DD273118A1

DD273118A1 - TORQUE-LEADING, ROTATING COMPONENT WITH TORQUE SENSOR

Info

Publication number: DD273118A1
Application number: DD31687988A
Authority: DD
Inventors: Guenter Eckardt; Michael Wagner; Andreas Hermann; Edgar Kanneberg
Original assignee: Univ Magdeburg Tech
Priority date: 1988-06-17
Filing date: 1988-06-17
Publication date: 1989-11-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein drehmomentfuehrendes, rotierendes Bauteil mit Drehmomentensensor auf kapazitiver Basis, wobei zur beruehrungsfreien Uebertragung des Messsignals des Drehmomentes ein ringfoermiger Uebertragungskondensator mit einer feststehenden und einer mit dem Bauteil rotierenden Elektrode vorgesehen ist. Durch die Verringerung der Baugroesse der Messanordnung sollen eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsbereiches und eine Verringerung des Herstellungs- sowie Nachruestaufwandes von Drehmomentuebertragungsstrecken mit diesem Bauteil erreicht werden. Erfindungsgemaess ist das drehmomentfuehrende, rotierende Bauteil ein Versteifungen (6) aufweisendes Ritzel (2). Eine Elektrode (10) des kapazitiven Drehmomentensensors ist dabei am Umfangsbereich und die dazugehoerige Gegenelektrode (11) an der Nabe (4) des Ritzels (2) angeordnet. Fig. 1The invention relates to a torque-conducting, rotating component with a torque sensor on a capacitive basis, wherein a ring-shaped transmission capacitor with a fixed and an electrode rotating with the component is provided for non-contact transmission of the measurement signal of the torque. By reducing the size of the measuring device, a substantial expansion of the field of application and a reduction in the production and Nachruestaufwandes Drehmomentuebertragungsstrecken be achieved with this component. According to the invention, the torque-guiding, rotating component is a pinion (2) having stiffeners (6). An electrode (10) of the capacitive torque sensor is arranged on the peripheral region and the associated counterelectrode (11) on the hub (4) of the pinion (2). Fig. 1

Description

2 73 1 HI2 73 1 HI

3 Titel der Erfindung3 Title of the invention

Drehmomentführendes, rotierendes Bauteil mit DrehmomentensensorTorque-carrying, rotating component with torque sensor

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein drehmomentführendes, rotierendes Bauteil mit Drehinomentensensor auf kapazitiver Basis zur berührungsfreien MesfAing des auf diese«! Bauteil wirkenden Drehmomentes· Derartige Bauteile werden im Maschinenbau, Fahrzeug-, Schiffs- und Turbinenbau, im Anlagenbau sowie in der Walzwerkstechnik eingesetzt·The invention relates to a torque-conducting, rotating component with Drehinomentensensor on a capacitive basis for non-contact MesfAing of the on this «! Component acting torque · Such components are used in mechanical engineering, vehicle, ship and turbine construction, in plant construction as well as in rolling mill technology ·

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit sowie zur Minimierung des Meßaufwandes bei der Drehmomentenmesaung hat man bereits einen berührungsfreien Drehmomentensensor entwickelt, der den Torsionswinkel einer Welle als drehmomentführendes Bauteil mißtt Zu diesem Zweck weist die Welle ein Segment definierter Länge und definierten Durchmessers auf, an dessen Verbindungsstellen mit der Welle jeweils eine Elektrode sowie eine Gegenelektrode eines an sich bekannten kapazitiven Wandlers drehfest mit der Welle verbunden ist· Infolge Torsion ändert sich der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode und damit die Kapazität des Wandlers· Das dadurch bedingte elektrische Signal gelangt in einen mit der Welle fest verbundenen Kondensatorring eines mit dem Wandler elektrisch in Reihe geschalteten Ubertragungskondensators. Dem mit der Welle verbundenen Kondensatorring steht über einen Luftspalt der mit dem Gehäuse fest verbundene zweite Kondensatorring des übertragungslcondensators gegenüber (DD-PS 24β 874 A 1)·To achieve a high accuracy and to minimize the measurement effort in the torque mesaung has already developed a non-contact torque sensor that misses the torsion angle of a shaft as a torque-carrying component for this purpose, the shaft has a segment of defined length and defined diameter at the junctions with the As a result of torsion, the distance between the electrode and the counter electrode and thus the capacitance of the transducer changes · The resulting electrical signal passes into a firmly connected to the shaft Capacitor ring of an electrically connected in series with the converter Ubertragungskondensators. The connected to the shaft capacitor ring is connected via an air gap of the housing firmly connected to the second capacitor ring of übertragungslcondensators (DD-PS 24β 874 A 1) ·

