Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine
Drehmomenterfassungvorrichtung der magnetostriktiven Art, die zum Erfassen eines
auf eine Meßwelle ausgeübten Drehmoments verwendet wird.
Beschreibung des Standes der Technik
-
Es gab beispielsweise eine Drehmomenterfassungsvorrichtung
der magnetostriktiven Art, wie sie in den Figuren 1 bis 3
(Beschreibung und Figuren der Japanischen Patentanmeldung Nr.
63-50820) sowie in EP-A-02611980 gezeigt ist.
-
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte
Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 ist mit einer Meßwelle 2 in ihrer Mitte versehen.
Auf der Oberfläche der Meßwelle 2 sind konkave Teile 3a,3b
und konvexe Teile 4a,4b ausgebildet, die einen bestimmten
Winkel mit der Axialrichtung der Meßwelle 2 einschließen und
mit der Meßwelle 2 in geeigneten Abständen fest verbunden
sind, und es wird eine durch die Form erzeugte magnetische
Anisotropie durch diese konkaven Teile 3a,3b und konvexen
Teile 4a,4b hervorgerufen.
-
In diesem Falle sind der konkave Teil 3a, der konvexe Teil 4a
auf der einen Seite sowie der konkave Teil 3b, der konvexe
Teil 4b auf der anderen Seite paarweise mit einer Neigung von
45º bezüglich der Axialrichtung in entgegengesetzten
Richtungen relativ zueinander vorgesehen.
-
Die Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 weist ein Paar von
Spulen 5a,5b gegenüber dem konkaven Teil 3a und konvexen Teil
4a auf der einen Seite sowie dem konkaven Teil 3b und
konvexen
Teil 4b auf der anderen Seite auf, die an der Meßwelle
2 zusätzlich zu der Meßwelle 2 vorgesehen sind und ein
zylindrisches Joch 7 aus einem Material hoher Permeabilität an der
Außenseite der Spulen 5a,5b aufweisen, wobei ein Spalt 6
zwischen dem Joch 7 und der Meßwelle 2 verbleibt. Dabei
werden die Spulen 5a und 5b als Erregereinrichtungen zur
Ausbildung eines Magnetkreises verwendet, wobei die Meßwelle
2 einen Teil des Magnetkreises gemeinsam mit einer
Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer durch die Meßwelle 2
gehenden magnetostriktiven Kraft bildet.
-
In der Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 mit diesem Aufbau
bilden die Spulen 5a und 5b die Brückenschaltung in
Kombination mit Widerständen 11 und 12, wie in Fig. 2 gezeigt. Diese
Brückenschaltung ist mit einem veränderlichen Widerstand 13
zum Abgleichen versehen, und die Erregungsrichtungen werden
in der gleichen Richtung durch Anschließen eines
Erregeroszillators 14 an verbindungsstellen A,C in der
Brückenschaltung eingestellt. Ein Differentialverstärker 15 ist so
angeschlossen, daß er Punkte B, B' so verbindet, daß ein
Erfassungsausgangssignal an den Ausgangsklemmen 16,17 abgenommen
wird.
-
Der Betrieb der in Fig.1 dargestellten
Drehmomenterfassungsvorrichtung, die an die in Fig.2 gezeigte elektrische
Schaltung angeschlossen ist, wird im folgenden beschrieben.
-
Zuerst wird bei Betrieb Wechselstrom konstanter Amplitude (V)
und Frequenz (f) auf die Spulen 5a und 5b vom
Erregeroszillator 14 gegeben. Infolge dieser elektrischen Belastung werden
magnetische Kraftlinien erzeugt, die den aus der Meßwelle
2T dem Spalt 6Tdem Joch 7Tdem Spalt 6Tder Meßwelle 2
bestehenden Magnetkreis bilden und die Spulen 5a und 5b
umfassen.
