DE68905755T2 - Drehmomentmessfühler. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Drehmomentsensoren und insbesondere einen kompakten und zuverlässigen Drehmomentmeßfühler, der speziell auf die Verwendung in einem Kfz- Servolenksystem zugeschnitten ist.
• Herkömmliche Kfz-Servolenksysteme verwenden einen Drehmomentmeßfühler, um das auf die Lenkspindel eines Fahrzeugs aufgebrachte Drehmoment zu erfassen. Sie liefern ein Steuersignal, das dem Drehmoment entspricht, um den Betrieb eines Motors zu regeln, damit ein gewünschter Grad eines Hilfsdrehmoments auf die Lenkspindel aufgebracht wird. Ähnliche Drehmomentmeßfühler werden in einer Vielzahl von anderen Drehmomentmeß- und Steueranwendungen verwendet, wobei solche Meßfühler Dehnungs- Drehmomenterfassungssysteme, magnetische Streuflußsysteme, hydraulische Systeme und ähnliches umfassen. Bei den meisten zur Zeit verwendeten Kfz-Lenksystemen umfaßt der Drehmomentmeßfühler ein Drehmomentübertragungsglied oder einen Stab, der sich unter einem anfangs aufgebrachten Drehmoment relativ leicht verwindet, um eine Steuerbewegung bereitzustellen, und Totgangmittel umfaßt, die eingreifen, nachdem ein vorbestimmter Verwindungsgrad aufgetreten ist, um zuverlässig jedes zusätzlich aufgebrachte Drehmoment zu übertragen, während auch der Drehmomentstab vor Beschädigung geschützt wird. Bei den typischerweise verwendeten Kfz-Lenksystemen regelt der Grad der in dem Drehmomentstab bereitgestellten Verwindung ein Hydrauliksystem, um an die Lenkspindel den gewünschten Grad an Hilfsdrehmoment zu liefern. Der vermehrte Einsatz von Computersteuerungen für Kfz-Motorsystemen führte jedoch zu einem größeren Bedarf an elektrischen Drehmomentmeßfühlern, die elektromagnetische Drehmomenterfassungsmittel und ähnliches verwenden, die mit Computermotorsteuerungen besser kompatibel sind. Viele solche elektrische Systeme sind nun vorgeschlagen worden. Ein Drehmomentmeßfühler, der einen magnetischen Streufluß verwendet, wurde unter vielen Aspekten als wünschenswert angesehen, aber es stellt sich auch heraus, daß er relativ teuer in der Herstellung und relativ empfindlich gegenüber Schwankungen in der axialen Ausrichtung der Bauteile der Vorrichtung sowie gegenüber anderen Faktoren ist, die vom Hersteller schwer zu kontrollieren sind. Es wäre wünschenswert, wenn ein zuverlässigerer und kostengünstigerer Drehmomentmeßfühler insbesondere zur Verwendung bei Kfz-Servolenksystemen vorgesehen werden könnte.
• Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, einen neuen und verbesserten Drehmomentmeßfühler zu schaffen, der eine verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei seiner Verwendung zeigt; eine solche Vorrichtung bereitzustellen, die eine relativ begrenzte Anzahl von leicht zusammengebauten und ausgerichteten Bauteilen umfaßt; eine solche Vorrichtung bereitzustellen, die leicht und ökonomisch herzustellen ist; sowie eine Vorrichtung zu liefern, die kompakt, robust und besonders zur Verwendung bei Kfz-Servolenksystemen geeignet ist.
• In Fig. 5a der US-A-2 482 477 ist ein magnetischer Drehmomentmeßfühler mit ferromagnetischen Elementen gezeigt, die an den jeweiligen Enden einer Drehmomentwelle befestigt sind, wobei jedes Element Finger hat, die mit den Fingern an dem andere Element verschachtelt sind. Der Abstand zwischen den beiden Sätzen von Fingern hängt von der Größe der Verwindung in der Drehmomentwelle ab, und die Änderung des Abstands wird durch magnetische Meßspulen erfaßt, die jeweils mit den Elementen gekoppelt sind, wobei eine durch einen Wechselstrom betriebene Erregerspule mit einem der Elemente gekoppelt ist.
• Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, einen neuen und verbesserten Drehmomentmeßfühler vorzusehen, einen elektrischen Drehmomentmeßfühler, der eine verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Verwendung zeigt; eine solche Vorrichtung vorzusehen, die eine relativ begrenzte Anzahl von leicht zusammenzubauenden und auszurichtenden Bauteilen umfaßt; eine solche Vorrichtung vorzusehen, die leicht und ökonomisch herzustellen ist, sowie eine solche Vorrichtung vorzusehen, die kompakt, robust und besonders zur Verwendung bei Kfz-Servolenksystemen geeignet ist.
• Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Drehmomentmeßfühler vorgesehen, enthaltend
• ein Drehmomentübertragungsglied mit einem Ende, das relativ zu einem entgegengesetzten Ende in Reaktion auf ein aufgebrachtes Drehmoment, das das Glied in einem Maße verwindet, das für das aufgebrachte Drehmoment steht, um eine Achse des Gliedes drehbar ist,
• erste und zweite ferromagnetische Elemente, die an den jeweiligen Enden des Gliedes angebracht sind und sich mit ihnen drehen, wobei jedes Element eine Anzahl von Abschnitten aufweist, die sich zu dem anderen Element hin erstrecken und um die Achse des Gliedes im Abstand angeordnet sind, um eine Anzahl von ausgewählten Diskontinuitäten zu bilden, wobei sich jede Diskontinuität zwichen einem Abschnitt des ersten Elements und einem Abschnitt des zweiten Elements befindet, sowie um zwischen den Elementen eine von der Diskontinuität abhängige magnetische Kopplung zu bilden, wobei sich die Diskontinuitäten und damit die magnetischen Kopplungen ändern, wenn sich die Enden des Drehmomentübertragungsgliedes relativ zueinander drehen,