Die zur Gewährleistung des Meßprinzips des kapazitiven Wandlers erforderliche Relativbewegung zwischen Elektrode und Gegenelektrode wird durch eine besonders elastische Ausbildung der Wolle erreicht. In den Fällen, in denen es die räumlichen Verhältnisse zulassen, kann die Welle verlängert werden· Anderenfalls muß die Welle aus besonders elastischem Material hergestellt und mit einer als Torsionsfeder wirkenden Querschnittsverringerung über eine definierte Länge vorsehen werden· Die Drehmomentenmessung ist so-The required relative to the measuring principle of the capacitive transducer relative movement between the electrode and the counter electrode is achieved by a particularly elastic design of the wool. If the spatial conditions permit, the shaft can be extended. Otherwise, the shaft must be made of a particularly elastic material and provided with a reduction in cross section over a defined length acting as a torsion spring. The torque measurement is thus

2 73 f f₈ 2 73 ff ₈

mit an das Vorhandensein wellenförmiger Bauteile gebunden. Sie ist dann nicht anwendbar, wenn die räumlichen Bedingungen der Gesamtkonstruktion wellenförmige Teile ausreichender Länge nicht zulassen· Nachteilig ist ferner der Aufwand, der durch die Herstellung spezieller Wellen bedingt ist· Die Nachrüstung erfordert in jedem Pail einen Austausch der Welle, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist. Ferner sind einer serienmäßigen Heroteilung der drehmomentführenden Welle mit Wandler als Nachrüst- bzw· Austauschteil ökonomische Grenzen gesetzt.bound to the presence of wavy components. It is then not applicable if the spatial conditions of the overall construction wave-shaped parts of sufficient length do not allow · Disadvantage is also the cost, which is due to the production of special waves · The retrofitting requires in each Pail an exchange of the shaft, which with considerable effort connected is. Furthermore, a serial Heroteilung the torque-carrying shaft with converter as a retrofit or · exchange part economic limits set.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein drehmomentführendes Bauteil mit Drehmomentensensor zu schaffen, dessen Anwendungsbereich wesentlich erweitert ist und dessen Fertigung und Nachrüstung einen geringeren Aufwand erfordert.The aim of the invention is to provide a torque-conducting component with torque sensor, the scope of which is significantly expanded and whose manufacture and retrofitting requires less effort.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein drehmomentführendes Bauteil mit Drehmomentensensor zu entwickeln, das wesentlich kleiner als die bisherigen wellenförmigen Bauteile ist, damit eine kompaktere Bauweise besitzt und demzufolge als selbständige Baugruppe in jede beliebige Drehmomentübertragungsstrecke implizierbar ist.The invention has for its object to develop a torque-conducting component with torque sensor, which is much smaller than the previous wave-shaped components, thus having a more compact design and therefore is implicit as an independent module in any torque transmission path.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das dreh-' momentführende, rotierende Bauteil, in dessen Verformungsbereich der kapazitive Wandler mit seiner Elektrode bzw. Gegenelektrode drehfest verbunden ist, ein Versteifungen aufweisendes Ritzel ist. Eine Elektrode des kapazitiven Wandlers ist am Umfangsbereich und die dazugehörige Gegenelektrode ist an der Nabe des Ritzels angeordnet. ₄ According to the invention this object is achieved in that the rotating 'moment leading, rotating component, in the deformation region of the capacitive transducer is rotatably connected to its electrode or counter electrode, a stiffeners having Direction pinion. One electrode of the capacitive transducer is disposed on the peripheral portion and the associated counter electrode is disposed on the hub of the pinion. ₄

