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WO2007006595A1 - Vorrichtung zur messung des drehmomentes an einer getriebewelle eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung zur messung des drehmomentes an einer getriebewelle eines kraftfahrzeugs Download PDF

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Publication number
WO2007006595A1
WO2007006595A1 PCT/EP2006/062166 EP2006062166W WO2007006595A1 WO 2007006595 A1 WO2007006595 A1 WO 2007006595A1 EP 2006062166 W EP2006062166 W EP 2006062166W WO 2007006595 A1 WO2007006595 A1 WO 2007006595A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque
hollow shaft
magnetic field
shaft
electronics housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/062166
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Leopold Hellinger
Gerhard Neumann
Jeffry Steppe
Ralf David Woods
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG Oesterreich
Original Assignee
Siemens AG Oesterreich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG Oesterreich filed Critical Siemens AG Oesterreich
Publication of WO2007006595A1 publication Critical patent/WO2007006595A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G01L3/103—Details about the magnetic material used

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring a torque which is transmitted by a rotatably mounted in a transmission housing of a motor vehicle shaft, wherein the shaft is formed at least in a torque-conducting portion as a hollow shaft and wherein a housing-side opening of the hollow shaft through a recess on the transmission housing from the outside is accessible.
  • sensors For measuring forces and torques, sensors are known which exploit the effect of the inverse magnetostriction.
  • Magnetostriction is an effect that describes the change in geometric dimensions of a body when it is under the influence of a magnetic field.
  • an already premagnetized body responds to mechanical deformation with a change in its magnetization.
  • This effect is referred to as inverse magnetostriction or as Villari effect and also used in sensors that detect contactless transmitted by a shaft torque.
  • a sensor is described in DE 3407917 A1.
  • the magnetic material is first applied to the surface of a non-magnetic carrier sleeve.
  • the carrier sleeve is then pushed onto the transmission shaft of a motor vehicle and connected to this force-conducting.
  • the transmission shaft is subjected to a torque
  • the magnetic field radiated from the magnetic material into the outer space changes.
  • the change of the magnetic field detects a magnetic field detector mounted on the outer peripheral side.
  • the measurement of the torque conducted by a four-wheel drive transfer case to the front and rear axles, respectively, is crucial for controlling traction, vehicle stability, braking performance and fuel economy.
  • a measuring device in a motor vehicle exposed to magnetic and electromagnetic interference fields and harsh operating conditions.
  • Measuring device is easily accessible and easy to maintain. If a change is necessary in the event of a malfunction, this should be done without the removal of a Transmission shaft be possible. Furthermore, electromagnetic interference fields, which can disturb the weak measuring signals of a magnetic torque sensor, act on a torque measuring system in a motor vehicle.
  • Measuring device arranged in a hollow shaft.
  • an area with a magnetization is formed on an inner ring surface.
  • a magnetic field detector which is arranged on a carrier part at a distance from an annular gap of this magnetized area, detects the torque-dependent magnetic field.
  • the carrier part is mounted in an inserted state with a projecting into the cavity portion by a support bearing. With another end, the support member is led out through a recess in the transmission housing and on a
  • Gear housing part set outside.
  • the arrangement of the sensor inside the hollow shaft is the measuring device well shielded against magnetic interference fields.
  • the measuring device is easily accessible from the outside. If, in the event of a fault, the detector or the evaluation circuit has to be serviced or replaced, this does not require removal of the gear shaft.
  • the support member additionally causes heat removal from the interior of the hollow shaft, so that the magnetic field detector is comparatively exposed to a low operating temperature.
  • the magnetization is formed directly in the material of the hollow shaft, or in other words, the magnetized region and the hollow shaft are made of a material and are designed to merge into one another.
  • the magnetized region and the hollow shaft are made of a material and are designed to merge into one another.
  • Outer peripheral surfaces of waves are mounted on carrier sleeves, the production is easier and possible at a lower cost.
  • a preferred embodiment of the invention is therefore characterized in that the hollow shaft is mounted in a, with respect to the inner ring surface radially outwardly opposite outer peripheral surface by a bearing in a gear housing part.
  • the carrier part on which the magnetic field detector is arranged is made of a non-magnetic material.
  • the outer ring or the inner ring of the support bearing, with which the support member is supported in the Holwelle, insulated by a heat insulating bushing is advantageous.
  • the carrier part has a bore extending in the axial direction.