• wobei die Anzahl der Diskontinuitäten in eine erste und eine zweite Anzahl von Diskontinuitäten unterteilt ist, wobei die magnetischen Kopplungen der ersten Anzahl zunehmen und die der zweiten Anzahl abnehmen, wenn das Glied in eine Richtung verwunden wird, und die magnetischen Kopplungen der ersten Anzahl abnehmen und die der zweiten Anzahl zunehmen, wenn das Element in die andere Richtung verwunden wird,
• eine Erregerspule zum Erzeugen eines magnetischen Flusses sowie
• eine erste und eine zweite Meßspule, die mit dem magnetischen Fluß in dem ersten bzw. dem zweiten ferromagnetischen Element gekoppelt sind, wobei die Spulen in Differenz schaltung verbunden sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das das aufgebrachte Drehmoment angibt,
• dadurch gekennzeichnet, daß
• sich die erste und die zweite Anzahl von Diskontinuitäten jeweils an entgegengesetzten Seiten einer Ebene befindet, die sich quer durch die Achse des Gliedes erstreckt und die Meßeinrichtung in zwei Teile unterteilt, und die Erregerspule so angeordnet ist, daß sie in den Abschnitten der beiden Elemente, die sich durch die Ebene erstrecken, einen magnetischen Fluß induziert, wobei etwas von diesem Fluß über Diskontinuitäten zwischen dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Element gekoppelt ist,
• daß deshalb der Fluß, mit dem jede Meßspule gekoppelt ist, sowohl den durch die Erregerspule direkt in das entsprechende ferromagnetische Element induzierten Fluß umfaßt als auch den Fluß, der in jenes entsprechende Element von dem anderen ferromagnetischen Element über Diskontinuitäten der ersten und der zweiten Anzahl gekoppelt ist.
• Der Drehmomentmeßfühler kann Totganghülsenbauteile oder ähnliches aufweisen, die um die Enden des Drehmomentübertragungsgliedes eingepaßt und daran befestigt sind, so daß sie kompakt in der Vorrichtung für eine relative Drehung mit den Enden des Gliedes untergebracht sind. Die Totganghülsenbauteile weisen bevorzugt jeweils Abschnitte auf, die sich entlang der Welle des Gliedes erstrecken, um an entsprechenden Abschnitten des anderen Totganghülsenbauteiles anzugreifen, nachdem eine vorbestimmte Größe einer Relativdrehung der Enden des Drehmomentübertragungsgliedes aufgetreten ist. Dieser Eingriff begrenzt im wesentlichen eine weitere Verwindung des Gliedes, um es vor Beschädigung zu schützen, während auch jedes zusätzliche Drehmoment übertragen wird, das auf das Glied aufgebracht werden kann.
• Bei einem Beispiel eines Drehmomentmeßfühlers sind zwei ferromagnetische Elemente zur Drehung mit den Enden des Drehmomentübertragungsgliedes an den Totganghülsenbauteilen oder ähnlichem gesichert, und jedes Element weist Abschnitte auf, die um die Achse des Gliedes herum im Abstand angeordnet sind und sich längs der Achse des Gliedes in eine verschachtelte Beziehung mit entsprechenden Abschnitten des anderen ferromagnetischen Elements erstrecken. Die sich erstreckenden Elementabschnitte sind so angeordnet, daß sie Paare der Abschnitte von den jeweiligen Elementen an jeder der beiden Seiten einer Ebene bilden, die sich quer über die Achse des Drehmomentübertragungsgliedes erstreckt. Diese Paare von beabstandeten Elementabschnitten sind normalerweise so angeordnet, daß sie eine erste Diskontinuität wie einen relativ engen Abstand zwischen ihnen aufweisen, und die ferromagnetischen Elemente sind so angeordnet, daß sie auf eine Drehung der Enden des Drehmomentübertragungsgliedes ansprechen, um die Diskontinuität oder den Abstand zwischen den Paaren von Elementabschnitten an einer Seite der erwähnten Ebene proportional zu erhöhen und die Diskontinuität oder den Abstand zwischen den Paaren von Elementabschnitten an den entgegengesetzten Seiten der Ebene proportional zu senken. Auf diese Weise sind die zwei ferromagnetischen Elemente leicht herzustellen und leicht zueinander auszurichten, um die gewünschten Diskontinuitäten oder Abstände dazwischen richtig bereitzustellen. Eine Magnetfelderregungsspule ist um die sich erstreckenden Abschnitte der ferromagnetischen Elemente herum angeordnet und kann so erregt werden, daß sie ein Magnetfeld in den Elementen induziert, um einen magnetischen Fluß an den Stellen der Diskontinuitäten oder Abstände zwischen den Paaren von Elementabschnitten an jeder Seite der erwähnten Ebene zu erzeugen, wobei die Größe des Streuflusses für den Grad der Diskontinuität steht. Zwei Meßspulen sind auch an entgeqengesetzten Seiten der erwähnten Ebene um die sich erstrekkenden Abschnitte der Elemente angeordnet, um mit dem magnetischen Fluß gekoppelt zu werden, wobei die Meßspulen differenzgekoppelt sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das einem aufgebrachten Drehmoment entspricht.