es ist alternativ möglich, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung bzw. die Dehnungsmessstreifen-Sensoren an einem zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements angeordnet sind.
Dadurch, dass der erste Dehnungsmessstreifen-Sensor in Polarwinkelrichtung lokal im Uhrzeigersinn zur Polachse gewinkelt ist und der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensoren lokal gegen den Uhrzeigersinn zur Polachse gewinkelt ist, können ungewünschte Störsignale durch eine Verschaltung der Sensoren vorteilhaft eliminiert werden. Solche Störsignale umfassen insbesondere Störsignale, die sich mehrfach pro Umdrehungsperiode des nicht-kreisförmigen Wellengenerators des Spannungswellengetriebes, insbesondere periodisch, ändern. Beispielsweise ändern sich die Störsignale periodisch zweimal, dreimal, viermal, fünfmal, sechsmal, usw. pro Umdrehungsperiode des nicht-kreisförmigen Wellengenerators. Die Störsignale werden dabei insbesondere durch die lokale Verformung verursacht, die das elastische Übertragungselement periodisch zweimal pro Umdrehung des Wellengenerators durch die nicht-kreisförmige Scheibe des Wellengenerators erfährt. Die nicht-kreisförmige Scheibe verformt bei ihrer Drehbewegung das elastische Übertragungselement, was teilweise zu erheblichen Störsignalen in den Ausgabesignalen der Dehnungsmessstreifen-Sensoren führt. Diese Störsignale sind in vielen Anwendungen in der Größenordnung des gewünschten, durch das Drehmoment verursachten Signals der Dehnungsmessstreifen-Sensoren oder können sogar größer als das gewünschte Signal sein. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren können derartige Störsignale insbesondere kosteneffizient eliminiert bzw. zumindest erheblich verringert werden. Ferner ist es möglich, durch die Anbringung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren am Stirnbereich oder am zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements eine platzsparende und bauraumsparende Ausführung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß bezieht sich der „Uhrzeigersinn“ vorzugsweise auf eine Aufsicht auf den Stirnbereich des elastischen Übertragungselements, insbesondere auf eine Aufsicht auf die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung.
Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement kann eine drehmomentübertragende Komponente eines Spannungswellengetriebes bilden. Ein solches Spannungswellengetriebe kann auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden. Das elastische Übertragungselement kann auch als Flexspline bezeichnet werden. Das elastische Übertragungselement ist dabei bevorzugt zur Ableitung eines vom Spannungswellengetriebe zu übertragenden Drehmoments ausgebildet. Es ist denkbar, dass das elastische Übertragungselement beim Betrieb des Spannungswellengetriebes ein feststehender Teil oder ein sich bewegender Teil ist.
Das elastische Übertragungselement weist vorzugsweise eine Außenverzahnung auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Innenverzahnung eines starren Außenringes des Spannungswellengetriebes einzugreifen. Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung weisen eine Differenz ihrer Zähnezahlen auf, die beispielsweise zwei beträgt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar,

-- dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung auf einem Stirnbereich des elastischen Übertragungselements angeordnet ist, insbesondere auf einer Stirnseite des Stirnbereichs, die von einem zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements abgewandt ist, oder auf einer Innenseite des Stirnbereichs, die zum zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements hingewandt ist, und/oder
-- dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung auf einem zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements angeordnet ist. Bevorzugt ist dabei die Ausbildung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung an dem Stirnbereich. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung auf einem zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements angebracht ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung eine Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren umfasst, wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren den ersten und den zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor umfasst,

-- wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren entweder als Halbbrücke ausgebildet ist, oder
-- wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren zusätzlich einen dritten und einen vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor umfasst, wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Vollbrücke ausgebildet ist, wobei der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal im Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist, wobei der vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist, wobei im Uhrzeigersinn insbesondere:
-- der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor,
-- der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor und
-- der vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem dritten Dehnungsmessstreifen-Sensor angeordnet ist.

Die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren wird vorzugsweise als Sensorpaar im Sinne einer Halbbrücke oder mit vier Dehnungsmessstreifen-Sensoren im Sinne einer Vollbrücke ausgewertet. Es hat sich dabei gezeigt, dass eine besonders effiziente Reduzierung von Störungen durch eine Ausbildung und Versschaltung der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Vollbrücke erreicht werden kann. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind dabei in Umfangsrichtung (des elastischen Übertragungselements) jeweils abwechselnd mit dem Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zur lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements gewinkelt. Hierdurch findet eine besonders vorteilhafte Eliminierung von Störsignalen statt. Es ist jedoch auch denkbar, dass einige oder alle der Dehnungsmessstreifen-Sensoren einzeln im Sinne von Viertelbrücken verschaltet sind.
