DE3918862C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Meßeinrichtung mit einer Welle, die einen Abschnitt verminderten Durch­ messers aufweist, einer Hülse, die mit der Welle auf beiden Seiten des Abschnitts verminderten Durchmessers drehfest und axial unverschiebbar verbunden ist und einen Anker trägt, der sich bei Verdrehung der beiden Hülsenenden gegeneinander in axialer Richtung verschiebt und ein elektrisches und/oder magnetisches Feld verän­ dert, und einer Einrichtung zur Ermittlung der Feldände­ rung, wobei die Hülse axial in zwei Teile unterteilt ist.

Bei einer bekannten Drehmoment-Meßeinrichtung (US-PS 27 37 049) hat die Welle einen Abschnitt verminderten Durchmessers, so daß bei einem auf die Welle wirkenden Drehmoment eine Verdrehung zwischen den beiden Wellen­ enden hauptsächlich im Bereich des Abschnitts verminder­ ten Durchmessers erfolgt. Die Verdrehung der Wellenteile auf beiden Seiten des Abschnitts verminderten Durchmes­ sers wird mit Hilfe einer Hülse gemessen. Die Hülse hat einen Mittelteil, der mit dem einen Hülsenende über in einem Winkel zur Wellenachsrichtung laufenden Stege und mit dem anderen Hülsenende über eine Art Faltenbalg verbunden ist. Werden die beiden Wellenenden und damit die beiden Hülsenenden gegeneinander verdreht, bewegt sich der Mittelteil unter dem Einfluß der Stege gering­ fügig in axialer Richtung. Ein an dem Mittelteil befe­ stigter Anker verändert die Induktivität zweier in der Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung angeordneter Spulen. Diese Veränderung kann über eine Brückenschal­ tung, die beispielsweise mit einer Wechselspannung ge­ speist wird, gemessen werden. Der bekannte Geber ist verhältnismäßig groß und erzeugt nur ein relativ schwa­ ches und ungenaues Ausgangssignal.

DE 38 02 684 A1 zeigt einen Drehmomentsensor mit einer Welle, die einen Abschnitt verminderten Durchmessers aufweist (Fig. 2), einer Hülse, die mit der Welle auf beiden Seiten des Abschnitts verminderten Durchmessers drehfest und axial unverschiebbar verbunden ist und einen Anker trägt, der sich bei Verdrehung der beiden Hülsenenden gegeneinander in axialer Richtung verschiebt und ein elektrisches und/oder magnetisches Feld verändert, und einer Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung. Die Hülse ist axial in zwei Teile unterteilt. Der Anker ist mit den beiden Teilen der Hülse über Stege verbunden, die mit der Umfangsrichtung einen Winkel einschließen. Bei einer Verdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinander vergrößert sich der Winkel der Stege zur Umfangsrichtung auf der einen Seite, während er sich auf der anderen Seite verkleinert. Die Übersetzung der Relativbewegung in Umfangsrichtung in eine Bewegung des Ankers in Axialrichtung erfolgt mit dem Tangens des Winkels, den die Stege mit der Umfangsrichtung einschließen. Da der Anker beidseitig gelagert sein muß, muß die Längenzunahme in Axialrichtung auf der einen Seite einer Längenabnahme in Axialrichtung auf der anderen Seite entsprechen. Die Winkel, die die Stege auf der linken und der rechten Seite mit der Umfangsrichtung einschließen, müssen also in einem Bereich gewählt sein, in dem die Änderung in positiver und in negativer Richtung ungefähr gleich groß ist. Wenn sich die Änderungen unterscheiden, wird auf den Anker eine zusätzliche, das Meßergeb­ nis verfälschende Kraft durch die Elastizität der Stege ausgeübt. In dem Winkelbereich, in dem die geforderte Bedingung erfüllt ist, liegt der Verstärkungsfaktor nur in der Größenordnung von etwa eins bis zwei, so daß eine genaue Erfassung der Bewegung des Ankers erzielt werden kann. Man versucht, die von den Stegen ausgeübten Kräfte dadurch zu verkleinern, daß der Anker auf einem vergrößerten Durchmesser angeordnet ist, die Stege also auch eine Komponente in radialer Richtung haben. Diese Anordnung vergrößert jedoch den Sensor und macht ihn unhandlich und empfindlich.

DE 37 08 103 A1 zeigt eine Drehmoment-Meßeinrich­ tung mit einer Welle, einer zweiteiligen Hülse, die mit der Welle drehfest und axial unverschiebbar verbunden ist und einen Zeiger trägt, der sich bei Verdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinander in axialer Richtung verschiebt. Der Anker ist an einem Ende einer Zunge befestigt. Die Zunge wiederum steht senkrecht auf einer Platte, die auf der einen Seite mit dem einen Hülsenteil und auf der anderen Seite mit dem anderen Hülsenteil verbunden ist. Wenn sich nun die beiden Hülsenteile gegeneinander verdrehen, nimmt die Platte einen Winkel zur Axialrichtung ein. Den gleichen Winkel nimmt der Zeiger zur Umfangsrichtung ein. Die Bewegung, die die Zeigerspitze vollführt, an der der Anker befestigt ist, ist dabei um ein Vielfaches größer als die Bewegung zwischen den beiden Befestigungspunkten der Platte an den beiden Hülsenteilen. Die Welle dieser Drehmoment- Meßeinrichtung weist keinen Abschnitt verminderten Durchmessers auf. Auch fehlt eine Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung. Ein gravierender Nachteil dieser Meßeinrichtung liegt darin, daß beim Verdrehen der beiden Hülsenteile gegeneinander aufgrund der sich verkürzenden Projektion der Platte starke axiale Kräfte auf die beiden Hülsenteile wirken. Diese Kräfte können, insbesondere bei größeren Auslenkungen, zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen.