  • This bore forms a cable duct for electrical lines which connects the magnetic field detector with an evaluation circuit arranged outside the transmission on a printed circuit board. In this way, electrical and magnetic interference are kept away both from the magnetic field detector and from the connecting lines to the transmitter.
  • an electronics housing which has a lower shell, which is made of a thermally insulating material.
  • the electronics housing lower shell and the printed circuit board are each provided with a recess. In a mounted state these recesses align with the recess in the
  • the support member can be passed through these recesses and out.
  • the support member may then be connected to a cover member formed as a heat sink, whereby to some extent operating heat can be derived from the interior of the hollow shaft to the outside.
  • a material from the group 40NiCrMo6, 14NiCrMol34, 20MnCrS5, 41Cr4 is used for the hollow shaft and thus also for the magnetized area.
  • the magnetic field detector includes a flux gate magnetometer module designed as an integrated circuit.
  • Figure 1 is a sectional view of a drive shaft in a transfer case of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a detail drawing in the region X of the representation according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a device 27 for the contactless determination of a torque, which is transmitted by a shaft designed as a hollow shaft 1 in a transfer case 6, 7 of a motor vehicle.
  • Radial shaft sealing ring 22 seal the hollow shaft 1 in the transfer case 6,7 relative to the outer space.
  • the supply of torque takes place inside the housing 6,7 by means of a chain 11.
  • the chain 11 is connected to a on the hollow shaft 1 on the outer peripheral side gear 12 is engaged.
  • Umschlingungstrieb 11,12 the torque of the hollow shaft 1 is supplied.
  • the hollow shaft 1 passes the torque to an output 13.
  • the output 13 is led out in Figure 1 on the housing part 6 on the left. From this output 13, the drive power of the engine reaches the wheels of the motor vehicle.
  • the hollow shaft 1 is on the one hand in a driven side
  • Bearing 4 mounted on a front gear housing part 6.
  • the other end of the hollow shaft 1 is rotatably supported by a drive side arranged bearing 5 in a rear gear housing part 7.
  • the rear gear housing part 7 has a recess 25. Die
  • Hollow shaft 1 has a hollow interior 19 extending in the direction of the axis of rotation 23.
  • a support member 2 can be seen, which is inserted during assembly from the outside through the right in Figure 1 opening 29 of the hollow shaft 1 and the recess 25 in the housing part 7.
  • the hollow shaft 1 In the retracted state, the hollow shaft 1 is crashed left by acting as a support bearing deep groove ball bearing 3 in the hollow shaft 1 and simultaneously rotatably supported.
  • a right end piece of the support part 2 extends through the recess 25 and is connected on the housing side by means of screws 21 with a cover part 15.
  • the cover part 15 covers the recess 25 and in turn is bolted by fastening screws 24 to the rear gear housing part 7.
  • the actual torque sensor is highlighted in Figure 1 by a circle designated by X.
  • This detail X can be seen in an enlarged view in FIG. It essentially consists of a magnetized area 8 the Holwelleninnenseite and a magnetic field detector device 9.
  • the magnetized region 8 is radially opposite the bearing 4.
  • the magnetized region 8 radiates a magnetic field into the cavity 19. The field lines of this magnetic field close over the
  • the lying between the gear 12 and output 13 part of the hollow shaft 1 is thus claimed to torsion.
  • This twist is transmitted to the magnetized region 8.
  • the consequence of this mechanical stress is a change in the orientation of the magnetic field lines in the region of the magnetization 8 and thus a change in the magnetic field quantities in the interior space 19.
  • This change in the magnetic field quantities is detected by the magnetic field detector 9.
  • the magnetic field detector 9 is fastened by a radial gap of the magnetized region 8 on the housing-fixed carrier part 2 and contains a designed as an integrated circuit flux gate magnetometer sensor module.
  • the transmitter 28 is located outside the gear housing 6, 7.
  • the components of this evaluation circuit 28 are arranged on a printed circuit board 16.
  • the circuit board 16 is located in an electronics housing 14,15, which is fixed to the right in Figure 1 gear housing part 7.
  • a bore 20 is formed ( Figure 1). This bore 20 extends in the axial direction of the support member 2 and acts as a cable channel for the lines 17 between the detector 9 and circuit 28. Since the hollow shaft 1 is made of a ferromagnetic material, externally applied magnetic fields from the magnetic field detector 9 and the lines 17 are well shielded.
  • the torque can also be determined with sufficient accuracy from a comparatively weaker measuring signal, so that the magnetization 8 can be formed directly in the tempering steel of the hollow shaft 1.
