Anordnung zur Drehmomenterfassung, Antrieb und Arbeitsvorrichtung Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines auf eine Welle und insbesondere auf eine Kurbelwelle einer Arbeitsvorrichtung, einer Lenkung oder eines mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrrades, Elektrofahrrades, eBikes oder Pedelecs, entlang einer Rotationsachse wirkenden Drehmomentes. Sie betrifft ferner einen Antrieb für eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere für eine Lenkung oder für mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec.

Vorgeschlagen werden des Weiteren eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere eine Lenkung oder ein mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, ein Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec.

Bei der Überwachung und/oder Steuerung von Antriebseinrichtungen, zum Beispiel im Bereich der Fahrzeugtechnik, ist es oft wünschenswert, das auf eine Welle einer Antriebseinheit wirkende Drehmoment zu erfassen.

Dazu werden herkömmlicherweise z.B. Drehmomenterfassungseinrichtungen und deren Anordnungen eingesetzt, die mit den mechanischen Verspannungen in der Welle im Zusammenhang stehende Effekte ausnutzen, um so auf den Wert eines auf die Welle wirkenden Drehmomentes schließen zu können. Es werden z.B. Materialien eingesetzt, die von den mechanischen Belastungen abhängige magnetische und/oder elektrische Eigenschaften zeigen. Nachteilig ist dabei die notwendige und aufwendige materielle Modifikation der Welle.

Andererseits sind aktive Sensoren denkbar, die magnetische Felder in die Welle einprägen und aus der von der mechanischen Belastung abhängigen Feldantwort der Welle auf das Drehmoment schließen. Diese aktiven Systeme sind - wie andere auch - apparativ vergleichsweise aufwendig und störanfällig.

Bei anderen Konzepten zur Messung eines von einem Fahrer muskulär ausgeübten Drehmoments bei einem mit einem Motor kombinierten Antrieb werden zur Kraft- und Momentenmessung Übertragungswellen in den Kraft- und Momentenfluss eingebracht, die genügend Torsion aufweisen, um anhand dieser Torsion ein Drehmoment zu bestimmen. Dies führt zu einem Zielkonflikt in der Konstruktion der Welle. Diese soll einerseits stabil genug sein, um ein

Drehmoment zu übertragen und nicht abzuscheren, und andererseits biegbar genug sein, um eine Torsion erfassen zu können.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung eines auf eine Welle wirkenden Drehmoments mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit vergleichsweise geringem Aufwand ein Drehmoment auch bei maximal starren und damit stabilen Wellen erfasst werden kann. Das erfasste Drehmoment kann z.B. auch ein muskulär aufgebrachtes Drehmoment sein. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine Anordnung zur Erfassung eines auf eine Welle eines Antriebs und insbesondere auf eine Kurbelwelle einer Arbeitsvorrichtung, einer Lenkung oder eines mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeugs entlang einer Rotationsachse wirkenden Drehmomentes geschaffen wird, bei welcher

(i) die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist, welche voneinander materiell und räumlich getrennt und zueinander koaxial ausgebildet sind,

(ii) zur mechanischen Kopplung der Wellenabschnitte miteinander und zur Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft zwischen und koaxial zu den Wellenabschnitten eine Koppelwelle mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende ausgebildet ist,

(iii) einerseits der erste Wellenabschnitt der Welle und das erste Ende der Koppelwelle und andererseits der zweite Wellenabschnitt der Welle und das zweite Ende der Koppelwelle zur Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind, und

(iv) eine Sensoreinheit ausgebildet ist, die eingerichtet ist, eine auf die

Koppelwelle und/oder zwischen den Wellenabschnitten wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als ein Maß für das auf die Welle wirkende Drehmoment zu erfassen.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit im Hinblick auf die gegenseitige mechanische Kopplung stellt sich dann ein, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung

(A) einerseits der erste Wellenabschnitt der Welle und das erste Ende der Koppelwelle direkt und/oder über erste kooperierende Schrägverzahnungen oder erste kooperierende Gewinde miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind und

(B) andererseits der zweite Wellenabschnitt der Welle und das zweite Ende der Koppelwelle direkt und/oder über zweite kooperierende

Schrägverzahnungen oder zweite kooperierende Gewinde miteinander mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind.