US 47 12 433 offenbart einen Drehmomentsensor für hilfskraft­ betätigte Kraftfahrzeuglenkungen. Der dort offenbarte Sensor weist eine Drehmomenten-Meßwelle auf, in deren Oberfläche künstliche Störungen eingebaut sind. Eine Primärspule erzeugt ein Wechselfeld, das auf der Wellenober­ fläche Wechselströme hervorruft. Die Ausbreitung der Wirbelströme wird durch die Schlitze behindert. An den Stellen, wo die Schlitze vorliegen, entstehen Streufelder. Die Streufelder werden von Sekundärspulen erfaßt. Die Schlitze sind so angeordnet, daß sich ihre Breite bei Beanspruchung der Welle durch ein Drehmoment gegensinnig vergrößert bzw. verkleinert. Dementsprechend verändern sich auch die durch die Wirbelströme hervorgerufenen Streufelder, die durch die Sekundär-Spulen erfaßt werden. Da die Sekundär-Spulen differen­ tiell zusammengeschaltet sind, lassen sich bereits kleine Änderungen der Streufelder, die ebenfalls gegensinnig erfolgen, erfassen. Der bekannte Drehmomentsensor weist keinen axial beweglichen Anker auf, der ein elektrisches und/oder magnetisches Feld verändert. Die magnetische Kopplung zwischen der Primär-Spule und den Sekundär-Spulen bleibt unverändert. Die magnetische Kopplung ist ein Ausdruck dafür, welcher Anteil des von der Primärspule erzeugten Feldes die Sekundärspulen durchsetzt. Dieser Anteil bleibt jedoch, unabhängig von der Vergrößerung oder Verkleinerung der Schlitze, konstant. Die Sekundärspulen erfassen lediglich die durch die Wirbelströme hervorgerufenen Streufelder.

DE 36 29 610 A1 offenbart einen koaxialen Drehmomentsensor, der die Veränderung der Permeabilität von um die Welle gelegten Streifen erfaßt, die sich aufgrund einer durch ein Drehmoment hervorgerufenen Oberflächenspannung ergibt. Die veränderte Permeabilität eines Streifens wird dadurch gemessen, daß für jeden Streifen eine Sekundärspule vorgesehen ist, die ein von einer oder mehreren Primärspulen erzeugte Feld erfaßt.

US 45 66 338 nutzt zur Ermittlung des Drehmoments ebenfalls die sich unter dem Einfluß einer durch das Drehmoment erzeugten Oberflächenspannung veränderte Permeabilität, um die Größe des Drehmoments zu ermitteln. Zu diesem Zweck sind fünf Pole vorgesehen, von denen vier die Drehmomenten-Meßwelle auf zwei Seiten und mit axialem Abstand zueinander umgreifen, während der fünfte Pol parallel zu den anderen vier Polen radial auf die Oberfläche weist. Die fünf Pole sind durch ein Joch miteinan­ der verbunden. Auch hier ist kein axial beweglicher Anker vorgesehen, der die magnetische Kopplung zwischen den Polen ändert.

DE 29 39 620 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung an einer Welle, bei der sich ein Anker in Axialrichtung ver­ schiebt. Die Verschiebung wird durch einen aus zwei Spulen gebildeten induktiven Wegaufnehmer gemessen. Das Übersetzungs­ verhältnis zwischen der radialen Relativbewegung der beiden Hülsenteile und der sich daraus ergebenden axialen Bewegung entspricht ungefähr dem der DE 38 02 684 A1.

DE 35 32 351 A1 offenbart einen Drehmomentsensor, bei dem sich bei der Verdrehung von zwei mit der Welle verbundenen Hülsen ein Anker in Umfangsrichtung so verschiebt, daß er einen Luftspalt mit einer Hülsenhälfte verkleinert, während er einen Luftspalt mit der anderen Hülsenhälfte vergrößert. Die sich daraus ergebende Veränderung des magnetischen Widerstandes wird mit Hilfe einer aus drei Spulen bestehenden Anordnung gemessen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehmoment-Meßeinrichtung anzugeben, die bei kleine­ rer Baugröße ein stärkeres Ausgangssignal abgeben kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Drehmoment-Meßeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Anker an einem Ende einer Zunge befestigt ist, deren anderes Ende mit beiden Hülsenteilen verbunden ist, wodurch bei einer Verdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinander eine um das Verhältnis zwischen der Zungenlänge und dem Abstand der beiden Hülsenteile verstärkte Bewegung des Zungenendes erfolgt, an dem der Anker befestigt ist, und daß die Verbindung der Zunge mit jedem Hülsenteil über jeweils einem Steg erfolgt, der sich zumindest teilweise in Umfangs­ richtung erstreckt.

Damit entsteht bei der Verdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinander eine Bewegung an dem Zungenende, an dem der Anker befestigt ist, die durch das Verhältnis zwi­ schen dem Abstand der beiden Hülsenteile und der Zungen­ länge verstärkt ist. Je schmaler der Abstand zwischen den beiden Hülsenteilen und je länger die Zunge ist, desto stärker ist der Ausschlag der Zungenspitze. Man erreicht damit bei gleicher Verdrehung der Hülsenenden gegeneinander eine weitaus größere axiale Bewegung des Ankers, die zu einem stärkeren Signal umgewandelt werden kann, ohne daß dadurch die Hülse vergrößert werden müßte.

