Insbesondere an drehenden Bauteilen ist eine präzise Drehmomentmessung schwie- rig, da berührende Meßmittel einem hohen Verschleiß unterliegen und optische Meßmittel aufgrund von Verschmutzung oft nicht in Frage kommen.

Aus dem Artikel"Non-Contacting Sensors for Automotive Applications", SAE Tran- sactions 1988, SAE-Paper 880407, ist eine Anordnung zur Drehmomentmessung mit einem magnetostriktiven an einer Welle bekannt. Ein solcher Sensor macht sich die Eigenschaft von ferromagnetischem Material zu Nutze, daß sich der magnetische Widerstand mit der mechanischen Beanspruchung ändert. Radial mit Abstand be- nachbart zu einer Welle ist eine ortsfeste Anordnung von Spulen vorgesehen, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Ein von der Welle übertragenes Drehmoment führt zu Schubspannungen, die unter einem Winkel von 45° zur Drehachse verlaufen.

Diese Schubspannungen bewirken eine Änderung des magnetischen Widerstands, wodurch der magnetische Fluß und damit der induktive Widerstand in der Anordnung von Spulen geändert wird. Auf diese Weise wird eine zum Drehmoment proportionale Größe generiert. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist vorgesehen, die Welle mit einer Nickel-Legierung zu beschichten, da Nickel besonders gute magnetostriktive Eigenschaften aufweist. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß ein freier Abschnitt der Welle mit konstantem Querschnitt zugänglich sein muß, über den das Drehmo- ment übertragen wird. Dies ist allerdings nicht bei allen Konstruktionen gewährleistet.

Aus der DE 38 15 225 C2 ist eine Reibungskupplung mit einer Betätigungsvorrich- tung bekannt. Die Reibungskupplung umfaßt einen Kupplungskorb, eine Kupplung- nabe, mit dem Kupplungskorb drehfest verbundene äußere Kupplungslamellen sowie mit der Kupplungsnabe drehfest verbundene innere tEupplungslamellenO Mittels c3er Betätigungsvorrichtung kann eine axial bewegliche Druckscheibe beaufschlagt wer- den, welche auf das aus äußeren und inneren Kupplungslamellen bestehende La- mellenpaket einwirkt. Die Betätigungsvorrichtung weist einen mit dem Kuppiungskorb drehfest verbundenen Druckring, einen mittels eines Motors drehend antreibbaren Sperring sowie zwischen Druckring und Sperring in ansteigend ausgebildeten Kugel- rillen gehaltene Kugeln auf. Durch Betätigung des Motors werden Druckring und Sperring gegeneinander verdreht, so daß die Druckscheibe beaufschlagt und Reib- schluß zwischen den äußeren und inneren Lamellen hergestellt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur berührungslosen Drehmomentmessung in Bauteilen vorzuschlagen, welche zuverlässige Meßergeb- nisse liefert und auch bei kleinem zur Verfügung stehendem Bauraum einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur berührungslosen Drehmomentmessung gelöst, welche ein Bauteil mit einem im Drehmomentfluß lie- genden Flansch, der zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder elektrostrikti- vem Material besteht, und einen Sensor mit einer Spulenanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes umfaßt, welcher axial benachbart zum Flansch angeord- net ist, wobei der Flansch zumindest in einem radialen Teilbereich, der der radialen Erstreckung des Sensors entspricht, durch über den Radius abnehmende Dicke eine gleiche Torsionsfestigkeit über dem Radius aufweist.