Die Versteifungen bestehen zweckmäßigerweise aus einem Material hoher Elastizität· Eine vorteilhafte Posit ionien^g des kapazitiven Wandlers zu dem in bekannter Weise zu derartigen Baugruppen gehörenden Ubertragungskondensator besteht darin, die am Umfangsbereich des Ritzels angeordnete Elektrode des kapazitiven Wandlers und die rotierende Elektrode des Ubertragungskondensators an einer gemeinsamen Halterung, die mit dem Zahnkranz des Ritzels drehfestThe stiffeners expediently consist of a material of high elasticity. An advantageous position of the capacitive transducer to the transfer capacitor belonging to such components in a known manner consists in the electrode of the capacitive transducer arranged on the peripheral region of the pinion and the rotating electrode of the transfer capacitor on a transfer capacitor common bracket, which rotates with the sprocket of the pinion

verbunden ist, zu befestigen·connected to fasten ·

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wurde eine platzsparende, kompakte, selbständige Sensoreinheit entwickelt und damit eine wesentliche Voraussetzung für eine von Raumverhältnissen unabhängige Drehmomentenmessung geschaffen· Gegenüber Wellen erfordert die Herstellung des Ritzels einen geringeren Materialaufwand. Ebenso ist sein Austausch weniger aufwendig als der Austausch einer Welle.With the solution according to the invention, a space-saving, compact, independent sensor unit has been developed, and thus an essential prerequisite for a torque measurement independent of space conditions is created. Compared with shafts, the manufacture of the pinion requires less material. Likewise, its replacement is less expensive than replacing a shaft.

Die Anzahl und die konstruktive Gestaltung der Versteifungen bestimmen maßgeblich die Relativbewegung zwischen Nabe und Zahnkranz und damit den Meßbereich sowie die Genauigkeit der Sensoreinheit·The number and structural design of the stiffeners significantly determine the relative movement between the hub and ring gear and thus the measuring range and the accuracy of the sensor unit ·

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenBelow, the invention will be explained in more detail by way of example. In the accompanying drawing show

Fig. 1 eine räumliche Darstellung der Anordnung eines Abtriebsritzels mit Drehmomentensensor und Fig. 2 die prinzipgemäße Darstellung des kapazitiven Wandlers.Fig. 1 is a perspective view of the arrangement of a driven pinion with torque sensor and Fig. 2 shows the principle of the representation of the capacitive transducer.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist auf einer Welle 1 ein Ritzel 2 als Teil eines Getriebes fest angeordnet. Das Gehäuse des Getriebes wurde durch ein Gehäuseteil 3 angedeutet. Das Ritzel 2 sollte zur Messung des Abtriebsmomentes vorteilhafterweise nahe dem Abtrieb des Getriebes angeordnet sein. Es besteht aus einer Nabe 4 und einem Zahnkranz 5_t der über Versteifungen 6 fest mit der Nabe 4 verbunden ist* Im Bereich des Zahnkranzes 5 ist eine scheibenförmige Halterung 7 angeordnet, an der auf der dem Ritzel abgewandten Seite Kondensatorringe 8 eines Ubertragungskondensators gegenüber dem Zahnkranz 5 elektrisch isoliert befestigt sind. Die zu dem Übertragungskondeneator gehörenden gegenüberliegenden Kondensatorringe 9 sind mit dem Gehäuseteil 3 des Getriebes verbunden. Der Luftspalt zwischen den Kondensatorringen 8 und 9 beträgt im vorliegenden Beispiel 2 mm. An der Halterung 7 ist ebenfalls ein Elektrodenpaar 10 fest angeordnet, dessen beiden Elektroden, wie aus Fig. 2 erkennbar, einen Abstand w _ff besitzen. Genau zwischen die beiden Elektroden ragt eine drehfest mit der Nabe 4 verbundene Gegenelektrode 11 mit der Dicke b_gE· Die Höhe der sich dabei.überschneidenden Flächen wurde mit h _f~ bezeich-As can be seen from FIG. 1, a pinion 2 is fixedly arranged on a shaft 1 as part of a transmission. The housing of the transmission was indicated by a housing part 3. The pinion 2 should be arranged for measuring the output torque advantageously close to the output of the transmission. It consists of a hub 4 and a ring gear 5 _{t is} connected via stiffeners 6 fixed to the hub 4 * In the region of the ring gear 5, a disc-shaped holder 7 is arranged on the side facing away from the pinion capacitor rings 8 of a Ubertragungskondensators against the ring gear 5 electrically isolated are attached. The belonging to the Übertragungskondeneator opposite capacitor rings 9 are connected to the housing part 3 of the transmission. The air gap between the capacitor rings 8 and 9 is 2 mm in the present example. On the holder 7, a pair of electrodes 10 is also fixedly arranged, the two electrodes, as seen in FIG. 2, have a distance w _ff . Exactly between the two electrodes protrudes a non-rotatably connected to the hub 4 counter electrode 11 with the thickness b _gE · The height of the thereby überein.überschneidenden surfaces was designated with h _f ~

