WO2018069160A1 - Drehmomentmessvorrichtung - Google Patents
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- G01L3/12—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means
Definitions
- Torque measuring device The invention relates to a torque measuring device for
- electrical measuring resistors usually in the form of strain gauges, attached to the outer cylinder of a shaft.
- the measuring resistors may be arranged longitudinally or inclined thereto.
- a torque sensor in which a measuring element is arranged on a shaft for a bottom bracket of a bicycle, wherein the measuring element is arranged perpendicular to the radius of the shaft.
- a suitable for a bottom bracket torque measuring device which comprises a drive shaft ⁇ provided inner shaft, a surrounding with the inner shaft, this surrounding, provided as the output shaft hollow shaft, wherein the hollow shaft is a strain ⁇ measuring strip comprehensive direct coating for torque measurement has.
- the invention has for its object to provide a torque ⁇ measuring device of the type mentioned, with the torque load on a shaft can be detected wirelessly.
- the object is achieved with a torque measuring ⁇ device, which has the features specified in claim 1.
- an annular photosensitive member is disposed on the first shaft portion and an annular light emitting element is disposed on the second shaft portion.
- a measuring body with a load-dependent sensor is disposed between the shaft sections.
- the annular light-sensitive element is electrically conductively connected with the ring-shaped ⁇ light emitting element via the load-dependent resistance.
- a light-emitting element and a photo element are stationary so arranged on ⁇ that the light of the luminous element is directed to the ring-shaped light-sensitive element and the light emitted from the light ⁇ emitting element is received by the photo-element and an evaluation unit is supplied.
- the arrangement makes it possible to determine an electrical resistance value on a rotating shaft, which is a measure of the torque transmitted by the shaft, and to wirelessly transmit this value to a receiver stationarily arranged outside the moving shaft.
- an advantageous embodiment provides that the exercise ⁇ dependent sensor is an electrical resistance sensor. Such sensors are inexpensive and allow accurate measurement.
- the load-dependent resistor is arranged on a measuring body, which is arranged secured against rotation between the first shaft section and the second shaft section.
- the load-dependent resistor on the outside of the measuring body in the longitudinal direction. This results in a high measurement accuracy and good accessibility to the measuring resistor.
- a further advantageous embodiment provides that a plurality of electrical resistance sensors are arranged on the measuring body. Thus, a higher sensitivity of the measuring arrangement can be achieved.
- the arrangement of the electrical resistance sensors can be done in a series circuit or a parallel connection.
- a particularly advantageous embodiment provides to use a Wheatstone bridge circuit for the electrical resistance sensors.
- a favorable evaluation of the measurement result can be achieved.
- the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
- Figure 1 is a perspective view of
- FIG. 2 is a schematic representation of the operation of the
- FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the electrical components. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
- the first shaft section 1.1 is used as a drive shaft, Patient- in which a torque to be transmitted is derived and the second shaft portion as a power take-off 1.2 ⁇ shaft to which the torque is transmitted.
- a photosensitive member 3 is disposed at the second shaft section 1.2 .
- the photosensitive element 3 and the light-emitting element 4 are respectively arranged on the circumference of the shaft sections 1.1 and 1.2.
- Shaft section 1.2 is serving as a measuring body 2 further shaft section.
- the load-dependent sensor 5 is arranged in the longitudinal direction, which is designed as an electrical measuring resistor.
- a luminous element 6 and a photoelement 7 are arranged stationarily.
- FIG. 2 explains the mode of operation of the measuring device.
- a first light beam LI emitted by the luminous element 6 arranged stationary outside the shaft 1 strikes the photosensitive element 3 arranged on the first shaft section 1.1, which generates an electric current which is conducted to the light-emitting element 4 via the load-dependent sensor 5.
- the load-dependent sensor 5, which is designed as a measuring resistor, is arranged in the measuring body 2 in such a way that, upon a torsion of the measuring body 2, it is limited to the measuring body 2 transmitted torque, its resistance value changed.
- FIG. 3 shows the equivalent circuit diagram of the electrical components used in the measuring body 2.