Vorzugsweise ist es möglich, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung jeweils entlang eines Teilkreises geführt (gekrümmt) sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der erste Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal mit einem Winkel A zur lokalen Polachse ausgebildet ist, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal mit einem Winkel -A zur lokalen Polachse ausgebildet ist, wobei bevorzugt der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal mit dem Winkel A zur lokalen Polachse ausgebildet ist, wobei bevorzugt der vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal mit dem Winkel -A zur lokalen Polachse ausgebildet ist. Die Winkel A bzw. -A zur lokalen Polachse bezieht sich dabei insbesondere jeweils auf den lokalen Winkel zwischen dem oder den zur Messung vorgesehenen Streifen eines Dehnungsmessstreifen-Sensors und der lokalen Polachse, die sich ausgehend von einer zentralen Achse des Übertragungselements in radiale Richtung nach außen erstreckt. Ein positiver Winkel A ist dabei insbesondere vorhanden, wenn der oder die Streifen eines Dehnungsmessstreifen-Sensors zur lokalen Polachse im Uhrzeigersinn angewinkelt sind. Ein negativer Winkel -A ist dabei insbesondere vorhanden, wenn der oder die Streifen eines Dehnungsmessstreifen-Sensors gegen den Uhrzeigersinn zur lokalen Polachse angewinkelt sind. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind somit besonders bevorzugt in Umfangrichtung jeweils abwechselnd mit dem Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn und somit abwechselnd mit positivem Winkel A und negativem Winkel -A relativ zur lokalen Polachse ausgebildet. Hierdurch findet eine besonders vorteilhafte Eliminierung von Störsignalen statt. Der Winkel A und der Winkel -A haben dabei insbesondere den gleichen Betrag, also beispielsweise 45° und -45° (oder 40° und -40°, usw.).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Winkel A zwischen einschließlich 1° und 89°, bevorzugt zwischen einschließlich 15° und 75°, weiter bevorzugt zwischen einschließlich 30° und 60°, besonders bevorzugt 45°, ist. Der Winkel -A hat insbesondere den gleichen Betrag wie der Winkel A, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen (da er ausgehend von der lokalen Polachse gegen den Uhrzeigersinn zeigt). Der Winkel -A ist dementsprechend vorzugsweise zwischen einschließlich -1° und -89°, bevorzugt zwischen einschließlich -15° und -75°, weiter bevorzugt zwischen einschließlich - 30° und -60°, besonders bevorzugt -45°.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren entlang einer zur Achse des elastischen Übertragungselements konzentrisch verlaufenden Kreislinie angeordnet ist. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren weisen somit in vorteilhafter Weise alle den gleichen radialen Abstand zur zentralen Achse des elastischen Übertragungselements auf und sind entlang einer Kreislinie angeordnet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Eliminierung bzw. Reduzierung der Störsignale erreicht werden. Die Kreislinie ist insbesondere eine gedachte Kreislinie, die bevorzugt auf dem Stirnbereich (oder alternativ auf dem zylindrischen Teil) des elastischen Übertragungselements angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren jeweils mit gleichen Polarwinkelabständen untereinander über einen Winkelbereich der Kreislinie, über den sich die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren erstreckt, angeordnet sind. Der Winkelbereich kann dabei die gesamte Kreislinie abdecken, also 360° betragen, aber auch geringer sein, beispielsweise 90°, 120° oder 180°. Es ist somit insbesondere denkbar, dass sich die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren lediglich über einen Teil der Kreislinie erstreckt. Es können entlang der Kreislinie eine oder mehrere weitere Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren angeordnet sein. Durch die Anordnung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren in gleichen Polarwinkelabständen ist eine besonders vorteilhafte Reduzierung von Störungen möglich.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung eine weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren umfasst, wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren insbesondere entlang der Kreislinie angeordnet ist, wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren mindestens einen weiteren ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor und einen weiteren zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor umfasst, wobei der weitere erste Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal im Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist, wobei der weitere zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist. Besonders bevorzugt sind alle entlang der Kreislinie angeordneten Dehnungsmessstreifen-Sensoren (also sowohl die Dehnungsmessstreifen-Sensoren der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als auch die Dehnungsmessstreifen-Sensoren der weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren sowie ggf. vorhandene Dehnungsmessstreifen-Sensoren von noch weiteren Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren) in gleichen Polarwinkelabständen zueinander versetzt entlang einer Kreislinie angeordnet. Vorzugsweise erstrecken sich alle Dehnungsmessstreifen-Sensoren in Umfangsrichtung jeweils über gleichlange Kreissegmente der Kreislinie.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar,

-- dass die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Halbbrücke ausgebildet ist, oder
-- dass die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren zusätzlich einen weiteren dritten und einen weiteren vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor umfasst, wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Vollbrücke ausgebildet ist, wobei der weitere dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal im Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist, wobei der weitere vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor lokal gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt zu einer lokalen Polachse des elastischen Übertragungselements ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass im Uhrzeigersinn insbesondere:
-- der weitere zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem weiteren ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor,
-- der weitere dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem weiteren zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor und
-- der weitere vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem weiteren dritten Dehnungsmessstreifen-Sensor angeordnet ist. Es ist alternativ jedoch auch möglich, dass im Uhrzeigersinn
-- der weitere erste Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem weiteren zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor,
-- der weitere vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem weiteren ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor und
-- der weitere dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor nach dem weiteren vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor angeordnet ist.

Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass zusätzlich zur Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren und zur weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren eine oder mehrere noch weitere Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren vorhanden sind. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung insgesamt zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren umfasst, die vorzugsweise jeweils als Vollbrücken oder alternativ jeweils als Halbbrücken verschaltet sind. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren innerhalb einer Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind dabei jeweils entlang einer Kreislinie angeordnet. Vorzugsweise sind alle Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren entlang der gleichen Kreislinie, also im gleichen Abstandsradius zu einer zentralen Achse des elastischen Übertragungselements, angeordnet. Alle Dehnungsmessstreifen-Sensoren innerhalb einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung sind dabei in Umfangsrichtung jeweils abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn zur lokalen Polachse an ihrer Stelle angewinkelt, vorzugsweise abwechselnd mit positivem Winkel A und negativem Winkel -A zur lokalen Polachse. Vorzugsweise erstrecken sich alle Dehnungsmessstreifen-Sensoren in Umfangsrichtung jeweils über gleichlange Kreissegmente der Kreislinie. Gleichzeitig sind die Dehnungsmessstreifen-Sensoren besonders bevorzugt jeweils entlang eines Teilkreises geführt (gekrümmt).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das elastische Übertragungselement einen zylindrischen Teil und einen Stirnbereich umfasst,

-- wobei der Stirnbereich einen Flansch umfasst, der sich ausgehend von dem zylindrischen Teil radial nach außen erstreckt, und/oder
-- wobei der Stirnbereich einen sich ausgehend von dem zylindrischen Teil radial nach innen erstreckenden Bereich umfasst. Der zylindrische Teil kann auch als Hülsenbereich verstanden werden und umfasst vorzugsweise eine Außenverzahnung.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Spannungswellengetriebe, mit einem eine nicht-kreisförmige Scheibe umfassenden Wellengenerator, einem starren Außenring und einem elastischen Übertragungselement nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Außenring weist insbesondere eine Innenverzahnung auf, die mit einer Außenverzahnung des elastischen Übertragungselements zusammenwirken kann. Ferner umfasst das System vorzugsweise Auslese- und/oder Auswerte-Schaltungsmittel zum Auslesen und/oder Auswerten der Messsignale der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung. Derartige Spannungswellengetriebe können vielfältige Anwendung finden, beispielsweise in Gelenken in der Robotik.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen von einem elastischen Übertragungselement gemäß einer Ausführungsform er vorliegenden Erfindung, insbesondere von Scherdehnungen und/oder -stauchungen, die durch ein Drehmoment verursacht sind, wobei die mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen mithilfe der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemessen werden.
Für das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe und das Verfahren zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen von können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselement oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselements beschrieben worden sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3B eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs eines elastischen Übertragungselements gemäß der Ausführungsform der 3A.
4A eine schematische Darstellung einer Schaltung einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4B eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 4A.
4C eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 4A.
5A eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5B eine schematische Darstellung einer Schaltung für eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 5A.
5C eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 5A.
6A eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6B eine schematische Darstellung einer Schaltung für eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 6A.
6C eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 6A.
6D eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 6A.
7A eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7B eine schematische Darstellung einer Schaltung für eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 7A.
8A eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8B eine schematische Darstellung einer Schaltung für eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 8A.
9A eine schematische Darstellung eines elastisches Übertragungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9B eine schematische Darstellung einer Schaltung für eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 9A.
9C eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 9A.
