DE3782708T2

DE3782708T2 - Drehmoment detektorvorrichtung.

Info

Publication number: DE3782708T2
Application number: DE8787308499T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Aoki; Takanobu Saito; Shinichiro Yahagi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2007-09-26
Also published as: EP0261980A3; EP0261980A2; EP0261980B1; DE3782708D1; EP0464964A3; DE3751439T2; EP0464964B1; DE3751439D1; EP0464964A2; US4840073A

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung von magnetostriktiver Art, die zum Erfassen des Drehmoments verwendet wird, insbesondere eine verbesserte Drehmoment-Erfassungsvorrichtung, welche zur Erhöhung der Ausgangsleistung, zur Reduzierung der drehungsabhängigen Ausgangsschwankung und zur Reduzierung der Hysterese entworfen wurde.
Eine weitere europäische Patentanmeldung Nr. 91202448.6 ist von der vorliegenden Anmeldung abgeteilt und betrifft eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung, welche eine aus einer Eisen-Aluminium-Legierung geformte Meßwelle enthält.
Es ist bekannt, daß die elastische Verformung des Wellenmaterials an der Oberfläche größer wird als im Mittelbereich, wenn das Drehmoment an eine Meßwelle wie z.B. eine Drehwelle, eine feststehende Welle oder dergleichen angelegt wird.
Wenn z.B. ein Drehmoment T im Uhrzeigersinn an der Meßwelle über ihren Querschnitt angreift, entsteht um die Welle eine Zugbeanspruchung + in einer gegen die Wellenrichtung um einen Winkel von 45º nach rechts geneigten Richtung und eine Druckbeanspruchung - in einer um einen Winkel von 45º nach links geneigten Richtung, wie in Fig. 11 gezeigt.
Einerseits weist ein magnetisches Material die Eigenschaft auf, daß sich die Permeabilität aufgrund einer darauf einwirkenden Belastung ändert, was als Magnetostriktionseigenschaft bezeichnet wird, so daß die an einem magnetischen Material angreifende Belastung durch magnetische Ausnützung der Eigenschaft des magnetischen Materials gemessen werden kann.
Es besteht die Eigenart, daß die Permeabilität in Richtung der Zugbeanspruchung in einem magnetischen Material mit positiver Magnetostriktion zunimmt; umgekehrt nimmt die Permeabilität in Richtung der Zugbeanspruchung bei einem magnetischen Material mit negativer Magnetostriktion ab.
Im Fall der Erfassung des an die Welle, z.B. eine Drehwelle, eine feststehende Welle oder dergleichen angelegten Drehmoments ist es möglich, einen hohen Meßausgangswert zu erzielen, indem der von der Erregerspule erzeugte Magnetfluß auf die Oberfläche der Welle, d.h. auf den Teil konzentriert wird, in dem eine hohe Belastung entsteht.
Fig. 12 (a), (b) ist eine Darstellung, welche eine herkömmliche Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zeigt. Diese Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 51 weist in ihrem Aufbau ein Joch 54 aus einem Material mit hoher Permeabilität wie z.B. Permalloy auf, das um eine Meßwelle 52 anliegend angeordnet ist, welche aus einem magnetischen Material mit Magnetostriktionswirkung besteht, wobei ein Spalt 53 von der Meßwelle freigelassen wird; das Joch 54 ist mit zwei Erregerspulen 55 als Erregungsmittel versehen, welche einen magnetischen Kreis bilden, der die Meßwelle 52 als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, und mit zwei Meßspulen 56 als Erfassungsmittel zum Erfassen der durch die Meßwelle 52 verlaufenden Magnetostriktionskomponente, und der von den Erregerspulen 55 erzeugte Magnetfluß bildet einen Magnetkreis, dessen magnetischen Flußweg die Meßwelle 52 und das Joch 54 bilden.
Wenn an der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 51, wie z.B. in Fig. 11 gezeigt, ein Drehmoment T im Uhrzeigersinn auf die Meßwelle 52 über deren Querschnitt ausgeübt wird, so wird die Summe der durch die Zugbelastung + in der gegen die Wellenrichtung um einen Winkel von 45º nach rechts geneigten Richtung verursachten Zunahme der Permeabilität und der durch die Druckbelastung - in der gegen die Wellenrichtung um einen Winkel von 45º nach links geneigten Richtung verursachten Abnahme der Permeabilität als Ausgangswert erfasst.
Eine ausführlichere Erläuterung wird wie folgt gegeben: anläßlich des Betriebs der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 51 von magnetostriktiver Art mit dem oben erwähnten Aufbau wird der durch die Meßwelle 52, den Spalt 53, das Joch 54, den Spalt 53 und die Meßwelle 52 verlaufende Magnetkreis durch Laden der Erregerspulen 55 mit Elektrizität gebildet. Gleichzeitig wird eine induzierte elektromotorische Kraft in den Spulen 56 erzeugt.
Wenn unter diesen Bedingungen das Drehmoment T an die Meßwelle 52 angelegt wird, ändert sich die durch den Magnetkreis verlaufende magnetische Flußdichte aufgrund einer Änderung der eigenen Permeabilität der Meßwelle 52 infolge der Magnetostriktionswirkung der Meßwelle, wie weiter oben beschrieben; entsprechend dieser Änderung ändert sich die in den Meßspulen 56 induzierte elektromotorische Kraft, und somit ist es möglich, das an der Meßwelle 52 angreifende Drehmoment durch Ablesen dieser Änderung der induzierten elektromotorischen Kraft zu messen.
So wird im Fall der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 51 z.B. die in Fig. 13 gezeigte Ausgangskennlinie erzielt, und unter Ausnützung dieser Kennlinie erfolgt die Messung des Drehmoments mittels der Entsprechung des angelegten Drehmoments mit dem Meßausgang. (Japanische Patentanmeldung Nr. 60-79238)
Wenn jedoch das an der weithin verwendeten Kraftübertragungswelle (z.B. Antriebswelle, Säulenwelle und dergleichen) angreifende Drehmoment gemessen werden soll, und wenn die Kraftübertragungswelle selbst als Meßwelle 52 unter Verwendung der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung von magnetostriktiver Art mit dem in Fig. 12 gezeigten Aufbau benützt wird, besteht diese Kraftübertragungswelle im allgemeinen aus gewöhnlichem Baustahl (JIS, SC, SCr, SCM, SNCM und dergleichen), so daß die Magnetostriktionswirkung gering und der Winkel Θ im Ausgang der in Fig. 16 gezeigten Kennlinie ebenfalls klein ist; demzufolge ist es unmöglich, eine ausreichende Meßempfindlichkeit zu erzielen. Ein weiteres Problem bestand darin, daß es schwierig ist, das Drehmoment mit Genauigkeit zu messen, weil die Breite h in der in Fig. 16 gezeigten Ausgangskennlinie groß wird und leicht eine Hysterese entsteht.
Außerdem kommt die Welle, z.B. eine Drehwelle bzw. eine feststehende Welle, die zum Messen des Drehmoments vorgesehen ist und im Verlauf der spanabhebenden Bearbeitung oder einer Wärmebehandlung wie z.B. Härten im allgemeinen einer örtlichen Belastung ausgesetzt wird, in den Zustand, daß sich die magnetische Wand aufgrund der örtlichen Belastung verschiebt und so stehenbleibt. Daher ist die Permeabilität in einem Zustand örtlicher Anisotropie verteilt, wie in Fig. 14 gezeigt; wenn das Drehmoment unter diesen Bedingungen gemessen wird, erscheint der Ausgang für den in Fig. 15 dargestellten Fall, in welchem das Drehmoment den Wert T = 0 Nm (0 kgf m) annimmt (im folgenden als "Drehmoment Null" bezeichnet), als Schwankung je nach der Winkelstellung der Meßwelle 52. Und da der Zustand der Permeabilitätsverteilung in örtlicher Anisotropie nicht verschwunden ist sondern im Größenbereich des zu messenden Drehmoments gehalten wird, erscheint die in Fig. 15 gezeigte Beziehung zwischen dem Drehmoment T und dem Ausgang als Ausgangsschwankung je nach der Winkelstellung der Meßwelle 52; selbst wenn das Drehmoment T zunimmt, bestand das Problem, daß das auf die Meßwelle 52 ausgeübte Drehmoment T nicht mit Genauigkeit gemessen werden konnte.
So wird die Meßwelle 52 bisher gewöhnlich auf eine hohe Temperatur erhitzt und einem Glühvorgang zum Entspannen unterzogen, um den Zustand mit Permeabilitätsverteilung in örtlicher Anisotropie in der Meßwelle 52, wie oben erwähnt, aufzuheben.
Wenn jedoch der Glühvorgang bei hoher Temperatur an der Meßwelle 52 durchgeführt wird, wird das Material erweicht, und es erfolgt leicht eine plastische Verformung, und so entstand das Problem, daß die Meßgenauigkeit für das Drehmoment infolge des Auftretens von Hysterese in großem Ausmaß abnimmt, wie in Fig. 16 gezeigt.
Wenn somit bei der herkömmlichen Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 51 die Schwankung des Ausgangs aufgrund der Drehung der Meßwelle 52 ausgeschaltet werden soll, nimmt die Hysterese zu, und wenn umgekehrt die Hysterese klein gehalten werden soll, erhöht sich die Schwankung des Ausgangs aufgrund der Drehung. Ein derart widersprüchliches und schwieriges Problem lag hier vor.