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist z.B. jedes ferromagnetische Element einen Hülsenteil auf, der im Preßsitz an einem Totganghülsenbauteil befestigt ist. Jedes Element weist eine erste Anzahl von Elementabschnitten einer ausgewählten Länge sowie eine zweite Anzahl von Elementabschnitten mit relativ größerer Länge auf, die abwechselnd zueinander im Abstand um den Umfang des Hülsenteils angeordnet sind, um sich längs der Achse des Drehmomentübertragungsgliedes zu erstrecken. Die Elementabschnitte an jedem Elementhülsenteil sind in einer Anzahl von Paaren gruppiert, die jeweils einen Elementabschnitt jeder Länge in zueinander dicht beabstandeter, nebeneinanderliegender Beziehung aufweisen, wobei zwischen angrenzenden Paaren der Elementabschnitte um den Hülsenumfang ein relativ größerer Abstand liegt. Bei dieser Anordnung können die ferromagnetischen Elemente leicht hergestellt und montiert werden, wobei die sich erstreckenden Abschnitte der zwei Elemente verschachtelt sind, um wie oben beschrieben genau die gewünschten Diskontinuitäten an jeder Seite der erwähnten Ebene zu bilden. D.h., die distalen Enden der sich erstreckenden Elementabschnitte mit unterschiedlicher Länge an einem ferromagnetischen Element sind in einer gewünschten, dicht beabstandeten, nebeneinanderliegenden Beziehung zu den distalen Enden der jeweiligen, sich erstrekkenden Elementabschnitte mit der anderen Länge an dem anderen Element angeordnet, um wie oben beschrieben die gewünschten Diskontinuitätsabstände zu liefern, wobei die abwechselnde Beabstandung der sich erstreckenden Elementabschnitte mit unterschiedlicher Länge dazu dient, die Anzahl von Diskontinuitätsabständen an jeder Seite der erwähnten Ebene präzise bereitzustellen. Die Erreger- und die Meßspule sind ebenfalls bevorzugt nebeneinander an einer gemeinsamen Spule befestigt, und die Spule ist an den ferromagnetischen Elementen über Lager befestigt, die kompakt in einer dicht beabstandeten Beziehung zu den erwähnten Diskontinuitäten positioniert sind, damit sie mit dem magnetischen Fluß gekoppelt sind, der an solchen Diskontinuitäten auftritt, während wie oben erwähnt den ferromagnetischen Elementen auch eine Relativdrehung ermöglicht wird. Die Lager sind bevorzugt elektrisch leitend und bilden eine magnetische Abschirmung, die sich um die Außenflächen der Spulen erstreckt, um die Ausbildung des gewünschten Magnetfelds zu erleichtern und die Spulen gegen äußere Magnetfeldeinwirkungen abzuschirmen.
• Weitere Aufgaben, Vorteile und Einzelheiten des neuen und verbesserten Drehmomentmeßfühlers dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die sich auf die Zeichnungen bezieht; darin zeigen
• Fig. 1 eine seitliche Aufrißansicht eines Drehmomentmeßfühlers nach der Erfindung;
• Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 von Fig. 1;
• Fig. 3 die Abwicklung der ferromagnetischen Elemente der in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung;
• Fig. 4 eine Fig. 3 ähnliche Abwicklung, die eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt; und
• Fig. 5 eine schematische Ansicht, die die Verwendung des Drehmomentmeßfühlers nach der Erfindung bei einem Kfz-Servolenksystem veranschaulicht.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnung gibt die Bezugszahl 10 in Fig. 1 und 2 den neuen und verbesserten Drehmomentmeßfühler dieser Erfindung an, der zum Anschluß in einem Kfz-Lenksystem gezeigt ist, indem beispielsweise ein Eingangswellenende 12 der Vorrichtung in herkömmlicher Weise mit einer Fahrzeuglenkspindel oder ähnlichem verbunden ist, die im Schaubild in Fig. 1 durch die gestrichelten Linien 14 angedeutet ist, und ein entgegengesetztes oder Augangswellenende 16 der Vorrichtung mit einer Lenkstange oder ähnlichem verbunden ist, was im Diagramm durch die gestrichelten Linien 18 angedeutet ist, wobei die Ausgangswelle typischerweise auch Getriebemittel oder ähnliches umfaßt, die in Fig. 2 mit 20 angedeutet sind und von einem Motor angetrieben werden können, der in Fig. 1 schematisch bei 22 angedeutet ist, um als Hilfe beim Drehen der Räder des Fahrzeugs ein zusätzliches Drehmoment zu liefern, wie leicht zu verstehen ist. Bei dieser Anordnung ist der Drehmomentmeßfühler 10 in der Lage, ein durch die Lenkspindel des Fahrzeugs auf die Vorrichtung aufgebrachtes Drehmoment zu erfassen, wie dies durch den Pfeil 24 in Fig. 1 angedeutet ist, um ein elektrisches Ausgangssignal von der Vorrichtung zum Regeln des Betriebs des Motors zu liefern, um ein gewünschtes Hilfsdrehmoment zu liefern, wie dies durch den Pfeil 26 angedeutet ist. Es versteht sich, daß der Drehmomentmeßfühler der Erfindung auch zur Verwendung bei anderen Anwendungen innerhalb des Bereichs dieser Erfindung geeignet ist.
• Erfindungsgemäß weist der Drehmomentmeßfühler 12 ein Drehmomentübertragungsglied oder einen Drehmomentstab 28 auf, der aus einem geeignet festen Material ausgebildet ist, so daß dann, wenn ein ausgewähltes Drehmoment oder eine Drehkraft auf das Eingangswellenende 29 des Gliedes aufgebracht wird, das Ende des Gliedes sich um die Gliedachse 30 bezüglich des entgegengesetzten Endes 31 des Gliedes in einem Maße dreht, das zu der Größe oder dem Grad des aufgebrachten Drehmoments proportional ist. Das Glied besteht gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, aus einem festen und steifelastischem Metallmaterial wie Edelstahl oder ähnlichem und weist typischerweise, aber nicht notwendigerweise, einige ferromagnetische Eigenschaften auf.