9D eine schematische Darstellung von Signalen einer Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 9A.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 für ein Spannungswellengetriebe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das elastische Übertragungselement 30 umfasst einen zylindrischen Teil 33 mit einer Außenverzahnung 34 sowie einen an den zylindrischen Teil 33 anschließenden Stirnbereich 31, der sich ausgehend von dem zylindrischen Teil 33 nach außen (von der zentralen Achse 110 weg) erstreckt und als Flansch ausgebildet ist. Alternativ wäre es denkbar, dass sich der Stirnbereich vom zylindrischen Teil ausgehend nach innen, also in Richtung der zentralen Achse 110 erstreckt, oder sowohl nach innen als auch nach außen. Auf dem Stirnbereich ist eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung angeordnet (nicht dargestellt). Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung kann dabei auf der Stirnseite 32 und/oder auf der in Richtung des zylindrischen Teils 33 zeigenden Seite des Stirnbereichs 31 ausgebildet sein. Die zentrale Achse 110 beschreibt eine axiale Richtung des elastischen Übertragungselements 30.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf eine Stirnseite 32 des Stirnbereichs 31 des elastischen Übertragungselements 30 gezeigt. Auf dem Stirnbereich 31 ist eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung ausgebildet. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung umfasst insgesamt 16 Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, die mit gleichem Abstand zur zentralen Achse 110 entlang einer Kreislinie 40 in Umfangsrichtung 101 ausgebildet sind. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 sind dabei jeweils mit gleichem Polarwinkelabständen zueinander über den gesamten Umfang der Kreislinie 40 angeordnet. Insbesondere ist der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 somit 360°/16 = 22,5°. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 können als Viertelbrücken, Halbbrücken oder Vollbrücken verschaltet sein. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 sind jeweils abwechselnd im Uhrzeigersinn 102 und gegen den Uhrzeigersinn 102 gewinkelt zu einer lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 sind somit im Uhrzeigersinn gewinkelt zu der lokalen Polachse 100 ausgebildet und die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 sind gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt zu der lokalen Polachse 100 ausgebildet. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 weisen somit jeweils eine lokalen Winkel A zur lokalen Polachse 100 auf und die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 einen lokalen Winkel -A zur lokalen Polachse 100. Der Winkel A ist insbesondere 45° und der Winkel -A ist -45°. Es kommen jedoch auch andere Winkel infrage.
In 3A ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf eine Stirnseite 32 des Stirnbereichs 31 des elastischen Übertragungselements 30 gezeigt. Im Unterschied zur der in der 2 gezeigten Ausführungsform sind die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 zu Gruppen verschaltet. Insbesondere sind die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 gemeinsam als Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet. Entsprechend sind die weiteren Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 als weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet, die noch weiteren Dehnungsmessstreifen-Sensoren 9, 10, 11, 12 als noch weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet, sowie die noch weiteren Dehnungsmessstreifen-Sensoren 13, 14, 15, 16 als noch weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet. Insgesamt sind somit vier Vollbrücken vorhanden. Die jeweils äußeren Kontaktpads jeder Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren werden auf das gleiche elektrische Potential gelegt. Beispielsweise liegen somit die Kontaktpads 70, 71 der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 auf dem gleichen elektrischen Potential.
Die Winkelabstände zwischen den Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 entlang der Kreislinie 40 sind auch bei der Ausführungsform gemäß der 3A jeweils 360°/16 = 22,5°, sodass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 gleichmäßig über die Kreislinie 40 verteilt sind.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren entlang der Kreislinie, die Verschaltung als Vollbrücken sowie die Anzahl von insgesamt vier Vollbrücken kann eine besonders vorteilhafte Reduzierung von Störsignalen erzielt werden. Selbst Störungen mit höheren Ordnungen, also Störungen, deren Periode vielfach in die Periode des Wellengenerators des Spannungswellengetriebes passt, können somit vorteilhaft eliminiert bzw. verringert werden.
In 3B ist eine vergrößerte Ansicht der 3A um den Bereich der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 gezeigt. Die als Vollbrücke ausgebildete Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 umfasst den ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor 1, den zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor 2, den dritten Dehnungsmessstreifen-Sensor 3 und den vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor 4. Der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor 1, 3 sind lokal im Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Der zweite und vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor 2, 4 sind lokal gegen den Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel -A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Durch die abwechselnde Ausbildung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 mit positivem Winkel A und negativem Winkel -A zur lokalen Polachse 100 ergibt sich eine vorteilhafte Unterdrückung von Störungen. Vorzugsweise sind die weiteren Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren jeweils entsprechend ausgebildet.
