DE19525231A1 - Drehmomentsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor mit zwei in axialem Abstand angeordneten Flanschen, die über mehrere sich axial erstreckende Stege miteinander verbunden sind, wobei die Stege Scherkraft-Meßwertaufnehmer in Form von Dehnungsmeßstreifen aufweisen.

Bei diesen und ähnlichen Sensoren wird die elastische Ver­ formung eines im Vergleich zu den übrigen an der Kraftüber­ tragung beteiligten Bauteilen schwach ausgebildetem Ele­ ments gemessen und zur Bestimmung der die Verformung bewir­ kenden Kraft benutzt.

Bei einem aus der EP 0 575 634 A1 bekannten Drehmomentsen­ sor sind die Verformungsbereiche in sich radial oder axial zwischen zwei Anschlußflanschen erstreckenden Stegen unter­ gebracht, wobei pro Steg jeweils zwei Meßwertaufnehmer zur Ermittlung der Biegedehnung vorgesehen sind und durch eine geeignete Brückenschaltung dafür gesorgt werden soll, daß Querkräfte, Quermomente unterschiedliche Momenteinleitung und ungleichmäßiges Verschrauben möglichst weitgehend kom­ pensiert werden. Der bekannte Drehmomentsensor soll sich außerdem durch ein geringes Massenträgheitsmoment und hohe Meßempfindlichkeit auszeichnen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige Drehmo­ mentsensoren neben der bei der Messung von Biegedehnungen bekannten Empfindlichkeit gegen die Einflüsse von Längs- und Querkräften den Nachteil aufweisen, daß bei hohen Dreh­ zahlen eine Nullpunktverschiebung auftritt, die mit ver­ tretbarem Aufwand nicht zu kompensieren ist.

Bei einem Drehmomentsensor gemäß DE-OS 42 08 522 werden nicht Biegedehnungen, sondern Scherkräfte gemessen, was ihn relativ unempfindlich gegen störende Einflüsse macht. Aber auch hier wurde festgestellt, daß bei hohen Drehzahlen eine Verschiebung des Nullpunktes eintritt, wodurch das Meßer­ gebnis verfälscht wird. Bei dieser Art von Drehmomentauf­ nehmern ist der äußere Flansch in Bezug auf das zu übertra­ gende Drehmoment stets überdimensioniert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmoment­ sensor zu schaffen, der gute Meßgenauigkeit mit großer Unempfindlichkeit gegen Störkräfte verbindet, der nur eine geringe Massenträgheit aufweist und sich leicht in Wellen­ stränge einbauen läßt und der insbesondere auch zur Messung großer Drehmomente bei hohen Drehzahlen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Drehmomentsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stege wenigstens eine im wesentlichen auf einer gemeinsamen, zu den Flanschen koaxialen Zylinderfläche liegende Fläche haben und daß die Dehnungsmeßstreifen auf dieser Fläche angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ver­ schiebung des Nullpunktes bei hohen Drehzahlen mit den auf die Dehnungsmeßstreifen zusätzlich wirkenden Zentrifugal­ kräften zusammenhängt, die sich bei radial angeordneten Dehnungsmeßstreifen unterschiedlich auf die einzelnen Abschnitte der Dehnungsmeßstreifen auswirken und daher zu Meßfehlern führen. Werden hingegen die Dehnungsmeßstreifen auf einer zu den Flanschen koaxialen Zylinderfläche ange­ ordnet, unterliegen alle Abschnitte der Dehnungsmeßstreifen der gleichen Zentrifugalkraft und es werden keine drehzahl­ bedingten Nullpunktverschiebungen mehr beobachtet. Umfang­ reiche Meßreihen haben gezeigt, daß die radial erstreckte Anordnung der Dehnungsmeßstreifen die Ursache der festge­ stellten Meßfehler ist und daß bei einer Anordnung der Deh­ nungsmeßstreifen auf einer Zylinderfläche, gegebenenfalls auch auf einem schmalen tangential zu einer Zylinderfläche verlaufenden Oberflächenabschnitt einwandfreie Meßergeb­ nisse über den gesamten vorgesehenen Drehzahlbereich erreicht werden können.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Stege in axialer Richtung gesehen einen vorzugsweise nach außen offenen U-förmigen Querschnitt aufweisen und wenn die Dehnungsmeßstreifen auf der radial innenliegenden Fläche des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind. Die Stege kön­ nen so mit der erforderlichen Formsteifigkeit und mit geringem fertigungstechnischen Aufwand hergestellt werden und besitzen einen praktisch nur durch Scherkräfte bean­ spruchten Meßbereich, auf dem die Dehnungsmeßstreifen ange­ bracht werden können, ohne daß die Haftverbindung der Deh­ nungsmeßstreifen durch Zentrifugalkräfte belastet wird. Der U-förmige Querschnitt der Stege sorgt weiterhin für eine hohe Formsteifigkeit in radialer Richtung bei vergleichs­ weise hoher Scherkraftempfindlichkeit.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es auch wünschenswert sein, wenn der Bereich, auf dem die Dehnungsmeßstreifen angeordnet werden, von außen zugänglich ist. Hierzu können die Dehnungsmeßstreifen auch auf der radial außenliegenden Fläche des U-förmigen Querschnitts angeordnet werden, wobei die Haftverbindung so auszulegen ist, daß sie auch den Zen­ trifugalkräften standhält.

