DE19821381A1

DE19821381A1 - Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten

Info

Publication number: DE19821381A1
Application number: DE1998121381
Authority: DE
Inventors: Werner Steprath
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: DE19821381C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten, insbesondere über eine Torsionsmessung an Achsen oder Wellen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs.

Es ist bereits aus dem "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf 1967, Seiten 178 bis 193 bekannt, daß eine Drehmomentenmessung an einem ferromagnetischen Stab in einem Magnetfeld durchgeführt wird. Unterwirft man diesen Stab, der eine Achse oder eine Welle sein kann, einer me chanischen Spannung in etwa der Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes, so ändert dieser seine magnetischen Ei genschaften; dieser physikalische Effekt wird als soge nannte Magnetoelastizität bezeichnet.

Ein an der Welle oder Achse angreifendes Drehmoment ver ursacht bei der bekannten Meßanordnung eine der Torsion proportionale mechanische Spannung und damit auch eine Dehnung der Oberfläche der Welle, die als Änderung der Permeabilität erfaßt werden kann. Die Erfassung eines gut auswertbaren Meßsignals ist insofern schwierig, da das Material der Achse oder Welle in der Regel auch auf der Oberfläche Inhomogenitäten aufweist. Auch der unver meidliche Luftspalt zwischen der Achse oder der Welle und dem Sensor sowie eine Temperaturänderungen hat einen stö renden Einfluß auf das Meßsignal. Darüber hinaus läßt sich oft auch eine Signalstreuung über eine Umdrehung der Achse oder Welle hier nicht sicher vermeiden.

Vorteile der Erfindung

Die gattungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung des Drehmo ments an einer Achse oder Welle, bei der durch eine Tor sion der Achse oder Welle eine Veränderung der Permeabi lität und damit eine Induktivitätsänderung an einer in diesem Bereich befindlichen induktiven Anordnung meßbar ist, wird in vorteilhafter Weise mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weitergebildet.

Dadurch, daß die Oberfläche der Achse oder Welle in dem mindestens einen Bereich in Richtung der bei einer Torsi on auftretenden Zug- und/oder Druckkräfte zumindest teil weise strukturiert ist, wird die Erfassung und Auswertung eines dem Drehmoment proportionalen Meßsignals stark verbessert. Durch die Führung, bzw. Selektierung der aus zuwertenden magnetischen Feldlinien in der Richtung der Zug- und/oder Druckkräfte wird insbesondere der Einfluß von Inhomogenitäten in vorteilhafter Weise vermindert oder ganz beseitigt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Struk turierung auf einfache Weise durch eine Anzahl von spi ralförmig parallel auf der Oberfläche verlaufenden Ver tiefungen gebildet, wobei die magnetischen Feldlinien hier in den verbleibenden Stegen zwischen den Vertiefun gen selektiert werden und damit der Einfluß von Inhomo genitäten auf der Oberfläche nahezu ausgeschlossen ist.

Eine alternative Ausführung der Strukturierung zur Her beiführung des oben beschriebenen Effekts kann auf einfa che durch eine Strukturierung mittels einer auf der Ober fläche angebrachten magnetisch leitenden Folie herge stellt werden. Diese Folie weist dabei eine Anzahl von spiralförmig parallel verlaufenden Strecken erhöhter (oder verminderter) Permeabilität auf.

Eine Kombination beider der bisher beschriebenen Struktu rierungsmethoden kann dabei gemäß Unteranspruch 4 zu ei ner weiteren Verstärkung der positiven Meßeffekte füh ren.

Eine besonders vorteilhafte Erfassung eines Meßsignals ist möglich, wenn die induktive Anordnung eine Transfor matorschaltung ist, bei der über die strukturierten Be reiche die magnetische Kopplung der Transformatorspulen erfolgt, insbesondere wenn die Transformatorschaltung ei ne Primärspule mit zwei beidseitig angeordneten Sekundär spulen aufweist.

Hierbei wird ein besonders großes und störungsfreies Meßsignal erzeugt, wenn die beiden Sekundärspulen gegen sinnig in Reihe geschaltet sind und die Strukturierung der jeweiligen Kopplungsbereiche jeweils in unterschied licher Richtung spiralförmig verläuft. Für sich gesehen ist eine solche Transformatorschaltung aus dem bereits eingangs als Stand gewürdigten "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, Seiten 181 bis 193 bekannt, je doch führt die Anwendung auf die erfindungsgemäß struktu rierte Oberfläche einer Welle oder Achse zu einer beson deren Verbesserung des Meßeffekts.

Bei einer anderen Weiterbildung der gattungsgemäßen Vor richtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse oder Welle, bei der durch eine Torsion der Achse oder Welle eine Veränderung der Permeabilität und damit eine Induktivitätsänderung an einer in diesem Bereich befind lichen induktiven Anordnung meßbar ist, werden in vor teilhafter Weise die kennzeichnenden Merkmalen des neben geordneten Anspruchs 8 herangezogen.

