DE4208522C2 - Torque sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor mit ei­ ner in Bezug auf die Drehmomentachse radial innenliegenden Innennabe und einem dazu konzentrischen, radial außenliegenden Außenring, die durch mehrere radial verlaufende Stege mitein­ ander verbunden sind.The invention relates to a torque sensor with egg ner radially inward with respect to the torque axis Inner hub and a concentric, radially outer Outer ring, which is formed by several radial webs are connected.

Solche Drehmomentsensoren werden an drehenden oder festen Wel­ len zur Bestimmung von übertragenen Drehmomenten, aber auch in Kalibrieranlagen eingesetzt. Ein gattungsgemäßer Drehmoment­ sensor ist das sogenannte Speichenrad, welches aus dem "Hand­ buch für elektrisches Messen mechanischer Größen", Rohrbach, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, Seite 515 und 516, bekannt ist. Diese Drehmomentsensoren verfügen über eine Innennabe, die mittels mehrerer Speichen mit einem Außenring verbunden ist. Die Speichen tragen Meßwertgeber, welche die Biegebelastung sensieren. Nachteilig bei den bekannten Speichenrädern ist die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Überlastung, die sehr leicht den gesamten Sensor unbrauchbar macht.Such torque sensors are on rotating or fixed wel len for the determination of transmitted torques, but also in Calibration systems used. A generic torque sensor is the so-called spoke wheel, which comes from the "hand book for electrical measurement of mechanical quantities ", Rohrbach, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, pages 515 and 516, is known. These torque sensors have an inner hub that is connected to an outer ring by means of several spokes. The spokes carry sensors which measure the bending load sense. A disadvantage of the known spoke wheels is that Sensitivity to mechanical overload, which is very easily makes the entire sensor unusable.

Aus der DE-OS 33 42 817 ist eine Meßnabe vorbekannt, die zwei Anschlußflansche zum übertragen von Drehmomenten enthält. Zwi­ schen den Anschlußflanschen sind axial angeordnete Übertra­ gungselemente befestigt, an denen Meßwertgeber angeordnet s­ ind. Allerdings ist diese Meßnabe nicht geeignet, Drehmomente zu messen, sondern soll nur Kräfte in Übertragungsrichtung oder quer zur Übertragungsrichtung erfassen.From DE-OS 33 42 817 a measuring hub is known, the two Contains connecting flanges for the transmission of torques. Two The connecting flanges are axially arranged transmissions supply elements attached to which the transmitter s ind. However, this measuring hub is not suitable for torques to measure, but only intended to transmit forces or capture across the direction of transmission.

Aus der DE 32 13 319 A1 ist eine Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentenkomponenten in mehreren Richtungen bekannt, bei der sich von einem zentralen Nabenteil vier Speichenteile zu einem starren, ringförmigen Felgenteil radial nach außen erstrecken. Ferner sind vier Sehnenteile vorgesehen, die je­ weils ein Speichenteil abstützen und dessen Verbindung zum Felgenteil herstellen. An den Speichenteilen befinden sich eine Vielzahl von mechano-elektrischen Wandlerelementen. Bei diesen Wandlerelementen handelt es sich um Biegekraftaufneh­ mer, die relativ empfindlich gegen Quer- und Längskräfte sind. Da insbesondere bei Drehmomentwellen diese in Längsrichtung häufig fest eingespannt werden, führt dies wegen der Übertra­ gung der Längskräfte leicht zu Meßfehlern.DE 32 13 319 A1 describes a device for measuring Force and moment components known in several directions, in which there are four spoke parts from a central hub part  to a rigid, annular rim part radially outwards extend. Furthermore, four tendon parts are provided, each because support a spoke part and its connection to the Manufacture the rim part. There are on the spoke parts a variety of mechano-electrical converter elements. At these transducer elements are bending force absorbers mer, which are relatively sensitive to lateral and longitudinal forces. Because, especially in the case of torque shafts, these run in the longitudinal direction often tightly clamped, this leads to the transfer the longitudinal forces easily lead to measurement errors.

