具有密封膜的扭矩传感器的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的扭矩传感器。

背景技术：

由文献ep1353159a2已知一种呈一体式接收件的形式的扭矩传感器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种紧凑的、简单构造的扭矩传感器，其对机械的干扰影响更不敏感。

根据本发明，该目的通过具有在权利要求1中提到的特征的扭矩传感器实现。

这种扭矩传感器具有基体，其在基体的径向方向上从具有第一施力部位的环形的内凸缘通过配备有产生输出信号的测量传感器的机械削弱的传感器区段延伸至具有第二施力部位的环形的外凸缘，其中，沿轴向布置在外凸缘和内凸缘之间的橡胶弹性的密封膜流体密封地覆盖机械削弱的传感器区段。这例如防止流体可穿过为了机械削弱而设有轴向贯穿开口的传感器区段。

优选地，橡胶弹性的密封膜沿轴向处在第二施力部位和机械削弱的传感器区段之间。测量传感器或应变仪可以这种方式可靠地防止与流体接触以及密封传动机构(如果存在)。

密封膜可夹紧在扭矩传感器处或与扭矩传感器粘接。

优选地，密封膜构造为盘状的环形膜，由此环形膜可容易地被引到外凸缘和内凸缘之间。

优选地，密封膜附接到外凸缘和/或内凸缘。

优选地，密封膜为模制橡胶件、车削橡胶件或借助于水射流加工制成的橡胶件。

优选地，密封膜具有的弹性模量至少缩小至基体的弹性模量的1/10²，优选地缩小至基体的弹性模量的1/10⁵至1/10³，优选地1/10⁵至1/10⁴。通过密封膜的更小的弹性模量更进一步减小密封膜对在传感器区段中的变形的影响。

优选地，第二施力部位通过径向上有弹性的材料区段与传感器区段连接。以这种方式可实现在径向方向上的高度脱耦，使得例如可补偿在第二施力部位处的圆度偏差。这种圆度偏差例如可由制造公差引起。结果可为测量传感器的串扰。为了避免由此引起的测量误差，径向上有弹性的材料区段具有相对于径向变形小的刚性，以便补偿轴向力和倾覆力矩，而该材料区段相对于扭力近乎是刚性的，即，具有高的刚度。径向上有弹性的材料区段可设计为，补偿由轴向力和倾覆力矩引起的变形。

径向上有弹性的材料区段可为沿基体的轴向方向伸延的薄壁的材料区段。在此，该材料区段不必仅仅沿轴向方向延伸，而是还可仅仅具有轴向分量。这种轴向的材料区段例如可锥形或曲折地实施。优选地，该薄壁的材料区段为仅仅沿基体的轴向方向伸延的区段，即，仅仅沿轴向方向伸延的材料区段。

适合作为测量传感器的例如为对压力或拉力敏感的测量传感器，例如应变仪，然而同样可行的是，借助于编码器测量在扭矩传感器的内凸缘和外凸缘之间的角度差。此外，同样可行的是，使用磁致伸缩的测量方法。

优选地，外凸缘是一体式或多件式的，其中，径向上有弹性的材料区段和第二施力部位优选地形成一个部件。

优选地，薄壁的材料区段构造为在外凸缘中沿周向方向延伸的槽的薄壁式底部。优选地，槽位于外凸缘的外周或内周处。因此，总地可实现扭矩传感器的可简单制造的紧凑的构造。

施力部位可为孔或齿隙或两者的组合，其中，孔和/或形成齿隙的齿优选地沿基体的轴向方向延伸。在此并且在下文中，孔指的是至少一侧敞开的开口，例如具有圆形或多边形横截面的这种开口。

优选地，径向上有弹性的材料区段连接分别构造为孔的第二施力部位与在扭矩传感器的未受负荷的基本状态中为同心的、位于外凸缘处并且同样分别构造为孔的第三施力部位。这种同心的第二施力部位和第三施力部位可简单地通过一个钻孔过程制成。