Um die Position der Wellenabschnitte der Welle und/oder die Länge der Welle unabhängig von einem etwaig aufgebrachten Drehmoment konstant zu halten, können die Wellenabschnitte mit der Koppelwelle entsprechend mechanisch mit einer Kompensation gekoppelt sein.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform weisen die ersten und zweiten Schrägverzahnungen bzw. kooperierenden Gewinde zueinander

entgegengesetzte Orientierungen und/oder Umlaufsinne auf und sind insbesondere ansonsten identisch aufgebaut.

Die Wellenabschnitte der Welle und die Koppelwelle können in ihrer koaxialen Ausrichtung zueinander unterschiedliche Ausgestaltungsformen zur

mechanischen Ankopplung aneinander aufweisen. So ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments eine der Wellen mit beiden Wellenabschnitten und der Koppelwelle als Hohlwelle, insbesondere mit Innenverzahnung oder Innengewinde ausgebildet. In diesem Fall ist es von

Vorteil, wenn die andere der Wellen mit beiden Wellenabschnitten und der Koppelwelle als Innenwelle, insbesondere mit Außenverzahnung oder

Außengewinde, von der jeweiligen Hohlwelle zumindest teilweise umschlossen ausgebildet ist.

Alternativ dazu kann eine andere Geometrie vorgesehen sein, bei welcher die Abfolge aus erstem Wellenabschnitt der zu Grunde liegenden Welle, Koppelwelle und zweitem Wellenabschnitt der zu Grunde liegenden Welle kaskadiert ineinander verschachtelt ist, wie nach dem Matrjoschkaprinzip.

Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments ist einer der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle als Hohlwelle, insbesondere mit Innenverzahnung oder Innengewinde, und zur zumindest teilweise umschließenden und mechanisch gekoppelten oder koppelbaren Aufnahme des ersten bzw. des zweiten Endes der Koppelwelle als Innenwelle, insbesondere mit

Außenverzahnung oder Außengewinde, ausgebildet.

Der andere der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle ist dabei als Innenwelle, insbesondere mit Außenverzahnung oder Außengewinde, und zur zumindest teilweise umschließenden und mechanisch gekoppelten oder koppelbaren Aufnahme im anderen der ersten und zweiten Enden der

Koppelwelle als Hohlwelle ausgebildet, insbesondere mit Innenverzahnung oder Innengewinde.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform, die mit einfachen

Messmitteln die Erfassung eines für das wirkende Drehmoment repräsentativen Maßes ermöglicht, sind die Wellenabschnitte der Welle und die Koppelwelle jeweils zu einem axialen Spiel relativ zueinander ausgebildet, insbesondere bei Antrieb der Welle, jeweils zwischen einem ersten Anschlag und einem zweiten

Anschlag und/oder entgegen einer Federvorspannung mittels mindestens eines ersten Federelements, wobei das jeweilige axiale Spiel zwischen dem ersten Wellenabschnitt und der Koppelwelle einerseits und zwischen dem zweiten Wellenabschnitt und der Koppelwelle andererseits identisch sind mit

entgegengesetzter Richtung und/oder Orientierung. In diesem Fall kann das Maß eines axialen Spiels zwischen der Welle und insbesondere zwischen einem der ersten und zweiten Wellenabschnitte und der Koppelwelle als Maß für das auf die Welle einwirkende Drehmoment erfassbar sein, insbesondere mit einer Skalierung des Drehmoments über die Federkraft des Federelements, über Eigenschaften und insbesondere den Winkel der Schrägverzahnung, über den Durchmesser des Gewindes und/oder der

Schrägverzahnung und/oder über einen Positions- und/oder Abstandssensor, vorzugsweise mittels eines Hallsensors und eines Magnetelements.

Alternativ dazu kann ein Messprinzip zu Grunde gelegt werden, bei dem es auf eine nachweisbare axiale Verschiebung der Koppelwelle nicht ankommt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments sind die Welle und insbesondere die ersten und zweiten Wellenabschnitte und die Koppelwelle im Wesentlichen axial spielfrei gegeneinander gelagert und stützen sich - vermittelt durch einen Drucksensor - gegeneinander ab.

Dabei ist der Drucksensor eingerichtet, die axiale Kraft der Welle und

insbesondere mindestens einen der ersten und zweiten Wellenabschnitte und der Koppelwelle als Maß für das auf die Welle wirkende Drehmoment über den zwischen der Welle und insbesondere zwischen einem der Wellenabschnitte und der Koppelwelle wirkenden axialen Druck zu erfassen.

Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass ein oder mehrere Drucksensoren in einem Lager der Welle und insbesondere der ersten und zweiten

Wellenabschnitte und/oder in einem Lager der Koppelwelle integriert sind. Dabei ist dann ein jeweiliger dazu Drucksensor eingerichtet, die axiale Kraft der Welle und insbesondere mindestens eines der ersten und zweiten Wellenabschnitte und der Koppelwelle als Maß für das auf die Welle wirkende Drehmoment über den zwischen der Welle und insbesondere zwischen einem der Wellenabschnitte und der Koppelwelle wirkenden axialen Druck zu erfassen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antrieb für eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere für eine Lenkung oder für ein mit Muskelkraft und/oder oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, ein Fahrrad, eine Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist ausgebildet mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Drehmomenterfassung, welche zur Erfassung eines auf eine Welle des Antriebes wirkenden Drehmomentes, eingerichtet ist. Dabei kann erfindungsgemäß auf der Grundlage des erfassten Drehmomentes der Antrieb überwachbar und/oder steuerbar sein.

Mannigfache Anwendungsgebiete sind denkbar, um den erfindungsgemäßen Antrieb zum Einsatz zu bringen. Grundsätzlich kommen sämtliche Anwendungen in Betracht, bei welchen mittels einer Welle eine axiale Kraft und/oder ein Drehmoment übertragen werden müssen.

So kann bzw. können bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des

erfindungsgemäßen Antriebs einer der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle als Antriebswelle und der andere der ersten und zweiten Wellenabschnitte der Welle und/oder die Koppelwelle als Abtriebswelle fungiert bzw. fungieren. Eine jeweilige Abtriebswelle weist in vorteilhafter Weise ein Abtriebselement mechanisch gekoppelt oder koppelbar auf, insbesondere ein Zahnrad oder Kettenblatt.

Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere eine Lenkung oder ein mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike oder Pedelec, welche mit einem erfindungsgemäßen Antrieb zum Antreiben ausgebildet sind, wobei auf der Grundlage des erfassten Drehmomentes ein oder der Antrieb überwachbar und/oder steuerbar ist.

Kurzbeschreibung der Figuren

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Figur 1 ist eine schematische Darstellung für ein Beispiel eines

Fahrzeugs als Arbeitsvorrichtung nach Art eines

Elektrofahrrads, bei welchem eine Ausführungsform der Erfindung realisiert ist.

Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer teilweise geschnittener

Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines in einer Wellenanordnung auftretenden Drehmoments in Situationen ohne und mit beaufschlagtem Drehmoment.

Figur 4 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener

Seitenansicht eine andere Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines

Drehmoments in einer Wellenanordnung, welche bei der

Detektion ohne axiales Spiel auskommt.

Figuren 5 bis 7 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener

Seitenansicht verschiedene Möglichkeiten der

Verschachtelung einer Wellenanordnung bei verschiedenen

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments.

Figuren 8 und 9 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener

Seitenansicht Aspekte auftretender Kräfte in Abhängigkeit unterschiedlicher Ausgestaltungen der involvierten Gewinde.

Figuren 10 und 1 1 zeigen andere Ausgestaltungsformen Wellenanordnungen und Anordnungen zur Erfassung von Drehmomenten, bei denen das axiale Spiel oder eine axiale Verschiebung nach außen hin auftreten.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 11

Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben. Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger

Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung kann an jeder Art von Welle eingesetzt werden, an der ein

Drehmoment anliegt und/oder erfasst werden soll. Derartige Wellen können beispielsweise bei Motoren oder sonstigen Antrieben eingesetzt werden, bei denen es auf eine Übertragung einer Kraft und somit eines Drehmoments

ankommt. Zunächst wird unter Bezugnahme auf Figur 1 beispielhaft ein

Elektrofahrrad als eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 im Detail beschrieben. Es soll jedoch ausdrücklich erwähnt werden, dass die Erfindung auch bei jedem anderen Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. So ist der Einsatz generell bei allen Arbeitsvorrichtungen möglich, so auch in Handwerksgeräten, Küchengeräten, Gartengeräten, Trainingsgeräten,

Fitnessgeräten oder Spielzeugen.

Das Fahrzeug 1 umfasst als Elektrofahrrad einen Rahmen 12, an dem ein

Vorderrad 9-1 , ein Hinterrad 9-2 und ein Kurbeltrieb 2 mit zwei Kurbeln 7 und 8 mit Pedalen 7-1 und 8-1 angeordnet sind. Ein elektrischer Antrieb 3 ist in den Kurbeltrieb 2 integriert. Am Hinterrad 9-2 ist eine Gangschaltung 6 angeordnet.

Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb 3 bereitgestellt wird, wird von einem Kettenblatt 4 am Kurbeltrieb 2 über eine Kette 5 auf ein Ritzel der Gangschaltung 6 übertragen. Am Lenker des Fahrzeuges 1 ist ferner eine Steuereinheit 10 angeordnet, welche mit dem elektrischen Antrieb 3 verbunden ist. Im oder am Rahmen 12 ist ferner eine Batterie 1 1 ausgebildet, welche zur Stromversorgung des elektrischen Antriebes 3 dient.

Im Rahmen 12 integriert ist ferner ein Kurbellager 13 oder Tretlager, welches ein Kurbelgehäuse 14 und eine Kurbelwelle als Welle 15 aufweist, welche

erfindungsgemäß zweigeteilt ist mit einem ersten Wellenabschnitt 17 und einem zweiten Wellenabschnitt 18 in koaxialer Anordnung zueinander und mit einer Koppelwelle 20 dazwischen zur Vervollständigung und mechanischen Kopplung der Wellenanordnung 60. Im Bereich des aus dem Kurbeltrieb 2 und dem elektrischen Antrieb 3 gebildeten

Antriebs 80 und insbesondere im Bereich des Kurbelgehäuses 14 mit der Kurbelwelle 15 und der Wellenanordnung 60 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Drehmomenterfassung ausgebildet. Diese kann insbesondere zur Bewertung der aufgenommenen Daten zu dem auf die Kurbelwelle 15 wirkenden Drehmoment und zur Steuerung des Antriebs 80 und insbesondere des elektrischen Antriebs 3 mit der Steuereinheit 10 verbunden sein.

Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Erfassung eines in einer Wellenanordnung 60 auftretenden Drehmoments 15-5 und entsprechender axialer Kraft 15-4 in Situationen ohne und mit beaufschlagtem Drehmoment 15-5. Die Wellenanordnung 60 der Anordnung 100 zur Erfassung eines Drehmoments besteht dem Kern nach aus einer Welle 15 mit einem ersten Wellenabschnitt 17 und einem dazu koaxial angeordneten zweiten Wellenabschnitt 18 sowie einer zu beiden Wellenabschnitten 17 und 18 koaxial angeordneten Koppelwelle 20, deren erstes Ende 22-1 als Innenwelle vom zweiten Ende 17-2 des ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15 als Hohlwelle aufgenommen ist oder wird und deren zweites Ende 20-2 ebenfalls als Innenwelle vom ersten Ende 18-1 des zweiten Wellenabschnitts 18 der Welle 15 ebenfalls als Hohlwelle aufgenommen ist oder wird. Der erste Wellenabschnitt 17 der Welle 15 weist zumindest im Bereich des zweiten Endes 17-2 ein Innengewinde 16-1 oder alternativ dazu eine

Innenverzahnung als Schrägverzahnung auf, welches bzw. welche eingerichtet ist, mit einem im Bereich des ersten Endes 20-1 der Koppelwelle 20

ausgebildeten Außengewinde 22-1 einzugreifen bzw. - als Außenverzahnung im Sinne einer Schrägverzahnung aufgefasst - zu kämmen. Entsprechend weist der zweite Wellenabschnitt 18 der Welle 15 zumindest im Bereich des ersten Endes 18-1 ebenfalls ein Innengewinde 16-2 oder alternativ dazu eine Innenverzahnung als Schrägverzahnung auf, welches bzw. welche eingerichtet ist, mit einem im Bereich des zweiten Endes 20-2 der Koppelwelle 20 ausgebildeten Außengewinde 22-2 einzugreifen bzw. - als Außenverzahnung im Sinne einer Schrägverzahnung aufgefasst - zu kämmen.

Die Welle 15 ist durch Lager 61 und 62 am ersten Ende 17-1 des ersten

Wellenabschnitts 17 der Welle 15 bzw. am zweiten Ende 18-2 des zweiten Wellenabschnitts 18 der Welle 15 eingefasst und wird durch diese um die

Rotationsachse 15-3, 20-3 rotierbar gehaltert.

