WO2016120093A2 - Sensoranordnung zur indirekten erfassung eines drehmoments einer rotierbar gelagerten welle - Google Patents

Sensoranordnung zur indirekten erfassung eines drehmoments einer rotierbar gelagerten welle Download PDF

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WO2016120093A2
WO2016120093A2 PCT/EP2016/050739 EP2016050739W WO2016120093A2 WO 2016120093 A2 WO2016120093 A2 WO 2016120093A2 EP 2016050739 W EP2016050739 W EP 2016050739W WO 2016120093 A2 WO2016120093 A2 WO 2016120093A2
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Frank Klopf
Simon Schneider
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
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    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1457—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving resistance strain gauges
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    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
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    • G01L5/169—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using magnetic means

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft according to the preamble of independent claim 1.
  • Sensors for detecting torque are important components of engine and transmission test stands of all kinds. They are also an integral part of many large-scale industrial drive systems. With their help, for example, the torques in ship shafts, Windkraftan were monitored or drill pipe. Torque sensors are widely used, but their comparatively complex structure and associated costs have hitherto prevented their use in bulk goods. The measurement of the torque of the drive shaft of electric bicycles represents the first potential mass market for torque sensors, but the sensor concepts used for industrial plants are too expensive for this purpose.
  • the detection of the torque by means of a static pickup is sufficient.
  • the shaft whose torque is to be detected, connected to the one side of a deformation element.
  • the other end of the spring body also called deformation body is connected to a fixed construction element, such as a carrier or a housing part.
  • the applied torque leads to a deformation of the spring body by torsion.
  • the resulting twist is a few degrees and can be detected by a variety of known measuring methods.
  • Magnetic methods which are used to rotate a spring attached to the spring body are generally used here detect magnetic structure relative to a fixed magnetic field sensor. Also optical methods are suitable for this purpose.
  • strain gauges strain gauges
  • the supply is usually accomplished by the transmission of an AC voltage by means of a transformer arrangement in which a coil is wound around the drive shaft and consequently rotates.
  • the other spool stands firm and surrounds the shaft at a slightly greater distance. Together with the shaft, which acts as an iron core, this results in a transformer with comparatively good properties. Since the output signals of strain gage bridges are relatively small, the signal evaluation and amplification in the immediate vicinity of the measuring bridge is thus carried out by a rotating electronics.
  • Piezoresistive as well as magnetoelastic sensors make it very easy to measure the torques on rotating shafts. Their biggest advantage is the direct measuring principle. The torsion of the shaft detected by them is directly related to the torque. But this also causes their biggest disadvantage.
  • the properties of shaft and sensor are inextricably linked. These sensors can not be applied to an existing shaft because the elastic and / or magnetic properties of the shaft dominate the sensor characteristic. The torque sensors are rather part of the shaft itself. Their specific requirements must therefore be considered right from the start in designing the entire drive train. A constructive solution found for a system can not simply be transferred to another application.
  • the sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft having the features of independent claim 1 has the advantage that the torque of the shaft are measured indirectly via the detection of the bearing forces of the shaft can.
  • the sensor completely encloses the bearing of the shaft with a specially designed deformation element.
  • the material strains arising in the deformation body due to the bearing forces are preferably detected by means of piezoresistive sensor elements, which can be produced inexpensively in thin-film technology.
  • the torque sensor is also designed modularly, that is, it can be particularly easily equipped with multiple sensor elements, so as to determine the amount and the direction of the acting bearing force exactly. Its use also requires only constructive changes in the field of
  • Embodiments of the present invention provide a sensor arrangement for indirectly detecting a torque of a rotatably mounted shaft with a sensor, which comprises at least one arranged in the region of a bearing of the shaft sensor element which detects a bearing in a predetermined direction bearing force, from which the torque of Wave can be calculated.
  • the sensor has a sensor body, which acts as a deformation body and comprises an inner ring, which encloses the bearing, and an outer ring, which is connected to a supporting structure and connected to the inner ring via at least two webs, wherein the at least one sensor element coupled with one of the webs.
  • the bearing can be pressed into the inner ring of the sensor body. This allows a simple and secure connection of the sensor with the bearing whose bearing forces are to be detected. In addition, it is ensured via press-fit connection that the bearing forces are transmitted to the sensor body with almost no loss.
  • the at least one sensor element can be arranged on the web or integrated into the web.
  • the at least one sensor element is preferably embodied as a piezoresistive sensor element produced in thin-film technology and has a metallic base body on which an insulation layer and a functional layer of piezoresistive materials can be applied, wherein the functional layer can have four resistance structures which are connected to form a Wheatstone bridge can.
  • the webs absorb the force acting on the inner ring of the sensor body from the bearing and divert it via the outer ring to the supporting structure.
  • material stresses occur in the sensor structure, which are concentrated within the webs due to the design chosen.
  • the webs can be made thinner than the inner ring and the outer ring of the sensor body.
  • the resulting from the material stresses strains of the webs are detected for example by means of piezoresistive sensor elements. These are either attached to the webs or introduced or integrated into the webs. In both cases, the compression transfers to the piezoresistive sensor element and leads to a change in the ohmic resistances in the individual resistance structures. Changing the ohmic resistance changes the output voltage of the Wheatstone bridge. From this voltage signal can thus be concluded via a suitable evaluation of the acting torque.
  • the metallic base body can have at least two attachment structures, which can be connected to the web via a mechanical connection.
  • the main body of the sensor element is preferably made of steel, for example in the form of a strip and / or bolt.
  • the at least two connection points can be arranged below a flat surface element and connected to the corresponding web by welding points or welds, for example.
  • a connection by resistance welding is possible.
  • a round shape of this connection structure It is also possible to press into corresponding holes in the bridge. Brazing and gluing are in principle also conceivable, but are not preferable, since a non-positive and stable over the entire life compound can be achieved only with great effort.
  • the metallic base body can be pressed into a corresponding recess in the web to produce the mechanical connection between the sensor element and the web.
  • the base body is preferably made of steel, for example, by turning with a high-precision outer contour.
  • the connection to the sensor body is made by pressing this outer contour in a correspondingly shaped recess in the corresponding web.
  • this high-precision round contour is an arbitrarily shaped contour, which can be used as a stop when pressed in.
  • the sensor element can be additionally secured, for example, by one or more spot welds.
  • the sensor body can have, for example, four webs, wherein two adjacent webs can be arranged substantially perpendicular to one another.
