DE102017108307A1

DE102017108307A1 - Device and method for torque measurement in steering columns and drive shafts

Info

Publication number: DE102017108307A1
Application number: DE102017108307.3A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kraus; Klaus-Peter Köneke
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2018-10-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle (2), wobei die Welle (2) durch eine in radialer Richtung formschlüssige, kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung (4) mit einer Nabe (3) verbunden ist. Zwischen der Welle (2) und der Nabe (3) ist mindestens ein Messelement (5) aus einem magnetisierbaren Stahl angeordnet. Die Vorrichtung (1) umfasst ferner eine Elektronik (6) zur Erfassung des Magnetfeldes des Messelements (5), wobei das Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle (2) zu einer Änderung des Magnetfeldes führt und somit aus der Magnetfeldänderung das Drehmoment berechnet werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle (2), welches mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Drehmomentmessung durchgeführt wird.

The invention relates to a device (1) for measuring torque on a rotatably mounted shaft (2), wherein the shaft (2) is connected to a hub (3) by a positive, non-positive or integral connection (4) in the radial direction. Between the shaft (2) and the hub (3) at least one measuring element (5) made of a magnetizable steel is arranged. The device (1) further comprises electronics (6) for detecting the magnetic field of the measuring element (5), wherein the application of a torque to the shaft (2) leads to a change of the magnetic field and thus from the magnetic field change, the torque can be calculated.
The invention further relates to a method for measuring torque on a rotatably mounted shaft (2), which is carried out with a device (1) according to the invention for torque measurement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung in Lenksäulen von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method and a device for torque measurement in steering columns of motor vehicles according to the preamble of the independent claims.

Für viele Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie, ist eine exakte Bestimmung des Drehwinkels und/oder der übertragenen Drehmomente notwendig. Eine spezifische Anwendung für eine solche Vorrichtung ist eine Vorrichtung zur Messung des Drehmoments an einer Lenksäule in einem Kraftfahrzeug. Aus dem Stand der Technik sind diverse Winkelsensoren bekannt, die auf einer berührungslosen Erfassung basieren. Diese sind jedoch nicht oder nur unzureichend geeignet, um neben dem Lenkwinkel auch das übertragene Drehmoment zu erfassen. Zudem erfordern sie aufwendige Auswerteschaltungen und Algorithmen, wodurch diese Lösungen vergleichsweise teuer sind.For many applications, especially in the automotive industry, an exact determination of the angle of rotation and / or the transmitted torques is necessary. A specific application for such a device is a device for measuring the torque on a steering column in a motor vehicle. Various angle sensors are known from the prior art, which are based on a non-contact detection. However, these are not or only insufficiently suitable for detecting the transmitted torque in addition to the steering angle. In addition, they require complex evaluation circuits and algorithms, whereby these solutions are relatively expensive.

Aus der DE 42 28 719 A1 ist ein kapazitiver Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit welchem ein Lenkwinkel einer Lenkspindel bestimmbar ist. Der kapazitive Lenkwinkelsensor besteht aus einem ring- oder scheibenförmigen Skalenelement, das gemeinsam mit der Lenkspindel verdreht wird, sowie aus einer ortsfest gegenüber diesem Skalenelement angeordneten Sende-, Empfangs und Auswerteelektronik. Dabei soll ein Lenkwinkelsensor geschaffen werden, welcher bei geringem Bauraumbedarf eine hohe Messgenauigkeit aufweist. Zudem soll der Lenkwinkelsensor robust gegen Temperaturschwankungen, Verschmutzung und Erschütterungen sein.From the DE 42 28 719 A1 is a capacitive steering angle sensor for a motor vehicle, with which a steering angle of a steering shaft can be determined. The capacitive steering angle sensor consists of a ring-shaped or disk-shaped scale element, which is rotated together with the steering shaft, as well as of a stationary relative to this scale element arranged transmitting, receiving and evaluation. In this case, a steering angle sensor is to be created, which has a high measuring accuracy with low space requirement. In addition, the steering angle sensor should be robust against temperature fluctuations, pollution and shocks.