• Zwei Totganghülsenbauteile 34 bzw. 36 sind jeweils an einem Ende des Gliedes 28 zur Drehung mit den Enden des Gliedes befestigt. Die Bohrungen 34.1 und 36.1 in den Bauteilen sind bevorzugt eng über die Enden des Gliedes eingepaßt, und Antriebsstifte 38 oder andere herkömmliche Mittel sichern die Bauteile gewöhnlich beim Zusammenbau der Vorrichtung an dem Glied. Die Totganghülsenbauteile weisen bevorzugt einen Hülsenteil 34.2, 36.2 auf sowie eine Anzahl von Streifenabschnitten 34.3, 36.3 oder ähnlichem, die um den Umfang der Hülsenteile im Abstand angeordnet sind, um sich längs der Achse 30 des Gliedes 28 so zu erstrecken, daß sie mit entsprechenden Abschnitten des anderen Bauteils verschachtelt sind und an ihnen angreifen, wenn die Bauteile einem ausgewählten Grad einer Relativdrehung zueinander unterzogen wurden. Die sich erstreckenden Abschnitte 34.3 sind bevorzugt um einen ersten, ausgewählten Durchmesser des Hülsenteils 34.2 herum im Abstand angeordnet, und die sich erstreckenden Abschnitte 36.3 sind wie in Fig. 2 gezeigt um einen größeren Durchmesser des Hülsenteils 36.2 im Abstand angeordnet; und die Streifenabschnitte weisen jeweils Zähne oder Erhebungen 34.4, 36.4 auf, die miteinander in Eingriff gelangen können, wenn entgegengesetzte Enden des Gliedes 28 bis zu einem vorbestimmten Grad wie 7º gedreht worden sind. Dieser Eingriff dient dann dazu, die zusätzliche Relativdrehung der Enden des Drehmomentübertragungsglieds im wesentlichen zu beschränken, um das Glied vor Beschädigung zu schützen, während sichergestellt ist, daß jedes von der Welle 14 zusätzlich aufgebrachte Drehmoment zu dem Ausgangsende 16 des Drehmomentmeßfühlers übertragen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Lager 40 mit Dauerschmierung zwischen die Streifen oder die sich erstreckenden Abschnitte der Totgangbauteile eingepaßt, um einen glatten Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten. Die Streifen sind bevorzugt so positioniert, daß ein Nutenbereich 42 um die Streifen eine Hülse 44 aus Messing oder einem anderen elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material dicht um die Streifen und das Drehmomentübertragungsglied 28 aufnehmen kann.
• Zwei ferromagnetische Elemente 46, 48 sind jeweils an einem Hülsenbauteil 34, 36 befestigt und an den Bauteilen drehfest gesichert. Jedes Element ist aus einem magnetischen Material mit hoher Permeabilität gebildet, wie aus kaltgewalztem Stahl oder der "Legierung 49", die eine Nennzusammensetzung von 49 Gew.% Nickel, Rest Eisen hat. Die ferromagnetischen Elemente weisen bevorzugt jeweils einen Hülsenteil 46.1, 48.1 auf, der im Preßsitz oder auf eine andere herkömmliche Weise fest an einem Totganghülsenbauteil befestigt sind, und jedes Element weist eine Anzahl von im Abstand angeordneten Abschnitten auf, die um die Achse 30 des Drehmomentübertragungsgliedes so angeordnet sind, daß sie sich von den Hülsenteilen längs der Achse des Gliedes in eine verschachtelte Beziehung mit entsprechenden, sich erstreckenden Abschnitten des anderen ferromagnetischen Elements erstrecken. Die sich erstreckenden Elementabschnitte sind so angeordnet, daß sie jeweils eine Anzahl von Paaren der Abschnitte aus den Elementen an jeder der beiden Seiten einer Ebene 50 bilden, die sich quer durch die Achse 30 zwischen den Enden des Drehmomentübertragungsgliedes erstreckt. Diese Anordnung ergibt ausgewählte, enge Abstände oder Diskontinuitäten zwischen den Elementabschnitten in diesen Paaren an diesen Stellen.
• Wie in der teilweisen Abwicklungsansicht der ferromagnetischen Elemente 46, 48 in Fig. 3 gezeigt, ist z.B. bevorzugt eine Anzahl erster Elementabschnitte 46.2 mit ausgewählter Länge in Abständen um den Umfang des Hüsenteils 46.1 angeordnet, und eine zweite Anzahl von anderen, sich erstreckenden Elementabschnitten 46.3 mit relativ größerer Länge sind um den Umfang des Hülsenteils in abwechselnder Beziehung mit den sich erstreckenden Abschnitten 46.2 angeordnet. Paare aus diesen sich erstreckenden Abschnitten sind in Fig. 3 wie bei a angegeben in einer relativ dicht beabstandeten, nebeneinanderliegenden Beziehung angeordnet, wie dies bei b angegeben ist, und ein relativ viel größerer Abstand c ist zwischen benachbarten Paaren der sich erstreckenden Abschnitte in jedem Element vorgesehen. Entsprechende Elementabschnitte 48.2, 48.3 mit entsprechenden Längen und Abständen sind an dem anderen ferromagnetischen Element vorgesehen. Bei dieser Anordnung sind die sich erstreckenden Abschnitte der Elemente leicht verschachtelt, um die gewünschten Diskontinuitäten oder Abstände an jeder Seite der Ebene 50 bereitzustellen. D.h., die distalen Enden der Elementabschnitte 46.2 mit der ausgewählten Länge sind normalerweise in einer überlappenden oder nebeneinanderliegenden Beziehung zu den distalen Enden der Elementabschnitte 48.3 mit relativ größerer Länge angeordnet, um Diskontinuitäten oder enge Abstände d zwischen Paaren aus jeweils diesen Elementabschnitten an einer Seite der Ebene 50 vorzusehen. Ebenso sehen die distalen Enden der Elementabschnitte 46.3 und 48.2 Diskontinuitäten oder Abstände e zwischen entsprechenden Paaren der jeweiligen Elementabschnitte an der entgegengesetzten Seite der Ebene 50 vor. Die ferromagnetischen Elemente sind so angeordnet, daß die Abstände d und e anfänglich gleich sind, aber daß eine Relativdrehung der ferromagnetischen Elemente, wie sie in Fig. 3 durch die Pfeile 52 und 54 angegeben ist, die Abstände e vergrößern kann, während die Abstände d vermindert werden, wobei die anfängliche Größe des Abstandes so gewählt ist, daß ein gewünschter Grad an Relativdrehung der Glieder (wie 7º) zugelassen wird. Die Anordnung sieht auch vor, daß die anderen, zwischen den sich erstreckenden Abschnitten der ferromagnetischen Elemente in jedem Element vorgesehenen Abstände f und g relativ viel größer sind.