DE3905251C2 - Vorrichtung zum Ermitteln des in einer Welle übertragenen Drehmoments - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln des in einer Welle über­ tragenen Drehmoments.

Drehmomente, die von einer Welle übertragen werden, verursachen eine Torsion der Welle. Der Grad der Torsion in einem bestimmten Teil dieser Welle ist abhängig von der Länge dieses Wellenteils, von dem übertragenen Drehmo­ ment, von dem Gleitmodul des Wellenwerkstoffs und von dem polaren Träg­ heitsmoment der Welle in dem betreffenden Teil. Bei Bekanntheit der übrigen Einflußgrößen kann man also von dem Grad der Torsion auf die Größe des Drehmomentes rückschließen.

Aus der DE-PS 29 51 148 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der zwei Induktions­ scheiben in einem vorgegebenen axialen Längenabstand an einer Welle befe­ stigt sind. Beim Übertragen eines Drehmomentes erfolgt infolge der Torsion in diesem axialen Abstand eine Winkelversteilung der einen Induktionsscheibe in Bezug auf die andere. Diesen als Meßwertgeber wirkenden Induktionsscheiben sind Spulen als Meßfühler berührungsfrei zugeordnet. Die Induktionsscheiben weisen Ausschnitte auf, deren gemeinsame Überdeckungsfläche sich mit zuneh­ mendem, zwischen den beiden Scheiben auftretenden Verdrehwinkel ändert. Die relative Verdrehung der beiden Scheiben ist durch Messung der Impe­ danzänderungen der Spulen, die durch in den Scheiben induzierte Wirbel­ ströme entstehen, erfaßbar. Dieser Verdrehwinkel bestimmt das Maß des in dem Längenabstand übertragenen Drehmomentes.

Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die beiden Induktionsscheiben in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet werden müssen. Daher ist eine Scheibe an einem Ende eines den zu untersuchenden Längenabstand umgebenden zusätzlichen Rohres befestigt, das mit seinem anderen Ende an der Welle befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel entspricht der Rohr-Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Welle, so daß die Welle auf dem zu untersuchenden Längenabstand einen geringeren Durchmesser erhalten muß, der jedoch so groß sein muß, daß das gewünschte maximale Drehmoment übertragen werden kann. Es ergibt sich daher für die an diese Meßstrecke angrenzenden Wellenbe­ reiche eine Überdimensionierung. Da die Welle beispielsweise in einem Getrie­ be durch Zusatzkräfte gebogen werden kann, ergibt sich bei dieser Ausführung die Gefahr von Verfälschungen der Meßergebnisse infolge der Wellendurch­ biegung.

Aus der US-PS 40 85 612 ist eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Drehmomen­ tes bekannt, welche aus zwei im gegenseitigen axialen Abstand auf der Welle angeordneten, scheibenförmigen Meßwertgebern besteht, denen Meßfühler berührungsfrei zugeordnet sind, und die in unmittelbarer Nachbarschaft einer Stirnseite eines Radial-Wellenlagers angeordnet sind. Auch bei dieser Vorrich­ tung ist ein als Meßwertgeber wirkender Rotor an einem zusätzlichen Rohr befestigt, welches einen zu untersuchenden Längenabschnitt der Welle umgibt, während ein weiterer als Meßwertgeber wirkender Rotor über Speichen an der Welle befestigt ist.

Bei dieser Anordnung besteht daher ebenfalls die Gefahr von Verfälschungen der Meßergebnisse infolge von Wellendurchbiegungen. Darüber hinaus hat diese vorbekannte Vorrichtung den Nachteil, daß die für die Drehmomentmessung erforderlichen Aggregate zusätzlich zu dem Lager getrennt in den Kraftstrang an der Welle eingebaut werden müssen. Außer dem Rohr sind dieses die beiden Rotoren und zwei Statoren, welche über Konsolen an dem Gehäuse befestigt sind, und durch Schlitze hindurch verlaufende Speichen. Dadurch ergibt sich ein beträchtlicher Konstruktions- und Montageaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Gefahr von Meßwertverfälschungen durch Wellendurchbiegungen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Ermitteln des in einer Welle übertragenen Drehmomentes mit einem die Welle lagernden Radial-Wellenlager und mit zwei in axialem Abstand zueinander auf der Welle angeordneten Meßwertgebern, die jeweils unmittelbar neben einer der beiden Stirnseiten des Radial-Wellenlagers auf der Welle befestigt sind und denen Meßfühler berührungsfrei zugeordnet sind, die ortsfest an dem Radial- Wellenlager angeordnet sind, und wobei das Radial-Wellenlager, die Meßwert­ geber und die Meßfühler eine Baueinheit bilden.