Aus der WO 92/18840 ist als nachveröffentlichter Stand der Technik mit älterem Zeitrang ein Drehmomentwandler bekannt, der eine Torsionsmeßscheibe enthält. Diese Torsionsmeßscheibe besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring mit Keilnuten und dazwischen angeordneten radialen Verbindungsstegen. Dabei sind auf einer axialen Seite der Stege Scherkraftaufnehmer angeordnet, die zu einer Wheatstone'schen Meßbrücke verschal­ tet sind und zur Erfassung des Drehmoments dienen. Allerdings sind die Scherkraftaufnehmer außen an den axialen Stirnflächen der Verbindungsstege angeordnet und daher gegen äußere Beschä­ digungen nicht geschützt.From WO 92/18840 is the post-published state of the Technology with older seniority a torque converter known which contains a torsion measuring disc. This torsion disc consists of an inner and an outer ring with keyways and radial connecting webs arranged between them. Here are shear force transducers on one axial side of the webs arranged, which clad to a Wheatstone measuring bridge are tet and serve to record the torque. Indeed are the shear force transducers on the outside on the axial end faces the connecting webs arranged and therefore against external damage not protected.

Als Drehmomentsensoren mit ausreichender Robustheit haben sich sogenannte Meßwellen bewährt, die eine auf Torsion beanspruch­ te Meßfeder aufweisen. Nachteilig bei diesen Meßwellen ist jedoch der nicht unbeträchtliche Raumbedarf, insbesondere die große Baulänge, und der konstruktive Aufwand zur Verringerung der Biegemoment- und Querkrafteinflüsse.Have proven themselves as torque sensors with sufficient robustness So-called measuring shafts proven, which claim torsion te measuring spring. A disadvantage of these measuring shafts is however, the not inconsiderable space requirement, especially the large length, and the design effort to reduce of bending moment and shear forces.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehmo­ mentsensor zu schaffen, dem diese Nachteile nicht anhaften, und der sich durch besondere Kompaktheit auszeichnet, insbe­ sondere kurzbauend ist und darüber hinaus besonders robust gegen eventuelle Überlastungen ist. The invention is therefore based on the object, a torque creating a sensor that does not have these disadvantages, and which is characterized by particular compactness, especially is particularly short and is also particularly robust against possible overloads.  

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus­ führungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the specified in claim 1 Invention solved. Further training and advantageous Aus leadership examples of the invention are in the dependent claims specified.

Durch die Ausbildung der eigentlichen Meßfeder als Schubele­ mente wird eine hohe Sicherheit gegen Überlastungsschäden ge­ währleistet, ohne daß dadurch die Meßempfindlichkeit leidet. Dazu sollte die Erstreckung der Stege zwischen der Innennabe und dem Außenring weniger als den 1,5-fachen Wert seiner Er­ streckung in Umfangsrichtung betragen.By designing the actual measuring spring as a slide a high level of security against overload damage ensures that the measuring sensitivity is not affected. This should include the extension of the webs between the inner hub and the outer ring less than 1.5 times its Er stretch in the circumferential direction.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die einen besonders gelungenen Kompromiß in Bezug auf Robustheit und Meßempfindlichkeit darstellt, ist vorgesehen, daß das Verhält­ nis der Erstreckung zwischen der Innennabe und dem Außenring und der Erstreckung in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Dadurch ergibt sich außerdem eine hohe Verdreh­ steifigkeit bzw. kleine Verdrehwinkel, so daß sehr hohe Eigen­ frequenzen des Meßsystems erreichbar sind.In a preferred embodiment of the invention, the one particularly successful compromise in terms of robustness and Represents sensitivity, it is provided that the ratio the extent between the inner hub and the outer ring and the extent in the circumferential direction in the range between 0.8 and 1.2. This also results in a high degree of torsion stiffness or small twist angle, so that very high inherent frequencies of the measuring system can be reached.

Eine besonders geringe Baulänge läßt sich erreichen, wenn sich die Innennabe und der Außenring koaxial umgeben. Bei dieser Ausführungsform lassen sich die Meßwertgeber an parallel zu den Stirnseiten der Innennabe bzw. des Außenringes verlaufen­ den Flächen der Stege anordnen, wodurch bei hoher Meßempfind­ lichkeit eine besonders günstige Montagemöglichkeit und Zu­ gänglichkeit der Applikationsstelle erreicht wird.A particularly small overall length can be achieved if coaxially surround the inner hub and the outer ring. At this Embodiment, the transducers can be parallel to the end faces of the inner hub or the outer ring arrange the surfaces of the webs, whereby with high sensitivity a particularly inexpensive installation option and closed accessibility of the application site is achieved.

Eine in Bezug auf die Meßempfindlichkeit besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Meßwertgeber als Dehnungsaufnehmer ausgeführt sind, die in einem Winkel von 45° +/- 10° zur Längsachse der Stege angeordnet sind. A particularly favorable one in terms of measuring sensitivity Embodiment of the invention provides that the transmitter are designed as strain gauges at an angle of 45 ° +/- 10 ° to the longitudinal axis of the webs are arranged.  