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Ringlager 56 oder ähnliches, die bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material wie aus einem porösen, mit einem Schmiermittel gefüllten Messingpulverpreßkörper geformt sind, eng um die ferromagnetischen Elemente 46 bzw. 48 eingepaßt. Die Elemente weisen bevorzugt Flansche 46.4, 48.4 zum Anbringen der Lager auf. Ein Spulenkörper 58, der bevorzugt aus einem relativ starren, elektrisch isolierenden und nichtmagnetischen Material wie einem glasgefüllten Harz oder ähnlichem geformt ist, weist eine dicht um die ferromagnetischen Elemente passende, zentrale Bohrung 58.1 sowie Gegenbohrungen 58.2 auf, um die Lager 56 darin aufzunehmen. Der Spulenkörper weist auch drei darin ausgeformte Umfangsnuten auf.
• Erfindungsgemäß ist eine Magnetfelderregungs- oder Primärtransformatorspule 60 innerhalb der zentralen Spulenkörpernut 58.3 gewickelt, die elektrisch erregt werden kann, um ein Magnetfeld in den ferromagnetischen Elementen 46, 48 aufzubauen, wobei dieses Feld ausreicht, um einen beträchtlichen magnetischen Fluß an den Stellen der Diskontinuitäten oder Abstände d und e zwischen den Paaren von Elementabschnitten vorzusehen. Was dies betrifft, so ist es wohlbekannt, daß beim Aufbau eines Magnetfeldes in einem Kernglied oder ähnlichem ein gewisser Grad an magnetischem Streufluß angrenzend an die Flächen der Kernelemente an den Stellen irgendwelcher Räume oder Diskontinuitäten in der Oberfläche des Kerngliedes aufgebaut wird, wobei dieser magnetische Streufluß proportional dem Grad der Diskontinuität oder der Größe des Abstandes ist oder dafür steht. Da ein solches magnetisches Streufluß-System bekannt ist und in vielerlei Typen von Diskontinuitäterfassungssystemen und ähnlichem weitverbreitet oder für diese Verwendung vorgeschlagen ist, wird es hier nicht weiter beschrieben, und es versteht sich, daß beim Aufbau eines Magnetfeldes durch die Erregerspule in den ferromagnetischen Elementen 46, 48, wie dies durch die gestrichelten Pfeile 62 in Fig. 3 angedeutet ist, der an den Diskontinuitäten d und e auftretende magnetische Streufluß (der in Fig. 3 bei 64 angedeutet ist) proportional zu dem Abstand an diesen Stellen ist oder dafür steht. Dementsprechend nimmt dann, wenn die ferromagnetischen Elemente 46, 48 wie oben beschrieben relativ zueinander gedreht werden, der magnetische Streufluß bei d ab, wenn der Abstand d abnimmt, und er nimmt bei e zu, wenn der Abstand bei e zunimmt. Ist diese Abnahme oder Zunahme relativ zu der Größenänderung der Diskontinuität oder dem Abstand groß, dann ändert sich die Menge des an diesen Stellen auftretenden magnetischen Streuflusses erheblich.
• Zwei Meßspulen oder Sekundärtransformatorspulen 66, 68 sind auf ähnliche Weise in den Nuten 58.4 bzw. 58.5 an den Spulenkörper gewickelt, zur Anordnung an Positionen, die jeweils auf die Paare von Diskontinuitäten oder Abstände bei d oder e ausgerichtet sind. Die Meßspulen sind mit dem an den jeweiligen Stellen der Diskontinuitäten oder Abstände d und e magnetisch gekoppelt, um Ausgangssignale zu liefern, die der Größe des magnetischen Flusses entsprechen. Nach dieser Erfindung sind die Meßspulen 66 und 68 in Differenzschaltung verbunden, so daß sie zusammenwirken und ein Ausgangssignal liefern, das demnach, wie oben erwähnt, dem auf die Vorrichtung 10 bis zu dem vorbestimmten aufgebrachten Drehmoment entspricht.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine magnetische Abschirmung 70 aus kaltgewalztem Stahl oder einem anderen magnetischen Material einen äußeren Ring 70.1 auf, der über den Außenflächen der Spulen 60, 66 und 68 liegt, sowie Endflansche 70.2, die in den Lagern 56 angebracht sind, wie dies in Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist. Bei dieser Anordnung bildet die Abschirmung ein Gehäuse, das mit den Spulen und den ferromagnetischen Elementen 46, 48 zusammenwirkt, um einen Magnetkreispfad mit niedriger Reluktanz für den Magnetkreis zu schaffen, der durch die Flußlinien 62 in Fig. 3 angegeben ist, und das Gehäuse schirmt die Spulen auch gegen äußere Magnetfelder ab. Das Gehäuse weist bevorzugt eine Öffnung 70.3 auf, so daß sich Leitungen von den Spulen aus dem Gehäuse erstrecken können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Anschlüsse 72 in dem Spulenkörper angebracht, und die Spulenleitungen sind nach Wunsch mit den Anschlüssen verbunden (was nicht gezeigt ist). Ein einstellbarer Lappen 74 oder ähnliches ist auch bevorzugt aus dem Gehäusematerial gebogen und kann zu der Spule 68 oder von ihr weg bewegt werden, um eine Nullstellung der Vorrichtung 10 einzustellen. Wie in Fig. 5 gezeigt, erstrecken sich bevorzugt Leitungen 76 von den Meßspulen und Leitungen 78 von der Erregerspule zu einer Schaltung zum Formen eines Ausgangssignals irgendeines herkömmlichen Typs wie einer integrierten Schaltung, die in Fig. 5 schematisch bei 80 angedeutet ist, wodurch ein Ausgangssignal geliefert wird, wie dies in Fig. 5 bei 82 angedeutet ist. Die Signalformungseinrichtung 80 läßt sich an dem Gehäuse 70 der Vorrichtung anbringen, wie dies in Fig. 2 bei 70a schematisch angedeutet ist, oder, falls gewünscht, an einem getrennten Träger.