Wenn sich die beiden Hülsenteile gegeneinander verdrehen, stellt sich das Ende der Zunge, das mit den beiden Hülsenteilen verbunden ist, schräg in den die beiden Hülsenteile trennenden Spalt. Dadurch verkürzt sich die Projektion dieses Zungenendes in den Spalt. Durch die erfindungs­ gemäße Ausgestaltung wird diese Verkürzung durch die Feder­ wirkung der beiden Stege aufgefangen. Die Verbindung zwischen Hülse und Welle wird axial praktisch kaum bean­ sprucht.

In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Zunge im wesentlichen zwischen den Hülsenteilen, und ihre Längsachse liegt in der Ruhelage in einer senkrecht zur Wellenachse angeordneten Ebene. Damit ist die Zunge auf gleiche Art und Weise gekrümmt wie die beiden Hülsen­ teile. Die Zunge steht also nicht über den Außendurch­ messer der Hülse über. Trotzdem kann bis zu einem gewis­ sen Grad eine Verstärkung des Ausschlags des Zungen­ endes, an dem der Anker angeordnet ist, erreicht werden. Der maximale Ausschlag wird erreicht, wenn die Zunge über eine der Hälfte des Umfangs der Hülse entsprechende Strecke verläuft. Dadurch, daß die Zunge in der Ruhe­ lage, d. h. wenn ein Drehmoment auf die Welle wirkt, in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, ist sowohl für ein positives als auch für ein negatives Drehmoment die gleiche Ausgangssitua­ tion gegeben. Beide Vorzeichen des aufgebrachten Dreh­ moments können also auf gleiche Art und Weise problemlos gemessen werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Zungen vorgesehen, die den Anker tragen. Hierdurch wird eine sichere Lagerung des Ankers auf zwei diametral gegenüberliegenden Punkten der zwei Zungen oder auf mehreren in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Ab­ stützungspunkten erreicht.

Vorteilhafterweise ist die Hülse aus einem unmagneti­ schen Material gebildet. Insbesondere, wenn die Änderung eines magnetischen Feldes zur Auswertung des Drehmoments herangezogen wird, wird erreicht, daß nur der Anker und seine axiale Bewegung das Magnetfeld beeinflussen und nicht die Hülse.

Mit Vorteil sind die Hülsenteile und die Zunge bzw. die Zungen einstückig ausgebildet. Die Zunge ist also von den beiden Hülsenteilen durch im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze getrennt. Die gesam­ te Hülse einschließlich der Zungen ist damit aus einem homogenen Material gefertigt, bei dem keine oder nur eine sehr geringer Hysterese auftritt. Außerdem wird hierdurch ein mechanisch sehr stabiles System erzielt. In einem Ausführungsbeispiel wurde ein Faktor zwischen dem kleinsten und dem größten gemessenen Drehmoment von größer als 1000 erreicht. Darüber hinaus läßt sich auf diese Art die Drehmoment-Meßeinrichtung sehr kom­ pakt gestalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einrich­ tung zur Ermittlung der Feldänderung mindestens eine Spule auf, die gegenüber der Hülse axial unverschiebbar und drehbar gelagert ist, insbesondere mit Hilfe von schlupffreien Lagern, deren innerer Ring auf der Hülse und deren äußerer Ring in einem Spulenträger angeordnet ist. Die Ermittlung der Feldänderung eines Magnetfeldes läßt sich relativ einfach bewerkstelligen. Das Magnetfeld ist von äußeren Einflüssen, wie Temperatur, Luftfeuchtig­ keit etc. im wesentlichen unabhängig. Störungen, die im Betrieb auftreten könnten, werden dadurch weitgehend vermieden. Die Spule kann stationär, also nicht drehend, angeordnet sein, was die Abnahme eines Meßsignals außer­ ordentlich vereinfacht. Es müssen keine schleifenden Kontakte vorgesehen sein, die das Meßsignal verfälschen könnten. Die Anbringung des Lagers auf der Hülse statt auf der Welle erlaubt eine genauere Positionierung der Spule in bezug auf den Anker.

Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung eine ein Magnetfeld erzeugende Primärspule und zwei jeweils ein Ausgangssignal erzeugende Sekundär­ spulen auf, wobei der Anker bei axialer Bewegung die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und den Sekun­ därspulen ändert. Diese Feldänderungs-Ermittlungseinrich­ tung läßt sich auch ohne die spezielle Aufhängung des Ankers an den Zungen verwenden, wenn sichergestellt ist, daß der Anker bei einer Verdrehung der beiden Hül­ senenden gegeneinander eine axiale Bewegung ausführt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß bei Bewegung des Ankers in beiden Richtungen aus­ gehend von der Neutralstellung, die durch die Primärspule definiert ist, Ausgangssignale von den Sekundärspulen erzeugt werden, die proportional zu der Verdrehung der beiden Hülsenenden gegeneinander und damit proportional zum gemessenen Drehmoment sind. Die Verwendung einer Primärspule als felderzeugende Spule und zweier Sekundär­ spulen als Sensorspulen hat den Vorteil, daß die Anre­ gung, d.h. das Eingangssignal, von dem Meßwert, d.h. dem Ausgangsignal, weitgehend entkoppelt ist. Erfindungs­ gemäß wird tatsächlich weitgehend die Änderung des Feldes ermittelt. Änderungen in den Eigenschaften der Spulen oder der anderen Bauelemente können dadurch leichter erkannt und kompensiert werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umgibt die Primärspule die Hülse im Bereich des Ankers, und auf jeder Seite der Primärspule ist jeweils eine der Sekun­ därspulen angeordnet, wobei der Anker mindestens teil­ weise innerhalb der Primärspule angeordnet ist und aus magnetisch leitendem Material gebildet ist.

