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CN102279069A - 具有u形剖面腹板的扭矩传感器 - Google Patents

具有u形剖面腹板的扭矩传感器 Download PDF

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CN102279069A CN2011101962700A CN201110196270A CN102279069A CN 102279069 A CN102279069 A CN 102279069A CN 2011101962700 A CN2011101962700 A CN 2011101962700A CN 201110196270 A CN201110196270 A CN 201110196270A CN 102279069 A CN102279069 A CN 102279069A
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Abstract

本发明涉及一种具有U形剖面腹板的扭矩传感器，其包括内部本体、同心围绕该内部本体的外部环形本体以及将内部本体星形连接到外部环形本体的多个腹板。更进一步地，该扭矩传感器包括用于引入扭矩的装置和在腹板上用于确定变形的至少一个测量元件。所述腹板具有U形剖面的形状。

Description

具有U形剖面腹板的扭矩传感器
技术领域
本发明涉及一种扭矩传感器，其包括
(a)内部本体，
(b)同心围绕该内部本体的外部环形本体，
(c)将内部本体星形连接到外部环形本体的多个腹板(web)，
(d)用于引入扭矩的装置，
(e)在腹板上用于确定变形的至少一个测量元件。
背景技术
扭矩传感器是通过测量本体的变形来确定扭矩的传感器。大多数扭矩传感器与应变计一起操作。还有些扭矩传感器以压电、磁弹性或光学原理进行操作。
扭矩传感器可用于旋转或静止的轴上用以确定所传递的扭矩，而且也可用于扭矩扳手的校准装置。对于待校准的短体形且非常刚性的工具，如扭矩扳手，常常使用所谓的扭矩测量法兰。作为通用扭矩传感器的扭矩测量法兰由内毂通过多个辐条连接到外环而组成。辐条配有传感器(如应变计)，其测量所施加的扭矩处的弯曲负载。在这种扭矩传感器中，侧向力和侧向力矩的影响应尽可能地被补偿。此外，扭矩传感器应当具有低质量惯性力矩和高测量灵敏度的特征。
根据德国专利DE 42 08 522 C2的扭矩传感器不测量弯曲力，而测量剪切力。为此，该扭矩传感器具有内部本体或内毂以及同心的外部环形本体。该内部本体通过星形延伸的腹板连接到外部环形本体。测量传感器(例如应变计)安置于腹板上以检测扭转。
在德国专利申请DE 195 25 231 A1中描述了一种扭矩传感器，其由两个相对的法兰通过腹板相互连接而组成。应变计被设置在连接腹板上。扭矩传感器的这种变体的成本也相对较高。此外，这种扭矩传感器的动态特性是远远不够的。那里描述的扭矩传感器的另一缺点是，在高转速下仍然会出现零点偏移，并且这种扭矩传感器的制造成本非常高。
DE 202 09 850 U1公开了一种具有腹板的扭矩传感器，并且具有内部本体和同心围绕该内部本体的外部环形本体。具有不同宽度的腹板以星形方式将内部本体与环形本体连接起来。测量元件被设置在腹板上，确定所施加的扭矩产生的腹板的扭转。
上述扭矩传感器的一个缺点是该扭矩传感器的制造成本与其精度相关。
发明内容
因此，本发明的一个目的是创造一种扭矩传感器，其消除了上述现有技术中的缺点，并且被设计为尽可能具有成本效益且简单，并且仍然是灵敏和准确的。
根据本发明，该目标的实现是通过在第一段所提及的那种类型的扭矩传感器中包括
(f)所述多个腹板具有U形剖面(u-profile)的形状。
本发明基于如下原理：通过力引入而施加到扭矩传感器的侧向力和扭矩力被最优化地分布到多个腹板，该多个腹板具有用于检测变形的测量元件。至关重要的是，U形剖面对于侧向力具有非常高的抵抗力，从而在测量期间，腹板获得了局部稳定性并且侧向力的影响被彻底最小化。通过这一措施，腹板的数量可得以减少，这是由于每个腹板自身被形成得显著地更加稳定。
在本发明的一个优选实施例中，U形剖面具有1至1.5的U形剖面宽度与U形剖面高度的比。在这个比的情况下，可以实现高抗弯刚度和侧向力对测量元件的低冲击。
特别有利的是，U形剖面相对于扭矩传感器的中心布置成扭矩传感器半径与腹板中心半径的比为1.5至2.5。这就避免了扭矩尖峰并且均匀分布所引入的力。
在本发明的一个优选实施例中，U形剖面在高度和/或宽度上具有不同的厚度。这允许腹板在静力学和重量分布上有更多的可变性，从而实现扭矩传感器的改进的测量结果。
在本发明的一个优选实施例中，多个测量元件被分别布置在多个U形剖面处。通过这一措施，当扭矩被施加到扭矩传感器时，能够特别好地测量扭转或变形。
在本发明的另一有利的实施例中，扭矩传感器包括多边形插口。该多边形插口在测量期间形状配合地接收扭矩扳手的外多边形。
由此，多边形插口包括在其表面上的切口，所述切口例如接收扭矩扳手的外多边形的弹簧加载的球。该切口实现外多边形在多边形插口内的自由居中。这样，由于侧向力被大大地消除，可以显著减少居中误差所导致的测量误差。