在构造为孔的第三施力部位中，其处在传感器(径向上没有弹性的材料区段)的外凸缘中，可固定有优选地构造为止挡销的止挡元件，该止挡元件沿孔的轴向方向延伸并且在扭矩传感器的未受负荷的基本状态中沿周向无接触地被同样构造为孔的第四施力部位包围。由此可尤其避免机械削弱的传感器区段的过载，因为此时止挡元件接触构造为孔的第四施力部位的壁并且通过这种支撑提供扭矩传感器中的附加的加固。优选地，止挡元件具有与第三施力部位互补的形状，其中，止挡元件还可构造为空心体。

优选地，构造为孔的第三施力部位具有与构造为孔的第二施力部位不同的直径。这具有的优点是，例如具有恒定直径的止挡销可用作止挡元件，其中，其直径必须相应于构造为孔的第二施力部位和第三施力部位的更小的直径，以便可无接触地被构造为孔的第二施力部位和第三施力部位中的相应另一者包围。

优选地，构造为孔的第三施力部位具有比同样构造为孔的第二施力部位更大的直径。有利地，可因此通过构造为贯通孔的第三施力部位的背离第二施力部位的一段控制止挡元件的一端是否被第三施力部位实际无接触地包围。而止挡元件的另一端固定在构造为孔的第二施力部位中，并且在扭矩传感器的装配状态中不可见。

优选地，第二施力部位为沿径向从外凸缘突出的区段的一部分，径向上有弹性的材料区段沿基体的轴向方向从该部分延伸至传感器区段。由此可实现到第二施力部位的简单的装配。

外凸缘可为一体式的，其中，扭矩传感器可由钢、铝或铝合金构成。

替代地，外凸缘可为多件式的，其中，径向上有弹性的材料区段和第二施力部位优选地形成共同的部分，其优选地由钢构成，而外凸缘的其他部分可由铝或铝合金构成。多件性允许为每个部分选择合适的材料。因此，有利的是，扭矩传感器的沿径向有弹性的部分由钢制成，并且扭矩传感器的其余部分铝或铝合金制成，因为最后提到的两种材料在具有高强度的情况下没有磁滞和小的内阻尼。因此，在一体式的扭矩传感器中同样有利的是，将铝或铝合金选为材料。

优选地，径向上有弹性的材料区段和第二施力部位形成与外凸缘的其他部分可松开地连接的部分，优选地借助于螺栓。以这种方式，可快速且成本低廉地更换外凸缘部分。

优选地，第二施力部位与壳体一体式地形成，这可简化制造。

优选地，测量传感器是应变仪，其工作原理可为电式的、光学式的或压电式的。

机械削弱的传感器区段可包括沿径向伸延的第一连接腹板和第二连接腹板，它们具有相同或不同的机械特性并且在周向方向上交替布置。在此，“沿径向伸延地”意指机械削弱的传感器区段的具有至少一个径向分量的任何轮廓。径向的轮廓可以是仅仅沿径向的，然而，没有问题地可行的是与之不同的具有径向分量的轮廓，例如曲折的走向。

优选地，连接腹板设立成测量剪切和/或弯曲应力。

优选地，如果第一连接腹板与第二连接腹板在机械方面不同，用作测量传感器的应变仪仅仅附接到第一连接腹板或两种连接腹板上。在第二替代方案的情况下可使测量范围增大。原则上通过将第一连接腹板和第二连接腹板构造为机械上不同，尽管机械负荷相同，即，在这种情况下具有相同的有效转矩，由应变仪测得的表面应变可彼此不同。因此，在存在机械上不同的第一连接腹板和第二连接腹板时，第一连接腹板例如可构造为，固定在第一连接腹板处的应变仪即使在小的有效转矩的情况下产生相对高的有用电信号。通过这样构造的连接腹板可以更好的分辨率测得小的转矩，然而测量范围此时还相应更小。在所选的示例中，第二连接腹板此时可构造为，固定在第二连接腹板处的应变仪只有在更高的转矩的情况下才提供好的有用电信号，这对于测量更高的转矩是有利的。此时，固定到第二连接腹板的应变仪的测量范围还相应地更大。