• Bei dieser Anordnung sind dann, wenn die Erregerspule 60 einen Treiberimpuls von der Signalformungseinrichtung 80 erhält, um das Magnetfeld 62 aufzubauen, wenn kein Drehmoment auf die Lenkspindel 14 des Fahrzeugs aufgebracht wird, die Abstände d und e gleich. Dementsprechend wird das Ausgangssignal der in Differenzschaltung verbundenen Meßspulen an einer Nullstelle sein. Wenn jedoch ein Drehmoment bis zu einem vorbestimmten Drehmomentniveau auf die Lenkspindel des Fahrzeugs aufgebracht wird, dann werden die ferromagnetischen Elemente 46 und 48 relativ zueinander gedreht, so daß sich wie oben erwähnt die Abstände zwischen den ferromagnetischen Elementabschnitten bei d und e ändern, um eine Änderung in dem mit den jeweiligen Meßspulen gekoppelten magnetischen Streufluß zu liefern. Die Lager 56 lassen eine solche Relativdrehung der ferromagnetischen Elemente zu, während sie die Meßspulen genau auf die Diskontinuitäten oder Abstände an den Stellen d und e ausgerichtet halten. Dementsprechend liefern die in Differenzschaltung verbundenen Spulen ein Eingangssignal zu dem Signalformer 80 der Schaltung, um ein Ausgangssignal von dem Signalformer bereitzustellen, das dem aufgebrachten Drehmoment entspricht. Die leitende Hülse 44 dient dazu, den an den Abständen d und e auftretenden magnetischen Streufluß wirksam gegen jegliche ferromagnetische Effekte zu isolieren, die an Diskontinuitäten oder ähnlichem an den Flächen des Drehmomentstabes 28 selbst oder an den Totgang-Keilnuten oder ähnlichem liegen können, so daß die an den Abständen d und e auftretende Flußänderung durch die Meßspulen 66 und 68 genau gemessen oder erfaßt wird. Ebenso stellen die elektrisch leitenden Lager 56 sicher, daß kein bedeutsamer magnetischer Streuf luß an der Befestigung der Abschirmung 70 an der Stelle der Lager auftritt. Wird irgendein zusätzliches Drehmoment aufgebracht, dann greifen die Totgangbauteile 34 und 46 ein und begrenzen eine weitere Relativdrehung des Drehmomentgliedes 28, um dieses vor einer Beschädigung zu schützen, während sichergestellt ist, daß das zusätzliche Drehmoment zu dem Ausgangswellenende der Vorrichtung übertragen wird. Die Meßvorrichtung 10 ist kompakt, robust und ökonomisch aufgebaut. Darüberhinaus verwendet sie eine sehr geringe Zahl von Bauteilen, um das Ausgangssignal des Differenztyps zu liefern, so daß die Vorrichtung leicht und ökonomisch bei einem hohen Grad von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit zusammengebaut werden kann.
• Bei einer weiteren, alternativen Ausführungsform sind die ferromagnetischen Elemente 46, 48 durch entsprechende Elemente 84 bzw. 86 ersetzt. Diese ferromagnetischen Elemente weisen eine andere Anordnung der sich erstreckenden Elementabschnitte auf, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. D.h., die beiden Elementabschnitte 84.2, 84.3 sind in einer Gruppe von Paaren 84a angeordnet, deren sich erstreckende Abschnitte in dicht beabstandeter Beziehung zueinander angeordnet sind, und sie sind auch in einer alternativen Gruppe von Paaren 84b angeordnet, die einen relativ größeren Abstand zwischen den Elementabschnitten aufweisen. Die sich erstreckenden Abschnitte des anderen ferromagnetischen Elements 86 weisen eine entsprechende Anordnung der sich erstreckenden Abschnitte 86.2 und 86.3 auf. Die Elemente sind dann so angeordnet, daß Paare der Elemente an ihren Spitzen teilweise aufeinander ausgerichtet sind, um Diskontinuitäten d' und e' auf entgegengesetzten Seiten der Ebene 50 zu bilden. D.h., die Spitzen der sich erstreckenden Elementabschnitte sind normalerweise so angeordnet, daß sie dazwischen Diskontinuitäten d' und e' bilden, die im wesentlichen gleich sind, und die Elemente können relativ zueinander verdreht werden, wie dies durch die Pfeile 88 und 90 in Fig. 4 angedeutet ist, so daß die Spitzen bei d mehr aufeinander ausgerichtet werden, um die Diskontinuität bei d' zu verringern, während die Spitzen bei e' weniger aufeinander ausgerichtet werden, um die Diskontinuität bei e' zu vergrößern. Bei dieser Anordnung ändert sich der bei d' und e' auftretende magnetische Streufluß ebenfalls in der oben unter Bezug auf Fig. 3 beschriebenen Weise, um auf ähnliche Art ein dem aufgebrachten Drehmoment entsprechendes Ausgangssignal zu liefern.
• Es versteht sich, daß der Drehmomentmeßfühler dieser Erfindung innerhalb ihres Rahmens auf viele verschiedene Arten hergestellt werden kann. Beispielsweise lassen sich verschiedene Totgangmittel verwenden; die ferromagnetischen Elemente, die Totgangbauteile und das Drehmomentübertragungsglied lassen sich auf vielfältige, unterschiedliche Weise verbinden; die Spulen 60, 66 und 68 können auf verschiedene Weise hergestellt und zusammengebaut werden; es sind auch innerhalb des Rahmens dieser Erfindung verschiedene weitere Mittel denkbar, um die Spulen auf dem Spulenkörper zu befestigen. Es versteht sich, daß diese Erfindung alle Änderungen und Äquivalente der beschriebenen Ausführungsformen umfaßt, die in den Rahmen der Erfindung gehören.