  • the structural arrangement of the sensor arrangement 8,9 in the inner space 19 of a hollow shaft 1 utilizes the trend of modern transmission designs, in which the formation of transmission shafts as hollow shafts for reasons of weight saving is increasingly widespread.
  • the measuring device according to the invention requires only a small installation volume and there are no significant changes to the transmission design required.
  • the device according to the invention Since the mechanical moment is detected without contact, that is without mechanical contacts, the device according to the invention withstands the harsh operating conditions in a motor vehicle. At the same time, the device is easy to maintain. In case of disturbances of the magnetic field detector 9 and / or a break of the connecting lines 17, the maintenance can be done simply by the fixing screws 24 are released and the support member 2 together with sensor components 9 from the cavity 19 in Figure 1 in the direction from left to right out to be pulled. The electronic components on the Printed circuit board 16 are accessible by removing the lid 14 in a simple manner from the outside.
  • the formation of the magnetized region 8 on the inner ring surface 26 of the hollow shaft 1 is - compared to arrangements on the outer peripheral surface of a shaft according to the prior art - cheaper because a relatively larger circumferential length for the formation of the magnetization 8 can be used.
  • a heat insulating layer 10 is formed between the support bearing 3 and the support part 2.
  • Heat insulation layer 10 reduces the heat flow which is conducted from the hollow shaft 1 via the support bearing 3 on the support member 2.
  • the carrier part 1 is made of a non-magnetic metallic material, such as aluminum. As a result, the field emitted by the magnetic region 8 is not influenced by the carrier part 2.
  • the transmitter 28 on the circuit board 16 is housed in an electronics housing 14, 15. This consists of an electronics housing lower shell 14 and a
  • the electronics housing lower shell 14 is made of a heat insulating material, for example, a polymeric material containing glass fiber portions, by injection molding.
  • the operating temperature of the transfer case can rise to over 150 degrees Celsius.
  • the electronic components are thermally largely decoupled, so their maximum allowable Operating temperature of about 120 degrees Celsius is not exceeded.
  • the electronics housing cover part 15 has projecting from the housing cooling fins.
  • the electronics housing cover part 15 is fastened by fastening screws 21 with an end face of the support part 2. It has a connector 18, through which an electrical plug connection with the circuit board 16 can be produced.
  • the support member 2 and the lid member 14 cause to some extent heat dissipation from the interior 19, which is favorable for the operating temperature of the magnetic field detector components 9.

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Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Drehmoments, das durch eine in einem Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeugs drehbar gelagerte Welle übertragen wird, wobei die Welle zumindest in einem drehmomentleitenden Abschnitt als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei eine gehäuseseitige Öffnung der Hohlwelle durch eine Ausnehmung am Getriebegehäuse von außen zugänglich ist, umfassend: - ein an einer Innenringfläche (26) im drehmomentleitenden Abschnitt der Hohlwelle (1) ausgebildeter magnetisierter Bereich (8) der in den Hohlraum (19) ein drehmomentabhängiges Magnetfeld ausstrahlt, - einen Magnetfeld-Detektor, der auf einem von außen in den Hohlraum ein steckbaren Trägerteil angeordnet ist und das drehmomentabhängige Magnetfeld detektiert, wobei - das Trägerteil in einem eingesteckten Zustand an einem in den Hohlraum ragenden Abschnitt durch ein Stützlager gelagert ist und mit einem anderen Ende durch die Ausnehmung herausgeführt und am Getriebegehäuse festgelegt ist.

Description

Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einer Getriebewelle eines Kraftfahrzeugs
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments, das durch eine in einem Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeugs drehbar gelagerte Welle übertragen wird, wobei die Welle zumindest in einem drehmomentleitenden Abschnitt als Hohlwelle ausgebildet ist und wobei eine gehäuseseitige Öffnung der Hohlwelle durch eine Ausnehmung am Getriebegehäuse von außen zugänglich ist.
Stand der Technik
Zur Messung von Kräften und Drehmomenten sind Sensoren bekannt, die den Effekt der inversen Magnetostriktion ausnutzen.