Bei dieser Ausführungsform weist der mindestens eine Be reich eine Durchmessererweiterung auf, an deren in Achs richtung stirnseitigen Flanken Speichen angeordnet sind, die ebenfalls bei einer Torsion eine Selektierung der auftretenden Kräfte und Feldlinien vornehmen können. Die Speichen sind dabei bevorzugt in ihrer radialen Ausdeh nung in einer Drehrichtung geneigt und werden damit ge gensinnig beansprucht.

Die Meßsignalerfassung kann auch bei diesem Ausführungs beispiel in vorteilhafter Weise damit vorgenommen werden, daß die induktive Anordnung eine Transformatorschaltung ist, bei der über den Bereiche mit den Speichen die ma gnetische Kopplung der Transformatorspulen erfolgt, wobei die Transformatorschaltung eine Primärspule über der Durchmessererweiterung mit zwei beidseitig angeordneten Sekundärspulen aufweist und die beiden Sekundärspulen ge gensinnig in Reihe geschaltet sind. Die Spulen sind vor nehmlich ortsfest, also nicht mitdrehend angeordnet, wo bei die Primär- und Sekundärspulen auch vertauscht werden können. Weiterhin ist es auch möglich zwei Spulen als Differenzdrossel zu schalten.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Insbesondere weisen alle Ausführungsformen und deren Kom binationen auch noch folgende vorteilhafte Eigenschaften auf: es ist eine völlig berührungsfreie Drehmomentener fassung möglich; es besteht eine Unempfindlichkeit gegen radiale, axiale und winklige Verlagerungen der Achse oder der Welle; die Meßbarkeit besteht bei allen Drehzahlen und im Stillstand der Welle; eine einfachste Umbaumög lichkeit an der Achse oder Welle ist gegeben; es besteht eine geringstmögliche Beeinflussung der Konstruktion der Welle oder des Gehäuses bezüglich Drehsteifigkeit, Masse und Werkstoff wobei ein kleinster Einbauraum, eine leich te Montage und eine einfache Befestigung des Meßwertaufnehmers herstellbar ist; es ist eine einfache Nullpunkt findung durch eine geeignete Strukturierung möglich; es besteht eine Fliehkraft- und Magnetfeldunabhängigkeit; andere Magnetfelder anderer elektronischer Einheiten kön nen den Meßeffekt nicht oder nur geringfügig beeinflus sen; es besteht eine weitgehende Schmutzunempfindlich keit, eine Drehrichtungsunabhängigkeit und eine weitge hende Temperatur- und Schwingungsunempfindlichkeit und weiterhin sind Verbesserungen im Hinblick auf Reibungs-, Verschleiß- und die Wartungsfreiheit, die Stückkosten, die Funktionssicherheit und eine mögliche Redundanz bei den Sicherheitsfunktionen erreicht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments an einer Achse oder Welle werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung mit Vertiefungen als Strukturierung der Ober fläche einer Welle

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Speichen an einer Durchmessererweiterung und

Fig. 2 einen Schnitt A-A durch das Ausführungsbei spiel nach Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Drehmomentenmessung an einer Welle 1 dargestellt, bei der die Meßanordnung eine Transformatorschaltung mit einer Primärspule 2, einer er sten Sekundärspule 3 und einer zweiten Sekundärspule 4 aufweist. Der Sekundärstromkreis ist dabei so geschaltet, daß die beiden Sekundärspulen 3 und 4 gegensinnig ge schaltet sind, d. h. jeweils gleiche induzierte Ströme in den Sekundärspulen 3 und 4 würden sich aufheben. Die prinzipielle Funktionsweise einer solchen Transformator schaltung ist beispielsweise in dem eingangs gewürdigten "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, Sei ten 181 bis 193 beschrieben.

Die magnetische Kopplung zwischen der Primärspule 2 und den Sekundärspulen 3 und 4 erfolgt über strukturierte Be reiche 5 und 6. Im Bereich 5 sind eine Anzahl spiralför mig verlaufender Vertiefungen 7 angebracht, die in glei cher Richtung verlaufende Stege 8 bilden. Der Anstellwin kel der Stege 8 gegenüber der Längsachse ist dabei so ge wählt, daß der sich ergebende Verlauf der Stege 8 im we sentlichen der Richtung der auftretenden Druck- oder Deh nungskräfte bei einer Torsion der Welle 1 entspricht.

Die durch ein äußeres Drehmoment hervorgerufene Torsion der Welle 1 führt somit zu einer in die Stege 8 geleite ten Dehnkraft, wobei dieser gedehnte Bereich maßgeblich die Permeabilität und damit die magnetische Kopplung auf der Oberfläche der Welle im Kopplungsbereich 5 beeinflußt und dadurch ein weitgehend von Inhomogenitäten freies Meßsignal an der Transformatorschaltung 2, 3, 4 er möglicht.