  • the senor is modular, that is, it can be easily equipped with multiple sensor elements.
  • the sensor has only one sensor element, which is connected to a web. This embodiment is sufficient if the direction of the bearing force is known and unchanging.
  • the senor may comprise at least two sensor elements which are connected to different webs and detect bearing forces which act in different directions.
  • bearing forces can also be detected and calculated, the direction of which change depending on the operating situation, as for example in transmissions with multiple gears on a shaft.
  • the useful signal can be better filtered by disturbance variables. be separated.
  • the sensor can also be equipped with more than two sensor elements.
  • the senor may comprise at least one evaluation electronics, which can be electrically connected to at least one sensor element and arranged on the inner ring of the sensor body.
  • the sensor elements are connected, for example by wire bonding, each with a printed circuit board on which there is a suitable evaluation circuit.
  • the senor may comprise a protective housing, which is supported via support points on the inner ring and on the outer ring.
  • the protective housing protects sensor elements and evaluation circuits against environmental influences.
  • the protective housing can be performed with a plug to tap the signals of the sensor.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of several shafts and gears to illustrate the conclusion of bearing forces, which can be detected with embodiments of the sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of torque of a rotatably mounted shaft.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft.
  • 3 shows a plan view of an exemplary embodiment of a sensor element which can be used in embodiments of the sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the sensor element from FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft.
  • FIG. 7 shows a sectional illustration of the sensor arrangement according to the invention from FIG. 6.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional representation of a fourth exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft.
  • Fig. 1 serves to illustrate the formation of bearing forces.
  • Fig. 1 shows a plurality of waves Wl, W2, W3, which are connected to each other via gears ZI, Z2, Z3.
  • the arrangement serves to transmit a first torque Ml from a first shaft Wl via a second torque M2 of a second shaft W2 to a third shaft W3, which has a third torque M3. This is done by connected to the shafts Wl, W3 gears ZI and Z3 via an intermediate gear Z2, which is connected to the second shaft W2.
  • Two forces act on a bearing of the second shaft W2.
  • a force F i2 or F 2 i acting on the contact point between the first gear ZI and the second gear Z2 also acts on the bearing of the second shaft W2, since the second gear Z2 is mounted there via the second shaft W2.
  • a force F i2 or F 2 i acting on the contact point between the first gear ZI and the second gear Z2 also acts on the bearing of the second shaft W2, since the second gear Z2 is mounted there via the second shaft W2.
  • Gear Z2 acting force F 32 and F 2 3 are absorbed by the camp.
  • the addition of these two forces F i2 and F 32 results in the total bearing force F L2 acting on the bearing of the second shaft W2.
  • the bearing picks up this 5 force F L2 and passes it on to the surrounding structure. The resulting
  • Fig. 1 is located in the vicinity of the bearing a test bore Bl, which is compressed by the force F L2 shown in FIG. 1 corresponding to the dashed Darstell t) ment B2.
  • a piezoresistive sensor element these Materiadehnungen can be detected.
  • the torque M2 is determined therefrom by means of a suitable evaluation electronics.
  • the exemplary embodiments illustrated comprise games of a sensor arrangement 1, 1A, 1B, IC according to the invention for indirect operation
  • a sensor 10, 10A, 10B, IOC which comprises at least one arranged in the region of a bearing 7 of the shaft 5 sensor element 30, 30A, which acts in a predetermined direction bearing force FLi, FL 2 , FL 3 , FL 4 detects from which the torque of the shaft 5 can be calculated or determined.
  • the sensor 10, 10A, 10B, 10C comprises a sensor body 20, 20A, 20B, which acts as a deformation body and an inner ring 26, which encloses the bearing 7, and an outer ring 22, 22A, 22B, which on a supporting structure 3 tethered and over at least two jetties
  • 24A is connected to the inner ring 26.
  • the at least one sensor element 30, 30A is coupled to one of the webs 24, 24A.
  • the senor 10, 10A, 10B, 10C has a specially designed sensor body 20, 20A, 20B, which is used as a deformed sensor body 20, 20A, 20B.
  • the sensor body 20, 20A, 20B consists of an inner
  • the sensor bodies 20, 20A, 20B each have four webs 24, 24A.
  • two adjacent webs 24, 24A are arranged substantially perpendicular to each other.
  • These webs 24, 24A receive the force Fl_i, Fl_2, Fl_3, FL acting from the bearing 7 on the inner ring 26 of the sensor body 20, 20A, 20B and lead them to the supporting structure 3 via the outer ring 22, 22A, 22.
  • the bearing force FLi, FL 2 , FL 3 , FL 4 material stresses occur in the sensor structure, which are concentrated within the webs 24, 24A due to the design chosen.
  • the webs 24, 24A can be made thinner than the inner ring 26 and / or the outer ring 22, 22A, 22 of the sensor body 20, 20A, 20B, as shown in FIGS. 7 and 8 can be seen.
  • the resulting from the material stresses strains of the webs 24, 24A are detected by means of sensor elements 30, 30A.
  • the sensor elements 30, 30A are designed as piezoresistive sensor elements produced in thin-film technology and have a metallic main body 31 on which an insulating layer 33 and a functional layer 32 of piezoresistive materials are applied.
  • a thin layer which consists of at least the insulating layer 33 (eg silicon oxide) and the functional layer 32 is located on a base body 31 made of steel.
  • known piezoresistive materials such as NiCr alloys, platinum, poly-silicon, titanium oxynitride, etc. may be used.
  • resistors 34 are structured by suitable methods, such as wet etching, dry etching, laser ablation, etc., which are connected to form a Wheatstone bridge.
  • the resistance structures 34 are typically meander-shaped and arranged so that they are sensitive in pairs to strains in spatial directions which are perpendicular to each other.
  • Feed lines 36 to the bridge and contacting surfaces 38 can be carried out in the plane of the functional layer 32 or in an additional metallization plane.
  • the functional layer 32 may be protected by a passivation layer (eg, silicon nitride) or other measures (eg, gelling). As can be seen in FIGS.
  • the sensor elements 30, 30A are either fastened on the webs 24 or introduced into the webs 24A, as can be seen from FIGS. 5 and 8. In both cases, the compression transfers to the corresponding piezoresistive sensor element 30, 30A and leads to a reduction of an ohmic resistance in parallel to the direction of the force
  • Resistor structures 34 The "negative transverse contraction” in this case expands the resistance structures 34 which run perpendicular to the direction of the force, which leads to an increase in resistance.