Claims (10)

1. Drehmomentmeßfühler, enthaltend

ein Drehmomentübertragungsglied (28) mit einem Ende (29), das relativ zu einem entgegengesetzten Ende (31) in Reaktion auf ein aufgebrachtes Drehmoment, das das Glied in einem Maße verwindet, das für das aufgebrachte Drehmoment steht, um eine Achse des Gliedes drehbar ist,

erste (46, 84) und zweite (48, 86) ferromagnetische Elemente, die an den jeweiligen Enden des Gliedes angebracht sind und sich mit ihnen drehen, wobei jedes Element eine Anzahl von Abschnitten (46.2, 46.3, 48.2, 48.3, 84.2, 84.3, 86.2, 86.3) aufweist, die sich zu dem anderen Element hin erstrecken und um die Achse des Gliedes im Abstand angeordnet sind, um eine Anzahl von ausgewählten Diskontinuitäten (64, d, e,) zu bilden, wobei sich jede Diskontinuität zwischen einem Abschnitt des ersten Elements und einem Abschnitt des zweiten Elements befindet, sowie um zwischen den Elementen eine von der Diskontinuität abhängige magnetische Kopplung zu bilden, wobei sich die Diskontinuitäten und damit die magnetischen Kopplungen ändern, wenn sich die Enden des Drehmomentübertragungsgliedes relativ zueinander drehen,

wobei die Anzahl von Diskontinuitäten in eine erste und eine zweite Anzahl von Diskontinuitäten unterteilt ist, wobei die magnetischen Kopplungen der ersten Anzahl zunehmen und die der zweiten Anzahl abnehmen, wenn das Glied in eine Richtung verwunden wird, und die magnetischen Kopplungen der ersten Anzahl abnehmen und die der zweiten Anzahl zunehmen, wenn das Glied in die andere Richtung verwunden wird,