Die Erfindung erfolgt im Hinblick auf die oben genannten Probleme beim Stand der Technik, insbesondere anläßlich der Erfassung des an der Drehwelle angreifenden Drehmoments unter Verwendung der stark belasteten Drehwelle selbst als Meßwelle, z.B. einer Kraftübertragungswelle; es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zu schaffen, welche eine hohe Meßempfinddlichkeit und geringe Hysterese aufweist und zum Messen des Drehmoments mit Genauigkeit verwendet werden kann, unter der Bedingung, daß die Festigkeit der Drehwelle, z.B. einer Kraftübertragungswelle, die als Meßwelle der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung dient, ausreichend erhalten bleibt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehmomenterfassungsvorrichtung mit hoher Genauigkeit zu schaffen, deren Drehmoment-Meßausgang nie aufgrund der Winkelstellung der Meßwelle schwankt, selbst wenn die Meßwelle in drehendem Zustand verwendet wird, wobei außerdem die Hysterese mittels Erfassung der Gesamtänderung der Permeabilität über den gesamten Umfang der Meßwelle beträchtlich reduziert werden kann, ohne die örtliche Anisotropie der Permeabilität in der Meßwelle aufzunehmen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform schafft die Erfindung eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung mit einer Meßwelle, einer Einrichtung zur Ausbildung eines magnetischen Kreises, welcher die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs des Kreises enthält, und einer Einrichtung zum Erfassen einer durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil der Meßwelle, der sich in dem magnetischen Flußweg befindet, aus einem Stahl hergestellt ist, welcher im prozentualen Gewichtsanteil von 0,1 bis 0,5% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 2,0% Mn sowie eines oder beides von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr enthält, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung mit einer Meßwelle, einer Einrichtung zur Ausbildung eines magnetischen Kreises, welcher die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs des Kreises enthält, und einer Einrichtung zum Erfassen einer durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens derjenige Teil der Meßwelle, der sich in dem magnetischen Flußweg befindet, aus einem Stahl hergestellt ist, welcher im prozentualen Gewichtsanteil von 0,1 bis 1,5% C, nicht mehr als 2,0% Si, nicht mehr als 2,0% Mn und eines oder beides von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr sowie mindestens eines von nicht mehr als 1,0% Cu, nicht mehr als 1,0% Mo, nicht mehr als 0,5% B, nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5% Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf, nicht mehr als 0,1 % Al und nicht mehr als 0,1% N enthält, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht.
Fig. 1 (a) ist eine Längsansicht und Fig. 1 (b) ist ein Querschnitt zur Darstellung einer Ausführungsform der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung gemäß Beispiel 1 der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Ausgangskennlinie der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches Versuchsergebnisse zeigt, die jeweils für Ausgangsempfindlichkeit und Hysterese bei den Beispielen Nr. 5 und Nr. 7 der Erfindung für den Fall mit Aufkohlung bzw. ohne Aufkohlung gemessen wurden;
Fig. 4 ist ein Querschnitt zur Darstellung einer Ausführungsform der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung von Beispiel 2;
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches den Aufbau einer elektrischen Schaltung zum Anschluß an die Drehmoment- Erfassungsvorrichtung von Fig. 4 veranschaulicht;
Fig. 6 ist eine schematische Skizze, welche die Querschnittform des an der Meßwelle ausgebildeten konkaven und konvexen Teils veranschaulicht;
Fig. 7 und Fig. 8 sind Kennlinien, welche die Beziehung von Drehmoment und Ausgang darstellen, wenn die Meßwelle in einer gegebenen Stellung fixiert ist, sowie die Stabilität des Meßausgangs, wenn die Meßwelle bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung von Beispiel 2 der Erfindung um eine Umdrehung gedreht wird;
Fig. 9 ist ein Diagramm, welches die durch den Einfluß der Aluminiumkonzentration in einer Eisen-Aluminium-Legierung erzielten Auswirkungen auf die Ausgangsempfindlichkeit und die Hysterese der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung bei Verwendung einer aus Eisen-Aluminium-Legierung hergestellten Meßwelle veranschaulicht, die aus der fehlgeordneten Phase oder Mischphase zusammengesetzt ist, welche mindestens zwei Phasen aus einer geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al, einer geordneten Phase vom Typ FeAl und einer fehlgeordneten Phase enthält;
Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die durch den Einfluß des Ordnungsparameters der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al erzielten Auswirkungen auf die Hysterese veranschaulicht;
Fig. 11 ist eine perspektivische Skizze, welche die Beziehung zwischen dem an der Welle angreifenden Drehmoment (T) und der Beanspruchung ( ) zeigt;
Fig. 12 (a) und Fig. 12 (b) ist eine schematische Vorderansicht bzw. eine schematische Seitenansicht zur Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Drehmoment-Erfassungsvorrichtung;
Fig. 13 ist eine Kennlinie, welche die Beziehung zwischen Drehmoment und Ausgang darstellt, wenn die Meßwelle bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung in einer gegebenen Stellung feststeht;
Fig. 14 ist eine veranschaulichende Darstellung des Zustands der Permeabilitätsverteilung in örtlicher Anisotropie an der Oberfläche einer gewöhnlichen Welle.
Fig. 15 ist eine Kennlinie, welche die Schwankung des Meßausgangs darstellt, wenn die Meßwelle bei der herkömmlichen Drehmoment-Erfassungsvorrichtung um eine Umdrehung gedreht wird; und
Fig. 16 ist eine Kennlinie, welche die Beziehung zwischen Drehmoment und Ausgang unter Verwendung einer Meßwelle darstellt, die auf eine hohe Temperatur erhitzt und spannungsfrei geglüht wurde, um die drehungsbedingte Schwankung des Ausgangs bei einer herkömmlichen Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zu reduzieren.
Eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält eine Meßwelle und eine Spule zur Ausbildung eines Magnetkreises, welcher die Meßwelle als Teil des magnetisches Flußwegs einbezieht, und bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zum Messen des Drehmoments mittels Erfassung einer durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente besteht mindestens der zur Bildung des magnetischen Flußwegs dienende Teil der Meßwelle oder ihr Gesamtkörper aus einem Stahl, welcher im prozentualen Gewichtsanteil von 0,1 bis 1,5% C, nicht mehr als 2,0% Si, nicht mehr als 2,0% Mn und eines oder beides von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr sowie, falls erforderlich, mindestens eines von nicht mehr als 1,0% Cu, nicht mehr als 1,0% Mo, nicht mehr als 0,05% B, nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5% Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf, nicht mehr als 0,1% Al und nicht mehr als 0,1% N enthält, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung kann derart ausgelegt sein, daß ein Joch 4, welches aus einem Material mit hoher Permeabilität hergestellt ist, um eine Meßwelle 2 angeordnet ist und einen Spalt 3 von der Meßwelle 2 frei läßt, und auf diesem Joch 4 ist eine Erregungsspule (d.h. die Erregungseinrichtung) 5 und eine Meßspule (d.h. die Erfassungseinrichtung) 6 als Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 1 angeordnet, wie in Fig. 1 veranschaulicht.
Der Aufbau kann auch dergestalt ausgeführt sein, daß zwei Spulen um eine Meßwelle angeordnet sind, um den Magnetkreis, welcher die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, durch Verbindung der Wechselstromquelle (d.h. der Erregungseinrichtung) mit diesen beiden Spulen zu bilden, und die Änderung der Permeabilität der Meßwelle aufgrund eines angreifenden Drehmoments wird als Änderung der Induktion dieser Spulen mit einer Wechselstrombrücke (d.h. der Meßeinrichtung) erfaßt, doch ist die Erfindung nicht auf diese Aufbaumöglichkeiten beschränkt.
Weiterhin ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Meßwelle 2 der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 1 von magnetostriktiver Art gekennzeichnet durch die Verwendung des oben beschriebenen Stahls mit der spezifizierten Zusammensetzung in einem Teil oder im Gesamtkörper derselben. Der Grund, aus welchem die chemische Zusammensetzung (Gewichtsprozent) derselben beschränkt ist, wird wie folgt beschrieben.