- the current generated by the photosensitive element 3 flows through the load-dependent sensor 5, which is in response to the resulting torsion in the measuring body 2, which is caused by the transmitted torque.
- the light-emitting element 4 illuminates with different intensity.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung zur Messung des Drehmoments in einer durch Torsion beanspruchten Welle (1) mit zwei axial angeordneten Wellenabschnitten (1.1,1.2), wobei ein erster Wellenabschnitt (1.1) als Antriebswelle dient und ein zweiter Wellenabschnitt (1.2) als Abtriebswelle dient und mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden ist. Erfindungsgemäß wird - auf dem ersten Wellenabschnitt (1.1) ein ringförmiges lichtempfindliches Element (3) angebracht, - auf dem zweiten Wellenabschnitt (1.2) ein ringförmiges lichtemittierendes Element (4) angeordnet und - zwischen den Wellenabschnitten (1.1, 1.2) ein Messkörper (2) mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) angeordnet, - das ringförmige lichtempfindliche Element (3) mit dem ringförmigen lichtemittierenden Element (4) elektrisch leitend über den belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden, - außerhalb der Welle (1) ein Leuchtelement (6) und ein Photoelement (7) angeordnet, - wobei das Licht des Leuchtelements (6) auf das ringförmige lichtempfindliche Element (3) gerichtet ist, und - das vom lichtemittierenden Element (4) ausgesendete Licht von dem Photoelement (7) empfangen wird und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.
Description
Beschreibung
Drehmomentmess orrichtung Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmessvorrichtung zur
Messung des Drehmoments in einer durch Torsion beanspruchten Welle mit zwei axial angeordneten Wellenabschnitten, wobei ein erster Wellenabschnitt als Antriebswelle dient und ein zweiter Wellenabschnitt als Abtriebswelle dient und mit einem belas- tungsabhängigen Sensor verbunden ist.
Sowohl für Anwendungen in der Industrie als auch für Anwendungen in anderen Bereichen ist es häufig erforderlich, die Beanspruchung von Wellen infolge von Torsionsbeanspruchungen zu ermitteln. Insbesondere in allgemeinen Automotiv- und Fahrzeuganwendungen werden derartige Vorrichtungen zur Drehmomentmessung benötigt.
Aus dem bekannten Stand der Technik sind vielfältige Anordnungen zur Drehmomentmessung an Wellen bekannt.
Dabei werden elektrische Messwiderstände, meist in Form von Dehnungsmessstreifen, am Außenzylinder einer Welle angebracht. Die Messwiderstände können in Längsrichtung oder dazu geneigt angeordnet sein.
In US 2013/0024137 AI ist ein Drehmomentsensor beschrieben, bei dem ein Messelement an einer Welle für ein Tretlager eines Fahrrads angeordnet ist, wobei das Messelement senkrecht zum Radius der Welle angeordnet ist.
Ferner ist aus WO 2014/124617 AI eine für ein Tretlager geeignete Drehmomentmessvorrichtung bekannt, welche eine als Antriebs¬ welle vorgesehene innere Welle, eine mit der inneren Welle verbundene, diese umgebende, als Abtriebswelle vorgesehene Hohlwelle umfasst, wobei die Hohlwelle eine einen Dehnungs¬ messstreifen umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehmoment¬ messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Drehmomentbelastung an einer Welle drahtlos erfasst werden kann .
Erfindungsgemäß gelingt die Aufgabe mit einer Drehmomentmess¬ vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unterasprüche
Bei der Drehmomentmessvorrichtung sind auf dem ersten Wellenabschnitt ein ringförmiges lichtempfindliches Element und auf dem zweiten Wellenabschnitt ein ringförmiges lichtemittierendes Element angeordnet. Zwischen den Wellenabschnitten befindet sich ein Messkörper mit einem belastungsabhängigen Sensor.