In 4A ist ein elektrisches Schaltbild für eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es kann sich dabei beispielsweise um die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 3A und 3B handeln. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 weisen jeweils entsprechende elektrische Widerstände R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16 auf und sind gemäß vier Vollbrücken mit Spannungen Uout1, Uout2, Uout3, Uout4 verschaltet. Die Signale der vier Vollbrücken werden vorzugsweise addiert. Es ist denkbar, die Signale der Vollbrücken einzeln zu verstärken und dann zusammenzuführen oder die Signale zusammenzuführen und dann zu verstärken. Für die dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden alle ungeradzahligen Störungen, also alle Störungen, deren Periode 1/n der Periode des Wellengenerators entspricht, wobei n eine ungerade natürliche Zahl ist, eliminiert. Auch additive geradzahlige Störungen, also Störungen, deren Periode 1/n der Periode des Wellengenerators entspricht, wobei n eine gerade natürliche Zahl ist, werden eliminiert. Ab n=6 werden geradzahlige multiplikative Störungen jedoch nicht mehr eliminiert (Ausnahme: n=12, 14, 16, 18, 20, ...). Eine Simulation der Signale S10, S20, S30, S40 der vier Vollbrücken für eine 6-periodische additive Störung, also eine Störungsanregung, deren Periode 1/6 der Periode des Wellengenerators entspricht, ist in 4B dargestellt. Es sind die Signale S10, S20, S30, S40 der einzelnen Vollbrücken gegen den Winkel K des Wellengenerators aufgetragen. Hierbei ist das Signal S10 das Signal der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, das Signal S20 das Signal der weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8, das Signal S30 das Signal der noch weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 9, 10, 11, 12, und das Signal S40 das Signal der noch weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 13, 14, 15, 16. Das Summensignal S ist die Summe der Signale S10, S20, S30, S40 der vier Vollbrücken. Wie zu erkennen, werden die periodischen Störungen der Signale S10, S20, S30, S40 im Summensignal S eliminiert, sodass das Summensignal S nicht vom Winkel K des Wellengenerators abhängt. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte Eliminierung, selbst von Störungen mit vergleichsweise hoher Ordnung bzw. Frequenz ermöglicht. In 4C ist eine Simulation für eine additive und multiplikative 6-periodische Störanregung gezeigt. Auch in diesem Fall wird die Abhängigkeit vom Wellengeneratorwinkel K und somit das Störsignal im Summensignal S im Vergleich zu den Einzelsignalen S10, S20, S30, S40 stark reduziert. Es verbleibt jedoch eine periodische Störung im Summensignal S, die insbesondere durch die multiplikative 6-periodische Störanregung bedingt ist.
In 5A ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf eine Stirnseite 32 des Stirnbereichs 31 des elastischen Übertragungselements 30 gezeigt. Auf dem Stirnbereich 31 ist eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung ausgebildet, die insgesamt vier Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 aufweist. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 sind entlang eines Kreissegments von 180° angeordnet und gemeinsam als Vollbrücke verschaltet. Der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor 1, 3 sind lokal im Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet, und der zweite und vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor 2, 4 sind lokal gegen den Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel -A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Diese Winkelung zur lokalen Polachse 100 ist in der Darstellung dadurch wiedergegeben, dass der erste und dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor 1, 3 gepunktet und der zweite und vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor 2, 4 gestrichelt ausgefüllt sind. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind mit dem gleichen Winkelabstand zueinander, also insbesondere jeweils um 180°/4=45° versetzt, entlang des Kreissegments angeordnet. In 5B ist ein elektrisches Schaltbild für die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 5A dargestellt. Eine Simulation der Signale S1, S2, S3, S4 der vier Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 für eine 2-periodische additive Störung, also eine Störungsanregung, deren Periode 1/2 der Periode des Wellengenerators entspricht, ist in 5C dargestellt. Es sind das Signal S1 des ersten Dehnungsmessstreifen-Sensors 1, das Signal S2 des zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensors 2, das Signal S3 des dritten Dehnungsmessstreifen-Sensors 3 und das Signal S4 des vierten Dehnungsmessstreifen-Sensors 4 gegen den Winkel K des Wellengenerators aufgetragen. Das Summensignal S der gesamten Vollbrücke ist für die additive 2-periodische Störung nicht vom Winkel K des Wellengenerators abhängig. Somit kann eine für die Praxis bedeutende Störung eliminiert werden.