C: 0,1 - 1,5%

C ist ein notwendiger Bestandteil, um die erforderliche Festigkeit als Wellen-Baumaterial für eine Kraftübertragungs Welle und dergleichen, wie z.B. eine Antriebswelle, eine Säulenwelle usw. zu erhalten. Für diesen Zweck darf nicht weniger als 0,1% C enthalten sein. Wenn jedoch der Mengenanteil zu groß wird, verschlechtert sich die Zähigkeit, und die Kaltformbarkeit wird nachteilig beeinflußt, so daß der Mengenanteil von C nicht mehr als 0,5% sein darf, und im Fall der Anwesenheit von W, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf darf er nicht mehr als 1,5% betragen.

Si: nicht mehr als 2,0%

Si wirkt bei der Stahlherstellung als Desoxidator und ist ein wirksames Element für die Erhöhung der Festigkeit. Wenn jedoch der Mengenanteil zu groß wird, verschlechtert sich die Zähigkeit, so daß er nicht mehr als 2,0% betragen soll.

Mn: nicht mehr als 2,0%

Mn wirkt bei der Stahlherstellung als Desoxidator und als Entschwefelungsfaktor und ist ein wirksames Element zur Erhöhung der Festigkeit infolge einer Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls. Wenn jedoch der Mengenanteil zu groß ist, verschlechtert sich die Bearbeitungsfähigkeit, so daß der Anteil an Mn nicht mehr als 2,0% betragen soll.

Ni: nicht mehr als 5,0%

Cr: nicht mehr als 5,0%

Ni und Cr sind wirksame Elemente für die Erhöhung der Festigkeit infolge einer Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls und einer Verstärkung der Grundmasse.
In diesem Fall wird zwar die Empfindlichkeit verbessert (d.h. der Winkel Θ in Fig. 2 wird vergrößert) durch die Erhöhung des Mengenanteils von Ni, doch erhöht sich auch die Hysterese (d.h. die Breite h in Fig. 2 wird größer), so daß es erforderlich ist, nicht mehr als 5,0% Ni zu verwenden. Andererseits zeigt zwar die Hysterese eine Tendenz abzunehmen (d.h. die Breite h in Fig. 2 wird kleiner) durch Erhöhung des Mengenanteils von Cr bis zu einem gewissen Grad, doch wird dadurch die Empfindlichkeit verschlechtert (d.h. der Winkel Θ in Fig. 2 wird kleiner), und wenn der Mengenanteil von Cr zu groß wird, weist die Hysterese eine Tendenz zur weiteren Zunahme auf, so daß es erforderlich ist, daß nicht mehr als 5,0% Cr vorhanden sind.
Somit haben zwar Ni und Cr eine gemeinsame Wirkung, welche die Festigkeit der Meßwelle verbessert, doch haben sie eine verschiedene Auswirkung auf die magnetischen Eigenschaften der Meßwelle; es ist daher wünschenswert, daß der Mengenanteil von Ni + Cr auf einen Bereich von 1,5 - 4,0% begrenzt wird, um die Empfindlichkeit der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung von magnetostriktiver Art zu verbessern und zusätzlich die Hysterese zu verringern. Insbesondere ist es vorzuziehen, daß der Mengenanteil von Ni + Cr auf einen Bereich von 2,0 - 3,0% begrenzt wird, um die Hysterese zu verringern.

