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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines von
einer Welle übertragenen Drehmomentes gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
3.
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Die
Messung eines von einer Welle übertragenen Drehmomentes
ist bei vielen technischen Anwendungsbereichen von Bedeutung, beispielsweise bei
automatisierten Schaltgetrieben und Kupplungen für Kraftfahrzeuge.
Bei bekannten Messverfahren wird das Drehmoment über einen
Verformkörper (z. B. eine Welle) geleitet, und die Verformung
dieses Verformkörpers wird von geeigneten Sensoren erfasst
und in einer Auswerteeinheit ausgewertet, d. h. in eine Drehmomentangabe übersetzt.
Als Sensoren kommen z. B. an der Welle angebrachte Dehnungsmessstreifen
zum Einsatz, deren Ausgangssignale über Schleifkontakte,
Transponder oder dergleichen Einrichtungen zu einem Datenverarbeitungsgerät
an der ortsfesten Struktur, an der die Welle gelagert ist, übertragen
werden.
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Bei
anderen bekannten Verfahren zum Messen eines von einer Welle übertragenen
Drehmomentes werden diese Wellen speziell magnetisiert, und die
Veränderung des magnetischen Feldes infolge der durch das
Drehmoment aufgebrachten mechanischen Spannungen werden von Sensoren
erfasst sowie ausgewertet. Die dabei auftretenden, von den Sensoren
aufzunehmenden magnetischen Felder sind sehr schwach und können
durch äußere elektromagnetische Störungen
leicht beeinflusst werden, was zu Messungenauigkeiten führen
kann. Außerdem müssen bei diesem Verfahren die
Sensoren sehr genau im Messfeld positioniert werden, um den Messfehler
zu minimieren.
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Ein
grundsätzlicher Nachteil dieser bekannten Messverfahren
bzw. Messvorrichtungen ist, dass die Sensoren für den gesamten
möglichen Messbereich einschließlich eines Überlastbereiches
ausgelegt sind, so dass sie im Bereich kleiner Momente infolge der
notwendigerweise geringen Auflösung nur ungenaue Werte
liefern. Damit sind sie für bestimmte Aufgaben weniger
geeignet, beispielsweise bei automatisierten Schaltkupplungen, bei
denen es auf eine möglichst genaue Erfassung des sogenannten Touch-Punktes
ankommt, ab dem bei einem Schließen der Kupplung diese
anfängt ein Drehmoment zu übertragen.
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Aus
der Patentschrift
DD
223 811 A1 ist bereits ein Verfahren zur Drehmomentmessung
bekannt, bei welchem auf die Oberfläche der rotierenden
Bauteile mindestens zwei voneinander getrennte Impulsfolgen oder
fortlaufende Signale gleicher Frequenz und Phasenlage magnetisch
aufgeprägt werden, wobei über eine entsprechende
Empfängerspule die durch ein Drehmoment hervorgerufene
Phasenverschiebung ermittelt und unter Einbeziehung der Drehzahl
in Drehmomentwerte umgesetzt wird. Dieses Verfahren arbeitet zwar
berührungslos, hat jedoch den Nachteil, dass es nur bei
Bauteilen mit ferromagnetischer Oberfläche anwendbar ist,
was unter Umständen konstruktive Beschränkungen
bedeutet.