仅仅与内凸缘不可相对转动地连接并且具有至少一个在扭矩传感器的未受负荷的基本状态中与轴向的外凸缘孔同心的止挡凸缘孔的止挡凸缘可在外凸缘的与第二施力部位相对而置的一侧平行于传感器区段延伸。以这种方式，可在扭矩传感器处发生过载时根据需要借助于一个或多个止挡销添加加固可能性。在此，该工作原理相应于上文关于止挡销的说明。

优选地，止挡凸缘孔具有与外凸缘孔不同的直径，其中，具有更小直径的孔可固定止挡销。以这种方式，如上文已经提到的那样，可将止挡销的具有恒定直径的一端固定在外凸缘孔或止挡凸缘孔中，而止挡销的另一端在扭矩传感器的未受负荷的基本状态中被外凸缘孔或止挡凸缘孔中的相应另一者无接触地包围。

优选地，在止挡凸缘中存在沿外凸缘的周向方向等距地分布的多个止挡凸缘孔，这可在过载时引起在周向方向上更好的负荷分布。

优选地，止挡凸缘具有关于通过内凸缘的中轴线的线距离相同地彼此相对而置的止挡凸缘孔，这可在过载时引起在径向方向上更好的负荷分布。

优选地，沿轴向方向延伸的止挡销固定在外凸缘孔或止挡凸缘孔中，并且在扭矩传感器的未受负荷的基本状态中沿周向无接触地被外凸缘孔或止挡凸缘孔中的对立的相应另一者包围。

通过上述措施可将过载碎裂防护简单且紧凑地设置在扭矩传感器中，使得还可避免扭矩传感器的塑性变形。在此，此处设置的轴向孔可比径向孔更简单地制成。此外，在止挡销和相应的止挡凸缘孔或外凸缘孔之间的缝隙可选择为比止挡销沿径向取向时更小，此点参见ep1353159a2中的图6a、6b和图7a、7b。此外，沿径向伸延的止挡销对在扭矩传感器处的轴向变形和倾覆力矩更加敏感。

止挡凸缘可与内凸缘一体式地形成，这可允许简单且紧凑的构造。

替代地，止挡凸缘可为与内凸缘连接的构件，优选地，为与内凸缘可松开地连接的构件。以这种方式，可为止挡凸缘选择比扭矩传感器的基体并且尤其传感器区段刚性更好的材料。

优选地，止挡凸缘可为通过过盈配合与内凸缘连接的构件。

优选地，止挡凸缘可为通过平行于基体的轴向方向伸延的螺栓可松开地与内凸缘连接的构件。替代地，止挡凸缘可与内凸缘借助于粘接连接、粘接连接加螺栓、或过盈配合加螺栓、或以其他方式连接。

测量传感器可为应变仪，其具有与基体连接的测量格区段和与测量格区段邻接的自由连接区段，该自由连接区段具有至少一个电连接点。以这种方式，可快速且简单地将应变仪一端附接到表面，并且另一端部附接到电构件。