Aus der DE 100 60 287 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Winkels und/oder der Winkelgeschwindigkeit eines drehbaren Körpers und/oder das auf den drehbaren Körper wirkenden Drehmoments bekannt. Dabei wird der Drehwinkel mittels magnetischer oder optischer Sensoren erfasst. Dabei weist die Vorrichtung zwei Einrichtungen auf, welche jeweils zwei optisch lesbare Codespuren umfassen. Die beiden Codespuren einer Einrichtung sind gleichartig ausgebildet und gegeneinander versetzt angeordnet, sodass zugeordnete Sensoren ein digitales Signal ausgeben. Aus dem Versatz der beiden digitalen Signale wird der Drehwinkel des drehbaren Körpers berechnet. Zusätzlich kann zwischen den beiden Einrichtungen ein Torsionselement mit einer bekannten Torsionssteifigkeit angeordnet sein, wobei sich aus dem Differenzwinkel der beiden Einrichtungen und der bekannten Torsionssteifigkeit ein von dem drehbaren Körper übertragenes Drehmoment berechnen lässt.From the DE 100 60 287 A1 a device is known for measuring the angle and / or the angular velocity of a rotatable body and / or the torque acting on the rotatable body. The angle of rotation is detected by means of magnetic or optical sensors. In this case, the device has two devices, each comprising two optically readable code tracks. The two code tracks of a device are of a similar design and arranged offset from each other so that associated sensors output a digital signal. From the offset of the two digital signals of the rotation angle of the rotatable body is calculated. In addition, a torsion element with a known torsional stiffness can be arranged between the two devices, wherein a torque transmitted by the rotatable body can be calculated from the difference angle of the two devices and the known torsional rigidity.

Ferner ist aus der DE 10 2014 223 219 A1 eine Lageranordnung mit einem Kraftsensor sowie Sensorwälzkörpern für eine solche Lageranordnung bekannt. Dabei weist der Sensorwälzkörper einen ferromagnetischen Materialbereich auf, der eine Verformung erfährt, wenn ein von den Laufflächen der Lageranordnung ausgehende Kraft auf den Sensorwälzkörper einwirkt. Ein magnetoresistiver Sensor ist angeordnet, um die Magnetfeldänderung zu detektieren, die bei Verformung des ferromagnetischen Materialbereichs des Sensorwälzkörpers auftritt.Furthermore, from the DE 10 2014 223 219 A1 a bearing assembly with a force sensor and sensor rolling elements for such a bearing assembly known. In this case, the Sensorwälzkörper a ferromagnetic material region, which undergoes a deformation when a force emanating from the running surfaces of the bearing assembly force acts on the sensor rolling body. A magnetoresistive sensor is arranged to detect the magnetic field change that occurs upon deformation of the ferromagnetic material region of the sensor rolling element.

Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass diese vergleichsweise aufwendig und teuer sind.A disadvantage of the known solutions, however, is that they are comparatively complicated and expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Drehmomentmessung in einer Lenksäule oder einer Antriebswelle bereitzustellen.The object of the invention is to provide a simple and inexpensive device for torque measurement in a steering column or a drive shaft.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle, insbesondere einer Lenksäule oder einer Antriebswelle, gelöst, wobei die Welle durch einen in radialer Richtung formschlüssige, stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung mit einer Nabe verbunden ist. Zwischen der Welle und der Nabe ist mindestens ein Messelement aus einem magnetisierbaren Stahl angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Elektronik zur Erfassung des Magnetfeldes des Messelements, wobei das Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle zu einer Änderung des Magnetfeldes führt, welche über die Elektronik erfasst wird. Aus der Änderung des Magnetfeldes kann durch ein invers magneto-striktives Messprinzip das Drehmoment an der drehbar gelagerten Welle ermittelt werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, bei einer drehbar gelagerten Welle auf einfache und kostengünstige Art und Weise das auf die Welle einwirkende Drehmoment zu ermitteln. Dabei reagieren die magnetischen Messelemente auf eine Verdrehung der Welle mit einer Änderung des Magnetfeldes, sodass diese Änderung als Maß für das Drehmoment erfasst und mit einem einfachen Algorithmus ausgewertet werden kann. Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehmomentmessung unter Verwendung von fertigungstechnisch vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Einzelteilen herstellbar, wodurch die Kosten gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Drehmomentmessung reduziert werden können. Ferner weist die vorgeschlagene Vorrichtung zur Drehmomentmessung nur einen sehr geringen Bauraumbedarf auf, wodurch sie auf einfache Art und Weise in ein Fahrzeuglenksystem eines Kraftfahrzeuges oder einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges integrierbar ist.According to the invention the object is achieved by a device for measuring torque on a rotatably mounted shaft, in particular a steering column or a drive shaft, wherein the shaft is connected by a radially positive, cohesive or non-positive connection with a hub. Between the shaft and the hub at least one measuring element is arranged made of a magnetizable steel. The inventive device further comprises electronics for detecting the magnetic field of the measuring element, wherein the application of a torque to the shaft leads to a change in the magnetic field, which is detected by the electronics. From the change of the magnetic field, the torque on the rotatably mounted shaft can be determined by an inverse magneto-striktives measuring principle. By means of the device according to the invention, it is possible to determine the torque acting on the shaft in a rotatably mounted shaft in a simple and cost-effective manner. The magnetic measuring elements react to a rotation of the shaft with a change of the magnetic field, so that this change can be detected as a measure of the torque and evaluated with a simple algorithm. In addition, the device according to the invention for torque measurement using manufacturing technology comparatively simple and inexpensive items can be produced, whereby the cost compared to known from the prior art devices for torque measurement can be reduced. Furthermore, the proposed device for torque measurement only a very small space requirement, whereby it can be integrated in a simple manner in a vehicle steering system of a motor vehicle or a drive train of a motor vehicle.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Drehmomentmessung möglich.By the features listed in the dependent claims are advantageous Improvements and developments of the device specified in the independent claim for torque measurement possible.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Messelement als magnetisierte Scheibe ausgebildet ist. Eine Scheibe weist in axialer Richtung eine geringe Ausdehnung auf, wodurch eine kompakte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterstützt wird. Zudem kann durch eine magnetische Scheibe ein stabiles Magnetfeld ausgebildet werden, welches einfach durch die Elektronik erfasst werden kann. Durch mehrere parallel zueinander angeordnete Scheiben kann das übertragbare Drehmoment zwischen der Welle und der Nabe gesteigert werden. Durch die Auswahl von Geometrie und Anzahl der magnetischen Scheiben kann die Steifigkeit der Wellen-Naben-Verbindung und somit die Empfindlichkeit der Messelemente eingestellt werden. Die magnetische Scheibe ist vorzugsweise aus einem hochlegierten Edelstahl, beispielsweise einer 35NiCrMo16 Legierung, ausgeführt. Dadurch kann eine besonders hohe Zähigkeit der magnetischen Scheibe erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the at least one measuring element is designed as a magnetized disc. A disk has a small extent in the axial direction, whereby a compact design of the device according to the invention is supported. In addition, by a magnetic disk, a stable magnetic field can be formed, which can be easily detected by the electronics. By means of several disks arranged parallel to one another, the transmittable torque between the shaft and the hub can be increased. By selecting the geometry and number of magnetic disks, the rigidity of the shaft-hub connection and thus the sensitivity of the measuring elements can be adjusted. The magnetic disk is preferably made of a high-alloyed stainless steel, for example a 35NiCrMo16 alloy. As a result, a particularly high toughness of the magnetic disk can be achieved.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Welle mindestens eine Stützscheibe aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff angeordnet ist. Zusätzlich zu dem mindestens einen Messelement, insbesondere zusätzlich zu einer magnetisierten Scheibe, können zwischen der Welle und der Nabe eine oder mehrere nicht magnetisierbare Stützscheiben angeordnet werden, um das zwischen der Welle und der Nabe übertragbare Drehmoment zu erhöhen.In a further development of the invention it is provided that at least one support disk made of a non-magnetizable material is arranged on the shaft. In addition to the at least one measuring element, in particular in addition to a magnetized disk, one or more non-magnetizable supporting disks can be arranged between the shaft and the hub in order to increase the torque which can be transmitted between the shaft and the hub.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn dem mindestens einen Messelement in axialer Richtung jeweils eine Stützscheibe vorgeschaltet und nachgeschaltet ist. Durch jeweils mindestens eine in axialer Richtung dem Messelement vorgeschaltete beziehungsweise nachgeschaltete Stützscheibe kann das magnetische Messelement, insbesondere die Magnetscheibe, gegen mechanische Beschädigungen oder Verformungen geschützt werden. Somit wird sichergestellt, dass die Messgenauigkeit über die Lebenszeit nicht reduziert wird oder Fehlmessungen aufgrund eines deformierten Messelements auftreten. Zudem kann die mechanische Last auf das magnetische Messelement reduziert werden, wodurch die Gefahr eine Verformung oder gar eines Bruchs des Messelements weiter reduziert werden kann. Darüber hinaus ist durch die Stützscheiben eine begrenzte thermische Isolierung des magnetischen Messelements möglich. Durch eine thermische Isolation kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden, wobei der Einfluss der Temperatur auf die magnetische Feldstärke des Messelements durch die geringeren Temperaturschwankungen sinkt.It is particularly preferred if the at least one measuring element in the axial direction in each case preceded and followed by a support disk. By at least one in the axial direction of the measuring element upstream or downstream of the support disk, the magnetic measuring element, in particular the magnetic disk, be protected against mechanical damage or deformation. This ensures that the measuring accuracy over the lifetime is not reduced or incorrect measurements due to a deformed measuring element occur. In addition, the mechanical load on the magnetic measuring element can be reduced, whereby the risk of deformation or even fracture of the measuring element can be further reduced. In addition, a limited thermal insulation of the magnetic measuring element is possible by the support disks. By a thermal insulation, the measurement accuracy can be further increased, the influence of the temperature on the magnetic field strength of the measuring element decreases due to the lower temperature fluctuations.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Welle im Bereich des mindestens einen Messelements Längsnuten aufweist. Durch Längsnuten ist eine besonders einfache Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehmomentmessung möglich. Durch entsprechende Längsnuten an der Welle und entsprechende, korrespondierende Vorsprünge an dem Messelement ist ein einfaches Aufschieben des Messelements auf die Welle möglich. Dabei kann ein Drehmoment der Welle formschlüssig auf das Messelement und von dort über einen weiteren radialen Formschluss auf die Nabe übertragen werden. Zudem können weitere Elemente der Vorrichtungen, insbesondere Abstandshülsen oder Stützscheiben, bei der Montage der Vorrichtung in einfacher Art und Weise auf die Welle aufgeschoben werden. Alternativ ist es durch die Längsnuten möglich, eine gewisse axiale Verschiebbarkeit des magnetischen Messelements und/oder der nicht magnetischen Stützscheiben zu realisieren.In a further improvement of the invention, it is provided that the shaft has longitudinal grooves in the region of the at least one measuring element. By longitudinal grooves a particularly simple assembly of the device according to the invention for torque measurement is possible. By corresponding longitudinal grooves on the shaft and corresponding, corresponding projections on the measuring element, a simple sliding of the measuring element on the shaft is possible. In this case, a torque of the shaft can be positively transmitted to the measuring element and from there via a further radial positive connection to the hub. In addition, further elements of the devices, in particular spacer sleeves or support disks, can be pushed onto the shaft in a simple manner during assembly of the device. Alternatively, it is possible by the longitudinal grooves to realize a certain axial displaceability of the magnetic measuring element and / or the non-magnetic support discs.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Längsnuten in einem axialen Endabschnitt der Welle ausgebildet sind. Fertigungstechnisch können die Längsnuten besonders einfach in einen axialen Endabschnitt der Welle eingebracht werden. Dabei kann die Welle als Drehteil mit einem konstanten Durchmesser ausgeführt werden und die Längsnuten in einem nachfolgenden Arbeitsgang beispielsweise mittels eines Fräsprozesses in den Endabschnitt eingebracht werden. Alternativ können die Längsnuten auch in einen Mittelabschnitt der Welle eingebracht werden, wenn dieser gegenüber einem Endabschnitt einen vergrößerten Durchmesser aufweist und die Welle gestuft ausgeführt ist. Eine gestufte Welle lässt sich ebenfalls einfach als Drehteil herstellen, wobei die Fertigungszeiten und Fertigungskosten durch den erhöhten Materialabtrag beim Ausbilden der Stufung der Welle steigen.It is particularly preferred if the longitudinal grooves are formed in an axial end portion of the shaft. Manufacturing technology, the longitudinal grooves can be particularly easily introduced into an axial end portion of the shaft. In this case, the shaft can be designed as a rotating part with a constant diameter and the longitudinal grooves are introduced in a subsequent operation, for example by means of a milling process in the end portion. Alternatively, the longitudinal grooves can also be introduced into a central portion of the shaft when it has an enlarged diameter relative to an end portion and the shaft is stepped. A stepped shaft can also be easily produced as a turned part, whereby the production times and production costs increase due to the increased material removal when forming the gradation of the shaft.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Nabe im Bereich des mindestens einen Messelements mindestens eine Axialnut ausgebildet ist. Durch eine Axialnut wird das Fugen der Welle mit der Nabe erleichtert, sodass die Axialnut ebenfalls zu einer einfachen Montage einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehmomentmessung beiträgt. Zudem kann durch eine Axialnut ein Ausgleich für Fertigungstoleranzen realisiert werden, wodurch die Bauteiltoleranzen der Einzelteile, insbesondere des Messelements und der Stützscheiben, vergleichsweise großzügig ausgelegt werden können. Dadurch können einfache und kostengünstige Fertigungsverfahren eingesetzt werden, wodurch eine kostengünstige Herstellung der Vorrichtung realisiert werden kann.According to an advantageous development of the invention, it is provided that at least one axial groove is formed on the hub in the region of the at least one measuring element. By an axial groove the joints of the shaft is facilitated with the hub, so that the axial groove also contributes to a simple assembly of a device according to the invention for torque measurement. In addition, compensation for manufacturing tolerances can be realized by means of an axial groove, as a result of which the component tolerances of the individual parts, in particular of the measuring element and the support disks, can be designed comparatively generously. As a result, simple and inexpensive manufacturing methods can be used, whereby a cost-effective production of the device can be realized.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Messelement durch die Nabe in radialer Richtung eine Verdrehsicherung aufweist. Durch eine radiale Verdrehsicherung kann auf einfache Art und Weise eine Drehmomentenübertragung zwischen dem Messelement und der Nabe realisiert werdenIn a further improvement of the invention, it is provided that the at least one Measuring element through the hub in the radial direction has a rotation. By a radial rotation can be realized in a simple manner, a torque transmission between the measuring element and the hub