  • the change in the ohmic resistances changes the output voltage of the Wheatstone bridge suitable evaluation to the torque of the shaft 5 are closed.
  • the sensor element 30 in the exemplary embodiments illustrated has a base body 31 made of steel, which has the form of a strip and / or bolt.
  • a planar surface element at least two connection structures 28.2 are arranged, via which the mechanical connection 28 to the sensor body 20 is produced.
  • the mechanical connection 28 can be done for example by welding points or welds.
  • a connection by resistance welding is possible.
  • it is also possible to press into corresponding bores in the web 24 of the sensor body 20. Brazing and gluing are in principle also conceivable, but are not preferable, since a non-positive and stable over the entire life compound can be achieved only with great effort.
  • the sensor element 30A in the exemplary embodiments illustrated comprises a base body 31 made of steel, which has a high-precision outer contour produced, for example, by turning.
  • the mechanical connection 28 to the sensor body 20A, 20B is carried out by pressing this contour into a correspondingly shaped recess 28.1 in the web 24A of the sensor body 20A, 20.
  • Below this high-precision circular contour is an arbitrarily shaped contour, which can be used as a stop during pressing , After joining or pressing in, the sensor Sorelement 30A be additionally secured by one or more welds.
  • various embodiments of the sensor arrangement 1, 1A, 1B, IC according to the invention for the indirect detection of a torque of a rotatably mounted shaft 5 can be realized.
  • the number of webs 24, 24A, the number of sensor elements 30, 30A used and the connection to the surrounding structure can be varied.
  • Embodiments of the sensor arrangement 1, 1A, 1B, IC according to the invention have a modular sensor 10, 10A, 10B, 10C, which can be equipped particularly easily with a plurality of sensor elements 30, 30A.
  • the sensor 10 has only one sensor element 30 in the illustrated first exemplary embodiment.
  • This embodiment is sufficient when the direction of the bearing force FLi is known and fixed. This is the case for the second wave W2 shown by way of example in FIG. 1.
  • the use of two sensor elements 30 may be advantageous in order to be able to better separate the useful signal from disturbance variables.
  • FIG. 5 shows such a sensor 10A with two pressed-in sensor elements 30A.
  • the bearing 7 is pressed.
  • bores 22.1 are introduced into the outer ring 22A for a screw connection to the surrounding structure 3.
  • a first sensor element 30A is pressed into a first web 24A and detects a downwardly acting part FLi of the bearing force.
  • a second sensor element 30A is pressed into a second web 24A and detects a left-acting part FL 2 of the bearing force.
  • the amount and direction of the acting bearing force can be determined from the detected force components.
  • the sensor 10B, 10C can be equipped with more than two sensor elements 30, 30A. 6 and 7 show a sensor 10B with four sensor elements 30 welded onto it. As can also be seen from FIG. 6, a first sensor element 30 is on a first web
  • a second sensor element 30 is welded onto a second web 24 and detects a left-acting part FL 2 of the bearing force.
  • a third sensor element 30 is welded onto a third web 24 and detects an upward-acting portion in the representation
  • FIG. 8 shows a sensor IOC with four pressed-in sensor elements 30A, which detect four force components FLi, FL 2 , FL 3 , FL of the bearing force acting in different directions analogously to the previous exemplary embodiment.
  • the edge of the sensor body 20 or 20A is designed in these embodiments so that the outer ring 22 or 22B can be positively introduced into a corresponding counterpart of the surrounding structure 3, for example by pressing.
  • the illustrated sensors 10A, 10B, 10C each have a protective housing 46 in order to protect the sensor elements 30, 30A and evaluation electronics 40 from environmental influences.
  • Protective housing 46 is supported via support points 46.1 on the inner ring 26 and on the outer ring 22, 22A, 22B of the sensor body 20, 20A, 20B. Part of this protective housing 46 is a connector, not shown, to tap the signals of the sensor 10A, 10B, IOC.
  • the sensor elements 30, 30A are connected by wire bonding to a respective printed circuit board 42, on which a suitable evaluation circuit 44 is located. This evaluates the bridge voltage and provides an output signal in the form of a voltage (eg 0 - 5 V), a current (eg 4 - 20 mA) or in digital form. This signal can be picked up at the contact points, for example by soldered or plugged cables.
  • each sensor element 30, 30A is assigned its own evaluation electronics 40, which each comprise a printed circuit board 42 and an evaluation circuit 44 and are arranged on the inner ring 26 of the sensor body 20, 20A, 20B.
  • an evaluation unit 40 can be used for a plurality of sensor elements 30, 30A.
  • Embodiments of the present invention provide a sensor arrangement for indirectly detecting a torque of a rotatably mounted shaft, which can be advantageously used wherever an inexpensive detection of the torque of drive shafts is required.
  • the synergy with the thin-film technology that Bosch has established in the field of high-pressure sensors and that is in high-volume production (more than 30 million sensor elements in 2013) offers a high economic potential.
  • the evaluation circuits required for this technology are also produced in very high quantities by Bosch and external suppliers, and thus very cost-effectively

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle (5) mit einem Sensor (10), welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers (7) der Welle (5) angeordnetes Sensorelement (30) umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft (FL1) erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle (5) berechenbar ist. Erfindungsgemäß weist der Sensor (10) einen Sensorkörper (20) auf, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring (26), welcher das Lager (7) umschließt, und einen Außenring (22) umfasst, welcher an eine tragende Struktur (3) angebunden und über mindestens zwei Stege (24) mit dem Innenring (26) verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (30) mit einem der Stege (24) gekoppelt ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Sensoren zur Erfassung des Drehmoments stellen wichtige Komponenten von Motor- und Getriebeprüfständen aller Art dar. Sie sind darüber hinaus integraler Bestandteil vieler großindustriell eingesetzter Antriebssysteme. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise die Drehmomente in Schiffswellen, Windkraftan lagen oder Bohrgestängen überwacht. Drehmomentsensoren sind weit verbreitet, ihr vergleichsweise komplexer Aufbau und die damit verbundenen Kosten verhindern jedoch bisher ihren Einsatz in Massengütern. Die Messung des Drehmoments der Antriebswelle von Elektrof ahrrädern stellt den ersten potentiellen Massenmarkt für Drehmomentsensoren dar, die für Industrieanlagen verwendeten Sensorkonzepte sind hierfür allerdings zu teuer.