Im allgemeinen genügt es, wenn drei Stege zur Verbindung der Flansche vorgesehen werden. Man kann aber auch vier oder mehr Stege vorsehen und damit die Auswahlmöglichkeiten für die Brückenschaltungen vergrößern. Außerdem kann man über die Anzahl der Stege Einfluß nehmen, auf das Verhält­ nis von Formsteifigkeit und elastischer Verformung und den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor sehr gut an die ver­ schiedenen Anwendungsfälle anpassen.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Stege durch Spanende Bearbeitung aus einem mit den beiden Flanschen einstückig ausgebildeten und zwischen ihnen liegenden Ring herausgearbeitet sind, der durch eine innere und eine äußere, mit den Flanschen koaxiale Zylinderfläche begrenzt ist.

Im Rohzustand sind die beiden Flansche über den gesamten Ring miteinander verbunden. Dieser Ring wird dann spanend, vorzugsweise durch Fräsen und Drehen bearbeitet, so daß die Flansche schließlich nur noch über die Stege miteinander verbunden sind, deren für die Kraftübertragung verbleiben­ der Querschnitt sehr genau bearbeitet werden kann.

Da man die Flansche im allgemeinen möglichst steif ausbil­ den will, ist es vorteilhaft, wenn der Ring durch im Ver­ gleich zu seiner axialen Gesamterstreckung zwischen den Flanschen schmale, parallel und äquidistant zu den Flan­ schen verlaufende Schlitze aufgetrennt wird, die endseitig Querabschnitte aufweisen, die sich in axialer Richtung bis an die Innenseiten der Flansche erstrecken. Auf diese Weise werden zwischen den Querabschnitten von zwei benachbarten Schlitzen Stege gebildet, die durch spanende Bearbeitung im Querschnitt weiter reduziert werden können. Dabei wird zweckmäßigerweise eine Ausnehmung erzeugt, die zusammen mit der inneren und äußeren Zylinderfläche des Rings und den endseitigen Querabschnitten den in axialer Richtung gesehen U-förmigen Querschnitt der verbleibenden Stege begrenzt.

Die radial innenliegende Fläche des U-förmigen Querschnit­ tes ist Teil einer Zylinderfläche, die durch drehende Bear­ beitung sehr genau entsprechend Durchmesser- und Rauhig­ keitsvorgaben gefertigt werden kann. Sie wird bevorzugt zur Anbringung der Dehnungsmeßstreifen benutzt. Die radial außen liegende Fläche des U-förmigen Querschnitts hingegen ist fertigungsbedingt eine tangential zu einer Zylinderflä­ che verlaufende Ebene, die in Umfangsrichtung jedoch nur schmal ist, so daß sich geringfügige Unterschiede des radialen Abstands von der Drehachse nicht negativ auf das Meßergebnis auswirken, wenn die Dehnungsmeßstreifen, z. B. aus Gründen der Zugänglichkeit, auf dieser Fläche angeord­ net werden.