为了改进动态特性，内部本体和外部环形本体的质量是不同的。这通过例如内部本体和外部环形本体具有不同体积或不同密度来实现。由于不同密度所引起的不同惯性力矩，获得了额外的可调参数，用于提高扭矩传感器的精度。在合适的实施例中，外部环形本体具有比内部本体更大的质量。当内部本体和外部环形本体具有不同密度时，特别是当外部环形本体具有比内部本体更大的密度时，这是特别有利的。因此，扭矩传感器在内部本体获得与外部环形本体不同的惯性力矩，这导致扭矩传感器动态特性的提高。
提供具有两到四个U形剖面的扭矩传感器是特别有利的。通过腹板的数量，能够影响刚度和弹性变形的比，并且扭矩传感器可以很好地适用于不同的使用情况。通常，当减少腹板数量时，侧向力的影响会增加。
侧向力的影响被U形剖面所补偿，U形剖面对这种力具有特别高的抵抗力，使得能够减少腹板的数量而同时保持测量过程期间的精度。此外，通过将腹板减少为两个U形剖面，实现了扭矩传感器的更低成本生产。
本发明的一个方面在于，测量元件为应变计。通过应变计，变形是可以特别容易检测的。
由从属权利要求的主题以及配有附图的说明书，可以得到其他优点。
附图说明
图1示出了根据本发明的扭矩传感器的正视图的示意图。
图2示出了穿过该扭矩传感器的截面的示意图。
图3示出了该扭矩传感器的正视图的三维视图的示意图。
图4示出了该扭矩传感器的后视图的三维视图的示意图。
图5示出了U形剖面的截面的示意图。
具体实施方式
图1示出了一种创造性的扭矩传感器10的正视图。扭矩传感器10包括被外部环形本体14所包围的内部本体12。内部本体12通过径向延伸的腹板16连接到外部环形本体14。腹板16被形成为像U形剖面17一样的U形。腹板16将内部本体12连接到外部环形本体14，其中，在此示例性实施例中，中间空间18的形状为具有成圆形的端部区域的环形段。
在扭矩传感器10的内部本体12的中心，销20是可见的，其设置有埋头孔22和凹座24。在此示例性实施例中，凹座24形成为方形插口。进一步地，切口26以半圆形切口形式位于方形插口的表面上，以接收例如扭矩扳手的外部方形的弹簧加载球或销。通常，扭矩扳手在其外部方形上具有弹簧加载球或销，其在接收工具时移入并在接合期间压靠插入物的方形插口。这导致扭矩扳手和插入物或扭矩传感器的连接并且在测量过程期间确保最佳的力引入。
外部环形本体14上的其他通孔28具有结构性功能和减轻重量的功能，或者能够被螺丝固定到相应的轴法兰以便传递扭矩。
在U形剖面17处设置测量元件32用于检测腹板16的变形。优选地，这些测量元件32为应变计，其向评价装置(未示出)提供与变形相对应的电信号。通过适当施加扭矩到扭矩传感器10，力被最佳地分布到腹板16。为此，U形剖面17消除由于夹持和转动扭矩扳手所引起的侧向力，其在扭矩被引入时可能发生。这些力在测量元件处被U形剖面17的支腿(leg)直接补偿。
优选地，具有两个测量栅格的应变计被附接到每个U形剖面17，其中，栅格角相对于腹板纵向轴线成45°。(应变计被示意性地示出。)当测量元件连接进惠斯通测量电桥时获得了非常高的输出信号。如果扭矩传感器10经受了所施加的扭矩，则在圆周方向的剪切负载能够通过应变计的布置而被高灵敏度地确定。
内部本体12具有比外部环形本体14更小的质量。例如，这通过不同密度的材料而得到。
附图还示出了扭矩传感器半径19与腹板中心半径21的不同的比R/r。为了扭矩传感器额外的稳定性优化，该比例为1.5至2.5。
图2示出了穿过扭矩传感器10的截面的示意图。剖切面位于腹板16的区域内。与显示在图1中的相同部件具有同样的附图标记。该图示出了扭矩传感器10的相对简单的组装，其包括外部环形本体14和内部本体12。测量元件32位于腹板16的U形剖面17上。这样做，由于不需要复杂的铣削或钻孔，给出了扭矩传感器10的具有成本效益的生产。此外，用于接收扭矩扳手的弹簧加载球的切口26、销20、埋头孔22和凹座24都是可见的。U形剖面的高度36和宽度38(图5)显示在该图中。
从在图3(前视图)和图4(后视图)中的扭矩传感器10的透视图中可见更多细节。U形剖面17的轮廓在扭矩传感器10的背面(图4)可以特别清楚地看见。与之相反，测量元件32被布置在扭矩传感器10的正面。
轴向设置的实心环34(参见图4)被布置在外部环形本体14上。与外部环形本体14相比，内部环12更宽。这减少了转动装置的安置影响(settlinginfluence)，因为与常规扭矩传感器相比增加了到法兰的夹持表面。例如，传感器的直径是150mm，方形插口周围的套圈约75mm。这将确保在引入力时过滤掉个别的扭矩尖峰，因此，确保了力的分布的更高均匀性。
三维视图更进一步地示出了形状为具有成圆形的端部区域的环形段的中间空间18是连续的。这样，尤其使减少内部本体12的重量成为可能。
图5示出了穿过U形剖面17的截面。U形剖面17在其高度36和/或宽度38上具有不同的厚度。这样做，可以保证腹板16的显著的稳定性、挠曲强度和抗剪强度，因为U形剖面17的宽度(即在圆周方向上的延伸)和高度(即在轴向方向上的延伸)设置成从1至1.5的比b/h。这导致在扭矩传感器的静力学和重量分布上的额外可变性。
附图标记清单
  10   扭矩传感器
  12   内部本体
  14   外部环形本体
  16   腹板
  17   U形剖面
  18   中间空间
  19   扭矩传感器半径(R)
  20   销
  21   腹板中心半径(r)
  22   埋头孔
  24   凹座
  26   切口
  28   通孔
  32   测量元件
  34   环
  36   U形剖面的高度(h)
  38   U形剖面的宽度(b)