Bei vielen Prüfständen oder Kalibriereinrichtungen genügt die Erfassung des Drehmoments mittels eines statischen Aufnehmers. Hierbei wird die Welle, deren Drehmoment erfasst werden soll, mit der einen Seite eines Verformungselements verbunden. Das andere Ende des auch Federkörper genannten Verformungskörpers wird mit einem feststehenden Konstruktionselement, wie zum Beispiel einem Träger oder einem Gehäuseteil verbunden. Das angreifende Drehmoment führt zu einer Verformung des Federkörpers durch Torsion. Die resultierende Verdrehung beträgt einige wenige Grad und kann durch eine Vielzahl von bekannten Messverfahren detektiert werden. Gebräuchlich sind hier vor allem magnetische Verfahren, die die Verdrehung einer an dem Federkörper angebrachten magnetischen Struktur relativ zu einem feststehenden Magnetfeldsensor erfassen. Auch optische Verfahren sind hierfür geeignet.
Alternativ ist es möglich, die in dem Federkörper aufgrund der Verformung entstehenden Materialdehnungen zu erfassen. Je nach Konstruktion resultieren diese aus Torsionsmomenten oder Scherkräften. Zur Messung dieser Materialdehnungen werden in der Regel aufgeklebte piezoresistive Dehnmessstreifen verwendet, die zu einer Wh eatstoneb rücke verschaltet sind. Alternativ können diese Dehnungen auch mittels des magnetoelastischen Messprinzips erfasst werden. Dieses beruht darauf, dass sich die Permeabilität ferromagnetischer Materialien bei eingebrachten Materialspannungen ändert. Diese Änderungen können durch eine geeignete Sensorik beispielsweise in Form eines Aufbaus mit Sender- und Empfängerspulen berührungslos erfasst werden.
Bei den meisten Anwendungen genügt die oben beschriebene statische Erfassung des Drehmoments nicht. Vielmehr ist es erforderlich, das Drehmoment von sich drehenden Wellen zu bestimmen. Hierfür wurden mitrotierende Sensoren entwickelt, die in die Antriebswelle integriert sind und deren Torsion messen. Dies erfolgt normalerweise über eines der beiden oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der durch die Torsion hervorgerufenen Materialdehnungen.
Bei der Verwendung von Dehnmessstreifen (DMS) ergibt sich die Problematik, dass an einem rotierenden System weder die Versorgung der Messbrücke noch der Signalabgriff über eine Kabelverbindung erfolgen können. Die Versorgung wird üblicherweise durch die Übertragung einer Wechselspannung mittels einer Transformatoranordnung bewerkstelligt, bei der eine Spule um die Antriebswelle gewickelt ist und sich folglich mitdreht. Die andere Spule steht fest und umgibt die Welle in einem etwas größeren Abstand. Zusammen mit der Welle, die als Eisenkern wirkt, ergibt sich so ein Transformator mit vergleichsweise guten Eigenschaften. Da die Ausgangssignale von DMS-Brücken relativ klein sind, erfolgt die Signalauswertung und Verstärkung in unmittelbarer Nähe der Messbrücke also durch eine sich mitdrehende Elektronik. Deren Ausgangssignal kann nun beispielsweise durch eine Sender- und eine Empfängerspule oder durch eine weitere Elektronik mittels eines Funkstandards nach außen, das heißt zum feststehenden Teil des Sensors übermittelt werden. Solche Sensoren und alle für sie benötigten Komponenten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie erfüllen die an sie gestellten Anforderungen, erfordern aber wie oben bereits ausgeführt ist, einen hohen konstruktiven Aufwand. Im Bereich der mitrotierenden Drehmomentsensoren haben magnetoelastische Sensoren prinzipbedingte Vorteile, da das verwendete Messverfahren berührungslos ist. Das Problem der Kontaktie- rung sich drehender Komponenten stellt sich hier also gar nicht, was sich in einem geringeren konstruktiven Aufwand niederschlägt.
Sowohl mit piezoresistiven als auch mit magnetoelastischen Sensoren lassen sich die Drehmomente an rotierenden Wellen sehr gut messen. Ihr größter Vorteil ist dabei das direkte Messprinzip. Die von ihnen erfasste Torsion der Welle steht in einem direkten Zusammenhang mit dem Drehmoment. Hieraus erwächst aber auch ihr größter Nachteil. Die Eigenschaften von Welle und Sensor sind untrennbar miteinander verbunden. Diese Sensoren lassen sich nicht auf einer bestehenden Welle applizieren, da die elastischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Welle die Sensorcharakteristik dominieren. Die Drehmomentsensoren sind vielmehr selbst Teil der Welle. Ihre spezifischen Anforderungen müssen daher von Beginn an bei Konstruktion des gesamten Antriebsstrangs berücksichtigt werden. Eine für ein System gefundene konstruktive Lösung lässt sich nicht einfach auf eine andere Anwendung übertragen.
Alternativ zur direkten Messung des Drehmoments ist es möglich, die bei der Übertragung des Drehmoments von einer Welle auf eine andere Welle entstehenden Kräfte auf deren Lager zu messen und hieraus auf das Drehmoment zu schließen. Dieser indirekte Ansatz ist aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in den Dokumenten DE10 2012 200 232 AI und DE10 2010 027 010 AI offenbart. Diese Dokumente enthalten aber keinerlei konkrete Umsetzung, wie die Messung der Lagerkräfte erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass über die Erfassung der Lagerkräfte der Welle das Drehmoment der Welle indirekt gemessen werden kann. Der Sensor umschließt dabei das Lager der Welle vollständig mit einem speziell gestalteten Verformungskörper. Die im Verformungskörper aufgrund der Lagerkräfte entstehenden Materialdehnungen werden vorzugsweise mittels piezoresistiver Sensorelemente erfasst, die sich in Dünnschichttechnologie kos- tengünstig herstellen lassen.