Im Kopplungsbereich 6 sind Vertiefungen 9 angeordnet, die Stege 10 herausbilden, wobei diese Vertiefungen 9 und die Stege 10 in der jeweils anderen Spiralrichtung zu den Vertiefungen 7 und Stege 8 des Kopplungsbereichs 5 ver laufen. Dadurch würde eine Torsion, die in den Stegen 8 zu einer Dehnung führt, zu einer Stauchung in den Stegen 10 und umgekehrt führen. Auch hierdurch ist somit ein ge gensinniger Meßeffekt erreicht, der die Meßsignalaus wertung verbessert.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 kann auch noch mit einer magnetisch leitenden Folie auf den Stegen 8 und 10 versehen werden, was den Meßeffekt noch weiter ver stärken kann. Weiterhin ist auch eine hier nicht gezeigte Ausführung der Strukturierung ausschließlich mit einer Folie vorteilhaft möglich.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Vorrichtung nach Fig. 2 ist eine Durchmessererweite rung 11 auf einer Welle 12 angebracht, auf der eine ande re Art der Strukturierung für die Selektion der Druck- bzw. Dehnkräfte angebracht ist. Auf den axialen Flanken der Durchmessererweiterung 11 sind, wie insbesondere auch aus dem Schnitt A-A nach Fig. 3 ersichtlich, Speichen 13 angebracht, die eine den Stegen 8 und 9 nach der Fig. 1 vergleichbare Funktion aufweisen.

Bei einer Torsion der Welle 12 nach der Fig. 2 treten hier auf den axialen Flanken der Durchmessererweiterung 11 in der Erstreckung der Speichen 13 auch Druck- bzw. Dehnkräfte auf, die wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 zu einer Beeinflussung der Permeabilität im Kopp lungsbereich der Transformatorschaltung 2, 3, 4 führt. Die Neigung der Speichen 13 gegenüber einer radialen Erstreckung kann auch hier an den gegenüberliegenden Seiten ge gensinnig sein. Die Transformatorschaltung 2, 3, 4 ent spricht in ihrer Funktion im übrigen der Ausführung nach der Fig. 1.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse oder Welle, bei der

- mindestens ein Bereich (5, 6) der Achse oder Welle (1) sich in einem Magnetfeld befindet, dessen Feldlinien par allel zur Längsachse der Achse oder Welle (1) verlaufen und bei dem
- durch eine Torsion der Achse oder Welle (1) eine Verän derung der Permeabilität und damit eine Induktivitätsän derung an einer in diesem Bereich (5, 6) befindlichen in duktiven Anordnung (2, 3, 4) meßbar ist, dadurch gekenn zeichnet daß
- die Oberfläche der Achse oder Welle (1) in dem minde stens einen Bereich (5, 6) in Richtung der bei einer Tor sion auftretenden Zug- und/oder Druckkräfte zumindest teilweise strukturiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Strukturierung durch eine Anzahl von spiralförmig parallel auf der Oberfläche verlaufender Vertiefungen (7, 9) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Strukturierung durch eine auf der Oberfläche ange brachte magnetisch leitende Folie gebildet ist, die eine Anzahl von spiralförmig parallel verlaufenden Strecken erhöhter (oder verminderter) Permeabilität aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Strukturierung durch eine Anzahl von spiralförmig parallel auf der Oberfläche verlaufenden Vertiefungen (7, 9) gebildet ist und daß
- die Strukturierung durch eine auf der Oberfläche ange brachte magnetisch leitende Folie verstärkt ist, die eine Anzahl von spiralförmig parallel verlaufenden Strecken erhöhter oder verminderter Permeabilität aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die induktive Anordnung eine Transformatorschaltung (2, 3, 4) ist, bei der über die strukturierten Bereiche (5, 6) die magnetische Kopplung der Transformatorspulen (2, 3, 4) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Transformatorschaltung eine Primärspule (2) mit zwei beidseitig angeordneten Sekundärspulen (3, 4) auf weist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die beiden Sekundärspulen (2, 3) gegensinnig in Reihe geschaltet sind und die Strukturierung der jeweiligen Be reiche (5, 6) jeweils in unterschiedlicher Richtung spi ralförmig verläuft.

8. Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse oder Welle, bei der

- mindestens ein Bereich (13) der Achse oder Welle (12) sich in einem Magnetfeld befindet und bei der
- durch eine Torsion der Achse oder Welle (12) eine Ver änderung der Permeabilität und damit eine Induktivitäts änderung an einer in diesem Bereich (11) befindlichen in duktiven Anordnung meßbar ist, dadurch gekennzeichnet daß
- der mindestens eine Bereich eine Durchmessererweiterung (11) aufweist, an deren in Achsrichtung stirnseitigen Flanken jeweils Speichen (13) als Strukturierung angeord net sind, die aufgrund der bei einer Torsion auftretenden Kräfte sich dehnen oder zusammenziehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Speichen (13) in ihrer radialen Ausdehnung in einer Drehrichtung geneigt und damit gegensinnig beansprucht sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß

- die induktive Anordnung eine Transformatorschaltung (2, 3, 4) ist, bei der über den Bereich (11) mit den Spei chen (13) die magnetische Kopplung der Transformatorspu len (2, 3, 4) erfolgt, daß
- die Transformatorschaltung eine Primärspule (2) über der Durchmessererweiterung (11) mit zwei beidseitig neben der Durchmessererweiterung (11) angeordneten Sekundärspu len (3, 4) aufweist, wobei die beiden Sekundärspulen (3, 4) gegensinnig in Reihe geschaltet sind.