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Aus
der Patentschrift
DD
283 003 A5 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Auswertung
von Verdrehwinkeln für Drehmoment-Messeinrichtungen bekannt,
bei welchem eine relative Verdrehung zweier über ein elastisch
verformbares Element miteinander drehgekoppelter Wellenabschnitte
gemessen wird. Die relative Verdrehung wird auf an den Wellenabschnitten
angeordnete, geschlitzte Messscheiben übertragen und mit
Hilfe von auf die Schlitze ausgerichteten Lichtsendern und Lichtempfängern
in Licht-Zellimpulse umgewandelt, die ein Maß für
die relative Verdrehung darstellen, und die in ein für
diese Verdrehung verantwortliches Drehmoment umgerechnet werden
können. Diese Anordnung ist technisch sehr aufwendig und
auch wegen des optoelektroni schen Messprinzips in vielen technischen
Bereichen, wie beispielsweise bei den oben erwähnten automatisierten
Schaltgetriebe bzw. Kupplungen, nicht verwendbar.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 3 genannten Art zum Messen eines
von einer Welle übertragenen Drehmoments zu schaffen, welche
konstruktiv und baulich einfach sind und speziell im unteren Bereich
eines größeren zu übertragenden Drehmomentbereiches eine
hohe Messgenauigkeit besitzen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einerseits aus den Merkmalen
des Verfahrensanspruchs 1 sowie andererseits aus den Merkmalen des
Vorrichtungsanspruchs 3, während vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung den diesen Ansprüchen
jeweils nachgeordneten Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Demnach
geht die Erfindung hinsichtlich des unabhängigen Verfahrensanspruchs
aus von einem Verfahren zum Messen eines von einer Welle übertragenen
Drehmomentes, wobei eine relative Verdrehung zweier über
ein elastisch verformbares Element miteinander drehgekoppelter Wellenabschnitte
gemessen wird. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist dabei
vorgesehen, dass die relative Verdrehung der Wellenabschnitte durch
bei einer vorgegebenen Drehmomentschwelle wirksam werdende Mitnahmeanschläge
an den Wellenabschnitten begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt demnach die Erkenntnis zugrunde, dass das verformbare
Element nur dem interessierenden kleinen Drehmomentbereich ausgesetzt
und von dem größeren Drehmomentbereich sowie gegebenenfalls
einem Überlastbereich freigehalten werden kann, so dass
der Sensor nur auf den interessierenden unteren Drehmomentbereich
ausgelegt werden muss.
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Die
genannten Wellenabschnitte verdrehen sich bei einem von dieser Welle übertragenen
Drehmoment unter elastischer Verformung des Elementes zunehmend,
bis die vorgegebene Drehmomentschwelle erreicht ist. Bei einem über
diese Schwelle ansteigenden Drehmoment sind die beiden Wellenabschnitte über
die Mitnahmeanschläge starr gekoppelt, so dass eine weitere
Verdrehung und damit Verformung des Elementes nicht stattfindet.
Ein die relative Verdrehung erfassendes Sensorelement ist so ausgelegt,
dass es nur den Messbereich bis zur Drehmomentschwelle erfasst,
so dass es eine hohe Auflösung haben und entsprechend genaue
Messwerte in dem interessierenden Messbereich liefern kann.
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Die
Drehmomentschwelle ist beispielsweise bei einer Anwendung in einer
automatisierten Anfahrkupplung so gewählt, dass der Messbereich
den Bereich des Touch-Punktes umfasst. Der maximal messbare Drehmomentwert
kann dabei beispielsweise 20% über demjenigen Drehmomentwert
liegen, ab dem eine in Schließrichtung angesteuerte Anfahrkupplung
eine Getriebeeingangswelle aus dem Stillstand in Drehung versetzt.
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Um
eine berührungslose Messung zu ermöglichen, ist
gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, dass die relative Verdrehung der Wellenabschnitte über
an den Wellenabschnitten angeordnete und zusammenwirkende Geberelemente
erfasst wird, die von einem äußeren Magnetfeld
durchsetzt werden, welches sich in Abhängigkeit von der
gegenseitigen Stellung der Geberelemente ändert, wobei
die veränderliche Magnetfeldstärke von einem zugeordneten,
ortsfesten Sensorelement gemessen wird, wie an einem Ausführungsbeispiel
genauer dargelegt wird.