Der Drehmomentsensor ist darüber hinaus modular gestaltet, das heißt er kann besonders einfach mit mehreren Sensorelementen bestückt werden, um so den Betrag und die Richtung der wirkenden Lagerkraft exakt zu bestimmen. Seine Verwendung erfordert überdies lediglich konstruktive Änderungen im Bereich der
Lager. Die Auslegung der Wellen und somit des gesamten Antriebsstrangs ist hiervon nicht betroffen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle mit einem Sensor zur Verfügung, welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers der Welle angeordnetes Sensorelement umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle berechnet werden kann. Erfindungsgemäß weist der Sensor einen Sen- sorkörper auf, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring, welcher das Lager umschließt, und einen Außenring umfasst, welcher an eine tragende Struktur angebunden und über mindestens zwei Stege mit dem Innenring verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement mit einem der Stege gekoppelt ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Lager in den Innenring des Sensorkörpers eingepresst werden kann. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Verbindung des Sensors mit dem Lager, dessen Lagerkräfte erfasst werden sollen. Zudem wird über Einpressverbindung sichergestellt, dass die Lagerkräfte nahezu ver- lustlos in den Sensorkörper übertragen werden. In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann das mindestens eine Sensorelement auf dem Steg angeordnet oder in den Steg integriert werden. Das mindestens eine Sensorelement ist vorzugsweise als in Dünnschichttechnologie hergestelltes piezoresistives Sensorelement ausgeführt und weist einen metallischen Grundkörper auf, auf weichen eine Isolationsschicht und eine Funktionsschicht aus piezoresistiven Materialen aufgebracht werden kann, wobei die Funktionsschicht vier Widerstandsstrukturen aufweisen kann, welche zu einer Wheatstone- Brücke verschaltet werden können. Die Stege nehmen die vom Lager auf den Innenring des Sensorkörpers wirkende Kraft auf und leiten sie über den Außenring an die tragende Struktur ab. Als Folge der Lagerkraft kommt es in der Sensorstruktur zu Materialspannungen, die sich aufgrund der gewählten Konstruktionsweise innerhalb der Stege konzentrieren. Um diesen Effekt noch zu verstärken, können die Stege dünner ausgeführt werden als der Innenring und der Außenring des Sensorkörpers. Die aus den Materialspannungen resultierenden Dehnungen der Stege werden beispielsweise mittels piezoresistiver Sensorelemente erfasst. Diese werden entweder auf den Stegen befestigt oder in die Stege eingebracht bzw. integriert. In beiden Fällen überträgt sich die Stauchung auf das piezoresistive Sensorelement und führt zu einer Veränderung der ohmschen Widerstände in den einzelnen Widerstandsstrukturen. Durch die Veränderung der ohmschen Widerstände ändert sich die Ausgangsspannung der Wheatstone- Brücke. Aus diesem Spannungssignal kann somit über eine geeignete Auswerteelektronik auf das wirkende Drehmoment geschlossen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der metallische Grundkörper mindestens zwei Anbindungsstrukturen aufweisen, welche über eine mechanische Verbindung mit dem Steg verbunden werden können. Der Grundkörper des Sensorelements ist beispielsweise in Form eines Streifens und/oder Riegels vorzugsweise aus Stahl hergestellt. Die mindestens zwei Anbindungspunkte können unterhalb eines ebenen Flächenelements angeordnet werden und beispielsweise durch Schweißpunkte oder Schweißnähte mit dem korrespondierenden Steg verbunden werden. Ebenso ist bei entsprechender Ausgestaltung dieser Strukturen eine Anbindung durch Widerstandsschweißen möglich. Im Falle einer runden Ausformung dieser Anbindungsstruk- turen ist auch ein Einpressen in entsprechende Bohrungen im Steg möglich. Hartlöten und Kleben sind prinzipiell ebenfalls denkbar, sind aber nicht zu bevorzugen, da hier eine kraftschlüssige und über die gesamte Lebensdauer stabile Verbindung nur mit größerem Aufwand erzielt werden kann.
Alternativ kann der metallische Grundkörper in eine korrespondierende Aussparung im Steg eingepresst werden, um die mechanische Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Steg herzustellen. Bei dieser Ausführungsform ist der Grundkörper vorzugsweise aus Stahl beispielsweise durch Drehen mit einer hochpräzisen Außenkontur hergestellt. Die Verbindung zum Sensorkörper erfolgt durch das Einpressen dieser Außenkontur in eine entsprechend geformte Aussparung im korrespondierenden Steg. Unterhalb dieser hochpräzisen runden Kontur befindet sich eine beliebig geformte Kontur, die beim Einpressen als Anschlag genutzt werden kann. Nach dem Fügen bzw. Einpressen kann das Sen- sorelement beispielsweise durch einen oder mehrere Schweißpunkte zusätzlich gesichert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensorkörper beispielsweise vier Stege aufweisen, wobei zwei benach- barte Stege im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet werden können.