In 6A ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf eine Stirnseite 32 des Stirnbereichs 31 des elastischen Übertragungselements 30 gezeigt. Auf dem Stirnbereich 31 ist eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung ausgebildet, die insgesamt acht Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 aufweist. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 bilden eine Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren, die als Vollbrücke verschaltet ist, und die weiteren Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 bilden eine weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren, die ebenfalls als Vollbrücke verschaltet ist. Der erste, dritte, weitere erste und weitere dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor 1, 3, 5, 7 sind lokal im Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Der zweite, vierte, weitere zweite und weitere vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor 2, 4, 6, 8 sind lokal gegen den Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel -A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Somit sind die Dehnungsmessstreifen-Sensoren in Umfangrichtung immer abwechselnd mit positivem Winkel A und negativem Winkel -A zur lokalen Polachse 100 ausgebildet. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, sind jeweils mit dem gleichen Winkelabstand zueinander versetzt auf einer Kreislinie angeordnet. In 6B ist ein elektrisches Schaltbild für die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 6A dargestellt. Eine Simulation der Signale der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 6A und 6B für eine 3-periodische additive und multiplikative Störung, also eine Störungsanregung, deren Periode 1/3 der Periode des Wellengenerators entspricht, ist in 6C dargestellt. Es sind das Signal S10 der Vollbrücke, die durch die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 gebildet ist, und das Signal S20 der Vollbrücke, die durch die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 gebildet ist, dargestellt. Das Summensignal S der beiden Signale S10 und S20 ist nicht vom Winkel K des Wellengenerators abhängig. In 6D ist eine Simulation der Signale der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemäß der 6A und 6B für eine 2-periodische additive und multiplikative Störung, also eine Störungsanregung, deren Periode 1/2 der Periode des Wellengenerators entspricht, dargestellt.
In den bisher dargestellten Ausführungsformen sind die einzelnen Vollbrücken vorzugsweise derart verschaltet, dass für eine Vollbrücke eine eigene Verstärkung vorhanden ist. Hierdurch können beispielsweise leichte bauliche oder elektrische Unterschiede in den einzelnen Vollbrücken durch die entsprechende Wahl der Verstärkung einzelnen Vollbrücken angepasst werden, insbesondere bevor die Signale der einzelnen Vollbrücken addiert werden. Somit kann ein besonders vorteilhaftes Ergebnis unter Berücksichtigung von Produktionsschwankungen oder Änderungen über die Lebenszeiten des Bauteils erfolgen. In den 7A und 7B ist eine Alternative hierzu dargestellt. Die in der 7A gezeigte Anordnung der Dehnungsmessstreifen-Sensoren auf dem elastischen Übertragungselement 30 entspricht dabei grundsätzlich der in der 6A dargestellten Anordnung. Gemäß der in der 7B dargestellten alternativen Verschaltung wird das Summensignal der beiden Vollbrücken jedoch durch Parallelschaltung der Vollbrücken erzeugt, wobei erst danach eine Verstärkung stattfindet. Hierdurch ist es möglich, dass insgesamt lediglich ein Messverstärker vorhanden ist und somit Bauraum und Kosten gespart werden können.
In 8A ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf eine Stirnseite 32 des Stirnbereichs 31 des elastischen Übertragungselements 30 gezeigt. Auf dem Stirnbereich 31 ist eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung ausgebildet, die insgesamt acht Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 aufweist. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 sind als Vollbrücke verschaltet und gemäß der 7A auf dem Stirnbereich 31 angeordnet. Im Unterschied zur Anordnung gemäß der 7A ist jedoch der in Umfangrichtung hinter dem vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor 4 angeordnete weitere erste Dehnungsmessstreifen-Sensor 5 der weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 lokal gegen den Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel -A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Gleiches gilt für den weiteren dritten Dehnungsmessstreifen-Sensor 7. Der weitere zweite und weitere vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor 6, 8 sind hingegen lokal im Uhrzeigersinn 102 mit dem Winkel A gewinkelt zur lokalen Polachse 100 des elastischen Übertragungselements 30 ausgebildet. Somit ist die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 gespiegelt zur Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 ausgebildet. Auch in dieser Variante sind die Dehnungsmessstreifen-Sensoren innerhalb einer Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren (bzw. innerhalb einer Vollbrücke) in Umfangsrichtung immer abwechselnd lokal mit dem Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gewinkelt mit dem Winkel A und -A zur lokalen Polachse ausgebildet. Ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform der 8A ist in der 8B dargestellt.
In 9A ist eine schematische Darstellung eines elastischen Übertragungselements 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf eine Stirnseite 32 des Stirnbereichs 31 des elastisches Übertragungselements 30 gezeigt. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung umfasst insgesamt zwölf Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Insbesondere sind die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4 gemeinsam als Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet. Entsprechend sind die weiteren Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 als weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet und die noch weiteren Dehnungsmessstreifen-Sensoren 9, 10, 11, 12 als noch weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren ausgebildet und als Vollbrücke verschaltet. Jede der drei Gruppen von Dehnungsmessstreifen-Sensoren umfasst einen Winkelbereich von 120°. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 sind in Umfangsrichtung abwechselnd mit positivem Winkel A und negativem Winkel -A zur lokalen Polachse 100 angewinkelt. In 9B ist ein Schaltbild für die Ausführungsform gemäß der 9A dargestellt.