-
Die magnetischen Kraftlinien fließen in einem Teil der
Oberfläche der Meßwelle 2, insbesondere in den konvexen Teilen
4a,4b, hauptsächlich weil die konkaven Teile 3a,3b an der
Meßwelle 2 unter einem bestimmten Winkel bezüglich der
Axialrichtung der Meßwelle 2 ausgebildet sind, werden sie zu einem
magnetischen Widerstand. Daraus ergibt sich die Wirkung der
durch Formung erzielten magnetischen Anisotropie, die durch
die konkaven Teile 3a,3b und konvexen Teile 4a,4b
hervorgerufen wird.
-
Wenn das Drehmoment auf die Meßwelle 2 in der in Fig.1
gezeigten Richtung T ausgeübt wird, wirkt die maximale
Dehnungsbeanspruchung - δ auf dieselbe, da der konvexe Teil 4a
auf der einen Seite unter 45º nach rechts ausgebildet ist,
während im Gegensatz dazu die maximale Kompressionsbelastung
- δ auf dieselbe wirkt, da der konvexe Teil 4b auf der
anderen Seite in Richtung 45º nach links ausgebildet ist.
-
Wenn daher die Meßwelle 2 eine positive
Magnetostriktionswirkung aufweist, steigt die Permeabilität des konvexen Teils 4a
auf der einen Seite im Vergleich dazu, wenn das Drehmemont
Null ist. Im Gegensatz dazu sinkt die Permeabilität des
konvexen Teils 4b auf der anderen Seite im Vergleich dazu,
wenn das Drehmoment Null ist.
-
Dementsprechend bricht beim Ansteigen der Induktivität L&sub1;
der Spule 5a auf der einen Seite und beim Abfallen der
Induktivität L&sub2; der Spule 5b auf der anderen Seite der
Abgleich der in Fig.2 gezeigten Brückenschaltung zusammen, und
es wird ein dem Drehmoment entsprechendes Ausgangssignal
zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 17 erzeugt.
-
Falls das Drehmoment auf die Meßwelle 2 in der
entgegengesetzten
Richtung ausgeübt wird, entsprechend einer
Gegenwirkung, bricht beim Sinken der Induktivität L&sub1; der Spule 5a
auf der einen Seite und Steigen der Induktivität L&sub2; der
Spule 5b auf der anderen Seite der Abgleich der in Fig.2
gezeigten Brückenschaltung zusammen und das
Erfassungsausgangssignal mit einer in Fig.3 gezeigten Charakteristik
entsprechend dem Drehmoment wird zwischen den Ausgangsklemmen
16 und 17 erzeugt.
-
Da in der Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 mit diesem Aufbau
die konkaven Teilen 3a,3b und die konvexen Teile 4a,4b
paarweise mit umgekehrter Neigung gegenüber den Spulen 5a bzw. 5b
ausgebildet sind und die Differenz der Änderung des
Magnetismus an diesen konkaven Teilen 3a,3b und konvexen Teilen 4a,4b
mittels einer Brückenschaltung erfaßt wird, ändert sich die
Temperatur der Meßwelle 2 insgesamt gleichförmig, der
Nullpunkt des Ausgangssignals kann seine Verschiebung einstellen
und es ist möglich, die Erfassungsgenauigkeit des Drehmoments
zu erhöhen, auch wenn die Permeabilität der Meßwelle 2
insgesamt entsprechend der Temperatur verändert wird.
-
Wenn jedoch bei einer solchen bekannten
Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 der magnetostriktiven Art ein
Temperaturgradient in Axialrichtung der Meßwelle infolge der von einem
Motor, der beispielsweise mit einer Seite der Meßwelle 2
verbunden ist, erzeugten Wärme hervorgerufen wird, wird die
Permeabilität der Meßwelle 2 in Axialrichtung verändert und
die Induktivität L&sub1; und L&sub2; der Spulen 5a und 5b
ändert sich entsprechend. Daher besteht ein Problem darin,
daß der Nullpunkt des Ausgangssignals sich infolge des
fehlenden Abgleichs verschieben kann, der zwischen den
Verbindungspunkten B und B' gemäß Fig. 2 hervorgerufen wird, und es
tritt manchmal ein merkliches Abwandern des
Erfassungsausgangssignals auf.