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die radiale Verdrehsicherung durch die mindestens eine Axialnut in der Nabe ausgebildet ist. Durch eine radiale Verdrehsicherung in einer Axialnut lassen sich die Vorteile der Axialnut, nämlich die Möglichkeit der einfachen Montage und des fertigungsbedingten Toleranzausgleich, sowie die Vorteile der radialen Verdrehsicherung, insbesondere die Möglichkeit, Drehmomente zwischen dem Messelement und der Nabe zu übertragen, auf einfache Art und Weise und ohne zusätzliche Mehrkosten verbinden.It is particularly preferred if the radial rotation is formed by the at least one axial groove in the hub. By a radial rotation in an axial groove, the advantages of the axial groove, namely the possibility of simple assembly and manufacturing tolerance compensation, as well as the advantages of radial rotation, in particular the ability to transmit torques between the measuring element and the hub, in a simple way and Way and connect at no extra cost.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle vorgeschlagen, wobei die Welle durch eine in radialer Richtung formschlüssige, stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung mit einer Nabe verbunden wird. Dabei wird zwischen der Welle und der Nabe mindestens ein Messelement aus einem magnetisierbaren Stahl angeordnet, wobei das Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle zu einer Änderung des Magnetfeldes führt, wobei die Änderung des Magnetfeldes durch eine Elektronik erfasst wird, und wobei aus der Änderung des Magnetfeldes das Drehmoment an der Welle ermittelt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wird eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle, insbesondere einer Antriebswelle oder einer Lenksäule, geschaffen. Dabei bietet das Verfahren gegenüber optischen Messverfahren den Vorteil, dass das Verfahren im Wesentlichen robust gegen Verschmutzungen ist und insbesondere eine Verschmutzung des Messelements nicht zu einer gravierenden Abweichung des Messergebnisses führt.According to the invention, a method for torque measurement on a rotatably mounted shaft is proposed, wherein the shaft is connected by a radially positive-locking, cohesive or non-positive connection with a hub. In this case, at least one measuring element made of a magnetizable steel is arranged between the shaft and the hub, wherein the application of a torque to the shaft leads to a change of the magnetic field, wherein the change of the magnetic field is detected by an electronics, and wherein the change of the magnetic field the torque on the shaft is determined. By a method according to the invention a simple and cost-effective means for torque measurement on a rotatably mounted shaft, in particular a drive shaft or a steering column, created. The method offers over optical measuring method has the advantage that the method is substantially robust against contamination and in particular a contamination of the measuring element does not lead to a serious deviation of the measurement result.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel und anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle.