Dadurch ist der Sensor modular gestaltet, das heißt er kann besonders einfach mit mehreren Sensorelementen bestückt werden. Im einfachsten Fall besitzt der Sensor nur ein Sensorelement, welches mit einem Steg verbunden ist. Diese Ausführungsform ist ausreichend, wenn die Richtung der Lagerkraft bekannt und unveränderlich ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensor mindestens zwei Sensorelemente umfassen, welche mit verschiedenen Stegen verbunden sind und Lagerkräfte erfassen, welche in ver- schiedene Richtungen wirken. Dadurch können auch Lagerkräfte erfasst und berechnet werden, deren Richtung sich je nach Betriebssituation ändern, wie beispielsweise bei Getrieben mit mehreren Zahnrädern auf einer Welle. Um Betrag und Richtung der wirkenden Lagerkraft exakt zu bestimmen werden Signale der mindestens zwei Sensorelemente entsprechend ausgewertet. Zudem kann auch bei festen Übersetzungsverhältnissen das Nutzsignal besser von Störgrößen ge- trennt werden. Um Störgrößen wie beispielsweise Querkräfte auf das Lager eliminieren zu können oder um ein redundantes Signal zu erhalten kann der Sensor auch mit mehr als zwei Sensorelementen bestückt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensor mindestens eine Auswerteelektronik umfassen, welche mit mindestens einem Sensorelement elektrisch verbunden und auf dem Innenring des Sensorkörpers angeordnet werden kann. Die Sensorelemente sind beispielsweise durch Drahtbonden mit je einer Leiterplatte verbunden, auf welcher sich eine geeignete Auswerteschaltung befindet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Sensor ein Schutzgehäuse umfassen, welches sich über Stützstellen am Innenring und am Außenring abstützt. Das Schutzgehäuse schützt Sensorelemente und Auswerteschaltungen vor Umgebungseinflüssen. Zudem kann das Schutzgehäuse mit einem Stecker ausgeführt werden, um die Signale des Sensors abzugreifen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von mehreren Wellen und Zahnrädern zur Illustration des Zustandekommens von Lagerkräften, welche mit Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle erfasst werden können.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements, welches in Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle eingesetzt werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung des Sensorelements aus Fig. 3.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 dient der Illustration des Zustandekommens von Lagerkräften. Fig. 1 zeigt mehrere Wellen Wl, W2, W3, welche über Zahnräder ZI, Z2, Z3 miteinander verbunden sind. Die Anordnung dient der Übertragung eines ersten Drehmoments Ml von einer ersten Welle Wl über ein zweites Drehmoment M2 einer zweiten Welle W2 auf eine dritte Welle W3, welche ein drittes Drehmoment M3 aufweist. Dies erfolgt durch die mit den Wellen Wl, W3 verbundenen Zahnräder ZI und Z3 über ein Zwischenzahnrad Z2, welches mit der zweiten Welle W2 verbunden ist. Auf ein Lager der zweiten Welle W2 wirken dabei zwei Kräfte. Zum einen wirkt eine am Berührungspunkt zwischen dem ersten Zahnrad ZI und dem zweiten Zahnrad Z2 wirkende Kraft Fi2 bzw. F2i auch auf das Lager der zweiten Welle W2, da das zweite Zahnrad Z2 über die zweite Welle W2 dort gelagert ist. Zum anderen muss die zwischen dem dritten Zahnrad Z3 und dem zweiten
Zahnrad Z2 wirkende Kraft F32 bzw. F23 vom Lager aufgenommen werden. Aus der Addition dieser beiden Kräfte Fi2 und F32 ergibt sich die insgesamt auf das Lager der zweiten Welle W2 wirkende Lagerkraft FL2. Das Lager nimmt diese 5 Kraft FL2 auf und gibt sie an die umliegende Struktur weiter. Die resultierenden
Materialspannungen innerhalb dieser Struktur führen zu Materialdehnungen, die proportional zur Lagerkraft FL2 und damit proportional zum Drehmoment M2 sind. In Fig. 1 befindet sich in der Umgebung des Lagers eine Testbohrung Bl, welche durch die in Fig. 1 dargestellte Kraft FL2 entsprechend der gestrichelten Darstell t) lung B2 gestaucht wird. Mittels eines piezoresistiven Sensorelements können diese Materiadehnungen erfasst werden. Anschließend wird hieraus mittels einer geeigneten Auswerteelektronik das Drehmoment M2 bestimmt.
Wie aus Fig. 2 bis 8 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbei- 15 spiele einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, IC zur indirekten
Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle 5 jeweils einen Sensor 10, 10A, 10B, IOC, welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers 7 der Welle 5 angeordnetes Sensorelement 30, 30A umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft FLi, FL2, FL3, FL4 erfasst, aus wel- 20 eher das Drehmoment der Welle 5 berechnet bzw. bestimmt werden kann. Erfindungsgemäß weist der Sensor 10, 10A, 10B, 10C einen Sensorkörper 20, 20A, 20B aufweist, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring 26, welcher das Lager 7 umschließt, und einen Außenring 22, 22A, 22B umfasst, welcher an eine tragende Struktur 3 angebunden und über mindestens zwei Stege
25 24, 24A mit dem Innenring 26 verbunden ist. Das mindestens eine Sensorelement 30, 30A ist mit einem der Stege 24, 24A gekoppelt.
Wie aus Fig. 2 bis 8 weiter ersichtlich ist, weist der Sensor 10, 10A, 10B, 10C einen speziell gestalteten Sensorkörper 20, 20A, 20B auf, welcher als Verfor-
30 mungskörper wirkt. Der Sensorkörper 20, 20A, 20B besteht aus einem inneren
Teil, der als Innenring 26 ausgeführt ist und das Lager 7 komplett umschließt, und einem äußeren Teil, der als Außenring 22, 22A, 22B ausgeführt ist, über welchen die Anbindung zur tragenden Struktur 3 erfolgt, welche beispielsweise als Getriebegehäuse ausgeführt ist. Der Innenring 26 und der Außenring 22, 35 22A, 22 sind über mehrere Stege 24, 24A miteinander verbunden. Bei den dar- gestellten Ausführungsbeispielen weisen die Sensorkörper 20, 20A, 20B jeweils vier Stege 24, 24A auf. Hierbei sind zwei benachbarte Stege 24, 24A im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. Diese Stege 24, 24A nehmen die vom Lager 7 auf den Innenring 26 des Sensorkörpers 20, 20A, 20B wirkende Kraft Fl_i, Fl_2, Fl_3, FL auf und leiten diese über den Außenring 22, 22A, 22 an die tragende Struktur 3 ab. Als Folge der Lagerkraft FLi, FL2, FL3, FL4 kommt es in der Sensorstruktur zu Materialspannungen, welche sich aufgrund der gewählten Konstruktionsweise innerhalb der Stege 24, 24A konzentrieren. Um diesen Effekt noch zu verstärken, können die Stege 24, 24A dünner ausgeführt werden als der Innenring 26 und/oder der Außenring 22, 22A, 22 des Sensorkörpers 20, 20A, 20B, wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich ist. Die aus den Materialspannungen resultierenden Dehnungen der Stege 24, 24A werden mittels Sensorelemente 30, 30A erfasst.