Eine besonders robuste Ausführung eines solchen Sensors, der darüber hinaus sehr günstige geschützte Applikationsmöglich­ keiten für die Meßwertgeber bietet, erhält man, wenn die Stege mit I-Profil ausgebildet sind. Aufgrund der guten Applikationsmöglichkeiten und der hohen Meßsicherheit ist es von Vorteil, wenn die Meßwertgeber als Dehnungsmeßstreifen ausgeführt sind. Ideale Meßwertgeber zur Bestimmung von Scher­ kräften sind Dehnungsmeßstreifen-Rosetten mit zwei Meßgittern und einem 45°-Gitterwinkel. Ein besonders hohes Ausgangssignal erhält man, wenn alle Meßgitter zu einer Meßbrücke, insbeson­ dere zu einer Diagonal-Meßbrücke, verschaltet sind.A particularly robust version of such a sensor, the In addition, very cheap, protected application options are possible offers for the transducers, you get when the webs are designed with an I-profile. Because of the good It is application possibilities and the high measuring certainty an advantage if the sensors are used as strain gauges are executed. Ideal sensors for determining shear forces are strain gauge rosettes with two measuring grids and a 45 ° grid angle. A particularly high output signal is obtained when all measuring grids form a measuring bridge, in particular which are connected to a diagonal measuring bridge.

Um zusätzlich zum Drehmoment auch Axialkraftkomponenten messen zu können, ist es von Vorteil, wenn weitere Meßwertgeber an den Stegen angeordnet sind. Durch vollständige Applikation der Schubelemente läßt sich ein hochgenauer Drehmomentsensor auf­ bauen, der z. B. als Kalibrier-Transferaufnehmer einsetzbar ist.To measure axial force components in addition to torque To be able to, it is an advantage if additional sensors are connected the webs are arranged. By complete application of the A high-precision torque sensor can be used on thrust elements build the z. B. can be used as a calibration transfer transducer is.

Weitere vorteilhafte Merkmale sowie Aufbau und Funktion der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Hierzu zeigtOther advantageous features as well as the structure and function of the Invention emerge from the description below Nes embodiment with reference to the drawing. This shows

Fig. 1 die stirnseitige Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 shows the end view of one embodiment of the invention,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A/A der Fig. 1 und Fig. 2 is a sectional view along the line A / A of Fig. 1 and

Fig. 3 einen Viertelschnitt in perspektivischer Dar­ stellung. Fig. 3 position a quarter section in perspective Dar.

Der scheibenförmige Drehmomentsensor besitzt einen Außenring 1 und eine konzentrisch verlaufende Innennabe 2, die durch vier radial verlaufende Stege 3 miteinander verbunden sind. Der Außenring 1 und die Innennabe 2 sind durch vier zwischen den Stegen 3 liegende Ausnehmungen 4, welche jeweils die Form eines Kreisringstückes mit abgerundeten Endbereichen aufweisen, voneinander getrennt.The disk-shaped torque sensor has an outer ring 1 and a concentrically running inner hub 2 , which are connected to one another by four radially extending webs 3 . The outer ring 1 and the inner hub 2 are separated from one another by four recesses 4 lying between the webs 3 , each of which has the shape of a circular ring piece with rounded end regions.

Sowohl der Außenring 1 als auch die Innennabe 2 weisen mehrere am Umfang verteilte Durchgangsbohrungen auf, durch welche sie mit entsprechenden Wellenflanschen zwecks Drehmomentübertragung verschraubbar sind.Both the outer ring 1 and the inner hub 2 have a plurality of through bores distributed around the circumference, through which they can be screwed to corresponding shaft flanges for the purpose of torque transmission.

Um eine besonders hohe Stabilität, insbesondere Biegestei­ figkeit, zu erreichen, sind die Stege 3 als I-Profile mit zwischen zwei Flanschbereichen 5 herausgefrästem Stegab­ schnitt 6 ausgebildet, wobei die Stegabschnitte parallel zur Stirnseite von Innennabe 2 und Außenring 1 verlaufen. Zur Gewährleistung einer besonderen Stabilität und Biegefestigkeit der Stege 3 ist auch vorgesehen, daß die Länge der Stege 3, das heißt die Erstreckung in radialer Richtung, und die Breite, das heißt die Erstreckung in Umfangsrichtung, etwa gleich groß ist.In order to achieve a particularly high stability, in particular flexural strength, the webs 3 are designed as I-profiles with a web section 6 milled out between two flange regions 5 , the web sections running parallel to the end face of the inner hub 2 and outer ring 1 . To ensure a particular stability and bending strength of the webs 3, it is also provided that the length of the webs 3 , that is to say the extent in the radial direction, and the width, that is to say the extent in the circumferential direction, is approximately the same size.