The invention will be explained below in an embodiment and with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 an inventive device for torque measurement on a rotatably mounted shaft.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Drehmomentmessung an einer drehbar gelagerten Welle 2 dargestellt. Die Welle 2 ist durch eine in radialer Richtung vorzugsweise formschlüssige Verbindung 4 mit einer Nabe 3, beispielsweise mit einer als Hohlwelle ausgebildeten zweiten Welle 15, verbunden. Dazu ist an der zweiten Welle 15 eine Ausnehmung 14 vorgesehen, welche ein Eintauchen der ersten Welle 2 in die zweite Welle 15 ermöglicht. Die Welle 2 und die Nabe 3 weisen eine gemeinsame Mittelachse 13 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste Welle 2 und die zweite Welle 15 konzentrisch zu dieser gemeinsamen Mittelachse 13 angeordnet. Die erste Welle 2 weist einen Endabschnitt 9 auf, an welchem an der ersten Welle 2 Längsnuten 8 ausgebildet sind. Dabei sind aus fertigungstechnischen Gründen vorzugsweise mehrere, gleichmäßig über den Umfang der ersten Welle 2 verteilte Längsnuten 8 ausgebildet.In 1 is an embodiment of a device according to the invention 1 for torque measurement on a rotatably mounted shaft 2 shown. The wave 2 is by a preferably positive connection in the radial direction 4 with a hub 3 , For example, with a second shaft designed as a hollow shaft 15 , connected. This is on the second wave 15 a recess 14 provided, which is a dipping of the first shaft 2 into the second wave 15 allows. The wave 2 and the hub 3 have a common central axis 13 on. In the embodiment shown, the first shaft 2 and the second wave 15 concentric to this common central axis 13 arranged. The first wave 2 has an end portion 9 on, on which at the first wave 2 longitudinal grooves 8th are formed. In this case, for production reasons, preferably several, evenly over the circumference of the first shaft 2 distributed longitudinal grooves 8th educated.