Wie aus Fig. 3 und 4 weiter ersichtlich ist, sind die Sensorelemente 30, 30A als in Dünnschichttechnologie hergestellte piezoresistive Sensorelemente ausgeführt und weisen einen metallischen Grundkörper 31 auf, auf weichen eine Isolationsschicht 33 und eine Funktionsschicht 32 aus piezoresistiven Materialen aufgebracht ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich auf einem Grundkörper 31 aus Stahl eine Dünnschicht, welche mindestens aus der Isolationsschicht 33 (z.B. Siliziumoxid) und der Funktionsschicht 32 besteht. Für die Funktionsschicht 32 können bekannte piezoresistiven Materialien, wie beispielsweise NiCr-Legierungen, Platin, Poly-Silizium, Titanoxinitrid usw. verwendet werden. Aus der Funktionsschicht 32 werden durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Nassätzen, Trockenätzen, Laserabtragen usw., mindestens vier Widerstände 34 strukturiert, welche zu einer Wheatstone- Brücke verschaltet sind. Die Widerstandsstrukturen 34 sind typischerweise mäanderförmig ausgeführt und so angeordnet, dass sie paarweise auf Dehnungen in Raumrichtungen empfindlich sind, welche senkrecht aufeinander stehen. Zuleitungen 36 zur Brücke und Kontaktierflächen 38 können in der Ebene der Funktionsschicht 32 oder in einer zusätzlichen Metallisierungsebene ausgeführt werden. Zusätzlich kann die Funktionsschicht 32 durch eine Passivierschicht (z.B. Siliziumnitrid) oder andere Maßnahmen (z.B. Vergelung) geschützt werden. Die Sensorelemente 30, 30A werden entweder, wie in Fig. 2, 6 und 7 ersichtlich ist, auf den Stegen 24 befestigt oder in die Stege 24A eingebracht, wie aus Fig. 5 und 8 ersichtlich ist. In beiden Fällen überträgt sich die Stauchung auf das korrespondierende piezoresistive Sensorelement 30, 30A und führt zu einer Verrin- gerung eines ohmschen Widerstands bei parallel zur Kraftrichtung verlaufenden
Widerstandsstrukturen 34. Durch die in diesem Fall„negative Querkontraktion" werden die senkrecht zur Kraftrichtung verlaufenden Widerstandsstrukturen 34 gedehnt, was zu einer Widerstandserhöhung führt. Durch die Veränderung der ohmschen Widerstände ändert sich die Ausgangsspannung der Wheatstone- Brücke. Aus diesem Spannungssignal kann somit über eine geeignete Auswerteelektronik auf das Drehmoment der Welle 5 geschlossen werden.
Wie aus Fig. 2, 6 und 7 ersichtlich ist, weist das Sensorelement 30 in den dargestellten Ausführungsbeispielen einen Grundkörper 31 aus Stahl auf, welcher die Form eines Streifens und/oder Riegels besitzt. Unterhalb eines ebenen Flächenelements sich mindestens zwei Anbindungsstrukturen 28.2 angeordnet, über welche die mechanische Verbindung 28 zum Sensorkörper 20 hergestellt wird. Die mechanische Verbindung 28 kann beispielsweise durch Schweißpunkte oder Schweißnähte erfolgen. Ebenso ist bei entsprechender Ausgestaltung dieser Strukturen28.2 eine Anbindung durch Widerstandsschweißen möglich. Im Falle einer runden Ausformung dieser Anbindungsstrukturen 28.2 ist auch ein Einpressen in entsprechende Bohrungen im Steg 24 des Sensorkörpers 20 möglich. Hartlöten und Kleben sind prinzipiell ebenfalls denkbar, sind aber nicht zu bevorzugen, da hier eine kraftschlüssige und über die gesamte Lebensdauer stabile Verbindung nur mit größerem Aufwand erzielt werden kann.
Wie aus Fig. 5 und 8 ersichtlich ist, weist das Sensorelement 30A in den dargestellten Ausführungsbeispielen einen Grundkörper 31 aus Stahl auf, welche eine beispielsweise durch Drehen hergestellte hochpräzise Außenkontur aufweist. Die mechanische Verbindung 28 zum Sensorkörper 20A, 20B erfolgt durch das Einpressen dieser Kontur in eine entsprechend geformte Aussparung 28.1 im Steg 24A des Sensorkörpers 20A, 20. Unterhalb dieser hochpräzisen runden Kontur befindet sich eine beliebig geformte Kontur, welche beim Einpressen als Anschlag genutzt werden kann. Nach dem Fügen bzw. Einpressen kann das Sen- sorelement 30A durch einen oder mehrere Schweißpunkte zusätzlich gesichert werden.
Basierend auf dem oben beschriebenen Grundprinzip können verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, IC zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle 5 realisiert werden. Hierbei können die Anzahl der Stege 24, 24A, die Zahl der verwendeten Sensorelemente 30, 30A und die Anbindung an die umgebende Struktur variiert werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, IC weisen einen modular gestalteten Sensor 10, 10A, 10B, 10C auf, welcher besonders einfach mit mehreren Sensorelementen 30, 30A bestückt werden kann.
Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, weist der Sensor 10 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel im einfachsten Fall nur ein Sensorelement 30 auf. Diese Ausführungsform ist ausreichend, wenn die Richtung der Lagerkraft FLi bekannt und unveränderlich ist. Dies ist bei der beispielhaft in Fig. 1 dargestellten Situation für die zweite Welle W2 der Fall. Jedoch kann auch bei festen Übersetzungsverhältnissen die Verwendung von zwei Sensorelementen 30 vorteilhaft sein, um das Nutzsignal besser von Störgrößen trennen zu können.
Bei Getrieben mit mehreren Zahnrädern auf einer Welle kann sich je nach Betriebssituation auch die Richtung der Lagerkraft ändern. Um Betrag und Richtung der wirkenden Lagerkraft exakt bestimmen zu können, sind zwei Sensorelemente 30, 30A erforderlich. Fig. 5 zeigt einen solchen Sensor 10A mit zwei eingepress- ten Sensorelementen 30A. In der Mitte des Sensorkörpers 20A ist das Lager 7 eingepresst. Am Rand des Sensorkörpers 20A sind Bohrungen 22.1 in den Außenring 22A für eine Schraubverbindung zur umgebenden Struktur 3 eingebracht. Wie aus Fig. 5 weiter ersichtlich ist, ist ein erstes Sensorelement 30A in einen ersten Steg 24A eingepresst und erfasst einen in der Darstellung nach unten wirkenden Anteil FLi der Lagerkraft. Ein zweites Sensorelement 30A ist in einen zweiten Steg 24A eingepresst und erfasst einen in der Darstellung nach links wirkenden Anteil FL2 der Lagerkraft. Aus den erfassten Kraftanteilen können Betrag und Richtung der wirkenden Lagerkraft bestimmt werden. Um Störgrößen, wie beispielsweise Querkräfte, auf das Lager 7 eliminieren zu können oder um ein redundantes Signal zu erhalten kann der Sensor 10B, IOC mit mehr als zwei Sensorelementen 30, 30A bestückt werden. Fig. 6 und 7 zeigen einen Sensor 10B mit vier aufgeschweißten Sensorelementen 30. Wie aus Fig. 6 weiter ersichtlich ist, ist ein erstes Sensorelement 30 auf einen ersten Steg
24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach unten wirkenden Anteil Fl_i der Lagerkraft. Ein zweites Sensorelement 30 ist auf einen zweiten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach links wirkenden Anteil FL2 der Lagerkraft. Ein drittes Sensorelement 30 ist auf einen dritten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach oben wirkenden Anteil
FL3 der Lagerkraft, und ein viertes Sensorelement 30 ist auf einen vierten Steg 24 aufgeschweißt und erfasst einen in der Darstellung nach rechts wirkenden Anteil FL der Lagerkraft. Fig. 8 zeigt einen Sensor IOC mit vier eingepressten Sensorelementen 30A, welche analog zum vorherigen Ausführungsbeispiel vier in unterschiedliche Richtungen wirkende Kraftanteile FLi, FL2, FL3, FL der Lagerkraft erfassen. Der Rand des Sensorkörpers 20 bzw. 20A ist bei diesen Ausführungsbeispielen so gestaltet, dass sich der Außenring 22 bzw. 22B kraftschlüssig in ein entsprechendes Gegenstück der umgebenden Struktur 3 beispielsweise durch Einpressen einbringen lässt.