优选地，至少一个电连接点为焊盘。

优选地，在电连接点和测量格区段之间的最小间距相应于测量格区段在其长度方向上的长度，这使得应变仪为了附接目的的处理变得容易。

优选地，连接区段是弹性的和/或条形的。

优选地，连接区段在未受负荷的基本状态中在优先方向上弯曲，例如u形地弯曲。

设计成用于将连接区段暂时保持在电构件处的保持区段可在至少一个电连接点的另一侧与连接区段邻接。由此使应变仪的另一端部附接到电构件变得简单。

优选地，保持区段具有居中的通孔或凹处。通孔或凹处可用于例如借助于螺丝刀将保持区段暂时保持在电构件处。

优选地，保持区段是自粘性的。在这种情况下，保持区段可不用工具暂时地保持在电构件处。

优选地，保持区段进行了倒圆处理，这可在处理保持区段时预防损伤。

附图说明

下面借助示意性的附图更详细地阐述本发明。在此，相同的元件设有相同的附图标记，其中，为了提高附图的可读性，有时取消了示出这些附图标记。附图中：

图1在左边示出了第一扭矩传感器的斜上方立体视图，以及在右边示出了一体式的第一扭矩传感器的剖视图，

图2在右边示出了第二扭矩传感器的斜下方立体视图，以及在左边示出了一体式的第二扭矩传感器的剖视图，

图3在右边示出了第三扭矩传感器的斜下方立体视图，以及在左边示出了两件式的第三扭矩传感器的剖视图，

图4在右边示出了第四扭矩传感器的斜下方立体视图，以及在左边示出了两件式的第四扭矩传感器的剖视图，

图5示出了具有相同的连接腹板的第五扭矩传感器的立体图，

图6示出了具有不同的交替布置的连接腹板的第六扭矩传感器的立体图，

图7示出了第七扭矩传感器的剖视图，其一体式地形成有止挡凸缘，

图8示出了第八扭矩传感器的剖视图，其具有止挡凸缘，该止挡凸缘为分开地通过过盈配合与扭矩传感器连接的构件，

图9示出了第九扭矩传感器的斜下方看的立体分解图，与图8的第八扭矩传感器类似，在其中止挡凸缘通过螺纹连接与扭矩传感器连接，

图10示出了第十扭矩传感器的剖视图，其具有夹紧的密封膜，

图11示出了第十一扭矩传感器的剖视图，其具有粘接在里面的密封膜，

图12以剖视图示出了轻量化装置中的图1的第一扭矩传感器连同谐波驱动传动机构，

图13示出了图12的轻量化装置的分解图，

图14在上面示出了传统的应变仪，以及在下面示出了应变仪的传统的固定，并且

图15在上面示出了替代的应变仪，以及在下面示出了替代的应变仪的固定。

具体实施方式

图1示出了一体式的第一扭矩传感器100，其具有由铝或铝合金构成的基体101，该基体在基体101的径向方向y上从具有分别构造为孔的第一施力部位105的环形的内凸缘103通过配备有对伸展敏感的产生电输出信号的测量传感器(例如参见图14和15)的机械削弱的传感器区段107延伸至环形的一体式外凸缘109。在沿径向从外凸缘109突出的区段中存在分别构造为孔的第二施力部位111，该第二施力部位111在基体101的轴向方向x上通过沿轴向方向x伸延的、构造为薄壁的周向壁区段的、径向上有弹性的材料区段113与传感器区段107连接。

图2示出了同样一体式的第二扭矩传感器200，在其中径向上有弹性的材料区段213构造为在外凸缘209的外周上环绕地槽215的薄壁的底部。径向上有弹性的材料区段213连接第二施力部位211与位于外凸缘209处的分别构造为孔的第三施力部位211a以及同样构造为孔的第四施力部位211b，其在此用作进入开口。在此，进入开口211b在扭矩传感器200的未受负荷的基本状态中与第二施力部位211同心地布置。然而，如下文进一步参考图7至图9说明的那样，进入开口211b还可用作施力部位。为此目的，止挡元件可固定在该施力部位211、211b中的一个中，该止挡元件沿轴向方向x延伸并且在扭矩传感器200的未受负荷的基本状态中沿周向无接触地被相应另一施力部位211b、211包围。在示出的实施例中，进入开口211b具有比第二施力部位211更大的直径。显然，进入开口211b可附加地或仅仅用于允许连接元件、例如螺钉或螺栓穿过第二施力部位211，以便允许这些用于将构件、例如套筒或壳体附接到在第二施力部位211的连接元件。