Die endseitigen Querabschnitte der Schlitze weisen an den Innenseiten der Flansche eine halbkreisförmige Begrenzung auf. Ebenso die sich beidseitig bis an die Innenseite der Flansche erstreckenden Ausnehmungen in den Stegen. Auf diese Weise werden Kerbspannungen vermieden und der Kraft­ linienfluß am Übergang von den Flanschen auf die Stege optimiert.

Eine sehr einfache Ausgestaltung erhält man, wenn die radial innenseitige, zylindrische Begrenzung eines Flan­ sches oder beider Flansche und die innere Zylinderfläche des Rings den gleichen Durchmesser haben. Die dadurch gebildete, stufenlose innere Zylinderfläche kann dann in einem Arbeitsgang hergestellt und leicht durch Schleifen nachbehandelt werden. Die Bereiche für das Anbringen der Dehnungsmeßstreifen sind sehr gut zugänglich.

Will man jedoch die Steifigkeit der Flansche des Drehmo­ mentsensors erhöhen, so kann vorgesehen werden, daß die radial innenseitige Begrenzung des Flansches von einer Zylinderfläche gebildet wird, deren Radius kleiner ist als der Radius der inneren Zylinderfläche des Rings. Dabei ist der Unterschied der Radien frei wählbar und an die jeweili­ gen Anforderungen anpaßbar. Die Zugänglichkeit der Bereiche für das Anbringen der Dehnungsmeßstreifen wird verschlech­ tert, die Gefahr einer Beschädigung jedoch verringert. Vor­ zugsweise ist der Drehmomentsensor in bezug auf eine radiale Ebene symmetrisch ausgebildet. Insbesondere tempe­ raturbedingte Meßfehler können hierdurch beseitigt werden.

Man kann den Drehmomentsensor auch so ausführen, daß ein Flansch als geschlossene, zylindrische Scheibe, d. h. ohne radial innenseitige Begrenzungsfläche ausgebildet ist. Der scheibenförmige Flansch kann, z. B. als Abschirmung der im Drehmomentsensor angeordneten Elektronik dienen, die dadurch hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Verträglich­ keit entscheidend verbessert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Drehmomentsensors in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Drehmomentsensor gemäß Fig. 1 mit vergrößert dargestelltem Detail,

Fig. 3 einen Radialschnitt durch den Drehmomentsensor gemäß Fig. 1 mit vergrößert dargestelltem Detail,

Fig. 4 eine perspektivische Axialschnittdarstellung eines Drehmomentsensors mit außenliegenden Deh­ nungsmeßstreifen und vergrößert dargestelltem Detail,

Fig. 5 eine perspektivische Radialschnittdarstellung des Drehmomentsensors gemäß Fig. 4 mit vergrößert dargestelltem Detail,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch einen Drehmomentsensor mit nach innen über die Stege hinaus ragenden Flanschen und vergrößert dargestelltem Detail und

Fig. 7 einen Axialschnitt durch einen Drehmomentsensor mit einem geschlossenen Flansch und vergrößert dargestelltem Detail.

Der Drehmomentsensor gemäß den Fig. 1 bis 3 besteht aus einem vorderen Flansch 1 und einem hinteren Flansch 2 mit den üblichen, nicht näher bezeichneten Bohrungen für den Anschluß an ein System zur Übertragung eines Drehmoments. Die beiden gleichdimensionierten Flansche 1 und 2 sind über Stege 3 miteinander verbunden, auf denen Dehnungsmeßstrei­ fen 4 angeordnet sind. Die Dehnungsmeßstreifen 4 befinden sich auf der radial innenliegenden Fläche 5 der Stege 3, der Teil einer zur Drehachse koaxialen, die Flansche 1, 2 radial nach innen begrenzenden Zylinderfläche 9 ist. Zwi­ schen der Fläche 5 und radial außenliegenden Flächen 6 befinden sich eine als Membranen 7 bezeichnete Wände, die bei der Drehmomentübertragung zwischen den Flanschen 1 und 2 auf Scherung beansprucht werden. Die Scherspannung läßt sich am besten ermitteln, wenn die Dehnungsmeßstreifen 4 unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Steges 3 angebracht sind.

