NON-CONTACT MEASURING ARRANGEMENT FOR TORQUE AND/OR TURNING ANGLE

Abstract: 1. Contactless measuring device for torque and/or angle of rotation on stationary or rotating shafts (10), comprising two preferably cylindrical bodies (20, 21) which are concentric to the shaft (10), are attached, with their respective end areas, to the shaft to rotate therewith and can be turned with respect to one another, also comprising a measuring system (19a, 19b) which determines from the relative position of the two bodies (20, 21), which changes with the turning angle, the torque and/or the angle of rotation transmitted form the shaft (10) over a pretermined shaft section and the bodies (20, 21) which can be turned with respect to one another and the measuring system (19a, 19b) are built up on a torsionally elastic tube (11') as the common carrier and the tube (11') is connected with its end areas to the shaft to rotate therewith, characterized in that the torsionally elastic tube (11') is mechanically separate and exhibits a press fit which can be turned and connects the tube halves (11a, 11b) on both sides.

Description: Berührungsfreie Messvorrichtung für Drehmoment und/oder Drehwinkel Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche berührungsfrei arbeitende Messvorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmoments an einer stehenden oder rotierenden Welle ist bekannt (US-PS 4 356 732). Diese bekannte Messeinrichtung bestimmt das auf die Welle einwirkende Drehmoment und/oder den Drehwinkel, um welchen sich ein vorgegebener Wellenabschnitt verdreht, durch Ausnutzen des Wirbelstromeffekts und ordnet einer konzentrischen Spule oder auch Flachspule zwei konzentrische Körper zu, die aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehen und deren gemeinsame Überdeckungsfläche sich mit zunehmendem, zwischen den beiden Körpern auftretenden Verdrehwinkel ändert. Die beiden Körper sind mit ihren jeweiligen einen Enden drehfest mit der Welle verbunden und können ihre gemeinsame Überdekkungsfläche dadurch ändern, dass sie Ausschnitte aufweisen und die Ausschnitte des einen Körpers Fenster für die zwischen den Ausschnitten befindlichen Speichen des anderen Körpers bilden. Durch die Relativverdrehung der beiden, etwa als Scheiben, vorzugsweise aber in Form von ineinander konzentrisch verschachtelten Zylindern ausgebildeten Körpern ändert sich die auf die Messspule zur Ausnutzung des Wirbelstromeffekts wirksame Materialfläche der beiden Körper. Als problematisch könnte bei der bekannten Messeinrichtung allerdings angesehen werden, dass für den jeweils gewünschten Messbereich immer ein speziell ausgelegter Drehmnmentsensor verwendet und in der erwähnten Weise an der Welle befestigt werden muss, deren Drehmoment und/oder Drehwinkel bestimmt werden soll. Es ergibt sich so ein erheblicher Aufwand an Anpassungsarbeit für konstruktiv vorgegebene Einbaumöglichkeiten, insbesondere wenn der bekannte Drehmomentsensor zur Anwendung beispielsweise für Messungen bei Kraftfahrzeugen u. dgl. eingesetzt werden soll. Vermehrte Schwierigkeiten können sich in diesem Zusammenhang auch ergeben, wenn die Messungen an rotierenden Wellen durchzuführen sind und das Messsystem stationär gehalten werden sollte. Dies ist bei der betrachteten berührungsfreien Messvorrichtung, die sich das Wirbelstromprinzip zunutze macht, zwar problemlos möglich; es müssen dann aber noch gesondert Lagermöglichkeiten für das Messsystem angrenzend oder konzentrisch zu den jeweils gegeneinander verdrehbaren Körper vorgesehen werden, vorzugsweise unmittelbar an der rotierenden Welle montiert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine berührungs frei arbeitende Messvorrichtung für Drehmoment und/oder Drehwinkel, vorzugsweise unter Zugrundelegung des Wirbelstromprinzips, zu schaffen, die sich zur universellen Anwendung bei allge meinen Messzwecken eignet, schnell an beliebige Wellen montiert und von dieser auch wieder gelöst werden kann und vorzugsweise in der komplett aufgebauten Baukastenform auch schon geeicht ist. Vorteile der Erfindung Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat gegenüber den bekannten berührungsfreien Messvorrichtungen den Vorteil, dass ein eine komplette Einheit bildendes Drehmoment- oder Drehwinkel-Messsystem ge schaffen und so aufgebaut ist, dass dieses als Ganzes auf konstruktiv bereits vorhandene Wellen aufgesetzt und sofort in Betrieb genommen werden kann. Von besonderem Vorteil ist die durch die Erfindung gebotene Möglichkeit der Austauschbarkeit der Torsionswelle und die hierdurch erzielte jeweilige Anpassung des Drehmomentsensors an den gewünschten Messbereich. Die Erfindung ermöglicht daher eine erhebliche Erweiterung des Anwendungsbereichs und die Anpassung an spezielle Messaufgaben, die hierdurch vom Hersteller des Drehmomentsensors auch auf den Anwender ausgedehnt wird. Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung des Wirbelstrom-Mess Systems beschränkt, nutzt dieses aber bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Vorteil aus und bildet eine durchgeeichte und auf den jeweiligen Messbereich eingestellte Einheit, gegebenenfalls mit beidseitigen Anpassungsfittingen, die nach Montage auf die jeweilige Welle sofort zu Messzwecken eingesetzt werden kann. Dabei kann ein Teil des Drehmoments von dem torsionsweichen Rohr aufgenommen werden, welches als universelle Lagerung für sämtliche erfindungsgemässe Messeinrichtungen bildende Teilkomponenten dient; die vorherige Eichung berücksichtigt diese Drehmoment übernahme automatisch. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen berührungsfreien Messvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des torsionsfreien Rohres als gemeinsamer Träger für alle Komponenten, wobei weiter nach innen versetzt die beiden vorzugsweise zylindrisch ineinandergreifenden Drehkörper auf dem Rohr angeordnet sind und nach aussen beidseitig Kugellager vorgesehen sind, zur stationären Lagerung des elektrischen Teils des Messsystems, so dass die Spulenableitungen nicht über Schleifmittel erfolgen müssen, was auch zu erheblichen Verfälschungen führen könnte. Die Befestiguna des kompletten Lagerrohrs mit dem aufgebauten Messsystem erfolgt dann endseitig durch eine kraft- oder formschlüssige Verbindung mit der Drehwelle, deren übertragendes Drehmoment bestimmt werden soll. Durchme sseranpassungen können über entsprechende Zwischenhülsen erfolgen. Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel des auf der Dreh- oder Torsionswelle komplett ad gebauten Messsystems und Fig. 2 lediglich als Ausschnitt eine mögliche Ausführungsform des torsionsweichen, hier völlig torsionslosen Lagerrohrs für das Messsystem, ohne die weiteren, noch vorgesehenen, das Drehmoment-Messsystem vervollständigenden Komponenten. Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, auf der eigentlichen Torsionswelle, deren von ihr übertragenes Drehmoment bestimmt oder deren Verdrehwinkel über eine vorgegebene Länge gemessen werden soll, ein mindestens torsionsweiches Lagerrohr zu befestigen, welches im Sinne eines Baukastensystems komplett aufgebaut das gesamte Drehmoment-Messsystem lagert. Die Dreh- oder Torsionswelle ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet; es kann sich um eine stehende oder rotierende Welle handeln, die ein Drehmoment überträgt und hierdurch auch, auf eine vorgegebene Längeneinheit bezogen, eine bestimmte Winkelverdrehung relativ in sich erleidet, also tordiert wird, so dass die Welle im folgenden auch als Torsionswelle bezeichnet wird. Zur Messung des Drehwinkels und daraus resultierend des übertragenen Drehmoments dient eine berührungsfreie Messvorrichtung, die als Ganzes von der Torsionswelle 10 getragen und auf dieser befestigt ist und die ihrerseits als gemeinsame Lagerung für sämtliche, die Messeinrichtung bildenden Komponenten ein torsionsweiches Rohr 11 umfasst, welches endseitig, und zwar wie angedeutet bei 12a und 12b drehfest mit der Torsionswelle 10 im jeweils vorgegebenen Abstand verbunden ist. Die Verbindungen 12a, 12b können kraft- oder formschlüssig sein; sie sind jedoch auf jeden Fall drehfest mit Bezug auf die Torsionswelle 10 durchzuführen, so dass die durch das Drehmoment verursachte Drehung der Torsionswelle 10 in das vom torsionsweichen Rohr 11 getragene Messsystem eingeleitet wird. Zur Verbindung der Rohrenden des torsionsweichen Rohres 11 mit der Torsionswelle 10 können Schrauben, Stifte, Klemmittel, Klebverbindungen 0. dgl. vorgesehen sein, wobei bei unterschiedlichen Durchmessern - Innendurchmesser des torsionsweichen Rohres 11 und Aussendurchmesser der Welle 10 entsprechende Zwischenhülsen 13 