Magnetostriktion ist ein Effekt, der die Änderung geometrischer Abmessungen eines Körpers beschreibt, wenn sich dieser im Einfluss eines Magnetfeldes befindet. Kehrt man Ursache und Wirkung um, so reagiert ein bereits vormagnetisierter Körper auf eine mechanische Deformation mit einer Änderung seiner Magnetisierung. Diese Wirkung wird als inverse Magnetostriktion oder auch als Villari-Effekt bezeichnet und auch bei Sensoren verwendet, die berührungslos ein von einer Welle übertragenes Drehmoment erfassen. In der DE 3407917 Al ist ein derartiger Messwertaufnehmer beschrieben. Das magnetische Material ist hier zunächst auf der Oberfläche einer unmagnetischen Trägerhülse aufgebracht. Die Trägerhülse wird dann auf die Getriebewelle eines Kraftfahrzeugs aufgeschoben und mit dieser kraftleitend verbunden. Wird die Getriebewelle mit einem Drehmoment beaufschlagt, so ändert sich das vom magnetischen Material in den Außenraum ausgestrahlte magnetische Feld. Die Änderung des Magnetfeldes detektiert ein außenumfangsseitig angebrachter Magnetfeld-Detektor.
Aus der US 2004/0035222 Al ist ein Drehmoment-MessSystem bekannt, bei dem der magnetoelastische Bereich auch an einer inneren Zylinderwandfläche einer Hohlwelle ausgebildet ist.
Die messtechnische Erfassung des Drehmoments, das von einem Verteilergetriebe eines Allradfahrzeuges an die Vorder- bzw. Hinterachse geleitet wird, ist für eine Steuerung der Traktion, der Fahrzeugstabilität, des Bremsverhaltens und des Kraftstoffverbrauchs von entscheidender Bedeutung. Eine Messvorrichtung in einem Kraftfahrzeug magnetischen und elektromagnetischen Störfeldern sowie rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt.
In einem Getriebe eines Kraftfahrzeugs können mechanische
Belastungen bis zum zwanzigfachen der Erdbeschleunigung und Temperaturen von über 150 Grad Celsius auftreten. Ein Drehmoment-Messsystem, das in einem Kfz-Verteilergetriebe eingesetzt wird, muss aber nicht nur hinreichend robust gebaut sein. Es ist auch erforderlich, dass die
Messeinrichtung auf einfache Weise zugänglich ist und leicht gewartet werden kann. Ist im Störungsfall ein Wechsel erforderlich, so soll dieser ohne dem Ausbau einer Getriebewelle möglich sein. Ferner wirken auf ein Drehmoment- Messsystem in einem KFZ elektromagnetische Störfelder ein, welche die schwachen Messsignale eines magnetischen Drehmomentsensors stören können.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments anzugeben, welche hinreichend robust ist, um in einem Kfz-Getriebe eingesetzt werden zu können, die gegenüber Störfeldern weitgehend unempfindlich ist und welche auf einfache Weise wartbar und bei Bedarf auswechselbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung ist die
Messvorrichtung in einer Hohlwelle angeordnet. In einem drehmomentleitenden Bereich der Hohlwelle ist an einer Innenringflache ein Bereich mit einer Magnetisierung ausgebildet. Ein Magnetfeld-Detektor, der durch einen Ringspalt von diesem magnetisierten Bereich beabstandet auf einem Trägerteil angeordnet ist, erfasst das drehmomentabhängige Magnetfeld. Das Trägerteil ist in einem eingesteckten Zustand mit einem, in den Hohlraum ragenden Abschnitt durch ein Stützlager gelagert. Mit einem anderen Ende ist das Trägerteil durch eine Ausnehmung im Getriebegehäuse herausgeführt und an einem
Getriebegehäuseteil außen festgelegt. Durch die Anordnung des Sensors im Inneren der Hohlwelle ist die Messvorrichtung gegenüber magnetischen Störfeldern gut abgeschirmt. Die Messvorrichtung ist von außen leicht zugänglich. Wenn im Störungsfall der Detektor oder die Auswerteschaltung gewartet oder gewechselt werden muss, so erfordert dies nicht den Ausbau der Getriebewelle. Das Trägerteil bewirkt zusätzlich eine Wärmeabfuhr aus dem Innenraum der Hohlwelle, so dass der Magnetfeld-Detektor vergleichsweise einer geringen Betriebstemperatur ausgesetzt ist.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetisierung direkt im Material der Holwelle ausgebildet, oder anders ausgedrückt, der magnetisierte Bereich und die Holwelle bestehen aus einem Werkstoff und sind ineinander übergehend ausgebildet. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem ringförmige magnetoelastische Elemente an
Außenumfangsflächen von Wellen über Trägerhülsen angebracht sind, ist die Herstellung einfacher und mit geringeren Kosten möglich.