Mit der Ausführungsform gemäß 9A und 9B ist es möglich, alle ungeradzahligen Störungen, also alle Störungen, deren Periode 1/n der Periode des Wellengenerators entspricht, wobei n eine ungerade natürliche Zahl ist, zu eliminieren. Auch additive geradzahlige Störungen, also Störungen, deren Periode 1/n der Periode des Wellengenerators entspricht, wobei n eine gerade natürliche Zahl ist, werden eliminiert. Ab n=4 werden geradzahlige multiplikative Störungen jedoch nicht mehr eliminiert (Ausnahme: 10, 12, 14, 22, 24, 26, 34, 36, 38, ...). Eine Simulation der Signale der drei Vollbrücken gemäß 9A und 9B für eine 4-periodische additive Störung, also eine Störungsanregung, deren Periode 1/4 der Periode des Wellengenerators entspricht, ist in 9C dargestellt. Es sind die Signale S10, S20, S30 der einzelnen Vollbrücken gegen den Winkel K des Wellengenerators aufgetragen. Hierbei ist das Signal S10 das Signal der Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 1, 2, 3, 4, das Signal S20 das Signal der weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 5, 6, 7, 8 und das Signal S30 das Signal der noch weiteren Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren 9, 10, 11, 12. Das Summensignal S ist die Summe der Signale S10, S20, S30 der drei Vollbrücken. Wie zu erkennen, werden die periodischen Störungen der Signale S10, S20, S30 eliminiert, sodass das Summensignal S nicht vom Winkel K des Wellengenerators abhängt. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte Eliminierung, selbst von Störungen mit vergleichsweise hoher Ordnung bzw. Frequenz ermöglicht. In 9D ist eine Simulation für eine additive und multiplikative 4-periodische Störanregung gezeigt. Auch in diesem Fall wird das Störsignal im Summensignal S im Vergleich zu den Einzelsignale S10, S20, S30 reduziert. Es verbleibt jedoch eine periodische Störung im Summensignal S, die insbesondere durch die multiplikative 4-periodische Störanregung bedingt ist.
Die vorhergehend beschrieben n-periodischen Störungen bzw. Störanregungen können insbesondere im Zusammenhang mit der Periodizität der nicht-kreisförmigen Scheibe des Wellengenerators stehen, die das elastische Übertragungselement im Betrieb des Wellengetriebes verformt. In erster Ordnung verformt die nicht-kreisförmigen Scheibe das elastische Übertragungselement 30 typischerweise mit doppelter Frequenz. Die Verformung des elastischen Übertragungselements 30 durchläuft also pro vollständiger Umdrehung der nicht-kreisförmigen Scheibe des Wellengenerators zwei Perioden. Dies verursacht eine 2-periodische Störung. Es können in der Praxis, insbesondere abhängig von der Anwendung und der genauen Ausgestaltung des Wellengetriebes, jedoch auch Störungen mit noch höherer Frequenz, also n-periodische Störungen, wobei n eine natürliche Zahl größer 2 ist, vorkommen. Auch Störungen, die nicht lediglich additiv, sondern multiplikativ wirken, sind denkbar. Erfindungsgemäß kann eine vorteilhafte Reduzierung der Störungen im Messsignal der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung erreicht werden, wodurch eine bessere Bestimmung eines Drehmoments auf Grundlage des Messsignals bzw. der Messsignale der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

1: erster Dehnungsmessstreifen-Sensor
2: zweiter Dehnungsmessstreifen-Sensor
3: dritter Dehnungsmessstreifen-Sensor
4: vierter Dehnungsmessstreifen-Sensor
5: weiterer erster Dehnungsmessstreifen-Sensor
6: weiterer zweiter Dehnungsmessstreifen-Sensor
7: weiterer dritter Dehnungsmessstreifen-Sensor
8: weiterer vierter Dehnungsmessstreifen-Sensor
9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16: noch weitere Dehnungsmessstreifen-Sensoren
30: elastisches Übertragungselement
31: Stirnbereich
32: Stirnseite
33: zylindrischer Teil
34: Außenverzahnung
40: Kreislinie
100: lokale Polachse
101: Umfangsrichtung
102: Uhrzeigersinn
110: Achse
K: Winkel des Wellengenerators
R1-R16: Widerstände der entsprechenden Dehnungsmessstreifen-Sensoren
S1-S4: Signale der Dehnungsmessstreifen-Sensoren
S10-S40: Signale der Vollbrücken
Uout1-Uout4: Spannungen
U0: Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004041394 A1 [0003]
JP 2016045055 A [0004]
US 6840118 B2 [0005]

Claims

Elastisches Übertragungselement (30) für ein Spannungswellengetriebe, wobei das elastische Übertragungselement (30) eine Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen aufweist, insbesondere von Scherdehnungen und/oder -stauchungen, die durch ein Drehmoment verursacht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung mindestens einen ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor (1) und einen zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor (2) umfasst, wobei der erste Dehnungsmessstreifen-Sensor (1) lokal im Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor (2) lokal gegen den Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach Anspruch 1, -- wobei die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung auf einem Stirnbereich (31) des elastischen Übertragungselements (30) angeordnet ist, insbesondere auf einer Stirnseite (32) des Stirnbereichs (31), die von einem