Cu: nicht mehr als 1,0%

Mo: nicht mehr als 1,0%

Sowohl Cu als Mo kann auf Wunsch beigefügt werden da dies wirksame Elemente für die Verbesserung der Festigkeit durch Verstärkung der Grundmasse sind. Wenn jedoch der Mengenanteil von Cu zu groß wird, verschlechtert sich die Warmverformbarkeit, und wenn der Mengenanteil von Mo zu groß wird, verringert sich die Zähigkeit, so daß es bei Zugabe derselben zweckmäßig ist, daß der Mengenanteil von Cu nicht mehr als 1,0% und der Mengenanteil von Mo ebenfalls nicht mehr als 1,0% beträgt.
Daneben kann ein Anteil von nicht mehr als 0,05% B beigefügt werden, um die Härtbarkeit des Stahls zu verbessern, und mindestens eines von nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5% Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf, nicht mehr als 0,1% Al und nicht mehr als 0,1% N kann beigegeben werden, um die Festigkeit durch Kornverfeinerung und Ausscheidungshärtung zu verbessern.
Für die in der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendete Meßwelle wird der Stahl mit der oben beschriebenen Zusammensetzung als Werkstoff für einen Teil oder die Gesamtheit derselben verwendet; falls erforderlich, ist es wünschenswert, nicht nur die gewöhnliche Vergütung sondern z.B. auch die Aufkohlung, Einsatzhärtung, Karbonitrierung, Nitrierung und dergleichen durchzuführen, und es ist wünschenswert, den Mengenanteil von C in der aufgekohlten Schicht in einem Bereich oberhalb von 0,1% - 1,5% je nach Bedarf zu halten, um die Hysterese und außerdem das Ausmaß der Streuung in der Ausgangsempfindlichkeit und die Hysterese der speziellen Meßwelle zu verringern und die Abriebfestigkeit und die Dauerfestigkeit der Oberfläche nach Wunsch zu erhöhen.
Weiterhin kann mindestens eines von nicht mehr als 1,0% Pb, nicht mehr als 0,5% Ca, nicht mehr als 0,5% Se, nicht mehr als 0,5% Te, nicht mehr als 0,5% Bi und nicht mehr als 0,5% S beigefügt werden, um die Bearbeitbarkeit der Meßwelle zu verbessern.
Der Meßwelle kann eine formbedingte magnetische Anisotropie verliehen werden, indem auf ihrer Oberfläche eine konkave Form und/oder eine konvexe Form mit einem geeignetem Zwischenraum ausgebildet wird, die einen gewissen Winkel mit der Wellenrichtung der Meßwelle bilden. Konkret kann z.B. eine formbedingte magnetische Anisotropie aufgrund eines unregelmäßigen Querschnitts als Paar von unregelmäßigen Abschnitten gebildet werden, unter Umkehrung ihrer Richtung; außerdem kann der Aufbau derart sein, daß ein Paar von unregelmäßigen Querschnitten von einem Spulenpaar umhüllt ist. Und im Fall der Umhüllung mit einem Spulenpaar kann die Anordnung derart sein, daß diese Spulen mit einem Erregeroszillator verbunden sind und die Erregungsrichtung auf die gleiche Richtung ausgerichtet wird. Außerdem kann der Aufbau derart sein, daß eine Permeabilitätsänderung entsprechend dem an diesem Paar von unregelmäßigen Querschnitten angreifenden Drehmoment als Änderung der Induktion von gegenüberliegenden Spulen durch den Differentialverstärker mit einer Wechselstrombrücke gemessen wird.
Eine weitere Drehmoment-Erfassungsvorrichtung, die nicht völlig der Erfindung entspricht, weist eine Meßwelle und eine Spule zur Ausbildung eines Magnetkreises auf, welcher die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, und bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente besteht mindestens derjenige Teil der Meßwelle, der zur Bildung des magnetischen Flußwegs dient, oder der Gesamtkörper derselben aus einer Fe-Al-Legierung, welche aus der fehlgeordneten Phase oder der Mischphase zusammengesetzt ist, die mindestens zwei Phasen aus einer geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al, einer geordneten Phase vom Typ FeAl und einer fehlgeordneten Phase enthält, und der Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al ist nicht mehr als 0,9. Diese Vorrichtung ist Gegenstand einer von der vorliegenden Anmeldung abgeteilten Anmeldung, wie oben erwähnt.
Mit einer aus Eisen-Aluminium-Legierung hergestellten Welle, die in einem Teil oder der Gesamtheit der Welle aus einer fehlgeordneten Phase zusammengesetzt ist, oder mit einer aus Eisen-Aluminium-Legierung hergestellten Welle, die aus einer Mischphase zusammengesetzt ist, welche mindestens zwei Phasen aus einer geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al, deren Ordnungsparameter nicht mehr als 0,9 ist, einer geordneten Phase vom Typ FeAl und einer fehlgeordneten Phase in einem Teil oder in der Gesamtheit des für die Meßwelle verwendeten Materials enthält, ist es vorzuziehen, die Legierung zu verwenden, welche Aluminium in einem Umfang von 8 bis 18%, insbesondere 11 bis 15% enthält.
Der Erfinder hat die Beziehung zwischen Aluminiumkonzentration in der Eisen-Aluminium-Legierung, Ausgangsempfindlichkeit und Hysterese bei den verschiedenen Versuchen untersucht, und als Folge wurde das in Fig. 9 gezeigte Ergebnis erzielt. Fig. 9 zeigt das Versuchsergebnis, wenn die Meßwelle mit der später zu beschreibenden, in Fig. 4 dargestellten Form durch Warmformen Abkühlen hergestellt ist. Wie in Fig. 9 bezüglich der Empfindlichkeit gezeigt, wird diese zu Null, wenn die Aluminiumkonzentration 18 Gewichtsprozent übersteigt; was die Hysterese betrifft, so nimmt diese mit zunehmender Aluminiumkonzentration ab und wird Null in der Umgebung von 14 Gewichtsprozent.
Demzufolge ist es, obgleich verschiedene Ansichten bezüglich der für die Drehmoment-Erfassungsvorrichtung erforderlichen Genauigkeit bestehen, im Normalfall wünschenswert, die Genauigkeit innerhalb von 10% Hysterese zu halten, und angebracht, daß die Aluminiumkonzentration nicht weniger als 8 Gewichtsprozent beträgt. Und wenn die Aluminiumkonzentration 18 Gewichtsprozent übersteigt, verschwindet der Magnetismus, und die Empfindlichkeit wird Null bei Raumtemperatur, so daß es angebracht ist, daß sie nicht mehr als 18 Gewichtsprozent, vorzugsweise 11 bis 15% beträgt.
Außerdem wird das in Fig. 10 dargestellte Ergebnis als Folge der Untersuchung bzgl. der Beziehung zwischen Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al und der Hysterese erzielt. Wie in Fig. 10 gezeigt, nimmt dann wenn der Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al 0,9 übersteigt und sich der vollkommen geordneten Phase nähert, die Hysterese zu und übersteigt 10%, so daß der Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al auf nicht mehr als 0,9 begrenzt ist.
Der Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al kann gesteuert werden durch die Auswahl des Abkühlverfahrens für das Material nach Beendigung des Gießvorgangs, des Warmschmiedens, des Warmwalzens, des Warmfließpressens und dergleichen, sowie des Abschreckverfahrens nach dem Erhitzen bis zum fehlgeordneten Bereich, oder der Temperatur oder Haltezeit beim Nachwärmen bis unter den Umwandlungspunkt der geordneten/fehlgeordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al nach dem Abschrecken.
So kann unter Verwendung der Eisen-Aluminium-Legierung, die aus der fehlgeordneten Phase zusammengesetzt ist, oder der Eisen-Aluminium-Legierung, die aus der Mischphase zusammengesetzt ist, welche mindestens zwei Phasen aus einer geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al, deren Odnungsparameter nicht mehr als 0,9 ist, einer geordneten Phase vom Typ FeAl und einer fehlgeordneten Phase als Material der Meßwelle enthält, eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung erzielt werden, welche hervorragende Ausgangskennlinien für die beiden sich widersprechenden Eigenschaften aufweist, daß die Empfindlichkeit hoch und außerdem die Hysterese bemerkenswert klein ist.
Aufgrund eines weiteren durch den Erfinder durchgeführten Versuchs wurde bestätigt, daß es eher wünschenswert ist, daß der spezifische elektrische Widerstand der für mindestens einen Teil der Meßwelle verwendeten Eisen-Aluminium-Legierung nicht weniger als 75 µX pro cm beträgt. Dies wird dadurch erzielt, daß der spezifische elektrische Widerstand der gefertigten Meßwelle um so größer ist, je höher die Abkühlgeschwindigkeit nach der Herstellung der Meßwelle mittels Gießen oder Warmschmieden ist, und daß die Hysterese um so geringer ist, je höher der Mengenanteil der fehlgeordneten Phase ist.
Insgesamt mindestens eines der Elemente B, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, Be, Sc, Y und Seltene Erden: 0,01 - 5,0%.
Diese Elemente wirken als Desoxidatoren und/oder Entschwefelungsfaktoren beim Schmelzen, verleihen Festigkeit durch die Verbesserung der Eigenschaften beim Abschrecken und Aushärten, beschleunigen die Verfeinerung der Korngröße, steuern die Diffusion von C, W, Cr, verbessern die Schmiedbarkeit.
Größere Mengenanteile dieser Elemente verschlechtern jedoch die Bearbeitbarkeit, die Festigkeit, die Hysterese und dergleichen; daher wird die Obergrenze der Gesamtheit dieser Elemente auf 5,0% festgelegt, C: 0,01 - 0,50%, und in der Gesamtheit von mindestens einem aus Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr und Hf: 0,01 - 5,0%.
C und Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf sind die Elemente, welche Carbid in der Grundmasse ausbilden, um die Festigkeit der Meßwelle, z.B. einer Antriebswelle, einer Säulenwelle usw. zu verbessern. Ein hoher Mengenanteil dieser Elemente verschlechtert jedoch die Bearbeitbarkeit der Welle, so daß C auf 0,01 -0,50%, mindestens eines von Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr und Hf auf insgesamt 0,01 - 5,0% beschränkt ist.
Bei der Meßwelle der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung kann die Welle einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei welcher mit einer Kühlgeschwindigkeit von mehr als 500ºC/h von einer Temperatur von mehr als 500ºC abgekühlt wird, um die Ausgangsempfindlichkeit und die Hysterese zu verbessern.
Die Drehmoment-Erfassungsvorrichtung enthält eine Meßwelle und die Spule für die Ausbildung eines Magnetkreises, welcher die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, und an der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zum Messen der durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente ist mindestens ein Teil der Meßwelle zur Ausbildung des magnetischen Flußwegs aus einer Legierung auf Eisengrundlage hergestellt, welche eine besondere Zusammensetzung und Struktur dergestalt aufweist, daß sie hervorragend geeignet ist, die Ausgangsleistung zu erhöhen, die drehungsbedingten Ausgangsschwankungen zu reduzieren und die Hysterese bei der zum Messen des Drehmoments verwendeten Drehmoment-Erfassungsvorrichtung von magnetostriktiver Art zu verringern.