-
Die Erfindung zielt auf die Lösung der oben erwähnten
Probleme des Standes der Technik ab und sucht eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung der magnetostriktiven Art zu schaffen, die
in der Lage ist, das Auftreten eines schwerwiegenden
Abwanderns des Erfassungsausgangssignals zu verhindern, auch wenn
ein Temperaturgradient in Axialrichtung der Meßwelle
hervorgerufen wird.
-
Dementsprechend schafft die Erfindung eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung mit einer Meßwelle, einer Erregereinrichtung
zur Bildung eines Magnetkreises, wobei die Meßwelle einen
Teil des Magnetkreises bildet, und mit einer
Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer durch die Meßwelle verlaufenden
magnetostriktiven Kraft, wobei die Meßwelle wenigstens in
einem Teil derselben, in welchem die magnetostriktive Kraft
erfaßt wird, aus einem Stahl hergestellt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stahl spezifische Mengen der folgenden
Elemente in Gew.-% umfaßt: nicht mehr als 1,5% C, nicht mehr
als 4,0% Si, nicht mehr als 3,0% Mn, eines von beiden oder
beide von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr,
sowie nicht mehr als 5,0% Co; daß der Stahl wahlweise ferner
wenigstens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus: nicht
mehr als 1,0% Cu, nicht mehr als 1,0% Mo, nicht mehr als
0,05% B, nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht
mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5%
Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf und nicht
mehr als 0,1% N; daß der Stahl ebenfalls wahlweise ferner
enthält: nicht mehr als 3,0% Al; und daß der Stahl zusätzlich
wahlweise ferner wenigstens ein Element enthällt, das
ausgewählt ist aus: nicht mehr als 0,5% Pb, nicht mehr als 0,5%
Bi, nicht mehr als 0,5% S, nicht mehr als 0,3% P, nicht mehr
als 0,5% Te, nicht mehr als 0,5% Se und nicht mehr als 0,05%
Ca, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, und daß der
Stahl die folgenden elektromagnetischen Eigenschaften
wenigstens in demjenigen Teil desselben besitzt, in welchem die
magnetostriktive Kraft erfaßt wird: einen spezifischen
Widerstand RT von nicht weniger als 30 µΩ x cm bei
Zimmertemperatur; einen Temperaturkoeffizienten α des
spezifischen Widerstandes von nicht mehr als 0,25 x 10&supmin;²/ºC bei
einer Temperatur von -50 bis 150ºC; und einen
Temperaturkoeffizienten αL der Induktivität L von nicht mehr als 0,07
x 10&supmin;²/ºC bei einer Temperatur von -50 bis 150ºC.
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich
beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es
zeigt:
-
Figur 1 einen Schnitt durch den Aufbau der
Drehmomenterfassungsvorrichtung der magnetostriktiven Art;
-
Figur 2 ein Schaltbild der elektrischen Schaltung der
zur Erfassung des Drehmoments verwendeten
Drehmomenterfassungsvorrichtung;
-
Figur 3 eine graphische Darstellung, welche die
Ausgangscharakteristik der Drehmomenterfassungsvorrichtung
darstellt;
-
Figur 4 eine schematische Darstellung, welche die
Versuchsvorgänge zur Erzeugung des Temperaturgradienten in der
Meßwelle der Drehmomenterfassungsvorrichtung darstellt;
-
Figur 5 eine graphische Darstellung, welche die
Ergebnisse der Untersuchung der Beziehung zwischen dem
spezifischen Widerstand und der Abwanderung wiedergibt;
-
Figur 6 eine graphische Darstellung, welche die
Ergebnisse
der Untersuchung der Beziehung zwischen dem
Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands und der
Abwanderung wiedergibt; und
-
Figur 7 eine graphische Darstellung, welche die
Ergebnisse der Untersuchung der Beziehung zwischen dem
Temperaturkoeffizienten der Induktivität und der Abwanderung
wiedergibt.