6 t6 t

net. Der von den Elektroden zurücklegbare Weg s _ß soll nicht größer sein als 1/4 des Abstandes s_,_Q... zwischen Elektrode und Gegenelektrode· Dieser den Meßbereich des Drehmomentensensors darstellende Weg s_meß und der daraus resultierende Abstand w der Elektroden des Elektrodenpaares 10 bestimmt sich aus dem zu realisierenden Meßbereich des Drehmomentes bzw· der gewünschten Meßgenauigkeit·net. The path s _ß traversable by the electrodes should not be greater than 1/4 of the distance s_, _Q ... Between electrode and counterelectrode. This distance s _measuring the range of the torque sensor determines the resulting distance w of the electrodes of the electrode _pair 10 arising from the measuring range of the torque to be realized or the desired measuring accuracy

Nachfolgend soll die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben werden. Im vorliegenden Beispiel wird ein Drehmoment auf das Ritzel 2 eingeleitet. Dadurch werden das Elektrodenpaar 10 und die Gegenelektrode 11 relativ zueinander bewegt· Infolgedessen entsteht ein elektrisches Signal, das von den Kondensatorringen 8 des Ubertragungskondensators berührungslos über die Kondensatorringe 9 an eine mit letzteren verbundene Auswerteelektronik 12 weitergeleitet wird· Als Auswerteelektronik kann beispielsweise ein Mikrorechner dienen·The operation of the invention will be described below. In the present example, a torque is applied to the pinion 2. Consequently, the electrode pair 10 and the counter electrode 11 are moved relative to each other. As a result, an electrical signal is generated, which is forwarded by the capacitor rings 8 of the transfer capacitor contactlessly via the capacitor rings 9 to an evaluation electronics 12 connected to the latter. For example, a microcomputer can serve as the evaluation electronics.

Claims

2 73 1) 8 '".a

Pat ent claims

1. Torque-carrying, rotating component with torque sensor, which consists of a capacitive transducer whose electrode and counter electrode are electrically isolated from each other within the deformation region of the component and rotatably connected to the component, and further for non-contact transmission of the measurement signal of the torque, an annular transfer capacitor a fixed and a rotating electrode, wherein the rotating electrode is non-rotatably connected to the component and is electrically conductively connected to the electrode or the counterelectrode of the capacitive transducer and the fixed electrode of the transfer capacitor is fixed opposite via an air gap of the rotating electrode,

characterized in that the torque-carrying rotating component is a stiffener (6) having pinion (2) and an electrode ( ¹ IO) of the capacitive transducer at the peripheral region and the associated counter electrode (11) on the hub (4) of the pinion (2) is arranged.

2. Torque carrying, rotating component according to Anspruoh 1, characterized in that the at the peripheral region of the pinion (2) arranged electrode (10) or counter electrode (11) on a fixed to the sprocket (5) of the pinion (2) connected disc-shaped fixed holder (7), which simultaneously receives the rotating electrode of the transfer capacitor.

For this two-page drawings