BEISPIEL 1

Jede Stahlsorte mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung wurde nach dem Schmelzen gegossen, und die Stangen von 17 mm Durchmesser wurden mittels Vorwalzen und Feinwalzen erzeugt.
Danach wurde jede der Stangen einer Aufkohlung bei 900ºC über 2 Stunden unterzogen und in Öl abgeschreckt, dann bei 170ºC angelassen. Für diesen Fall ist der Mengenanteil von C in der aufgekohlten Schicht ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.
Zweitens wurde unter Verwendung der einzelnen wärmebehandelten Stangen als Meßwelle 2 der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 1 mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau und unter Zuführung eines Wechselstroms mit einer Frequenz von 40 kHz und einer Stromstärke von 100 mA an die Erregerspule 5 ein durch die Meßwelle 2, den Spalt 3, das Joch 4, den Spalt 3 und die Meßwelle 2 verlaufender Magnetkreis gebildet, und unter diesen Umständen wurde die Ausgangsempfindlichkeit (der Winkel Θ in Fig. 2) sowie die Hysterese (die Breite h in Fig. 2) jeder Drehmoment- Erfassungsvorrichtung 1 durch Messen der Ausgangsspannung jeder Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 1 mit der Meßspule 6 untersucht, wobei ein Drehmoment von 294 Nm (30 kgf m) für die Linksdrehung bzw. Rechtsdrehung angelegt wurde. Diese Ergebnisse sind desgleichen in Fig. 1 gezeigt. Tabelle 1 Chem. Zusammensetzung (Gewichts-%) Sonstige C, Mengenanteil in aufgekohlter Schicht (Gewichts-%) Empfindlichk. mV/kgf m (mV/10 Nm) Hyster. (%) Beispiel Vergleichs-Beispiel
Wie aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ersichtlich, liegt im Fall der Beispiele Nr. 1 - 3 und Nr. 5 - 10 gemäß der Erfindung, bei welchen der Mengenanteil von Ni nicht mehr als 5,0% und außerdem der Mengenanteil von Cr nicht mehr als 5,0% beträgt und die Gesamtmenge derselben in einem Bereicht von 1,5 bis 4,0% liegt, der Empfindlichkeitswert im einem Bereich von 1,25 - 2,50 mV/Nm (12 - 24 mV/kgf m), das prozentuale Ausmaß der Hysterese in einem Bereich von 0 bis 3%, folglich zeigt sowohl die Empfindlichkeit als die Hysterese ein zufriedenstellendes Ergebnis.
Und im Fall des Beispiels Nr. 4 gemäß der Erfindung, bei welchem der Mengenanteil von Ni nicht mehr als 5,0% und außerdem der Mengenanteil von Cr nicht mehr als 5,0%, und die Gesamtmenge derselben weniger als 1,5% beträgt, ist ersichtlich, daß die Empfindlichkeit niedriger und die Hysterese größer ist als im Fall der Verwendung einer Meßwelle, bei welcher die Gesamtmenge von Ni und Cr nicht weniger als 1,5% beträgt. Im Gegensatz dazu ist im Fall der Beispiele Nr. 11 und 12 gemäß der Erfindung, bei welchen die Gesamtmenge von Ni und Cr nicht weniger als 4,0% beträgt, die Hysterese derselben verhältnismäßig groß, obgleich ihre Empfindlichkeit gut ist.
Weiterhin ist im Fall des Vergleichsbeispiels Nr. 13, welches kein Cr und nicht weniger als 5,0% Ni enthält, die Hysterese zu groß, obwohl seine Empfindlichkeit gut ist. Im Fall des Vergleichsbeispiels Nr. 14, welches kein Ni und nicht weniger als 5,0% Cr enthält, ist ersichtlich, daß nicht nur die Hysterese zu groß, sondern auch die Empfindlichkeit zu gering ist.
In Fig. 3 sind die Meßergebnisse für die Empfindlichkeit Θ und die Hysterese h nach dem gleichen Prüfverfahren wie oben beschrieben dargestellt, wobei das der Aufkohlung unterworf ene Material, wie in Fig. 1 gezeigt, bzw. ein anderes Material zur Verfügung stand, welches nicht der Aufkohlung, wie in Fig. 1 beschrieben, unterzogen wurde, unter Verwendung der beiden Legierungssorten von Beispiel Nr. 5 und Nr. 7 gemäß der Erfindung. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden sowohl mit dem aufgekohlten wie auch mit dem nicht-aufgekohlten Material gute Ergebnisse erzielt, doch zeigt sich, daß das aufgekohlte aufgrund der niedrigen Hysterese und des geringen Ausmaßes der Kennlinienstreuung vorzuziehen ist.
Wie oben anhand des Beispiels 1 gemäß der Erfindung beschrieben, enthält die Drehmoment-Erfassungsvorrichtung eine aus einem magnetischen Material bestehende Meßwelle und eine Erregungseinrichtung zur Ausbildung eines Magnetkreises, der die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, sowie eine Meßeinrichtung zum Erfassen einer durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente, und die Ausgangsempfindlichkeit der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung kann erhöht und gleichzeitig die Hysterese reduziert und die Drehmomentmessung mit Genauigkeit durchgeführt werden, unter ausreichender Beibehaltung der Festigkeit der Meßwelle, da diese Meßwelle aus einem Stahl hergestellt ist, welcher im prozentualen Gewichtsanteil 0,1 bis 1,5% C, nicht mehr als 2,0% Si, nicht mehr als 2,0% Mn und eines oder beides von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr sowie, falls erforderlich, mindestens eines von nicht mehr als 1,0% Cu, nicht mehr als 1,0% Mo, nicht mehr als 0,05% B, nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5% Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf, nicht mehr als 0,1% Al und nicht mehr als 0,1% N enthält, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht. Und insbesondere im Fall der Messung des an der Drehwelle angreifenden Drehmoments unter Verwendung der schwer belasteten Drehwelle selbst, z.B. einer Kraftübertragungswelle, als Meßwelle wird ein beachtlicher Vorteil dadurch erzielt, daß gleichzeitig die Ausgangsempfindlichkeit der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung erhöht und die Hysterese reduziert sowie die Drehmomentmessung mit Genauigkeit durchgeführt werden kann, unter Beibehaltung der Festigkeit der Meßwelle, z.B. der Kraftübertragungswelle.