-
Wie oben beschrieben, hat die erfindungsgemäße
Drehmomenterfassungsvorrichtung einen solchen Aufbau, daß sie mit einer
Meßwelle, einer Erregereinrichtung zur Bildung eines
Magnetkreises, wobei die Meßwelle einen Teil dieses Magnetkreises
darstellt, und einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer
durch die Meßwelle gehenden magnetostriktiven Kraft versehen
ist. Sie ist auf die Drehmomenterfassungsvorrichtung
anwendbar, welche den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau wie die
in Fig.1 dargestellte Drehmomenterfassungsvorrichtung 1
besitzt, und es muß nicht gesagt werden, daß sie nicht auf
die Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 eingeschränkt ist,
welche den in Fig.1 gezeigten Aufbau besitzt. Beispielsweise
können die Erregereinrichtung und die Erfassungeinrichtung
aus unterschiedlichen Spulen bestehen, nämlich jeweils aus
einer Erregerspule und einer Erfassungsspule, statt daß
gemeinsame Spulen 5a und 5b die Erreger- und
Erfassungseinrichtung bilden. Und wenn die magnetische Anisotropie der
Meßwelle 2 erteilt wird, ist dies nicht auf die Bildung von
konkaven Teilen 3a,3b und konvexen Teilen 4a,4b, wie in Fig.1
dargestellt, eingeschränkt, sondern die magnetische
Anisotropie kann gegeben sein, indem das magnetische Material auf die
Meßwelle 2 geklebt wird oder indem eine Oberflächenbehandlung
an der Meßwelle 2 vorgenommen wird.
-
Ferner hat bei der erfindungsgemäßen
Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 wenigstens ein Teil, in welchem die
magnetostriktive Kraft der Meßwelle 2 erfaßt wird, die
elektromagnetischen Eigenschaften, daß der spezifische Widerstand RT
bei Zimmertemperatur nicht weniger als 30 µΩ x cm beträgt,
der Temperaturkoeffizient α des spezifischen Widerstands
bei einer Temperatur von -50 bis 150ºC nicht mehr als 0,25 x
10&supmin;²/ºC beträgt und der Temperaturkoeffizient αL der
Induktivität L bei einer Temperatur von -50 bis 150ºC nicht
mehr als 0,07 x 10&supmin;²/ºC beträgt. Wenigstens in einem Teil
der Meßwelle 2, der einen Teil des von einem magnetischen
Wechselfeld erregten Magnetkreises bildet, ist nämlich ein
höherer spezifischer Widerstand der Meßwelle 2 wenigstens in
dem Teil erwünscht, in welchem die magnetostriktive Kraft
erfaßt wird. Das heißt, da ein Wirbelstrom in der Meßwelle 2
in dem magnetischen Wechselfeld erzeugt wird, steigt der
Verlust und so wird ein Anstieg der Wärmeerzeugung und eine
Absenkung der Durchlässigkeit hervorgerufen, wenn der
spezifische Widerstand des den Magnetkreis der Meßwelle 2
bildenden Teils niedrig ist. Es ist bestätigt worden, daß, je höher
der spezifische Widerstand RT bei Zimmertemperatur ist,
desto kleiner seine Temperaturänderung ist. Von einem solchen
Standpuntk aus betrachtet wurde bestätigt, daß es
erforderlich ist, ein Material mit einem spezifischen Widerstand
RT bei Zimmertemperatur von nicht weniger als 30 µΩ x
cm für die Meßwelle 2 wenigstens in dem Teil zu verwenden, in
welchem die magnetostriktive Kraft erfaßt wird.