Diese Lösung bietet den Vorteil, daß eine Messung des Drehmoments axial benach- bart zum Bauteil durchgeführt werden kann, wodurch für bestimmte Anwendungsfäl- le, in denen der radiale Bauraum gering ist, der Einbau einer geeigneten ivießvorrich- tung erst ermöglicht wird. Die Verwendung eines elektromagnetischen Meßsystems bietet den Vorteil einer berührungslosen Drehmomentmessung, so daß der Ver- schleiß an Meßgerät und Bauteil minimal ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Dicke in Abhängigkeit vom Radius zumindest in dem radialen Teilbereich, der der radialen Erstreckung des Sensors entspricht, d (r>-max<BR> 2--n--Tzur r beträgt, wobei Mmax das maximal zu übertragende Drehmoment und Tzu die zulässige Spannung im Flansch ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die durch ein ein- geleitetes Drehmoment in dem Flansch auftretenden Schubspannungen im Meßbe- reich gleich sind. Durch die erfindungsgemäße Dicke des Flansches in Abhängigkeit vom Radius wird im Flansch bei Drehmomentbeaufschlagung eine über dem Radius konstante Schubspannung erzeugt. Der magnetische Widerstand ist demnach eben- falls über dem Radius konstant, so daß die Änderung des magnetischen Flusses und damit des induktiven Widerstands in der Spulenanordnung unabhängig von der ra- dialen Positionierung der Meßvorrichtung ist. Folglich ist eine exakte radiale Positio- nierung nicht erforderlich, was für eine einfache und kostengünstige Fertigung vor- teilhaft ist.

In Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, daß die dem Sensor zugewandte Fläche des Flansches radial eben ist. Auf diese Weise kann eine Positionierung des Sensors mit konstantem axialen Abstand zum Flansch auf einfache Weise erfolgen.

Dabei ist das Bauteil vorzugsweise rotationssymmetrisch gestaltet und um eine Drehachse drehbar gelagert.

Es ist vorgesehen, daß die dem Sensor zugewandte Fläche zumindest in dem radia- len Teilbereich, der der radialen Erstreckung des Sensors entspricht, mit einem ma- gnetostriktiven oder elektrostriktiven Material beschichtet ist. Dabei muß die Be- schichtung so angebracht sein, daß sie die mechanischen Spannungen im Flansch wiedergibt. Durch die magnetostriktive oder elektrostriktive Beschichtung wird das von der Spulenanordnung erzeugte magnetische oder elektrische Feld abhängig von der durch das Drehmoment erzeugten Schubspannung im Flansch verändert, so daß

eine entsprechende Ausganggröße im Sensor generiert werden kann. Diese Aus- gangsgröße kann dann beispielsweise zur Regelung des vom Bauteil zu übertragen- den Drehmoments oder anderen durch das vom Bauteil übertragene Drehmoment beeinflußten Größen herangezogen werden.

Nach einer hierzu alternativen Ausführungsform kann in der dem Sensor zugewand- ten Fläche des Flansches zumindest in dem radialen Teilbereich, der der radialen Erstreckung des Sensors entspricht, eine Scheibe aus einem magnetostriktiven oder efektrostriktiven iviateriat so eingelassen sein, daß sie den im Flansch auftretenden mechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann das magnetische oder elektrische Feld abhängig von der durch das Drehmoment erzeugten Schub- spannung verstärkt verändert werden, so daß eine entsprechende Ausganggröße im Sensor generiert werden kann.

Vorzugsweise ist das für die Beschichtung oder die eingesetzte Scheibe verwendete Material eine Nickel-Legierung oder reines Nickel, da Nickel besonders gute magne- tostriktive Eigenschaften hat, d. h. besonders gut geeignet ist, den magnetischen Fluß unter Einwirkung einer mechanischen Spannung zu ändern.

Eine weitergehende Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in einer Reibungskupplung mit einer Anordnung zur berührungslosen Drehmoment- messung nach einer der obigen Ausführungen, wobei die Reibungskupplung einen Kupplungskorb, eine Kupplungsnabe, erste mit dem Kupplungskorb drehfest verbun- dene äußere Kupplungslamellen, zweite mit der Kupplungsnabe drehfest verbunde- ne innere Kupplungslamellen, eine axial bewegliche Druckscheibe, die das aus er- sten und zweiten Kupplungslamellen bestehende Lamellenpaket axial beaufschlagt, sowie eine Stützscheibe, an der das Lamellenpaket abgestützt ist, aufweist, wobei der im Drehmomentfluß liegenden Flansch der Anordnung zur berührungslosen Drehmomentmessung mit einem Bauteil der Reibungskupplung drehfest verbunden ist.

Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß eine Messung des Drehmoments axial benachbart zur Reibungskupplung durchgeführt werden kann. Die bei Drehmoment-

beaufschlagung erzeugten Schubspannungen sind in dem Flansch mit über den Ra- dius abnehmender Dicke gleicher Torsionsfestigkeit in jeder radialen Position gleich, so daß die gewonnenen Meßwerte eine hohe Genauigkeit aufweisen. Außerdem kann die erfindungsgemäße Reibungskupplung mit axialer Anordnung zur Drehmo- mentmessung auch für solche Fälle eingesetzt werden, in denen der radiale Bau- raum begrenzt ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Flansch Teil des Kupplungskorbes ist, so daß der axiale Bauraum besonders klein gehalten werden kann.

Vorzugsweise ist das Lamellenpaket zwischen einer Stützscheibe, die mit der Kupp- lungsnabe fest verbunden ist und einer mit der Kupplungsnabe drehfest verbunde- nen und gegenüber dieser axial beweglichen Druckscheibe angeordnet. Mittels einer Stellvorrichtung, die axial an der Kupplungsnabe abgestützt ist, kann die Druckschei- be axial beaufschlagt werden, so daß das Lamellenpaket zwischen der Stützscheibe und der Druckscheibe eingeklemmt wird. Dabei umfaßt die Stellvorrichtung nach ei- ner bevorzugten Ausgestaltung zwei gegeneinander verdrehbare Stellringe mit in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen veränderlicher Tiefe, in denen Kugeln gehalten sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der nachstehenden Zeichnung erläutert. Hierin zeigt Fig. 1 Eine rotationssymmetrische Scheibe konstanter Dicke a) in Draufsicht und b) in Längsschnitt ; Fig. 2 ein Bauteil mit einem Flansch mit einer über den Radius abnehmenden Dicke gleicher Torsionsfestigkeit a) im Längsschnitt und b) im Halbquerschnitt ;

Fig. 3 eine Reibungskupplung mit einer Anordnung zur Drehmomentmessung im Längsschnitt und Fig. 4 die Reibungskupplung nach Figur 3 mit Darstellung des Kraftflusses bei Drehmomentübertragung.

In den Figuren 1a) und 1b) ist der Verlauf der Schubspannungen T über den Radius r einer Scheibe 1 bei Einleitung eines Drehmoments M dargestellt, wobei die Dicke d der Scheibe über den Radius r konstant ist. Es ist ersichtlich, daß die Schubspan- nung T über dem Radius r-unter der Voraussetzung einer umlaufend gleichmäßigen Einleitung des Drehmoments-ausgehend von der Innenfläche 2 in Richtung zur Außenfläche 3 der Scheibe 1 abnimmt. Dabei beträgt die Schubspannung T in Ab- hängigkeit vom Radius r zur Drehachse A der Scheibe 1 wobei T die tangentiale Spannung in der Scheibe in der Entfernung r zur Drehachse A, M das von der Scheibe zu übertragende Drehmoment und d die Dicke der Schei- be ist. Da die Schubspannung T (r) quadratisch mit der Entfernung zur Drehachse abnimmt, wäre eine Messung des übertragenen Drehmoments mittels magnetosensi- tiver Meßmittel von der genauen radialen Position abhängig und deshalb sehr unge- nau.

In den Figuren 2 a) und 2 b), die im folgenden gemeinsam beschrieben werden, ist ein zur Drehmomentübertragung dienender Kupplungskorb 4 sowie ein Sensor 6 mit einer Spulenanordnung 7 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes gezeigt.