BEISPIEL 2

Fig. 4 ist ein Querschnitt, der eine Art des Aufbaus der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung darstellt. Die in der Figur gezeigte Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 11 besitzt eine mindestens in der Oberfläche aus einer Eisen-Aluminium-Legierung hergestellte Meßwelle 12; was diese Eisen-Aluminium-Legierung betrifft, so besteht diese entweder nur aus der fehlgeordneten Phase oder aus einer Mischphase, welche mindestens zwei Phasen vom Typ Fe&sub3;Al enthält, wobei der Ordnungsparameter der geordneten Phase nicht mehr als 0,9 ist. Vom FeAl-Typ wird die geordnete und die fehlgeordnete Phase verwendet. Die Vorrichtung entspricht bezüglich der Zusammensetzung der Meßwelle nicht der Erfindung. Und auf der Oberfläche der Meßwelle 12 ist ein konkaver Teil 13a, 13b und ein konvexer Teil 14a, 14b einstückig mit der Meßwelle 12 angeformet, der einen bestimmten Winkel mit der Wellenrichtung der Meßwelle 12 bildet, wobei ein geeigneter Zwischenraum freigelassen wird, und die formbedingte magnetische Anisotropie wird durch diese konkaven Teile 13a, 13b und die konvexen Teile 14a, 14b erzielt. Dieser Formaufbau ist auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindung anwendbar.
In diesem Fall sind die konkaven Teile 13a und die konvexen Teile 14a einerseits sowie die konkaven Teile 13b und die konvexen Teile 14b andrerseits paarweise jeweils um den gleichen Winkel (45º bei dieser Ausführungsform) in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Wellenrichtung geneigt angeordnet.
Und die Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 11 weist zusätzlich zur Meßwelle 12 zwei Spulen 15a, 15b auf, die gegenüber den auf der Meßwelle 12 ausgebildeten konkaven Teilen 13a und den konvexen Teilen 14a auf der einen Seite sowie den konkaven Teilen 13b und den konvexen Teilen 14b auf der anderen Seite angeordnet sind, und der Aufbau sieht ein aus einem Material mit hoher Permeabilität hergestelltes zylindrisches Joch 17 an der Außenseite der Spulen 15a, 15b vor, welches von der Meßwelle 12 einen Spalt 16 freiläßt.
In der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung mit einem derartigen Aufbau bilden die Spulen 15a, 15b die Brückenschaltung zusammen mit Widerständen 21, 22, wie in Fig. 5 als Beispiel dargestellt; die Brückenschaltung ist mit einem veränderlichen Widerstand 23 zum Abgleichen versehen, und die Erregungsrichtung wird in die entsprechende Richtung eingestellt, wobei ein Erregeroszillator 24 mit den Anschlußpunkten A, C in der Brükkenschaltung verbunden wird, und ein Meß-Ausgangssignal kann an den Ausgangsklemmen 26, 27 abgenommen werden, wobei ein Differentialverstärker 25 mit den Anschlußpunkten B, B' verbunden wird.
Die Funktion im Fall der Verbindung der in Fig. 4 gezeigten Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 11 mit der in Fig. 5 dargestellten Schaltung wird wie folgt beschrieben.
Zunächst wird beim Betrieb ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude (V) und Frequenz (f) an die Spulen 15a, 15b vom Erregeroszillator 24 angelegt. Infolge dieser elektrischen Aufladung werden die magnetischen Kraftlinien für die Bildung des magnetischen Flußwegs mit dem aus Meßwelle 12 T Spalt 16 T Joch 17 T Spalt 16 T Meßwelle 12 bestehenden Magnetkreis erzeugt, welche die Spulen 15a, 15b umgeben.
Andrerseits, wenn die Frequenz (f) des angelegten Wechselstroms erhöht wird, nimmt der Wirbelstrom in der Meßwelle 12 zu. Und der Wirbelstrom ist derart verteilt, daß er um so stärker ist, je näher er bei der Mittellinie der Meßwelle 12 auftritt, und er wird zu Null an der Oberfläche. Daher kann zwar die Magnetisierung an der Oberfläche der Änderung des äußeren Magnetfelds folgen, doch wird die Änderung der Magnetisierung im Innern verhindert.
Folglich fließen die magnetischen Kraftlinien im Oberflächenbereich der Meßwelle 12, insbesondere fließen- sie vorwiegend in den konvexen Teilen 14a, 14b; da die konkaven Teile 13a, 13b an der Meßwelle 12 unter einem bestimmten Winkel mit der Wellenrichtung der Meßwelle 12 angeformt sind, werden sie zur magnetischen Reluktanz. Daher entsteht die Wirkung der formbedingten magnetischen Anisotropie aufgrund dieser konkaven Teile 13a, 13b und konvexen Teile 14a, 14b.
Was den Winkel dieser konkaven Teile 13a, 13b und der konvexen Teile 14a, 14b mit der Wellenrichtung betrifft, sollte der von dem konkaven Teil 13a und dem konvexen Teil 14a auf der einen Seite und von dem konkaven Teil 13b und dem konvexen Teil 14b auf der anderen Seite gebildete Winkel gleich groß sein und in einander entgegenbesetzter Richtung verlaufen, doch ist es äußerst wünschenswert, daß deren Richtungen der Richtung der Hauptbelastung entsprechen, wenn das Drehmoment an die Meßwelle 12 angelegt wird, d.h. der Richtung von 45º nach rechts und der Richtung von 45º nach links. Der Grund dafür ist, daß die magnetischen Kraftlinien vorwiegend in Richtung der Hauptbelastung fließen, und da sie den größten Teil der Oberfläche der Meßwelle 12 darstellen, sind die konvexen Teile 14a, 14b die Stellen, an denen die größte Belastung auftritt, und die Änderung der Permeabilität kann am wirksamsten abgenommen werden.
Und wenn das Drehmoment an der Meßwelle 12 in der in Fig. 4 gezeigten Richtung T angreift, wirkt die maximale Zugbeanspruchung + auf den konvexen Teil 14a auf der einen Seite, da er in der Richtung von 45º nach rechts angeformt ist, und umgekehrt wirkt die maximale Druckbeanspruchung - auf den konvexen Teil 14b auf der anderen Seite, da er in der Richtung von 45º nach links angeformt ist.
Wenn demnach die Meßwelle 12 eine positive Magnetostriktionswirkung aufweist, erhöht sich die Permeabilität des konvexen Teils 14a auf der einen Seite im Vergleich zu dem Fall, wenn das Drehmoment gleich Null ist; im Gegensatz dazu nimmt die Permeabilität des konvexen Teils 14b auf der anderen Seite ab im Vergleich zu dem Fall, wenn das Drehmoment gleich Null ist.
Daher wird, wenn die Induktanz der Spule 15a auf der einen Seite zunimmt und die Induktanz der Spule 15b auf der anderen Seite abnimmt, das Gleichgewicht der in Fig. 5 gezeigten Brükkenschaltung gestört, und ein dem Drehmoment T entsprechendes Ausgangssignal wird zwischen den Ausgangsklemmen 26 und 27 erzeugt.
Und wenn das Drehmoment in der entgegengesetzten Richtung angreift, wird durch eine der oben beschriebenen entgegengesetzte Wirkung, wobei die Induktanz der Spule 15a auf der einen Seite abnimmt und die Induktanz der Spule 15b auf der anderen Seite zunimmt, das Gleichgewicht der in Fig. 5 gezeigten Brükkenschaltung gestört, und ein dem Drehmoment T entsprechendes Ausgangssignal wird zwischen den Ausgangsklemmen 26 und 27 erzeugt.
Wenn bei diesem oben beschriebenen Beispiel die Permeabilität der Meßwelle 12 aufgrund der Temperatur sich ändert, kann die Verschiebung des Ausgangs-Nullpunkts aufhören, und es ist möglich, die Meßgenauigkeit für das Drehmoment zu erhöhen, da die konkaven Teile 13a, 13b und die konvexen Teile 14a, 14b paarweise mit entgegengesetzter Neigung gegenüber den Spulen 15a, 15b angeformt sind, und die Differenz der Änderung des Magnetismus an den konkaven Teilen 13a, 13b und den konvexen Teilen 14a, 14b wird mit Hilfe der Brückenschaltung gemessen.
Eine konkretere Darstellung des oben gesagten ergibt daß, wenn die Induktanz der Spulen 15a, 15b mit L&sub1;, bzw. L&sub2; bezeichnet wird, der Widerstandswert der Widerstände 21, 22 mit R und die Spannung bzw. die Frequenz des Erregeroszillators 24 mit V bzw. f bezeichnet werden, der in der Brückenschaltung A-B-C fließende elektrische Strom i&sub1; und der in der Brückenschaltung A-B'-C fließende elektrische Strom i&sub2; gegeben ist durch:
und das elektrische Potential V&sub1; am Punkt B ist gegeben durch: V&sub1; = i&sub1; R, das elektrische Potential V&sub2; am Punkt B' ist gegeben durch V&sub2; = i&sub2; R; daher ist die Potentialdifferenz zwischen B-B' gegeben durch:
V&sub1; - V&sub2; d.h.
und diese wird vom Differentialverstärker 25 aufgenommen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten elektrischen Schaltung ist es eher wünschenswert, daß die Frequenz (f) des an die Spulen 15a, 15b angelegten Wechselstroms vom Erregeroszillator 24 in einem Bereich von 1 kHz - 100 kHz liegt, so daß es möglich ist, eine hohe Empfindlichkeit und geringe Hysterese in den Ausgangskennlinien zu erzielen.
Bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung wird eine aus einer Eisen-Aluminium-Legierung hergestellte Welle eingesetzt, die mindestens im Oberflächenbereich diese Legierung verwendet, welche zusammengesetzt ist aus einer fehlgeordneten Phase oder einer Mischphase, die mindestens zwei Phasen vom Typ Fe&sub3;Al enthält, wobei der Ordnungsparameter der geordneten Phase nicht mehr als 0,9 beträgt; die geordnete Phase und die fehlgeordnete Phase von Typ FeAl für die Meßwelle 12 sind die gleichen wie oben beschrieben; bei diesem Beispiel sind die konkaven Teile 13a, 13b und die konvexen Teile 14a, 14b in der Oberfläche der Meßwelle 12 mit einem Durchmesser von 20 mm angeformt. In diesem Fall ist der Niveauunterschied zwischen den konkaven Teilen 13a, 13b und den konvexen Teilen 14a, 14b an der Meßwelle 12 mit 1 mm ausgeführt. Der Niveauunterschied sollte entsprechend dem Ausmaß des Einflusses des Wirbelstroms vorgesehen werden; ein Bereich von 0,5 mm - 1,5 mm kann ausreichend sein, wenn die Frequenz des vom Erregeroszillator 24 angelegten Wechselstroms, wie oben erwähnt, in einem Bereich von 1 kHz - 100 kHz liegt.
Andrerseits kann der Abstand zwischen diesen konkaven Teilen 13a, 13b und den konvexen Teilen 14a, 14b derart festgelegt werden, daß die formbedingte magnetische Anisotropie genügend ausgeprägt ist; sowohl die konkaven Teile 13a, 13b als die konvexen Teile 14a, 14b sind in diesem Beispiel mit einem Abstand von 2 mm ausgeführt.
Was daneben die Querschnittsform der konkaven Teile 13a, 13b und der konvexen Teile 14a, 14b betrifft, so kann durch die in Fig. 6 als Muster gezeigte Ausführung mit abgerundeter Form der Kerbeinfluß reduziert und die Bearbeitbarkeit verbessert werden.
In Fig. 6 wird gezeigt, daß die konkaven Teile 13a, 13b mit abgerundeter Form ausgebildet sind und die konvexen Teile 14a, 14b eine flache Form aufweisen, doch kann es angebracht sein, falls es wünschenswert erscheint, auch die konvexen Teile 14a, 14b mit abgerundeter Form auszuführen, wodurch ein Bruch infolge des Kerbeinflusses beim Angreifen eines Drehmoments vermieden werden kann, indem beide in dieser Weide mit abgerundeter Form ausgeführt werden.
Bei der in diesem Beispiel gezeigten Drehmoment-Erfassungsvorrichtung muß die Zahl der Windungen der Spulen 15a, 15b in geeigneter Weise festgelegt werden; in diesem Fall wurden beide Spulen 15a, 15b durch Aufwickeln von 44 Windungen aus einem Kupferdraht von 0,6 mm Durchmesser hergestellt. Bezüglich der Anschlußart des Kupferdrahts in den Spulen 15a, 15b kann dadurch, daß der Draht dergestalt verbunden wird, daß das Magnetfeld der Spule 15a einerseits und dasjenige der Spule 15b andrerseits der gleichen Richtung entsprechen und die Erregung des Megnetfelds gemeinsam aufrechterhalten wird, die Ausgangsempfindlichkeit erhöht werden. Und in diesem Beispiel erfolgt die Messung des Drehmoments unter der Annahme, daß der vom Erregeroszillator 24 auf die in Fig. 5 gezeigte elektrische Schaltung gelegte Wechselstrom eine Erregerfrequenz von 10 kHz und eine elektrische Stromstärke von 100 mA aufweist.
Anschließend wurden die Ausgangskennlinien in Fig. 7 dargestellt, wobei die Meßwelle 12 in einer bestimmten Stellung unter Verwendung der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel festgehalten wurde. Wenn daraufhin bei einem Drehmoment Null der Ausgang mit dem veränderlichen Widerstand 23 in der in Fig. 5 gezeigten elektrischen Schaltung auf Null geregelt wurde, verschob sich der Nullpunkt anschließend nie mehr. Und in diesem Fall ergab sich als hervorragendes Merkmal, daß die Hysterese zu Null wurde.
Und der Ausgang war wie in Fig. 8 gezeigt, wenn die Meßwelle 12 gedreht wurde. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, besteht bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 11 die drehungsbedingte Verschiebung des Nullpunkts überhaupt nicht, da der Mittelwert der Permeabilitätsänderung über den gesamten Umfang der Meßwelle 12 erfaßt wird; daher ergibt sich die dem angreifenden Drehmoment entsprechende drehungsbedingte Verschiebung des Ausgangs überhaupt nicht, selbst wenn ein Drehmoment anliegt. Außerdem zeigen Fig. 8 und Fig. 10 ein Diagramm, welches die Versuchsergebnisse zeigt, wenn die Meßwelle aus der Eisen-Aluminium-Legierung hergestellt ist, die im Gewichtsanteil 14% Al enthält und eine geordnete Phase und eine fehlgeordnete Phase vom Typ Fe&sub3;Al umfaßt, und wobei der Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al 0,3 ist.
Tabelle 2 zeigt Beispiele der chemischen Zusammensetzungen der Meßwelle. Ein Drehmoment-Meßversuch wurde durchgeführt unter Verwendung der in Tabelle 2 gezeigten Meßwelle und unter den oben genannten Bedingungen, d.h. der Durchmesser der Welle beträgt 20 mm, das Antriebs-Drehmoment ist ± 10 Nm (1 kgf m). Tabelle 2 Chemische Zusammensetzung (% im Gewichtsanteil) Sonstige Wärmebehandlung Empfindlichkeit (V/10 Nm) V/kgf m Hysterese (%) Beispiel Vergleichs-Beispiel Ölkühlung Abkühlung Vakuum Kühlung Abkühlzeit
Die Drehmoment-Erfassungsvorrichtung 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zur Verbesserung der Ausgangsempfindlichkeit ausgelegt durch die Verwendung des Jochs 17, welches aus einem Material mit hoher Permeabilität wie z.B. einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt ist, um dadurch die Streuverluste der magnetischen Kraftlinien zu reduzieren, doch braucht das Joch 17 nicht immer im Hinblick auf den Abgleich mit dem Erregungsstrom verwendet zu werden.
Außerdem wird die Änderung der Permeabilität eines Paars der konkaven Teile 13a, 13b und der konvexen Teile 14a, 14b aufgrund des an der Meßwelle 12 angreifenden Drehmoments als Änderung der Induktanz von zwei Spulen 15a, 15b erfaßt und durch die Wechselstrombrücke über den Differentialverstärker 25 gemessen, doch ist die Meßwelle 12 mit der genannten Struktur für eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung verwendbar, die mit einer Erregerspule und einer Meßspule ausgestattet ist.
Wie oben mit Bezugnahme auf Beispiel 2 erwähnt, ist bei der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung mit der Meßwelle und der Spule zur Bildung des Magnetkreises, welcher die Meßwelle als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, durch die Erfassung einer durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente die Hysterese sehr gering, und eine genaue Drehmomentmessung ist möglich, da die Meßwelle aus einer Eisen-Aluminium-Legierung hergestellt ist, die aus der fehlgeordneten Phase oder der Mischphase zusammengesetzt ist, welche mindestens zwei Phasen aus der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al, der geordneten Phase und der fehlgeordneten Phase vom Typ FeAl enthält, und wobei der Ordnungsparameter der geordneten Phase vom Typ Fe&sub3;Al nicht mehr als 0,9 ist; darüber hinaus besteht die Ausgangsschwankung aufgrund der Drehung der Meßwelle überhaupt nicht, da die Änderung des Magnetismus aufgrund des an der Meßwelle angreifenden Drehmoments über den gesamten Umfang dieser Meßwelle erfaßt wird, so daß sich der beachtliche Vorteil ergibt, daß z.B. das Drehmoment der sich mit hoher Drehzahl drehenden Meßwelle genau gemessen werden kann. Und wenn die formbedingte magnetische Anisotropie durch die Ausbildung der konkaven und/oder der konvexen Teile an der Meßwelle gegeben ist, kann der Nullpunkt des Ausgangs feststehend gehalten werden, selbst wenn sich die Permeabilität der Meßwelle aufgrund einer Temperaturschwankung ändert, indem die Differenz zwischen den beiden ein Paar bildenden konkaven und konvexen Teilen mit entgegengesetzter Neigung erfaßt wird; außerdem kann somit eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung geschaffen werden, welche die hervorragende Eigenschaft besitzt, daß z.B. die Einrichtung zur Erfassung des Drehmoments sehr kompakt aufgebaut werden kann, ohne eine Kupplung zu benötigen, da die Kraftübertragungswelle direkt als Meßwelle der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung verwendet werden kann.