Durch die ortsfeste Anordnung der Meßfühler an dem Wellenlager entfallen zusätzliche Montagemaßnahme für die Meßfühler. Dadurch, daß das Wellen­ lager mit den Meßfühlern und den Meßwertgebern eine Baueinheit bildet, ist mit dem Wellenlager gleichzeitig die Meßvorrichtung an der Welle angebracht und zusätzliche Vorrichtungsmontagen können entfallen. Eine solche fertige Baueinheit kann vorteilhaft als Serienteil hergestellt und vertrieben werden.

Bei Ausbildung des Wellenlagers als Wälzlager sind die Meßfühler zweckmäßigerweise an dem Lageraußenring befestigt, der gegenüber der sich drehenden Welle ortsfest ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Meßwertgeber als zu der Welle koaxial angeordnete Magnet­ ringe ausgebildet sein, die jeweils in einem an der Welle befestigten Trägerring gehalten sind, so daß die Montage des Lagers an der Welle über die Trägerringe erfolgt. Als Teile des Lagers können die Trägerringe sich innerhalb des Lageraußenringes befinden und in ihren Bohrungsbereichen nach außen abgewinkelte Verlängerungen aufweisen. Durch diese Verlänge­ rungen ergibt sich eine Vergrößerung des zu untersuchenden Längenab­ standes an der Welle, wenn die Befestigungsstellen der Trägerringe sich an den abgewinkelten Verlängerungen befinden.

Eine Möglichkeit der Befestigung der beiden Trägerringe wird dadurch erzielt, daß diese mit ihren abgewinkelten Bohrungsbereichen auf die Welle aufgepreßt sind.

Bevorzugt befinden sich die Trägerringe innerhalb von Laufringborden, die an den Lageraußenring angrenzen. Die Meßfühler können dabei als stabförmige Hallgeber ausgebildet und jeweils mit einem Ende in achs­ parallelen Bohrungen der Laufringborde befestigt sein, wobei sie mit dem anderen Ende in einen von zwei koaxialen Magnetringen gebildeten Ringspalt der Meßwertgeber hineinragen. Dadurch sind die Meßbereiche nach außen verschlossen und somit geschützt angeordnet. Statt dieser Hall­ geber können auch andere Impulsgeber verwendet werden.

Um eine größere Impulsfolge von Meßsignalen in der Zeiteinheit an jeder Meßfühler-Meßwertgeber-Kombination zu erzielen, können jedem Meßwertgeber mehrere Meßfühler in Umfangsrichtung des Wellenlagers in Abständen hintereinander zugeordnet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung zeigen Längsschnitte von zwei unterschiedlichen erfindungs­ gemäßen Vorrichtungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 zum Ermitteln des in einer Welle 1 übertragenen Drehmoments besteht aus einem Radial-Wellenlager 3, das als Wälzlager mit einem Lageraußenring 4 für Zylinderrollen 5 ausgeführt ist. Außerhalb eines Käfigs 6 für die Führung der Zylinderrollen 5, die unmittelbar auf der Welle 1 abrollen, schließen sich axial zwei Meßwertgeber 7 an. Sie sind scheibenförmig ausgebildet und an ihren inneren Bohrungen auf der Welle 1 befestigt, wobei die beiden Befestigungsstellen die Länge eines axialen Abstands 2 bestimmen.

Der Lageraußenring 4 weist axiale Verlängerungen auf, in denen Meßwert­ fühler 8 gehalten sind. Jeder Meßfühler 8 schließt sich radial an einen Meßwertgeber 7 an und hält zu diesem einen Luftspalt ein. Die als elektrotechnische Bauelemente ausgeführten Meßfühler 8 sind an ihren Außenseiten mit Anschlußkabeln 9 versehen.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln des in einer Welle übertragenen Drehmoments ist grundsätzlich ebenso aufgebaut, wie die Vorrichtung nach Fig. 1, sie weist jedoch Meßfühler 10 auf, die von Laufringborden 11 und 12 des Lageraußenrings 19 des Wellenlagers gehalten werden und sich zu der Welle 1 achsparallel erstrecken. Sie ragen von den Laufringborden in Richtung auf die Zylinder­ rollen 5 in Ringspalte hinein, die von koaxialen Magnetringen 13 und 14 gebildet werden. Diese Magnetringe sind hier die Meßwertgeber, während die Meßfühler 10 Hallgeber sind.