vorgesehen sein können. Die Torsionsweichheit des torsionsweichen Rohres 11 kann, wie in der Darstellung der Fig. 1 angedeutet, durch eine geringere Wandstärke hauptsächlich im mittleren Bereich, entsprechend dem Bezugszeichen 14 erreicht werden; aber auch durch eine geringere Wandstärke über die gesamte Rohrlänge, durch Aussparungen, beispielsweise Schlitze, durch eine besondere Materialauswahl mit geringem E-Modul, oder schliesslich durch eine mechanische Trennung der beiden Seiten über einen verdrehbaren Passsitz, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist; hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen. Sinnvollerweise verfügt das torsionsweiche Rohr 11 bis zu den Stellen, an denen, nach innen greifend, die einen Enden der gegeneinander verdrehbaren Körper befestigt sind, noch über torsionsfeste Rohrbereiche 15a, 15b, so dass die an den Befestigungspunkten - angedeutet durch die Verbindungen 12a, 12b - mit der Torsionswelle 10 auftretenden Verdrehungen jedenfalls unverfälscht bis zu den Angriffspunkten der verdrehbaren Körper übertragen werden. Hierdurch wird jedenfalls die Grösse des Messausschlags maximal gehalten. Von innen nach aussen lagert das torsionsweiche Rohr 11 zunächst beidseitig Kugellager 16a, 16b, die die Aufgabe haben, ein stationäres Gehäuse 17, welches die Form eines zylindrischen Rohrstücks hat und mit den Aussenringen der Kugellager 16a, 16b fest verbunden ist, stationär zu halten. Die Aufgabe des stationären Gehäuses 17 besteht darin, nach innen und in etwa mittig einen Spulenkörper 18 zu tragen, der die mindestens eine, vorzugsweise zwei Messspulen 19a, 19b des Systems aufnimmt. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die Ausbildung des Dre hmoment-Messsystems unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips; innerhalb des erfindungsgemässen Rahmens liegt aber die Verwendung einer Vielzahl sonstiger, für die Durchführung solcher Messungen geeigneter Messsysteme, wenn zwei relativ zueinander verdrehbare Körper in ihrer Wegänderung durch geeignete Mittel erfasst werden sollen. So ist beispielsweise die Anwendung des induktiven Prinzips problemlos möglich, da das Einwandern weiterer Materialteile in die Fensterbereiche eines äusseren Hülsenkörpers induktiv erfasst werden kann; sonstige Messsysteme können beispielsweise kapazitive, optische, magnetostriktive Systeme sein oder die Relativverdrehung des Torsionsrohrs lässt sich auch mittels Dehnungsmessstreifen u. dgl. erfassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird bevorzugt das Wirbelstromprinzip zur Messung verwendet und in diesem Fall sind die beiden relativ zueinander verdrehbaren Körper als eine innere Schlitzhülse 20 und als eine äussere Schlitzhülse 21 ausgebildet, die jeweils mit einem verdickten, voneinander abgewandten endseitigen Flansch fest und unverrückbar mit dem torsionsweichen Rohr 11, und zwar noch mit dessen torsionsfesten Teilbereichen 15a, 15b, verbunden sind. Es ergeben sich so zwei konzentrisch mit zylindrischen Hülsenformen ineinandergreifende Körper, die über ihren Umfang und über ihre Längserstreckung verteilt über Schlitze, Fenster oder Ausnehmungen verfügen und wobei diese Schlitze, wie in der eingangs schon genannten US-PS 4 356 732 umfassend erläutert, durch die relative Winkelverdrehung des Rohrabschnitts der Torsionswelle 10, mit dessen Endbereichen das torsionsweiche Rohr 11 fest verbunden ist, gegeneinander eine solche Relativverschiebung erfahren, dass sich das den Messspulen 19a, 19b gegenüberliegende, hier elektrisch gut leitende und vorzugsweise dia- und paramagnetisches Material in seiner Menge oder seiner Oberfläche verändert. Hierdurch ergeben sich je nach Drehwinkel-unterschiedliche Wirbelstromeinflüsse auf die beiden Messspulen 19a, 19b und da Wirbelströme Spulenverluste darstellen, ändern sich entsprechend dem relativen Drehwinkel auch die an den Messspulen 19a, 19b abfallenden Spannungen. Die Messspulen l9a, 19b - es ist selbstver ständlich auch möglich, von nur einer Messspule auszugehen können dann beispielsweise nach Art einer Wheatstone'schen Halbbrücke miteinander verschaltet sein. Dies ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung und daher wird hierauf auch nicht weiter eingegangen. Wird als Lagerung für das gesamte Messsystem ein lediglich relativ torsionsweiches