Claims

1. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung mit einer Meßwelle (2, 12), einer Einrichtung zur Ausbildung eines magnetischen Kreises, welcher die Meßwelle (2, 12) als Teil des magnetischen Flußwegs des Kreises enthält, und einer Einrichtung (6) zum Erfassen einer durch die Meßwelle (2, 12) verlaufenden Magnetostriktionskomponente, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil der Meßwelle (2, 12), der sich in dem magnetischen Flußweg befindet, aus einem Stahl hergestellt ist, welcher im prozentualen Gewichtsanteil von 0,1 bis 0,5% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 2,0% Mn sowie eines oder beides von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr enthält, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht.

2. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gesamtmenge von Ni und Cr in der Meßwelle (2) im Bereich von 1,5 bis 4,0% liegt.

3. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meßwelle (2, 12) aufgekohlt ist und der Anteil von C in der aufgekohlten Schicht zwischen mehr als 0,1% und nicht mehr als 1,5% beträgt.

4. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung mit einer Meßwelle (2, 12), einer Einrichtung zur Ausbildung eines magnetischen Kreises, welcher die Meßwelle (2, 12) als Teil des magnetischen Flußwegs des Kreises enthält, und einer Einrichtung (6) zum Erfassen einer durch die Meßwelle (2, 12) verlaufenden Magnetostriktionskomponente, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil der Meßwelle (2, 12), der sich in dem magnetischen Flußweg befindet, aus einem Stahl hergestellt ist, welcher im prozentualen Gewichtsanteil von 0,1 bis 1,5% C, nicht mehr als 2,0% Si, nicht mehr als 2,0% Mn und eines oder beides von nicht mehr als 5,0% Ni und nicht mehr als 5,0% Cr sowie mindestens eines von nicht mehr als 1,0% Cu, nicht mehr als 1,0% Mo, nicht mehr als 0,5% B, nicht mehr als 0,5% W, nicht mehr als 0,5% V, nicht mehr als 0,5% Ti, nicht mehr als 0,5% Nb, nicht mehr als 0,5% Ta, nicht mehr als 0,5% Zr, nicht mehr als 0,5% Hf, nicht mehr als 0,1% Al und nicht mehr als 0,1% N enthält, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht.

5. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Gesamtmenge von Ni und Cr in der Meßwelle (2, 12) im Bereich von 1,5 bis 4,0% liegt.

6. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Meßwelle (2, 12) aufgekohlt ist und der Anteil von C in der aufgekohlten Schicht zwischen mehr als 0,1% und nicht mehr als 1,5% beträgt.

7. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Meßwelle (2, 12) mindestens eines von nicht mehr als 1,0% Pb, nicht mehr als 0,5% Ca, nicht mehr als 0,5% Se, nicht mehr als 0,5% Te, nicht mehr als 0,5% Bi und nicht mehr als 0,5% S enthält.

8. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Meßwelle (12) mit konkaven Teilen (13a,b) und konvexen Teilen (14a,b) ausgebildet ist, welche unter einem vorbestimmten Winkel bezogen auf ihre Achse in der Oberfläche derselben verlaufen.

9. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei diese Vorrichtung eine Erregerspule (5) zum Ausbilden des magnetischen Kreises, welcher die Meßwelle (2, 12) als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, sowie eine Meßspule (6) als Mittel zum Erfassen der Magnetostriktionskomponente enthält, welche durch die Meßwelle verläuft.

10. Drehmoment-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Erregerspule (4) als Mittel zum Ausbilden des magnetischen Kreises, welcher die Meßwelle (2, 12) als Teil des magnetischen Flußwegs einbezieht, und die Meßspule (5) als Mittel zum Erfassen der durch die Meßwelle verlaufenden Magnetostriktionskomponente aus einer gemeinsamen Spule gebildet sind.