Jeweils ein Paar von Magnetringen 13 und 14 ist in einem Trägerring 15 gehalten, der sich nicht nur innerhalb des Lageraußenringes 19, sondern auch innerhalb der Laufringborde 11 und 12 befindet. Die Trägerringe 15 sind an ihren inneren Durchmessern mit nach außen abgewinkelten Bohrungsbereichen 16 versehen, über die sie an der Welle 1 befestigt, beispielsweise auf die Welle 1 aufgepreßt sind. Diese abgewinkelten Bohrungsbereiche 16 bestimmen mit ihren Befestigungsstellen den axialen Abstand 2, auf dessen Länge die Welle 1 für die Ermittlung des Drehmoments untersucht wird.

Bei dieser Ausführungsform sind die Meßfühler 10 und die als Meßwertgeber wirkenden Magnetringe 13 und 14 innerhalb des Lagers von der Umwelt völlig abgeschlossen und daher geschützt angeordnet. Für die Anschlußkabel 9 der Meßfühler 10 einer Seite sind an dem Lager Kabel­ kanäle 17 und 18 vorgesehen.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen arbeiten wie folgt: Entsprechend der Drehung der Welle 1 erhalten die Meßfühler 8, 10 von den Meßwertgebern 7, 13, 14 jeder Seite des Wellenlagers Impulse, die sie an einen Rechner weiterleiten. Aus den angelieferten Impulsen ermittelt der Rechner die Winkeldifferenz zwischen den Meßwertgebern beider Seiten. Diese ergibt sich infolge der Torsion der Welle 1. Sie wird auf das übertragene Drehmoment umgerechnet. Jede Meßfühler-Meßwertgeber-Kombination kann dabei auch zur Drehzahlermittlung verwendet werden.

Aus der Fülle der möglichen Einsatzbereiche einer solchen Vorrichtung sei ein Automobilgetriebe erwähnt. Hier kann das über den Rechner ermittelte Drehmoment beispielsweise zur Steuerung einer Gangwechselvorrichtung verwendet werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Ermitteln des in einer Welle (1) übertragenen Drehmomen­ tes mit einem die Welle (1) lagernden Radial-Wellenlager (3) und mit zwei in axialem Abstand zueinander auf der Welle angeordneten Meßwertgebern (7, 13, 14), die jeweils unmittelbar neben einer der beiden Stirnseiten des Radial- Wellenlagers (3) auf der Welle (1) befestigt sind und denen Meßfühler (8, 10) berührungsfrei zugeordnet sind, die ortsfest an dem Radial-Wellenlager (3) angeordnet sind, und wobei das Radial-Wellenlager (3), die Meßwertgeber (7, 13, 14) und die Meßfühler (8, 10) eine Baueinheit bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Meßwert­ geber (7, 13, 14) mehrere Meßfühler (8, 10) in Umfangsrichtung des Wellen­ lagers (3) in Abständen hintereinander zugeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenlager (3) als Wälzlager mit an dem Lageraußenring (4, 19) befestigten Meßfühlern (8, 10) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertge­ ber als zu der Welle koaxial angeordnete Magnetringe (13, 14) ausgebildet sind, die jeweils in einem an der Welle (1) befestigten Trägerring (15) gehalten sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerringe (15) sich innerhalb des Lageraußenringes (19) befinden und in ihren Bohrungs­ bereichen nach außen abgewinkelte Verlängerungen (16) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Trägerringe (15) mit ihren abgewinkelten Bohrungsbereichen (16) auf die Welle (1) aufgepreßt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerringe (15) sich innerhalb von Laufringborden (11, 12) befinden, die an dem Lager­ außenring (19) angrenzen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (10) als stabförmige Hallgeber ausgebildet und jeweils mit einem Ende in achsparallelen Bohrungen von Laufringborden (11, 12) befestigt sind, wobei sie mit dem anderen Ende in einen von zwei koaxialen Magnetringen (13, 14) gebildeten Ringspalt der Meßwertgeber hineinragen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertge­ ber (7) scheibenförmig ausgebildet sind.