Hinsichtlich des benötigten Bauvolumens ist es günstig, wenn die Messvorrichtung im Bereich der Lagerung der Getriebewelle angeordnet ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle in einem, bezüglich der der Innenringflache radial außen gegenüberliegende Außenumfangsfläche durch ein Lager in einem Getriebegehäuseteil gelagert ist.
Für eine ungestörte Ausbildung des Magnetfeldes, das vom magnetisierten Bereich ausgestrahlt wird, ist es günstig, wenn das Trägerteil, auf dem der Magnetfeld-Detektor angeordnet ist, aus einem unmagnetischen Werkstoff hergestellt ist. Um die Temperatureinwirkung seitens des Getriebes auf den Magnetfeld-Detektor gering zu halten, ist es günstig, wenn der Außenring oder der Innenring des Stützlagers, mit dem das Trägerteil in der Holwelle abgestützt ist, durch eine Wärmeisolationsbuchse isoliert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerteil eine sich in axialer Richtung erstreckende Bohrung auf. Diese Bohrung bildet einen Kabelkanal für elektrische Leitungen, welche den Magnetfeld-Detektor mit einer außerhalb des Getriebes auf einer Leiterplatte angeordneten Auswerteschaltung verbindet. Auf diese Weise werden elektrische und magnetische Störfelder sowohl vom Magnetfeld- Detektor als auch von den Verbindungsleitungen zur Auswerteelektronik fern gehalten.
Um die Wärmeeinwirkung auf die Auswerteelektronik gering zu halten, ist ein Elektronikgehäuse vorgesehen, das eine Unterschale aufweist, welche aus einem wärmeisolierenden Werkstoffs hergestellt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Elektronikgehäuse-Unterschale und die Leiterplatte jeweils mit einer Ausnehmung versehen. In einem montierten Zustand Fluchten diese Ausnehmungen mit der Ausnehmung im
Getriebegehäuseteil, so dass das Trägerteil durch diese Ausnehmungen hindurch und nach außen geführt werden kann. Das Trägerteil kann dann mit einem als Kühlkörper ausgebildeten Deckelteil verbunden werden, wodurch in gewissem Ausmaß Betriebswärme aus dem Innenraum der Hohlwelle nach außen abgeleitet werden kann. Bevorzugt wird für die Holwelle und damit auch für den magnetisierten Bereich ein Werkstoff aus der Gruppe 40NiCrMo6, 14NiCrMol34, 20MnCrS5, 41Cr4 eingesetzt.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Magnetfeld-Detektor einen als integrierten Schaltkreis ausgebildeten Flux-Gate-Magnetometer-Baustein .
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen in denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigt:
Figur 1 eine geschnittene Darstellung einer Antriebswelle in einem Verteilergetriebegehäuse eines Kraftfahrzeugs ;
Figur 2 eine Detailzeichnung im Bereich X der Darstellung gemäß Figur 1.
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 27 zur berührungslosen Ermittlung eines Drehmoments, das von einer als Hohlwelle 1 ausgebildeten Welle in einem Verteilergetriebegehäuses 6,7 eines Kraftfahrzeugs übertragen wird. Zwei
Radialwellendichtring 22 dichten die Hohlwelle 1 im Verteilergetriebegehäuse 6,7 gegenüber dem Außenraum ab. Die Zufuhr des Drehmoments erfolgt im Inneren des Gehäuses 6,7 mittels einer Kette 11. Die Kette 11 steht mit einem an der Hohlwelle 1 außenumfangsseitig ausgebildeten Zahnrad 12 in Eingriff. Durch diesen Umschlingungstrieb 11,12 wird das Drehmoment der Hohlwelle 1 zugeführt. Die Hohlwelle 1 leitet das Drehmoment zu einem Abtrieb 13. Der Abtrieb 13 ist in Figur 1 am Gehäuseteil 6 links herausgeführt. Von diesem Abtrieb 13 gelangt die Antriebsleistung des Motors an die Räder des Kraftfahrzeuges .