An der Nabe 3, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an der Ausnehmung 14 der zweiten Welle 15 sind eine oder mehrere Axialnuten 10, vorzugsweise mehrere gleichmäßig über den Umfang der Nabe 3 angeordnete Axialnuten 10 ausgebildet. Zwischen der Welle 2 und der Nabe 3 ist mindestens ein Messelement 5 aus einem magnetischen Stahl angeordnet. Das Messelement 5 ist in radialer Richtung, vorzugsweise formschlüssig, mit der Nabe 3 verbunden und greift in die Axialnut 10 der Nabe 3 ein. Somit bildet die Axialnut 10 eine Verdrehsicherung 11 für das Messelement 5 aus. Das Messelement 5 ist ferner, vorzugsweise formschlüssig, über die Längsnuten 8 mit der ersten Welle 2 verbunden, sodass über das Messelement 5 ein Drehmoment von der ersten Welle 2 auf die Nabe 3 übertragbar ist. Das Messelement 5 ist vorzugsweise als magnetisierte Scheibe 12 ausgeführt, kann aber auch in anderer geeigneter Form ausgebildet sein. Alternativ kann das Messelement 5 auch stoffschlüssig, insbesondere durch eine Klebeverbindung, mit der Welle 2 oder der Nabe 3 verbunden sein. Ferner ist alternativ eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Messelement 5 und der Welle 2 oder dem Messelement 5 und der Nabe 3 möglich.At the hub 3 , in the embodiment shown on the recess 14 the second wave 15 are one or more axial grooves 10 , preferably several evenly over the circumference of the hub 3 arranged axial grooves 10 educated. Between the wave 2 and the hub 3 is at least one measuring element 5 arranged from a magnetic steel. The measuring element 5 is in the radial direction, preferably form-fitting, with the hub 3 connected and engages in the axial groove 10 the hub 3 one. Thus forms the axial groove 10 an anti-twist device 11 for the measuring element 5 out. The measuring element 5 is also, preferably form-fitting, over the longitudinal grooves 8th with the first wave 2 connected so that over the measuring element 5 a torque from the first shaft 2 on the hub 3 is transferable. The measuring element 5 is preferably as a magnetized disc 12 executed, but may also be formed in other suitable form. Alternatively, the measuring element 5 also cohesively, in particular by an adhesive bond, with the shaft 2 or the hub 3 be connected. Furthermore, alternatively, a frictional connection between the measuring element 5 and the wave 2 or the measuring element 5 and the hub 3 possible.