Auf jedem Stegabschnitt 6 eines Steges 3 ist beidseitig je ein Dehnungsmeßstreifen mit zwei Meßgittern appliziert, wobei der Gitterwinkel 45° zur Steglängsachse beträgt. Dadurch läßt sich mit hoher Empfindlichkeit die Scher­ belastung ermitteln, welche unter Beaufschlagung des Drehmomentsensors durch ein Drehmoment auftritt. Zur Erzielung eines hohen Ausgangssignals werden die Meßgitter eines Dehnungsmeßstreifens (die Dehnungsmeßstreifen sind in Fig. 1 schematisch angedeutet) zu einer Diagonalbrücke verschaltet.On each web section 6 of a web 3 , a strain gauge with two measuring grids is applied on both sides, the grating angle being 45 ° to the longitudinal axis of the web. This allows the shear load to be determined with high sensitivity, which occurs when the torque sensor is acted on by a torque. To achieve a high output signal, the measuring grids of a strain gauge (the strain gauges are indicated schematically in FIG. 1) are connected to form a diagonal bridge.

Das am Sensor angreifende Drehmoment kann, da der Teilkreis (Stegmitte) bekannt ist, auf einfache Weise aus den in Umfangsrichtung wirkenden Scherbelastungen der vier Stege 3 ermittelt werden.The torque acting on the sensor, since the pitch circle (web center) is known, can be determined in a simple manner from the shear loads acting on the four webs 3 in the circumferential direction.

Claims (8)

1. Drehmomentsensor mit einer in Bezug auf die Drehmoment­ achse radial innenliegenden Innennabe (2) und einem dazu konzentrischen, radial außenliegenden Außenring (1), die durch mehrere radial verlaufende Stege (3) miteinander verbunden sind, wobei die Stege (3) ein I-Profil aufwei­ sen, das durch Stegabschnitte (6) bewirkt wird, die vorder- und rückseitige Ausnehmungen auf den Stirnseiten der Stege (3) in axialer Richtung aufweisen und wobei ferner auf den parallel zu den Stirnseiten liegenden Flä­ chen der Stege (3) in diesen Ausnehmungen Scherkraft-Meß­ aufnehmer angeordnet sind.1. Torque sensor with a radially inner hub ( 2 ) with respect to the torque axis and a concentric, radially outer outer ring ( 1 ), which are connected to each other by a plurality of radially extending webs ( 3 ), the webs ( 3 ) an I -Profile sen, which is caused by web sections ( 6 ), the front and rear recesses on the end faces of the webs ( 3 ) in the axial direction and further on the parallel to the end faces of the webs ( 3 ) in these recesses shear force transducers are arranged. 2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung eines Steges (3) zwischen der Innen­ nabe (2) und dem Außenring (1) weniger als den 1,5-fachen Wert seiner Erstreckung in Umfangsrichtung beträgt.2. Torque sensor according to claim 1, characterized in that the extent of a web ( 3 ) between the inner hub ( 2 ) and the outer ring ( 1 ) is less than 1.5 times the value of its extent in the circumferential direction. 3. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Erstrec­ kung zwischen der Innennabe (2) und dem Außenring (1) und der Erstreckung in Umfangsrichtung im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegt. 3. Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the extent between the inner hub ( 2 ) and the outer ring ( 1 ) and the extent in the circumferential direction is in the range between 0.8 and 1.2. 4. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber Dehnungsauf­ nehmer sind, welche in einem Winkel von 45° +/- 10° zur Längsachse der Stege (3) angeordnet sind.4. Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the transducers are strain gauges, which are arranged at an angle of 45 ° +/- 10 ° to the longitudinal axis of the webs ( 3 ). 5. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber Dehnungsmeß­ streifen sind.5. Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the transducers are strain gauges are stripes. 6. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber Dehnungsmeßstreifen-Rosetten mit zwei Meßgittern und ei­ nem 45°-Gitterwinkel sind.6. Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the transducer Strain gauge rosettes with two measuring grids and egg are a 45 ° grid angle. 7. Drehmomentsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgitter zu einer Diagonal-Meßbrücke verschaltet sind.7. Torque sensor according to claim 6, characterized in that the measuring grid is connected to a diagonal measuring bridge are. 8. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) weitere Meß­ wertgeber zur Ermittlung von Axialkraftkomponenten tra­ gen.8. Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the webs ( 3 ) further transducers for determining axial force components tra gene.