Die Feldänderungs-Ermittlungseinrichtung ist also als linearer Differential-Transformator aufgebaut, in dessen Primärspule ein konstanter magnetischer Fluß erzeugt wird. Der Fluß schließt sich durch die beiden Sekundär­ spulen. In der Neutralstellung befindet sich der Anker symmetrisch zu den beiden Sekundärspulen, so daß sich der Fluß jeweils symmetrisch in den beiden Sekundärspulen verteilt und folglich auch eine gleich große Anzahl von Windungen durchsetzt. Durch Verschieben des Ankers wird das Feld in einer Sekundärspule mehr und in der anderen Sekundärspule weniger geführt, so daß die Sym­ metrie aufgehoben wird und sich die Feldverteilung und damit der Fluß in den beiden Sekundärspulen ändert. In der Sekundärspule, in die der Anker weiter eintaucht, durchsetzt das Magnetfeld eine größere Anzahl von Spulen­ windungen und induziert damit beispielsweise eine größere Spannung als in der anderen Sekundärspule, in der eine geringere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt werden. Dadurch, daß die beiden Spulen gegen­ sinnig vom Anker beeinflußt werden, erreicht man eine differentielle Wirkung, die zu einer Verstärkung des Meßsignals verwendet wird.

Die Forderungen an die Lagerung der Spulenanordnung in bezug auf eine Spielfreiheit in axialer Richtung sind erheblich. Es muß sichergestellt sein, daß der Anker bei Fehlen eines Drehmomentes seine Neutralstel­ lung einnimmt und nicht durch eine Verschiebung der Spulenanordnung gegenüber der Welle aus der Neutralstel­ lung herausgebracht wird. Um die Forderungen an die Lager diesbezüglich zu reduzieren, wird vorteilhafter­ weise auf der Welle axial nicht verschiebbar ein zweiter Anker angeordnet, der die magnetische Kopplung zwischen einer zweiten, eine Primär- und zwei Sekundärspulen aufweisenden Spulenanordnung bei Bewegung der Welle ändert, wobei die zweite Spulenanordnung mit der ersten mit axial konstantem Abstand verbunden ist. Vorteilhaf­ terweise sind beide Spulenanordnungen identisch aufge­ baut. Damit läßt sich zuverlässig feststellen, ob ein Ausgangssignal durch eine Bewegung des Ankers hervor­ gerufen wird, die durch ein aufgebrachtes Drehmoment bewirkt wird, oder ob es sich lediglich um eine Relativ­ bewegung zwischen Spulenanordnung und Welle handelt. Das Drehmoment kann beispielsweise als Differenz zwischen den zwei Ausgangssignalen der beiden Spulenanordnungen gemessen werden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Primärspule auf dem mittleren Schenkel eines E-förmigen Kerns und die beiden Sekundärspulen auf den beiden äuße­ ren Schenkeln des Kerns angeordnet, wobei der Anker mit konstantem Luftspalt zum mittleren Schenkel und zwischen den beiden äußeren Schenkeln des Kerns angeord­ net ist. Damit wird das Prinzip eines Reluktanzmessers realisiert. In einem Reluktanzmesser läuft der gesamte von der Primärspule erzeugte magnetische Fluß ständig durch alle Sekundärwicklungen. Durch Änderung der Größe des magnetischen Flusses, beispielsweise durch Erhöhung oder Verringerung des magnetischen Widerstandes durch Vergrößerung oder Verkleinerung eines im magnetischen Kreis befindlichen Luftspaltes wird die in den jeweili­ gen Sekundärwicklungen erzeugte Spannung proportional zur Bewegung des Ankers geändert.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen der Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung von einer magnetisch leitenden Kappe umgeben. Diese magne­ tisch leitende Kappe stellt zum einen sicher, daß von außen keine störenden Einflüsse das Meßergebnis verfäl­ schen können. Zum anderen wird durch die magnetisch leitende Kappe ein Pfad für den magnetischen Fluß gebil­ det, über den sich die Feldlinien schließen können. Damit kann bei geringerer Erregungsleistung ein stärke­ res Ausgangssignal abgenommen werden.

Mit Vorteil ist die Kappe mit der Hülse axial unver­ schiebbar verbunden und weist mindestens einen Kompensa­ tionsluftspalt auf, der bei axialer Verschiebung der Spulenanordnung relativ zur Hülse die magnetische Kopp­ lung zwischen Primärspule und den Sekundärspulen gegen­ sinnig zur Beeinflussung durch den Anker ändert. Damit werden die störenden Einflüsse, die sich durch eine axiale Relativbewegung zwischen Spulenanordnung und Hülse ergeben können, unmittelbar kompensiert. Der Anker leitet dann zwar das Feld so, daß eine größere Anzahl von Spulenwindungen einer Sekundärspule vom Feld durch­ setzt werden. Gleichzeitig wird aber aufgrund des Kompen­ sationsluftspalts der Kappe, der sich zusammen mit dem Anker verschiebt, der magnetische Widerstand für das diese Sekundärspule durchsetzende Feld vergrößert, so daß zwar eine größere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt sind, das Magnetfeld aber so abge­ schwächt ist, daß sich dadurch keine Änderung des Aus­ gangssignals ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kompensa­ tionsluftspalt durch einen Umfangspalt in der Kappe im Bereich der Primärspule gebildet. Bei richtiger Dimen­ sionierung läßt sich damit der gewünschte Effekt erzie­ len. Insbesondere ist vorteilhaft, daß der Spalt in Axialrichtung mindestens so breit wie die Primärspule ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Drehmoment- Meßwelle mit Hülse,