An dem Endabschnitt 9 der ersten Welle 2 ist den beiden dargestellten magnetischen Messelementen 5 jeweils eine nicht magnetische Stützscheibe 7 vorgeordnet beziehungsweise nachgeschaltet. Die nicht magnetischen Stützscheiben 7 sind ebenfalls in radialer Richtung, d.h. senkrecht zu der Mittelachse 13 der Vorrichtung 1, formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit der Axialnut 10 der Nabe 3 verbunden. Durch die Stützscheiben 7 kann parallel zu den Messelementen 5 ein Drehmoment zwischen der Welle 2 und der Nabe 3 übertragen werden, wodurch die mechanische Belastung auf die Messelemente 5 abnimmt oder bei gleicher zulässiger Belastung für die Messelemente 5 ein höheres Drehmoment übertragen werden kann. Dabei kann mittels einer Auswahl der Anzahl und der Geometrie der Messelemente 5, insbesondere der Materialstärke der Messelemente 5, und die Auswahl der Stützelemente die Messempfindlichkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung 1 zur Drehmomentmessung eingestellt werden. Außerhalb der Nabe 3 ist eine Elektronik 6 zur Auswertung des Magnetfelds beziehungsweise der Magnetfeldänderung der Messelemente 5 vorgesehen. Durch diese Elektronik kann nach dem physikalischen Prinzip der invers magneto-striktiven Messung das elektromagnetische Signal des Messelements 5 in ein digitales Signal übersetzt werden und daraus ein auf die Welle 2 einwirkendes Drehmoment errechnet werden.At the end section 9 the first wave 2 is the two illustrated magnetic measuring elements 5 one non-magnetic support disk each 7 upstream or downstream. The non-magnetic support disks 7 are also in the radial direction, ie perpendicular to the central axis 13 the device 1 , positive, non-positive or cohesive with the axial groove 10 the hub 3 connected. Through the support disks 7 can be parallel to the measuring elements 5 a torque between the shaft 2 and the hub 3 be transferred, reducing the mechanical stress on the measuring elements 5 decreases or at the same permissible load for the measuring elements 5 a higher torque can be transmitted. In this case, by means of a selection of the number and the geometry of the measuring elements 5 , in particular the material thickness of the measuring elements 5 , and the selection of supporting elements the measuring sensitivity of the proposed device 1 be set for torque measurement. Outside the hub 3 is an electronics 6 for evaluating the magnetic field or the magnetic field change of the measuring elements 5 intended. By this electronics, the electromagnetic signal of the measuring element can according to the physical principle of the inverse magneto-strictive measurement 5 be translated into a digital signal and from this one on the wave 2 acting torque can be calculated.