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Eine
Vorrichtung zum Messen eines von einer Welle übertragenen
Drehmomentes, bei der die Welle in zwei Wellenabschnitte geteilt
ist, die über ein elastisch verformbares Element miteinander
drehgekoppelt sind, und wobei Mittel vorgesehen sind, um die relative
Verdrehung der Wellenabschnitte zu messen, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass den Wellenabschnitten Mitnehmeranschläge
zugeordnet sind, welche bei Erreichen eines vorgegebenen relativen
Verdrehwinkels der Wellenabschnitte zur gegenseitigen Anlage kommen.
Die Mitnehmeranschläge können bei Bedarf so ausgebildet sein,
dass sie bei beiden Drehrichtungen wirksam werden.
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Der
vorgegebene relative Verdrehwinkel ist so gewählt, dass
dabei die vorne genannte Drehmomentschwelle erreicht wird.
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In
einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, dass eines der einander zugewandten Enden der Wellenabschnitte als
Hohlwelle ausgebildet ist, welche das Ende des anderen Wellenabschnittes
koaxial aufnimmt, dass die beiden Wellenenden von einer diametralen Durchgangsbohrung
durchsetzt sind, wobei die Durchgangsbohrung des inneren Wellenabschnittes in
ihren radial äußeren Endbereichen umfangsbezogen
aufgeweitet ist, und dass in der Durchgangsbohrung ein Biegestift
aus einem elastisch verformbaren Material aufgenommen ist, dessen
beide Enden bei einer relativen Verdrehung der Wellenabschnitte
im Bereich der aufgeweiteten Endbereiche in Umfangsrichtung abgebogen
werden.
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Die
Aufweitung der Endbereiche der im inneren Wellenabschnitt ausgebildeten
Durchgangsbohrung ist so gewählt, dass eine Abbiegung der
Enden des Biegestiftes bis zum Erreichen des vorgegebenen, der Drehmomentschwelle
entsprechenden relativen Verdrehwinkels der Wellenabschnitte möglich ist.
Bei zunehmendem Drehmoment werden die Enden des Biegestiftes auf
Scherung beansprucht und bilden damit die Mitnehmeranschläge.
Es versteht sich, dass der Biegestift so ausgelegt ist, dass er
dem maximalen Betriebsdrehmoment sicher standhält.
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Die
Messung der relativen Verdrehung der Wellenabschnitte erfolgt gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass an den einander zugewandten
Enden der Wellenabschnitte zusammenwirkende Geberelemente angeordnet
sind, und dass Mittel vorgesehen sind, um die gegenseitige Verdrehung
der Geberelemente zu messen.
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Um
diese Messung berührungslos zu gestalten, haben die Geberelemente
eine Struktur, die bei unterschiedlicher relativer Verdrehung unterschiedliche
magnetische Durchgangswiderstände bildet, wobei den Geberelementen
eine ortsfeste Magnetkreisanordnung zugeordnet ist, welche ein diese durchsetzendes
Magnetfeld erzeugt, und wobei der Magnetkreisanordnung ein ortsfestes
Sensorelement zum Erfassen der in Abhängigkeit von der
relativen Verdrehung der Geberelemente veränderlichen Magnetfeldstärke
zugeordnet ist. Das vom Sensor zu erfassende Magnetfeld hängt
nur von der relativen Verdrehung der Wellenabschnitte bzw. der damit
verbundenen Geberelemente ab und nicht von der absoluten Drehstellung
der rotierenden Welle.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Geberelemente als
zueinander koaxiale Geberräder mit jeweils im Randbereich
regelmäßig aufeinander folgenden Durchbrechungen
ausgebildet, die sich bei einer ersten relativen Endstellung der
Geberräder, d. h. beispielsweise bei einem Drehmoment M
= 0 nicht überlappen, und die sich bei einer zweiten relativen
Endstellung, d. h. bei der vorne beschriebenen Drehmomentschwelle
im wesentlichen vollständig überlappen. Bei der
ersten relativen Endstellung bilden die Geberräder im Zusammenwirken
eine quasi geschlossene Wand, die für das diese durchsetzende
Magnetfeld einen großen Durchgangswiderstand bildet, während
bei der zweiten relativen Endstellung das Magnetfeld weitgehend
ungehindert hindurchtreten kann. Die Durchbrechungen können
beispielsweise durch im Randbereich der Geberräder ausgebildete
Fenster oder auch durch eine Randzahnung mit regelmäßig
aufeinander folgenden Zähnen und Lücken gebildet
sein.