Zwischen der Stirnseite des ersten Endes 20-1 der Koppelwelle 20 und dem ersten Wellenabschnitt 10 der Welle 15 als Hohlwelle, also in dessen Innerem, ist ein erstes Federelement 51 ausgebildet, um eine Vorspannung zwischen dem ersten Wellenabschnitt 17 und der Koppelwelle 20 zu schaffen. In analoger Weise ist zwischen der Stirnseite des zweiten Endes 20-2 der Koppelwelle 20 und dem zweiten Wellenabschnitt 18 als Hohlwelle, also in dessen Innerem, ein zweites Federelement 52 ausgebildet, um eine Vorspannung zwischen dem zweiten Wellenabschnitt 18 und der Koppelwelle 20 zu schaffen.

An der Außenumfangsfläche der Koppelwelle 20 ist eine Marke 70 ausgebildet, welche fest mit der Koppelwelle 20 verbunden ist. In der in Figur 2 dargestellten Situation wirkt kein Drehmoment, weder auf die Wellenabschnitte 17, 18 der Welle 15, noch auf die Koppelwelle 20.

Dagegen wird in der Situation gemäß Figur 3, zum Beispiel über den ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15, die Wellenanordnung 60 mit einem

Drehmoment 15-5 beaufschlagt, wodurch über die Kopplung mittels der Gewinde 16-1 , 22-1 einerseits und 16-2, 22-2 andererseits eine axiale Kraft 15-4 entsteht, welche über die Verschiebung 71 der Marke 70 im Vergleich zu deren hier als 70' markierte ursprüngliche Position und deren Wert Δχ zusammen mit dem wirkenden Drehmoments 15-5 quantifizierbar ist. Bemerkenswert bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung

100 zur Drehmomenterfassung gemäß den Figuren 2 und 3 ist, dass auf Grund der gegensätzlichen Sinne oder Orientierungen der Gewindekombinationen mit den Gewinden 16-1 , 22-1 einerseits und 16-2, 22-2 andererseits die

Verschiebung 71 der Marke 70 bewirkt wird durch ein Einschrauben des zweiten Endes 20-2 der Koppelwelle 20 in den zweiten Wellenabschnitt 18 der Welle 15 bei einem gleichzeitigen Ausschrauben des ersten Endes 20-1 der Koppelwelle 20 aus dem ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15, so dass insgesamt keine

Positionsänderung der äußeren axialen Anschläge 63 und 64 der

Wellenanordnung 60 und/oder keine Änderung in der Länge 65 der

Wellenanordnung 60 entlang der Rotationsachse 15-3, 20-3 nach außen auftreten.

Bei der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Anordnung 100 zur

Drehmomenterfassung erfolgt die Messung der axialen Verschiebung 71 der Marke 70 und die Bestimmung des Wertes Δχ mittels einer Sensoreinheit 30, welche einen Abstandssensor 31 aufweist. Das bedeutet, dass das den Figuren 2 und 3 zu Grunde gelegte Messprinzip eine Abstandsmessung ist.

Demgegenüber zeigt Figur 4 in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Erfassung eines Drehmoments in einer Wellenanordnung 60, welche bei der Detektion ohne axiales Spiel auskommt und daher keine Abstandsmessung zu Grunde legt.

Stattdessen werden die Federelemente 51 und 52, die bei der Anordnung 100 gemäß den Figuren 2 und 3 zwischen den Stirnseiten der Koppelwelle 20 und den Hohlwellen der ersten und zweiten Wellenabschnitte 17 und 18 der Welle 15 zur Vorspannung vorgesehen sind, ersetzt durch entsprechende Drucksensoren 35 als Teil der Sensoreinheit 30. Anstelle des Messens einer axialen

Verschiebung einer Marke und damit der Koppelwelle 20 relativ zu den ersten und zweiten Wellenabschnitten 17 und 18 der Welle 15 erfolgt eine

Druckmessung mittels der Drucksensoren 35, also deren Dilatation und

Kompression beim Beaufschlagen mit einem Drehmoment 15-4 und mit einer aus dem Miteinandereingreifen der Gewindepaare 16-1 , 22-1 bzw. 16-2, 22-2 resultierenden axialen Kraft 15-5. Alternativ zu der in Figur 4 dargestellten Anordnung 100 ist es auch möglich, einen Sensor 35 zu verbauen, der auf Zug und Druck reagiert. Als weitere Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 ist denkbar, Druck- und/oder Zugsensoren 35 in dem Bereich der Kugellager zu positionieren. Dadurch können die Sensoren 35 ortsfest verbaut werden und müssen nicht berührungslos ausgelesen werden.