Der Kupplungskorb 4 ist um eine Drehachse A rotationssymmetrisch gestaltet und umfaßt einen im Drehmomentfluß liegenden Flansch 5 und einen sich hieran an- schließenden zylindrischen Abschnitt 11 mit einer Längsverzahnung 12. In die Längsverzahnung können hier nicht näher dargestellte Kupplungslamellen drehfest eingreifen. Der Sensor 6 ist axial benachbart zum Flansch 5 angeordnet, so daß ein

Luftspalt zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet ist. Der Flansch 5 hat eine über dem Radius r abnehmende Dicke d zur Erzeugung gleicher Torsionsfestigkeit des Flansches, wobei die Dicke d des Flansches in Abhängigkeit vom Radius r gemäß der Formel d (r) Hrnax<BR> 2 Tr S TZUI r2 gestaltet ist. Darin ist Mmax das maximal zu übertragende Drehmoment, S ein Sicher- heitsfaktor zur Berücksichtigung der Sicherheit gegen Dauerbruch und TZUI die zuläs- sige Schubspannung im Flansch.

Hierdurch wird erreicht, daß die aufgrund eines Drehmoments im Flansch 5 auftre- tenden Schubspannungen T über dem Radius r konstant sind. Der aufgrund des ma- gnetostriktiven Effekts im Flansch erzeugte magnetische Widerstand ist demnach ebenfalls über dem Radius konstant, so daß die Änderung des magnetischen Flus- ses und damit des induktiven Widerstands in der Spulenanordnung 7 unabhängig vom Abstand zur Drehachse A ist. Folglich sind die die gewonnenen Meßergebnisse sehr genau, wobei es nicht darauf ankommt, daß die Spulenanordnung 7 radial an einer definierten Position angeordnet ist.

In der dem Sensor 6 zugewandten ebenen Fläche 8 des Flansches 5 ist eine Schei- be 9 aus Nickel fest eingelassen, so daß sie an dem im Flansch 5 auftretenden Schubspannungen teil hat. Nickel hat besonders gute magnestostriktive Eigenschaf- ten, das bedeutet, daß der magnetische Fluß unter Einwirkung einer mechanischen Spannung relativ stark geändert wird. Durch die magnetostriktive Scheibe 9 wird das von der Spulenanordnung 7 erzeugte elektromagnetische Feld abhängig von der durch das Drehmoment erzeugten Schubspannung im Flansch 5 verändert, so daß eine entsprechende Ausganggröße im Sensor 6 generiert werden kann.

Figur 3 zeigt eine komplette Reibungskupplung 13 mit der Anordnung zur berüh- rungslosen Drehmomentmessung sowie dem Kuppiungskorb 4 aus Figur 2. Insofern wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Die Reibungskupplung 13 um-

faßt neben dem Kupplungskorb 4, eine Kupplungsnabe 14, erste mit dem Kupp- lungskorb 4 über eine Längsverzahnung 12 drehfest verbundene äußere Kupplung- lamellen 15 sowie zweite mit der Kupplungsnabe 14 über eine Längsverzahnung 10 drehfest verbundene innere Kupplungslamellen 16, wobei äußere und innere Kupp- lungslamellen in axialer Richtung abwechselnd angeordnet sind. Eine Druckscheibe 17 ist axial beweglich auf die Längsverzahnung 10 drehfest aufgesteckt und dient zum Beaufschlagen des aus ersten und zweiten Kupplungslamellen bestehende La- mellenpakets, welches gegen eine mit der Kupplungsnalbe 14 fest verbundene erste Stützscheibe 18 abgestützt ist. Zwischen der Druckscheibe 17 und einer fest mit der Kupplungsnabe 14 verbundenen zweiten Stützscheibe 19 ist eine Stellvorrichtung 21 vorgesehen, die zum axialen Beaufschlagen der Druckscheibe 17 gegenüber der ersten Stützscheibe 18 dient.