zylindrischen Teil (33) des elastischen Übertragungselements abgewandt ist, oder auf einer Innenseite des Stirnbereichs (31), die zum zylindrischen Teil des elastischen Übertragungselements (30) hingewandt ist, und/oder -- wobei die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung auf einem zylindrischen Teil (33) des elastischen Übertragungselements (30) angeordnet ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung eine Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren umfasst, wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren den ersten und den zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor (1, 2) umfasst, -- wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren entweder als Halbbrücke ausgebildet ist, oder -- wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren zusätzlich einen dritten und einen vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor (3, 4) umfasst, wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Vollbrücke ausgebildet ist, wobei der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor (3) lokal im Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist, wobei der vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor (4) lokal gegen den Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist, wobei im Uhrzeigersinn (102) insbesondere: -- der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor (2) nach dem ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor (1), -- der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor (3) nach dem zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor (2) und -- der vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor (4) nach dem dritten Dehnungsmessstreifen-Sensor (3) angeordnet ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Dehnungsmessstreifen-Sensor (1) lokal mit einem Winkel A zur lokalen Polachse (100) ausgebildet ist, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor (2) lokal mit einem Winkel -A zur lokalen Polachse (100) ausgebildet ist, wobei bevorzugt der dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor (3) lokal mit dem Winkel A zur lokalen Polachse (100) ausgebildet ist, wobei bevorzugt der vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor (4) lokal mit dem Winkel -A zur lokalen Polachse (100) ausgebildet ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach Anspruch 4, wobei der Winkel A zwischen einschließlich 1° und 89°, bevorzugt zwischen einschließlich 15° und 75°, weiter bevorzugt zwischen einschließlich 30° und 60°, besonders bevorzugt 45°, ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren entlang einer zur Achse (110) des elastischen Übertragungselements (30) konzentrisch verlaufenden Kreislinie (40) angeordnet ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach Anspruch 6, wobei die Dehnungsmessstreifen-Sensoren (1, 2, 3, 4) jeweils mit gleichen Polarwinkelabständen untereinander über einen Winkelbereich der Kreislinie (40), über den sich die Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren erstreckt, angeordnet sind.
Elastisches Übertragungselement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung eine weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren umfasst, wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren insbesondere entlang der Kreislinie (40) angeordnet ist, wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren mindestens einen weiteren ersten Dehnungsmessstreifen-Sensor (5) und einen weiteren zweiten Dehnungsmessstreifen-Sensor (6) umfasst, wobei der weitere erste Dehnungsmessstreifen-Sensor (5) lokal im Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist, wobei der weitere zweite Dehnungsmessstreifen-Sensor (6) lokal gegen den Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist.
Elastisches Übertragungselement (30) nach Anspruch 8, -- wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Halbbrücke ausgebildet ist, oder -- wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren zusätzlich einen weiteren dritten und einen weiteren vierten Dehnungsmessstreifen-Sensor (7, 8) umfasst, wobei die weitere Gruppe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren als Vollbrücke ausgebildet ist, wobei der weitere dritte Dehnungsmessstreifen-Sensor (7) lokal im Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist, wobei der weitere vierte Dehnungsmessstreifen-Sensor (8) lokal gegen den Uhrzeigersinn (102) gewinkelt zu einer lokalen Polachse (100) des elastischen Übertragungselements (30) ausgebildet ist.
Spannungswellengetriebe, mit einem eine nicht-kreisförmige Scheibe umfassenden Wellengenerator, einem starren Außenring und einem elastischen Übertragungselement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Messung von mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen von einem elastischen Übertragungselement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , insbesondere von Scherdehnungen und/oder -stauchungen, die durch ein Drehmoment verursacht sind, wobei die mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen mithilfe der Dehnungsmessstreifen-Sensoren-Anordnung gemessen werden.