Das ringförmige lichtempfindliche Element ist mit dem ring¬ förmigen lichtemittierenden Element elektrisch leitend über den belastungsabhängigen Widerstand verbunden. Außerhalb der Welle sind ein Leuchtelement und ein Photoelement stationär so an¬ geordnet, dass das Licht des Leuchtelements auf das ringförmige lichtempfindliche Element gerichtet ist und das vom licht¬ emittierenden Element ausgesendete Licht von dem Photoelement empfangen wird und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.
Die Anordnung ermöglicht es, auf einer drehenden Welle einen elektrischen Widerstandswert zu ermitteln, der ein Maß für das von der Welle übertragene Drehmoment ist, und diesen Wert auf einen außerhalb der sich bewegenden Welle stationär angeordneten Empfänger drahtlos zu übertragen.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass der belastungs¬ abhängige Sensor ein elektrischer Widerstandssensor ist. Solche Sensoren sind kostengünstig und gestatten eine genaue Messung.
Als Leuchtelement dient zweckmäßigerweise eine Leuchtdiode (kurz LED genannt) .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der belastungsabhängige Widerstand an einem Messkörper angeordnet, der zwischen dem ersten Wellenabschnitt und dem zweiten Wellen- abschnitt drehgesichert angeordnet ist.
Ferner ist es vorteilhaft, den belastungsabhängigen Widerstand an der Außenseite des Messkörpers in Längsrichtung anzuordnen. Damit ergibt sich eine hohe Messgenauigkeit und eine gute Zugänglichkeit zum Messwiderstand.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass am Messkörper mehrere elektrische Widerstandssensoren angeordnet sind. Damit kann eine höhere Empfindlichkeit der Messanordnung erreicht werden.
Die Anordnung der elektrischen Widerstandssensoren kann in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung erfolgen. Eine besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, für die elektrischen Widerstandssensoren eine wheatstonesche Brückenschaltung zu verwenden. Damit kann eine günstige Auswertung des Messergebnisses erreicht werden. Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine perspektivische Darstellung der
MessVorrichtung,
Figur 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der
MessVorrichtung und
Figur 3 ein Ersatzschaltbild der elektrischen Komponenten.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, besteht die Welle 1 aus einem ersten Wellenabschnitt 1.1 und einem zweiten Wellenab¬ schnitt 1.2.
Im dargestellten Fall dient der erste Wellenabschnitt 1.1 als Antriebswelle, in die ein zu übertragendes Drehmoment einge- leitet wird und der zweite Wellenabschnitt 1.2 als Abtriebs¬ welle, auf die das Drehmoment übertragen wird. Auf dem ersten Wellenabschnitt 1.1 befindet sich ein lichtempfindliches Element 3. Am zweiten Wellenabschnitt 1.2 ist ein lichtemit¬ tierendes Element 4 angeordnet. Das lichtempfindliche Element 3 und das lichtemittierende Element 4 sind jeweils am Umfang der Wellenabschnitte 1.1 und 1.2 angeordnet.
Zwischen dem ersten Wellenabschnitt 1.1 und dem zweiten
Wellenabschnitt 1.2 befindet sich ein als Messkörper 2 dienender weiterer Wellenabschnitt . Am Außenzylinder des Messkörpers 2 ist in Längsrichtung der belastungsabhängige Sensor 5 angeordnet, der als elektrischer Messwiderstand ausgebildet ist.
Außerhalb der Welle 1 sind ein Leuchtelement 6 und ein Pho- toelement 7 stationär angeordnet.
Figur 2 erläutert die Funktionsweise der Messvorrichtung. Ein von dem außerhalb der Welle 1 stationär angeordneten Leuchtelement 6 ausgestrahlter erster Lichtstrahl LI trifft auf das am ersten Wellenabschnitt 1.1 angeordnete lichtempfindliche Element 3, welches einen elektrischen Strom erzeugt, der über den belastungsabhängigen Sensor 5 auf das lichtemittierende Element 4 geleitet wird. Der als Messwiderstand ausgebildete belastungsabhängige Sen¬ sor 5 ist im Messkörper 2 so angeordnet, dass er bei einer Torsion des Messkörpers 2, infolge des zu ermittelnden, auf den Mess-
körper 2 übertragenen Drehmoments, seinen Widerstandswert verändert .