Claims (13)

1.一种扭矩传感器(10)，包括
(a)内部本体(12)，
(b)同心围绕所述内部本体(12)的外部环形本体(14)，
(c)将所述内部本体(12)与所述外部环形本体(14)星形连接的多个腹板(16)，
(d)用于引入扭矩的装置，
(e)在腹板(16)上用于检测变形的至少一个测量元件(32)，
其特征在于
(f)所述多个腹板(16)具有U形剖面(17)的形状。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述U形剖面(17)具有从1至1.5的U形剖面(17)的宽度(38)与U形剖面(17)的高度(36)的比。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述U形剖面(17)相对于所述扭矩传感器(10)的中心布置成扭矩传感器(10)的半径(19)与腹板中心半径(21)的比为1.5至2.5。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述U形剖面(17)在高度(36)和/或宽度(38)上具有不同的厚度。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述测量元件(32)分别布置在所述U形剖面(17)处。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述扭矩传感器(10)包括多边形插口。
7.根据权利要求6所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述多边形插口包括在表面内的切口(26)。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述内部本体(12)和所述外部环形本体(14)具有不同的质量。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述外部环形本体(14)具有比所述内部本体(12)更大的质量。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，扭矩传感器(10)具有两个腹板(16)。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述测量元件(32)为应变计。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述内部本体(12)和所述外部环形本体(14)具有不同的密度。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的扭矩传感器(10)，其特征在于，所述外部环形本体(14)具有比所述内部本体(12)更大的密度。
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