Fig. 2 eine Abwicklung eines Teiles der Hülse,

Fig. 3 einen Axialschnitt der Drehmoment-Meßwelle mit einer Spulenanordnung,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Wir­ kungsweise der Spulenanordnung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform mit einer Kompensa­ tionseinrichtung,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Einrich­ tung zur Ermittlung der Feldänderung,

Fig. 7 eine weitere Drehmoment-Meßeinrichtung und

Fig. 8a und 8b Prinzipdarstellungen zur Erläuterung des Prinzips der Einrichtung nach Fig. 7.

Eine Drehmoment-Meßwelle einer Drehmoment-Meßeinrichtung weist einen Abschnitt 3 verminderten Durchmessers auf. Ein auf der Welle aufgebrachtes Drehmoment wird die Welle 1 im wesentlichen im Bereich dieses Abschnitts 3 verminderten Durchmessers in sich verdrehen. Der Ab­ schnitt 3 verminderten Durchmessers ist durch eine Hülse 2 überbrückt, die auf den Abschnitten der Welle 1 dreh­ fest und axial unverschiebbar angeordnet ist, die sich auf beiden Seiten an den Abschnitt 3 verminderten Durch­ messers anschließen.

Die Hülse ist durch einen in Umfangsrichtung verlaufen­ den Schlitz 41 in zwei Hülsenteile 4, 5 unterteilt. In dem Schlitz 41 sind zwei Zungen 6, 7 angeordnet. Jede Zunge ist an einem Ende über einen Steg 8 mit einem Hülsenteil 4 und über eine anderen Steg 9 mit dem anderen Hülsenteil 5 verbunden. Die Stege 8, 9 verlaufen zumin­ dest abschnittsweise in Umfangsrichtung. Am anderen Ende der Zunge befindet sich ein Lagerpunkt 10, 11, an dem ein Anker 12 befestigt werden kann.

Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle 1, werden die beiden Hülsenteile 4, 5 gegeneinander verdreht. Betrach­ tet man beispielsweise die Fig. 2, so bewegt sich das Hülsenteil 4 nach unten und das Hülsenteil 5 nach oben. Dabei werden die Zungen 6, 7 aus ihrer Lage parallel zu den beiden Hülsenteilen 4, 5 ausgelenkt, und die Enden, die an den Lagerpunkten 10, 11 den Anker 12 auf­ nehmen, bewegen sich nach rechts. Die beiden Stege 8, 9 geben dabei etwas federnd nach und bewirken somit einen Längenausgleich, der notwendig ist, weil die Pro­ jektion des mit den Hülsenteilen 4, 5 verbundenen Endes der Zungen 6, 7 kürzer wird, wenn sich die Zungen in Richtung des Pfeiles A (Fig. 1) bewegen. Je dichter die Hülsenteile 4, 5 benachbart sind, d.h. je schmaler der Schlitz 41 ist, und je länger die Zungen 6, 7 sind, desto größer ist die Auslenkung der Lagerpunkte 10, 11, wenn die beiden Hülsenteile 4, 5 gegeneinander ver­ dreht werden. Theoretisch reicht es aus, eine einzige Zunge vorzusehen. In der Praxis hat es sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, zwei Zungen 6, 7 vorzusehen, die den Anker 12 an diametral gegenüberliegenden Punkten unterstützen. Damit ist im wesentlichen sichergestellt, daß der Anker jederzeit koaxial mit der Welle 1 bleibt. Die gesamte Hülse, d.h. die beiden Hülsenteile 4, 5 und die Zungen 6, 7 sind vorzugsweise einstückig ausge­ führt. Beispielsweise kann die Hülse in abgewickeltem Zustand aus einem Blech gestanzt und dann um die Welle herum gewickelt werden. Diese Herstellungsweise ergibt eine Hülse, die im wesentlichen homogen ist und deswegen keine oder nur sehr geringe Hysterese-Eigenschaften aufweist. Unabhängig davon, ob das Drehmoment in posi­ tiver oder in negativer Richtung auf die Welle 1 wirkt, ergibt sich in jedem Fall eine gleichförmige Auslenkung des Ankers 12 durch die Zungen 6, 7. Durch das Fehlen von Verbindungsgelenken zwischen den beiden Hülsenteilen 4, 5 und den Zungen 6, 7 ergibt sich ein mechanisch sehr stabiles System, das sehr wenig fehleranfällig ist. Durch die Wahl einer geeigneten Länge für die Stege 8, 9 läßt sich erreichen, daß die durch das Verdrehen der beiden Hülsenteile 4, 5 bewirkte Verformung der Hülse 2 im elastischen Bereich bleibt, und zwar in einem Bereich, der auch bei widerholten Bewegungsspielen nicht zu Ermüdungsbrüchen führt. Die Zungen 6, 7 liegen in der Zylindermantelfläche, in der die Hülsenteile 4, 5 angeordnet sind.