eine Erregerspule (60) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses sowie

eine erste und eine zweite Meßspule (66, 68), die mit dem magnetischen Fluß in dem ersten bzw. dem zweiten ferromagnetischen Element gekoppelt sind, wobei die Spulen in Differenzschaltung verbunden sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das das aufgebrachte Drehmoment angibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

sich die erste und die zweite Anzahl von Diskontinuitäten jeweils an entgegengesetzten Seiten einer Ebene (50) befinden, die sich quer durch die Achse des Gliedes erstreckt und die Meßeinrichtung in zwei Teile unterteilt, und die Erregerspule (60) so angeordnet ist, daß sie in den Abschnitten der beiden Elemente, die sich durch die Ebene (50) erstrecken, einen magnetischen Fluß induziert, wobei etwas von diesem Fluß über Diskontinuitäten zwischen dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Element gekoppelt ist,

daß deshalb der Fluß, mit dem jede Meßspule gekoppelt ist, sowohl den durch die Erregerspule direkt in das entsprechende ferromagnetische Element induzierten Fluß umfaßt als auch den Fluß, der in jenes entsprechende Element von dem anderen ferromagnetischen Element über Diskontinuitäten der ersten oder der zweiten Anzahl gekoppelt ist.

2. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 1, bei welchem die Abschnitte (46.2, 46.3, 48.2, 48.3) jedes Elements (46, 48) paarweise mit den Abschnitten des anderen Elements verschachtelt sind und sie in axialer Richtung überlappen, wobei jede Diskontinuität (64) durch einen Umfangsabstand zwischen einem Abschnitt des ersten Elements gebildet ist, der neben einem Abschnitt des zweiten Elements liegt.

3. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 1, bei welchem sich jeder Abschnitt (84.2, 84.3, 86.2, 86.3) jedes Elements (84, 86) im wesentlichen längs einer Linie parallel zu der Achse neben derjenigen eines entsprechenden Abschnitts des anderen Elements erstreckt, und davon durch einen axialen Abstand getrennt ist, der eine der Diskontinuitäten (d, e) bildet, wobei die Diskontinuität (d, e) von der Größe der Überlappung in der Umfangsrichtung der entsprechenden Abschnitte des ersten und des zweiten Elements abhängt.

4. Drehmomentmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Magnetfelderregungsspule (60) die zu erregenden Elemente (46, 48) umgibt und die beiden Meßspulen (66, 68) jeweils um die Elemente herum angeordnet sind.

5. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 4, bei welchem ein erstes Totganghülsenbauteil (36) um die Achse des Gliedes eingepaßt ist und an dem einen Ende (29) des Gliedes befestigt und ein zweites Totganghülsenbauteil (34) um die Achse des Gliedes eingepaßt und an dem entgegengesetzten Ende (31) des Gliedes befestigt ist, wobei jedes Totganghülsenbauteil Abschnitte (34.3, 36.3) aufweist, die sich längs der Achse des Gliedes erstrecken, so daß sie kompakt innerhalb der Spulen untergebracht sind und nach einer vorbestimmten Relativdrehung der Enden des Gliedes in Reaktion auf bis zu einem vorbestimmten, aufgebrachten Drehmoment an entsprechenden Abschnitten des anderen Totganghülsenbauteils angreifen, um ein Ausgangssignal zu liefern, das dem aufgebrachten Drehmoment entspricht, wobei der Eingriff der Abschnitte der Totganghülsenbauteile zur Übertragung eines zusätzlichen Drehmoments zwischen den Enden des Gliedes dient, wenn ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht wird, während die zusätzliche Relativdrehung der Enden des Gliedes in Reaktion auf das zusätzliche Drehmoment im wesentlichen beschränkt wird.

6. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 5 mit einer elektrisch leitenden Hülse (44), die um die Achse des Gliedes zwischen den sich erstreckenden Abschnitten der Totganghülsenbauteile und den sich erstreckenden Abschnitten der ferromagnetischen Elemente angeordnet ist.

7. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem jedes ferromagnetische Element (46, 48) einen Hülsenteil (46.1, 48.1) aufweist, der jeweils um eine der Totganghülsenbauteile (34, 36) herum eingepaßt und drehfest daran befestigt ist.

8. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 7 mit einem Spulenkörper (58), die um die sich erstreckenden Abschnitte der Elemente angeordnet ist, um die Erreger- und Meßspulen in dicht beabstandeter Beziehung zu den sich erstreckenden Elementabschnitten zu lagern, sowie mit Lagern (56), die zwischen Enden des Spulenkörpers und entsprechenden Hülsenteilen der Elemente angeordnet sind, um den Spulenkörper an den Elementen zu lagern, während sie die Relativdrehung der Enden des Gliedes zulassen.

9. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 8 mit einer magnetischen Abschirmung (70), die sich über den Spulen erstreckt, wobei die Abschirmung auf den Lagern (56) gelagert ist, um die Spulen gegen äußere Magnetfelder abzuschirmen.

10. Drehmomentmeßfühler nach Anspruch 9, bei welchem die Lager (56) zum Lagern der Abschirmung elektrisch leitend sind, um das Auftreten eines magnetischen Streuflusses an der Stelle der Lagerung der Abschirmung auf den Lagern zu reduzieren.