Die Stellvorrichtung 21 weist zwei einander gegenüberliegende Stellringe 22 auf, welche jeweils in ihrer Stirnfläche 23 umfangsverteilt mehrere Kugelrillen 24 haben.

Die Kugelrillen 24 verlaufen ausgehend von der tiefsten Stelle über dem Umfang an- steigend. Der Verlauf der paarweise einander gegenüberliegenden Kugelrillen 24 der einander gegenüberliegenden Stellringe 22 ist gegensinnig. In jeweils zwei einander gegenüberliegenden Kugelrillen 24 ist jeweils eine Kugel 25 aufgenommen. Bei Ver- drehung der Stellringe 22 gegeneinander bewegen sich die Kugeln 25 in den Kugel- rillen 24, so daß sich die beiden Stellringe 22 axial voneinander entfernen und die Druckscheibe 17 gegenüber der ersten Stützscheibe 18 verschoben wird. Auf diese Weise wird das Lamellenpaket zwischen der Druckscheibe 17 und der ersten Stütz- scheibe 18 zusammengedrückt, so daß die Reibung zwischen den ersten und den zweiten Lamellen erhöht wird. Durch Rückdrehen der beiden Stellringe 22 gegenein- ander verkleinert sich der axiale Abstand zwischen diesen wieder, so daß das Lamel- lenpaket nicht mehr beaufschlagt und die Reibungskupplung gelüftet wird. Über den axial benachbart zum Flansch 5 des Kupplungskorbs 4 angeordneten Sensor 6 kann eine zum von der Reibungskupplung 13 übertragenen Drehmoment proportionale Größe ermittelt werden, die zur Regelung der Reibungskupplung verwendet wird.

In Figur 4 ist der Drehmomentverlauf in der Reibungskupplung 13 aus Figur 3 ge- zeigt, wobei auf die Darstellung der Stellvorrichtung verzichtet wurde. Gleiche Bautei-

le sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es ist in der oberen Bildhälfte ersicht- lich, daß das Drehmoment vom Eingang 26 über den Kupplungskorb 4 sowie die äu- ßeren und inneren Kupplungslamellen 15,16 auf die Kupplungsnabe 14 als Ausgang 27 fließt. Dabei wird die Größe des zwischen Eingang 26 und Ausgang 27 der Rei- bungskupplung übertragenen Drehmoments von der axialen Anpreßkraft zwischen den inneren und den äußeren Kupplungslamellen 15,16 bestimmt. Mittels der Stell- vorrichtung kann das Reibmoment zwischen äußeren und inneren Kupplungslamel- len 15, 16 vergrößert werden, um ausgangsseitig ein gefordertes Drehmoment bzw. eine geforderte Drehzahl zu erzeugen. Hierfür wird von der Stellvorrichtung eine Axi- alkraft erzeugt, die durch die Druckscheibe 17, das Lamellenpaket, die erste Stütz- scheibe 18 und die Kupplungsnabe 14 fließt, was in der unteren Bildhälfte durch die Pfeile dargestellt ist.

Anordnung zur berührungslosen Drehmomentmessung Bezugszeichenliste 1 Scheibe 2 Innenfläche 3 Außenfläche 4 Bauteil, Kupplungskorb 5 Flansch 6 Sensor 7 Spulenanordnung 8 Fläche 9 Scheibe 10 Längsverzahnung 11 zylindrischer Abschnitt 12 Längsverzahnung 13 Reibungskupplung 14 Kupplungsnabe 15 äußere Kupplungslamellen 16 innere Kupplungslamellen 17 Druckscheibe 18 erste Stützscheibe 19 zweite Stützscheibe 21 Stellvorrichtung 22 Stellring 23 Stirnfläche 24 Kugelrille 25 Kugel 26 Eingang 27 Ausgang A Drehachse d Dicke r Radius M Drehmoment S Sicherheitsfaktor T Schubspannung