Zur Ermittlung der axialen Bewegung des Ankers 12 ist eine Spulenanordnung 13 vorgesehen, die eine Primärspule 14 und zwei Sekundärspulen 15, 16 aufweist. Die drei Spulen verlaufen konzentrisch zur Welle 1, d. h. sie umgeben die Welle 1. Die Primärspule 14 ist dabei zwi­ schen den beiden Sekundärspulen 15, 16 angeordnet. Alle drei Spulen sind durch einen Spulenträger 17 miteinander verbunden, der beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus Hartpapier besteht. Der Spulenträger 17 ist mit Hilfe von zwei Lagern 18, 19 drehbar auf der Hülse 2 gelagert. Die Lager 18, 19 sind dabei vorzugsweise schlupffreie Kugellager, d.h. Lager ohne axiales Spiel. Der Innenring 20 der Lager ist dabei auf der Hülse 2 befestigt, während der Außenring mit dem Spulenträger 17 in Verbindung steht. Durch diese Lagerung wird er­ reicht, daß sich die Welle 1 drehen kann, während die Spulenanordnung 13 stationär bleibt. Spulenanschlüsse 22, 23, 24 können daher ohne Schwierigkeiten aus den Spulen 14, 15, 16 herausgeführt werden, um elektrische Eingangs- bzw. Ausgangssignale von bzw. an eine Auswerte­ einrichtung zu übertragen. In axialer Richtung ist die Spulenanordnung 13 so gelagert, daß der Anker 12 in der Ruhestellung, d.h. bei Fehlen eines äußeren Dreh­ moments auf die Welle 1, genau symmetrisch zur Primär­ spule 14 und zu den beiden Sekundärspulen 15, 16 liegt.

Die Funktionsweise dieser Spulenanordnung läßt sich anhand von Fig. 4 erkennen. Die Primärspule 14 wird von einem Strom durchflossen und erzeugt dadurch ein Magnetfeld, das durch die Pfeile 25, 26 angedeutet ist. Dieses Magnetfeld durchsetzt die beiden Sekundärspulen 15, 16 und induziert dort eine elektrische Spannung. Die elektrische Spannung ist unter anderen davon abhän­ gig, wieviele Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt werden. Der Anker 12, der aus magnetisch leitendem Mate­ rial besteht, führt dabei das Feld. In der Ruhe- oder Neutralstellung ragt der Anker gleich weit in beide Sekundärspulen 15, 16 hinein. In beiden Sekundärspulen wird also die gleiche Spannung induziert. Wenn die bei­ den Spannungen voneinander subtrahiert werden, erscheint am Ausgang das Signal Null, was anzeigt, daß kein Dreh­ moment auf die Welle wirkt. Durch Verschieben der Spulen­ anordnung 13 relativ zum Anker 12 in Richtung des Pfeils B oder, was die gleiche Wirkung hat, des Ankers 12 relativ zur Spulenanordnung 13, wird die symmetrische Feldverteilung aufgehoben. In der Sekundärspule, in die der Anker 12 weiter eindringt, wird eine größere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt als in der anderen Sekundärspule, aus der der Anker 12 ein Stück weit herausgezogen worden ist. In der ersten Sekundärspule wird also eine größere Spannung induziert als in der zweiten. Durch eine einfache Differenzbildung der beiden Spannungen läßt sich ein elektrisches Signal gewinnen, das die Größe des auf die Welle wirkenden Drehmoments anzeigt. Das Signal kann dadurch verstärkt werden, daß die Anregung der Primärspule 14 vergrößert wird. Die einzige Grenze dafür ist die Sättigung des Ankers. Um störende Einflüsse auszuschalten, ist die Hülse 2 aus nichtmagnetischem, d.h. magnetisch nicht leitendem, Material gefertigt. Die Beeinflussung des von der Primärspule 14 angeregten Magnetfeldes 25, 26 erfolgt dann ausschließlich durch den Anker 12. Es kann auch von Vorteil sein, die Hülse 2 aus einem elektrisch nicht leitenden Material zu fertigen, um die Induktion von Wirbelströmen zu vermeiden, die ebenfalls parasitäre oder störende Magnetfelder bewirken könnten.