Wie aus Fig. 5 bis 8 weiter ersichtlich ist, weisen die dargestellten Sensoren 10A, 10B, IOC jeweils ein Schutzgehäuse 46 auf, um die Sensorelemente 30, 30A und Auswerteelektroniken 40 vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Das
Schutzgehäuse 46 stützt sich über Stützstellen 46.1 am Innenring 26 und am Außenring 22, 22A, 22B des Sensorkörpers 20, 20A, 20B ab. Teil dieses Schutzgehäuses 46 ist ein nicht näher dargestellter Stecker, um die Signale des Sensors 10A, 10B, IOC abzugreifen. Die Sensorelemente 30, 30A sind beispielswei- se durch Drahtbonden mit je einer Leiterplatte 42 verbunden, auf welcher sich eine geeignete Auswerteschaltung 44 befindet. Diese wertet die Brückenspannung aus und stellt ein Ausgangssignal in Form einer Spannung (z.B. 0 - 5 V), eines Stroms (z.B. 4 - 20 mA) oder in digitaler Form bereit. Dieses Signal kann an den Kontaktstellen, beispielsweise durch angelötete oder aufgesteckte Kabel abge- griffen werden. Die Spannungsversorgung des Sensors 10A, 10B, 10C erfolgt ebenfalls über diese Kontaktstellen. Die Signale der Sensorelemente 30, 30A können entweder getrennt nach außen geführt und einem Steuergerät zur Verfügung gestellt werden, welches daraus das Drehmoment ermittelt. Alternativ kann diese Signalverarbeitung noch innerhalb des Sensors 10A, 10B, IOC mit Hilfe einer weiteren nicht näher dargestellten Elektronik erfolgt, welche ein dem ermittelten Drehmoment entsprechendes Signal nach außen gibt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jedem Sensorelement 30, 30A eine eigene Auswerteelektronik 40 zugeordnet, welche jeweils eine Leiterplatte 42 und eine Auswerteschaltung 44 umfasst und auf dem Innenring 26 des Sensorkörpers 20, 20A, 20B angeordnet ist. Alternativ kann eine Auswerteelektronik 40 für mehrere Sensorelemente 30, 30A eingesetzt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle zur Verfügung, welche in vorteilhafter Weise überall dort eingesetzt werden können, wo eine kostengünstige Erfassung des Drehmoments von Antriebswellen erforderlich ist. Die Synergie zu der bei Bosch im Bereich der Hochdrucksensorik etablierten und mit hohen Stückzahlen (in 2013 mehr als 30 Mio. Sensorelemente) laufenden Dünnschichttechnologie bietet ein hohes wirtschaftliches Potential. Die für diese Technologie erforderlichen Auswerteschaltungen werden bei Bosch und externen Anbietern ebenfalls in sehr hohen Stückzahlen und damit sehr kostengünstig hergestellt

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung (1, 1A, 1B, IC) zur indirekten Erfassung eines Drehmoments einer rotierbar gelagerten Welle (5) mit einem Sensor (10, 10A, 10B, IOC), welcher mindestens ein im Bereich eines Lagers (7) der Welle (5) angeordnetes Sensorelement (30, 30A) umfasst, welches eine in eine vorgegebenen Richtung wirkende Lagerkraft (FLi, FL2, FL3, FL4) erfasst, aus welcher das Drehmoment der Welle (5) berechenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10, 10A, 10B, 10C) einen Sensorkörper (20, 20A, 20B) aufweist, welcher als Verformungskörper wirkt und einen Innenring (26), welcher das Lager (7) umschließt, und einen Außenring (22, 22A, 22B) umfasst, welcher an eine tragende Struktur (3) angebunden und über mindestens zwei Stege (24, 24A) mit dem Innenring (26) verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (30, 30A) mit einem der Stege (24, 24A) gekoppelt ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (7) in den Innenring (26) des Sensorkörpers (20, 20A, 20B) ein- gepresst ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (30, 30A) auf dem Steg (24) angeordnet oder in den Steg (24A) integriert ist.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (30, 30A) als in Dünnschichttechnologie hergestelltes piezoresistives Sensorelement ausgeführt ist und einen metallischen Grundkörper (31) aufweist, auf welchen eine Isolationsschicht (33) und eine Funktionsschicht (32) aus piezoresistiven Materialen aufgebracht, wobei die Funktionsschicht (32) vier Widerstandsstrukturen (34) aufweist, welche zu einer Wheatstone- Brücke verschaltet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (31) mindestens zwei Anbindungsstrukturen (28.2) aufweist, welche über eine mechanische Verbindung (28) mit dem Steg (24) verbunden sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (31) in eine korrespondierende Aussparung (28.1) im Steg (24A) eingepresst ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (20, 20A, 20B) vier Stege (24, 24A) aufweist, wobei zwei benachbarte Stege (24, 24A) im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10A, 10B, IOC) mindestens zwei Sensorelemente (30, 30A) umfasst, welche mit verschiedenen Stegen (24, 24A) verbunden sind und Lagerkräfte (Fl_i, FL2, FL3, FL ) erfassen, welche in verschiedene Richtungen wirken.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10A, 10B, IOC) mindestens eine Auswerteelektronik (40) umfasst, welche mit mindestens einem Sensorelement (30, 30A) elektrisch verbunden ist und auf dem Innenring (26) des Sensorkörpers (20, 20A, 20B) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10A, 10B, 10C) ein Schutzgehäuse (46) umfasst, welches sich über Stützstellen (46.1) am Innenring (26) und am Außenring (22, 22A, 22B) abstützt.
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