Figuren 5 bis 7 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener

Seitenansicht verschiedene Möglichkeiten der Verschachtelung einer

Wellenanordnung 60 bei verschiedenen Ausführungsformen der

erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Erfassung eines Drehmoments 15-4.

Die Anordnung 100 gemäß Figur 5 folgt im Wesentlichen dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Schema, bei welchem die ersten und zweiten

Wellenabschnitte 17 und 18 der Welle 15 als außenliegende Hohlwellen an ihren zweiten bzw. ersten Enden 17-2 bzw. 18-1 das erste Ende 20-1 bzw. das zweite Ende 20-2 der Koppelwelle 20 als Innenwelle in sich aufnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 100 gemäß Figur 6 ist die Situation invertiert. Die außenliegenden Wellenabschnitte 17 und 18 sind als Innenwellen ausgebildet und werden von einer Koppelwelle 20, die als Hohlwelle fungiert, an ihrem zweiten Ende 17-2 bzw. an ihrem ersten Ende 18-1 von der Koppelwelle 20 aufgenommen und von dieser umfasst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 100 gemäß Figur 6 liegt eine

verschachtelte oder kaskadierte Anordnung vor, bei welcher der erste

Wellenabschnitt 17 der Welle 15 als Innenwelle mit seinem zweiten Ende 17-2 in der Koppelwelle 20 aufgenommen ist und von dieser umfasst wird, wobei das erste Ende 20-1 der Koppelwelle 20 als Hohlwelle fungiert. Dagegen ist das zweite Ende 20-2 der Koppelwelle 20 als Innenwelle im ersten Ende 18-1 des zweiten Wellenabschnitts 18 der Welle 15, welches als Hohlwelle fungiert, aufgenommen und wird von dieser umfasst.

Die jeweils relevanten Paare von Gewinden oder Verzahnungen 16-1 , 22-1 bzw. 16-2, 22-2 sind in den Anordnungen 100 der Figuren 5 bis 7 nicht explizit dargestellt. Figuren 8 und 9 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener

Seitenansicht Aspekte auftretender Kräfte FA, FM, FG in Abhängigkeit unterschiedlicher Ausgestaltungen des Paares an Gewinden 16-1 , 22-1 .

Figuren 10 und 1 1 zeigen andere Ausgestaltungsformen von

Wellenanordnungen 60' und von Anordnungen 100' zur Erfassung von

Drehmomenten, bei denen das axiale Spiel oder eine axiale Verschiebung 71 nach außen hin auftreten.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:

In Anwendungen mit Antriebsmotoren ist die Messung der abgegebenen

Drehmomente 15-4 ein häufig auftretendes Problem. Der Zielkonflikt besteht darin, dass zur Übertragung von Drehmomenten 15-4 starre Verbindungswellen notwendig sind, um eine Übertragung der Motorkraft auf irgendeine Art von Applikation zu ermöglichen.

Beispiele hierfür sind, der Antriebsmotor eines KFZ und die Antriebswelle 15, Antriebsräder, der Antriebsmotor 3 einer Werkzeugmaschine - z.B.

Drehmaschine - und das Werkstück, das angetrieben wird, und der

Antriebsmotor einer Bohrmaschine und der Bohrkopf.

In allen Fällen ist es ein mechanisches Bestreben, die Übertragungsstrecke so starr wie möglich zu machen, um eine gute Kraftübertragung zu gewährleisten. Problematisch an dieser Stelle ist nur, dass dann eine Drehmomentmessung nicht mehr möglich ist oder nur mit sehr hohem technischen Aufwand eine Minimaltorsion noch gemessen wird, die trotz der starren Verbindung immer noch auftritt.

Beispiele hierfür sind Dehnmessstreifen, die Minimaltorsionen erfassen.

In vielen Applikationen wird auf eine Messung des Drehmoments einfach verzichtet und der Motor wird gesteuert gefahren also ohne direkte Messung eines Drehmoments. Eine Lösung des beschriebenen Konflikts zwischen starrer Verbindung einerseits und Beweglichkeit zur Messung des Drehmoments andererseits ist durch die in den Figuren 10 und 1 1 dargestellte Konstruktion gegeben, z.B. mit dem

Anwendungshintergrund eines E-Bike als Fahrzeug 1 und einer entsprechenden Wellenanordnung 60' mit einem ersten Wellenabschnitt 17' und einem zweiten Wellenabschnitt 18'.