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Die
Magnetkreisanordnung umfasst eine die Geberelemente zangenartig
umgreifende magnetische Brücke und ein dieser zugeordnetes
Sensorelement zum Erfassen der in der magnetischen Brücke herrschenden
Magnetfeldstärke. Die magnetische Brücke besteht
aus einem ferromagnetischen Material, und an wenigstens einem der
die Geberelemente umgreifenden Enden der Brücke ist ein
Magnet, vorzugsweise ein Permanentmagnet angeordnet, welcher in
der Brücke ein Magnetfeld erzeugt.
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Als
Sensorelement kommen beispielsweise ein Hall-Element, ein magnetoresistiver
Sensor, eine Spule mit einem Eisenkern oder dergleichen zur Anwendung.
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Die
Erfindung lässt sich anhand eines Ausführungsbeispieles
weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung
beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine
Axialansicht zweier koaxialer Wellenabschnitte mit einem diese durchsetzenden Biegestift
und mit koaxialen Geberrädern,
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2 eine
Ansicht der in 1 dargestellten Anordnung von
der Seite, und
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3 ein
Diagramm, welches den Magnetfluss bzw. die Magnetfeldstärke
B in Abhängigkeit vom relativen Verdrehwinkel α angibt.
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1 zeigt
einen in diesem Beispiel massiven inneren Wellenabschnitt 2,
der in einem als Hohlwelle ausgebildeten äußeren
Wellenabschnitt 4 koaxial aufgenommen ist. Die beiden Wellenabschnitte 2, 4 sind
jeweils von einer diametralen Durchgangsbohrung 6 durchsetzt,
wobei der den inneren Wellenabschnitt 2 durchsetzende Teil
der Durchgangsbohrung 6 in ihren radial äußeren
Endbereichen 8 bzw. 10 aufgeweitet ist, d. h.
einen größeren Innendurchmesser hat.
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In
der Durchgangsbohrung 6 ist ein Biegestift 12 aus
einem elastisch verformbaren Material aufgenommen, der demnach beide
Wellenabschnitte 2, 4 durchsetzt.
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Bei
einer relativen Verdrehung des äußeren Wellenabschnittes 4 gegenüber
dem inneren Wellenabschnitt 2 beispielsweise in Richtung
des Pfeils 14 werden die äußeren Enden 16 bzw. 18 des
Biegestiftes 12 elastisch abgebogen, wobei der Grad der
Abbiegung von dem von dem äußeren Wellenabschnitt 4 auf
den inneren Wellenabschnitt 2 übertragenen Drehmoment
abhängt.
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Bei
einer vorgegebenen Drehmomentschwelle kommen die abgebogenen Enden 16, 18 des
Biegestiftes 12 jeweils zur Anlage an der Innenwand der
zugeordneten, aufgeweiteten Endbereiche 8, 10 der
Durchgangsbohrung 6 und bilden auf diese Weise Mitnehmeranschläge,
welche eine starre Drehkopplung zwischen den Wellenabschnitten 2, 4 bilden.
Wie die 1 erkennen lässt, funktioniert
die dargestellte Anordnung auch bei einer dem Pfeil 14 entgegengesetzten
Drehrichtung.