Aus den obigen Erläuterungen ist ersichtlich, daß an die Spielfreiheit der Lager 18, 19 in axialer Richtung sehr große Anforderungen gestellt werden. Eine Verschie­ bung des Ankers 12 aufgrund eines axialen Spiels in den Lagern 18, 19 würde sonst ein falsches Drehmoment anzeigen. Um die Forderungen an die Spielfreiheit der Lager 18, 19 herabzusetzen, kann, wie in Fig. 5 darge­ stellt, eine Kompensationseinrichtung vorgesehen sein, die eine zur ersten Spulenanordnung 13 im wesentlichen identische zweite Spulenanordnung 28 aufweist. Diese zweite Spulenanordnung weist eine Primärspule 29 und zwei Sekundärspulen 30, 31 auf, die in einem gemeinsamen Spulenträger 32 angeordnet sind. Auf der Welle ist ein zweiter Anker 27 angeordnet, der in der Normalstellung symmetrisch in die beiden Sekundärspulen 30, 31 der zweiten Spulenanordnung 28 hineinragt. Die erste Spulen­ anordnung 13 und die zweite Spulenanordnung 28 sind über eine gemeinsame Halterung 33 miteinander verbunden. Die gemeinsame Halterung 33 stellt sicher, daß der axia­ le Abstand zwischen der ersten Spulenanordnung 13 und der zweiten Spulenanordnung 28 immer konstant gehalten wird. Die zweite Spulenanordnung 28 ermittelt zusammen mit dem Anker 27, ob sich die Welle 1 gegenüber den Spulenanordnungen 13, 28 axial bewegt hat oder nicht. Wenn sich nämlich die Welle 1 axial bewegt, wird die symmetrische Verteilung des Magnetfeldes in der zweiten Spulenanordnung 28 gestört. In gleichem Maße wird auch die symmetrische Feldverteilung in der ersten Spulen­ anordnung 13 gestört. Treten in beiden Spulenanordnungen die gleichen Störungen auf, ist dies ein Zeichen dafür, daß ein daraus resultierendes Signal in der ersten Spu­ lenanordnung 13 durch eine axiale Verschiebung der Welle 1 und nicht durch ein auf die Welle aufgebrachtes Dreh­ moment bewirkt wurde. Durch geeignete elektrische Ver­ knüpfungen lassen sich also die durch axiale Verschiebung bedingten falschen Signale kompensieren.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Spulenan­ ordnung zur Ermittlung des Ankers. Teile, die denen der Fig. 1 bis 5 entsprechen, sind mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen. Die Primärspule 114 ist um den mittleren Schenkel eines E-förmigen Jochs 34 herum ange­ ordnet, während die beiden Sekundärspulen 115, 116 um die beiden äußeren Schenkel des E herum angeordnet sind. Der Anker 112 läuft an dem mittleren Schenkel 43 des Jochs mit einem konstanten Luftspalt 42 vorbei und hat gegenüber den beiden äußeren Schenkeln 44, 45 jeweils Luftspalte 35, 36. Bei Bewegung des Ankers in Richtung des Pfeiles A ändern sich die beiden Luftspalte 35, 36 gegensinnig. Die Primärspule 114 induziert ein mag­ netisches Feld, das den Luftspalt 42 überquert und durch den Anker 114, die Luftspalte 135, 136 und die beiden äußeren Schenkel 44, 45 des Jochs durch die Spulen 115, 116 geführt wird. In diesem Fall wird der gesamte Fluß des Magnetfeldes permanent durch die beiden Sekundärspu­ len 115, 116 geführt. Durch die Veränderung der Luftspal­ te 35, 36 läßt sich jedoch der magnetische Widerstand des durch den Anker 112, die Luftspalte 35, 36 und das E-förmige Joch 34 gebildeten magnetischen Kreises verän­ dern, so daß sich bei gleichbleibendem magnetischen Feld der magnetische Fluß durch die beiden Sekundärspu­ len 115, 116 und damit die darin induzierte Spannung ändert. Bewegt sich beispielsweise der Anker 112 nach rechts, wird der rechte Luftspalt 36 verkleinert und der linke Luftspalt 35 vergrößert. Folglich fließt ein stärkerer magnetischer Fluß durch die Sekundärspule 116 als durch die Sekundärspule 115. Die in der Sekundär­ spule 116 induzierte Spannung wird folglich größer wer­ den. Bei geeigneter Dimensionierung der beiden Luftspal­ te 35, 36 wird der Widerstand des magnetischen Kreises praktisch ausschließlich durch die beiden Luftspalte bestimmt. Damit läßt sich in guter Näherung ein lineares Verhalten der Spannungen in Abhängigkeit von der Bewe­ gung des Ankers 112 in Richtung des Doppelpfeils A er­ reichen.

Fig. 7 zeigt eine weitere Möglichkeit der Kompensation von Einflüssen, die durch ein axiales Spiel in den La­ gern 18, 19 verursacht werden könnten. Zur Verhinderung von magnetischen Einflüssen, die von außen zu der Spulen­ anordnung 13 vordringen könnten, ist die gesamte Spulen­ anordnung von einer Kappe 37 umgeben. Diese Kappe ist drehfest und axial unverschiebbar auf der Hülse 2 bzw. auf der Welle 1 befestigt. Zur Kompensation von axialen Bewegungen der Spulenanordnung 13 gegenüber der Hülse 2 weist die Kappe 37 einen Kompensationsluftspalt 38 auf. Dieser Luftspalt verläuft in Umfangsrichtung und teilt die Kappe in zwei Kappenhälften 39, 40. Der übrige Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem von Fig. 3.

Die Kompensationswirkung dieser Kappe läßt sich aus Fig. 8a und 8b ersehen. Im Normalzustand, d.h. ohne eine durch axiales Spiel bedingte Relativverschiebung zwischen Spulenanordnung 13 und Hülse 2 befindet sich in der Neutralstellung sowohl die Kappe 37 als auch der Anker 12 symmetrisch zur Primärspule 14 und zu den beiden Sekundärspulen 15, 16. In der linken Sekundär­ spule 15 wird ein Bereich a von dem Magnetfeld durch­ setzt. In der rechten Sekundärspule 16 wird ein Bereich b von dem Magnetfeld durchsetzt. Beide Bereiche a und b sind gleich groß, so daß in beiden Sekundärspulen 15, 16 die gleiche Anzahl von Spulenwindungen vom Magnet­ feld durchsetzt wird. Da auch die Kappe 37 symmetrisch zur Primärspule 14 angeordnet ist, ergibt sich insgesamt ein symmetrischer Magnetfeld-Aufbau. Der magnetische Widerstand ist in den beiden Kreisen um die beiden Sekun­ därspulen herum gleich groß.