-
Wenn der Temperaturkoeffizient α des spezifischen
Widerstandes der Meßwelle 2 wenigstens in dem Teil, in welchem
die magnetostriktive Kraft erfaßt wird, niedrig ist, wird
auch der Schwankungsbereich eng. Es wurde daher bestätigt,
daß die thermischen Eigenschaften der
Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 verbessert sind. Von diesem Gesichtspunkt aus
wurde bestätigt, daß es erforderlich ist, ein Material mit
einem Temperaturkoeffizienten α des spezifischen
Widerstandes von nicht mehr als 0,25 x 10&supmin;²/ºC bei einer
Temperatur von -50 bis 150ºC und einem Temperaturkoeffizienten
αL der Induktivität L von nicht mehr als 0,07 x 10&supmin;²
/ºC bei einer Temperatur von -50 bis 150ºC für die
Meßwelle 2 wenigstens in dem Teil, in welchem die magnetostriktive
Kraft erfaßt wird, zu verwenden.
-
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Temperaturbereich
dieser Eigenschaften auf einen Bereich von -50 bis 150ºC
festgelegt, wobei der Temperaturbereich berücksichtigt wird,
in welchem ein Maschinengebilde, wie ein Motorfahrzeug, im
allgemeinen verwendet wird.
-
Die Meßwelle ist wenigstens in einem Teil, im welchen die
magnetostriktive Kraft erfaßt wird, aus einem Stahl
hergestellt, der spezifische Mengen der folgenden Elemente in
Gewichtsprozent enthält: nicht mehr als 1,5% C, nicht mehr
als 4,0% Si, nicht mehr als 3,0% Mn, eines von beiden oder
beide von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr,
sowie nicht mehr als 5,0% Co; daß der Stahl wahlweise ferner
wenigstens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus: nicht
mehr als 1,0% Cu, nicht mehr als 1,0% Mo, nicht mehr als
0,05% B, nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht
mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5%
Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf und nicht
mehr als 0,1% N; daß der Stahl ebenfalls wahlweise ferner
enthält: nicht mehr als 3,0% Al; und daß der Stahl zusätzlich
wahlweise ferner wenigstens ein Element enthält, das
ausgewählt ist aus: nicht mehr als 0,5% Pb, nicht mehr als 0,5%
Bi, nicht mehr als 0,5% 5, nicht mehr als 0,3% P, nicht mehr
als 0,5% Te, nicht mehr als 0,5% Se und nicht mehr als 0,05%
Ca, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind.
-
Der Stahl hat wenigstens in dem erwähnten Abschnitt die
elektromagnetischen Eigenschaften, daß der spezifische
Widerstand RT bei Zimmertemperatur nicht kleiner ist als 30
µΩ x cm, der Temperaturkoeffizient α des spezifischen
Widerstandes bei einer Temperatur von -50 bis 150ºC nicht
mehr als 0,25 x 10&supmin;²/ºC beträgt und der
Temperaturkoeffizient αL der Induktivität L bei einer Temperatur von
-50 bis 150ºC nicht mehr als 0,07 x 10&supmin;²/ºC beträgt.
-
In diesem Fall ist C ein notwendiges Element, um die
Festigkeit aufrechtzuerhalten, die in Substanzen für die
Herstellung von Wellen eines Leistungsübertragungssystems und
dergleichen, wie einer Antriebswelle, eines Säulenschaftes,
erforderlich ist. Um die erforderliche Festigkeit zu
erzielen, wird bevorzugt, einen Gehalt an C von nicht weniger als
0,1% vorzusehen. Wenn jedoch die Menge zu groß ist, wird die
Zähigkeit eher verschlechtert und die plastische
Kaltbearbeitbarkeit wird nachteilig beeinflußt, so daß eine obere
Grenze des Gehalts an C auf 1,5% festgelegt wird. Im Fall der
Karburierung wird bevorzugt, daß nicht mehr als 0,35% C
enthalten sind, so daß nicht mehr als 1,5% C in der
karburierten Schicht enthalten sind. Si ist wirksam zur Erhöhung
der Empfindlichkeit und zur Erniedrigung der Hysterese.