Das Drehmoment 15-4 setzt sich in eine Verschraubung zwischen einem

Kettenrad 4 und eine Tretachse 15-3 einer Welle 15' um. Damit kann an der axialen Verschiebung des Kettenrades 4 das Drehmoment 15-4 abgelesen werden.

Nachteil der Konstruktion ist, dass eine variable Länge und/oder Position der Achse oder Welle 15' vorliegt, nämlich in Abhängigkeit vom aufgebrachten Drehmoment 15-4.

Speziell bei durchgängigen Achsen kann die Längenänderung der Achse konstruktive Probleme erzeugen.

Die vorliegende Erfindung kann bei bevorzugten Ausgestaltungsformen auch dieses Problem beheben, welches mit Anordnungen gemäß den Figuren 10 und 1 1 und der drehmomentabhängigen Längenänderung oder Position der Welle 15' im Zusammenhang steht.

In Figur 1 1 schraubt sich der rechte Wellenteil des zweiten Wellenabschnitts 18' der Welle 15' in die linke Hohlwelle des ersten Wellenabschnitts 17' der Welle 15'. Dadurch ergibt sich ein axialer Wellenversatz Δχ, der gemessen und dann als Maß für das anliegende Drehmoment 15-4 ausgewertet werden kann.

Im Fall eines nicht offenen Wellenendes kann dieser axiale Versatz Δχ nur schwer über ein Lager aufgefangen werden.

Erfindungsgemäß soll das Problem der Längenänderung dadurch gelöst werden, dass das Schraubenprinzip aus den Figuren 10 und 11 zweifach angewandt wird, aber mit gegensinnigen Gewinden oder Verzahnungen 16-1 , 22-1 bzw. 16-2, 22- 2, so dass eine gegenseitige Kompensation bewirkt wird. Die vorgeschlagene Konstruktion verwendet das ursprüngliche Prinzip aus den Figuren 10 und 1 1.

Als wesentliche Neuerung kommt hinzu, dass das Prinzip der gegenseitigen Verzahnung oder Verschraubung 16-1 , 22-1 bzw. 16-2, 22, 2 zweifach angewandt wird, und zwar einmal mit einem Rechts- und einmal mit einem Linksgewinde oder mit zwei zueinander gegensinnigen Verzahnungen. Somit besteht die gesamte Wellenanordnung 60 aus drei Einzelteilen, nämlich den ersten und zweiten Wellenabschnitten 17 und 18 der Welle 15 und der dazwischen vorgesehenen Koppelwelle 20.

Die ersten und zweiten Wellenabschnitte 17 und 18 der Welle 15 sind über Lager 61 , 62 der Wellenanordnung 60 gefasst. Der durch die Koppelwelle 20 gebildete mittlere Teil der Wellenanordnung 60 wird über die zwei Schraubverbindungen mit den Kombinationen der Gewinde 16-1 , 22-1 und 16-2, 22-2 geführt, wobei über die Federn 51 , 52 eine Vorspannung der Kombinationen der jeweiligen zwei Gewinde 16-1 , 22-1 und 16-2, 22-2 erfolgt.

Sobald zum Beispiel am rechten Wellenende, also am zweiten Wellenabschnitt 18 der Welle 15, ein Drehmoment 15, 4 im Uhrzeigersinn angelegt wird, ergibt sich eine Verdrehung zwischen dem zweiten Wellenabschnitt 18 und der Koppelwelle 20 mit dem Effekt, dass sich die gekoppelten Schraubgewinde 16-2, 22-2 eindrehen und die Feder 52 weiter eingedrückt wird. Im gleichen Maß ergibt sich eine entgegengesetzte Verdrehung zwischen der Koppelwelle 20 als Mittelstück und dem ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15 als linkem

Wellenende, wobei sich auf Grund des umgekehrten Gewindesinns mit einem Rechts- bzw. Linksgewinde die Schraubverbindung mit den Gewinden 16-1 , 22-1 im gleichen Maß herausdrehen. Das bedeutet, dass die äußeren Wellenteile oder Wellenabschnitte 17, 18 der

Welle 15 axial fixiert bleiben und nur eine axiale Verschiebung Δχ in Bezug auf die Koppelwelle 20 auftritt. Diese axiale Verschiebung Δχ ist wiederum ein direktes Maß für das an der Wellenanordnung 60 und insbesondere an der Welle 15 ihrer ersten und zweiten Wellenabschnitte 17, 18 sowie an der Koppelwelle 20 anliegende Drehmoment 15-4. Gleichermaßen ist auch der Verdrehwinkel Δφ ein

Maß für das anliegende Drehmoment 15-4. Wichtig bei der Konstruktion ist das gleiche Absolutmaß der Gewindesteigung zwischen einem Links- und dem Rechtsgewinde für die Gewinde 16-1 , 16-2; 22- 1 , 22-2.