In Abhängigkeit vom jeweiligen Widerstandswert des Messwider- Stands, und damit auch in Abhängigkeit von dem auf die Welle 1 wirkenden Drehmoment, trifft auf das lichtemittierende Element 4 ein elektrischer Strom, dessen Wert ein Maß für das zu messende Drehmoment ist. In Abhängigkeit von der Stromstärke leuchtet das lichtemit¬ tierende Element 4 mit einer Intensität, die von dem zu be¬ stimmenden Drehmoment abhängig ist. Der von dem lichtemittierenden Element 4 ausgehende zweite Lichtstrahl L2 trifft auf das außerhalb der Welle 1 stationär angeordnete Photoelement 7, welches einen Stromwert liefert, der ein Maß für das zu be¬ stimmende Drehmoment ist.
In Figur 3 ist das Ersatzschaltbild der im Messkörper 2 verwendeten elektrischen Komponenten dargestellt. Der von dem lichtempfindlichen Element 3 erzeugte Strom fließt durch den belastungsabhängigen Sensor 5, der in Abhängigkeit von der im Messkörper 2 sich ergebenden Torsion, welche von dem übertragenen Drehmoment hervorgerufen wird, steht. Je nach der Stärke dieses Stroms leuchtet das lichtemittierende Element 4 mit unterschiedlicher Intensität.
Bezugs zeichenliste
1 Welle
1.1 erster Wellenabschnitt
1.2 zweiter Wellenabschnitt
2 Messkörper
3 lichtempfindliches Element
4 lichtemittierendes Element
5 belastungsabhängiger Sensor
6 Leuchtelement
7 Photoelement
LI erster Lichtstrahl
L2 zweiter Lichtstrahl
Claims
1. Drehmomentmessvorrichtung zur Messung des Drehmoments in einer durch Torsion beanspruchten Welle (1) mit zwei axial angeordneten Wellenabschnitten (1.1, 1.2), wobei ein erster Wellenabschnitt (1.1) als Antriebswelle dient und ein zweiter Wellenabschnitt (1.2) als Abtriebswelle dient und mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- auf dem ersten Wellenabschnitt (1.1) ein ringförmiges
lichtempfindliches Element (3) angebracht ist,
- zwischen den Wellenabschnitten (1.1, 1.2) ein Messkörper (2) mit einem belastungsabhängigen Sensor (5) angeordnet ist,
- auf dem zweiten Wellenabschnitt (1.2) ein ringförmiges lichtemittierendes Element (4) angeordnet ist,
- das ringförmige lichtempfindliche Element (3) mit dem
ringförmigen lichtemittierenden Element (4) elektrisch leitend über den belastungsabhängigen Sensor (5) verbunden ist,
- außerhalb der Welle (1) ein Leuchtelement (6) und ein Pho¬ toelement (7) angeordnet sind,
- wobei das Licht des Leuchtelements (6) auf das ringförmige lichtempfindliche Element (3) gerichtet ist und
- das vom lichtemittierenden Element (4) ausgesendete Licht von dem Photoelement (7) empfangen wird und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.
2. Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der belastungsabhängige Sensor (5) ein elektrischer Widerstandssensor ist.
3. Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtelement (6) eine Leuchtdiode ist .
4. Drehmomentmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der belastungsab¬ hängige Sensor (5) an einem Messkörper (2) angeordnet ist, der
zwischen dem ersten Wellenabschnitt (1.1) und dem zweiten Wellenabschnitt (1.2) angeordnet ist.
5. Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der belastungsabhängige Sensor (5) an der Außenseite des Messkörpers (2) in Längsrichtung angeordnet ist.
6. Drehmomentmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Messkörper (2) mehrere elektrische Widerstandssensoren angeordnet sind.
7. Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstandssensoren in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung angeordnet sind.
8. Drehmomentmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstandssensoren in einer wheatstoneschen Brückenschaltung angeordnet sind.
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