[发明专利]用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件

说明书

本发明涉及一种用于间接检测能旋转地被支承的轴(5)的扭矩的传感器组件(1)，其具有传感器(10)，该传感器包括至少一个布置在轴(5)的与支承结构(3)连接的轴承(7)附近的传感器元件(30)，该传感器元件检测轴承力(F_L)的沿预定方向作用的分量，由此可计算轴(5)的扭矩。根据本发明，传感器(10)具有至少一个带有外部轮廓的传感器主体(20)，该传感器主体支承对应的传感器元件(30)并且被压入到容纳孔(12)中，其中传感器元件(30)与轴承(7)具有预定的间距并且具有预定的角度。

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求1所述类型的用于间接检测能旋转地被支承的轴的扭矩的传感器组件。

背景技术

用于检测扭矩的传感器构成所有类型的发动机和变速器试验台的重要部件。此外，其为许多在大型工业上所使用的驱动系统的集成组成部分。在其辅助下监测例如在船用推进轴、风力设备或钻杆中的扭矩。扭矩传感器被广泛应用，然而其相对复杂的结构和与之相关的成本阻碍了目前其在散装货物中的使用。电动自行车的驱动轴的扭矩的测量构成扭矩传感器的第一潜在的大众市场，然而用于工业设备的传感器方案对此过于昂贵。

在许多试验台或标定装置中借助于静态接收器就足以检测扭矩。在此应被检测扭矩的轴与变形元件的其中一侧连接。也称为弹簧体的变形体的另一端部与固定的结构元件、例如支架或壳体件连接。作用的扭矩通过扭转引起弹簧体的变形。所产生的扭转为几度并且可通过许多已知的测量方法被探测。在此首先常用的是电磁方法，其检测安装在弹簧体处的磁性结构相对于固定的磁场传感器的转动。对此光学方法也是适用的。

作为替代可行的是，检测在弹簧体中由于变形产生的材料拉伸。根据不同的结构该材料拉伸由扭转力矩或剪切力产生。为了测量该材料拉伸，通常使用胶合式压阻应变片，其被连接成惠斯通电桥。作为替代，该拉伸也可借助于磁弹性测量原理被检测。这所基于的原理是，铁磁性材料的渗透性在引入材料张力时会变化。该变化可通过合适的传感装置、例如以具有发送器线圈和接收器线圈的结构形式无接触地被检测。

在大部分应用中上述对扭矩的静态检测是不够的。而必要的是，确定旋转中的轴的扭矩。为此开发了共转的传感器，其被集成到驱动轴中并且测量该驱动轴的扭矩。这通常通过上述用于确定由扭转引起的材料拉伸的两个方法中的一个来进行。

在应变片(DMS)的使用中出现的问题是，在旋转的系统处通过线束连接既不可进行测量电桥的供电又不可截获信号。供电通常借助于变压器组件通过交流电压的传递实现，在该变压器组件中一个线圈围绕驱动轴缠绕从而随之一起转动。另一线圈保持固定并且以稍大的间距包围该轴。因此，与用作铁芯的轴一起获得具有相对良好特性的变压器。因为DMS电桥的输出信号相对较小，所以在测量电桥的邻近处通过共转的电子部件进行信号评估和放大。现在其输出信号例如可通过发送器线圈和接收器线圈或者通过另一电子部件借助于无线电标准向外部、即向传感器的固定部分传输。这种传感器和所有为此所需要的部件由现有技术已知。其满足对其提出的要求，但如上所述也要求较高的结构复杂性。在共转的扭矩传感器领域中，磁弹性传感器具有原理相关的优点，因为所使用的测量方法是无接触式的。所以在此完全没有接触旋转部件的问题，这体现在较小的结构复杂性上。

不仅可利用压阻式传感器而且可利用磁弹性传感器很好地测量在旋转轴处的扭矩。在此其最大的优点是直接测量原理。由其检测的轴扭转与扭矩直接相关。然而由此也产生其最大的缺点。轴和传感器的特性不可分地彼此关联。这种传感器不可用于已存在的轴上，因为轴的弹性和/或磁性特征主导传感器特性。相反地，扭矩传感器本身是轴的一部分。因此其特定的要求必须从一开始就在整个传动系的设计中被考虑到。为一个系统找到的设计解决方案不可简单地用于另一个应用场合。这导致了例如磁弹性传感器的制造商提供由轴(包括所有齿轮)、集成的扭矩传感器和所需轴承组成的整套总成。该集成主要在生产技术上提供了很好的解决方案。然而其同样有很强的专用性从而很难甚至完全不可用于其它应用场合。由此用于这些解决方案的零件数以及进而潜在的成本自然受到限制。