Wenn jedoch die Menge zu groß ist, wird die Zähigkeit
verschlechtert, so daß die Zusammensetzung nicht mehr als 4,0%
Si enthalten darf. Mn wirkt als Deoxidationsmittel und
Desulfurisierungsmittel bei der Stahlherstellung und ist ein
wirksames Element für die Erhöhung der Festigkeit durch
Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls. Es ist erforderlich,
daß nicht mehr als 3,0% Mn enthalten sind, da die
Bearbeitbarkeit verschlechtert wird, wenn der Gehalt zu groß wird.
Ferner sind Ni und Cr wirksame Elemente zur Erhöung der
Festigkeit infolge Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls
und Verstärkung der Matrix. Es ist erforderlich, daß nicht
mehr als 5,0% Ni enthalten sind, da die Hysterese steigt,
wenn Ni zuviel enthalten ist, und es sollte nicht mehr als
5,0% Cr enthalten sein, da die Empfindlichkeit verschlechtert
wird, wenn zuviel Cr enthalten ist. Al kann je nach
Erfordernis im Bereich von nicht weniger als 3,0% enthalten sein, da
es wirksam ist, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und die
Hysterese zu verringern, ähnlich wie bei Si. Co ist im
Bereich von nicht mehr als 5,0% enthalten, da es wirksam ist,
die Empfindlichkeit in gleicher Weise wie Si oder Al zu
erhöhen. Pb, Bi, S, P, Te, Se und Ca sind wirksam, die
maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern, so daß es bevorzugt
wird, daß wenigstens eines dieser Elemente in Bereichen von
nicht mehr als 0,5% Pb, nicht mehr als 0,5% Bi, nicht mehr
als 0,5% S, nicht mehr als 0,3% P, nicht mehr als 0,5% Te,
nicht mehr als 0,5% Se und nicht mehr als 0,05% Ca enthalten
sind. Cu und Mo können je nach Erfordernis im Bereich von
nicht weniger als jeweils 1,0% enthalten sein, da Cu und Mo
wirksame Elemente sind, um gleichermaßen die Matrix des
Stahls zu verstärken und die Festigkeit zu verbessern.
Zusätzlich zu dem Obigen kann B im Bereich von nicht mehr als
0,05% enthalten sein, um die Härtbarkeit des Stahls zu
verbessern, und es kann wenigstens eines der folgenden
Elemente enthalten sein: nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5%
V, nicht mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr
als 0,5% Ta., nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf
und nicht mehr als 0,1% N, um die Festigkeit durch
Kornverfeinerung und Niederschlagshärtung zu verbessern. Ferner ist
es in der diese chemische Zusammensetzung besitzenden
Meßwelle 2 je nach Erfordernis zweckmäßig, nicht nur ein
gewöhnliches Abschreck-Tempern, sondern auch Karburierung,
Karburiertempern, Karbonitrierung, Nitrierung, Induktionshärte-Tempern
durchzuführen. Wenn Karburieren angewendet wird, wird
bevorzugt, die Menge an C in der karburierten Schicht je nach
Erfordernis z.B. im Bereich von mehr als 0,1 % bis 1,5% zu
halten.