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Wie
insbesondere auch aus der 2 erkennbar
ist, ist an dem radial inneren Wellenabschnitt 2 einerseits
und an dem radial äußeren Wellenabschnitt 4 andererseits
jeweils ein als Geberrad ausgebildetes Geberelement 20 bzw. 22 angeordnet,
in deren Randbereich regelmäßig aufeinander folgende Durchbrechungen 24 ausgebildet
sind, wobei in 1 nur die in dem dem Betrachter
zugewandten Geberelement 20 ausgebildeten Durchbrechungen zu
sehen sind, während die die gleiche Anordnung aufweisenden
Durchbrechungen des Geberelementes 22 verdeckt sind. Wie
weiter vorne bereits erläutert wurde, überlappen
sich die Durchbrechungen 24 der Geberelemente 20, 22 bei
einer ersten relativen Endstellung derselben nicht und bilden so
einen großen Durchgangswiderstand für ein die
Geberelemente 20, 22 durchsetzendes Magnetfeld,
während sie sich in einer zweiten Endstellung vollständig überlappen und
einen weitgehend ungehinderten Durchtritt für das Magnetfeld
ermöglichen.
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Wie
die 2 zeigt, ist den Geberelementen 20, 22 eine
Magnetkreisanordnung 26 zugeordnet, die eine die Geberelemente 20, 22 in
ihrem radial äußeren Randbereich zangenartig umgreifende
magnetische Brücke 28 und ein dieser zugeordnetes Sensorelement 30 zum
Erfassen der in der magnetischen Brücke 28 herrschenden
Magnetfeldstärke umfasst. Die magnetische Brücke 28 besteht
aus einem ferromagnetischen Material, und an den beiden die Geberelemente 20, 22 umgreifenden
Enden 32 bzw. 34 ist jeweils ein Magnet 36 bzw. 38 angeordnet, welche
das weitgehend geschlossene Magnetfeld erzeugen.
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Die
Durchbrechungen im Randbereich der als Geberräder ausgebildeten
Geberelemente können auch durch jeweils eine in 3 schematisch dargestellte
Randzahnung 40 bzw. 42 mit regelmäßig aufeinander
folgenden Zähnen und Lücken gebildet sein, wobei
sich die Lücken in einer ersten, in 3 rechts
dargestellten Endstellung nicht überlappen und damit einen
großen magnetischen Durchgangswiderstand bilden, während
sie sich in einer zweiten, in 3 oben dargestellten
Endstellung vollständig überlappen und damit einen
geringen magnetischen Durchtrittswiderstand bilden.
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Das
in 3 dargestellte Diagramm gibt in einer qualitativen
Darstellung die Abhängigkeit der Magnetfeldstärke
B bzw. des magnetischen Flusses vom Verdrehwinkel α an,
und es zeigt eine minimale Magnetfeldstärke B für
die erste Endstellung, die beispielsweise einem Zustand entspricht,
bei dem die Welle kein Drehmoment überträgt, und
eine maximale Magnetfeldstärke bei der zweiten Endstellung,
bei der die Welle ein der Drehmomentschwelle entsprechendes Drehmoment überträgt.
In der mit dem Sensorelement 30 verbundenen, nicht dargestellten
Auswerteeinheit wird jedem Wert B ein entsprechendes Drehmoment
zugeordnet, welches in einer Steuerungseinrichtung weiterverwertet
werden kann.
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- 2
- Innerer
Wellenabschnitt
- 4
- Äußerer
Wellenabschnitt
- 6
- Durchgangsbohrung
- 8
- Endbereich
- 10
- Endbereich
- 12
- Biegestift
- 14
- Pfeil
- 16
- Ende
des Biegestifts
- 18
- Ende
des Biegestifts
- 20
- Geberelement
- 22
- Geberelement
- 24
- Durchbrechungen
- 26
- Magnetkreisanordnung
- 28
- Magnetische
Brücke
- 30
- Sensorelement
- 32
- Ende
der magnetischen Brücke
- 34
- Ende
der magnetischen Brücke
- 36
- Magnet
- 38
- Magnet
- 40
- Randzahnung
- 42
- Randzahnung
- B
- Magnetfeldstärke
- α
- Verdrehwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DD 223811
A1 [0005]
- - DD 283003 A5 [0006]