Verschiebt sich nun die Spulenanordnung 13 aufgrund eines axialen Spiels in den Lagern 18, 19 gegenüber der Hülse 2, erfolgt nicht nur eine Relativbewegung gegenüber dem Anker 12, sondern auch eine gegenüber der Kappe 37. Beispielsweise dringt der Anker nun tie­ fer, nämlich über einen Bereich a′ in die linke Sekundär­ spule 15 ein, während die Eindringtiefe b′ in die rechte Sekundärspule 16 verringert wird. Dies hätte normaler­ weise eine Vergrößerung der induzierten Spannung in der linken Sekundärspule 15 zur Folge, während die indu­ zierte Spannung in der rechten Sekundärspule 16 verklei­ nert würde. Gleichzeitig ist aber auch die Kappe 37 relativ zur Spulenanordnung nach links verschoben wor­ den, so daß die rechte Kappenhälfte 40 näher an die Primärspule 14 herangerückt wird. Der Widerstand des magnetischen Kreises, der durch die rechte Kappenhälfte läuft, ist somit geringer als der Widerstand des magneti­ schen Kreises, der durch die linke Kappenhälfte 39 läuft. Dies bewirkt, daß in der linken Sekundärspule 15 zwar eine größere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt wird. Der magnetische Fluß in der rechten Sekundärspule 16 ist aber aufgrund des geringeren magne­ tischen Widerstands größer, so daß in der rechten Sekun­ därspule 16 die gleiche Spannung induziert werden kann, obwohl hier nur eine geringere Anzahl von Spulenwindun­ gen durchsetzt wird. Bei geeigneter Dimensionierung wird also auch bei einer axialen Verschiebung der Spulen­ anordnung 13 gegenüber der Hülse 2 in beiden Sekundär­ spulen die gleiche Spannung induziert, wenn ansonsten kein Drehmoment auf die Welle 1 wirkt.

Claims (14)

1. Drehmoment-Meßeinrichtung mit einer Welle, die einen Abschnitt verminderten Durchmessers aufweist, einer Hülse, die mit der Welle auf beiden Seiten des Ab­ schnitts verminderten Durchmessers drehfest und axial unverschiebbar verbunden ist und einen Anker trägt, der sich bei Verdrehung der beiden Hülsenenden gegen­ einander in axialer Richtung verschiebt und ein elek­ trisches und/oder magnetisches Feld verändert, und einer Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung, wobei die Hülse axial in zwei Teile unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (12) an einem Ende (10) einer Zunge (6, 7) befestigt ist, deren anderes Ende (8, 9) mit beiden Hülsenteilen (4, 5) verbunden ist, wodurch bei einer Verdrehung der beiden Hülsenteile (4, 5) gegeneinander eine um das Verhält­ nis zwischen der Zungenlänge und dem Abstand der beiden Hülsenteile verstärkte Bewegung des Zungenendes (10) erfolgt, an dem der Anker (12) befestigt ist, und daß die Verbindung der Zunge (6, 7) mit jedem Hülsenteil (4, 5) über jeweils einen Steg (8, 9) erfolgt, der sich zumindest teilweise in Umfangsrich­ tung erstreckt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (6, 7) im wesentlichen zwischen den Hülsenteilen (4, 5) verläuft und ihre Längsachse in der Ruhelage in einer senkrecht zur Wellenachse (1) angeordneten Ebene liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei in Umfangsrich­ tung gleichmäßig verteilte Zungen (6, 7) vorgesehen sind, die den Anker (12) tragen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (2) aus einem unmag­ netischen Material gebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenteile (4, 5) und die Zunge (6, 7) einstückig ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung mindestens eine Spule (14, 15, 16) aufweist, die gegenüber der Hülse (2) axial unverschiebbar und drehbar gelagert ist, insbesondere mit Hilfe von schlupffreien Lagern (18, 19), deren innerer Ring (20) auf der Hülse (2) und deren äußerer Ring (21) in einem Spulenträger (17) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung eine ein Magnetfeld erzeugende Primärspule (14) und zwei jeweils ein Ausgangssignal erzeugende Sekundärspulen (15, 16) aufweist, und der Anker (12) bei axialer Bewegung die magnetische Kopplung zwischen der Primär- (14) und den Sekundärspulen (15, 16) ändert.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (14) die Hülse (2) im Bereich des Ankers umgibt und auf jeder Seite der Primärspule (14) jeweils eine der Sekundärspulen (15, 16) ange­ ordnet ist, wobei der Anker (12) mindestens teilweise innerhalb der Primärspule (14) angeordnet ist und aus magnetisch leitendem Material gebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Welle (1) axial nicht verschiebbar ein zweiter Anker (27) angeord­ net ist, der die magnetische Kopplung in einer zwei­ ten eine Primär- (29) und zwei Sekundärspulen (30, 31) aufweisenden Spulenanordnung (28) bei Bewegung der Welle (1) ändert, wobei die zweite Spulenanord­ nung (28) mit der ersten (13) mit axial konstantem Abstand verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Primärspule (114) auf dem mittleren Schenkel (43) eines E-förmigen Kerns (34) und die beiden Sekundärspulen (115, 116) auf den beiden äußeren Schenkeln (44, 45) des Kerns angeordnet sind, wobei der Anker (112) mit konstantem Luftspalt (42) zum mittleren Schenkel (43) und zwischen den beiden äußeren Schenkeln (44, 45) des Kerns angeord­ net ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spulen (14, 15, 16) der Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung von einer magnetisch leitenden Kappe (37) umgeben sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kappe (37) mit der Hülse (2) axial unverschiebbar verbunden ist und mindestens einen Kompensationsluftspalt (38) aufweist, der bei axia­ ler Verschiebung der Spulenanordnung (13) relativ zur Hülse (2) die magnetische Kopplung zwischen Primärspule (14) und Sekundärspulen (15, 16) gegen­ sinnig zur Beeinflussung durch den Anker ändert.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kompensationsluftspalt (38) durch einen Umfangsspalt in der Kappe (37) im Bereich der Primär­ spule (14) gebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spalt (38) in Axialrichtung mindestens so breit wie die Primärspule (14) ist.