-
Bei der erfindungsgemäßen Drehmomenterfassungsvorrichtung hat
die Meßwelle wenigstens in dem Teil, in welchem die
magnetostriktive Kraft erfaßt wird, die elektromagnetischen
Eigenschaften, daß der spezifische Widerstand RT bei
Zimmertemperatur nicht weniger als 30 µΩ x cm, der
Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes bei
Temperaturen von -50 bis 150ºC nicht mehr als 0,25 x 10&supmin;²/ºC und
der Temperaturkoeffizient αL der Induktivität L bei
Temperaturen von -50 bis 150ºC nicht mehr als 0,07 x 10&supmin;²
/ºC beträgt. Sie stellt daher eine merklich verbesserte
Drehmomenterfassungsvorrichtung bezüglich ihrer thermischen
Eigenschaften dar. Die Leistungscharakteristiken der
Drehmomenterfassungsvorrichtung ändern sich nie merklich und die
durch Schwankung des Nullpunkts hervorgerufene Abwanderung
tritt nie auf, auch wenn ein Temperaturgradient in der
Meßwelle hervorgerufen wird. Dementsprechend wird die
Genauigkeit der Messung der Drehmomenterfassungsvorrichtung niemals
verschlechtert.
-
Die Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 gemäß Fig.4, bei der
die Meßwelle 2 (mit konkaven Teilen 3a,3b und konvexen Teilen
4a,4b mit einer Breite von 2 mm und 1 mm Höhendifferenz) mit
20 mm Durchmesser aus einem Stahl aufweist, der nicht die
erfindungsgemäß geforderten chemischen Zusammensetzungen
besitzt, ist mit einem Ende der Meßwelle 2 in durch
Heizelement 21 erhitztes Öl 22 getaucht, so daß ein
Temperaturgradient in der Meßwelle 2 hervorgerufen wurde. Die Temperatur
wurde jeweils unter Verwendung von Thermopaaren 23a und 23b
an dem entsprechenden konvexen Teil 4a,4b abgenommen. Ferner
wurde das Abwandern pro 1ºC der Temperaturdifferenz zwischen
den entsprechenden konvexen Teilen 4a und 4b durch Anschluß
von Spulen 5a und 5b an die in Fig.2 gezeigte
Brückenschaltung erhalten.
-
Fig.5 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung
zwischen der Abwanderung und dem spezifischen Widerstand
RT bei Zimmertemperatur darstellt. Es wurde gefunden,
daß die Abwanderung proportional zum Anstieg des spezifischen
Widerstandes RT bei Zimmertemperatur sinkt.
-
Fig.6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Abwanderung und dem Temperaturkoeffizienten α des
spezifischen Widerstandes. Es wurde gefunden, daß die
Abwanderung proportional zur Verringerung des
Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes sinkt.
-
Ferner ist Fig.7 eine graphische Darstellung, welche die
Beziehung zwischen der Abwanderung und dem
Temperaturkoeffizienten αL der Induktivität darstellt. Es wurde gefunden,
daß die Abwanderung proportional zum Sinken des
Temperaturkoeffizienten αL der Induktivität abnimmt.
-
Das folgende nicht einschränkende Beispiel erläutert die
Erfindung.
BEISPIEL 1
-
Jeder der Stähle mit einer chemischen Zusammensetzung, wie
sie in Tabelle 1-1 gezeigt sind, wurde als Ausgangsmaterial
der Meßwelle 2 der in Fig.1 gezeigten
Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 verwendet.
-
Diese Meßwelle 2 mit einem Durchmesser von 20 mm sowie
konkaven Teilen 3a,3b und konvexen Teilen 4a,4b mit einer Breite
von 2 mm und einer Höhendifferenz von 1 mm wurde einer
ebenfalls
in Tabelle 1-2 dargestellten Wärmebehandlung
unterworfen. Die ebenfalls in Tabelle 1-2 dargestellten Meßwerte
wurden als Ergebnis einer Messung des spezifischen
Widerstandes RT bei Zimmertemperatur, des
Temperaturkoeffizienten α des spezifischen Widerstandes und des
Temperaturkoeffizienten αL der Induktivität der entsprechenden
Meßwelle 2 durch die folgenden Vorgänge erhalten.