Rohr 11 verwendet, wie in Fig. 1 dargestellt, dann übernimmt das Rohr 11 einen, wenn auch relativ geringen Teil des von der Torsionswelle 10 insgesamt iibertragenen Drehmoments; dies wird aber bei einer Eichung des zusammengebauten Systems automatisch berücksichtigt. Alternativ ist es möglich, die Ibrsionsweichheit des Lagerrohrs 11 bis zur Fähigkeit der Drehmomentübertragung Null zu erweitern, d.h., das torsionsweiche Rohr 11 als ohne Widerstand ineinander verdrehbares Teil auszubilden, wie in Fig. 2 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel, welches lediglich innere, ineinandergreifende Abschnitte des torsionsweichen Rohres 11' zeigt, bildet dieses mit sich einen ohne Widerstand verdrehbaren Sitz, wie bei 22 angedeutet. Der Sitz ist gebildet durch eine innere axiale Erstreckung 23 des in der Zeichenebene der Fig. 2 linken Rohrteils 11a, welche Verlängerung in einen durch eine innere Abschulterung am anderen Rohrteil 11b gebildeten Aussenring 24 eingreift. Wird die iTorsionsweichheit?? durch eine solche mechanische Trennung der beiden Torsionsrohrseiten lla, llb über verdrehbarem Passsitz herbeigeführt, dann muss in diesem Fall allerdings, wie ohne weiteres erkennbar, die Justage des die relative Drehwinkeländerung oder das übertragene Drehmoment erfassende Messsystem bei Montieren auf die Torsionswelle 10 erfolgen. Es versteht sich im übrigen, dass das torsionsweiche Rohr 11, 11', da es gleichzeitig die Lagerung für das gesamte Messsystem und die restlichen, beteiligten Komponenten bildet, möglichst biegesteif ausgebildet ist. Alle in der Beschreibung,den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims: Patentansprüche 1. Berührungsfreie Messvorrichtung für Drehmoment und/oder Drehwinkel an stehenden oder rotierenden Wellen, mit zwei zur Welle konzentrischen, vorzugsweise zylindrischen, mit ihren jeweiligen Endbereichen drehfest an der Welle befestigten und gegeneinander verdrehbaren Körpern, ferner mit einem Mess system, welches aus der sich mit dem Verdrehungswinkel än dernden Relativposition der beiden Körper das von der Welle übertragene Drehmoment und/oder deren Drehwinkel über einen vorgegebenen Wellenabschnitt ermittelt, dadurch gekenn zeichnet, dass die gegeneinander verdrehbaren Körper (20, 21) und das Messsystem (19a, l9b) auf einem torsionsweichen Rohr (11, 11' ) als gemeinsamen Träger aufgebaut und das Rohr (11, 11 > ) mit seinen Endbereichen drehfest mit der Welle (10) ver bunden ist. 2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zur Messung nach dem Wirbelstromprinzip die relative Überdeckungsfläche der beiden Körper (20, 21) mit dem Ver drehungswinkel ändert und der sich ändernden, relativen Über deckungsfläche der beiden Körper mindestens eine den durch die Körper bewirkten Wirbelstromeffekt erfassende Messspule (19a, 19b) gegenüberliegt. 3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Körper relativ zueinander verdrehbare, konzentrisch ineinander gelagerte innere und äussere Schlitzhülsen sind, die mit ihren entgegengesetzten Enden im Abstand fest mit dem torsionsweichen Rohr (11, 11') verbunden sind. 4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das torsionsweiche Rohr (11, 11') mit sei nen äusseren Endbereichen, gegebenenfalls unter Zwischenlegen von Durchmesserabständen ausgleichenden Hülsen (13) durch Schrauben, Stifte, Klemmverbindungen oder Klebverbindungen mit der Torsionswelle (10) verbunden ist. 5. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von aussen nach innen beid seitig auf dem torsionsweichen Rohr (11, 11' ) ein stationäres Gehäuse (17) in Form eines Rohrteils stationär lagernde Kugel lager (16a, 16b) und an diese angrenzend verdickte Flansch teile der inneren und äusseren Schlitzhülsen befestigt sind. 6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das stationäre Gehäuse (17) nach innen einen Spulenkörper (18) lagert, der mindestens eine Messspule (19a, 19b) trägt. 7. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das torsionsweiche Rohr (11') mechanisch getrennt und einen die beidseitigen Rohrhälften (lla, leib) verbindenden, verdrehbaren Passsitz aufweist.

Inventors: DOBLER, KLAUS, DR. ING., HACHTEL, HANSJORG, Hachtel, Hansjörg
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1984
Main classification: G01L3
IPC codes: G01B21, G01L3, G01B7