Die Erfindung ist vorzugsweise zur Messung eines auf die Lenksäule eines Kraftfahrzeuges einwirkenden Lenkmomentes vorgesehen, kann aber alternativ auch für andere Welle-Nabe-Verbindungen, insbesondere an Antriebswellen, genutzt werden.The invention is preferably provided for measuring a steering torque acting on the steering column of a motor vehicle, but can alternatively also be used for other shaft-hub connections, in particular on drive shafts.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtung zur DrehmomentmessungDevice for torque measurement
22: (erste) Welle(first) wave
33: Nabehub
44: Verbindungconnection
55: Messelementmeasuring element
66: Elektronikelectronics
77: Stützscheibesupport disc
88th: Längsnutlongitudinal groove
99: Endabschnittend
1010: Axialnutaxial groove
1111: Verdrehsicherungtwist
1212: magnetisierte Scheibemagnetized disk
1313: Mittelachsecentral axis
1414: Ausnehmungrecess
1515: Zweite Welle / HohlwelleSecond shaft / hollow shaft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4228719 A1 [0003]
DE 10060287 A1 [0004]
DE 102014223219 A1 [0005]

Claims

Device (1) for torque measurement on a rotatably mounted shaft (2), wherein the shaft (2) is connected to a hub (3) by a positively locking, frictional or cohesive connection (4) in the radial direction, characterized in that between the Shaft (2) and the hub (3) at least one measuring element (5) is arranged made of a magnetizable steel, wherein the device (1) has an electronics (6) for detecting the magnetic field of the measuring element (5), and wherein the application of a Torque on the shaft (2) leads to a change in the magnetic field.

Device (1) for measuring torque after Claim 1 , characterized in that the at least one measuring element (5) is designed as a magnetized disc (12).

Device (1) for measuring torque after Claim 1 or 2 , characterized in that on the shaft (2) at least one support disc (7) is arranged from a non-magnetizable material.

Device after Claim 3 , characterized in that the at least one measuring element (5) in the axial direction in each case a support disk (7) is preceded and readjusted.

Device (1) for torque measurement according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the shaft (2) in the region of the at least one measuring element (5) longitudinal grooves (8).

Device (1) for measuring torque after Claim 5 , characterized in that the longitudinal grooves (8) in an axial end portion (9) of the shaft (2) are formed.

Device (1) for torque measurement according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that at least one axial groove (10) is formed on the hub (3) in the region of the at least one measuring element (5).

Device (1) for torque measurement according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the at least one measuring element (5) through the hub (3) in the radial direction has an anti-rotation device (11).

Device (1) for measuring torque after Claim 7 and Claim 8 , characterized in that the radial anti-rotation device (11) is formed by the at least one axial groove (10) in the hub (3).

Method for measuring torque on a rotatably mounted shaft (2), wherein the shaft (2) is connected to a hub (3) by a positive, non-positive or integral connection (4) in a radial direction, characterized in that between the shaft (2 ) and the hub (3) at least one measuring element (5) is arranged made of a magnetizable steel, wherein the application of a torque to the shaft (2) leads to a change of the magnetic field, wherein the changes of the magnetic field detected by an electronics (6) is, and from the change of the magnetic field, the torque on the shaft (2) is determined.