-
Versuchsstücke mit einer Höhe von 3 mm, einer Breite von 3 mm
und einer Länge von 100 mm wurden vorbereitet, um jeweils den
spezifischen Widertand der Stähle mit diesen chemischen
Zusammensetzungen zu messen, und es wurden ferner
verschiedene Versuchsstücke mit einem Außendurchmesser von 30 mm, einem
Innendurchmesser von 25 mm und einer Dicke von 2 mm
vorbereitet, um die jeweilige Induktivität der Stähle zu messen.
Jedes der Versuchsstücke wurde einer Karburierung bei 910ºC
über 2 Stunden und einer Abschreckung in Öl und sodann einer
Temperung bei 170ºC für 2 Stunden unterworfen.
-
Die Messung des spezifischen Widerstandes wurde durch die
Vierklemmen-Methode durchgeführt, der spezifische Widerstand
RT bei Zimmertemperatur wurde gemessen und der
Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes ro 1ºC
wurde durch Messung des spezifischen Widerstandes bei
Temperaturen von -50 bis 150ºC erhalten.
-
Die Messung der Induktivität wurde unter Verwendung eines
Induktanzmeßgerätes durchgeführt, der Temperaturkoeffizient
der Induktivität pro 1ºC wurde durch Messung der
Induktivität bei Temperaturen von -50 bis 150ºC und einer
Frequenz von 30 kHz erhalten.
-
Durch Anschließen der Spulen 5a und 5b derart, das die
elektrische Schaltung gemäß Fig.2 erhalten wurde, wurde die
entsprechende Abwanderung untersucht. Die Ergebnisse der
Untersuchung werden zusammen in Tabelle 1-2 wiedergegeben.
Tabelle 1-1
Tabelle 1-2
-
Wie in Tabelle 1-2 gezeigt beträgt im Fall des Beispiels 1
bei einer Meßwelle 2 mit den elektromagnetischen
Eigenschaften der spezifische Widerstand RT bei Zimmertemperatur
nicht weniger als 30 µΩ x cm, der Temperaturkoeffizient α
des spezifischen Widerstandes bei Temperaturen von -50 bis
150ºC nicht mehr als 0,25 x 10&supmin;²/ºC und der
Temperaturkoeffizient αL der Induktivität L bei Temperaturen von
-50 bis 150ºC nicht mehr als 0,07 x 10&supmin;²/ºC , was
bestätigt, daß die Abwanderung der Erfassungsvorrichtung 1
gering ist.
-
Im Gegensatz dazu wurde bestätigt, daß die Abwanderung in
den Fällen der Vergleichsbeispiele Nr. 1 - 3, die den
vorgeschriebenen elektromagnetischen Eigenschaften nicht
entsprechen, groß ist.
-
Wie oben beschrieben, hat die erfindungsgemäße
Drehmomenterfassungsvorrichtung eine Meßwelle, eine Erregereinrichtung
zur Bildung eines Magnetkreises, wobei die Meßwelle einen
Teil des Magnetkreises darstellt, und eine
Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer durch die Meßwelle gehenden
magnetostriktiven Kraft, wobei die Meßwelle die folgenden
elektromagnetischen Eigenschaften in wenigstens einem Teil besitzt,
in welchem die magnetostriktive Kraft erfaßt wird: der
spezifische Widerstand RT beträgt nicht weniger als 30 µΩ x
cm bei Zimmertemperatur, der Temperaturkoeffizient α des
spezifischen Widerstandes beträgt nicht mehr als 0,25 x
10&supmin;²/ºC bei Temperaturen von -50 bis 150ºC, und der
Temperaturkoeffiezient αL der Induktivität L beträgt
nicht mehr als 0,07 x 10&supmin;²/ºC bei Temperaturen von -50
bis 150ºC. Daher tritt keine schwerwiegende Abwanderung im
Erfassungsausgangssignal auf, auch wenn ein
Temperaturgradient in Axialrichtung der Meßwelle erzeugt wird. Es werden
hervorragende Wirkungen erhalten, da es möglich ist, das
Drehmoment mit größerer Genauigkeit als je zuvor zu messen.