Die Stege 3 sind Teile eines Rings 8, der einstückig mit den Flanschen 1 und 2 ausgebildet ist und im unbearbeiteten Zustand eine in sich geschlossene, massive Verbindung zwi­ schen den Flanschen 1 und 2 darstellt. Im Ausführungsbei­ spiel gemäß den Fig. 1 bis 3 bildet die Zylinderfläche 9 die radial innenliegenden Begrenzung des Rings 8 und der Flansche 1 und 2, so daß eine durchgehende, innere Zylin­ derfläche vorliegt, die durch Drehen und Schleifen gut zu bearbeiten ist. Nach außen wird der Ring 8 durch eine Zylinderfläche 10 begrenzt, die gegenüber dem äußeren Rand der Flansche 1 und 2 so weit zurückspringt, wie es für die Anordnung der Anschlußbohrungen bzw. der Verschraubungen erforderlich ist.

Der Ring 8 ist durch vier schmale, parallel und äquidistant zu den Flanschflächen verlaufende Schlitze 11 aufgetrennt, die endseitig Querabschnitte 12 aufweisen, die sich bis an die Innenseiten der Flansche 1 und 2 erstrecken. Damit ver­ bleiben für die Drehmomentübertragung zwischen den Flan­ schen 1 und 2 nur noch die Stege 3 zwischen den Querab­ schnitten 12 zweier benachbarter Schlitze 11 übrig. Die Stege 3 können durch entsprechende Schlitzführung auf jede gewünschte Breite in Umfangsrichtung eingestellt werden.

Zur Erzielung eines günstigen Verhältnisses zwischen Form­ steifigkeit und Scherempfindlichkeit sind aus den Stegen 3 radial von außen Ausnehmungen 13 herausgearbeitet, wodurch die Stege 3 einen nach außen offenen U-förmigen Querschnitt erhalten. Die Dicke der Schenkel 14 des U-förmigen Quer­ schnitts und die Dicke der elastisch verformbaren Membran 7 zwischen der Fläche 5 und den Flächen 6 kann durch spanab­ hebende Bearbeitung an alle maßlichen Anforderungen ange­ paßt werden.

Aus den perspektivischen Darstellungen des Drehmomentsen­ sors in den Fig. 4 und 5 sind weitere Einzelheiten ersichtlich. Insbesondere kann man sehen, daß sowohl die Querabschnitte 12 der Schlitze 11 wie auch die Ausnehmungen 13 bis an die Innenseiten der Flansche 1 und 2 reichen und dort halbkreisförmig begrenzt sind. Damit wird die Kraft­ einleitung von den relativ starren Flanschen 1 und 2 in die relativ "weichen" Stege 3 vergleichmäßigt und allzu starke Verdichtungen des Kraftlinienverlaufs und Kerbspannungen werden vermieden.

In den vergrößert dargestellten Details der Fig. 4 und 5 ist eine Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 4 auf den außen­ liegenden Flächen 6 des U-förmigen Querschnitts 7 gezeigt, die für Anwendungsfälle in Betracht kommen kann, bei denen die Zugänglichkeit von außen im Vordergrund steht. Da die Fläche 6 in der Ausnehmung 13 mit vertretbarem Aufwand nur als ebene tangentiale Fläche hergestellt werden kann, erge­ ben sich für die Abschnitte der Dehnungsmeßstreifen 4 geringfügige Abweichungen im Abstand zur Drehachse, die sich meßtechnisch allerdings nicht nennenswert auswirken. Wegen der zusätzlichen Belastung der Haftung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 4 und der Fläche 6 wird man diese Anordnung jedoch nur dann anwenden, wenn die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 4 auf den inneren Flächen 5 nicht mög­ lich ist.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Abwandlung des Drehmomentsen­ sors sind die Flansche 1, 2 radial nach innen durch Zylin­ derflächen 15, 16 begrenzt, die einen kleineren Radius haben als die Zylinderfläche 9. Hierdurch ergibt sich bei gleichen Außenabmessungen eine größere Steifigkeit der Flansche 1, 2 und die Dehnungsmeßstreifen 4 sind durch die nach innen vorspringenden Abschnitte der Flansche 1, 2 geschützt.