图3示出了第三扭矩传感器300，其具有相比于图1和图2多件式的外凸缘309。多件式外凸缘309的由铝或铝合金构成的第一部分309a一体式地延伸，作为传感器区段307的延长部分，而由钢构成的第二部分309b包括径向上有弹性的材料区段313和第二施力部位311。在此，第二部分309b通过平行于轴向方向x伸延的螺栓310可分开地与第一部分309a连接。

图4示出了第四扭矩传感器400，其与在图3中示出的第三扭矩传感器300的不同主要在于，第四扭矩传感器的第二施力部位411与壳体417一体式地形成，该壳体具有面向扭矩传感器400的中轴线的支承座419。

图5示出了第五扭矩传感器500，在其中机械地削弱的环形的传感器区段507由沿径向伸延的连接腹板519形成，它们都具有相同的机械特性并且在周向方向上通过切口521彼此间隔开。在此，连接腹板519设立成测量剪切和/或弯曲应力并且在所有的连接腹板519上都安置有构造为应变仪的测量传感器。在此，第一灵敏度的测量传感器和第二灵敏度的测量传感器可在周向方向上交替安装。同样，测量传感器可交替附接到连接腹板519的不同部位处。

图6示出了第六扭矩传感器600，在其中机械地削弱的环形的传感器区段607相比于在图5中示出的第五扭矩传感器500具有沿径向伸延的第一连接腹板和第二连接腹板619a、619b，其中，第一连接腹板619a具有不同于第二连接腹板619b的机械特性并且在周向方向上交替布置，在它们之间存在切口621。在此，测量传感器附接到两个连接腹板619a、619b。替代地，测量传感器还可仅仅附接到第一连接腹板619a或第二连接腹板619b。附接到第一连接腹板619a的第一测量传感器仅仅提供第一测量范围的信号，并且附接到第二连接腹板619b的第二测量传感器仅仅提供第二测量范围的信号，其中，测量范围彼此不同。一个测量范围可在另一测量范围之内。

连接腹板519、619a可如在ep1353159a2的第[0043]至[0052]段中说明的那样，与其上附接有测量传感器61的连接腹板14相应地构造。同样，连接腹板619b可为实心的或者可如在ep1353159a2的第[0055]至[0057]段中说明的那样，与其上附接有测量传感器61的连接腹板24或24'相应地构造。这同样适用于在此说明的具有连接腹板的所有其他连接腹板。

图7示出了第七扭矩传感器700，其与在图2中示出的第二扭矩传感器200的主要不同在于，该第七扭矩传感器与止挡凸缘723一体式形成，该止挡凸缘在外凸缘709的与第二施力部位711相反的一侧平行于传感器区段707延伸。止挡凸缘723仅仅与内凸缘703不可相对转动地连接，并且具有多个在扭矩传感器700的未受负荷的基本状态中与轴向外凸缘孔711和第三外凸缘孔711a同心的止挡凸缘孔725(第四施力部位)。止挡凸缘孔725具有比外凸缘孔711和711a更大的直径，并且在周向方向上等距地以及关于在径向方向y上通过内凸缘703的中轴线的线距离相同地彼此相对而置。构造为止挡销的止挡元件727固定在第三外凸缘孔711a中并且沿轴向方向x延伸，其中，止挡元件在扭矩传感器700的未受负荷的基本状态中沿周向无接触地被止挡凸缘孔725包围。在此，止挡凸缘孔725或第三外凸缘孔711a可如在此示出的那样构造为通孔或者替代地构造为盲孔。在传感器区段707过载时，止挡销727接触相应的止挡凸缘孔725的内侧，并且支撑在此处，以便为传感器区段707卸载。

图8示出了第八扭矩传感器800，其与在图7中所示的第七扭矩传感器700的主要不同在于，第八扭矩传感器的止挡凸缘823没有与内凸缘803一体式地形成，而是为与内凸缘803可松开地连接的单独构件。止挡凸缘823通过过盈配合与内凸缘803连接。