Die Hohlwelle 1 ist einerseits in einem abtriebsseitigen
Lager 4 an einem vorderen Getriebegehäuseteil 6 gelagert. Das andere Ende der Hohlwelle 1 ist durch ein antriebsseitig angeordnetes Lager 5 in einem rückseitigen Getriebegehäuseteil 7 drehbar gelagert. Das rückseitige Getriebegehäuseteil 7 besitzt eine Ausnehmung 25. Die
Hohlwelle 1 weist einen sich in Richtung der Drehachse 23 erstreckenden hohlen Innenraum 19 auf. In diesem Innenraum 19 ist ein Trägerteil 2 zu sehen, das bei der Montage von außen durch die in Figur 1 rechts liegende Öffnung 29 der Hohlwelle 1 und der Ausnehmung 25 im Gehäuseteil 7 eingeschoben wird.
Im eingeschobenen Zustand ist die Hohlwelle 1 links durch ein als Stützlager wirkendes Rillenkugellager 3 in der Hohlwelle 1 abgestürzt und gleichzeitig drehbar gelagert. Ein rechtes Endstück des Trägerteils 2 durchragt die Ausnehmung 25 und ist gehäuseseitig mittels Schrauben 21 mit einem Deckelteil 15 verbunden. Das Deckelteil 15 deckt die Ausnehmung 25 ab und ist seinerseits wieder durch Befestigungsschrauben 24 mit dem rückwärtigen Getriebegehäuseteil 7 verschraubt.
Der eigentliche Drehmomentsensor ist in Figur 1 durch einen mit X bezeichneten Kreis hervorgehoben. Dieses Detail X ist in Figur 2 in einer vergrößerten Darstellung zu sehen. Es besteht im Wesentlichen aus einem magnetisierten Bereich 8 an der Holwelleninnenseite und einer Magnetfeld-Detektor- Einrichtung 9. Der magnetisierte Bereich 8 liegt radial gesehen dem Lager 4 gegenüber. Der magnetisierte Bereich 8 strahlt ein magnetisches Feld in den Hohlraum 19 aus. Die Feldlinien dieses Magnetfeldes schließen sich über die
Hohlwelle 1. Die Funktionsweise der Dremoment-Messeinrichtung ist nun wie folgt:
Wenn durch den Umschlingungstrieb 11,12 auf die Hohlwelle 1 ein Drehmoment eingeleitet wird, so gelangt dieses über einen drehmomentleitenden Abschnitt der Holwelle 1 zum Abtrieb 13. Der zwischen Zahnrad 12 und Abtrieb 13 liegende Teil der Hohlwelle 1 wird also auf Torsion beansprucht. Diese Torsion wird auf den magnetisierten Bereich 8 übertragen. Folge dieser mechanischen Beanspruchung ist eine Änderung der Ausrichtung der magnetischen Feldlinien im Bereich der Magnetisierung 8 und damit eine Änderung der Magnetfeldgrößen im Innenraum 19. Diese Änderung der Magnetfeldgrößen wird von dem Magnetfeld-Detektor 9 erfasst. Der Magnetfeld-Detektor 9 ist durch einen Radialspalt vom magnetisierten Bereich 8 auf dem gehäusefesten Trägerteil 2 befestigt und enthält einen als integrierten Schaltkreis ausgebildeten Flux-Gate- Magnetometer-Sensor-Baustein . Er erzeugt ein drehmomentabhängiges elektrisches Messsignal, das durch elektrische Leitungen 17 einer Auswertelektronik 28 zugeführt ist. Die Auswerteelektronik 28 befindet sich außerhalb des Getriebegehäuses 6, 7. Die Bauelemente dieser Auswerteschaltung 28 sind auf einer Leiterplatte 16 angeordnet. Die Leiterplatte 16 liegt in einem Elektronikgehäuse 14,15, das an dem in Figur 1 rechts liegenden Getriebegehäuseteil 7 festgelegt ist. Im Trägerteil 2 ist eine Bohrung 20 ausgebildet (Figur 1) . Diese Bohrung 20 erstreckt sich in axialer Richtung des Trägerteils 2 und fungiert als Kabelkanal für die Leitungen 17 zwischen Detektor 9 und Schaltung 28. Da die Hohlwelle 1 aus einem ferromagnetisehen Werkstoff hergestellt ist, werden von außen einwirkende magnetische Felder von dem Magnetfeld-Detektor 9 und den Leitungen 17 gut abgeschirmt. Infolge dieser guten Abschirmeigenschaft lässt sich das Drehmoment auch aus einem vergleichsweise schwächeren Messsignal hinreichend genau ermitteln, so dass die Magnetisierung 8 direkt im Vergütungsstahl der Hohlwelle 1 ausgebildet werden kann. Ein getrennter magnetoelastischer Ring mit einer Trägerhülse, oder das Aufbringen einer Beschichtung aus einem speziellen magnetischen Werkstoff, ist nicht erforderlich.