Der Versatz Δχ kann induktiv, optisch, kapazitiv, oder über

Transformatorprinzipien erfasst werden. Eine Messung des Wnkelversatzes Δφ zur Auswertung des Drehmoments 15-4 ist ebenfalls denkbar.

Die Erfindung ist prinzipiell bei jedem Antrieb 80 anwendbar, egal ob dieser elektrisch, verbrennungstechnisch oder - wie bei Turbinen - mit Wind- oder Wasserkraft betrieben wird.

Auch eine Erfassung des Drehmoments ohne eine explizite Verschiebung, d.h. ohne axialen Versatz Δχ ist denkbar.

Hierzu wird der Spielraum zwischen der Welle 15 und ihrer Wellenabschnitte 17, 18 einerseits und der Koppelwelle 20 andererseits minimiert, vorzugsweise auf den Wert Null, und stattdessen wird eine Krafterfassung oder Druckmessung, z.B. durch das Vorsehen von einem oder von zwei Piezoelementen 35 als Teil einer Sensoreinheit 30 zwischen einem jeweiligen Wellenabschnitt 17, 18 und der Koppelwelle 20 implementiert.

Es sei hier noch erwähnt, dass auch andere Konstruktionen denkbar sind, bei denen sich die Kraftmessung durch geeignete Lagerung an nicht drehenden Teilen befindet.

Im Folgenden soll noch dargestellt werden, wie die Dimensionierung der erfindungsgemäßen Anordnung 100 für einen Drehmomentsensor über unterschiedliche Gewindesteigungen möglich ist.

In Figur 8 ist die Kraftaufteilung oder Kraftzerlegung dargestellt, die sich bei Anliegen einer Drehmomentkraft FM an der Koppelwelle 20 einstellt. Es ergibt sich eine Kraftkomponente FA in Richtung der Achse 15-3, 20-3 der Wellen 50, 20. Diese Kraft FA drückt die Koppelwelle 20 in den ersten Wellenabschnitt 17 der Welle 15 - hier in Form einer Hülse mit Innengewinde 16-1 - hinein. Des Weiteren wird sich eine Kraftkomponente FG einstellen, die senkrecht auf den Gewinden 16-1 , 22-1 lastet und in der Abbildung mit der Kraft FG beschrieben ist. Angedeutet ist auch noch, wie sich der Winkel der Gewindesteigung α auf das Kräftedreieck überträgt.

Figur 9 zeigt das Kräftedreieck bei einer höheren Gewindesteigung. Man erkennt, dass sich ein niedrigerer axialer Kraftanteil FA einstellt und ebenso die Belastung auf die Gewinde 16-1 , 22-1 sinkt.

Aus diesen Zusammenhängen ist ersichtlich, dass über die Gewindesteigung die Umsetzung von Momentenkraft zu axialer Kraft eingestellt werden kann. Die axiale Kraft ergibt sich zu FA = FM / tan(a).

Je niedriger die Gewindesteigung α ist, desto höher wird die axiale Kraft FA. Für eine möglichst symmetrische Auslegung von vortreibender Kraft und

Rückstell kraft ist eine Gewindesteigung von α = 45° besonders vorteilhaft.

Von Bedeutung ist ebenfalls der Durchmesser des Gewindes. Da das

Drehmoment ist definiert als Produkt aus (a) Hebelkraft, die senkrecht zu einem Hebelarm wirkt, und (b) der Länge des Hebelarms, stellt sich abhängig vom Durchmesser des jeweiligen Gewindes 16-1 , 16-2, 22-1 , 22-2 bei fest

vorgegebenem Drehmoment 15-4 eine Hebelkraft FM ein die mit steigendem Durchmesser sinkt. Damit ist auch über den Durchmesser des Gewindes 16-1 , 16-2, 22-1 , 22-2 der Drehmomentsensor 100 skalierbar.

Die senkrecht auf das Gewinde 16-1 , 16-2, 22-1 , 22-2 wirkende Kraft FG bestimmt sich zu FG = FM / sin(a), wobei α wieder die Gewindesteigung bezeichnet.