图9示出了第九扭矩传感器900，其与在图8中所示的第八扭矩传感器800的主要不同在于，第九扭矩传感器的止挡凸缘923不是通过过盈配合与内凸缘903连接，而是通过平行于轴向方向x伸延的(未示出的)螺栓与内凸缘903连接。为此目的，在内凸缘903和止挡凸缘923处存在相应的互补的孔929a、929b。

图10示出了第十扭矩传感器1000，其具有橡胶弹性的密封膜1031，以用于在一侧流体密封地覆盖在扭矩传感器1000处的机械削弱的传感器区段1007。在此，密封膜1031借助于螺栓1033环形地夹紧在内凸缘1003和外凸缘1009之间。在此，仅仅夹紧在内凸缘1003和外凸缘1009中的一个上可以是足够的。在此示出的图示仅仅意于说明还可仅仅将密封膜1031附接到传统的扭矩传感器，如例如由ep1353159a2已知的那样。通过外凸缘1009在轴向方向x上相应地延长超过螺栓1033可没有问题地设置上文说明的径向上有弹性的材料区段1013，其中，第二施力部位1011位于这种延长部分的端部。

图11示出了第十一扭矩传感器1100，其与在图10中示出的第十扭矩传感器1000的主要不同在于，第十一扭矩传感器的密封膜1131在内凸缘1103与外凸缘1109之间环形地与扭矩传感器1000粘接。

第十扭矩传感器1000或第十一扭矩传感器1100的密封膜1031、1131可为模制橡胶件、车削橡胶件或通过水射流切割制成的橡胶件，其中，为了固定，夹紧和粘接的组合同样是可行的。在此，密封膜1031、1131的弹性模量至少缩小至基体1001、1101的弹性模量的1/10²，优选地缩小至基体的弹性模量的1/10⁴至1/10²，优选地1/10⁵至1/10⁴。密封膜相比于基体的弹性模量越小，密封膜使扭矩传感器的测量结果的失真越小。

图12和图13示出了轻量化装置135中的图1的第一扭矩传感器100与谐波驱动传动机构137，其从内向外具有波发生器139、柔轮141和刚轮143。刚轮143与壳体145螺纹连接在一起，壳体又通过交叉滚子轴承147支承在从动壳体149处。借助于从动凸缘151将扭矩传感器100的外凸缘109螺纹连接到从动壳体149处。扭矩传感器100的内凸缘103又通过螺纹环153与柔轮141螺纹连接在一起。

图14示出了传统的应变仪10，其可理解为上文说明的测量传感器。应变仪10具有条状基体11，其在一端部具有测量格区段13，并且在相对的另一端具有构造为焊盘15的电连接点。为了使可作为整体固定在构件1上的应变仪10与电构件3电连接，必须使导线5首先与焊盘15焊接，并且紧接着与电构件3焊接。

图15示出了替代的应变仪20，其与在图14中示出的传统的应变仪10的主要不同在于，应变仪20可仅仅以其测量格区段23固定在构件1上，并且代替单独的导线5，应变仪20具有与测量格区段23邻接的连接区段24，该连接区段在其与测量格区段23相对的一端具有焊盘25，并且其长度至少相应于测量格区段23。在此，连接区段24为条形并且有弯曲弹性，其中，连接区段即使在未受负荷的基本状态中也可在优先方向上弯曲，使得它例如为u形。示出的应变仪20还具有倒圆的保持区段27，其在焊盘25的另一侧与连接区段24邻接，并且构造成将连接区段24暂时保持在电构件3处。为此目的，保持区段27可如在此示出的那样具有居中的通孔29，替代地还可具有凹处，在其中可引入用于将应变仪20保持在电构件3处的工具。为此目的，保持区段27还可同样或仅仅是自粘性的。