Die konstruktive Anordnung der Sensoranordnung 8,9 im inneren Raum 19 einer Hohlwelle 1 nützt den Trend neuzeitlicher Getriebekonstruktionen, bei denen die Ausbildung von Getriebewellen als Hohlwellen aus Gründen der Gewichtsersparnis zunehmend Verbreitung findet. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung benötigt nur ein geringes Einbauvolumen und es sind keine wesentlichen Veränderungen an der Getriebekonstruktion erforderlich.
Da das mechanische Moment berührungslos, das heißt ohne mechanische Kontakte erfasst wird, hält die erfindungsgemäße Vorrichtung den rauen Betriebsbedingungen in einem KFZ gut stand. Gleichzeitig ist die Vorrichtung einfach zu warten. Bei Störungen des Magnetfeld-Detektors 9 und/oder bei einem Bruch der Verbindungsleitungen 17 kann die Wartung einfach dadurch erfolgen, indem die Befestigungsschrauben 24 gelöst werden und das Trägerteil 2 samt Sensorkomponenten 9 aus dem Hohlraum 19 in Figur 1 in Richtung von links nach rechts heraus gezogen werden. Die elektronischen Bauelemente auf der Leiterplatte 16 sind durch Abnahme des Deckels 14 auf einfache Weise von außen zugänglich.
Durch die Anordnung des magnetisierten Bereichs 8 unmittelbar unter dem Lagersitz des Rillenlagers 4 besteht kein zusätzlicher Bedarf an axialem Einbauraum für den Magnetsensor. Die Ausbildung des magnetisierten Bereichs 8 auf der Innenringflache 26 der Hohlwelle 1 ist - verglichen mit Anordnungen an der Außenumfangsfläche einer Welle gemäß dem Stand der Technik - günstiger, da eine vergleichsweise größere Umfangslänge für die Ausbildung der Magnetisierung 8 genutzt werden kann.
Zwischen dem Stützlager 3 und dem Trägerteil 2 ist eine Wärmeisolationsschicht 10 ausgebildet. Diese
Wärmeisolationsschicht 10 verringert den Wärmestrom der von der Hohlwelle 1 über das Stützlager 3 auf das Trägerteil 2 geleitet wird. Das Trägerteil 1 ist aus einem unmagnetischen metallischen Werkstoff, wie zum Beispiel Aluminium hergestellt. Dadurch wird das vom magnetischen Bereich 8 ausgestrahlte Feld durch das Trägerteil 2 nicht beeinflusst.
Die Auswerteelektronik 28 auf der Leiterplatte 16 ist in einem Elektronikgehäuse 14, 15 untergebracht. Dieses besteht aus einer Elektronikgehäuse-Unterschale 14 und einer
Elektronikgehäuse-Deckelschale 15. Die Elektronikgehäuse- Unterschale 14 ist aus einem wärmeisolierenden Material, zum Beispiel aus einem polymeren Werkstoff, der Glasfaseranteile enthält, durch Spritzgießen hergestellt. Die Betriebstemperatur des Verteilergetriebes kann auf über 150 Grad Celsius ansteigen. Durch die als Isolator wirkende Unterschale 14 sind die elektronischen Bauelemente thermisch weitgehend entkoppelt, sodass ihre maximal zulässige Betriebstemperatur von etwa 120 Grad Celsius nicht überschritten wird. Das Elektronikgehäuse-Deckelteil 15 weist vom Gehäuse abragende Kühlrippen auf. Das Elektronikgehäuse- Deckelteil 15 ist durch Befestigungsschrauben 21 mit einer Stirnfläche des Trägerteils 2 befestigt. Es weist einen Steckverbinder 18 auf, durch den eine elektrische Steckverbindung mit der Leiterplatte 16 herstellbar ist. Das Trägerteil 2 und das Deckelteil 14 bewirken in gewissem Ausmaß eine Wärmeableitung aus dem Innenraum 19, was für die Betriebstemperatur der Magnetfeld-Detektor-Bauteile 9 günstig ist .
Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Hohlwelle
2 Trägerteil
3 Lager des Trägerteils 4 Lager der Hohlwelle, abtriebseitig
5 Lager der Hohlwelle, antriebseitig
6 Getriebegehäuseteil Vorderseite
7 Getriebegehäuseteil Rückseite
8 magnetisierter Bereich 9 Magnetfeld-Detektor
10 Wärmeisolation
11 Kette
12 Zahnrad
13 Abtrieb 14 Elektronikgehäuse-Unterschale
15 Elektronikgehäuse-Deckelteil, Kühlkörper
16 Leiterplatte
17 elektrische Leitungen
18 Stecker 19 Hohlraum
20 Bohrung in 2
21 Befestigungsschrauben
22 Radialwellendichtring
23 Drehachse 24 Befestigungsschrauben
25 Ausnehmung in 7
26 Innenringflache
27 Vorrichtung
28 Auswerteschaltung 29 Öffnung in der Hohlwelle
30 Außenumfangsfläche
31 Ausnehmung
32 Ringnut

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments, das durch eine in einem Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeugs drehbar gelagerte Welle übertragen wird, wobei die Welle zumindest in einem drehmomentleitenden Abschnitt als Hohlwelle (1) ausgebildet ist, wobei eine gehäuseseitige Öffnung (29) der Hohlwelle (1) durch eine Ausnehmung (25) an einem Getriebegehäuseteil (7) von außen zugänglich ist, umfassend:
- ein an einer Innenringflache (26) im drehmomentleitenden Abschnitt der Hohlwelle (1) ausgebildeter magnetisierter Bereich (8) der in den Hohlraum (19) ein drehmomentabhängiges Magnetfeld ausstrahlt,
- einen Magnetfeld-Detektor (9) , der auf einem von außen in den Hohlraum (19) einsteckbaren Trägerteil (2) angeordnet ist und das drehmomentabhängige Magnetfeld detektiert, wobei - das Trägerteil (2) in einem eingesteckten Zustand an einem in den Hohlraum (19) ragenden Abschnitt durch ein Stützlager (3) gelagert ist und mit einem anderen Ende durch die Ausnehmung (25) herausgeführt und am Getriebegehäuseteil (7) festgelegt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisierte Bereich (8) materialeinheitlich und ineinander übergehend mit dem Werkstoff der Hohlwelle (1) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (1) an einem bezüglich der Innenringflache (26) radial außen gegenüberliegenden Außenumfangsfläche (30) durch ein Lager (4) im Getriebegehäuseteil (7) gelagert ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (2) aus einem unmagnetischen metallischen Werkstoff hergestellt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (2) durch eine an der äußeren und/oder inneren Lagersitzfläche des
Stützlagers (3) ausgebildeten Wärmeisolationsbuchse (10) von der Hohlwelle (1) thermisch isoliert ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (2) eine sich in axialer Richtung erstreckende Bohrung (20) aufweist, die einen Leitungsschacht für elektrische Leitungen (17) bildet, welche den Magnetfeld-Detektor (9) mit einer außerhalb des Getriebegehäuses auf einer Leiterplatte (16) angeordneten Auswerteschaltung (28) verbinden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (28) in einem Elektronikgehäuse (14, 15) untergebracht ist, das aus einer am Getriebegehäuseteil (7) anliegenden wärmeisolierenden Elektronikgehäuse-Unterschale (14) und einer als Kühlkörper ausgebildeten Elektronikgehäuse- Deckelschale (15) gebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikgehäuse-Unterschale (14) und die Leiterplatte (16) jeweils mit einer Ausnehmung (31) versehen sind die in einem montierten Zustand mit der Ausnehmung (25) des Getriebegehäuseteils (7) in Richtung einer Drehachse 23 gesehenen zueinander fluchtend angeordnet sind, dass das Trägerteil (2) durch diese Ausnehmungen (25,31) hindurchgeführt ist und mit der als Kühlkörper ausgebildeten Elektronikgehäuse-Deckelschale
(15) wärmeleitend verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Elektronikgehäuse-Deckelschale (15) ein elektrischer Steckverbinder (18) ausgebildet ist, durch den eine elektrische Verbindung mit der Leiterplatte
(16) herstellbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikgehäuse- Unterschale (14) aus einem polymeren Werkstoff in Spritzgusstechnik hergestellt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikgehäuse- Deckelteil (15) aus einem metallischen Werkstoff in Spritzgusstechnik hergestellt ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Detektor (9) einen als integrierten Schaltkreis ausgebildeten Flux- Gate-Magnetometer-Sensor-Baustein enthält .
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des magnetisierten Bereichs (8) und der Hohlwelle (1) aus der Gruppe 40NiCrMo6, 14NiCrMol34, 20MnCrS5, 41Cr4 gewählt ist.
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