Fig. 7 zeigt eine Variante eines Drehmomentsensors, bei der der Flansch 2 als geschlossene, zylindrische Scheibe 17 ausgebildet ist. Dies kann zur einer elektromagnetischen Abschirmung der Dehnungsmeßstreifen vorteilhaft sein.

Bei den beschriebenen Drehmomentsensoren sind die Dehnungs­ meßstreifen 4 auf einer koaxialen Zylinderfläche angeordnet und können deswegen keine drehzahlabhängige Verschiebung des Nullpunktes bewirken. Außerdem unterliegen die zur Mes­ sung herangezogenen Materialbereiche ausschließlich den vom Drehmoment abhängigen Spannungen, wodurch praktisch alle parasitären Einflüsse auf das Meßergebnis ausgeschlossen werden können. Die erfindungsgemäßen Drehmomentsensoren können für alle zu messenden Drehmomente ausgelegt und mit allen denkbaren Brückenschaltungen ausgestattet werden. Sie sind problemlos in Wellenstränge einzubauen und können, mit einer großen Mittelbohrung ausgestattet, auch gut als Reak­ tionsmomentaufnehmer, beispielsweise in Rührwerken verwen­ det werden. Die Drehmomentsensoren bauen kurz und haben ein geringes Massenträgheitsmoment.

Claims (11)

1. Drehmomentsensor mit zwei in axialem Abstand angeordne­ ten Flanschen (1, 2), die über mehrere sich axial erstreckende Stege (3) miteinander verbunden sind, wobei die Stege Scherkraft-Meßwertaufnehmer in Form von Dehnungsmeßstreifen (4) aufweisen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stege (3) wenigstens eine im wesentlichen auf einer gemeinsamen, zu den Flanschen (1, 2) koaxia­ len Zylinderfläche liegende Fläche (5, 6) haben und daß die Dehnungsmeßstreifen (4) auf dieser Fläche (5, 6) angeordnet sind.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stege (3) in axialer Richtung gesehen einen vorzugsweise nach außen offenen, U-förmi­ gen Querschnitt aufweisen und daß die Dehnungsmeß­ streifen (4) auf der radial inneren Fläche (5) des Scheitels (7) des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 2, jedoch mit der Maß­ gabe, daß die Dehnungsmeßstreifen (4) auf der radial äußeren Fläche (6) des Scheitels (7) des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind.

4. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in symmetrischer Anordnung vier Stege (3) vorgesehen sind.

5. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) durch spa­ nende Verfahren aus einem mit den beiden Flanschen (1, 2) einstückig ausgebildeten und zwischen ihnen liegen­ den Ring (8) herausgearbeitet sind, der durch eine innere und eine äußere, mit den Flanschen koaxiale Zylinderfläche (9, 10) begrenzt ist.

6. Drehmomentsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ring (8) parallel und äquidistant zu den Flanschen (1, 2) verlaufende Schlitze (11) mit endsei­ tigen Querabschnitten (12) aufweist, die sich in axi­ aler Richtung bis an die Innenseiten der Flansche (1, 2) erstrecken, wobei die Querabschnitte (12) von zwei benachbarten Schlitzen (11) zwischen sich einen Steg (3) einschließen, in dem eine Ausnehmung (13) erzeugt ist, die zusammen mit den inneren und äußeren Zylinder­ flächen (9, 10) des Rings (8) und den endseitigen Quer­ abschnitten (12) den in axialer Richtung gesehen U-för­ migen Querschnitt des verbleibenden Steges (3) begrenzt.

7. Drehmomentsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die endseitigen Querabschnitte (12) der Schlitze (11) an den Innenseiten der Flansche (1, 2) eine halbkreisförmige Begrenzung aufweisen.

8. Drehmomentsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Ausnehmung (13) beidseitig bis an die Innenseite der Flansche (1, 2) erstreckt und dort eine halbkreisförmige Begrenzung aufweist.

9. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die radial innenseitige zylindrische Begrenzung eines Flansches (1, 2) und die innere Zylinderfläche (9) des Rings (8) den gleichen Radius haben.

10. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er in Bezug auf eine radiale Ebene symmetrisch ausgebildet ist.

11. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flansch (2) als geschlossene, zylindrische Platte ausgebildet ist.